氣相色譜分析法gaschromatography,GC第一節概述色譜法又稱色層法或層析法，是一種用以分離、分析多組分混合物質的極有效的物理及物理化學方法。歷史背景資料色譜法是1901年有俄國植物學家茨維特提出，最初的認識在于它的分離價值，用于分離植物中的色素等有色物質。現代的發展，不再局限于有色物質，而且大量用于分離無色物質。氣相色譜法（GC）是英國生物化學家馬丁等人在研究液液分配色譜的基礎上，于1952年創立的一種極為有效的分離方法，它可以分析和分離復雜的多組分混合物。氣相色譜與質譜（GC-MS）聯用、氣相色譜與fourier紅外光譜（GC-FTIR）聯用。氣相色譜與原子發射光譜（GC-AES）聯用。意義色譜法是利用不同物質在流動相和固定相兩相中分配系數的不同，當兩相作相對運動時，各組分在兩相中經過反復多次的分配，使原來分配系數只有微小差異的物質能夠得到分離。概念固定相：在色譜法中，將填入玻璃管或不銹鋼管內靜止不動的一相（固體或液體）。流動相：自上而下運動的一相（一般是氣體或液體）。色譜柱：裝有固定相的管子（玻璃管或不銹鋼管）色譜分離基本原理當含有樣品的流動相經過固定相表面時，流動相中所含混合物就會與固定相發生作用。由于各組分在性質和結構（溶解度、極性、蒸氣壓、吸附能力）上的差異，使它們與固定相發生作用的大小、強弱也有差異（即有不同的分配系數），因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。根據峰的位置（出峰時間t）：定性根據峰的面積A（或峰高h）：定量GC專長：同系物（其他方法無法測定）GC主要用于分離和定量，可廣泛用在環保、臨床、藥物、農藥、食品、污染物等方面的測定。

對不易汽化的高分子，熱穩定性差、化學性質極為活潑或者強腐蝕性物質不能用GC測定。應用范圍受到限制，在所有的有機物分析中只有15-20%能用GC進行分離分析。色譜法的分類一）按兩相狀態分氣相色譜（GC）：用氣相做流動相的色譜法。氣－固色譜：固定相為固體吸附劑氣－液色譜：固定相為液體

（涂在擔體上或毛細管壁上）液相色譜（LC）：用液相做流動相的色譜法。

液－固色譜：

固定相為固體吸附劑

液－液色譜：固定相為液體（涂在擔體上）超臨界流體（SCF）是指在臨界溫度和臨界壓力以上的流體。通常有二氧化碳（CO2

）、氮氣（N2

）、氧化二氮（N2O）、乙烯（C2H4）、三氟甲烷（CHF3

）等。高于臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態稱為超臨界狀態。處于超臨界狀態時，氣液兩相性質非常接近，以至于無法分辨，故稱之為SCF。超臨界流體相超臨界狀態是物質的一種特殊流體狀態，當氣液平衡的物質升溫升壓時，熱膨脹引起液體密度減小，而壓力升高引起的氣相密度變大，當溫度和壓力達到某一點時，氣液兩相界面消失成為一均相體系，這一點就是臨界點。超臨界流體的物理性質特殊，具有和液體相近的密度，與氣體相近的粘度，但擴散系數為液體的10~100倍，有較好的流動、傳質、傳熱性能，對許多物質有較好的滲透行和較強的溶解能力。二）按分離原理分1.吸附色譜法（adsorptionchromatography）【定義】根據吸附劑表面對不同組分物理吸附能力的強弱差異進行分離的方法。

如：氣-固色譜法、液-固色譜法—吸附色譜法2.分配色譜法（partitionchromatography）

根據不同組分在固定相中的溶解能力和在兩相間分配系數的差異進行分離的方法。

氣-液色譜法、液-液色譜法—分配色譜3.離子交換色譜法（ionexchangechromatography）

根據不同組分離子對固定相親和力的差異進行分離的方法。三）安固定相的形式分

1.柱色譜法（columnchromatography）

固定相裝在柱中，試樣沿著一個方向移動而進行分離。

包括填充色譜法：固定相填充滿玻璃管和金屬管中。

開管柱色譜法：固定相固定在毛細管內壁（毛細管柱色譜法）2.平板色譜法（planerchromatography）:

固定相呈平面狀的色譜法。包括：

紙色譜法：以吸附水分的濾紙作固定相；

薄層色譜法：以涂敷在玻璃板上的吸附劑做固定相。

色譜法的特點高效能

在分離多組分復雜混合物時，可以高效地將各個組分分離成單一色譜峰。例如，一根長30m，內徑0.32mm的SE-30柱，可以把煉油廠原油分離出150～180個組分。高靈敏度

色譜分析的高靈敏度表現在可檢出10-11～10-14g的物質

高選擇性

色譜法對那些性質相似的物質，如同位素、同系物、烴類異構體等有很好的分離效果。例如，一個兩米長裝有有機皂土及鄰苯二甲酸二壬酯的混合固定相柱，可以很好的分離鄰、間、對位二甲苯。

分析速度快

色譜法，特別是氣相色譜法分析速度是較快的。一般分析一個試樣只需幾分鐘或幾十分鐘便可完成。

現以組分的流出色譜圖（圖9-1）來說明有關色譜術語。1.基線在實驗操作條件下，當色譜柱后沒有組分進入檢測器時所得到的信號--時間曲線稱為基線。它反映檢測器系統噪聲隨時間變化的情況。

穩定的基線是一條直線。

a.基線漂移指基線隨時間定向的緩慢變化。這種變化是由于操作條件如溫度、流動相速度，或檢測器及附屬電子原件的工作狀態的變更等引起的。

b.基線噪聲指由各種未知的偶然因素如流動相速度、固定相的揮發、外界電信號干擾等所引起的基線起伏。漂移和噪聲給準確測定帶來了困難。2.死時間t0(deadtime)

指不被固定相吸附或溶解的組分（空氣、甲烷等）從進樣開始到色譜峰頂所對應的時間，如t0。3.死體積V0(deadvolue)

由進樣器到檢測器的流路中，未被固定相占有的體積稱為死體積。【提示】死體積為導管空間、色譜柱中固定相間隙、檢測器內腔空隙總和。

當色譜柱載氣流速為F0(mL/min),它與死時間的關系：V0=F0×t04.保留值：定性參數，是在色譜分離過程中，試樣中各組分在色譜柱中滯留行為的一個指標。（1）保留時間（retentiontime）

從進樣到柱后出現待測組分最大濃度值時（色譜峰頂點）所需的時間。如圖中tR(1)、tr(2)所示，是待測組分流經色譜柱時，在兩相中滯留的時間和。

保留時間和固定相和流動相的性質、固定相的量、柱溫、流速和柱體積有關，可用單位min表示。

（2）調整保留時間tR’(adjustedretentiontime)【定義】扣除死時間后的組分保留時間，如圖中的tR1’、tR2’所示。

表示某組分因溶解或吸附于固定相后，比非滯留組分在柱中多停留的時間。tR1’=tR-tR0（3）保留體積（retentionvolume）【定義】從進樣到柱后出現待測組分最大濃度值時所通過的載氣體積。

當色譜柱載氣流速為F0(mL/min)時，它與保留時間的關系：VR=F0·tR（4）調整保留體積（adjustedretentionvolume）【定義】是指扣除死體積后的

保留體積，即VR’=VR-V0=TR’·F0【提示】在一定的實驗條件下，VR，VR’與載氣流速無關。（5）相對保留值r21【定義】指組分2和組分的調整保留值之比。

r21=tR2’/tR1’=VR2’/VR1’【提示】相對保留值的特點是只與溫度和固定相的性質有關，與色譜柱及其他操作條件無關。反應了色譜柱對待測組分1和2的選擇性，是氣相色譜中最常用的定性參數。

從色譜溜出曲線中，可得到許多重要信息

1）根據色譜峰的個數，可以判斷樣品中所含組分的最少個數；2）根據色譜峰的保留值，可以進行定性分析；3）根據色譜峰的面積或峰高，可以進行定量分析；4）色譜峰的保留值及其區域寬度，是評價色譜柱分離效能的依據；5）色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相（流動相）選擇是否合適的依據。幾種分離理論氣相色譜儀氣相色譜分析方法應用氣相色譜理論一分配理論物質在固定相和流動相(氣相)之間發生的吸附、脫附和溶解、解析的過程，叫做分配過程。被測組分按其溶解和解析能力（或吸附和脫附能力）的大小，以一定的比例分配在固定相和氣相之間。在一定溫度下組分在兩相之間分配達到平衡時的濃度比稱為分配系數K。

K=組分在固定相中的濃度/組分在流動相中的濃度=CL/Cg一定溫度下，不同物質在兩相之間的分配系數是不同的。顯然，具有小的分配系數的組分，每次分配后在氣相中的濃度較大，因此就較早地流出色譜柱。而分配系數大的組分，則由于每次分配后在氣相中的濃度較小，因而流出色譜柱的時間較遲。當分配次數足夠多時，就能將不同的組分分離開來。由此可見，分配系數是色譜分離的依據。分配比к

在實際工作中，常應用分配比表征色譜分配平衡過程。分配比亦稱容量因子或容量比，以к表示，是指在一定溫度、壓力下，在兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質量比：

к=p/q

式中:p為組分分配在固定相中的質量，

q為組分分配在流動相中的質量。分配系數K與分配比к的關系

K=CL/Cg=(p/VL)/(q/Vg)=p/q(VL/Vg)=к?βVL/Vg之比稱為相比，以β表示，它反映了各種色譜柱柱型的特點。例如，填充柱的值約為6～35，毛細管柱的值為50～1500。二塔板理論

1941年詹姆斯(James)和馬?。∕artin）提出半經驗理論，并用數學模型描述了色譜分離過程。他們把色譜柱比作一個由許多塔板組成的精餾塔，借用精餾塔中塔板的概念、理論來處理色譜過程、并用理論塔板數作為衡量柱效率的指標。

1.塔板理論塔板理論把組分在流動相和固定相間的分配行為看作在精餾塔中的分離過程，柱中有若干塊想象的塔板，一個塔板的長度稱為理論塔板高度。當組分隨流動相進入色譜柱后，在每一塊塔板內很快地在兩相間達到一次分配平衡，經過若干個假想塔板的多次分配平衡后，分配系數小的組分先離開色譜柱，分配系數大的組分后離開色譜柱。盡管這個概念并不完全符合色譜柱內的真實分離過程，但這個理論成功地解釋了色譜流出曲線呈正態分布。塔板理論的假設①假設柱內徑及柱內填料填充均勻，柱由若干小段組成，每段為一個理論塔板。塔板一部分為固定相占據，一部分為流動相占據。②在每塊塔板上，組分瞬間在兩相中達到平衡，且縱向擴散可以忽略(擴散不影響分配平衡)。③流動相通過色譜柱不是連續的，而是脈沖式的間歇過程，每次只進一個板體積的流動相（每次進入和從一個塔板轉移到另一個塔板的流動相體積為）。④溶質進樣時都加在0號塔板上（快速進樣，進樣量小，這種假設也接近實際）。⑤分配系數和分配比在各塔板上是常數，與濃度無關。2.柱效能指標（n，H）：可由塔板理論導出

（1）理論塔板數（n）：柱長L一定時，n越大，柱效就越高

式中：tR、Wh/2、Wb應采用同一單位(時間或長度)(2)理論塔板高度（H）

：舌色譜柱長為L。則理論塔板高度H=L/n

【小結】色譜峰越窄，即Wh/2或Wb越小，理論塔板數n就越大（對給定長度的色譜柱而言，塔板高度H越小），組分在柱內被分配的次數越多，則柱效越高。因此n和H課作為描述柱效能的指標。（3）有效理論塔板數（neft）：

在實際應用中，常常出現計算出的n值雖然很大，但色譜柱效卻不高，這是由于保留時間tR中包含了死時間t0，而t0并不參加柱內的分配過程，因此理論塔板數和理論塔板高度并不能真實地反映色譜柱分離效能的好壞。為此，提出了有效塔板數neft和有效高度Heft評價柱效能的指標，即：

（4）有效塔板高度(Heft):Heft=L/neft

色譜柱的理論塔板數越大，表示組分在色譜柱中達到分配平衡的次數越多，對分離越有利。但還不能預言并確定各組分是否有被分離的可能，因為分離的可能性決定于試樣混合物在固定相中分配系數的差別，而不是決定于分配次數的多少。如果兩組分在同一色譜柱上的分配系數相同，無論有效理論塔板數有多大也不能將它們分離開來?！拘〗Y】塔板理論在解釋色譜圖的形狀，計算n和H方面是成功的。但其某些基本假設不完全符合色譜的試劑情況（如K和組分的量無關、組分在兩相中分配能迅速達到平衡、縱向擴散可以忽略等）。塔板理論只能定性地給出塔板高度的概念，未能找出影響板高H的因素，也就更無法提出降低板高的途徑；這主要是由于塔板理論沒有考慮到動力學因素對分離過程的影響。三速率理論

四分離度（resolution,R）

分離度是同時反映了色譜柱效能和選擇性的一個綜合指標。也稱分離效能指標或分辨率。其定義為：對于兩個相鄰色譜峰，峰底寬度近似相等W1≈W2

R越大，相鄰組分分離越好。當從理論上可以證明，若峰形對稱且滿足于正態分布，則當R

＜1時，兩峰總有部分重疊；當R

＝1時，分離程度可達94％，達到了一般的定量分析要求；當R

＝1.5時，分離程度可達99.7％。因而可用R

＝1.5來作為相鄰兩峰已完全分開的標志。當R<0.75時，可以認為兩個峰不能分開。氣相色譜儀氣相色譜儀的主要組成部件氣體載氣：用于傳送樣品通過整個系統的氣體。檢測器氣體：某些檢測器所需的支持氣體，如FID需要氫氣、空氣。進樣裝置將樣品蒸汽引入載氣。對于液體樣品，一般采用注射器、自動進樣器進樣。對于氣體樣品，常用六通閥進樣。

色譜柱實現樣品組分的分離。

通用柱，二甲基二苯基聚硅氧烷檢測器

對流出柱的樣品組分進行識別和響應。（FID，ECD）數據系統將檢測器的信號轉換為色譜圖，并進行定性、定量分析。一臺氣相色譜儀可裝不同類型的進樣口、色譜柱或檢測器?？梢栽贏gilent7890A主機上安裝兩個進樣口和最多三個檢測器。氣相色譜檢測器熱導池檢測器（TCD）氫火焰離子化檢測器(FID)電子俘獲檢測器(ECD)火焰光度檢測器(FPD)氮磷檢測器(NPD)

質譜檢測器（MSD）硫化學發光檢測器（SCD）氮化學發光檢測器（NCD）光離子化檢測器（PID）1熱導池檢測器（thermalconductivitydetector,TCD）。濃度型檢測器，對所有物質都有響應，是應用最廣、最成熟的一種通用型氣相色譜檢測器。但靈敏度差，常量分析可以。熱導池檢測器的最小檢出量達10-8g，線性范圍為105。原理：不同的氣態物質具有的熱傳導系數不同，熱導池檢測器就是基于樣品中各組分的熱傳導系數與載氣的熱傳導系數不同的原理制成的。TCD對載氣的要求

1）載氣種類

TCD通常用He或H2做載氣，因為他們的熱導系數遠遠大于其他化合物。用He或H2做載氣的TCD靈敏度高、峰形正常、線性范圍寬。2）載氣純度載氣純度影響TCD靈敏度。實驗證明，一定條件下用99.999%的超純氫氣比用99%的氫氣，靈敏度高6%~13%。

3）載氣流速在檢測過程中，載氣流速要恒定。在柱分離許可的情況下，使用低流速。某些氣體與蒸汽的熱導系數

3電子捕獲檢測器

（electroncapturedetector，ECD）

是應用廣泛的一種選擇性、高靈敏度的濃度型檢測器。它的選擇性是指它只對具有電負性的物質有響應，如鹵素化臺物，含氧、硫、磷的有機物及甾族化合物、多環芳烴等。特別適合環境樣品中鹵代農藥和多氯聯苯等微量污染物的分析。

電負性愈強，靈敏度愈高。高靈敏度表現在能測出10-14g·mL-1的電負性物質。電子捕獲檢測器對非電負性化合物（一般烷烴等）響應很小，如測定四氯化碳比測定正己烷的靈敏度高1×106倍。4火焰光度檢測器

(flamephotometricdetector，FPD)是對含磷、含硫的化合物有高選擇性和高靈敏度的一種色譜檢測器，因此也稱硫磷檢測器。主要用于SO2、H2S、石油精餾物的含硫量、有機硫、磷化的農藥殘留分析。原理：待測物在低溫氫氣—空氣火焰中燃燒產生S、P化合物的分解產物并發射特征分子光譜。測量光譜的強度則可進行定量分析5氮磷檢測器

（nitrogen-phosphorusdetecter，NPD）又稱熱離子化檢測器（TID）是分析含氮、磷化合物的高靈敏度、高選擇性和寬線性范圍的檢測器。

NPD和FID的差異是：在配口和收集極之間加一個銣珠。銣珠通常是采用硅酸銣或硅酸銫等支撐的玻璃或陶瓷珠，珠體約1~5mm。

N-P有機物的檢測

在一個氫氣/空氣等離子體環境下，NPD銣珠被電加熱至600~800℃，形成催化活性的固體表面，有機氮或有機磷化合物分子被導入到催化活性表面周圍，被催化成負離子及電子形成電流，輸出的電流正比于收集到的離子數，用靜電計測量并將其轉換為數字形式，傳輸到一個輸出設備。氣相色譜的分析方法

色譜定性分析與定量分析，是以色譜圖為依據，根據圖中色譜峰的保留值與各色譜峰之間相對峰面積的大小來實現的。保留值取決于在兩相中的分配系數，它與組分的性質有關，是色譜定性的依據；峰面積大小取決于試樣中組分的相對含量，是色譜定量的依據。定性分析色譜定性就是確定色譜圖中每個色譜峰代表何種物質。雖然不同的物質具有不同的保留值，但保留值與分子結構的相關規律還不太清楚，根據保留值定性只是一個相對的方法。另外，多數色譜檢測器給出的響應信號，并不是分子結構的特征信號。因此，色譜法只能定性鑒定人們已知的化合物，不能鑒定尚未被人們所了解的新化合物。根據保留值定性

與已知物對照定性文獻值對照法

聯用技術：將色譜與質譜、紅外光譜、核磁共振譜等具有定性能力的分析方法聯用，復雜的混合物先經氣相色譜分離成單一組分后，再利用質譜儀、紅外光譜儀或核磁共振譜儀進行定性。未知物經色譜分離后，質譜可以很快地給出未知組分的相對分子質量和電離碎片，提供是否含有某些元素或基團的信息。紅外光譜也可很快得到未知組分所含各類基團的信息。對結構鑒定提供可靠的論據。氣相色譜定量方法在一定操作條件下，分析組分的質量（）或其在載氣中的濃度是與檢測器的響應訊號（色譜圖上表現為峰面積或峰高）成正比的，可寫作：

mi=fiAAi

或

mi=fihhi

這就是色譜定量分析的依據。由上式可見，在定量分析中需要：準確測量峰面積；準確求出比例常數（稱為定量校正因子）。1.峰面積的測量

根據峰形的不同，常用而簡單的峰面積測量方法有如下幾種：對稱峰形面積的測量---峰高乘半峰寬法

根據等腰三角形的計算方法，課近似認為峰面積等于峰高乘半峰寬A=h·Y1/2

這樣測得的峰面積為試劑峰面積的0.94倍，實際上峰面積應為：A=1.065

顯然，在做絕對測量時（如測靈敏度），應乘以1。065，但在相對計算時，1.065可以約去。不對稱峰形面積的測量—峰高乘平均峰寬法

對于不對稱色譜峰使用峰高乘半峰寬法誤差較大，因此采用峰高乘平均峰寬法。所謂平均峰寬是指在峰高0.15和0.85處分貝測峰寬，然后求其平均值：A=h×(Y0.15+Y0.85)/22.定量校正因子色譜定量分析是基于被測物質的量與其峰面積的正比關系。但事實證明，同一種物質在不同檢測器上有不同的響應值；不同物質在同一檢測器上響應值也不同。為了使檢測器產生的響應值能真實地反映出物質的含量，就要對響應值進行校正而引入“定量校正因子”。積分儀法自動積分儀是測量峰面積最方便的工具，速度快，線性范圍寬，精度一般可達0.2～2％，對小峰或不對稱峰也能得出較準確的結果。數字電子積分儀能以數字的形式把峰面積和保留時間打印出來。1）在一定的操作條件下，進樣量（mi）與響應訊號（峰面積Ai或峰高hi）成正比：mi=fi×Ai

或mi=fi×hi

或寫作

fiA=mi/Ai

和

fih=mi/hifi，絕對校正因子：單位峰面積或峰高對應的組分i的質量或濃度，與檢測器性能、組分和流動相性質及操作條件有關，不易準確測量。在定量分析中常用相對校正因子。2）相對校正因子組分i與標準物質的絕對校正因子之比，即

FisA=fiA/fsA=Asmi/Aims

Fish=fih/fsh=hsmi/hims

式中，FisA、Fish分別為組分i以峰面積和峰高為定量參數時的相對校正因子，fsA、fsh分別為基準組分s以峰面積和峰高為定量參數時的絕對校正因子，其余符號的含義同前。相對校正因子只與檢測器類