中国药科大学气相色谱法(胡育筑)

气相色谱法

（GasChromatography）气相色谱法(GC)1.2.色谱柱3.

仪器原理4.毛细管气相色谱法6.定性与定量分析方法概述5.衍生化气相色谱法1.1GC的分类

以气体为流动相的色谱法GC

GC-MS

毛细管柱

填充柱

1.2GC分类

按固定相分类气—固（GSC）吸附气—液（GLC）分配按柱的类型分类

填充柱毛细管柱Ф4~6mm×L0.5~5mФ0.1~0.53mm×L10~100m1.2GC的一般流程(1)高效能：neff

可达103~106(2)高选择性：特别复杂试样

(3)高灵敏度：可以检测10

11~10

13g物质(4)分析速度快、操作简单：色谱操作及数据处理自动化

(5)

局限性：样品需气化，因此能直接用GC分析的有机物约20%，其他挥发性小的液、固体等需经过预处理后再分析1.3GC特点1.4GC的应用20%有机物（样品需气化）定性分析原料药和制剂的鉴别定量分析样品的含量测定有机溶剂残留量的测定联用技术：GC-MSGC-NMRGC-AEDGCColumn2色谱柱气-液填充柱气-固填充柱1232.1色谱柱固体固定相固定液载体(担体)⑴对固定液的要求操作柱温下呈液态（易于形成均匀液膜）操作条件下热稳定性和化学稳定性好蒸气压要低（柱寿命长，检测本底低）对样品应有较好的溶解度及选择性与试样组分不发生化学反应2.1固定液GC气-液填充柱——

高沸点的液体⑵固定液的分类

化学分类法

极性分类法2.1固定液烃类：烷烃，芳烃角鲨烷——标准的非极性固定液、阿皮松硅氧烷类（温度系数小，蒸气压低，不易流失，用处多）：甲基硅氧烷：弱极性甲基硅油（n﹤400

）甲基硅油Ⅰ——2300C

甲基硅橡胶（n﹥400）SE30，OV1——3500C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%，3500C

中苯基硅橡胶OV17——含苯基50%，3500C

高苯基硅橡胶OV25——含苯基75%，3500C氟烷基硅氧烷：中等极性氰基硅氧烷：强极性2.1固定液化学分类法醇类（氢键形固定液）

非聚合醇长链脂肪醇（十六碳醇）

聚合醇聚乙二醇（PEG-20M——2500C

）酯类：中强极性固定液

非聚酯类邻苯二甲酸二壬酯（DNP）

聚酯类丁二酸二乙二醇聚酯（PDEGS或DEGS）2.1固定液化学分类法相对极性法（麦氏常数法）

2.1

固定液极性分类法

按相对极性分类，以极性最小的鲨鱼烷极性规定为0，极性最大的β，β’-氧二丙腈极性为100，其余固定液与之比较，定出相对极性。方法：测出相对保留值常用固定液的相对级别：

+1弱极性；+2

.+3

.+4.

+5强极性

⑶固定液的选择：按“相似相溶”原则选择

被分离组分的极性或官能团与固定液相似按组分性质的主要差别选择2.1固定液（1）按“相似相溶”原则选择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

非极性组分——选非极性固定液（色散力）按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱；沸点接近时，极性较大的先流出

中等极性组分——选中等极性固定液（诱导力）基本按沸点顺序出柱；

若沸点相同，则按极性顺序，极性较强的后出柱

强极性组分——选极性固定液（静电力）按极性顺序出柱，极性强的后出柱2.1固定液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

——选酯类或聚酯固定液

醇类

——选醇类或聚乙二醇固定液可用混合固定液提高分离效率（1）按“相似相溶”原则选择（2）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高低，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，极性弱的先出柱

例样品中含苯，环己烷，选固定液

极性弱极非极沸点80.1℃80.7℃相近解：①非极性液体石蜡tR苯/tR环=0.73（未分开）②中极DNPtR苯/tR环=1.5（分得较好）③极性氧二丙腈tR苯/tR环=6.3（分得更开，环己烷先出柱）

固体支持物，又称担体，起承载固定液的作用⑴对载体的要求

比表面积大（多涂渍固定液）无吸附性（不吸附被测组分）化学惰性（不与固定液发生化学反应）热稳定性好一定的机械强度2.2载体⑵载体的分类硅藻土类（由天然硅藻土煅烧而成）：具有一定粒度的多孔性固体微粒红色：吸附力强，与非极性物质配伍白色：吸附力弱，与极性物质配伍非硅藻土类（高分子小球）：

玻璃微球，石英微球，氟塑载体，含氟化合物2.2载体硅藻土型：

红色担体白色担体

Fe2O3

淡红色Fe+Na2CO3孔径1μm8-9μm机械强度大小比表面积4.0m2/g1.0m2/g化学活性较强较弱常用固定液非极性极性分离对象弱极性物质极性物质2.2

载体2.2载体⑶载体的表面处理——钝化，减弱吸附性

酸洗：除去表面金属化合物，用于分析酸类和酯类

碱洗：用于分析胺类等碱性化合物

硅烷化：除去表面硅醇基，用于形成氢键能力较强的化合物活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。2.3固体固定相⑶

GDX

人工合成的新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。用于水、醇、有机溶剂残留的测定型号：GDX-01、-02、-03等特点：具较大比表面，峰形正常峰柱寿命长，无流失。疏水性强，耐腐蚀，热稳定性好（200-300℃）分离性能好

⑷化学键合相：

将固定液的官能团用化学键结合在载体表面，具分配吸附两种性能，新型的气相色谱固定相，具分配、吸附两种作用，柱效高，分离效果好，但价格贵。

一般程序：固定液涂渍----固定相老化----装柱（老化）⑴

涂渍：称固定液溶于有机溶剂，将担体倒入，均匀搅拌，通风挥溶剂⑵老化：目的：除去残余溶剂，促进固定液涂渍均匀静态老化(烘箱)动态老化(联机)⑶柱的清洗与填充：不锈钢管处理：5%NaOH

清洗，再用水洗至中性;或NaOH

洗，水洗，酸洗，再水洗至中性，醇洗，醚洗，烘干待装。填充：抽气减压填充

2.4

柱的制备3.仪器原理3.1气路载气：氮气、氢气、氦气燃烧气：氢气助燃气：空气3.1气路

3.2进样器气化室微量注射器要求：样品瞬时气化影响因素：溶剂、浓度、体积、进样速度、温度等

气化室结构示意图1.散热片；2.衬管;3.加热器;4.载气入口;5.接色谱柱3.3柱温箱

良好的柱温控制根据被测试样(主要参考沸点)设定柱温。最高柱温应低于固定液最高使用温度20-50℃,防止固定液流失。(1)恒温操作常用于某一个或几个组分的分析。分析周期内柱温保持在某一恒定温度。在保证被测组分充分分离的前提下，尽量设定较高柱温,缩短分析时间。(2)程序升温用于组分沸点范围很宽的试样。所谓程序升温,是指每一个分析周期内柱温连续由低温向高温有规律变化。柱温变化由操作者根据试样具体情况设计，可以是线性变化(一种升温速度),也可是非线性的(在不同时间段按不同升温速度)变化。

3.4检测器

色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各异。浓度型检测器：

测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。质量型检测器：

测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。

热导检测器（thermalconductivitydetector；TCD）氢焰离子化检测器（hydrogenflameionizationdetector；FID）电子捕获检测器（electroncapturedetector；ECD）检测器的性能指标浓度型信号强度与进入检测器的载气中的组分的浓度成正比将流出色谱柱的被测组分的浓度或量的变化，转变为电信号的变化的装置3.4

检测器GCDetector质量型信号强度与单位时间进入检测器的组分的质量成正比⑴热导池(TCD)

优点：通用型，应用广泛结构简单稳定性好线性范围宽不破坏组分，可重新收集制备价格便宜

缺点：灵敏度不高，噪音大；

3.4

检测器浓度型检测器结构

惠斯通电桥测量臂——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

检测原理：依据组分与载气的热导率差别进行检测

①进样前：两臂均通载气时②

进样后：测量臂R1通样品气体+载气参比臂R2通载气时

λ样>λ载

倒峰λ样<λ载

正峰λ样=λ载

无信号

电桥平衡时走基线，（因两臂载气流速一样，λ一样）进样后，两臂不平衡，则有电信号被检测

操作条件选择和注意事项：进样量一定时，峰面积A与载气流速成正比流速应恒定He较为理想，但价格贵

H2一般可得较好结果载气不通载气，不能加桥流（否则热敏元件烧坏）灵敏度够用时，尽量选用低桥流（保护热敏元件）检测器温度>柱温度（防检测器污染）浓度型信号强度与进入检测器的载气中的组分的浓度成正比GCDetector质量型信号强度与单位时间进入检测器的组分的质量成正比热导检测器TCD氢焰离子化检测器FID3.4检测器质量型检测器优点：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：燃烧会破坏离子原形，无法回收（制备纯物质，不采用）

⑵氢火焰离子化检测器(FID)氢焰检测器构造示意图1．收集极2．极化环3．氢火焰4．点火线圈5．微电流放大器6．衰减器7．记录器

结构检测原理和离子化机理检测原理：利用组分在氢焰中产生离子流进行检测离子化机理：化学电离理论氢焰→自由基→正离子

只能测含C有机化合物（热导无此限制）离子流强度与组分的质量有关，测离子流强度可以定量化学电离

氢焰中燃烧有机物

离子流在电场的作用下定向流动被检测①载气的选择：载气——N2燃气——H2一般：N2:H2:Air=1:1:10助燃气——空气②质量型检测器，h∝u以峰高h

定量时，应保持u

恒定以峰面积A定量时，取决于单位时间引入检测器的质量，与u无关③长久使用时，气路要洁净。（否则基线波动）④）使用温度：检测器T>柱T

30~500C（防止凝结）

操作条件选择和注意事项

⑶检测器的主要性能指标①噪声与漂移无样品时基线的信号对原点产生的偏离检测器的噪音和检测限示意图②灵敏度

在一定范围内，进入检测器的物质质量对响应信号的变化率《》单位：mＶ/（mg/mL）；（浓度型检测器）

mＶ/（g/s）；（质量型检测器）

浓度型检测器的灵敏度（Sc）3.

检测器性能指标质量型检测器的灵敏度（Sm）4.3.1

GC检测器性能指标——灵敏度用A定量时，与C3无关③线性与线性范围：检测器内载气中组分浓度与响应信号成正比的关系。检测器的线性范围定义为：被测物质的量与检测器响应成线性关系的范围，表示为最大允许进样量与最小进样量的比。

④检测限（最小检测量）

噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为检测限（或该物质的最小检测量）。

D=2N/S

质量型检测器浓度型检测器3.检测器性能指标——检测限3.5数据处理手工数字积分仪

微机+专用软件

（自学）⑴峰面积的测定⑵数据记录及处理色谱工作站色谱工作站参数:(1)斜率(slope)也称为色谱峰测定灵敏度，决定了峰面积积分的起点和终点。

(2)半峰宽(peakwidthathalf-height)指设定的最窄色谱峰的峰高一半的宽度，单位为s(秒)。

(3)最小峰面积(minimumpeakarea)指设定的色谱峰面积积分值的最小值。也是用于控制数据处理报告中峰数量的参数，小于最小峰面积值的色谱峰不出现在报告中。(4)锁定时间和停止时间(locktimeandstoptime)锁定时间是指启动色谱数据处理系统后只记录图谱不收集数据的时间段。停止时间是指色谱数据处理系统启动到停止收集数据的时间。3.5数据处理(5)漂移(drift)用以补偿基线漂移的参数。基线漂移对峰面积积分值的影响a.漂移设定过小b.漂移设定合适c.漂移设定过大（a）（b）（c）色谱柱温度载气&流速进样3.6实验条件的选择（1）色谱柱的选择固定液

①按“相似相溶”原则：极性相似或官能团相似②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③柱温<固定液最高使用温度——防止固定液流失3.6实验条件的选择载体种类，粒度，分布固定液配比的选择：高沸点组分→比表面积小的载体低固定液配比（1%~3%），低柱温低沸点组分→高固定液配比（5%~25%）加大k值，达到良好分离难分离组分→毛细管柱3.6实验条件的选择柱长的选择注：根据

Rs

>1.5选择L，一般0.5～5m；常用1～3m

3.6实验条件的选择⑵柱温的选择原则：①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②根据样品沸点情况选择合适柱温，柱温应低于组分沸点50~1000C；但分离高沸点样品（300~400℃），柱温可比沸点低约100℃～150℃。③宽沸程样品应采用程序升温3.6实验条件的选择续前程序升温好处：改善分离效果缩短分析周期改善峰形提高检测灵敏度3.6实验条件的选择3.6实验条件的选择

⑶其他条件的选择

载气与流速的选择应同时考虑对柱效和分析时间的影响3.6实验条件的选择载气：

①种类：TCD选H2（He好，但价格贵）

FID选N2

②载气线速度：

H=A+B/u+Cu由范氏方程：

u

大应考虑如何降低Cu

小应考虑如何降低B最佳线速度时，板高H最小，但往往使用的最佳线速度大于图中所示u佳，即实际应用时，损失板高10-15%

3.6实验条件的选择

气化室温度

——一般稍高于样品沸点，允许有一定范围

检测室温度

——应高于柱温30~500C进样量——尽量小，灵敏度足够，避免峰变形拖尾

3.6实验条件的选择4.毛细管气相色谱法简介

1957年M.J.E.Golay(美国)在气相色谱中首次使用毛细管柱,发展了毛细管气相色谱法(capillarygaschromatography);又称为高分辨气相色谱法(highresolutioncapillarygaschromatography,HPGC)。特点：柱效高分析速度快柱容量小易实现GC/MS联用应用范围广4.1毛细管气相色谱法的特点

高柱效、高灵敏度、可使用较高温度，易于联用应用广泛4.1毛细管气相色谱法的特点(1)柱渗透性好气阻比填充柱小得多，所以可采用长柱和较小内径的柱,以及较高的载气流速。(2)柱效高①无涡流扩散;②采用较薄的固定液膜减少了传质阻力;③可以采用长柱，一般为10～100m。(3)使用温度较高，固定相流失小;有利于沸点较高的化合物的分析;有利于提高分析的灵敏度,程序升温基线也较平稳。(4)柱容量小柱内径小，固定液膜薄,最大允许进样量很小(5)利于实现色谱-质谱联用4.2毛细管柱速率方程

基于vanDeemter方程，1958年Goly提出影响开管柱色谱峰扩张的主要因素是：纵向分子扩散、流动相传质阻力、固定相传质阻力，从而导出开管柱的速率理论方程。其简式为

H=B/u+Cu

式中,H─理论塔板高度(cm);B、C─二常数,其单位分别为cm2/s及s;u─载气线速度(cm/s)。4.3毛细管气相色谱仪简介⑴进样器图分流/不分流进样器⑵毛细管柱开管型毛细管柱：柱内径为0.1~0.5mm。涂壁毛细管柱(WCOT)和载体涂层毛细管柱(SCOT)。WCOT是将固定液直接涂在玻璃或金属毛细管内壁上而制成。涂层厚度通常为0.3μm~1.5μm，固定液易流失，柱寿命短。SCOT是在毛细管内壁粘上一层载体，然后再将固定液涂在载体上而制成。载体涂层毛细管柱克服了涂壁毛细管柱的上述缺点，是目前应用最广泛的毛细管色谱柱。近年来出现的交联弹性石英毛细管柱是将固定液交联聚合在毛细管内，减少了固定液流失，柱寿命长，是当前最佳的SCOT柱。填充型毛细管柱将载体、吸附剂等松散地装入玻璃管中，然后拉制成毛细管就构成了填充型毛细管柱。一般柱内径≤1.0mm，填料粒度与内径的比值为0.2~0.3。与普通填充柱相比，具有分析速度快，柱效高等优点。⑶检测器可使用填充柱气相色谱的各种检测器进行。注意:①尾吹气的类型与流速,②死体积。由于毛细管柱柱流量小，必须采用尾吹气。所谓尾吹(makeup)是在检测器中近毛细管柱出口处增加一个气体流路,以帮助色谱柱流出的气体快速流经检测器。尾吹的作用既可保证进入电离室氮气量与氢气量的比例,又可减少检测器死体积对组分分离度的影响。高柱效、高灵敏度、可使用较高温度，易于联用,应用广泛。5.衍生化气相色谱法

通过化学反应的方法将组分转变成另一种化合物（称为衍生物）再用气相色谱法分析，这种方法称为衍生化气相色谱法。优点：

(1)扩大了应用范围分析挥发性过低、极性太强或热稳定性差的样品；例如不易挥发的氨基酸、糖类等化合物

(2)改善分离，并可能使拖尾峰获得较对称的色谱峰。

(3)改善定量效果，可提高测定灵敏度

(4)除去样品中某些杂质不能成为衍生物6.定性与定量分析方法GCSeparation定性分析定量分析⑴利用保留值定性已知对照物定性：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，初步推算是否为一个纯物质峰应用相对保留值定性应用保留指数定性6.1定性分析⑵利用化学反应定性

收集柱后组分，官能团反应，定性鉴别（离线）

⑶利用两谱联用定性：GC-MS，GC-FTIR（在线）6.1定性分析联用技术：气-质联机GC-MS：同时得到色谱与光谱气-红外联机GC-IR6.1定性分析123定量方法峰面积的测量定量校正因子6.2定量分析以峰高或峰面积定量②非正常峰（不对称峰）

①对于正常峰

自动积分仪或色谱工作站

直接给出A，h，W1/2注：当色谱条件一定时，在一定进样量范围内（不超载），

W1/2与进样量无关⑴峰面积的测量①绝对校正因子⑵定量校正因子同一台仪器，不同组分不同。因进样量少，很难求出准确f前提：相同量的同种物质对于不同检测器响应不同相同量的不同物质对于同一检测器响应不同不可以直接用mi(或ci）定量

mi

—进入检测器中的物质的量或质量

—绝对校正因子（与组分性质、仪器灵敏度有关）②相对校正因子⑵定量校正因子被测物质单位峰面积所相当物质的量，相当于基准物质单位峰面积量的倍数相对质量校正因子式中,下标i和s─分别代表组分与基准物;m─质量;A─峰面积。相对物质的量校正因子

式中,M─相对分子质量;其它符号同上。③注意事项：相对校正因子与待测物、基准物和检测器类型有关与操作条件（进样量）无关基准物：TCD→苯；FID→正庚烷（附表Ⅷ）以氢气和氦气作载气测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⑵定量校正因子⑶定量方法归一化法外标法内标法内标对比法

6.2定量分析法①归一化法前提：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⑶定量方法

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：所有组分必须在一个分析周期内全部流出检测器对所有组分都产生信号必须已知所有组分的校正因子不适合微量组分的测定②外标法：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工作曲线法：

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外标两点法：

前提：选取两点对照品的浓度，需涵盖待测浓度图示②外标法外标法特点：

1）简单，不需要校正因子，不需要所有组分出峰

2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大→每次进样量应一致，否则产生误差6.2.3定量方法Ⅱ——外标法③内标法

定义：无待测物纯品，加入样品中不含的对照物，

以待测组分和对照物的响应信号对比定量对内标物要求：内标物须为原样品中不含的组分内标物与待测物保留时间应接近且Rs

>1.5内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质加入量应接近被测组分

优点：进样量不超量时，重复性