第二章：气相色谱法2.ppt

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1、第二章 气相色谱分析,2-1 气相色谱法概述,俄国植物学家茨维特，1906年,1906年，俄国植物学家茨维特(MSTswett)在研究植物色素的过程中，做了一个经典的实验。,实验是这样的,a. 在一根玻璃管的狭小一端塞上小团棉花。,b. 在管中填充沉淀碳酸钙，这就形成了一个吸附柱。,c. 把绿色植物叶子的石油醚抽取液注入柱中。,d. 用纯溶剂淋洗。,结果：植物叶子的几种色素便在玻璃柱上展开：留在最上面的是叶绿素；绿色层下接着是两三种黄色的叶绿素；随着溶剂跑到吸附层最下层的是黄色的胡萝卜素。各种色素就得以分离。吸附柱成为一个显现着彩色环带的柱。,类胡萝卜素和维生素,1931年, 德国Kuhn和L

2、ederer使用色谱法证实了蛋黄内的叶绿素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物,使人们认识到色谱技术在分离科学中的重要性.色谱法从此兴起. 1938年,Taylor和Uray用离子交换分离锂和钾的同位素广泛地用于无色物质的分离，20世纪40年代后,合成离子交换树脂商品出现后,离子交换色谱得到广泛应用. 1941年, 英国Martin和Synge创立了分配色谱.他们采用水饱和的硅胶为固定相,以含有乙醇的氯仿为流动相分离已酰基氨基酸. 1944年,Martin等发展了纸色谱. 1952年,Martin和James发展了气-液分配色谱. 1956年,荷兰学者 Van Deemter等发表了关于色谱效率的速

3、率理论,并应用到气相色谱.,1958年,Golay提出了毛细管柱气相色谱. 1962年,Klesper等人提出了超临界流体色谱. 1963年,Giddings的理论工作为现代液相色谱奠定了理论基础. 1966年,Ito等提出了逆流色谱. 20世纪60年代中期,凝胶渗透色谱出现. 20世界60年代后期,亲和色谱出现. 20世纪80年代,高效逆流色谱出现. 20世纪80年代以后,毛细管柱应用于超临界流体色谱技术中. 20世纪80年代末,毛细管电泳得到发展.,Developing of Chromatographic Technique,1948, 8 days separation for 16

4、amino acids,Developing of Chromatographic Technique,1958, 22 hours separation for 19 of amino acids,Developing of Chromatographic Technique,1958, 22 hours separation for 19 of amino acids,1982, less than 30 minutes separation for 18 of amino acids,目前，色谱分析广泛应用在食品学科，石油化工、医药、生化、环境科学等各个领域它通过对不同的物质分析、分离。

5、,一 、色谱法(chromatography)：以试样组分和固定相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。 色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：（stationary phase） 管内保持固定、起分离 作用的填充物。 流动相：（mobile phase）流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。,按固定相的几何形式分类： 1.柱色谱法， 2.纸色谱法， 3.薄层色谱法 。 按流动相所处的状态分类：,气相色谱法,液相色谱法,气-固色谱法,液-固色谱法,气-液色谱法,液-液色谱法,二、色谱法分类：,按分离机制: 吸附色谱（吸附剂对不同组分吸附性能

6、的异）、 分配色谱（不同组分分配系数的差异）、 离子交换色谱（离子交换原理）、 排阻色谱（与分子尺寸大小有关）等。,色谱洗脱原理图,三、气相色谱分析 气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱法。在此法中，载气 ( 是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等 ) 载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检测。其简单流程如图 2-1 所示。,气相色谱仪流程图,气相色谱仪 gas chromatographic instruments,色谱工作站,GC-102气相色谱仪,GC-102气相色谱仪,外观,内部结构,GC- 6890 气相色谱仪,毛细管柱色谱 （美国安捷

7、伦科技公司 Agilent),四、气相色谱仪组成 载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。 进样系统：进样器、汽化室。 分离系统：色谱柱、控温柱箱。 检测系统：检测器、检测室。 记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站。,进样系统(Sample injection system),mL-1,常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气化室(汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约50oC)，。 进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样快速，过慢，将导致分离变差(拖尾)。,色谱柱(分离柱),色谱柱:色谱仪的核心部件。 柱材质:不锈钢管或玻璃，内径3-6毫米。长度可根

8、据需要确定。,填充柱（2-6mm直径，1-6m长） 毛细管柱（0.1-0.5mm直径, 几十米长）,色谱柱包括填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。 填充柱：多为U形或螺旋形，内填60-80目的固定相； 开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。通常弯成直径1030cm的螺旋状。过去是填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅速发生变化，填充柱将会被更高效、更快速的开管柱所取代！,固定液,4.检测系统 要求： 5.记录系统,这个系统是指样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进人检测器，检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最

9、后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。,灵敏度高,线性范围宽,响应速度快,结构简单,通用性强,常用检测器：热导检测器, 氢火焰离子化检测器, 电子捕获检测器,色谱图（chromatogram）： 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，各组分的浓度经检测器转换成电信号而记录下来，得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱流出曲线，也称为色谱峰.,五、色谱术语,色谱图界面,基线：在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的 流出曲线。它反映检测器噪声随时间变化， 稳定的基线是条直线，是仪器是否正常工作的指标。 保留值: 表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。通常用出峰时间或用

10、将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数。,死时间： 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)，tM。,保留时间 ：从进样至被测组分出现浓度最大值时 所需时间tR。 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR= tR tM,死体积: 指色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间的剩留空间、色谱仪管路和连接头间的空间及检测器的空间总和称为死体积(dead volume) ，VM。 VM = tM F 0,保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流 动相通过的体积，VR。 VR

11、= tR F 0 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。 VR = VR VM 或 VR = tR F0,（F0为柱尾载气体积流量）,相对保留值: 在相同的操作条件下，某组分与另一组分 的调整保留值之比，用r 表示,相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。 当r =1时两个组分不能分离。,峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的 垂直距离称为峰高(peak height)。用h表示。 峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area)，用A表示。 峰的区域宽度： a、峰底宽 W= 4 b、半峰宽 W1/2=2.35 c、标准偏差峰宽 W0.607h=

12、2,峰底宽：从峰两边的拐点作切线与基线相交部分的宽度。,色谱分析的实验依据：,1.色谱峰数，表明样品中所含组分的最少数量； 2.根据色谱峰的保留值进行定性； 3.根据色谱峰的峰高或峰面积进行定量； 4.根据色谱峰的位置和区域宽度，评价色谱系统； 5.根据两色谱峰之间的距离和分离度， 评价色谱条件的合适性。,2-2 气相色谱分析理论基础,一. 色谱分析的基本理论,在气相色谱分析的流程中，多组分的试样是通过色谱柱而得到离的，那么这是怎样实现的呢？,在填充柱内填充的固定相有两类 即气-固色谱分析中的固定相和气液色谱中的固定相。,气-固色谱分析中的固定相是一种具有多孔型及较大面积的吸附颗粒。,当试样由

13、载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。,由于各组分性质的差异，固定相对它们溶解或吸附的能力不同。易被溶解或吸附的组分，挥发或脱附较难，随载气移动速度慢，在柱内停留时间长；反之，停留短。 随着载气的流动，溶解、挥发,或吸附、脱附的过程反复地进行，经过一定的时间间隔后，性质不同的组分彼此分离。,分配平衡的几个参数： 1、分配系数 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，

14、用K表示。 2、分配比(容量因子) 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。,Cs、Cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；,ms为组分分配在固定相中的质量， m m为组分分配在流动相中的质量 。,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征 填充柱（Packing column）: 635 毛细管柱（Capillary column）: 501500,3、分配系数和分配比之间的关系,（1）分配系数是组分在两相间分配达到平衡时的浓度之比，分配比则是组分在两相间的分配总量之比。,（

15、4）分配比与保留时间的关系,（2）分配系数决定于组分和两相的性质，与两相体积无关。分配比不仅决定于组分和两相的性质，且与两相体积比有关。,（3）对于一给定的色谱体系，组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。,若流动相（载气）在柱内的线速度为u （cms-1) ，组分在柱内的线速度为us，则两速度之比称为滞留 因子（retardation factor)Rs,Rs用质量分数表示,组分通过长度L的色谱柱所需时间为,二、色谱分离的基本理论 ,试样在色谱中的分离过程的基本理论包括两个方面：,1.试样中各组分在两相间的分配情况-热力学过程

16、,2.试样中各组分在色谱柱中的运动情况-动力学过程,如何评价分离效能？,将色谱假设为一个蒸馏塔，塔内有许多块塔板，样品各组分在每块塔板的液相和固相间进行分配。,1、塔板理论,塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板，这一小段柱长称为理论塔板高度H。,引用了处理蒸馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程：将连续的色谱过程看作是许多小段平衡过程的重复。,塔板理论假定： （1）平衡迅速 （2）脉动式进载气，一次一个板体积（ V） （3）试样开始加在零号塔板上，纵向扩散可忽略不计 （4）分配系数在塔板上是常数,为讨论方便，假设：塔板数为5, k=

17、1 。,开始时，若有单位质量，即m=1（例1mg或1g）的该组分加到第0号塔板上，分配平衡后，由于k=1，即ms=mM故mM=ms=0.5。 当一个板体积（lV）的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有mM部分组分的载气顶到1号板上，此时0号板液相中ms部分组分及1号板气相中的mM部分组分，将各自在两相间重新分配。,故0号板上所含组分总量为0.5，其中气液两相各为0.25，而1号板上所含总量同样为0.5，气液相亦各为0.25。 以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次(见下表)。,流出曲线呈峰形但不对称，这是由于柱子的塔板数太少的缘故。,塔板理论指出： 第一，当溶

18、质在柱中的平衡次数，即理论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，n值一般很大，如气相色谱柱的n约为103 -106 ，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。 第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离。,此式成为流出曲线方程式。式中c0为进样浓度，tR 为保留时间， 为标准偏差， c为时间 t时的浓度。,由塔板理论可导出n与色谱峰峰底宽度的关系：,式中色谱柱的长度L，tR及Y1/2或Y用同一单位（时间或距离),色谱柱效的描述,理论塔板数越多，柱效能越高。,考虑到死时间不参与柱内的分配，提出了有效塔板数的概

19、念：,1. 色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板数H就越小，此时柱效能越高，因此n和H可一作为描述柱效能的指标。,2. n有效和H有效能较为真实地描述柱效能的好坏。,*同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的。,色谱柱效的描述,通常用塔板高度和塔板数来评估色谱柱的柱效。所以，塔板理论可以近似描述柱内过程的实际情况。,塔板理论在解释流出曲线的形状（呈正态分布），浓度极大点的位置及计算和评价柱效等方面都取得了很大的成功。,对塔板理论讨论,塔板理论的局限性（在某些方面的基本假设是不成功的）：,(1)蒸馏塔不完全符合色谱柱内情况（理想近似）； (2)不是跳跃式脉冲而是连续的； （纵向扩散被忽略掉了） (3

20、) 在一个塔板高度内，也达不到瞬时平衡，需要一定时间传递； (4)不能解释，同一色谱柱对不同组分 的理论塔板数和理论高度可能不同；,速率理论,不能很好的解释,同一组分不同操作条件下， 理论塔板数和理论塔板高度的不同； (5)不能找出影响塔板高度的内在因素； (6）不能为操作与应用色谱方法提供。,2. 速率理论-范弟姆特方程式,溶质在柱内移动过程中存在着有限的传质过程,色谱峰在朝前运动的同时还存在纵向扩散。1956年荷兰学者范弟姆特(Van Deemter )等人在研究气相色谱时，提出了色谱过程的动力学理论-速率理论。该理论沿用了塔板理论中塔板高度的概念，并同时考虑色谱过程中影响塔板高度的动力学

21、因素。 速率理论指出，谱峰变宽受到三个动力学因素的控制，即涡流扩散项，分子扩散项，传质阻力项。,A，B，C为三个常数。H为塔板高度。 A项为涡流扩散项；B/ u项为分子扩散项；C u为传质项；u为载气线速度，单位为cm/s。 *u 一定时，只有当A，B，C较小时，H才能最小，柱效才会高。,范第姆特方程式(Van Deemter equation),（一）涡流扩散项A,常数A称为涡流扩散项(Eddy Diffusion)，当气体碰到填充物颗粒时，不断的改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱峰的扩张。, A=2dP A与填充物的平均颗粒直径dP（单位为cm)的大小和填

22、充的不均匀性有关。对于空心毛细管柱A等于0。 方法：使用适当粒度和颗粒均匀的单体，尽量填充均匀，可减少涡流扩散。,涡流扩散现象,涡流扩散示意图,组分分子所经过的路径长度不同，达到柱口的时间也不同，因而引起色谱峰的扩张。,（二）分子扩散项B/u（或称纵向扩散项） 试样组分被带入色谱柱后，是以塞子的形式存在与色谱柱的很小一段空间中，在塞子的前后存在着浓度差异，它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发的向前和向后扩散，造成谱带展宽。 B与路径弯曲因子及组分在流动相中的扩散系数Dg有关。对于气相色谱： B=2 Dg,纵向扩散的影响，使峰中心向前后扩散，与保留时间有关，与组分在流动相中的

23、扩散系数Dg成正比，与载气的摩尔质量的平方根成反比。 在纵向扩散的影响中，塔板高度与流速成反比，也就是说，随着流动相流速的提高，塔板高度H变小，柱效提高。,固定相,固定液,毛细管壁,弯曲因子的影响,（三）传质阻力项Cu,系数C包括流动相的传质阻力系数和固定相的传质阻力系数。 如为气相色谱则为Cg（气相传质阻力系数）和Cl （液相传质阻力系数）之和。 在传质阻力项中，随着流动相流速的提高，塔板高度H增大。流动相的线速度的影响与纵向扩散项相反，由于溶质在两相中的传质需要一定的时间，常常流动体系并不能即刻达到平衡，所以，当提高流速时，传质过程便显得更加重要了。,气相传质过程是指试样组分从气相移动到固

24、定相表面的过程。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的则进入两相界面又来不及返回气相。这样使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。,气液色谱中组分在流动相和固定相中的传质过程,对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为： 式中k为容量因子。由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度dp的平方成正比，与组分在载气流中的扩散系数Dg成反比。因此，采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体（如氢气）做载气，可使Cg减小，提高柱效。,液相传质过程是指试样组分从固定相的气/液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配

25、平衡，然后又返回气/液界面的传质过程。这个过程也需要一定的时间，此时，气相中组分的其它分子仍随载气不断向柱口运动，于是造成峰形扩张。,液相传质阻力系数 C1为： 由上式看出，固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数D1大，则液相传质阻力就小。,将上面式总结，即可得气液色谱速率板高方程,这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。,欲使塔板高度H最小，分离效率最高。需选择以下条件： 1、较小的颗粒或较薄的液膜厚度； 2、柱床填充均匀致密； 3、在流动相中要有小的扩散Dg。(载气流速较小时） 气相

26、色谱分析时可用降低柱温来减小溶质在流动相中的扩散系数。 采用相对分子质量较大的载气可减小Dg，有利于柱效提高。,2-3 色谱分离条件的选择 一、分离度（resolution）,如何评价？,分离度： 分离度是用来衡量两个组分分离好坏的程度，定义为：,有时也用下式表示：,R值越大意味着相临两组分分离得越好。而两组分保留值的差别主要取决于组分在流动相和固定相分配的热力学性质：色谱峰的宽窄则反映了色谱过程的动力学因素，柱效能的高低。因此分离度是柱效能选择性影响的总和，可用其作为色谱柱的总分离性能指标。 ,Over-all resolution efficiency（总分离效能指标）: 两组分保留值的差

27、别，主要决定于固定液的热力学性质；色谱峰的宽窄则反映了色谱过程的动力学因素，柱效能高低。因此，分离度是柱效能、选择性影响因素的总和。 R1两峰重叠；R=1，分离程度可达98% ;R=1.25，两峰基本上被分离，只有0.6%重叠在一起; R1.5，分离程度可达99.7% 。 因此，R=1.5,作为相邻两峰已完全分开的标志。,图11-6 A、B混合物的色谱分离图,对于对称峰： 当Rs1.0时，两峰总有部分重叠 而达到基线分离的分离度Rs 1.5 对于不对称的峰形要达到完全分离需要更高的分离,因为Y1与Y2近 似相等，等于Y2,二. 色谱分离基本方程式,1. 柱效因子 描述了分离度与柱效的关系。 分

28、离度与色谱柱柱效的平方根成正比，因此，色谱柱性能越优良，柱效越高，则分离度越好。 改善方法：增加柱长，降低塔板高度 H。,3.2.4 色谱分离方程的意义,R n1/2,增加柱长,降低塔板高度,限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。,使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件。,2.与容量因子的关系（分配比）,k值增大，有利于分离，但k 10时，对R的增加不明显，也会显著增加分析时间。 k的最佳范围：1 10 改善方法：改变柱温，固定相体积，减小色谱柱的死体积。,3.与柱选择性的关系, （选择因子）越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论

29、塔板数较小，也可以实现分离。,分离方程描述了分离度与选择性的关系 R 与的值大小成一定的比例关系，越大，则 R 越大，当=1，则 R=0，增加是改善分离度的有效途径。 改善方法 ：改变固定相，从而使各组分的分配系数有较大的差别。,例题：设有一对物质，其r2,1 =1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？ 解：要实现完全分离，R1.5,故所需有效理论塔板数为：,使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm, 故所需柱长应为：,3.2.4.4 色谱柱柱长、柱效、塔板高度的计算,分离度、柱效、 柱选择性的关系,( )1. 在气液色谱内，被测物质中各组分的

30、分离是基于 A. 各组分在吸附剂上吸附性能的差异 B. 各组分在固定相和流动相间的分配性能的差异 C.各组分在固定相中浓度的差异 D.各组分在吸附剂上脱附性能的差异,( )2. 色谱柱的柱效率可以用下列何种参数表示 A. 保留值 B. 分配系数 C. 理论塔板数 D. 载气流速,练习 2.1 气 相色谱分析,( )3. 只要柱温、固定相不变，即使柱长、柱填充情况及流动相速流有所变化，衡量色谱柱对被分离组分保留能力的参数可保持不变的是 A. 保留值 B. 调整保留值 C. 分配系数 D. 相对保留值 4.指出那种参数的改变会使色谱峰变窄：（ ） A. 柱长增加一倍 B.载气流速增加 C. 固定相

31、颗粒变粗 D.增大容量因子,5.其他色谱参数相同下，若理论塔板数增加一倍，两相邻峰的分离度将：（ ） A. 增加1倍 B. 减少1.4倍 C. 增加1.4倍 D. 增加2.8倍 6. 载体填充的均匀程度主要影响（ ） A. 涡流扩散 B. 分子扩散 C. 气相传质阻力 D. 液相传质阻力 7固定相颗粒直径越大，理论塔板高度 ，柱效率 。 8气相色谱仪有如下五个系统组成 、 、 、 、 。,( )9. 根据VanDeemter方程，判断当载气流速偏离最佳流速时影响色谱柱效能的各因素的变化 A. 当实际流速大于最佳流速时，组分的涡流扩散减小柱效能增高 B.当实际流速小于最佳流速时，组分的传质阻力减

32、小柱效能增高 C.当实际流速小于最佳流速时，组分的分子扩散增大主要影响柱效能 D.当实际流速大于最佳流速时，组分的各项因素同时增大,( )10. 对气相色谱柱分离度影响最大的是 A. 色谱柱温度 B. 载气的流速 C. 柱子的长度 D. 填料粒度的大小,( )11. 在色谱分析中，若保持流速固定，减小固定相的粒径，下列说法正确的是 A 保留时间增大 B 柱压增大 C 色谱峰变宽 D 分离度不变化,12用一根 2m 长的色谱柱将组分 A、B 分离，实验结果如下： 空气保留时间 30 s， A 峰保留时间 230 s B 峰保留时间 250 s， A、B 峰底宽均为 25 s 求：（1）色谱柱的理

33、论塔板数n； （2）A、B 各自的分配比； （3）相对保留值B,A； （4）两峰的分离度R； （5）若将两峰完全分离，柱长应该是多少？,三、分离操作条件的选择 1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）,当流速小时，分子扩散项（B/u）就成为色谱峰扩张的主要因素，宜采用分子质量较大的载气。,当流速大时，传质阻力项（Cu）就成为色谱峰扩张的主要因素，宜采用分子质量较小的载气。,载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要考虑对不同的检测器的适用性。,实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高与最佳流速。,二. 柱温的选择,柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。首先要考虑到每种固定液

34、都有一定的使用温度。柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失。选择时可参考有关文献数据。,*温度过高-组分挥发能力靠近-不利于分离 温度过低-扩散慢-平衡慢-峰宽-柱效下降-分析时间延长。,具体操作根据不同条件而定;对于沸点范围较宽的多组份试样，宜采用程序升温。 程序升温即柱温按预订的加热速度，随时间作线性或非线性增加。升温的速度一般是线性的，如2，4，6等。 在较低的初始温度下，沸点低的组分得到良好的分离，然后是较高沸点的组分。,选择的原则是：在使最难分离的组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。,三. 固定液的性质及用量,固定液的性

35、质对分离起关键作用-专门讨论 固定液的用量-影响到液膜厚度-液膜薄可改善液相传 质-柱效提高-分析速度快,用量也不能太低，否则，允许的进样量太少。 固定液的配比一般用5:100到25:100 ，也有低于5:100 的。不同的担体为要达到较高的柱效能，其固定液的配比往往是不同的。 一般来说，担体的表面积越大，可允许有较大的固定液用量，且保证有较小的液膜厚度。,四. 担体的性质及粒度,担体的表面结构和孔径分布决定了固定液在担体上得分布，以及液相传质和纵向扩散的情况。要求担体表面积大，表面和孔径分布均匀有利于提高柱效。 担体粒度要均匀、细小，有利于提高柱效。但粒度过细，阻力过大，操作不便。由实验选择

36、。 对36mm内径的色谱柱,使用6080mm目的担体较为和合适。,五. 进样时间和进样量,六. 气化温度,进样速度必须快,一般用注射器或进样阀进样时,进样时间都在一秒以内。 进样量适宜，一般比较小。过大分离不好，过小检测器灵敏度达不到。最大允许的进样量,应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。,色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；进样后要有足够的气化温度。 在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离和定量有利。汽化温度高于柱温30-70度。,2-4 固定相及其选择 一、固定相的类型： 吸附剂型固定相 固定相 担体+固定液型固定相 常用吸附剂型固定相有：,1活

37、性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。 2活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。 3硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2 、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。 4分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2 ）。除了广泛用于H2、 O2 、 N2 、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。 5高分子多孔微球（GDX

38、系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚所得到的交联多孔共聚物）。型号：GDX-01等。适用于水、气体及低级醇的分析。,（l）对载体的要求 具有足够大的表面积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体表面积不宜太大，否则犹如吸附剂，易造成峰拖尾； 表面呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反应； 热稳定性好；形状规则，粒度均匀，具有一定机械强度。 对担体粒度的要求，一般希望均匀、细小，这样有利于提高柱效。,气液色谱固定相,(2)常用担体有： 1、红色担体：（6201型担体） 特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度 高、担液能力强、表面有

39、吸附中心。 2、白色担体：（101型担体） 特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械 强度较差、担液能力中、表面吸附性小。 3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃 微球担体、高分子微球担体等。 特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强 度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。,（3）硅藻土类载体的表面处理 普通硅藻土类担体表面并非惰性，含有Si-OH ， Si-O-Si ， =Al-O- ， =Fe-O-等基团，故既有吸附活性又有催化活性。若涂渍上极性固定液，会造成固定液分布不均匀；分析极性试样时，由于活性中心的存在，会造成色谱峰拖尾，甚至发生化学反应。,因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙

40、结构，屏蔽活性中心。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化等。,（i）酸洗：用3-6mol/L盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物。适用于分析酸性物质。 （ii）碱洗：用5%或10%NaOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。,(iii)硅烷化：用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。如：常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。,二、固定液的类型：,高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。 对固定液的要求 a. 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失

41、。 b. 稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。 c. 对试样各组分有适当的溶解能力，否则被载气带走而起不到分配作用。 d. 具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。 f. 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。,（2）组分分子与固定液间的作用力 在气液色谱中，由于组分浓度低，组分间的作用力也可忽略。主要存在的作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数大。,这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种

42、。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键力则与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。,a. 静电力(定向力)：由于极性分子的永久偶极间存在静电作用而引起的。在极性固定液柱上分离极性试样时，分子间的作用力主要是静电力。 b. 诱导力：极性分子与非极性分子共存时，由于在极性分子永久偶极的电场作用下，非极性分子极化而产生诱导偶极，此时两分子相互吸引而产生诱导力。用极性固定液分离非极性分子和可极化分子时，可极化分子容易被极化，而产生诱导力。例如，苯（B.P.80.1）和 环己烷（ B.P.80.8）沸点接近，偶极矩为零，均为非极性分子，若用非极性固定液却很难使其分离。但苯比环己烷容易极化，故

43、采用极性固定液，就能使苯产生诱导偶极矩，而在环己烷之后流出。固定液的极性越强，两者分离得越远。若,-氧二丙腈固定液分离苯(80.10)和环己烷(80.81)，二者保留时间相差6.3倍。,c. 色散力：非极性分子之间的瞬间偶极所产生的吸引力。用非极性固定液分离非(弱)极性组分时，分子之间主要为色散力(正比于沸点)，按沸点顺序分离。 d. 氢键力： 可见，分子间的作用力与分子的极性有关。,固定相极性用相对极性P表示： 规定：下标1,2,x表示,-氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液、测试标样为苯-环己烷.,三、固定液的极性： 固定液的极性对分离过程非常重要，规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，氧二丙睛

44、的相对极性为100。,按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级： 020 为0+1 ，称非极性固定液； 2040 为+1+2 ，称弱极性固定液； 4060 为+2+3 ，称中极性固定液； 80100 为+4+5 , 称强极性固定液； 四、固定液的选择原则为： “相似相溶原理”,（i）分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。,（ii）分离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序分离，极性小的先流出。极性大的后流出。 （iii）分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。,(vi）分离能形

45、成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。,对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。,2-5 气相色谱检测器 一、气相色谱检测器的类型 气相色谱检测器根据响应原理的不同可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。 浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD） 质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）

46、和火焰光度检测器（FPD）,通用检测器有： 1、热导池检测器，TCD (Thermal conductivity detector) 测一般化合物和永久性气体 2、氢火焰离子化检测器,FID (Hydrogen flame ionization detector) 测一般有机化合物 专用检测器有： 3、电子俘获检测器，ECD (Electron capture detector) 测带强电负性原子的有机化合物 4、火焰光度检测器，FPD (Flame photometric detector) 测含硫、含磷的有机化合物 特殊检测器有：FTIR、MS、测化合物结构,1、热导检测器 原理: 就是利

47、用不同的物质具有不同的导热系数。,是一种结构简单，性能稳定，线性范围宽，对有机和无机物质都有响应，灵敏度适宜的检测器。,热导池由池体（不锈钢块）和热敏元件（铼钨合金 ）构成 。,热导池的桥电路：,电桥平衡时： R1R4=R2R3 纯载气： R1= R2 此时E=0,将电桥在未通入试样与通入试样后平衡性的差异（以电位差的形式来表现）记录下来，得到色谱峰，反映待测物浓度。,2影响热导检测器灵敏度的因素 （l）桥电流 桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一

48、般桥电流控制在1OO20OmA左右（N2作载气时为100150mA, H2作载气时150200mA为宜）。,（2）池体温度 池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。池体温度一般不应低于柱温。 （3）载气种类 载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的氢气或氦气作载气有利于灵敏度提高。如用氮气作载气时，有些试样（如甲烷）的热导系数比它大就会出现倒峰。,（4）热敏元件的阻值 阻值高、温度系数较大的热敏元件，灵敏度高。钨丝是一种广泛应用的热敏元件，它的阻值随温度升高而增大，其电阻温度系数为5.510-3cm-1-1，电阻率为5.51O-6cm。为防止钨丝气化，可在表面镀金或镍。,2、氢火焰离子化检测器 原理：利用有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片，收集其荷电量进行测定。,氢焰检测器作用原机理,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区： 温度最高 D层：反应区,(1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH (2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原