第16章 气相色谱法

第16章Gas chromatography
16. 1 内容提要
16.1.1 基本概念
气相色谱法(GC)──是以气体为流动相的色谱分析法。

气液色谱法(GLC)──以气体为流动相，液体为固定相的色谱法。

气固色谱法(GSC)──以气体为流动相，固体为固定相(一般指吸附剂)的色谱法。

填充柱气相色谱法──使用填充色谱柱的气相色谱法。

毛细管柱气相色谱法──使用毛细管柱的气相色谱法。

程序升温气相色谱法──将色谱柱按照预定的程序连续地或分阶段地进行升温的气相色谱法。

多维气相色谱法──将两个或更多个色谱柱组合，通过切换，可对组分进行正吹、反吹或切割等操作的气相色谱法。

全二维气相色谱法(GC×GC)──把两个分离机理不同又互相独立的色谱柱串联结合，两柱间装有调制毛细管接口，由第一根色谱柱分离后的每一个馏分，经调制毛细管聚焦后在以脉冲方式送入第二根色谱柱进行进一步分离，最后得到以柱1的保留时间为x轴，柱2的保留时间为y轴，信号强度为z轴的三维立体色谱图，这种色谱法称为全二维气相色谱法。

气相色谱仪──以气体为流动相而设计的色谱分析仪。

主要有气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、数据处理记录系统、温度控制系统等组成。

载气──用作流动相的气体。

常用的载气有N2，H2，He，Ar等。

载体──承载固定液的惰性固体，又称担体。

固定液──指涂渍在载体或色谱柱内壁表面上起分离作用的物质。

填充柱──填充了固定相的色谱柱。

毛细管柱──内径为0.1～0.5mm 的色谱柱，一般指管内壁附有固定相的空心柱，又称开管柱(open tubular column)。

壁涂毛细管柱(WCOT)──内壁上直接涂渍固定液的毛细管柱。

壁处理毛细管柱(WTOT)──指柱内壁进行物理或化学方法处理的毛细管柱，先多用后者。

多孔层毛细管柱(PLOT)──内壁上有吸附剂或惰性固体的毛细管
色谱柱。

载体涂渍毛细管柱(SCOT)──内壁上沉积载体后再涂渍固定液的
毛细管柱。

是多孔层毛细管柱的一种。

化学键合毛细管柱──用固定液与柱管内壁的基团共价键合的方法制备的毛细管柱。

化学交联毛细管柱──用固定液在柱管内壁聚合(交联)的方法制备的毛细管柱。

柱容量──对于分析用色谱柱是指不引起色谱峰前伸和柱效下降情况下的最大进样量，又称柱负荷。

灵敏度b──单位浓度(或质量)的物质通过检测器时所产生的响应信号的大小，称为该检测器对该物质的灵敏度，也叫响应值或应答值。

检出限D──指某组分产生的响应信号为三倍噪音时，单位体积(或时间)通过检测器的量，亦称敏感度。

线性范围──检测器响应信号与待测物质呈线性关系的范围。

最小检测量──是针对色谱体系提出的一个检测指标。

指产生的色谱峰高等于三倍噪声时待测组分的进样量。

分流比──样品在汽化室中完全汽化并与载气充分混合后，一部分进入色谱柱，其余部分放空，放空量与入柱量的比称为分流比。

16.1.2 基本内容
1.气相色谱法的基本原理
利用物质在流动相(气相)与固定相中分配或吸附性能等性质的差异，当两相做相对运动时，待测组分在两相之间进行多次反复的质量交换，使混合物中各组分达到分离，进而通过检测器达到检测分析的目的。

2.气相色谱法的特点
气相色谱法是以气体为流动相的色谱分析法。

由于气体黏度小，扩散速率高，传质速率快，因而气相色谱法具有许多优点：
(1)高选择性指能够分离性质极为相近的物质，如同分异构体、空间异构体、手性对映体、同位素等。

(2)高灵敏度由于使用了高灵敏度的检测器可以分析10-11～10-13g 的物质，非常适合于微量和痕量分析。

(3)分离效能高能够分离和测定极为复杂的混合物。

(4)分析速度快一般只需几分钟到几十分钟便可完成一个分析周期。

(5)应用范围广能分析气体以及在400℃以下能汽化且热稳定性
良好的物质；对于受热易分解和难挥发的物质，可以通过化学衍生的方法使其转化为热稳定和高挥发性的衍生物进行分析。

气相色谱法能够分析15%～20%的有机物和部分无机物，是石油、化工、环境、医药、食品等领域不可缺少的工具。

3.气相色谱仪
气相色谱仪主要由气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、温度控制系统以及数据处理和记录系统组成。

气路系统分为单柱单气路和双柱双气路两种结构，后者更适合于程序升温。

通过进样系统引入样品，样品瞬间汽化并由载气带入色谱柱中进行分离，分离后的组分依次进入检测器进行检测，产生的信号经放大后在纪录仪上记录下来，得到色谱图。

温度系统控制和显示汽化室、色谱柱恒温箱、检测器及辅助部分的温度。

组分能否分离，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。

4.气相色谱检测器
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装置。

根据检测原理不同，气相色谱检测器分为浓度型和质量型两种。

浓度型检测器的响应信号与载气中组分的瞬间浓度成正比。

质量型检测器的响应信号与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。

气相色谱常用的浓度型检测器有热导检测器和电子捕获检测器。

常用的质量型检测器有氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器。

一个理想的检测器应当具备灵敏度高，检出限低，线性范围宽，死体积小，响应快，通用等特点。

5.气相色谱的固定相
气相色谱固定相分为固体固定相、液体固定相和聚合物固定相。

固体固定相一般为固体吸附剂，主要用于分析永久性气体及一些低沸点物质。

液体固定相有固定液和载体组成。

载体一般为表面惰性的多孔支持体；固定液为一些高沸点有机物，种类繁多，一般按照“相似相容”的规律来选择固定液。

聚合物固定相又称高分子多孔微球，它既可作为固体固定相直接用于分离，也可作为载体，在其表面涂上固定液后再用于分离。

其中液体固定相的应用范围最广。

6.气相色谱操作条件的选择
气相色谱的操作条件主要包括载气及其流速的选择，柱温的选择，载体和固定液含量的选择以及进样条件的选择等。

载气及其流速的选择应考虑检测器的适应性，对柱效能、分析时间等的影响。

柱温应设在固定液的使用温度范围之内，一般选择混合物各组分的平均温度，对于宽沸程样品，易采用程序升温色谱法进行分析。

载体的选择应考虑载体的种类、粒度等，液载比根据不同沸点样品具体选择。

进样速度要快，一般进样量不可太大，汽化室温度一般高于柱温30～70℃。

7.毛细管气相色谱法
毛细管气相色谱法的主要特点：(1)柱渗透性好，阻抗小；(2)总柱效高，大大提高了对复杂混合物的分离能力；(3)柱容量低，允许进样量小。

由于毛细管柱结构的特殊性使其仪器系统的设计有别于填充柱色谱系统，主要不同在于毛细管柱色谱仪柱前采用分流进样装置，柱后增加了辅助尾吹气。

8.气相色谱法的应用范围
气相色谱法可以分析气体、易挥发的液体和固体及包含在固体中的气体。

一般地说，只要沸点在400℃以下，且在操作条件下热稳定性良好的物质，原则上均可以采用气相色谱法进行分析。

对于受热易分解和挥发性低的物质，可以通过化学衍生的方法使其转化为热稳定和高挥发性的衍生物，同样可以实现气相色谱的分离和分析。

气相色谱法灵敏度高，选择性好，分离效率高，分析速度快等特点，决定了它在石油、化工、环境、生物科学、医药卫生、食品等领域得以广泛的应用。

但是气
相色谱法不适用于大部分沸点高的和热不稳定的化合物，对于腐蚀性能和反应性能较强的物质，如HF，O3，过氧化物等更是难于分析。

16.2 习题解答
1.简述气相色谱仪的分离原理。

答：由进样器将样品注入色谱柱中，样品气化后被载气带入色谱柱进行分离。

由于各组分在两相中分配系数不同，它们将按分配系数大小的顺序，依次被载气带出色谱柱。

分配系数小的组分先出柱，分配系数大的组分后出柱。

被分离出的各组分再被载气带入检测器中，检测器将各组分的浓度(或质量)的变化，转变成电压(或电流)的变化，这种随时间变化的信号由记录仪记录下来。

由于电信号强度正比于组分浓度(或质量)，所记录的电压(电流)-时间曲线即浓度-时间曲线称为色谱流出曲线。

2.气相色谱仪一般由哪几部分组成？各有什么作用？
答：气相色谱仪主要包括六个单元：气路系统、进样系统、分离系统、检测系统、温度控制系统、数据处理和记录系统。

(1)气路系统是一个连续运行的密闭管路系统，携带样品通过色谱柱，提供样品在柱中运行的能力。

(2)进样系统引入样品，并使样品瞬间汽化。

(3)分离系统即柱系统，样品在此得到所需要的分离。

(4)检测系统将经过色谱柱分离的样品组分，按其特性和含量转变成易于纪录的电信号进行检测。

(5)温度控制系统控制并显示汽化室、色谱柱温箱、检测器及辅助部分的温度。

(6)数据处理和记录系统记录并处理由检测系统输入的信号，显示色谱分析结果。

3.试述热导、氢火焰离子化和电子捕获检测器的基本原理，它们各有什么特点？
答：热导检测器是基于不同物质与载气具有不同的热导系数而设计的，利用惠斯登电桥原理进行检测。

它由池体和热敏元件组成，池体内
装有两根阻值相等的热敏元件构成参比池和测量池，与两个固定电阻组成惠斯登电桥。

当无样品通过时，桥路四臂处于平衡状态，此时无信号输出；当样品随载气通过测量池时，因载气和组分组成的二元体系与纯载气的导热系数不同，破坏了电桥的平衡，于是有信号输出。

信号大小与载气中待测组分的浓度成比例，以此可以对组分进行检测。

其特点是：结构简单、性能稳定、线性范围宽，不论是对有机物还是无机物都有响应，且灵敏度适宜的检测器。

氢火焰离子化检测器的主要部件是离子室，离子室由收集极、发射极、气体入口和火焰喷嘴等部分组成。

它以氢气在空气中燃烧产生的火焰为能源，待测有机物由载气携带进入火焰后，在高温火焰中发生离子化反应，生成的正离子和电子，在收集极和发射极间的恒定电场作用下，向两极定向移动形成了微电流，微电流经放大后由记录系统记录。

微电流的大小与单位时间内进入火焰的碳原子数(即待测有机物含量)成正比，由此可以对组分进行测定。

它的特点是检测器的死体积小、响应决、稳定性好、线性范围广，对碳氢化合物灵敏度高，(检测限可达10-12g·s-1)，比热导池检测器的灵敏度高103～l04倍，特别适于和毛细管柱匹配。

因此它是一种较理想检测器。

电子捕获检测器由一个圆筒状β放射源H3或Ni63为负极，圆筒中央的一个不锈钢棒为正极，在两极间施加直流或脉冲电压。

当载气(高纯氮气)进入检测器时，在放射源发射的β射线下发生电离，电离为正离子和低能电子，生成的正离子和慢速低能电子在恒定电场作用下向极性相反的电极运动，形成恒定的基流，一股在10-9～10-8A左右。

当具有电负性的被测组分进入检测器时，它捕获了检测器内的慢速低能量电子放出能量而使基流降低，产生负信号并记录成倒峰。

带负电荷的分子离子和载气中的正离子复合成中性化合物，被载气携带出检测器外。

电子捕获检测器是一种专属性强的高灵敏度的浓度型检测器，它只对含有电负性元素(如卤素、硫、磷、氮、氧)的官能团有很高的响应值，因为这些官能团对游离电子具有亲和力，它能测出10-14g·mL-1电负性元素物质。

元素的电负性愈强，检测器灵敏度愈高。

它是在应用上仅次于热导池和氢焰检测器的检测器。

4.对担体和固定液的要求分别是什么？如何选择固定液？
答：(1)对担体的要求是：
①表面有微孔结构，孔径均匀，有足够大的表面积。

②具有化学和物理惰性，良好的热稳定性，即与样品组分不起化学反应，无吸附作用或吸附很弱。

③粒度均匀，形状规则，有一定的机械强度。

④对固定液有良好的浸润性。

(2)气相色谱对固定液的要求是：
①在使用温度下是液体，黏度小，应具有较低的挥发性。

②具有良好的热稳定性，在高温下不分解。

③对待分离的各组分具有合适的分配系数，选择性好。

④化学稳定性好，不与样品组分、载气、担体发生任何化学反应。

⑤最好具有固定的相对分子质量。

(3)固定液的选择一般根据“相似相容”的原则。

具体方法如下：
①按极性相似原则选择如果固定液与待测组分的极性相似，则两者之间的作用力就强，待测组分在固定液中的溶解度就大，分配系数就大，保留时间长；若分离菲极性和极性混合物时，一般选用极性固定液，此时非极性组分先出峰。

②按官能团相似选择若待测物质为酯类，则选用酯或聚脂类固定液；若待测物质为醇类，可选用聚乙二醇固定液。

③按主要差别选择若待测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样品，可选用两种或两种以上的(混合)固定液。

5.试比较红色担体和白色担体的性能。

答：硅藻土型担体因处理方法不同而分为红色担体和白色担体。

红色担体：天然硅藻土直接煅烧而成，其中的铁煅烧后生成氧化铁，呈浅红色。

孔穴多。

孔径小，比表面积大，可负载较多固定液，缺点是表面存在活性吸附中心，分析极性物质时易产生拖尾峰。

非极性固定液使用红色担体，用于分析非极性组分。

白色担体：天然硅藻土在煅烧前加入少量碳酸钠等助熔剂，使氧化铁在煅烧后生成铁硅酸钠，呈白色。

由于碱性助熔剂的影响，生成的硅酸钠玻璃体破坏了硅藻土中大部分细孔结构，粘结为较大的颗粒，表面
孔径粗，比表面积小，担体中碱金属氧化物含量较高，pH大。

白色担体由较为惰性的表面，表面吸附作用和催化作用小。

极性固定液使用白色担体，用于分析极性物质。

6.判断下列情况对色谱峰峰形的影响。

①进样速率慢；②由于汽化室温度低，样品不能瞬间汽化；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。

答：(1)色谱峰形变宽。

(2)色谱峰形变宽。

(3)保留时间缩短，色谱峰形变窄。

(4)根据速率理论，当低于最佳流速时，色谱峰形变窄；当高于最佳流速时，峰形变宽。

但在实际分析中，一般保留时间缩短，色谱峰形变窄。

(5)保留时间增长，色谱峰形变宽。

(6)柱效下降，色谱峰形变宽。

7.二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷的沸点分别为40℃，62℃，77℃，试推测它们的混合物在阿皮松L柱上和在邻苯二甲酸二壬酯柱上的出峰顺序。

答：阿皮松L属于非极性固定液，它与三种卤代烃之间的作用力以色散力为主，而色散力与沸点成正比，因此混合物按沸点顺序出峰，即在阿皮松L柱上按照二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷的顺序依次出峰。

邻苯二甲酸二壬酯属于中等极性固定液，它与三种卤代烃之间既存在色散力又存在诱导力，两种作用力的竞争结果决定了组分的流出顺序。

由于二氯甲烷的沸点只有40℃，比三氯甲烷(62℃)和四氯甲烷(77℃)的沸点低很多，因此尽管二氯甲烷的极性大于四氯甲烷，但前者的蒸气压大得多，所以二氯甲烷最先出峰；对于三氯甲烷和四氯甲烷，它们的沸点比较接近，与固定液之间的色散力相近。

由于四氯甲烷是非极性分子，邻苯二甲酸二壬酯与其之间的诱导力小，而与极性分子三氯甲烷之间的诱导力大，因此三氯甲烷后于四氯甲烷流出。

综上所述，在邻苯二甲酸二壬酯柱上按照二氯甲烷、四氯甲烷、三氯甲烷的顺序出峰。

8.已知记录仪的灵敏度为0.658mV·cm-1，记录仪纸速为2cm·min-1，载气流速F0为68mL·min-1，12℃时饱和苯蒸气的进样量为0.5mL，其质
量经计算为0.11mg ，得到色谱峰的实测面积为3.84cm 2。

求热导检测器的灵敏度。

解：根据热导池检测器灵敏度的计算公式：
11020.658 3.8468781mV mL mg 20.11
c c AF S c m -⨯⨯===⋅⋅⨯ 9. 已知记录仪的灵敏度为0.658mV·cm -1，记录仪纸速为2cm·min -1，12℃时进样量为50μL 饱和苯蒸气，其质量为11×10-6g ，测得色谱峰峰面积为173cm 2，仪器噪声为0.1 mV ，求氢火焰离子化检测器的灵敏度和检出限。

解：根据氢火焰离子化检测器灵敏度和检出限的计算公式：
8115260600.658173 3.1010mV s g 2 1.010
m c A S c m --⨯⨯===⨯⋅⋅⨯⨯ 1018330.19.710g s 3.1010N R D S --⨯=
==⨯⋅⨯ 10. 用皂膜流量计测得载气流速为10 mL·min -1，已知柱前表压力为2×1.013×105Pa ，P w ＝2.3×103 Pa （20℃），柱温为120℃，室温为20℃，求柱后载气实际流速F 0和柱内载气平均流速F ａ。

解：根据柱出口处载气实际流速F 0的计算式：
53'
1000
50()(1.01310 2.310)109.77mL min 1.01310w p p F F p --⨯-⨯=⨯=⨯=⋅⨯ 因为，压力校正因子220330(/)133210.64292(/)1221
i i p p j p p ⎡⎤--==⨯=⎢⎥--⎣⎦ 有根据柱内载气平均流速F a 的计算式：00/a c F F j T T =⋅⋅
所以，19.770.6429(120273)/(20273)8.42mL min a F -=⨯⨯++=
⋅。