GC(气相色谱法)的工作原理

 

气相色谱系统由盛在管柱内的吸附剂，或惰性固体上涂着液体的固定相和不断通过管柱的气体的流动相组成。将欲分离、分析的样品从管柱一端加入后，由于固定相对样品中各组分吸附或溶解能力不同，即各组分在固定相和流动相之间的分配系数有差别，当组分在两相中反复多次进行分配并随移动相向前移动时，各组分沿管柱运动的速度就不同，分配系数小的组分被固定相滞留的时间短，能较快地从色谱柱末端流出。以各组分从柱末端流出的浓度 c对进样后的时间t作图，得到的图称为色谱图。当色谱过程为冲洗法方式时，色谱图如图1所示。从色谱图可知，组分在进样后至其zui大浓度流出色谱柱时所需的保留时间tR，与组分通过色谱柱空间的时间tM，及组分在柱中被滞留的调整保留时间t恼的关系是：

 

式中t恼与tM的比值表示组分在固定相比在移动相中滞留时间长多少倍，称为容量因子k：

 

从色谱图还可以看到，从柱后流出的色谱峰不是矩形，而是一条近似高斯分布的曲线，这是由于组分在色谱柱中移动时，存在着涡流扩散、纵向扩散和传质阻力等因素，因而造成区域扩张。在色谱柱内固定相有两种存放方式，一种是柱内盛放颗粒状吸附剂，或盛放涂敷有固定液的惰性固体颗粒〔载体或称担体（表2）〕；另一种是把固定液涂敷或化学交联于毛细管柱的内壁。用前一种方法制备的色谱柱称为填充色谱柱，后一种方法制备的色谱柱称为毛细管色谱柱（或称开管柱）。

 

通常借用蒸馏法的塔片概念来表示色谱柱的效能，例如使用“相当于一个理论塔片的高度“H或“塔片数”n来表示柱效。对于填充柱：

 

对于开管柱：

 

式中λ是与填充均匀性有关的因素，称为填充不规则因子； γ是柱内填充物使得气体扩散路径弯曲的因素，称为弯曲因子；dp是填充物平均颗粒直径（即粒度）；u是载气在柱温、柱压下的线速；Dg是组分在气相中的分子扩散系数；Dl是组分在液相的扩散系数；df是固定液的液膜厚度；dc是开管柱的内径。所以色谱柱的塔片数n=L/H，式中L为色谱柱长；n的数值可用给定的物质作实验，由实验所得到的色谱图（图1）计算得到：

 

式中ω┩为色谱峰的半高宽，由于气相色谱的组分在固定液中的分配等温线多为线性，如果进样量很小，得到的色谱峰流出曲线zui初是用高斯正态分布来描述的，其数学表示式为：

 

现在实验和理论上都证明了物质的色谱峰形状是不对称的和曳尾的，若用指数衰减修正的高斯分布作为描述色谱峰形状的分布函数，则更为确切：

 

式中A表示峰面积；tG表示高斯峰的中心位置；σ表示高斯峰的标准方差；τ表示指数衰减函数的时间常数；t′为积分变量。

 

上面曾经指出，两组分的分配系数必须有差异，其色谱峰才能被分开。有了差异，分离时所需的柱效n也就不相同，所以要判别两色谱峰分离的情况（图2），还需要采用色谱柱总分离效能指标R：

 

n与R的关系为：

 

式中α′是组分相对保留值；α是组分校正相对保留值。从上式可知，选择适宜固定液和具有给定塔片数的色谱柱后，应该通过改变色谱柱温来调节α′值，从而满足将两组分分离至给定R值的分离程度。