色譜分析法-分析化學(xué)-中國科技大學(xué)-10

Chapter10

ChromatographicAnalysis

Lecture1

LecturedbySWu第十章色譜分析法ChromatographicAnalysis

10.1色譜分析原理

PrinciplesofChromatography10.2氣相色譜法

GasChromatography10.3高效液相色譜法

HighPerformanceLiquidChromatography10.4色譜法應(yīng)用

ApplicationsofChromatographySection10.1Principlesofchromatography10.1色譜法原理

PrinciplesofChromatography

1概述Overview1903年,俄國植物學(xué)家茲維特分離植物色素；后來出現(xiàn)了種類繁多的各種色譜法?；咎攸c：具備兩個相：固定相和流動相固定相：Stationaryphase

固定不動的相流動相：Mobilphase攜帶樣品流過固定相的流動體。當(dāng)流動相中樣品混合物經(jīng)過固定相時，與固定相發(fā)生作用。由于各組分性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相相互作用的類型、強弱也有差異，因此在同一推動力的作用下，不同組分在固定相滯留時間長短不同，從而按先后不同的次序從固定相中流出。MichaelTswett(1872-1919),aRussianbotanist,discoveredthebasicprinciplesofcolumnchromatography.Heseparatedplantpigmentsbyelutingamixtureofthepigmentsonacolumnofcalciumcarbonate.Thevariouspigmentsseparatedintocoloredbands;hencethenamechromatography.

分離植物色素，將植物綠葉的石油醚提取液倒入裝有碳酸鈣粉末的玻璃管中，并用石油醚自上而下淋洗，由于不同的色素在碳酸鈣顆粒表面的吸附力不同，隨著淋洗的進行，不同色素向下移動的速度不同，形成一圈圈不同顏色的色帶，使各色素成分得到了分離。他將這種分離方法命名為色譜法。

色譜發(fā)展史上占有重要地位的英國人A.J.P.Martin(馬丁)和R.L.M.Synge(辛格)，他們提出色譜塔板理論；發(fā)明液-液分配色譜；預(yù)言了氣體可作為流動相（即氣相色譜）。1952年，因為他們對分配色譜理論的貢獻獲諾貝爾化學(xué)獎。色譜法的特點：Features

分離效率高；分析速度快；檢測靈敏度高；樣品用量少；選擇性好；多組分同時分析；易于自動化。定性能力較差。A.J.P.MARTIN

和R.L.M.Synge

A.J.P.MARTIN.

(1910-2002)oftheBritishNationalInstituteforMedicalResearchsharedwithfellowcountrymanR.L.MSyngetheNobelPrizeinChemistry(1952)fortheinventionofpartitionchromatography.R.L.M.Synge

bornOct.28,1914,Liverpool,Eng.diedAug.18,1994,Norwich,Norfolk.

SyngestudiedatWinchesterCollege,Cambridge,andreceivedhisPh.D.atTrinityCollegetherein1941.色譜法的發(fā)展歷史

Developinghistory年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應(yīng)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-、-和-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(yù)言了氣體可作為流動相（即氣相色譜）。1944Consden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。1956VanDeemter等提出色譜速率理論，并應(yīng)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(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1975Small發(fā)明了以離子交換劑為固定相、強電解質(zhì)為流動相，采用抑制型電導(dǎo)檢測的新型離子色譜法。1981Jorgenson等創(chuàng)立了毛細管電泳法。色譜法的諾貝爾獎研究工作

Nobelprizes年代獲獎學(xué)科獲獎研究工作1937化學(xué)類胡蘿卜素化學(xué)，維生素A和B1938化學(xué)類胡蘿卜素化學(xué)1939化學(xué)聚甲烯和高萜烯化學(xué)1950生理學(xué)、醫(yī)學(xué)性激素化學(xué)及其分離、腎皮素化學(xué)及其分離1951化學(xué)超鈾元素的發(fā)現(xiàn)1955化學(xué)腦下腺激素的研究和第一次合成聚肽激素1958化學(xué)胰島素的結(jié)構(gòu)1961化學(xué)光合作用時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的確認1970生理學(xué)、醫(yī)學(xué)關(guān)于神經(jīng)元觸處遷移物質(zhì)的研究1970化學(xué)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(xué)核糖核酸化學(xué)酶結(jié)構(gòu)的研究1972生理學(xué)、醫(yī)學(xué)抗體結(jié)構(gòu)的研究

色譜流出曲線（色譜圖）

混合組分的分離過程及檢測器對各組份在不同階段的響應(yīng)微觀分離過程

Microcosmicseparationprocess色譜法分類

Classification

(1)按兩相狀態(tài)Accordingto

statesoftwophasesA.氣相色譜(GC):

氣體為流動相根據(jù)固定相是固體吸附劑還是固定液又可分為氣固色譜(GSC)和氣液色譜(GLC)B.液相色譜(LC):液體為流動相分為液固色譜(LSC)和液液色譜(LLC)C.超臨界流體色譜(SFC):超臨界流體為流動相隨著色譜的發(fā)展，通過化學(xué)反應(yīng)將固定液鍵合到載體表面，這種化學(xué)鍵合固定相的色譜又稱化學(xué)鍵合相色譜（CBPC）。

(2)按分離機理分類

Accordingtoseparationmechanisms吸附色譜法：Adsorptionchromatography

組分在固定相上的吸附能力強弱不同而分離的方法。分配色譜法：Partitionchromatography

組分在固定液（固定相）中溶解度不同而分離的方法。離子交換色譜法：Ionexchangechromatography組分在固定相上的親和力不同而分離的方法。凝膠色譜法或尺寸排阻色譜法：

GelchromatographyorSizeexclusionchromatography大小不同的分子在多孔固定相中的選擇滲透而分離的方法。親和色譜法：Affinitychromatography不同組分與固定相的高專屬性親和力進行分離的技術(shù)，常用于蛋白質(zhì)的分離

。(3)按固定相的外形分類

Accordingtoshapesofstationaryphases

固定相裝于柱內(nèi)的色譜法，稱為柱色譜。固定相呈平板狀的色譜法，稱為平板色譜，它又可分為薄層色譜和紙色譜。

根據(jù)以上所述，將色譜法的分類總結(jié)于下表中。2色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語

Effusioncurveandrelateitems(1)流出曲線和色譜峰

Effusioncurveandchromatographicpeak

如果進樣量很小，濃度很低，在吸附等溫線的線性范圍內(nèi)，色譜峰如果對稱，可用Gauss正態(tài)分布函數(shù)表示：

式中：C—不同時間t時某物質(zhì)的濃度，C0—進樣濃度，tr—保留時間，σ—標準偏差。(2)基線Baseline

是柱中僅有流動相通過時，檢測器響應(yīng)訊號的記錄值，即圖中O—t線．穩(wěn)定的基線應(yīng)該是一條水平直線.(3)峰高

Peakheight

色譜峰頂點與基線之間的垂直距離，以h表示，如圖中B’A(4)保留值RetentionvalueA．死時間tM

Deadtime

不被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進入色譜柱時，從進樣到出現(xiàn)峰極大值所需的時間稱為死時間，如圖中O′A′。因為這種物質(zhì)不被固定相吸附或溶解，故其流動速度將與流動相的流動速度相近．測定流動相平均線速ū時，可用柱長L與tM的比值計算。

試樣從進樣開始到柱后出現(xiàn)峰極大點時所經(jīng)歷的時間，稱為保留時間，如圖O′B．它相應(yīng)于樣品到達柱末端的檢測器所需的時間．B．保留時間tR

RetentiontimeC．調(diào)整保留時間tRAdjusted

retentiontime

某組份的保留時間扣除死時間后稱為該組份的調(diào)整保留時間，即

tR′=tR-tM

由于組份在色譜柱中的保留時間tR包含了組份隨流動相通過柱子所需的時間和組份在固定相中滯留所需的時間，所以tR′實際上是組份在固定相中停留的總時間．保留時間可用時間單位（如s）或距離單位（如cm）表示。保留時間是色譜法定性的基本依據(jù)，但同一組份的保留時間常受到流動相流速的影響，因此色譜工作者有時用保留體積等參數(shù)進行定性檢定．

D．死體積VM

Deadvolume

指色譜柱在填充后，柱管內(nèi)固定相顆粒間所剩留的空間、色譜儀中管路和連接頭間的空間以及檢測器的空間的總和．當(dāng)后兩項很小而可忽略不計時，死體積可由死時間與流動相體積流速F0（L／min）計算：

VM=tM·F0

E．保留體積

VR

Retentionvolume

指從進樣開始到被測組份在柱后出現(xiàn)濃度極大點時所通過的流動相體積。保留體積與保留時間tR的關(guān)系如下：

VR=tR·F0

F．調(diào)整保留體積VR′Adjustedretentionvolume

某組份的保留體積扣除死體積后，稱該組份的調(diào)整保留體積，即

VR′=VR-VM

G．相對保留值2.1

Relativeretentionvalue

組份2的調(diào)整保留值與組份1的調(diào)整保留值之比，稱為相對保留值：

由于相對保留值只與柱溫及固定相的性質(zhì)有關(guān)，而與柱徑、柱長、填充情況及流動相流速無關(guān)，因此，它是色譜法，特別是氣相色譜法廣泛使用的定性數(shù)據(jù)．

必須注意，相對保留值絕對不是兩個組份保留時間或保留體積之比.H.選擇因子Selectivityfactor

在定性分析中，通常固定一個色譜峰作為標準（s），然后再求其它峰（i）對這個峰的相對保留值．此時，可能大于1，也可能小于1．在多元混合物分析中，通常選擇一對最難分離的物質(zhì)對，將它們的相對保留值作為重要參數(shù)．在這種特殊情況下，可用符號表示：

式中tR2′為后出峰的調(diào)整保留時間，所以這時總是大于1的。

色譜峰的區(qū)域?qū)挾仁墙M份在色譜柱中譜帶擴張的函數(shù)，它反映了色譜操作條件的動力學(xué)因素．度量色譜峰區(qū)域?qū)挾韧ǔＳ腥N方法：

1.標準偏差σ

即0.607倍峰高處色譜峰寬的一半，如圖中EF距離的一半。

2.半峰寬W1/2

即峰高一半處對應(yīng)的峰寬，如圖中GH間的距離．它與標準偏差σ的關(guān)系是：

W1/2=2.354σ五、區(qū)域?qū)挾萈eakwidth

即色譜峰兩側(cè)拐點上的切線在基線上的截距，如圖中IJ的距離．它與標準偏差。的關(guān)系是：

W=4σ

3.基線寬度W

從色譜流出曲線上，得到信息是：

（l）根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可以判斷樣品中所含組份的最少個數(shù)．（2）根據(jù)色譜峰的保留值(或位置)，可以進行定性分析．(3)根據(jù)色譜峰下的面積或峰高，可以進行定量分析．（4）色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評價色譜柱分離效能的依據(jù)．（5）色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相和流動相選擇是否合適的依據(jù)．

3.色譜分析的基本原理Fundamentalofchromatographicanaysis色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，組分要達到完全分離，兩峰間的距離必須足夠遠，兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，即與色譜過程的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。但是兩峰間雖有一定距離，如果每個峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開。這些峰的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質(zhì)和擴散行為決定的，即與色譜過程的動力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此，要從熱力學(xué)和動力學(xué)兩方面來研究色譜行為。

一、分配系數(shù)K和分配比k

PartitioncoefficientandPartitionratio(1)．分配系數(shù)K

Partitioncoefficient

分配色譜的分離是基于樣品組分在固定相和流動相之間反復(fù)多次地分配過程，而吸附色譜的分離是基于反復(fù)多次地吸附一脫附過程。這種分離過程經(jīng)常用樣品分子在兩相間的分配來描述，而描述這種分配的參數(shù)稱為分配系數(shù)。它是指在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動相之間分配達平衡時的濃度之比值，即(2).分配比k

Partitionratio

分配比又稱容量因子，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達平衡時，分配在固定相和流動相中的物質(zhì)的量比。即

k值越大，說明組分在固定相中的量越多，相當(dāng)于柱的容量大，因此又稱分配容量或容量因子。它是衡量色譜柱對被分離組分保留能力的重要參數(shù)。k值也決定于組分及固定相熱力學(xué)性質(zhì)。它不僅隨柱溫、柱壓變化而變化，而且還與流動相及固定相的體積有關(guān)。

式中Cs，Cm分別為組分在固定相和流動相的濃度；Vm為柱中流動相的體積，近似等于死體積。Vs為柱中固定相的體積，在各種不同的類型的色譜中有不同的含義。例如：在分配色譜中，Vs表示固定液的體積；在尺寸排阻色譜中，則表示固定相的孔體積。(3).滯留因子Rs

Retentionfactor

分配比k值可直接從色譜圖測得。設(shè)流動相在柱內(nèi)的線速度為u，組分在柱內(nèi)線速度為us，由于固定相對組分有保留作用，所以us＜u．此兩速度之比稱為滯留因子Rs。

Rs若用物質(zhì)的量分數(shù)表示，即

對組分和流動相通過長度為L的色譜柱，其所需時間分別為整理公式，可得

(4).分配系數(shù)K與分配比k的關(guān)系

RelationbetweenPartitioncoefficientandPartitionratio

其中β稱為相比率，它是反映各種色譜柱型特點的又一個參數(shù)。例如，對填充柱，其β值一般為6～35；對毛細管柱，其β值為60～600。(5)．分配系數(shù)K及分配比k與選擇因子α的關(guān)系

RelationsbetweenK,kandα

根據(jù)對以上公式處理，對A、B兩組分的選擇因子，可用下式表示

上式表明：通過選擇因子α把實驗測量值k與熱力學(xué)性質(zhì)的分配系數(shù)K直接聯(lián)系起來，α對固定相的選擇具有實際意義。如果兩組分的K或k值相等，則α=1，兩個組分的色譜峰必將重合，說明分不開。兩組分的K或k值相差越大，則分離得越好。因此兩組分具有不同的分配系數(shù)是色譜分離的先決條件。

最早由Martin等人提出塔板理論，把色譜柱比作一個精餾塔，沿用精餾塔中塔板的概念來描述組分在兩相間的分配行為，同時引人理論塔板數(shù)作為衡量柱效率的指標。

二塔板理論（platetheory）該理論假定：

（i）在柱內(nèi)一小段長度H內(nèi)，組分可以在兩相間迅速達到平衡。這一小段柱長稱為理論塔板高度H。

（ii）以氣相色譜為例，載氣進入色譜柱不是連續(xù)進行的，而是脈動式，每次進氣為一個塔板體積（ΔVm）。

（iii）所有組分開始時存在于第0號塔板上，而且試樣沿軸（縱）向擴散可忽略。

（iv）分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無關(guān)。

為簡單起見，設(shè)色譜往由5塊塔板（n＝5，n為柱子的塔板數(shù)）組成，并以r表示塔板編號，r=1，2…，n－l；某組分的分配比k=1.

根據(jù)上述假定，在色譜分離過程中，該組分的分布可計算如下：開始時，若有單位質(zhì)量，即m=1（例1mg或1μg）的該組分加到第0號塔板上，分配平衡后，由于k=1，即ns=nm故nm=ns=0.5。當(dāng)一個板體積（lΔV）的載氣以脈動形式進入0號板時，就將氣相中含有nm部分組分的載氣頂?shù)?號板上，此時0號板液相（或固相）中ns部分組分及1號板氣相中的nm部分組分，將各自在兩相間重新分配。故0號板上所含組分總量為0.5，其中氣液（或氣固）兩相各為0.25而1號板上所含總量同樣為0.5．氣液（或氣固）相亦各為0.25。以后每當(dāng)一個新的板體積載氣以脈動式進入色譜柱時，上述過程就重復(fù)一次(見下表)。

按上述分配過程，對于n=5，k=1，m=1的體系，隨著脈動進入柱中板體積載氣的增加，組分分布在柱內(nèi)任一板上的總量（氣液兩相中的總質(zhì)量）,由塔板理論可建流出曲線方程：

m為組分質(zhì)量，Vr為保留體積，n為理論塔板數(shù)。當(dāng)流動相體積V=Vr時，C值最大，即

色譜柱長：L，虛擬的塔板間距離：H，色譜柱的理論塔板數(shù)：n，則三者的關(guān)系為：理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關(guān)系為：

從上兩式可以看出，色譜峰寬W越小，n就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指標。通常填充色譜柱的n＞103，H＜1mm。而毛細管柱n=105--106，H＜0.5mm由于死時tM包括在tR中,而實際的tM不參與柱內(nèi)分配,所計算的n值盡管大,H很小,但與實際柱效能相差甚遠.所以,提出把tM扣除,采用有效理論塔板數(shù)neff和有效塔板高Heff評價柱效能。

塔板理論用熱力學(xué)觀點形象地描述了溶質(zhì)在色譜柱中的分配平衡和分離過程，導(dǎo)出流出曲線的數(shù)學(xué)模型，并成功地解釋了流出曲線的形狀及濃度極大值的位置，還提出了計算和評價柱效的參數(shù)。但由于它的某些基本假設(shè)并不完全符合柱內(nèi)實際發(fā)生的分離過程，例如，不能解釋縱向擴散造成譜帶擴張的原因和影響板高的各種因素，也不能說明為什么在不同流速下可以測得不同的理論塔板數(shù)，這就限制了它的應(yīng)用。

塔板理論的要點：

Keypointsofplatetheory(1)當(dāng)色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n越大(塔板高度H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，所得色譜峰越窄。

(2)不同物質(zhì)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(yīng)指明測定物質(zhì)。(3)柱效不能表示被分離組分的實際分離效果，當(dāng)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。(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不同的實驗結(jié)果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。數(shù)學(xué)王子—高斯(CarlFriedrichGauss,1777-1855)，德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和物理學(xué)家。高斯是德國數(shù)學(xué)家，也是科學(xué)家，他和牛頓、阿基米德，被譽為有史以來的三大數(shù)學(xué)家。高斯是近代數(shù)學(xué)奠基者之一，在歷史上影響之大，可以和阿基米德、牛頓、歐拉并列，有“數(shù)學(xué)王子”之稱。三、速率理論Ratetheory

1956年荷蘭學(xué)者vanDeemter等提出了色譜過程動力學(xué)理論——速率理論。他們吸收了塔板理論中板高的概念，并考慮了組分在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程，從而在動力學(xué)基礎(chǔ)上較好地解釋了影響板高的各種因素。vanDeemter方程的數(shù)學(xué)簡化式為

式中u為流動相的線速度；A、B、C為常數(shù)，分別代表渦流擴散項系數(shù)、分子擴散項系數(shù)和傳質(zhì)阻力項系數(shù)。各系數(shù)的物理意義:1．渦流擴散項A

Eddydiffusionterm

在填充色譜柱中，當(dāng)組分隨流動相向柱出口遷移時，流動相由于受到固定相顆粒障礙，不斷改變流動方向，使組分分子在前進中形成紊亂的類似“渦流”的流動，故稱渦流擴散，形象地如右圖所示。

A＝2λdp

dp：固定相的平均顆粒直徑;

λ：固定相的填充不均勻因子

上式表明，A與填充物的平均直徑dp的大小和填充不規(guī)則因子λ有關(guān)，與流動相的性質(zhì)、線速度和組分性質(zhì)無關(guān)。為了減少渦流擴散，提高柱效，使用細而均勻的顆粒，并且填充均勻是十分必要的。對于空心毛細管，不存在渦流擴散。因此A＝0。

2.分子擴散項B/u（縱向擴散項）

Moleculardiffusionorlongitudinaldiffusionterm

縱向分子擴散是由濃度梯度造成的。組分從柱入口加入，其濃度分布的構(gòu)型呈“塞子”狀。如右圖所示。它隨著流動相向前推進，由于存在濃度梯度，“塞子”必然自發(fā)地向前和向后擴散，造成譜帶展寬。分子擴散項系數(shù)為

B＝2Dg

：彎曲因子，填充柱色譜，

<1

Dg：試樣組分分子在氣相中的擴散系數(shù)（cm2·s-1）

(1)存在著濃度差，產(chǎn)生縱向擴散;(2)擴散導(dǎo)致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;(3)分子擴散項與流速有關(guān)，流速↓，滯留時間↑，擴散↑;(4)擴散系數(shù)：Dg

∝(M載氣)-1/2；M載氣↑，B值↓。3．傳質(zhì)阻力項Cu

Masstransfer

resistanceterm

由于氣相色譜以氣體為流動相，液相色譜以液體為流動相，它們的傳質(zhì)過程不完全相同，現(xiàn)分別討論之（l）對于氣液色譜，傳質(zhì)阻力系數(shù)C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)(gas

masstransferresistancecoefficient

)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)(liquid

masstransferresistancecoefficient)Cl兩項，即

C＝Cg＋Cl

氣相傳質(zhì)過程是指試樣組分從氣相移動到固定相表面的過程。這一過程中試樣組分將在兩相間進行質(zhì)量交換，即進行濃度分配。有的分子還來不及進入兩相界面，就被氣相帶走；有的則進人兩相界面又來不及返回氣相。這樣，使得試樣在兩相界面上不能瞬間達到分配平衡，引起滯后現(xiàn)象，從而使色譜峰變寬。對于填充柱，氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg為式中k為容量因子。由上式看出，氣相傳質(zhì)阻力與填充物粒度的平方成正比、與組分在載氣流中的擴散系數(shù)見成反比。因此，采用粒度小的填充物和相對分子質(zhì)量小的氣體（如氫氣）做載氣，可使Cg減小，提高柱效。液相傳質(zhì)阻力系數(shù)C1為

liquid

masstransferresistancecoefficient

由上式看出，固定相的液膜厚度df薄，組分在液相的擴散系數(shù)Dl大，則液相傳質(zhì)阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值隨之變小，又會使Cl增大。當(dāng)固定液含量一定時，液膜厚度隨載體的比表面積增加而降低，因此，一般采用比表面積較大的載體來降低液膜厚度。但比表面太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利分離。雖然提高柱溫可增大Dl，但會使k值減小，為了保持適當(dāng)?shù)腃l值，應(yīng)控制適宜的柱溫。

將上面各式總結(jié)，即可得氣液色譜速率板高方程:

這一方程對選擇色譜分離條件具有實際指導(dǎo)意義，它指出了色譜柱填充的均勻程度，填料顆粒的大小，流動相的種類及流速，固定相的液膜厚度等對柱效的影響。

（2）對于液液分配色譜，傳質(zhì)阻力系數(shù)（C）包含流動相傳質(zhì)阻力系數(shù)mobilephasemasstransferresistancecoefficient

（Cm）和固定相傳質(zhì)系數(shù)stationaryphasemasstransferresistancecoefficient（Cs），即

C＝Cm＋Cs

其中Cm又包含流動的流動相中的傳質(zhì)阻力和滯留的流動相中的傳質(zhì)阻力，即

式中右邊第一項為流動相中的傳質(zhì)阻力。當(dāng)流動相流過色譜柱內(nèi)的填充物時，靠近填充物顆粒的流動相流速比在流路中間的稍慢一些，故柱內(nèi)流動相的流速是不均勻.

ωm是由柱和填充物的性質(zhì)決定的因子。ωsm是一常數(shù)，它與顆粒微孔中被流動相所占據(jù)部分的分數(shù)及容量因子有關(guān)。

液液色譜中固定相傳質(zhì)阻力系數(shù)（Cs）可用下式表示：

該式與氣液色譜速率方程的形式基本一致，主要區(qū)別在液液色譜中縱向擴散項可忽略不計，影響柱效的主要因素是傳質(zhì)阻力項。

綜上所述，對液液色譜的VanDeemter方程式可表達為：

速率理論方程的修正

Modificationofratetheoreticequation1.Giddings方程(1961年)2.Huber方程E稱為峰展寬常數(shù)，這些方程各有優(yōu)劣。速率理論的要點

Keypointsofratetheory(1)組分分子在柱內(nèi)運行的多路徑與渦流擴散、濃度梯度所造成的分子擴散及傳質(zhì)阻力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。(2)通過選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６?、載氣種類、液膜厚度及載氣流速可提高柱效。(3)速率理論為色譜分離和操作條件選擇提供了理論指導(dǎo)。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。(4)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(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，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。四.載氣流速與柱效——最佳流速

Optimalrate

Flowrateofcarriergasandcolumnefficiency載氣流速高時：

傳質(zhì)阻力項是影響柱效的主要因素，流速，柱效。載氣流速低時：

分子擴散項成為影響柱效的主要因素，流速,柱效

H-u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(dǎo)數(shù)有一極小值。以塔板高度H對應(yīng)載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即為最佳流速。五．流動相線速度對板高的影響

Effectoflinevelocityofmobilephaseonplateheight

(1)LC和GC的H－u圖表明(下圖)：一定長度的柱子，柱效越高，理論塔板數(shù)越大，板高越小。但究竟控制怎樣的線速度，才能達到最小板高呢？由圖a和b看出：LC和GC的H－u圖十分相似，對應(yīng)某一流速都有一個板高的極小值(柱效最高點)；LC板高極小值比GC的極小值小一個數(shù)量級以上，說明LC的柱效比GC高得多,LC的柱效最高點相應(yīng)流速相比GC的流速亦小一個數(shù)量級，說明對于LC，為了取得良好的柱效，流速不一定要很高。（2）分子擴散項和傳質(zhì)阻力項對板高的貢獻（見圖）

六.固定相粒度大小對板高的影響

Effectofparticle’sgranularityofstationaryphaseonplateheight

圖中固定相粒度對板高的影響是至關(guān)重要的。實驗表明不同粒度，H－u曲線也不同（見圖）：粒度越細，板高越小，并且受線速度影響亦小。這就是為什么在HPLC中采用細顆粒作固定相的根據(jù)。當(dāng)然，固定相顆粒愈細，柱流速愈慢。只有采取高壓技術(shù)，流動相流速才能符合實驗要求。4分離度Separationdegree

右圖說明了柱效和選擇性對分離的影響。圖中（a）兩色譜峰距離近并且峰形寬。兩峰嚴重相疊，這表示選擇性和柱效都很差。圖中（b）雖然兩峰距離拉開了，但峰形仍很寬，說明選擇性好，但柱效低。圖中（c）分離最理想，說明選擇性好，柱效也高。

由此可見，單獨用柱效或選擇性不能真實反映組分在色譜柱中分離情況，故需引人一個綜合性指標——分離度R。分離度是既能反映柱效率又能反映選擇性的指標，稱總分離效能指標。分離度又叫分辨率，它定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰底寬總和之半的比值，即R值越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般說，當(dāng)R＜1時，兩峰有部分重疊；當(dāng)R＝1時，分離程度可達98％；當(dāng)R＝1．5時，分離程度可達99．7％。通常用R=1.5作為相鄰兩組分已完全分離的標志。

下圖表示了不同分離度時色譜峰分離的程度。

5基本色譜分離方程式

Basicchromatographicseparationequations分離度受柱效(n)、選擇因子()和容量因子(k)三個參數(shù)的控制。對于難分離物質(zhì)對，由于它們的分配系數(shù)差別小，可合理地假設(shè)k1≈k2=k,W1≈W2＝W。由上式，得后式即為基本色譜分離方程式

在實際應(yīng)用中，往往用neff代替n,處理上式可得

可以看出，后者為基本色譜分離方程式又一表達式。

(1).分離度與柱效的關(guān)系

RelationbetweenRandcolumnefficiency

由分離方程式看出，具有一定相對保留值的物質(zhì)對，分離度直接和有效塔板數(shù)有關(guān)，說明有效塔板數(shù)能正確地代表柱效能。而分離方程式表明分離度與理論塔板數(shù)的關(guān)系還受熱力學(xué)性質(zhì)的影響。當(dāng)固定相確定，被分離物質(zhì)對的確定后，分離度將取決于n。這時，對于一定理論板高的柱子，分離度的平方與柱長成正比，即

雖說用較長的柱可以提高分離度，但延長了分析時間。因此提高分離度的好方法是制備出一根性能優(yōu)良的柱子，通過降低板高，以提高分離度。

(2).分離度與選擇因子的關(guān)系

RelationbetweenRand

由基本色譜方程式判斷，當(dāng)=1時，R=0，這時，無論怎樣提高柱效也無法使兩組分分離。顯然，大，選擇性好。研究證明，的微小變化，就能引起分離度的顯著變化。一般通過改變固定相和流動相的性質(zhì)和組成或降低柱溫，可有效增大值。(3).分離度與容量因子的關(guān)系

RelationbetweenRandk如果令：

則分離方程式寫成

由R/Q－k的曲線圖看出：當(dāng)k＞10時，隨容量因子增大，分離度的增長是微乎其微的。一般取k為3～10最宜。對于GC，通過提高溫度，可選擇合適的k值，以改進分離度。而對于LC，只要改變流動相的組成，就能有效地控制k值。它對LC的分離能起到立竿見影的效果（見圖）。

(4).分離度與分析時間的關(guān)系

RelationbetweenRandtr

下式表示了分析時間與分離度及其他因素的關(guān)系。從上式，設(shè)則可得：

由圖中R／Q或tr／Q′對k的曲線可見，當(dāng)k在2～5時，可在較短的分析時間，取得良好的分離度。(5).基本色譜分離方程式

Basicchromatographicseparationequations

R=0.8：兩峰的分離程度可達89%；R=1：分離程度98%；R=1.5：達99.7%（相鄰兩峰完全分離的標準）。Example1

在一定條件下，兩個組分的調(diào)整保留時間分別為85秒和100秒，要達到完全分離，即R=1.5。計算需要多少塊有效塔板。若填充柱的塔板高度為0.1cm，柱長是多少？解：21=100/85=1.18(?)

neff

=16R2[

21/(

21—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1547（塊）

Leff

=neff·Heff

=1547×0.1=155cm即柱長為1.55米時，兩組分可以得到完全分離。Example2在一定條件下，1m長的柱子，如果n=3600，兩個組分的保留時間分別為12.2s和12.8s，計算分離度。要達到完全分離，即R=1.5，所需要的柱長是多少？解：分離度：塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？

1.有一根lm長的柱子，分離組分1和2得到如下的色譜圖。圖中橫坐標l為記錄筆走紙距離。若欲得到R=1.2的分離度，有效塔板數(shù)應(yīng)為多少？色譜柱要加到多長？Exercises

2.已知某色譜柱的理論塔板數(shù)為3600,組分A和B在該柱上的保留時間為27mm和30mm,求兩峰的峰半寬和分離度.

3.已知一色譜柱在某溫度下的速率方程的A=0.08cm;

B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最佳線速度u和最小塔板高H.

4.

已知物質(zhì)A和B在一個30.0cm柱上的保留時間分別為16.40和17.63分鐘.不被保留組分通過該柱的時間為1.30分鐘.峰寬為1.11和1.21mm,計算:

(1)

柱分辨本領(lǐng);

(2)

柱的平均塔板數(shù)目;

(3)

塔板高度;

(4)

達到1.5分離度所需的柱長度;

(5)在較長柱上把物質(zhì)B洗脫所需要的時間.

10.2

氣相色譜法

GasChromatography

氣相色譜法（GC）是英國生物化學(xué)家Martin

ATP等人在研究液液分配色譜的基礎(chǔ)上，于1952年創(chuàng)立的一種極有效的分離方法，它可分析和分離復(fù)雜的多組分混合物。目前由于使用了高效能的色譜柱，高靈敏度的檢測器及微處理機，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應(yīng)用范圍廣的分析方法。如氣相色譜與質(zhì)譜（GC－MS）聯(lián)用、氣相色譜與Fourier紅外光譜(GC－FTIR）聯(lián)用、氣相色譜與原子發(fā)射光譜（GC－AES）聯(lián)用等。氣相色譜法又可分為氣固色譜（GSC）和氣液色譜（GLC）：前者是用多孔性固體為固定相，分離的對象主要是一些永久性的氣體和低沸點的化合物；而后者的固定相是用高沸點的有機物涂漬在惰性載體上．由于可供選擇的固定液種類多，故選擇性較好，應(yīng)用亦廣泛。

10.2.1氣相色譜儀

Gaschromatograph氣相色譜結(jié)構(gòu)流程

Constructionandprocedureofgaschromatograph1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；7-進樣閥;8-分離柱;9-熱導(dǎo)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)(1).氣路系統(tǒng)Carriergassystem(2).進樣系統(tǒng)

Sampleinjectionsystem(3).分離系統(tǒng)Separationsystem

分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細管柱。1）填充柱Packedcolumn

填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內(nèi)裝固定相，一般內(nèi)徑為2～4mm，長1～3m。填充柱的形狀有U型和螺旋型二種。2）毛細管柱Capillarycolumn

毛細管柱又叫空心柱，分為涂壁，多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內(nèi)徑0．l～0.5mm的毛細管內(nèi)壁而成，毛細管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。毛細管色譜柱滲透性好，傳質(zhì)阻力小，柱子可以長幾十米。與填充往相比，其分離效率高（理論塔板數(shù)可達106）、分析速度快、樣品用量小，但柱容量低、要求檢測器的靈敏度高，制備較難。

(4).溫控系統(tǒng)Temperaturecontrolsystem在氣相色譜測定中，溫度直接影響色譜柱的選擇分離、檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性。控制溫度主要指對色譜柱爐，氣化室，檢測器三處的溫度控制。色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。對于沸點范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進行分析。程序升溫指在一個分析周期內(nèi)柱溫隨時間由低溫向高溫作線性或非線性變化，以達到用最短時間獲得最佳分離的目的。(5).檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

Detectionanddataprocessingsystem

樣品經(jīng)色譜柱分離后，各成分按保留時間不同，順序地隨載氣進人檢測器，檢測器把進入的組分按時間及其濃度或質(zhì)量的變化，轉(zhuǎn)化成易于測量的電信號，經(jīng)過必要的放大傳遞給記錄儀或計算機，最后得到該樣品的色譜流出曲線及定性和定量信息。10.2.2氣相色譜固定相

StationaryphaseofGC

氣液色譜固定相由載體(擔(dān)體)和固定液組成。

1.載體(擔(dān)體)supporter

（l）要求：足夠大的表面積,良好的孔穴結(jié)構(gòu)。固定液與試樣的接觸面大，能均勻地分布成一薄膜。但載體表面積不宜太大，否則猶如吸附劑，易造成峰拖尾；表面呈化學(xué)惰性，沒有吸附性或吸附性很弱，更不能與被測物起反應(yīng)；熱穩(wěn)定性好；形狀規(guī)則，粒度均勻，具有一定機械強度。

一．氣液色譜固定相(GLC)（2）類型：主要分為硅藻土和非硅藻土兩類。硅藻土載體是目前氣相色譜中常用的載體，它是由稱為硅藻的單細胞海藻骨架組成，主要成分是二氧化硅和少量無機鹽，根據(jù)制造方法不同，又分為:

紅色載體：硅藻土與粘合劑在900℃煅燒，破碎過篩而得，因鐵生成氧化鐵呈紅色。特點是表面孔穴密集、孔徑較小、比表面積較大。對強極性化合物吸附性和催化性較強，如烴類、醇、胺、酸等極性化合物會因吸附而產(chǎn)生嚴重拖尾。它適宜于分析非極性或弱極性物質(zhì)。

白色載體：硅藻土與20％的碳酸鈉（助熔劑）混合煅燒而成，它呈白色。比表面積較小、吸附性和催化性弱，適宜于分析各種極性化合物。101，102系列，英國的Celite系列，英國和美國的Chromosorb系列，美國的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都屬這一類。

非硅藻土載體有有機玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球等。這類載體常用于特殊分析，如氟載體用于極性樣品和強腐蝕性物質(zhì)HF、Cl2等分析。但由于表面非浸潤性，其柱效低。

（3）表面處理：硅藻土載體表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基

或含有礦物雜質(zhì)，如氧化鋁、鐵等，使色譜峰產(chǎn)生拖尾。因此使用前要進行化學(xué)處理，以改進孔隙結(jié)構(gòu)，屏蔽活性中心。處理方法有酸洗、堿洗、硅烷化及添加減尾劑等。

（i）酸洗：用3~6mol·dm-3鹽酸浸煮載體、過濾，水洗至中性。甲醇淋洗，脫水烘干?？沙o機鹽，F(xiàn)e,Al等金屬氧化物。適用于分析酸性物質(zhì)。（ii）堿洗：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，除去氧化鋁，用于分析堿性物質(zhì)。(iii)硅烷化：用硅烷化試劑與載體表面硅醇基反應(yīng)，使生成硅烷醚，以除去表面氫鍵作用力。如：

常用硅烷化試劑有二甲基二氯硅烷（DMCS），六甲基二硅烷胺（HMDS）等。

2.固定液

（l）對固定液要求首先是選擇性好。固定液的選擇性可用相對調(diào)整保留值2.1來衡量。對于填充柱一般要求2.1＞1.15；對于毛細管柱，2.1＞1.08.要求固定液有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；對試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?；在操作溫度下有較低蒸氣壓，以免流失太快。

（2）組分分子與固定液間的作用力在氣相色譜中，載氣是情性的，且組分在氣相中濃度很低，組分分子間作用力很小，可忽略。在液膜中，由于組分濃度低，組分間的作用力也可忽略。液膜里主要存在的作用力是組分與固定液分子間的作用力，這種作用力反映了組分在固定液中的熱力學(xué)性質(zhì)。作用力大的組分，由于溶解度大，分配系數(shù)大。

這種分子間作用力(intermolecularforces)是一種較弱的分子間的吸引力，它不像分子內(nèi)的化學(xué)鍵那么強。包括定向力(directiveforce)、誘導(dǎo)力(inductionforce)、色散力(dispersionforce)和氫鍵(hydrogenbond)4種。前三種統(tǒng)稱范德華力，都是由電場作用而引起的。而氫鍵則與它們有所不同，是一種特殊的范德華力。此外，固定液與被分離組分間還可能存在形成化合物或配合物等的鍵合力(bindingforces)。（3）固定液的特性

Charactersofstationaryliquid

固定液的特性主要是指它的極性或選擇性,通常采用相對極性(relativepolarity)和特征常數(shù)(characteristicconstant)表示。

(i)Relativepolarity：1959年由Rohrschneider提出用相對極性P來表示固定液的分離特征。規(guī)定:角鯊?fù)榈臉O性為0,β,β′-氧二丙睛的極性為100．選取一對物質(zhì)（如正丁烷--丁二烯或環(huán)乙烷--苯），分別測定它們在氧二丙腈、角鯊?fù)榧坝麥y固定液色譜柱上的相對保留值，取其對數(shù)，得到:角鯊?fù)楹挺?β’-氧二丙睛結(jié)構(gòu)式角鯊?fù)椋ó惾椋﹕qualane2，6，10，15，19，23-六甲基二十四烷硅油silicone

β，β′-氧二丙晴

β，β′-oxydipropionitrle

式中下標1，2和x分別表示氧二丙睛，角鯊?fù)榧氨粶y固定液。據(jù)此測得各種固定液的相對極性均在0～100之間。一般將其分為五級，每20單位為一級。相對極性0～+l級：非極性固定液，

+2級：弱極性固定液，+3級：中等極性，+4～+5級：強極性。非極性亦可用“－”表示。下表列出了一些常用固定液的相對極性數(shù)據(jù)。

(ii)CharacteristicconstantΔI=Ip–

Is

ΔI為任一標準物質(zhì)保留指數(shù)差值，Ip和Is分別為任一標準物質(zhì)在被測固定液和參比固定液的保留指數(shù)。下表列出一些常用固定液的羅氏常數(shù)。

麥氏常數(shù)是在羅氏方法的基礎(chǔ)上，1970年由McReynolds提出的改進方案。選用苯、正丁醇、2一戊酮、l一硝基丙烷、吡啶、2一甲基一2一戊醇、碘丁烷、2一辛炔、二氧六環(huán)、順八氫化茚10種物質(zhì)，在柱溫120℃下分別測定它們在226種固定液和角鯊?fù)樯系摩值。歸納后發(fā)現(xiàn)前5種物質(zhì)已足以表達固定液的相對極性，把該五項之和稱為總極性。下表列出一些常用固定液的McReynolds常數(shù)。(iii)保留指數(shù)Retentionindex

規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘100,如正己烷和正辛烷的保留指數(shù)分別為600和800。至于其他物質(zhì)的保留指數(shù)，則可采用兩個相鄰正構(gòu)烷烴保留指數(shù)進行標定。測定時，將碳數(shù)為n和n+1的正構(gòu)烷烴加于樣品x中進行分析，若測得它們的調(diào)整保留時間分別為tr’(Cn)，tr(Cn+1)和tr(x)且tr(Cn)＜tr(x)＜tr(Cn+1)時，則組分x的保留指數(shù)可按下式計算，

氣液色譜可選擇的固定液有幾百種，它們具有不同的組成、性質(zhì)、用途。如何將這許多類型不同的固定液做一科學(xué)分類，對于使用和選擇固定液是十分重要的。現(xiàn)在大都按固定液的極性和化學(xué)類型分類。按固定液極性分類就是如前所述，可用固定液的極性和特征常數(shù)（羅氏常數(shù)和麥氏常數(shù)）表示。用化學(xué)類型分類。這種分類方法是將有相同官能團的固定液排列在一起，然后按官能團的類型分類。這樣就便于按組分與固定液結(jié)構(gòu)相似原則選擇固定液。（4）固定液的分類Classificationofstationaryliquid

（5）固定液的選擇SelectionofSL

“相似相溶”原則。在應(yīng)用時，應(yīng)按實際情況而定。（i）分離非極性物質(zhì)：一般選用非極性固定液，這時試樣中各組分按沸點次序流出，沸點低的先流出，沸點高的后流出。（ii）分離極性物質(zhì)：選用極性固定液，試樣中各組分按極性次序分離，極性小的先流出。極性大的后流出。（iii）分離非極性和極性混合物：一般選用極性固定液，這時非極性組分先流出，極性組分后流出。（vi）分離能形成氫鍵的試樣：一般選用極性或氫鍵型固定液。試樣中各組分按與固定液分子間形成氫鍵能力大小先后流出，不易形成氫鍵的先流出，最易形成氫鍵的最后流出。（v）復(fù)雜的難分離物質(zhì)：可選用兩種或兩種以上混合固定液。對于樣品極性情況未知的，一般用最常用的幾種固定液做試驗。表列出了幾種最常用的固定液。

1．常用的固體吸附劑Commonsolidabsorbents主要有強極性的硅膠，弱極性的氧化鋁，非極性的活性炭和特殊作用的分子篩等。使用時，可根據(jù)它們對各種氣體的吸附能力不同，選擇最合適的吸附劑.（見下表）2．人工合成的固定相Syntheticstationaryphase

有機固定相高分子多孔微球是一類人工合成的多孔共聚物。它既是載體又起固定液作用，可在活化后直接用于分離，也可作為載體在其表面涂漬固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔徑大小及表面性質(zhì)。圓球型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。在無液膜存在時，沒有“流失”問題，有利于大幅度程序升溫。這類高分子多孔微球特別適用于有機物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂類、膠類的分析。二．氣固色譜固定相

StationaryphaseofGSC

10.2.3氣相色譜檢測器

DetectorsofGC

檢測器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。檢測器的種類多達數(shù)十種,根據(jù)檢測原理的不同，可分為濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器兩種：

（l）濃度型檢測器Concentrationsensitivedetectors

測量的是載氣中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。如熱導(dǎo)檢測器和電子捕獲檢測器。

（2）質(zhì)量型檢測器Massflowratesensitivedetectors

測量的是載氣中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應(yīng)值和單位時間內(nèi)進入檢測器某組分的量成正比。如火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器等。－.熱導(dǎo)檢測器

（TCD）

根據(jù)不同的物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)原理制成的。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，幾乎對所有物質(zhì)都有響應(yīng)，通用性好，而且線性范圍寬，價格便宜，因此是應(yīng)用最廣，最成熟的一種檢測器。主要缺點：靈敏度較低。Thermalconductivitydetector1．熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)和工作原理Constructionandprinciple

熱導(dǎo)池由池體和熱敏元件構(gòu)成，可分雙臂和四臂熱導(dǎo)池兩種。由于四臂熱導(dǎo)池?zé)峤z的阻值比雙臂熱導(dǎo)池增加一倍，故靈敏度也提高一倍。目前儀器中都采用四根金屬絲組成的四臂熱導(dǎo)地。其中二臂為參比臂，另二臂為測量臂，將參比臂和測量臂接人惠斯電橋，由恒定的電流加熱組成熱導(dǎo)池測量線路，如前圖所示。2．影響靈敏度的因素

Influencingfactorstosensitivity（l）橋電流

橋電流增加，使鎢絲溫度提高，鎢絲和熱導(dǎo)池體的溫差加大，氣體就容易將熱量傳出去，靈敏度就提高。響應(yīng)值與工作電流的三次方成正比。所以，增大電流有利于提高靈敏度，但電流太大會影響鎢絲壽命。一般橋電流控制在100～200mA左右（N2作載氣時為100～150mA，H2作載氣時150～200mA為宜）。

（2）池體溫度

池體溫度降低，可使池體和鎢絲溫差加大，有利于提高靈敏度。但池體溫度過低，被測試樣會冷凝在檢測器中。池體溫度一般不應(yīng)低于柱溫。（3）載氣種類

載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差愈大，則靈敏度愈高。故選擇熱導(dǎo)系數(shù)大的氫氣或氦氣作載氣有利于靈敏度提高。如用氮氣作載氣時，有些試樣（如甲烷）的熱導(dǎo)系數(shù)比它大就會出現(xiàn)倒峰。（4）熱敏元件的阻值

阻值高、溫度系數(shù)較大的熱敏元件，靈敏度高。鎢絲是一種廣泛應(yīng)用的熱敏元件，它的阻值隨溫度升高而增大，其電阻溫度系數(shù)為5.5×10-3cm·Ω-1·℃-1，電阻率為5.5×1O-6Ω·cm。為防止鎢絲氣化，可在表面鍍金或鎳。

二.火焰離子化檢測器（FID）

火焰離子化檢測器是以氫氣和空氣燃燒的火焰作為能源，含碳有機物在火焰中燃燒產(chǎn)生離子，在外電場作用下，形成離子流，根據(jù)離子流產(chǎn)生的電信號強度，檢測被色譜柱分離出的組分。它的特點是：靈敏度很高，比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高約103倍；檢出限低，可達10-12g·S-1；能檢測大多數(shù)含碳有機化合物；死體積小，響應(yīng)速度快，線性范圍也寬，可達106以上；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，是應(yīng)用最廣泛的色譜檢測器之一。主要缺點：不能檢測永久性氣體、水、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫化氫等物質(zhì)。Flameionizationdetector1.結(jié)構(gòu)Construction

2．火焰離子化機理Ionizationmechanism

至今還不十分清楚其機理，普遍認為是一個化學(xué)電離過程。有機物在火焰中先形成自由基，然后與氧產(chǎn)生正離子，再同水反應(yīng)生成H30+離子。以苯為例，在氫火焰中的化學(xué)電離反應(yīng)如下：3.影響因素Influencingfactorstosensitivity

離子化室的結(jié)構(gòu)對火焰離子化檢測器的靈敏度有直接影響，操作條件的變化，包括氫氣、載氣、空氣流速和檢測室的溫度等都對檢測器靈敏度有影響

電子捕獲檢測器(ECD)

Electroncaptureddetector

電子捕獲檢測器是一種選擇性很強的檢測器，對具有電負性物質(zhì)（如含鹵素、硫、磷、氰等的物質(zhì)）的檢測具有很高靈敏度（檢出限約1O-14g·cm-3）。它是目前分析痕量電負性有機物最有效的檢測器。電子捕獲檢測器已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留量、大氣及水質(zhì)污染分析，以及生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中。它的缺點是線性范圍窄，只有103左右，且響應(yīng)易受操作條件影響，重現(xiàn)性較差。1．結(jié)構(gòu)與工作原理Constructionandprinciple

實際上它是一種放射性離子化檢測器，與火焰離子化檢測器相似，也需要一個能源和一個電場。能源多數(shù)用63Ni或3H放射源，其結(jié)構(gòu)如下圖。

檢測器內(nèi)腔有兩個電極和筒狀的β放射源。β放射源貼在陰極壁上，不銹鋼棒作正極，在兩極施加直流或脈沖電壓。放射源的β射線將載氣（N2或Ar）電離，產(chǎn)生次級電子和正離子，電子在電場作用下，向正極移動，形成恒定基流。當(dāng)載氣帶有電負性溶質(zhì)進入檢測器時，電負性溶質(zhì)就能捕獲這些低能量的自由電子，形成穩(wěn)定的負離子，負離子再與載氣正離于復(fù)合成中性化合物，使基流降低而產(chǎn)生負信號——倒峰。2．捕獲機理Capturemechanism

捕獲機理可用以下反應(yīng)式表示：

四.火焰光度檢測器(FPD)

火焰光度檢測器，又稱硫、磷檢測器，它是一種對含磷、硫有機化合物具有高選擇性和高靈敏度的質(zhì)量型檢測器，檢出限可達10-12g·S-1（對P）或10-11g·S-1（對S）。這種檢測器可用于大氣中痕量硫化物以及農(nóng)副產(chǎn)品，水中的毫微克級有機磷和有機硫農(nóng)藥殘留量的測定。1．火焰光度檢測器的結(jié)構(gòu)

Construction

Flamephotometricdetector

2．火焰光度檢測器的工作原理Principle

硫和磷化合物在富氫火焰中燃燒時，生成化學(xué)發(fā)光物質(zhì)，并能發(fā)射出特征波長的光，記錄這些特征光譜，就能檢測硫和磷。以硫為例，有以下反應(yīng)發(fā)生

激發(fā)態(tài)S2*分子返回基態(tài)時發(fā)射出特征波長光λmax為394nm。含磷化合物燃燒時生成磷的氧化物，在富氫火焰中被氫還原，形成化學(xué)發(fā)光的HPO碎片，發(fā)射出λmax為526nm的特征光譜。五.原子發(fā)射檢測器（AED）

原子發(fā)射檢測器是1990年代最新型的一種檢測器。工作原理：將被測組分導(dǎo)入一個與光電二極管陣列光譜檢測器耦合的等離子體中，等離子體提供足夠能量使組分樣品全部原子化，使之激發(fā)出特征原子發(fā)射光譜，經(jīng)分光后，含有光譜信息的全部波長聚焦到二極管陣列。用電子學(xué)方法及計算機技術(shù)對二極管陣列快速掃描，采集數(shù)據(jù)，可得三維色譜光譜圖（見下圖）。Atomicemissiondetector

檢測器的性能指標

Performanceindexofdetectors

一個優(yōu)良的檢測器應(yīng)具以下性能指標：靈敏度高，檢出限低，死體積小，響應(yīng)速度快，線性范圍寬，穩(wěn)定性好。通用性檢測器要求適用范圍廣；選擇性檢測器要求選擇性好。表列出四種常用檢測器的性能指標。

1．靈敏度Sensitivity

當(dāng)一定濃度或一定質(zhì)量的組分進入檢測器，產(chǎn)生一定的響應(yīng)信號R。以進樣量c（單位：mg·cm-3或g·s-1）對響應(yīng)信號(R)作圖得到一條通過原點的直線。直線的斜率就是檢測器的靈敏度（S）。因此，靈敏度可定義為信號（R）對進人檢測器的組分量（c）的變化率

濃度型檢測器:ΔR取mV，Δc取mg·cm-3，則S是mV·cm3·mg-1;質(zhì)量型檢測器:ΔR取mV，Δc取g·s-1,則S的單位為mV·s·g-1。

在實際工作中，我們常常從色譜圖上測量峰的面積來計算檢測器的靈敏度。根據(jù)靈敏度的定義，可得濃度型檢測器靈敏度計算公式

式中：Sc一靈敏度（mV·cm3·mg-1），Ai一色譜峰面積（cm2），C2一記錄儀靈敏度（mV·cm-1），F(xiàn)c′一檢測器入口處載氣流速（cm3·min-1），wi一進入檢測器的樣品量（mg），C1一記錄紙移動速度（cm·min-1）。

同樣，對于氣體樣品，進樣量以體積cm3表示時，則靈敏度Sc的單位為mV·cm3·cm-3。質(zhì)量型檢測器靈敏度計算公式為：

式中：Sm一靈敏度（mV·s·g-1），wi一進入檢測器的樣品量（g）。

［例1］進樣0.5μL純苯，得色譜峰高h=6.25cm.半峰寬W1/2=0.25cm苯的密度為0.88g·cm-3，記錄紙走速C1=0.5cm·min-1，檢測器入口處載氣流速Fc′=30cm3.min-1,記錄儀滿量程為10mV，滿量程寬度25cm，求熱導(dǎo)檢測器的靈敏度。解:wi＝0.5×10-3cm3×0.88×103mg·cm-3=0.44mg

C2＝10mV/25cm=0.4mV·cm-1

Ai＝1.065h·W1/2＝1.065×6.25cm×0.25cm＝1.065×6.25×0.25cm2將以上各式代人靈敏度公式，得

S＝1.065×6.25×0.25cm2×0.4mV·cm-1×30cm3·min-1/(0.44mg×0.5cm·min-1)＝90.8mV·cm3·mg-l2．檢出限（敏感度）Detectionlimit

當(dāng)檢測器輸出信號放大時，電子線路中固有噪聲同時被放大，使基線波動，如圖所示。取基線起伏的平均值為噪聲的平均值，用符號RN表示。由于噪聲會影響色譜峰的認辨，所以在評價檢測器質(zhì)量時提出了檢出限這一指標

檢出限定義：(definition)檢測器恰能產(chǎn)生二倍于噪聲信號時的單位時間（單位s）引入檢測器的樣品量（單位g），或單位體積（單位：cm3）載氣中需含的樣品量。對于濃度型檢測器，檢出限D(zhuǎn)c定義為

Dc=2RN/Sc

Dc的物理意義指每毫升載氣中含有恰好能產(chǎn)生二倍于噪聲信號的溶質(zhì)毫克數(shù)。

質(zhì)量型檢測器的檢出限為

Dm=2RN/Sm

Dm的物理意義指每秒通過的溶質(zhì)克數(shù)，恰好產(chǎn)生二倍于噪聲的信號。

熱導(dǎo)檢測器---熱導(dǎo)檢測器的檢出限一般約為10-5mg·cm-3，即每毫升載氣中約有10-5mg溶質(zhì)所產(chǎn)生的響應(yīng)信號相當(dāng)于噪聲的2倍?；鹧骐x子化檢測器---火焰離子化檢測器的檢出限一般為10-12g·s-1。無論哪種檢測器，檢出限都與靈敏度成反比，與噪音成正比。檢出限不僅決定于靈敏度，而且受限于噪聲，所以它是衡量檢測器性能好壞的綜合指標。

3．最小檢測量

Minimumdetectablequantity

檢測器總是與分離柱、氣化室、記錄器及連接管道等組成一個色譜體系。最小檢測量指產(chǎn)生二倍噪聲峰高時，色譜體系（即色譜