气相色谱法课件

第十二章气相色谱法

◆学习目的⊙◆知识要求⊙◆能力要求⊙1◆学习目的通过学习气相色谱仪的基本组成及工作流程，气-液色谱中的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。2◆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，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。3◆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。4第一节概述

第一节概述

气相色谱法(GC)是以气体作为流动相的色谱分离分析方法。5第一节概述一、气相色谱法的特点及分类（一）气相色谱法的特点准确度高、精密度好检测速度快、自动化程度高所需样品量少、样品预处理简单选择性高、分离效能高灵敏度高、应用范围广

6第一节概述（二）气相色谱法的分类按固定相的聚集状态不同，分为气-固色谱法（GSC）和气-液色谱法（GLC）；按柱内径粗细不同，分为填充柱色谱法和毛细管柱色谱法；

按分离原理不同，分为吸附色谱法和分配色谱法。

7第一节概述二、气相色谱仪的基本组成及工作流程8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。9气相色谱仪通常由六部分组成：

载气系统进样系统分离系统

检测系统

温度控制系统

记录系统10气相色谱流程图11一、气路系统获得纯净、流速稳定的载气对气路系统的要求

载气纯净

流速稳定

密闭性好高纯气或净化器稳压阀或稳流阀气路连接与检漏121.气源：能提供足够压力的气体，有载气、燃气、助燃气。

载气要求化学惰性，不与分析物质反应。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配。常用的载气有：氢气、氮气（常用）、氦气和氩气（应用较少）；2.气体净化装置多为分子筛、活性碳和硅胶，可除去水、氧气以及其它有机杂质。133.流速控制

为了得到稳定压力和流量的气体。包括减压阀、稳压阀、稳流阀、调流阀。4.流速测量压力表：多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力；第二级，柱头压力指示。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。5.辅助设备高压钢瓶、高压气瓶阀、减压阀、空气压缩机、气体发生器14二、进样系统

1）进样器：常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将样品注入气化室，通常六通阀进样的重现性好于注射器。

2）气化室：作用是将样品瞬间气化为蒸气(汽化室温度比样品中最易蒸发的物质的沸点高约50oC)，并很快被载气带入色谱柱。1516三、分离系统色谱柱是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。柱材料：金属、玻璃、石英、聚四氟乙烯等1.填充柱

填充柱由不锈钢、玻璃或聚四氟乙烯材料制成。内装固定相，一般内径为2～4mm，长1～3m。填充柱的形状常有U型和螺旋型二种。

172.毛细管柱

毛细管柱又叫开管柱或空心柱，分为涂壁开管柱、载体涂层开管柱和多孔层开管柱等。

内径0.1~0.5mm，长达几十至100m。通常弯成直径10~30cm的螺旋状。

毛细管柱分离效率高、分析速度快、样品用量小，但柱容量低。因为填充柱制备过程简单，柱容量大，定量分析准确，所以填充柱应用比较普遍。18四、检测系统

检测器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。根据检测器的响应原理，可分为浓度型和质量型检测器。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。质量型：检测的是载气中组分进入检测器中质量流速变化，即响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比。19检测器气相色谱检测器种类繁多，最常用的是：1.热导检测器(TCD)2.氢火焰离子化检测器(FID)20五、控制温度系统

温度是色谱分离条件的重要选择参数，气化室、柱室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；气化室：保证液体试样瞬间气化。柱室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，柱室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离。

检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝。21

色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温两种。对于沸点范围很宽的混合物，一般采用程序升温法进行。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。22恒温：45oC程序升温：30~180oC恒温：145oC温度低，分离效果好，但分析时间长程序升温，分离效果好，且分析时间短温度高，但分析时间短，但分离效果差程序升温与恒温对分离的影响比较23六、记录系统

色谱工作站2425色谱流出曲线（一）色谱分离基本过程26（二）色谱流出曲线

2728气相色谱仪操作流程（FID）装柱开氮气并调节压力开主机电源并设置温度开空气和氢气并调节压力和流量调节适当的灵敏度开电脑进入工作站设置分析参数等基线稳定后进样信号记录显示29课堂练习(以GC4000型气相色谱仪为例，分别指出仪器的下列组成部件)气路系统载气、气体调节阀、气体发生器进样系统进样器、气化室分离系统柱箱、填充柱检测系统FID、FPD、ECD数据处理系统色谱工作站温度控制系统30小结色谱法色谱图气相色谱分析流程气相色谱仪的组成31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32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（热力学理论）二、速率理论（动力学理论）33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。

34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。

35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：

36第二节气相色谱法的基本理论有效塔板数:有效塔板高度:

37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。

38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。

39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。40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。

41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

二、气－固色谱的固定相

三、气相色谱的流动相42一、气-液色谱的固定相

固定液

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。

第三节气相色谱法的固定相和流动相43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。极性分类是按固定液的相对极性大小分类。第三节气相色谱法的固定相和流动相44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第三节气相色谱法的固定相和流动相45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。第三节气相色谱法的固定相和流动相46(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。第三节气相色谱法的固定相和流动相47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。第三节气相色谱法的固定相和流动相48493．载体的钝化除去或减小载体表面活性中心的作用。(1)酸洗法分析酸类和酯类化合物(2)碱洗法分析胺类等碱性化合物(3)硅烷化法

分析形成氢键能力较强的化合物第三节气相色谱法的固定相和流动相50二、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）。第三节气相色谱法的固定相和流动相51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。第三节气相色谱法的固定相和流动相52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。53第四节检测器一、检测器的性能指标二、常用检测器

54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.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。55第四节检测器2.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。

56第四节检测器一、检测器的性能指标1．噪音（N）和漂移（M）在没有样品通过检测器时，由仪器本身及工作条件等偶然因素引起的基线起伏称为噪音。通常用噪音带（峰-峰值）的宽度来衡量噪音的大小，其单位用mV或mA表示。基线随时间朝某一方向的缓慢变化称为漂移，用每小时内基线水平的变化来表示，单位为mV/h或mA/h。57第四节检测器2．灵敏度(sensitivity)又称响应值或应答值，它是指单位物质的含量（质量或浓度）通过检测器时所产生的信号变化率，浓度型用Sc表示，质量型用Sm表示。3．检测限（D）又称敏感度灵敏度未反映检测器的噪音水平，灵敏度虽高，但噪音较大时，微量组分也是无法检测的。检测限综合灵敏度与噪音来评价检测器的性能。检测限定义为某组分的峰高为噪音的二倍时，单位时间内引入检测器中该组分的质量（或浓度）。58第四节检测器二、常用检测器（一）热导检测器（TCD）热导检测器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。它具有结构简单、稳定性好、线性范围宽、测定范围广，且样品不被破坏的特点，易与其他仪器联用，但灵敏度较低，噪音较大。59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。

60第四节检测器61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。62第四节检测器（二）氢焰离子化检测器（

FID）氢焰离子化检测器简称氢焰检测器，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。它具有灵敏度高，噪音小，响应快，线性范围宽，稳定性好等优点，但是一般只能测定含碳有机物，而且检测时样品被破坏。63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。64气相色谱检测器种类繁多，最常用的几种为：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）65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。

66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。67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。

68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。

69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。

70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。71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：

72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，又称其为科瓦茨（

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。

7374例：600C时在角鲨烷柱上正已烷、正庚烷和某组分的调整保留时间分别为262.1S,661.3S,395.4S。求该组分的保留指数，并确定该组分是何种物质。解：将计算值与文献值对比，可知此化合物为苯。75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。

76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：

771．峰面积的测量

（3）积分仪法积分仪是快速测量色谱峰面积的有效工具。许多带电脑控制的或带有数据处理机的色谱仪一般都具有这样的功能，测量精度可以达到0.2%～2%，对面积较小、峰形不对称的色谱峰也能够得到比较准确的结果，非常方便、快速。目前许多仪器还能够对测量数据进行自动计算，自动显示，并打印结果。较高级的仪器还能够实现自动控制操作过程，选择最佳方法和最佳操作条件，使得测定的精度、灵敏度、稳定性及自动化程度都大大提高。78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：

79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：归一化法就是将待测物质的总量看作1，其它各组分在这个1中所占的份额的多少。当样品中的所有组分都能够流出色谱柱，并全部表现出分离良好时，可用归一化法进行分析计算。80例：采用气相色谱法测定苯、甲苯、乙苯、对二甲苯的混合物，得到它们的色谱峰面积如下表，试计算此苯系物中各组分的质量分数。组分苯甲苯乙苯对二甲苯1.005.421.043.511.094.661.124.23解：8182第六节定性与定量分析3．定量计算方法（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。外标标