毛细管气相色谱分析法课件

色谱分析

——研究生2/8/20231第一节毛细管色谱柱的分类一、毛细管色谱柱的分类涂壁开管柱（WCOT)开管柱壁处理毛细管柱(WTOT)

毛细管柱填充柱填充毛细管柱微型填充柱2/8/20232二、毛细管柱速率理论（一）纵向扩散项峰展宽主要由气相分子扩散引起的。

B=2Dm（二）传质阻抗项1.气相传质阻抗2/8/202332/8/20235与填充柱速率理论比较：（1）毛细管柱中，A=0（2）在毛细管柱中，因无填料，因此，阻碍因子γ=0（3）在毛细管柱中，以柱半径r代替填料颗粒直径dp，且Cs一般比填充柱小，气相传质阻抗常为色谱峰展宽的重要因素。2/8/20236三、速率方程讨论（一）最小理论塔板高度2/8/20237例1用内径为0.25mm的毛细管柱进行分析，样品为正庚烷。载气为氮气。正庚烷在氮气中的扩散系数Dm＝0.038cm2/s。当k=0时，uopt=21.0cm/s；当k=5时，uopt=7.3cm/s；当k=∞时，uopt=6.4cm/s。载气为氢气。正庚烷在氢气中的扩散系数Dm＝0.095cm2/s。当k=0时，uopt=52.4cm/s；当k=5时，uopt=18.2cm/s；当k=∞时，uopt=16cm/s。2/8/20239当用氮气为载气时，要得到最小理论塔板高度，所需最佳流速比较小；当用氢气为载气时，要得到最小理论塔板高度，所需最佳流速比较大。计算出来的uopt很小，分析时间就要长，所以实际操作时，载气的流速要高于uopt。研究表明，使用比uopt更高一些的载气流速，并使用较长一些的色谱柱，以补偿因流速增加而降低了的柱效，这样就会节省分析时间。2/8/202310例2100ft(1ft=0.3048m)长，内径0.5mm毛细管柱，H2作载气，uopt=16cm/s（正庚烷），如果线速度增加一倍，则洗脱时间减半，板高只增加25％，如果柱长增加25％以保持同样柱效和分离度，则分析时间可缩短5/8。2/8/2023112/8/202313（1）一般内径250μm的柱，样品容量约为100ng，而30μm柱，样品容量低于1ng。样品容量低，对仪器要求苛刻，检测器的敏感度要小于10－11g／s。（2）整个系统的流失、污染和鬼峰都要尽量排除。（3）检测器的死体积要小，要加尾吹气。当尾吹气为30ml/min时，对250μm柱，检测器死体积大于25μl，会引起1％峰展宽。对30μm柱，检测器死体积超过10ml，就会引起1％峰展宽。2/8/202314（4）检测器时间常数，对250μm柱，时间常数为50ms，就会引起1％峰展宽；30μm柱，时间常数为25ms就会引起1％峰展宽。而且随柱内径继续减小，所需时间常数急剧下降。（5）样品容量低，采用冷柱上样比较困难，而且分流进样时，需要很大的分流比，因此必须注意分流线性及定量失真问题。（6）载气流量小，柱口压力大（约15大气压），目前仪器难以解决。2/8/202315（二）载气的选择根据以下三个因素选择载气：（1）分离效能和分析速度；（2）检测器的适应性和灵敏度；（3）载气的物理化学性质，如柱压降、安全性、纯度和价格等。在毛细管柱色谱中，常用H2、N2和He，不同的载气对Golay曲线的影响如下图。2/8/2023172/8/202318从曲线极小值和它的平坦程度可以看出：H2作载气时，它的最佳柱效和N2差不多，可是它的最佳载气线速度却比N2大4倍。所以多采用H2作载气。2/8/202319（2）分析高挥发性、保留值小的物质时，液膜厚度要大于1μm。（3）液膜厚度还与毛细管柱的内表面性质、固定液的黏度、固定液的扩散系数和极性等有关系。有些固定液如SE-30，液膜增厚对柱效影响不大；有些固定液如OV-225，液膜增厚对柱效影响明显。2/8/202321柱直径、液膜厚度需要与柱容量和柱效综合考虑。为了快速分析，往往用柱内径小、薄液膜的柱。近年来，发展了大口径和厚液膜柱，使柱效和柱容量得到合理的折中。其相互关系如下图：2/8/202322图2－1－10柱内径、液膜厚度对柱效和柱容量的影响2/8/2023232/8/202325容量因子与分配系数成正比，所以在限定的范围内，容量因子与温度有下列关系：2/8/202326当柱温从95℃降至74℃时，容量因子增大89％，而相对保留值仅增大2.8％。与此同时，达到同样的分辨率所需的理论塔板数将降低为29％。结论：降低柱温，可增大容量因子，改善分离度，但降低柱温要适当，以保留时间合适和不脱尾为宜。对复杂的样品应采用程序升温。2/8/202329五、毛细管柱气相色谱系统（一）进样系统

进样器（样品导入部件）进样系统分流器分流比阀针形阀和电磁阀2/8/2023302/8/202331毛细管柱色谱进样方式分为两类：分流进样和不分流进样。根据操作方式，不分流进样又包括柱上进样和直接进样。1.分流进样法让较大体积的样品先进到流量较大的载气中，汽化后，将混合物分流成两个流量悬殊的部分，只将其中较小的部分送进柱子，这就叫分流进样。2/8/202332例如，载气总流速为101ml/min，通过柱子的流速为1ml/min，那么向体系中注入1μl液体样品时，实际进入柱子的体积为0.01μl。（1）分流比的测定分流比为进柱的样品组分的物质的量与放空的样品组分物质的量之间的相对值。

2/8/202333假定所进样器完全汽化，并与载气充分混合，则样品通过分流进样器进入柱子的流量Fc，与通过分流器放空的流量Fv之比。分流比=Fc/Fv也有把分流比定义为样品进入汽化室后，进样器中总的流速（Fc+Fv）与柱流速之比。分流比=（Fc+Fv）/Fc2/8/202334例

柱出口流速为1ml/min，分流器放空的流速为100ml/min，则分流比为1:100或100:1，前一种表示方法较常用。Fc和Fv可以通过一个合适的泡沫流量计测量，由于载气通过毛细管柱的流量很小，用泡沫流量计不易测量，Fc也可以通过计算求出。2/8/202335r——毛细管柱的半径（cm）；L——毛细管柱的柱长（cm）；tm——甲烷的保留时间（min）

也可写成：2/8/202336（2）分流进样器的线性

所谓线性分流是指样品组分经过分流器分出的一小部分的量进入柱子时，它能够代表原样品中组分的含量。对一个设计合理的分流器（即线性好的分流进样器），样品中的每一组分都能准确地分流成相同的比例，而与组分的化学性质、沸点差异以及浓度大小等因素无关。2/8/202337

线性不好的分流进样器，往往使被分流进入柱子的组分含量与原始样品中组分的含量不同，即产生样品的失真。样品失真的原因：①分流进样器本身设计的不合理因素②分流比的大小一般由所用毛细管柱所允许的有效样品体积或样品量所决定。分流比常在1:（100～200）下进行。2/8/2023382/8/202339分流器温度250℃，试验混合物为十三烷（熔点235℃）、十五烷（熔点271℃）、十四烷（熔点254℃）和十六烷（熔点287℃）。由图可以看出，在分流比小于1：100时，样品失真。沸点高的组分进入柱子的比例大（响应值大），沸点低的组分进入柱的比例小。当分流比提高到1：100以上时，所有组分的分流线性都变好了。造成这种情况的原因是，高沸点的组分因汽化较慢，在分流比较低时，它会在一段较长的时间进入色谱柱。2/8/202340③分流进样器的温度

分流进样器的温度应接近于样品中沸点最高的组分的沸点温度。

特别在分流比较低时，进样器的温度低，对样品组分的失真影响更大。

当分析的是对热不稳定的样品时，不能使用较高的进样温度，可以用提高分流比的办法或其他进样方法来减小样品组分失真的程度。2/8/202341④样品与载气的充分混合

样品注入汽化室后，必须进行充分的混合，否则样品组分失真也会增大。

使样品和载气在汽化室中充分混合均匀的有效办法是在汽化室内松散地填充玻璃毛或者玻璃珠。为了防止样品的吸附，玻璃毛或玻璃珠最好硅烷化。2/8/202342⑤进样体积对样品组分失真的影响

当进样体积很小时，由于注射器体积的消耗，相对来说，往往是样品中易挥发的组分比不易挥发组分进入色谱柱多。所以在样品的回收中就出现严重的失真。进样体积小于0.2μl时，对宽沸程范围的样品，用分流进样法不能做定量分析。

2/8/202343（3）分流进样法的优缺点

分流进样法是使用最多的一种进样方法。它在分析高浓度的组分（浓度范围在0.01%~10%）以及各组分的浓度分布均匀的样品可以得到很好的定量结果，分流进样法的优点：①在高分流比下（分流比高于1：100），样品起始组分的谱带扩展很小，出峰尖锐。2/8/202344②操作方便。能根据所用样品的体积和浓度，很容易地调节分流比值。

③很容易自动操作。用自动进样法可以得到重复性很好的保留时间和精度较高的定量结果。④在等温和程序升温操作时，结果的重复性都较好。2/8/202345分流进样法缺点：

①当分析的样品组分浓度范围较宽，沸点范围也宽时产生分流失真；②浓度低和沸点高的组分样品回收率低，定量的精密度差；③不适宜于痕量分析；④当在高分流比时载气消耗量大，测定的精密度和准确度依赖于进样的操作技术和重复性。2/8/2023462、不分流进样法

经典分流进样技术，由于不能很好地适用于痕量组分分析，所以后来又出现了多种全样品进柱的不分流进样技术。不分流进样技术是由Grob等提出，所以又称为Grob不分流进样技术。不分流进样同分流进样相比，痕量组分的绝对进样量明显增加，峰形尖锐，检测灵敏度可高出1~3个数量级，而且准确度也高。因此，它在天然产物、食品、香料、生物代谢物质、药品和环境样品等高度稀释溶液的痕量和超痕量分析中得到了广泛应用。2/8/202347（1）基本原理不分流进样可以看成是利用进样时暂时关闭分流阀和溶剂效应（或同时借助冷捕集效应），并结合进样后的系统清洗措施进行稀溶液全样品直接进样，从而实现毛细管色谱痕量分析的一种色谱进样技术。2/8/202348①采用较低的汽化室温度和进样速度，避免汽化室的严重过载，因此允许使用较大的进样量。②利用溶剂效应对因缓慢进样和汽化而扩展开来的样品蒸汽，塞子重新进行了凝聚锐化。③进样垫片清洗措施克服了进样器内部的吸附、溶剂峰的扩展和拖尾现象。2/8/202349（2）不分流进样特点和使用局限性1）特点

①进样量大，样品全部进柱，色谱峰绝对响应值高。特别适用于有机溶剂稀溶液样品的直接分析。②汽化室温度较低且不要求动力学分流，较好地消除了样品的吸附、分解和失真。适于热敏感性及极性样品分析，进样垫使用寿命较长。2/8/202350③进样垫片清洗措施清除了因样品蒸汽的反扩散、吸附和垫片流失所造成的色谱峰拖尾和鬼峰干扰，缩短分析时间。④对各组分含量悬殊不大的多组分混合物，若可以用低起始柱温的程序升温方式时，也可以采用不分流进样。⑤节省样品，对来之不易和数量有限的样品更有实际意义。

2/8/2023512）使用局限性常量分析样品（约200μg/ml以上）应事先用适当溶剂稀释到10-4~10-5；溶剂纯度要求高，沸点至少应比最先流出的组分沸点低20℃；

时间短于溶剂峰的组分无法利用溶剂效应；

2/8/202352分子量高过下列物质的样品不宜使用：正构烷为C36，甲酸甲酯类为C80，多环芳烃为六苯并苯；

流出较早物质的保留时间重复性较差，其精度取决于进样量的重复性；

定量精确度与较多的操作因素有关。

2/8/202353（3）溶剂效应

溶剂效应是利用受控制的溶剂蒸汽膜去进行溶质的浓缩、聚焦过程，在不分流进样和冷柱头进样技术中都具有重要意义。当样品被引入到温度比溶剂沸点低20～40℃的柱入口时，样品中的溶剂便首先沿着载气方向在柱入口冷凝成一层越来越厚的临时性液膜（冷凝溶剂区或冷凝溶剂谱带），2/8/202354造成该区内相比β随液层厚度增加而呈现“表现性”递减，从而迫使容量因子k明显增大，结果导致样品组分在溶剂区中的溶解保留作用相应增大。由于样品蒸汽谱带的前沿总是在一个越来越厚的液膜上移动，其后部总是在一个相对较薄的液膜上移动，后部的移动速度就比前沿部分快些，结果沸点较高的样品组分谱带就被压缩变窄或被聚焦。上述这个现象就叫溶剂效应。

2/8/202355（4）操作条件的选择不分流进样在实际使用中，其成败决定于实验条件的优化。

最重要的参数是样品量、溶剂选择、注射速度、吹洗汽化室的时间、汽化室温度、起始柱温、载气种类和流速。

2/8/202356溶剂的选择不分流进样溶剂的选择，要视样品的挥发度（决定所用的起始柱温）、柱固定液的类别以及样品组分的类型等通过反复试验的方法选择最适用的溶剂。当所用的溶剂沸点比柱温低时，溶剂在柱头不冷凝，就起不到溶剂效应的作用；

2/8/202357

如果所用溶剂的沸点太高，则溶剂与样品组分的分离会遇到困难；

一般所用溶剂的沸点比程序升温时的起始柱温高20~30℃为宜。常用溶剂建议使用的起始柱温：

2/8/202358如何获得理想的溶剂效应，不分流进样能否成功，关键在于在正式色谱分离之前在柱入口处能否形成合乎要求的冷凝溶剂谱带或溶剂区，冷凝溶剂区太小太薄不行，起不到峰冷聚焦作用，溶剂区过大也不好，会损害柱膜。因此，所谓操作条件的选择主要是如何获得理想溶剂效应的条件选择。2/8/202359溶剂效应的大小主要受柱温、溶剂挥发度和进样量三个因素控制。

如果上述三个因素的最佳值都不清楚，则应先在溶剂沸点以下10~20℃的柱温下用注射1μl样品开始试验，如此时溶剂效应不足（早出的峰过宽），则宜慢慢降低柱温或增大进样量，一旦获得满意的分离效果后即应立即停止试验。2/8/2023603、直接进样法使用分流进样法，样品中含量低的组分往往不易监测，而不分流进样法需要将样品用溶剂稀释。

直接进样法样品可以不经过稀释，直接进入汽化室汽化，再进入柱内。

由于不利用溶剂效应，起始柱温可以根据分析要求自由选样。由于样品直接进入柱内，常使用柱容量大的大口径毛细管柱（一般0.4~0.8mm内径）。2/8/202361直接进样法用在等温操作时，进样量要尽可能小（一般小于0.5μl），以减小起始峰变宽而损失柱效。进大量样品时（大于0.5μl），使用程序升温操作。直接进样法的主要优点在于，当样品浓度差别很大时，直接进样可以得到较好的分析结果。2/8/2023624、柱头进样法柱头进样法是特制的微量注射器（具有非常细的注射针头，外径约0.18mm，常用石英或不锈钢制备），将样品直接注入到柱的顶端。进样器不加热，而用气体冷却（因此又叫冷柱头进样法）。样品柱入柱头后，然后程序升温对样品进行分离。2/8/202363柱头进样法与不分流进样法一样，采用了冷捕集技术和溶剂效应。首先使样品在柱头进行预浓缩，然后再进行色谱分离，因此对沸点范围宽的样品可以得到非常好的重复性和定量准确度。柱头进样法除了对宽沸程范围的样品可以具有非常好的重复性和定量准确度外，还有以下优点：

2/8/202364①可以分析对热不稳定的化合物；

②能够定量分析不易挥发的样品；

③因为不分流可以节约载气和样品用量；

④由于是冷柱头进样器不加热，避免了由橡皮垫的热分解的流失造成的鬼峰。2/8/2023655、进样方法的选择

选择进样方法，要根据分析对象、样品浓度、沸点范围以及样品对热的稳定性方面综合考虑。

分流进样法：分析的样品组分浓度0.01%~10%范围内，不分流进样法：浓度低于0.01%的组分，且样品来源小时。柱头进样法：用于对热不稳定样品，如生化样品的分析等。

直接进样法：若样品中各个组分的浓度差别较大，可以考虑采用此法进行分析。2/8/202366六、程序升速毛细管气相色谱法程序升速（carriergasflowprogramming）是一种逐渐增加柱中载气流速的方法，可以减少分析时间，提高较易保留成分的检测灵敏度。

程序升速具有以下几个优点：①具有较高沸点的化合物可以在较低的柱温下以较快速度流出。2/8/202367②与程序升温相比较，程序升速的基线稳定性较好，柱寿命也较长。同时固定液的蒸发速度，随流速增加呈线性关系变化，随温度增加呈指数关系变化。③可以在较低柱温下，分析热不稳定化合物，这对分离是有利有。④用于空心毛细管柱特别有利，因为板高对平均线速作用，曲线比较平坦。

2/8/202368⑤不需要特殊的设备，只需调整柱入口压力。⑥每个程序开始，载气流速能很快恢复，这样可以有效利用时间。载气流速程序能分步变化或连接变化，低载气流速是用于高挥发性成分，接着增加流速用于流出较强保留的成分。

2/8/202369在色谱柱中，载气速度的平均值随柱入口压力增加而呈线性增加。假如柱入口压力随时间变化，而且以指数形式增加，溶质保留时间则随之减少，同时减少的情形是类似于程序线性升温所得的情况。2/8/2023702/8/202371同时采用程序升速和程序长温，进一步减少分析时间。程序升速需要使用一入口高压控制阀，以及一个相匹配的检测器。程序升速结合短柱可以大大地减少分离简单化合物的时间。短柱程序升速的优点是容易得到宽程度升速范围，不需要太高的入口柱压，同时在运行一个周期后，流速能很快恢复，这样运行周期之间的间隔很短。

2/8/202372七、

程序升温毛细管气相色谱法（一）程序升温色谱法的特点①对具有宽沸程样品，可获得良好的分离，并且缩短分析时间。

②采用程序升温，可以利用溶剂效应、冷阱或溶质集中技术，从而可减少由于大体积，慢进样而引起的谱带展宽。2/8/202373③重复多次分析，重现性较好。④可提高样品的检测灵敏度。（二）保留温度在程序升温中，某组分的浓度极大值流出色谱柱时的柱温，称为该组分的保留温度，以TR表示。TR为程序升温的基本参数，它的重要性可与恒温色谱中的保留体积或保留时间相比，对每一个组分在一定的固定液体系中，TR是定性数据。

2/8/2023741.程序升温方式（1）线性升温柱温T随时间t成比例增加：

TR=T0+rtR

T0——起始温度；r——升温速度，℃/min；tR——程序升温中某组分的保留时间；TR——该组分的保留温度。2/8/202375（2）非线性升温①线性－恒温加热

首先线性升温到固定液最高使用温度，然后恒温到最后几个高沸点组分冲洗出来，适于高沸点样品分离。②恒温-线性加热先恒温分离低沸点组分，再线性升温到分离完成。2/8/202376③恒温-线性-恒温加热

开始恒温分离低沸点组分，中间经线性升温，再恒温把高沸点组分冲洗出来。适于沸点范围很宽的样品。④多种速度升温开始以r1速度升温，然后用以r2、r3等速度升温。2/8/2023772.保留温度与碳数关系保留温度与正构烷烃碳数（N）成线性关系：

TR=aN+ba——斜率；b——截距，类似于恒温色谱中的保留值对数与碳数成正比，lgVR=aN+b

2/8/202378

在恒温分离时不同碳数的正构烷烃在色谱图上按指数距离分布，在程序升温中，同系物色谱峰按碳数等距离分布。

2/8/2023793.保留温度与沸点关系保留温度与正构烷烃的沸点Tb成线性关系：2/8/202380（三）初期冻结在程序升温中，当一多组分宽沸程混合物进样后，由于起始温度很低，因此对少数低沸点组分为最佳柱温，得到良好的分离，而对高沸点组分，这个起始温度是太低了，因其k值很大，蒸气压很低，大都溶解在固定液里，所以这些组分的蒸气带的移动速度非常慢，几乎停在柱入口不动。这种现象是程序升温中所特有的，叫做初期冻结或初期凝聚。

2/8/202381随着柱温的升高，某些组分的蒸气带便开始以可观的速度移动，柱温越接近保留温度即接近柱出口处，色谱带速度增加得越快。一般来说柱温从（TR-30）℃升到TR，色谱带通过柱长的后半段。大约在（TR-30）℃时，色谱带恰好位于柱长的中央。2/8/202382一个柱长为L的程序升温柱，其升温速度为r。某一组分的保留温度为TR，

由上述分析知道，柱温每升高30℃，色谱带的移行速度就提高一倍。若选择几个柱温点，TR、TR-30、TR-60、……对应点的色谱带移动速度分别为u、1/2u、1/4u…,u是组分在柱出口时的移动速度。

2/8/202383而在TR与TR－30这个区间。组分的平均速度为1/2(u+1/2u)=3/4u，这一区间长应为其平均速度乘以移动时间:t=TR-(TR-30)/r即等于(3/4u)(30/r)

柱长L等于各区间长之和，则柱长为:2/8/202384从TR－30到TR的区间长:这说明，即使起始温度很低，组分也是在最后升温30℃的时间内，通过柱子的后半段。2/8/202385在TR－30℃时组分恰好在柱子的中央，即1/2L处，TR－60℃时位于柱子的1/4L处，TR－90℃位于柱子的1/8L处……

2/8/202386（四）有效柱温柱温为TR-30℃时，组分在柱长的1/2处，在这个区间，可以认为色谱带以TR-15℃处的平均速度移过色谱柱长的后半段，即1/2L。同样在TR-60℃到TR-30℃区间，谱带以TR-45℃处的平均速度移动了柱长的1/4L。依此类推，以TR-75℃处的平均速度移动了柱长的1/8L，以TR-150℃处的平均速度移动了柱长的1/16L…..2/8/202387各平均速度处的柱温乘以移动柱长的分数之和，称为有效温度，以T′表示。2/8/202388

在有效温度下，对相邻两组分进行恒温分离，能达到与程序升温时同样的柱效和分离度。因此，它是对应一定理论塔板数和分离特征的温度。上式说明，当恒温分离某一样品时，其最佳柱温可由保留温度求出，而有效柱温总是低于保留温度。2/8/202389（五）柱效率的评价1.理论板数（n）

2/8/202390用tTR代替tR的原因：

是程序升温色谱中有初期冻结存在，此时大部分组分停留在柱入口不动，这段时间对色谱峰的扩张或柱效影响很小，只有当柱温接近TR时，色谱带快速通过柱子的大部分，这时各种因素才对色谱带扩散有明显影响，只有这后一段保留时间对柱效计算才有意义。故必须用tTR代替tR。2/8/2023912.分离度2/8/202392因程序升温中峰宽大致相等，故取其平均峰宽W。Ri叫真正分离度，是程序升温保留值之差与恒温（以TR为柱温）保留值之比。

Ri与柱子的选择性有关，Ri值大致可以看出固定液选择的好坏；2/8/202393