第四章气相色谱法 论 流动相是气体，固定相是固体或液体的色谱法称为气相色谱法。 19世纪末叶，随着钢铁工业的发展，炼焦副产品一一煤焦油大量增加，引起有机化学 工业的发展，不断出现分析有机物的新方法。色谱法正是在这种历史背景下发展起来的。20 世纪50年代石油化学工业的出现以及医药，生物化学的发展，使气相色谱法高速度地发展 起来，而且借助于近年来电子 工业的高度发展，也使气相色谱仪日益完善。目前气相色谱法 己成为分析化学中极为重要的一种手段。 在现代农业科研和农药工作中的应用也越来越普通，对农药研究、农药生产、加强农药 管理、制定农药安全使用标准、开展对外贸易搞好环境生态等均有重要现实意义。 当然，气相色谱法在应用中亦有局限性。但近年来的高效液相色进法正好弥补气相色谱 法的不足。这两种方法成为分离和测定有机化合物相辅相成互相补充的重要方法 (一)特 气相色谱法问世以后，很快即用于农药分析，目前占很重要的地位。该法迅速发展的原 因与以下特点有关。 1.应用范围广农药沸点大都在气谱工作范围内，分子量大多小于400，且在找气流 存在的情况下，可使高沸点化合物的气化温度比其沸点为低，再加气谱测定需用样品甚少， 故检测范围广泛 2。分离效能高农药分析的检测对象中，有的含杂质，有的为混合制剂，有的为异构 体，用其它方法分离相当困难，但用气相色谱则比较容易。例如分离化学结构极为接近的六 六六异构体早已用于日常分析。 3.分析速度快气相色谱的分析速度较快.适于农药生产中的流程控制分析和大量样 本分析。进行 一次色谱分析短者只需几十秒，长者几十分 一般几分钟即可 4.灵敏度高农药污染环境的检样，要求分离和测定出极少量的物质。有时检测极限 为PPb一PPt数量级(109一10I2)气谱法可满足分析要求。 6.准确度、精密度高农药分析要求有一定准准确度和精密度，尤其制剂分析对此要 求更高。用气谱内标法测定，准确度和拮密度，均较经典方法和光学分析法等为好。 6.分离和测定 一次完成用紫外、红外、质谱、核磁共振法测定农药样本时，均需先 分离出纯品，而气相色谱法的分离和测定一次即可完成 (二)仪器和流程 根据使用目的的不同可分为分析用气相色谱仪、制备用气相色谱仪和工艺过程控制监测 用气相色谱仪（又称流程色谱仪）三大类。本书主要介绍第一类。 目前国内外气相色谱仪的型号虽有多种多样，但基本组成相同，即每台色谱仪都包含有 气路系统包括气源、稳压、稳流、流量测量) ,进样系统、柱恒温箱、检测系统、控温系统 电源的稳压和信号放大系统、数据的记录和处理系统。 气相色谱仪流程是指载气与试样流动的趋向，简称气路。 每种仪器都有自己的流程。例如：北京分析仪器厂生产的SP一2305气相色谱仪是双气 路流程，上海分析仪器厂生产的上分一10型气相色谱仪是单气路流程。 图4一1为典型气相色谱仪流程示意图，图中箭头（一）方向为栽气流动的趋向，虚箭号 (一)为试样流动的趋向
第四章 气相色谱法 一、概 论 流动相是气体，固定相是固体或液体的色谱法称为气相色谱法。 19 世纪末叶，随着钢铁工业的发展，炼焦副产品——煤焦油大量增加，引起有机化学 工业的发展，不断出现分析有机物的新方法。色谱法正是在这种历史背景下发展起来的。20 世纪 50 年代石油化学工业的出现以及医药，生物化学的发展，使气相色谱法高速度地发展 起来，而且借助于近年来电子工业的高度发展，也使气相色谱仪日益完善。目前气相色谱法 已成为分析化学中极为重要的一种手段。 在现代农业科研和农药工作中的应用也越来越普通，对农药研究、农药生产、加强农药 管理、制定农药安全使用标准、开展对外贸易搞好环境生态等均有重要现实意义。 当然，气相色谱法在应用中亦有局限性。但近年来的高效液相色谱法正好弥补气相色谱 法的不足。这两种方法成为分离和测定有机化合物相辅相成互相补充的重要方法。 (一)特 点 气相色谱法问世以后，很快即用于农药分析，目前占很重要的地位。该法迅速发展的原 因与以下特点有关。 1．应用范围广 农药沸点大都在气谱工作范围内，分子量大多小于 400，且在载气流 存在的情况下，可使高沸点化合物的气化温度比其沸点为低，再加气谱测定需用样品甚少， 故检测范围广泛。 2．分离效能高 农药分析的检测对象中，有的含杂质，有的为混合制剂，有的为异构 体，用其它方法分离相当困难，但用气相色谱则比较容易。例如分离化学结构极为接近的六 六六异构体早已用于日常分析。 3．分析速度快 气相色谱的分析速度较快．适于农药生产中的流程控制分析和大量样 本分析。进行一次色谱分析短者只需几十秒，长者几十分，一般几分钟即可。 4．灵敏度高 农药污染环境的检样，要求分离和测定出极少量的物质。有时检测极限 为 PPb—PPt 数量级(10 －9 一 l0－12)气谱法可满足分析要求。 6．准确度、精密度高 农药分析要求有一定准准确度和精密度，尤其制剂分析对此要 求更高。用气谱内标法测定，准确度和精密度，均较经典方法和光学分析法等为好。 6．分离和测定一次完成 用紫外、红外、质谱、核磁共振法测定农药样本时，均需先 分离出纯品，而气相色谱法的分离和测定一次即可完成。 (二) 仪器和流程 根据使用目的的不同可分为分析用气相色谱仪、制备用气相色谱仪和工艺过程控制监测 用气相色谱仪(又称流程色谱仪)三大类。本书主要介绍第一类。 目前国内外气相色谱仪的型号虽有多种多样，但基本组成相同，即每台色谱仪都包含有 气路系统(包括气源、稳压、稳流、流量测量)，进样系统、柱恒温箱、检测系统、控温系统、 电源的稳压和信号放大系统、数据的记录和处理系统。 气相色谱仪流程是指载气与试样流动的趋向，简称气路。 每种仪器都有自己的流程。例如：北京分析仪器厂生产的 SP—2305 气相色谱仪是双气 路流程，上海分析仪器厂生产的上分—100 型气相色谱仪是单气路流程。 图 4—1 为典型气相色谱仪流程示意图，图中箭头(→)方向为栽气流动的趋向，虚箭号 (.→)为试样流动的趋向
“ 控制， (三)应用范用与局限 气相色谱法以气体作为流动相，在检测农药时，被分离农药在色谱住内运行时必须处于 “气化”状态，而“气化”与农药的性质和其所处于的工作温度（主要指色谱柱所处的温度） 有关。所以，被分离农药无论是液体或固体，是有机物或无机物，只要这些农药在气相色谱 仪所能达到的工作温度下可以“气化”，而日不发牛分解，原则上郑可以采用气相色进法 日前可能达到的工作温度一般为一196一450℃，在这个温度下，对蒸气压不小于20 130d Pa,热稳定性好的任何气体、液体、固体农药都可进行分析：或者说，凡是沸点大约在500℃ 以下，分子量在400以下的农药，原则上都可以采用气相色谱法进行分离和分析。 虽然气相色谱法有许多优点，但它作为一种分析方法，仍然有一些薄弱环节，局限了它 的应用范围。譬如除分子最大，热分解和不挥发性农药不能使用外，而对于所接受的每一项 分析任务，往往需要建立特定的分析方法：色谱峰的定性可信度较差：对化学性质极为活 的及腐蚀性的试样，分析较为困难 (四)在农药分析中的应用 气相色谱法是农药分析中必不可少的方法。气相色谱仪是农药分析实验室必备的仪器。 该法在有关农药的研制创新、工业生产、科学管理、农业应用、污染防治等方面均广泛应用 研制创新：新农药的创制，新剂型的开发及共有关研究。 工业生产：农药生产中工艺流程的控制与改进，原料、中间体及产品质量的分析。 科学管理：制定与检验农药质量标准，监督保证农药质量。 农业应用：制定农药合理使用准则，为农业上施用提供科学依据。此外，尚有中毒原因 及发生药害时的分析判断等。 污染防治：农田用药后，农药在农作物、备产品、土壤、河川水中的残留量及姥代谢物 的残留规律和其对生态系的影响。 以上各项工作的分析测定，都离不开气相色谱法。目前国际上约0%的农药制剂，采 用气谱法进行分析：在残留量分析中，则气谱法应用更多。 二、基本原理 气相色谱法亦称气体色谱法或气相层析法，是以气体为流动相的柱色谱分离技术。它分 离的主要依据是利用样品中各组分 谱柱中吸附力或溶解 度不同，也既是不 用各组分在色 谱住中气相和固定相的分配系数不同来达到样品的分离。对于气一固色谱（也叫吸附色谱）， 它的分配系数确切地讲，应称吸附平衡常数，主要用于永久性气体或气态烃等的分离分析。 本文仅就常用于农药分析的气一液色谱加以介绍
(三)应用范围与局限 气相色谱法以气体作为流动相，在检测农药时，被分离农药在色谱住内运行时必须处于 “气化”状态，而“气化”与农药的性质和其所处于的工作温度(主要指色谱柱所处的温度) 有关。所以，被分离农药无论是液体或固体，是有机物或无机物，只要这些农药在气相色谱 仪所能达到的工作温度下可以“气化”，而且不发生分解，原则上都可以采用气相色谱法。 日前可能达到的工作温度一般为－196—450℃，在这个温度下，对蒸气压不小于 20 一 1300 Pa，热稳定性好的任何气体、液体、固体农药都可进行分析；或者说，凡是沸点大约在 500℃ 以下，分子量在 400 以下的农药，原则上都可以采用气相色谱法进行分离和分析。 虽然气相色谱法有许多优点，但它作为一种分析方法，仍然有一些薄弱环节，局限了它 的应用范围。譬如除分子最大，热分解和不挥发性农药不能使用外，而对于所接受的每一项 分析任务，往往需要建立特定的分析方法；色谱峰的定性可信度较差；对化学性质极为活泼 的及腐蚀性的试样，分析较为困难。 （四）在农药分析中的应用 气相色谱法是农药分析中必不可少的方法。气相色谱仪是农药分析实验室必备的仪器。 该法在有关农药的研制创新、工业生产、科学管理、农业应用、污染防治等方面均广泛应用。 研制创新；新农药的创制，新剂型的开发及共有关研究。 工业生产：农药生产中工艺流程的控制与改进，原料、中间体及产品质量的分析。 科学管理：制定与检验农药质量标准，监督保证农药质量。 农业应用：制定农药合理使用准则，为农业上施用提供科学依据。此外，尚有中毒原因 及发生药害时的分析判断等。 污染防治：农田用药后，农药在农作物、畜产品、土壤、河川水中的残留量及姥代谢物 的残留规律和其对生态系的影响。 以上各项工作的分析测定，都离不开气相色谱法。目前国际上约 70％的农药制剂，采 用气谱法进行分析；在残留量分析中，则气谱法应用更多。 二、基本原理 气相色谱法亦称气体色谱法或气相层析法，是以气体为流动相的柱色谱分离技术。它分 离的主要依据是利用样品中各组分在色谱柱中吸附力或溶解度不同，也既是利用各组分在色 谱住中气相和固定相的分配系数不同来达到样品的分离。对于气—固色谱(也叫吸附色谱)， 它的分配系数确切地讲，应称吸附平衡常数，主要用于永久性气体或气态烃等的分离分析。 本文仅就常用于农药分析的气—液色谱加以介绍
(一)气一液色谱分离过程 气一液色谱柱中装入一种具有一定惰性的多孔性固体物质（称为担体或载体），在它的表 面 一层很薄的不易挥发的高沸点有机化合物（即固定液），形成一层液膜 当载气把气化 的样品组分代入色谐柱后，由于各组分在载气和固定液膜的气一液两相中分配系数不同，在 载气向前流动时，样品各组分从固定液中脱溶能力也就不同。当脱溶出来的组分随着载气在 柱中往前移动时，再次溶解在前面的固定液中，这样反复地溶解一脱溶→再溶解→再脱溶多 次的进行分配，有时可达上千次甚至上万次。最后，各组分由于分配系数的差异，在色谱柱 中经过反复多次分配后 多 力速度便有了显著差别。在固定液中溶解 度小的组分 多动速度快 溶解度大的则移动速度慢，这样在色谱柱出口就可将各组分分离开来，可以分别对它们进行 测定。 例如，在某一色谱柱中欲分离的两组分为A和B,而且它们的分配系数K比KB大 倍。显然经过第一次分配后，A和B两物质的分离因数(@)为： a=K=2 若连续分配n次后，则： 可见，当n=1时，a=2,n=100时，a=2o0≈10∞，此时分离效率已很大，这表明A、 B两物质已较好地分离，也就是说分配次数愈多，分离效率愈高。而在一般气相色谱法中， 分配次数远不只100次，往往是上千次，上万次，因此，即便K与KB相差很微小，经过 反复若干次分配，最终也可使两物质分离。例如，六六六各异构体的化学性质极其相似，用 般化学方法很难将它们分离，但是利用OV一17和QF一1为混合固定液的气一液色谱法 可将其很好地一一分离。 (二)气相色谱流出曲线 样品中的组分经色谱柱分离后，随着载气逐步流出色谱柱。在不同的时间，流出物中组 分的成分和浓度是不同的。一股采用记录仪将流出物中各组分及其浓度的变化依次记录下 来，即可得到色谱图。这种以组分的浓度变化（或某种信号）作为纵坐标，以流出时间（或相应 流出物的体积)作为横坐标，所绘出的曲线称为色谱流出曲线。现以一种组分的流出曲乡 明如下（如图4一2所示）。 女，时同支体 用4-2气相色谱流出曲线 由图可见，从进样开始（以此作为零点），随着时间的推移，组分的浓度不断地发生变 化，当组分的浓度达到极大值时，曲线上也出现最高点，通常把这种曲线称该组分的色谱峰
(一)气－液色谱分离过程 气—液色谱柱中装入一种具有一定惰性的多孔性固体物质(称为担体或载体)，在它的表 面涂敷一层很薄的不易挥发的高沸点有机化合物(即固定液)，形成一层液膜。当载气把气化 的样品组分代入色谱柱后，由于各组分在载气和固定液膜的气—液两相中分配系数不同，在 载气向前流动时，样品各组分从固定液中脱溶能力也就不同。当脱溶出来的组分随着载气在 柱中往前移动时，再次溶解在前面的固定液中，这样反复地溶解→脱溶→再溶解→再脱溶多 次的进行分配，有时可达上千次甚至上万次。最后，各组分由于分配系数的差异，在色谱柱 中经过反复多次分配后，移动速度便有了显著差别。在固定液中溶解度小的组分移动速度快， 溶解度大的则移动速度慢，这样在色谱柱出口就可将各组分分离开来，可以分别对它们进行 测定。 例如，在某一色谱柱中欲分离的两组分为 A 和 B，而且它们的分配系数 KA 比 KB大一 倍。显然经过第一次分配后，A 和 B 两物质的分离因数(α)为： A B K 2 K 1 ＝ ＝ 若连续分配 n 次后，则： n n A n B K 2 2 K 1 ＝ ＝ ＝ 可见，当 n＝1 时，a＝2，n＝100 时，a＝2 100≈1030，此时分离效率已很大，这表明 A、 B 两物质已较好地分离，也就是说分配次数愈多，分离效率愈高。而在一般气相色谱法中， 分配次数远不只 100 次，往往是上千次，上万次，因此，即便 KA 与 KB相差很微小，经过 反复若干次分配，最终也可使两物质分离。例如，六六六各异构体的化学性质极其相似，用 一般化学方法很难将它们分离，但是利用 OV—17 和 QF—1 为混合固定液的气—液色谱法 可将其很好地一一分离。 (二)气相色谱流出曲线 样品中的组分经色谱柱分离后，随着载气逐步流出色谱柱。在不同的时间，流出物中组 分的成分和浓度是不同的。一股采用记录仪将流出物中各组分及其浓度的变化依次记录下 来，即可得到色谱图。这种以组分的浓度变化(或某种信号)作为纵坐标，以流出时间(或相应 流出物的体积)作为横坐标，所绘出的曲线称为色谱流出曲线。现以一种组分的流出曲线说 明如下(如图 4—2 所示)。 由图可见，从进样开始(以此作为零点)，随着时间的推移，组分的浓度不断地发生变 化，当组分的浓度达到极大值时，曲线上也出现最高点，通常把这种曲线称该组分的色谱峰
每一个组分在流出曲线上，都有一个相对应的色谱峰。 如横坐标以时间()表示，那么从进样开始到柱后出现某组分的浓度极大值（即ob段）》 所需要的时间，称为保留时间()。b段称为调整保 以t表 t'R=tR 。其中 称为死时间，即从进样到惰性组分流出曲线浓度极大点的时间 ,如图中oa所表 如果横坐标以体积(V)表示，则色谱峰最高处所对应的体积即b段称为保留体积（以 Vg表示，相应的oa段称为死体积(V),b段为调整保留体积V”=VR一Vu。 保留体积与保留时间两者之间有以下关系： 式心为 司样，VM=F 谱柱内载气的平均流速，即每mm载气流出体积的平均值：单位为mmm。 在一定实验条件中，保留体积或保留时间为某一组分的特性。 在色谱流出曲线中，GH叫基线，GeefH为某组分的峰面积(A)、cd为峰高(h),ef为 峰半高宽度简称半峰宽(Y12)。 楼分定的实约条件下峰面或蜂高为来一组分浓度合量的特征，因此，色瑞流出国 要依据。利用它可以解决以下问题 (1)色谱峰的位置（即保留时间或保留体积）决定于物质的性质，是色谱定性的依据。 (2)色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，是色谱定量的依据。 (3)利用色谱峰的位置与其宽度，可以对色谱柱分离的情况进行评价。 (三)塔板理论 1.塔板理论假定为了研究谱峰的形状，建立起一种半经验式的理论 一塔板理论 用于描述物质在两相间的分配状况和评价柱的效能。塔板理论是把柱子假想成由许多塔板细 成，在每个理论塔板里，组分在气液相间达成一次平衡，经过多次分配平衡后，使组分彼此 分离。为简化起见，塔板理论有如下假设： ()在每块板上气液平衡是瞬间建立的。 2)载气是脉冲式进入色谱柱进行冲洗的，每次恰好为一个板体积 (3)所有组分开始都集中在第零块塔板上，且不考虑纵向扩散。 (4)在所有塔板上，分配系数是常数，也即和组分的量无关。 2.理论塔板数在上述理想情况下，可以认为进人柱子内的样品成分在载气中是呈“正 态分布”的，因而，在记录纸上出现的色谱蜂应为高斯(Guss)曲线。所以色谱峰常用与高 斯曲线宽度相关的某一标准偏差。表示。图4一3表明在不同高度位置上蜂宽度与0的关系。 1.000 ”wg-234 0 0.234 0.01 一理 图4~3用高斯曲线表示的色谢峰
每一个组分在流出曲线上，都有一个相对应的色谱峰。 如横坐标以时间(t)表示，那么从进样开始到柱后出现某组分的浓度极大值（即 ob 段） 所需要的时间，称为保留时间(tR)。ab 段称为调整保留时间，以 t’R表示，t’R＝tR—tM。其中， tM称为死时间，即从进样到惰性组分流出曲线浓度极大点的时间，如图中 oa 所表示。 如果横坐标以体积(V)表示，则色谱峰最高处所对应的体积即 ab 段称为保留体积(以 VR表示)，相应的 oa 段称为死体积(VM)，ab 段为调整保留体积 V’R＝VR－VM。 保留体积与保留时间两者之间有以下关系： VR＝FC·tR， 同样，VM＝FC·tM 式中，FC为色谱柱内载气的平均流速，即每 min 载气流出体积的平均值：单位为 ml/min。 在一定实验条件中，保留体积或保留时间为某一组分的特性。 在色谱流出曲线中，GH 叫基线，GeefH 为某组分的峰面积(A)、cd 为峰高（h），ef 为 峰半高宽度简称半峰宽(Y1/2)。 在一定的实验条件下，峰面积或峰高为某一组分浓度合量的特征，因此，色谱流出曲线 是色谱分析的主要依据。利用它可以解决以下问题： (1)色谱峰的位置(即保留时间或保留体积)决定于物质的性质，是色谱定性的依据。 (2)色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，是色谱定量的依据。 (3)利用色谱峰的位置与其宽度，可以对色谱柱分离的情况进行评价。 (三) 塔板理论 1．塔板理论假定 为了研究谱峰的形状，建立起一种半经验式的理论——塔板理论， 用于描述物质在两相间的分配状况和评价柱的效能。塔板理论是把柱子假想成由许多塔板组 成，在每个理论塔板里，组分在气液相间达成一次平衡，经过多次分配平衡后，使组分彼此 分离。为简化起见，塔板理论有如下假设： (1)在每块板上气液平衡是瞬间建立的。 (2)载气是脉冲式进入色谱柱进行冲洗的，每次恰好为一个板体积． (3)所有组分开始都集中在第零块塔板上，且不考虑纵向扩散。 (4)在所有塔板上，分配系数是常数，也即和组分的量无关。 2．理论塔板数 在上述理想情况下，可以认为进人柱子内的样品成分在载气中是呈“正 态分布”的，因而，在记录纸上出现的色谱峰应为高斯(Gauss)曲线。所以色谱峰常用与高 斯曲线宽度相关的某一标准偏差σ表示。图 4—3 表明在不同高度位置上峰宽度与σ的关系
其中： 曲线拐点处的宽度W,=20 峰半高处的宽度Wh=2o(2ln2)=2.354o (4.1) 拐点的切线与基线交点之间的峰宽W=4σ (4.2 因而w=2W,=1.699W12 (4.3) 最早提出峰形变宽的理论是Martin等人提出的塔板理论。 作为该理论的结论，理论塔板数n用下式表示： a=6月 (4.4) 式中，R是保留时间，W是与保留时间使用同一单位测得的峰底宽度。在谱图上二者都可 以用长度单位进行测量。现在在图4一4中利用甲苯色谱峰试计算一下理论板塔数 空气峰 时@(min 困4一4理论蛛板数的求法 先测量出由进样点到峰顶点之间的距离（相当于保留时间），以mm为单位（记录纸速10mm min,tR=68mm,峰底宽度W=8mm,因此： n-168)月 8=1156 然后，将式4.2)代入式(4.4)中，得： (4.5) 由此可知，理论塔板数与方差G2呈反比关系。设空气的保留时间为，从空气蜂作起 点所测得的保留时间为t tR=t十tR[本式以保留时间表示 (4.6) 由于载气（流动相）中的组分是随着载气在柱内移动，所以全部组分在气相中的时间不论 其保留时间大小，均为t,保留时间银中剩余部分'R可认为是组分在液相中停留时间。我 们取组分在两相中的时间比定为组分的分配比k: k=I (4.7) 另外，仿照式(4.4)有效塔板N可按下式定义：
其中： 曲线拐点处的宽度 Wi＝2σ 峰半高处的宽度 ( ) 1 2 W 2 2ln 2 2.354 1 2 ＝ ＝ （4.1） 拐点的切线与基线交点之间的峰宽 W＝4σ （4.2） 因而 W＝2Wi＝1.699W1/2 （4.3） 最早提出峰形变宽的理论是 Martin 等人提出的塔板理论。 作为该理论的结论，理论塔板数 n 用下式表示： 2 R t n w ＝16 （4.4） 式中，tR 是保留时间，W 是与保留时间使用同一单位测得的峰底宽度。在谱图上二者都可 以用长度单位进行测量。现在在图 4—4 中利用甲苯色谱峰试计算一下理论板塔数。 先测量出由进样点到峰顶点之间的距离(相当于保留时间)，以 mm 为单位(记录纸速 10mm／ min)，tR＝68mm，峰底宽度 W＝8mm，因此： 2 68 n 16 1156 8 ＝ ＝ 然后，将式(4.2)代入式(4.4)中，得： 2 R 2 t n ＝ （4.5） 由此可知，理论塔板数与方差 σ 2 呈反比关系。设空气的保留时间为 tM，从空气峰作起 点所测得的保留时间为 t’R。 tR＝tM＋t’R[本式以保留时间表示] (4.6) 由于载气(流动相)中的组分是随着载气在柱内移动，所以全部组分在气相中的时间不论 其保留时间大小，均为 tM，保留时间 tR中剩余部分 t’R可认为是组分在液相中停留时间。我 们取组分在两相中的时间比定为组分的分配比 k： R M t k t ’ ＝ （4.7） 另外，仿照式(4.4)有效塔板 N 可按下式定义：
N=6】 (4.8) 从式(4.4、(4.6(4.7)、(4.8)可得： k N=nki) (4.9) 对于k值非常大的组分（其分配系数及保留时间也都比较大），即 k中L,因而N≈n 在谱图上，只要列出某物质在柱上的保留位和峰宽，(4.4)式便可算出所需要的理论板 数。再由理论板数可算出理论板高度 H=L(住长) n H是描述色谱柱效能的一个指标，但由于死时间的存在，不能完全反映柱效，特别是那 些较早流出的组分更是如此。为了更切合实际，采用有效塔板数cr和有效板高Hr。 Ho= (4.10) (四)速率理论一一范第姆特(n Deemter)方程 塔板理论是个半经验性的理论，它的假设不完全符合色谱的实际过程，只能定性的给出 板高H的概念，而不能找出影响H的因素，也不能说明为什么修会展宽。速率理论就是在 塔板理论的基础上，引入影响板高的动力学因素而导出的，把色谱过程用随机模型来描述， 可得速率理论方程（也称范氏方程，从理论上说明了峰形加宽的原因和获得高柱效的条件 1.峰形加宽的原因可以认为，凡满足下列条件的为理想的气一液色谱法： ()在色谱柱内任何点两相的比例恒定。 2)载气流在色谱柱内任何部位均一样」 (3)在两相中无论哪一相里都不发生成分分子的纵向扩散作用。 (4)组分分子在两相间的分配平衡能解间完成 而且，如果分配系数与成分浓度无关，那么以一定宽度注入柱子的成分可以在柱中按原 来的样子向前移动，而不引起峰形扩展。但在实际上多数不是这样情况。 ①如果正确地装坡柱填料，条件()可以满足。 ②由于沿柱长的方向存在压力降，正如图4一5所表示的那样。 载气的线速度从柱子入口到柱子出口是逐渐增加的但是对于所有成分的分子都同样起 作用，并不能成为峰加宽的原因。由于柱内有填料存在， 气体分子流过柱子的途径各不相同 这些路程又长短不一，因此，气体分子和成分分子在柱内的停留时间使峰形加宽。这种现象 类似湍流流动中的涡流扩散。所以引起峰形加宽的原因是柱内的填料形状、颗粒大小、填充 方法等，而与载气流速没有关系。 ③由于柱内存在着分子纵向扩散，因此成分分子的运动受到推进和阻滞作用，这是造成 峰形加宽的原因。有 液相色谱中这样的扩散可以忽略不计。而在气相色谱中载气的流速越小， 分子扩散的影响越大，它与载气的线速度成反比。 ④在通常使用的载气流速下，成分既要在气一液两相间维持平衡分配，又要向前移动， 这是很困难的，无论是从气相到液相，还是从液相到气相中的转移都要花费时间，由于成分
2 R t N 16 W ’ ＝ （4.8） 从式（4.4）、（4.6）、（4.7）、（4.8）可得： 2 k N n k 1 ＝ ＋ （4.9） 对于 k 值非常大的组分(其分配系数及保留时间也都比较大)，即： k 1 k 1 ＋ ，因而 N≈n 在谱图上，只要列出某物质在柱上的保留位和峰宽，由(4.4)式便可算出所需要的理论板 数。再由理论板数可算出理论板高度 L( ) H n 柱长 ＝ H 是描述色谱柱效能的一个指标，但由于死时间的存在，不能完全反映柱效，特别是那 些较早流出的组分更是如此。为了更切合实际，采用有效塔板数 neff和有效板高 Heff。 eff eff L H n ＝ （4.10） (四)速率理论——范第姆特（Van Deemter）方程 塔板理论是个半经验性的理论，它的假设不完全符合色谱的实际过程，只能定性的给出 板高 H 的概念，而不能找出影响 H 的因素，也不能说明为什么峰会展宽。速率理论就是在 塔板理论的基础上，引入影响板高的动力学因素而导出的，把色谱过程用随机模型来描述， 可得速率理论方程(也称范氏方程)，从理论上说明了峰形加宽的原因和获得高柱效的条件。 1．峰形加宽的原因 可以认为，凡满足下列条件的为理想的气—液色谱法： (1)在色谱柱内任何点两相的比例恒定。 (2)载气流在色谱柱内任何部位均一样． (3)在两相中无论哪一相里都不发生成分分子的纵向扩散作用。 (4)组分分子在两相间的分配平衡能瞬间完成。 而且，如果分配系数与成分浓度无关，那么以一定宽度注入柱子的成分可以在柱中按原 来的样子向前移动，而不引起峰形扩展。但在实际上多数不是这样情况。 ①如果正确地装坡柱填料，条件(1)可以满足。 ②由于沿柱长的方向存在压力降，正如图 4—5 所表示的那样。 载气的线速度从柱子入口到柱子出口是逐渐增加的。但是对于所有成分的分子都同样起 作用，并不能成为峰加宽的原因。由于柱内有填料存在，气体分子流过柱子的途径各不相同， 这些路程又长短不一，因此，气体分子和成分分子在柱内的停留时间使峰形加宽。这种现象 类似湍流流动中的涡流扩散。所以引起峰形加宽的原因是柱内的填料形状、颗粒大小、填充 方法等，而与载气流速没有关系。 ③由于柱内存在着分子纵向扩散，因此成分分子的运动受到推进和阻滞作用，这是造成 峰形加宽的原因。在液相色谱中这样的扩散可以忽略不计。而在气相色谱中载气的流速越小， 分子扩散的影响越大，它与载气的线速度成反比。 ④在通常使用的载气流速下，成分既要在气—液两相间维持平衡分配，又要向前移动， 这是很困难的，无论是从气相到液相，还是从液相到气相中的转移都要花费时间，由于成分
在仕内移动过程中有这种阻力存在，而恢峪形加宽，并且随着载气流速的增加，这个影响也 增大。 Pi/Po-1.1 15 柱于人口 出 45柱内截气线速度的变化 (以相对干出日的线邀度U,值表示) 由此可得出结论，使峰形加宽的原因可归纳为：①祸流打扩散：②分子扩散，③传质阻力 三种情况所造成。 柱效率由于在气相中的扩散作用比液相中大，据此可假定传质阻力的影响只在液 相中存在，故an Deemter等人创立的关于气一披色谱理论塔板高度(HETP)基本公式为： H=2d,++8kd (4.11) uπ2(1+k)2D 式中：H一一理论塔板高度(HEP): 一柱填料特有的量： d,一一柱填料颗粒的平均直径： 一气体通过细长弯曲路径时的校正系数： -组分分子在气相中的扩散系数： 一组分分子在液相中的扩散系数 一载气的线速度 k- -K(F/F): K为分配系数，F/F:为柱横截面上液相和气相占有的面积比： d一一担体上固定液的有效厚度。 式(4.11)可以改写为下式： H=4什B+C (4.12) A=27.dp B=YD: C= 8 k'd2 2(+kD 这个公式如图46所示是双曲线，在=√B/C时，H存在极小值，其值Hn=A+ 2√BC也就是说在=√B/C时，柱效最好。然而，如前所述，色谱柱内载气的线速度
在仕内移动过程中有这种阻力存在，而恢峪形加宽，并且随着载气流速的增加，这个影响也 增大。 由此可得出结论，使峰形加宽的原因可归纳为；①涡流扩散；②分子扩散，③传质阻力 三种情况所造成。 2．柱效率 由于在气相中的扩散作用比液相中大，据此可假定传质阻力的影响只在液 相中存在，故 Van Deemter 等人创立的关于气—掖色谱理论塔板高度(HETP)基本公式为： ( ) ’ 2 2 2 ’ 1 8 2 1 g f p D d k H d u u D k ＝ ＋ ＋ ＋ (4.11) 式中：H——理论塔板高度(HETP)； λ——柱填料特有的量； dp——柱填料颗粒的平均直径； γ——气体通过细长弯曲路径时的校正系数； Dg——组分分子在气相中的扩散系数； Dl——组分分子在液相中的扩散系数； u——载气的线速度； k’——K(Fl／Fg)； K 为分配系数，Fl／Fg为柱横截面上液相和气相占有的面积比； df——担体上固定液的有效厚度。 式(4.11)可以改写为下式： u B H A C u ＝ ＋ ＋ (4.12) A＝2λdp B＝γDg ( ) 2 2 2 1 8 ' 1 ' f k d C k D ＝ ＋ 这个公式如图 4—6 所示是双曲线，在 u B C ＝ 时，H 存在极小值，其值 Hm/n＝A＋ 2 BC 也就是说在 u B C ＝ 时，柱效最好。然而，如前所述，色谱柱内载气的线速度
不是恒定的。从柱子入口到柱子出口流速逐渐增大（参见图4一5）。因而，只有在柱子的某一 狭窄部分其效率才是最高的。 因而 在载气的线速度比较低时，H值主要取决于分子扩散的影响，而在载气的流速比 较高时，与分子扩散的影响相比，传质阻力的影响更大。涡流扩散与u没有关系。 如上所述，ú值在柱中不是恒定的，因而H值随着与柱子入口距离的不同而异。如图4 一5所示，当P/P值很大时，柱子大部分与其入口的线速度差别不大，而在柱出口附近线 速度则急剧变大。在这样情况下，若于柱子出口选择使H值最小的载气流速u,那么在柱子 的大部分H值都增高，而使柱效率降低。 蛋中设有维和两为发为整。高度和酒除师 P/P接近于1时，载气线速度变化很小，因而，能通过选择适当的载气流速使整个柱 子日值趋近于最小值。 结论，为获得高柱效，在适当调整载气流速的同时，尽量选择使式(4.12)中的三个项 尽可能小的操作条件是很重要的。 (1)涡流扩散：这一项(2入d)是柱填料所特有的，不取决于样品和固定液和操作条件 也无关。 为使该项数值减少，可使入、，尽可能变小。入表示填充方法的不规则性。共值愈大， 表明填充的规则性愈差。，是填料颗粒直径，因此颗粒越细越好。但是颗粒要用固定液浸渍， 颗粒越细，越不容易涂渍均匀，而使人值变大，最后考虑还是使用不太细的填料为好，这样 即可均匀涂渍，又能维持较小的2入d值。若使用粗粒的填料，由于透过性能好，可以降低 入口、出口的压力差，增大载气流速，有利于分析。 (②)分子扩散：该项为vD/u,其中D,表示在载气中样品成分的分子扩散，因此它与载 气和样品成分两者都有关。所以，选择何种载气，使用多大压力和柱温是非常重要的。 常用的载气 有H2、 H和N2,前两种气体比N气的分子扩散系数要大。此外，压力越 高，分子扩散现象越小，温度升高，分予扩散作用增大 Y表示柱填料对分子扩散现象产生影响的系数，其值为0.5一1.0。柱填料颗粒直径增 大，Y值接近其上限1。YD的实际值对于N2和CO2来说为0.05一lcm2/s,对H和He 为0.20-040cm2/s. 虽然通过柱效率预测选择何种载气和使用什么样的操作条件并非轻而易举，但一般来讲 它们具有如下规绅 ①与传质有关的系数C很小时，使用出，、c等粘度比较低的气体作载气，载气流速大 一些比较好。此时分子扩散项的值很小，可忽略不计。 ②C值比较大时，由于有第2,3项的关系，使用像N2这样的分子量大的气体作载气
不是恒定的。从柱子入口到柱子出口流速逐渐增大(参见图 4—5)。因而，只有在柱子的某一 狭窄部分其效率才是最高的。 因而，在载气的线速度比较低时，H 值主要取决于分子扩散的影响，而在载气的流速比 较高时，与分子扩散的影响相比，传质阻力的影响更大。涡流扩散与 u 没有关系。 如上所述，u 值在柱中不是恒定的，因而 H 值随着与柱子入口距离的不同而异。如图 4 —5 所示，当 Pi／P0 值很大时，柱子大部分与其入口的线速度差别不大，而在柱出口附近线 速度则急剧变大。在这样情况下，若于柱子出口选择使 H 值最小的载气流速 u，那么在柱子 的大部分 H 值都增高，而使柱效率降低。 Pi/P0 接近于 1 时，载气线速度变化很小，因而，能通过选择适当的载气流速使整个柱 子 H 值趋近于最小值。 结论，为获得高柱效，在适当调整载气流速的同时，尽量选择使式（4.12）中的三个项 尽可能小的操作条件是很重要的。 (1)涡流扩散：这一项(2λdp)是柱填料所特有的，不取决于样品和固定液和操作条件 也无关。 为使该项数值减少，可使λ、dp 尽可能变小。λ表示填充方法的不规则性。共值愈大， 表明填充的规则性愈差。dp 是填料颗粒直径，因此颗粒越细越好。但是颗粒要用固定液浸渍， 颗粒越细，越不容易涂渍均匀，而使λ值变大，最后考虑还是使用不太细的填料为好，这样 即可均匀涂渍，又能维持较小的 2λdp 值。若使用粗粒的填料，由于透过性能好，可以降低 入口、出口的压力差，增大载气流速，有利于分析。 (2)分子扩散；该项为 vDg／u，其中 Dg表示在载气中样品成分的分子扩散，因此它与载 气和样品成分两者都有关。所以，选择何种载气，使用多大压力和柱温是非常重要的。 常用的载气有 H2、He 和 N2，前两种气体比 N2 气的分子扩散系数要大。此外，压力越 高，分子扩散现象越小，温度升高，分予扩散作用增大。 γ表示柱填料对分子扩散现象产生影响的系数，其值为 0.5—1.0。柱填料颗粒直径增 大，γ值接近其上限 1。γDg的实际值对于 N2 和 CO2 来说为 0.05 一 1cm2／s，对 H2 和 He 为 0.20—0.40 cm2／s。 虽然通过柱效率预测选择何种载气和使用什么样的操作条件并非轻而易举，但一般来讲 它们具有如下规律： ①与传质有关的系数 C 很小时，使用 H2、He 等粘度比较低的气体作载气，载气流速大 一些比较好。此时分子扩散项的值很小，可忽略不计。 ②C 值比较大时，由于有第 2，3 项的关系，使用像 N2 这样的分子量大的气体作载气
并使流速尽量减小为宜。 (3)传质阻力： 该项为： C=8k'di 不(+TD4 它比前两项较为复杂，表示在液相中扩散的影响。在k=1时，k1十k)值最大，所以 k值越大，C项越小。 k'=K F 表41影柱效率的泰件 表件 影啊 柱效* 担体粒度 酸气 壶度 压力 流邁 在某一流速丑板小 温度 D/.D/k' 闲定褸 > 如果分配系数K增大，A'也变大，如柱温降低，K值将增大。另一方面，当柱温降低， 固定液的粘度增加，由于D1(液相中溶质扩散系数)变小，也会导致整个C项数值变大。 如果增加固定液的量，虽然/F值变大，但是d山也同时变大，并且d再平方，结果 是不利的 归根结底，仅限于K非常小时，适当增加固定液的涂渍量可提高柱效率。 总之，为了获得较高的柱效率适当调节载气流速，同时选择使式4.12中三个项都尽可 能小的条件是非常重要的。现将这些主要条件汇总于表4一1。 此外，为了更确切地表达H,有人提出在C中增加正比于d/D项等若干修正意见。 但是，基本上用Van Deemter方程表示就足够了 (五)分离度 色谱柱的选择性，只表明两种难分离的组分通过色谱柱后能否被分离，二峰之间的距 离远近，但无法说明柱效率的高低。而柱效率N“、H只表明柱效率的高低，即色谱峰 扩展程度，却反映不出两种组分直接分离的效果。为判断两种难分离组分在色谱柱中真实的 分离效果，常用分离度R作为色谱柱的总分离效率（能）指标，其定义为相邻两组分的色谱峰 保留值之差与两个组分峰宽总和之半的比值 1y2(Y+Y) (4.13)
并使流速尽量减小为宜。 (3)传质阻力； 该项为： ( ) 2 2 2 1 8 ' 1 ' f k d C u k D ＝ ＋ 它比前两项较为复杂，表示在液相中扩散的影响。在 k’＝1 时，k’/(1＋k’)值最大，所以 k’值越大，C 项越小。 1 ' g F k K F ＝ 如果分配系数 K 增大，A’也变大，如柱温降低，K 值将增大。另一方面，当柱温降低， 固定液的粘度增加，由于 D1(液相中溶质扩散系数)变小，也会导致整个 C 项数值变大。 如果增加固定液的量，虽然 Fl／Fg值变大，但是 df也同时变大，并且 df再平方，结果 是不利的。 归根结底，仅限于 K 非常小时，适当增加固定液的涂渍量可提高柱效率。 总之，为了获得较高的柱效率适当调节载气流速，同时选择使式 4.12 中三个项都尽可 能小的条件是非常重要的。现将这些主要条件汇总于表 4—1。 此外，为了更确切地表达 H，有人提出在 C 中增加正比于 d／Dg 项等若干修正意见。 但是，基本上用 Van Deemter 方程表示就足够了。 （五）分离度 色谱柱的选择性 a，只表明两种难分离的组分通过色谱柱后能否被分离，二峰之间的距 离远近，但无法说明柱效率的高低。而柱效率 N 有效、H 有效只表明柱效率的高低，即色谱峰 扩展程度，却反映不出两种组分直接分离的效果。为判断两种难分离组分在色谱柱中真实的 分离效果，常用分离度 R 作为色谱柱的总分离效率(能)指标，其定义为相邻两组分的色谱峰 保留值之差与两个组分峰宽总和之半的比值 2 1 1 2 1 2 R R t t R Y Y （ － ） ＝ （ ＋ ） （4.13）
R=i.5 时 图47色济分离度 式中：2、一一组分2及组分1的保留时间， 一一组分2及组分1的峰宽 上式(tR2 一)的大小表明柱子的选择性，它反映组分在流动相和固定相中的分配情况， 差值越大，两峰之间距离就越大。这主要决定于固定液的热力学性质。 上式V2(Y+Y2)的大小表明柱效率的高低，即反映组分在柱内运动的情况，12(Y1+Y2) 越大，两峰的扩展越严重，它取决于所选择的操作条件，是色谱过程的动力学问愿。 分离度R综合考虑了色谱柱的选择性和柱效率两方面因素。R值愈大，表示相邻两组 分分离得越好。当R=1时，分离程度可达98%：当R=1.5时，分离程度可达99.7% 图4一7所示。用R=1,5作为相邻两色谱峰已完全分开的标志，R=2时，分离效果虽好， 但分析时间必然加长。 色谱峰的峰形不对称或二峰之间有部分重叠时，测量蜂宽比较困难，可用半峰宽代替峰 宽。此时分离度R可用下式表示： R= +房 式中：一—组分①的半峰宽： —组分②的半峰宽。 从式(4.14看出，色谱柱的总效率R很容易由实验得到的色谱图求得。式(4.13)及式 (4.14不完全等同，在应用时要注意R的计算方法。 三、检测器 气相色谱检测器是一种测量载气中各分离组分及其浓度变化的装置，实际上它是把组分 及其浓度变化以不同的方式变换成易于测量的电信号，所以亦称换能器。检测器性能的好坏 直接影响色谱分析的定性定量结果。故正确地评价和科学地比较各种检测器，合理地使用校 测器，充分了解检闲 的工作机理以及它的各种参数的选择， 十分重要。如果没有适宜的和 合乎要求的检测手段，即使有最佳的柱分离，也无济于事。因此，我们将较系统地介绍气相 色谱检测器的分类和一般性能，以及常用的四种气相色谱检测器(TCD、FID、ECD、FPD) 的工作机理、结构形式和使用方法等
式中；tR2、tR1——组分 2 及组分 l 的保留时间， Y2、Y1——组分 2 及组分 1 的峰宽。 上式(tR2一 tR1)的大小表明柱子的选择性，它反映组分在流动相和固定相中的分配情况， 差值越大，两峰之间距离就越大。这主要决定于固定液的热力学性质。 上式 l/2(Yl＋Y2)的大小表明柱效率的高低，即反映组分在柱内运动的情况，1/2(Y1＋Y2) 越大，两峰的扩展越严重，它取决于所选择的操作条件，是色谱过程的动力学问题。 分离度 R 综合考虑了色谱柱的选择性和柱效率两方面因素。R 值愈大，表示相邻两组 分分离得越好。当 R＝1 时，分离程度可达 98％；当 R＝1.5 时，分离程度可达 99.7％，如 图 4—7 所示。用 R＝1.5 作为相邻两色谱峰已完全分开的标志，R＝2 时，分离效果虽好， 但分析时间必然加长。 色谱峰的峰形不对称或二峰之间有部分重叠时，测量峰宽比较困难，可用半峰宽代替峰 宽。此时分离度 R 可用下式表示： 2 1 1 2 1 2 R R t t R Y Y ① ② － ＝ ＋ 式中：——组分①的半峰宽； ——组分②的半峰宽。 从式(4.14)看出，色谱柱的总效率 R 很容易由实验得到的色谱图求得。式（4.13）及式 (4.14)不完全等同，在应用时要注意 R 的计算方法。 三、检测器 气相色谱检测器是一种测量载气中各分离组分及其浓度变化的装置，实际上它是把组分 及其浓度变化以不同的方式变换成易于测量的电信号，所以亦称换能器。检测器性能的好坏 直接影响色谱分析的定性定量结果。故正确地评价和科学地比较各种检测器，合理地使用校 测器，充分了解检测器的工作机理以及它的各种参数的选择，十分重要。如果没有适宜的和 合乎要求的检测手段，即使有最佳的柱分离，也无济于事。因此，我们将较系统地介绍气相 色谱检测器的分类和一般性能，以及常用的四种气相色谱检测器(TCD、FID、ECD、FPD) 的工作机理、结构形式和使用方法等