第二章氣相色譜分析一、色譜法概論二、氣相色譜分析理論基礎三、色譜分離條件四、固定相及其選擇五、氣相色譜檢測器六、氣相色譜定性方法七、氣相色譜定量方法八、毛細管柱氣相色譜法第二章氣相色譜分析2-1色譜法概論

1903年，俄國植物學家茨維特(MikhailTswett)最先發明。在色譜法中，將裝填在玻璃或金屬管內固定不動的物質稱為固定相（碳酸鈣），在管內自上而下連續流動的液體或氣體稱為流動相（石油醚），裝填有固定相的玻璃管或金屬管稱為色譜柱。2-1-1原理根據混合物中各組分在固定相和流動相中具有不同的分配系數，當兩相作相對移動時，各組分在兩相間進行反復多次分配，就使性質或結構不同的各組分產生了明顯的分離效果，從而依先后順序流出色譜柱。根據色譜流出曲線給出的各種信息，可對各組分進行分析和測定。2-1-3組成圖2-12-1-3組成1、氣路系統

載氣：H2，N2，He，Ar等凈化器：提高載氣純度穩壓恒流裝置，氣體流速控制和測量。2、進樣系統進樣器：微量注射器、六通閥氣化室：瞬間氣化，死體積盡可能小3、分離系統色譜柱有填充柱和毛細管柱兩大類2-1-3組成4、溫控系統色譜柱、氣化室、檢測室三處溫度控制氣化室溫度應使試樣瞬間氣化但又不分解；檢測器除氫火焰外都對溫度敏感；柱溫的變化影響柱的選擇性和柱效，因此柱室的溫度控制要求精確，溫控反復根據需要可以恒溫，也可以程序升溫。5、檢測器把柱后流出的組分信號轉變為可測量的信號。2-1-2分類按兩相物理狀態分類氣相色譜：氣—固色譜（GSC）、氣—液色譜（GLC）液相色譜：液—固色譜（LSC）、液—液色譜（LLC）按固定相的形式分類柱色譜：填充柱色譜、毛細管柱色譜平板色譜：薄層色譜、紙色譜按組份在固定相上的分離機理分類吸附色譜：不同組份在固定相的吸附作用不同分配色譜：不同組份在固定相上的溶解能力不同按其它作用原理：離子交換色譜、凝膠色譜（尺寸排阻色譜）等。2-1-4色譜流出曲線圖2-2分離過程2-1-4色譜流出曲線圖2-32-1-4色譜流出曲線1、色譜峰：當某組分從色譜柱中流出時，檢測器對該組分的響應信號隨時間變化所形成的峰形曲線。2、基線：在正常操作條件下，色譜柱后沒有組分進入檢測器時，檢測器的響應信號隨時間變化的曲線稱為基線。穩定的基線為水平直線。圖中直線所示。基線漂移：基線隨時間的緩慢變化。基線噪聲：由于各種因素引起的基線起伏。2-1-4色譜流出曲線3、保留值：是試樣各組分在色譜柱中保留行為的量度，它反映組分與固定相間作用力大小，通常用保留時間和保留體積表示。死時間tM：不被固定相吸附或溶解的組分（如空氣、甲烷）從進樣到出現其色譜蜂最大值所需的時間，圖中O'A'所示。保留時間tR

：指某組分通過色譜柱所需時間，即試樣從進樣到出現峰極大值時的時間，圖中Ｏ‘Ｂ所示。調整保留時間tR’

死時間后的保留時間，它是組分在固定相中的滯留時間。圖中A’B所示，即tR’=tR

－tM2-1-4色譜流出曲線死體積VM：色譜柱內載氣所占的體積。

VM=tM

*

Fc0

其中，Fc0為柱出口的載氣流速mL/min)。保留體積VR：指從進樣到待測物在柱后出現濃度極大點時所通過的流動相的體積。

VR=tR

*

Fc0調整保留體積VR’：扣除死體積后的保留體積。

VR’=VR-VM=tR

*

Fc0-tM

*

Fc0=tR’

*

Fc02-1-4色譜流出曲線相對保留值r2,1：組份2的調整保留值與組份1的調整保留值之比,也可用α表示。r2,1只與柱溫和固定相性質有關，而與柱內徑、柱長L、填充情況及流動相流速無關，因此，在色譜分析中，尤其是GC中廣泛用于定性的依據！2-1-4色譜流出曲線4、區域寬度標準偏差

：0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半，圖中EF的一半。半峰寬W1/2：峰高一半處的峰寬，圖中GH

。

W1/2=2.354峰底寬Wb：色譜峰兩側拐點上切線與基線的交點間的距離，圖中IJ

。

Wb=4

2-2氣相色譜分析理論基礎2-2-1基本原理組分在固定相和流動相間的分配過程或吸附-脫附過程。2-2-1基本原理分配系數(濃度比)K分配比(質量比)kK與k關系

稱為相比，它也是反映色譜柱柱型及其結構的重要特性。對填充柱，

=6~35；對毛細管柱，

=50~1500。2-2-2

塔板理論1941年，Martin等人提出。用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。塔板是從精餾塔中借用的，是一種半經驗理論，但它成功地解釋了色譜流出曲線呈正態分布。塔板理論假定:塔板和塔板之間不連續；塔板之間無分子擴散；組分在每塊塔板的兩相間的分配平衡瞬時達到，達到一次分配平衡所需的最小柱長稱為理論塔板高度；一個組分在每塊塔板上的分配系數相同；流動相以不連續的形式加入，即以一個一個塔板體積加入;試樣開始時全部加在0號塔板.2-2-2

塔板理論例:塔板數n=5;組分分配比k=1;塔板編號r=0,1,…,n-1;樣品質量m=12-2-2

塔板理論n太小使色譜峰不對稱,當n>50時,色譜峰可近似對稱分布;色譜流出曲線可趨近于正態分布曲線;當

N=8-9為色譜峰中心值;色譜法n=103~106;圖2-4色譜流出曲線2-2-2

塔板理論色譜流出曲線方程式:C0為進樣濃度,C為出口處濃度根據呈正態分布的色譜流出曲線可以導出計算塔板數n的公式，用以評價一根柱子的柱效,理論塔板數由組分保留值和峰寬決定.

理論塔板數：若柱長為L，則每塊理論塔板高度H為:H=L/n2-2-2

塔板理論

但上述兩式包含死時間tM

，它與組分在柱內的分配無關，因此不能真正反映色譜柱的柱效。通常以有效塔板數neff

和有效塔板高度Heff

表示：2-2-3

速率理論塔板理論存在的假定有缺陷,不能解釋塔板高度H受那些因素影響.1956年，荷蘭化學工程師vanDeemter提出了色譜過程動力學速率理論。vanDeemter方程：H=A+B/u+C*uu為流動相線速度；A，B，C為常數.其中:A—渦流擴散系數；

B—分子擴散系數；

C—傳質阻力系數（包括液相和固相傳質阻力系數）2-2-3

速率理論渦流擴散項A

=2dp

dp—填充物平均顆粒直徑；

—填充不規則因子。

固定相顆粒越小dp

↓，填充的越均勻，A↓，H↓，柱效n↑。表現在渦流擴散所引起的色譜峰變寬現象減輕，色譜峰比較窄。對于空心毛細管柱，無渦流擴散，即A=0。圖2-52-2-3

速率理論分子擴散項B/u,因濃度梯度而引起.B=2Dg

—彎曲因子，它表示柱填充物對分子擴散的阻礙情況

Dg—組分在流動相中的擴散系數。流動相分子量大，Dg小，B小;

Dg隨柱溫降低而減小，隨柱壓降低而減小;

u增加，組分停留時間短，縱向擴散小；(B/u)

對于液相色譜，因Dg

較小，B項可勿略。2-2-3

速率理論傳質阻力項Cu:試樣組分從氣相移動到固定相表面的過程.氣液色譜包括氣相傳質阻力系數Cg和液相傳質阻力系數CL

其中:df為固定相液膜厚度,DL為組分在液相的擴散系數.界面流動相固定液組分分子ClCg2-2-3

速率理論速率理論是在塔板理論的基礎上,把色譜分配過程與組分在兩相中的擴散和傳質過程相聯系,提出色譜峰受渦流擴散、分子擴散和傳質阻力等因素控制，從動力學基礎上較好解釋影響板高的各種因素，對選擇合適的色譜分離條件具有指導意義。它比較全面地概括了柱填充物顆粒度，填充均勻性，固定液液膜厚度，載氣種類及流速等對柱效能和色譜峰變寬的影響。2-3色譜分離條件確定分離度計算理論塔板數和柱長度流速控制柱溫控制其他選擇2-3色譜分離條件2-3-1分離度R

同時反映色譜柱效能和選擇性的一個綜合指標，也稱總分離效能指標。R定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰峰底寬度平均值之比。2-3-1分離度R利用此式，可直接從色譜流出曲線上求出分離度R。R越大，相鄰組分分離越好。當R=1.5時，分離程度可達99.7%，因此R=1.5通常用作是否分開的判據。當兩組分色譜分離較差,峰底寬度難于測量時,可用半峰寬代替表示分離度,用R’表示。

R=0.59R’2-3-2色譜基本分離方程式對于相鄰的難分離組分，由于它們的分配系數K相差小，可合理假設

k1k2=kY1Y2（峰底寬度）2-18P132-3-2色譜基本分離方程式R與n關系(柱效因子):增加柱長改進分離度,但延長了分析時間并使峰擴展,在滿足R的條件下使用短柱.R與k關系(容量因子):k↑，R↑，但當k>10，則R的增加不明顯。通常k在2～10。

R與α關系(選擇因子):α越大，柱選擇性越好，對分離有利。α

的微小變化可引起R較大改變。2-3-3分離操作條件載氣及其流速:H=A+B/u+Cu板高，H(cm)HminA+B/u+CuCmuCsuAB/u2-3-3分離操作條件柱溫選擇:例一個寬沸程分離,正構烷烴.柱溫高,各組分揮發靠攏,不利于分離;柱溫低,被測組分擴散速率低,峰行寬,柱效下降.恒溫1500C程序升溫500C-2500C80C/min2-3-3分離操作條件其他因素固定液的性質和用量:與擔體的比例5:100~25:100擔體的性質和粒度:表面積大,孔徑和表面分布均勻.(3~6mm內徑色譜柱,使用60~80目擔體)進樣時間和進樣量:進樣速度必須快(<1s),否則峰形展寬.進樣量多,峰疊加;進樣量少,檢測器難于檢測.(液體0.1~5uL,氣體0.1~10mL)氣化溫度:保證試樣不分解,氣化溫度一般比柱溫高30~700C.2-4固定相及其選擇2-4-1氣相色譜柱分類：用于氣固色譜的固定相：固體吸附劑；是利用其中固體吸附劑對不同物質的吸附能力差別進行分離。主要用于分離小分子量的永久氣體及烴類。常用固體吸附劑——硅膠（強極性）、氧化鋁（弱極性）、活性炭（非極性）、分子篩（極性，篩孔大小）人工合成固體吸附劑——高分子多孔微球（GDX）。可在活化后直接用于分離。用于氣液色譜的固定相：固定液+載體。載體（也稱擔體）——惰性的，多孔性固體顆粒。對載體的要求：穩、勻，大。載體類型分為硅藻土型和非硅藻土型，后者又分為白色和紅色擔體。固定液及其選擇：熱穩定性好、蒸汽壓低——流失少；化學穩定性好——不與其它物質反應；對試樣各組分有合適的溶解能力（分配系數K適當）；對各組分具有良好的選擇性。2-4-2氣相色譜柱極性極性的表示方法待測固定液的相對極性Px：其中q1q2qx

分別表示物質對在角鯊烷、

,-氧二丙腈和待測固定液的相對保留值。2-4-3固定液選擇按“相似相溶”原理選擇固定液非極性組分——非極性固定液——沸點低的物質先流出；極性物質——極性固定液——極性小的物質先流出；各類極性混合物——極性固定液——極性小的物質先流出；氫鍵型物質（醇、胺、水等）——氫鍵型固定液——不易形成氫鍵的物質先流出；復雜混合物——兩種或以上混合固定液2-5氣相色譜檢測器2-5-1熱導檢測器（TCD）2-5-1熱導檢測器（TCD）原理：不同氣態物質所具有的熱傳導系數不同,被測組分的蒸氣與載氣具有不同的熱導系數；熱敏元件阻值隨溫度變化而改變；利用惠斯登電橋測量。載氣與試樣的熱導系數相差越大，則靈敏度越高。通常選擇熱導系數大的H2和氦氣He作載氣。較大的橋電流、較低的池體溫度、低分子量的載氣以及具有大的電阻溫度系數的熱敏元件可獲得較高的靈敏度。特點：對任何氣體均可產生響應，而且不破壞樣品，多用于10ppm以上組分的測定，因而通用性好，而且線性范圍寬、價格便宜、應用范圍廣。但靈敏度較低。2-5-2氫火焰離子化檢測器

（FID）——結構主要用于可在H2－Air火焰中燃燒的有機化合物（如烴類物質）的檢測。結構：主體為離子室，內有石英噴嘴、發射極和收集極。2-5-2氫火焰離子化檢測器

（FID）——原理根據含碳有機物在氫火焰中發生電離的原理進行檢測；氫在氧中燃燒生成的火焰為有機物分子的燃燒和電離提供了能源；有機物分子在氫火焰中進行化學電離；化學電離產生的離子在置于火焰附近的靜電場中定向移動而形成離子流。2-5-2氫火焰離子化檢測器（FID）——靈敏度影響FID靈敏度的因素：載氣和氫氣流量N2:H2=1:1~1:1.5;空氣流速越大,靈敏度越大,到一定值時,空氣流速對靈敏度影響不大,H2:Air=1:10～1:20;極化電壓在50V以下時,電壓越高,靈敏度越高,通常選擇100~300V的極化電壓;操作溫度比柱的最高允許使用溫度低約500C（防止固定液流失及基線漂移）.2-5-2氫火焰離子化檢測器（FID）——特點靈敏度高(10-12g/s);線性范圍寬(107數量級);噪聲低;耐用且易于使用;特別適于水中和大氣中痕量有機物分析或受N和S的氧化物污染的有機物分析;對含鹵代基和胺基的有機物靈敏度很低或根本無響應;樣品受到破壞。2-5-3電子捕獲檢測器（ECD）主要對含有較大電負性原子的化合物響應。它特別適合于環境樣品中鹵代農藥和多氯聯苯等微量污染物的分析。2-5-3電子捕獲檢測器（ECD）——原理檢測器內有能放出β射線的放射源;載氣分子能被β射線電離,在電極間形成一定的基流;樣品分子有能捕獲電子的官能團；樣品俘獲電子后使電極間的基流減小，形成倒峰。2-5-3電子捕獲檢測器（ECD）——特點高選擇性檢測器,僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物具有極高的選擇性和靈敏度,檢測下限10-14g/mL;

對含酰胺基和羥基的化合物以及烴類物質不靈敏;應用于農藥殘留量、大氣及水質污染分析,以及生物化學、醫學、藥物學和環境監測等領域中;線性范圍窄,只有103左右;響應易受操作條件的影響,重現性較差。2-5-4火焰光度檢測器（FPD）對含S、P化合物具有高選擇性和高靈敏度的檢測器。主要用于SO2、H2S、石油精餾物的含硫量、有機硫、有機磷的農藥殘留物分析等。FPD結構：噴嘴+濾光片+光電管。>濾光片放大器記錄儀光電管石英窗H2Air載氣+組分出口2-5-4火焰光度檢測器（FPD）——原理檢測器中有富氫火焰，為含硫、磷的化合物提供燃燒和激發的條件；樣品在富氫火焰中燃燒時，含硫、含磷化合物能發射出特征光；硫化合物:波長=350~430nm,磷化合物波長=526nm特征光通過濾光片后，由光電倍增管把光強度轉換成電信號。2-5-4火焰光度檢測器（FPD）——特點1）對含S、P化合物有較高靈敏度和一定的選擇性；2）對鹵素氣X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有響應；3）相對其它檢測器如ECD和FID，FPD價格較貴；4）對測S的靈敏度比硫熒光檢測器*(SCD)低。2-5-5檢測器的性能指標--靈敏度S:以一系列已知濃度或質量的組分對響應信號作圖，得到校正曲線，該曲線的斜率k即為靈敏度S。S是檢測器性能的重要指標，可用來評價檢測器的好壞，并可與其它種類的檢測器比較。檢測器的靈敏度與樣品性質有關；對任何檢測器，進樣量都是有限度的，叫做最大允許進樣量Q最大，超過此限度，則信號就不再與進樣量成線性關系；靈敏度越大，檢測器的最小檢測量Q最小越小。2-5-5檢測器的性能指標--檢測限D:

也稱敏感度，是指檢測器恰能產生和噪音相辨別的信號時，在單位體積或單位時間需向檢測器送入的樣品量。敏感度越小，說明檢測器的檢測能力越強，所需要的樣品量越少。檢測限不僅決定于靈敏度，而且受限于噪聲，即檢測限是衡量檢測器或儀器性能的綜合指標。3N熱導檢測器（TCD）氫火焰離子化檢測器

（FID）電子捕獲檢測器（ECD）火焰光度檢測器（FPD）2-6氣相色譜定性方法在一定操作條件下，各組分保留時間是一定值。利用保留時間定性,分別以試樣和標準物進樣，分析各自的色譜圖對照;利用峰高增量定性,通過在樣品中加入標準物，看試樣中哪個峰增加來確定.確定試樣中的各組分，即每個色譜峰各代表的何種化合物。保留值——定性的依據。2-6-1方法一:用已知物對照定性2-6-2方法二:根據經驗式定性碳數規律：在一定溫度下，同系物的調整保留時間tR‘的對數與分子中碳數n成正比

lg

tR‘=An+C(n3)沸點規律：同族具相同碳數的異構物，其調整保留時間tR‘的對數與分子中沸點Tb成正比

lg

tR‘=ATb+C2-6-4氣相色譜定性方法——方法四雙柱或多柱定性,可克服在一根柱上，不同物質可能出現相同的保留時間的情況。2-6-5氣相色譜定性方法——方法五與其它方法結合定性,如GC-MS,GC-IR.2-6-3方法三:根據相對保留值ris

定性在樣品和標準中分別加入同一種基準物s，將樣品的ris和標準物的ris

相比較來確定樣品中是否含有i組分。只要固定相性質與柱溫確定，相對保留值就是一個定值。2-6-6氣相色譜定性方法——方法六方法六:保留指數（Kovats指數）定性該指數定性的重現性最佳,當固定液和柱溫一定時,定性可不需要標準物.它是把物質的保留行為用兩個靠近它的基準物來標定得到的。

設正構烷烴的Kovats指數為碳數

100。測定時，將碳數為n和n+1的正構烷烴加入到樣品x中進行色譜分析，此時測得這三個物質的調整保留值分別為：

tR'(Cn)＜tR'(x)＜tR'(Cn+1)2-6-6氣相色譜定性方法

方法六:保留指數（Kovats指數）定性利用下列公式求出未知物Kovats指數Ix，然后與文獻值對照。2-7氣相色譜定量方法2-7-1峰面積測量法根據檢測器對待測物的響應（峰高或峰面積）與待測物的量成正比的原理進行定量的。峰面積A的測量

對稱峰——峰高h與半峰寬的積：

A=1.065

h

W1/2

不對稱峰——峰高與平均峰寬的積：

A=1/2h(W0.15+W0.85)2-7-2定量校正因子絕對校正因子mi=fi'Ai

通過此式可得到待測物單位峰面積對應的該物質的量。相對校正因子fi：當用質量m、摩爾M、和氣體體積V作計量單位時，則分別表示為質量校正因子fi(m)、摩爾校正因子fi(M)和體積校正因子fi(V)

。2-7-2定量校正因子相對校正因子的測量準確稱取被測物與標準物，混合后進樣。從所得色譜圖分別求出它們的峰面積，然后通過前述公式計算校正因子。校正因子只與試樣、標準物和檢測器類型有關，與其它所有條件無關！可以查表得到。2-7-3歸一化法把所有出峰組分的含量之和按100％計的定量方法。fi為i物質的相對定量校正因子；Ai

為其峰面積。歸一化法特點及要求：簡便、準確；進樣量的準確性和操作條件的變動對測定結果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況，在使用中受到限制。

2-7-4內標法是在一定量試樣中準確加入一定量的內標物，根據待測組分和內標物的峰面積及內標物質量計算待測組分質量的方法。一般常將內標物作測定相對定量校正因子的基準物，則fs=1，使計算簡化。對內標物的要求：樣品中不含內標物；無反應；與各待測物保留時間和濃度相差不大；特點：準確性較高，操作條件和進樣量的稍許變動對定量結果的影響不大。

2-7-5內標標準曲線法若樣品用量與加入標準物質量完全固定，則內標法的計算就可以簡化為內標標準曲線法，它適用于工廠內成批樣品的定量分析。如果經常需要測定同一物質，可固定試樣的稱取量，并加入恒定量的內標物，此時fi

mS

/fs

m為一常數故：

wi∝Ai/ASFigureInternalworkinggraph適合于液體試樣的常規分析

2-7-6外標法所謂外標法就是應用欲測組分的純物質來制作標準曲線。此時用欲測組分的純物質加稀釋劑(對液體樣品用溶劑稀釋、氣體樣品用載氣或空氣稀釋)配成不同含量(％)標準溶液，取固定量標準溶液進樣分析，從所得色譜圖上測出響應訊號(峰面積或峰高等)、然后繪制響應信汛號(縱坐標)對百分含量(橫坐標）的標準曲線。分析試樣時，取和制作標