气相色谱法完整版本

7—1概述7—2气相色谱仪7—3色谱柱7—4检测器7—5色谱条件的选择7—6定性分析7—7定量分析第七章气相色谱法Gas

Chromatography一、气相色谱法：以气体为流动相的柱色谱分离、分析方法。7—1气相色谱法的分类和特点二、GC分类1、按固定相分气-固色谱气-液色谱2、按分离原理分吸附色谱分配色谱3、按柱子直径分填充柱色谱毛细管柱色谱4、按用途分分析型色谱制备型色谱三、气相色谱法的特点和应用1、特点：“三高”“一快”“一少”、“一广”2、适用适于分析热稳定性好的气体、易挥发的液体及固体；不适合分析不易气化或不稳定性物质；样品的衍生化使应用范围进一步扩大；自然界中有20%多的有机物可用气相色谱法进行分析，在药物分析中成为对挥发性成分检查和含量测定的重要方法。中国药典检查药物中的有机溶剂残留量一般采用GC。四、气相色谱法的发展GC-MS、GC-FTIR、GC-NMR等分析仪器的出现，弥补了气相色谱定性分析能力差的不足。7—1气相色谱法的分类和特点7—2气相色谱仪气相色谱仪基本结构气路系统进样系统（进样装置、气化室以及加热装置）色谱柱系统（色谱柱、柱温箱及温控装置）检测系统（检测器及温控装置）记录和数据处理系统基本结构7—3色谱柱色谱柱组成柱管（粗细）固定相填充柱：2~4米柱长3~6

mm内径毛细管柱：几十米~几百米柱长

0.2~0.5mm内径固体吸附剂：气—固吸附色谱柱载体+固定液：气—液分配色谱柱一、气—固吸附色谱柱固定相1）吸附剂——硅胶（极性，吸附力强）、氧化铝、活性炭、石墨化碳黑（非极性）2）分子筛——合成的硅铝酸的钠盐和钙盐：吸附+分子筛机制3）高分子多孔微球（GDX，苯乙烯、二乙烯基苯聚合交联而成：常用于药物分析（乙醇量、水分、残留有机溶剂）定性、定量

有机合成高分子聚合物吸附+分配+分子筛机制4）化学键合相（化学键合多孔微球固定相）稳定性好，分析极性和非极性组分吸附+分配机制1、固定液（p258）1）要求A、蒸气压低，不易气化，固定液流失慢、柱寿命长，检测本底低；B、操作柱温下固定液呈液态，易于形成均匀液膜；C、操作条件下固定液热稳定性和化学稳定性好；D、固定液对样品应有较好的溶解度及选择性。2）分类极性分类法化学分类法二、气—液分配色谱柱（固定相：固定液/载体+固定液）极性分类法A、相对极性（P）法（5级分度法）规定相对极性：

,

'-氧二丙腈柱100；角鲨烷柱0分离物质对：苯-环己烷（正丁烷-丁二烯）0—20：+1，非极性固定液21—40：+2，弱极性固定液41—60：+3，中等极性固定液61—100：+4、+5，强极性固定液q1(lgr1):苯与环己烷在β,β'-氧二丙腈柱上的相对保留值的对数。q2(lgr2):角鲨烷柱上的相对保留值的对数。qx(lgrx):在待测柱上的相对保留值的对数。极性分类法B、固定液常数法（罗氏特征常数法和麦氏常数和法）麦氏常数和↑，固定液极性↑五种化合物代表不同类型的相互作用力：苯、丁醇、2-戊酮、硝基丙烷、吡啶化学分类法（相似相溶原则）A、烃类（分离非极性的化合物）：例角鲨烷：标准的非极性固定液B、聚硅氧烷类（分离不同极性的化合物）：a、甲基硅氧烷：弱极性甲基硅油（n<400）甲基硅油Ⅰ：230ºC甲基硅橡胶（n>400）SE30、OV1：350ºCb、苯基硅氧烷：极性稍强（随苯基↑，极性↑）甲基苯基硅油（n<400）甲基苯基硅橡胶（n>400）：按苯基含量不同分低苯基硅橡胶SE52：含苯基5%，350ºC中苯基硅橡胶OV17：含苯基50%，350ºC高苯基硅橡胶OV25：含苯基75%，350ºCc、氟基硅氧烷：中等极性三氟丙基甲基聚硅氧烷QF-1：含三氟丙基50%，275ºCd、氰基硅氧烷：强极性化学分类法C、醇类（氢键型固定液）（分离强极性化合物）：非聚合醇聚合醇：聚乙二醇-20000（Carbowax-20M：225ºC）D、酯类：中强极性固定液（分离范围广）非聚酯类聚酯类：丁二酸二乙二醇酯（DEGS）3）固定液的选择A、按相似相溶原则选择B、按组分性质的主要差别选择固定液的选择依据：使最难分离的物质达到要求的分离度，同时又要有适宜的分析时间。被分离物质固定液主要作用力出峰顺序非极性非极性色散力按沸点顺序，沸点低者先出柱。相同沸点的极性组分先出。中等极性中等极性诱导力和色散力按沸点顺序。相同沸点的极性组分后出柱。极性极性静电力按极性顺序出柱。非极性组分先出柱。能形成氢键的试样氢键型氢键力按形成氢键的能力大小出柱。a、按极性相似原则选择固定液与被测组分极性“相似相溶”，K

大，选择性好A、按相似相溶原则选择A、按相似相溶原则选择b、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B、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（80.1ºC），环己烷（80.7ºC）选非极性柱：分不开选中强极性柱：

较好分离，环己烷先出柱C、使用混合固定液混涂、混装、串联D、按指定固定液进行选择尝试法选择[SE-30（+1）、OV-17（+2）、QF-1（+3）、PEG-20M（+3）及DEGS（+4）]二、气—液分配色谱柱2、载体（担体）1）作用：承载固定液的作用2）要求比表面积大（多涂渍固定液）；化学惰性（不与固定液、待测成分发生化学反应）；无吸附性（不吸附被测组分）；孔分布均匀，有一定的机械强度；热稳定性好。3）分类：A、硅藻土类：具有一定粒度的多孔性固体微粒红色载体：与非极性固定液及化合物配伍。白色载体：与极性固定液及化合物配伍B、非硅藻土类：玻璃微球：适用于高沸点样品。比表面积小。氟载体（聚四氟乙烯等）：多孔性载体。适用于强腐蚀性样品4）载体的处理方法：目的：钝化（除去硅醇基），减弱吸附性（Al、Fe、Al2O3）酸洗：除去Al、Fe；用于分析酸类和酯类碱洗：除去Al2O3；用于分析胺类等碱性化合物硅烷化：除去硅醇基最有效的办法；用于分析形成氢键能力较强的化合物。釉化：降低了色谱峰的脱尾，也增加了载体的机械强度7—4检测器检测器：是将流出色谱柱的被测组分的浓度或质量转变为相应电信号的装置。一、气相色谱检测器分类二、常用检测器的特点和检测原理三、检测器的性能指标一、气相色谱检测器分类：1、按检测原理分（按照检测器的输出信号与组分含量之间的关系分）浓度型检测器：测量组分浓度的变化响应值与组分的浓度成正比（TCD、ECD）质量型检测器：测量组分质量的变化响应值与单位时间进入检测器的组分质量成正比[FID、FPD、NPD(TID)]2、按对组分的选择性分通用型检测器：TCD专属型检测器：FID（含C、H）、FPD（含S、P）、NPD（含N、P）、ECD（含电负性基团）漂移三、检测器的性能指标噪音（noise；N）比较灵敏度与敏感度优劣：灵敏度：未考虑噪音因素，衡量检测器好坏不全面。敏感度：考虑了噪音影响。检测限越低，检测器性能越高。2、灵敏度（sensitivity，S(Sc、Sm)；响应值、应答值）用来评价检测器质量，响应信号变化与通过检测器物质量变化的比值；是和其他类型检测器相比较的重要指标。3、检测限（Detectability，敏感度）检测限是以检测器恰能产生3（2）倍噪音信号（峰高、毫伏）时，单位时间引入检测器的组分量或单位体积载气中所含的组分量来表示的。4、线性范围（与定量分析有关）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（正比）关系的范围。范围良好的检测器其线性相关系数r接近1D

=

3N/S二、常用检测器的特点和检测原理1、热导检测器（ThermalConductivityDetector,TCD）1）特点：浓度型检测器A、优点：a、通用型，应用广泛b、结构简单c、稳定性好d、线性范围宽e、不破坏组分，可重新收集制备B、缺点：因大多数组分与载气热导率差别不大，故灵敏度稍低。原理：依据组分与载气的热导率差别进行检测2）结构与原理惠斯登电桥测量臂——接在色谱柱后（通样品气体+载气，电阻为R1）参比臂——接在色谱柱前（只通载气，电阻R2）两个等阻值电阻R3=R4双臂热导池检测器热丝R1、R2：材质、电阻相同的热敏元件R3、R4：固定电阻阻值相等原理：依据组分与载气的热导率差别进行检测A、进样前：两臂均通载气时B、进样后：测量臂通样品气体+载气、参比臂通载气时VAB

的大小取决于组分与载气的热导率之差以及组分在载气中的浓度，因此在载气与组分一定时，峰高（VAB）或峰面积可用于定量。

1组分<

1载气，热传导散热少，R1

，R1/R2>1，信号为正峰适用范围：溶剂、一般气体和惰性气体，工业流程中气体，药物中微量水分3）使用注意事项A、热导检测器为浓度型检测器，当进样量一定时，峰面积与载气流速成反比，而峰高受流速影响较小。因此，用A定量时，需严格保持流速稳定。B、为避免热丝烧断，没有通载气时不能加桥电流，关仪器时应先切断桥电流再关载气。C、在热导池体温度与载气流速等实验条件恒定时，检测器的灵敏度取决于载气与组分的热导率之差。在用TCD检测器时，用氮气为载气，灵敏度低、易出倒峰一般选氢气为载气。见p255表12-1D、检测器温度不得低于柱温，通常检测器温度高于柱温2050C。1）特点：质量型检测器利用有机物在氢火焰作用下化学电离而形成离子流，借测定离子流强度进行检测。优点：专属型检测器（只能测含C有机物）灵敏度高（>TCD）响应快线性范围宽缺点：燃烧会破坏离子，无法回收（不能制备纯物质）2、氢焰离子化检测器（HydrogenIonizationDetector,FID）目前最常用的检测器2）结构检测原理：离子流的强度与进入检测器中组分的质量及分子中的含碳量有关。组分一定时，测定离子流强度可以对物质进行定量。电流（离子流）的大小与有机物引入的质量成正比。有机化合物→离子对→离子流→流向阴、阳极→放大→记录离子化机理：化学电离理论氢火焰→自由基→正离子3）检测原理和离子化机理4）使用FID时应该注意的几个问题A、FID为质量型检测器，峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。在进样量一定时，峰高与载气流速成正比。在用峰高定量时，需保持载气流速恒定。而峰面积与载气流速无关，故一般用峰面积定量。B、使用三种气体，气体流量比：载气：N2气燃气：H2气助燃气：空气N2:H2=1:1

1:1.5;H2:Air=1:5

1:10C、使用温度：高于柱温30~50ºC，不得低于150ºC。D、极化电压：100

300V。7—5分离条件的选择主要根据分离度方程以及Van

Deemter方程（色谱速率理论方程）来选择一、气相色谱速率理论二、实验条件的选择VanDeemter等人在研究气液色谱时提出了速率理论，他在塔板理论的基础上引入了影响板高的动力学因素，将色谱过程与柱内组分的分子运动联系起来，认为影响板高的因素有三，并建立了速率方程（范第姆特方程）。

一、气相色谱速率理论速率理论方程式：阐明影响柱效的因素H=A+B/u+CuA：涡流扩散（eddydiffusion）也叫多径扩散系数B：纵向扩散（longitudinaldiffusion）系数C：传质阻抗（masstransferresistance）系数u：载气线速度1、涡流扩散项（多径扩散项）：A产生原因：载气携样品进柱，遇到来自固定相颗粒的阻力→不断改变流向，路径长短不一→涡流扩散影响因素：固体颗粒越小，填充越实，A项越小注：颗粒太小，柱压过高填充柱：60~100目空心毛细管柱（0.2~0.5mm），A=0，n理较高对于填充柱，填充均匀性与柱径大小有关，2—5mm最均匀讨论：2、纵向扩散项（分子扩散项）：B/u产生原因：组分在固定相中被流动相推动向前、展开→前后存在浓度差r影响因素：讨论：注：为了减小纵向扩散，宜选用分子量较大的载气、较高线速度和较低柱温选择载气原则：兼顾分析时间和减小纵向扩散u

较小时，选M较大的N2气（粘度大）u

较大时，选M较小的H2气，He气（粘度小）3、

传质阻抗项：C·u产生原因：样品在气液两相分配，样品未及分配平衡就被载气带走，有的则滞后，而造成峰扩张影响因素：固定液应完全覆盖载体表面，不可以太薄，否则柱子寿命短，k太小；T不可以超过固定液最佳使用温度采用比表面积较大的载体来降低液膜厚度小结：范氏方程说明了在色谱分离条件的选择中，填充物填充均匀程度、粒度；载气种类及流速；固定相的液膜厚度等对柱效和峰宽的影响。另外柱直径也对柱效有影响。二、实验条件的选择1、分离度定义式2、影响分离的因素（分离方程，分离度计算式）3、条件选择1、分离度（resolution，R）又称分辨率给定色谱柱对两种溶质分离程度的量度。是指相邻两峰峰顶间距离与两峰基线宽度平均值的比值（衡量色谱分离条件优劣的参数）；涉及色谱过程热力学因素和动力学因素。设色谱峰为正常峰（峰形对称且满足正态分布），且W1

W2

=4若R

=

0，峰间距

tR=0，两峰完全重合；R

=

1，

tR=4，两峰分离度可达98％；R

=

1.5，

tR=6，两峰离度可达99.7％；R≥1.5，

tR

≥6，可视为完全分开。《中国药典》规定R

≥

1.5可作为两组分分离的指标2、影响色谱分离度的因素n：理论塔板数

：选择因子（分配系数比）k2：为色谱图上相邻两个组分中第二组分的容量因子柱容量项柱效项柱选择项前提：定义式基础上，相邻两组分的n一致（假设）

,分离选择性,

Rk

,R,峰变宽n,峰变锐，改善分离度1）柱效项及其影响因素影响色谱峰的宽窄主要取决于色谱柱性能及载气流速n,峰变锐，改善分离度1）增加柱效是提高分离度的一个直接有效手段提高柱效、改善分离的途径：增加柱长；降低板高；但增加柱长使n↑，延长分析时间，引起峰扩张设法使H↓，才是增加R↑的最好办法2）根据速率理论（H=A+B/u+Cu），降低板高、提高柱效的方法是：A、采用粒度较小、均匀填充的固定相（A项↓）B、分配色谱应控制固定液液膜厚度（C项↓）C、适宜的操作条件：载气的性质和流速，柱温等（B项↓）选用分子量较大、线速度较小的载气，如N2气（GC）控制较低的柱温讨论：2）柱选择项及其影响因素：影响峰的间距组分一定条件下，主要受固定相及柱温影响

＞2时短时间内组分会完全分离

接近1时延长时间才能完全分离

(

=

1.01分离时间是

=1.1时的84倍)

=

1时无法分离

,分离选择性,

R增大柱选择性是改善分离度的最有力手段1）GC中，柱选择性主要取决于固定相性质和柱温A、选择合适的固定相使与不同组分的作用产生差别才能实现分离B、适当增加固定液的用量，但保留时间会延长。B、一般说，降低柱温可以增大柱的选择性讨论：3）柱容量项及其影响因素：影响峰位主要受固定相用量、柱温和载气流速的影响k

,R,峰变宽综合考虑分离度、分离时间和峰检测几项因素k

太大A、分析时间延长B、检测困难k＞10分离度提高不明显k＜2淋洗时间会出现极小值控制k的最佳范围2~5GC中，增加固定液用量和降低柱温可以增加k讨论：3、条件选择色谱条件包括分离条件和操作条件分离条件：色谱柱操作条件：载气与流速、柱温、进样条件及检测器1、色谱柱的选择2、柱温的选择3、载气与流速的选择4、进样条件的选择1、色谱柱的选择（以气液分配色谱为主）1）固定相的选择2）柱长的选择1）固定相的选择A、固定液的选择（考虑：固定液极性、最高使用温度）：a、按“相似相溶”原则：极性相似或官能团相似b、按组分性质主要差别：沸点相差大的选非极性固定液沸点相差小的选极性固定液c、柱温<固定液最高使用温度——防止固定液流失载体的选择：种类，粒度，分布1、色谱柱的选择1）固定相的选择B、固定液配比的选择（决定因素：样品沸点、载体比表面积、固定液最高使用温度）目的：增大k值1、色谱柱的选择组分性质保留时间需求固定液配比载体比表面积气体或低沸点液、固体长高（20-30%）大高沸点液、固体短低（1-10%）小难分离组分→毛细管柱固定液配比选择原则：在k适当的前提下，尽可能降低固定液配比，降低液膜厚度，H降低，柱效提高。1、色谱柱的选择2）柱长的选择注：根据R

>1.5选择L，一般较短（0.6~6m）2、柱温的选择（柱温是改善分离度的重要参数）选择柱温的根据是混合物的沸点范围，固定液的配比和检测器的灵敏度。提高柱温可缩短分析时间；降低柱温可使色谱柱选择性增大，有利于组分的分离和色谱柱稳定性提高，柱寿命延长。一般采用等于或低数十度于样品的平均沸点的柱温为较合适，对易挥发样用低柱温，不易挥发的样品采用高柱温。

（1）高沸点混合物（300℃～400℃），若需在较低的柱温下分析，可采用低固定液配比1％～10%（固定液与担体的重量比），采用高灵敏度检测器，柱温可比沸点低100℃～150℃，在200℃～250℃的柱温下分析。

（2）沸点＜300℃的样品，可用20％～30%固定液配比。沸点越低，所用配比越高，柱温可比平均沸点低50℃至平均沸点的范围选择。根据样品沸点情况选择合适柱温。（3）宽沸程样品应采用程序升温原则：在能保证R的前提下，尽量使用低柱温，但应保证适宜的tR及峰不拖尾，减小检测本底程序升温好处：改善分离效果缩短分析周期改善峰形提高检测灵敏度3、载气与流速的选择选择流速和载气应同时考虑对柱效、柱压降、检测器灵敏度以及分析时间的影响选择载气应与检测器匹配TCD→选H2，He（u

大，粘度小）FID→选N2（u

小，粘度大）载气流速：20—80mL/min4、进样条件的选择气化室温度：一般稍高于样品沸点，但不要超过沸点50ºC气化室温度高于柱温30—50ºC；检测室温度：应高于柱温30~50ºC进样量：不可过大，否则造成拖尾峰气体：0.1—1mL液体：0.1—1

L注：检测器灵敏度足够时，进样量尽量小最大允许进样量：使理论塔板数降低10%的进样量7—6定性分析（p213）一、利用保留值定性1、已知物对照法定性：定性专属性差注：不同组分如在某一色谱条件下保留值相同，应更改色谱柱再检测（双柱定性），粗步推算是否为一个纯物质峰。2、相对保留值定性二、利用化学反应定性：收集柱后组分，官能团反应，定性鉴别（非在线）三、利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR等（MS、FTIR作为检测器）7—7定量分析以峰高或峰面积定量一、系统适用性试验二、峰面积的测量三、定量校正因子四、定量方法一、系统适用性试验1、色谱柱的理论塔板数（n）用于评价色谱柱的分离效能2、分离度（R）用于评价被测组分与相邻共存物或难分离物质之间的分离程度，是衡量色谱系统效能的关键指标。定量分析：R>1.53、重复性用于评价连续进样中色谱系统响应值的重复性。4、对称因子用于评价色谱峰的对称性。二、峰面积的测量1、对于正常峰注：当色谱操作条件一定时，在一定进样量范围内(不超载），W1/2与进样量无关2、自动求和（自动积分仪或色谱工作站）：直接给出A，h，W1/2三、定量校正因子1、两种表示方法fi'：单位峰面积所代表的物质的量3、注意事项：

相对校正因子与待测物、基准物、流动相和检测器类型有关，与检测器具体结构、操作条件（柱温、流速、固定液性质、进样量等）无关。基准物：TCD→苯；FID→正庚烷以氢气和氦气作载气测得的校正因子可通用以氮气作载气测的校正因子与两者差别大2、相对校正因子的测定三、色谱法定量方法1、归一化法2、内标法3、外标法4、标准加入法（叠加法、内加法）前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰依据：组分含量与峰面积成正比优点：简便，准确定量结果与进样量、重复性无关（前提→柱子不超载）色谱条件略有变化对结果几乎无影响缺点：所有组分必须在一定时间内都出峰必须已知所有组分的校正因子不适合微量组分的测定适用：药物杂质检查1、归一化法例题：已知某试样中含A、B、C以及D四个组分全部都在色谱图出峰，各组分相对重量校正因子及色谱图中测得的峰面积列于下表，用面积归一化法求出各组分的百分含量？ABCDf1.101.401.251.50A80(mm)2450(mm)240(mm)290(mm)22、外标法（更适合于HPLC定量）以待测组分纯品为对照物，与试样中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法1）工作曲线法：i

纯品→工作曲线，同体积样品与之比较前提：进入检测器样品量与峰面积成正比2）外标一点法：一种浓度对照物对比样品中待测组分含量前提：截距为0，对照品浓度与待测组分浓度接近3）外标两点法：

前提：选取两点对照品的浓度，需涵盖待测浓度4）外标法特点：1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰，简单易行。2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大→要求：每次进样量准确、实验条件恒定2、