第9章 氣相色譜法3

儀器分析InstrumentalAnalysis主講：徐友志

中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院食品質(zhì)量與安全教研室2023/2/5第9章氣相色譜法（GC）

GasChromatography

9.4氣相色譜理論基礎(chǔ)2023/2/59.4.1氣相色譜保留值

（一）GC流出曲線由GC記錄儀記錄下的反映組分產(chǎn)生的信號隨時間變化的曲線。GC流出曲線也叫色譜圖。E/mVt/s進樣空氣122023/2/5（二）基線

當氣路中只有載氣通過時，記錄儀所記錄的曲線叫基線。

基線是儀器的各種雜散信號的記錄，反映了實驗條件的穩(wěn)定程度，穩(wěn)定的基線是一條平直的線。

若實驗條件不穩(wěn)定，就會引起基線的波動或漂移。2023/2/5

（三）時間表示的保留值

（1）保留時間（tR）：組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度最大值時所需的時間。

（2）死時間（tM）：不與固定相作用的氣體（如空氣）的保留時間。

（3）調(diào)整保留時間（tR＇）：

tR＇=tR－tM

E/mVt/s進樣空氣峰12tM

tR’

tR

2023/2/5（四）用體積表示的保留值

（1）保留體積（VR）：

VR=tR×F0

式中，F(xiàn)0為色譜柱出口處的載氣流量。單位：mL/min。

（2）死體積（VM）：

VM=tM

×F0

（3）調(diào)整保留體積（VR＇）：

VR＇=VR－VM即

VR＇=tR＇

×F02023/2/5

（五）相對保留值r21

組分2與組分1的調(diào)整保留值之比：

r21

＝tR2’

/

tR1’＝VR2’

/

V

R1’

相對保留值只與柱溫和固定相性質(zhì)有關(guān)，與其他色譜操作條件無關(guān)，它表示了固定相對這兩種組分的選擇性。E/mVt/s進樣空氣峰122023/2/5（六）保留指數(shù)（Ⅰ）

又稱Kovats指數(shù)，是1958年由科瓦茨提出的一種重現(xiàn)性較好的定性參數(shù)。它以正構(gòu)烷烴作為標準，規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)為分子中碳原子個數(shù)乘以100。

2023/2/5

其它物質(zhì)的保留指數(shù)（IX）用兩個相鄰的正構(gòu)烷烴來標度。這兩個正構(gòu)烷烴分別具有Z

和Z＋1個碳原子。被測物質(zhì)X的保留時間應在相鄰兩個正構(gòu)烷烴的保留時間之間。如圖所示：進樣2023/2/5然后用下面的公式計算其保留指數(shù)：進樣2023/2/59.4.2色譜峰寬度

用來衡量色譜峰寬度的參數(shù)，有三種表示方法：（1）標準偏差（）：

即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。（2）半峰寬（Y1/2）：

色譜峰高一半處的寬度Y1/2

＝2.354（3）峰底寬（Wb）：

Wb＝4＝1.699

Y1/2

Y1/2h/20.607hh

Wb2023/2/59.4.3分配比（k）與相比（β）

分配比（容量因子）：在一定溫度、壓力下，組分在兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質(zhì)量比。即

k

=p

/

q式中，p為組分在固定相中的質(zhì)量，q

為組分在流動相中的質(zhì)量。2023/2/5分配比k

與分配系數(shù)

K

的關(guān)系為：相比β＝VM/

VS

填充柱相比：6～35毛細管柱的相比：50～15002023/2/5

k

、K

都與組分和固定相的性質(zhì)有關(guān)，也與柱溫、柱壓有關(guān)；但

K與兩相的體積無關(guān)，k

與兩相的體積比有關(guān)。

分配比k

越大，保留時間越長。可由保留時間計算出

k

，兩者有以下關(guān)系：tR

＝tM（1＋k）2023/2/59.4.4塔板理論（一）塔板理論的假設(shè)（1）將連續(xù)的色譜過程簡化為許多小段平衡過程的重復；

（2）把色譜柱比作分餾塔，柱內(nèi)有許多想象的完全相同的塔板；

（3）每一塔板的一部分為載氣所占據(jù)，其體積叫板體積；另一部分為固定相所占據(jù)；

2023/2/5（一）塔板理論的假設(shè)（4）載氣不是連續(xù)地而是脈沖式地加入色譜柱內(nèi)，每次加入一個板體積；

（5）組分在每一塔板里的氣相和液相之間能瞬時達成一個分配平衡；

（6）分配系數(shù)是恒定的，與組分在塔板中的濃度無關(guān)。2023/2/5（一）塔板理論的假設(shè)（7）不考慮組分在柱內(nèi)運行時縱向擴散的影響。

（8）所有組分濃度以起始塔板中的濃度為基準，經(jīng)過許多個塔板后，分配系數(shù)小即揮發(fā)性大的組分先從柱內(nèi)流出。

（9）由于柱內(nèi)塔扳數(shù)很多，致使分配系數(shù)差別微小的各組分也能得到很好的分離。2023/2/5（二）理論塔板高度

H

和理論塔板數(shù)n色譜柱的柱長L、理論塔板高度

H和理論塔板數(shù)n

的關(guān)系為：

n

＝L

/H理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：2023/2/5（三）柱效能指標

對同一根柱子用不同物質(zhì)進樣，可得到不同的理論塔板數(shù)。似乎“單位柱長的理論塔板數(shù)越多，表明該柱的柱效能越高?！钡袝rn

多，而柱效卻并不高，這是由于其計算公式中未扣除tM的影響的緣故。

2023/2/5

因此有必要扣除tM的影響，引入有效塔板數(shù)n有效和有效塔板高度H有效，來作為柱效能指標。計算時，時間和峰寬的單位必須統(tǒng)一。

2023/2/5

結(jié)論：

（1）當色譜柱長度一定時，被測組分在柱內(nèi)的分配平衡的次數(shù)越多（n

有效越大），塔板高度越低（H有效越?。瑒t柱效能越高，所得色譜峰越窄。

2023/2/5結(jié)論：

（2）不同物質(zhì)在同一色譜柱上的保留時間和半峰寬不同，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，應指明測定物質(zhì)。

2023/2/5結(jié)論：

（3）柱效指標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)K相同時，無論該色譜柱的塔板數(shù)多大，都無法分離。

2023/2/5（四）塔板理論的局限性

塔板理論將復雜的色譜過程簡化為一個理想的分配過程，它的一些假設(shè)與實際情況明顯不符，因此不可避免地存在著一定的局限性。

塔板理論無法解釋同一色譜柱在不同的載氣流速下塔板數(shù)不同的實驗結(jié)果，也不能解釋多種色譜操作條件影響柱效能的的原因。2023/2/5

9.4.5速率理論（ratetheory）在塔板理論的基礎(chǔ)上，1956年，范弟姆特提出了速率理論。

速率理論吸收了塔板理論的有益成果

——板高（H）

的概念，并賦予板高新的意義——色譜峰展寬的量度。

2023/2/5速率理論將影響板高的各種因素綜合起來考慮，指出擴散和傳質(zhì)運動控制著柱效的高低。它以方程的形式概括了影響板高的三個因素：渦流擴散項、分子擴散項和傳質(zhì)阻力項。

2023/2/5速率理論方程（范.弟姆特方程式）:

H

＝A

＋B/u

＋C

u

式中，H：塔板高度u：載氣的平均線速度（cm/s）

A－渦流擴散項，B/u－分子擴散項，

C

u－傳質(zhì)阻力項。

減小A、B、C

三項可降低板高，提高柱效。

2023/2/5（一）渦流擴散項－A

A=2λdp

式中，dp

：固定相的平均顆粒直徑，

λ：固定相的填充不規(guī)則因子。

固定相顆粒越小（dp↓），填充的越均勻（λ↓），則A↓，H↓，柱效n↑；渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰變窄。2023/2/5（二）

分子擴散項——B/u

由于組分在柱中存在著濃度差，由此會產(chǎn)生縱向擴散。

B=2γDgγ——彎曲因子，填充柱的

γ

<1；

空心毛細管柱的γ

＝1。

Dg——組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2·s-1）。2023/2/5

（1）縱向擴散導致色譜峰變寬，H↑，n↓，柱效降低。

（2）分子擴散項與流速有關(guān)，u↑,滯留時間↓，B/u

↓；反之，u↓，滯留時間↑，B/u↑。

（3）

T

柱↑，Dg

↑

，B↑

；

Dg

∝（M載氣）-1/2

；M載氣↑，B值↓。2023/2/5（三）傳質(zhì)阻力項—Cu

物質(zhì)在相際之間的轉(zhuǎn)移過程叫傳質(zhì)過程。傳質(zhì)阻力項（Cu）包括氣相傳質(zhì)阻力項（Cgu

）和液相傳質(zhì)阻力項（Cl

u）：

Cu

＝Cg

u＋Clu

C

為傳質(zhì)阻力系數(shù)，Cg

為氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)，Cl

為液相傳質(zhì)阻力系數(shù)。2023/2/5氣相傳質(zhì)過程：組分從氣相移動到氣液界面進行濃度分配的過程。該過程所受到的阻力大小由氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg

表示。2023/2/5Cg為氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)，

k為分配比，dp

為固定相粒徑，Dg為組分氣相擴散系數(shù)。

T柱↑，k↓,k2/(1＋k)2

↓

；T柱↑，Dg↑；

用輕載氣，

Dg↑；

dp↓，Cg↓。2023/2/5液相傳質(zhì)過程：

組分從氣液界面移動到液相內(nèi)部達到分配平衡，然后再返回到氣液界面的過程。該過程所受到的阻力大小，由液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl表示。2023/2/5式中，Cl為液相傳質(zhì)阻力系數(shù)，

k為分配比，

df為固定液液膜厚度，Dl為組分分子在氣相中的擴散系數(shù)。

k↓,k/(1＋k)2↑；

減少固定液用量，可降低

df；

但用量太少，又會

k減小。T柱↑，Dl

↑；但同時使

k減小。2023/2/5速率理論方程：H

＝A

＋B/u

＋C

u

2023/2/5

速率理論的總結(jié)：

（1）組分分子在柱內(nèi)運行的多路效應與渦流擴散，組分在柱內(nèi)的濃度梯度所造成的分子擴散，以及組分在兩相間的傳質(zhì)阻力等因素是造成色譜峰展寬、柱效下降的主要原因。

（2）通過選擇適當?shù)墓潭ㄏ嗔６?、固定液液膜厚度、載氣種類、載氣流速、柱溫等操作條件，可以提高柱效能和分離效能。2023/2/5速率理論的總結(jié)：

（3）速率理論為色譜分離和操作條件的選擇提供了理論依據(jù)。

（4）各種操作條件相互制約，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(zhì)阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但又加劇了分子擴散的影響等等，只有全面考慮各種影響因素，選擇最佳條件，才能使柱效最高。2023/2/59.4.6

色譜分離效能指標——分離度

塔板理論和速率理論都未明確描述難分離物質(zhì)對的實際分離程度，而混合物的分離問題是色譜分析的中心問題。對于難分離的物質(zhì)對A、B

來說，有如下圖所示的情況：A

BABA

BAB2023/2/5

（一）兩峰完全分離的條件因此，可以得到兩峰完全分離的兩個條件：（1）峰間距足夠大。

——由色譜過程的熱力學因素所決定。

（2）峰型足夠窄。

——由色譜過程的動力學因素所決定。

只有同時滿足上述兩個條件，二組分才能完全分離。BBB2023/2/5

（二）分離度（R）

（1）分離度的定義：

相鄰二峰的保留值之差與其平均峰寬的比值。

即有表達式：