气相色谱讲义
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第一节 气相色谱法概述 第二节 气相色谱分析的理论基础 第三节 色谱分离条件的选择 第四节 固定相与选择 第五节 气相色谱检测器 第六节 气相色谱定性方法 第七节 气相色谱定量方法
1．色谱法概述、分类； 2．流出曲线和有关术语 3．色谱法基本理论； 4．分离度； 5．气相色谱仪五个主要部分的作用、原理； 6．操作条件的选择(如载体、固定相、温度等的选择)； 7．定性定量分析方法
第二节 气相色谱理论基础
Fundamental of chromatograph theory
一、气-固和气-液色谱分析 Fundamental principle of GC 二、塔板理论 Plate theory 三、速率理论 Rate theory
一、气－固色谱及气－液色谱的基本原理
多组分试样通过色谱柱分离的流程 色谱柱: 填充柱(内径为2-6毫米,长0.5-10米的U型或者螺旋型金属或玻璃)
从柱头加入，随着流动相不断加入，洗脱作用连续进行，直至A和B组分先后流 出柱子而进入检测器，从而使各组分浓度转变成电信号后在荧光屏上显示出来。
根据峰的位置（出峰时间 t ）——定性 根据峰的面积 A （或峰高h） ——定量
2、色谱法分类
（一）按两相物理状态分:(流动相和固定相的物理状态) （二）按分离原理分 ： （三）按固定相的形式分：
（动画）
图1 典型色谱流出曲线
术语： （1）基线(base line)（2） 保留值(retention valume) （3） 色谱的区域宽度（peak width）
（1）基线（base line）：
操作条件稳定后，没有试样通过时检测器所反映的信号- 时 间曲线称为基线（O - O’）（它反映检测系统噪声随时间变化的 情况，稳定的基线应是一条水平)
（三）按固定相的形式：
1. 柱色谱法（Column chromatography ）： 固定相装在柱中 , 试样沿着一个方向移动而进行分离。
填充柱色谱法：固定相填充满玻璃管和金属管中。包括毛 细管柱色谱法：固定相固定在细管内壁。 2. 平板色谱法 （Planer chromatography ）：
基线漂移： 基线随时间定向的缓慢变化。
基线噪声： 由各种因素所引起的基线随机起伏。
信
信
号
号
基线漂移
基线噪音
基线
基线
（2）保留值
死时间（tM）： 不被固定相吸附或溶解的气体 （如空气、甲烷等）从进样开始到柱后出现浓 度最大值时所需的时间。死时间正比于色谱柱 的空隙体积。 保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需的时间；
♦ 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础
流
动
固定相
相
试样
1、色谱法
根据各物质在两相中的分配系数（表示溶解 或 吸附的能力）不同而进行分离、 分析的方法。各组分被分离后，可进一步进行定性和定量分析。
经典：是离线的，不能连续进行；将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管，用刀将各色带
切下，用适宜的方法进行分析；
现代：是在线的，能连续进行；当一个两组分（A和B）的混合物样品在时间t1
法。如：气一固色谱法、液-固色谱法——吸附色谱 2. 分配色谱法 （partition chromatography ）：
根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行 分离的方法。如：气-液色谱法、液-液色谱法——分配色谱 3. 离子交换色谱法（ion exchange chromatography ）
二、色谱分离过程
当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互 作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间 产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两 相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不 同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合 ，实现混合物中各组分的分离与检测。
色谱法。超临界状态的流体不是一般的气体或流体 , 而是临界压力
和临界温度以上高度压缩的气体 , 其密度比一般气体大得多而与液体 相似 , 故又称为 “ 高密度气相色谱法 ”
（二）按分离原理分 ：
1. 吸附色谱法（ adsorption chromatography ）： 根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方
气相色谱流程
（四）、色谱分析的基本概念
1、色谱流出曲线和术语
在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分 随着流动相的不断向前移动而在两相间反复进行 溶解、挥发，或 吸附、解吸的过程。如果各组分 在固定相中的分配系数（表示溶解或吸附的能力） 不同，就有可能达到分离。分配系数小的组分滞 留在固定相中的时间短，在柱内移动的速度快， 先流出柱子；分配系数大的组分滞留在固定相中 的时间长，在柱内移动的速度慢，后流出柱子； 分离后的各组分经检测器转换成电信号而记录下 来，得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱 流出曲线或 “色谱峰”。
1903俄植物学家 Tswett 用纯石油醚作为溶剂 用碳酸钙作为吸附剂把植物色素从植物色素提 取物中分离出来。
混合物的分离过程：试样中各组分在色谱 分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 色谱法是混合物最有效的分离、分析方法
动画
固定相：色谱柱中固定不动的一相。 流动相：色谱柱中携带混合物流过固定相 的流体（气体或液体）。
相对保留值（r21） （relative retention value)两组分调整保留值之比2相对1组
分：
r21
=
t
' R
2
t
' R1
= VR' 2 VR' 1
≠
tR2 t R1
也可用α表示多元混合物分离中最难分离的两 组分（2物质比1物质后出峰），
α
=
t
' R
2
= VR' 2
t
' R1
VR' 1
F0为柱出口处的载气流量，单位：mL /min。 保留体积（VR）：从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过
的载气体积。当色谱柱载气流速为F0(ml/min)时，它与保留时间 的 关系为：
VR = tR×F0 调整保留体积（VR ＇ ）： 扣除死体积后的保留体积
VR＇ = VR －VM
保留体积的大小实际上与流速没有关系，因为流速越大保留时间越短。
毛细管柱长度从5—105米，一般盘约150mm螺旋状。) 气－固色谱分析中的固定相是一种具有多孔性及较大表面积的吸附剂
颗粒。(吸附和脱附) 气－液色谱分析中的固定相是在化学惰性的固体微粒（此固体是用来
支持固定液的，称为担体）表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。 这种高沸点有机化合物称为固定液。(溶解、挥发、再溶解、再挥发)
气-固色谱和气-液色谱分离过程
流
动
固定相
相
试样组分 气－液色谱
流 动 相
试样组分
气－固色谱 固定相
分配过程：物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸 附、脱附和溶解、挥发的过程。
被测组分按其溶解和挥发能力（吸附和脱附能力）的大小、按一定 的的比例分配在固定相和相之间。 溶解度（吸附能力）大的组分分配给固定相的两多些气相中少，反 之亦然。
为正态分布曲线上拐点间距离之半。对于正常峰，σ为0.607 倍峰高处色谱峰宽度的一半。(σ 的大小表示组分被带出色谱柱的 分散程度，σ 越大，组分流出越分散；反之亦然。σ 的大小与柱 效有关，σ 小，柱效高)
（2）半(高)峰宽 Yh/2（peak width at half-height）：
峰高一半处的色谱峰宽度。半峰宽与标准偏差的关系为：
α越大说明分离效果越好，α＝1表示不能分离
相对保留值只与柱温和固定相性质有关，指定物质对后，α只与柱温，固定相性 质有关, 与色谱柱参数和流速无关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相 对这两种组分的选择性。
（3）色谱的区域宽度
通常用三种方法来表示：
（1）标准偏差σ （standar deviation）：
离子交换树脂上可以电离的离子与流动相中具有相同电荷的离子进行 交换; 依据这些离子对交换剂具有不同亲和力而进行分离。 4. 排阻色谱法（ size exclusion chromatography）又称凝胶色谱法 （
gel chromatography ）,根据不同组分的分子体积大小的差异进 行分离的方法。 其中：以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法 ；以有机溶剂作流动相 的 称为凝胶 渗透色谱法。
（三）、气相色谱流程
气相色谱的五个组成部分(五个系统): 1、载气系统：气源、气体净化、气体 流速控制和测量 2、进样系统：进样室、气化室 3、色谱柱和柱箱: 包括恒温控制装置.
填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂 有固定液
4、检测系统：检测器、控制装置 .可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检 测器最为常见 5、记录系统：放大器、记录仪（PC:记录和数据处理）
（一）、气相色谱仪
产品名称：气相色谱仪GC-2010 产地：日本
日本岛津GC－17A气相色谱仪（1993年生产）
集成控制系统
美国安捷伦7890型气相色谱－5977型质谱联用仪
GC190微型便携式气相色谱仪 主机重量＜3kg， 包括电池和气源＜10kg。 体积约30×28×7.5cm 加热电源18VDC，总功率＜60W 微型FID检测器
第一节 气相色谱法概述
Generalization of GC
一、 特点、分类和作用
Characteristic , classification, use
二、色谱分离过程 Separation process of GC 三、气相色谱法概述 Generalization of GC
一、 色谱法的特点、分类和作用
分配系数K：在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡 时的浓度比。
调整保留时间（tR ‘）：扣除死时间后的组分保留时间如图中的tR(1)’、 tR(2)’所示。tR’ 表示某组分因溶解或吸附于固定相后，比非滞留组分在 柱中多停留的时间：
tR＇= tR－tM
用体积表示的保留值 பைடு நூலகம்体积（VM）：色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒之间所剩余的空
间、色谱仪中管路和连接有头间的空间总和 VM = tM ×F0
固定相呈平面状的色谱法。纸色谱法： 以吸附水分的 滤纸作固定相；包括薄层色谱法：以涂敷在玻璃板上的吸 附剂作固定相。
三、气相色谱法概述
气相色谱法是采用气体作为流动相的一种色谱法。 在此法中，载气（是不与被测物作用，用来载送试样
的惰性气体，如氢、氮等）载着欲分离的试样通过色 谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检 测。
（一）按两相物理状态分:(流动相和固定相的物理状态)
1. 气相色谱法 (GC)用气体作流动相的色谱法。
气 -固色谱法 GSC (固定相为固体吸附剂) 气-液色谱法 GLC (固定相为涂在固体或毛细管壁上的液体）
2. 液相色谱法 (LC)用液体作流动相的色谱法。
液-固色谱法 LSC（固定相为固体吸附剂） 液-液色谱法 LLC（固定相为涂在固体载体上的液体） 3. 超临界流体色谱法 (SFC)：用超临界状态的流体作流动相的
Y1/2 = 2σ 2Ln2 = 2.35σ
（3）峰宽或称Y：通过色谱峰两侧的拐点作切线，切线与基
线交点间的距离为峰宽， 峰宽与标准偏差的关系为： Y = 4σ
色谱流出曲线的作用：
（1）根据色谱蜂的位置（保留值）可以进行定性检定。
（2）根据色谱蜂的面积或峰高可以进行定量测定。 （3）根据色谱峰的位置及其宽底可以对色谱柱分离情
况进行评价。
（五）、气相色谱法的特点
（1）分离效率高： 复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。
（2） 灵敏度高： 可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量.
（3） 分析速度快： 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广： 适用于沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。 不足之处： 不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。 被分离组分的定性分析较为困难。
（二）、气相色谱仪基本构成
气相色谱仪基本构成
英国Pye-Unicam 204型气相色谱仪（1979年生产）
气体系统（含载气、燃气及助燃气）
进样系统
柱箱及色谱柱（填充柱）
检测系统（温控等）
记录及信号放大系统
日本岛津GC－16A气相色谱仪（1986年生产）
柱箱及毛细管色谱柱
火焰光度检测器（FPD）
1．色谱法概述、分类； 2．流出曲线和有关术语 3．色谱法基本理论； 4．分离度； 5．气相色谱仪五个主要部分的作用、原理； 6．操作条件的选择(如载体、固定相、温度等的选择)； 7．定性定量分析方法
第二节 气相色谱理论基础
Fundamental of chromatograph theory
一、气-固和气-液色谱分析 Fundamental principle of GC 二、塔板理论 Plate theory 三、速率理论 Rate theory
一、气－固色谱及气－液色谱的基本原理
多组分试样通过色谱柱分离的流程 色谱柱: 填充柱(内径为2-6毫米,长0.5-10米的U型或者螺旋型金属或玻璃)
从柱头加入，随着流动相不断加入，洗脱作用连续进行，直至A和B组分先后流 出柱子而进入检测器，从而使各组分浓度转变成电信号后在荧光屏上显示出来。
根据峰的位置（出峰时间 t ）——定性 根据峰的面积 A （或峰高h） ——定量
2、色谱法分类
（一）按两相物理状态分:(流动相和固定相的物理状态) （二）按分离原理分 ： （三）按固定相的形式分：
（动画）
图1 典型色谱流出曲线
术语： （1）基线(base line)（2） 保留值(retention valume) （3） 色谱的区域宽度（peak width）
（1）基线（base line）：
操作条件稳定后，没有试样通过时检测器所反映的信号- 时 间曲线称为基线（O - O’）（它反映检测系统噪声随时间变化的 情况，稳定的基线应是一条水平)
（三）按固定相的形式：
1. 柱色谱法（Column chromatography ）： 固定相装在柱中 , 试样沿着一个方向移动而进行分离。
填充柱色谱法：固定相填充满玻璃管和金属管中。包括毛 细管柱色谱法：固定相固定在细管内壁。 2. 平板色谱法 （Planer chromatography ）：
基线漂移： 基线随时间定向的缓慢变化。
基线噪声： 由各种因素所引起的基线随机起伏。
信
信
号
号
基线漂移
基线噪音
基线
基线
（2）保留值
死时间（tM）： 不被固定相吸附或溶解的气体 （如空气、甲烷等）从进样开始到柱后出现浓 度最大值时所需的时间。死时间正比于色谱柱 的空隙体积。 保留时间（tR）：组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需的时间；
♦ 两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础
流
动
固定相
相
试样
1、色谱法
根据各物质在两相中的分配系数（表示溶解 或 吸附的能力）不同而进行分离、 分析的方法。各组分被分离后，可进一步进行定性和定量分析。
经典：是离线的，不能连续进行；将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管，用刀将各色带
切下，用适宜的方法进行分析；
现代：是在线的，能连续进行；当一个两组分（A和B）的混合物样品在时间t1
法。如：气一固色谱法、液-固色谱法——吸附色谱 2. 分配色谱法 （partition chromatography ）：
根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行 分离的方法。如：气-液色谱法、液-液色谱法——分配色谱 3. 离子交换色谱法（ion exchange chromatography ）
二、色谱分离过程
当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互 作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间 产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两 相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不 同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合 ，实现混合物中各组分的分离与检测。
色谱法。超临界状态的流体不是一般的气体或流体 , 而是临界压力
和临界温度以上高度压缩的气体 , 其密度比一般气体大得多而与液体 相似 , 故又称为 “ 高密度气相色谱法 ”
（二）按分离原理分 ：
1. 吸附色谱法（ adsorption chromatography ）： 根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方
气相色谱流程
（四）、色谱分析的基本概念
1、色谱流出曲线和术语
在色谱法中，当样品加入后，样品中各组分 随着流动相的不断向前移动而在两相间反复进行 溶解、挥发，或 吸附、解吸的过程。如果各组分 在固定相中的分配系数（表示溶解或吸附的能力） 不同，就有可能达到分离。分配系数小的组分滞 留在固定相中的时间短，在柱内移动的速度快， 先流出柱子；分配系数大的组分滞留在固定相中 的时间长，在柱内移动的速度慢，后流出柱子； 分离后的各组分经检测器转换成电信号而记录下 来，得到一条信号随时间变化的曲线，称为色谱 流出曲线或 “色谱峰”。
1903俄植物学家 Tswett 用纯石油醚作为溶剂 用碳酸钙作为吸附剂把植物色素从植物色素提 取物中分离出来。
混合物的分离过程：试样中各组分在色谱 分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。 色谱法是混合物最有效的分离、分析方法
动画
固定相：色谱柱中固定不动的一相。 流动相：色谱柱中携带混合物流过固定相 的流体（气体或液体）。
相对保留值（r21） （relative retention value)两组分调整保留值之比2相对1组
分：
r21
=
t
' R
2
t
' R1
= VR' 2 VR' 1
≠
tR2 t R1
也可用α表示多元混合物分离中最难分离的两 组分（2物质比1物质后出峰），
α
=
t
' R
2
= VR' 2
t
' R1
VR' 1
F0为柱出口处的载气流量，单位：mL /min。 保留体积（VR）：从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过
的载气体积。当色谱柱载气流速为F0(ml/min)时，它与保留时间 的 关系为：
VR = tR×F0 调整保留体积（VR ＇ ）： 扣除死体积后的保留体积
VR＇ = VR －VM
保留体积的大小实际上与流速没有关系，因为流速越大保留时间越短。
毛细管柱长度从5—105米，一般盘约150mm螺旋状。) 气－固色谱分析中的固定相是一种具有多孔性及较大表面积的吸附剂
颗粒。(吸附和脱附) 气－液色谱分析中的固定相是在化学惰性的固体微粒（此固体是用来
支持固定液的，称为担体）表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。 这种高沸点有机化合物称为固定液。(溶解、挥发、再溶解、再挥发)
气-固色谱和气-液色谱分离过程
流
动
固定相
相
试样组分 气－液色谱
流 动 相
试样组分
气－固色谱 固定相
分配过程：物质在固定相和流动相（气相）之间发生的吸 附、脱附和溶解、挥发的过程。
被测组分按其溶解和挥发能力（吸附和脱附能力）的大小、按一定 的的比例分配在固定相和相之间。 溶解度（吸附能力）大的组分分配给固定相的两多些气相中少，反 之亦然。
为正态分布曲线上拐点间距离之半。对于正常峰，σ为0.607 倍峰高处色谱峰宽度的一半。(σ 的大小表示组分被带出色谱柱的 分散程度，σ 越大，组分流出越分散；反之亦然。σ 的大小与柱 效有关，σ 小，柱效高)
（2）半(高)峰宽 Yh/2（peak width at half-height）：
峰高一半处的色谱峰宽度。半峰宽与标准偏差的关系为：
α越大说明分离效果越好，α＝1表示不能分离
相对保留值只与柱温和固定相性质有关，指定物质对后，α只与柱温，固定相性 质有关, 与色谱柱参数和流速无关，与其他色谱操作条件无关，它表示了固定相 对这两种组分的选择性。
（3）色谱的区域宽度
通常用三种方法来表示：
（1）标准偏差σ （standar deviation）：
离子交换树脂上可以电离的离子与流动相中具有相同电荷的离子进行 交换; 依据这些离子对交换剂具有不同亲和力而进行分离。 4. 排阻色谱法（ size exclusion chromatography）又称凝胶色谱法 （
gel chromatography ）,根据不同组分的分子体积大小的差异进 行分离的方法。 其中：以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法 ；以有机溶剂作流动相 的 称为凝胶 渗透色谱法。
（三）、气相色谱流程
气相色谱的五个组成部分(五个系统): 1、载气系统：气源、气体净化、气体 流速控制和测量 2、进样系统：进样室、气化室 3、色谱柱和柱箱: 包括恒温控制装置.
填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂 有固定液
4、检测系统：检测器、控制装置 .可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检 测器最为常见 5、记录系统：放大器、记录仪（PC:记录和数据处理）
（一）、气相色谱仪
产品名称：气相色谱仪GC-2010 产地：日本
日本岛津GC－17A气相色谱仪（1993年生产）
集成控制系统
美国安捷伦7890型气相色谱－5977型质谱联用仪
GC190微型便携式气相色谱仪 主机重量＜3kg， 包括电池和气源＜10kg。 体积约30×28×7.5cm 加热电源18VDC，总功率＜60W 微型FID检测器
第一节 气相色谱法概述
Generalization of GC
一、 特点、分类和作用
Characteristic , classification, use
二、色谱分离过程 Separation process of GC 三、气相色谱法概述 Generalization of GC
一、 色谱法的特点、分类和作用
分配系数K：在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡 时的浓度比。
调整保留时间（tR ‘）：扣除死时间后的组分保留时间如图中的tR(1)’、 tR(2)’所示。tR’ 表示某组分因溶解或吸附于固定相后，比非滞留组分在 柱中多停留的时间：
tR＇= tR－tM
用体积表示的保留值 பைடு நூலகம்体积（VM）：色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒之间所剩余的空
间、色谱仪中管路和连接有头间的空间总和 VM = tM ×F0
固定相呈平面状的色谱法。纸色谱法： 以吸附水分的 滤纸作固定相；包括薄层色谱法：以涂敷在玻璃板上的吸 附剂作固定相。
三、气相色谱法概述
气相色谱法是采用气体作为流动相的一种色谱法。 在此法中，载气（是不与被测物作用，用来载送试样
的惰性气体，如氢、氮等）载着欲分离的试样通过色 谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检 测。
（一）按两相物理状态分:(流动相和固定相的物理状态)
1. 气相色谱法 (GC)用气体作流动相的色谱法。
气 -固色谱法 GSC (固定相为固体吸附剂) 气-液色谱法 GLC (固定相为涂在固体或毛细管壁上的液体）
2. 液相色谱法 (LC)用液体作流动相的色谱法。
液-固色谱法 LSC（固定相为固体吸附剂） 液-液色谱法 LLC（固定相为涂在固体载体上的液体） 3. 超临界流体色谱法 (SFC)：用超临界状态的流体作流动相的
Y1/2 = 2σ 2Ln2 = 2.35σ
（3）峰宽或称Y：通过色谱峰两侧的拐点作切线，切线与基
线交点间的距离为峰宽， 峰宽与标准偏差的关系为： Y = 4σ
色谱流出曲线的作用：
（1）根据色谱蜂的位置（保留值）可以进行定性检定。
（2）根据色谱蜂的面积或峰高可以进行定量测定。 （3）根据色谱峰的位置及其宽底可以对色谱柱分离情
况进行评价。
（五）、气相色谱法的特点
（1）分离效率高： 复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。
（2） 灵敏度高： 可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量.
（3） 分析速度快： 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4） 应用范围广： 适用于沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。 不足之处： 不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。 被分离组分的定性分析较为困难。
（二）、气相色谱仪基本构成
气相色谱仪基本构成
英国Pye-Unicam 204型气相色谱仪（1979年生产）
气体系统（含载气、燃气及助燃气）
进样系统
柱箱及色谱柱（填充柱）
检测系统（温控等）
记录及信号放大系统
日本岛津GC－16A气相色谱仪（1986年生产）
柱箱及毛细管色谱柱
火焰光度检测器（FPD）