# 气相色谱与液相色谱

> 化学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u29-gas-and-liquid-chromatography/

本模块涵盖气相色谱和高效液相色谱的核心操作原理、相性质、色谱图解读，以及CIE A-Level 化学第4卷考试标准的计算流程。

**先修:** [色谱分离的基本原理](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u29-intro-to-analytical-techniques/); [气体动力学与分子理论](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u11-gas-laws-and-kinetic-theory/)

## 学习目标

- 区分气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）中使用的固定相与流动相
- 解读色谱图，计算保留时间，并利用峰面积对未知混合物进行定量分析
- 解释分配系数的差异如何驱动两种技术中的溶质分离
- 根据挥发性和热稳定性为给定样品选择合适的色谱方法

## 分离的核心分配原理

所有形式的色谱都基于不同溶质与固定相的相互作用强度、以及其在流动相中溶解度的差异来分离混合物组分。与固定相结合更紧密的溶质在系统中移动更慢，而更倾向于流动相的溶质会先被洗脱出来。

**分配系数** — 动态平衡状态下，溶质在固定相中的浓度与其在流动相中的浓度之比。

*记法:* K

$$K = \frac{[\text{Solute in stationary phase}]}{[\text{Solute in mobile phase}]}$$

> **tip**
>
> K值越大，说明溶质与固定相结合的时间越长，因此其保留时间也会更长。

**例题:** 预测乙醇（极性、低沸点）和辛烷（非极性、高沸点）的混合物在非极性固定相上的相对洗脱顺序。

1. 首先确定固定相性质：非极性固定相会通过伦敦色散力与非极性溶质产生最强的相互作用。
2. 比较两种溶质：辛烷是非极性的，因此对于该固定相，它的分配系数K比极性乙醇更高。
3. K值更低的溶质先洗脱：乙醇会更快穿过色谱柱，之后是辛烷。
4. 最终洗脱顺序：1. 乙醇，2. 辛烷

**考试命令词**

CIE考试针对该主题的题目会使用特定的指令术语，有严格的评分要求：

- **Explain the separation** — 你必须提及不同溶质之间的分配系数差异，不能仅说明某一溶质移动更快

- **Compare GC and HPLC** — 你必须明确指出一个相同点和一个不同点才能获得满分

## 气相色谱（GC）操作

气相色谱使用惰性载气（通常为氦气或氮气）作为流动相。固定相是高沸点粘性液体，涂覆在细长毛细管柱的内壁，或者填充在细小固体颗粒上。色谱柱放置在可程序升温的温控炉中，可逐步加热以调节溶质的挥发性。

- 样品以液态形式进样，在加热的进样口内立即汽化
- 汽化后的样品被惰性流动相气体带入色谱柱
- 溶质组分在与液体固定相相互作用的过程中实现分离
- 洗脱后的组分通过氢火焰离子化检测器，在色谱图上生成对应峰

**概念自测**

测试你对气相色谱操作参数的理解：

1. 以下哪一项是气相色谱可用的有效流动相？

   - A) 液态乙醇
   - B) 氦气
   - C) 水溶液缓冲液
   - D) 硅胶

   *解析:* 氦气是惰性的、分子量低，在分离过程中不会与溶质分子发生反应或相互作用。

**例题:** 某气相色谱柱在250°C下运行，注入己烷、癸烷和十二烷的混合物。按预期保留时间从短到长对三种烷烃排序。

1. 三种烷烃均为非极性，沸点随碳链长度增加而升高：己烷（6个碳）< 癸烷（10个碳）< 十二烷（12个碳）。
2. 挥发性更强（沸点更低）的化合物在气态流动相中停留的时间更长，因此洗脱速度更快。
3. 长链烷烃沸点更高，因此它们在非极性固定相上吸附的时间更长。
4. 最终顺序（t_R从短到长）：己烷 < 癸烷 < 十二烷

## 高效液相色谱（HPLC）

高效液相色谱使用液体流动相，以极高的压力泵入装填有涂覆固定相的细固体颗粒的紧密色谱柱中。与气相色谱不同，整个系统在室温下运行，非常适合会在汽化温度下受热分解的热不稳定化合物。

**反相高效液相色谱** — 最常见的高效液相色谱分离模式，其中固定相为非极性（C18烃类涂覆硅胶），流动相为极性有机溶剂混合物。

> **mnemonic**
>
> 记忆口诀：RP = 非极性固定相，因此极性溶质会先流过固定相，最先被洗脱。

- 反相高效液相色谱的流动相通常是甲醇和水的混合物
- 极性溶质优先选择极性流动相，因此最先洗脱
- 非极性溶质与C18固定相结合紧密，因此洗脱更晚

**例题:** 某反相高效液相色谱系统使用C18固定相和甲醇-水流动相，注入葡萄糖（强极性）、苯（非极性）和乙醇（中等极性）的混合物。请给出洗脱顺序。

1. 反相色谱的固定相是非极性的，流动相是极性的。
2. 按极性对溶质排序：葡萄糖 > 乙醇 > 苯。
3. 极性最强的溶质最倾向于极性流动相，因此最先洗脱。
4. 最终洗脱顺序：葡萄糖、乙醇、苯。

## 色谱图解读与定量分析

色谱图以检测器响应为y轴，保留时间为x轴。每个峰对应一个分离后的组分。每个峰下的面积与原始进样样品中该组分的质量或浓度直接成正比。

**推导:** 通过峰面积计算未知溶质的浓度

*起点:* 峰面积 ∝ 进样溶质的质量

1. 1. 运行已知目标溶质浓度的标准参考样品，测量其峰面积。
2. 2. 计算响应因子：响应因子 = 标准品峰面积 / 标准品浓度。
3. 3. 注入未知样品，测量目标溶质的峰面积。
4. 4. 推导未知浓度：未知浓度 = 未知样品峰面积 / 响应因子。

*结论:* 该校准方法可以消除进样体积波动和检测器漂移带来的误差。

**例题:** 浓度为0.1 mol dm⁻³的乙醇标准品在气相色谱中得到的峰面积为420任意单位。某未知乙醇样品的峰面积为1050单位，计算未知样品中乙醇的浓度。

1. 计算响应因子：420 / 0.1 = 4200 单位每 mol dm⁻³。
2. 用未知样品峰面积除以响应因子：1050 / 4200 = 0.25。
3. 最终浓度：0.25 mol dm⁻³。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称气相色谱中可以使用Rf值来识别组分
  - 原因: Rf值需要可测量的溶剂前沿，而封闭的气相色谱柱中不存在该条件
  - 正确做法: 使用已发表的或实验匹配的保留时间t_R来识别气相色谱组分
- **错误做法:** 认为气相色谱的流动相是液体
  - 原因: 气相色谱的流动相必须是气体，才能携带汽化后的溶质穿过色谱柱
  - 正确做法: 气相色谱的惰性气态流动相应为氦气或氮气
- **错误做法:** 假设非极性溶质在反相高效液相色谱中最先洗脱
  - 原因: 非极性溶质与非极性C18固定相结合紧密，因此移动速度很慢
  - 正确做法: 反相高效液相色谱中极性溶质最先洗脱
- **错误做法:** 忘记提及峰面积而非峰高与溶质浓度成正比
  - 原因: 更宽的峰可能峰高相同，但代表的溶质质量要大得多
  - 正确做法: 进行色谱图定量计算时必须明确引用峰面积
- **错误做法:** 声称气相色谱可用于分离大型热不稳定蛋白质
  - 原因: 气相色谱需要加热样品使其汽化，这会导致热敏分子分解
  - 正确做法: 对于热不稳定、高分子量的化合物应使用高效液相色谱

## 速查表

| 参数 | 气相色谱 | 反相高效液相色谱 |
| --- | --- | --- |
| 流动相 | 惰性He/N₂气体 | 极性甲醇/水液体 |
| 固定相 | 非极性高沸点液体 | 非极性C18硅胶 |
| 最适用对象 | 挥发性、热稳定的小分子 | 极性、非挥发性、热敏性分子 |
| 识别指标 | 保留时间t_R | 保留时间t_R |
| 定量方式 | 峰面积与质量成正比 | 峰面积与质量成正比 |

## 下一步

熟练掌握气相色谱和液相色谱是在CIE A-Level第4卷分析技术部分拿满分的关键，该部分通常占考试总分的10-15%。接下来你将基于这些分离原理学习质谱联用技术，气相色谱或高效液相色谱洗脱的组分可以直接送入质谱仪，对未知化合物进行确定性结构鉴定。你还将练习完整的色谱图分析流程，包括校准曲线绘制和真实实验数据的误差分析，确保你可以自信地解答该主题下的任何考试题目。

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