气相色谱理论基础1
第一章 毛细管气相色谱法
3 2
r 2d f
实际上，r>>df，K可写为
rk K k 2d f
h3
2kd u 3(1 k ) DL
2
2 f
h3 4 DG f 2 2 h2 DL (1 6k 11k )
k为0.301 和10时， h3／h2的比 值随β值变 化的关系
第三节 毛细管柱速率理论方程
在毛细管柱中，谱带展宽主要来自三方面： • 纵向扩散（B） • 在流动相中传质阻抗引起的扩散（CG） • 在固定相中传质阻抗引起的扩散（CL） • 涡流扩散项（A）×
1 纵向扩散(h1)
扩散程度：
2DGtm
2 L
' 2DLtN
2 L
2 DG h1 L u
pDG p0 D
0 G 2
0 G
pu p0u0
2 2 f
2kd u 2D r (1 6k 11k )u0 h 0 2 2 u0 24DG (1 k ) 3(1 k ) DL
• 柱内径较大，柱长较短，柱进口流动相的 压力与出口压力相比差别不大，一般u0能 近似用平均速度表示 • 当柱内径减少(≤200μm)，柱长增加，
4 色谱文献的重要期刊
• 《色谱》，1984年创刊，双月刊 • 《Journal of Chromatography》， 1958年创刊，原为双月刊，1968年 （32卷）起改为双周刊。小刊名为“国际 色谱法、电泳及有关方法的杂志”。它分 两部分：研究论文和研究简报(Notes)， 主要用英文发表。它是世界化学文献中被 广泛引的文献之一
不考虑气体压缩效应，h1，h2和h3的和是在 毛细管空心柱中溶质峰扩张或板高的平均值为 常见的Golay方程
气相色谱
第一章气相色谱法一色谱法概论色谱法是一种重要的分离分析方法，它是根据组分在两相中作用能力不同而达到分离目的的。
色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用。
他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。
这种方法因此得名为色谱法。
以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。
●色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；●自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相；●装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱。
当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。
色谱法的分类根据流动相的状态可分为：气相色谱(GC)、液相色谱(LC)、超临界流体色谱(SFC) 按固定相在支持体中的形状分：柱色谱、平板色谱——纸色谱、薄层色谱按分离机理分类●利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。
●利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。
●利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。
利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。
按机理分：吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、排阻色谱二色谱流出曲线及有关术语色谱流出曲线和色谱峰：由检测器输出的信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。
曲线上突起部分就是色谱峰。
(一)基线：在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。
第2节 色谱理论基础
色谱柱长：L， 虚拟的塔板间距离：H， 色谱柱的理论塔板数：n， 则三者的关系为： n=L/H 理论塔板数与色谱参数之间的关系为：
tR 2 tR 2 ) = 16( ) n = 5.54( Y1/ 2 Wb
09:49:37
2.有效塔板数和有效塔板高度
• • • 单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在 tM 时间内不参与柱内分配。需引入有
09:49:372Βιβλιοθήκη 5 (tm)45 49
mm
解：（1）
2 (t −t )
R1 2
R=
R2 1
Y +Y
=
( 49 − 45 ) 5
= 0 .8
n
eff
= 16(
t
' R
2
2 ) = 16 × (
49 − 5 5
2 ) ≈ 1239
Y
2
09:49:37
1 Sample 0 （2）
neff
2
5 (tm)
色谱理论
色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动 力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效 与分离度的评价指标及其关系。 组分保留时间为何不同？色谱峰为何变宽？ 组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制； （组分和固定液的结构和性质） 色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制； （两相中的运动阻力，扩散） 两种色谱理论：塔板理论和速率理论
09:49:37
例题2：
有一根1m长的色谱柱，分离1和2两个组分，得到如下图所 示的色谱图。横坐标为记录笔的走纸距离(mm)，假设1和2 的峰底宽度相等，为5mm。 求 （i）1和2组分之间的分离度（R）及有效塔板数（neff） （ii）若欲得到Rs=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？ （iii）若想达到完全分离，色谱柱要加到多长？ 1 Sample 0
气相色谱理论
2. 分子扩散项—B/u
• ----纵向扩散项 • 由于进样后试样仅存在于色谱柱中很短小的一 段空间，因此可以认为试样是以“塞子”形式 进入色谱柱的。在塞子前后存在着浓度差，于 是当试样中各组分随着载气在柱中前进时，各 组分的分子将产生纵向，即沿着色谱柱方向的 扩散运动，结果使色谱峰扩展，分离变差。塔 板高度增加。
2018/6/13
速率理论的要点
(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、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
(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导
（动画）
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速率理论--影响柱效的因素
• 速率理论指出了影响柱效能的因素，为色谱分 离操作条件的选择提供了理论指导 • 但许多影响柱效能的因素以相反的效果存在 • 流速加大，分子扩散项的影响减小，传质阻力 项的影响增大 • 温度升高，有利于传质，但加剧了分子扩散的 影响 • 必须全面考虑这些相互矛盾的影响因素，选择 适当的色谱分离操作条件，才能提高柱效能。
分离度----柱的总分离效能指标，用于判断难分离物质对在色 谱柱中的分离情况。用 R 表示
2018/6/13
分离度（ R ）
R 2(t R ( 2 ) t R (1) ) Wb( 2 ) Wb(1) 2(t R ( 2 ) t R (1) ) 1.699(Y1/ 2( 2 ) Y1/ 2(1) )
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3.传质阻力项— Cu
传质阻力包括气相传质阻力Cg 和液相传质阻力Cl ，液相传质 阻力大于气相传质阻力。 即： C =（Cg + CL）
气相色谱的原理
气相色谱的原理
气相色谱（Gas Chromatography, GC）是一种在化学分析中广泛应用的分离技术。
它通过将混合物中的化合物分离成单独的组分，并对每个组分进行定量分析，从而实现对样品的分析和检测。
气相色谱的原理是基于化合物在固定填充物上的分配和分离。
首先，样品被注入到色谱柱中，色谱柱是一个长而细的管状结构，内部填充有吸附剂或不溶于流动相的液相。
然后，样品在色谱柱中被气态载气（通常是惰性气体）带动向前移动，化合物会在填充物表面上吸附和脱附，这个过程称为分配。
不同的化合物会以不同的速率进行分配，因此在色谱柱的末端会出现分离的效果。
接下来，分离的化合物会进入检测器进行检测和定量分析。
常用的检测器包括火焰光度检测器（FID）、电子捕获检测器（ECD）、氮磷检测器（NPD）等。
这些检测器可以根据化合物的特性进行检测，并输出相应的信号。
在气相色谱中，流动相的选择对于分离效果至关重要。
通常情况下，气相色谱中使用的流动相是惰性气体，如氮气、氦气等。
这些气体对大多数化合物都是不活跃的，不会与样品发生化学反应，从而保证了分离的准确性。
此外，色谱柱的选择也对分离效果有重要影响。
不同的色谱柱具有不同的分离机制和分离效果，根据样品的性质和分析要求选择合适的色谱柱对于保证分离效果至关重要。
总的来说，气相色谱的原理是基于化合物在填充物上的分配和分离。
通过合理选择色谱柱和流动相，以及配合适当的检测器，可以实现对样品的高效分离和定量分析。
气相色谱技术在化学、生物、环境等领域都有着广泛的应用，为科学研究和工业生产提供了重要的技术支持。
气相色谱仪基础知识培训
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❖ 气体
作用：
• 1）载气：作为色谱的流动 相
• 2）检测器的工作气体。
载气：
p 惰性：He, Ar, N2, H2. p 根据检测器, 价格及方便程度来决定 p 采用压力调节器以获得恒定的仪器
输入压力 p 控制流量来得到恒定的流速
长度 2-3 meters 2 meters <10 meters
Pack
• 填充柱中填有固态载体，上面涂有液态固定相，用于 气液色谱（GLC）或直接填充多孔固体，用于气固色 谱（GSC）.
固态载体
p 是液态固定相附着的载体
p 增加与样品接触的表面积。
p 细小、均匀、多孔。
p 大部分采用硅土. p 标准大小颗粒.
6. 色谱柱
填充柱
• 长：2 - 3 m • 内径：2 - 4 mm • 玻璃和金属材质
毛细管柱
• 长：10 - 100 m • 内径：0.1 - 0.8 mm • 熔融氧化硅或不锈钢，聚酰亚胺涂层
色谱柱材料和结构
p 填充柱
p - 短(2-3 米), 管内径较粗.
p 毛细管柱
p - 长(> 60 米), 内径较细. p 所有材料均要求化学及热性质稳定.
分流/不分流进样
p 用于毛细管柱0.1 mm to 0.53 mm ID. p 可选用分流/不分流进样 (split/splitless.) 分流(split)
p 允许样品中的代表部分进入到色谱柱中。 p 当被测物浓度较高时。
不分流(splitless)
3--第二章色谱分析理论基础
当待分离组分随着载气进入色谱柱，组分就开始在两相间进行 分配，平衡后，再随着载气进入下一个塔板进行分配，平衡后 再进入下一个塔板。以此类推，从而不断达到分配平衡。
1.塔板理论基本假设
（1）在色谱柱中的每一小段长度H内，组分迅速达到分 配平衡，这一小段色谱柱称为理论塔板，其长度称为理论 塔板高度，简称板高，记为H； （2）载气不是连续通过色谱柱，而是脉冲式，每次进气 量为一个板体积； （3）试样开始时都加在0号塔板上，且试样沿柱纵向扩 散忽略不计； （4）分配系数在各塔板上是常数； （5）塔板与塔板之间不连续。
结论： 分配系数K是色谱分离中的一个重要参数。 两组分分配系数K相差越大，两峰分离的就越好。 不同物质的分配系数K相同时，组分不能分离。因此是色 谱分离依据。
3.分配比k
又叫容量比、容量因子。
在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在 两相之间的质量比值，以k表示。
组分在固定相中的质量
k＝
分子扩散大。
3.传质阻力项C
组分在气相和液相两相间进行反复分配时，遇到阻力。传质阻 力C包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力CL 。液相传质阻力 大于气相传质阻力。
C =（Cg + CL）
气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相表面的过程。
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；有的则在进入两相界 面后又来不及返回气相。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。
（3）对于某确定的色谱分配体系，组分的分离最终决定于 组分在每相中的相对量，而不是决定于组分在每相中的相对 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。 k越大，组分保留时间越长，k=0，组分的保留时间为死时间。
气相色谱法及其应用-PPT
第二部分 气相色谱仪系统及功能
GC工作过程示意图
载气系统
分离系统
检测和 记录系统
进样系统
温控系统
一、载气系统
{ 气源
载气系统 净化干燥管
载气流速控制装置
常用载气：氮气、氦气、氢气及氩气
{ 载气选择依据 检测器 柱效
{
二、进样系统
进样系统
色谱柱的温度控制方式有： 恒温和程序升温 程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由
低温向高温作线性或非线性变化，以达到用 最短时间获得最佳分离的目的。 对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序 升温法进行分析。
恒温150 ℃
程序升温50~250℃， 8℃/min
正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较
程序升温不仅可以改善分离，而且可 以缩短分析时间。
组分峰影响。
优点
准确度高
岛津GC-2014型
1 . 热导池检测器 (TCD)
A R1 R2 B 参比 测量
工作原理：纯载气是一条 直线，当有有试样气通过 时，由于导热系数与载气 不同，测量池中热敏电阻 上的温度发生变化，其阻 值随之改变，电桥平衡遭 破坏，AB两点间的电位 不再相等，记录仪上即出 现峰电位。待测组分的导 热系数越大，测量池中热 敏电阻上的温度变化越大， 其电阻值也越大。
V0 t0Fc
5 . 保留体积Vr
Vr tr Fc
6 .校正(调整)保留体积
三、峰高与峰面积－定量分析的依据
四、区域宽度－柱效
峰底宽度W
半峰宽W1/2 标准偏差σ
W 4 W1/2 2.35
五、 分离度 定义： R tr2tr1 2(tr2tr1) 12(W1W2) (W1W2) tr2, tr1: 组分2和组分1的保留时间 W2, W1: 组分2和组分1的峰底宽度
气相色谱法-1
的最少个数；
（ⅱ）根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析； （ⅲ）根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分 析；
（ⅳ）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；
（V）色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流
动相）选择是否合适的依据。
2.1.5 色谱分析法特点及应用
r表示塔板编号，某组分的分配比k=1 ，则根据
上述假定，在色谱分离过程中该组分的分布可计
算如下：
开始时，若m=1的组分加到第0号塔板上，即 将气相中mm部分组分顶到1号板上，此时0号液相 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号板上所含有组分 总量为0.5，其中气液两相中各为0.25；而1号板上 所含总量同样为0.5，气液两相亦各为0.25。以后 重复循环如教材P12数据及表2—1所示。进入检 测器就会产生信号，如图2—4所示：
气液色谱的分离机理：
气液(液液)两相间的反复多次分配过程。
1. 气相色谱分离过程
当试样由载气携带进入色谱 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。
另一相是携带试样混合物流过固定相的流体 (气体或液体)，称为流动相。
（动画）
色谱法
当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发 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 得各组分被固定相保留的时间不同，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。
安捷伦气相色谱基础
电子部件 PC
载气 氢气 空气
气源与载气种类
对载气的要求如下：
1、 惰性（不与样品或固定相反应） 2、 气体扩散小，以提高柱效率 3、 容易得到并易纯化 4、 价格便宜 5、 满足检测器要求
常用载气：N2 H2 He Ar TCD 用氢气、氦气比较好，灵敏度高， FID 用氮气
辅助气：氧气或空气
气体的净化
管路:使用GC专用铜管, 使用前先用溶剂冲洗，载气吹干。
气流调节阀
• 通常在减压阀输出气体的管线中还要串联稳 压阀，用以稳定载气（或燃气）的压力
•
当用程序升温进行色谱分析时，由于色谱柱
柱温不断升高引起色谱柱阻力不断增加，也会使
载气流量发生变化。为了在气体阻力发生变化时
，也能维持载气流速的稳定，需要使用稳流阀来
种化合物的能力大于另一类，则认为这种固定液对于前一类
化合物有较高的选择性。人们最初用来描述和区别固定液分 离特性的方法是罗胥耐德(Rohrschneider)于1959年提出的相 对极性方法。他首先规定固定液β,β-氧二丙腈的相对极性为 100，角鲨烷为零， 选用正丁烯与正丁烷或环已烷与苯作为 物质对，然后分别测定物质对在氧二丙腈、角鲨烷以及被测 固定液柱上的相对调整保留值并取对数。
。
• 两相：固定相和流动相 • 具体到气相色谱： • 固定相就是色谱柱(column)，流动相就是气
体或者称为载气(carrier gas )。 • 差异就是指分配系数的差异。
色谱过程示意图
载气 A
待分离组分
，和
B
C
D
分离的过程示意图
流动 相
样品
固定 相
Analytical Training Center GCTECH 2-04