气相色谱讲义（包含很多实际经验其他教材里看不到的）

色谱介绍气相色谱

陈丽1内容色谱的根本理论和根本概念

气相色谱介绍

气相色谱的定性和定量分析的方法2首先要了解的信息3气相色谱在分析技术中的地位气相色谱是一种相当成熟且应用极为广泛的复杂混合物的别离分析方法，

1906年，俄国科学家茨威特。石油醚碳酸钙颗粒色素玻璃柱41906年色谱的诞生〔LC〕1940年左右预言GC色谱的诞生1955年第一台GC色谱仪器诞生1958年毛细管色谱柱的问世，各种检测技术的应用，使GC很快从实验室的技术变成常规分析手段5气相色谱与液相色谱的比较流动相固定相GC用气体做流动相,又叫载气,常用的载气有氦气,氢气,氮气,与LC相比,GC流动相的种类少,可选择范围小,载气的主要作用是将样品带入GC系统进行别离,其本身对别离结果的影响很有限.而在液相中,流动相种类多,且对别离结果的奉献很大。另外,GC流动相的本钱低于液相。因为GC流动相的种类较少，别离选择性主要通过不同的固定相来改变，固定相对别离的好坏起着决定性作用。现在市场上已有数百种的固定相供我们选择使用。但常用的LC固定相也就十几种，因此，LC在很大程度上要通过选用不同的流动相来改变别离选择性。当然，常用的GC毛细柱的固定相也不过十几种。在实际分析种，GC一般是选定一种载气，然后通过改变色谱柱〔即固定相〕以及操作参数〔柱温or载气流速等〕来优化别离；LC往往是选定色谱柱后，通过改变流动相的种类和组成以及操作参数〔柱温or流动相流速等〕来优化别离。6GC能分析的样品是可挥发，且热稳定的，沸点一般不超过500℃。在目前的化合物中，大约有20％～25％的可用GC分析，其余的大体都可用LC分析。也就是说GC的分析对象远没有LC多。GC常用的检测技术有很多，如TCD,FID,ECD，NPD等，其中FID对大多数有机物均有响应，且灵敏度相当高，而在LC中目前还没有通用性这么好的高灵敏度检测器。市场上LC仪器通常配置的也就是紫外-可见光吸收检测器〔UV-VIS〕和示差折光检测器〔RI〕,前者的通用性远不及FID,后者的灵敏度又较低。当然，GC和LC都有灵敏度较高的选择性检测器，如GC的ECD、NPD,LC的荧光和电化学检测器。分析对象检测器7第一部份

色谱的根本理论和根本概念8GC色谱分析流程图过程：9在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相〔固体或液体〕称为固定相；自上而下运动的一相〔一般是气体或液体〕称为流动相；装有固定相的管子〔玻璃管或不锈钢管〕称为色谱柱。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下,不同组分在在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。色谱别离过程：10从不同角度，可将色谱法分类如下：

按两相状态分类气体为流动相的色谱称为气相色谱〔GC〕根据固定相是固体吸附剂还是固定液〔附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体〕，又可分为气固色谱〔GSC〕和气液色谱〔GLC〕。液体为流动相的色谱称液相色谱〔LC〕同理液相色谱亦可分为液固色谱〔LSC〕和液液色谱〔LLC)。超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱〔SFC〕通过化学反响将固定液键合到载体外表，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱〔CBPC〕11按两相状态分类

GCLCSFCGSCGLCLSCLLCCBPC……12色谱的根本术语色谱的流出曲线和色谱峰------由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起局部就是色谱峰。基线------在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线,以〔a〕表示峰高------色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以(h〕表示

13死时间t0------不被固定相滞留的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰最大值所需要的时间，它正比于色谱柱的空隙体积。因为这种物质不被固定相滞留，其流动速度接近于流动相流速。测定流动相平均线速u时，可用柱长L与to的比值计算，即u＝L/to

保存时间tr------试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保存时间tr14调整保存时间tr’------某组分的保存时间扣除死时间后，称为该组分的调整保存时间，即tr’=tr－to由于组分在色谱柱中的保存时间tr包含了组分随流动相通过柱子所须的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以tr实际上是组分在固定相中保存的总时间。15

死体积Vo------指色谱柱填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。

当后两项很小可以忽略时，死体积可由死时间与柱出口的载气流速F计算：VO=toF保存体积Vr------试样从进样到柱后出现峰极大点时所通过流动相的体积。保存时间与保存体积的关系：Vr＝trF调整保存体积Vr’------某组分的保存体积扣除死体积后，称为该组分的调整保存体积。Vr’＝Vr－Vo16相对保存值

------某组分2的调整保存值与组分1的调整保存值之比，称为相对保存值。r2,1=tr2/tr1意义:只与柱温及固定相性质有关,与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准〔s〕，然后再求其它峰〔i〕对这个峰的相对保存值，此时可用符号表示，即=tr(i)/tr(s)式中tr(i)为后出峰的保存时间，所以总是大于1的。相对保存值往往可作为衡量固定相选择性的指标，又称选择因子。171.标准偏差：即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。

2.半峰宽W1/2：即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为：W1/2=2.354

3.峰底宽度W：即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差的关系是：W=4区域宽度

------色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。表示色谱峰区域宽度通常有三种方法。181.根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；2.根据色谱峰的保存值，可以进行定性分析；3.根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；4.色谱峰的保存值及其区域宽度，是评价色谱柱别离效能的依据；5.色谱峰两峰间的距离，是评价固定相〔或流动相〕选择是否适宜的依据。从色谱流出曲线中，可得到的重要信息

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色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分，组分要到达完全别离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。20色谱的根本原理分配系数K和分配比k

K=溶质在固定相中的浓度/溶质在流动相中的浓度=Cs/Cm

分配系数是由组分和固定相的热力学性质决定的，它是每一个溶质的特征值，它仅与两个变量有关：固定相和温度。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。k=组分在固定相中的质量/组分在流动相中的质量=ms/mmk

：容量因子

分配比不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。21分配系数K：用来描述样品分子在两相间的分配过程的参数分配比k：衡量色谱柱对被别离组分保存能力的重要参数分配系数K与分配比k的关系：K=k.

β称为相比率，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其β值一般为6~35；对毛细管柱，其β值为60~600。柱子的相比值分布越窄，柱与柱之间的重现性也越高假设要使A、B组分完全别离，必须满足以下三点：第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，区域扩宽的速率应小于区域别离的速度；第三，在保证快速别离的前提下，提供足够长的色谱柱。22塔板理论

理论塔板数：n=L/H柱效与n和H的关系：n增加，柱效增加H增加，柱效减小当n>50时,可得到根本对称的峰形曲线在GC色谱中,n约为103～106,峰形曲线可趋近于正态分布曲线各组分在进入色谱柱后,两相间的分配系数有微小差异，经过反复屡次后，仍可获得良好的别离23n与半峰宽及峰底宽的关系式

:→n=5.54(tr/W1/2)2=16(tr/W)2

tr,W1/2,W为一个单位:距离或时间在tr一定时，如果色谱峰很窄，那么说明:n越大，H越小，柱效能越高。可以看出:例题24例:某组分峰的峰底宽为40s，保存时间为400s，计算此色谱柱的理论塔板数。解：n=16(tR/W)2=16〔400/40〕2=1600块25塔板理论的意义:1.解释了流出曲线的形状2.提出了计算和评价柱效上下的参数缺点:1.不能解释板高受哪些因素影响2.不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数

26速率理论H=A+B/u+Cu公式:U:流动相的线速度A:涡流扩散系数B.分子扩散项系数C.传质阻力项系数27A对于毛细柱,A=0B/U对于液相色谱,B/U=0CU采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体〔如氢气〕做载气，可使CU减小，提高柱效。28别离度R相邻两组分色谱峰保存值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值,又称分辨率.定义:公式:R=2(tr2-tr1)/〔W1+W2〕意义:1.是既能反映柱效率又能反映选择性的指标,称总别离效能指标；2.R值越大，说明相邻两组分别离越好。一般说，当R<1时，两峰有局部重叠；当R=1时，别离程度可达98%；当R=1.5时，别离程度可达99.7%。通常用R=1.5作为相邻两组分已完全别离的标志。29气相色谱第二部份30概念回忆:√31气相色谱的组成:辅助系统检测系统分离系统进样系统流动相系统气相色谱仪器123453233流动相系统-载气载气种类:氮气、氦气和氢气(氩气)使用氢气时注意:1.平安2.H2与金属氧化物和不饱和化合物的反响问题3.使用ECD检测器时对检测器灵敏度的影响纯度:99.99%～99.999%34气源需通过净化后使用载气中的氧的存在会使固定相氧化，损坏色谱柱，改变样品的保存值载气中水的存在使局部固定相发生水解〔甚至包括某些样品〕，结果损坏柱子，产生极限噪音和托尾现象载气中有机化合物或其它杂质的存在会产生极限噪音和鬼峰载气中夹杂的粒状杂质可能使气路控制系统失灵气相色谱中的很多问题，来源于未经处理的气源35根本流路36进样系统-进样口填充柱进样口毛细柱分流/无分流进样口冷柱头进样PTV进样口载气37进样垫进样垫的寿命取决于进样的频率，针的质量和进样垫的成分，毛刺、锐边或粗糙的外表会降低进样垫的寿命。当有进样垫的碎屑被注入到注射器带入进样口就会造成隔垫污染，在日常使用中要经常更换进样垫。〔一般进样40-60次，约2-3天换一次〕进样垫漏气的征兆：保存时间增长，响应值减弱〔即峰高变小〕或柱前压力减小，有时还会检测器信号噪音加大等。进样垫被污染的征兆：与样品，溶剂或色谱柱无关的外来峰出现，在程序升温时，这种峰在很宽的温度范围内出现，而且超过分析时长。38隔垫吹扫的作用吹扫掉进样垫高温脱落的组分，一般为橡胶中的增塑剂或低聚物，减少鬼峰吹扫溢出衬管的溶剂气体，减少溶剂拖尾常用流量范围：3-5ml/min

无隔垫吹扫有隔垫吹扫39玻璃化学惰性好，减少在汽化室样品分解的可能提供均匀的温度分布，防止局部过热

容易拆洗清理

玻璃衬管的作用分类分流衬管不分流衬管40分流比公式:分流比=柱流量/〔分流流量+柱流量〕分流流量>>柱流量时 分流比=柱流量/分流流量分流比的设定要依据样品浓度〔浓度越高分流比越大〕分流比的设定要依据毛细柱容量〔柱容量越低，分流比越大〕常用的分流比范围:1:20～1:200〔根据具体情况可用范围很宽，比方：0.1mm毛细柱快速分析可用1：500以上的分流比〕41柱容量定义:色谱柱容量是指色谱柱对一种溶质可容纳的最大量值

进样量一旦超过此数值，该组分的色谱峰就会发生畸变，即溶质超载。超载的色谱峰可能沿固定方向变化，形成“鲨鳍〞峰。柱容量与固定相的极性，膜的厚度，柱内径和组分保存度等有关。如果色谱柱对一种组分的容量很高，那么说明该组分与固定相的极性很相似。例如：一根极性柱对极性化合物的容量一定大于对非极性化合物的容量。42样品的进样量范围填充柱气体:0.5-50ml

液体:0.1-1ml

毛细柱气体:0.1-1ml

液体:0.004-2μl

43填充柱别离系统-色谱柱

由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2～4mm，长1～3m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种

毛细柱三局部组成：管身、保护涂层和固定相保护层管身固定相内径毛细柱的构成图44

毛细柱管身和保护涂层

管身一般使用熔融二氧化硅或不锈钢作为基质材料，通常在其外表涂上一层聚酰亚胺作为保护层,防止色谱柱断裂。涂层后的熔融毛细石英管呈褐色。涂层后的毛细柱之间的颜色可能不同，色谱柱的颜色对其色谱性能没有什么影响。经过持续的高温使用后，聚酰亚胺涂层的颜色会变得比以前更深。45聚酰亚胺〔PI〕超耐高温特种工程塑料,具有耐高温(-269～400℃〕、高耐摩擦、自润滑、高强度、高绝缘、耐辐射、耐腐蚀、热膨胀系数小、耐有机溶剂、自熄、无毒等综合性能。聚酰亚胺〔PI〕局部类别长期工作温度在350℃以上，短期可达450℃，是目前工程塑料中耐温性最好的工程塑料，它的综合性能也是其他特种工程塑料无法比较的，被世人誉为“解决问题的能手〞，广泛应用于航空、航天、机械、电气、原子能、微电子、薄膜、液晶显示等高技术领域。46

固定相聚硅氧烷特点：多用途、性质稳定，最为常用的固定相最根本的聚硅氧烷由100％甲基取代，当有其它种类的取代基出现时，该基团由百分数表示：

DB-1:100%二甲基聚硅氧烷DB-5：5%二苯基-95％二甲基聚硅氧烷DB-17:50%苯基-甲基聚硅氧烷A：“二〞表示每个硅原子包含两个特定基团，当这两个特定基团完全相同时，“二〞可以省去B:如果甲基的百分数没有表征，表示甲基的含量为剩余的100％47“低流失〔MS〕〞用低流失或MS来表征一类固定相：低流失固定相在硅氧烷聚合物中链接一定数量的苯基或苯基类的基团〔称之为：亚芳基〕，由于它们的参加，使得聚合物的链接变得更加巩固稳定，保证在高温时，固定相不会降解，进一步降低色谱柱的柱流失，提高色谱柱的使用温度。同类普通型和低流失型固定相的别离性能相同或极为相似，但是在某些方面还有微小的差异。48聚乙二醇

聚乙二醇由100％的聚乙二醇组成，稳定性和使用温度稍逊一筹聚硅氧烷有多种取代基团，稳定性好，使用温度范围宽特点：使用寿命较短，容易受温度的影响，在高温下，固定相流失很厉害。(最高使用温度在240℃～260℃)用途：用于各种溶剂和低沸点化合物的别离49如何选择毛细选择毛细柱的四点因素：固定相，内径，膜厚和长度50

固定相相似相容原理，选用非极性的固定相分析非极性化合物如果化合物可以用不同极性的固定相分析，首选最小极性的固定相非极性的固定相寿命大于极性固定相应用范围最广的几种固定相：DB-1,DB-5,DB-17,

DB-WAX,能满足90％以上的分析要求

DB-1

DB-5

DB-35

DB-17

DB-WAX

DB-FFAP非极性中等极性强极性51100℃200℃300℃柱流失图52柱流失所有色谱柱都有柱流失现象，来源于固定相由于各种原因降解而产生的被洗脱物质。柱流失会随着温度的升高而加剧，可以通过流失曲线看到这种变化。从流失图可以看出：

空白试验的基线在较低温度区域相对平坦，到离温度上限30-40℃时开始急速的上升，直至到达温度上限。

在上限温度持续期间，基线变得平稳，直至完全平坦。1.如果空白试验中得到色谱峰，有可能为GC系统中的污染物，可能来源于进样垫；2.色谱柱的流失是一种持续过程，既不会偶然的开始，也不会突然的停止；3.极性固定相的流失率较高，在低温时流失就很明显；4.随着色谱柱的使用，柱流失会不断的升高。色谱柱暴露在有氧环境〔空气〕中或持续在等于上限温度下使用，都会加速柱流失。53色谱柱的温度极限两个温度极限-----温度下限和温度上限低于温度下限工作，得到的色谱峰又圆又宽〔柱效降低〕温度上限一般有两个固定的数值。较低的是恒温极限，在该温度下色谱柱可以正常的使用，柱流失和寿命不会受到影响。较高的数值是程升极限，在此温度下色谱柱使用时间如果在10-15min内，柱流失和寿命不会受到影响，但如果持续时间过长，那么会增加柱流失，缩短色谱柱的寿命，固定相和熔融石英管的惰性都有可能被破坏。54

内径增加直径意味需要更多的固定相，即使厚度不增加，也有较大的样品容量。同时也意味着降低了别离能力且流失较大。小口径柱为复杂样品提供了所需的别离，因为柱容量低需要分流进样，如果别离度降低能够接受的话，大口径可以防止这一点。同时要考虑仪器的限制和要求：

填充柱进样口可以用大口径毛细柱〔0.53mm内径〕，但不能用小口径柱；

毛细柱的进样口一般可以用于所有内径范围的毛细柱；

直接连用的GC/MS需要小口径柱，因为真空泵不能处理大口径的大流量。55标准膜厚〔0.25～0.5µm〕：最广泛的应用薄液膜一般用于高沸点化合物的别离厚液膜一般用于挥发性化合物的别离，如低沸点溶剂等

膜厚薄膜比厚膜洗脱组分快，峰别离好，出峰温度低，适用于高沸点化合物和组分密集化合物标准膜厚对于流出达300℃的大多数样品来说别离很好，对于更高的出峰温度，可以用0.1µm的液膜厚膜对低沸点化合物有利，对于流出温度在100～200℃之间的物质，用1～5µm的液膜效果较好，超厚膜〔3～5µm〕用于气体，溶剂等的分析，以增加样品组分于固定相的相互作用从而到达别离56

长度

25/30m：标准长度，满足绝大多数应用10/15m：通常十个组分以下简单样品的快速分析50m以上：复杂化合物分析柱长度在柱子的性能上不是一个重要参数，例如，加倍柱长，恒温分析时间可能会加倍但峰分辨率仅增大约40％。如果峰的别离比较好不是特别好时，考虑薄膜，优化载气或用程序升温比增加柱长的别离效果好。57色谱柱的保存用废进样垫将色谱柱的两端封住，并放回原包装。再安装时，要将色谱柱的两端截取一局部，保证没有进样垫的碎屑残留于柱子中。58检测系统-检测器检测器的分类：√59FID(Flameionizationdetector)FID火焰电离检测器是利用氢火焰作电离源，使有机物电离，产生微电流而响应的检测器，又称氢火焰电离〔或离子化〕检测器。检测器的响应值取决于单位时间内进入检测器的组分量，属于质量型检测器。FID工作原理：FID由电离室和检测电路两局部组成。该检测器检出的是有机化合物，无机气体及氧化物在该检测器无响应。60电离室检测电路从柱尾流出的组分在喷嘴处与进入的氢气以及尾吹气混合，空气作为助燃气。极化极和收集极通过高电阻、基流补偿和直流电源组成检测电路，测量氢焰中产生的微电流。当有组分流出时，组分在氢火焰中被电离成正，负离子和电子。在机化极形成的高压电场下，各离子开始定向移动，形成微电流，经放大器放大后，从输出衰减器中获得组分电信号.喷嘴极化极61影响检测器灵敏度的因素：喷嘴直径的影响：在一定范围内，喷嘴越细灵敏度越高，喷嘴粗，线性范围也变宽，但太细会造成堵塞和不稳定，一般为0.5mm左右

电极形状和电极间距离的影响：收集极一般不要离喷嘴太近，3～8mm以圆桶状为佳

电极电压的影响：低压时响应值随电压升高而迅速增加，超过一定值时就没有太大的变化，而高电压会带来噪声，一般为150～300V62第三部份气相色谱的定性及定量分析63保存时间：一.定性分析〔确定各色谱峰所代表的化合物〕缺点:不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保存值，即保存值并非专属的在了解样品的来源、性质、分析目的的根底上，对样品组成作初步的判断，再结合有效的方法那么可确定色谱峰所代表的化合物各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保存值，保存值可作为一种定性指标64利用纯物质对照定性

适用于:组分性质已有所了解，组成比较简单，且组分中有纯物质的未知物。相对保存值法相对保存值αis:指组分i与基准物质s调整保存值的比值公式:αis=tri/trs通常选容易得到的纯品，而且与被分析组分相近的物质作基准物质测定方法:在某一固定相及柱温下，分别测出组分i和基准物质s的调整保存值，再按上式计算即可。65适用范围:当未知样品中组分较多，所得色谱峰过密，用上述方法不易识别时，或仅作未知样品指定工程分析时均可用此法。定性方法：首先作出未知样品的色谱图，然后在未知样品参加某物，又得到一个色谱图。峰高增加的组分即可能为这种物。参加物增加峰高法二.定量分析〔求出混合样品中各组分的百分含量〕定量依据：当操作条件一致时，被测组分的质量〔或浓度〕与检测器给出的响应信号成正比。即：i=fiAi

i为被测组分i的质量；

Ai为被测组分i的峰面积；

fi为被测组分i的校正因子

66进行色谱定量分析时需要：

准确测量检测器的响应信号—峰面积或峰高；准确求得比例常数—校正因子；正确选择适宜的定量计算方法，将测得的峰面积或峰高换算为组分的百分含量。峰面积测量方法〔1〕对称形峰面积的测量——峰高乘以半峰宽法对称峰的面积A=1.065h W1/2〔2〕不对称形峰面积的测量——峰高乘平均峰宽法对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽，误差就较大，因此采用峰高乘平均峰宽法A=1/2h〔W0.15+W0.85〕式中W0.15和W0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。67定量校正因子〔1〕绝对校正因子：fi=mi/Aim，A分别为组份i的质量和峰面积〔2〕相对校正因子：fi=fi/fs某组分i的相对校正因子fi为组分i与标准物质s的绝对校正因子之比。fi=〔mi/Ai〕/〔ms/As〕=〔mi/ms〕〔As/Ai〕定量计算方法〔1〕归一化法：把所有出峰组分的含量之和按100%