第十四章
气相色谱法
Gas
Chromatography，GC
气相色谱法（gas
chromatography，GC）是以气体为流动相的色谱分析法，对气体物质或可以在一定温度下转化为气体的物质进行检测分析。由于各组分在流动相（载气）和固定相两相间的分配系数不同，当两相作相对运动时，组分在两相间进行反复多次分配，使组分得到分离。由于使用了高效能的色谱柱、高灵敏度的检测器及微处理器，使气相色谱法具有选择性高、灵敏度高、分离效能高、分析速度快、应用范围广等特点，广泛应用于环境、石油、化工、农业、食品、医药、生物等各个领域。此外，气相色谱法与其他近代分析仪器联用，已成为发展方向，如气相色谱-质谱联用（GC-MS）、气相色谱-红外光谱联用（GC-FTIR）、气相色谱-原子发射光谱联用（GC-AES）等。
根据气相色谱法的固定相状态不同，可分为气固色谱法（GSC）和气液色谱法（GLC），本章具体阐述气液色谱法。
14.1 气相色谱仪
气相色谱的一般流程见图14.1。高压钢瓶供给载气，经减压阀减压，净化器净化后，由气体调节阀调节到所需流速，进入气相色谱仪；载气流经气化室，携带样品进入色谱柱分离；分离后的组分先后流入检测器；检测器将按物质的浓度或质量的变化转变为一定的响应信号，经放大后在记录仪上记录下来，得到色谱流出曲线。
图14.1 气相色谱流程示意图
1.高压气瓶 2.减压阀 3.净化器 4.气流调节阀 5.转子流量计
6.压力表 7.进样口 8.色谱柱 9.检测器 10.记录仪
虽然目前国内外气相色谱仪型号和种类繁多，但它们均主要由气路系统Ⅰ、进样系统Ⅱ、分离系统Ⅲ、检测系统Ⅳ、记录系统Ⅴ和温控系统六个基本单元组成（图14.1）。其中色谱柱是关键，它是色谱仪的“心脏”；分离后的组分能否产生信号则取决于检测器的性能和种类，它是色谱仪的“眼睛”。所以，分离系统和检测系统是仪器的核心。
1.气路系统
气路系统是一个载气连续运行的密闭管路系统，通过该系统，获得纯净、流速稳定的载气。载气从高压钢瓶出来后依次经过减压阀、净化器、气流调节阀、转子流量计、气化室、色谱柱、检测器、然后放空。
常用的载气有N2、H2和He等，要求具有化学惰性，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匹配。
载气的净化一般为分子筛或活性炭的净化器，以除去载气中的水、氧以及其它杂质。载气流速的大小和稳定直接影响分析结果。在恒温色谱中，整个气路中的阻力是不变的，只要控制载气柱前压力稳定，载气流速即可稳定；当采用程序升温操作时，因柱温不断升高引起柱内阻力不断增加，载气流量发生变化，应该用稳流阀进行自动稳流控制。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针形阀串联使用来达到的。柱前载气流速常用转子流量计测定，柱后常用皂膜流量计测流速。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。
由于色谱柱内的不同位置压力不同，载气流速也就不同。一般用平均流速
表示：
（14.1）
式中，j为压力校正因子；po为柱出口压力（即大气压）；pi为柱入口压力（即柱前压）；Fco为扣除饱和水蒸气压并经温度校正后的流速，用下式表示：
（14.2）
式中，Fo为在柱出口温度和压力（不包括水蒸气压）下载气的实际流速（mL·min-1）；Tr为室温（K）；Tc为色谱柱温度（K），pw为室温下水的蒸气压。
该公式仅适用于气相色谱，不能用于液相色谱。
2.进样系统
进样系统包括气化室和进样器。气化室是将液体试样瞬间气化的装置，要求死体积小、
热容量大、内表面无催化活性等。
气相色谱的进样器可分为液体进样器和气体进样器，液体进样器一般采用不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10
μL；毛细管色谱常用1
μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润洗、取样、进样、换样等过程自动完成。气体进样器常为六通阀进样，有推拉式和旋转式两种，常用旋转式，其结构见图14.2。试样首先充满定量环，切入后，载气携带定量环中的气体试样进入分离柱。
图14.2 旋转式六通阀
（a）取样位（b）进样位
3.分离系统
分离系统主要指色谱柱。常用的色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。
填充柱由不锈钢、玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，形状有U形和螺旋形，内径2~
毛细管柱又称开管柱或空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体开管柱。内径0.1~
4.检测系统
检测器是将经过色谱柱分离的各组分，按其特性和含量转变成易于记录的电信号的装置。检测器是色谱仪的关键部分，将在第三节重点介绍。
5.记录系统
记录系统采集并处理检测系统输出的信号，显示和记录色谱分析结果。包括放大器、记录仪，有的色谱仪还配有数据处理器。目前多采用色谱专用数据处理机或色谱工作站，不仅可以对色谱数据进行记录和自动处理，还可对色谱参数进行控制。
6.控温系统
在气相色谱分离中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。温度控制是否准确，升、降温速度是否快速是市售色谱仪器的最重要指标之一。
控温系统包括对三个部分的控温，即气化室、柱温箱和检测器。一般情况下气化室的温度比色谱柱恒温箱高30~
14.2 气相色谱固定相
色谱分离系统是色谱仪器中最为重要的部分，而其中分离柱的固定相组成与性质更是直接与分离效能有关。气相色谱固定相分为两类：用于气固色谱的固体吸附剂和用于气液色谱的固定液和载体。
固体吸附剂类色谱柱是利用固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离，主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。
1.固体吸附剂
常用固体吸附剂有强极性的硅胶、弱极性的氧化铝、非极性的活性炭、特殊作用的分子筛。根据它们对各种气体的吸附能力不同，选择最合适的吸附剂。
2.人工合成固定相
作为有机固定相的高分子多孔微球（GDX）是一类人工合成的多孔聚合物。它既是载体又起固定液作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用。由于是人工合成，可控制其孔径大小及表面性质。圆球形颗粒容易填充均匀，数据重现性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类、胺类的分析。
高分子多孔微球可分为极性和非极性两种，非极性的由苯乙烯、二苯乙烯共聚而成，如国内的GDX1型和2型，国外的Chromasorb系列等；极性的是在苯乙烯、二苯乙烯共聚物中引入极性官能团，如国内的GDX3型和4型、国外的Porapak
N等。
气液色谱固定相由载体（也称担体）和固定液构成，载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而均匀的液膜。
1.载体
（1）对载体的要求 表面有微孔结构，孔径均匀，至少具有
（2）载体类型 可分为硅藻土型和非硅藻土型两种类型。硅藻土载体是目前最常用的一种载体，天然硅藻土是由无定形二氧化硅及少量金属氧化物杂质的单细胞海藻骨架组成。根据处理方式不同，可分为白色和含Fe的红色载体。硅藻土和非硅藻土类型载体的比较如表14.1所示。
表14.1 硅藻土和非硅藻土类型载体比较
|
类型 |
组成 |
制备 |
特点 |
应用 |
举例 |
|
硅藻土 |
单细胞海藻骨（二氧化硅+少量盐） |
红色载体：硅藻土+粘合剂于 |
孔穴密集，孔径小（平均1 μm），比表面积较大（ |
分析非极性或弱极性物质 |
201，202载体系列，6201系列，美国的C-22系列，Chromosorb P系列合Gas Chrom R系列 |
|
白色载体：硅藻土+20%碳酸钠煅烧，使氧化铁生成白色的铁硅酸钠 |
表面孔径粗（8~9 μm），比表面积小（ |
分析极性化合物 |
101，102系列，英国的Celite系列，英国和美国的Charomasorb系列，美国的Gas-Chrom A， CL，P，Q，S，Z系列 |
||
|
非硅藻土 |
有机聚合物 |
人工合成：有机玻璃载体，氟，GDX载体 |
表面难以浸润，柱效低 |
一些特定组分分析 |
|
硅藻土载体表面不是完全惰性的，具有活性中心，如硅醇基或含有矿物杂质，如氧化铝、铁等，使色谱峰产生拖尾。因此，在使用前应进行酸洗、碱洗、硅烷化等预处理，以改进孔隙结构，屏蔽活性中心。
2.固定液
固定液一般为高沸点有机物，均匀地涂在载体表面，呈液膜状态。
（1）对固定液的要求 ①选择性好，可用相对保留时值r2,1来衡量。对于填充柱，一般要求r2,1>1.15，对于毛细管柱，r2,1>1.08；②热稳定好，蒸汽压低，流失少；③化学稳定性好，不与样品组分，载体、载气发生化学反应；④对分离组分应具有合适的溶解能力，即具有合适的分配系数。
（2）组分与固定液分子间的相互作用 固定液与被分离组分之间的相互作用力，直接影响色谱柱的分离情况。很明显，与固定液作用强的组分，将较迟流出，作用弱的组分则先流出。因此，在进行色谱分析前，必须充分了解样品中各组分的性质及各类固定液的性能，以便选用最合适的固定液。
分子间的作用力主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键作用力。此外，固定液与被分离组分之间还可能存在形成化合物或络合物的键合力等。
（3）固定液的分类 作为气液色谱常用的固定液有数百种，它们具有不同的组成、性质和用途。在实际工作中，一般按极性和化学类型来分类。
①按固定液极性分类 根据极性大小，一般将固定液分为四类：非极性、中等极性、强极性和氢键型固定液。1959年由罗什那德（Rohrschneider）提出用相对极性P来表示固定液的分离特征，此法规定强极性的固定液β，β’-氧二丙腈的极性为100，非极性的固定液角鲨烷的极性为0。然后，选择一对物质，例如正己烷-丁二烯（或环己烷-苯）进行试验，分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测定极性固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数，得到
（14.3）
被测固定液的相对极性Px为
（14.4）
式中，下标1、2和x分别表示氧二丙腈、角鲨烷及被测固定液。由此测得的各种固定液的相对极性均在0~100之间（见表14.2），一般将其分为5级，每20单位为一级。相对极性在0~+1之间的为非极性固定液，+1~+2之间的为弱极性固定液，+3为中等极性固定液，+4~+5为强极性固定液。“﹣”表示非极性。
表14.2常用固定液的相对极性
|
固定液 |
相对极性 |
级别 |
固定液 |
相对极性 |
级别 |
|
角鲨烷 |
0 |
0 |
XE-60 |
52 |
+3 |
|
阿皮松 |
7~8 |
+1 |
新戊二醇丁二酸聚酯 |
58 |
+3 |
|
SE-30，OV-1 |
13 |
+1 |
PEG |
68 |
+3 |
|
DC-550 |
20 |
+2 |
己二酸聚乙二醇酯 |
72 |
+4 |
|
己二酸二辛酯 |
21 |
+2 |
PEG-600 |
74 |
+4 |
|
邻苯二甲酸二壬酯 |
25 |
+2 |
己二酸二乙二醇酯 |
80 |
+4 |
|
邻苯二甲酸二辛酯 |
28 |
+2 |
双甘油 |
89 |
+5 |
|
聚苯醚OS-124 |
45 |
+3 |
TCEP |
98 |
+5 |
|
磷酸二甲酚酯 |
46 |
+3 |
β，β’-氧二丙腈 |
100 |
+5 |
②按固定液的化学结构分类 将具有相同官能团的固定液排列在一起，按官能团类型的不同进行分类。表14.3列出了按化学结构分类的各种固定液。
表14.3 按化学结构分类的固定液表
|
固定液的结构类型 |
极性 |
举例 |
分离对象 |
|
烃类 |
最弱极性 |
角鲨烷、石蜡油 |
非极性化合物 |
|
硅氧烷类 |
弱极性 |
甲基硅氧烷、苯基硅氧烷 |
不同极性化合物 |
|
中极性 |
氟基硅氧烷、 |
||
|
强极性 |
腈基硅氧烷 |
||
|
醇类和醚类 |
强极性 |
聚乙二醇 |
强极性化合物 |
|
酯类和聚脂 |
中强极性 |
苯甲酸二壬脂 |
应用较广，各类化合物 |
|
腈和腈醚 |
强极性 |
氧二丙腈、苯乙腈 |
极性化合物 |
|
有机皂土 |
弱极性 |
|
分离芳香异构体 |
（3）固定液的选择 选择固定液时，一般根据“相似相溶”的原则，可从以下几个方面考虑：
①极性相似原则。固定液与待测组分的极性相似，两者之间的作用力强，待测组分在固定液中的溶解度大，分配系数大，保留时间越长。例如非极性组分选用非极性固定液，此时，非极性固定液依靠色散力对组分起保留作用，分离时，各组分基本上按沸点从低到高的顺序流出，若组分中含有同沸点的极性和非极性化合物，则极性化合物先流出。中等极性组分选择中等极性固定液时，组分与固定液之间的作用力主要为诱导力和色散力，分离时，组分按沸点从低到高先后出峰，若组分中含有同沸点的极性和非极性化合物，由于诱导力起主要作用，极性化合物与固定液之间的作用力加强，因而非极性组分先流出。但是，强极性组分与强极性固定液之间的作用力主要为静电力，组分一般按极性从小到大流出，对于同沸点的极性和非极性化合物，非极性组分先流出。
②官能团相似。若待测组分为酯类，则选用酯或聚酯类固定液；若组分为醇类，可选用聚乙二醇固定液。
表14.4 常用固定液及其性能
|
固定液 |
商品名 |
最高使用温度/℃ |
常用溶剂 |
相对极性 |
麦氏常数 |
分析对象 |
|
角鲨烷 |
SQ |
150 |
乙醚 |
0 |
0 |
烃类及非极性化合物 |
|
阿皮松L |
APL |
300 |
苯 |
- |
143 |
非极性和弱极性各类高沸点有机化合物 |
|
硅油 |
OV-101 |
350 |
丙酮 |
+1 |
229 |
各类高沸点弱极性有机化合物 |
|
10%苯基甲基聚硅氧烷 |
OV-3 |
350 |
甲苯 |
+1 |
423 |
|
|
20%苯基甲基聚硅氧烷 |
OV-7 |
350 |
甲苯 |
+2 |
592 |
|
|
50%苯基甲基聚硅氧烷 |
OV-17 |
300 |
甲苯 |
+2 |
827 |
|
|
60%苯基甲基聚硅氧烷 |
OV-22 |
350 |
甲苯 |
+2 |
1075 |
|
|
邻苯二甲酸二壬酯 |
DNP |
130 |
乙醚 |
+2 |
|
|
|
三氟丙基甲基聚硅氧烷 |
OV-210 |
250 |
氯仿 |
+2 |
1500 |
|
|
25%氰丙基25%苯基甲基聚硅氧烷 |
OV-225 |
250 |
|
+3 |
1813 |
|
|
聚乙二醇 |
PEG |
250 |
乙醇 |
氢键 |
2308 |
醇、醛酮、脂肪酸、酯等极性化合物 |
|
丁二酸二乙二醇聚酯 |
DEGS |
225 |
氯仿 |
氢键 |
3430 |
|
③按主要差别选择。若各组分之间的沸点是主要差别，可选用非极性固定液；若极性是主要差别，则选用极性固定液。
④选择混合固定液。对于难分离的复杂组分，可选用两种或两种以上的固定液。
对大多组分性质不明的未知样品，一般选择最常用的几种固定液。表14.4列出了几种最常用的固定液。
14.3 气相色谱检测器
气相色谱检测器是将由色谱柱分离的各组分的浓度或质量转变成响应信号的装置，种类多达数十种，本节将介绍最为常用的几种检测器。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。
（1）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。如热导检测器和电子捕获检测器。
（2）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。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。
热导检测器（thermal
conductivity detector，TCD）根据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或半导体）时，其电阻将发生变化，将引起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。TCD是一种应用较早的通用型检测器，现仍在广泛应用。它的特点是结构简单，稳定性好，灵敏度适宜，线性范围宽，对无机物和有机物都能进行分析，而且不破坏样品，适宜于常量分析及含量在10
1.热导池结构和工作原理
TCD的结构由池体和热敏原件组成，可分双臂（图14.3）和四臂热导池两种。四臂热导池热阻值比双臂热导池增加一倍，故灵敏度也提高一倍。
14.3双臂热导池结构图
目前，仪器中都采用四根金属丝组成的四臂热导池。其中两臂为参比臂，两臂为测量臂，将参比臂和测量臂接入惠斯顿电桥，由恒定的电流加热，组成热导池电路。如图14.4所示。
图14.4四臂热导池电路原理图
R2和R3为测量池，R1和R4为参比池，其中R1=R2，R3=R4。由电源提供恒定电压加热，当载气以恒定的流速通过时，从池内产生的热量与被载气带走的热量建立热的动态平衡后，热丝的温度恒定，电阻值不变，此时
R1=R2，即（R1+R1）R4=（R2+R2）R3，电桥仍处于平衡状态。此时A、B两端的电位差为零，记录仪输出一条直线，即基线。
进样后，载气和试样的混合气体进入测量臂，由于混合气体的热导系数与载气不同，它们带走的热量与参比池中仅由载气通过时带走的热量不同，即R1≠R2，即（R1+R1）R4≠（R2+R2）R3，电桥不平衡，因而记录仪上有信号（色谱峰）产生。混合气体的热导系数与纯载气的热导系数相差越大，输出信号就越大。
2.影响热导池灵敏度的因素
为提高TCD的灵敏度和稳定性，应注意以下几点：
（1）桥电流和电阻R 桥电流增加，热丝温度提高，热丝与池体的温差增大，气体容易将热量导出，灵敏度提高。灵敏度S正比于I3·R2，当R一定时，增加桥电流，灵敏度迅速增加；但桥电流太大，噪声增大，热丝易烧断。一般桥电流控制在100～200
mA左右。类似地，阻值高、电阻温度系数较大的热敏原件，灵敏度高。
（2）载气种类 载气与试样的热导系数相差越大，灵敏度越高。由于一般试样的导热系数较小，因而宜选用导热系数大的气体如H2或He作载气来提高灵敏度。表14.5列出了某些气体与蒸气的导热系数。
（3）池体温度 池体温度降低，可使池体和热丝温差增大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，将导致被测试样在检测器冷凝。因而，池体温度一般应等于或高于柱温。
表14.5 某些气体与蒸气的热导系数（温度
|
气体 |
λ/10-5J·(cm·℃·s)-1 |
气体 |
λ/10-5J·(cm·℃·s)-1 |
|
氢气 |
224.3 |
甲烷 |
45.8 |
|
氦气 |
175.6 |
乙烷 |
30.7 |
|
氧气 |
31.9 |
丙烷 |
26.4 |
|
空气 |
31.5 |
甲醇 |
23.1 |
|
氮气 |
31.5 |
乙醇 |
22.3 |
|
氩气 |
21.8 |
丙酮 |
17.6 |
火焰离子化检测器（flame
ionization detector，FID）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。其原理为含碳有机物在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。其特点是：灵敏度高，比热导检测器的灵敏度高103倍；检出限低，可达10
1.火焰离子化检测器的结构
图14.5为火焰离子化检测器的结构示意图。它的主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(也称极化极，图14.5中为火焰顶端)和收集极。喷嘴用于点燃氢气火焰，在极化极和收集极之间加直流电压，形成静电场。来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，此电流经放大器放大，由记录仪记录得到色谱图。
图14.5 火焰离子化检测器结构图
2.火焰离子化机理
有关机理并不十分清楚，通常认为是化学离子化过程。有机物燃烧产生自由基，自由基与O2产生正离子，再与H2O反应生成H3O+。
以苯为例：
化学离子化产生的正离子（CHO+和H3O+）及电子在电场作用下形成微电流，经放大后记录下色谱峰。
3.影响FID灵敏度的因素
（1）载气和氢气流速 通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2为1:1~1:1.5。
（2）空气流速 流速越大，灵敏度越高，达到一定值时，空气流速对灵敏度影响不大。一般，H2:Air=1:10。
（3）极化电压 在50 V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50 V以上，则灵敏度增加不明显。通常选择±100~±300V的极化电压。
（4）操作温度 为防止固定液流失引起基线漂移，操作温度应比固定液的最高允许温度低约
电子捕获检测器（electron
capture detector，ECD）也称电子俘获检测器，是一种高选择性、高灵敏度的检测器，只对具有电负性的物质如含卤素、S、P、O、N等有响应，电负性越强，灵敏度越高，检出限约10
1.电子捕获检测器的结构与工作原理
电子捕获检测器是一种发射型离子化检测器，与火焰离子化检测器类似，也需要一个能源和一个电场，其结构见图14.6。
以63Ni或3H作放射源，当载气（如N2）通过检测器时，受放射源发射的β射线的激发与电离，产生一定数量的电子和正离子，在一定强度电场作用下，向极性相反的电极运动，形成一个背景电流—基流。在此情况下，如载气中含有电负性强的样品，则电负性物质就会捕捉电子，从而使检测室中的基流减小，基流的减小与样品的浓度成正比。
图14.6 电子捕获检测器结构图
2.捕获机理
捕获机理可用下式表示：
被测组分浓度越大，捕获电子几率越大，结果使基流下降越快，倒峰越大。
火焰光度检测器（flame
photometric detector，FPD）也称硫磷检测器，对含S、P化合物具有高选择性和高灵敏度的检测器，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。
1.火焰光度检测器的结构
火焰光度检测器由燃烧系统和光学系统两部分组成，见图14.7。燃烧系统类似于火焰离子化检测器，只是在上方加一个收集极就成了火焰光度检测器。光学系统包括石英窗、滤光片和光电倍增管。
图14.7 火焰光度检测器结构图
2.工作原理
待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子光谱，记录这些特征光谱，就能检测S和P。测量光谱的强度则可进行定量分析。
以含S化合物为例，当样品在富氢火焰（H2:O2>3:1）中燃烧时，发生如下反应：
（化学发光物质）
当激发态的
分子返回基态时，发射出
nm特征波长的光。
优良的检测器应具有以下性能指标：灵敏度高，检出限低，死体积小，响应快，线性范围宽，稳定性好。表14.6
列出了四种常用检测器的性能指标。下面主要介绍噪音和漂移、灵敏度、检出限和线性范围。
表14.6四种常用检测器的性能指标
|
检测器性能 |
TCD |
FID |
ECD |
FPD |
|
类型 |
浓度型 |
质量型 |
浓度型 |
质量型 |
|
通用型或选择型 |
通用型 |
通用型 |
选择型 |
选择型 |
|
灵敏度 |
104 mV·mL·mg-1 |
102 mV·s·g-1 |
|
400 mV·s·g-1 |
|
检出限 |
2×10-6 mg·mL-1 |
10 |
10 |
10 10 |
|
线性范围 |
104 |
107 |
102-104 |
103 |
|
最高温度 |
|
~ |
|
|
|
应用范围 |
所有物质，主要为无机气体和有机物 |
含碳有机物，主要为有机物及痕量分析 |
多卤、亲电子物质，主要为农药和污染物 |
含硫、磷化合物，主要为农残及大气污染物 |
1.灵敏度
灵敏度是检测器性能的重要指标。单位浓度（或质量）的组分进入检测器，所产生的响应信号R的大小，就称为检测器对该物质的灵敏度（S）。以响应信号R对单位质量（或浓度）作图，得到一条通过原点的直线，直线的斜率也即是灵敏度。因此，灵敏度定义为信号R对进入检测器的组分量c的变化率：
（14.5）
实际工作中，可从色谱图直接求得灵敏度。
对于浓度型检测器，灵敏度的计算公式为
（14.6）
式中，Sc为灵敏度（mV·mL·mg-1）；A为峰面积（cm2）；C1为记录器的灵敏度（mV·cm-1）；Fco为柱出口流动相流速（mL·min-1）；C2为记录器的走纸速度（cm·min-1）；m为进入检测器的样品质量（mg）。
对于质量型检测器，灵敏度的计算公式为：
（14.7）
式中：Sm为灵敏度（mV·s·g-1）；m为进入检测器的样品质量（g），其它各符合的意义同前。
2.检出限
又称敏感度，当检测器输出信号放大时，噪声信号也随之增大，使基线起伏波动。检测器恰能产生3倍噪声信号时，单位体积（或时间）通过检测器的量，检出限D的计算公式为
（14.8）
式中，D为检出限；RN为噪声的平均值（mV或V）。检出限的单位由S决定，浓度型检测器D的单位为mg·mL-1；质量型检测器D的单位为g·s-1。D越小，说明检测器越敏感。
检测器不仅决定灵敏度，而且受限于噪声，即检出限是衡量检测器或仪器性能的综合指标。
3.线性范围
线性范围（linear range）是指响应信号与待测物的质量或浓度呈线性关系的范围，以线性响应的样品量或进样浓度的上、下限比值来表示。当进入检测器的样品量或浓度小时，其与响应信号呈直线关系。当样品量或浓度大于某一数值之后，直线开始向下弯曲，检测器输出的信号不再随样品量或浓度的增加而线性的增加。这个转折点为线性范围的上限，可由实验测定。线性范围是个比值，无量纲。比值愈大，在定量分析中可能测定的质量或浓度范围越大。
当为浓度型检测器时，检测器的响应信号
与流动相中样品浓度
之间的关系可由下式表示：
（14.9）
式中，
为比例常数，又称响应因子，
为检测器的响应指数。当=1时，
，为线性响应。当≠1 时，则为非线性响应。但是由于电子机械等原因，检测器不能做到绝对线性。因此只要=0.98～1.02范围内，就可认为是线性的了。在线性范围内，以输出信号的大小进行定量分析，非常准确。如在非线性部分，以输出信号大小判断样品含量，将会产生偏差。检测器有一定的线性范围，不可能在它的响应范围内完全呈线性，选择检测器时，线性范围要尽可能大些，这样能同时测定大量和痕量的组分。
14.4 色谱分离操作条件的选择
为了在较短时间内获得较满意的色谱分离结果，除了选择合适的固定相之外，还要选择最佳的操作条件，以提高柱效能，增大分离度，满足分离分析的需要。
根据范第姆特方程和色谱分离方程式，可推导色谱分离的操作条件。
1.柱长
增加柱长，可使理论塔板数增大，分离效能越好。但柱长过长，分析时间增加且峰宽也会加大，导致总分离效能下降。一般情况下，根据分离度R=1.5的要求，选择适宜的柱长，以使各组分能得到有效分离为宜。
2.载气及流速的选择
选用何种载气，从两个方面考虑。首先考虑检测器的适应性，如：TCD常用H2、He作载气，FID、FPD和ECD常用N2 作载气；其次考虑流速的大小，根据范第姆特方程，求导计算出最佳流速和最小板高。
由范第姆特方程可知，当流速u较小时，分子扩散项（B/u）是影响板高的主要因素，应选择相对分子质量大的载气（如N2，Ar），以使组分在载气中的扩散系数小；当流速u较大时，传质阻力项（Cu）起主要作用，应选择相对分子质量较小的载气（如H2，He），以减小传质阻力，提高柱效。
3.柱温的选择
柱温是气相色谱重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。柱温改变，影响分配系数K，分配比k，组分在流动相中的扩散系数Dg和组分在固定相中的扩散系数Ds，从而影响分离效率和分析速率。提高柱温，可以加快传质速率，有利于提高柱效，缩短分析时间。但增加柱温又加剧了纵向扩散，峰拖尾过高造成固定液流失，柱效降低，同时也降低了选择性。从分离的角度考虑，应选择较低的柱温，但又会使分析时间延长，峰形变宽，柱效下降。
因此，选择柱温的一般原则是：在使最难分离的组分尽可能分离的前提下，尽量采用较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。
柱温的具体选择还应考虑固定液的使用温度，柱温应介于固定液的最低使用温度和最高使用温度之间，否则不利于分配或易导致固定液挥发流失。
在实际工作中，常通过实验来选择最佳柱温，既能使各组分分离，又不使峰形扩张、拖尾。对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中，按一定速率提高柱温，使柱温连续或分阶段升温。在程序升温开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留在柱口，随着温度升高，不同沸点的组分能在其合适的温度下得到良好的分离。
4.载体粒度及筛分范围
（1）载体粒度（dp）的减小有利于提高柱效。但也不可太小，这样不仅不易填充均匀致使填充不规则因子λ增大，导致H增大，而且将需要较大的柱压，容易漏气，给仪器装配带来困难。一般填充柱要求载体颗粒直径是柱直径的1/10左右，即60～80目或80～100目较好。
（2）载体颗粒要求均匀，筛分范围要窄，以降低λ值，减小H。一般使用颗粒筛分范围约为20目。
5.进样方式及进样量
进样速度必须很快，要以“塞子”方式进样，以防止峰形扩张，进样时间应在1s以内。
色谱柱的进样量，随柱内径，柱长及固定液用量的不同有所差别，柱内径越大，固定液用量越高，可适当增加进样量。如果进样量过大，甚至超过最大进样量，不但偏离峰高或峰面积与进样量的线性关系范围内，而且会造成色谱柱超负荷，柱效急剧下降，峰形变宽，保留时间也发生改变。
14.5 毛细管气相色谱法简介
毛细管气相色谱法（capillary
gas chromatography，CGC）是采用高分离效能的毛细管柱分离复杂组分的一种气相色谱法。
色谱动力学理论认为，气相色谱填充柱在运行中存在严重的涡流扩散，影响柱效的提高。1956年，格雷（Golay）提出了非填充柱（空心柱）的理论并制作出效率极高毛细管柱并于次年发表 “涂壁毛细管气液分配色谱理论和实践”的论文，首先提出毛细管速率方程，并第一次实现了毛细管气相色谱分离，为毛细管色谱奠定了理论基础。一根内径0.1~
20世纪70年代末～80年代初，借助于拉制光导纤维技术，石英弹性毛细管问世，开辟了毛细管色谱大发展时期，相继出现了很多新技术，如多孔层开管柱，键合、交联开管柱等，它们为分析复杂有机混合物，如石油成分、天然产物、环境污染物、生物样品等开辟了广阔的应用前景。
毛细管气相色谱仪和填充柱色谱仪十分相似，只是在柱前多一个分流或不分流进样器，柱后加了一个尾吹气路。常用的毛细管色谱仪大都是单气路，其流程见图14.8。分流/不分流进样方式见图14.9。
图14.8 毛细管色谱仪气路图
因毛细管柱内径细，柱容量小，出峰快、峰形窄，因此对色谱仪本身（如进样系统、检测器、记录仪等）有些特殊的要求。
图14.9毛细管柱分流/不分流进样
1.进样系统
毛细管柱进样方式分为：分流；无分流；冷柱头进样；全量进样等方式。
毛细管柱进样量小（一般液样10-2～10-3 μL，气样约1 μL），可采用分流法进样。即在气化室出口分两路，绝大部分放空，极少部分进柱子，这两部分比例叫分流比。常用分流比 1:30～1:120。分流法进样简便、柱效高，但易失真、浪费样品。目前毛细管柱进样系统最常用的分流方法是动态分流法。
2.尾吹
由于毛细管柱内载气流速低，流量小，组分会因柱后死体积突然增加而发生严重的纵向扩散，从而导致峰形展宽。可使在柱中已分离组分在柱后再次重叠，影响分离，可通过增加尾吹气而改善。
3.检测器
因毛细管柱内流速低，内径细，进样量小（约10-5～10
在进行快速分析时，因峰宽只有几秒或少于1 s，要求检测器、记录器响应时间快。常用检测器FID，也可用ECD，此时需在毛细管出口外加尾吹气以降低检测器死体积。
毛细管色谱柱是毛细管色谱仪的关键部位，具备高效、惰性、热稳定性好等的特点。
1.毛细管色谱柱的分类
毛细管柱的内径一般小于
（1）填充型 分为填充毛细管柱和微填充柱，填充毛细管柱先在玻璃管内松散地装入载体，拉成毛细管后再涂固定液；微填充柱与一般填充柱相同，只是径细，载体颗粒在几十到几百微米，目前应用都不多。
（2）开管柱 毛细管柱由不锈钢、玻璃等制成，不锈钢毛细管柱由于惰性差，有一定的催化活性，加上不透明，不易涂渍固定液，现已很少使用。玻璃毛细管柱表面惰性较好，表面易观察，因此长期使用，但易折断，安装较困难。1979年出现了使用熔融石英制作的色谱柱，由于具有化学惰性，热稳定性、弹性及机械强度好，因此该类色谱柱已占有主要位置。毛细管柱按照其固定液的涂渍方法可以分为以下几种：
①涂壁开管柱（wall
coated open tubular，WCOT） 将固定液直接涂在毛细管内壁上，这是Golay最早提出的毛细管柱，为经典的毛细管柱。但管壁的表面光滑，润湿性差。因其制备难、柱子的重复性差、内表面小、涂渍量小和β值大，易导致有效塔板数和实际分离能力不高，且热稳定性也较差，故已很少使用。
②多孔层开管柱（porous
layer open tubular，PLOT） 在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体微粒，不再涂固定液，实际上是使用开管柱的气固色谱。
③载体涂渍开管柱（support
coated open tubular，SCOT） 先在毛细管内壁涂一层很细的多孔颗粒，然后再在多孔颗粒上涂渍固定液。
④化学键合相毛细管柱 将固定相用化学键合的方法键合到硅胶涂覆的柱表面，或表面处理的毛细管内壁上。
⑤交联毛细管柱（cross-linked
open tubular column，CLOT） 涂好固定液后再用偶联剂交联键合，柱子性能有很大改善，能耐高温，抗水、抗溶剂。
2.毛细管柱与填充柱的比较
与填充柱相比，毛细管柱在柱长、柱径、固定液液膜厚度、容量以及分离能力上都有较大差别（见表14.7）。
（1）柱渗透性好，阻抗小，可使用长色谱柱。一般毛细管的比渗透率约为填充柱的100倍,在同样的柱前压下,
可使用更长的毛细管柱(如
（2）总柱效高，大大提高了对复杂混合物的分离能力。从单位柱长的柱效看,
毛细管柱和填充柱处于同一数量级,
但毛细管柱的长度比填充柱可长1~2个数量级,
因此其总柱效远高于填充柱，这样就大大提高了分离复杂混合物的能力。
（3）柱容量低，允许进样量小。这样对进样和检测技术要求更高。进样量取决于柱内固定液含量，由于毛细管柱涂渍的固定液仅几十mg，液膜厚度为0.35~1.5
μm，柱容量小， 一般液体进样量为10-2~10-3 μL，故需要采用分流进样技术。
（4）相比率β大。相比大，传质快，有利于提高柱效；k值小有利于快速分析。毛细管柱的液膜厚度小,
柱效高，加上柱渗透性大，可采用较高线流速缩短分析时间。
表14.7填充柱和毛细管柱性能的比较
|
色谱参数 |
填充柱 |
WCOT |
SCOT |
|
柱长度/m |
1~5 |
10~100 |
10~50 |
|
渗透性×10-7/cm |
1~10 |
50~800 |
200~1000 |
|
柱内径/mm |
2~4 |
0.1~0.8 |
0.5~0.8 |
|
液膜厚度/mm |
10 |
0.1~1 |
0.8~2 |
|
相比 |
4~200 |
100~1500 |
50~300 |
|
每个峰的容量/ng |
10~106 |
<100 |
50~300 |
|
柱效/(N/m) |
500~1000 |
1000~4000 |
600~1200 |
|
最小板高/mm |
0.5~2 |
0.1~2 |
0.2~2 |
|
分离能力 |
低 |
高 |
中等 |
|
相对压力 |
高 |
低 |
低 |
|
最佳线速/(cm·s-1) |
5~20 |
10~100 |
20~160 |
根据填充柱气相色谱法的分离原理，提高色谱分离能力的途径为：
（1）根据塔板理论，可通过增加柱长，减小柱径，即增加柱子塔板数。
（2）根据速率理论，通过减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力，可降低塔板高度。
毛细管气相色谱法与填充柱的分离原理是相同的。但由于毛细管柱本身特点，使理论模型中的一些影响因素与填充柱相比有些差异。
1.毛细管柱的速率方程—Golay方程
毛细管速率理论和填充柱速率理论基本相同，对于空心毛细管柱而言，由于不填充载体，涡流扩散项A项为零。Golay推断出的毛细管柱速率方程为：
（14.10）
毛细管柱的H-u图也是一个双曲线，在u值是最佳值时，H值最小。
。
Cg，Cl的大小取决于分配系数及柱的几何性（以相比β为代表）。一般而言，毛细管柱液膜越薄，β越大，液相传质阻力Cl项不起控制作用。
(1) WCOT 柱的Golay方程
1957年Golay提出了WCOT的速率方程表达式
（14.11）
式中：Dg为气相扩散系数；u为载气流速；k为容量因子；rg自由气体流路半径，rg=r-df，r为毛细管柱半径，df为平均液膜厚度；Dl为液相扩散系数；β为相比率，其表达式为：
（14.12）
式中：Vm为毛细管中气体所占据的体积；Vl为液相体积；u为载气线速率； a，b分别为半峰宽与保留时间直线的截距和斜率;
t0为死时间；相比β是毛细管柱型与结构的重要特征,
β值一般为60～600。
（2）SCOT
柱的Golay方程
1963年Golay提出了SCOT柱的速率方程表达式
(14.13)
式中：α为相对多孔层厚度，一般在0.05~0.1；F为液相表面积之比，约为8~10。
由上述公式，可推导出以下结论：
①毛细管柱与填充柱的速率理论方程相似，但毛细管柱的影响因素比填充柱更为复杂。
②开管毛细管柱的涡流扩散项为零，而填充柱则受填充颗粒大小与均匀程度的影响。
③不论是毛细管柱与填充柱，分子扩散项都与气体扩散系数成正比，开管柱没有扩散
路径弯曲，故弯曲因子γ= 1。填充柱还受弯曲因子的影响。
④毛细管柱的气相传质阻力与液相传质阻力项的影响因素比填充柱更为复杂，Cg+Cl小于填充柱中的C值，曲线斜率小于填充柱。因而，可选择使用较高的线速率。
⑤细管色谱柱效可用理论塔板数、分离度R等公式与填充柱色谱法相同。
⑥在毛细管柱，柱内只有一个流路，涡流扩散项2λdp=0。用液膜厚代替了填充柱中载体的颗粒直径dp。
14.6气相色谱法的应用
气相色谱法在生物科学、医药卫生、食品检验、环境监测、药物分析等领域具有广泛的应用。当样品更复杂时，多维色谱技术发挥了巨大的作用，如通常的二维气相色谱（GC+GC）和全二维气相色谱（GC×GC）。其中，全二维气相色谱是色谱技术上的又一次革命性突破，已经成为目前最强大的分离分析工具，在复杂化合物的分离中发挥积极的作用。
[例14.1] 水果和蔬菜中多种有机磷农药残留量的测定。
解：分析条件如下：
色谱柱：50%聚苯基甲基硅氧烷（DB-17或HP-50）毛细管柱（
检测器：FPD，分流/不分流进样；
进样口温度：
柱温：
载气：N2 10
mL·min-1，燃气：H2 75
mL·min-1，助燃气：空气100
mL·min-1；
tR/min
1.敌敌畏 2.乙酰甲胺磷 3.百治磷 4.乙拌磷 5.乐果 6.甲基对硫磷 7.毒死蜱 8.嘧啶磷 9.倍硫磷 10.辛硫磷 11.灭菌磷 12.三唑磷 13.亚胺硫磷
[例14.2] 气相色谱法测定酱油中防腐剂。
解：分析条件如下：
色谱柱：Rxi-17 毛细管柱（
检测器：FID，分流比10:1；
载气：N2 2.0 mL·min-1，H2流速 30 mL·min-1，空气流速400 mL·min-1；
进样口温度：
程序柱温：起始
tR/min
1.山梨酸 2.苯甲酸 3.脱氢乙酸 4.对羟基苯甲酸甲酯 5.对羟基苯甲酸乙酯
6.对羟基苯甲酸丙酯 7.对羟基苯甲酸丁酯
[例14.3] 气相色谱法分析空气中的有机污染物。
解：分析条件如下：
色谱柱：FFAP毛细管柱（
检测器：FID，分流比：20:1；
进样口温度：
程序升温：
载气：N2 25
mL·min-1，燃气：H2 45
mL·min-1，助燃气：空气300
mL·min-1；
tR/min
1.苯 2.甲苯 3.乙酸乙酯 4.十一烷 5.乙苯 6.对二甲苯 7.间二甲苯 8.邻二甲苯 9.苯乙烯
思考题与习题
14.1简要说明气相色谱仪的流程及各部分的作用。
14.2简述热导、火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器的检测原理，各具有什么特点？
14.3试述速率方程中A，B，C三项的物理意义。
14.4列举评价检测器的性能指标有哪些？
14.5简述毛细管柱气相色谱的特点？为什么毛细管柱比填充柱有更高的柱效？
14.6在气相色谱中，如何选择固定液、柱温和载气？
14.7在气相色谱分析中，测定下列组分，应分别选用哪种检测器？
（1）酒中水含量；
（2）蔬菜中含氯农药的残留量；
（3）苯和二甲苯的异构体；
（4）啤酒中微量硫化物。
14.8判断下列情况对色谱峰峰形的影响
①进样速度慢；②由于气化室温度低，样品不能瞬间气化；③增加柱温；④增大载气流速；⑤增加柱长；⑥固定相颗粒变粗。
14.9二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷的沸点分别为
14.10用皂膜流量计测得柱出口处载气流速为30
mL·min-1，柱前表压为1.52×105 Pa。已知大气压为1.01×105 Pa，色谱柱温为
14.11已知记录仪的灵敏度为0.658
mV·cm-1，记录仪走纸速度为