气相色谱分析课件

仪器分析

InstrumentalAnalysis欢迎你2学时数：18学时参考教材：《仪器分析》〔第三版〕朱明华编课程性质：必修考核形式：考试任课教师：万其进

3讲授内容第一章气相色谱分析

第二章电位分析法

第三章紫外-可见吸收光谱分析

第四章红外吸收光谱分析4第1章气相色谱分析

GasChromatography〔GC〕5§1-1概述

色谱法是在1903年由俄国植物学家Цвет别离植物色素时首先采用的。后来不仅用于别离有色物质，还用于别离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。许多气体、液体和固体样品都能找到适宜的色谱法进行别离和分析。目前色谱法已广泛应用于许多领域，成为十分重要的别离分析手段。6但不管属于哪一类色谱法，其共同的根本特点是具备两个相：不动的一相，称之为固定相；另一相是携带样品混合物流过此固定相的流体，称为流动相。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相中的滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。

8色谱法分类

1．按两相状态分类气体为流动相的色谱称为气相色谱〔GC〕，根据固定相是固体吸附剂还是固定液〔附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体〕，又可分为气固色谱〔GSC〕和气液色谱〔GLC〕；液体为流动相的色谱称为液相色谱〔LC〕。同理，液相色谱亦可分为液固色谱〔LSC〕和液液色谱〔LLC〕。超临界流体为流动相的色谱称为超临界流体色谱〔SFC〕。随着色谱工作的开展，通过化学反响将固定液键合到载体外表，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱〔CBPC〕。92．按别离机理分类利用组分在吸附剂〔固定相〕上的吸附能力强弱不同而得以别离的方法，称为吸附色谱法。利用组分在固定液〔固定相〕中溶解度不同而到达别离的方法称为分配色谱法。利用组分在离子交换剂〔固定相〕上的亲和力大小不同而到达别离的方法，称为离子交换色谱法。利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而到达别离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。最近，又有一种新别离技术，利用不同组分与固定相〔固定化分子〕的高专属性亲和力进行别离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的别离。103．按固定相的外形分类

固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。

固定相呈平板状的色谱法，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。

根据以上所述，将色谱法的分类总结于表1-1中。

111-112§1-2色谱流出曲线及有关术语

一．流出曲线和色谱峰

13

如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线的线性范围内，色谱峰如果对称，可用Gauss正态分布函数表示：

式中：C—不同时间t时某物质的浓度，C0—进样浓度，tR—保存时间，σ—标准偏差。14二、基线

是柱中仅有流动相通过时，检测器响应讯号的记录值，即图1-2中O—t线．稳定的基线应该是一条水平直线．

三、峰高

色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以h表示，如图1-2中B′A

15四、保存值1．死时间tM

不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，如图1-2中O′A′。因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流动相的流动速度相近．测定流动相平均线速ū时，可用柱长L与tM的比值计算。16

2．保存时间tR试样从进样开始到柱后出现峰极大点时所经历的时间，称为保存时间，如图1-2O′B．它相应于样品到达柱末端的检测器所需的时间。173．调整保存时间tR′

某组份的保存时间扣除死时间后称为该组份的调整保存时间，即

tR′=tR–tM由于组份在色谱柱中的保存时间tR包含了组份随流动相通过柱子所需的时间和组份在固定相中滞留所需的时间，所以tR′实际上是组份在固定相中停留的总时间。保存时间可用时间单位〔如s〕或距离单位〔如cm〕表示。保存时间是色谱法定性的根本依据，但同一组份的保存时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保存体积等参数进行定性检定．18

4．死体积VM指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和．当后两项很小而可忽略不计时，死体积可由死时间与流动相体积流速F0〔L／min〕计算：VM=tM·F0195．保存体积VR

指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相体积。保存体积与保存时间tR的关系如下：

VR=tR·F06．调整保存体积VR′某组份的保存体积扣除死体积后，称该组份的调整保存体积，即VR′=VR-VM20

7．相对保存值r21某组份2的调整保存值与另一组份1的调整保存值之比，称为相对保存值：由于相对保存值只与柱温及固定相的性质有关，而与柱径、柱长、填充情况及流动相流速无关，因此，它是色谱法中，特别是气相色谱法中，广泛使用的定性数据．必须注意，相对保存值绝对不是两个组份保存时间或保存体积之比.21选择因子

在定性分析中，通常固定一个色谱峰作为标准(s)，然后再求其它峰(i)对这个峰的相对保存值。此时，可能大于1，也可能小于1．在多元混合物分析中，通常选择一对最难别离的物质对，将它们的相对保存值作为重要参数。在这种特殊情况下，可用符号α表示：式中tR2′为后出峰的调整保存时间，所以这时α总是大于1的。22五、区域宽度

色谱峰的区域宽度是组份在色谱柱中谱带扩张的函数，它反映了色谱操作条件的动力学因素．度量色谱峰区域宽度通常有三种方法：

1.标准偏差σ

即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半，如图1-2中EF距离的一半。

2.半峰宽度Y1/2

即峰高一半处对应的峰宽，如图1-2中GH间的距离．它与标准偏差σ的关系是：

Y1/2=2.354σ23

3.基线〔峰底〕宽度Y即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上的截距，如图1-2中I-J间的距离。它与标准偏差σ的关系是：Y=4σ24从色谱流出曲线上，可以得到许多重要信息：

〔l〕根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数．〔2〕根据色谱峰的保存值(或位置〕，可以进行定性分析．(3)根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析．〔4〕色谱峰的保存值及其区域宽度，是评价色谱柱别离效能的依据．〔5〕色谱峰两峰间的距离，是评价固定相(和流动相)选择是否适宜的依据．25

§1-3色谱法分析的根本原理

色谱分析的目的是将样品中各组分彼此别离，组分要到达完全别离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。26一、分配系数K和分配比k1．分配系数K物质在固定相和流动相〔气相〕之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程，叫做分配过程。

在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配到达平衡时的浓度之比称为分配系数，用下式表示：272.分配比k

分配比又称容量因子或容量比，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间到达分配平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，即：28滞留因子RS分配比k值可直接从色谱图测得。设流动相在柱内的线速度为u，组分在柱内线速度为us，由于固定相对组分有保存作用，所以us＜u．此两速度之比称为滞留因子Rs。29RS假设用质量分数表示，即

组分和流动相通过长度为L的色谱柱，其所需时间分别为30整理后可得

313.分配系数K

与分配比k

的关系

其中β称为相比率，它是反映各种色谱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其β值一般为6～35；对毛细管柱，其β值为60～600。

二、塔板理论

最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标。33该理论假定：〔i〕在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速到达平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。〔ii〕以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积(ΔVm)。〔iii〕所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴〔纵〕向扩散可忽略。〔iv〕分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。为简单起见，设色谱柱由5块塔板(n＝5，n为柱子的塔板数)组成，并以r表示塔板编号，r=1，2，3…，n－l；某组分的分配比k=1.34

根据上述假定，在色谱别离过程中，该组分的分布可计算如下：开始时，假设有单位质量，即m=1〔例1mg或1μg〕的该组分加到第0号塔板上，分配平衡后，由于k=1，即mS=mM故mS=mM=0.5。当一个板体积〔lΔV〕的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有mM局部组分的载气顶到1号板上，此时0号板液相〔或固相〕中mS局部组分及1号板气相中的mM局部组分，将各自在两相间重新分配。故0号板上所含组分总量为0.5，其中气液〔或气固〕两相各为0.25，而1号板上所含总量同样为0.5．气液〔或气固〕相亦各为0.25。以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次(见下表)。35

36按上述分配过程，对于n=5，k=1，m=1的体系，随着脉动进入柱中板体积载气的增加，组分分布在柱内任一板上的总量〔气液两相中的总质量〕见表(p12表2-1)。

由塔板理论可建流出曲线方程：m为组分质量，VR为保存体积，n为理论塔板数。当V=VR时，C值最大，即37由流出曲线方程可推出理论塔板数：

而理论塔板高度〔H〕为：38

从上两式可以看出，色谱峰峰宽Y越小，n就越大，而H就越小，柱效能越高。因此，n和H是描述柱效能的指标。通常填充色谱柱的n＞103，H＜1mm。而毛细管柱n=105-106，H＜0.5mm

由于死时间tM包括在tR中，而实际的tM不参与柱内分配，尽管所计算的n值很大，H很小，但与实际柱效能相差甚远。所以，提出把tM扣除，采用有效理论塔板数n有效和有效塔板高度H有效来评价柱效能。39塔板理论用热力学观点形象地描述了溶质在色谱柱中的分配平衡和别离过程，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。但由于它的某些根本假设并不完全符合柱内实际发生的别离过程，例如，纵向扩散不能解释造成谱带扩张的原因和影响塔板高度的各种因素，也不能说明为什么在不同流速下可以测得不同的理论塔板数，这就限制了它的应用。4041三、速率理论1956年荷兰学者VanDeemter等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论—速率理论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学根底上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。VanDeemter方程的数学简化式为式中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。现分别表达各项系数的物理意义。421．涡流扩散项A

在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流〞的流动，故称涡流扩散，形象地如下图。43

A＝2λdp

上式说明，A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规那么因子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，使用细而均匀的颗粒，并且填充均匀是十分必要的。对于空心毛细管，不存在涡流扩散，因此A＝0。442.分子扩散项B/u〔纵向扩散项〕纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱入口参加，其浓度分布的构型呈“塞子〞状，如右图所示。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子〞必然自发地向前和向后扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为：45

B＝2γDg

式中γ是填充柱内流动相扩散路径弯曲的因素，也称弯曲因子，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。Dg为组分在流动相中扩散系数〔cm2·s-1〕。

上式中，M载气为载气的相对分子质量。463．传质阻力项Cu

对于气液色谱，传质阻力系数C包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数Cl两项，即

C＝Cg＋Cl47气相传质过程是指试样组分从气相移动到固定相外表的过程。这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。有的分子还来不及进入两相界面，就被气相带走；有的那么进人两相界面又来不及返回气相。这样，使得试样在两相界面上不能瞬间到达分配平衡，引起滞后现象，从而使色谱峰变宽。对于填充柱，气相传质阻力系数Cg为：式中k为容量因子。由上式看出，气相传质阻力与填充物粒度的平方成正比、与组分在载气流中的扩散系数见成反比。因此，采用粒度小的填充物和相对分子质量小的气体〔如氢气〕做载气，可使Cg减小，提高柱效。48液相传质阻力系数Cl为由上式看出，固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数D1大，那么液相传质阻力就小。降低固定液的含量，可以降低液膜厚度，但k值随之变小，又会使C1增大。当固定液含量一定时，液膜厚度随载体的比外表积增加而降低，因此，一般采用比外表积较大的载体来降低液膜厚度，但比外表太大，由于吸附造成拖尾峰，也不利别离。虽然提高柱温可增大Dl，但会使k值减小，为了保持适当的Cl值，应控制适宜的柱温。49将上面式总结，即可得气液色谱速率板高方程

这一方程对选择色谱别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。504．流动相线速度对板高的影响

〔1〕LC和GC的H－u图说明，对于一定长度的柱子，柱效越高，理论塔板数越大，板高越小。但究竟控制怎样的线速度，才能到达最小板高呢？根据VanDeemter公式分别作LC和GC的H－u图，见图〔a〕、〔b〕。由图〔a〕和〔b〕不难看出：LC和GC的H－u图十分相似，对应某一流速都有一个板高的极小值，这个极小值就是柱效最高点；LC板高极小值比GC的极小值小一个数量级以上，说明液相色谱的柱效比气相色谱高得多，LC的板高最低点相应流速比起GC的流速亦小一个数量级，说明对于LC，为了取得良好的柱效，流速不一定要很高。51〔2〕分子扩散项和传质阻力项对板高的奉献52

5．固定相粒度大小对板高的影响

53上图中固定相粒度对板高的影响是至关重要的。实验说明不同粒度，H－u曲线也不同：粒度越细，板高越小，并且受线速度影响亦小。这就是为什么在HPLC中采用细颗粒作固定相的根据。当然，固定相颗粒愈细，柱流速愈慢。只有采取高压技术，流动相流速才能符合实验要求。54§1-4色谱别离条件的选择1.别离度柱效和选择性对别离的影响用图来说明。图〔a〕：两色谱峰距离近并且峰形宽，两峰严重相叠，这表示选择性和柱效都很差。图〔b〕：虽然两峰距离拉开了，但峰形仍很宽，说明选择性好，但柱效低。图〔c〕：别离最理想，说明选择性好，柱效也高。55由此可见，单独用柱效或选择性不能真实反映组分在色谱柱中别离情况，故需引人一个综合性指标——别离度R。别离度是既能反映柱效率又能反映选择性的指标，称总别离效能指标。别离度又叫分辨率，其定义为相邻两组分色谱峰保存值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值，即R值越大，说明相邻两组分别离越好。一般说，当R＜1时，两峰有局部重叠；当R＝1时，别离程度可达98％；当R＝1.5时，别离程度可达99.7％。通常用R=1.5作为相邻两组分已完全别离的标志。56当两组分的色谱峰别离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，并用下式表示别离度：R’与R的物理意义是一致的，但数值不同，R＝0.59R’，应用时要注意所采用别离度的计算方法。57以下图表示了不同别离度时色谱峰别离的程度。58

2.色谱别离根本方程式别离度R的定义并没有反映影响别离度的诸因素。实际上，别离度受柱效〔n〕、选择因子(α)和容量因子〔k〕三个参数的控制。对于难别离物质对，由于它们的分配系数差异小，可合理地假设k1≈k2=k，Y1≈Y2＝Y。经推导可得以下公式：后式即为色谱别离根本方程式。59在实际应用中，往往用n有效代替n，处理上式可得：可以看出，后者为根本色谱别离方程式的又一表达形式。60〔1〕别离度与柱效的关系由别离方程式可以看出，具有一定相对保存值α的物质对，别离度直接和有效塔板数有关，说明有效塔板数能正确地代表柱效能。而别离方程式说明别离度与理论塔板数的关系还受热力学性质的影响。当固定相确定，被别离物质对的α确定后，别离度将取决于n。这时，对于一定理论板高的柱子，别离度的平方与柱长成正比，即61虽说用较长的柱可以提高别离度，但延长了分析时间。因此提高别离度的好方法是制备出一根性能优良的柱子，通过降低板高，以提高别离度。〔2〕别离度与柱选择性的关系〔选择因子〕由根本色谱方程式判断，当α=1时，R=0，这时，无论怎样提高柱效也无法使两组分别离。显然，α大，选择性好。研究证明，α的微小变化，就能引起别离度的显著变化。一般通过改变固定相和流动相的性质和组成或降低柱温，可有效增大α值。62〔3〕别离度与容量因子的关系如果设：

那么别离方程式写成：63〔4〕别离度与分析时间的关系

下式表示了分析时间与别离度及其他因素的关系：从上式，设那么可得：64由R/Q或tr/Q′对k的曲线可见，当k在2～5时，可在较短的分析时间，取得良好的别离度。65〔5〕色谱别离根本方程式的应用

在实际中，根本色谱别离方程式是很有用的公式，它将柱效、选择因子、别离度三者的关系联系起来了，知道其中两个指标，就可计算出第三个指标。66

［例1］有一根lm长的柱子，别离组分1和2得到色谱图如下。图中横坐标l为记录笔走纸距离。假设欲得到R=1.2的别离度，有效塔板数应为多少？色谱往要加到多长？67解：先求出组分2对组分1的相对保存值r21〔即α值〕68求有效塔板数neffneff＝16×〔0.8〕2[1.1/(1.1-1)]2＝1239假设使R=1.2,所需塔板数可计算,即因此,欲使别离度到达1.2,需有效塔板数为2788块,那么所需柱长为L=2788/1239×1m=2.25m69[例2]某色谱柱的理论塔板数为3600,组分A和B在该柱上的保存时间为27mm和30mm,求两峰的峰半宽和别离度.解:∵Y1/2=w/1.7Y1=27/(3600/16)1/2=1.8mm(Y1)1/2＝1.8/1.7＝1.06mmY2=30/(3600/16)1/2=2.0mm(Y2)1/2＝2.0/1.7＝1.18mmR＝2(30-27)/(1.8+2)＝6/3.8＝1.670

[例3]一色谱柱在某温度下的速率方程的A=0.08cm;B=0.65cm2/s;C=0.003s,求最正确线速度u和最小塔板高H.解:欲求u最正确和H最小,要对速率方程微分,即dH/du＝d(A+B/u+Cu)/du＝-B/u2+C＝0而,最正确线速:u最正确＝(B/C)1/2最小板高:H最小＝A+2(BC)1/2可得u最正确＝(0.65/0.003)1/2＝14.7cm/sH最小＝0.08+2(0.65×0.003)1/2＝0.1683cm71[例4]物质A和B在一个30.0cm柱上的保存时间分别为16.40和17.63分钟.不被保存组分通过该柱的时间为1.30分钟.峰宽为1.11和1.21mm,计算:(1)

柱分辨本领;

(2)

柱的平均塔板数目;

(3)

塔板高度;

(4)

到达1.5别离度所需的柱长度;

(5)在较长柱上把物质B洗脱所需要的时间.72

解:

(1)R=2(17.63-16.40)/(1.11+1.21)=1.06(2)nA=16(16.40/1.11)2=3493nB=16(17.63/1.21)2=3397nav=(3493+3397)/2=3445=3.44×103(3)H=L/n=30.0/3445=8.708×10-3cm=8.71×10-3cm(4)n2=3445×2.25/1.124=6.90×103

源于(n1/n2=R1/R2)2L=nH=6.90×103×8.71×10-3=60.1cm(5)tr2=tr1(R2/R1)2=17.63×1.52/1.062

=35.3分钟733.色谱别离操作条件的选择根据色谱别离根本方程式及范氏理论，可指导选择色谱别离的操作条件。(1)柱长的选择固然增加柱长可使理论塔板数增大，但同时使峰宽加大，分析时间延长。因此，填充柱的柱长要选择适当。过长的柱子，总别离效能也不一定高。一般情况下，柱长选择以使组分能完全别离，别离度到达所期望的值为准。具体方法是选择一根极性适宜，任意长度的色谱柱，测定两组分的别离度，然后根据根本色谱别离方程式，确定柱长是否适宜。74［例1］在一根1m长的色谱柱上测得两组分的别离度为0.68，要使它们完全别离(以R=1.5为标准)，那么柱长应为多少？

解：即在其他操作条件不变的条件下，色谱柱长要选择5m左右才能使别离度达R=1.5，组分到达完全别离。75〔2〕载气及其流速的选择76上图中曲线的最低点，塔板高度H最小，柱效最高，其相应的流速是最正确流速.

从图可知，当u较小时，分子扩散项B/u是影响板高的主要因素，此时，宜选择相对分子质量较大的载气〔N2，Ar〕，以使组分在载气中有较小的扩散系数。当u较大时，传质阻力项Cu起主导作用，宜选择相对分子质量小的载气(H2、He)，使组分有较大的扩散系数，减小传质阻力，提高柱效。当然，载气的选择还要考虑与检测器相适应。77〔3〕柱温的选择柱温是一个重要的操作参数，直接影响别离效能和分析速度。提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低塔板高度。但增加柱温同时又加剧纵向扩散，从而导致柱效下降。改善别离，提高选择性，往往希望柱温较低，这又增长了分析时间。因此，选择柱温要兼顾几方面的因素。一般原那么是：在使最难别离的组分有尽可能好的别离前提下，采取适当低的柱温，但以保存时间适宜，峰形不拖尾为度。具体操作条件的选择应根据实际情况而定。78另外，柱温的选择还应考虑固定液的使用温度，柱温不能高于固定液的最高使用温度，否那么固定液挥发流失，对别离不利。对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱温，在程序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到别离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留于柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次别离出来。如图是正构烷烃恒温和程序升温色谱图比较。由图不难看出，采用程序升温后不仅改善别离，而且可以缩短分析时间，得到的峰形也很理想。7980〔4〕载体粒度及筛分范围的选择

载体的粒度愈小，填装愈均匀，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否那么，阻力压也急剧增大。一般粒度直径为柱内径的1/20～l/25为宜。在高压液相色谱中，可采用极细粒度，直径在μm数量级。〔5〕进样量的选择

在实际分析中最大允许进样量应控制在使半峰宽根本不变，而峰高与进样量成线性关系。如果超过最大允许进样量，线性关系遭破坏。一般说来，色谱柱越粗、越长，固定液含量越高，容许进样量越大。81〔6〕气化温度的选择进样后要有足够的气化温度，使液体试样迅速气化后被载气带入柱中。在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对别离及定量有利。

一般选择气化温度比柱温高30—70℃。82作业1：〔朱明华编《仪器分析》〕p60～61，T5、8、20、21

请做在单页纸上！83§1-5气相色谱仪84一.GC工作过程85二.气路系统86三.进样系统87四.别离系统别离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是别离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。1〕填充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型和螺旋型二种。2〕毛细管柱毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充柱相比，其别离效率高〔理论塔板数可达106〕、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。88五.控制温度系统在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择别离、检测器的灵敏度和稳定性。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。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。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。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，以到达用最短时间获得最正确别离的目的。89六.检测和数据处理系统这个系统是指样品经色谱柱别离后，各成分按保存时间不同，顺序地随载气进人检测器，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。90§1-6气相色谱固定相及其选择

(1).固体吸附剂(载体)(2).液体固定相〔l〕对载体的要求具有a.足够大的外表积和良好的孔穴结构，使固定液与试样的接触面较大，能均匀地分布成一薄膜，但载体外表积不宜太大，否那么犹如吸附剂，易造成峰拖尾；b.外表呈化学惰性，没有吸附性或吸附性很弱，更不能与被测物起反响；c.热稳定性好；d.形状规那么，粒度均匀，具有一定机械强度。一、气液色谱固定相

载体(担体)和固定液组成气液色谱固定相

1.载体(担体)91〔2〕载体类型

大致可分为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，它是由称为硅藻的单细胞海藻骨架组成，主要成分是二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法不同，又分为:红色载体和白色载体。非硅藻土载体有：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，如氟载体用于极性样品和强腐蚀性物质HF、Cl2等分析。但由于外表非浸润性，其柱效低。92红色载体是将硅藻土与粘合剂在900℃煅烧后，破碎过筛而得，因铁生成氧化铁呈红色，故称红色载体，其特点是外表孔穴密集、孔径较小、比外表积较大。对强极性化合物吸附性和催化性较强，如烃类、醇、胺、酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾。因此它适宜于分析非极性或弱极性物质。93白色载体是将硅藻土与20％的碳酸钠〔助熔剂〕混合煅烧而成，它呈白色、比外表积较小、吸附性和催化性弱，适宜于分析各种极性化合物。101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Chromosorb系列，美国的Gas－ChromA，CL，P，Q，S，Z系列等，都属这一类。94

〔3〕载体的外表处理硅藻土载体外表不是完全惰性的，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。处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化及添加减尾剂等。95〔i〕酸洗：用3-6mol·L-1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。适用于分析酸性物质。〔ii〕碱洗：用5%或10%NaOH或KOH的甲醇溶液回流或浸泡，然后用水、甲醇洗至中性，除去氧化铝，用于分析碱性物质。(iii)硅烷化：用硅烷化试剂与载体外表硅醇基反响，使生成硅烷醚，以除去外表氢键作用力。如：常用硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷〔DMCS〕，六甲基二硅烷胺〔HMDS〕等。962．固定液

〔l〕对固定液要求首先是选择性好。固定液的选择性可用相对保存值r21来衡量。对于填充柱一般要求r21＞1.15；对于毛细管柱，r21＞1.08.另外还要求固定液有良好的热稳定性和化学稳定性；对试样各组分有适当的溶解能力；在操作温度下有较低蒸气压，以免流失太快。〔2〕组分分子与固定液间的作用力在气相色谱中，载气是惰性的，且组分在气相中浓度很低，组分分子间作用力很小，可忽略。在液相中，由于组分浓度低，组分间的作用力也可忽略。液相里存在的主要作用力是组分与固定液分子间的作用力，这种作用力反映了组分在固定液中的热力学性质。作用力大的组分，由于溶解度大，分配系数也大。97

这种分子间作用力是一种较弱的分子间的吸引力，它不像分子内的化学键那么强。它包括有定向力、诱导力、色散力和氢键作用力4种。前三种统称范德华力，都是由电场作用而引起的。而氢键力那么与它们有所不同，是一种特殊的范德华力。此外，固定液与被别离组分间还可能存在形成化合物或配合物等的键合力。98〔3〕固定液的特性

固定液的特性主要是指它的极性或选择性，用它可描述和区别固定液的别离特征。目前大都采用相对极性和固定液特征常数表示。〔i〕相对极性：1959年由Rohrschneider提出用相对极性P来表示固定液的别离特征。此法规定非极性固定液角鲨烷的相对极性为0，强极性固定液β，β′—氧二丙腈的相对极性为100。然后，选择一对物质〔如正丁烷—丁二烯或环己烷—苯〕，来进行试验。分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的调整保存值，然后按以下两式计算欲测固定液的相对极性Px：99式中下标1，2和x分别表示氧二丙睛，角鲨烷及被测固定液。由此测得的各种固定液的相对极性均在0～100之间。一般将其分为五级，每20单位为一级。相对极性在0～+l级之间的叫非极性固定液，+2级为弱极性固定液，+3级为中等极性，+4～+5为强极性。非极性也可用“－〞表示。下表列出了一些常用固定液的相对极性数据。1001-3101

〔ii〕固定液特征常数ΔI=IP-IS式中ΔI为任一标准物质保存指数差值，IP和IS分别为任一标准物质在被测固定液和参比固定液上的保存指数。麦氏常数是在1970年由McReynolds提出的改进方案。选用苯、正丁醇、2-戊酮、l-硝基丙烷、吡啶、2-甲基-2-戊醇、碘丁烷、2-辛炔、二氧六环、顺八氢化茚10种物质，在柱温120℃下分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的ΔI值。归纳后发现前5种物质已足以表达固定液的相对极性，把该五项之和称为总极性。表1-4列出一些常用固定液的McRevnolds常数。1021-4103保存指数

人为规定正构烷烃的保存指数为其碳数乘100，如正己烷和正辛烷的保存指数分别为600和800。至于其他物质的保存指数，那么可采用两个相邻正构烷烃保存指数进行标定。测定时，将碳数为n和n+1的正构烷烃加于样品x中进行分析，假设测得它们的调整保存时间分别为tr′(Cn)，tr′(Cn+1；)和tr′(x)且tr′(Cn)＜tr′(x)＜tr′(Cn+1)时，那么组分x的保存指数可按下式计算，即104气液色谱可选择的固定液有几百种，它们具有不同的组成、性质、用途。如何将这许多类型不同的固定液做一科学分类，对于使用和选择固定液是十分重要的。现在大多按固定液的极性和化学类型分类。按固定液极性分类可用固定液的极性和特征常数〔麦氏常数〕表示。按化学类型分类就是将有相同官能团的固定液排列在一起，然后按官能团的类型分类。这样就便于按组分与固定液结构相似原那么选择固定液。〔4〕固定液的分类105〔5〕固定液的选择对固定液的选择并没有规律可循，也没有现成模式。一般可按“相似相溶〞原那么来选择。在应用时，应按实际情况而定。〔i〕别离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。〔ii〕别离极性物质：选用极性固定液，试样中各组分按极性次序别离，极性小的先流出，极性大的后流出。〔iii〕别离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先流出，极性组分后流出。〔vi〕别离能形成氢键的试样：一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。〔v〕复杂的难别离物质：可选用两种或两种以上混合固定液。对于样品极性情况未知的，一般用最常用的几种固定液做试验。下表列出了几种最常用的固定液。1061-5107

1．常用的固体吸附剂主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。使用时，可根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最适宜的吸附剂。2．人工合成的固定相作为有机固定相的高分子多孔微球是一类人工合成的多孔共聚物。它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于别离，也可作为载体在其外表涂渍固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔径大小及外表性质。圆球型颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失〞问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、脂类、胶类的分析。二．气固色谱固定相

108109§1-7气相色谱检测器

气相色谱检测器是把载气里被别离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达数十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种：〔l〕浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导池检测器〔TCD〕和电子捕获检测器〔ECD〕。〔2〕质量型检测器测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如氢火焰离子化检测器〔FID〕和火焰光度检测器〔FPD〕等。110－.热导池检测器〔TCD〕热导检测器是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格廉价，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。111热导池由池体和热敏元件构成，可分双臂和四臂热导池两种。由于四臂热导池热丝的阻值比双臂热导池增加一倍，故灵敏度也提高一倍。目前仪器中都采用四根金属丝组成的四臂热导地。其中两臂为参比臂，另外两臂为测量臂，将参比臂和测量臂接入惠斯登电桥，由恒定的电流加热组成热导池测量线路，如右图所示。1．热导池的结构和工作原理

1122．影响热导检测器灵敏度的因素〔l〕桥电流桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一般桥电流控制在100～200mA左右〔N2作载气时为100～150mA，H2作载气时150～200mA为宜〕。113〔2〕池体温度池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。池体温度一般不应低于柱温。〔3〕载气种类载气与试样的热导系数相差愈大，那么灵敏度愈高。应选择热导系数大的氢气或氦气作载气有利于灵敏度提高。如用氮气作载气时，有些试样〔如甲烷〕的热导系数比它大就会出现倒峰。P35表2-7列出某些气体与蒸气的热导系数。〔4〕热敏元件的阻值阻值高、温度系数较大的热敏元件，其灵敏度高。钨丝是一种广泛应用的热敏元件，它的阻值随温度升高而增大，其电阻温度系数为5.5×10-3cm·Ω-1·℃-1，电阻率为5.5×10-6Ω·cm。为防止钨丝气化，可在外表镀金或镍。114

二.氢火焰离子化检测器〔FID〕氢火焰离子化检测器是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，检测被色谱柱别离出的组分。它的特点是：灵敏度很高，比热导池检测器的灵敏度高出约103倍；检出限低，可达10-12g·s-1；氢火焰离子化检测器能检测大多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围也宽，可达106以上；而且结构不复杂，操作简单，是目前应用最广泛的色谱检测器之一。其主要缺点是不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。1151.结构

1162．氢火焰离子化机理

至今还不十分清楚其机理，普遍认为这是一个化学电离过程。有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反响生成H30+离子。以苯为例，在氢火焰中的化学电离反响如下：

3.影响操作条件的因素

离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接影响，操作条件的变化，包括氢气、载气、空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响。117三.电子捕获检测器(ECD)

电子捕获检测器也称电子俘获检测器，它是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质〔如含卤素、硫、磷、氰等的物质〕的检测有很高灵敏度〔检出限约10-14g·mL-1〕。它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。电子捕获检测器已广泛应用于农药残留量、大气及水质污染分析以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。它的缺点是线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。1．电于捕获检测器的结构与工作原理实际上它是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源，其结构如以下图。118119

检测器内腔有两个电极和筒状的β放射源。β放射源贴在阴极壁上，以不锈钢棒作正极，在两极施加直流或脉冲电压。放射源的β射线将载气〔N2或Ar〕电离，产生正离子和慢速低能量的电子，在恒定电场作用下向极性相反的电极运动，形成恒定的电流即基流。当载气带着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。1202．捕获机理捕获机理可用以下反响式表示：

121四.火焰光度检测器(FPD)

火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12g·s-1〔对P〕或10-11g·s-1〔对S〕。这种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。1221．火焰光度检测器的结构

123

2．火焰光度检测器的工作原理根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷。以硫为例，有以下反响发生：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复原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出λmax为526nm的特征光谱。这些光由光电倍增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。124五.检测器的性能指标

一个优良的检测器应具以下几个性能指标：●灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。●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。表1-8列出四种常用检测器的性能指标。125

1261．灵敏度当一定浓度或一定质量的组分进入检测器，产生一定的响应信号R。以进样量C〔单位：mg.mL-1或g·s-1〕对响应信号(R)作图得到一条通过原点的直线。直线的斜率就是检测器的灵敏度〔S〕。因此，灵敏度可定义为信号〔R〕对进人检测器的组分量〔C〕的变化率：对于浓度型检测器，ΔR取mV，ΔC取mg·mL-1，灵敏度S的单位是mV·mL·mg-1；对于质量型检测器，Δc取g·s-1,那么灵敏度S的单位为mV·s·g-1。127

在实际工作中，我们常常从色谱图上测量峰的面积来计算检测器的灵敏度。根据灵敏度的定义，可得浓度型检测器灵敏度计算公式

式中：Sc—灵敏度〔mV·cm3·mg-1〕，Ai—色谱峰面积〔cm2〕，C2—记录仪灵敏度〔mV·cm-1〕，Fc′—检测器入口处载气流速〔cm3·min-1〕，wi—进入检测器的样品量〔mg〕，C1—记录纸移动速度(cm·min-1)。128同样，对于气体样品，进样量以体积cm3表示时，那么灵敏度Sc的单位为mV·cm3·mg-1。质量型检测器灵敏度计算公式为：式中：Sm－灵敏度〔mV·s·mg-1〕，mi－进入检测器的样品量〔ｍg〕。129

［例4］进样0.5μL纯苯，得色谱峰高h=6.25cm.半峰宽Y1/2=0.25cm，苯的密度为0.88g·cm-3，记录纸走速C1=0.5cm·min-1，检测器入口处载气流速Fc′=30cm3.min-1，记录仪满量程为10mV，满量程宽度25cm，求热导检测器的灵敏度。

解:mi＝0.5×10-3cm3×0.88×103mg·cm-3=0.44mgC2＝10mV/25cm=0.4mV·cm-1Ai＝1.065h·Y1/2＝1.065×6.25cm×0.25cm

＝1.065×6.25×0.25cm2将以上各项代人上页的公式，得

S＝1.065×6.25×0.25cm2×0.4mV·cm-1×30cm3·min-1/(0.44mg×0.5cm·min-1)

＝90．8mV·cm3·mg-l1302．检出限〔敏感度〕当检测器输出信号放大时，电子线路中固有的噪声同时也被放大，使基线波动如下图。取基线起伏的平均值为噪声的平均值，用符号RN表示。由于噪声会影响测量试样色谱峰的识别，所以在评价检测器的质量时提出了检出限这一指标。131

检出限定义为：检测器恰能产生3倍于噪声信号时的单位时间〔单位：S〕引入检测器的样品量〔单位：g〕，或单位体积〔单位：cm3〕载气中需含的样品量。对于浓度型检测器，捡出限Dc表示为Dc=3RN/ScDc的物理意义指每毫升载气中含有恰好能产生3倍于噪声信号的溶质毫克数。质量型检测器的检出限为Dm=3RN/SmDm的物理意义指每秒通过的溶质克数，恰好产生3倍于噪声的信号。132

3．最小检测量实际上，检测器不可能单独使用，它总是与柱、气化室、记录器及连接管道等组成一个色谱体系。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。●浓度型检测器，最小检测量〔单位：mg〕为●质量型检测器，最小检测量〔单位：g〕为133

由此看出，最小检测量与检出限是两个不同的概念。检出限只用来衡量检测器的性能，而最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。134

4．线性范围检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量〔浓度〕与最小检测量〔浓度〕之比。以下图为某检测器对两种组分的R-ci图。R为检测器响应值，ci为进样浓度。对于组分A进样浓度在cA至cA′之间为线性，线性范围为cA′—cA。对于组分B那么在cB至cB′之间为线性，线性范围为cB′—cB。不同的组分的线性范围不同。不同类型检测器的线性范围差异也很大。如氢焰检测器的线性范围可达107，热导检测器那么在105左右。由于线性范围很宽，在实际检测时一般采用双对数坐标纸。1351365.响应时间响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号到达其真值的63％所需的时间。检测器的死体积小，电路系统的滞后现象小，响应速度就快。一般都小于1s。137§1-8

定性分析

气相色谱分析对象是在气化室温度下能成为气态的物质。除少数外，大多数物质在分析前都需要预处理。例如，样品中含有大量的水，乙醇或被强烈吸附的物质，可导致色谱柱性能变坏。一些非挥发性物质进人色谱柱，本身还会逐渐降解，造成严重噪声。还有些物质，如有机酸，极性很强，挥发性很低，热稳定性差。必须先进行化学处理，才能进行色谱分析。气相色谱法是一种高效、快速的别离分析技术，它可以在很短时间内别离几十种甚至上百种组分的混合物，这是其他方法无法比较的。但是，由于色谱法定性分析主要依据是保存值，所以需要标准样品。而且单靠色谱法对每个组分进行鉴定，往往不能令人满意。138近年来，气相色谱与质谱、光谱等联用，既充分利用色谱的高效别离能力。又利用了质谱、光谱的高鉴别能力，加上运用计算机对数据的快速处理和检索，为未知物的定性分析开辟了一个广阔的前景。1.用纯物质对照定性这是气相色谱定性分析中最方便、最可靠的方法。这个方法基于在一定操作条件下，各组分的保存时间是一定值的原理。如果未知样品较复杂，可采用在未知混合物中参加物，通过未知物中哪个峰增大，来确定未知物中成分。139

1402.用经验规律和文献值进行定性分析

当没有待测组分的纯标准样时，可用文献值定性，或用气相色谱中的经验规律定性。〔l〕碳数规律大量实验证明，在一定温度下，同系物的调整保存时间的对数与分子中碳原子数成线性关系，即式中A1和C1是常数，n为分子中的碳原子数(n≥3)。该式说明，如果知道某一同系物中两个或更多组分的调整保存值，那么可根据上式推知同系物中其它组分的调整保存值。141〔2〕沸点规律同族具有相同碳数碳链的异构体化合物，其调整保存时间的对数和它们的沸点呈线性关系，即式中A2和C2均为常数，Tb为组分的沸点〔K〕。由此可见，根据同族同数碳链异构体中几个组分的调整保存时间的对数值，可求得同族中具有相同碳数的其他异构体的调整保存时间。1423．根据相对保存值定性

利用相对保存值定性比用保存值定性更为方便、可靠。在用保存值定性时，必须使两次分析条件完全一致，有时不易做到。而用相对保存值定性时，只要保持柱温不变即可。这种方法要求找一个基准物质，一般选用苯、正丁烷、环己烷等作为基准物。所选用的基准物的保存值尽量接近待测样品组分的保存值。1434.根据保存指数定性

保存指数又称Kovasts指数，是一种重视性较其他保存数据都好的定性参数，可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照，而不需标准样品。

144［例5］乙酸正丁酯在阿皮松L柱上的流出曲线〔柱温100℃〕。由图中测得调整保存距离为：乙酸正丁酯310.0mm，正庚烷174.0mm，正辛烷373.4mm，求乙酸正下酯的保存指数。解n=7即乙酸正丁酯的保存指数为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。而且要用几个组分进行验证。1455.双柱、多柱定性

对于复杂样品的分析，利用双柱或多柱