第十二章 气相色谱法

1第十二章气相色谱法◆学习目的⊙◆知识要求⊙◆能力要求⊙2◆学习目的通过学习气相色谱法的基本理论：塔板理论和速率理论，气相色谱仪的基本组成及工作流程，气-液色谱中的固定液、载体及分离条件和定性定量方法，加深对气相色谱法分离原理的理解，熟悉气相色谱仪主要部件的作用，能够正确选择气相色谱法中色谱柱的条件、气化室温度、检测室温度以及进样量等条件，能够利用气相色谱分离分析检测信号对待测各组分进行定性与定量分析。为学习低沸点药物的分析打下基础。3◆知识要求1．掌握气相色谱法定性依据,定量分析原理及方法,定性分析与定量分析的应用。2．熟悉气相色谱法的特点及其分类，气相色谱仪的基本组成及流程，气相色谱法的基本理论：塔板理论、速率理论，气相色谱的固定相和流动相，气相色谱法中色谱柱及柱温的选择、载气及流速的选择、其他条件的选择。3．了解常用的检测器。4◆能力要求熟练掌握气相色谱仪的基本结构及各部件的作用，学会用气相色谱仪测定样品的含量。5第一节概述

第一节概述

气相色谱法(gaschromatographyGC)是以气体作为流动相的色谱分离分析方法。气相色谱法广泛应用于石油化工、医药卫生、环境科学、有机合成、生物工程等领域。在药物分析中，气相色谱法已成为原料药和制剂的含量测定、杂质检查、中草药成分分析、药物的纯化、制备等方面的重要分离分析手段。6第一节概述一、气相色谱仪气相色谱仪一般由五部分组成，如下图所示:

7第一节概述载气系统包括气源、气体净化器、气体流速控制和测量装置。进样系统包括进样器、气化室和控温装置。分离系统包括色谱柱和色谱柱箱。检测系统包括检测器和控温装置。记录系统包括放大器、记录仪或数据处理装置。8思考

课堂互动您能说出气相色谱仪的主要构成吗？其中起分离作用的部件叫什么？起分析作用的部件叫什么？第一节概述9第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（一）色谱流出曲线色谱柱流出的各组分通过检测器时所产生的响应信号对流出时间或流动相流出体积所做的曲线称为色谱流出曲线，也称为色谱图。色谱图一般是以组分流出时间或者流动相流出体积为横坐标，以检测器的响应信号为纵坐标，见下图。10第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（一）色谱流出曲线11第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（二）色谱分析常用术语

1．基线基线是在操作条件下，仅有流动相通过检测系统时所产生的信号曲线。稳定的基线应为一条与横坐标平行的直线。基线反映了仪器的噪音随时间变化的情况。2.色谱峰当试样组分进入检测仪器时，仪器响应值偏离基线，信号强度随检测器中试样组分浓度而改变，直至组分离开检测器，所绘出的曲线称为色谱峰。12第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（二）色谱分析常用术语

3．峰高（h）和峰面积（A）峰高是指色谱峰最高点至基线的垂直距离。峰面积（A）是指组分的流出曲线与基线所包围的面积。峰高或峰面积的大小和每个组分在被测试样中的含量相关，因此色谱峰的峰高或峰面积是色谱法进行定量分析的主要依据。13第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（二）色谱分析常用术语

3．峰高（h）和峰面积（A）峰高是指色谱峰最高点至基线的垂直距离。峰面积（A）是指组份的流出曲线与基线所包围的面积。4．色谱峰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，用于衡量色谱柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。通常度量色谱峰区域宽度有：标准偏差、半峰宽W1/2、峰底宽度（峰宽W）。14第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（二）色谱分析常用术语

5．拖尾因子为了保证色谱分离效果和测量精度，常用拖尾因子用以衡量色谱峰的对称性，用T表示。6．保留值从进样到色谱柱后出现待测组分信号极大值所需要的时间为保留时间(tR)，从进样到产生待测组分信号极大值所需要的流动相体积为保留体积（VR）。。15第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（二）色谱分析常用术语

（1）．死时间（tM）或死体积（VM）从进样开始到惰性组分出现峰极大值所需的时间或流动相的体积，分别称为死时间或死体积。（2）．调整保留时间t´R

组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，信号极大值所需要的流动相体积为保留体积（VR）。16第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（一）色谱分析常用术语

（3）．调整保留体积vR：某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。（4）．相对保留值γi.s：一定实验条件下组分i与标准物质S的调整保留值之比（也可以是它们的分配系数、容量因子之比）。17第一节概述一、色谱流出曲线及其常用术语（一）色谱分析常用术语

7．选择因子：组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为选择因子，用符号表示。8．分离度（R）又称分辨率，是指两相邻组分色谱峰的保留时间之差与两组分色谱峰峰宽之和的一半的比值。18第二节气相色谱法的基本理论第二节气相色谱法的基本理论一、塔板理论马丁和辛格于1941年提出了塔板理论,塔板理论假设：

1．在塔板内，样品中某组分可以很快达到分配平衡，H称为理论塔板高度。

19第二节气相色谱法的基本理论2．流动相间歇式通过色谱柱，每次进入量为一个塔板体积。3．样品都加在第0号塔板上，并且样品的纵向扩散可以忽略。4．分配系数在各塔板上是常数。

20第二节气相色谱法的基本理论理论塔板数（n）和峰宽的关系：理论塔板高度（H）可由色谱柱长（L）和理论塔板数来计算：

21第二节气相色谱法的基本理论有效塔板数:有效塔板高度:

22第二节气相色谱法的基本理论课堂互动1.在一根3m长的色谱柱上，分离一个样品的结果为:A组分的保留时间为17分钟，B组分的保留时间为14分钟，空气峰的保留时间为1分钟，A和B两组分色谱峰的基线宽度为1分钟，用组分A计算色谱柱的理论塔板数n为多少？板高H为多少？（1）4.6×104片；（2）4.6×103片；（3）0.65mm；（4）0.65m23第二节气相色谱法的基本理论课堂互动2.A组分的调整保留时间为多少？（1）13分钟（2）14分钟（3）15分钟（4）16分钟3.A组分的容量因子为多少？（1）13（2）14（3）15（4）1624第二节气相色谱法的基本理论二、速率理论荷兰学者范第姆特于1956年建立了色谱过程的动力学理论，即速率理论，提出了范第姆特方程：

式中,A、B、C为常数，它们分别为涡流扩散项、纵向扩散系数和传质阻力系数，u为载气线速度，单位为cm/s。

25第二节气相色谱法的基本理论1．涡流扩散项涡流扩散是气体移动中遇到填充物颗粒时，不断改变流动方向，而造成同组分的分子经过不同路径，而引起色谱峰的扩张，如下图所示。

涡流扩散项A可表示为：式中为填充不规则因子，dP为固定相颗粒的平均直径。

26第二节气相色谱法的基本理论2．纵向扩散项由于样品组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空间中，在“塞子”的前后(纵向)存在着浓度差，而形成浓度梯度，因此势必使运动着的分子产生纵向扩散。式中，r表示扩散阻碍因子，填充柱＜1，毛细管柱因无扩散障碍r＝1。

Dg为组分在载气中的扩散系数。27第二节气相色谱法的基本理论3．传质阻力项试样被载气带入色谱柱后，试样组分在两相间溶解、扩散、平衡的过程称为传质过程，影响这个过程进行速度的阻力，称为传质阻力。传质阻力的大小用传质系数来表示，它包括气相传质阻力系数和液相传质阻力系数，因前者较小，所以。

式中，df为固定液液膜厚度，k为容量因子，Dl为组分在固定液中的扩散系数。

28课堂互动您能根据范第姆特方程式的含义，解释如何控制色谱条件，提高柱效吗？

第二节气相色谱法的基本理论29第三节气相色谱法的固定相和流动相第三节气相色谱法的固定相和流动相一、气-液色谱的固定相

（一)固定液

1．对固定液的要求①选择性能高，对不同的组分有不同的分配系数。②对样品中各组分有足够的溶解能力。③热稳定性要好。④化学稳定性好，不与组分发生化学反应。⑤蒸汽压低，粘度小，能牢固地附着于载体上。30第三节气相色谱的固定相和流动相2．固定液的分类常用化学分类和极性分类。化学分类是以固定液的化学结构为依据，可分为烃类、硅氧烷类、醇类、酯类等，其优点是便于按被分离组分与固定液的“结构相似”原则来选择固定液。31第三节气相色谱的固定相和流动相极性分类是按固定液的相对极性大小分类。该法规定，极性的-氧二丙腈的相对极性为100，非极性的鲨鱼烷的相对极性为0，其他固定液的相对极性在0～100之间。把0～100分成五级，每20为一级，用“+”表示。0或+1为非极性固定液；+2，+3为中等极性固定液；+4，+5为极性固定液。按相对极性对常用气相色谱固定液分类，如表12-1所示。32第三节气相色谱的固定相和流动相表12-1常用固定液的相对极性标准极性固定液100+5100-氧二丙腈(ODPN)极性化合物200+472己二酸二乙二醇聚酯(DEGA)氢键型化合物250+368聚乙二醇(PEG-20M)中等极性化合物275+352氰基硅橡胶(XE-60)中等极性化合物300+228三氟丙基甲基聚硅氧烷(QF-1)中等极性化合物100+225邻苯二甲酸二壬酯(DNP)非极性化合物350+113甲基硅橡胶(SE-30，OV-1)各类高沸点化合物300+17～8阿皮松（APL）标准非极性固定液140+10鲨鱼烷（SQ）应用范围最高使用温度（℃）极性级别相对极性固定液33第三节气相色谱的固定相和流动相3．固定液的选择选择固定液一般是利用“相似相溶”原则，一般规律是：

(1)分离非极性物质：一般选用非极性固定液，组分基本上按沸点顺序流出色谱柱，沸点低的组分先流出色谱柱。(2)分离中等极性物质：选中等极性固定液，基本上仍按沸点顺序流出色谱柱，但对于沸点相同的组分，极性弱的组分先流出色谱柱。34第三节气相色谱的固定相和流动相(3)分离强极性化合物：选极性强的固定液，极性弱的组分先流出色谱柱。(4)分离能形成氢键的物质：选用氢键型固定液，形成氢键能力弱的组分先流出色谱柱。(5)分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液；分离沸点相差较大的混合物，则宜选用非极性固定液。35第三节气相色谱的固定相和流动相（二）载体1.对载体的要求①表面积大；②化学惰性，表面吸附或催化性很小；③热稳定性高；④粒度及孔径均匀，有一定机械强度。2．常用载体(1)红色载体：由硅藻土与粘合剂直接煅烧而成。因煅烧后天然硅藻土中的铁变成了氧化铁使载体呈红色。(2)白色载体：由硅藻土与20％的碳酸钠混合煅烧而成。因煅烧后铁变成了铁硅酸钠，使载体呈白色。36第三节气相色谱的固定相和流动相3．载体的钝化(1)酸洗法(2)碱洗法(3)硅烷化法

37第三节气相色谱的固定相和流动相二、气-固色谱的固定相气-固色谱的固定相有硅胶、氧化铝、石墨化碳黑、分子筛、高分子多孔微球及化学键合相等。在药物分析中应用较多的为高分子多孔微球（GDX）。38第三节气相色谱的固定相和流动相高分子多孔微球（GDX）是一种人工合成的固定相，它既可作为载体，又可作为固定相，其分离机制一般认为具有吸附、分配及分子筛3种作用。高分子多孔微球的主要特点是：①疏水性强，选择性好，分离效果好，特别适于分析混合物中的微量水分。②热稳定性好，最高使用温度达200～300℃，且无流失现象，柱寿命长。③比表面极大，粒度均匀，机械强度高，耐腐蚀好。④无有害的吸附活性中心，极性组分也能获得正态峰。39第三节气相色谱的固定相和流动相化学键合相也是新型固定相，它是将固定液的官能团通过化学反应键合到载体表面而制得的固定相，具有分配与吸附两种作用。其特点为化学性能稳定，热稳定性好，传质快，柱效高，分离效果好，不流失，但价格较贵。40第三节气相色谱的固定相和流动相课堂互动请您阐述化学键合相有何优点？41第三节气相色谱的固定相和流动相三、气相色谱的流动相气相色谱法中的流动相是气体，称为载气，常用的载气有氢气、氮气、氦气、氩气和二氧化碳。

1．氮气它的扩散系数小，使柱效比较高，常用于除热导检测器以外的几种检测器中作载气。2．氢气它具有分子量较小，热导系数较大，粘度小等特点，在使用热导检测器时常用作载气。42第四节检测器第四节检测器检测器（detector）是将色谱柱分离后的各组分的浓度（或质量）的变化转换为电信号（电压或电流）的装置。

1.质量型检测器（massflowratesensitivedetector）测量载气中组分进入检测器的质量流速变化，即检测器的响应值与单位时间内进入检测器的组分质量成正比。如氢焰离子化检测器和火焰光度检测器等。43第四节检测器2.浓度型检测器(concentrationsensitivedetector)测量载气中组分浓度的瞬间变化，检测器的响应值与组分浓度成正比，与单位时间内组分进入检测器的质量及载气流速无关。如热导检测器和电子捕获检测器等。

44第四节检测器一、质量型检测器质量型检测器测量载气中组分进入检测器的质量流速变化，即检测器的响应值与单位时间内进入检测器的组分质量成正比。如氢焰离子化检测器和火焰光度检测器等。氢焰离子化检测器（FID）简称氢焰检测器，它是利用在氢焰的作用下，有机化合物燃烧而发生化学电离形成离子流，通过测定离子流强度进行检测。其特点是灵敏度高，比热导检测器（TCD）的灵敏度高约103

倍；检出限低，可达10-12g。45第四节检测器一、质量型检测器质量型检测器测量载气中组分进入检测器的质量流速变化，即检测器的响应值与单位时间内进入检测器的组分质量成正比。如氢焰离子化检测器和火焰光度检测器等。氢焰离子化检测器（FID）简称氢焰检测器，它是利用在氢焰的作用下，有机化合物燃烧而发生化学电离形成离子流，通过测定离子流强度进行检测。其特点是灵敏度高，比热导检测器（TCD）的灵敏度高约103

倍；检出限低，可达10-12g。46第四节检测器一、质量型检测器FID工作原理：当载气从色谱柱流出后，进入检测器，载气中的有机杂质和流失的固定液在氢火焰（2100℃）中发生化学电离（载气N2本身不会被电离），生成正、负离子和电子。在电场作用下，正、负离子和电子形成微电流，然后在仪器内部产生电压降，经微电流放大器放大后，在记录仪上记录下信号，称为基流。47第四节检测器组分进入检测器时，在火焰中燃烧产生正负离子和电子，在电场作用下向两极定向移动形成离子流，离子流的强度与单位时间内进入检测器中组分的质量成正比，离子流经放大后，在记录仪上得到色谱峰。48第四节检测器二、浓度型检测器（一）热导检测器（TCD）浓度型检测器测量载气中组分浓度的瞬间变化，检测器的响应值与组分浓度成正比，与单位时间内组分进入检测器的质量及载气流速无关。如热导检测器和电子捕获检测器等。TCD是利用被测组分与载气的热导率不同来检测组分的浓度变化，有的亦称为热导池。它对单质、无机物和有机物均有响应，且其相对响应值与使用的TCD的类型、结构以及操作条件等无关，因而通用性好。49第四节检测器1．结构和检测原理

热导检测器由池体和热敏元件组成。池体用铜块或不锈钢块制成，热敏元件常用钨丝或铼钨丝制成，它的电阻随温度的变化而变化。将两个材质、电阻完全相同的热敏元件，装入一个双腔池体中即构成双臂热导池，如图12-3所示，其中一臂接在色谱柱前只通载气，作为参考臂；另一臂接在色谱柱后，让组分和载气通过，作为测量臂。由电阻组成惠斯顿电桥，如图12-4所示。

50第四节检测器51第四节检测器如果只有载气通过，则两臂中热丝的温度、电阻值均相同，则R1/R2=R3/R4，A与B两点间的电位差UAB=0，检流计中无电流通过，指针停在零点，记录仪记录的是一条基线；当样品组分随载气进入测量臂时，测量臂与参考臂中物质的组成不同，则两臂中热丝的温度、电阻值改变不同，即R1/R2≠R3/R4，A与B两点间的电位差UAB≠0，电桥平衡被破坏，检流计指针发生偏转，记录仪上显示一个色谱峰的信号。当组分完全通过测量臂后，电桥又恢复平衡状态，记录仪又显示出一条基线。52第四节检测器课堂互动请您说出检测器的作用和类型？热导检测器和氢焰离子化检测器各属于哪种类型，其原理为何？53第五节分离操作条件的选择第五节分离操作条件的选择一、色谱柱及柱温的选择1．色谱柱的选择主要是固定相、柱长和柱径的选择。

选择固定液一般是利用“相似相溶”原则，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。分析高沸点化合物，可选择高温固定相。

54第五节分离操作条件的选择第五节分离操作条件的选择一、色谱柱及柱温的选择1．色谱柱的选择主要是固定相、柱长和柱径的选择。

选择固定液一般是利用“相似相溶”原则，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。分析高沸点化合物，可选择高温固定相。

55第五节分离操作条件的选择高沸点样品（300~400℃）用比表面积小的载体，低固定液配比（1%~3%）。低沸点样品（沸点＜300℃）宜用高固定液配比（5%~25%），可增大R值，以获得良好分离。难分离样品可采用毛细管柱。在达到一定分离度的条件下应尽可能使用短柱，一般填充柱柱长为1～5m

。色谱柱的内径增加会使柱效下降，一般柱内径常用2～4mm。56第五节分离操作条件的选择2．柱温的选择

柱温的选择原则是：在使最难分离的组分有较好分离度的前提下，尽量采取较低的柱温，但应以保留时间适宜，色谱峰不拖尾为度。

57第五节分离操作条件的选择二、载气及流速的选择根据范第姆特方程,作H-u曲线，如图12-6所示。在曲线的最低点，塔板高度（H）最小，柱效最高，该点对应的流速为最佳载气流速（u最佳

）。在实际工作中，常选择载气流速稍高于最佳流速。

58第五节分离操作条件的选择三、其他条件的选择1．气化室温度气化室温度应高于柱温30~50℃。2．检测室温度一般可高于柱温30~50℃。3．进样量进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。对于填充柱，液体试样的进样一般应小于4μl（TCD）或小于1μl（FID），气体试样为0.1～10ml。毛细管柱需要用分流器分流进样。

59第六节定性与定量分析第六节定性与定量分析一、定性分析（一）定性依据:tR、

VR（二）定性方法1．保留值定性法（1）已知物对照定性将样品与纯组分在相同的色谱分析条件下进行分析，根据各自的保留值进行比较定性。60第六节定性与定量分析（2）相对保留值定性

在无已知物的情况下，对于一些组分比较简单的已知范围的混合物可用此法定性。相对保留值表示任一组分（i）与标准物（s）的调整保留值的比值：

61第六节定性与定量分析（3）保留指数定性保留指数是以正构烷烃系列作为标准，用两个保留值紧邻待测组分的正构烷烃的相对保留值来标定该组分，这个相对值称为保留指数，又称其为Kovats指数，其定义为：在给定条件下进行色谱实验，测定其相对保留值，按上式计算待测组分保留指数，再与手册或文献发表的保留指数进行对照，即可定性。

62第六节定性与定量分析2．官能团分类定性用样品各组分与官能团分类试剂作用，根据反应，如显色或产生沉淀，据此判断该组分具有什么官能团、属于哪类化合物。

63第六节定性与定量分析二、定量分析（一）定量依据:mi=fiAi1．峰面积的测量（1）峰高乘以半峰宽法此法适用于对称色谱峰，计算公式为：（2）峰高乘以平均峰宽法此法适用于不对称色谱峰，计算公式为：

（3）其他方法

64第六节定性与定量分析2．定量校正因子绝对校正因子是指单位峰面积所代表的组分的量:相对校正因子，是待测物质i与标准物质s的绝对校正因子之比，其中质量校正因子最常用，即：

65第六节定性与定量分析3．定量计算方法（1）归一化法归一化法各组分含量计算公式为：

（2）外标法外标法是用待测组分的纯品作对照物，配制一系列不同浓度的标准液，进行色谱分析，以峰面积对浓度作工作曲线。在相同操作条件下，对试样进行色谱分析，算出样品中待测组分的峰面积，根据工作曲线即可查出组分的含量。

66第六节定性与定量分析外标一点法若工