预防-卫生化学

第十三章

气相色谱法以气体作为流动相的色谱法叫气相色谱法（gaschromatography，GC）第一节 概述一、气相色谱法的特点气相色谱法具有高分离效能、高选择性、高灵敏度、分析速度快和应用范围较广等特点。1.

高分离效能能分离组分极为复杂的混合物，例如用空心毛细管柱可将试样中一百多个烃类化合物一次分离。2.高选择性 能分离结构极为相似的物质，如异构体、同位素等。高灵敏度 可分析极微量的物质（1012～1014

g）。样品用量少所用样品量一般以ng，甚至pg计因此适合于大气、水和食品等试样中痕量污染物质的测定。5.

分析速度快一般一个试样可在几分钟到十几分钟内完成测定，最多几十分钟，且操作和数据处理可由计算机控制和进行。6.应用范围较广气体、液体和固体样品；许多有机物和少数无机物样品。只要化合物有适当的挥发性，且在操作温度下有良好的稳定性。缺点对于难挥发和热不稳定的物质难以分析；定性能力较弱，不能直接给出定性结果，一般要求有已知纯物质作对照。二、气相色谱法的分类（一）按固定相状态分类固定相有两种状态，用固体吸附剂作固定相的称为气固色谱法；用液体作固定相的称为气液色谱法。（二）按色谱柱分类气相色谱法属于柱色谱法，它又可以分为填充柱色谱法和毛细管柱色谱法两类。气固色谱法主要用于气体分析，气液色谱法的应用范围则远比气固色谱法广。下面主要气液填充柱色谱。（三）按分离机理分类吸附色谱（气固色谱法）；分配色谱(气液色谱法)。三、气相色谱仪的流程气路（载气）系统： 包括气源、气体净化和气体流速控制等装置。进样系统：

包括进样器、气化室和温控装置。气相色谱仪由五部分组成检测系统： 包括检测器和温控装置。和处理系统：

包括放大器、数据处理装置及记录仪。3．分离系统：

包括色谱柱、柱箱和温控装置。图

气相色谱仪结构示意图1.高压气瓶

2.减压阀

3.净化器

4.针形阀5.

转子流量计

6.

柱前压力表

7.气化室

8.

进样器9.

放空

10.

检测器

11.

色谱柱

12.

柱温箱13.

放大器

14.

记录仪色谱柱起分离作用，检测器起检测作用。色谱柱和检测器是气相色谱仪的两个

部件。四、气相色谱图曲线上突起部分称为色谱峰。信号时间图 色谱流出曲线如果试样中各组分分离完全，则每个色谱峰代表一种组分。正常色谱峰为对称的正态分布曲线，而不正常的色谱峰有拖尾峰（tailing

peak）和前倾峰（leading

peak）。色谱峰常用三组参数描述：色谱峰的位置（保留值）；色谱峰面积或峰高；区域宽度（峰宽）。基线在正常操作条件下，仅有载气通过检测器时的

色谱流出曲线为基线。它反映仪器（主要是检测器）的噪音随时间的变化，稳定的基线应是一条平行于横轴的直线。（一）保留值保留值是 色谱峰在色谱图上的位置，反映了试样中各组分在色谱柱中被保留的程度。通常用时间来表示。1.

保留时间tR（retention

time）指从进样开始到柱后被测组分出现浓度极大点时所需的时间。当实验条件一定时，不同的组分由于性质不同，因而具有不同的保留时间，是色谱定性的参数。2.

死时间tM（dead

time）

指不与固定相作用的惰性物质（如空气），从进样开始到柱后出现浓度极大点所经过的时间。tM表示气体流经色谱柱空隙所需的时间，可以理解为某被测组分在流动相中的停留时间。3.

调整保留时间（adjusted

retention

time）

指某组分的保留时间与死时间的差值，即

t

R

t

MRt

'调整保留时间是组分在固定相中停留的时间。4.

相对保留值ris（relative

retention

value）R,sR,it

'组分i的调整保留值与组分s的调整保留值之比，称为相对保留值。t

'ris

ris表示固定相对两种组分的选择性。ris越大，表明该色谱体系对这两组分的保留程度相差越大，即选择性越好，被分离组分越容易达到良好的分离，所以

ris又称为选择性因子。由于ris只与柱温、固定相性质有关，而与柱长、柱内径、载气流速及填充情况等无关。所以，采用注明温度和固定相的ris作为定性指标，不受操作条件变化的影响。分配比k

RtMtk

'色谱峰与基线之间所包围的面积称为峰面积（peakarea），以A

表示。色谱峰的顶点与基线之间的距离称为峰高（peakheight），以h

表示。峰高和峰面积是随组分的浓度而改变的，是色谱定量分析的依据。（二）峰面积和峰高基线宽度Wb（peak

width

at

the

baseline）又称峰底宽度（peak

width

at

the

base），是通过色谱峰两侧的拐点所作的切线与基线相交部分的宽度。（三）色谱峰区域宽度半峰宽W1/2

（peak

width

at

half

height）即色谱峰高一半处的宽度，又称半 宽。h在理想状态下，色谱峰呈正态分布。根据正态分布曲线的特征，在两拐点之间的距离（此处峰高为0.607

h）为两倍标准偏差（）

2W0.607h

2

2

ln

2

2.345Wb

4W1/

2色谱峰宽度是衡量色谱柱分离效能的参数。标准偏差

的大小表示经色谱柱分离后组分流出色谱柱的分散程度。

越小，则流出组分越集中。一、塔板理论1952年，Martin等人 塔板理论将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。第二节 气相色谱分析的基本理论在色谱柱的每一个“塔板”内，一部分为涂在担体上的液相，另一部分为载气所占据的空间。试样中的各个组分在每个塔板的气相和液相之间达成一次分配平衡。试样在载气携带下通过色谱柱，试样的各个组分要在许许多多的塔板上先后进行成千上万次的分配平衡。经过重复多次的分配平衡后，分配系数小的组分和分配系数大的组分彼此分离，分配系数小的组分，先流出。在塔板理论中，把色谱柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长（即上述每一小段的长度）称为理论塔板高度（height

equivalenttoa

theoreticalplate，HETP），简称板高（H）。塔板理论假设色谱柱上各个板高是等同的。若将色谱柱长以L表示，则色谱柱的理论塔板数（thenumber

of

theoretical

plates）n

为：Hn

L显然，对于一定长度的色谱柱，H越小，则n越大，达成分配平衡的次数越多，两个分配系数不同的组分就越容易彼此分离，色谱峰越窄，柱子的分离效能也越好（即柱效越高）。所以理论塔板数n

或理论塔板高度H

是描述柱效能的指标。根据塔板理论可以推算出组分的色谱流出曲线是趋近正态分布曲线。由此可以导出n

与保留值和色谱峰宽度的关系为：

2

W1

/

2tn

5.54

R

2

tn

16

R

Wb由于tR中包括有tM，所以tR不能很确切地表示组分的实际保留性质，n也就不能很确切地表示柱的实际分离效能。为了更切合实际，采用扣除了死时间的有效塔板数和有效塔板高度作为柱效能指标。其计算式为：

21/

2

W

5.54

R

‘tn有效

b

16

RW

t’

2n有效有效有效HLn由上式可见，只要在色谱图上测出某物质的保留值和峰宽，就可以计算出该柱对此物质的理论塔板数n。对某物质而言，n有效或n越大，或者在固定柱长下，H有效或H越小，则峰越窄，柱效能也就越高。对于塔板理论须注意1）同

谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；2）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程，导出了流出曲线的数学模型，解释了流出曲线形状和位置，提出了计算和评价柱效的参数。塔板理论从热力学的角度出发，描述了色谱柱内的分配过程，推导出流出曲线方程式，从而解释了流出曲线的形状，并提出以塔板数和板高来评价柱的分离效能。但是塔板理论没有考虑动力学的因素，因此它不能解释塔板高度受哪些因素的影响以及色谱峰变宽的原因。二、速率理论速率理论（rate

theory）吸收了塔板理论板高的概念，进一步把色谱过程与分子扩散和组分在气液两相中的传质过程联系起来，从动力学角度较好地解释了影响板高的多种因素。1956年荷兰学者vanDeemter提出了速率理论方程式（即范氏方程）。H

2dp

2Dg

lf2kd

2pgu

3(1

k

)

2

D

(1

k

)

2

D

0.01k

2

d/

u

2其简化式为：H

A

B

/

u

CuA、B/u、Cu分别为涡流扩散项、分子扩散项和传质阻力项，u为载气的线速度。（一）涡流扩散项A（eddy

diffusion）A

2dp产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力→路径不同→涡流扩散为填充不规则因子，色谱柱填充越不均匀，越大，dp是固定相颗粒的直径（粒度）。由式可见，固定相粒度dp小，填充均匀使小，则A值小，因而H小、柱效高。（二）分子扩散项B/u（或称纵向扩散项longitudinaldiffusion）B

2Dg为弯曲因子，是与填充物有关的因素。由于固定相颗粒的存在，使扩散路径弯曲，分子不能扩散，从而使扩散程度降低，所以填充柱的通常小于1。Dg为组分在气相中的扩散系数，Dg与组分的性质、柱温、柱压及载气的性质有关。前、展开→浓度产生原因：

组分在固定相中被流动相推梯度→

谱带展宽当试样组分被载气带入色谱柱后，就以“塞子”的形式存在于柱的一小段空间内，由于在“塞子”的前后（纵向）存在着浓度梯度，则势必产生向低浓度区的纵向扩散，从而引起色谱峰的扩张。组分分子的扩散系数Dg

大，则纵向扩散较大，色谱峰变宽、柱效降低。Dg

随柱温的升高而增大，与柱压力成反比，与载气分子量的平方根成反比。所以降低柱温，加大柱压，使用分子量大的载气（如N2），都可使Dg

减小，提高柱效。分子扩散项还与载气的流速成反比。载气流速小，组分在气相中的停留时间长，分子的纵向扩散严重。就此而言增大载气流速u，可提高柱效。（三）传质阻力项Cu组分在气液两相中扩散分配的过程叫传质，影响这一过程进行的阻力叫传质阻力（

tomass

transfer）。它是气相传质阻力Cgu和液相传质阻力Clu之和，即C

u

(C

g

Cl

)

u气相传质阻力是组分由气相扩散到气液界面进行分配时的所受到的阻力。液相传质阻力是组分从气液界面扩散至固定液，达到平衡后再返回气液界面的传质过程中所受到的阻力。产生原因：样品在气液两相间分配，样品未及溶解就被带走，从而造成峰扩张流动相气液界面固定液组分分子ClCggpg(1

k)

2

D0.01k

2

dC

2lfl3(1

k

)

2

D2kdC

2k为分配比，df为液膜厚度，Dl是组分在液相中的扩散系数。由于组分在气相中的扩散系数Dg要比在液相中的扩散系数Dl大得多（约104倍），当固定液用量较高（df大），液相传质阻力Cl是影响板高的主要因素。Cl与df

成正比，与2Dl成反比，可见固定液的液膜越薄，组分在液相中的扩散系数越大，则液相传质阻力越小。升高温度可使Dl增大，从而使Cl减小，但温度太高，又会使k变小，分离选择性变坏，所以温度应控制适宜。另外，传质阻力项还与载气的流速成正比，所以降低流速，可减小传质阻力，提高柱效。范氏方程说明了柱的填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、固定液膜厚度、柱温等对柱效能和峰扩展的影响，但有些因 间有 之处，如提高载气流速可减小分子扩散，但同时传质阻力项增大；升高柱温有利于组分传质，但又使分子扩散增加。所以要相互兼顾，不能顾此失彼。第三节 气相色谱柱在气相色谱分析中，各组分能否完全分离，除了与选择的操作条件是否适当有关外，更主要的是取决于色谱柱的性能，确切地说是固定相的性能。气相色谱固定相主要有固体固定相、液体固定相和 固定相三种类型。其中固体固定相是一些吸附剂，较简单。最常用的是涂渍在担体上的液体固定相和新型的 固定相。这里主要介绍后两种。一、固定相气液色谱法中使用的液体固定相由固定液和担体构成。（一）担体担体（又称载体）是一种化学惰性的多孔固体颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承载固定液，使固定液在其表面形成一层薄而均匀的液膜。1．对担体的要求表面积较大，表面多孔且孔径分布均匀，使固定液与试样的接触面较大。具有化学惰性，即表面没有吸附中心或吸附性很弱，不与试样组分发生化学化反应或产生不可逆吸附。具有一定的机械强度，热稳定性好。2．担体的种类和性能气相色谱用的担体大致可以分为硅藻土型和非硅藻土型。硅藻土型又可以分为红色担体和白色担体。非硅藻土型有氟担体、玻璃微球担体、高分子多孔微球等。硅藻土型担体，是天然硅藻土经煅烧而成的。红色担色煅烧时，天然硅藻土中所含的铁形成氧化铁，而使担体呈淡红色。红色担体机械强度好，表面孔穴密集，孔径较小，比表面积大，但表面存在活性中心。分析强极性物质时，其色谱峰易拖尾。故一般用来涂渍非极性固定液，分析非极性或弱极性物质。白色担体是在煅烧前于硅藻土原料中加入少量助熔剂Na2CO3，煅烧后，其中的氧化铁生成无色的铁硅酸钠配合物，使硅藻土变成白色。由于煅烧时加入助熔剂，使其颗粒较疏松，所以机械强度较差，表面孔径较大，比表面积小。但其表面活性中心少，吸附性小，故一般用来涂渍极性固定液、分析极性或氢键型物质。非硅藻土型担体，应用范围较小，通常是利用其特殊性能作一些特殊分析。如氟担体用于分析腐蚀性气体，玻璃微球用于分析高沸点和易分解物质。极性大小可以用相对极性来表示，其方法有百分分度法和五级分度法两种。百分分度定氧二丙腈的相对极性p=100，角鲨烷的p=0，通过比较，其它固定液的极性在0～100之间。五级分度法将0～100分为五级，每20为一级，用（+）表示。0～1为非极性（也用1表示）、+2～+3为中等极性、+4～+5为强极性和氢健型四种类型。（1）非极性固定液固定液分子中不含极性基团或含少量易极化基团（例如甲基、亚甲基），常用的有角鲨烷、十六烷、硅油等。（2）中等极性固定液固定液分子中含有较大的烷基和少量的极性基团或易极化基团（例如苯基），常用的有OV-17（甲基苯基硅油）、DNP（邻苯二甲酸二壬酯）。（3）强极性固定液固定液分子中含有强的极性基团和小的烷基（例如含乙基），这类固定液常用的有氧二丙腈、DEGS（丁二酸二乙二醇聚酯）等。（4）氢键型固定液也是极性固定液中的一类，分子中有—OH、—COOH、—NH2、—NH—等易形成氢键的基团。常用的有聚乙二醇类（聚乙二醇，分子量从300到20000）。3．固定液的选择固定液的选择目前尚无严格的规律可循，主要靠实践经验及由此归纳出来的经验规律。一般认为可根据“相似相溶”的原则来选择，即按被分离组分的极性或官能团与固定液相似的原则来选择。当选择的固定液的性质与待分离组分间极性或官能团等相似时，它们分子间的作用力就较强，组分在固定液中的溶解度较大，即分配系数较大，组分在柱内保留时间就长，不同组分的保留时间差别也增大，这样就易于相互分离。如欲分离非极性混合物时，应选用非极性固定液，这时固定液与组分之间的作用 要是色散力，试样中各组分按沸点顺序流出色谱柱。若试样中包含有极性组分，当沸点相同时，极性组分先流出。二、气液色谱填充柱的气－液色谱填充柱的分离效能高低不仅与固定液和担体的选择有关，还与填充柱的 技术有关。填充柱的简单 步骤如下：（一）固定液的涂渍根据液担比，称取一定量的固定液和担体，将固定液溶解于适量的挥发性溶剂中，然后在通风柜中将担体加入到固定液的溶液中，使担体完全浸没在溶液中，不时地轻轻摇动或搅拌，让溶液中的溶剂均匀挥发，以保证固定液能均匀分布在担体表面，必要时可在红外灯下加热除去溶剂。常用的溶剂有乙醚、氯仿、乙醇、、苯等。（二）色谱柱的填充把后的色谱柱的后端（接检测器一端）塞上玻璃棉，接真空泵，前端（接气化室一端）接一小漏斗，在泵的抽吸下，慢慢加入固定相，并用小木棒轻轻敲击柱管，直到固定相不再进入为止，使固定相装得均匀而紧密。柱子装填好后，在柱前端也塞上玻璃棉。（三）色谱柱的老化为了彻底除去填料中存留的溶剂及挥发性杂质，并促使固定液均匀牢固地分布在担体表面，装填好的色谱柱在使用前还要进行老化。老化的方法是将色谱柱的前端与色谱仪的气化室出口连接，后端直接放空，不接检测器，接通载气，在低于最高允许柱温20～30℃的条件下老化8～24h小时。将老化后的柱子后端与检测器相连，继续加热，直到记录仪上基线平直后，方可用于试样分离。三、毛细管色谱柱毛细管柱有涂壁空心柱、涂载体空心柱、多孔层空心柱和填充毛细管柱等各种类型。毛细管柱由于柱子长、柱效高、柱渗透性好、所以分离效率高，分析速度快，但由于可进样量小，灵敏度有时较低。将各种类型的毛细管色谱柱简要介绍如下：。（一）涂壁空心柱（wall

coated

open

tubular

column，WCOT） 又称涂壁开管柱，固定液涂在毛细管内壁表面上。柱效高，分析速度快，但固定液易流失，柱 较短。（二）涂载体空心柱（support

coated

open

tubularcolumn，SCOT）其是先将载体粘在厚壁玻璃管内壁上，然后将玻璃管加热拉制成毛细管，使载体均匀地分布在毛细管内壁，再涂上固定液就制成了。这种柱子也具有柱效高、分析速度快的优点，而且柱容量比WCOT大，能注入较大量的试样。（三）多孔层空心柱（

porous

layer

open

tubularcolumn，PLOT）其是在空心毛细管上，沉积一层多孔性物质，它可以是吸附剂，也可以是供涂布固定液的载体。与其他空心毛细管柱一样，它具有高效快速的优点，而且柱容量也比WCOT大。（四）填充毛细管柱（packed

capillary

column）

其是在拉制前先将固定相装入玻璃管内，然后再进行拉制。这种柱的选择性较好，但柱子的渗透率较低。第四节 气相色谱检测器检测器是气相色谱仪的另一重要的组成部分，其作用是把从色谱柱流出的各组分的含量变化转变成可测量的电信号（电流或电压）变化，由记录仪记录下来，进行定量和定性分析。常用的检测器有热导检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器、氮磷检测器等。由于热导检测器灵敏度较低，而卫生分析中一般被分析物质含量都很低，所以应用不多，这里不作介绍。检测器根据其不同检测原理，可分为浓度型检测器和质量型检测器两类。浓度型检测器产生的电信号大小与进入检测器的载气中组分的浓度成正比。质量型检测器产生的电信号大小与单位时间内通过检测器的物质的质量成正比一、检测器的性能指标对检测器的要求是响应快、灵敏度高、噪音小、稳定性好、线性范围宽。评定检测器性能的技术指标主要有灵敏度S、敏感度D和线性范围等。（一）灵敏度灵敏度是指单位浓度或质量的被测组分通过检测器时所产生的响应信号值。当一定量的试样组分Q进入检测器后，就产生一定的响应信号R，如以检测器响应信号与进样量作图，就可得到R—Q直线。直线斜率就是检测器的灵敏度，即灵敏度是响应信号R对进样量的变化率：S

R

/

Q对于浓度型检测器，灵敏度以Sc表示，单位为mV·ml/mg，表示每毫升载气中含有1mg被测组分时，在检测器上产生的毫伏数；对于质量型检测器，灵敏度以Sm表示，单位为mV·s/g，表示在单位时间内进入检测器1

g被测组分时，在检测器上产生的毫伏数。（二）敏感度亦称检出限或检测限。是指检测器产生恰能与噪声相鉴别的响应信号时，单位时间进入检测器的某物质的质量（对于质量型检测器）或单位体积载气中所含某物质的质量（对浓度型检测器）。通常认为恰能与噪声相鉴别的响应信号至少应等于检测器噪声的两倍。敏感度D定义为：D

2N

/

S式中，N为检测器的噪声，指在没有试样通过检测器时基线波动的毫伏数。S为检测器的灵敏度。从公式可见，灵敏度越大，噪声越小，则敏感度值越小，即检出限越低，所以要降低仪器的检出限，一方面需要提高仪器灵敏度，同时还要尽量降低噪声水平。最小检出量

定义为检测器恰能产生二倍于噪声信号时进入色谱柱的最小物质量，用Q0表示。敏感度与进入检测器的物质量有关，通常很难确定；而最小检出量与进入色谱柱的最小物质量有关，是可测的。显然，敏感度D表示的是检测器性能的好坏；而最小检出量Q0除与检测器性能有关外，还与色谱柱的柱效率和操作条件有关。（三）线性范围检测器的线性范围是指信号与被测物质的浓度（或质量）成线性关系的浓度范围，可用最大允许

进样量与最小检出量Q0的比值来表示。不同组分在同一检测器的线性范围可能不一样，线性范围越宽，越有利于该检测器对组分的不同含量准确定量。二、常用检测器（一）火焰离子化检测器（flame

ionization

detector，FID）火焰离子化检测器又称氢焰离子化检测器，是一种高灵敏度的检测器。属于质量型检测器。FID检测器是利用有机物在氢火焰中燃烧成离子在高压电场作用下形成离子流电信号。需要注意，有机物的电离程度与被测组分的性质有关，所以相同量的不同物质，产生的电信号大小可能不同。当没有有机物通过检测器时，火焰中的离子极少（只是由气体中杂质及流失的固定液在火焰中离解产生的离子），这时形成的微电流称为基始电流（基流）。通过观察是否有基生，来判断氢火焰是否点燃。FID主要结构。213接色谱柱图8－6火焰离子化检测器结构示意图1.收集极

2.发射极

3.火焰33载气（N2

）、燃气（H2

）及助燃气（空气）的流量对灵敏度影响较大，一般以H2

:N2

:空气=1:

1～1.5:10较为理想，火焰温度较高，有机物离子化程度较高，噪声较小，基线较平稳。调节好检测器的温度，防止水蒸汽的冷凝。另外，要注意安全，氢气钢瓶一定要用钢瓶，氢气管路不能漏气。FID的主要优点是对大多数有机化合物都有较高的灵敏度，其检出限可达1012

g/s。具有结构简单，稳定性好，响应快，线性范围宽等优点，是目前应用最广泛的检测器。适合于大气及水中痕量有机物的分析。（二）电子捕获检测器（electron

capture

detector，ECD）电子捕获检测器是一种对电负性物质有高选择性和高灵敏度的检测器。它是利用放射源产生的放射线使载气分析离子化，形成稳定基流。当含电负性基团的组分通过检测器时，俘获电子，使基流下降而产生信号。电子捕获检测器只对含有卤素、

、氮、氧等电负性强的元素的物质有响应，化合物所含元素的电负性越强，灵敏度越高。例如，能测出试样中含量仅有1014

g/ml的六六六 残留。在卫生分析中常用于 残留、环境污染物、食品添加剂等分析。使用的N2（或氩气作为载气）一定要高纯度99.99%以上，载气中微量的O2和H2O对检测器影响较大，需净化处理。且进样量不宜过大，尤其是高沸点物质，以防止污染检测器。平时不用时要将检测器出口堵住或一直低速度通高纯氮。ECD

使用时要注意一定过其最高使用温度（3H

为190℃以下，63Ni为350℃以下），以防止放射源流失。否则，不仅损坏检测器，且造成放射污染。（三）火焰光度检测器（flame

photometricdetector，FPD）火焰光度检测器，又叫检测器，是一种只对含硫和含磷的有机化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。使用FPD检测器时，由于要使用氢气，要注意安全。点火时，检测器温度应在100℃以上，氢气和氧气比例要保持富氧，以防止燃烧室积水和点火时爆鸣。测定时使用富氢火焰。一般O2/H2=0.2～0.5可获得较高灵敏度。在火焰光度检测器上，有机的检测限比碳氢化合物低一万倍，因此可以排除大量的溶剂峰和碳氢化合物的干扰，非常适用于大气、水和食品中痕量磷或硫污染物的分析。卫生分析中常用于有机磷、有机硫残留量的测定。（四）氮磷检测器（nitrogen

phosphorus

detector，NPD）氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器（TID），是一种只对含氮或磷的有机化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。广泛用于环保、食品、

、法医和生化检验等多方面。（一）分离度R（resolution）两组分在色谱柱中分离的好坏，取决于这两个组分的色谱峰之间的距离和色谱峰的峰宽。只有当两色谱峰之间的距离较大，其峰形较窄时，两组分才有良好的分离。第五节 气相色谱分离操作条件的选择一、柱的总分离效能指标分离度

R

定义为相邻两组分色谱峰保留时间之差与两色谱峰峰底宽度总和之半的比值。即：1

(Wb,1

Wb,2

)tR,2

tR,1R

2R

值越大，意味着相邻两组分分离得越好。通常用R=1.5

作为相邻两峰能否完全分开的标志。组分保留值的差别，主要取决于固定液的热力学性质，反映了选择性的好坏，与相对保留值ris及k有关；色谱峰的宽窄，主要由色谱过程的动力学因素决定，反映了柱效能的高低，与塔板数n有关。（二）分离度R与n、ris、k的关系因此，分离度R

总括了实现组分分离的热力学和动力学因素，即综合了柱效和选择性的影响，定量地描述了混合物中相邻两组分实际分离的程度。分离度与理论塔板数n、相对保留值ris以及分配比k之间的关系为：4

ris

ki

11

kin

risR

（1）ris值越大（即固定液选择性好），分离度就越大，分离越好。若ris=1

，则R

=0，两组分不能分离。（2）n越大（即色谱柱效能高），分离度就越大，分离越好。但不能通过增加色谱柱长来增加n，这样会使分析时间延长。4

ris

ki

11

kin

risR

（3）k值增大可以提高分离度，但当k超过10，对分离度改进的影响就不显著了。而且k值太大，会延长分析时间，引起峰形变形，一般控制在2～7之间。4

ris

ki

11

kin

risR

增加ris二、分离操作条件的选择由分离度公式可知，要想得到满意的分离度，应该有较大的相对保留值ris和适当大的分配比k，因此固定相或固定液的选择就是关健。4

ris

ki

11

kin

risR

另外要使n大（H小），柱效高，还需以范氏方程为依据，选择合适的分离操作条件，具体 如下：ki

11

4

risn

risR

ki（一）载气种类及其流速的选择1．载气种类的选择首先应考虑检测器对载气的要求，如电子捕获检测器要求高纯氮作载气。热导检测器则选用H2或He作载气，因为它们的热导系数大，灵敏度高。然后再考虑所选用的载气有利于提高柱效和分析速度。对载气要求纯度高于99.99%，干燥、不含氧气。通常用分子筛除去水分，用活性炭除去烃类杂质。2．载气流速的选择范氏方程可以看出，分子扩散项与载气流速成反比，传质阻力项与载气流速成正比，所以必然有一最佳流速，

H最小，柱效最高。最佳载气流速一般通过实验来选择，具体方法是固定其它实验条件，依次改变载气流速，测定某组分的保留时间和峰宽度，计算出n和H，以塔板高度H对流速u作图，得H－u曲线图H

A

B

/

u

CuHH最小u最佳u图

H－u曲线由曲线可以看出，曲线有一最低点，塔板高度H最小，此时柱效最高。该点所对应的流速即为最佳流速。实际工作中，往往使流速稍高于最佳流速，这样柱效改变不明显，但可缩短分析时间。（二）色谱柱条件的选择色谱柱是色谱分离的关键，包括固定相的选择，柱材料、柱长度和柱内径的选择。1．固定相的选择主要是固定液和担体的种类选择，它是色谱分离的关键，选择原则是与待测组分相似相溶。2．担体粒度的选择担体粒度和粒度范围直接影响柱效率，担体粒度dp小，粒度范围窄，装填均匀可提高柱效。但粒度也不能过细，否则柱压增大，对操作不利。一般气相色谱固定相粒度为

60～120目，粒度范围为10～20目。H

A

B

/

u

CuH

2dp

2Dg

lf2kd

2pgu

(1

k

)

2

D

3(1

k

)

2

D

0.01k

2

d/

u

23．液担比的选择固定液和担体的重量比称为液担比。液担比越小，固定液液膜厚度df越小。从范氏方程可见，df与液相传质阻力成正比，为了减小传质阻力，提高柱效，应该使涂在担体表面的固定液液膜薄一些，同时还可缩短分析时间。当然固定液用量也不能太低，因为固定液液膜越薄，允许进样量越小，对检测器灵敏度要求就越高。此外，液膜太薄时，若不能把担体表面完

住，还可能会引起不可逆吸附，出现不对称峰，反而降低柱效。在决定液担比时，应从担体的种类、试样的沸点，进样量等各方面加以考虑。液担比一般为3%～5%。4．柱材料、柱长度和柱内径的选择气相色谱填充柱通常有玻璃柱和不锈钢柱，玻璃柱表面惰性好，但密封操作不方便，容易破碎，不锈钢柱则相反。一般在不适宜用不锈钢柱时才选用玻璃柱。增加柱长度L，可以提高柱效，但同时分析时间延长。所以在满足分离的前题下，尽量使用短柱，一般柱长为2～6

m。柱内径大，则柱容量大，但填充不易均匀，降低柱效，通常使用内径为3～6mm柱。（三）温度1．气化室温度的选择为了使试样在进样后被完全瞬间气化，以“试样塞”的形式进入色谱柱，必须对气化室进行控温，而且温度应适当高一些。但气化温度不能太高，否则会使试样组分分解。2.检测器温度选择检测器选定以后，检测器的温度一般比柱温高

30～50℃，以使样品不在此凝结，污染检测器。但要注意

过检测器的最高允许使用温度，如电子捕获检测器，若超过最高允许温度，会发生放射源流失，既损坏检测器，又污染环境，对造成危害。3.柱温柱温是气相色谱分离的重要条件。选择柱温首先要考虑每种固定液都有一定的使用温度范围，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会引起固定液挥发或分解而流失。柱温也不能低于它的最低使用温度，否则它可能为固态。柱温直接影响K、k，柱温升高，使K变小，从而k、

ris变小，即组分的保留时间减小，选择性变差。所以，若要提高柱的选择性，宜采用较低柱温。但柱温太低，又会使组分在气、液两相的扩散系数Dg、Dl大大减小，从而使传质阻力项C增大，使峰形变宽，柱效下降，。并且由于不能迅速达到平衡，延长了分析时间。所以衡两者利弊，全面考虑。柱温的选择原则是：在难分离组分对得到良好分离、而保留时间适宜、且色谱峰不拖尾的前题下，尽可能采用低的柱温。柱温的选择还必须考虑试样的沸点。沸点高的混合物

采用较高的柱温，反之，采用较低柱温。对于沸点范

围较宽的试样，则宜采用程序升温方式，即柱温按预

定的加热程序，随时间作线性或非线性的增加。在较

低的初始温度时，沸点较低的组分（即最早流出的峰）可以有较适宜的k，而得到良好的分离。随着柱温的增加，较高沸点的组分也能较快地流出，并能得到良好的色谱峰型。否则，若采用恒定的柱温（如中间温度），对低沸点组分，柱温可能偏高，组分很快流出色谱柱，组分不能分离。而对高沸点组分，这一柱温又显偏低，k

值大，出峰太慢，且峰形变宽。下图显示了多组分宽沸程试样在恒定柱温和程序升温操作时的不同效果。由此看出程序升温的优点是可以提高分离效率，改善峰形，缩短分析时间。2010

303456789min1345102030

minmVmVmV（a）恒温45℃1

2min24

5

6图 恒温和程序升温对宽沸程试样分离的影响781

31．进样量的选择进样量的大小与柱中固定液的用量有关。固定液用量高，则允许的进样量也大些，组分就容易被检测器检出。但如果进样量太多，会影响组分的分离。最大允许进样量应控制在使峰面积与进样量呈线性的范围内。一般液体试样0.1～5l，气0.1～10

ml。（四）进样2．进样方式的选择一般液体试样用微量注射器进样，气体试样用六通阀或注射器进样。进样要求迅速，否则试样原始宽度变大，峰形必然变宽，甚至变形。总之，色谱条件选择的总原则可概括为：分得开、峰形窄，出峰快。第六节 气相色谱的定性定量分析一、定性分析GC法主要依据组分的保留值来定性，这一般需要有已知标准物来进行对照。所以通常GC只能用于范围已知的试样的定性，而鉴定范围未知的试样往往有

。近年来，色谱与质谱、光谱等方法的联用，为未知物的定性分析提供了新的有效

。（一）利用已知的纯物质对照定性1．保留值定性在完全相同的条件下，分别测定并比较纯物质和被测未知组分的保留值，若两者的保留值相同，则该组分于已知纯物质可能是同一物质。必须严格控制条件（包括进样技术）2．标准加入法定性当试样比较复杂，相邻的组分保留值很接近，或操作条件不易控制稳定时，可以在得到未知试样的色谱图后，将待测组分的纯物质加入试样中，在相同条件下再次进行分析，又得到谱图。对比两个色谱图，如果某谱峰高增加，则该组分与纯物质可能是同一物质。3．双柱（多柱）定性在一根色谱柱上用保留值对物质进行定性时不一定可靠，因为不同物质有可能在同 谱柱上具有相同的保留值。所以，要想使定性结果更加可靠，应采柱或多柱法进行定性，即采用两根或多根极性不同的色谱柱进行分析，观察待测组分和标准物的保留值是否始终一致。（二）利用文献数据定性1．相对保留值定性由于相对保留值只受柱温和固定液影响，与其它操作条件无关，所以只要以上两项实验条件与文献相同，选用相同的标准物质，就可进行比较，而不受其它操作条件的影响。2．利用保留指数定性保留指数法是将正构烷烃的保留指数规定为100Z（Z代表碳数），而其它物质的保留指数Ii则用两个相邻正构烷烃的保留指数来标定，其计算公式如下：R,Z

1R,Z

lg

t

'lg

t

'R,Z

lg

t

'R,ilg

t

'iI

100

Z

（三）与其它仪器分析方法结合定性当对试样中所含组分完全未知时，可采用与其它仪器联用的方法进行定性。气相色谱法可将混合物分离为单个纯组分，而红外、核磁 、质谱等可鉴定未知物的结构，但要求被鉴定的未知物为纯组分。因此，将这两类方法联用，发挥各自的特长，是解决未知物定性问题的最有效手段。二、定量分析（一）定量分析依据一定操作条件下，进入检测器某组分的质量mi与检测器的响应信号（峰面积Ai或峰高hi）成正比，即：mi

fiAi

mi

fihi定量校正因子由于峰面积的大小不仅与组分的含量有关，而且还与组分的性质和检测器的性能有关，所以两个相等量的不同物质在同一检测器上可能具有不同的响应值，色谱峰的面积不相等，即fi’不相等。这样峰面积的大小不能直接表明物质的含量大小，也不能用某组分的峰面积占所有组分峰面积的比来计算它在试样中的质量分数，而需要分别求出不同组分的定量校正因子。校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。Aifi