仪器分析 第17章气相色谱法

第17章气相色谱法

99-2第17章内容概览17.1气相色谱法概述与气相色谱仪一、气相色谱法的分类二、气相色谱法的功能与特点三、气相色谱法的一般流程四、气相色谱仪17.2气相色谱的固定相和载气17.3气相色谱的速率理论与分析条件的选择17.4气相色谱的定性与定量分析方法

返回99-317.1气相色谱法概述与气相色谱仪一、气相色谱法的分类气固色谱（吸附原理）、气液色谱（分配原理）填充柱气相色谱（内经2－4mm）、毛细管柱气相色谱（0.1－1.0mm）（开口、填充）

返回99-4二、气相色谱法的功能和特点气相色谱法的功能：先分离，后定量，兼定性气相色谱法的特点：分离效能高：理论塔板数达数千（填充柱）～百万（毛细管柱）高灵敏度：检测到10－11～10－13g，痕量分析高选择性：同位素、对映体等简单、快速、自动化：应用范围较广：气体、易挥发或衍生化的易挥发样品，一般沸点在500℃以下热稳定性好、分子量在400以下的物质均可，可分析的有机物约为20％。也可分析无机分子、高分子和生物大分子

返回99-5三、气相色谱法的一般流程

返回99-6四、气相色谱仪AgilentGC6890N

返回99-7（一）气路系统作用：提供纯净、流速稳定的载气。构成：气源，管路，气体净化装置，载气的压力、流量、流速等指标的控制与监测装置等。气源：气体发生器、气体钢瓶等

返回99-8

返回99-94、载气的净化：除水、氧气、烃等其它杂质

返回99-10载气不经净化的结果：基线不佳24681012507510012515017520022525002468101250751001251501752002252500246810125075100125150175200225250基线不佳空色谱柱使用捕集阱后基线不佳基线大幅度改善样品峰

返回99-115、载气的控制：流速、压力、流量根据速率理论：保证流速最佳且恒定控制环节：

气源压力和供应量；减压阀、稳流阀针形阀等各种阀门；管路连接；温度；流量控制器：转子流量计，皂膜流量计，电子流量计

返回99-12（二）进样系统作用：使样品迅速气化，并准确、快速进入柱内构成：进样器、进样口、隔垫、衬管、气化室、密封垫、加热与控温系统、载气流路等

返回99-13进样口类型：毛细管柱进样口、填充柱进样口毛细柱进样口接头缩短冷点最少斜体积最小填充柱进样口双分流口设计精度改良清扫更有效Graphite/Viton垫减少样品接触内部体积更大溶剂拖尾更小

返回99-14（1）分流split

/不分流splitless进样：仅毛细管柱分流进样：通过载气按照一定的分流比使进样的一部分通过衬管进入柱内，余被分流放空。特点：入柱样品量较少；用于浓缩样品；优点：①操作简单；②峰窄而尖柱效高；③难挥发物会留在蒸发室而不会污染色谱柱（故需常换衬管）缺点：①宽沸程试样易产生非线性分流，使试样失真；②载气消耗大；③热稳定性差的组分易发生热分解。进样模式

返回99-15分流进样气路示意图与分流比

返回=液态样品分子=载气分流(隔垫)分流出口总流量吹扫出口放空阀柱流量＋分流出口流量柱流量分流比＝色谱柱分流比一般为201∶～500∶199-16不分流进样：放空阀关闭特点：进样量几乎全部入柱；多用于低浓度样品；色谱峰较宽。注意事项：预处理或稀释时，溶剂应与试样极性相匹配，否则会是普带变宽；程序升温时，起始温度要低于溶剂沸点，使试样在柱头冷聚集，使进样峰变窄；如组分沸点高，则起始温度可高于沸点；因溶剂量大，应尽量用耐溶剂冲洗的毛细管柱设定进样口吹扫时间30～80秒，放空试样残余

返回99-17③程序升温气化进样（PTV）程序升温汽化具分流/不分流进样口可大体积进样：可达500ul主要用于检测限要求极低的分析：痕量的半挥发物分析农残的分析法庭医学分析滥用药物兴奋剂检测容易分解的样品

返回99-18进样口隔垫与衬管：密封与气化

返回99-19隔垫与衬管应定期维护：衬管污染会引起谱图不佳故障症状包括:峰形不佳；基线无规律分辨率不佳；响应不佳添加石英棉防止碎屑进入柱端

返回99-20进样器微量注射器：穿过隔膜垫，尖头，规格（μL）六通阀进样器：将液体样品注入气化室（汽化室温度比样品中最易蒸发的物质的沸点高约50℃），通常六通阀进样的重现性好于注射器

返回99-21自动进样器：

返回99-22顶空进样器：

HS-GC取样塔X-臂组件6-位平衡炉（带震荡）阀和样品环进样针32位样品盘LCD显示屏控制键盘

返回99-23顶空进样器主要应用：药物中的溶剂残留血液中酒精和毒物的筛选分析聚合物及塑料中残留溶剂，添加剂，单体的分析食品，饮料（如啤酒）中挥发组分及香精香料的分析水中挥发组分的分析土壤，污泥，植物等基体中挥发组分的分析测定药物中挥发性有机溶剂杂质含量，HS-GC为USP接受的方法

返回99-24HS－GC应用例1：常见溶剂分析

返回99-25HS－GC应用例2：常见溶剂分析

返回99-26进样要求：量、气化温度、模式进样量或体积要适宜、准确：常规色谱柱：进样体积几～几十L；毛细管柱：体积约为10－2～10－3L。此时应采用分流进样装置来实现，其中放空部分与进入色谱柱部分之比称为“分流比”；体积过大或进样过慢，将导致分离变差（拖尾）进样针最大容量与进样量要匹配。进样口温度：具沸点选择进样模式：据浓度、GC柱选择

返回99-27（三）柱分离系统GC柱的分类常规填充柱：金属、玻璃毛细管柱：融熔石英。填充和开口担体或担体+固定液

返回99-28开口毛细管柱的种类：1957年美GolayWCOT柱：wallcoatedopentubularcolumn涂壁开口柱，直接在内壁涂敷固定液；分配PLOT柱：porouslayeropentubularcolumn

多孔层开口柱，在管内壁涂一层多孔性吸附剂，为气固色谱开管柱。吸附SCOT柱：supportcoatedopentubularcolumn载体涂层开口柱，先在内壁涂布多孔载体颗粒，再在载体上涂敷固定液。

特点：兼具吸附与分配两种机制。既有吸附的高选择性，又有分配的高分离效率，解决单一柱难分离组分，如异构体。

返回99-29开口毛细柱内径0.1mm～0.53mm（大口径）

返回99-30填充柱vs毛细柱

返回99-31填充柱vs毛细柱

返回99-32填充柱vs毛细柱毛细管柱与填充柱分离一些硝基化合物的比较

返回99-33柱分离系统的温度控制温度控制是否准确、升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。控温系统的作用对象：气化室、柱箱、检测器柱分离系统的控温方式：恒温和程序升温柱分离系统的温度选择：直接影响分离效果，不得超过柱最高耐受温度。

返回99-34（四）检测系统常用检测器缩写选择性定量性载气热导检测器TCD通用型浓度型H2,He电子捕获检测器ECD电负性浓度型N2氢火焰离子化检测器FIDCH通用质量型N2火焰光度检测器FPDS、P质量型N2,He氮磷检测器（热离子化）NPDTIDN、P质量型N2,Ar检测器种类

返回99-35热导检测器（TCD）（1）原理：载气与组分的热导系数不同，引起热敏元件电阻变化，导致产生的电流改变不同。信号响应：混合气体与纯载气的热导系数相差越大，输出信号越强。（2）特点：浓度型，通用型。线性范围宽、价格便宜、应用范围广，但灵敏度较低。

返回99-36TCD原理示意图惠斯通电桥

返回99-37（3）影响TCD的因素与注意事项：桥电流i：i增加→灵敏度增加。但

i过大，热敏元件寿命下降。通常100～200mA。N2：100～150mA；H2：150～200mA；防烧：无载气通过不能加桥电流，关机时先断电流后关载气；温度：池体温度低，灵敏度高。但应高于柱温20-50℃（防止试样凝结于检测器中）；载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。常选热导系数大的H2和He作载气。若用N2作载气，热导系数大的试样会出现倒峰；热敏元件阻值：阻值高，灵敏度高；载气流速：浓度型，A与u成反比，而h不变，用A定量载气u应恒定；

返回99-38单位：J/cm·℃·s某些气体与蒸气的热导系数：

返回99-39电子捕获检测器(ECD)（1）ECD原理：电子基流：以3H或63Ni为放射源，产生β射线，N2

N2+＋

e－基流降低，产生倒峰信号：浓度越大，倒峰越强AB＋

e－

AB－

＋

EAB－

＋

N2+

AB·N2（2）ECD特点：浓度型，专属型检测器适用范围：ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应：卤素、硝基、羰基、氰基等。特别适合于卤代农药和多氯联苯等微量分析。

返回99-40ECD结构与工作原理示意图

返回99-41（3）影响ECD的因素和注意事项元素电负性：越大，灵敏度越高；载气纯度：要求高纯(≥99.999%)，否则O2、H2O杂质会降低基流，污染检测器。有必要使用净化装置；载气流速：影响基流和响应信号，最佳流速约为40～100ml∕min；检修安全：检测器含放射源，不可随意拆卸。

返回99-42（1）原理：含碳有机物在H2－Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。（2）特点：质量型检测器适合于广泛的CH化合物线性范围宽，痕量分析。氢焰离子化检测器（FID）

返回99-43三种气体配比：N2

H2

空气=11～1.510载气流速：峰高取决于单位时间内引入检测器的质量，即与载气N2流速成正比。故，以峰高定量时，载气流速必须恒定。极化电压：50V以下灵敏度增加明显。正常极化电压选择在150～300V操作温度：防止水蒸气凝结，一般要高于柱温。（3）影响FID的因素与注意事项：

返回99-44质谱检测器MS即可作GC通用检测器，亦可作选择性检测器分离、定量与定性一体化通用型检测选择性检测

返回99-45理想的检测器应具有的条件：高灵敏度；稳定、重现性好；线性范围宽；噪音低；响应快；死体积小。检测器的性能指标

返回99-46指标一：灵敏度（sensitivity）浓度型检测器：Sc，1ml载气携带1mg某组分通过检测器时产生的电压，单位mV·ml/mg；质量型检测器：Sm，每s有1g某组分被载气携带通过检测器时产生的电压或电流值，单位mV·s/g或A·s/g。求法：以一系列已知浓度或质量的组分对响应信号作图得到校正曲线，曲线斜率k即为灵敏度实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度

返回99-47指标二：噪音与漂移噪音N：无样品通过检测器时，仪器工作条件等偶然因素引起的基线起伏成为噪音。漂移d：单位时间内基线单方向缓慢变化的幅值相关因素：稳定性、气体纯度与流速稳定性、柱温稳定性，固定相的流失。

返回99-48指标三：检测限(detectability,D)又称敏感度，从灵敏度和噪音两方面考察检测器的性能。公式：D=2N/S，D越小，性能越好指标四：线性范围指标五：响应时间

返回99-49

返回99-50（五）数据处理与分析控制系统色谱软件或色谱专家系统：仪器控制与数据分析

返回99-51

返回99-5217.2气相色谱的固定相和载气一、气固色谱的固体相——吸附剂二、气液色谱固定相——载体+固定液（一）载体：要求、分类、处理（二）固定液1、要求2、分类3、极性4、选择三、GC流动相——载气

返回99-5317.2气相色谱的固定相和载气一、气固色谱的固体相——吸附剂1、普通固体吸附剂硅胶(强极性)、氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性)、分子筛(以孔径和类型表示：4A、5A、13X)。2、人工合成固体吸附剂：高分子多孔微球(GDX)非极性：苯乙烯或乙基乙烯+二乙烯苯共聚：国产GDX－1和2型；国外Chromosorb系列极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：国产GDX-3和4型，国外PorapakN等。特点：耐高温、峰对称、无流失、按极性大小出峰，大极性先出。

返回99-54GDX-203（401载体）；柱长2m；气化温度160℃检测器TCD：载气N2，40mL/min内标物：甲醇固定相的选择是提高GC分离效果的重要条件。

返回99-55常用GC吸附固定相

返回99-56二、气液色谱固定相——载体+固定液（一）载体（也称担体）要求：①粒度均匀、有一定的机械强度；②比表面积大；孔径分布均匀；③热稳定性及化学稳定性好，并可被固定液完全浸润。类型：硅藻土型：红色硅藻土（适于非极性或弱极性物质）和白色硅藻土（适于极性物质）非硅藻土型：适于特定组分的分析

返回99-57

返回99-58载体表面的钝化处理：消除或减弱载体表面含有的硅醇基(—SiOH)、Al2O3、Fe等活性中心，消除其对组分分离的干扰。

返回99-59（二）固定液要求：热稳定性好、蒸汽压低——流失少；化学稳定性好——不与其它物质反应；对试样各组分有合适的溶解能力（K适当）；对各组分具有良好的选择性。分类：按化学结构类型或极性分类烃类：角鲨烷聚硅氧烷类：OV-系列聚二醇类：PEG系列酯类：

返回99-60固定液的极性：相对极性Px：角鲨烷极性为0，,’-氧二丙腈的极性为100，其他溶剂与之比较。测定方法：以苯和环己烷为样品，分别在对照柱,’-氧二丙腈及角鲨烷柱上测定相对保留值的对数q1和q2。然后在待测固定液上测定qx，相对极性Px：

返回99-61

返回99-62固定液极性5级别：据Px，每20单位为一级

0,+1（非极性）；+1,+2（弱极性）

+3（中等极性）；+4,+5（强极性）固定液极性的标度：罗氏常数（1966年）、麦氏常数（1970年）保留指数差值I

＝I被测－I角鲨烷

返回99-63

返回99-64

返回99-65固定液选择：据“相似相溶”规则组分固定液主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。中等极性中极性诱导力色散力按沸点顺序。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。

返回99-66实际应用中，针对复杂样品，利用相似相溶原则选择固定液时，需要注意混合物组分性质的差别。一般情况下：分离非极性和极性化合物：选极性固定液分离沸点相差较大的混合物：选非极性固定液难分离组分：采用两种或以上的固定液进行混涂、混装或串联。

返回99-67三、GC流动相——载气载气要求：高纯、惰性。载气选择：除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。

返回99-6817.3气相色谱分析条件的选择一、气相色谱的速率理论1、GC的涡流扩散相2、GC的分子扩散相3、GC的传质阻抗相二、GC实验条件的选择（一）提高α、k（二）提高n三、样品的预处理

1、分解法

2、衍生化法99-69一、气相色谱的速率理论因气相色谱法流动相流速很大，因此速率理论对其分析条件的指导意义更大。1958年，Gloay在速率方程式基础上提出毛细管速率理论方程式：H＝B/u＋Cg

u＋Cl

u

因毛细管柱的特殊性，其速率理论的具体体现有其特殊性：A=0，B、C项表现也不尽相同99-70据A＝2λdp理论分析：粒径细填充均匀，H降低，柱效高实际指导：填充柱：柱较长，dp

太小不易添加均匀，一般采用60～80或80～100目的填料。开口毛细管柱：因柱细、涂层薄，A＝01、GC的涡流扩散项99-712、GC分子扩散项：B∕u，B＝2γDg理论分析：填充柱弯曲因子γ＜1，B＜2Dg毛细管开口柱γ＝1，B=2DgDg∝1／M½、∝柱温T、∝1／柱压P实际指导：采用大分子量N2，较低T，较高u可提高柱效。但分子量大，粘度大，柱压降大。一般u较低宜用N2，u较高宜用He或H2；（但影响不大）气液GC中，组分在液相中的分子扩散项可略。99-723、GC传质阻抗项：实际指导：填充柱：Cg小可忽略；毛细柱：不能忽略；固定液膜厚度df越薄，Cl

越小。故对于毛细管柱主要为气相阻抗，为增加Dg，选He、H2载气流速u大，Cu项增大→H增大，柱效↓载体表面有深孔，会造成严重峰扩张。Dl固定液中扩散系数；df

液膜厚度，r柱半径Cu＝（Cg＋Cl）u99-734、小结：（1）据速率理论，影响GC柱效的因素主要包括：固定相填充的均匀程度载体的粒度，表面是否有深孔固定液的液膜厚度（气液GC）载气的流速和种类柱温（2）上述因素对各项的影响常常是相互制约的，要综合分析，权衡利弊。不可仅就某一项进行分析得出结论。99-74理论依据：速率方程式、色谱分离方程式柱选择项α：α=K2/K1=k2/k1

，即固定液的选择保留因子项k

：固定液用量，也与K、柱温相关n柱效项：诸多因素→载气、柱温、柱长、进样、气化、检测等。二、GC实验条件的选择99-75n、α、k

对分离度的影响示意图R增加但峰变宽峰变锐，R改善选择性增加R提高99-76（一）提高α、k

α、k取决于组分性质、固定相和载气的种类。载气种类不多，对分离选择性α贡献不大选择因子α：

主要取决于固定液种类。选择原则—

极性、最高使用温度。容量因子k：要适当影响因素：固定液的用量、分配系数、柱温固定液用量，k

tR；但液膜厚，阻抗，峰变宽。99-77（二）提高n参考最佳流速uopt设定。u＜uopt，B/u为主，选择分子量大的N2，Ar。u＞uopt，Cu为主，选择分子量小的H2、He。实际选择：常常u＞uopt，主要为了缩短时间。载气选择：最佳柱效差别小。毛细管柱N2、He载气流速和种类的选择99-78载气流速对保留时间的影响：载气流速对不同检测器的定量结果有影响：TCD：峰面积定量流速应恒定FID：峰高定量流速应恒定ECD/FPD/TID：流速均有不同程度影响99-79柱温的选择温度对保留值、峰高和峰面积、样品气化、检测器等均有影响。柱温对柱效的影响也呈双曲线规律。Tc

：K

不利；Dg不利；Dl

、Cl

，有利柱温降低升高传质快、柱效高纵向扩散强、峰拖尾过高造成固定液流失分析时间长恒温程序升温(宽沸程混合物)实验确定99-80柱温选择的原则：不超过固定液最高使用温度；在良好分离度、分析时间适宜、不拖尾的前提下，尽可能采用低柱温；高沸点试样（300～400℃）：柱温可低于沸点100℃~150℃，采用低固定液配比（1%~3%）沸点<300℃的试样：柱温可比平均沸点低50℃至平均沸点得范围内。固定液配比5%~25%宽沸程试样：采取程序升温，改善分离效果，缩短分析时间，提高灵敏度。99-81恒温：45℃程序升温：30～180℃恒温：145℃程序升温与恒温分离效果比较半峰宽会随tR增大而变大99-82柱长与内径的选择在满足分离度的条件下，应使用尽可能短的柱。小内径可降低涡流扩散的λ值，提高柱效。细而短的毛细管柱可实现快速分析但内经变细会受到下列因素限制和制约：内径越细，样品容量越小，对检测器灵敏度要求更高，进样也需特殊装置；系统流失、污染、鬼峰等不能忽略，要排除；检测器死体积要很小，还要加尾吹气99-83其他条件：汽化室温度：据试样的沸点、稳定性和进样量选择。一般可等于或稍高于沸点，应高于柱温30～50℃，且不高于沸点50℃；检测室温度：一般需高于柱温20～50℃；合适载体粒度：通常，对填充柱而言粒度大小为柱内径的1/20~1/25为宜。进样方式：“塞子”状进样，时间小于1s；进样量：不可超载液体试样：不超过10μl，一般0.1～2μl气体试样：不超过10ml，0.5～3.0ml为宜99-84毛细管气相色谱图(分别涂渍不同的固定相,温度为最高使用温度）Carbonwax20M,250oC)50%OV-275,240oCOV-1,SE-30,350oC5%OV-3,SE-52,350oC50%OV-17,250oC50%OV-210,200℃)葡萄籽油血液中酒精氯代芳烃醇类有机碱胆固醇

返回99-85三、样品的预处理挥发性、热稳定性较差的物质，须进行预处理才能GC分析。1、分解法将高分子化合物裂解为低分子量化合物。所得图谱为裂解色谱图，又称指纹图。对高分子药物和中药材定性鉴别有意义；2、衍生化法制备化学衍生物增加挥发性和热稳定性，如酯化法（高级脂肪酸）、硅烷化法（含羟基、羧基、氨基的有机化合物）。

返回99-8617.4定性与定量分析一、定性分析方法二、定量分析方法（一）定量校正因子（二）定量方法归一化法外标法：标准曲线、外标一点内标法内标校正曲线法标准加入法99-87已知物对照法

保留值、加样、双柱定性利用相对保留值定性：查手册利用保留指数定性：重要方法官能团分类测定法：两谱联用定性：GC-MS,GC-IR一、定性分析方法99-88定量分析的基础：在恒定的实验条件下，峰面积（或峰高）与组分的（含）量成正比。峰面积A的测量：对称峰：A=1.065×h×W1/2不对称峰：A=1/2×h×

(W0.15＋W0.85)气相色谱仪均可通过积分（integrate）给出峰高h和峰面积A，准确度不低于0.2%～1%二、定量分析方法99-89（一）定量校正因子为何引入校正因子？因同一检测器对不同物质具有不同的响应灵敏度，故不可用A直接计算物质的量。绝对校正因子

：单位峰面积所代表的物质的量。前提条件：需要准确知道进样量，实际比较困难。（1）99-90相对校正因子：物质i和标准物质s的绝对校正因子之比。常用相对重量校正因子。标准物质选择：

FID常选正庚烷；TCD常选择苯f