一、氣相色譜分析的基本原理
1．氣—固色譜分析：固定相是一種具有多孔及較大表面積的吸附劑顆粒。試樣由載氣攜帶進入柱子時，立即被吸附劑所吸附。載氣不斷流過吸附劑時，吸附著的被測組分又被洗脫下來。這種洗脫下來的現象稱為脫附。脫附的組分隨著載氣繼續前進時，又可被前面的吸附劑所吸附。隨著載氣的流動，被測組分在吸附劑表面進行反復的物理吸附、脫附過程。由于被測物質中各個組分的性質不同，它們在吸附劑上的吸附能力就不一樣，較難被吸附的組分就容易被脫附，較快地移向前面。容易被吸附的組分就不易被脫附，向前移動得慢些。經過一定時間，即通過一定量的載氣后，試樣中的各個組分就彼此分離而先后流出色譜柱。
2．氣—液色譜分析：固定相是在化學惰性的固體微粒（此固體是用來支持固定液的，稱為擔體）表面，涂上一層高沸點有機化合物的液膜。這種高沸點有機化合物稱為固定液。在氣—液色譜柱內，被測物質中各組分的分離是基于各組分在固定液中溶解度的不同。當載氣攜帶被測物質進入色譜柱，和固定液接觸時，氣相中的被測組分就溶解到固定液中去。載氣連續進入色譜柱，溶解在固定液中的被測組分會從固定液中揮發到氣相中去。隨著載氣的流動，揮發到氣相中的被測組分分子又會溶解在前面的固定液中。這樣反復多次溶解、揮發、再溶解、再揮發。由于各組分在固定液中溶解能力不同。溶解度大的組分就較難揮發，停留在柱中的時間長些，往前移動得就慢些。而溶解度小的組分，往前移動得快些，停留在柱中的時間就短些。經過一定時間后，各組分就彼此分離。
3．分配系數：在一定溫度下組分在兩相之間分配達到平衡時的濃度比稱為分配系數K。
K= =
一定溫度下，各物質在兩相之間的分配系數是不同的。氣相色譜分析的分離原理是基于不同物質在兩相間具有不同的分配系數兩相作相對運動時，試樣中的各組分就在兩相中進行反復多次的分配，使原來分配系數只有微小差異的各組分產生很大的分離效果，從而各組分彼此分離開來。
4．分配比（容量因子）： 以κ表示，是指在一定溫度、壓力下，在兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質量比：
к=
5．分配比к與分配系數K的關系：
K= = =к =к.β
由式可見：
（1）分配系數是組分在兩相中濃度之比，分配比則是組分在兩相中分配總量之比。它們都與組分及固定相的熱力學性質有關，并隨柱溫、柱壓的變化而變化。
（2）分配系數只決定于組分和兩相性質，與兩相體積無關。分配比不僅決定于組分和兩相性質，且與相比有關，亦即組分的分配比隨固定相的量而改變。
（3）對于一給定色譜體系（分配體系），組分的分離zui終決定于組分在每相中的相對量，而不是相對濃度，因此分配比是衡量色譜柱對組分保留能力的參數。
（4）組分在柱內的線速度uS將小于u，則兩速度之比稱為滯留因子RS：
RS=uS/u
二、色譜分離基本理論
1．塔板理論
塔板理論假定：
（1）在一小段間隔內，氣相組成與液相組成很快達到分配平衡。用塔板高度H表示；
（2） 載氣進入色譜柱，不是連續的而是脈動式的，每次進氣為一個板體積；
（3） 試樣開始時都因在第0號塔板上，且試樣沿柱方向的擴散可略而不計；
（4） 分配系數在各塔板上是常數。
為簡單起見，設色譜柱由5塊塔板[n=5]，n為柱子的理論塔板數，并以r表示塔板編號，r等于0，1，2，----，n-1，某組分的分配比 k=1，則根據上述假定， 在色譜分離過程中該組分的分布可計算如下：
開始時，若有單位質量，即m=1（1mg或1ug）的該組分加到第0號塔板上，分配達平衡后，由于K =1，即 ms = mm ,故ms = mm = 0.5。
當一個板體積（1ΔV） 的載氣以脈動形式進入0號板時，就將氣相中含 有 部分組分的載氣頂到1號板上，此時0號板液相中ms 部分組分及1號板氣相中的mm部分組分，將各自在兩相間重新分配，故0號板上所含組分總量為0.5，其中氣液兩相各為0.25；而1號板上所含 總量同樣為0.5，氣液兩相亦各為0.25。
以后每當一個新的板體積載氣以脈動式進入色譜柱時，上述過程就重復一次，如下所示：
表2-1 組分在n=5，k=1，m=1柱內任一板上分配表
| r 載氣板體積數n | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 柱出口 |
| n=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 0 0.5 0.25 0.125 0.063 0.032 0.016 0.008 0.004 0.002 0.001 0 0 0 0 0 0 | 0 0.5 0.5 0.375 0.25 0.127 0.095 0.056 0.032 0.018 0.010 0.005 0.002 0.001 0 0 0 | 0 0 0.25 0.375 0.375 0.313 0.235 0.116 0.086 0.059 0.038 0.024 0.016 0.008 0.004 0.002 0.001 | 0 0 0 0.125 0.25 0.313 0.313 0.274 0.196 0.141 0.100 0.069 0.046 0.030 0.019 0.012 0.008 | 0 0 0 0 0.063 0.157 0.235 0.274 0.274 0.236 0.189 0.145 0.107 0.076 0.053 0.036 0.024 | 0 0 0 0 0 0.032 0.079 0.118 0.133 0.138 0.118 0.095 0.073 0.054 0.038 0.028 0.018 |
由流出曲線圖可以看出，組分從具有5塊塔板的柱中沖洗出來的zui大濃度是在n為 8或9時。流出曲線呈峰形但不對稱。這是由于柱子的塔板數太少的緣故。當n>50時，就可以得到對稱的峰形曲線。在氣相色譜中，n值是很大的，約為10
3～10
6，因而這時的流出曲線可趨近于正態分布曲線。
流出曲線上的濃度C與時間t的關系可表示： C= e－
由塔板理論可導出n與色譜峰半峰寬度或峰底寬度的關系：
n=5.54（ ）2=16（ ）2
而 H=L/n
由式上式可見，色譜峰越窄，塔板數n越多，理論塔板高度H就越小，此時柱效能越高，因而n或H可作為描述柱效能的一個指標。
由于死時間tM（或死體積VM）的存在，理論塔板 n，理論塔板高度H并不能真實反映色譜分離的好壞。因此提出了將tM除外的有效塔板數（effective plate number）n有效和有效塔板高度（effective plate height）H有效作為柱效能指標。其計算式為：
n有效=5.54（ ）2=16（ ）2 H有效=
有效塔板數和有效塔板高度消除了死時間的影響，因而能較為真實地反映柱效能的好壞。色譜柱的理論塔板數越大，表示組分在色譜柱中達到分配平衡的次數越多，固定相的作用越顯著，因而對分離越有利。但還不能預言并確定各組分是否有被分離的可能，因為分離的可能性決定于試樣混合物在固定相中分配系數的差別，而不是決定于分配次數的多少，因此不應把n有效看作有無實現分離可能的依據，而只能把它看作是在一定條件下柱分離能力發揮的程度的標志。
2．速率理論
1956年荷蘭學者范弟姆特（Van deemter）等提出了色譜過程的動力學理論，他們吸收了塔板理念的概念，并把影響塔板高度的動力學因素結合進去，導出了塔板高度H與載氣線速度u 的關系： H=A+B/u+Cu
其中A稱為渦流擴散項, B為分子擴散系數，C為傳質阻力系數。
下面分別討論各項的意義：
（1） 渦流擴散項A 氣體碰到填充物顆粒時，不斷地改變流動方向，使試樣組分在氣相中形成類似“渦流”的流動，因而引起色譜的擴張。由于A=2λdp，表明A與填充物的平均顆粒直徑dp的大小和填充的不均勻性λ有關，而與載氣性質、線速度和組分無關，因此使用適當細粒度和顆粒均勻的擔體，并盡量填充均勻，是減少渦流擴散，提高柱效的有效途徑。
（2） 分子擴散項B/u由于試樣組分被載氣帶入色譜柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空間中，在“塞子”的前后（縱向）存在著濃差而形成濃度梯度，因此使運動著的分子產生縱向擴散。而 B=2rDg
r是因載體填充在柱內而引起氣體擴散路徑彎曲的因數（彎曲因子），Dg為組分在氣相中的擴散系數。分子擴散項與Dg 的大小成正比，而Dg 與組分及載氣的性質有關：相對分子質量大的組分，其Dg小,反比于載氣密度的平方根或載氣相對分子質量的平方根，所以采用相對分子質量較大的載氣（如氮氣），可使B項降低， Dg隨柱溫增高而增加，但反比于柱壓。彎曲因子r 為與填充物有關的因素。
（3） 傳質項系數Cu C包括氣相傳質阻力系數Cg 和液相傳質阻力系數C1兩項。
所謂氣相傳質過程是指試樣組分從移動到相表面的過程，在這一過程中試樣組分將在兩相間進行質量交換，即進行濃度分配。這種過程若進行緩慢，表示氣相傳質阻力大，就引起色譜峰擴張。對于填充柱： Cg=
液相傳質過程是指試樣組分從固定相的氣液界面移動到液相內部，并發生質量交換，達到分配平衡，然后以返回氣液界面 的傳質過程。這個過程也需要一定時間，在此時間組分的其它分子仍隨載氣不斷地向柱口運動，這也造成峰形的擴張。液相傳質阻力系數C1為： C1=
對于填充柱，氣相傳質項數值小，可以忽略 。
將常數項的關系式代入簡化式得：
H=2λdp＋
由上述討論可見，范弟姆特方程式對于分離條件的選擇具有指導意義。它可以說明 ，填充均勻程度、擔體粒度、載氣種類、載氣流速、柱溫、固定相液膜厚度等對柱效、峰擴張的影響。
