* *第九章 气相色谱法 （10-11学时）以气体作为流动相的色谱法叫气相色谱法 （gas chromatography，GC） * *本章节重点 气相色谱法的基本原理；色谱图的识别、常用术 语和符号；塔板的概念、理论塔板数及板高的计 算；范氏方程各项的物理意义 分配系数、容量因子、分离度意义及计算 载气流速和柱温选择 固定相选择原则 FID和ECD检测器原理及应用范围 GC的定性、定量方法* *本章的难点 塔板理论、速率理论 分离度、校正因子 检测器原理及性能指标* *气相色谱法（GC）是英国生物化学家 Martin ATP等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复 杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱 柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱 法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。如气相色谱与质谱（GCMS）联用、气 相色谱与Fourier红外光谱(GCFTIR）联用、气相 色谱与原子发射光谱（GCAES）联用等。* *第一节 概 述 一、气相色谱法的特点 1. 高分离效能 能分离组分极为复杂的混合物，例 如用空心毛细管柱可将汽油试样中一百多个烃类化合 物一次分离 2. 高选择性 能分离结构极为相似的物质，如异构体 、同系物、同位素等。3. 高灵敏度 可分析极微量的物质（10-1210-14 g） 4. 样品用量少 所用样品量一般以ng，甚至pg计。 因此适合于大气、水和食品、生物等试样中痕量污染 物质的测定。 * *5. 分析速度快 一般一个试样可在几分钟到十几分钟内完成测定，最多几十分钟，且操作和数据处理可 由计算机控制和进行6. 应用范围较广 气体、液体样品；许多有机物和 少数无机物样品。只要化合物有适当的挥发性，且在 操作温度下有良好的稳定性。缺点 ： 对于难挥发和热不稳定的物质难以分析；定 性能力较弱，不能直接给出定性结果，一般要求有已 知纯物质作对照。 * *二、气相色谱法的分类 （一）按固定相状态或分离机理分类 气固色谱法：以固体吸附剂作固定相，其机理属吸附色谱气液色谱法：以液体作固定相，其机理属分配色谱 （二）按色谱柱分类 气相色谱法属于柱色谱法，它又可以分为填充柱色 谱法和毛细管柱色谱法两类。气固色谱法主要用于气体分析，气液色谱法的应用范围则远比气固色谱法广。下面主要讨论气液 填充柱色谱。 * *三、气-液谱分离原理基于混合物中各组分在色谱柱中气相和液相之间的分配系数（溶解度）不同，在载气的推动下，经过反复多次的分配平衡 过程，分配系数小的组分先流出，分配系 数大的组分后流出，从而实现分离。* *四、气相色谱仪的流程1气路系统 包括气源、气体净化和气体流速控制等装置2进样系统 包括进样器、气化室和温控装置。3分离系统 包括色谱柱、柱箱和温控装置。4检测系统 包括检测器和温控装置5记录系统 包括放大器、数据处理装置及记录仪。气相色谱仪由五部分组成* *气相色谱仪（一）、GC工作过程* * *12345678 91011131412图 气相色谱仪结构示意图 1. 高压气瓶 2. 减压阀 3. 净化器 4. 针形阀 5. 转子流量计6. 柱前压力表 7. 气化室 8. 进样器 9. 放空 10. 检测器 11. 色谱柱 12. 柱温箱 13. 放大器 14. 记录仪(二).气路系统* * *(三).进样系统* *一般液体试样用微量注射器进样，气体试样用 六通阀或注射器进样。进样要求迅速，否则试样原 始宽度变大，峰形必然变宽，甚至变形。 * *(四).分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作 用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。1）填充柱 填充柱由不锈钢或玻璃材料制成， 内装固定相，一般内径为24 mm，长13m。填充 柱的形状有U型和螺旋型二种。特点：制备简单、可选择担体、固定液种类多，适 合各种化合物分离，负载量大；但渗透性小，传质 阻力大，不能用太长色谱柱，所以分离效率低* *2）毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。将固定液均匀地涂在内径0.l0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。特点：与填充柱相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。 * * *( 五).控制温度系统在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直 接影响色谱柱的分离效能、检测器的灵敏度和稳 定性。控制温度主要指对气化室，色谱柱，检测 器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒 温和程序升温二种。 (六).检测和数据处理系统该系统是指样品经色谱柱分离后，各成分按保 留时间不同，顺序地随载气进入检测器，检测器 把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转 化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给 记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流 出曲线及定性和定量信息。* * * *气相色谱仪2* *气相色谱仪3* *三、气相色谱分析常用术语（一）色谱流出曲线（色谱图）及有关术语1、流出曲线（色谱图chromatogram）：记录仪记录的检测信号随组分流出时间或所需载 气体积变化的曲线，即浓度（质量）-时间曲线。2、色谱峰（ chromatographic peak）及有关参数 色谱峰：流出曲线的突出部分称为色谱峰，分离完 全时，每一个色谱峰代表一个组分。* * *色谱峰色谱峰的位置（保留值）： 定性参数色谱峰面积A或峰高h 定量参数区域宽度：标准偏差 , 半高峰宽Wh/2，峰宽Wb，评价柱效能参数。* *在理想状态下，色谱峰呈正态分布。根据正态分布曲线的特征，在两拐点之间的距离（此处峰高为0.607 h）为两倍标准偏差（）* *3.基线（base lien）在正常操作条件下，仅有载气通过检测器时 的色谱流出曲线为基线。它反映仪器（主要是 检测器）的噪音随时间的变化，稳定的基线应 是一条平行于横轴的直线（图中ot)。* *（二）保留值（二）保留值 （ retention value）保留值：是用来描述色谱峰在色谱图上的位置， 反映试样中各组分在色谱柱中被保留的程度。通常 用时间或用组分流出色谱柱所需载气的体积来表示 。1用时间表示的保留值 （1）保留时间tR（retention time） 指从进样开始到柱后被测组分出现浓度极大点时所 需的时间t tR R* *（2）死时间tM（dead time）： 指不与固定相作用 的惰性物质（如空气），从进样开始到柱后出现浓 度极大点所经过的时间。tM表示气体流经色谱柱空 隙所需的时间，可以理解为某被测组分在流动相中 的停留时间。（3）调整保留时间（adjusted retention time）：指某组分的保留时间与死时间的差值，即 tM调整保留时间是组分在固定 相中实际停留的时间。 * *2用体积表示的保留值 （1）保留体积VR（retention volume） 指从进样开始到柱后被测组分出现浓度极大点时所通过的载气体积，即 （2）死体积VM（dead volume） 是指不与固定相作用的惰性物质通过色谱柱后出峰时所需的载气体积。也就是从样进器经色谱柱到检测器出口的流路中，由气相所占有的体积。即 * *（3）调整保留体积（adjusted retention volume） 指某组分的保留体积与死体积之差。也是色谱定 性的基本参数。 保留时间会随载气流速的变化而变化，而保留体积则不受载气流速影响。因载气流速若增加，则保留 时间相应缩短，两者的乘积不变。在理论上VR要比tR 准确，但测量VR没有测量tR方便。* *3.相对保留值r21（relative retention value） 组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对保留值。 r21表示固定相对两种组分的选择性。r21越大，表明该色谱体系对这两组分的保留程度相差越大，即选择性越好，被分离 组分越容易达到良好的分离，所以r21又称为选择性因子 由于r21只与组分、柱温、固定相性质有关，而与柱长、柱 内径、载气流速及填充情况等无关。所以，温度和固定相一定 时，r21也可作为定性指标，且不受操作条件变化的影响。 * *总结：从色谱流出曲线上，可得到许多重要信息：（l）根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组份的最少个数 （2）根据色谱峰的保留值(或位置），可以进行定性分析(3) 根据色谱峰下的面积或峰高，可以进行定量分析（4）根据色谱峰的保留值及其区域宽度，可评价色谱柱分离效能。（5）根据色谱峰两峰间的距离，可评价固定相(和流动相)选择是否合适* *第二节 气相色谱分析的基本理论色谱理论的关键：混合物中各组分彼此分离色谱峰间距离足够远 差速迁移 分配系数K 色谱热力学过程 塔板理论色谱峰要窄 谱带扩展 传质和扩散 色谱动力学过程 速率理论组分完全分离因此，要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为* *一、分配系数K 和分配比k 1分配系数K 分配色谱的分离:基于样品组分在固定相和流动相 之间反复多次地溶解一解析过程，而吸附色谱的分 离是基于组分在固定相和流动相这中反复多次地吸 附一脱附过程。这种分离过程可用样品分子在两相 间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配 系数它是指在一定温度和压力下，组分在固定相和 流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即 * *2.分配比k 定义：它是指在一定温度和压力下，组分在两相间 分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量 比。即 k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于 柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。* *3. 分配系数K与分配比k的关系 k 随气相和液相体积变化而变化；K 则与两相体积无关注意： （1)、k值都是反映组分在色谱柱的分配行为(2)、k 值决定于组分及固定相性质。属热力学 常数，与柱温、柱压（与柱温成反比，与柱压成正 比）有关。* *分配系数K和分配比k与保留值的关系 该式称为气相色谱保留方程，其定量描述了组分 在柱中的保留时间与其在两相中的K、k之间的关系。是色谱热力学的理论基础。* *总结： .、k值都是反映组分在色谱柱的分配行为。 .、k值是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重 要参数。两组分具有不同的分配系数（）是 色谱分离的先决条件。各组分由于物理化学性质不同，所以K值不同，造 成各组分在柱中保留时间不同，从而达到分离。两组 分的K或k值相差越大，则分离得越好。 .、k值都决定于组分及固定相热力学性质。要使试样得到最佳的色谱分离，选择适当的色谱固 定相和柱温可控制组分在色谱柱上的保留行为。* *二、塔板理论 1952年，最早由Martin等人提出塔板理论，把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引人理论塔板数作为衡量柱效率的指标。它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。* * * *在色谱柱的每一个“塔板”内，一部分为涂在担体上的液相，另一部分为载气所占据的空间。试样中的各个组分在每个塔板的气相和液相之间达成一次分配平衡。分离过程：试样在载气携带下通过色谱柱，组分在每个塔板的气相和液相间进行分配，达成一次分配平衡。然后随着流动相按一个塔板、一个塔板的方式向前移动，试样的各个组分要在许许多多的塔板上先后进行成千上万次的分配平衡。经过重复多次的分配平衡后，分配系数小的组分和分配系数大的组分彼此分离，分配系数小的组分，先从柱后流出。* *（一）、该理论假定：（i）在柱内一小段长度H