第 二 章 气相色谱分析

1. 第二章气相色谱分析 Gas chromatographic analysis ,GC

2. 教学目标及要求 1.掌握气相色谱仪的组成和分析流程； 2.掌握色谱分离原理及分离基本方程式； 3.掌握下列基本概念：色谱峰、基线、保留值、分离度、分配系数和分配比； 4.掌握气相色谱法定性和定量的依据及分析方法； 5.掌握用相对极性法选择固定液； 6.了解四个常见检测器的构造及特性； 7.理解塔板理论和速率理论； 8.了解常用的气相色谱担体、固定相、固定液的种类及选择原则； 9.了解气相色谱分析操作条件的选择； 10.了解气相色谱法的应用。

3. 重点： 1、色谱流出曲线和有关术语，相关计算。 2、气相色谱法的基本原理及分离基本方程式。 3、气相色谱定性分析方法。 4、定量分析方法中校正因子、归一化法及内标法的计算。 难点： 色谱流出曲线和有关术语，气相色谱定性、定量分析方法。

4. 第一节 气相色谱法概述 Generalization of gas chromatographic instruments 一、概述（由来、分类和作用） Generalization 二、气相色谱仪 Gas chromatographic instruments 三、气相色谱仪流程 Process of gas chromatograph 四、气相色谱主要部件 Main assembly of gas chromatograph 五、基本概念 Basic conception

5. 一、 色谱法的由来、分类和作用 • 1.由来 • 色谱法是混合物最有效的分离、分析方法。 • 1906年由俄国植物学家茨维特（Tswett）创立的，他在研究植物叶子的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。当时Tswett把这种色带叫做“色谱”（Chromatography）这种方法因此得名为色谱法（当时使用的色谱原型装置如下图）。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。

6. tR2 tR3 tR1

7. 在色谱法中：（1）将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相称为固定相。（2）自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相。（3）装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱 。 当含有混合物样品的流动相（气体、液体或超临界流体）经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。20世纪50年代，色谱发展最快（原因：1. 一些新型色谱技术的发展；2. 复杂组分分析发展的要求。）1937-1972年中有12个Nobel奖是有关色谱研究的！

8.     在Tswett提出色谱概念后的20多年里没有人关注这一伟大的发明。直到1931年德国的Kuhn和Lederer才重复了Tswett的某些实验，用氧化铝和碳酸钙分离了α-，β-，和γ-胡萝卜素，此后用这种方法分离了60多种这类色素。 Martin和Synge在 1940年提出液液分配色谱法（Liquid－Liquid Partition Chromatography），即固定相是吸附在硅胶上的水，流动相是某种有机溶剂。1941年马丁Martin和辛吉Syngee提出用气体代替液体作流动相的可能性，11年之后James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法（Gas－Liquid Chromatography），因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。

10. 在此基础上，1957年Golay开创了开管柱气相色谱法（Open－Tubular Column Chromatography），习惯上称为毛细管柱气相色谱法（Capillary Column Chromatography ）。1956年Van Deemter等在前人研究的基础上发展了描述色谱过程的速率理论，1965年Giddings总结和扩展了前人的色谱理论，为色谱的发展奠定了理论基础。另一方面早在1944年Consden等就发展了纸色谱(PC)，1949年Macllean等在氧化铝中加入淀粉粘合剂制作薄层板使薄层色谱法（TLC ）得以实际应用，而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后，才使TLC得到广泛地应用。在60年代末把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱，出现了高效液相色谱（HPLC）。80年代初毛细管超临界流体色谱（SFC）得到发展，但在90年代后未得到较广泛的应用。而在80年代初由Jorgenson等集前人经验而发展起来的毛细管电泳(CE)，在90年代得到广泛的发展和应用。同时集HPLC和CZE优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视。到21世纪色谱科学将在生命科学等前沿科学领域发挥不可代替的重要作用。

11. 2. 色谱法分类 ： 1. 按流动相和固定相的状态分类 2. 按使用领域不同对色谱仪的分类

12. 气-固色谱 1. 按固定相分 气-液色谱 吸附色谱 2. 按分离原理分 分配色谱 填充柱色谱 3. 按柱子粗细分 毛细管柱色谱 2. 气相色谱法分类 ：

13. 混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应 3.色谱分离过程 t0 t1 t2

14. 混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应混合组分的分离过程及检测器对各组份在不同阶段的响应

15. 3.作用色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱: 气固(液固)色谱和气液(液液)色谱，两者的分离机理不同。   在色谱分离中，如果将样品注入色谱柱头，样品本身很快就会在固定相和流动相之间达到分配平衡。当流动相流过时，样品将在流动相和新的固定相上又达到分配平衡。 同时，原来仍在固定相中的样品与新的流动相之间也会形成新的分配平衡。随着流动相不断的流过， 它们就会携带发生分配平衡后而存在于 流动相的样品沿着柱子向前移动。

16. 气固(液固)色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。 气液(液液)色谱的固定相: 由 担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。 气相色谱分离原理：P9 气固色谱的分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程 气液色谱的分离机理： 气液(液液)两相间的反复多次分配过程。

17. 色谱法的特点 （1）分离效率高 复杂混合物，有机同系物、异构体。手性异构体。 （2） 灵敏度高 可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （3） 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。 （4） 应用范围广 气相色谱：沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处： 被分离组分的定性较为困难。

18. 二.气相色谱仪 • 现在，有近百厂家、提供数百种型号的气相色谱仪，价格在几万到几十万。 • 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！

19. 岛津 GC-14C气相色谱仪

21. 上海分析仪器厂GC122型气相色譜仪

22. 色-质谱联用仪

23. 载气系统 进样系统 色谱柱 检测系统 温控系统 三、气相色谱结构流程 1-载气钢瓶；2-减压阀； 3-净化干燥管；4-针形阀； 5-流量计;6-压力表； 7-进样器；8-色谱柱； 9-热导检测器；10-放大器； 11-温度控制器；12-记录仪；

24. 结构流程

25. 四、气相色谱仪主要部件main assembly of gas chromatograph • 载气系统(Carrier gas supply) • 气路系统：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。 • 常用的载气有：氢气、氮气、氦气；

26. 净化干燥管：去除载气中的水、氧、有机物等杂质（依次通过净化干燥管：去除载气中的水、氧、有机物等杂质（依次通过 分子筛、活性炭等）； 载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。 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（Pounds per square inch）；对开口毛细柱：1-25 psi)； 第二级，柱头压力指示；( 1psi=6894.76 pa) 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。

27. 2. 进样装置(Sample injection system) 进样装置：进样器+气化室； 气体进样器（六通阀）：推拉式和旋转式两种。 试样首先充满定量管，切入后，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱；

28. 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。 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)。

29. 液体进样器： 不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用1uL; 10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。 气化室：将液体试样瞬间气化的装置。 无催化作用。

30. 3. 色谱柱（分离柱） 色谱柱：色谱仪的核心部件。 柱材质：不锈钢管或玻璃管融熔石英等，内径3-6毫 米。 长度可根据需要确定。 柱填料：粒度为40-60、60-80或80-100目的色谱固定相。 气-固色谱：固体吸附剂 气-液色谱：担体+固定液 柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧、颗粒过细、使柱压降增大，对操作不利；反之空隙体积大，柱效低。 填充柱：多为U形或螺旋形，内径3~6 mm，长1~3m，内 填固定相；

31. 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。

32. 4. 检测系统 色谱仪的眼睛 通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成； 被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图； 检测器：广普型——对所有物质均有响应； 专属型——对特定物质有高灵敏响应； 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。

33. 常用的气相色谱的检测器： 1. 热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD):是基于各种物质有不同的导热系数而设计的检测器。 2. 氢火焰离子化检测器(Flame ionized detector, FID):是气相色谱中最常用的一种检测器。它的敏感度高，线性范围宽，易于掌握，应用范围广，特别适合于毛细管气相色谱使用。 3. 电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD):是一种用Ni或氖做放射源的离子化检测器，它是气相色谱检测器中灵敏度最高的一种选择性检测器，在气相色谱仪中应用范围仅次于TCD和FID，占第三位。 4. 火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD):是基于样品在富氢火焰中燃烧，使含硫、磷化合物经燃烧后又被氢还原而得到特征光谱的检测器 5. 氮磷检测器（NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID):是基于样品在富氢火焰中燃烧，使含硫、磷化合物经燃烧后又被氢还原而得到特征光谱的检测器 6. 原子发射检测器(Atomic emission Detector, AED) 7. 硫荧光检测器（Sulfur chemiluminescence Detector, SCD） 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。

34. 5. 温度控制系统 温度是色谱分离条件的重要选择参数； 气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度； 气化室：保证液体试样瞬间气化； 检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝； 分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；

35. 恒温：45oC 温度低，分离效果较好，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 程序升温与恒温对分离的影响比较

36. 五、基本概念P6 1．流出曲线和色谱峰 2．基线、噪音和漂移 3．保留值：色谱定性参数 4．色谱峰的区域宽度：色谱柱效参数

37. 流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线流出曲线（色谱图）：电信号强度随时间变化曲线 色谱峰：流出曲线上突起部分 1．流出曲线和色谱峰

38. 不对称因子 正常峰（对称） 非正常峰前沿峰 拖尾峰 色谱峰 ——fs在0.95~1.05之间 ——fs小于0.95 ——fs大于1.05

39. 基线：当没有待测组分进入检测器 时，反映检测器噪音随时间 变化的曲线（稳定—平直直线） 噪音：仪器本身所固有的，以噪音 带表示（仪器越好，噪音越小） 漂移：基线向某个方向稳定移动 （仪器未稳定造成） 2．基线、噪音和漂移

40. （1）时间表示的保留值 保留时间（retention time）tR：从 进样开始到组分出现浓度极大点时所需 时间，即组分通过色谱柱所需要的时间 死时间（dead time）tm：不被固定 相溶解或吸附的组分的保留时间（即组 分在流动相中的所消耗的时间），或流 动相充满柱内空隙体积占据的空间所需要的时间，又称流动相保留 时间。 调整保留时间（adjusted retention time）tR’：组分的保留时间与死时间之差值，即组分在固定相中滞留的时间 3．保留值：色谱定性参数

41. 保留体积（retention volume）VR：从进样开始到组分出现浓度极大点时所消耗的流动相的体积 死体积（dead volume）Vm：不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积，又指色谱柱中未被固定相所占据的空隙体积，即色谱柱的流动相体积（包括色谱仪中的管路、连接头的空间、以及进样器和检测器的空间）。 （2）用体积表示的保留值 3 F0——色谱柱出口的载气体积流量

42. 调整保留体积（adjusted retention volume）VR’：保留体积与死体积之差，即组分停留在固定相时所消耗流动相的体积 相对保留值（relative retention）ri,s（选择性系数α）：调整保留值之比

43. （3）相对保留值r21 : 衡量色谱柱选择性的指标 组分2与组分1调整保留值之比： r21 = t´R2/ t´R1= V´R2 / V´R1 选择因子——α21 相对保留值只与柱温和固定相性质有关，与其他色谱操作条件无关，如柱径，柱长，填充情况及流动相的流速等无关。它表示了固定相对这两种组分的选择性。是色谱中广泛使用的定性数据。

44. 峰宽（peak width）W：正态分布色谱曲线两拐点切线与基线相交的截距 标准差σ：对应0.607h处峰宽的一半. 注：σ↓小，峰↓窄，柱效↑高 半峰宽（peak width at half height）W1/2：峰高一半处所对应的峰宽 4．色谱峰的区域宽度：色谱柱效参数 用来衡量色谱峰宽度的参数，有三种表示方法： • 注：除了用于衡量柱效，还可以计算峰面积

45. 5色谱流出曲线的数学描述 色谱峰为正态分布（n=103-106)时，由热力学推导，色谱流出曲线上的浓度与时间的关系为： c:色谱流出曲线上任意一点样品的浓度； n:理论塔板数； m:溶质的质量； VR:溶质的保留体积，即从进样到色谱峰极大点出现时通入色谱柱载气的体积； V:在色谱流出曲线上任意一点的保留体积。

46. 从色谱流出曲线，可以得出许多信息 1.根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数。 2.根据色谱峰的保留值（或位置），可进行定性分析。 3.根据色谱峰下的面积和峰高可进行定量分析。 4.色谱峰的保留值和色谱峰的区域宽度，是评价色谱柱分离 效能的依据。 5.色谱峰两峰的距离，是评价固定相（和流动相）选择是否 合适的依据。

47. 第二节 色谱理论 Basic theory 一、基本原理postulate 二、塔板理论 Plate theory 三、速率理论 Rate theory 四、分离度 resolution

48. 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。 这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。

49. 基本原理P8 1. 分配系数（ partition factor） K 组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数，用K 表示，即： 分配系数是色谱分离的依据。

50. 分配系数 K 的讨论 • 一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； • 试样一定时，K主要取决于固定相性质； • 每个组份在各种固定相上的分配系数K不同； • 选择适宜的固定相可改善分离效果； • 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础； • 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。