第九章 气相色谱

第九章气相色谱法

GasChromatography(GC)

色谱法名称起源：1903年,俄国植物学家MikhailTswett首先采用色谱法分离植物色素。一、色谱法(Chromatography)本质

色谱法本质是一种分离方法。它是利用各物质在两相中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复的分配来达到分离的目的。

§9－1气相色谱法概述色谱分析示意图Tswett方法(经典方法)offline固定相:不动的一相，

流动相；携带样品流过固定相的流动体现代色谱法online二、色谱法分类A.

气相色谱(GC):流动相为气体的色谱气固色谱(GSC):固定相是固体吸附剂气液色谱(GLC):固定相是固定液

B.液相色谱(LC):流动相为液体的色谱液固色谱(LSC):固定相是固体吸附剂液液色谱(LLC):固定相是固定液

1．按两相状态分类2．按分离机理分类分配色谱:利用各组分在两相中分配系数的不同而进行分离的方法。气-液，液-液吸附色谱:利用各组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法。气-固，液-固3．按固定相的形式分类

柱色谱LCC：固定相装于柱内的色谱法。

填充柱色谱：固定相填充满玻璃或金属管

开管柱色谱：固定相固定在管内壁的称为开管柱色谱或毛细管柱色谱

平板色谱：固定相呈平板状的色谱法。它又可分为薄层色谱TLC和纸色谱PC。4．按固定相的材料分类离子交换色谱:以离子交换剂作为固定相，因亲和力大小不同而达到分离的方法,（属LC一种）尺寸排阻色谱法:以孔径有一定范围的多孔玻璃或多孔高聚物作固定相的方法(凝胶色谱法GPC)，

（属LC一种）键合相色谱法:利用化学键合相（即通过化学反应将固定液分子键合于多孔载体，如硅胶）。五、色谱流出曲线及有关术语（一）流出曲线

2.保留值表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值，通常用时间、走纸距离或相应的载气体积来表示。1.基线（底线）柱中仅有流动相载气通过时，检测器响应讯号的记录值，即图中Ot线．（避免：基线噪声、基线漂移）（二）有关色谱术语(p6)

*用时间表示单位:s或cm（1）保留时间tR试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间(O´B)

（2）死时间tM不被固定相吸附或溶解的气体（如：空气，甲烷）进入色谱柱时，从进样到出现小极大峰所需的时间(O´A´)

流动相平均线速u：（1）保留体积VR从进样开始到出现峰极大所通过的载气体积。VR=tRF0

F0:柱出口处载气流速mL/min（2）死体积VM指从进样口至检测器出口，整个一段里所具有的空隙体积。

VM=tMF0（3）调整保留体积VR’

扣除死体积后的保留体积.

VR

=tR

F0*

用体积表示单位：mL（3）调整保留时间tR′

某组份的保留时间扣除死时间后称为该组份的调整保留时间，即

tR′=tR-tM

(

A’B)（二）有关色谱术语*相对保留值r21(也称柱选择因子

21)

:r21只与柱温及固定相的性质有关，而与操作条件如：柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，它表示了色谱柱对这两组分的选择性，是气相色谱中的重要定性参数．必须注意:相对保留值不是两个组份保留时间或保留体积之比.指组分2与组分1的调整保留值之比（二）有关色谱术语3.峰高

色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，（图中B

A）

（二）有关色谱术语4、区域宽度1.标准偏差σ

即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半，图中EF距离的一半.2.半峰宽Y1/2

即峰高一半处对应的峰宽，如图中GH间的距离．它与标准偏差σ的关系是：3.基线宽度Y即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如图中IJ的距离．它与标准偏差σ的关系是：

（二）有关色谱术语Y=4σ色谱曲线之用途根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数依据色谱峰的保留值(或位置）进行定性分析依据色谱峰的面积或峰高进行定量分析依据色谱峰的保留值以及峰宽评价色谱柱的分离效能§9－2

气相色谱分析基本原理色谱分离原理是基于样品组分在固定相/流动相之间反复多次地分配过程，即组分在固定相上的溶解--挥发或吸附--解吸过程,这种分离过程可用样品分子在两相间的分配来描述，因而叫做分配色谱。一、分配系数和分配比分配色谱的分离依据：

1、分配系数K

指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值Cs,Cm:g/mL分配系数与分离性能K决定于组分和两相的热力学性质。在一定温度下，K小的组分在流动相中浓度大，先流出色谱柱；反之，后流出色谱柱。两组分K值相差越大，色谱分离效果越好。分配系数与温度成反比，增加温度，分配系数变小。在气相色谱分离中，柱温是一个很重要的操作参数，温度的选择对分离影响很大，而对液相色谱分离的影响小。2、分配比k(容量因子)分配比是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的总质量比。即

K与k关系：相比3．分配系数K及分配比k与选择因子α的关系

上式表明：通过选择因子α把实验测量值k与热力学性质的分配系数K直接联系起来，α对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的K或k值相等，则α=1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或k值相差越大，则分离得越好。因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。1、塔板理论的几个假设在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到分配平衡，这样的一小段柱长即称为“理论塔板”，H称为塔板高度，简称板高流动相（载气）进入色谱柱不是连续式加入，而是间隙式加入，每次进气为一个塔板体积塔板之间无分子扩散（忽略试样的纵相扩散）组分在所有塔板上的分配系数保持常数精馏塔示意图二、色谱分离的基本理论（一）塔板理论2、塔板理论之推导结论当组分进入色谱柱后，在每块塔板上进行两相间的分配，塔板数越多，组分在柱内两相间达到分配平衡的次数也越多，柱效越高，分离就越好.

n50流出曲线呈基本对称的峰形；当n达

103－106流出曲线趋近于正态分布；2）评价柱效的参数理论塔板高度（H）理论塔板数(n)有效理论塔板数

注意事项：（1）n大，柱效高，分离好，前提是两组分分配系数K应有差异，否则n无论多大，两组分将无法分离。有效理论塔板高度（2）同一色谱柱对不同的物质的柱效是不一样的，因此用n表示柱效时必须注明对什么物质而言。例1：在1.0m柱上测得组分A和非滞留组分的保留时间分别为8.40min和1.60min，组分A峰的峰底宽为4.5mm，记录纸速度为300mm/h。计算该柱的有效理论塔板高度。解：塔板理论之局限性塔板理论是一种半经验性的理论，它用热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱中分配平衡和分离过程，导出流出曲线的数学模型，并成功地解释了流出曲线的形状及浓度极大值的位置，还提出了计算和评价柱效的参数但是色谱过程不仅受热力学的因素影响，而且还与分子的扩散、传质等动力学因素有关，塔板理论的某些基本假设并不完全符合柱内实际发生的分离过程，只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些因素影响，也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，因而限制了它的应用（二）速率理论1956年vanDeemter等提出了色谱过程动力学理论

——速率理论式中：H为板高；u为流动相的线速度；A，B，C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。1、vanDeemter方程涡流扩散展宽因素涡流扩散与填充物的平均直径dp和填充不规则因子λ有关，与流动相的性质、线速度和组分性质无关。为了减少涡流扩散，提高柱效，固定相应使用细而均匀的颗粒，并且应填充均匀。空心毛细管，不存在涡流扩散。A.涡流扩散项(Eddydiffusion)

2、各项系数的物理意义

纵向分子扩散展宽因素

为弯曲因子，它反映了固定相颗粒的几何形状对自由分子扩散的阻碍情况,一般小于1，阻碍越大，

越小。Dg为组分在流动相中扩散系数(cm2·s-1)

Dg：随柱温升高而增加；与柱压成反比;

与载气相对分子质量M成反比

因此，在GC中应选择载气相对分子质量大，柱温低，载气流速大的条件。B.纵向（分子）扩散项（longitudinaldiffusion）

C.传质阻力气相传质阻力：组分从气相扩散到固定相表面所受的传质阻力液相传质阻力：组分从固定相的气液界面扩散到液相内部所受的传质阻力C=Cl+Cg因此，应该采用细颗粒的固定相和相对分子质量小的载气，以增大Dg；低含量固定液，以减小固定液液膜厚度;选用低粘度固定液，增大组分在固定液中的扩散系数;适当提高柱温及降低流速

Cl：液相传质阻力项Cg：气相传质阻力项k：容量因子df：担体表面液膜厚度Dl：组分在液相中的扩散系数由此得气液色谱速率板高方程

这一方程对选择色谱分离条件具有实际指导意义，它指出了色谱柱填充的均匀程度，填料颗粒的大小，流动相的种类及流速，固定相的液膜厚度等对柱效的影响。

由此可知:流动相线速u一定时，仅在A、B、C较小时，塔板高度H才能较小，柱效才较高；反之柱效较低，色谱峰将展宽。

流动相线速度,分子扩散项和传质阻力项对板高的贡献H-u曲线最小塔板高度最佳线速影响谱带展宽的其他因素

非线性色谱

等温线常为非线性,故分配系数不是常数，是浓度的函数，使谱带的高浓度区域（中心附近）和低浓度区域（前沿和尾部）的分子的移动速率不等，造成色谱峰“拖尾”或“伸舌”现象，从而使峰展宽。活性中心的影响

载体表面不完全惰性柱外效应柱前后死体积和与进样有关的技术三、分离度和色谱分离

基本方程

(p16)分离度是既能反映柱效又能反映选择性的指标，又称分离效能指标或分辨率.1、分离度

或：定义为：R值越大，表明相邻两组分分离越好。对于两个峰高相同的对称峰，达到基线分离时，R=1.5，此时，两组分的分离程度达99.87%,

故常用R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。R＝1时，分离程度可达97.72％(两个峰高相同)两峰的高度相差10倍，当R=1.0时，低含量组分的分离程度只有88%.如何判断完全分离?

2、色谱分离基本方程（p18)

1)柱效的影响

柱长L∝n，柱长

R

，但分析时间

，且峰宽

。因此增高柱效，用减小塔板高度H的办法。2)分配比的影响k

,R

,但k值越大，分析时间越长，峰越展宽。通常k值选在1-10范围内。

改变分配比的方法有：改变柱温或改变流动相性质和组成，或改变固定相的含量

3)相对保留值α越大，柱选择性越好，对分离越有利给定R下的塔板数:

例:

有一根1m长的柱子，分离组分1和2得到如图的色谱图。图中横坐标l为记录笔走纸距离。若欲得到R=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？色谱柱要加到多长？解：先求出相对保留值

2，1再求出组分2的分配比k原来柱长时组分2理论塔板数计算分离度R=1.2时所需要的理论塔板数：

因n∝L(H值不变)，则达到基线分离时的柱长：

§9－3

气相色谱仪一、色谱仪各部件简介

五部分：

气路系统；

进样系统；

分离系统；

控温系统；检测和记录系统；1、气路系统结构气路系统气路系统的目的是将样品载入色谱柱分离后进入检测器测定；气路系统要求气密性好、载气流量稳定和测量流量准确；气相色谱常用的载气为氮气、氢气和氦气等。载气的选择主要由检测器性质及分离要求所决定；载气在进入色谱仪前必须经过净化处理；载气流量由稳压阀或稳流阀调节控制。2、进样系统气化室的作用是将液体或固体样品瞬间气化而不分解,后进柱分离要求:

热容量较大,死体积较小,无催化效应进样器：液体样品的进样通常采用微量注射器，气体样品的进样通常采用医用注射器或六通阀。气化室：3、分离系统

分离系统（即色谱柱）是仪器的心脏部分,可分为填充柱和毛细管柱

填充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。

毛细管柱又叫空心柱，将固定液均匀地涂在内径0.l～0.5mm

的毛细管内壁而成，毛细管材料为不锈钢/玻璃/石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，柱子长达30～300m。分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，制备较难。4、控制温度系统色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。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。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，检测器三处的温度控制。5、检测器和数据处理系统检测器：把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。常见的检测器有：热导检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器等

（一）检测器的分类1、按作用分类：

通用性检测器(如热导和火焰离子化检测器)

选择性检测器(如电子捕获和火焰光度)2、按原理分类:（1）浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，如热导检测器和电子捕获检测器。（2）质量型检测器测量的是载气中某组分进入检测器的质量流速变化，如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。GC检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。

（二）检测器的性能指标灵敏度高；检出限低；线性范围宽；稳定性好；死体积小，响应迅速；通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。检测器性能指标定义单位物质量通过检测器时产生的信号大小浓度型检测器：(mV·mL·mg-1)C1:mV/cm(mV·mL·mL-1)C2:min/cmm:进样量A:峰面积质量型检测器：(mV·s·g-1)灵敏度(p42)检测限当检测器产生的信号为3倍噪声时，所对应的单位体积/单位时间内进入检测器的最小物质量,是衡量检测器性能的指标最小检测量最小检测量:指产生3倍噪声峰高时，色谱体系（即色谱仪）所需的进样量。质量型检测器的最小检测量浓度型检测器的最小检测量TCD是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。属浓度型检测器特点：TCD结构简单，性能稳定，通用性好,几乎对所有物质都有响应，且线性范围宽，价格便宜，应用最广，最成熟的一种检测器。缺点：死体积大，灵敏度较低。1、热导检测器（TCD）桥电流热导池的灵敏度与桥电流三次方成正比,桥电流增加，灵敏度就提高,但电流太大会影响钨丝寿命,且噪声加大,一般桥电流控制在100～200mA左右；载气载气与组分的热导系数差别越大，相应的输出信号也越大,一般采用热导系数大的载气如H2或He；温度池体与热敏元件（钨丝）温差大，气体易将热量传出去，灵敏度高，所以检测室温度较低为宜，但必须高于柱温，以防止组分蒸汽在检测室中冷凝。影响TCD灵敏度的因素2、氢火焰离子化检测器（FID）

FID工作原理：以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。

FID能检测大多数含碳有机化合物(通用型)；灵敏度高，比TCD高约103倍；死体积小，响应速度快;线性范围宽，可达106以上；结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一；(质量型检测器)缺点:不能检测永久性气体:水、CO、CO2、NOX、H2S等。FID特点3、电子捕获检测器(ECD)

工作原理：放射源的β射线将载气电离，产生次级电子和正离子，并在电场作用下向电极移动，形成恒定基流。当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离于复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号——倒峰。选择性很强的检测器，对具有电负性物质（如含卤素、硫、磷、氰等物质）的检测有很高灵敏度（检出限约1O-14g·cm-3）；浓度型检测器；缺点是线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。ECD特点4、火焰光度检测器(FPD)

工作原理：当含硫（或磷）试样进入氢焰离子室后，发生反应，当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光λmax为394nm。对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，然后在富氢火焰中被氢还原，生成的HPO碎片可化学发光(λmax=526nm)这些光由光电信增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。

FPD特点对含磷、硫有机化合物具有高选择性,属选择性检测器,又称硫、磷检测器；高灵敏度检测器，检出限可达10-12g·S-1（对P）或10-11g·S-1（对S）；质量型检测器；可用于大气中痕量硫化物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。

常见检测器性能比较二、气相色谱固定相气固色谱固定相为吸附剂，气液色谱填充柱固定相由固定液和载体组成；由于使用惰性气体作流动相，可以认为组分与流动相分子之间基本没有作用力，决定色谱分离的主要因素是组分和固定相分子之间的相互作用力。（一）气液色谱固定相：载体+固定液（1）载体的要求:

化学惰性，无表面吸附作用,无催化活性；孔穴均匀，比表面大，粒度细小均匀；耐热性强，有一定机械强度和浸润性。1、载体（担体）（2）载体的类型和性能

硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体硅藻土又分成红色硅藻土和白色硅藻土红色硅藻土：孔穴密集，孔径小，比表面积大，机械强度大。适宜涂布非极性固定液，用于分析非极性或弱极性物质；白色硅藻土：孔径较粗，比表面积小，机械强度小。适宜涂布极性固定液，分析各种极性化合物。非硅藻土载体:有机玻璃微球载体，氟载体，高分子多孔微球等。这类载体常用于特殊分析，如HF、Cl2分析

硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心。如硅醇基或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾；因此，使用前要进行化学处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心，减少峰的拖尾，或不可逆吸附，改进分离。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。（3）载体的表面处理（i）酸洗：用3-6mol/L盐酸浸煮载体、过滤，水洗至中性。甲醇淋洗，脱水烘干。可除去无机盐，Fe,Al等金属氧化物；（ii）碱洗：用5%或10%N