有機物分離與剖析第2章氣相色譜法

第二章氣相色譜法理論基礎

（TheoryofGasChromatography）

2.1概述1903年俄國植物學家茨維特分離植物色素時采用。（1）固定相（2）流動相（3）分離原理

當流動相中樣品混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生作用，從而按先后不同的次序從固定相中流出。色譜法分類一．按兩相狀態(tài)分類

1.氣體為流動相的色譜稱為氣相色譜（GC）

（1）氣-固色譜（GSC）（2）氣-液色譜（GLC）

2.液體為流動相的色譜稱液相色譜（LC）

（1）液-固色譜（LSC）（2）液-液色譜（LLC）

3.超臨界流體為流動相的色譜稱為超臨界流體色譜（SFC）

4.通過化學反應將固定液鍵合到載體表面，這種化學鍵合固定相的色譜又稱化學鍵合相色譜（CBPC）。

二.按分離機理分類

1.利用組分在吸附劑（固定相）上的吸附能力強弱不同而得以分離的方法，稱為吸附色譜法。

2.利用組分在固定液（固定相）中溶解度不同而達到分離的方法稱為分配色譜法。

3.利用組分在離子交換劑（固定相）上的親和力大小不同而達到分離的方法，稱為離子交換色譜法。

4.利用大小不同的分子在多孔固定相中的選擇滲透而達到分離的方法，稱為凝膠色譜法或尺寸排阻色譜法。

5.利用不同組分與固定相（固定化分子）的高專屬性親和力進行分離的技術稱為親和色譜法，常用于蛋白質(zhì)的分離。三．按固定相的形狀分類

1.柱色譜；2.薄層色譜；3.紙色譜

根據(jù)以上所述，將色譜法的分類總結于下一頁表中。2.1.1色譜流出曲線及有關術語

一．流出曲線和色譜峰

1.基線2.保留時間（1）用時間表示保留時間（tR）死時間（tM）調(diào)整保留時間（tR’）（2）用體積表示保留體積(VR)VR=tR*F0死體積（VM）VR=tM*F0調(diào)整保留體積（VM’）VM’=VR-VM3.區(qū)域?qū)挾龋ǚ鍖挘?）標準偏差（σ）（2）半峰寬（Y1/2）（3）峰底寬（Y或Wb）Y1/2=2.354σWb=4σ3.12

相對保留值r2.1

某組份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：只與柱溫和固定相有關；表示固定相對這兩種組分的選擇性。從色譜流出曲線上，得到信息是：

l.根據(jù)色譜峰的個數(shù)，可以判斷樣品中所合組份的最少

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)挾龋窃u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)．

2.1.2色譜法分析的基本原理

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性質(zhì)有關。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性質(zhì)有關。因此，要從熱力學和動力學兩方面來研究色譜行為。

一、分配系數(shù)K和分配比k1．分配系數(shù)K

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，即分配系數(shù)K的討論1.一定溫度下，組分的K越大，出峰越慢；2.試樣一定時，K主要取決于固定相性質(zhì)；3.每個組分在各種固定相上的分配系數(shù)不同；4.選擇適宜的固定相可以改善分離效果；5.試驗中的各組分具有不同的K值是分離的基礎；6.某組分的K=0時，即不被固定相保留，最先流出。2.分配比k

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質(zhì)量比。即與滯留因子有關（自學）3.分配系數(shù)K與分配比k的關系

其中β稱為相比，流動相與固定相的體積比。填充柱，其β值一般為6～35；對毛細管柱，其β值為60～600。

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）3.14

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，則三者的關系為：理論塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關系為：相應的有效塔板數(shù)與色譜參數(shù)之間的關系為：塔板理論的特點和不足

(1)當色譜柱長度一定時，塔板數(shù)n

越多(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果，也無法指出影響柱效的因素及提高柱效的途徑。二、速率理論-影響柱效的因素1.速率方程（VanDeemter方程式）

H=A+B/u+C·u

H：理論塔板高度；

u：載氣的線速度(cm/s)；

A：渦流擴散項；

B/u：縱向擴散項；

C·u：傳質(zhì)阻力項；如何提高柱效率？

A、B、C三項各與哪些因素有關？減小A、B/u、C·u三項可。(1).A─渦流擴散項

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

固定相顆粒越小dp↓，填充的越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現(xiàn)在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現(xiàn)象減輕，色譜峰較窄。(2).B/u—縱向擴散項

B=2νDgν：彎曲因子；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)擴散導致色譜峰變寬，H↑(n↓)，分離變差;(3)縱向擴散項與流速有關，流速↓，滯留時間↑，擴散↑;(4)擴散系數(shù)：M載氣↑，Dg↓

，B值↓，柱效↑。

選擇小分子量的氣體作載氣，降低液層厚度，可降低傳質(zhì)阻力。(3).C·u—傳質(zhì)阻力項

傳質(zhì)阻力包括氣相傳質(zhì)阻力Cg和液相傳質(zhì)阻力CL即：

C=（Cg+CL）思考：如果是毛細管色譜柱會出現(xiàn)什么結果？如何降低傳質(zhì)阻力項？Cg

·uCL·u2.載氣流速與柱效——最佳流速載氣流速高（＞u最佳）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（＜u最佳

）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載氣流速值。

以塔板高度H對應載氣流速u作圖，曲線最低點的流速即為最佳流速。實際選擇最佳載氣流速，如何選？uop思考題

下面填充柱的VanDeemter方程的圖形，如果在下面的圖形中將空心毛細管柱的VanDeemter方程的圖形繪制出來，應如何繪制？長度=A原因：1.曲線向下平移A，因為毛細管柱中A=0；

2.曲線右端變平緩，因為固定液液膜變薄，液相傳質(zhì)阻力項降低；柱內(nèi)徑變小，氣相傳質(zhì)阻力項降低。結論：毛細管柱柱效率高于填充柱，而且可以使用更高的載氣流速。3.速率理論的要點總結(1)組分在柱內(nèi)運行的多路徑、濃度梯度以及傳質(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?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。闡明了流速和柱溫對柱效及分離的影響。(4)只有選擇最佳條件，才能使柱效達到最高。2.1.4分離度

（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。（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。（c）分離最理想，說明選擇性好，柱效也高。

3.18引入一個綜合性指標—分離度R。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R＜1時，兩峰有部分重疊；當R＝1時，分離程度可達98％；當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。

令W1=W2，引入相對保留值和塔板數(shù)，可導出下式思考：n有效=？5.281.分離度與柱效的關系[例2-1]

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：r21=100/85=1.18

n有效=16R2[r21/(r21—1)]2=16×1.52×(1.18/0.18)2

=1547（塊）

L有效=n有效·H有效=1547×0.1=155cm

即柱長為1.55米時，兩組分可以得到完全分離。[例2-2]

在一定條件下，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。解：分離度：塔板數(shù)增加一倍，分離度增加多少？

2-1在一個柱效相當于4200塊有效塔板數(shù)的色譜柱上，測得十八烷及2-甲基-十七烷的調(diào)整保留時間分別為15.05min和14.82min。計算：（1）十八烷對2-甲基-十七烷的相對保留值？（2）這兩個化合物在此色譜柱上的分離度R是多少？（3）如果要求分離度R=1.0，則需要多少塊有效塔板？習題

2-1假設兩組分的調(diào)整保留時間分別為19min和20min,死時間1min，計算（1）較晚流出的第二個組分的分配比K2；（2）欲達到分離度R為0.75及1.5時所需的理論塔板數(shù).

2-2在一根長度為3米的填充柱上，空氣峰的保留時間為1min，苯和環(huán)己烷的保留時間分別為14min和17min，環(huán)己烷的峰寬為1min，為得到R=1.5的分離度，需要的最短柱長是多少？作業(yè)

2-3結合范第姆特方程說明為何毛細管色譜的柱效率明顯高于填充柱色譜。2.2氣相色譜

GasChromatography2.1a氣相色譜立體結構流程2.1b氣相色譜平面結構流程

processofgaschromatograph1-鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化管；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；7-進樣閥;8-分離柱;9-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)（5）固定液的選擇

對固定液的選擇并沒有規(guī)律性可循。一般可按“相似相溶”原則來選擇。在應用時，應按實際情況而定。（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。2.2.4氣相色譜檢測器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。根據(jù)檢測原理的不同，可將其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

檢測器的響應值和組分的濃度成正比。如熱導檢測器。（2）質(zhì)量型檢測器

檢測器的響應值和單位時間內(nèi)進入檢測器某組分的量成正比。如火焰離子化檢測器。－.熱導檢測器（TCD）

熱導檢測器是根據(jù)不同的物質(zhì)具有不同的熱導系數(shù)原理制成的。結構簡單，性能穩(wěn)定，對所有物質(zhì)都有響應，通用性好，而且線性范圍寬，價格便宜，應用廣泛，缺點是靈敏度較低。熱導池檢測器ThermalConductivityDetector(TCD)熱導池示意圖雙臂熱導池四臂熱導池濃度型檢測器熱導池Wheatstone電橋測量線路

1．熱導池的結構和工作原理

惠斯登電橋

2．影響熱導檢測器靈敏度的因素

（l）橋電流

橋電流增加，鎢絲溫度提高，鎢絲和熱導池體的溫差加大，有利于熱傳導，靈敏度就提高。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。（2）池體溫度

池體溫度降低，有利于提高靈敏度。但池體溫度不能低于柱溫。（3）載氣種類

載氣與試樣的熱導系數(shù)相差愈大，則靈敏度愈高。

二.火焰離子化檢測器（FID）

1.工作原理；2.結構3.特點：（1）操作簡單；（2）檢出限低，可達10-12g·S-1；（3）能檢測大多數(shù)含碳有機化合物；（4）死體積??；（5）響應速度快；（6）線性范圍也寬，可達106以上；（7）結構簡單；（8）靈敏度很高，比熱導檢測器的靈敏度高約103倍；4.主要缺點：

不能檢測永久性氣體、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氫等物質(zhì)。3.21火焰離子化機理

至今還不十分清楚其機理，普遍認為這是一個化學電離過程。以苯為例，在氫火焰中的化學電離反應如下：

3.影響操作條件的因素

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三.檢測器的性能指標

一個優(yōu)良的檢測器應具以下幾個性能指標：靈敏度高，撿出限低，死體積小，響應迅速，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。

最小檢測量

最小檢測量指產(chǎn)生二倍噪聲峰高時，色譜體系（即色譜儀）所需的進樣量。線性范圍

檢測器呈線性時最大和最小進樣量之比，或叫最大允許進樣量（濃度）與最小檢測量（濃度）之比。

2.2.4色譜分離操作條件的選擇

1．柱長的選擇

一般情況下，柱長選擇以使組分能完全分離，分離度達到所期望的值為準。具體方法是選擇一根極性適宜，任意長度的色譜柱，測定兩組分的分離度，然后根據(jù)基本色譜分離方程式，確定柱長是否適宜。2.載氣及其流速的選擇

3．柱溫的選擇

選擇柱溫要兼顧幾方面的因素。一般原則是：在使最難分離的組分有盡可能好的分離前提下，采取適當?shù)偷闹鶞?，但以保留時間適宜，峰形不拖尾為度。具體操作條件的選擇應根據(jù)實際情況而定。柱溫的選擇還應考慮固定液的使用溫度，柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則固定液揮發(fā)流失，對分離不利。對于寬沸程的多組分混合物，可采用程序升溫。4．載體粒度及篩分范圍的選擇

載體的粒度愈小，填裝愈均勻，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否則，阻力壓也急劇增大。一般粒度直徑為柱內(nèi)徑的1／20～l／25為宜。

5．進樣量的選擇

一般說來，色譜柱越粗、越長，固定液含量越高，容許進樣量越大。2.2.5定性分析

色譜法定性分析主要依據(jù)是保留值，所以需要標準樣品。而且單靠色譜法對每個組分進行鑒定，往往不能令人滿意。1.用已知純