第五章 气相色谱 第一节 概述 第二节 气相色谱分析的理论基础 第三节 气相色谱仪 第四节 色谱分离条件的选择 第五节 气相色谱的定性定量方法

第一节 概述 一 气相色谱的定义与分类 气相色谱法：以气体为流动相的柱色谱分离技术 GC分类 1.按固定相分 气-固色谱 气-液色谱 1.按固定相分 气-固色谱 气-液色谱 2.按分离原理分 吸附色谱 分配色谱 3.按柱子粗细分 填充柱色谱 毛细管柱色谱

二 气相色谱分析的特点及其应用 1.气相色谱分析法的特点 （1）高效能、选择性好： （2）灵敏度高 （3）操作简单，分析速度快： 2.气相色谱分析法的应用 沸点在 500 ℃以下，热稳定良好，相对分子质量在 400 以下的有机物或部分无机物，原则上都可采用气相色谱法。目前能分析15% ～ 20%的有机物

三、气相色谱流程 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；4-针形阀；5-流量计;6-压力表； 9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪； 载气系统 进样系统 色谱柱 检测系统 温控系统

第二节 色谱分析的理论基础 一.色谱流出曲线： 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线

如图所示为一色谱流出曲线：

三种吸附等温曲线对应三种色谱峰形状 直线型——对称峰 凹线型——拖尾峰(Tailing Peak): 后沿较前沿平缓的不对称峰 凸线型——前伸峰(Leading Peak): 前沿较后沿平缓的不对称峰

常用术语： 基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线。(基线飘移、基线噪声) 峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的 垂直距离称为峰高(peak height)。用h表示。 峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area)， 用A表示。 峰的区域宽度： a、峰底宽 WD = 4σ=1.70 Wh/2 b、半高峰宽 Wh/2=2.355σ c、标准偏差峰宽 W0.607h=2σ

保留值 1) 保留时间 ：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。 2) 保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，VR。 死时间： 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)，tM。 死体积: 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(dead volume) ，VM。（F0为柱尾载气体积流量） VM = tM F 0

调整保留值: 1) 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR׳= tR – tM 2) 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。 VR ׳ = VR – VM 或 VR ׳ = tR ׳ F0

相对保留值（relative retention） 在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s 表示

色谱峰数=样品中单组份的最少个数 色谱保留值——定性依据； 色谱流出曲线的意义： 色谱峰数=样品中单组份的最少个数 色谱保留值——定性依据； 色谱峰高或面积——定量依据； 色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标； 色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。

二 气相色谱分析理论基础 组分要达到完全分离 两峰间的距离必须足够远，由组分在两相间的分配系数决定，与色谱过程的热力学性质有关。 峰都不能彼此重叠，峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定，与色谱过程的动力学性质有关。

（一）分配平衡的几个参数 1.分配系数 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 1.分配系数 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 K 只与固定相和温度 有关，与两相体积、 柱管特性和所用仪 器无关。

分配系数 K的讨论 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础； 试样品一定时，K 主要取决于固定相性质， 选择适宜的固定相可改善分离效果；

2. 分配比（容量因子） ： 在一定温度和压力下，组份在两相间的分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比，称为分配比。它表达了被分离组分与柱填料之间作用的强弱。又称保留因子。也叫容量因子或容量比。 其中VmV0，Vs为固定相体积

分配比 k 的求算： k也等于组分的校正保留时间与死时间的比值 因此，k可通过实验测得。由此也可知道，k可表示出组分在柱中停留时间的长短。k越大，停留时间也就越长。

K 与 k 的关系： 称为相比率，它也是反映色谱柱柱型特点的参数。对填充柱，=6~35；对毛细管柱， =60~600 共同点：都与热力学性质有关，随柱温、柱压改变 不同点：K与流动相、固定相体积无关；k与二相体积有关

3. 选择因子 ：色谱柱对A、B两组分的选择因子 定义如下：

注意： K 或 k 反映的是某一组分在两相间的分配；而  是反映两组分间的分离情况！ 当两组分 K 或 k 相同时， =1 时，两组分不能分开； 当两组分 K 或 k 相差越大时， 越大，分离得越好。  和 k 是计算色谱柱分离效能的重要参数

（二）色谱分离的基本理论 1.色谱分离的基本理论——塔板理论 将一根色谱柱当作一个由许多塔板组成的精馏塔，成功解释了色谱流出曲线呈正态分布。

分离过程如下图所示

2.柱效能指标： 塔板的数目 n——溶质在柱中的平衡次数， n＞50，得到基本对称的峰形曲线。 气相色谱n 103-106 近似正态分布曲线 塔板数越多，柱效能越高。 塔板高度

理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留时间（tR）和峰底宽（w）或半峰宽（ wh/2 ）按下式推算： 保留时间越大，峰越窄，理论塔板数就越多。柱效能也就越高。

对于一个柱长固定为L的柱子，其理论塔板高度H为 每一个塔板的高度，即组分在柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长叫理论塔板高度。它越小，也表示柱效能越高。

Heff=L/neff 通常用有效塔板数（neff）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。 1+k k 2 • neff Heff=L/neff 通常用有效塔板数（neff）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。

塔板理论的特点： (1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大，色谱峰越窄。 (2) 柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数 K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。 (4)塔板理论无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。

2 速率理论 ——范弟姆特方程式： 速率理论就是在塔板理论的基础上，给出了影响塔板高度的因素：

u 为流动相线速度； A，B，C为常数，其中 该式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素。任何减少方程右边三项数值的方法，都可降低H，从而提高柱效。

1）涡流扩散项(A)=2λdp 因填充物颗粒大小及填充的不均匀性→同一组分运行路线长短→不同流出时间不同→峰形展宽。 颗粒越细，板高越小，受线速影响越小。 2）分子扩散项(B/u)（纵向扩散项） 呈“塞子”状分布。随着流动相的推进， “塞子”因浓度梯度而向前后自发地扩散，使谱峰展宽。 B=2γDg γ—弯曲因子(空心毛细管γ =1） Dg——组分在流动相中的扩散系数 流动相相对分子质量↑ Dg↓ ，B ↓ 柱温↑ ，柱压↓ ，Dg ↑

因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。 3）传质阻力项(Cu) 因传质阻力的存在，使分配不能“瞬间”达至平衡，因此产生峰形展宽。 C = Cg+Cl 4）流速u 由方程 H = A + B/u + Cu知道： 当u一定时，仅在A、B、C 较小时，H 较小，柱效较高；反之则柱效较低，色谱峰将展宽。

三 分离度与分离方程 1 分离度(Resolution, R) 同时反映色谱柱效能和选择性的一个综合指标。也称总分离效能指标或分辨率。其定义为： 用此式，可直接从色谱流出曲线上求出分离度R。

色谱分离中的四种典型情况 ① 分离效果差，柱效低，选择性（  ）低 ② 完全分离，柱效高，峰窄，选择性（  ）低 ； ③完全分离，选择性（  ）增加，柱效低，峰宽 ④完全分离，柱效高，选择性（）好

R 越大，相邻组分分离越好。当R=1.5 时，分离程度可达99.7%，因此R=1.5 通常用作是否分开的判据。

2、色谱分离方程 对于相邻的难分离组分，由于它们的分配系数 K 相差小，可合理假设k1k2=k，W1  W2=W。因此可导出R与n、 和 k 的关系

限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。 与柱效的关系（柱效因子） 限制：L过长，保留时间延长，分析时间延长，色谱峰扩展。 R ∝ n1/2 增加柱长 使用性能优良的色谱柱，并选择最佳分离条件 减小塔板高度 与容量因子的关系 k值增大，有利于分离，但k > 10时，对R的增加不明显，也会显著增加分析时间 k的最佳范围：1 ~ 10

与柱选择性的关系 r2,1越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。 分离度、柱效、柱选择性的关系 r2,1越大，柱选择性越好，分离效果越好。如果两个相邻峰的选择因子足够大，则即使色谱柱的理论塔板数较小，也可以实现分离。 L = 16R2•H有效 a a-1 2 = n有效• H有效

例：两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时间分别为16. 4和17. 63min，有一不与固定相作用的物质，其在此柱上的保留时间为1 例：两物质A和B在30cm长的色谱柱上的保留时间分别为16.4和17.63min，有一不与固定相作用的物质，其在此柱上的保留时间为1.30 min。物质A和B的峰底宽分别为1.11和1.21min。试问： 1）柱分辨率R； 2）柱平均理论塔板数nav 3）平均塔板高度Hav 4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？

1）柱分辨率R；

2）柱平均理论塔板数nav

3）平均塔板高度Hav

4）若要求R达到1.5，则柱长至少应为多少？

第三节 气相色谱仪

一 气相色谱仪器 气相色谱流程图 (p42)

气相色谱仪通常由五部分组成： Ⅰ 载气系统：气源、气体净化器、供气控制阀门和仪表。 Ⅱ 进样系统：进样器、汽化室。 Ⅲ 分离系统：色谱柱、控温柱箱。 Ⅳ 检测系统：检测器、检测室。 Ⅴ 记录系统：放大器、记录仪、 色谱工作站。

（一）载气系统 载气系统：获得纯净、流速稳定的载气。包括压力计、流量计及气体化装置。 载气： 作用：动力源：流动相 要求：化学惰性 种类：氮气、氦气、氢气、氩气 辅助气体：空气、氧气和氢气

净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂质。 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 pa；对开口毛细管柱：1-25 pa)；第二级，柱头压力指示； 流量计：在柱头前使用转子流量计，但不太准确。通常在柱后，以皂膜流量计测流速。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 a.进样器 微量注射器（隔膜进样器） 进样阀 b.气化室 一般为一根在外管绕有加热丝的不锈钢管，死体积应尽可能小。

a.填充柱:不锈钢或玻璃材料制成，内径为2~4 mm，长1~3 m。U型和螺旋型 （三）分离系统： 色谱柱： a.填充柱:不锈钢或玻璃材料制成，内径为2~4 mm，长1~3 m。U型和螺旋型 b.毛细管柱：玻璃或石英，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱,内径一般为0.2~0.5mm，长度30~300m，呈螺旋型

毛细管柱

二 检测器 气相色谱检测器的类型 根据响应原理的不同可分为 浓度型检测器：测量的是载气中某组分瞬间浓度的变化，即检测器的响应值和组分的瞬间浓度成正比。如热导池检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD） 质量型检测器：测量的是载气中某组分质量比率的变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器的组分质量成正比。如氢火焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）

电子俘获检测器，ECD 测带强电负性原子的有机化合物 火焰光度检测器，FPD 测含硫、含磷的有机化合物 通用检测器有： 热导池检测器，TCD 测一般化合物和永久性气体 氢火焰离子化检测器,FID 测一般有机化合物 专用检测器有： 电子俘获检测器，ECD 测带强电负性原子的有机化合物 火焰光度检测器，FPD 测含硫、含磷的有机化合物 特殊检测器有：FTIR、MS测化合物结构

1. 热导检测器(TCD) 通用型检测器，又称导热析气计。现仍在广泛应用。 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。

测量池——接在色谱柱后 通样品气体+载气 参比池——接在色谱柱前 只通载气 动画

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。 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。

3. 电子捕获检测器(ECD) 对含有较大电负性原子（如含有卤素、硫、磷、氮、氧的物质）的化合物响应。适合于含氯、氟及硝基化合物的检测。如农药残留、环境污染物的分析。 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”。

4. 火焰光度检测器（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。 原理： 待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物被激发并发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。

当含硫的有机物在富氢－空气焰中燃烧时，发生如下反应： 生成的S在适当温度下生成激发态的S2*分子， 当其回到基态时就发射出最大波长为394nm的特征光谱。

> 滤光片 放大器 记录仪 光电管 石英窗 H2 Air 载气+组分 出口

第四节 色谱分离条件的选择 一、色谱条件的选择 1、载气及流速的选择（与分析时间、柱效有关）

涡流扩散项A与流速u无关； 低流速区(u小)，B/u大，分子扩散项占主导， 此时选择分子量大的流动相如N2和Ar为载气，可 减小扩散，提高柱效； 高流速区(u大)，Cu大，传质阻力项占主导， 此时选择分子量小的流动相如H2和He为载气， 可增加扩散系数，提高柱效； 曲线的最低点对应最佳线速uopt( ) 下的 最小板高Hmin( )； 实际工作中，为了缩短分析时间，常使流速 稍高与最佳流速。

2、分离柱型的选择（与总柱效、分离度R有关）

3、柱温的选择（与ri，j有关） 能使沸点最高的组分达到分离的前提下，尽量选择较低的温度。当然被测物的保留时间要短、峰形不能有严重拖尾。最好用程序升温方法，以实验优化选择的条件为工作条件。

柱温的选择 传质快、 柱效高 升高 恒温 实验 确定 柱温 程序升温 (宽沸程混合物) 分析时 降低 间长 纵向扩散强、 峰拖尾 过高造成固定 液流失 分析时 间长 恒温 程序升温 (宽沸程混合物) 实验 确定

恒温：气相色谱的柱温通常恒定在各组分的平均沸点附近 程序升温 ：对于沸点范围较宽的试样，低沸点组分出峰太快，相互重叠，而高沸点组分则出峰太晚。在分离过程中逐渐增加柱温，使所有组分都能在各自的最佳温度下洗脱。 程序升温方式可根据样品组分的沸点采用线性升温或非线性升温

4、固定液与担体的选择（与相比有关） 由实验手册查出参考值，再由实验选择。 5、汽化室与检测室温度（与被测对象的利用度有关） 汽化温度、检测室温度高于柱温30-70度。 6、进样量：（与柱容量有关） 根据担液比及柱子形式决定进样量，进样 方式为柱塞进样。

二 固定相及其选择 固定相的类型： 吸附剂型固定相 固定相 担体+固定液型固定相 常用吸附剂型固定相有：

常用担体+固定液型固定相中： 常用担体有： 1、红色担体：（101型担体） 特点是：表面空隙小、比表面积大、机械强度高、担液能力强、表面有吸附中心。（弱极性物质） 2、白色担体：（6201型担体） 特点是：表面空隙较大、比表面积较小、机械强度较差、担液能力中、表面无吸附中心。（极性物质） 3、非硅藻土型担体：聚合氟塑料担体、玻璃 微球担体、高分子微球担体等。 特点是：表面空隙适中、比表面积适中、机械强 度较强、耐高温、耐强腐蚀、价格偏高。 硅藻土型担体用前要预处理：酸洗、碱洗、硅烷化。

三、固定液的类型：

固定液极性：用“相对极性”或者“麦氏常数” 表示 固定液的选择原则： 按相似相溶原则选择 （1） 非极性组分——选非极性固定液， 按沸点顺序出柱，低沸点的先出柱 （2）非极性和极性组分——选极性固定液， 基本按沸点顺序出柱 （3）强极性组分——选极性固定液 按极性顺序出柱，极性强的后出柱 （4）氢键型组分——极性或者氢键型固定液

固定液分类及选择：

第五节 气相色谱的定性定量方法 一 气相色谱的定性 1、利用标准样品对照定性 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。 1）分别以试样和标准物进样得各自的色谱图； 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。 2）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. 相对保留值法 3. 保留指数定性 该指数定性的重现性最佳。当固定液和柱温一定时，定性可不需要标准物。 4.与质谱、红外光谱等一起联用

二 定量方法 GC分析是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测定峰高 h 或峰面积 A。

1、色谱定量公式： mi = fi′• Ai mi ：待测物质质量 fi ′ ：待测物质定量校正因子 Ai ：待测物质色谱峰的积分面积

2、色谱峰的面积求法： （1）、峰高乘半峰宽法 （2）峰高乘平均峰宽法 （3） 峰高乘保留值法 4、电子积分法

3.定量校正因子 （Quantitative calibration factor） 绝对校正因子： 相对校正因子：用标准物质为参照物、求出待测物质与标准物之间绝对校正因子的比值。对热导池检测器的标准物是苯、对氢火焰离子化检测器的标准物是正庚烷。

（1）质量校正因子（fm ） （2）摩尔校正因子（fM ） 物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量） 各物质的量以摩尔数计，Mi , Ms分别表示被测 物与标准物质的相对分子质量（摩尔质量）

4.几种常用的定量计算方法 1）归一化法 假设试样中有 n 个组分，每个组分的质量分别为 m1 ,m2 ,…,mn , 各组分含量的总和 m 为 100% ，其中组分 i 的质量分数wi 可按下式计算：

优点： 简便，准确 定量结果与进样量、重复性无关 色谱条件略有变化对结果几乎无影响 缺点： 所有组分必须在一定时间内都出峰 必须已知所有组分的校正因子

2）内标法 前提：试样中所有组分不能全部出峰，或者试样中的各组分的含量悬殊，或者仅需测定其中的某个或者几个组分时，可用此法

内标物要满足以下要求： a. 试样中不含有该物质； b. 与被测组分性质（如挥发度、化学结构、极性以及溶解度等）比较接近； c. 不与试样发生化学反应； d. 出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。

内标法优点： 重复性及操作条件对结果无影响 只需待测组分和内标物出峰，其他组分可无峰 内标法缺点： 制样要求高；找合适内标物困难

以待测组分纯品为对照物，与试样中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法 3）外标法 以待测组分纯品为对照物，与试样中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法 外标法特点： 1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰 2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大→每次进样量应一致，否则产生误差

第六节 毛细管气相色谱法简介 一、毛细管柱型： 1、 壁涂开管柱 2、 多孔层开管柱 3、 载体涂渍开管柱 4、 化学键合毛细管柱 5、 交联毛细管柱 二、毛细管柱的特点： 1、渗透性好，柱压降小，可用长柱型 2、柱容量小，允许进样量小，进样必须分流 3、总柱效高，可分离复杂物质体系 4、相比大，可以快速分析。

三、仪器特点： 分流器和尾吹气装置

分流比调节 adjustment of rate partition radio 毛细管柱内径很细，因而带来三个问题： （1）允许通过的载气流量很小。 （2）柱容量很小，允许的进样量小。需采用分流技术， （3）分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。解决方法：灵敏度高的氢焰检测器，采用尾吹技术。 分流比：放空的试样量与进入毛细管柱的试样量之比。一般在50：1到500：1之间调节。