第15章氣相色譜分析

1、2022-4-8第第1515章章 分離分析法導論分離分析法導論2022-4-815-115-1、概述、概述混合物最有效的分離、分析方法?；旌衔镒钣行У姆蛛x、分析方法。 俄國植物學家茨維特在俄國植物學家茨維特在19061906年使用的裝置：年使用的裝置：色譜原型裝置，如圖。色譜原型裝置，如圖。 色譜法是一種分離技術色譜法是一種分離技術， 試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分配過程。配過程。 其中的一相固定不動，稱為其中的一相固定不動，稱為固定相固定相； 另一相是攜帶試樣混合

2、物流過此固定相的流另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體（氣體或液體），稱為體（氣體或液體），稱為流動相流動相。2022-4-8色譜法的發(fā)展歷史色譜法的發(fā)展歷史年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應用1906Tswett用碳酸鈣作吸附劑分離植物色素。最先提出色譜概念。1931Kuhn, Lederer用氧化鋁和碳酸鈣分離a-、b-和g-胡蘿卜素。使色譜法開始為人們所重視。1938Izmailov, Shraiber最先使用薄層色譜法。1938Taylor, Uray用離子交換色譜法分離了鋰和鉀的同位素。1941Martin, Synge提出色譜塔板理論；發(fā)明液-液分配色譜；預言了氣體可作為流動相（

3、即氣相色譜）。1944Consden一步等發(fā)明了紙色譜。1949Macllean在氧化鋁中加入淀粉黏合劑制作薄層板使薄層色譜進入實用階段。1952Martin, James從理論和實踐方面完善了氣-液分配色譜法。1956Van Deemter等提出色譜速率理論，并應用于氣相色譜。1957 基于離子交換色譜的氨基酸分析專用儀器問世。1958Golay發(fā)明毛細管柱氣相色譜。1959Porath, Flodin發(fā)表凝膠過濾色譜的報告。1964Moore發(fā)明凝膠滲透色譜。1965Giddings發(fā)展了色譜理論，為色譜學的發(fā)展奠定了理論基礎。1975Small發(fā)明了以離子交換劑為固定相、強電解質為流動相

4、，采用抑制型電導檢測的新型離子色譜法。1981Jorgenson等創(chuàng)立了毛細管電泳法。2022-4-8 色譜法起過關鍵作用的諾貝爾獎研究工作 年代獲獎學科獲獎研究工作1937化學類胡蘿卜素化學，維生素A和B1938化學類胡蘿卜素化學1939化學聚甲烯和高萜烯化學1950生理學、醫(yī)學性激素化學及其分離、腎皮素化學及其分離1951化學超鈾元素的發(fā)現(xiàn)1955化學腦下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素1958化學胰島素的結構1961化學光合作用時發(fā)生的化學反應的確認1970生理學、醫(yī)學關于神經(jīng)元觸處遷移物質的研究1970化學糖核苷酸的發(fā)現(xiàn)及其在生物合成碳水化合物中的作用1972化學核糖核酸化學酶結構的研

5、究1972生理學、醫(yī)學抗體結構的研究2022-4-815-215-2、色譜分析法及其基本概念、色譜分析法及其基本概念 當流動相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時，其與固定相發(fā)當流動相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時，其與固定相發(fā)生相互作用。由于混合物中各組分在性質和結構上的差異，生相互作用。由于混合物中各組分在性質和結構上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強弱不同，隨著流動相與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強弱不同，隨著流動相的移動，混合物在兩相間經(jīng)過反復多次的分配平衡，使得各的移動，混合物在兩相間經(jīng)過反復多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時間不同，從而按一定次序由固定相中組分被固定相保留的時間

6、不同，從而按一定次序由固定相中流出。流出。 與適當?shù)闹髾z測方與適當?shù)闹髾z測方法結合，實現(xiàn)混合物中各法結合，實現(xiàn)混合物中各組分的分離與檢測。組分的分離與檢測。 兩相及兩相的相對運兩相及兩相的相對運動構成了色譜法的基礎動構成了色譜法的基礎一、色譜分析法簡介一、色譜分析法簡介2022-4-8二、色譜法分類二、色譜法分類 (1) (1)氣相色譜氣相色譜：流動相為氣體（稱為載氣）。流動相為氣體（稱為載氣）。 按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細管柱色譜。按分離柱不同可分為：填充柱色譜和毛細管柱色譜。 按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜。按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜。2022-4-8

7、(2)(2)液相色譜液相色譜：流動相為液體（也稱為淋洗液）。流動相為液體（也稱為淋洗液）。按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。按固定相的不同分為：液固色譜和液液色譜。離子色譜：離子色譜：液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固液相色譜的一種，以特制的離子交換樹脂為固定相，不同定相，不同pHpH值的水溶液為流動相。值的水溶液為流動相。2022-4-8(3)(3)其他色譜方法其他色譜方法薄層色譜和紙色譜：薄層色譜和紙色譜： 比較簡單的色譜方法比較簡單的色譜方法凝膠色譜法凝膠色譜法：測聚合物分子量分布。超臨界色譜超臨界色譜: : COCO2 2流動相。流動相。高效毛細管電泳高效毛細管電泳: :

8、九十年代快速發(fā)展、特別九十年代快速發(fā)展、特別適合生物試樣分析分離的高適合生物試樣分析分離的高效分析儀器。效分析儀器。2022-4-8三、色譜流出曲線與術語三、色譜流出曲線與術語1. 1.基線基線 無試樣通過檢測器時，無試樣通過檢測器時，檢測到的信號即為基線。檢測到的信號即為基線。2. 2.色譜保留值色譜保留值 （1 1）時間表示的保留值）時間表示的保留值 保留時間（保留時間（t tR R）：）：組組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度極大值時所需的時間；極大值時所需的時間； 死時間（死時間（t tMM）：）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間；留

9、時間； 調整保留時間（調整保留時間（t tR R ）：）：t tR R= = t tR R- -t tMM 2022-4-8 （2 2）用體積表示的保留值）用體積表示的保留值 保留體積（保留體積（V VR R）：）： V VR R = = t tR RF F0 0F F0 0為柱出口處的載氣流量，為柱出口處的載氣流量，單位：單位：m L / minm L / min。 死體積（死體積（V VMM）：）： V VMM = = t tMM F F0 0 調整保留體積調整保留體積( (V VR R) )： V V R R = = V VR R - -V VMM 2022-4-8（3 3） 相對保留值

10、相對保留值r r2121 組分組分2 2與組分與組分1 1調整保留值之比：調整保留值之比： r r2121 = = t t R R2 2 / / t t R R1 1= = V V R R2 2 / / V V R R1 1 相對保留值只與柱溫相對保留值只與柱溫和固定相性質有關，與其和固定相性質有關，與其他色譜操作條件無關，它他色譜操作條件無關，它表示了固定相對這兩種組表示了固定相對這兩種組分的選擇性。分的選擇性。2022-4-83 3. . 色譜峰的高度、寬度及面積色譜峰的高度、寬度及面積 用來衡量色譜峰寬度的參用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有數(shù)，有三種表示方法三種表示方法：（1 1）標準偏差標

11、準偏差( ( ) )：即即0.6070.607倍峰倍峰高處色譜峰寬度的一半。高處色譜峰寬度的一半。（2 2）半峰寬半峰寬( (Y Y1/21/2) )：色譜峰高一色譜峰高一半處的寬度半處的寬度 Y Y1/21/2 =2.354 =2.354 （3 3）峰底寬峰底寬( (WWb b) )：WWb b=4 =4 2022-4-84. 4.色譜分離過程色譜分離過程 色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成的。色譜分離過程是在色譜柱內(nèi)完成的。 填充柱色譜填充柱色譜: :氣固氣固( (液固液固) )色譜和氣液色譜和氣液( (液液液液) )色譜，兩者的分色譜，兩者的分離機理不同。離機理不同。 氣固氣固( (液固液固)

12、 )色譜的固定相色譜的固定相: : 多孔性的固體吸附劑顆粒。多孔性的固體吸附劑顆粒。 固體吸附劑對試樣中各組分的吸附能力的不同。固體吸附劑對試樣中各組分的吸附能力的不同。氣液氣液( (液液液液) )色譜的固定相色譜的固定相: : 由由 擔體和固定液所組成。擔體和固定液所組成。 固定液對試樣中各組分的溶解能力的不同。固定液對試樣中各組分的溶解能力的不同。氣固色譜的分離機理氣固色譜的分離機理: : 吸附與脫附的不斷重復過程。吸附與脫附的不斷重復過程。氣液色譜的分離機理：氣液色譜的分離機理： 氣液氣液( (液液液液) )兩相間的反復多次分配過程。兩相間的反復多次分配過程。2022-4-81. 1.

13、氣相色譜分離過程氣相色譜分離過程 當試樣由載氣攜帶進入色譜當試樣由載氣攜帶進入色譜柱與固定相接觸時，被固定相柱與固定相接觸時，被固定相溶解或吸附。溶解或吸附。 隨著載氣的不斷通入，被溶隨著載氣的不斷通入，被溶解或吸附的組分又從固定相中解或吸附的組分又從固定相中揮發(fā)或脫附。揮發(fā)或脫附。 揮發(fā)或脫附下的組分隨著載揮發(fā)或脫附下的組分隨著載氣向前移動時又再次被固定相氣向前移動時又再次被固定相溶解或吸附。溶解或吸附。 隨著載氣的流動，溶解、揮隨著載氣的流動，溶解、揮發(fā)，或吸附、脫附的過程反復發(fā)，或吸附、脫附的過程反復地進行。地進行。2022-4-82. 2. 分配系數(shù)（分配系數(shù)（ partion fac

14、torpartion factor） K K 組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、組分在固定相和流動相間發(fā)生的吸附、脫附，或溶解、揮發(fā)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間揮發(fā)的過程叫做分配過程。在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的濃度（單位：分配達到平衡時的濃度（單位：g / mLg / mL）比，稱為分配系數(shù)，比，稱為分配系數(shù)，用用K K 表示，即：表示，即：Ms ccK 組分在流動相中的濃度組分在流動相中的濃度組分在固定相中的濃度組分在固定相中的濃度分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。分配系數(shù)是色譜分離的依據(jù)。2022-4-8分配系數(shù)分配系數(shù) K K 一定溫度下，組分的分

15、配系數(shù)一定溫度下，組分的分配系數(shù)K K越大，出峰越慢。越大，出峰越慢。試樣一定時，試樣一定時，K K主要取決于固定相性質。主要取決于固定相性質。每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)每個組份在各種固定相上的分配系數(shù)K K不同。不同。選擇適宜的固定相可改善分離效果。選擇適宜的固定相可改善分離效果。試樣中的各組分具有不同的試樣中的各組分具有不同的K K值是分離的基礎。值是分離的基礎。某組分的某組分的K K = 0 = 0時，即不被固定相保留，最先流出。時，即不被固定相保留，最先流出。 組分在流動相中的濃度組分在流動相中的濃度組分在固定相中的濃度組分在固定相中的濃度 K2022-4-83. 3.分配比分配

16、比 （partion radiopartion radio）k k 在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。在實際工作中，也常用分配比來表征色譜分配平衡過程。分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡分配比是指，在一定溫度下，組分在兩相間分配達到平衡時的質量比：時的質量比：Ms mmk 組分在流動相中的質量組分在流動相中的質量組分在固定相中的質量組分在固定相中的質量 1. 1. 分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學性質分配系數(shù)與分配比都是與組分及固定相的熱力學性質有關的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。有關的常數(shù)，隨分離柱溫度、柱壓的改變而變化。 2. 2.分配系數(shù)

17、與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的分配系數(shù)與分配比都是衡量色譜柱對組分保留能力的參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。參數(shù)，數(shù)值越大，該組分的保留時間越長。 3. 3. 分配比可以由實驗測得。分配比可以由實驗測得。分配比也稱：分配比也稱： 容量因子容量因子( (capacity factor)capacity factor)；容量比容量比( (capacity factor)capacity factor)；2022-4-84. 4. 容量因子與分配系數(shù)的關系容量因子與分配系數(shù)的關系 式中式中 為相比。為相比。 填充柱相比：填充柱相比：6 63535；毛細管柱的相比：；毛細管柱的相比：50

18、5015001500。 容量因子越大，保留時間越長。容量因子越大，保留時間越長。 V VMM為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積為流動相體積，即柱內(nèi)固定相顆粒間的空隙體積。 V VS S為固定相體積，對不同類型色譜柱，為固定相體積，對不同類型色譜柱， V VS S的含義不同的含義不同。 氣氣- -液色譜柱：液色譜柱： V VS S為固定液體積為固定液體積。 氣氣- -固色譜柱：固色譜柱： V VS S為吸附劑表面容量為吸附劑表面容量。b bKVVccVVMVVMMMkmSmsmmSSSSmS 2022-4-85. 5. 分配比與保留時間的關系分配比與保留時間的關系 滯留因子（滯留因子（r

19、etardation factorretardation factor）：）：uuRSS u us s：組分在分離柱內(nèi)的線速度；組分在分離柱內(nèi)的線速度；u u：流動相在分離柱內(nèi)的線流動相在分離柱內(nèi)的線速度；速度；滯留因子滯留因子R RS S也可以用質量分數(shù)也可以用質量分數(shù) 表示：表示：kmmmmmRS 1111MsMss 若組分和流動相通過長度為若組分和流動相通過長度為L L的分離柱，需要的時間分別的分離柱，需要的時間分別為為t tR R和和t tMM，則：則：uLtuLt MSR;由以上各式，可得：由以上各式，可得： t tR R = = t tMM(1+(1+k k) )MRMMRtttt

20、tk 2022-4-8一、色譜理論一、色譜理論 色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力色譜理論需要解決的問題：色譜分離過程的熱力學和動力學問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與學問題。影響分離及柱效的因素與提高柱效的途徑，柱效與分離度的評價指標及其關系。分離度的評價指標及其關系。組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時間為何不同？色譜峰為何變寬？組分保留時間組分保留時間：色譜過程的熱力學因素控制。：色譜過程的熱力學因素控制。 （組分和固定液的結構和性質）（組分和固定液的結構和性質）色譜峰變寬：色譜峰變寬：色譜過程的動力學因素控制。色譜過程的動力學因素控制。 （兩

21、相中的運動阻力，擴散）（兩相中的運動阻力，擴散）兩種色譜理論：塔板理論和速率理論。兩種色譜理論：塔板理論和速率理論。15-3 15-3 色譜分析的基本理論色譜分析的基本理論2022-4-8 塔板理論的假設：塔板理論的假設：(1) (1) 在每一個平衡過程間隔內(nèi)，平衡可以迅速達到在每一個平衡過程間隔內(nèi)，平衡可以迅速達到。 (2) (2) 將載氣看作成脈動（間歇）過程。將載氣看作成脈動（間歇）過程。(3) (3) 試樣沿色譜柱方向的擴散可忽略。試樣沿色譜柱方向的擴散可忽略。(4) (4) 每次分配的分配系數(shù)相同。每次分配的分配系數(shù)相同。 1. 1.塔板理論塔板理論半經(jīng)驗理論：半經(jīng)驗理論： 將色譜分

22、離過程比擬作蒸餾過程，將連續(xù)將色譜分離過程比擬作蒸餾過程，將連續(xù)的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復的色譜分離過程分割成多次的平衡過程的重復 （類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程）。（類似于蒸餾塔塔板上的平衡過程）。2022-4-8 色譜柱長：色譜柱長：L L， 虛擬的塔板間距離：虛擬的塔板間距離：H H， 色譜柱的理論塔板數(shù)：色譜柱的理論塔板數(shù)：n n，則三者的關系為：則三者的關系為： n n = = L L / / H H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關系為：理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關系為：222116545)()(./bRRWtYtn保留時間包含死時間，在死時間內(nèi)不參與分配保留時間包含死時間

23、，在死時間內(nèi)不參與分配! !2022-4-82. 2.有效塔板數(shù)和有效塔板高度有效塔板數(shù)和有效塔板高度 單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。單位柱長的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。 用不同物質計算可得到不同的理論塔板數(shù)。用不同物質計算可得到不同的理論塔板數(shù)。 組分在組分在t tMM時間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效時間內(nèi)不參與柱內(nèi)分配。需引入有效塔板數(shù)和有效塔板高度：塔板數(shù)和有效塔板高度：222/1)(16)(54. 5bRRWtYtn 理理有效有效有效有效有效有效nLHWtYtnbRR 222/1)(16)(54. 52022-4-83. 3.塔板理論的特點和不足塔板理論的特點和不足 (1) (1

24、)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù) n n 越大越大( (塔板高度塔板高度 H H 越小越小) )，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得，被測組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)越多，柱效能則越高，所得色譜峰越窄。色譜峰越窄。 (2) (2)不同物質在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板不同物質在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，用有效塔板數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應指明測定物數(shù)和有效塔板高度作為衡量柱效能的指標時，應指明測定物質。質。 (3) (3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當兩組分的分配系數(shù)分配系數(shù)K

25、 K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。離。 (4) (4)塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下柱效不同的實驗結果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的不同的實驗結果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。途徑。2022-4-8二、二、 速率理論速率理論- -影響柱效的因素影響柱效的因素速率方程速率方程-（也稱范（也稱范. .弟姆特方程式）弟姆特方程式） H H = = A A + + B B/ /u u + + C Cu u H H：理論塔板高度，：理論塔板高度， u u：載氣的線

26、速度：載氣的線速度( (cm/s)cm/s) 減小減小A A、B B、C C三項可提高柱效。三項可提高柱效。 存在著最佳流速。存在著最佳流速。 A A、B B、C C三項各與哪些因素有關？三項各與哪些因素有關？2022-4-8A A渦流擴散項渦流擴散項 A A = 2 = 2dpdp dpdp：固定相的平均顆粒直徑固定相的平均顆粒直徑 ：固定相的填充不均勻因子固定相的填充不均勻因子 固定相顆粒越小固定相顆粒越小dpdp，填充的越均勻，填充的越均勻，A A，H H，柱效，柱效n n。表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜。表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。峰較窄。20

27、22-4-8B B/ /u u 分子擴散項分子擴散項 B B = 2 = 2 D Dg g ：彎曲因子，填充柱色譜，彎曲因子，填充柱色譜， 11。 D Dg g：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cmcm2 2ss-1 -1） (1) (1) 存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散; ; (2) (2) 擴散導致色譜峰變寬，擴散導致色譜峰變寬，H H(n n) )，分離變差分離變差; ; (3) (3) 分子擴散項與流速有關，流速分子擴散項與流速有關，流速，滯留時間，滯留時間，擴散，擴散; ; (4) (4) 擴散系數(shù)：擴散系數(shù)：D Dg g (M

28、M載氣載氣) )-1/2 -1/2 ； MM載氣載氣，B B值值。2022-4-8 k k為容量因子；為容量因子； D Dg g 、D DL L為擴散系數(shù)。為擴散系數(shù)。 減小擔體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質減小擔體粒度，選擇小分子量的氣體作載氣，可降低傳質阻力。阻力。C C u u 傳質阻力項傳質阻力項 傳質阻力包括氣相傳質阻力傳質阻力包括氣相傳質阻力C Cg g和液相傳質阻力和液相傳質阻力C CL L即：即： C C = =（C Cg g + + C CL L）gfgDdkkC22)1 (01. 0LfLDdkkC22)1 (322P2022-4-82. 2.載氣流速與柱效載氣

29、流速與柱效最佳流速最佳流速載氣流速高時：載氣流速高時： 傳質阻力項是影響柱效的主傳質阻力項是影響柱效的主要因素，要因素，流速流速 ，柱效，柱效 。載氣流速低時：載氣流速低時： 分子擴散項成為影響柱效的分子擴散項成為影響柱效的主要因素，主要因素，流速流速 , ,柱效柱效 。H H - - u u曲線與最佳流速：曲線與最佳流速： 由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響由于流速對這兩項完全相反的作用，流速對柱效的總影響使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流使得存在著一個最佳流速值，即速率方程式中塔板高度對流速的一階導數(shù)有一極小值。速的一階導數(shù)有一極小值。 以塔板高度以塔板高

30、度H H對應載氣流速對應載氣流速u u作圖，曲線最低點的流速即作圖，曲線最低點的流速即為為最佳流速最佳流速。2022-4-83. 3. 速率理論的要點速率理論的要點 (1) (1) 組分分子在柱內(nèi)運行的組分分子在柱內(nèi)運行的多路徑與渦流擴散多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造濃度梯度所造成的成的分子擴散分子擴散及及傳質阻力傳質阻力使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間使氣液兩相間的分配平衡不能瞬間達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下降的主要原因。達到等因素是造成色譜峰擴展柱效下降的主要原因。 (2) (2) 通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可

31、提高柱效。流速可提高柱效。 (3) (3) 速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。 (4) (4) 各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響各種因素相互制約，如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，使柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱減小，使柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質，但又加劇了分子擴散的影效下降；柱溫升高，有利于傳質，但又加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。響，選擇最佳條件，才能使

32、柱效達到最高。2022-4-8三、三、 分離度分離度 塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質對的實際分塔板理論和速率理論都難以描述難分離物質對的實際分離程度。即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全分離。離程度。即柱效為多大時，相鄰兩組份能夠被完全分離。 難分離物質對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合難分離物質對的分離度大小受色譜過程中兩種因素的綜合影響：影響：保留值之差保留值之差色譜過程的熱力學因素；色譜過程的熱力學因素； 區(qū)域寬度區(qū)域寬度色譜過程的動力學因素。色譜過程的動力學因素。 色譜分離中的四種情況如圖所示：色譜分離中的四種情況如圖所示：2022-4-8討論：討論： 色譜分離中的四種情

33、況的討論：色譜分離中的四種情況的討論： 柱效較高，柱效較高，K K( (分配系數(shù)分配系數(shù)) )較大較大, ,完全分離；完全分離； K K不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；不是很大，柱效較高，峰較窄，基本上完全分離；柱效較低，柱效較低，K K較大較大, ,但分離的不好；但分離的不好； K K小，小，柱效低，分離效果更差。柱效低，分離效果更差。2022-4-8分離度的表達式分離度的表達式：R R=0.8=0.8：兩峰的分離程度可達：兩峰的分離程度可達89%89%。R R=1=1：分離程度：分離程度98%98%。R R=1.5=1.5：達：達99.7%99.7%（相鄰兩峰完全分離的標準）。

34、（相鄰兩峰完全分離的標準）。)(.)()()(/)(/)()()()()()(121221121212699122YYttWWttRRRbbRR2022-4-8令令WWb(2)b(2)= =WWb(1)b(1)= =WWb b（相鄰兩峰的峰底寬近似相等相鄰兩峰的峰底寬近似相等），），引入相對引入相對保留值和塔板數(shù)，可導出下式：保留值和塔板數(shù)，可導出下式：161112212121121221211212有效nrrWtttrWtttWttWWttRbbbbbRRRRRRRRRR)()()()()()()()()()()()()()()()(有效有效HrrRLrrRn2212122212121161

35、16)()(2022-4-8討論討論：（1 1）分離度與柱效分離度與柱效 分離度與柱效的平方根成正比，分離度與柱效的平方根成正比， r r2121一定時，增加柱效，一定時，增加柱效，可提高分離度，但組分保留時間增加且峰擴展，分析時間長可提高分離度，但組分保留時間增加且峰擴展，分析時間長。（2 2）分離度與分離度與r r2121 增大增大r r2121是提高分離度的最有效方法，計算可知，在相同分是提高分離度的最有效方法，計算可知，在相同分離度下，當離度下，當r r2121增加一倍，需要的增加一倍，需要的n n有效有效 減小減小1000010000倍。倍。 增大增大r r2121的最有效方法是選擇

36、合適的固定液。的最有效方法是選擇合適的固定液。2022-4-8例題例題1 1： 在一定條件下，兩個組分的調整保留時間分別為在一定條件下，兩個組分的調整保留時間分別為8585秒和秒和100100秒，要達到完全分離，即秒，要達到完全分離，即R R=1.5 =1.5 。計算需要多少塊有效計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為塔板。若填充柱的塔板高度為0.1 0.1 cmcm，柱長是多少？柱長是多少？解：解： r r2121= 100 / 85 = 1.18= 100 / 85 = 1.18 n n有效有效 = 16= 16R R2 2 r r2121 / ( / (r r2121 1) 1)

37、2 2 = 16 = 161.51.52 2 (1.18 / 0.18 )(1.18 / 0.18 ) 2 2 = 1547 = 1547（塊）塊） L L有效有效 = = n n有效有效H H有效有效 = 1547= 15470.1 = 155 0.1 = 155 cmcm 即柱長為即柱長為1.551.55米時，兩組分可以得到完全分離。米時，兩組分可以得到完全分離。2022-4-8例題例題2 2： 在一定條件下，兩個組分的保留時間分別為在一定條件下，兩個組分的保留時間分別為12.212.2s s和和12.812.8s s，計算分離度。要達到完全分離，即計算分離度。要達到完全分離，即R R=1

38、.5=1.5，所需要的柱長。所需要的柱長。解：解：8533. 036008 .12448133. 036002 .12442211 ntWntWRbRb分離度分離度：72. 08133. 08533. 0)2 .128 .12(2 RmLRRL34. 4172. 05 . 1212122 塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？2022-4-8第16章氣相色譜分析法2022-4-8 氣相色譜法是指用氣體作為流動相的色譜法。氣相色譜法是指用氣體作為流動相的色譜法。由于樣品在氣相中傳遞速度快，因此樣品組分在流由于樣品在氣相中傳遞速度快，因此樣品組分在流動相和固定相之間可以瞬

39、間地達到平衡。另外加上動相和固定相之間可以瞬間地達到平衡。另外加上可選作固定相的物質很多，因此氣相色譜法是一個可選作固定相的物質很多，因此氣相色譜法是一個分析速度快和分離效率高的分離分析方法。近年來分析速度快和分離效率高的分離分析方法。近年來采用高靈敏選擇性檢測器，使得它又具有分析靈敏采用高靈敏選擇性檢測器，使得它又具有分析靈敏度高、應用范圍廣等優(yōu)點。度高、應用范圍廣等優(yōu)點。 16-1 16-1 概述概述2022-4-816-2、氣相色譜儀2022-4-8氣相色譜儀2022-4-8氣相色譜儀器2022-4-8氣相色譜主要部件氣相色譜主要部件1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；

40、5-流量計;6-壓力表；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；9-熱導檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；載氣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)色譜柱檢測系統(tǒng)溫控系統(tǒng)2022-4-81. 1. 載氣系統(tǒng)載氣系統(tǒng) 包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制。常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣。凈化干燥管凈化干燥管：去除載氣中的水、有機物等雜質（依次通過分子篩、活性炭等）。載氣流速控制載氣流速控制：壓力表、流量計、針形穩(wěn)壓閥，控制載氣流速恒定。2022-4-82. 進樣系統(tǒng) 進樣裝置：進樣裝置：進樣器+氣化室。 氣體進樣器氣體進樣器（六通閥）：（六通閥）：推拉式和旋轉式兩種。 試樣首先充滿定量管，切入后，載氣攜帶定

41、量管中的試樣氣體進入分離柱。2022-4-8液體進樣器： 不同規(guī)格的專用注射器專用注射器，填充柱色譜常用10L；毛細管色譜常用1L；新型儀器帶有全自動液體進樣器，清洗、潤沖、取樣、進樣、換樣等過程自動完成，一次可放置數(shù)十個試樣。 氣化室氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置。無催化作用。2022-4-83. 分離系統(tǒng) 色譜柱：色譜柱：色譜儀的核心部件。 柱材質：柱材質：不銹鋼管或玻璃管，內(nèi)徑3-6毫米。長度可根據(jù)需要確定。 柱填料：柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相。 液液- -固色譜：固體吸附劑固色譜：固體吸附劑 液液- -液色譜：擔體液色譜：擔體+ +固定液固定液 柱制備對柱效

42、有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或將 柱堵死，反之空隙體積大，柱效低。2022-4-8一、氣固色譜固定相1. 1. 種類種類 (1)(1)活性炭活性炭 有較大的比表面積，吸附性較強。 (2)(2)活性氧化鋁活性氧化鋁 有較大的極性。適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等氣體的相互分離。CO2能被活性氧化鋁強烈吸附而不能用這種固定相進行分析。2022-4-8 (3)(3)硅膠硅膠 與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能夠分離臭氧。(4)(4)分子篩分子篩 堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。如3A、4A

43、、5A、10X及13X分子篩等（孔徑：埃）。常用5A和13X（常溫下分離O2與N2）。除了廣泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分離外，還能夠測定He、Ne、Ar、NO、N2O等。(5)(5)高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDXGDX系列）系列） 新型的有機合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。 型號：GDX-01、-02、-03等。適用于水、氣體及低級醇的分析。2022-4-82. 氣固色譜固定相的特點（1 1）性能與制備和活化條件有很大關系。）性能與制備和活化條件有很大關系。（2 2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大

44、。差異較大。（3 3）種類有限，能分離的對象不多。）種類有限，能分離的對象不多。（4 4）使用方便。）使用方便。2022-4-8二、氣液色譜固定相 氣液色譜固定相氣液色譜固定相 固定液固定液+ +擔體擔體（支持體） ：小顆粒表面涂漬上一薄層固定液。小顆粒表面涂漬上一薄層固定液。 固定液特點：固定液特點： 固定液在常溫下不一定為液體，但在使用溫度下一定呈固定液在常溫下不一定為液體，但在使用溫度下一定呈液體狀態(tài)。液體狀態(tài)。 固定液的種類繁多，選擇余地大，應用范圍不斷擴大。固定液的種類繁多，選擇余地大，應用范圍不斷擴大。擔體：化學惰性的多孔性固體顆粒，具有較大的比表面積。擔體：化學惰性的多孔性固體顆

45、粒，具有較大的比表面積。2022-4-8 1. 作為擔體使用的物質應滿足的條件 比表面積大，孔徑分布均勻。比表面積大，孔徑分布均勻。 化學惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份化學惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份不起反應。不起反應。 具有較高的熱穩(wěn)定性和機械強度，不易破碎。具有較高的熱穩(wěn)定性和機械強度，不易破碎。 顆粒大小均勻、適度。一般常用顆粒大小均勻、適度。一般常用60806080目、目、8010080100目。目。2022-4-82.擔體（硅藻土）紅色擔體：紅色擔體： 孔徑較小，表孔密集，比表面積較大，機械強度好?？讖捷^小，表孔密集，比表面積較大，機械強度好。適宜分離非

46、極性或弱極性組分的試樣。缺點是表面存有活適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。缺點是表面存有活性吸附中心點。性吸附中心點。白色擔體：白色擔體： 煅燒前原料中加入了少量助溶劑（碳酸鈉）。煅燒前原料中加入了少量助溶劑（碳酸鈉）。 顆顆 粒疏粒疏松，孔徑較大。比表面積較小，機械強度較差。但吸附性松，孔徑較大。比表面積較小，機械強度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。2022-4-8表 氣液色譜擔體 種類 擔體名稱 特點及用途 生產(chǎn)廠家紅色硅藻土擔體201 紅色擔體301 釉化紅色擔體6201 紅色擔體適用于涂漬非極性固定液分析非極性物質由 201 釉化而成，

47、性能介于紅色與白色硅藻土擔體之間，適用于分析中等極性物質上海試劑廠大連催化劑廠硅藻土類白色硅藻土擔體101 白色擔體101 酸洗101 硅烷化白色擔體102 白色擔體適用于涂漬極性固定液分析極性物質催化吸附性小，減小色譜峰拖尾上海試劑廠非硅藻土類高分子微球玻璃微球氟擔體由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成經(jīng)酸堿處理，比表面積 0.02 m2 / g ,可在較高溫度下使用，適宜分析高沸點物質。由四氟乙烯聚合而成，比表面積 10.5 m2 /g適宜分析強極性物質和腐蝕性物質上海試劑廠2022-4-83. 3.固定液固定液 固定液：固定液：高沸點難揮發(fā)的有機化合物，種類繁多。(1) (1) 對固定液的要求對固

48、定液的要求 應對被分離試樣中的各組分具有不同的溶解能力，較好的熱穩(wěn)定性，并且不與被分離組分發(fā)生不可逆的化學反應。(2) (2) 選擇的基本原則選擇的基本原則 “相似相溶相似相溶”，選擇與試樣性質相近的固定相。(3) (3) 固定液分類方法固定液分類方法 如按化學結構、極性、應用等的分類方法。在各種色譜手冊中，一般將固定液按有機化合物的分類方法分為：脂肪烴、芳烴、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。2022-4-8(4)(4)固定液的最高最低使用溫度固定液的最高最低使用溫度 高于最高使用溫度易分解，溫度低呈固體；(5) (5) 混合固定相混合固定相 對于復雜的難分離組分通常采用特殊固定液或將兩種甚至兩

49、種以上配合使用；(6) (6) 固定液的相對極性固定液的相對極性 規(guī)定：角鯊烷（異三十烷）的相對極性為零，氧二丙睛的相對極性為100。2022-4-82022-4-82022-4-84. 檢測系統(tǒng) 色譜儀的眼睛。 通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成。 被色譜柱分離后的組分依次進入檢測器，按其濃度或質量隨時間的變化，轉化成相應電信號，經(jīng)放大后記錄和顯示，給出色譜圖。 檢測器：檢測器：廣普型廣普型對所有物質均有響應。對所有物質均有響應。 專屬型專屬型對特定物質有高靈敏響應。對特定物質有高靈敏響應。 常用的檢測器：熱導檢測器（TCD）、氫火焰離子化檢 測器(FID)。2022-4-8一、熱導

50、檢測器一、熱導檢測器 thermal conductivity detector,TCDthermal conductivity detector,TCD1. 1. 熱導檢測器的結構熱導檢測器的結構 池體池體（一般用不銹鋼制成） 熱敏元件熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價廉易加工的鎢絲制成。參考臂：參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進樣裝置之前。 測量臂測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。2022-4-82. 2.檢測原理檢測原理 平衡電橋，右圖。 不同的氣體有不同的熱導系數(shù)。鎢絲通電，加熱與散熱達到平衡后，兩臂電阻值： R R參參= =R R測測 ; ;

51、 R R1 1=R=R2 2 則：則： R R參參R R2 2= =R R測測R R1 1 無電壓信號輸出； 記錄儀走直線（基線）。 2022-4-8進樣后進樣后: : 載氣攜帶試樣組分流過測量臂而這時參考臂流過的仍是純載氣，使測量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R R參參R R測測 則： R R參參R R2 2R R測測R R1 1 這時電橋失去平衡，a、b兩端存在著電位差，有電壓信號輸出。信號與組分濃度相關。記錄儀記錄下組分濃度隨時間變化的峰狀圖形。2022-4-83. 3. 影響熱導檢測器靈敏度的因素影響熱導檢測器靈敏度的因素 橋路電流橋路電流I I

52、 ： I ，鎢絲的溫度 ，鎢絲與池體之間的溫差，有利于熱傳導，檢測器靈敏度提高。檢測器的響應值S S I I 3 3，但穩(wěn)定性下降，基線不穩(wěn)。橋路電流太高時，還可能造成鎢絲燒壞。 池體溫度池體溫度：池體溫度與鎢絲溫度相差越大，越有利于熱傳導，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于分離柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。2022-4-8 載氣種類載氣種類：載氣與試樣的熱導系數(shù)相差越大，在檢測器兩臂中產(chǎn)生的溫差和電阻差也就越大，檢測靈敏度越高。載氣的熱導系數(shù)大，傳熱好，通過的橋路電流也可適當加大，則檢測靈敏度進一步提高。氦氣也具有較大的熱導系數(shù)，但價格較高。表表 某些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)（某

53、些氣體與蒸氣的熱導系數(shù)（ ），），單位：單位：J / cmsJ / cms2022-4-8二、 氫火焰離子化檢測器氫火焰離子化檢測器 flame ionization detector, FIDflame ionization detector, FID1. 1. 特點特點 簡稱氫焰檢測器簡稱氫焰檢測器 （FIDFID：hydrogen hydrogen f flamelamei ionization onization d detectoretector） (1) (1) 典型的典型的質量型檢測器質量型檢測器。 (2) (2) 對有機化合物具有很高的靈敏度。對有機化合物具有很高的靈敏度。 (

54、3) (3) 無機氣體、水、四氯化碳等無機氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質含氫少或不含氫的物質靈敏度低或不響應靈敏度低或不響應。 (4) (4) 氫焰檢測器具有結構簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、氫焰檢測器具有結構簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應迅速等特點。響應迅速等特點。 (5) (5) 比熱導檢測器的靈敏度高出近比熱導檢測器的靈敏度高出近3 3個數(shù)量級，檢測下限個數(shù)量級，檢測下限可達可達1010-1 -13 3gsgs-1 -1。2022-4-82. 2. 氫焰檢測器的結構氫焰檢測器的結構 (1) (1) 在發(fā)射極和收集極之間在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（加有一定的直流電壓（10

55、0100300300V V）構成一個外加電場。構成一個外加電場。 (2) (2) 氫焰檢測器需要用到三氫焰檢測器需要用到三種氣體：種氣體： N2 ：載氣攜帶試樣組分； H2 ：為燃氣； 空氣：助燃氣。 使用時需要調整三者的比例使用時需要調整三者的比例關系，檢測器靈敏度達到最佳。關系，檢測器靈敏度達到最佳。2022-4-83. 3. 氫焰檢測器的原理氫焰檢測器的原理 (1)當含有機物 CnHm的載氣由噴嘴噴出進入火焰時，在C層發(fā)生裂解反應產(chǎn)生自由基 ： CnHm CH(2)產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴散進來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應： CH + O CHO+ + e(3)生成的正離子CHO+ 與火焰中大量水分子碰撞而發(fā)生分子離子反應： CHO+ + H2O H3O+ + COA A區(qū)：預熱區(qū)區(qū)：預熱區(qū)B B層：點燃火焰層：點燃火焰C C層：熱裂解區(qū)：層：熱裂解區(qū)：溫度最高溫度最高D D層：反應區(qū)層：反應區(qū)2022-4-8氫焰檢測器的原理氫焰檢測器的原理 (4)(4)化學電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運動而產(chǎn)生微電流（約10-610-14A）。(5) (5) 在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離子室的被測組分質量成正比，所以氫焰檢測子室的被測組分質量成正比，所以氫焰檢測器是質量型檢測器。