第十九章：气相色谱法

第十九章：气相色谱法

第一节：气相色谱法的分类和气相色谱仪

气相色谱法的分类

分离机制：吸附色谱、分配色谱

固定相的聚集状态：气-液色谱法、气-固色谱法

操作形式：柱色谱、填充柱色谱、毛细管柱色谱

气相色谱法的特点

1. 分离效能高：塔板数大
2. 高灵敏度：痕量
3. 高选择性：
4. 简单快速：
5. 应用广泛：只要沸点500℃以下，热稳定性好，相对分子质量400以下的物质，原则上都可以直接采用气相色谱法

气相色谱仪

1. 气路系统：气源、气体净化、气体流速控制装置
2. 进样系统：进样器、气化室，加热系统
3. 色谱柱系统：色谱柱和恒温箱
4. 检测和记录系统：
5. 控制系统：

第二节：气相色谱法的固定相和载气

气-液色谱法的固定相

固定液

固定液一般是高沸点液体，在室温下呈固态或也太，在操作温度下为液态

要求：蒸汽压不低于10Pa，热稳定性好；选择性高；对试样中各组分由足够的溶解能力

分类：

1. 按化学结构：烃类（角鲨烷，阿皮松）、聚硅氧烷类（最常用）、聚乙二醇类和酯类
2. 按相对极性：
   1. 相对极性：规定β，β’-氧二丙腈的相对极性为100，角鲨烷为0，用公式计算相对极性。规定1~20为+1，21~40为+2，以此类推，0和+1为非极性，+2，+3为中等极性，+4，+5为极性

固定液的选择：

1. 非极性组分：一般用非极性固定液，色散力，蒸汽压决定分配系数，各组分按沸点流出，沸点低的组分先出峰。弱试样中有极性组分，相同沸点的极性组分先出峰
2. 中等机型组分：中等极性固定液，诱导力和色散力。沸点和极性决定。沸点低，极性小的组分先出
3. 极性组分：极性固定液，静电力。极性小的先出
4. 能形成氢键的成分：氢键型固定液，形成氢键能力弱的先出
5. 分离极性和非极性一般选极性固定液，分离沸点差别较大的混合物，一般选用非极性固定液

载体：

1. 对载体的要求：比表面积大，粒径和孔径分布均匀；没有吸附性；不与固定液和被测组分反应；热稳定；有一定机械强度
2. 硅藻土类：
   1. 红色载体：密集，机械强度大，比表面积大。非极性组分，吸附活性，催化活性强
   2. 白色载体：疏松，比表面积小，吸附活性低，极性固定液

载体钝化：

1. 酸洗法：分析酸性化合物
2. 碱洗法：分析碱性化合物
3. 硅烷化：分析形成氢键能力强的化合物，二甲基二氯硅烷（DMCS）、六甲基二硅氮烷（HMDS）

气-固色谱法的固定相

吸附剂：石墨化炭黑、硅胶、氧化铝、分子筛

高分子多孔微球：耐高温、色谱峰形对称；无柱流失现象，寿命长；一般按极性顺序分离，极性大先出

载气

1. 氮气：热导数和大多数有机化合物相近，故使用热导检测器
2. 氢气：相对分子质量小，热导系数大，黏度小，常用作热导检测器的载气
3. 氦气：相对分子质量小，热导系数大，黏度小，线速度大，比氢气安全，常用于气-质联用

净化管：硅胶和分子筛可以消除水分，装有活性铜基催化剂的柱管和装有105型钯催化剂的柱管可降低氧含量，采用5A分子筛净化器可消除微量烃，净化管中填料应该经常更换

第三节：气相色谱检测器

• 热导检测器（TCD）——通用型检测器、浓度型检测器
• 氢焰离子化检测器（FID）——质量型检测器
• 电子捕获检测器（ECD）——选择性检测器、浓度型检测器
• 火焰光度检测器（FPD）——选择性检测器、质量型检测器
• 热离子检测器（TID）——质量型检测器

检测器的性能指标

1. 灵敏度：浓度型检测器S_c、质量型检测器S_m
2. 噪声和漂移：与检测器稳定性、载气纯度和流速、柱温稳定性、固定相流失
   1. 噪声：无样品通过检测器时，由于仪器本身和工作条件等偶然因素引起的基线起伏称为噪声
   2. 漂移：指基线在单位时间内单方向缓慢变化的幅值
3. 检测限：某组分的峰高恰为噪声的3倍时，单位时间内载气引入检测器中改组分的质量或单位体积载气中所含该组分的量。检测限越低性能越好
4. 最小检测量：某组分最小检测量是指产生3倍噪声信号时，色谱体系所需样品的质量。
5. 线性范围：响应信号与被测物浓度的关系呈线性的范围

热导检测器

结构简单、不破坏样品、通用性强、灵敏度低

检测原理：测定纯载气与色谱柱中载气的热导差值产生信号

使用注意事项：

1. 热导检测器峰面积与载气流速呈反比，峰高受流速影响较小
2. 为避免热丝被烧断，在没有通载气时不能加桥电流
3. 热导检测器灵敏度与载气和组分间热导差值有关
4. 桥电流越大灵敏度越高，但是会增大噪声、减小仪器寿命，所以应在灵敏度足够情况下尽量采取低电流
5. 降低检测室温度可增加电导，增加灵敏度，但是检测器温度不得低于柱温，一般高于柱温20~50℃

氢焰离子化检测器

灵敏度高、响应快、噪声小、线性范围宽，样品被破坏且只能测定含碳化合物，适宜痕量组分分析

检测原理：离子化室、火焰喷嘴、发射极、收集极。加热使被测组分电离产生的离子在电场作用下定向运动形成电流

使用注意事项：

1. 要使用三种气体，载气用氮气，燃气用氢气，空气作为助燃剂
2. 质量型检测器，峰高与流速成正比，流速对面积影响较小，一般采用峰面积定量

电子捕获检测器

高选择性、高灵敏度，只对含有强电负性元素响应

结构和原理：放射源辐射氮气产生电子和正离子，形成电流，电负性原子捕获电子与正离子反应形成中性粒子，降低电流，产生信号

使用注意事项：

1. 应使用高纯度氮气，不能含有氧气和水，否则影响检测器寿命
2. 载气流速对基流和响应信号也有影响
3. 含放射源，注意安全

其他检测器

第四节：气相色谱速率理论和分离条件选择

气相色谱速率理论

1. 涡流扩散：，空心毛细管柱中无涡流扩散，A=0
2. 纵向扩散：对填充柱而言，由于填料的存在，使扩散有障碍，γ<1；空心毛细管柱因扩散无障碍，γ=1。曹勇相对分子质量较大的载气，控制较低柱温，采用较高的载气流速和较大柱压，可以减小分子扩散，提高柱效。一般载气线速度较低时用相对分子质量较大的氮气，较高时用氦气或氢气。组分在液相中的分子扩散可以忽略不计
3. 传质阻抗：C_u包括气相传质阻抗和液相传质阻抗。气相传质阻抗系数很小可以忽略不计。液相传质过程是指组分从气液界面扩散进入固定液，并扩散至固定液深部进而达到分配平衡，然后再回到气液界面，这个过程中气相中组分仍然随载气不断向前，造成峰形扩张

低柱温有利于分离

气相色谱实验条件

分离方程式：

增加k，分离度增加但是峰变宽；增加n，峰变锐，改善分离度；增加α，分离选择性增加而提高分离度

1. 固定相：

2. 载气流速和种类：低流速，选用相对分子质量较大的载气；高流速选用相对分子质量较小的载气

3. 柱温：降低柱温有利于提高分离度，使难分离物质对能获得良好的分离，分析时间适宜，并且再峰形不拖尾的前提下，尽可能采用低柱温。程序升温应用于宽沸程试样。

   恒温色谱图与程序升温色谱图的主要差别是前者色谱峰半峰宽随t_R增大而增大，后者半峰宽与t_R无关。

4. 柱长：在达到一定分离度的条件下，尽可能使用短柱，从而节省分析时间

5. 其他：

   1. 气化室温度：一般等于或稍高于试样沸点，高于柱温30~50℃
   2. 检测室温度：高于柱温20~50℃
   3. 进样时间和进样量：一般1 s内完成，液体进样量不超过10 ，气体进样量不超过10 ml

样品预处理

对一些挥发性或热稳定性差的物质，需进行预处理

1. 分解法：水解法、热裂解法
2. 衍生化法：酯化、酰化、硅烷化

第五节：毛细管气相色谱法

毛细管气相色谱法的特点和分类

毛细管气相色谱法的特点

1. 分离效能高
2. 柱渗透性好：可在较高载气流速下分析，提高分析速度
3. 柱容量小：允许的最大进样量小
4. 易实现气相色谱-质谱联用：载气流速小
5. 应用范围广：

毛细管柱的分类

按材质：金属、玻璃、弹性熔融石英（FSOT）

按制备方法：开管型、填充型

按内壁状态：

1. 涂壁（WCOT）
2. 多孔层（PLOT）
3. 载体涂层（SCOT）
4. 交联或键合

按内径：

1. 常规：0.1 mm、0.25 mm、0.32 mm
2. 小内径：
3. 大内径：

毛细管气相色谱速率理论和实验条件选择

对于高效薄膜毛细管柱，液相传质阻抗小，影响柱效的主要是气相传质阻抗，为了降低该项，选用氢气氦气作为载气

实验条件选择

1. 内径：内径越细，柱效越高
2. 载气：氢气氦气作为载气，最佳柱效和氮气差不多，但最佳线速度比氮气大，有利于缩短分析时间
3. 液膜厚度：分离挥发性低、热稳定性差的物质需要用薄液膜柱，分析高挥发性、保留至小的物质液膜厚度大于1 快速分析往往用小内径和薄膜柱，若需要大柱容量，则采用大口径和厚液膜柱

毛细管气相色谱系统

流路系统与填充柱没有本质差别，主要区别是在进样系统增加分流装置，在柱后增加尾吹起供气装置

制备

拉制、柱表面处理、固定液涂渍

进样系统

柱外效应对分离效率和定量结果影响很大，在进样部分要有特殊处理装置

1. 分流进样：操作简单，柱外效应小，柱效高；排除难挥发组分，防止污染色谱柱；但是对宽沸程试样易产生非线性分流，载气消耗量大，热稳定性差的易发生热分解
2. 无分流进样：多用于稀样品；程序升温其实温度要低于溶剂沸点；尽量使用耐溶剂冲洗的交联毛细管

顶空气相色谱分析

HS-GC：取样品上方的气相部分进行分析，一般过程包括：加热平衡、取样、进样、气相色谱分析。柑橘取样和进样不同可分为静态顶空气相色谱法和动态顶空气相色谱法

1. 基本原理：供试液中被测组分与其上方气相中的浓度成正比
2. 顶空进样装置：取样针、定量环、转移管
3. 注意事项：
   1. 供试液不得太多
   2. 溶剂不得干扰被测溶剂的测定
   3. 平衡时间足够长
   4. 对照品溶液和供试品溶液的基质差异可能影响定量准确性，可用标准加入法消除

第六节：定性与定量分析

定性分析

1. 对照品对照法：
2. 利用相对保留值定性：
3. 利用保留指数定性：保留指数重复性及准确性较好
4. 基团分类测定法：
5. 两谱联用定性：

定量分析

系统适用性试验

根据《中国药典》要求，色谱法用于药物分析时，需按各品种项下要求对色谱系统进行适用性试验，即用规定的对照品溶液或系统适用性试验液进行试验，以判定所用色谱系统是否符合规定

1. 色谱柱理论塔板数n
2. 分离度R
3. 重复性
4. 拖尾因子T：评价色谱峰对称性

定量校正因子

由于同一检测器对相同质量的不同物质具有不同的响应值，因此不能用峰面积来直接计算物质的量，需要引入校正因子的概念。

相对校正因子：被测物质i与标准物质s的绝对校正因子之比

定量方法

1.归一化法：

简便、定量结果与进样量无关，操作条件变化对结果影响小但是必须在一个分析周期内测定所有组分，且检测器对它们都有信号，不能用于微量杂质测定

1. 外标法：工作曲线法和外标一点法
2. 内标法：适用于组分不能全部流出色谱柱或检测器不能对每个组分都有响应或只需定量测定试样中几个组分质量分数的情况。
   1. 内标物要求：试样中不存在；色谱峰位于被测组分附近并与这些组分完全分离；纯度符合要求
   2. 内标法分为内标工作曲线法、内标一点法、内标校正因子法（用校正因子计算）
3. 标准加入法：在难以找到合适内标物或色谱峰上难以插入内标时使用