10章 气相色谱法

1、 第11章 气相色谱法 Gas Chromatography，GC气相色谱仪1气相色谱仪2气相色谱仪3一、分类按色谱柱的粗细分： 填充柱（packed column）气相色谱法。填充柱是将固定相填充在金属或玻璃管中（常用内径24 mm，长14m）。 毛细管柱（capillary column）气相色谱法。又分为开管毛细管柱、填充毛细管柱等。毛细管柱内径0.10.8 mm，长30500m。按使用温度下的固定相的状态不同分： 气-固色谱法（GSC）和气-液色谱法（GLC）。按分离机制，可分为吸附及分配色谱法两类。 第一节 气相色谱法概述二、气相色谱流程气相色谱仪结构流程P21气相色谱仪的组成1.

2、载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流 速控制；2. 进样系统：进样器及气化室；3. 色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱 （内壁涂有固定液）；4. 检测器：可连接各种检测器，以热导检测器 或氢火焰检测器最为常见；5. 色谱工作站： （由采集卡和色谱仪器控制卡+工作软件微型计算机打印机组成），6. 温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。三、气相色谱法的特点与应用 优点：分离效率高、选择性高、灵敏度高、分析速度快（几秒至几十分钟）、样品用量少及应用广泛。 缺点：不适用于热稳定性差、挥发性小的物质的分离分析。 据统计，能用气相色谱法直接分析的有机物约占全部有机物的20%。它被广泛应用于石油化学、

3、环境监测、农业食品、空间研究和医药卫生等领域。在药物分析中，气相色谱法已成为药物杂质检查和含量测定、中药挥发油分析、药物纯化、制备等的一种重要手段。第二节 基本理论 相邻两组分要实现完全分离，必须同时满足两个条件： 其一，相邻两色谱峰间的距离必须足够远。 其二，每个峰的宽度应尽量窄。 一、塔板理论 待分离物进入具有一定温度的分馏塔，混合物立即在两块塔板之间达成一次气液分配平衡，即进行了一次分离。显然，混合物在这个塔内进行了6次分离。 对于一定高度L的分馏塔来说，两块塔板之间的高度H越小，分离次数（塔板数）n越多，分离效率越高。即 因此，早期在石油化工生产中，以塔板数n或塔板高度H来评价不同分馏

4、塔的分离效率，从而建立了塔板理论。理论塔板假定在柱内一小段高度（H）内，组分很快在两相间达到分配平衡；H称为理论塔板高度。载气以脉动式进入色谱柱，且每次进气为一个板体积；试样沿色谱柱方向纵向扩散忽略不计；分配系数在各板上是常数。 根据上述假设并结合实例进行考察，发现组分在色谱柱内分离次数N不多（一般不大于20次）时，组分在色谱柱内各板上的量或浓度符合二项式分布，因此，可用二项式定理来计算组分在色谱柱内各板上的量或浓度，绘制的曲线为二项式分布曲线，见图11-3。图11-3 二项式分布曲线2. 色谱流出曲线方程 当分离次数N大于1000时，则不能用二项式定理来计算组分在色谱柱内各板上的量或浓度，但

5、可由二项式定理，再经适当的数学推导得出流出曲线方程 （11-2a）或 （11-2b） 式（11-2a）和（11-2b）又称为塔板理论方程，用于描述流出色谱柱的组分浓度c随载气体积或洗脱时间而变化的关系。 用该方程所画的曲线，是一条左右对称的钟形曲线，即正态分布曲线（见图9-3）。那么，式 11-2a或11-2b完全可以用正态分布方程(高斯方程)来替代,即 （11-3a）或 （11-3b） 式（11-2b）与（11-3b）比较，可得 ；为正态分布方程的标准差。 式中mC0为单一物质进入并全部流出色谱柱的总量，非试样（混合物！）的总量。3色谱流出曲线方程的讨论（1）色谱峰的峰高及峰高与m、n和 t

6、R的关系 当 时 ，由式（11-3b）可知，c值最大，即 （11-4） 式（11-4）中，cmax相当于色谱峰的峰高（h），因此，由式（11-4）可知： 当一定时，h与m（进样量）成正比，即h是色谱定量分析的参数之一。 当m、tR一定时，h与 成正比。 当m、n一定时，h与tR成反比。 当t tR，t tR或 t tR时，c cmax或 h hmax。 （11-5）t tR c cmaxt tR c cmax（2）色谱峰的形状4柱效方程根据 ，则 ，将 和 ，代入得 （11-6） 由上式可见，色谱峰越窄，塔板数n越多，板高H就越小，柱效能越高。 通常: 气相色谱填充柱的n在103以上，H在1m

7、m左右； 毛细管柱n为105106，H在0.5mm左右。不同物质在同一色谱柱上有不同的理论塔板数。其原因是：不同物质在同一色谱柱上分配系数不同有效塔板数和有效塔板高度因组分在tM时间内不参与柱内分配，所以计算出来的n大于实际柱效，因此需引入有效塔板数和有效塔板高度。为什么组分在tM时间内不能被分离？ 死体积包含从进样口到检测器出口一切未被固定相占领的空间tM为以一定的载气体积通过死体积区域所消耗的时间。P8塔板理论的贡献： 形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和分离过程. 导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置. 阐明了保留值与K的关系 提出了评价柱效的n和H的

8、计算公式5塔板理论的局限性 无法阐明n和H的色谱本质和含义。 不能解释造成谱峰扩张的原因和影响板高的各种因素。 无法说明同一物质在不同载气流速下具有不同的理论塔板数。 为解决塔板理论所存在的这些局限性， 1956年荷兰色谱专家Van Deemter从动力学角度进行了详细的研究，给出了影响柱效的主要因素。 他指出：溶质分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到是造成色谱峰扩展、柱效下降、板高增加的主要原因。二、 速率理论-影响柱效的因素 因此，他认为影响板高（或n或色谱峰展宽）的因素由三项构成： H = A + B/u + Cu 速率方

9、程（范.弟姆特方程式） 涡流扩散项纵向扩散项传质阻抗项H：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s) 减小A、B、C三项可提高柱效； 还存在着最佳流速。 A、B、C三项各与哪些因素有关？（一）一般填充柱的速率理论方程（Van Deemter方程）流量F（ml/min）=r2u601. 涡流扩散项A A = 2dp dp：固定相的平均颗粒直径 ：固定相的填充不均匀因子 固定相颗粒越小， dp，填充 的越均匀，A，H，柱效n。色谱峰较窄。2. 分子扩散项B/U由于柱中存在着浓度差，产生纵向扩散 色谱峰 展宽 弯曲因子，填充柱色谱， 组，出正峰 载 = 组，不出峰 载 He N2选氢气做载气（3）T

10、池，池体与热丝温差，灵敏度 保证T检 T柱，以免造成检测器污染 （4）浓度型检测器， A 1/u， 以A定量，应保持u一定 （峰面积定量依据） 综述：较大的桥电流、较低的池体温度、低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。2.氢焰检测器（FID）（1）特点（2）结构（3）检测原理和离子化机理（4）操作条件选择和注意事项1特点：质量型检测器优点：专属型检测器（只能测含C有机物） 灵敏度高（ TCD） 响应快 线性范围宽缺点：燃烧会破坏离子原形，无法回收 （制备纯物质，不采用）（2）结构毛细管柱接FID时，一般都要采用尾吹（make up gas）。 尾吹气是从柱出口处直

11、接进入检测器的一路气体，又叫补充气或辅助气，一般要求20 mLmin1的载气流量。见图11-10。尾吹作用：减小检测器死体积。降低谱带展宽。提高灵敏度。（3）检测原理和离子化机理离子化机理：化学电离理论 氢焰自由基正离子 含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。以苯为例： （4）操作条件选择和注意事项1）载气的选择：（N2:H2 :Air = 1:11.5:10） 载气N2气 燃气H2气 助燃气空气2）使用温度：高于柱温501000C3）注意问题： 质量型检测器，h u， 以h定量，应保持u恒定（峰高定量依据）

12、（1）特点 （2）结构 （3）检测原理 （4）注意事项 3. 电子捕获检测器(ECD) 缺点：线性范围窄，只有103左右。 重现性较差。（1）特点：浓度型检测器优点：专属型检测器（对具有电负性物质（如含卤 素、硫、磷、氰等的物质）的检测） 灵敏度高 （检出限约1O-14gcm-3）。 响应快 实际上它是一种放射性离子化检测器，有一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源，其结构如下图。 （2）结构电子捕获检测器 Electron Capture Detector (ECD)63Nie-X-浓度型检测器 灵敏度高，线性范围窄 10-14 g/mL 1024-+sample（3）检测原理

13、在两极施加直流或脉冲电压。放射源的射线将载气（N2或Ar）电离，产生次级电子和正离子，在电场作用下，电子向正极走向移动，形成恒定基流。 当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离于复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号倒峰 。负峰不便观察和处理，通过极性转换即为正峰。 可用以下反应式表示：捕获中和电荷射线（4）注意事项采用高纯N2（99.999%）作载气，载气必须严格纯化，彻底除去水和氧。为了保持ECD池洁净，不受柱固定相污染，应尽量选用低配比的耐高温或交联固定相。（1）特点 （2）结构 （3）检测原理 4. 火焰光度检测器

14、(FPD) 缺点：线性范围窄，（P：1034，S：102）（1）特点：质量型检测器优点：专属型检测器（用于含硫、磷的物质的检 测） 灵敏度高 （ P：检出限可达10-12gS-1 S： 10-11gS-1）。 选择性好（2）结构 （3）检测原理 根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷。以硫为例，有以下反应发生： 当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光max为394nm。 对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，然后在富氢火焰中被氢还原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出max为526nm的特征光谱。这些光由光电信增管转换成

15、信号，经放大后由记录仪记录。五、计算机系统 计算机系统最基本的功能是将检测器输出的模拟信号进行采集、信号转换、数据处理与计算，并打印出信号强度随时间的变化曲线，即色谱图。 现代的色谱仪都有一个色谱工作站（由采集卡和色谱仪器控制卡+工作软件微型计算机打印机组成），不仅能完成数据处理系统的所有任务，还能对色谱仪器实现实时自动控制。 第5节 分离条件的选择一、色谱柱的总分离效能指标分离度 分离度（resolution，R）又称分辨率，其定义为：相邻两组分色谱峰的保留时间之差与两峰底宽度之和一半的比值，即 设色谱峰为正常峰，且W1W2 = 4。若R = l，峰尖距（tR）为4，此分离状态称为4分离，峰

16、基略有重叠，裸露峰面积95.4%（tR2）。 若R = 1.5，峰尖距为6，称为6分离，两峰完全分开，裸露面积99.7%（ tR3）。 在作定量分析时，为了能获得较好的精密度与准确度，应使Rl.5（中国药典2010版规定）。4 分离，R=1,峰相互重叠程度为4.6%。单峰面积积分误差2.3%。tR1tR244 tR=4基线226 分离，R=1.5,峰相互重叠程度为0.3%单峰面积积分误差0.15%。AB6 6 6 33基线 tR第9章27R=1.5完全分离二、色谱基本分离方程式柱效项选择项容量因子项柱效（n）、容量因子（k）及选择性因子（）对分离度（R）的影响1.提高柱效，增加分离度 方法：

17、增加柱长 使用小颗粒固定相 改变柱温2.增加k(保留值)，提高分离度 方法： 改变固定相(更换色谱柱) 改变流动相 改变柱温3.增加选择性，提高分离度 方法： 改变固定相(更换色谱柱) 改变流动相 改变柱温提高分离度的方法1分离度与柱效的关系提高柱效的方法：增加柱长 使用小颗粒固定相 改变柱温柱效越高，分离度越大。增加柱长提高柱效增加分离度优点： 柱长增加一倍，分离效率n增加一倍。 柱长增加一倍，分离度R增加 倍。 改变柱长时，容量因子k和选择性不变。缺点： 增加柱长，tR,峰展宽 对于一定理论板高的柱子，分离度的平方与柱长成正比，即Sample: 1.Uracil 2.Procainamid

18、e 3.Pseudoephedrin 4.Acetylprocainamide 5.Theophylline 6.Caffeine5,4 不同柱长色谱参数使用小颗粒固定相颗粒越小，HETP越低，柱效越高，分离度越好改变柱温 柱温，k，n , R。柱温：145oC柱温：145oC温度高，分析时间短，但分离效果差温度低，分离效果较好，但分析时间长柱温：45oC1.01.0011.000.0010.010.0910.330.5 从1.01 1.1，增加9。R增加9倍。从1.5 2.0，增加33。R增加1.5倍。1-2已足够。2分离度与选择性因子的关系 =1，R=0k00.51.0

19、2.03.05.0105010000.330.50.670.750.850.910.980.99当k很小时，随k增大，R增大。k5以后，k增大，R的增加缓慢。k10后，增大k对R的改进不明显，反而使3分离度与容量因子的关系 改变k的方法：改变固定相改变柱温（GC）或流动相（LC）改变相比 （改变VS及柱死体积Vm)实例：通过改变流动相洗脱强度延长保留时间增加容量因子提高分离度。4.分离度与分离时间的关系 实例分析色谱分离中的四种情况如图所示： 例1 已知物质A和B在一个30.0cm柱上的保留时间分别为16.40和17.63min.不被保留组分通过该柱的时间为1.30min.峰宽为1.11和1.

20、21min,计算:(1) 柱分辨率;(2) 柱的理论塔板数（以组分计）;(3) 理论塔板高度（以组分计）;(4) 欲使分离度达到1.5所需柱的长度;(5) 在较长柱上把物质B洗脱出柱所需要的时间是多少？ 解: (1) R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06 (2) n=16(17.63/1.21)2=3397 (3) H=L/n=30.0/3397=8.70810-3cm =8.8310-3cm (4) n2=33972.25/1.124=6.80103 源于n1/n2= (R1/R2)2 L=nH=6.801038.8310-3=70.7cm (5) tr2=tr

21、1(R2/R1)2=17.631.52/1.062 =35.3min 例2有一根 1m长的柱子，分离组分1和2得到的色谱图如下。图中横坐标为记录笔走纸距离。若欲得到 R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？解：先求出组分2对组分1的值求有效塔板数neff neff16（0.8）21.1/(1.1-1)21239 若使R=1.2,所需塔板数可计算,即 因此,欲使分离度达到1.2,需有效塔板数为2788块,则所需柱长为 L=2788/13291m=2.25m例题3：在一定条件下，两个组分的调整保留时间分别为85秒和100秒，要达到完全分离，即R=1.5 。计算需要多少块有效塔板。

22、若填充柱的塔板高度为0.1 cm，柱长是多少？解： r21= 100 / 85 = 1.18 n有效 = 16R2 r21 / (r21 1) 2 = 161.52 (1.18 / 0.18 ) 2 = 1547（块） L有效 = n有效H有效 = 15470.1 = 155 cm 即柱长为1.55米时，两组分可以得到完全分离。例题4： 在一定条件下，两个组分的保留时间分别为12.2s和12.8s，计算分离度。要达到完全分离，即R=1.5 ，所需要的柱长。解：选择载气应与检测器匹配TCD选H2，He（u 大，粘度小）FID选N2（u 小，粘度大）选择流速和载气应同时考虑对柱效和分析时间的影响1

23、载气及其流速的选择三、分离操作条件的选择2. 柱温的选择改变柱温产生的影响柱效增加柱温可加快气相、液相的传质速率，有利于降低塔板高度，改善柱效；但同时又会加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。 分离度柱温升高， K 减小，分离度下降。分析时间降低柱温，分析时间增加柱温应控制在固定液的最高使用温度和最低使用温度范围之内。使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，采取适当低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。组成简单的试样，采用恒温分离，柱温一般选择在组分平均沸点左右。选择原则恒温分离： 对于高沸点样品（300400），柱温可低于其沸点100200。 对于沸点低于300的样品，柱温可选在比各组分的平

24、均沸点低50平均沸点的温度范围内。 在同一个分析周期内，柱温按预定的加热速度，随时间作线性或非线性的变化，这种升温方式称为程序升温。 优点：是能缩短分析时间、改善峰形、提高分离度与增加检测灵敏度。缺点：有时会引起基线漂移。 4.组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温。恒温：45oC程序升温：30180oC恒温：145oC温度低，分离效果较好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，分析时间短，但分离效果差表 毛细管气相色谱程序升温和恒温的比较内容恒温程序升温样品沸点范围沸点范围小于120C70420C样品组分数10分析速度慢快检测限随峰形变化很少变化进样速度快不必很快具体随进样方式

25、而定固定相选择能广泛选择选择范围有限尽量选用交联键合固定相载气纯度不严格要求纯度高流速控制只需恒压必须恒流4.检测器温度 检测器温度:一般选择比柱温高3070。5.进样时间 一般在1秒内完成，越快越好；进样时间长，会导致色谱峰变宽； 3.汽化室温度 汽化室温度一般比柱温高20 50 6. 进样量的选择 进样量柱效进样量过大，使色谱柱超载，柱效急剧下降，峰形变宽检测器 进样量过大，峰高或峰面积与进样量的线性关系被破坏 进样量应控制在柱容量允许范围及检测器线性检测范围之内 第6节 分析方法（一）利用标准品进行定性定性分析定性分析定性分析一、定性分析1.利用保留值或相对保留值定性的实验方法 试样和标

26、准品分别进样分析测定各自的色谱图； 两图谱对照比较：如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰一致，则可初步确定试样中含有该物质。2.利用加入标准品增加峰高定性的实验方法 在试样中加入标准品，观察试样中哪个峰峰高增加了来确定。实验方法：1.利用标准品与试样中某组份的保留值或相对保留值一致性进行定性 2.利用加入标准品增加峰高定性1.相对保留值 ris 定性（二）利用文献值对照进行定性 具体做法： 按照文献规定的色谱条件（柱温、固定液与流动相、指定的参考物质等），在样品中加入同一种参考物测定色谱图，计算ris 并比较其一致性。来确定样品中是否含有某组分。2.Kovats保留指数定性 保留指数是一种重现

27、性较其他保留数据都好的定性参数，以 I 表示。正构烷烃的保留指数人为的规定它的碳数乘以100 ，待测组分的保留指数则用适当的正构烷烃的保留值来表示。 保留指数I只与柱温和固定液种类有关，不受其他操作条件的影响。 选用适当的两个相邻的正构烷烃，测定与计算它们的 与 并人为地规定他们的保留指数为碳数乘以100，当待定性的组分的 处于两者之间时，则把该组分的 ，换算成相当于含有非整数个碳正构烷烃的保留指数I，以此作为定性依据。条件：例5乙酸正丁酯在阿皮松L柱上进行分析（柱温100）。由图中测得调整保留时间为：乙酸正丁酯310.0sec，正庚烷174.Osec，正辛烷373.4sec，求乙酸正丁酯的保

28、留指数。（三）利用两谱联用定性气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）气相色谱-傅里叶红外光谱联用仪（GC-FTIR） GC/MS(气相色谱-质谱)例：川桂皮挥发油的化学成分分析色谱柱：SE54(30m0.25mm0.25m) 色谱操作条件载气：氦气，流速1mL/min柱温：初温60保持1min，8 /min升温至150 ，6 /min升温至190 ，8 /min升温至250 ，保持1min总离子流色谱图6号峰的质谱图二、定量分析实验发现：用峰面积进行定量时，存在下面两个问题。 相同量的同一种物质在不同类型检测器上往往有不同的响应灵敏度； 相同量的不同物质在同一检测器上的响应灵敏度也往往不同，即相同

29、量的不同物质产生不同的峰面积或峰高，所以两个相等量的物质得不出相等峰面积。 为了克服第2种影响因素，使检测器产生的响应信号能真实地反映物质的含量，就要对峰面积乘以校正系数进行校正，其校正系数被称为定量校正因子。1. 绝对定量校正因子 fi 样品量是峰面积的函数单位峰面积所代表的待测组分 i 的量 fi 称为绝对定量校正因子峰面积是样品量的函数 Ai=Simi绝对响应值单位量的待测组分 i 所产生的峰面积两者之间的关系: 由于fi、 ,除了受检测器和载气种类影响以外,还受其他操作条件的影响（如柱温、载气流速、固定液性质等），绝对定量校正因子的应用受到了限制。 为某组分i与所选定的参比物质s的绝对

30、定量校正因子之比，即：2. 相对定量校正因子相对质量校正因子 只与待测组分，参比物质以及检测器类型和载气种类有关，而与检测器的结构及操作条件如柱温、载气流速、固定液性质等无关，因而是一个能通用的常数。 2. 定量校正因子的测定 测定方法为：准确称取待测校正因子的物质i（纯品）和所选定的基准物质s，配制成溶液混匀后进样，测得两色谱峰面积Ai和As，用式（11-31）求得物质i的质量校正因子。TCD苯 FID正庚烷相对摩尔校正因子（三）定量分析方法 1归一化法（normalization method） 适用条件：样品中所有组分必须都能流出色谱柱，且在检测器上都能产生响应信号，才能用此法进行定量计

31、算。 优点：简便、准确，定量结果与进样量的准确性无关、操作条件略有变化时对结果影响较小。 内标法（internal standard method ） 选择一参考物质(内标物质)，加入到样品溶液中(以抵消实验条件和进样量变化带来的误差)，测定色谱图，计算峰面积. 要求：内标物应是试样中不存在的物质，且为高纯度的物质。内标物的加入量接近于待测组分内标物的色谱峰位于待测物附近或几个待测组分色谱峰之间习题8. 用气相色谱法测定样品中A组分的含量，用A组分的纯物质和内标物配制溶液，使含物质A 为600g/mL，内标物700g/mL，进样得峰高为14.15cm和14.62cm。称取样品0.2500g，配

32、成溶液，加入内标4.00mg，进样，得组分A峰高21.87cm，内标峰高19.96cm，求样品中组分A的含量。解：内标法的优点： 定量结果与进样量的准确性无关；也不受色谱条件微小变化与仪器稳定性的影响。 只要待测组分及内标物出峰，且分离度合乎要求，与其他组分是否出峰无关。因此，特别适合于中药复方制剂中成分的含量测定。 很适用于微量组分的分析。缺点：样品配制比较麻烦 内标物不易寻找3内标比标准曲线法（internal standard and standard curve method） 方法为：配制一系列不同浓度的标准溶液，并在其中分别加入相同量的内标物，混匀后进样。以待测组分与内标物的峰面积之比（Ai/As）对标准溶液的浓度与内标物