第3章--气相色谱分析

1、主讲：申光辉主讲：申光辉 讲师讲师 博士博士食品学院分析测试中心（食品学院分析测试中心（8-207） - 2 -气相色谱法（气相色谱法（GCGC）是英国生物化学家）是英国生物化学家 Martin A.T.PMartin A.T.P等人在研究液液分配色等人在研究液液分配色谱的基础上，于谱的基础上，于19501950年发明了一种极年发明了一种极有效的分离方法，以气体为流动相的色有效的分离方法，以气体为流动相的色谱分离技术（气液色谱）。谱分离技术（气液色谱）。可分析和分离复杂的多组分混合物。可分析和分离复杂的多组分混合物。1952年化学诺贝尔奖得主年化学诺贝尔奖得主 - 3 -适用于复杂混合物的分离

2、。适用于复杂混合物的分离。可以检测出可以检测出 g.g-1()级甚至级甚至ng.g1()级的物质量。级的物质量。一般为几分钟或几十分钟。一般为几分钟或几十分钟。适用于沸点低于适用于沸点低于400的各种有机或的各种有机或无机试样的分析。无机试样的分析。 - 4 -u载气系统载气系统u进样系统进样系统u分离系统分离系统u检测记录系统检测记录系统u温度控制系统温度控制系统 - 5 - - 6 - - 7 -气源、净化干燥管、载气流速控制。气源、净化干燥管、载气流速控制。氢气、氮气、氦气。氢气、氮气、氦气。去除载气中的水、有机物等杂质去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）。（依次通过

3、分子筛、活性炭等）。压力表、流量计及针形阀，控压力表、流量计及针形阀，控制载气流速恒定。制载气流速恒定。 - 8 -密封性好、流速稳定、流速控密封性好、流速稳定、流速控制方便和测量准确。制方便和测量准确。，流量通常控制在流量通常控制在30-100 mL/min。u柱前流量采用转子流量计指示，柱后流量用皂柱前流量采用转子流量计指示，柱后流量用皂膜流量计进行测量。膜流量计进行测量。 - 9 - 采用采用测定的测定的受水蒸受水蒸气、柱内压力梯度及柱温的影响，气、柱内压力梯度及柱温的影响，：jTTpppFFrcwc000柱温柱压下通柱温柱压下通过色谱柱的平过色谱柱的平均载气流量均载气流量柱出口柱出口压

4、力压力室温下水饱室温下水饱和蒸汽压和蒸汽压色谱柱温度色谱柱温度室温室温压力校正因子压力校正因子 - 10 -把试样快速、定量地加到色谱柱上端。把试样快速、定量地加到色谱柱上端。微量进样器及气化室。微量进样器及气化室。对对分离效率、分析精密度、准确度有影响。分离效率、分析精密度、准确度有影响。电加热金属块，使样品电加热金属块，使样品 ，保证色谱峰有较小的宽度。保证色谱峰有较小的宽度。 - 11 -n 自动进样装置 液体液体进进样：样：样品溶液用针管直接注入。样品溶液用针管直接注入。 顶顶空进空进样：样：在密闭情况下在密闭情况下(有专门的进样瓶有专门的进样瓶),保持一定的温保持一定的温度度,让让样

5、品样品在气在气-液形成相间平衡液形成相间平衡,定量抽取上方气体注入定量抽取上方气体注入色色谱柱。谱柱。静态顶空进样、动态顶空进样。静态顶空进样、动态顶空进样。 固相微萃取进固相微萃取进样样（SPME）：在一根纤细的熔融石英纤维在一根纤细的熔融石英纤维表面涂布一层聚合物并将其作为萃取介质表面涂布一层聚合物并将其作为萃取介质(萃取头萃取头)，再将，再将萃取头直接浸入样品萃取头直接浸入样品溶液。溶液。直接萃取（直接萃取（Direct Extraction SPME）、顶空萃取）、顶空萃取(Headspace SPME)和膜保护萃取（和膜保护萃取（membrane-protected SPME）。）。

6、 - 12 -吹扫吹扫- -捕集（捕集（PurgePurgeTrapTrap）分析法）分析法 两相间存在平衡的问题两相间存在平衡的问题不需要用气体吹扫不需要用气体吹扫 样品存在于平衡的气相中样品存在于平衡的气相中样品用气密性注射器进样样品用气密性注射器进样没有两相间存在平衡问题没有两相间存在平衡问题要用气体吹扫液相或固相要用气体吹扫液相或固相用吸附剂吸附样品并浓缩用吸附剂吸附样品并浓缩（或用冷阱富集）（或用冷阱富集）样品从吸附剂上脱附进入样品从吸附剂上脱附进入色谱柱色谱柱 - 13 -n进样技术应当满足的一般要求：应该能使色谱柱达到它的最佳分离效率；应该能使色谱柱达到它的最佳分离效率；对于小量

7、的有代表性的（典型）样品，进样应具对于小量的有代表性的（典型）样品，进样应具有准确性和可重现性；有准确性和可重现性；不能改变样品组成（对于具有不同的沸点、极性不能改变样品组成（对于具有不同的沸点、极性、浓度与热力学稳定性的物质，进样过程中不应、浓度与热力学稳定性的物质，进样过程中不应有所差异）；有所差异）；应该既适用于痕量分析，也适用于浓度相对较大应该既适用于痕量分析，也适用于浓度相对较大的样品的样品。 - 14 -由柱管和固定相组成。气由柱管和固定相组成。气-固色谱固固色谱固定相为固体吸附剂；气定相为固体吸附剂；气-液色谱固定相由液色谱固定相由担体担体+固定液固定液组成。组成。通常将通常将固

8、定液固定液均匀涂渍或交联到内均匀涂渍或交联到内径径0.1-0.5 mm的的毛细管内壁毛细管内壁制得，材料为不锈制得，材料为不锈钢、玻璃或石英。钢、玻璃或石英。核心部件！核心部件！ - 15 - 毛细管柱不存在涡流扩散；毛细管柱不存在涡流扩散； 固定液液膜厚度小（组分传质快）；固定液液膜厚度小（组分传质快）； 空心柱流动阻力小，柱管可以做得很长。空心柱流动阻力小，柱管可以做得很长。 - 16 - 引起分配系数变化，对色谱分离的选择引起分配系数变化，对色谱分离的选择性和柱效能产生影响；性和柱效能产生影响；影响检测灵敏影响检测灵敏度和稳定性，度和稳定性，u气化室温度控制气化室温度控制u色谱柱温度控制

9、色谱柱温度控制u检测器温度控制检测器温度控制温度控制方式温度控制方式u恒温法恒温法u程序升温法程序升温法 - 17 -色谱柱的温度按照组分沸程设置的程序连续地随时间线性或非线性逐渐升高，使柱温与组分的沸点相互对应，以使低沸点组分和高沸点组分在色谱柱中都有适宜的保留、色谱峰分布均匀且峰形对称。各组分的各组分的保留值保留值可用可用保留温度保留温度T TR R表示：组分极大点浓度流表示：组分极大点浓度流出色谱柱时的柱温叫保留温度，其重要性相当于恒温中的出色谱柱时的柱温叫保留温度，其重要性相当于恒温中的t tR R,V,VR R。对每一个组分在一定的。对每一个组分在一定的固定液固定液体系中，体系中，T

10、 TR R是一个特是一个特征数据，即征数据，即定性数据定性数据，不受加热速度、载气流速、柱长和，不受加热速度、载气流速、柱长和起始温度影响。起始温度影响。 - 18 - 色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各异。有的具有广泛的适用性，有的具有高选择构各异。有的具有广泛的适用性，有的具有高选择性性(仅对某类物质有高响应仅对某类物质有高响应)。 (TCD) (FID) (ECD) (氮磷检测器氮磷检测器 ，FPD) - 19 -测量的是载气中通过检测器测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号与组分浓度瞬间的变化，检测信号与组分浓度组分浓度成

11、正比成正比。测量的是载气中某组分进入测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，检测信号与单位时间内检测器的速度变化，检测信号与单位时间内进入检测器的进入检测器的组分质量或数量成正比组分质量或数量成正比。热导检测器（热导检测器（TCD）电子捕获检测器（电子捕获检测器（ECD）氢火焰离子化检测器（氢火焰离子化检测器（FID）火焰光度检测器（火焰光度检测器（FPD）分类：检测原理的不同 - 20 - - 21 -在没有样品进入检测器时，基线在短期内发生在没有样品进入检测器时，基线在短期内发生起伏的信号称为噪声起伏的信号称为噪声N N。噪声是因仪器本身及其他操作条件所引起，如噪声是因仪器本身及其他操作

12、条件所引起，如载气、温度、电压等的波动。载气、温度、电压等的波动。噪声噪声N噪声噪声N、灵敏度、灵敏度S、检出限检出限D D、最小检测量、最小检测量Q0、线性范围、线性范围、响应时间响应时间 - 22 -在一定范围内，信号在一定范围内，信号 E 与进入检测器的物质质量与进入检测器的物质质量 m 呈线性关系：呈线性关系： E = S m S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。响应信号的大小。定义定义: :信号（信号（E E）对进入检测器的组分量）对进入检测器的组分量（m m）的变化率，亦称响应值。）的变化率，亦称响应值。 - 23 -检测

13、器恰能产生检测器恰能产生3 3倍于噪声信号时的单位时倍于噪声信号时的单位时间引入检测器的样品量或单位体积载气中间引入检测器的样品量或单位体积载气中需含的样品量需含的样品量也称也称敏感度敏感度。D=3N/S - 24 -u 半宽带越窄，半宽带越窄，越小。越小。 - 25 -检测器在检测器在时，被测物质的最大浓度（或时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之间的浓度范围。质量）与最低浓度（或质量）之间的浓度范围。可用最大允许进样量与最小检出量可用最大允许进样量与最小检出量Q Q0 0的比值来表示。的比值来表示。 - 26 - - 27 -一般用不锈钢制成。一般用不锈钢制成。采用电阻率高

14、、电阻温度系数大、且采用电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。价廉易加工的钨丝制成。仅允许纯载气通过，通常连接在进样装仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。置之前。携带被分离组分的载气流过，连接在紧携带被分离组分的载气流过，连接在紧靠近分离柱出口。靠近分离柱出口。 - 28 -平衡电桥原理（惠更斯平衡电桥）平衡电桥原理（惠更斯平衡电桥）钨丝电阻随温度升高钨丝电阻随温度升高而增加而增加 - 29 - I ，钨丝温度，钨丝温度 ，钨丝与池体之间，钨丝与池体之间温差温差 ，有利于热传导，检测器响应值，有利于热传导，检测器响应值 S I3 ，检测器灵敏度提高。但检测器灵敏度提高。但 I

15、 ，稳定性下降，基线，稳定性下降，基线不稳。桥路电流过高，可能造成钨丝烧毁。不稳。桥路电流过高，可能造成钨丝烧毁。池体温度与钨丝温度相差越大，越有池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。测器中冷凝。 - 30 -载气与试样的热导系数相差越大，在载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通测灵敏度越高。载气的热导系

16、数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。步提高。 - 31 -u对大多数有机化合物具有很高的灵敏度，对大多数有机化合物具有很高的灵敏度，。，检，检测下限可达测下限可达 10-12 gg-1。 - 32 - - 33 -. .有机物有机物CnHm在在发生发生 ：CnHmCH. .自由基在自由基在与与发生如下反应：发生如下反应：CH +OCHO+e. .正离子正离子CHO+ 与水分子碰撞而发生与水分子碰撞而发生：CHO+H2OH3O+ +CO预热区预热区点燃火焰点燃火焰热裂解区，热裂解区，温度最高温度最高反应区反应区 - 34 -

17、 主要考虑分离效能主要考虑分离效能 = 1 11 1.5 = 1 10 正常选择正常选择100300V范围内。范围内。 - 35 -u仅对含仅对含 的化的化合物有很高灵敏度，检测下限可达合物有很高灵敏度，检测下限可达10-14 g/g。 - 36 -高选择性、高灵敏度。高选择性、高灵敏度。线性范围窄；受操作条件影响比较大，线性范围窄；受操作条件影响比较大，稳定性差；电离源具有放射性，受管制。稳定性差；电离源具有放射性，受管制。广泛用于农药残留、大气、水质污染分广泛用于农药残留、大气、水质污染分析，以及生化、医学、药物学和环境监测。析，以及生化、医学、药物学和环境监测。 - 37 -u根据硫、磷

18、化合物在富氢火焰中燃烧时，发射出根据硫、磷化合物在富氢火焰中燃烧时，发射出波长分别为波长分别为394 nm和和526 nm的特征光的原理而的特征光的原理而进行检测的。进行检测的。 - 38 -有较大的比表面积，吸附性较强。有较大的比表面积，吸附性较强。有较大极性。适用于常温下有较大极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4等气体分离。等气体分离。CO2能被活性氧化能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。与活性氧化铝分离性能大致相同，除能与活性氧化铝分离性能大致相同，除能分析上述物质外，还能分析分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等

19、，能够分离臭氧。等，能够分离臭氧。 - 39 -碱及碱土金属的多孔性硅铝酸盐。常碱及碱土金属的多孔性硅铝酸盐。常用用5A和和13A（常温下分离（常温下分离O2与与N2）。）。除了广泛除了广泛用于用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能等的分离外，还能够测定够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。等。新型的有机合新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。适用于成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。适用于水、气体及低级醇的分析。水、气体及低级醇的分析。 - 40 -H2、O2、N2、CO、CO2、惰性气、惰性气体及体及C1-C4低碳烃类气体。低碳烃类气体。对低碳烃类异构体的分离具有很好的

20、选对低碳烃类异构体的分离具有很好的选择性和较高的分离效率。择性和较高的分离效率。吸附等温线常常为非线性，所得色谱峰吸附等温线常常为非线性，所得色谱峰往往不对称；在高温下具有一定催化活性，不往往不对称；在高温下具有一定催化活性，不宜分离高沸点和含活性组分的有机化合物；性宜分离高沸点和含活性组分的有机化合物；性能与制备和活化条件有很大关系。能与制备和活化条件有很大关系。 - 41 -固定相；固定相；化学惰性多孔固体颗粒。化学惰性多孔固体颗粒。气液色谱固定相：固定液气液色谱固定相：固定液 + + 载体载体( (支持体支持体) )组成，固定液均匀地涂敷在载体表面。组成，固定液均匀地涂敷在载体表面。 -

21、 42 -u比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀；u化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；分离组份不起反应；u具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；u颗粒大小均匀、适度，一般常用颗粒大小均匀、适度，一般常用60-80目或目或80-100目。目。 - 43 - - 44 -u常温下不一定为液体，但在使用温度下一定常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态；呈液体状态；u种类繁多，选择余地大；种类繁多，选择余地大；u应用范围不断扩大。应用范围不断扩大。 - 45 -对易挥发的组

22、分有足够的对易挥发的组分有足够的溶解能力。溶解能力。对试样各组分分离能力强，即各组对试样各组分分离能力强，即各组分的分配系数差别要大。分的分配系数差别要大。在使用温度下蒸气压较低，避免固在使用温度下蒸气压较低，避免固定液流失。定液流失。在较高柱温下不易分解。在较高柱温下不易分解。不与被分析物质起化学反应。不与被分析物质起化学反应。 - 46 -u可根据固定液的化学结构、官能团性质、极性可根据固定液的化学结构、官能团性质、极性及分析对象进行分类。及分析对象进行分类。u各种色谱手册中，一般按有机化合物分类方法各种色谱手册中，一般按有机化合物分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚分为：脂肪

23、烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。硅氧烷等。规定：规定：的极性为的极性为100，极性为极性为0，其它固定液极性在其它固定液极性在0-100之间之间 - 47 -以以为物质对为物质对(lg正丁烷）丁二烯）RRttq 1q2qxq0-40 非极性固定液非极性固定液40-60 弱极性固定液弱极性固定液60-80 中等极性固定液中等极性固定液80-100 强极性固定液强极性固定液211100100q qq qq qq qP Px xx x - 48 -一般选择非极性固定液，出峰顺一般选择非极性固定液，出峰顺序取决于组分蒸气压大小。序取决于组分蒸气压大小。一般选用中等极性固定液，出一般选用中等极性

24、固定液，出峰顺序应同时考虑蒸气压和分子间作用力。峰顺序应同时考虑蒸气压和分子间作用力。选用强极性固定液，按极性大小选用强极性固定液，按极性大小出峰。出峰。通常也选用极性固通常也选用极性固定液。定液。一般使用一般使用 ！ - 49 -通过合适化学反应改变组分（极通过合适化学反应改变组分（极性强、挥发性低、稳定性差）色谱分离性质，性强、挥发性低、稳定性差）色谱分离性质，或增强检测器响应。或增强检测器响应。将难挥发固体样品高温裂解成将难挥发固体样品高温裂解成低分子碎片，由载气带入气相色谱仪中分析。低分子碎片，由载气带入气相色谱仪中分析。除去不适于气相色谱直接分离的物除去不适于气相色谱直接分离的物质如

25、无机盐等，对低含量组分进行预富集。质如无机盐等，对低含量组分进行预富集。 - 50 -在同一色谱条件下，某色谱峰在同一色谱条件下，某色谱峰与标准物质色谱峰保留时间相同。与标准物质色谱峰保留时间相同。将标准物质加入试样中，比较将标准物质加入试样中，比较前后色谱图，找峰高明显增加的色谱峰。前后色谱图，找峰高明显增加的色谱峰。采用极性差别较大的两种不采用极性差别较大的两种不同固定液的色谱柱进行分离，观察保留时间是同固定液的色谱柱进行分离，观察保留时间是否均相同。否均相同。 - 51 -一定温度下，一定温度下，保留值对数值保留值对数值与其分子中碳原子数成正比。与其分子中碳原子数成正比。一定色谱条件下，

26、一定色谱条件下，具有相具有相的碳链异构体，保留值对数与沸点成正比。的碳链异构体，保留值对数与沸点成正比。)3(lg11RnCnAt22RlgCTAtb - 52 -未知组分未知组分 i 与基准物质与基准物质 s ，用相对保留值用相对保留值 r2,1 作为定性指标。作为定性指标。相对保留值只与两组分的分配系数有相对保留值只与两组分的分配系数有关，不受其他操作条件影响，关，不受其他操作条件影响， - 53 -保留指数保留指数I是一种是一种较其较其他保留值都好的定性参数他保留值都好的定性参数，可根据可根据固定液、柱固定液、柱温温直接与文献值对照，直接与文献值对照，。规定：规定：正构烷烃的保留指数为其

27、碳数乘正构烷烃的保留指数为其碳数乘100，如正，如正己烷保留指数为己烷保留指数为600。被测物质保留指数由碳数相被测物质保留指数由碳数相邻的正构烷烃邻的正构烷烃(标准物标准物)保留指数进行标定。保留指数进行标定。 ) )1 1( ( ) )( ( ) )( ( n nR Rx xR Rn nR Rt tt tt t前提：前提：)lglglglg(n100I R(n)R(n) ) )R(nR(n R(n)R(n) R(x)R(x)x xt tt tt tt t 1 1 - 54 -被测组分质量与其色谱峰面积成正比。被测组分质量与其色谱峰面积成正比。比例常数：组分比例常数：组分 i 的定量校正因子

28、的定量校正因子组分组分 i 色谱色谱峰面积峰面积i ii ii iA Af fm m - 55 -，按等腰三角形，按等腰三角形处理，计算峰面积为真实峰面积处理，计算峰面积为真实峰面积0.94倍。倍。，于峰高，于峰高0.15和和0.85倍处，分别测出峰宽，取其平均值为倍处，分别测出峰宽，取其平均值为平均峰宽。平均峰宽。2/1065. 1YhA)(285. 015. 0WWhA - 56 -指单位峰面积所代表组分的指单位峰面积所代表组分的质量，质量，某组分某组分 i 的绝对校正因子与的绝对校正因子与基准物质基准物质 s 的绝对校正因子之比，的绝对校正因子之比，iiiAmf/ssiisiiAmAmf

29、ff/fM、f V、热导检测器热导检测器 - - 标准物为标准物为苯苯氢焰检测器氢焰检测器 - - 标准物为标准物为正庚烷正庚烷 - 57 -若试样中有若试样中有n个组分，个组分，则其中某组分，则其中某组分 i 的质量分数。的质量分数。%1002211nniiiiifAfAfAfAfAw简便、准确、操作条件对结果影响较简便、准确、操作条件对结果影响较小。小。不实用！不实用！不适用于微量杂质的测定。不适用于微量杂质的测定。当峰形很好时，可用峰高当峰形很好时，可用峰高hi 取代取代 峰面积峰面积Ai - 58 -简便，准确简便，准确定量结果与进样量、重复性无关定量结果与进样量、重复性无关色谱条件略有变化对结果几乎无影响色谱条件略有变化对结果几乎无影响所有组分必须都出峰所有组分必须都出峰 必须已知所有组分的校正因子必须已知所有组分的校正因子不适用于微量杂质的测