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第七章气相色谱法7-1概述色谱分析是一种多组分混合物的分离，分析工具，它主要利用物质的物理性持进行分离并测定混合物中的各个组分。色谱法也称色层法或层析法。色谱法是俄国植物学家茨维特于1906年创立的。他在研究植物叶色素成分时，使用了一根竖直的玻璃管，管内充填颗料的碳酸钙，然后将植物叶的石油醚浸取液由柱顶端加入，并继续用纯净石油醚淋洗。结果发现在玻璃管内植物色素被分离成具有不同颜色的谱带，“色谱”一词也就由此得名。后来这种分离方法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”一词虽然已失去原来的含义，但仍被沿用下来。色谱法应用于分析化学中，并与适当的检测手段相结合时，就构成了色谱分析法。通常所说的色谱法就是指色谱分析法。一、色谱法的分类色谱法有多种类型，从不同的色度出发，可有各种色谱分类法：1．按两相状态分类所谓“相”是指一个体系中的某一均匀部分如上例中玻璃管内的碳酸钙为固定相，流动的石油醚液体为流动相。按所使用的固定相和流动相的不同，色谱法可分为下面几类：2．按固定相使用形式分类柱色谱：固定相装在色谱柱中（填充柱和毛细管柱）。纸色谱：固定相为滤纸，把样品溶液点加到滤纸上，然后用溶剂将共展殿。薄层色谱：将固定相涂成薄层或做成薄膜操作方法类似于纸色谱。3．按分离过程的机制分类吸附色谱：固定相起吸附剂的作用，利用它对不同物质的物理吸附性质的差别达到样品组分的分离。分配色谱：利用不同组分在固定相与流动相间分配系数的差异进行分离。此外，还有一些利用其它物理化学原理进行分离的色谱方法，如离子交换色谱，络合色谱、热色谱等等。本章讨论应用非常广泛的气相色谱。二、气相色谱法的工作过程如前所述，气相色谱是采用气体为流动相的色谱方未能，作为流动相的气体——载气，是指不与被测物质作用，用来载送样品的惰性气体（如氢、氮等）。载气携带着欲分离的样品通过色谱柱中固定相，使样品中各组分分离，然后分别进入检测器。其简单流程如图7-1所示。载气由高压钢瓶1供给，经减压阀2减压后，进入载气净化干燥管以除去载气中的水分。由针形阀4控制载气的压力和流量。流量计5和压力表6用以指示载气的柱前流量和压力。再经进样器7（试样就从进样器注入），样品随着载气进入色谱柱8，将各组分分离后依次进入检测9后放空。检测器信号由记录仪10记录，就可得到如图7-2所示的色谱图，国中每个峰代表混合物中的一个组分。由图7-1可见，气相色谱仪由五部分构成：I．气路系统：包括气源、气体净化、气体流量的控制和测量。II．进样系统：包括进样器、气化室。气相色谱气—固色谱：流动相为气体，固定相为固体吸附剂。气—液色谱：流动相为气体，固定相为涂在固体担体上或毛细管内壁上的液体。液相色谱液—固色谱：流动相为液体，固定相为固体吸附剂。液—液色谱：流动相为液体，固定相为涂在固体担体上的液体。III．分离系统：色谱柱和控温装置。IV．检测系统：检测器V．记录系统：包括放大器、记录器等等。图7-1气相色谱流程图1.高压钢瓶2.减压阀3.载气净化干燥管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.记录仪图7-2色谱图三、气相色谱常用术语1．色谱流出曲线气相色谱中以组分浓度检测器响应信号为纵坐标，流出时间为横坐标，给出组分及其浓度随时间变化的曲线，称为色谱流出曲线，见图7-3。组分从色谱柱中流出时，检测器响应信号大小随时间变化所形成峰形曲线叫作色谱峰。当进样量很小时，组分在柱中的吸附或分配在等温线范围内，色谱峰呈正态分布，即得一条对称的曲线。图7-3色谱峰2．基线：色谱柱中仅有载气通过时，检测器响应信号为一条直线，见图7-3。3．峰高h：色谱峰最高点与基线的距离AB。4．峰宽度W与半峰宽度W1/2：自色谱峰的拐点作切线，在基线上的截距称为峰宽度W，（也称峰底宽），见图7-3中CD。峰高一半处（1/2）色谱峰的宽度为半峰宽度W1/2，见图7-3中EF。峰宽度和半峰宽度的单位由色谱图横坐标采用的单位而定，可以是时间，体积或距离。5．标准偏差σ：峰高0.607倍处峰宽的二分之一为σ，即图7-3中GH的一半。6．保留时间tR和保留体积VR。保留时间tR：自某一组分进入色谱柱到出现色谱峰最高点时所需时间，见图7-3。保留体积VR：自某一组分进入色谱柱到色谱峰最高点时所通过载气的体积。若载气流速（ml/min）为Fc，则有：VR=tR·Fc(7-1)7．死时间T0和死体积V0死时间T0：从不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱至出现色谱峰最高点所用时间化时间，见图7-3。使用被导池检测器时，用空气测死时间；用氢火焰检测器则需用甲烷测死时间。死体积V0：从不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱到出现色谱峰最高点时所通过的载体积。V0=t0·Fc(7-1)8．校正保留时间tR和校正保留体积vR＇：某组分的保留时间和除死时间即为校正保留时间。关系式为：tR＇=tR-t0(7-3)同样，校正保留体积为：VR＇=VR-V0(7-4)9．相对保留值r2在相同操作条件下，某组分的校正保留值与另一组分校正保留值之比：)VVtt(VVttr12121121112RRRRRRRR2.1（7-5）7-2气相色谱分离的理论基础气相色谱法的任务是对混合物中各组分进行定性和定量分析。首先就要求把混合物各组分分离开来，常用混合物中性质很相近的组分的分离情况判断色谱的分离能力。假设A、B两组分的混合物，通过色谱柱分离给出的色谱图如图7-4所示。图7-4（a）中A、B两组分没有分开；（b）中虽然能分辨出是两种物质，但分离不完全，（c）中A、B两种物持内奸离完全。由此可见：要使A、B两组分分离完全，不但A、B两峰之间要有足够的距离，而且要求两峰的宽度要足够窄。两峰间距离是由被分离组分在固定相和流动相之间的分配系数决定的，即受色谱热力学因素控制。而峰宽度与组分在色谱柱内运动情况有关，取决于色谱分离条件，即峰宽度是受色谱动力学因素的控制。因此，为了达到理想的分离目的，必须从固定相和色谱分离条件这两方面入手。图7-4A、B两组分的色谱分离一、气相色谱分离原理在气相色谱流程中，混合物是通过色谱柱时实现分离的。色谱柱有两种，一种是内部装固定相的填充柱，通常为金属或玻璃制成的内径2~6mm，长0.5~10m的U型柱或螺旋柱。另一种是将固定相均匀涂放在毛细管的内壁上的空心毛细管柱，通常为不锈钢或玻璃制成的内径为0.1~0.5mm，长50~300mm的毛细管柱。本章主要讨论填充柱，由于柱中填充的固定相的不同，可分为气固色谱和气液色谱两种。气固色谱中固定相是一种多孔性的具有较大表面积的吸附剂，研磨成一定粒度的小颗粒，样品由载气带入色谱柱时，立刻被吸附附剂所吸附。载气不断流过吸附剂时，吸附着的被测组分又被洗脱下来，即脱附。脱附的组分随着载气继续前进时，又可能被前面的吸附剂所吸附。随着载气的流动，这种吸附——脱附过程在吸附剂表面反复进行。由于混合物中各组分性质的不同，在吸附剂上的吸附能力也不同，较难吸附的物质就容易脱附，较快地向前移动；而容易吸附的物质同较难脱附，向前移动较慢。经过一定时间，即通过一定量的载气后，样品中各组分就彼此分离开先后流出色谱柱。气液色谱固定相是在化学惰性的固体颗粒的表面涂一层高沸点的有机化合物的液膜，这种高混点有机化合物称为固定液。在气液色谱柱中，被测物质中各组分的分离是由于各组分在固定液中溶解度的不同。载气带着被测物质进入色谱柱时，气相中的被测组分溶解到固定液中去，随着载气的不断通过，溶解于固定相中组分又可挥发出来，挥发到气相中的被测组分又会溶解在前面的固定液中。这样反复多次的溶解——挥发，各组分在固定液中的溶解度不同，溶解度大的组分就较难挥发，在柱中停留时间较长，而溶解度小的组分易挥发，在柱中停留时间短。经过一定时间后，各组分就可彼此分离开来。见图7-5。图7-5色谱分离过程示意图物质在固定相和流动相之间的吸附——脱附，溶解——挥发过程，都可称为分配过程。被测组分吸附——脱附或溶解一挥发能力的大小，以一定比例分配在固定相和流动相中。在一定温度下组分在两相中的分配达到平衡时的浓度比称为分配系数K。组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度K（7-6）温度一定时，各物质在两相中的分配系数K是不同的，分配系数较小的组分先流出色谱柱，而分配系数较大的组分则后流出。由此可见：气相色谱的分离就是基于不同物质在两相间分配系数的不同来实现。从理论上讲，只要被测组分的分配系数有差别就可以进行分离，但实际上能否达到分离的目的，还要取决于色谱柱的柱效能。二、色谱柱效能前以叙及，气相色谱的分离效果，可直观地表现在色谱图的峰间距离和峰宽度上。只有相邻色谱峰的距离较大，峰宽度较窄时，组分才能得到充分的分离。色谱峰之间的距离，取决于组分在固定相和流动相之间的分配系数，与色谱过程的热力学因素有关，可用塔板理论来描述。而色谱峰的宽度，则与各组分在色谱柱中的运动情况有关，反是非曲直了各组分在流动相和固定相之间的传质阻力，即动力学因素，要用速率理论来讨论。所以在讨论色谱柱的分离效能时，要考虑到这两方面的因素。1．塔板理论和柱效能指标在色谱理论发展的初期，有人把色谱分离过程看成一个分馏过程，并直接把分馏过程理论，概念和方法应用在色谱分离过程中。塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，色谱柱内有若干个想象的塔板，在每个塔板高度间隔内，被测组分在气相和液相之间达到分配平衡。经过这样反复多次分配之后，分配系数小的组分先从柱内流出，而分配系数大的组分后流板，从而达到分离的目的。将在色谱柱内每达到一分配平衡所需要的柱长称为塔板高度，用H表示。显然，塔板高度越小，在等长的色谱柱中组分分配平衡的次数越多，柱的分离效能也就越高。虽然塔板理论这种概念并不完全符合色谱柱内的实际分配过程，但这种比喻简明、形象、并能说明一些问题（如解释色谱流出曲线的形状、计算塔板高度等），所以一直被人们所接受。由塔板理论可推导出理论塔板数的计算公式为：2R221R)Wt16()Wt5.54(n理论塔板数上式中保留值tR和峰宽W1/2，W的单位要一致。从式（7-7）可知：保留值一定时，理论塔板数与峰宽的平方成反比，即峰形越窄，柱效能越高，所以常用理论塔板数作为衡量柱效能的指标。在同一色谱柱上，峰宽随保留值增加而变宽，先出的峰形较窄，而后出的峰则较宽。设色谱柱的长度为L，则理论塔板高度H为：nLH（7-8）在一定长度的色谱柱中，n越多，H越小。色谱峰扩散程度就越小，柱效能就越高。但是，由于保留时间tR中包含死时间t0，而被测组分在t0时间内不参与柱内分配过程，所以用理论塔板数n和理论塔板高度H还不能如实反映色谱柱效能。因此，引入有效塔板数和有效塔板高度这两个概念：21R21R有效)Wt16()21Wt5.53(n（7-9）有效有效nLH（7-10）在应用塔板理论时要注意以下两点：（1）有效塔板数越多，对分离有利。但是能否实现分离，主要还取决于各组分间分配系数的差异。（2）不同组分在同一色谱上的分配系数不同。因此，用有效塔板数n有效或有效塔板高度H有效表示柱效能时，必须说明是对哪种物质而言。由于实际的色谱分离过程不仅仅是一个简单的分配过程，因而用塔板理论无法解释同一色谱柱，在不同载气流速下的柱效能不同这一现象。2．速率理论与影响柱效能的因素速率理论是1956年，荷兰科学家范·姆特（vanDeemter）等提出的。速率理论仍然沿用塔板高度这一概念，进一步把色谱的分配过程与分子扩散，组分在固定相和流动相中的传质过程联系起来。速率理论不仅能解前面提到的一些色谱现象，而且对于如何选择合适的色谱分离条件也有指导意义。组分在色谱柱内运行的多路径及浓度梯度造成的分子扩散和组分在气、液两相间的质量传递不能瞬间达到平衡，是造成色谱扩张、柱效能下降的主要原因。范·德姆特等人归纳出影响塔板高度的因素，提出了色谱动力学理论，推导出塔板高度与载气流速的关系：CuuBAH（7-11）式（7-11）称为范氏方程式，式中A、B、C是三个常数，其中A称为涡流扩散项，B为分子扩散系数，C为传质阻力系数，u为载气平均线速度（cm/s）。由此可