色谱分析法

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Transcript 色谱分析法 

第十二章 色谱法分析法
第一节
第二节
第三节
第四节
第五节
东
精
概述
气相色谱理论基础
气相色谱法
高效液相色谱法
色谱分离方式的选择
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
第一节 概
述
色谱法（Chromatography）是一种分离分析方法，
是目前科研和生产分析中广泛采用的一种重要工
具。一句话，色谱法非常有用，必须掌握。
一、色谱法简介
色谱法是1901年由俄国植物学家茨维特（Tswett)）
提出，最初的认识是在于它的分离价值，用于分
离植物中的色素等有色物质。现代的色谱方法，
不再局限于有色物质，也大量用于分离无色物质。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
俄国植物学家茨维特使用的装置：色谱
原型装置如图，用来分离植物叶片中的
色素。
管子中的填充物，固定不动，称为固定
相（碳酸钙）；
叶绿素A
将色素提取物置于管子上端，靠重力往
叶黄素
下流，同时用石油醚淋洗；石油醚称为
胡萝卜素
流动相（携带试样混合物流过固定相）
。
管子及填充物可以称为色谱柱。
色谱三元素！
东
精
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品
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范
大
学
分
析
化
学
色谱分离原理：
当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中与固
定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上
的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，
随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配
平衡，使得各组分在固定相中停留的时间不同，从而按一
定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实
现混合物中各组分的分离与检测。
两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础。
东
精
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品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
这种借在两相间分配原理而使混合物中各组
分分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。
二、色谱法分类
1、按两相物理状态分类
气相色谱（气体作流动相），气－固色谱、气
－液色谱
固定相状态
流动相状态
液相色谱（液体作流动相），液－固色谱、液
－液色谱
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大
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分
析
化
学
2、按固定相的形式分类
柱色谱：固定相装在色谱柱中，分：填充柱色谱和
毛细管色谱。
纸色谱：以多孔滤纸为载体，以吸附在滤纸上的水
为固定相
薄层色谱：以涂渍在玻璃板或塑料板上的吸附剂粉
末制成薄层作固定相
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分
析
化
学
3、按分离过程中物理化学原理分类
吸附色谱：吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能差异
分配色谱：不同 组分在两相中有不同的分配系数
离子交换色谱：利用离子交换原理
排阻色谱：利用多孔性物质对 不同大小分子的排阻作用
按其它原理：凝胶色谱
超临界流体色谱
高效毛细管电泳
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分
析
化
学
三、色谱法的特点
（1）分离效率高
复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。
（2） 灵敏度高
可以检测出10-6～10-9g的物质。
（3） 分析速度快
一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广
几乎所有的化学物质。
不足之处：
被分离组分（未知物）的定性较为困难。
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分
析
化
学
三、气相色谱分离过程及有关术语
1、气相色谱分离过程
色谱柱
检测器
载气
记录仪
A＋B
载气
载气
载气
载气
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分
析
化
学
2、气相色谱常用术语
色谱图（色谱流出曲线）
试样中的各组分经色谱柱分离后，随载气依次进入检测器，
检测器将各组分浓度的变化转换为电信号，在记录仪上记
录为检测器响应随时间的变化的微分曲线，称为色谱流出
曲线。
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分
析
化
学
（1）色谱峰
组分从色谱柱流出，检测器对该组分的响应信号随时间变
化所形成的峰形曲线。
特点：当进样少，组分浓度低时，呈高斯分布
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分
析
化
学
（2）基线
在正常操作条件下，仅用载气通过色谱柱时，检测器响应
信号随时间变化的曲线称为基线。
Base line
特点：稳定的基线应为平行于横轴的直线。
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分
析
化
学
（3）色谱峰高
色谱峰顶点到基线的垂直距离（高度）称为色谱峰高。
h
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分
析
化
学
（4）色谱峰的区域宽度
色谱峰的区域宽度是组分在色谱柱中谱带扩张的函数，可以
反映色谱柱的分离效能。在能够将组分分开的情况小，峰的
区域宽度越窄越好。
度量色谱峰的区域宽度通常有三种方法：
（i）标准偏差σ：它是0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半
(EF/2)
2σ
E
F
0.607h
东
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大
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分
析
化
学
（ii）半高峰宽W1/2：峰高一半处对应的色谱峰宽(GH)
W1/2＝2.354σ
G
H
h/2
东
精
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品
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大
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分
析
化
学
（iii）色谱峰底宽Wb：色谱峰两侧拐点作切线与基线交
点间的距离(IJ)。
Wb＝4σ
I
东
精
北
品
师
课
范
大
学
J
分
Wb
析
化
学
（5）保留值
试样各组分在色谱柱中保留行为的量度。
保留时间tR
它反映了组分与固定相之间相互作用的大小
保留体积VR
东
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分
析
化
学
（i）保留时间tR：试样从进样开始到柱后出现峰极大值所
需的时间。相应于试样到达柱末端的检测器所需的时间。
东
精
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分
析
化
学
（ii）死时间t0：不被固定相保留（吸附或溶解）的气体
的组分（如空气和甲烷）从进样到色谱图上出现峰最大值
所需的时间。
t0
东
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分
析
化
学
（iii）调整保留时间tRˊ：
扣除死时间后的保留时间
tRˊ＝tR－t0
(iv)保留体积 VR：指从进样到出现某组分的色谱峰最大值
时所通过载气的体积。
若色谱柱出口处载气的流量为F0（ml/min），则
VR＝tRF0
（v）死体积V0：死时间内通过色谱柱载气的体积
V0＝tMF0
V0：实际上是色谱柱内载气所占的体积。
东
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分
析
化
学
（vi）调整保留体积VRˊ：
VRˊ＝VR－V0
（vii）相对保留值γ2.1：在相同操作条件下，两组分的调
整保留值之比。
 2.1 
东
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师
课
t R ( 2)
t R (1)
范
大
学

分
V R( 2 )
VR(1)
析
化
学
讨论：
a. γ2.1 只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、
填充情况及流动相流速无关。色谱法中，特别是气相色
谱法中，广泛使用的定性数据；
b. γ2.1是调整保留值之比，而不是保留值之比；
c. 可表示色谱柱的选择性， γ2.1 越大，两组分的tR’值相
差越大，越易分离；当γ2.1＝1时，重叠。
d. 保留值又是色谱分离过程热力学性质的重要参数；
东
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分
析
化
学
从色谱流出曲线，可以得到许多重要信息（P211）
（1）色谱峰数目——可以判断试样中所含组分的最少个数。
（2）色谱峰保留值（或位置）——可以进行定性分析。
（3）色谱峰下的面积或峰高——可以进行定量分析。
（4）色谱峰的保留值及其区域宽度——是评价色谱柱
分离效能的依据。
（5）色谱峰两峰间的距离——是评价固定相和流动相
选择是否合适的依据。
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分
析
化
学
第二节 气相色谱理论基础
东
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分
析
化
学
色谱分离原理
色谱法实质是一种物理化学的分离方法。它是根据混合
物各组分在互不相溶的两相——固定相和流动相中具有不同
的吸附能力、分配系数或其它亲和作用的性质作为分离依据
，当两相作相对运动时，组分在两相中反复多次分配，这样
就使得那些吸附能力或分配系数只有微小差别的物质，在移
动速度上产生了较大差别，从而达到完全分离。
色谱是一种分离技术，要把复杂的试样中各个组分分开为目的！
东
精
北
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分
析
化
学
如某A、B两个组分的试样
A
A
B
B
要使两组分完全分开，必须满足
（1）相邻两个组分分开的距离要明显，也就是说两个组分
的保留值要有明显的区别。
（2）色谱峰的区域宽度：要窄。区域扩宽的速率应小于区
东
域分离的速率，
精
北
品
师
课
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大
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分
析
化
学
B
A
作为一个色谱理论，应研究这两个方面：
（1）组分在柱中移动的速率；
（2）组分在移动过程中区域变宽的程度及其影响因素。
东
精
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大
学
分
析
化
学
一、塔板理论（plate theory) （以气－液色谱为例）
1。分配平衡：塔板理论又称平衡理论，也就是说色谱过
程可以看成是组分在流动相和固定相之间的分配平衡过程。
Amobile
Astationary
（1）分配系数K：在一定温度、压力下，组分在两相间分
配达到平衡时的浓度比，称为分配系数，用K表示，即：
组分在固定相中的浓度 cl
K

组分在流动相中的浓度 cg
东
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分
析
化
学
分配系数
一定温度下，组分的分配系数K越大，即在液相中的浓度
大（在液相中停留的时间长），出峰越慢；
试样一定时，K主要取决于固定相性质，选择适宜的固
定相可改善分离效果；
每个组份在各种固定相上的分配系数K不同，试样中的
各组分具有不同的K值是色谱分离的基础；
某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。
东
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大
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分
析
化
学
（2）分配比k：在一定温度和压力下，组分在固定相和流
动相中的质量之比，称为分配比，用k表示，即：
组分在固定相中的质量 ml
k

组分在流动相中的质量 mg
组分在固定相中物质的量 nl
k

组分在流动相中物质的量 ng
东
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大
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分
析
化
学
分配比k和分配系数K之间的关系：
Vg
cl
ml / Vl
K

k
c g m g / Vg
Vl
或者
Vl
kK
Vg
其中：l：液相；g：气相；m：质量；C：浓度；V：体积
东
精
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品
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范
大
学
分
析
化
学
讨论：
a. 影响因素：柱温、柱压；
b. K与V无关，而k与固定液的体积又关（Vl) ；
c. 分配比k越大，组分在固定液中的量越多，相当于柱的容
量越大，故k又称容量因子；
d. 与保留值的关系;
当某一组分的色谱峰最高点出现时，说明该组分恰好有
一半的量洗脱在的流动相中刚好流出柱子（体积VR），
其余一半则留在柱内，即留在柱内的流动相（体积为Vg）
和固定相（体积为Vl）中，根据物料等衡原理：
东
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品
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大
学
分
析
化
学
VR c g  Vg c g  Vl cl
VR
cl
 Vg 
Vl
cg
cl
K 
cg
且Vg  V0
VR  KVl
VR  V0  KVl
调整保留体积V’R与分配系数成正比。是色谱过程的基本方
程，将反映色谱行为的保留值（VR、V0、VR’）与反映物质性
质的热力学常数K联系起来。
东
精
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品
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大
学
分
析
化
学
Vl
Vl
k K K
Vg
V0
VR  V0
VR  V0  KVl  K 
Vl
VR  V0 Vl VR  V0 VR t R t R  t0
k
 

 
Vl
V0
V0
V0 t0
t0
容量因子k是调整保留时间和死时间之比，即表示溶质
分子花费在固定相中的时间比在流动相中长多少倍。
某组分的k越大，保留时间越长，反之亦然。
东
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品
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课
范
大
学
分
析
化
学
（3）色谱基本保留方程（气液色谱）：
VR  KVl
VR  V0  KVl
色谱柱确定后，Vg和Vl即为定值，分配系数K不同的组分
保留值不同，因而在色谱图上有不同位置的色谱峰。
东
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分
析
化
学
2。塔板理论（plate theory) ：
（1）塔板模型：将色谱柱假想为
一个精馏塔，色谱柱中的固定相
精
馏
塔
模
型
形象化为一系列连续的、相等体
积的塔板。每一块塔板的高度称
理论塔板高度H（板高）。
东
精
北
品
师
课
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大
学
分
析
化
学
将色谱分离过程比作蒸馏过程，直接引用处理蒸馏过程
的概念、理论和方法来处理色谱过程，即将连续的色谱
过程看作是许多小段平衡过程的重复。
东
精
北
品
师
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范
大
学
分
析
化
学
（2）塔板理论的假设：
（i）在每一块塔板上被分离组分在两相（气液）间很快
达到平衡，然后随载气一个塔板一个塔板的方式向前移
动。
对于一根柱长为L的色谱柱，则组分在柱中达到平衡的次
数n为：
n=L/H
n——称为理论塔板数，H为每一块塔板的高度。与精馏
塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随
板高H的增大而减小;
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（ii）载气（流动相）进入色谱柱，不是连续的而是脉
动式的，每次进气为一个塔板体积；
（iii）试样开始时都加在第0号塔板上，且试样沿色谱
柱方向的扩散（纵向扩散）可忽略不计；
（iv）分配系数在各塔板上是常数。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（3）塔板理论的内容：
（i） 当组分在柱中的平衡次数，即理论塔板数n≥50时，可
得到基本对称的峰形曲线。对于气相色谱，n约为10 3 ～10 6 ，
流出曲线趋近正态分布曲线。
（ii）试样进入色谱柱后，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，可获得良好的分
离。
（iii）由塔板理论可导出n与半峰宽度或峰底宽度的关系：
2
2
 tR 
 tR 
L
  16   ; H 
n  5.54 
W1/ 2 范 大 学 分  析Wb化 学
n
东 北 师
精
品
课
讨论：
（i） tR一定时，峰宽越小，说明n越大（H越小），色谱柱的效
能越高（柱效）。
（ii）同一色谱柱，采用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。
（iii）在实际工作中，从上述两式计算出的n和H并不能充分反映
柱效，因为采用tR，没有扣除死时间，因为组分在t0 时间内不参
与柱内分配。有时候n尽管很大，但色谱柱的分离效果并不好，
需引入有效塔板数和有效塔板高度：
2
2
 t R 
 t R 
  16  
n有效  5.54 
 W1/ 2 
 Wb 
L
H 北 师 范 大 学 分 析 化 学
东 有效
n
精 品 课 有效
注意：
由于同一根色谱柱对不同组分的neff不一样，在评价色谱柱柱
效时，要注明是什么物质，也要注明柱温、柱压。
例1：已知某组分峰Wb＝40s，tR=400s。计算理论塔板数n.
例2：已知一根1米长的色谱柱，neff＝1600块，组份A在柱上
的调整保留时间为100s，试求A峰的半峰宽和Heff。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（4）塔板理论的成功与局限：
成功：（i）定量地说明了组分在色谱柱中的移动速率；
（ii）解释了流出曲线的形状；
（iii）提出了计算和评价柱效能高低的常数。
局限：（i）只能定性地给出H的概念，不能解释H受哪些因素
的影响;（ii）排除了一个重要参数——流动相的速度u，因而
无法解释柱效与流速关系，更无法提出降低板高的途径（不
能说明在不同流速下，可以测得不同的理论塔板数）。（iii）
做出了四个与实际不相符的假设，没有考虑组分在柱中受到
的动力学因素的影响：如扩散，传质阻力等，不能解释色谱
峰变宽的原因。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
二、速率理论（ rate theory) ：
为了解决塔板理论所不能解决的问题，1956年荷兰学者范
第姆特（ Van Deemter）提出了速率理论。（气液色谱为
例）。
内容要点：吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的
动力学因素结合进去，定量地解释了影响塔板高度的各种
因素，导出了塔板高度H与载气线速度u的关系(u＝L/t0)：
东
精
北
品
师
课
B
H  A   Cu
u
范
大
学
分
析
化
学
其中：A、B、C为常数，分别代表涡流扩散项、
分子扩散系数和传质阻力系数 。上式即为范第
姆特方程式的简化式。由此式可见影响H的三项
因素：涡流扩散项、分子扩散项和传质阻力项。
在u一定时，只有A,B,C较小时，H才能较小，柱
效才能较高，反之则柱效较低，色谱峰将扩张。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
1、涡流扩散项A
什么叫涡流？
无阻力－平流
有阻力－涡流
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
在填充柱中，当组分随流动相（载气）通过填充物向柱
出口处迁移时，碰到填充物颗粒的阻碍，其流动方向不
断地改变，形成类似“涡流”的流动。由于填充物的大
小、形状不同及填充的不均匀性，使组分各分子在色谱
柱中经过的通道直径和长度不等，造成它们在柱中的停
留时间不同，使色谱峰变宽。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
结果：峰变宽。
影响因素：（1）填充物的大小、形状
（2）填充的均匀程度，空隙的规则
A  2d p
dp：固定相的平均颗粒直径；
λ：固定相的填充不均匀因子。
固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀， A↓，H↓，柱效
n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色
谱峰较窄。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
2、分子扩散项B/u：B为分子扩散项系数
色谱柱的轴向
样品被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于
色谱柱内很小的一段空间。组分在轴向上（纵向）存在
浓度梯度，导致组分分子产生浓差扩散，导致峰变宽。
方向：沿色谱柱的轴向（纵向）
B的影响因素：（1）柱内填充物
东
精
（2）组分在气相中的扩散系数
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
B = 2γDg
γ ：弯曲因子，反映柱填充物对分子扩散的阻碍程度
，一般γ<1。
Dg：试样组分分子在气相中的扩散系数（cm2·s-1）
关于Dg：
（1）不同组分的Dg不同
（2）柱温和柱压变化会导致同一组分的Dg变化
（3）与载气的相对分子质量有关：Dg ∝（M载气）-1/2
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
U：载气的线流速，即u＝L/t0
U越小，组分在气相中停留的时间越长，B/u越大。
解决：
（1）采用相对分子质量较大的气体作流动相，如N2、Ar
等
（2）控制较低的柱温
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
3、传质阻力项Cu
什么叫传质？
物质系统由于浓度不均匀而发生物质迁移过程称为传质。
传质阻力：影响此过程进行速度的阻力称为传质阻力。
气相传质阻力
传质阻力
液相传质阻力
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
对于气相传质：
载气
气相
气液界面
液相
试样组分从气相移动到液相表面的过程，在这一过程中试样组
分在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。此过程由于传质
阻力的存在，使得试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡。
未进入液相的组分分子随载气流出，超前于进入液相的分子，
引起色谱峰扩张。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为
东
精
北
品
师
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大
学
分
析
化
学
气相传质阻力系数Cg为：
2
p
2
0.01k d
Cg 

2
1  k  Dg
K为容量因子（分配比）
采取措施：
（1）减小固定相颗粒度
（2）由于Dg ∝（M载气）-1/2 ，也就是Cg ∝（M载气）1/2，
采用 小分子量气体作流动相（H2、He）
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
对于液相传质：
载气
气相
气液界面
液相
组分从气液界面扩散到液相内部发生质量交换，达到分配平衡
后，然后又返回气液界面的传质过程。在此过程中由于收到液
相传质阻力，液相中的组分分子不能快速地到达气相，而气相
中组分的其它分子仍随载气不断地向柱出口运动，导致组分分
子在液相滞留，造成峰形扩张。液相传质阻力系数Cl为： ：
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
2
f
d
2
k
Cl  

2
3 1  k  Dl
其中：df为固定液膜的厚度
Dl为组分在液相中的扩散系数
解决方法：
（1）减小液膜厚度
（2）增大组分在液相中的扩散系数
总的传质阻力相系数C＝Cl＋Cg
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
4、载气流速u对H的影响
B
H  A   Cu
u
载气流速的选择
作图求出最佳流速。以不同流速下的H对u作图，可
得H-u关系曲线，图中的最低点，塔板高度最小（Hmin
），柱效最高，该点所对应的流速即为最佳流速uopt。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
Hmin
数学处理
Uopt
dH
B
  C  0
du
u2
B
u 最佳 
H 最小  A  2 BC
C
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
载气选择
（1）当流速较小时，B/u项是主要影响因素，应选择M
大的气体如N2、Ar等。
（2）流速较大时，Cu项是主要影响因素，应选择M小
的气体如H2、He等，可减小传质阻力，提高柱效 。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
综合以上，气液色谱速率方程（Van Deemter方程）
H  2d p 
2Dg
u
2
 0.01k 2 d p2 2

d
k
f


 
 
2
2
 1  k  Dg 3 1  k  Dl 
范第姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可
以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、
柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
速率理论的要点：
1. 被分离组分分子在色谱柱内运行的多路径、浓度梯度
所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡
不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要
原因。
2. 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及
载气流速可提高柱效。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
3. 速率理论为色谱分离和操作条件的选择提供了理论
指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。
4. 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项
的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响
增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又
加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效
达到最高。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
三、色谱基本分离方程
1。柱效和选择性
柱效指的是色谱柱的分离效能，用n或neff作为衡量指标。
选择性指的是两组分能被色谱柱分开的程度。峰峰之间的
距离越大，说明选择性越好。用保留值作为评价指标。
塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分离
程度。即柱效为多大时，相邻两组份能够被完全分离。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
色谱分离中的四种情况如图所示：
① 柱效较高，△K(分配系数)较大,完全分离；
② △K不是很大，柱效较高，峰较窄，基本上分离；
③ 柱效较低，△K较大,但分离的不好；
④ △K小，柱效低，分离效果更差。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
从以上看出，单独使用n和tR都不能说明问题，为了判断
相邻两组分在色谱柱中的分离情况，在色谱分析中，引
入分离度（R）这一概念。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
2。分离度
分离度（R）：相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色
谱峰底宽度平均值之比。
R
t R2  t R1


2 t R2  t R1

1

Wb (1)  Wb ( 2)  Wb (1)  Wb ( 2 )
2
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综合影
响：
保留值之差──色谱过程的热力学因素；
区域宽度
──色谱过程的动力学因素。
R=0.8：两峰的分离程度可达89%；
R=1：分离程度98%，两峰能明显分离；
R=1.5：达99.7%，两峰已完全分离，相邻两峰完全分离的
标准。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
3。色谱分离基本方程式
通过上式可从色谱图计算R，当没有体现处γ2，1与及neff
的关系 。令Wb(1)=Wb(2)=Y（相邻两峰的峰底宽近似相等），
引入相对保留值和塔板数，可导出下式：
R
t R2  t R1
1

Wb (1)  Wb ( 2 ) 
2
R2
 t R1
北
品
师
课
范
大
学
分

Wb ( 2 )
 t R
 16 
W
 b
neff
东
精

t

析




2
化
学
neff t  t
R

'
4
t R ( 2)
'
R ( 2)
'
R (1)
neff  2,1  1


4
 2,1
将R与柱效能参数neff，选择性参数γ2，1联系起来，这就
是色谱分离方程式。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
可以继续推导：
2
n  tR 
  '  ,
neff  t R 
n
R
4
neff
'
R
t
  n
tR
 k 2    2,1  1 

  
 
 

k

1
 2   2,1 
表明R随体系的热力学性质（γ2，1和k）的改变而变化，也
与色谱柱条件（n）有关。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
例1：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒
和100秒，要达到完全分离，即 R=1.5 。计算需要多少块
有效塔板。若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？
解： γ2，1 = 100 / 85 = 1.18
n有效 = 16R2 [γ2，1 / (γ2，1 —1)
×(1.18 / 0.18 )
]2 = 16×1.52
2
= 1547（块）
L有效 = n有效·H有效 = 1547×0.1 = 155 cm
即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
例2：在根长为1米的填充柱上，空气的保留时间为5s，苯和
环己烷的保留时间分别为45s和49s，环己烷色谱峰峰底宽
为5s。欲得到R＝1.2的分离度，有效理论塔板数应为多少
？需要的柱长应为多少？
解：
根据公式
neff
R 
4
 2.1
 2 ,1  1

 2 ,1
t
R ( 2)

t
R (1)
可求neff=16×R2×[γ2，1/(γ2，1 —1)]2
=16×1.2
东 北2×(1.1/0.1)
师 范 大 2=2788
学 分块
析
精
品
课
化
学
柱长L=neff×Heff，要求柱长，必须知道该柱的理论塔
板高度Heff。该值应该与1m柱的理论塔板高度相等！
因此，只要将1m柱的理论塔板高度求出即可。要求1m
柱的塔板高度，要先求出1m柱的理论塔板数。
根据
 t R
 16 
W
 b
neff




2
可求1米色谱柱的neff＝16[(49-5)/5]2=1239
故所需柱长L为：L＝2788/1239×1m＝2.25m
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
第三节 气相色谱法
以气体作流动相，分气液和气固色谱两类
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
一、气相色谱仪器
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
流程图
1-载气钢瓶； 2-减压阀；
3-净化干燥管；
4-针形阀；
5-流量计；
6-压力表；
7-进样器；
8-色谱柱；
9-检测器；
10-放大器； 11-温度控制器； 12-记录仪
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
载气→减压→净化→稳压→ →色谱柱→检测器→记录仪
进样
气路系统、进样系统、分离系统、检测和记录系统、温度
控制系统。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
1、气路系统
包括气源、净化干燥管和载气流速控制。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
要求：
（1）密封性要好；
（2）流速温度；
（3）流量测量准确
A、载气：常用的载气有：氢气、氮气、氦气、氩气。一
般用高压瓶贮装，选用何种载气，主要取决于选用的
检测器和其他一些具体因素。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
B、气路结构：
{
单柱单气路
适用于恒温分析
双柱双气路
适用于程序升温
C、净化器：除去载气中的水分、杂质
D、稳压恒流装置：稳压阀
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
2、进样系统
包括进样器及气化室。其作用是将液体或固体试样，在
进入色谱柱前瞬间气化，快速定量地转入到色谱柱中。
东
精
北
品
师
课
范
进样器
大 学 分
析
化
学
气化室
为了让试样在气化室中瞬间气化而不被分解，要求
气化室热容量大，无催化效应。为了减小柱前色谱峰变
宽，气化室的死体积应尽可能小。
3、分离系统：色谱柱，色谱仪器的核心部件
填充柱：固定相充满整个柱子，U型或盘管型
毛细管柱：固定相涂在毛细管内壁上（中空）
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
4、温控系统：柱室、气化室的温度控制
试样必须以气体形式随载气进入色谱柱，而且在色谱柱
中始终保持气体状态。
温度对分配系数、组分的扩散系数等都有一定的影响
方式：恒温法：空气恒温
程序升温法：在一个分析周期内使柱温按预定的程
序由低到高逐渐变化。适应于各组分沸点范围较宽的试
样。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
5、检测与记录系统：指示并测量载气中各组分及其浓度变化的装置。
气相色谱检测器：色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各
异。有的具有广谱性，如热导检测器；有的具有高选择性，仅对某
类物质有高响应。
（1）热导检测器（Thermal Conductive Detector）
原理：根据载气和组分的导热系数差异进行检测
适应范围：通用型/普适型检测器
特点：可测所有物质，但灵敏度较差
载气：H2、He导热系数比气体物质高，故选之
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（2）氢火焰离子化检测器（Hydrogen Flame Ionization
Detector）
原理：
有机物在氢火焰中发生电离产生正负离子，在电场中分
别向两极定向移动，形成离子流（微电流）
适应范围：含C有机物
特点：结构简单，稳定性好，灵敏度高，比热导高10010000倍，检测下限达10-12 g·g-1。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
氢焰检测器的原理：
（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子氧或分
子氧发生如下反应
· CH + O ──→CHO+ + e
（3）生成的正离子CHO+ 与火焰中大
量水分子碰撞而发生分子离子反应
：
CHO+
+ H2O ──→H3O+
+ CO
东
精
范
北
品
师
课
大
学
分
析
化
学
（3）电子捕获检测器（Electron Capture Detector）
原理：
电负性强的元素对电子捕获能力的强弱
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
高选择性检测器.
• 仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏
度，检测下限10-14 g /mL.
• 对大多数烃类没有响应。
• 较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。
但选择性差，线性范围窄，重现性差
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（4）火焰光度检测器（硫磷检测器）
原理：
硫磷在富氢火焰中燃烧时，发射出特征波长的光。
二、流动相和固定相
1、流动相：载气（H2、He、Ar、N2）
惰性，与组分无相互作用
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
2、固定相：气固、气液色谱
（1）固体固定相：一般为表面有活性的固体吸附剂，组
分在固体吸附剂上的吸附系数差别较大
常用：
（i）活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。
（ii）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。
（iii）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。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（iv）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。
（v）高分子多孔微球（GDX系列）：
新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。
型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的
分析。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
特点：
（i）性能与制备和活化条件有很大关系；
（ii）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，
分离效果差异较大；
（iii）种类有限，能分离的对象不多；
（iv）使用方便。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（2）液态固定相
气液色谱固定相 [固定液+担体（载体）] ：
• 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈
液体状态
• 固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。
1、 载体
化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。
可以作为载体使用的物质应满足以下条件：
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
•
比表面积大，孔径分布均匀；
•
化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分
离组份不起反应
•
具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；
•
颗粒大小均匀、适度。一般常用60~80目、
80~100目。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
表
填充柱气液色谱担体一览表
担体名称
特点及用途
生产厂家
种类
硅
藻
土
类
非
硅
藻
土
类
红色
硅藻土
201 红色担体
301 釉化红色担体
适用于涂渍非极性固定液分析非极性物
质
6201 红色担体
由 201 釉化而成，性能介于红色与白色
硅藻土担体之间，适用于分析中等极性
物质
白色
硅藻土
101 白色担体
101 酸洗
适用于涂渍极性固定液分析极性物质
催化吸附性小，减小色谱峰拖尾
上海试剂厂
担体
101 硅烷化白色担体
102 白色担体
高分子微球
由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成
上海试剂厂
玻璃微球
经酸碱处理，比表面积 0.02 m2 / g ,可在
氟担体
较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。
由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2 /
担体
g
适宜分析强极性物质和腐蚀性物质
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
上海试剂厂
大连催化剂厂
2、固定液
固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多。
对固定液的要求：
（i)有适当的溶解能力：对易挥发组分有足够的溶解能力；
（ii）选择性好：对各组分分离能力强，即K/k差别大；
（iii）挥发性小，避免流失
（iv）热稳定性好，不分解
（v）化学稳定性好，不与被分离组分发生不可逆的化学反
应。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
固定液分类方法
如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册
中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、
芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。
介绍一下按相对极性分类
首先规定：非极性物质角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，
强极性物质β，β’—氧二丙睛的相对极性为100。其它固定液
的极性可用下列方法计算。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
选择一对物质作为分离组分：如丁二烯和正丁烷
（1）分别在氧二丙睛和角鲨烷柱上测定相应的相对保留值，
并取其对数
（2）然后在待测定极性的固定液柱上测定相应的保留值，
并取其对数
（3）根据以下方法计算待测固定液的相对极性
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
氧二丙睛
q1=lg[(tR’(丁二烯)/tR’(正丁烷)]
角鲨烷
q2=lg[(tR’(丁二烯)/tR’(正丁烷)]
qx=lg[(tR’(丁二烯)/tR’(正丁烷)]
待测柱
待测柱的相对极性Px
Px＝100－100(q1－qx)/(q1－q2)
Px＝0～100
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
非
弱
中
强
固定液的选择基本原则
“相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
具体考虑如下：
（1）对非极性组分：一般选择非极性固定液，出峰顺
序：按沸点由低到高
（2）中等极性组分：选中等极性固定液，出峰顺序：
沸点差别大，按沸点出峰；沸点差别小，按极性大小
出峰
（3）强极性：选择强极性固定液，出峰顺序按极性大
小出峰
（4）混合物：极性，出峰顺序：先非后极
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
如：苯和环己烷，沸点相近，但苯含派键，易与极性组
分作用，故选择极性固定液分离效果好
三、定性定量方法
1、定性分析－保留值
色谱定性分析就是确定试样中的各组分
待定性物质
（1）用已知物对照进行定性
（i）单柱比较法
已知物质
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（ii）双柱比较法：两支极性完全不同的柱子 待定性物质
已知物质
待定性物质
已知物质
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（iii）峰高增量法：
待定性物质
待定性物质＋已知物质
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（2）用经验规律定性：没有纯物质的情况下
（i）碳数规律：大量实验证明，在一定温度下，同系物
保留值的对数值与其分子中的碳原子数成线性
lgtR’＝A1n＋C1
A1、C1为常数，n为碳数（n>=3）
根据同系物中已知几个组分的保留值可推出同系物中其它
组分的保留值。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（ii）沸点规律：在一定色谱条件下，同族具有相同C数
的异构体，其保留值的对数值与其沸点成线性。
lgtR’＝A2Tb＋C2
A2、C2为常数，Tb为组分的沸点（K）
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（3）根据文献保留值定性：没有纯物质的情况下
（i）相对保留值定性法：用组分i与基准物质S的相对保留
值γi.s作为定性指标对未知组分i进行定性的方法。
t R ( i )
 i.s 
t R ( s )

'
R (i )
'
R(s)
V
V
γi.s只与两组分的分配系数有关，固定相性质和柱温确定，
γi.s 为定值。
在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，
可以用来进行定性鉴定。
东
精
北
品
师
课
范
大
学
分
析
化
学
（ii）保留指数法：又称Kovats指数
规定：正构烷烃的保留值指数为其C数乘以100。
如C－C－C－C－C－C，己烷，保留指数I为600
C－C－C－C－C－C－C，庚烷，保留指数I为700
被测物质的保留指数可采用两个相邻正构烷烃的保留指数
进行标定。
东
精
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品
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课
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大
学
分
析
化
学
测定时，将C数为n和n＋1的正烷烃加到样品x中，进行色
谱 分 析 若 测 得 保 留 时 间 分 别 为 tR’(n)、tR’(n+1)、tR’(x)， 且
tR’(n)<tR’(x) <tR’(n+1)、
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课
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大
学
分
析
化
学
则x的保留指数
I X  100[n 
lg t
lg t
'
R( X )
'
R ( n 1)
 lg t
'
R(n)
'
R(n)
 lg t
然后与文献值比较。
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析
化
学
]
例题：60摄氏度时在角鲨烷柱上正己烷，正庚烷和某组分
的调整保留时间分别为262.1s、663.1s、359.4s，求该组分
的保留指数，并确定该组分是什么物质。
解：由于tR’(6)＝262.1，tR’(7)＝663.1，tR’(x）＝359.4，n＝6
Ix＝100[6＋(lg tR’(x) －lg tR’(6))/ (lg tR’(7)－lg tR’(6))]
＝100×[6＋（lg359.4－lg262.1）/（lg663.1-lg262.1）
＝644
与文献值比较，可知该组分为苯。
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大
学
分
析
化
学
定性小结：
（1）色谱定性分析的任务是确定色谱图上每一峰所代
表的物质。在色谱条件一定时，任何一种物质都有确定
的保留时间。所以，在相同色谱条件下，通过比较已知
物和未知物的保留时间或在固定相上的位置，即可对未
知物定性分析。
（2）色谱法的不足之处是被分离组分（未知物）的定
性较为困难。
（3）将色谱与质谱或其它光谱法联用，是目前复杂混
合物中未知物定性的最有效方法。
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析
化
学
2、定量分析
依据：mi＝fiAi，被测组分的质量与其色谱峰面积成正比。
其中fi为比例常数，称为被测组分i的定量校正因子。
（1）峰面积的测量
i、对称峰：
Ai  1.065 h W1/ 2
ii、不对称峰：
1
A  hW0.15  W0.85 
2
iii、积分仪积分法
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分
析
化
学
（2）定量校正因子fi
i、绝对校正因子：单位面积对应的物质的质量
mi
fi 
Ai
受仪器和操作条件影响大，应用受限
ii、相对校正因子：即组分的绝对校正因子与标准物质的
绝对校正因子之比。常用苯和正庚烷作基准物质。
f i mi / Ai mi As
fi  


f s ms / As ms Ai
'
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析
化
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（3）定量分析方法
I、归一化法：若试样中含有n个组分，且都出峰，所有组
分的含量加和为100％，则其中组分i的质量分数wi为
wi %＝
特点及要求：
Ai f i '
n
'
A
f
 ii
100%
i 1
 归一化法简便、快速、准确；
进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；
仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。
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析
化
学
II、内标法：就是将某标准物质加入到组分中去
操作方法：准确称取样品，加入一定量某种纯物质作为内
标，根据测量到的待测组分和内标物质的峰面积及内标物
质的质量计算待测组分的质量。
'
'
mi
f i Ai
 '
ms f s As
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f i Ai ms
mi  '
f s As
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'
mi
Ai f i ms
wi % 
100% 
100%
'
m试
As f s m试
m试中不含ms , Ai , As为峰面积, f i 和f 为
'
组分和内标物质的相对校正因子
一般以内标物质为基准，即f ＝1
'
s
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析
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'
s
内标法特点：
1. 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动
对定量结果的影响不大。
2. 每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量
试样的快速分析。
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III、标准曲线法（外标法）
特点及要求：
外标法不使用校正因子，准确性较高，
操作条件变化对结果准确性影响较大。
对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的
快速分析。
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四、GC法的特点（P218）
1、选择性好
2、柱效高：n~1000-1000000
3、灵敏度高：取决于检测器
4、应用范围广，可测有机物的20％。
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作业：P240-241：10.12.13.14.16.19.20
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