气相色谱与液相色谱

化学· 9701 syllabus section 29.2· 12 分钟阅读

1. 分离的核心分配原理★★☆☆☆⏱ 10 min

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📘 定义

分配系数

K

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。

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

📐 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

2. 气相色谱（GC）操作★★★☆☆⏱ 12 min

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

✓ 快速检测

测试你对气相色谱操作参数的理解：

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
显示答案
B —
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

3. 高效液相色谱（HPLC）★★★☆☆⏱ 12 min

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。

📘 定义

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。

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。

4. 色谱图解读与定量分析★★★★☆⏱ 10 min

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

目标:

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
1. 计算响应因子：响应因子 = 标准品峰面积 / 标准品浓度。
3
1. 注入未知样品，测量目标溶质的峰面积。
4
1. 推导未知浓度：未知浓度 = 未知样品峰面积 / 响应因子。

结果:

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。

5. 常见陷阱

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

6. 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

7. 常见问题

我可以直接将Rf值用于气相色谱吗？

不可以。Rf值专为平面色谱（薄层色谱、纸色谱）设计，这类色谱中可见的溶剂前沿会在平面表面移动。对于气相色谱和高效液相色谱，你需要使用保留时间（t_R），因为流动相在封闭的色谱柱中流动，不存在可观测的溶剂前沿。

为什么对于大型生物分子，高效液相色谱比气相色谱更适用？

大型、极性或热不稳定分子（如蛋白质和处方药物）会在气相色谱所需的样品汽化高温下分解。高效液相色谱在室温下使用液体流动相运行，因此这些化合物在分离过程中可以保持完整。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

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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。