仪器分析(第四版)第二章

第二章气相色谱分析

§2-1气相色谱法概述

色谱柱：进行色谱分离用的细长管。

1.填充柱：金属或玻璃制成内径2~6mm，长

0.5~10m的U型或螺旋形管子，内装固定相

2.毛细管柱：固定液均匀涂敷在毛细管内壁固定相：（stationaryphase）

管内保持固定、起分离作用的填充物。流动相：（mobilephase）流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。分离原理：混合物中各组分在两相间进行分配流动相中所含混合物经过固定相时，与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相作用的大小、强弱有差异，在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间不同，按先后次序从固定相流出。色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。

按固定相的几何形式分类：

1.柱色谱法

2.纸色谱法

3.薄层色谱法

按两相所处的状态分类

：

气相色谱法液相色谱法气-固色谱法液-固色谱法气-液色谱法液-液色谱法超临界流体色谱法

按分离过程的机制分类：1.吸附色谱法吸附剂表对不同组分的物理吸附性能差异

2.分配色谱法不同组分在两相中有不同的分配系数

3.离子交换色谱法离子交换膜

4.排阻色谱法多孔性物质对不同大小的分子的排阻作用

气相色谱仪通常由五部分组成：Ⅰ载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和流速控制仪表。Ⅱ进样系统：进样器、汽化室。Ⅲ分离系统：色谱柱、控温柱箱。Ⅳ检测系统：检测器、放大器，电源温控装置Ⅴ

记录系统：放大器、记录仪、色谱工作站

皂膜流量计转字流量计调整仪，标准仪SetupofGasChromatograph

图1、色谱过程图2、色谱图ABKA<KB

色谱图（chromatogram）：

试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，

常用术语：基线：在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线。

稳定的基线为一直线基线漂移：基线随时间定向缓慢变化基线噪声：由各种因素所引起的基线起伏

保留值:

试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。通常用时间或将组分带出色谱柱所需要载气的体积影响因素：被分离组分在两相间的分配过程，

固定相和操作条件一定时，任何物质保留值一定。（定性分析）

1)保留时间

：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。

2)保留体积：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，VR。（qv,0为柱尾载气体积流量）

VR=tR

qv,0

载气流量大，保留时间低，乘积仍为常数，VR与载气流量无关。

3）死时间：

不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(deadtime)，tM。4）死体积:

不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(deadvolume)，VM。

VM=tM

qv,0原因：色谱柱在填充后柱管内固定相微粒间的剩余空间，色谱仪中管路和连接头间及检测器的空间。

调整保留值:

1)调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。

tR׳=tR–tM理解：某组分由于溶解或吸附固定于固定相，比不溶解或不吸附的组分在色谱中多滞留的时间。

2)调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。

VR׳=VR–VM

或VR׳=tR׳

qv,0VR׳与载气流量无关，更合理反映被测组分的保留特性

相对保留值（relativeretention）在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s

表示相对保留值与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关当r21表示固定相的选择性，值越大，两组分tR’相差越大，分离越好，r21=1时两个组分不能分离，常用表示

常用术语：峰高：色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高，用h表示。峰面积：峰与峰底之间的面积称为峰面积，用A表示。峰的区域宽度：组分在色谱柱中谱带扩展的函数，反映了色谱操作条件的动力学因素

a、标准偏差峰宽Y0.607=2σb、半峰宽度Y1/2=2.35σc、峰底宽Y=4σ=1.70Y1/2峰底宽度由色谱两侧的转折点做切线在基线上的截距

色谱分析的实验依据：样品中所含组分的最少个数根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。根据色谱峰的展宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。根据相邻谱峰之间的距离选择合适的色谱分离条件

§2-2气相色谱分析理论基础气固色谱：固定相为多孔性大表面积的吸附剂颗粒

吸附，脱附，再吸附，再脱附气液色谱：固定相为化学惰性的固体微粒上涂上稿费的有机化合物液膜

溶解，挥发，再溶解，再挥发

分离原理:各组分在固定相的吸附或溶解度不同，流出时间不同，次序不同分配过程：物质在固定相和流动相之间发生吸附、脱附和溶解、挥发的过程。

一、分配平衡的几个参数：1、分配系数（分离依据）

在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。

。

K小的组分，分配后气相中浓度大，流出较快，K大的组分流出慢，两相相对运动时，试样于两相中多次反复分配，当分配次数足够多时，各组分彼此分离。K微小差异亦能产生较大分离效果c：质量浓度

2、分配比（容量因子）（capacityfactor）

在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。

k=msmM=CsVsCmVmcs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；Vm为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积，Vs为色谱柱中固定相的体积(固定液体积或固体固定相的表面容量）

理论上可以推导出：

相比，

:VM/VS,反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱（Packingcolumn）:6~35毛细管柱（Capillarycolumn）:50~1500

结论：1）分配系数是组分在两相中的浓度之比，分配比是组分在两相中质量比，均与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱压、柱温变化而变化2）分配系数只取决于组分和两相性质，与两相体积无关，分配比取决于组分和两相性质、且与相比有关，即随固定量而改变3）对给定色谱体系，组分的分离最终取决于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。k越大，保留时间长，k为零，保留时间为死时间

4）k与保留时间的关系若流动相在柱内线速度为u（一定时间内载气在柱内流动的距离，若固定相对组分有保留作用，组分在柱内的线速度us小于u，两者比值为滞留因子

也可用质量分数表示：

推导：组分和流动相通过长度为L的色谱柱，所需时间为：

二、色谱分离的基本理论1.试样中各组分在两相间的分配情况，与K、固定相、流动相、组分的结构有关，由热力学因素控制2.各组分在色谱柱中的运动情况，与各组分在流动相和固定相之间的传质阻力有关，由半峰宽反映，动力学因素

塔板理论引入蒸馏过程进行处理前提：色谱柱比作蒸馏塔，色谱柱由许多假想的塔板组成，每段塔板内，一部分空间由涂在担体上的液相占据（固定相），另一份充满载气，载气占据的空间称为板体积

V

假设：1.一段间隔内，气相平均组成和液相平均组成很快达到平衡，平衡时每段柱长为理论塔板高度H2.载气进入色谱柱，是连续的脉动式，每次进气为一个板体积3.试样开始都加在0号板上，且试样沿色谱方向的扩散（纵向扩散）忽略不计4.分配系数在各塔板上是常数HALnLH=塔板高度P12例0312n>50，对称的峰形曲线气相色谱中，n约为103-106，呈趋于正态分布曲线

理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留时间（tR）和峰底宽（Y）或半峰宽（Y1/2

）按下式推算：t2)(sRn=2212)(54.5)(16YtYtnRR==s4=Ys35.221=Y结论：色谱峰越窄，n越多，H越小，柱效能越高有效塔板数（n有效）的计算公式为；通常用有效塔板数（n有效）来评价柱的效能比较符合实际。n有效越大或H有效越小，则色谱柱的柱效越高（物质不同，n不同）。n越大，分配平衡次数越多，对分离越有利，但不能确定各组分被分离的可能性，分离与否取决于k的差别221'2')(54.5)(16YtYtnRR有效==影响色谱塔板高度的因素如何解释在不同流速下,同一个色谱柱具有不同的塔板高度

2、速率理论（J.J.VanDeemter1956）

理论认为，单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的

A项为涡流扩散项；B/u项为分子扩散项；Cu为传质阻力项，；u为载气线速度，单位为cm/s。范第姆特方程式(VanDeemterequation)1.涡流扩散项

AA=2dp

,不规则因子dp,填充物的平均直径A与流动相的性质、线速度和组分的性质无关；与填料的粒度、均匀性及色谱柱的均匀填充程度有关.2.分子扩散项B/u试样进入色谱柱后，存在浓度差，运动的分子出现纵向扩散3.传质阻力项Cu气相传质：试样从气相移动至固定相表面过程液相传质：试样从固定相气液界面移动到液相内部，发生质量交换，达到分配平衡，然后返回气液界面过程

优点：填充物均匀程度，担体粒度，载气种类、速度，柱温，固定相液膜厚度对柱效、峰扩张的影响

§2-3色谱分离条件的选择

条件：1.两峰有一定距离

2.峰必须窄一、分离度（resolution）

相邻两色谱峰保留值（或调整保留值）之差与两组分色谱峰底宽度平均值之比，用R表示。（色谱柱的总分离效能指标）。

2121)(22/)(1212YYttYYttRRRRR+-=+-=★保留值与峰底宽单位须相同★

R越大，表明两组分分离效果越好★保留值之差取决于固定相的热力学性质★色谱峰宽窄反映色谱过程动力学因素及柱效能高低一般，峰形对称且满足正态分布的色谱峰，R=1时，分离程度98%，R=1.5时，分离程度99.7%R=1.5时，认为两峰完全分离峰底宽难于测量时，可以半峰宽代替，R’

R=0.59R’

二、色谱分离基本方程难分离的物质，保留值相差较小，可设两相邻峰的峰宽相等，即Y1=Y2=Y，k1=k2=k，推导得称为柱效项；称为柱选择项；容量因子项。相对保留因子

与柱效的关系（柱效因子）与容量因子的关系

R∝n1/2增加柱长减小塔板高度限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件k值增大，有利于分离，但k>10时，对R的增加不明显，也会显著增加分析时间k的最佳范围：1~10

与柱选择性的关系

分离度、柱效、柱选择性的关系

r2,1越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。L=16R2•H有效aa-12=n有效•H有效

例题：设有一对物质，其r2,1=α=1.15,要求在Heff=0.1cm的某填充柱上得到完全分离，试计算至少需要多长的色谱柱？解：要实现完全分离，R≈1.5,故所需有效理论塔板数为：

使用普通色谱柱，有效塔板高度为0.1cm,故所需柱长应为：

三、色谱条件的选择 1、载气流速的选择（与分析时间、柱效有关）

实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速稍高与最佳流速。

载气选择：u较小时，B为主要因素，采用M大的载气（N2，Ar）u较大时，C为主要因素，采用M小的载气（H2），减小传质阻力3、柱温的选择

不高于固定相的最高使用温度，能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度，被测物的保留时间适宜、峰形较好，不能有严重拖尾。根据混合物的沸点选择柱温，沸点越高，一般柱温越高（低于混合物平均沸点）沸点较宽的混合试样，最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。

1204、固定液与担体的选择（与相比有关）一般担体表面积越大，固定液用量越高，允许的进样量越多，但考虑液相传质，多采用低固定液含量的色谱柱。固定液、担体质量比为5:100~25:100。担体表面积大、表面和孔径分布均匀。粒度适中

固定液用量、性质，固定液与担体比例，担体性质，粒度等。由实验手册查出参考值，再由实验选择。5、汽化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关）

保证试样不分解的情况下，适当提高汽化温度对分离及定量分析有利。一般汽化温度、检测室温度高于柱温30-70度。6、进样时间和进样量：（与柱容量有关）进样方式为柱塞进样，时间短（1s以内），根据担液比及柱子形式决定进样量。

最大允许的进样量控制在使峰宽基本不变，且峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。例题：有一根1m长的色谱柱，分离1和2两个组分，得到如下图所示的色谱图。横坐标为记录笔的走纸距离(mm)，假设1和2的峰底宽度相等，为5mm。求（i）1和2组分之间的分离度（Rs）及有效塔板数neff（ii）若欲得到Rs=1.2的分离度，有效塔板数应为多少？（iii）若想达到完全分离，色谱柱要加到多长？Sample05(tm)4549mm12（2）»4356effn)(52.3112394356mL

=色谱柱要增加2.52m278815455495455492.116)1(162222=øöççççèæ-----

=-=aaeffRn（3）完全分离，R=1.5解：（1）8.05)4549()(22112=-=+-=YYttRRR1239)5549(16)(16222'2»-

==YtnRefftM

VMtR

tR׳VRVR׳r2,1KkβnLH=2212)(54.5)(16YtYtnRR==221'2')(54.5)(16YtYtnRR有效==2121)(22/)(1212YYttYYttRRRRR+-=+-=L=16R2•H有效aa-12=n有效•H有效αn有效=2)(16R2α-1

§2-4固定相及其选择一、固定相的类型：吸附剂型固定相（分离气体或气态烃类）

固定相担体+固定液型固定相常用吸附剂型固定相有：

分离痕量水

担体：化学惰性、多孔性固体颗粒作用：提供惰性表面，承担固定液的分布要求:1、表面具有化学惰性，无吸附性或吸附性很弱，不能与被测物质发生化学反应2、多孔性，表面积大3、热稳定好，有一定机械强度，不易破碎4、粒度均匀，粒径适中担体硅藻土类担体非硅藻土类担体硅藻土担体：天然硅藻土煅烧而成1、红色担体：（6201型担体）

特点：表面空隙小、表面积大、机械强度高、担液能力强、表面有吸附活性中心。

适用于非极性或弱极性物质2、白色担体：（101型担体)硅藻土+助熔剂

特点：表面空隙较大、比表面积较小、机械强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。适于分析极性物质预处理（分析极性试样和化学活泼试样）：

酸洗、碱洗：除杂

硅烷化：消除担体表面氢键结合能力，改进性能非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃微球担体、高分子微球担体等

特点：表面空隙适中、比表面积适中、机械强度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。选择原则：1、固定液质量分数大于5%，选硅藻土担体2、固定液质量分数小于5%，选处理过的担体3、高沸点组分，选玻璃微球担体4、强腐蚀性组分，氟担体

二、固定液

三、固定液的极性：

由电负性不同的原子构成的分子，其正电中心和负电中心不重合，形成具有正负极的极性分子。气相色谱常用“极性”表示固定液和组分的性质。固定液和组分之间相互作用，作用力强，溶解度大，分配系数大。固定液与待测化合物之间的作用力主要包括静电力、诱导力、色散力、氢键力等相互作用，所以固定相的极性对分离过程非常重要。

固定液极性用相对极性P的表示：

规定：β,β’-氧二丙腈固定液的P=100、角鲨烷固定液的P=0、测试标样为环己烷-苯

1、2、x分别为β,β’-氧二丙腈、角鲨烷固定液、待测固定液

按P的数值将固定液的极性以20间隔分为五级：

0~20为0~+1，称非极性固定液；

20~40为+1~+2，称弱极性固定液；

40~60为+2~+3，称中极性固定液；

80~100为+4~+5,称强极性固定液；

固定液的极性与待测组分极性的选择原则为：

“相似相溶原理”

“相似相溶原理” 1、分离非极性物质：选非极性固定液，按沸点高低流出，沸点低的先出峰，沸点高的后出峰；2、分离极性物质：选极性固定液，按极性大小流出，极性小的先出分峰，极性大的后出峰3、分离非极性和极性混合物，一般选用极性固定液、非极性组分先出，极性或易被极化的组分后出4、对于能形成氢键的，选择极性或氢键型固定液，不易形成氢键的先出

四、固定液选择示例

§2-5气相色谱检测器作用：将色谱柱分离后的各组分按其特性和含量转换为相应的电信号。类型：根据响应原理的不同可分为：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瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD）质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）

通用检测器：

1、热导池检测器

测一般化合物和永久性气体

2、氢火焰离子化检测器,FID

测一般有机化合物专用检测器：

3、电子俘获检测器，ECD

测带强电负性原子的有机化合物

4、火焰光度检测器，FPD

测含硫、含磷的有机化合物

二、气相色谱检测器的工作原理1、热导检测器 对所有物质都有响应构造：不锈钢池体，热敏元件（粗细、长短、电阻值一样的金属丝），孔道（大小、形状完全对称）

原理：利用不同的物质具有不同的导热系数。电流通过钨丝时，钨丝加热的一定温度，钨丝电阻相应增加到一定数值，未进样时，通过参比池和测量池的都是载气。载气的热传导作用，使钨丝的温度下降，电阻减小（减小相同值）；试样进入后，载气经参比池，含试样组分经测量池，因二者热导系数不同，两钨丝电阻出现差异。

电桥载气流速恒定：进样后：C、D端产生不平衡电位差，输出信号电桥平衡：

灵敏度影响因素：1、桥路工作电流：电流增加，钨丝温度提高，钨丝与池体温差大，气体易将热量传出，灵敏度提高。考虑钨丝寿命，电流需控制2、热导池体温度：桥路电流一定，池体温度低，灵敏度高，一般不低于柱温3、载气：载气与试样热导系数相差越大，灵敏度大，流速稳定4、热敏元件：阻值高，温度系数大的元件。5、热导池的死体积大，灵敏度低。

2、氢火焰离子化检测器灵敏度较热导池检测器高，适宜痕量有机物分析结构：离子室

原理：利用有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生带电离子碎片，收集其荷电量进行测定待测组分由载气携带，与H2混合后进入离子室，由毛细管嘴喷出。H2在空气的助燃下经引燃后燃烧，产生高温火焰，使得被测有机物分离成正负离子。产生的离子在喷嘴上方的收集极（正极）和极化极（负极）之间的外电场作用下定向移动形成电流组分的电离程度与性质有关，产生的电流放大后，形成色谱峰。产生的微电流大小与进入离子室的被测组分含量有关。

操作条件1、气体流量（1)载气流量：一般为氮气，考虑分离效能，选择最佳流速（2）氢气流量：与载气比值影响火焰温度和电离过程根据实验，选择最佳流量（3）空气流量：助燃，一般与氢气10:12、使用温度：80~200℃

三、色谱检测器的性能指标1、灵敏度（响应值）S ：响应信号对进样量的变化率S=ΔRΔQ浓度型检测器：h=Sc·ρSc=qv,oAm质量型检测器：h=Sm·dmdtSm=Am单位：单位：2、检出限D

又称敏感度，检测器恰能产生和噪声相鉴别信号时，在单位体积或时间需向检测器进入的物质的质量通常认为至少是检测器噪声的3倍N为噪声，指由于各种因素引起的基线在短时间内左右偏差的响应数值，mV，S为灵敏度。D越小，仪器越敏感3、最小检出量Q0检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时所需进入色谱的最小质量（或浓度）由A=1.065Y1/2h推导：质量型检测器：浓度型检测器：Q0=1.065Y1/2·qv,o·DQ0=1.065Y1/2·DQ0与检测器的检出限成正比，与检测器的性能、柱效率及操作条件有关色谱峰的半峰宽度越窄，Q0越小3、响应时间响应迅速，死体积小，电路系统滞后小4、线性范围试样量与信号之间保持线性关系的范围，最大进样量与最小进样量的比值

§2-6气相色谱定性法一、保留值（须标准试样）1、保留时间2、利用内标物与待测物的相对保留值r1，2

方法：1、已知组分和组分数，直接对照标准试样比较2、复杂组分：充分了解未知物情况——估计化合物种类——与文献对比，粗比较——与标样在同一条件下逐一验证——保留值、峰形完全相同，则认为可能3、极性不同的双柱或多柱进行分析

二、利用保留指数进行I进行定性分析（不需标准试样）把物质的保留行为用两个仅靠近它的标准物（一般为两个正构烷烃）标定，以均一标度表示：正构烷烃的保留指数人为规定为碳数×100

Xz+1

，Xz

分别代表含Z+1、Z个碳原子的正构烷烃在测定柱上的调整保留参数，Xi代表待测物质在测定柱上的调整保留参数。由于I的值温度之间呈线性关系，所以可以方便的外推求出文献测定条件下的I

值而进行定性分析，无须标准物质。

ITCABX1•••X2•

n-正庚烷:

n-正辛烷:Figure乙酸正丁酯

三、与其他方法结合的定性分析1.与质谱、红外光谱等仪器联用2.与化学方法配合进行将带有某些官能团的化合物经过特殊试剂处理，发生物理变化或化学反应后，其色谱峰将会消失、提前或移后，比较差异，判断官能团四、利用检测器的选择性进行定性分析

对未知物进行分类

§2-7气相色谱定量法一、色谱定量公式： mi

：待测物质质量fi

′

：待测物质定量校正因子Ai

：待测物质色谱峰的积分面积mi=fi′∙Ai

二、色谱峰的面积求法：1、峰高乘半峰宽法 （对称）2、峰高乘平均峰宽法（不对称）3、峰高乘保留值法（同系物）4、电子积分法三、定量校正因子同一检测器对不同物质响应值不同，使相同量的物质出的峰面积不等，引入校正因子绝对质量校正因子：难测定，无法直接应用

相对校正因子：用标准物质为参照物、求出待测物质与标准物之间绝对校正因子的比值。热导池检测器的标准物：苯氢火焰离子化检测器的标准物：正庚烷2.摩尔校正因子（fM

）各物质的量以摩尔数计，Mi,Ms分别表示被测物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量）1.质量校正因子（fm）

3.体积校正因子（常用于气体试样）4.相对响应值sfVfM=sf=1s，f只与试样、标准物质以及检测器类型有关，而与操作条件如柱温、载气流量、固定液性质无关校正因子的测量方法

四、定量计算方法1、归