第十二章气相色谱法

第二十一章气相色谱法

GasChromatography目的要求：

1.掌握气相色谱（GC）过程中常用的术语和基本原理。2.掌握各种GC定性、定量方法。（重点）3.熟悉气相色谱的一般操作技术。4.熟悉色谱柱的制备及热导检测器（TCD）、氢焰离子化检测器（FID）、电子捕获检测器（ECD）.（难点）知识回顾1.色谱法及其基本理论2.色谱法相关基本术语3.色谱法分类1)按两相状态分类2)按分离机理分类3)按操作形式分类流动相固定相类型分离机理液体液体气体气体固体液体固体液体液-固色谱（LSC）液-液色谱（LLC）气-固色谱（GSC）气-液色谱（GLC）吸附分配吸附分配色谱法的分类

第一节概述定义:以气体为流动相的柱色谱法称气相色谱法。气相色谱过程：待测物样品被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。气相色谱法的发展1)1941年马丁和辛格提出气体作为流动相.2)1952年研究了较完整的气-液色谱方法.3)1957年开创毛细管气相色谱.4)毛细管气相色谱与其他仪器的联用拓宽了应用范围.如:GC-MS,GC-NMR,GC-FTIR等弥补了气相色谱定性分析能力差的弱点,成为分析复杂混合物的有力工具.二、气相色谱法的分类

气－固色谱（固体吸附剂）1．按固定相分

气－液色谱（载体上涂渍液体的固定相）

吸附色谱2．按分离原理分

分配色谱

3.按柱子粗细分

填充柱色谱（固定相装在金属管柱或玻璃管柱内）

毛细管柱色谱

空心毛细管柱色谱填充毛细管柱色谱（固定相装到玻璃管内再拉成毛细管）三、气相色谱法的特点和应用1.特点：高分离；效能高；高灵敏度；分析速度快；应用范围广（3快1快广）2.应用①适于分析气体、易挥发的液体及固体.②不适合分析不易气化或不稳定性物质.③样品的衍生化使应用范围进一步扩大，占有机物20%。优点:对混合物进行分离的同时,可对被分离的组分进行定性和定量分析.应用领域:广泛应用于石油、化工、环境保护、食品分析、农药分析、临床分析、药物分析、纯物质制备等.

四.气相色谱法的基本原理

(一)、气相色谱法（GC）的基本概念1.柱效能指标1）理论塔板数N：2）理论塔板高度H：H=L/N3）有效塔板数4）有效塔板高度H：H=L/N2.分离度R：R=2（TR2-TR1）/（W1+W2）3.色谱流出曲线、基线1）流出曲线（色谱图）:电信号强度随时间变化曲线。色谱峰：流出曲线上突起部分。(二)、气相色谱法的基本理论1.

塔板理论

贡献：1）解释了色谱流出曲线的形状和浓度极大点的位置，阐明了保留值tR与K的关系。2）提出了评价柱效高低的n和H的计算式。3）在比较相似柱的柱效时有用。4）须在给定条件，指定组分测定时才有意义2.速率理论H=A+B/u+Cu1).涡流扩散项A使用适当细粒度和颗粒均匀的担体,尽量填充均匀,是减少涡流扩散,提高柱效的有效途径2).分子扩散项(纵向扩散项)B采用相对分子质量较大的载气;担体填充均匀,可减少分子扩散,采用较高的载气流速,控制较低的柱温。3).传质项C:采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可提高柱效，固定相的液膜厚度薄，组分在液相的扩散系数大，则液相传质阻力就小。第二节气相色谱仪(见教材270页)一、气相色谱仪的基本流程气

相

色

谱

仪

1二、气相色谱仪的基本结构

1.气路系统:载气连续运行的密闭管路系统。2.进样系统:包括进样装置和气化室。3.分离系统:由色谱柱和柱温箱组成。4.检测系统:将载气中被分离组分的浓度或质量信号转变成易于测量的电信号。5.温度控制系统:用来设定、测量气化室、色谱柱室和检测器室三处的温度。6.数据处理系统:由记录仪、积分仪、数据处理机组成。(一)气路系统主要有气源系统、净化系统、阀件系统、应用系统作用:获得纯净、流速稳定的载气。部件:包括压力表、流量计及气体化装置。过程:载气由气源出来后经过减压阀、压力表、净化器、气体流量调节阀、转子流量计、汽化室、色谱柱、检测器、然后放空。载气：要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相匹配。净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂质。压力表：多为两级压力指示：第一级,钢瓶压力(总是高于常压)。第二级,柱头压力指示，对填充柱：10-50psi；对开口毛细管柱：1-25psi。流量计：在柱头前使用转子流量计，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计测流速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。（二）进样系统

常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入汽化室(汽化室温度比样品中最易蒸发的物质的沸点高约50oC)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。

进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20L，对毛细管柱分离，体积约为10-3L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。(三)分离系统分离系统由柱箱和色谱柱组成，是气相色谱仪的关键部分。柱箱：一般为配备隔热层的不锈钢壳体,内装一恒温风扇和测温热敏元件,由电阻丝加热，电子线路控温。PackedGCcolumnCapillaryGCcolumn

色谱柱：通常是由玻璃、石英或不锈钢制成的圆管，管内装有固定相。分为装满填料的填充柱和空心的开管柱。填充柱与开管柱的比较不同色谱柱的截面示意图参数内径/mm常用长度/m每米柱效n柱材料柱容量程序升温应用固定相填充柱U形或螺旋形3-60.5-3～1500玻璃、不锈钢mg级较差载体＋固定液WCOT0.1-0.5310-60～3000熔融石英<100ng较好固定液PLOT0.05-0.3510-100~2500熔融石英ng-mg尚可固体吸附剂A-填充柱；B-壁涂开管柱（WCOT）；C-多孔层开管柱（PLOT）开管柱的特点:开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高(n可达106)、分析速度快、样品用量小。过去是填充柱为主，但现在，这种情况正在迅速发生变化，除了一些特定的分析之外，填充柱将会被更高效、更快速的开管柱所取代！

柱温：是影响分离的最重要的因素。其变化应小±0.X℃。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。

柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。程序升温与恒温对分离的影响比较恒温:45℃温度高，分析时间短，但分离效果差12345恒温:145℃1-45678温度低，分离效果较好，但分析时间长123456789程序升温:30~180℃分离效果好，且分析时间短101010203020302030Timemin(a)(b)(c)000(四)检测系统

检测器是将载气中被分离组分的浓度或质量信号转变成易于测量的电信号，由记录仪记录成色谱图，供定性、定量分析用。(五)温度控制系统

温控系统是用来设定、控制、测量汽化室、色谱柱室和检测器室三处的温度，直接影响色谱柱的选择性、分离效率以及检测器的灵敏度和稳定性。

控温方式：恒温和程序升温。温度选择：第五节色谱条件的选择中作介绍，此处略。温度控制是否准确、升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。(六)数据处理系统

色谱工作站数据处理系统(电脑)色谱软件作用:对色谱图给出的信息进行处理，打印出操作条件、定性和定量分析结果，以及控制实验条件。第三节色谱柱

填充柱按色谱柱内径和固定相填充方式毛细管柱填充柱:固定相填充在内径约3~6mm的螺旋柱管内而制成的色谱柱。毛细管柱:内径只有0.2~0.5mm的高效能色谱柱。色谱柱是气相色谱的心脏部分，样品中各组分能否完全分离主要取决于色谱柱的效能和选择性。

柱体色谱柱固定相一.固定相

吸附剂:硅胶、氧化铝固体聚合物固定相:多孔聚合物固定相化学键合固定相液体固定液载体(一)吸附剂硅胶：强极性吸附剂活性炭：非极性分子筛：强极性,吸附+分子筛氧化铝：中极性，吸附力强应用:分离极性较强的物质(二)聚合物固定相

高分子多孔微球:GDX聚合物固定相有机合成高分子聚合物:吸附＋分配机制应用:分析氨、氯气、氯化氢、卤代烷、烃类、醇、醛、酮、酸、酯等含氧有机物.(三)固定液

1.对固定液的要求①操作柱温下固定液呈液态（易于形成均匀液膜）。②操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好。③固定液的蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）。④固定液对样品应有较好的溶解度及选择性。2.分类

（1）按极性分类相对极性(P)法：规定非极性固定液角鲨烷的相对极性为0，强极性固定β,βˊ-氧二丙腈的相对极性为100。选一对物质，分别测其在两种固定液和被测固定液上的相对保留值的对数，求相对极性PX，据PX来判断被测固定液的相对极性。q1，q2，qX分别为苯和环己烷在β,βˊ-氧二丙腈和角鲨烷和待测固定液上q值P=0～20为非极性,21～40为弱极性,41～60为中等极性，61～100为强极性.(2)按化学类型分类

A．烃类：烷烃，芳烃例:角鲨烷——标准的非极性固定液B．硅氧烷类：（1）甲基硅氧烷：弱极性（2）苯基硅氧烷:极性稍强（随苯基↑极性↑）（3）氟烷基硅氧烷：中等极性（4）氰基硅氧烷：强极性C．醇类（氢键形固定液）D．酯类：中强极性固定液3、固定液的选择1)按相似相溶原则选择2)按化学官能团相似选择3)按组分性质的主要差别选择1)按极性相似相溶原则选择：固定液与被测组分极性“相似相溶”，K大，选择性好非极性组分——选非极性固定液，按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱中等极性组分——选中等极性固定液，基本按沸点顺序出柱强极性组分——选极性固定液，按极性顺序出柱，极性强的后出柱

注：对于中等极性组分，若沸点相同，则按极性顺序出柱，极性较强的后出柱2)按化学官能团相似选择：固定液与被测组分化学官能团相似，作用力强，选择性高酯类——选酯或聚酯固定液醇类——选醇类或聚乙二醇固定液3)按组分性质的主要差别选择组分的沸点差别为主——选非极性固定液，按沸点顺序出柱，沸点低的先出柱。组分的极性差别为主——选极性固定液，按极性强弱出柱，极性弱的先出柱。例：苯（80.10℃），环己烷（80.70℃）选非极性柱——分不开；选中强极性柱——较好分离，环己烷先出柱。①非极性组分——非极性固定液——色散力——沸点低的物质先流出；②中等极性组分——中等极性固定液——色散力、诱导力——沸点顺序出柱；③极性物质——极性固定液——定向力——极性小的物质先流出；④氢键型物质——氢键型固定液——氢键力——不易形成氢键的物质先流出；⑤沸点差别为主的组分——非极性固定液——色散力——沸点低的物质先流出；⑥极性差别为主的组分——极性固定液——定向力、诱导力及色散力——极性小的物质先流出；⑦复杂混合物——两种或以上混合固定液；二、载体1.作用：承载固定液的作用。2.要求（1）比表面积大（多涂渍固液）（2）无吸附性（不吸附被测分）（3）化学惰性（不与固定液发生化学反应）（4）热稳定性好（5）一定的机械强度3.分类（1）硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒红色：吸附力强，与非极性物质配伍白色：吸附力弱，与极性物质配伍（2）非硅藻土类：玻璃微球，石英微球，聚四氟乙烯4.载体的处理方法：钝化，减弱吸附性酸洗：用于分析酸类和酯类；碱洗：用于分析胺类等碱性化合物；硅烷化：用于具有形成氢键能力的较强的化合物表面釉化。回忆1.气相色谱仪的结构（六个系统）2.气相色谱仪色谱柱的分类3.固定液相对极性的计算中选择的物质的类别。4.固定液的选择原则（相似相溶原则、化学官能团相似、组分性质的主要差别）5.毛细管气相色谱的速率方程及最佳载气流速。第四节检测器检测器是将流出色谱柱的载气中各组分的浓度或质量转变成相应的电信号(电流、电压等)的一种装置。一、各类检测器介绍气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器：1.热导检测器(TCD);2.氢火焰离子化检测器(FID);3.电子捕获检测器(ECD);4.火焰光度检测器(FPD);5.氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(TID);6.原子发射检测器(AED)

浓度型检测器根据检测器的响应原理质量型检测器浓度型：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比。组分的进样量一定时，色谱峰高基本上与载气流速无关，而色谱峰面积则与载气流速成反比。如热导检测器和电子捕获检测器。

质量型：检测器输出信号的大小取决于组分在单位时间内进入检测器的量，即响应值与单位时间进入检测器的量成正比。当组分进样量一定时，色谱峰面积则与载气流速无关，而色谱峰高与载气流速成正比。如氢火焰离子化检测器、火焰光度检测器、氮磷检测器等。(一)热导检测器

(ThermalConductivityDetector,

TCD)TCD是一种应用较早的通用型检测器，又称导热析气计。现仍在广泛应用。主要部件为热导池（池体与热敏元件）与检测电桥。1.原理：由于不同气态物质所具有的热传导系数不同，当它们到达处于恒温下的热敏元件（如Pt,Au,W,半导体）时，从热敏元件上带走不同的热量，从而引起热敏元件温度改变，电阻值也改变，将引起的电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号，从而实现其检测功能。2.特点：对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。3.载气的选择若λ组分=λ载气，则不产生信号。化合物λ×102化合物λ×102氢气22.36乙烯3.10氦气17.42丙烷2.64空气3.14苯1.84氮气3.14乙醇2.22甲烷4.56丙酮1.764.影响TCD灵敏度的因素：在允许的工作电流范围内，工作电流越大，灵敏度越高，一般控制在100-200mA左右钨丝与池体温差越大，灵敏度越高,但避免冷凝样品，一般不低于柱温热导系数大的载气，灵敏度高，常用载气热导系数大小顺序：H2>He>N2阻值高、电阻温度系数大的热敏元件，灵敏度高，一般选用铼钨丝。1)桥电流

2)池体温度3)载气

4)热敏元件阻值此外，还取决于池体的体积和载气的纯度。

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。(二)氢火焰离子化检测器

(Flame-IonizationDetectors

FID)又称火焰离子化检测器。主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。

1.原理:H2与O2燃烧为能源，N2携带组分和H2进入检测器O2从四周导入，含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，正负离子朝相反电极移动，在电场作用下形成离子流，然后被收集极收集、输出、经阻抗转化，放大器放大而获得可测量的电信号，根据电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。

火焰离子化检测器示意图

2.结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。3.工作过程：在检测池来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-7A）。1.收集极2.极化环3.氢火焰4.点火线圈5.微电流放大器6.衰减器7.记录器4.火焰离子化机理:

有关机理并不十分清楚，但通常认为是化学电离过程：有机物燃烧产生自由基，自由基与O2作用产生正离子，再与水作用生成H3O+。火焰离子化机理H2H2H2H2H2H2CH4CH4CH4CH4CH4CH4CHO+CHO+CHO+CHO+CHO+CO2CO2CO2H02H02H02H02H2H2H2H2H2H2columnjet

5.影响FID灵敏度的因素：

(1)载气和氢气流速：通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2=1:1~1:1.5；(2)空气流速：流速越大。灵敏度越高，到一定值时，空气流速对灵敏度影响不大。一般地，H2:Air=1:10。(3)极化电压：在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择100～300V的极化电压。(4)操作温度：比柱的最高允许使用温度低约50oC(防止固定液流失及基线漂移)6.FID特点：(1)灵敏度高(～10-13g/s)；(2)线性范围宽(～107

数量级)；(3)噪声低；(4)耐用且易于使用；(5)为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。在样品量一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控制流速恒定！(6)对无机物、永久性气体和水基本无响应，因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水、N和S的氧化物污染的有机物分析。(7)对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应。(8)样品受到破坏。(三)电子捕获检测器

(Electron-captureDetector,ECD)ECD是一种放射性离子化检测器，属于浓度型专属性检测器。

ECD的关键是反射源：电离能力强、穿透力小，半衰期长，耐高温而不易污染。

ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。1.原理及工作过程：

ECD以β放射源(常用63Ni)为能源。β放射源不断放射出β粒子(初级电子)。在电场作用下，β粒子加速向正极移动，移动过程中与载气(N2或Ar)不断碰撞受粒子轰击而离子化形成次级电子和正离子（N+和Ar

+）。被ECD内腔中的，在电场(直流或脉冲电压)作用下，初级和次级电子向阳级运动，并为阳极收集，产生约10-8~10-9A的基始电流(基流)，也称背景电流(I0)。当电负性的物质AM进入电场，立即捕获电子形成分子离子，在检测器温度较低时，发生非离解型捕获过程，产生负离子而与正离子复合使基线下降出现反峰，最后通过极性转换出现正峰。优点：是最灵敏的GC检测器之一，也是一种选择性很强的检测器，对于含卤素有机化合物、过氧化物、醌、邻苯二甲酸酯和硝基化合物的检测有很高灵敏度，特别适合于环境中微量有机氯农药的检测。ECD原理示意图缺点1.线性范围较窄，一般为103，且检测器的性能受操作条件的影响较大，载气中痕量的氧气会使背景噪声明显增大。存在反射性污染。反射源上的镍片对某些化合物有催化作用。由于反射源稳定性的局限，限制了检测器的最高使用温度。ECD池的体积不可能太小，最小为100uL改进：1.采用脉冲放电电子捕获检测器（PDECD)解决了反射源的污染、减小了池体积、提高了灵敏度。2.采用化学光敏化电子捕获检测器（CS-ECD)解决了ECD的高选择性，扩大了弱电子化合物、烃类和多环芳烃的检测。3.采用光致电离调制电子捕获检测器（PDM-ECD）排除氯代烃对溴代烃和碘代烃的干扰。FPD是对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。(四)火焰光度检测器(FlamePhotometricDetector,FPD)>滤光片放大器记录仪光电管石英窗H2Air载气+组分出口1.FPD结构：喷嘴+滤光片+光电管结构为：气路、发光和光接受三个部分。2.原理：待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物被激发并产生化学发光效应而发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。

FPD结构示意图

含S、P化合物在氢焰中的变化过程如下：(1)含S化合物354~430nm，λmax=394nm

(2)含P化合物480~600nm，λmax=526nm

PO+HHPO*HPO*HPO+hv不足与改进：1.会发生灭火以及响应值会偏离，则采用双火焰故采用双火焰型即DFPD。2.选择性低，采用脉冲式火焰光度检测器（PFPD），目前可以检测28种元素以上（包括无机元素）(五)氮磷检测器(Nitrogen

Phosphorus

Detector：NPD)

1.NPD的结构

NPD早期也称为碱焰离子化检测器(AFID)

，它与FID极为近似，不同之处只在火焰喷嘴上方有一个含碱金属盐的陶瓷珠（铷珠或硅酸铷珠），所用碱金属有Na、Rb和Cs。2.NPD的原理

NPD又称热离子检测器(Thermionic

Detector

，TID)，它是在FID的喷嘴和收集极之间放置一个含有硅酸铷的玻璃珠。这样含氮磷化合物受热分解在铷珠的作用下会产生多量电子，

使信号值比没有铷珠时大大增加，因而提高了检测器的灵敏度。这种检测器多用于微量氮磷化合物的分析中。目前NPD的响应机理有气相电离理论和表面电离理论，但都是使其产生Rb+，而N、P化合物在电离源的冷焰区生成电负性基团（CN、PO、PO2），而电负性基团又从铷原子上获得电子变为（CN-、PO-、PO2-），然后朝阳极移动释放电子并输出信号，同时Rb+回归原位而长期使用。3.操作条件的选择主要为加热电流、极化电压和气体流速（1）加热电流为700-900℃，低于600℃，容易出现溶剂猝灭现象。（2）极化电压为180V以上。（3）气体流速中氢气流速小于10ml/min,氮气流速适宜（过大使电离源温度降低、太低不利于组分参加反应），空气流速适宜。4、NPD的性能

（1）NPD本质上是氢火焰离子化检测器的火焰上加碱金属盐，使之产生微弱的电流，电流的大小与火焰的温度有关，火焰的温度又与氢气的流量有关，所以必须很好地选择和控制氢气的流量。厂家对NPD所用氢气的流量有严格的规定，据有人研究氢气变化0.05%将使NPD的离子流改变1%。

（2）NPD的灵敏度和基流还决定于空气和载气的流量，一般来讲它们的流量增加灵敏度要降低。载气的种类也对灵敏度有一定的影响，用氮做载气要比氦做载气提高灵敏度10%。其原因是用氦时使碱金属盐过冷，造成样品分解不完全。

（3）极间电压与FID一样，在300V左右时才能有效地收集正负电荷，与FID不同的是NPD的收集极必须是负极，其位置必须进行优化调整。

（4）碱金属盐的种类对检测器的可靠性和灵敏度有影响，一般讲对可靠性的优劣次序是K>Rb>Cs，对N的灵敏度为Rb>K>Cs。（六）光离子化检测器（Photoionization

Detector，

PID）

光离子化检测器（Photoionization

Detector，

PID）是一种通用性兼选择性的检测器，对大多数有机物都有响应信号，美国EPA己将其用于水、废水和土壤中数十种有机污染物的检测。

1.光离子化检测器从结构上可分为光窗型和无光窗型两种。(1)

无光窗离子化检测器是一种利用微波能量激发常压惰性气体产生的等离子体，作为光源的光离子化检测器，以石英或硬质玻璃管材料制作。当样品的组分进入光离子化检测器离子化室后，分子组分被高能量的等离子体激发为正离子和自由电子，在强电场的作用下作定向运动形成离子流并输出信号;当分子的电离能高于光子能量时则不会发生离子化效应。如选用氦气作为放电气体，在理论上可检测一切气化的物质。(2)光窗式光离子化检测器它克服了无窗口式光离子化检测器的许多缺陷，主要由紫外光源和电离室组成，中间由可透紫外光的光窗相隔，窗材料采用碱金属或碱土金属的氟化物制成。在电离室内待测组分的分子吸收紫外光能量发生电离，选用不同能量的灯和不同的晶体光窗，可选择性地测定各种类型的化合物。光离子化检测器的特点

1.光离子化检测器对大多数有机物可产生响应信号，如对芳烃和烯烃具有选择性，可降低混合碳氢化合物中烷烃基体的信号，以简化色谱图。

2

光离子化检测器不但具有较高的灵敏度，还可简便地对样品进行前处理。在分析脂肪烃时，其响应值可比火焰离子化检测器高50倍。

3

具有较宽的线性范围(107)，电离室体积小于50μe，适合于配置毛细管柱色谱。

4

它是一种非破坏性检测器，还可和质谱、

红外检测器等实行联用，以获取更多的信息。

5

光离子化检测器和火焰离子化检测器联用，可按结构区分芳烃、烯烃和烷烃，从而解决了极性相近化合物的族分析问题。它还可与色谱微波等离子体发射光谱相媲美，并且直观，方法简便。

6

可在常压下进行操作，不需使用氢气、空气等，简化了设备，便于携带。二、检测器的性能指标理想的检测器应具有的条件：1.适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不，其间应相差达107倍；2.稳定、重现性好；3.线性范围宽，可达几个数量级；4.可在室温到400℃下使用；5.响应时间短，且不受流速影响；6.可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全；7.对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应；8.选择性好；9.不破坏样品。但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。(一)灵敏度(sensitivity,S)又称响应值或应答值，是用来评价检测器质量和与其他类型检测器比较的重要指标。1.定义:以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号(R)作图，得到校正曲线，该曲线的斜率k即为灵敏度S。实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。

(1)浓度型检测器灵敏度(SC)是以每1mL载气中含有1mg的某组分通过检测器时，所产生的电信号(mV)表示。SC常用于固体或液体样品，单位为mV·mL/mg。气体样品时单位为mV·mL/mL。计算公式为:A—色谱峰面积(mV·min);Fo—检测器出口流速(mL/min);W—进样量(mg);C—物质在流动相中的浓度(mg/mL);h—色谱峰高(mV)；

(2)质量型检测器灵敏度(Sm):以每秒钟有1g的某组分，被载气携带通过检测器时所产生的电信号值(mV或A)表示。单位为mV·s/g。它的计算公式为:式中，A—色谱峰面积(mV·min);W—进样量(mg);

(1)浓度型检测器灵敏度(SC)是以每1mL载气中含有1mg的某组分通过检测器时，所产生的电信号(mV)表示。SC常用于固体或液体样品，单位为mV·mL/mg。气体样品时单位为mV·mL/mL。计算公式为:A—色谱峰面积(mV·min);Fo—检测器出口流速(mL/min);W—进样量(mg);C—物质在流动相中的浓度(mg/mL);h—色谱峰高(mV)；

(1)浓度型检测器灵敏度(SC)是以每1mL载气中含有1mg的某组分通过检测器时，所产生的电信号(mV)表示。SC常用于固体或液体样品，单位为mV·mL/mg。气体样品时单位为mV·mL/mL。计算公式为:A—色谱峰面积(mV·min);Fo—检测器出口流速(mL/min);W—进样量(mg);C—物质在流动相中的浓度(mg/mL);h—色谱峰高(mV)；（二）检测限（最小检测量）(detectability,D)

：噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。

从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。检测器响应值为3倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。3N(三)线性范围(linerrange)指检测器的响应信号强度与被测物质浓度(或质量)之间成线性关系的范围，并以线性范围内最大浓度或最小浓度(或最大进样量与最小进样量)的比值来表示。良好的检测器其线性相关系数γ接近1，线性范围宽。线性范围与定量分析有关。第五节色谱条件的选择色谱条件的选择主要依据是分离度方程和VanDeemter方程。HuAB/uCmuCsuHu一、色谱柱的选择

高沸点化合物样品，最好采用低配比，这样可使用较低的柱温，使固定液的选择受“最高使用温度”的限制较少，可供选择的固定液数目增多。但过低配比，固定液不易涂渍均匀，常会造成色谱峰拖尾。低沸点化合物样品，宜用高配比，以便在分配系数很小的情况下，只通过增加固定液的量(Vs)来增加R值，以达到良好的分离。柱长(L):由分离度R的定义可得(根据速率理论）(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2

即柱越长，理论塔坂数越多，分离越好。但分析时间也随之延长，峰宽加大。填充柱长度一般为2~6m，柱内径为3~6mm。二、柱温的选择及程序升温(一)柱温的选择柱温是改善分离度的重要参数，主要在于影响分配系数(K)、容量因子(k)、组分在流动相中的扩散系数(Dm)和组分在固定相中的扩散系数(Ds)，从而影响分离度和分析时间。

降低柱温的优点:增大K值，增加固定相的选择性；降低Dm，从而降低了组分在流动相中的纵向扩散；减少固定液的流失，延长柱寿命和降低检测器的本底。

降低柱温的缺点:由于Ds减小，增大了传质阻抗，造成峰展宽；保留时间变长，分析时间延长。

前提：不能高于固定液的最高使用温度。

一般原则：在使最难分离的组分有尽可能好的分离前提下，同时兼顾保留时间适宜，峰形不拖尾时，采取适当低的柱温，对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法。(二)程序升温

定义:程序升温是指在一个分析周期中色谱柱温度由程序升温控制器按预先设定的程序随时间呈线性或非线性增加，这样混合物中所有组分将在其最佳柱温下流出色谱柱，从而得到良好的分离效果。程序升温与恒温对分离的影响比较恒温:45℃温度高，分析时间短，但分离效果差12345恒温:145℃1-45678温度低，分离效果较好，但分析时间长123456789程序升温:30~180℃分离效果好，且分析时间短101010203020302030Timemin(a)(b)(c)000程序升温气相色谱法应根据样品的性质、组分的保留温度、初期冻结现象、沸点的间隔选择升温方式、起始温度、升温速率、终止温度等程序升温色谱条件，设定适合的升温程序。柱温降低升高传质快、柱效高纵向扩散强、峰拖尾、过高造成固定液流失分析时间长恒温程序升温(宽沸程混合物)实验确定三、载气及流速(u)的选择选择载气主要从三个方面考虑:(1)对柱效的影响；(2)对柱压的影响；(3)对检测器灵敏度的影响。对vanDeemter方程求导得到最佳流速:此时柱效最高。考虑对检测器灵敏度的影响时，用热导检测器，应选用H2或氦气；氢焰检测器，一般用N2。为缩短分析时间，一般载气流速稍高于最佳流速，而柱效下降很少，却节省很多分析时间。常用的载气流速为:20~80mL/min。

四、载体粒度及筛分范围载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的1/20~1/25为宜。五、进样方式及进样量要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。当进样量较小时，峰高与进样量成正比例，保留时间不随进样量变化，两组分分离情况也保持不变。当进样量超过最大允许进样量(柱塔板数下降10%时的进样量)时，色谱柱已超载，柱效大大降低。

对填充柱，气体样品一般为0.1~1mL,液体样品一般为0.1~1μL。六、气化室温度和检测室温度气化温度取决于样品的挥发性、沸点范围及进样量等因素。气化温度一般相当于样品沸点或高于沸点，以保证瞬间气化。但一般不要超过沸点50℃以上，以防样品分解。对一般色谱分析，气化温度比柱温高10℃~50℃即可。检测室温度一般需要高于柱温，可避免色谱柱流出物在检测器中冷凝污染检测器。一般高于柱温30℃，或等于气化温度。检测室温度过高，使用热导检测器时，灵敏度降低。第六节定性分析方法一、样品预处理GC分析对象是在汽化室温度下能生成气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前对样品进行处理。1）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质——柱效下降，需除去。2）非挥发组分——会产生噪声，同时慢慢分解——产生杂峰。3）稳定性差的组分——生成新物质——杂峰。二、定性方法1.用已知物对照定性依据:同一种物质在同一根色谱柱上，相同的色谱条件下，具有相同的保留值。

注意:由于使用的色谱柱不一定适合于标准物质与待定性组分的分离，虽为两种物质，色谱峰也可能产生相互叠加的现象。为此，可采用极性差别较大的双柱定性。具体做法：1）分别以试样和标准物进样分析——各自的色谱图；2）对照：如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样中含有该物质。3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。2.

根据相对保留值ri,s定性：相对保留值是指一组分(i)与标准物质(s)的调整保留值的比值，即:ri,s仅仅取决于它们的分配系数。而分配系数又取决于组分的性质、柱温与固定液的性质，与固定液的用量、柱长、柱填充情况及载气流速等无关。可从GC手册，查找到某物质的相对保留值，进行定性。具体做法：可根据手册规定的实验条件及所用标准物质进行实验。将规定的标准物质加入被样品中，混匀，进样，求算出ri,s再与手册数据对比定性。也可在样品和标准中分别加入同一种基准物s，将样品的ri,s和标准物的ri,s相比较来确定样品中是否含有i组分。3.利用保留指数定性

又称Kovats指数（Ⅰ），是一种重现性较好的定性参数。当固定液和柱温一定时，定性可不需要对照品。测定方法：(1)将正构烷烃作为标准，规定其保留指数为分子中碳原子个数乘以100（如正己烷的保留指数为600）。(2)其它物质的保留指数（IX）是通过选定两个相邻的正构烷烃，其分别具有Z和Z＋1个碳原子。被测物质X的调整保留时间应在相邻两个正构烷烃的调整保留值之间如图所示:保留指数计算方法例:乙酸正丁酯在阿皮松L柱上进行分析（柱温100℃）。测得调整保留时间为：乙酸正丁酯310.0s，正庚烷174.0s，正辛烷373.4s，求乙酸正下酯的保留指数。解：已知Z=7即乙酸正丁酯的保留指数为775.6。在与文献值对照时，一定要重视文献值的实验条件，如固定液、柱温等。而且要用几个已知组分进行验证。4.与其他分析仪器联用的定性方法小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD第七节定量分析方法

GC分析是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测定峰高h或峰面积A。mi=fi’Ai

或mi=Fihi

一、峰面积A的测量hh对称峰：峰高h与半峰宽的积：A=1.065

h

W1/2不对称峰：峰高与平均峰宽的积：A=1/2h(W0.15+W0.85

)二、定量校正因子由于检测器对不同物质的响应不同，所以两个相等量的物质得不出相等峰面积。或者说，相同的峰面积并不意味着相等物质的量。因此，在计算组分的量时需将面积乘上一个换算系数，使组分的面积转换成相应物质的量。即必须将峰面积A乘上一个换算系数进行“校正”。(一）定量校正因子(绝对校正因子)mi=fi′Ai

mi=Ai/Sifi′为比例常数，称为绝对校正因子，其物理意义为单位峰面积(或峰高)所代表的某组分的量。Si称为单位物质的面积响应值（简称响应值）fi′=1/Si注意：用峰高定量时，需求出峰高校正因子(Fi或Sih)mi=Fihifi′是由仪器的灵敏度及色谱条件而决定的，缺乏通用性。(二）相对定量校正因子fi

fi指某物质与标准物质绝对定量校正因子之比。用一个物质作标准，用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积，使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算。采用的标准物因检测器不同而不同：

TCD→苯；FID→正庚烷。

2.相对校正因子的测量准确称取被测物与标准物，混合后进样。从所得色谱图分别求出它们的峰面积，然后通过前述公式计算校正因子（常省去“相对”二字）。必须注意：校正因子只与试样、标准物和检测器类型有关，与其它色谱条件无关。可以查手册得到。校正因子的测定与计算三、定量分析方法(一）归一化法：

要求试样中所有n个组分全部流出色谱柱，并全部出峰！则其中组分i的含量为：若样品中各组分的定量校正因子相近，可将校正因子消去，直接用面积进行归一化计算，即:特点:简便、准确，当操作条件略有变动，或进样量控制得不十分准确时，对分析结果影响很小。缺点:要求所有组分均要流出色谱柱，且在检测器上均可得到相应的色谱峰。必须已知所有组分的校正因子，不适合微量组分的测定。例:某试样中仅含对、邻、间甲基苯甲酸及苯甲酸，并全部在色谱图出峰，各组分相对重量校正因子及色谱图中测得的各峰面积列表如下，用归一化法求出各组分的百分含量(P%)。苯甲酸对甲基苯甲酸邻甲基苯甲酸间甲基苯甲酸fW1.201.501.301.40A80(mm)2450(mm)240(mm)290(mm)2同理得:P苯%=10.12%;P间%=13.28%;P对%=71.13%解:(二)内标法：当样品的所有组分不能都流出色谱柱，或检测器不能对每个组分都产生信号或只需测定样品中某几个组分含量时，可采用内标法。准确称取样品m，加入一定量的某纯物质作内标物ms，然后进行色谱分析。根据待测组分和内标物的峰面积及内标物的重量就可求得待测组分的含量：对内标物要求：1．内标物须为原样品中不含组分;2．内标物与待测物保留时间应接近且R>1.5;3．内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质。内标法优点：进样量不超量时，重复性及操作条件对结果无影响；只需待测组分和内标物出峰，与其他组分是否出峰无关;适合测定微量组分。内标法缺点：制样要求高；找合适内标物困难；已知校正因子。例:无水乙醇中的微量水的测定(内标法)(1)样品配制:准确量取被检无水乙醇100ml，称量为79.3700g。用减重法加入无水甲醇(内标物)约0.25g，精密称定为0.2572g，混匀待用。(2)测得数据:水:h=4.60cm,W1/2=0.130cm甲醇:h=4.30cm,W1/2=0.187cm已知以峰面积表示的相对重量校正因子:f水=0.55；f甲醇=0.58(3)根据分析数据，计算水的百分含量。1.标准曲线法

在待测组分各种浓度标准溶液中，同体积加入相同量的内标物，进样，分别测量标准物与内标物峰面积(或峰高)，以其峰面积比Ai/As对(Ci)s或mi/ms或mi(S)绘制工作曲线，或求出回归方程。样品的测定方法同上，将与上述相同量的内标物加至样品溶液中，用相同方法处理后，进样，分别测量组分与内标物峰面积(或峰高)，以两者峰面积之比，因工作曲线查出或用回归方程计算样品中待测组分的含量。工作曲线法的优点:可以不考虑校正因子。例:麦味地黄丸中丹皮酚的含量测定(内标工作曲线法)1.色谱条件(略)2.标准曲线的绘制精密称取丹皮酚对照品适量，加三氯甲烷溶解制成每1ml含1mg的溶液，作为标准溶液。另取十八烷加丙酮制成每1ml含2mg的溶液，作内标溶液。取标准溶液0.4、0.8、1.2、1.6、2.0ml分别置5个10ml容量瓶中，每瓶各加内标溶液1ml，用三氯甲烷稀释至刻度，摇匀(每ml含丹皮酚分别为40、80、120、160、200μg)。取1μl进样，以丹皮酚峰面积与内标物峰面积之比为纵坐标，丹皮酚绝对量(μg)为横坐标，作图，得回归方程为Y=0.26X-0.12,γ=0.9998

3.样品测定取麦味地黄丸1g，剪碎，精密称定，置10ml容量瓶中，加三氯甲烷-丙酮(2:1)9ml在室温下浸渍1小时，超声波振荡提取20分钟，加内标液1ml摇匀。静置，待澄清后，取上清液1μl进样测定并计算结果。2.内标对比法

这是在不知道校正因子时，内标法的一种应用。在药物分析中，校正因子多是未知的。先称取一定量的内标物，加入到标准品溶液中，组成标准品溶液。然后将相同量的内标物，加入到同体积样品溶液中，组成样品溶液。将两种溶液分别进样，由下式计算出样品溶液中待测组分的含量:

式中:(Ai/As)样品、(Ai/As)标准为样品溶液和标准品溶液中，待测组分(i)与内标物(s)峰面积之比。(Ci%)样品与(Ci%)标准分别为待测组分(i)在样品溶液中和组分标准品在标准溶液中的百分含量(W/V或V/V)。内标对比法特点：不需要求出校正因子；进样量对结果影响不大。注：对于正常峰，可以h代替A计算含量例:曼陀罗酊含醇量测定(内标对比法)中国药典规定其含醇量为40~50%。(1)标准溶液配制:准确吸取无水乙醇5ml及丙醇(内标物)5ml，置100容量瓶中，加水稀释至刻度。(2)样品溶液的配制:准确吸取样品10ml及丙醇5m