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1、气相色谱法 以气体作为流动相的色谱法叫气相色谱法（gas chromatography，GC）第一节第一节 概述概述 一、气相色谱法的特点 气相色谱法具有高分离效能、高选择性、高灵敏度、分析速度快和应用范围较广等特点。1.高分离效能 能分离组分极为复杂的混合物，例如用空心毛细管柱可将汽油试样中一百多个烃类化合物一次分离。2.高选择性 能分离结构极为相似的物质，如异构体、同位素等。3.高灵敏度 可分析极微量的物质（10-1210-14 g）。4.样品用量少 所用样品量一般以ng，甚至pg计。因此适合于大气、水和食品等试样中痕量污染物质的测定。5.分析速度快 一般一个试样可在几分钟到十几分钟内完成
2、测定，最多几十分钟，且操作和数据处理可由计算机控制和进行。6.应用范围较广 气体、液体和固体样品；许多有机物和少数无机物样品。只要化合物有适当的挥发性，且在操作温度下有良好的稳定性。缺点 对于难挥发和热不稳定的物质难以分析；定性能力较弱，不能直接给出定性结果，一般要求有已知纯物质作对照。二、气相色谱法的分类（一）按固定相状态或分离机理分类 固定相有两种状态，用固体吸附剂作固定相的称为气固色谱法，其机理属吸附色谱；用液体作固定相的称为气液色谱法，其机理属分配色谱。（二）按色谱柱分类 气相色谱法属于柱色谱法，它又可以分为填充柱色谱法和毛细管柱色谱法两类。气固色谱法主要用于气体分析，气液色谱法的应用
3、范围则远比气固色谱法广。下面主要讨论气液填充柱色谱。三、气相色谱仪的流程 1载气系统 包括气源、气体净化和气体流速控制等装置。2进样系统 包括进样器、气化室和温控装置。气相色谱仪由五部分组成 4检测系统 包括检测器和温控装置。5记录系统 包括放大器、数据处理装置及记录仪。3分离系统 包括色谱柱、柱箱和温控装置。1234567891011131412图图 气相色谱仪结构示意图气相色谱仪结构示意图1.高压气瓶高压气瓶 2.减压阀减压阀 3.净化器净化器 4.针形阀针形阀5.转子流量计转子流量计 6.柱前压力表柱前压力表 7.气化室气化室 8.进样器进样器9.放空放空 10.检测器检测器 11.色谱
4、柱色谱柱 12.柱温箱柱温箱13.放大器放大器 14.记录仪记录仪 色谱柱起分离作用，检测器起检测作用。色谱柱和检测器是气相色谱仪的两个核心部件。第二节第二节 气相色谱分析的基本理论气相色谱分析的基本理论 一、常用术语（一）色谱峰 色谱流出曲线是电信号随时间的变化曲线，由于电信号强度正比于组分浓度或质量，所以色谱流出曲线实际上是组分浓度随时间的变化曲线。tR进样tMW1/2Wb4h/2h空气峰信号时间图图 色谱流出曲线色谱流出曲线曲线上突起部分称为色谱峰，如图所示。如果试样中各组分分离完全，则每个色谱峰代表一种组分。正常色谱峰为对称的正态分布曲线，而不正常的色谱峰有拖尾峰（tailing pe
5、ak）和前伸峰（leading peak）。色谱峰常用三组参数描述：色谱峰的位置（保留值）；色谱峰面积或峰高；区域宽度（标准偏差、峰宽或半高峰宽）。在正常操作条件下，仅有载气通过检测器时的色谱流出曲线为基线。它反映仪器（主要是检测器）的噪音随时间的变化，稳定的基线应是一条平行于横轴的直线。（二）基线 色谱峰的顶点与基线之间的距离称为峰高（peak height），以 h 表示。色谱峰与基线之间所包围的面积称为峰面积（peak area），以 A 表示。峰高和峰面积是随组分的浓度而改变的，是色谱定量分析的依据。（三）峰高、峰面积 半峰宽Wh/2（peak width at half height
6、）即色谱峰高一半处的宽度，又称半高峰宽。（四）色谱峰区域宽度 h/2Wh/2h 基线宽度Wb（peak width at the baseline）又称峰底宽度（peak width at the base），是通过色谱峰两侧的拐点所作的切线与基线相交部分的宽度。W 在理想状态下，色谱峰呈正态分布。根据正态分布曲线的特征，在两拐点之间的距离（此处峰高为0.607 h）为两倍标准偏差（）色谱峰宽度是衡量色谱柱分离效能的参数。标准偏差 的大小表示经色谱柱分离后组分流出色谱柱的分散程度。越小，则流出组分越集中。（五）保留值 保留值是用来描述色谱峰在色谱图上的位置，反映了试样中各组分在色谱柱中被保留的
7、程度。通常用时间或用组分流出色谱柱所需载气的体积来表示。1用时间表示的保留值 （1）保留时间tR（retention time）指从进样开始到柱后被测组分出现浓度极大点时所需的时间。当实验条件一定时，不同的组分由于性质不同，因而具有不同的保留时间，是色谱定性的参数。tR （2）死时间tM（dead time）指不与固定相作用的惰性物质（如空气），从进样开始到柱后出现浓度极大点所经过的时间。tM表示气体流经色谱柱空隙所需的时间，可以理解为某被测组分在流动相中的停留时间。tM （3）调整保留时间（adjusted retention time）指某组分的保留时间与死时间的差值，即 调整保留时间是组
8、分在固定相中停留的时间。2用体积表示的保留值 （1）保留体积VR（retention volume）指从进样开始到柱后被测组分出现浓度极大点时所通过的载气体积，即 保留时间会随载气流速的变化而变化，而保留体积则不受载气流速影响。因载气流速若增加，则保留时间相应缩短，两者的乘积不变。在理论上VR要比tR准确，但测量VR没有测量tR方便。（2）死体积VM（dead volume）是指不与固定相作用的惰性物质通过色谱柱后出峰时所需的载气体积。也就是从样进器经色谱柱到检测器出口的流路中，由气相所占有的体积。即 （3）调整保留体积（adjusted retention volume）指某组分的保留体积与
9、死体积之差。也是色谱定性的基本参数。3.相对保留值r21（relative retention value）组分2的调整保留值与组分1的调整保留值之比，称为相对保留值。r21表示固定相对两种组分的选择性。r21越大，表明该色谱体系对这两组分的保留程度相差越大，即选择性越好，被分离组分越容易达到良好的分离，所以r21又称为选择性因子。由于r21只与柱温、固定相性质有关，而与柱长、柱内径、载气流速及填充情况等无关。所以，采用注明温度和固定相的r21作为定性指标，不受操作条件变化的影响。二、分配平衡（一）分配系数K 在一定的温度、压力下，任一组分在液相（固定相）和气相（流动相）中的分配达到平衡时，该
10、组分在两相中的浓度之比称为分配系数（partition coefficient）K，即 分配系数 K 与组分的物理化学性质、固定相的性质以及柱内的温度和压力有关。（二）分配比k 在一定的温度、压力下，任一组分在两相中分配达到平衡时，该组分在两相中的质量比称为分配比（partition ratio）k，即：分配系数K和分配比k与保留值的关系为 在一定的实验条件下，组分的调整保留时间正比于分配系数或分配比。各组分由于其不同的物理化学性质，所以K值不同，造成各组分在柱中保留时间不同，从而达到分离。另一方面，要使试样得到最佳的色谱分离，选择适当的色谱固定相和柱温是十分重要的。三、塔板理论 1952年，
11、Martin等人提出的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，用塔板概念来描述组分在柱中的分配行为。塔板是从精馏中借用的，是一种半经验理论，但它成功地解释了色谱流出曲线呈正态分布。在色谱柱的每一个“塔板”内，一部分为涂在担体上的液相，另一部分为载气所占据的空间。试样中的各个组分在每个塔板的气相和液相之间达成一次分配平衡。试样在载气携带下通过色谱柱，试样的各个组分要在许许多多的塔板上先后进行成千上万次的分配平衡。经过重复多次的分配平衡后，分配系数小的组分和分配系数大的组分彼此分离，分配系数小的组分，先从柱后流出。在塔板理论中，把色谱柱内每达成一次分配平衡所需要的柱长（即上述每一小段的
12、长度）称为理论塔板高度（height equivalent to a theoretical plate，HETP），简称板高（H）。塔板理论假设色谱柱上各个板高是等同的。若将色谱柱长以L表示，则色谱柱的理论塔板数（the number of theoretical plates）n 为：显然，对于一定长度的色谱柱，H越小，则n越大，达成分配平衡的次数越多，两个分配系数不同的组分就越容易彼此分离，色谱峰越窄，柱子的分离效能也越好（即柱效越高）。所以理论塔板数 n 或理论塔板高度 H 是描述柱效能的指标。根据塔板理论可以推算出组分的色谱流出曲线是趋近正态分布曲线。由此可以导出 n 与保留值和色谱
13、峰宽度的关系为：由于tR中包括有tM，所以tR不能很确切地表示组分的实际保留性质，n也就不能很确切地表示柱的实际分离效能。为了更切合实际，采用扣除了死时间的有效塔板数和有效塔板高度作为柱效能指标。其计算式为：由上式可见，只要在色谱图上测出某物质的保留值和峰宽，就可以计算出该柱对此物质的理论塔板数n。对某物质而言，n有效或n越大，或者在固定柱长下，H有效或H越小，则峰越窄，柱效能也就越高。对于塔板理论须注意 1）同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，说明柱效时，必须注明该柱效是针对何种物质、固定液种类及其含量、流动相种类及流速、操作条件等；2）塔板理论描述了组分在柱内的分配平衡和分离过程，导出
14、了流出曲线的数学模型，解释了流出曲线形状和位置，提出了计算和评价柱效的参数。但该理论是在理想情况下导出的，未考虑分子扩散因素、其它动力学因素对柱内传质的影响。因此它不能解释：v 峰形为什么会扩张？v 影响柱效的动力学因素是什么？四、速率理论 塔板理论从热力学的角度出发，描述了色谱柱内的分配过程，推导出流出曲线方程式，从而解释了流出曲线的形状，并提出以塔板数和板高来评价柱的分离效能。但是塔板理论没有考虑动力学的因素，因此它不能解释塔板高度受哪些因素的影响以及色谱峰变宽的原因。速率理论（rate theory）吸收了塔板理论板高的概念，进一步把色谱过程与分子扩散和组分在气液两相中的传质过程联系起来
15、，从动力学角度较好地解释了影响板高的多种因素。因此，速率理论对于色谱分离操作条件的选择具有指导意义。1956年荷兰学者van Deemter提出了速率理论方程式（即范氏方程）。其简化式为：A、B/u、Cu分别为涡流扩散项、分子扩散项和传质阻力项，u为载气的线速度。（一）涡流扩散项A（eddy diffusion）为填充不规则因子，色谱柱填充越不均匀，越大，dp是固定相颗粒的直径（粒度）。由式可见，固定相粒度dp小，填充均匀使小，则A值小，因而H小、柱效高。但dp不能过小，否则柱的阻力增大，给操作带来许多不便。流动方向流动方向（二）分子扩散项B/u（或称纵向扩散项longitudinal dif
16、fusion）为弯曲因子，是与填充物有关的因素。由于固定相颗粒的存在，使扩散路径弯曲，分子不能自由扩散，从而使扩散程度降低，所以填充柱的通常小于1。Dg为组分在气相中的扩散系数，Dg与组分的性质、柱温、柱压及载气的性质有关。当试样组分被载气带入色谱柱后，就以“塞子”的形式存在于柱的一小段空间内，由于在“塞子”的前后（纵向）存在着浓度梯度，则势必产生向低浓度区的纵向扩散，从而引起色谱峰的扩张。组分分子的扩散系数 Dg 大，则纵向扩散较大，色谱峰变宽、柱效降低。Dg 随柱温的升高而增大，与柱压力成反比，与载气分子量的平方根成反比。所以降低柱温，加大柱压，使用分子量大的载气（如N2），都可使 Dg 减小，提高柱效。分子扩散项还与载气的流速成反比。载气流速小，组分在气相中的停留时间长，分子的纵向扩散严重。就此而言增大载气流速u，可提高柱效。（三）传质阻力项Cu 组分在气液两相中扩散分配的过程叫传质，影响这一过程进行的阻力叫传质阻力（resistance to mass transfer）。它是气相传质阻力Cgu和液相传质阻力Clu之和，即 气相传质阻力是组分由气相扩散到气液界面进行分配时的所受
