第 13 章气相色谱分析

第13章气相色谱分析 Gas Chromatography (GC)

13.1 气相色谱仪器 气路系统、进样系统、柱分离系统、温控系统、各类检测器 13.2 气相色谱固定相气固色谱固定相（吸附剂）、气液色谱固定相（载体+固定液） 13.3 气相色谱分离分析条件柱长、载气及其流速、填充颗粒、柱温、进样量及进样方式 13.4 定性分析保留时间、经验规律、保留指数、双柱定性、仪器联用定性 13.5 定量分析校正因子、归一化法、外标法、内标法 13.6 毛细管色谱简介毛细管分类及特点

气相色谱过程： 待测物样品被被蒸发为气体并注入到色谱分离柱柱顶，以惰性气体（指不与待测物反应的气体，只起运载蒸汽样品的作用，也称载气）将待测物样品蒸汽带入柱内分离。其分离原理是基于待测物在气相和固定相之间的吸附-脱附（气固色谱）和分配（气液色谱）来实现的。因此可将气相色谱分为气固色谱和气液色谱。

气固色谱： 利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附-解吸能力不同实现物质的分离。由于活性（或极性）分子在这些吸附剂上的半永久性滞留(吸附-脱附过程为非线性的)，导致色谱峰严重拖尾，因此气固色谱应用十分有限。只适于较低分子量和低沸点气体组分的分离分析。对此方法，本章只作简单介绍。

气液色谱： 通常直接称之为气相色谱。它是利用待测物在气体流动相和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。1941年，Martin和Synge(对液-液分配色谱也做了巨大贡献)提出气液分配色谱的概念。11年后，即1952年，Jones和Martin通过实验展示了该方法；3年后，即1955年，首台气相色谱仪问世。1990年，估计有20万台仪器投入使用！如今呢？说不清了。

16.1 气相色谱仪器 现在，有近百厂家、提供数百种型号、价格在USD$15000~40000的气相色谱仪。过去几十年内，色谱仪器得到了极大的发展，这主要归于： 1970s: 电子积分仪及计算机数据处理装置的发展；1980s: 计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动进样等。随着这些技术的发展，仪器性价比大幅提高。其中，GC最重要的发展是开管柱的引入，使含有数百种混合物样品得以分离。

检测系统 气路系统进样系统温控系统 H2,N2或Ar 分离系统 GC流路示意图

一、气路系统(Carrier gas supply) 获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体净化装置。载气：要求化学惰性，不与有关物质反应。载气的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。净化器：分子筛和活性碳管串联，可除去水、氧气及其它杂质。压力表：多为两级压力指示：第一级，钢瓶压力(总是高于常压。对填充柱：10-50 psi；对开口毛细柱：1-25 psi)；第二级，柱头压力指示；流量计：在柱头前使用转子流量计(Rotometer)，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计(Soap-bubble meter)测流速。许多现代仪器装置有电子流量计，并以计算机控制其流速保持不变。

二、进样系统(Sample injection system) 进样要求：进样量或体积适宜；“塞子”式进样。一般柱分离进样体积在十分之几至20L，对毛细管柱分离，体积约为~10-3 L，此时应采用分流进样装置来实现。体积过大或进样过慢，将导致分离变差(拖尾)。

六通阀六通阀进样微量进样器进样常以微量注射器(穿过隔膜垫)或六通阀将液体样品注入气化室(汽化室温度比样品中最易蒸的物质的沸点高约50oC)，通常六通阀进样的重现性好于注射器。

三、柱分离系统 柱分离系统是色谱分析的心脏部分。分离柱包括填充柱和开管柱(毛细管柱)。柱材料：金属、玻璃、融熔石英、Teflon等填充柱：多为U形或螺旋形，内径2~4 mm，长1~3m，内填固定相；开管柱：分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.1~0.5mm，长达几十至100m。通常弯成直径10~30cm的螺旋状。开管柱因渗透性好、传质快，因而分离效率高(n可达106)、分析速度快、样品用量小。过去是填充柱占主要，但现在，这种情况正在迅速发生变化，除了一些特定的分析之外，填充柱将会被更高效、更快速的开管柱所取代！柱温：是影响分离的最重要的因素。其变化应小±0.xoC。选择柱温主要是考虑样品待测物沸点和对分离的要求。柱温通常要等于或略高于样品的平均沸点(分析时间20-30min)；对宽沸程的样品，应使用程序升温方法。

恒温：45oC 程序升温与恒温对分离的影响比较温度低，分离效果好，但分析时间长恒温：145oC 温度高，分析时间短，但分离效果差程序升温：30~180oC 程序升温，分离效果好，且分析时间短

四、温控系统 温度控制是否准确、变温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。控温系统包括对三个部分的控温，即，气化室、柱箱和检测器。控温方式：恒温和程序升温。温度选择：在介绍仪器组成时给出，此处略。

五、检测器 • 气相色谱检测器种类繁多，本节将介绍最为常用的几种检测器： • 1. 热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD); • 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID); • 3. 电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD); • 4. 火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD); • 5. 氮磷检测器(NPD)也称热离子检测器(Thermionic detector, TID)。 • 根据检测器的响应原理，可将其分为浓度型和质量型检测器。 • 浓度型：检测的是载气中组分浓度的瞬间变化，即响应值与浓度成正比 • 质量型：检测的是载气中组分进入检测器中速度变化，即响应值与单位 • 时间进入检测器的量成正比。

单臂柱后四臂柱前 A B 柱后柱前 1. 热导检测器(TCD) TCD是一种应用较早的检测器，又称导热析气计(Katharometer)。现在仍在广泛应用。原理：由于不同气态物质所具有的热传导系数不同，当它们到达处于恒温下的热敏元件（如Pt, Au, W, 半导体）时，其电阻将发生变化，将引起的电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号，从而实现其检测功能。构成：由池体和热敏元件构成。通常将参比臂和样品臂组成Wheatstone 电桥。如图。

工作过程： 1）在只有载气通过时，四个臂的温度都保持不变，电阻值也不变。此时，调节电路电阻使电桥平衡，AB两端无电压信号输出； 2）当有样品随载气进入两个样品臂时，此时热导系数发生变化，或者说，测量臂的温度发生变化，其电阻亦发生变化，电桥失去平衡，AB两端有电压信号输出。当载气和样品的混合气体与纯载气的热导系数相差越大，则输出信号越强。特点：对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广。但灵敏度较低。

影响TCD灵敏度的因素： 1）桥电流 i：i增加—热敏元件温度增加—元件与池体间温差增加—气体热传导增加—灵敏度增加。但 i过大，热敏元件寿命下降。电流通常选择在100~200 mA 之间(N2作载气，100~150 mA；H2作载气，150~200 mA)。 2）池体温度：池体温度低，与热敏元件间温差大，灵敏度提高。但温度过低，可使试样凝结于检测器中。通常池体温度应高于柱温。 3）载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，则灵敏度越高。通常选择热导系数大的H2和He作载气。用N2作载气，热导系数较大的试样(如甲烷)可出现倒峰。 4）热敏元件阻值：阻值高、电阻温度系数大（随温度改变，阻值改变大，或者说热敏性好）的热敏元件，其灵敏度高。综述：较大的桥电流、较低的池体温度、低分子量的载气以及具有大的电阻温度系数的热敏元件可获得较高的灵敏度。

2. 火焰离子化检测器（FID） 又称氢焰离子化检测器。主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。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。结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。工作过程：来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12 A）。

火焰离子化机理： 有关机理并不十分清楚，但通常认为是化学电离过程：有机物燃烧产生自由基，自由基与O2作用产生正离子，再与水作用生成H3O+。以苯为例：影响FID灵敏度的因素： 1）载气和氢气流速：通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2 = 1:1~1:1.5。 2）空气流速：流速越大。灵敏度越大，到一定值时，空气流速对灵敏度影响不大。一般地，H2:Air = 1:10。 3）极化电压：在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择100~300V的极化电压。 4）操作温度：比最高允许温度低约50oC(防止固定液流失及基线漂移)。

FID特点： 1）灵敏度高(~10-13g/s)； 2）线性范围宽(~107数量级)； 3）噪声低； 4）耐用且易于使用； 5）为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。在样品量一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控制流速恒定！ 6）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足？），因此 FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水、N和S 的氧化物污染的有机物分析。 7）对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或根本无响应。 8）样品受到破坏。

63Ni或3H U U过高，电子速度快，不易捕获，通常为基流电压的2/3 3. 电子捕获检测器(ECD) ECD主要对含有较大电负性原子的化合物响应。它特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。原理及工作过程：从色谱柱流出的载气(N2或Ar)被ECD内腔中的放射源电离，形成次级离子和电子(此时电子减速)，在电场作用下，离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。当含较大电负性有机物被载气带入ECD内时，将捕获已形成的低速自由电子，生成负离子并与载气正离子复合成中性分子，此时，基流下降形成“倒峰”。

1）响应电流i与浓度c是非线性的，即， 该式类似于比尔定律。其中，i0为基流，K 为电子吸收系数(不同物质K值不同)。 2）对如卤素基、过氧基、醌基、硝基等含电负性的功能团的分子具有极高的选择性和灵敏度；但对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类物质不灵敏。 3）与FID相比，ECD对样的破坏不大； 4）线性范围为两个数量级，相对FID来说，这不算大; 5）要求载气纯度要高(>99.99%)，否则杂质会降低基流；（通常将载气通入480oC的紫铜屑除O2）。 ECD 特点：

出口石英窗滤光片放大器光电管 > 记录仪 Air H2 载气+组分 4. 火焰光度检测器（FPD） FPD对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器。因此，也称硫磷检测器。主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。 FPD结构：喷嘴+滤光片+光电管。原理：待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。

含S、P化合物在氢焰中的变化过程如下： FPD 特点： 1）对含S、P化合物有较高灵敏度和一定的选择性； 2）对卤素气X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有响应； 3）相对其它检测器如ECD和FID，FPD价格较贵。

六、检测器的性能指标： 理想的检测器应具有的条件： 1）适合的灵敏度：对一些组分十分灵敏，而对其它则不灵敏，其间应相差达107倍； 2）稳定、重现性好； 3）线性范围宽，可达几个数量级； 4）可在室温到400oC下使用； 5）响应时间短，且不受流速影响； 6）可靠性好、使用方便、对无经验者来说足够安全； 7）对所有待测物的响应相似或可以预测这种响应； 8）选择性好； 9）不破坏样品。但任何检测器都不可能同时满足上述所有要求。

1. 灵敏度S 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，该曲线的斜率 k 即为灵敏度S。实际工作中可从色谱图直接求得灵敏度。对于浓度型： Sc—灵敏度(mVmL/mg); Ai—峰面积(cm2); Fco—检测器入口流速(mL/min); wi—进样量(mg), C1—记录仪纸速(cm/min) C2—记录仪灵敏度(mV/cm); 对于质量型： Sm—灵敏度(mVs/g); wi—进入检测器的样品量(g)

与通用的检测限表示方法相同，即 实际工作中，色谱检测限表示为: 浓度型：质量型：注意：检测限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，即检测限是衡量检测器或仪器性能的综合指标。 3. 线性范围和响应时间（略） 2. 检测限，DL

13.2 气相色谱固定相 在介绍色谱仪器时，我们提到色谱分离系统是色谱仪器的核心部分，而其中分离柱中固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。气相色谱柱可分为两类： 1）用于气固色谱的固定相：固体吸附剂； 2）用于气液色谱的固定相：固定液+载体。介绍如下：

一、气固色谱固定相——固体吸附剂 该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。 1. 常用固体吸附剂硅胶(强极性)、分子筛(极性，筛孔大小) 、氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性) 2. 人工合成固体吸附剂高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，其孔径大小可以人为控制。可在活化后直接用于分离。

高分子多孔微球可分为两类： 非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）；Chromosorb系列（国外）极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3和4型（国产）；Porapak N等（国外）

二、气液色谱固定相——载体+固定液 气液色谱固定相由载体(Solid support material)和固定液(Liquid stationary phase) 构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。 1. 载体(也称担体) 对载体的要求：粒度均匀、高强度的球形小颗粒；至少1m2/g的比表面(过大可造成峰形拖尾)；高温下呈惰性(不与待测物反应)并可被固定液完全浸润。载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体。

载体表面处理：硅藻土含有硅醇基(—SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是说，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。载体表面处理：硅藻土含有硅醇基(—SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是说，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。其处理过程如下：

左图为气固色谱图：2m长，填充分子筛(5Å) 右图为气液色谱图，30m, 0.53WCOT开管柱

2. 固定液及其选择 对固定液的要求： a) 热稳定性好、蒸汽压低——流失少； b) 化学稳定性好——不与其它物质反应； c) 对试样各组分有合适的溶解能力(分配系数K适当); d) 对各组分具有良好的选择性。

固定液与组分的作用力： a)取向力——极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引） b)诱导力——极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引）； c)色散力——非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引）； d)氢键力——强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，亦属取向力。前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。

3. 固定液的选择 固定液的特性是指其极性和选择性。极性的表示方法相对极性P：规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液,-氧二丙腈的极性为100，以物质对正丁烷-丁二烯或环已烷-苯在角鲨烷、,‘-氧二丙腈及待测固定液上分离得到相对保留值，并取对数：

从下列公式求得待测固定液的相对极性Px： 其中q1, q2, qx分别表示物质对在,‘-氧二丙腈、角鲨烷和待测固定液的相对保留值。Px在0~100之间，每20单位为一级，即将极性分为5级：0, +1(非极性)；+1, +2(弱极性)；+3(中等极性)；+4, +5(强极性)

固定液分类及选择：

固定液选择：按“相似相溶”原理选择固定液。固定液选择：按“相似相溶”原理选择固定液。 • 非极性组分：非极性固定液，沸点低组分先流出； • 极性物质：极性固定液，极性小组分先流出； • 极性混合物：极性固定液，极性小组分先流出； • 氢键型物质：氢键型固定液，不形成氢键组分先出； • 复杂混合物：两种或以上混合固定液

13.3 气相色谱分离分析条件 根据van Deemter方程和色谱分离方程式，分析条件的选择上一章已论述，此处针对气相色谱方法作一简单小结。 1. 柱长L 由分离度R的定义可得(R1/R2)2=n1/n2=L1/L2 即柱越长，理论塔坂数越高，分离越好。但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L要根据R的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。

2. 载气及流速u 对van Deemter方程求导得到在流速为：柱效最高：当u较小时，B/u占主要，此时选择分子量大的载气，使组分的扩散系数小；当u较大时，Cu点主要，此时选择分子量小的载气，使组分的扩散系数大，减小传质阻力项Cu。

传质快、柱效高 升高纵向扩散强、峰拖尾过高造成固定液流失恒温实验确定柱温程序升温 (宽沸程混合物) 分析时间长降低 3.柱温

4. 载体粒度及筛分范围 载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。通常，对填充柱而言，粒度大小为柱内径的1/20~1/25为宜。 5. 进样方式及进样量要以“塞子”的方式进样，以防峰形扩张；进样量，也要以峰形不拖尾为宜。

13.4 定性分析 一、样品预处理： GC分析对象是在气化室温度下能生气态的物质。为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前，对样品进行处理。水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质——柱效下降，需除去。非挥发组分——会产生噪声，同时慢慢分解——产生杂峰。稳定性差的组分——生成新物质——杂峰。

二、定性方法 1、用已知物对照定性该法是基于在一定操作条件下，各组分保留时间是一定值的原理。具体做法： 1）分别以试样和标准物进样分析，各自的色谱图； 2）对照。如果试样中某峰的保留时间和标样中某峰重合，则可初步确定试样中含有该物质。 3）也可通过在样品中加入标准物，看试样中哪个峰增加来确定。

2. 据经验式定性 1）碳数规律：在一定温度下，同系物的调整保留时间tR’的对数与分子中碳数n成正比： lgtR’=An+C (n3) 如果知道两种或以上同系物的调整保留值，则可求出常数A和C。未知物的碳数则可从色谱图查出tR’后，以上式求出。 2）沸点规律：同族具相同碳数的异构物，其调整保留时间tR’的对数与其沸点Tb成正比： lgtR’=ATb+C

3.据相对保留值ri,s定性： 用保留值定性要求两次进样条件完全一致，这是比较困难的。而用ri,s定性，则只要温度一定即可。具体做法：在样品和标准中分别加入同一种基准物s，将样品的ri,s和标准物的ri,s相比较来确定样品中是否含有 i 组分。

第 13 章 气相色谱分析