仪器分析-气相色谱

第一章气相色谱分析

第一节色谱概述

色谱法是一种重要的分离方法，这种方法用到分析化学中，就是色谱分析。它具有高分离效能，高检测性能，分析速度快的特点。因而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的方法Clarus600气质联用仪是PerkinElmer公司2006年推出的最新型气质联用仪

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色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用。他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。1、色谱的概念

在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相

；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相

；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱

。2、色谱分离的基本原理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。3、色谱法分类：

a.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为超临界流体色谱（SFC）。

b.按分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分离的方法，称为吸附色谱法。利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分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达到分离的方法，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达到分离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。最近，又有一种新分离技术，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分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离。14高效毛细管电泳：九十年代快速发展出的一种分析仪器，主要是利用电泳原理进行分离、特别适合生物试样分析。15色谱法分类柱色谱平板色谱173.色谱法的特点（1）分离效率高

复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。（2）灵敏度高

可以检测出μg·g-1(10-6)级甚至ng·g-1(10-9)级的物质量。（3）分析速度快

一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。（4）应用范围广

气相色谱：沸点<400℃的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。

不足之处：被分离组分的定性较为困难。184、色谱一般结构1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；7-进样器；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪。19色谱流出曲线和色谱峰由检测器输出的信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线。曲线上突起部分就是色谱峰。5、色谱基本参数与流出曲线的表征20（1）基线

无试样通过检测器时，检测到的信号即为基线。a.基线漂移b.基线噪音21信号进样空气峰ha色谱流出曲线色谱峰（2）峰高色谱峰顶点与基线之间的垂直距离，以（h）表示。22

（3）保留值

a.时间表示的保留值

保留时间(tR)：组分从进样到柱后出现浓度极大值时所需的时间；

死时间(tM)：不与固定相作用的气体(如空气)的保留时间；

23

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，即

ū=L/tM24调整保留时间tR´某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即tR´=tR

tM

由于组分在色谱柱中的保留时间tR包含了组分随流动相通过柱子所需的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以tR实际上是组分在固定相中保留的总时间。2526

保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。27死体积V0

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。当后两项很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速qVo（cm3·min-1）计算。

b.用体积表示的保留值28

V0=tMqVo

式中qVo为色谱柱出口的载气流量。29保留体积VR指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：

VR=tR

qVo

306.调整保留体积VR

某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。

VR

=VR

V0=tR

qVo

31(4)

相对保留值r21

组分2与组分1调整保留值之比：

r21=t´R2

/t´R1=V´R2/V´R1

相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相对这两种组分的选择性。32(5)区域宽度衡量色谱峰宽度的参数，从分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好，三种表示方法：（1）标准偏差(

)：即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。（2）半峰宽(Y1/2)：色谱峰高一半处的宽度Y1/2=2.354

。（3）峰底宽(Wb)：Wb=4

。33从色谱流出曲线中，可得许多重要信息：

(i)根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；(ii)根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；(iii)根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；(iv)色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的依据；(v)色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否合适的依据。34351、典型气相色谱的构成I载气系统II进样系统III色谱柱和柱箱，包括温度控制装置IV检测装置V记录及数据处理系统第二节气相色谱分析理论基础36

1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；4-针形阀；5-流量计；6-压力表；7-进样器；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪。37I

载气系统

包括气源、净化干燥管和载气流速控制。常用的载气有：氢气、氮气、氦气。净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）。载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。38II

进样系统

进样装置：进样器，气化室。气体进样器（六通阀）：

推拉式和旋转式两种。试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱。39液体进样器：

不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。

气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。40III

色谱柱和柱箱，包括温度控制装置

色谱柱：色谱仪的核心部件。柱材质：不锈钢管或玻璃管，内径3～6毫米。长度可根据需要确定。柱填料：粒度为60～80或80～100目的色谱固定相。

气-固色谱：固体吸附剂气-液色谱：担体+固定液柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。有关固定液性质及其选择见下一节。41温度控制系统

温度是色谱分离条件的重要选择参数；气化室、分离室、检测器在操作时均需控制温度；气化室：保证液体试样瞬间气化；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；

分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离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。42IV

检测系统

通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图。

检测器：广普型——对所有物质均有响应；

专属型——对特定物质有高灵敏响应。

常用的检测器：热导检测器、氢火焰离子化检测器；有关检测器原理、结构见第五节。432、气相色谱柱及固定相的种类分离系统由色谱柱组成，它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。

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2～6mm，长0.5～10m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。442）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。与填充往相比，其分离效率高（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。45分离系统色谱柱填充柱（2-6mm直径，0.5-10m长）毛细管柱（0.1-0.5mm直径,几十米长）固定相固体固定相：固体吸附剂液体固定相：由担体和固定液组成46（1）固体固定相： 气-固色谱中固定相是一种具有多孔及较大表面积的固体吸附剂，包括活性碳、硅胶、Al2O3、分子筛等；47气体分子为什么能被固体表面吸附呢?固体表面的分子与内部分于不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热，在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂力场的位垒时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上，总是保留着许多被吸附的分子。48气-液色谱中的固定相是在化学惰性的固体微粒（也称担体）的表面涂一层高沸点的有机化合物的液膜（2）液体固定相担体固定液49

色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，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。

3、色谱分离的基本原理50a.分配系数（partionfactor）K

组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g/mL）比，称为分配系数，用K表示，即：分配系数是色谱分离的依据。51分配系数K的讨论

一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢；试样一定时，K主要取决于固定相性质；每个组份在各种固定相上的分配系数K不同；选择适宜的固定相可改善分离效果；试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。52分配比（partionradio）k一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比。

1.分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。2.分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。3.分配比可以由实验测得。分配比也称：容量因子(capacityfactor)；容量比(capacityfactor)；53容量因子与分配系数的关系

式中β为相比。填充柱相比：6～35；毛细管柱的相比：50～1500。容量因子越大，保留时间越长。

VM为流动相体积，即柱内固定相颗粒间的空隙体积；

VS为固定相体积，对不同类型色谱柱，VS的含义不同；

气-液色谱柱：VS为固定液体积；

气-固色谱柱：VS为吸附剂表面容量。54分配比与保留时间的关系

滞留因子（retardationfactor）：us：组分在分离柱内的线速度；u：流动相在分离柱内的线速度；滞留因子RS也可以用质量分数ω表示：

若组分和流动相通过长度为L的分离柱，需要的时间分别为tR和tM，则：55tR=tM(1+k)通过上式可直接由实验获得的保留值求出分配比。

56分离因子

分离因子（也称为选择性因子）也可用来衡量两物质的分离程度，用α表示。

57

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。58

b.塔板理论（platetheory）5960

从溶质在气液两相间的平衡分配出发，把色谱柱类比为精馏塔，借用理论塔板的概念，以多级平衡的分离过程来解释色谱分离过程。把色谱柱看成由n个小段组成，在每一小段内，一部分空间被涂在担体上的液相占据，一部分充满了载气，载气占据的空间被称为板体积ΔV。溶质在气液两相间很快能够达到分配平衡，这一小段色谱柱称为一个理论塔板，其长度称为理论板高，用符号H表示，色谱柱长为L，柱内相当的理论板数记为

nn=L/H61(1)将载气看作成脉动（间歇）过程，每次进气为一个板体积；(2)在每一个过程间隔内，分析物在气液两相间的平衡迅速达到；(3)试样开始都是加在0号塔板上，试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4)

分配系数K不变

塔板理论的假设62色谱柱长：L，

虚拟的塔板间距离(高度)：H，色谱柱的理论塔板数：n，则三者的关系为：

n=L/H63组分分布计算设分配比k=1,色谱柱由5块塔板组成,进样量1mg

64色谱流出图当n>50时，就可以得到峰形对称的曲线65信号时间色谱流出图气相色谱中，塔板数约1000-100000066色谱流出曲线的数学描述色谱峰为正态分布时，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为：67理论塔板数和理论塔板高度68

有效塔板数和有效塔板高度组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：69

塔板理论的特点和不足*(1)当色谱柱长度一定时，塔板数n

越大(塔板高度H越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能指标时，应指明测定物质。(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(5)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。70ＶanDeemter方程的数学简化式为

H=A+B/u+Cuu：流动相线速度；A、B、C常数，分别代表涡流扩散系项数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。速率理论-影响柱效的因素H：理论塔板高度;

71A─涡流扩散项（多路径项）72A─涡流扩散项

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;由于填充物颗粒大小的不同及填充物的不均匀性，使组分在色谱柱中路径长短不一，因而同时进色谱柱的相同组分到达柱口时间并不一致，引起了色谱峰的变宽。（多路径项）73A─涡流扩散项dp：固定相的平均颗粒直径;

固定相颗粒越小dp↓，填充的越均匀，A↓，H↓，柱效n↑。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。

A=2λdp

λ：固定相的填充不均匀因子;74

上式表明，A与填充物的平均直径dp的大小和填充不规则因子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，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。75B/u—分子扩散项纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱入口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发的向前和向后扩散，造成谱带展宽。纵向扩散与组分在柱内的保留时间有关76B/u（纵向分子扩散项）——指分子沿色谱柱轴向扩散引起的色谱谱带展宽B=2γDg式中：γ——弯曲因子，填充柱γ

<1

空心柱γ=1Dg——组分在流动相中的扩散系数

由于组分在液相中的扩散系数只有气体中的1/105，因此在液相色谱中B可以忽略。77

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（cm3·s-1）,分子扩散项与组分在流动相中扩散系数Dg成正比.

γ：弯曲因子，填充柱色谱，γ<1。78Dg与流动相及组分