仪器分析-电子教材:第九章气相色谱法

第九章 气相色谱法

第一节   概述

气相色谱法(gas chromatography, GC)是以气体为流动相的色谱分析方法。自从1952年英国生物化学家，诺贝尔奖金获得者马丁（Martin A. J. P.)等人成功建立气相色谱法以来，由于其高分离效能、高灵敏度、高选择性、分析速度快等特点，已经迅速发展成为分析化学中极为重要的分离、分析方法之一。随着气相色谱理论的逐渐完善和气相色谱技术的发展，特别是近年来电子计算机和仪器联用技术的应用，使气相色谱法在石油化工、医药卫生、环境监测、生物化学等领域得到了更加广泛的应用。

一、气相色谱法的分类

按固定相的种类不同，可以分成两类：用固体吸附剂作为固定相的称为气-固色谱法；用涂渍在担体上的固定液作为固定相的称为气-液色谱法。

按色谱分离的原理分类，气相色谱法可分为吸附色谱法和分配色谱法。气-固色谱法是利用固定相的表面对不同组分吸附性能的差异进行分离的，属于吸附色谱；气-液色谱法是利用不同组分在气液两相中的分配系数不同挠进行分离的，属于分配色谱法。

 按色谱柱内径不同，气相色谱法又可分为填充柱色谱法和毛细管柱色谱法。

 由于在实际应用中气-液色谱法比气-固色谱法更为广泛，所以本章着重介绍气-液色谱法。

二、气相色谱法的分析流程

气相色谱分析所采用的气相色谱仪一般由五个部分组成：

1.气路系统 包括气源、气体净化、气体流量控制和测量装置。

2.进样系统   包括进样器、气化室和控温装置。

3.分离系统 包括色谱柱、柱箱和控温装置。

4.检测系统   包括检测器和控温装置。

5.数据采集和处理系统包括放大器、色谱工作站或微处理机。

其中色谱柱和检测器是关键部件，将在第三节和第四节专门讨论。常见的气相色谱分析流程如图9-1所示。

图9-1 气相色谱流程示意图

载气（常用N₂ 、 H₂和He)由高压钢瓶供给，经减压、净化、调节和控制流量后，进入色谱柱。待基线稳定后，即可进样。液体样品用微量注射器注入，气体样品用六通阀或注射器进样。样品经气化室气化后，随载气带入色谱柱，在柱内逐渐被分离。分离后的组分依次从色谱柱中流出，进入检测器，检测器将各组分的浓度或质量的变化转变成电信号。经放大器放大后，由色谱工作站或微处理机记录下来。所得到的检测器响应信号随时间或载气流出体积变化的曲线图，称为色谱流出曲线，即色谱图(chromatogram)。根据色谱图, 可以对样品中待测组分进行定性和定量分析。

三、 气相色谱常用术语

在一定的进样量范围内，色谱流出曲线呈正态分布。现以某一组分的流出曲线（图9-2)为例说明气相色谱的有关术语。

图9-2  色谱流出曲线

1. 色谱峰 (chromatographicpeak)  当有组分流出时，色谱流出曲线中出现的峰形曲线，称为色谱峰。图9-2中的曲线CAD。

2. 峰高(Peak height)  色谱峰最大值至峰底的垂直距离。图9-2中的。

3. 基线(base line)  在正常操作条件下，仅有载气通过检测器时所产生的响应信号曲线。基线反映检测系统的噪声随时间变化的情况。

4．保留值(retention value)  表示试样中各组分在色谱柱内停留时间的数值。通常用组分流出色谱柱的时间或将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。在一定的色谱条件下，由于各组分的性质不同，在同一根色谱柱上的保留值也不相同。根据保留值可以对待测组分作出鉴定，因此保留值是色谱法中重要的定性参数。

（1)用时间表示保留值

①保留时间t_R(retention time)  指待测组分从进样到柱后出现浓度最大值时所需要的时间，如图9-2中所示，是待测组分流经色谱柱时，在两相中滞留时间之和。

  ②死时间t_M  (dead time)  指不被固定相滞留的组分（如空气、甲烷等)的保留时间，如图9-2中所示。

③调整保留时间 (adjusted retention time)   扣除死时间的保留时间，如图9-2中的所示。

  (9-1)

保留时间的单位通常用(min)表示。

  （2)用体积表示保留值

①保留体积 (retention volume) 是从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时所需的载气体积。当色谱柱出口处载气流速为F₀ (ml/min) 时，它与保留时间的关系为

   (9-2)

  ②死体积 (dead volume) 不被固定相滞留的组分的保留体积。它与死时间的关系为

   (9-3)

  ③调整保留体积 (adjusted retention volume)： 指扣除死体积的保留体积，即

 (9-4)

或     (9-5)

   （3)相对保留值 (relative retention value) 指组分2和组分1的调整保留值之比，它是一个无因次量。

   (9-6)

相对保留值的特点是只与温度和固定相的性质有关，与色谱柱及其它色谱操作条件无关。反映了色谱柱对待测两组分1和2的选择性，是气相色谱法中最常使用的定性参数。

3.区域宽度(peak width)   区域宽度是色谱流出曲线中的重要参数之一，它反映了所选择的柱效高低。从分离角度来看，色谱峰越窄越好。色谱峰的区域宽度通常可用三种方法来表示：

（1)标准偏差σ（standard deviation)  0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半，即图9-2中JK的一半。

（2)半高峰宽 W_h/2（peak width at half-height) 峰高一半处色谱峰的宽度，图 9-2中EF，半高峰宽与标准偏差的关系为

    (9-7)

   （3)峰底宽度W_b（peak width at base) 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底宽度，见图9-2中GH。峰底宽度与标准偏差的关系为

  (9-8)

综上所述，一个组分的色谱峰可用三个参数来表示：峰的位置（用保留时间表示)，用于定性；色谱峰高（h)或色谱峰面积（A)，用于定量；区域宽度，用来衡量色谱柱的分离效果。

第二节  气相色谱理论色谱分离条件的选择

气相色谱法发展极为迅速，其主要原因之一就是气相色谱理论，特别是塔板理论和速率理论的发展，促进了高分离效能、高选择性色谱柱的发展并指导了色谱操作条件的选择。气相色谱分析的首要问题是对试样中各组分进行分离。欲使两组分完全分离，应使它们的色谱峰距离足够远，同时要使色谱峰足够狭窄。色谱峰间距是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱的热力学过程有关；色谱峰的宽窄是由组分在色谱柱内的传质和扩散行为决定，即与色谱的动力学过程有关。研究气相色谱分离的有关理论主要有塔板理论和速率理论。

一、塔板理论

在气相色谱发展的初期，马丁等人借用分馏中塔板的概念，提出了塔板理论（platetheory)，用以解释组分在色谱柱中的分离行为。塔板理论亦称为平衡理论，将气-液色谱的分离过程看成组分在固定液中的分配平衡过程。这种半经验的理论沿用至今，仍有一定的价值。为了更好地理解塔板理论，首先讨论气-液色谱中的分配平衡。

 （一)分配平衡 (distributionequilibrium)

在气-液色谱体系中，固定相是涂渍在载体（也称为担体)表面上的液膜，称为固定液或液相，流动相（气相)是流过固定相的载气。待分离的组分溶解于固定液中并迅速在气液两相间达到平衡，由于流动相在不断流动，所以组分在这两相间进行多次反复分配，不断达到新的平衡。在一定的温度下，组分在给定的气-液两相间的分配行为，可用分配系数、分配比等概念来描述。

（1)分配系数（distribution coefficient) 是指在一定的温度和压力下，组分在气-液两相之间达到平衡时，组分溶解在液相中的浓度与其分配在气相中的浓度之比。

  （9-9)

分配系数是气-液分配色谱中的重要参数，由组分和固定液的热力学性质决定，随柱温和柱压而变化，与色谱柱中气相和液相的体积无关。如果两个组分的分配系数相同，则它们的色谱峰会重合；反之，组分的分配系数相差越大，相应的色谱峰相距越远，分离越好。

   （2)分配比k（partition ratio)又称为容量因子。即在一定的温度和压力下，组分在气液两相间达到分配平衡时，组分在液相和气相中的质量比。

      （9-10)

 式中p为组分在液相中的质量，q为组分在气相中的质量。k是由组分和固定液的热力学性质决定的，k值随柱温、柱压，以及气相和液相的体积而变化。它是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数。k值越大，则组分在柱中的保留时间越长；当k为零时，则表示该组分在固定液中不溶解，例如空气，空气峰的保留时间即为死时间。

（3)分配系数K和分配比k的关系  设V_L为液相的体积，V_G为气相的体积，则式9-10可表示为

 （9-11)

（4)分配系数K和分配比k与保留值的关系  分配平衡是在色谱柱中液相和气相之间进行的，因此分配比也可以用组分在液相和气相中的停留时间之比来表示，则分配比k为

  （9-12)

当空气随载气进入色谱柱时，空气峰流出的时间为死时间，t_M。任一组分的k值可由实验测得，即为调整保留时间t_R'与空气峰的保留时间t_M （死时间)的比值。

分配系数K与保留时间的关系可以由式（9-11)和（9-12)推导出来

 （9-13)

   （9-14)

式9-13称为气相色谱保留值方程式，它定量地描述了组分在柱中的保留时间与其在两相中的分配系数K和分配比k之间的关系，是色谱热力学的理论基础。由式9-14可见，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K（或分配比k)，越大，在色谱柱内的保留时间越长。由于K或k是由组分的性质决定的，因此保留值可用于定性。在填充色谱柱中，选择不同的固定液及其用量，可以控制组分在色谱柱上的保留值。

综上所述，在气相色谱分析中要使两组分分离，它们的保留时间必须不同。而保留时间是由两组分的分配系数K或分配比k决定的，所以待分离组分的分配系数K或k分配比不同是色谱分离的先决条件。

（二) 塔板理论

塔板理论(plate theory) 将色谱柱设想为由许多塔板组成的分馏塔。塔板的概念是从分馏中借用来的，实际上色谱柱中并无塔板，而是引用了处理分馏过程的概念和理论来解释色谱的分离过程。在每一个塔板内，一部分空间为涂渍在担体上的液相占据，另一部分空间充满载气，载气所占据的空间体积称为板体积。组分随载气进入色谱柱后，在两相间进行分配。

1.塔板理论假设

（1)在色谱柱中的每一个小段（塔板)内，组分在气相和液相间进行分配时迅速达到平衡，这一小段柱称为理论塔板，其长度称为理论塔板高度，简称板高，以H表示。

（2) 载气不是连续流过色谱柱，而是脉冲式，每次通过一个塔板体积。

（3) 分离开始时组分都加到第零块塔板上，而组分沿轴（纵)向扩散可以忽略不计。

（4) 某组分的分配系数在所有塔板上均为常数，与组分在某一塔板上的量无关。

2. 色谱流出曲线方程式   根据塔板理论的基本假设，可以描述塔板内的分配过程，并推导出流出曲线方程式。

为方便起见，假设色谱柱由5块塔板组成，n表示色谱柱的总塔板数 (n=5)，若塔板的编号用r表示，则r为0、1、2、3、4……n-1，用N表示进入柱中载气的板体积数，即分配次数，设分配比k＝1，开始时每块塔板均充满载气，将质量m=1的某组分加到第0号塔板上，组分即在两相中分配，达到平衡时，组分在气液两相中的量均为原始量的0.5。当一个板体积(1DV)的载气以脉冲方式进入0号塔板时，就将其气相中的0.5份组分推到1号塔板上。此时0号和1号塔板上的组分将在气液两相中重新分配，达到新的平衡，零0号塔板和1号塔板上气液两相中的量均各为0.25。此后，每当一个新的板体积载气进入色谱柱时，这一分配过程就重复进行，当有16个板体积载气进入时，即可得到表9-1 中的数据。由表9-１可见，当5个板体积载气（N＝5)进入柱子后，组份就开始在柱出口出现，进入检测器产生讯号，在色谱工作站上开始出现组分的色谱峰。

图9-3 某组分在色谱柱中（n=5)的流出曲线

可用表9-1中组分在柱出口的质量分数对载气板体积N作图得出色谱峰，如图9-3所示。由图9-3可以看出，从柱内流出的组分浓度由小到大，在N为8和9时出现最大值，然后浓度变逐渐变小，流出曲线呈峰形但不对称。这主要是由于该色谱柱的总塔板数太少，如n大于50时，就可以得到对称的流出曲线。而气相色谱分析中，一般填充柱的塔板数（n)约为10³~l0⁶，因而得到的流出曲线趋于正态分布。因此，可作正态分布处理，流出曲线上浓度c与时间t的关系用下式表示。

  （9-15 )

式中，c_o为峰面积A，即某组分的总浓度，为标准差。 此式称为色谱流出曲线方程式

表9-1　某组分在色谱柱（n=5)内各塔板上的分配值（mg)

以上仅讨论了单一组分在柱内的分配过程，根据上述假设，如试样为多组分混合物，由于各组分的分配系数不同，它们的保留值将不同，经过多次反复分配后，产生差速迁移，各组分在柱出口出现和出现浓度最大值的时间（板体积数)各不相同，分配系数小的组分先由色谱柱中流出，分配系数大的组分后流出从而彼此分离。

(三)　理论塔板数与理论塔板高度

理论塔板数(theoreticplate number)是表示柱效率的主要指标，柱效率的高低直接影响分离效果。由色谱流出曲线方程式可以导出理论塔板数n的计算公式

（9-16)

式中t_R, W_h/2或W_b应该采用同一单位。

设色谱柱长为L，理论塔板高度为H，则理论塔板数n为

  （9-17)

对于一定长度的色谱柱，塔板高度越小，由式9-13和9-14 可见，色谱峰越窄即W_h/2或W_b越小，塔板理论数n越大，对给定长度的色谱柱而言，塔板高度H越小，组分在柱内被分配的次数愈多，则柱效率越高。因此n和H可作为描述柱效率的指标。

由于保留时间t_R中包含了死时间t_M，而t_M并不参加柱内的分配过程，因此理论塔板数和理论塔板高度并不能反映色谱柱真实的分离效能。为了更符合实际情况，常用有效塔板数 和有效高度 作为评价柱效率的指标，即

   （9-18)

   　（9-19)

值得注意的是，同一色谱柱对不同物质的柱效率不同，在用这些指标描述柱效率时，必须说明是对什么物质而言。某物质在给定色谱柱上的 越大，说明该物质在柱中进行分配平衡的次数越多，对分离越有利，但不能表示该物质的实际分离效果。组分能否在色谱柱上分离，主要取决于各组分在气-液两相间分配系数的差异。如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，无论它们有多大也不能被分离。

 塔板理论在解释色谱流出曲线的形状，计算塔板数和塔板高度，评价柱效率方面是成功的。但是塔板理论将色谱分离过程简单地看成气-液分配过程, 某些基本假设不完全符合色谱的实际情况，如分配系数与组分的浓度无关，组分在两相中分配能瞬间达到平衡，纵向扩散可以忽略等。在塔板理论中，表示柱效率高低的理论塔板数主要是由保留值和峰宽决定的。保留值主要由固定相的性质和柱温决定，而色谱峰宽则主要受载气流速、传质和扩散等动力学因素的影响。由于塔板理论并没有考虑到动力学因素对气相色谱分离过程的影响，因此，塔板理论只能定性地给出塔板高度的概念，不能解释影响板高的各种因素，也不能解释在不同的载气流速下组分在同一色谱柱中柱效率不一样的事实。

二、速率理论

1956年Van Deemter等人在塔板理论的基础上，提出了关于色谱过程的动力学理论—— 速率理论（velocity theory)。该理论仍然采用塔板高度的概念，将色谱过程与载气流速、分子扩散和传质过程等动力学因素联系起来，从理论上总结出影响塔板高度的各种因素，导出了速率理论方程式（范氏方程)

  （9-20)

式中，A、B、C为常数；u为载气的线速度（cm/s)。

范氏方程将影响板高的因素归纳成三项，即涡流扩散项A，分子扩散项B/u和传质阻力项Cu。各项的物理意义如下：

1．涡流扩散项（A)  在填充色谱柱中，载气进入色谱柱后遇到填充物颗粒时，不断改变流动方向，使组分分子在气相中形成紊乱的类似涡流的流动。由于填充物颗粒大小及填充的不均匀性，组分分子所经过的路径长短不一，或前或后流出色谱柱，造成色谱峰的峰形扩展，称为涡流扩散（eddy diffusion)。

   （9-21)

由上式表明，涡流扩散项A与填充物的平均直径d_p和固定相填充不均匀因子l有关。采用粒度较细，颗粒均匀的担体，尽量填充均匀可以降低涡流扩散项，降低塔板高度H，提高柱效率。

 2. 分子扩散项（)  当试样分子以“塞子”的形式进入色谱柱后，随载气在柱中前进时，由于存在浓度梯度，使组分分子产生纵向扩散，即沿着色谱柱的轴向扩散，使色谱峰扩张，塔板高度增大，分离变差，这称为分子扩散（molecular　diffusion)。它与载气的线速度成反比，组分在柱内停留时间越长，分子扩散越严重。

 分子扩散系数B与组分在载气中的分子扩散系数（D_g，单位cm²/s)和组分分子扩散路径的弯曲程度有关的因子 (弯曲因子)成正比

(9-22)

 对填充柱而言, < 1, 空心柱 。组分在载气中的分子扩散系数D_g除了与组分的性质有关外，还与组分在载气中停留时间、载气性质、柱温、柱压等因素有关。D_g与载气的相对分子量的平方根成反比，随柱温升高而增大，随柱压增大而减小。

  （9-23)

 因此，采用分子量较大的载气(如N₂)、控制较低的柱温、采用较高的载气流速，可以减小分子扩散项，有利于分离。

 由于组分在气相中的分子扩散系数比其在液相中大10⁴~10⁵倍，因而在气-液色谱中，组分在液相中的分子扩散可以忽略不计。

3. 传质阻力项（Cu)  试样组分的分子在气-液两相中进行溶解、扩散、分配时的质量交换过程，称为传质过程，影响传质速度的阻力叫传质阻力（resistance to masstransfer)。它包括气相传质阻力和液相传质阻力，即

  （9-24)

式中，C_g是指试样组分在气相和气液界面之间进行质量交换时的传质阻力，C_L为组分在气液界面和液相之间进行质量交换时的阻力。

气相传质阻力C_g与填充物直径d_P和组分在载气中的扩散系数D_g的关系为

     （9-25)

 由上式可见，采用粒度小的担体和分子量较小的载气（如H₂)可减小气相传质阻力，提高柱效。

 液相传质阻力C_L与固定相的液膜厚度d_f和组分在液相中的扩散系数D_l的关系为

   （9-26)

由此可见，固定相的液膜涂渍得越薄，组分在液相的扩散系数越大，液相传质阻力就愈小。

 载气流速对传质阻力项的影响很大，当载气流速增大时，传质阻力项就增大，造成塔板高度H增大，柱效降低。

速率理论讨论了涡流扩散、分子扩散和传质阻力对塔板高度的影响，指出了影响柱效能的因素，对色谱分离条件的选择具有指导意义。由以上的讨论可以看出，色谱柱填充的均匀程度、担体的粒度、载气的流速和种类、固定液的液膜厚度和柱温等因素都对柱效能产生直接的影响。其中许多因素是相互矛盾、相互制约的，如增加载气流速，分子扩散项的影响减小，但是传质阻力项的影响则会增加；柱温升高有利于减少传质阻力项，但是又加剧了分子扩散。因此应全面考虑这些因素的影响，选择适宜的色谱操作条件，才能达到预期的分离效果。

三、气相色谱分离条件的选择

在气相色谱分析中，理论塔板数n只能表明某物质在该色谱柱中的柱效的高低，并不能说明两种物质通过色谱柱后是否能被分离。为了判断难分离的物质对在色谱分析中的分离情况，常用分离度(resolution，R)作为柱的总分离效能指标。

1.分离度 (resolution)   两个相邻色谱峰的分离程度，以这两个组分保留值之差与其平均峰底宽值之比表示

    （9-27)

由于色谱峰的峰底宽度W_b测量较困难，特别是当峰形不对称或相邻两峰之间有重叠时更难于准确测量，因此也可用半高峰宽来代替峰底宽度W_b，根据式9-7和式9-8分离度可表示为

 （9-28)

实际使用时，可近似为

 （9-29)

式中除采用保留时间外，也可采用其它保留值。但峰宽与保留值应采用同一单位。

 分离度R值越大，说明相邻两组分分离越好。当色谱峰符合正态分布时，从理论上可以证明，当R=1，两峰的分离程度可以达到98%；当R=1.5时，分离程度为99.7%，所以通常以R=1.5作为相邻两色谱峰完全分离的标志。

 2. 分离度与柱效（n)、相对保留值（r₂₁)及容量因子（k)的关系   对于两个相邻的色谱峰，其峰底宽度相近似，故可令，根据式9-6和式9-18，则可以得出R和的关系式

    (9-30)

　   (9-31)

  在上式中若用理论塔板数n表示，则可由式9-12，式9-16和式9-18式推导出R和n ,r₂₁及k 的关系式

    （9-32)

式中n为组分2的理论塔板数。

 式9-29 称为色谱分离的基本方程式，它清楚地表明了分离度R、理论塔板数n、相对保留值r₂₁以及分配比（容量因子)之间的关系。分离度R与塔板数的平方根成正比，增加塔板数，可以增加分离度。若通过增加柱长来增加塔板数，会延长分析时间，所以降低塔板高度H是增大分离度的有效途径；相对保留值r₂₁增大，可使分离度增大。r₂₁是由相邻两色谱峰的相对位置决定的，它反映了固定液的选择性，r₂₁越大，表明固定液选择性越好。当r₂₁=1时，无论柱效有多高，R 为零，两组分不可能分离。 因此，选择适宜的固定液是提高分离度的重要途径；增大分配比k 也可以增加分离度R，k 是由组分色谱峰和空气峰的相对位置决定的，它与固定液的用量和分配系数K有关，并受柱温的影响。增加固定液的用量虽可增大分离度，但会延长分析时间，引起色谱峰展宽。

分离度R定量描述了相邻两组分在色谱柱中的分离情况，概括了影响色谱过程的热力学和动力学因素。相邻两组分保留时间的差值取决于色谱分离的热力学性质，色谱峰的宽窄取决于色谱过程的动力学因素。分离度反映了色谱过程中选择性和柱效能影响的总和，因此可作为评价色谱柱的总分离效能的指标。

【例9-1】设两组分在2m长的色谱柱上进行分离，相对保留值r₂₁=1.18，有效塔板高度H_eff为0.1cm, 问这两组分的分离度是多少？

  解：    

 3. 气相色谱分离条件的选择  正确选择固定相和色谱分离条件是气相色谱分析的关键。在选择合适的色谱固定相后，色谱操作条件的选择将直接影响到待测混合物中各组分的彼此分离，特别是性质或结构相似的难分离物质对的定量分离。关于固定相的选择将在第三节讨论，这里着重讨论色谱分离条件的选择。

（1)载气及流速的选择 载气的种类和流速直接影响柱效和分析速度。载气对柱效的影响，主要表现在组分在载气中的扩散系数D_g上，由式9-23，D_g与载气分子量的平方根成反比，即同一组分在分子量较大的载气中有较小的扩散系数。根据速率方程式（式9-20)，涡流扩散项与载气流速无关。当载气流速u小时，分子扩散项对柱效的影响是主要的，因此选用分子量较大的载气，如N₂、Ar，可使组分的扩散系数较小，从而减小分子扩散的影响，提高柱效；当载气流速u较大时，传质阻力项对柱效的影响起主导作用，因此选用分子量较小的气体，如H₂、He作载气可以减小气相传质阻力，提高柱效。此外，载气种类的选择还应该考虑所用的检测器种类。

 从速率方程式可知，分子扩散项与流速成反比，传质阻力项与流速成正比，所以要使理论塔板高度H最小，柱效最高，必有一最佳流速。对于选定的色谱柱，在不同载气流速下测定塔板高度，将H对载气流速u作图，得到H-u曲线（图9-4)。

图9-4  H-u曲线

由图9-4可见，曲线上的最低点，塔板高度最小，柱效最高。该点所对应的流速即为最佳载气流速。在实际分析中，为了缩短分析时间，选用的载气流速稍高于最佳流速。

 在实际分析中，最常使用的载气是氮气（纯度应≥99.99%)，对于内径为3mm~4mm的色谱柱，N₂的流量为20~60ml/min，最佳流速应通过实验确定。

（2)柱温的选择 柱温也是气相谱分析中的重要操作参数，直接影响分离效能和分析速度。由于色谱固定液都有各自的最高使用温度，选用的柱温不能高于色谱柱中固定液的最高使用温度（通常低20℃~50℃)，否则会引起固定液流失，不仅影响柱寿命，甚至还会污染检测器。

 柱温与柱效和分析时间密切相关。提高柱温可以改善气相和液相的传质速率。有利于提高柱效，缩短分析时间。但是提高柱温又会增加分子扩散导致柱效降低，选择性变差即r₂₁变小，分离度R降低。相反，降低柱温可提高柱的选择性，改善相邻两组分的分离效果。但又会使分析时间增长。在实际分析中应权衡利弊，柱温的选择应使难分离物质对能得到良好的分离，分析时间适宜。

 对于沸点范围较宽的多组分混合物可采用程序升温，即柱温按设定的程序，随时间呈线性或非线性增加。采用程序升温可以使混合物中低沸点和高沸点的组分都能获得良好的分离。一般用线性升温，即升温速度是恒定的，例如每分钟升高2℃、4℃、8℃，甚至20℃等。图9-5中（a)和（b)图表示多组分宽沸程的试样在恒定柱温和程序升温操作时的分离效果比较。

图9-5 宽沸点混合物的恒温和程序升温色谱图

（3)固定液的配比又称为液担比，即固定液与担体的质量比。从速率方程式可知，固定液的配比主要影响传质阻力项，降低固定液的液膜厚度，可使液相传质阻力减小从而提高柱效。但固定液用量太少，会引起柱容量下降，进样量减少，甚至不足以涂渍在担体表面，造成色谱峰形变坏，柱效大为降低。在填充柱色谱中，液担比一般为5%~25%。

（4)气化温度的选择气化温度的选择主要取决于待测试样的挥发性、沸点范围、稳定性等因素。气化温度一般选在组分的沸点或稍高于其沸点，以保证试样完全气化。 对于热稳定性较差的试样，气化温度不能过高，以避免试样分解。一般气化温度比柱温高20℃~50℃。

（5)色谱柱长和内径的选择由于分离度R与柱长成正比，增加柱长对组分的分离有利，但柱长增加又会使组分的保留时间增加，分析时间延长，甚至还会引起色谱柱内阻力增加，操作不便。一般常用的填充柱为1 ~ 3 m。由于色谱柱内径太大会使柱效降低，所以常用的填充色谱柱内径为3 ~ 4 mm。

（6)进样量和进样时间的选择进样量受色谱柱柱长、内径和固定液配比等因素的控制，进样量应控制在进样量与色谱峰面积或峰高呈线性关系的范围内。在气相色谱分析中液体试样的进样量一般为0.1 ~ 10 ml，气体试样为0.1 ~ 10 ml。进样量太少，试样中的微量组分因检测器的灵敏度不够而不能被检出。进样量太多，会超过色谱柱的容量和检测器的线性范围，造成色谱峰变形或出现平头峰。

 此外，进样要迅速，使试样以“塞子”形式瞬间进入色谱柱。若进样速度过慢，会使色谱峰扩张，影响分离效果。对于液体样品，通常用微量注射器进样；对于气体试样，可用医用注射器进样,为了保证准确性和重复性，最好使用六通阀进样。

以上是根据色谱理论，选择色谱分离条件的基本原则，对于实际的检测项目还须结合具体情况灵活运用这些原则，不断总结经验，才能得到满意的分离效果。

第三节  色谱柱

　在气相色谱分析中，待测组分的分离过程是在色谱柱中完成的，是否能被定量分离，主要取决于所用色谱柱的效能和选择性，所以色谱柱是气相色谱仪的心脏部分。

一、气相色谱柱的分类

 色谱柱是由柱管和填充在其中的固定相组成，按照柱管的粗细和固定相的填充方式分为填充柱(packed column)和毛细管柱(capillary column)。

毛细管色谱柱常用玻璃或熔融石英拉制而成，内径为0.1mm~0.5mm。毛细管柱可分为填充毛细管柱和开管型柱，关于毛细管柱色谱将在第六节详细讨论。  

一般填充色谱柱通常用不锈钢或玻璃制成，内径为3mm~4mm，柱长为1m~3m，做成U型或螺旋型，柱内填充固定相。由于填充柱制备过程简单，应用普遍，本节主要介绍填充柱。

二、气相色谱固定相

在影响色谱柱分离效果的诸多因素中选择适当的色谱固定相是关键。必须使待测各组分在选定的固定相上具有不同的吸附性能或分配系数，才能达到分离的目的。色谱固定相一般可分为气-液色谱固定相和气-固色谱固定相两大类。

（一)气-液色谱固定相

气-液色谱的固定相是由固定液和担体组成。担体（或载体)(support)是一种惰性固体微粒，用作支持剂。固定液是涂渍在担体上的高沸点物质，在色谱操作温度下为液体。色谱分离主要依靠各组分在固定液上的分配系数不同，因此选择适宜的色谱固定液是十分重要的。

 1.固定液

（1)对固定液的要求化学稳定性好，固定液不与担体、载气和待测组分发生反应；热稳定性好，蒸气压低，在操作温度下，不易流失；溶解性好，固定液对待测组分应有一定的溶解度，即组分在固定液中的分配系数不能太小，否则组分将迅速被载气带出色谱柱，而不能被分离；选择性高，对沸点或性质相近的组分，有尽可能高的分辩能力，即组分的分配系数要有差别。

（2)组分与固定液分子间的相互作用   在气相色谱中待测组分之所以能溶解在固定液中是由于组分与固定液分子间相互作用的结果。这种作用力是一种较弱的吸引力，通常包括静电力，诱导力，色散力和氢键作用力，它们在色谱分离过程中起着特殊的作用。

 ①静电力由于极性分子具有永久偶极，产生静电作用引起的。当选用极性固定液时，待分离的极性组分与固定液分子间的作用力以静电力为主。组分极性越强，相互作用力越强，则该组分的保留时间越长。

②诱导力具有永久偶极的极性分子使其它分子产生诱导偶极矩，它们之间的相互作用力称为诱导力。这种作用力很弱，但在分离非极性和可极化组分的混合物时，极性固定液的诱导力就起到主要作用。如苯和环己烷的沸点非常接近，其偶极矩均为零，但苯为共轭体系比环已烷容易极化。当采用极性固定液时，使苯产生诱导偶极矩，相互作用力增强，使其保留时间较环已烷长，二者可以分离。

③色散力在非极性分子中，由于电子运动和原子核的振动，正负电荷瞬间相对位移而产生瞬时偶极。由这样形成的偶极而产生分子间的吸引力称为色散力。当使用非极性固定液分离非极性组分时，色散力起到主要作用。

④氢键力在能形成氢键的分子间存在的相互作用力，它是一种较强而有方向性的范德华力，在气-液色谱中起到重要的作用。用含有-OH、-COOH、COOR、-NH₂等官能团的物质作为固定液，分析含有电负性较强的元素如氮、氧、卤素的化合物时，氢键力起到主要作用。

⑤分子间的特殊作用力除了上述作用力外，在组分和固定液分子间还可能形成弱化学键。如在固定液中加入硝酸银或高氯酸银，可选择性保留烯烃，而同碳数的烷烃先流出色谱柱。这是由于银离子与碳碳双键的p 电子形成了弱的配合物。

 在气液色谱中，选择适宜的固定液, 使待测各种组分与固定液之间的作用力有差异，才能达到彼此分离的目的。

   （3)固定液的分类  从以上的讨论可见，固定液的极性直接影响组分与固定液分子间的作用力的类型和大小，因此对于给定的待测组分，固定液的极性是选择固定液的重要依据。

目前气相色谱使用的固定液有几百种，它们具有不同的组成、性质和用途，为了更好地使用和选择固定液，通常按相对极性进行分类，以便在选择固定液时参考。即以强极性的，-氧二丙腈的相对极性为100，非极性的角鲨烷的相对极性为0， 以它们为标准，其它固定液的相对极性在0到100之间。并将相对极性0~100分为五级，20为一级，以“+”表示。+1、+2为弱极性；+3为中等极性；+4、+5为强极性。通常把非极性固定液的相对极性以“-”表之。如阿皮松L级别为 “-”，是非极性固定液；邻苯二甲酸二壬酯级别为“+2”，是弱极性固定液。表9-2例举了一些常用固定液的性质。

由于分子间的作用力是比较复杂的，仅用相对极性这单一的数据来评价固定液的性质是不够的。 1970年Mcreynolds (麦克雷若) 提出用五个常数,,,, , 分别代表分子间的各种作用力。以五个数值的总和，即各种相互作用力的总和来说明某种固定液的极性。例如角鲨烷的五个常数之和为零，表示角鲨烷是非极性固定液；聚乙二醇-20M为2308，是中等极性固定液；，-氧二丙腈为4427，是强极性固定液。麦氏常数愈大，表示分子间的作用力愈大，固定液的极性愈强。用麦氏常数来表示固定液的极性强弱，比相对极性的表示法更为合理。有关麦氏常数可参考色谱手册和有关专著。

   （4)固定液的选择 一般是根据试样的性质（极性和官能团)，按照“相似相溶”的原则选择适当的固定液。具体可从以下几方面考虑：

①分离非极性组分选用非极性固定液，试样中各组分一般按沸点由低到高的顺序出峰。常用的有角鲨烷（异三十烷)、十六烷、硅油等。②分离极性组分通常选用极性固定液，待测试样中各组分通常按极性由小到大的顺序出峰。例如用极性固定液聚乙二醇-20M分析乙醛和丙烯醛时，极性较小的乙醛先出峰。 ③分离非极性和极性（易极化)组分的混合物最好选用极性固定液。这时，非极性组分先流出，极性（或易被极化)的组分后出峰。例如采用中等极性的邻苯二甲酸二壬酯作固定液，沸点相差极小的苯（沸点80.1℃)和环己烷（沸点为80.8℃)可以定量分离。④对于能形成氢键的组分一般选用强极性或氢键型的固定液，如醇、酚和胺等的分离。待测各组分按与固定液形成氢键的能力由小到大流出色谱柱。⑤复杂难分离的组分 可采用两种或两种以上的固定液，配成混合固定相使用，以达到www.med126.com/yishi/预期的分离效果。

表9-2  气相色谱常用固定液

2. 担体   一种化学惰性的多孔固体颗粒，提供较大的惰性表面，使固定液的液膜均匀涂渍在其表面，构成气-液色谱的固定相。

（1)对担体的要求 表面积大，颗径和孔径分布均匀；化学惰性，其表面不与待测组分发生化学反应，或产生吸附或催化作用；热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎。实际上，完全满足以上要求的担体难于获得，只能根据实验选择合适的担体。

（2)担体的种类和性能  气相色谱中常用的担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两大类。硅藻土型担体应用广泛，又可分为红色担体和白色担体。它们都是由天然硅藻土煅烧而成的，白色担体在煅烧前在原料中加入少量碳酸钠作助熔剂，煅烧后呈白色而得名；红色担体煅烧时，由于硅藻土中所含的铁生成氧化铁，而呈淡红色。这两种担体的表面结构不相同，红色担体分离极性物质时，色谱峰易拖尾，故一般用于分析非极性或弱极性物质。常用的有6201红色担体、201红色担体等。白色担体一般用于分析极性物质。常用的有101白色担体、102硅烷化白色担体等。

非硅藻土型担体有氟担体，适用于强极性和腐蚀性气体的分析；玻璃微球适用于高沸点物质的分析；高分子多孔微球既可以用作气-固色谱的吸附剂又可以用作气-液色谱的担体。

表9-3  常用的气液色谱担体

（3)担体的预处理  普通硅藻土型担体表面并非完全惰性，而是含有相当数量的硅醇基（-Si-OH)，并且有少量的金属氧化物，故它的表面既有吸附活性，又有催化活性。如果所涂渍的固定液量较少或涂渍不均匀，不能将其吸附和催化中心完全遮盖，当分析极性试样时，将会使色谱峰拖尾。对于化学性质活泼的样品还有可能发生化学反应和不可逆吸附。因此，在涂渍固定液前应对担体进行预处理。常用的预处理方法有  酸洗法（除去碱性活性基团)、碱洗法（除去酸性活性的基团)、硅烷化（消除氢键结合力)，釉化处理（使表面玻璃化、堵住微孔)等。

   （二)气-固色谱固定相

在气-固色谱法中，常用固体吸附剂作固定相，主要用于惰性气体、H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄等气体及低沸点有机物的分析。

常用的固体吸附剂有非极性的活性炭、弱极性的氧化铝和强极性的硅胶等。由于吸附剂的性能与其制备、活化条件有很大关系，不同厂家的同种吸附剂，甚至同一厂家不同批的产品，其色谱分离性能往往不能重复，给定性、定量工作带来困难，所以气-固色谱的应用范围受到一定的限制。近年来发展的高分子微球、分子筛、石墨化炭黑等新型吸附剂，使气-固色谱法的应用有了新的发展。

三、填充色谱柱的制备

填充色谱柱的制备包括固定液的涂渍、色谱柱的填充和老化三个操作步骤。色谱柱的制备是色谱分析中的关键操作技术。

1.色谱柱的清洗   对于玻璃柱，先在柱中加入铬酸洗液浸泡，用自来水冲洗至中性，然后用去离子水洗净、烘干即可用于装柱。

对于不锈钢柱，则用5%~10%的热碱溶液（NaOH或KOH)抽洗，以除去管内壁的油污，用自来水洗至中性，然后用去离子水洗净、烘干后使用。

2.固定液的涂渍 为了制备一根分离效能高的色谱柱，必须在载体上涂渍一层薄而均匀的液膜。这首先应选好溶剂，使固定液能完全溶解。其次在涂渍中应仔细，避免因搅拌而使载体破碎。第三，担体表面及内孔中存有空气，妨碍固定液渗入，最好减压除去。装柱前根据色谱柱体积，量取1.2~1.5倍柱体积的担体（预先筛分到一定粒度范围)并称重；根据所要求的液担比，称取所需固定液。

常用的涂渍方法有静态涂渍法和旋转蒸发法两种。对于液担比大于5%以上的固定相可用静态涂渍法。称取所需固定液，并加入担体体积1.5~2倍的溶剂，待完全溶解后倒入蒸发皿内，再加入已称重的担体，轻轻搅拌、均匀涂渍，自然挥干或在红外烤灯下烘烤，当固定相完全干燥后，按原筛目过筛后装柱。

对于低含量（<3%)的固定液，需用旋转蒸发法才能涂渍均匀。将已称重的固定液完全溶于所选的溶剂后，再加入3~5倍担体体积的溶剂，缓缓加入担体，旋转涂渍2~3h，于热水浴或红外烤灯下蒸干溶剂，即可按原筛目过筛后装柱。

3.色谱柱的填充 通常采用真空泵抽气填充法。将色谱柱的尾端（即接检测器的一端)塞上玻璃棉，接真空泵；柱的另一端（接气化室一端)接一小漏斗。开启真空泵，慢慢加入固定相，少量多次，轻轻敲打色谱柱，直至固定相不能再加入为止。装填好后，柱端塞上玻璃棉，并按装填方向标记进样端。

4. 色谱柱的老化  为了除去柱填料中残余的溶剂和某些挥发性杂质，促进固定液均匀地分布在担体的表面上，填充好的色谱柱还需老化处理。将色谱柱在高于操作温度，低于固定液最高使用温度下，通入载气和加温处理使其性能稳定的过程称为老化(conditioning)。将色谱柱的进样端安装在色谱仪上，柱出口端与检测器断开，以免污染检测器。控制载气流速为5~10ml/min，在高于柱温10℃~25℃，但低于固定液的最高使用温度下老化4~8 h。老化后，将色谱柱与检测器连接，待基线平直后，即可开始色谱分析。

第四节  色谱检测器

检测器(detector)是气相色谱仪的重要组成部分，用于鉴定样品的组成和检测各组分的含量。待测组分经色谱柱分离后，通过检测器将各组分的浓度或质量转变成相应的电信号，经放大器放大后，由色谱工作站得到色谱图，根据色谱图对待测组分进行定性和定量分析。近年来，由于痕量分析的需要，高灵敏度的检测器不断出现，大大促进了气相色谱的发展和应用。目前已有几十种检测器，其中最常用的是热导池检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器和氮磷检测器等。根据检测器的输出信号与组分含量间的关系不同，可分为浓度型检测器和质量型检测器两大类。

浓度型检测器  测量载气中组分浓度的瞬间变化，检测器的响应值与组分在载气中的浓度成正比。例如  热导池检测器、电子捕获检测器等。质量型检测器：测量载气中某组分进入检测器的质量流速变化，即检测器的响应值与单位时间内进入检测器某组分的质量成正比。例如：火焰离子化检测器、火焰光度检测器等。

一、检测器的性能指标

在气相色谱分析中，对检测器的要求是灵敏度高、稳定性好、响应快、线性范围宽，这些要求也是评价检测器性能的指标。

（一) 灵敏度

当待测物通过检测器，物质量变化（△Q)时信号量的变化率，称为检测器对该物质的灵敏度(sensitivity)。如果以进样量Q对检测器的信号作图，可得到通过原点的直线（见图9-6)，该直线的斜率就是检测器的灵敏度, 以S表示。

 （9-33)

图9-6 中Q₀~Q_最大为检测器进样量的线性范围。Q_最大为最大允许进样量。

气相色谱检测器灵敏度的单位，随检测器的类型和试样的状态不同而异。对于浓度型的检测器，当试样为气体时，S的单位为mV• ml /ml；当试样为液体时为mV• ml /mg; 即每毫升载气中含１mg试样进入检测器时所产生的毫伏数。对于质量型的检测器，试样为液体或气体时，S的单位为：mV• s/g或A• s/g，即每秒中有含１g试样进入检测器时所产生的毫伏数或安培数

图9-6 检测器的响应信号和进样量的关系   图9-7 检测器噪声示意图

（二)噪声R_N和敏感度

当只有载气通过检测器时，色谱图上基线的波动称为噪声，以R_N表示（图9-7)。噪声大，表明仪器的稳定性差。由于检测器的灵敏度（S)并没有反映它的噪声水平，为了评价检测器的好坏，还应引入敏感度这一指标。 

检测器的敏感度是指检测器恰能给出二倍噪声（2 R_N)的信号时，单位体积载气中或单位时间内进入检测器的组分质量，以D表示。灵敏度、噪声、敏感度三者之间的关系为 

    （9-34)

敏感度的单位，对于浓度型检测器为mg/ml 或 ml/ml；对质量型检测器为  g/s。

敏感度是检测器的重要性能指标，它表示检测器所能检出的最小组分量，主要受灵敏度和噪声影响。D越小，表明检测器越敏感，用于痕量分析的性能越好。

在实际分析中，由于进入检测器的组分量很难确定。只有当待测组分通过检测器产生的信号大于噪声时，才能从背景噪声中鉴别出来。因此，常用最www.med126.com低检出量表示气相色谱分析的灵敏程度，即恰能产生2倍噪声信号时的进样量，以Q₀表示。必须注意，检测器的敏感度与色谱分析的最低检出量是不同的。前者是衡量检测器的性能指标，而后者不仅与检测器的性能有关，还与色谱峰的半宽度和进样量等因素有关。

   （三)线性范围

检测器的线性范围是指其响应信号与进样量呈线性关系的范围。通常用最大允许进样量Q_最大和最小检出量Q₀的比值来表示。检测器的线性范围越宽，表明检测器对试样中的大量组分或微量组分都能准确测定。

常用的检测器有火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器和热导池检测器。其中热导池检测器是基于不同的气体和蒸气具有不同的热导系数进行检测的，主要对可挥发的无机气体和有机物有响应。由于其灵敏度和选择性较差，在卫生检验和医学检验中使用较少。本节主要介绍火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器。常用的几种检测器的性能指标见表9-4。

表9- 4 常用检测器的性能

二、火焰离子化检测器

火焰离子化检测器（flame ionization detector,FID), 是一种质量型的检测器。它对大多数的有机物都有很高的灵敏度，一般较热导池检测器的灵敏度高约3个数量级，由于它的灵敏度高、死体积小、响应快、线性范围广，适用于痕量有机物分析, 是目前应用最为广泛的一种检测器。

1.火焰离子化检测器的结构 该检测器主要是由离子室、离子头和气体供应三部分组成。结构示意图见图9-8。

图9-8 火焰离子化检测器示意图

离子室是一金属圆筒，避免外界影响而引起火焰扰动，兼作电屏蔽。离子头由不锈钢制成，包括火焰喷嘴和一对电极  发射极和收集极。发射极通常是由铂丝作成的圆环，收集极是用不锈钢作成的圆筒，置于发射极的上方。两极之间加有恒定的电压，形成静电场。气体入口在离子室的底部，氢气和载气按一定的比例混合后，由喷嘴喷出，再与空气混合，点燃形成氢火焰。

2.火焰离子化检测器的工作原理  氢火焰的温度高达2100℃，待测有机物在火焰中离子化，电离生成的正负离子在两极间的静电场作用下定向运动形成电流。当载气中不含待测物时，火焰中离子很少，即基流很小，约10^-14A。当待测有机物通过检测器时，火焰中电离的离子增多，电流增大。但是有机物在氢火焰中的离子化效率很低，约每50万个碳原子仅产生一对离子，因此产生的离子电流很微弱。需经高电阻（10⁸~10¹¹Ω)后得到较大的电压信号，再由放大器放大，才能在色谱工作站或微处理机上得到色谱峰。该电流的大小，在一定范围内与单位时间内进入检测器的待测组分的质量成正比。

微量有机物进入火焰后发生离子化的机理，目前尚不十分清楚。一般认为有机物在火焰中的电离是化学电离。有机物在火焰中生成自由基，其化学电离反应如下 

   C_nH_m ® CH·(自由基) 

有机物C_nH_m 在氢火焰中裂解生成含碳自由基，与进入离子室的氧分子反应 

   2CH·+O₂®2CHO⁺+e^–
 CHO⁺ 与火焰中大量的水蒸气碰撞，生成HO₃⁺离子 

CHO⁺  + H₂O® H₃O⁺+ CO

 在火焰中也存在与离子化反应相反的过程 

H₃O⁺ + e^– ® H₂O + H

为了减少正离子与电子接触的机会，可适当降低火焰的温度，以降低复合反应的发生率。由化学电离产生的正离子（CHO⁺ 、H₃O⁺ )和电子e^–在外电场作用下定向运动产生微电流，其大小与进入检测器的待测有机物的质量成正比。由上述离子化反应机理可知，火焰离子化检测器对电离势低于H₂ 的有机物产生响应，而对无机物、永久性气体和水基本上无响应，所以火焰离子化检测器适合于水和大气中痕量有机物的分析。

3．操作条件的选择

（1)载气流速的选择  火焰离子化检测器一般选用氮气为载气，根据分离效能由实验确定最佳载气流速，使待测组分在选定的色谱柱有良好的分离效果。

（2)氢气流速的选择  氢气流速的选择主要考虑检测器的灵敏度。氢气和载气流速的比值对氢火焰的温度和火焰中离子化过程影响很大。H₂ 流速过小，火焰的温度低，组分离子化数目少，检测器灵敏度低，容易熄火；但H₂ 流速过快，则噪声大，基线不稳。通过实验确定N₂ 和 H₂ 的最佳流速比，使检测器的灵敏度达最高，稳定性最好。一般N₂ 和 H₂ 的最佳流速比在1: 1~1.5之间。

（3)空气流速的选择  空气是助燃气，参与形成CHO⁺ 正离子的反应。当空气流速较小时，检测器的信号随空气流速的增加而增大，到达一定值后，空气流速对信号几乎无影响。一般氢气和空气流速比为1:10。

（4)使用温度  检测器的温度通常比色谱柱的温度高20℃~50℃ 。对火焰离子化检测器而言，温度应高于100℃，否则水蒸气会在离子室内凝聚，造成灵敏度显著下降，甚至会影响检测器的使用寿命。

此外，检测器的极化电压也影响其响应值，适宜的极化电压范围为100~300V。离子室的屏蔽、清洁和所用气体的纯度都影响检测器的灵敏度。

三、电子捕获检测器

电子捕获检测器（electron capture detector,ECD)是一种高选择性、高灵敏度的检测器。对含有较强电负性元素的物质，如含有卤素、氧、硫、氮等的化合物有响应, 元素的电负性越强，检测器的灵敏度越高。其高灵敏度表现在检测限可达 10^{–14 g/ml}。电子捕获检测器已广泛用于有机氯农药残留量、金属配合物、金属有机物、多卤或多硫化合物、甾族化合物等的分析测定。

1.电子捕获检测器的结构  如图9-9所示

图9-9 电子捕获检测器示意图

在检测器的池体内，装有一个圆筒状的β射线发射源作为负极，以一个不锈钢棒作为正极，在两极间施加直流电或脉冲电压。通常用氚 H³或镍的同位素Ni⁶³ 作为放射源。前者灵敏度高，剂量为100~1000毫居里，安全易制备，但使用温度较低（<190°C)，寿命较短，半衰期为12.5年。后者可在较高的温度（350℃)下使用，剂量为10~20毫居里，半衰期为85年，但制备困难，价格昂贵。

对该检测器结构的要求是气密性好，保证安全；绝缘性好，两极之间和电极对地的绝缘电阻要大于500兆欧；池体积小，响应时间快。

2．电子捕获检测器的工作原理  当载气（通常用高纯氮)进入检测室，在β射线的作用下发生电离，产生正离子和低能量的电子 

 N₂ ® N₂⁺+ e^–

生成的正离子和电子在电场作用下分别向两极运动，形成恒定的电流，称为基流。当有电负性物质AB进入检测器时，就会捕获这些低能电子，产生带负电荷的分子或离子并释放出能量 

  AB + e^–  → AB^- + E

带负电荷的分子或离子和载气电离生成的正离子结合生成中性化合物，被载气带出检测室外，从而使基流降低，产生负信号，形成倒峰。组分浓度越高，倒峰越大。因此，电子捕获检测器是浓度型的检测器。

3.操作条件的选择

   （1)载气的影响  电子捕获检测器可用氮气或氩气作为载气，最常用的是高纯度的氮气（纯度≥99.999%)。载气中若含有少量的O₂和H₂O等电负性组分，对检测器的基流和响应值会有很大的影响，如果载气纯度达不到要求，可采用脱氧管等净化装置除去杂质。载气流速对基流和响应信号也有影响，可根据条件试验选择最佳载气流速，通常为40~100ml/min。

(2)电子捕获检测器对电负性强的元素响应值高，因此应采用不含卤素、氧、硫、氮的化合物，如正己烷、石油醚等作为试样的溶剂，不采能用三氯甲烷、二氯甲烷等作为进样溶剂。

(3) 电子捕获检测器的温度对基流大小有影响，应根据待测组分的性质，选择适宜的检测器温度，检测器的温度不应超过350℃。

四、火焰光度检测器

火焰光度检测器（flame photometricdetector, FPD)是对含硫或含磷化合物具有高灵敏度和高选择性的检测器。

1.火焰光度检测器的结构  这种检测器主要由氢火焰和光度检测两部分组成，见图9-10。

图9-10 火焰光度检测器示意图

氢火焰部分与火焰离子化检测器的离子室相似，包括火焰喷嘴和遮光槽。光度检测部分包括滤光片、石英片和光电倍增管。载气先与空气混合，由检测器下部进入喷嘴，再与燃气H₂混合，点火燃烧。喷嘴上方的遮光槽挡去火焰本身和烃类发出的光，以降低噪声。光学系统需要绝热，在石英片和滤光片之间装有散热片，石英片用于保护滤光片，避免水汽和燃烧产物的腐蚀。在测硫和磷时，应采用不同的滤光片。

2.工作原理  火焰光度检测器是在富氢焰中测量硫、磷化合物的发射光谱。当含硫化合物（RS)试样进入氢焰离子室时，在富氢焰中燃烧，有机含硫化合物首先氧化成SO₂ ，然后被氢还原成S原子。在适当的温度下，S原子能生成激发态的S₂^* 分子，当其回到基态时，发射出350~430nm的特征分子光谱，最大发射波长为394nm。通过相应的滤光片，照射到光电倍增管上，将光信号转变成电信号，经放大后并记录其色谱峰。反应方程式如下 

  　　  RS + 2O₂ ® SO₂ + CO₂

　　 SO₂ + 4H ® S + 2H₂O

  　　　 S + S ® S₂^*

  　　　 S₂ ^* ® S₂ +hn

从上述反应式可知，发射光的强度正比于[S₂^*]，而[S₂^*] 与SO₂，即与含硫化合物RS浓度的平方根成正比，该检测器对硫为非线性检测器。

当含磷化合物进入氢火焰时，首先氧化成磷的氧化物，然后在富氢焰中被氢还原成HPO, 在火焰的高温下被激发的HPO 碎片发射出480~600nm的特征分子光谱，最大发射波长为526nm。因发射光的强度（响应信号)正比于HPO浓度，测量其发射光的强度而检测磷。该检测器对磷为线性检测器。 

3．操作条件的选择

(1) 检测器温度的选择  从检测原理可知，硫需要在适当的温度下才有利于S₂^* 分子生成，因此检测室的温度对硫的灵敏度影响很大。通常火焰温度较高，有利于测磷，而不利于测硫。测定磷或硫应该通过条件实验在各自最佳的操作温度下进行。

(2)氢气的流速  火焰光度检测器必须使用富氢焰，氢气和氧气的流速比对响应值影响很大。通常H₂:O₂ > 3:1

为了延长检测器光电倍增管的使用寿命和避免损坏，应注意当检测器燃烧室的温度升至100℃以上才能点火，以避免燃烧室积水受潮。点火后才能开启检测器的高压电源（先开低压挡，后开高压挡)。实验过程中若发生熄火，应关闭高压电源后才可重新点火，实验完毕先关闭高压电源。

第五节   气相色谱定性定量分析

一、定性分析

气相色谱定性分析的目的是确定待测试样的组成，判断各色谱峰代表什么组分。气相色谱分析的优点是能对多种组分的混合物进行分离分析，这是光谱、质谱法所不能及的。但气相色谱法也有其固有的缺点，就是难于对未知物定性，需要有已知纯物质或有关的色谱定性参考数据，才能进行定性鉴定。近年来，随着气相色谱与质谱、红外光谱联用技术的发展，为未知试样的定性分析提供了新的手段。

（一)利用已知纯物质对照定性

 1.根据色谱保留值定性  当固定相和操作条件严格不变的情况下，各种组分在给定的色谱柱上都有确定的保留值，可以作为定性指标。即通过比较已知纯物质和未知组分的保留值来确定某一色谱峰代表什么组分。如在相同的色谱条件下，待测组分的保留值与已知纯物质的保留值相同，则可以初步认为它们是属同一种物质。最常用的保留值为调整保留时间。但在操作条件一定的情况下，t_M不变，也可直接采用保留时间t_R 定性。由于相对保留值只与柱温和固定相有关，不受其它操作条件的影响，所以采用相对保留值定性比较准确。由于不同物质在相同色谱条件下也可能会具有相近或相同的保留值，所以根据色谱保留值定性有一定的局限性。

  2. 加入已知纯物质峰高增加法定性

当试样组成比较复杂，相邻两组分的保留值相近，而且操作条件又不易控制恒定时，可以在试样中加入已知纯物质，如果某一组分的色谱峰增高，则说明该组分就是加入的已知纯物质。

3.双柱（多柱)定性 由于不同的待测组分在同一色谱柱上可能有相同的保留值，只用一根色谱柱定性，结果不可靠。可采用另一根极性不同的色谱柱进行定性，比较未知组分和已知纯物质在两根色谱柱上的保留值，如果都具有相同的保留值，即可认为未知组分与已知纯物质为同一种物质。

 利用已知纯物质对照定性，方法简便，是气相色谱定性分析中最常用的方法。在实际分析中若购置标准品有一定困难时，可选用其它方法定性。

（二)利用文献保留数据定性

 在实际工作中由于待测试样各种各样，一个实验室不可能备有各种标准纯物质。可以利用文献上报道的有关保留指数和相对保留值进行定性，其中最常用的是相对保留值和保留指数I。但应注意，要严格按文献所要求的色谱条件（固定相和柱温)进行实验，定性结果才可靠。

1.相对保留值法 从文献上查出待组分的相对保留值r₂₁，然后按文献报道的色谱条件进行实验，测出待测组分的r₂₁并与文献值比较，若二者相同，则可认为是同一物质。

 2. 保留指数法，又称为Kovats指数，与其它保留数据相比，是一种重现性较好的定性参数。

 保留指数(retention index)是将正构烷烃作为标准物，规定其保留指数为100Z（Z代表碳数)，例如正庚烷和正辛烷的保留指数分别为700和800。待测组分的保留指数，是用与它相邻的两个正构烷烃的保留指数来标定，用均匀标度表示。欲测某一物质的保留指数，先选择两个相邻正构烷烃为标准物，其中一个的碳数为Z，另一个的为Z+1。 使被测物质的保留值X_Ni恰在两个正构烷烃的保留值X_NZ和X_N(Z+1)之间，即X_NZ＜X_Ni＜X_N（Z+1)。在有关文献给定的操作条件下，将选定的标准和待测组分混合后进行色谱实验。则待测组分x的保留指数可由下式计算 

（9-35)

 式中待测组分的保留值可采用调整保留时间、调整保留体积等表示。

【例9-2】在阿皮松-L色谱柱上，当柱温为100℃时，测得某组分的调整保留时间为310.0 s，以正庚烷、正辛烷为标准物测得它们的调整保留时间分别为184.0 s和 373.4 s ，色谱图如图9-11所示，求该组分的保留指数。

 解  已知： 正庚烷（n-C₇)  X_NZ=184.0s  lg184.0=2.24

  正辛烷（n-C₈)  X_N（Z+1)=373.4s  lg373.4=2.57

  待测物     X_Ni=310.0s lg310.0=2.49

  Z=7

 将上述数据代入式9-32，得  

 该组分的保留指数为777.6，从有关文献上可以查出在上述色谱条件下，该未知物为乙酸正丁酯。

图9-11 保留指数测定示意图

3.与其它仪器分析方法结合定性  气相色谱法是分离复杂混合物的有效方法，但不能直接从色谱图对未知物定性鉴定。而某些仪器如质谱仪、红外光谱仪和核磁共振仪等定性能力很强，但要求所分析的试样组分很纯，而不能对复杂的混合物进行定性。因此，将气相色谱与质谱、红外光谱、核磁共振谱联用，复杂的混合物先经气相色谱分离成单一组分后，再利用质谱仪、红外光谱仪或核磁共振谱仪进行定性。其中色谱-质谱联用技术是目前解决复杂未知物定性鉴定最有效的手段。近年来，随着电子计算机技术的应用，大大促进了气相色谱法与其它方法联用技术的发展，可以预见这些先进的联用技术将会成为分离分析复杂未知物最有效的现代分析手段。

 二、定量分析

1.定量依据  气相色谱进行定量分析的依据是在一定的色谱操作条件下，进入检测器的待测组分i的含量m_i（质量或浓度)与检测器的响应信号（峰面积A_i或峰高h_i )成正比。以峰面积为例，即

    （9-36)

 式中， 为定量校正因子。要准确进行定量分析，必须准确地测量响应信号，求出定量校正因子 并选择适宜的定量方法。

  2.峰面积的测量  峰面积的测量直接关系到定量分析的准确度。常用的峰面积测量方法主要有峰高乘半高峰宽法和峰高乘平均峰宽法。现代气相色谱仪的数据采集和处理系统带有自动积分功能，能自动测量色谱峰面积，对于不同形状的色谱峰可以采用相应的计算程序自动计算，得出准确的结果。

3. 定量校正因子   气相色谱法是在一定条件下根据组分的峰面积（或峰高)与待测物的含量成正比来定量的。但因同一检测器对不同物质的响应值不同，所以当相同质量的不同物质通过检测器时，产生的峰面积（或峰高)不等，因而不能直接用峰面积（或峰高)计算组分含量，需要引入“定量校正因子”以校正峰面积（或峰高)，使之能真实地反映组分含量。

（1)校正因子的表示方法   现以峰面积定量校正因子为例说明，由式9-33可知 

    （9-37)

式中f_i'称为绝对校正因子，即是单位峰面积所相当的物质量。它主要是由仪器的灵敏度决定的，不易准确测量，所以无法直接应用。在定量分析中常用相对校正因子，即某一组分与标准物质的绝对校正因子之比，即 

  （9-38)

式中 A_i、 A_s分别为组分和标准物质的峰面积；_、分别为组分和标准物质的量。当_、可以用质量或摩尔质量为单位，所得的相对校正因子分别称为相对质量校正因子和相对摩尔校正因子，分别用和表示。使用时常将“相对”二字省去。校正因子可由有关文献查到，也可以通过实验测定。

（2)校正因子的测定方法  准确称取一定量待测组分（)和标准物质（)混合后，取一定量（在检测器的线性范围内)在一定的色谱条件下注入色谱仪，得到标准物质的色谱图，分别测量待测物和标准物质的色谱峰面积和，由式9-38计算出校正因子。

2. 几种常用的定量方法

（1)归一化法(normalization method) 当试样中所有组分在检测器上都有响应信号，并在色谱图上都能出现色谱峰，可用此法计算各待测组分的含量。其计算公式如下

（9-39)

式中，为待测组分的校正因子；为该组分的色谱峰面积。如用质量校正因子，则得到待测组分的质量分数。如用摩尔校正因子，则得到待测组分的摩尔分数。

如果测量参数为色谱峰高，也可用峰高归一化计算组分含量,则有 

  （9-40)

式中，为峰高校正因子，其测定方法与峰面积校正因子相同。

归一化法简便，准确，操作条件（进样量、流速等)的变动对结果影响较小。但若试样中有的组分不能出峰，则不能采用此法。

（2)内标法(internal standard method)  若试样中有的组分不能出峰，只需要测定试样中某个或某几个组分时，可以采用内标法。

内标法是在试样中加入一定量的纯物质作为内标来测定组分的含量。内标物应选用试样中不存在的纯物质，其色谱峰应位于待测组分色谱峰附近或几个待测组分色谱峰的中间，并与待测组分完全分离，内标物的加入量也应接近试样中待测组分的含量。具体作法是准确称取一定量试样，加入一定量的内标物，根据内标物和试样的质量及其在色谱图上相应的峰面积，由下式计算待测组分含量。

    （9-41)

 （9-42)

式中为待测组分的含量；m_s和为内标物和试样的质量, m_i为试样中待测物的质量；和为待测物和内标物的峰面积，相应的质量校正因子分别为和。

由于内标法中以内标物为基准，则。于是，式9-41 可简化为 

 (9-43)

   内标法的优点是定量准确。因为该法是用待测组分和内标物的峰面积的相对值进行计算，所以不要求严格控制进样量和色谱操作条件，试样中含有不出峰的组分时也能使用，但每次分析都要准确称取或量取试样和内标物的量，操作较麻烦，不适用于快速分析。

   为了减少称量和测定校正因子可采用内标标准曲线法，即简化内标法。若称取相同量的试样，加入恒定量的内标物，待测组分的含量与A_i/A_s成正比例。则式9-43 为

（9-44)

   绘制内标标准曲线时，先将待测组分的纯物质配成不同浓度的标准溶液，分别取一定体积的标准溶液，加入相同量的内标物，混合后进样分析，测出待测物标准溶液的峰面积A_i和内标的峰面积A_s，以标准溶液的浓度为横坐标，以 A_i/A_s为纵坐标作图，得到一组通过原点的直线。分析时，取与标准溶液相同体积的待测试样和同量的内标物，测出其峰面积比，由该组分的标准曲线上即可查出待测组分的含量。利用内标标准曲线法定量，可免去测定校正因子的麻烦，适用于液体试样的常规分析。

（3)外标法(external standardmethod)  取待测的纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液，分别取一定体积，进样分析。从色谱图上测出峰面积（或峰高)，以峰面积（或峰高)对含量作图，即为标准曲线。然后在相同的色谱操作条件下，分析待测试样，从色谱图上测出试样的峰面积（或峰高)，根据标准曲线查出待测组分的含量。

外标法是最常用的定量方法。其优点是操作简便，不需要测定校正因子，计算简单。结果的准确性主要取决于进样的重现性和色谱操作条件的稳定性。

当试样中的待测组分浓度变化不大时，也可以不作标准曲线，而采用单点校正法。配制一个与待测组分含量十分接近的标准溶液，其含量为，取相同量的标准溶液和试样分别进行色谱分析，得到相应的峰面积A_s和（或峰高h_s和h_i)，由待测组分和标准溶液的峰面积比（或峰高比)求出待测组分的含量。即

  或   （9-45)

【例9-4】用10%聚乙二醇-20M和2%KOH 为固定液的填充柱，测定吸烟环境中的尼古丁。以喹啉为内标物，准确称取一定量的尼古丁标准品，配制尼古丁标准溶液，其浓度为0.0105mg/ml；再准确称取一定量的内标物喹啉，用乙醇配成0.124mg/ml的内标溶液。取5.00ml尼古丁标准溶液加入0.20ml内标溶液, 经庚烷提取后，取2ml提取液注入色谱仪。从标准色谱图上测得尼古丁标准溶液的峰高为55.3 mm, 喹啉内标的峰高为50.2mm，求校正因子。取5.00ml样品溶液按测定校正因子的步骤加入0.20ml内标溶液，混匀, 经同体积的庚烷提取后进行色谱分析，在样品色谱图上测得尼古丁和内标的峰高分别为38.3mm和51.0mm。求样品溶液中尼古丁的浓度。

解：由标准色谱图可知 

  h_s=50.2mm, h_i=55.3mm,

 m_s=0.124mg/ml×0.20ml=0.0248mg

  m_i=0.0105mg/ml×5.00ml=0.0525mg

 由样品的色谱图可知  h_s=51.0mm  h_i= 38.3mm,

∵  m_s=0.124mg/ml×0.20ml=0.0248mg

 V_i =5.00ml

  所以，可求出样品溶液中尼古丁的浓度为 (mg/ml)为 

第六节  毛细管柱气相色谱法

一、概述

毛细管柱气相色谱法(capillary gas chromatography,CGC)是使用具有高分离效能毛细管为色谱柱的气相色谱法。

毛细管色谱柱(capillary column)亦称空心柱(open tubular column)，是Golay在1956年发明的。这种既细又长的开放式管柱因形同毛细管而得名。毛细管色谱柱的问世，极大地提高了气相色谱的分离能力，为气相色谱分析注入了新的内容，并且成为气相色谱法发展的主流。

70年代初，由于各国对毛细管柱的制备、进样方法和应用进行了大量的研究，高效毛细管柱的商品化使毛细管色谱得到广泛的应用。1979年出现了石英弹性毛细管柱，由于它具有不易折断，内表面惰性强的优点，很快成为毛细管色谱中应用最广的色谱柱。近年来，随着新型毛细管柱的不断问世，进样技术的不断发展以及毛细管色谱理论的不断完善，毛细管色谱进入了一个大发展的成熟时期。

二、毛细管柱色谱法的基本原理

（一)毛细管柱的速率理论

填充柱可以看成是一束涂有固定液的毛细管，而毛细管的内径就相当于固定相的直径，因此毛细管柱色谱的原理与填充柱色谱基本相同。1958年Golay提出了涂壁开管毛细管柱（WCOT)的速率理论方程式：

 H =B/u + C_g u + C_L u  (9-46)

式中，B为纵向扩散项，C_g、C_L为气相和液相传质阻力项。各项的物理意义及影响因素与填充柱的速率方程式相同。但由于毛细管柱是空心的，没有填充载体，故其速率理论方程中的涡流扩散项为零；纵向扩散项中的弯曲因子为1，B=2D_g ；传质阻力项中C_g、C_L与填充柱的速率方程相当近似，只不过用柱内径代替颗粒直径d_P。因此，在毛细管柱分离组分的过程中，造成谱带扩张的因素有三种，即纵向扩散、气相和液相传质阻力。

三、毛细管柱色谱操作条件的选择

CGC操作条件的选择与填充柱类似，仍然是快速、高效为原则，但也有自身的某些特点。

（一)载气种类及流速的选择

毛细管柱色谱常用的载气与填充柱一样，也是N₂、H₂和He三种。不同的载气有不同的分子量，通过影响扩散系数影响柱效。在毛细管柱色谱中，因为常常采用较高的载气流速，因而传质阻力起主导作用，要降低传质阻力，就要使用扩散系数大的（即分子量小的)载气，所以，分子量较小的H₂和He对提高柱效有利。

由于毛细管柱是空心的，因此增加流速对柱效的影响很小。在能满足组分分离的前提下，可增大载气流速，以加快出峰，缩短分析时间。

（二)固定液和液膜厚度的选择 

毛细管色谱的固定液有几十种，但常用的却只有十几种。表9-5列出了几种常用的固定液。

表9-5  CGC常用固定液性能

由上表可以看出，涂渍或交联的固定液，均以聚硅氧烷型为主。其优点是化学及热稳定性好，柱效高，使用温度范围宽，可引入各种基团，极性间距均匀，极性范围宽。根据样品性质，按“相似性”原则来选择极性合适的固定液。

对于未知样品，通常可先在OV-101，PEG-20M两根不同极性的柱上进行试分离，根据出峰的数目，峰形及难分离组分的峰位等可以判断样品中组分的数目、主要组分、微量组分及难分离组分的极性等，然后有针对性地选择极性合适的固定液。

CGC柱的液膜厚度是毛细管柱重要的色谱条件。薄的液膜厚度可降低传质阻力，提高柱效和缩短分析时间。但液膜太薄则会使样品负荷量降低，对痕量分析不利。液膜厚度的选择主要受样品的挥发性，也就是样品的沸点，以及固定液的温度范围的影响。对于低挥发性的高沸点物质往往选用薄液膜柱，对于高挥发性的低沸点物质，一般选用厚液膜柱。

（三)毛细管柱内径的选择

正是由于毛细管柱内径细，中间又无填料，才使其比填充柱有更高的柱效和更快的分析速度。但是柱内径细，必然会使柱容量减小，因而使进样量减小。对于薄液膜柱，一般采用0.25mm直径的柱子，而对于厚液膜柱柱，通常采用0.32mm和0.53mm直径的柱子。

（四)毛细管柱长度的选择

一般，色谱柱的长度越长，则总的分离效能越高。空心的毛细管柱可允许超过100m的柱长，这在分离难分离组分时是极为有利的。但是，柱长的增加必然会减慢分析速度。所以需要根据实际情况选择柱长。通常所用的毛细管柱为30m。

（五)柱温的选择

在毛细管柱色谱中，载气流速较大，传质阻力起主导作用，因此，可采用较高的柱温，降低传质阻力，提高柱效，有利于缩短分析时间。但是柱温升高，气体挥发性增大，组分的选择性（相对保留值)降低。因此柱温的选择要二者兼顾，必要时采用程序升温进行分析。

（六)进样量的选择

毛细管柱由于内径细，所以柱容量往往比填充柱小。毛细管柱的内径越粗，柱子越长，固定液含量越多，则允许进样量越大。高容量的毛细管柱可以不分流进样，但对柱容量低的柱子，则可以采用分流进样方式。进样量一般为1~5µl。

 四、毛细管色谱柱

毛细管色谱柱是毛细管柱色谱仪的核心。自1979年石英弹性毛细管柱问世以来，几年内它的制备技术和应用发展十分迅猛，极性和耐高温的交联石英毛细管柱是近年来发展的重点。下面介绍毛细管柱的种类、特点和柱的评价。至于毛细管柱的制备，由于技术性较强，一般都是购买成品柱。

(一)  毛细管柱的种类

毛细管柱可分为两类：

1.填充型 可分为填充毛细管柱和微型填充柱(micropacked)。填充毛细管柱即先在玻璃管内松散地装入载体，拉成毛细管后再涂固定液。微型填充柱与一般填充柱相同，只是柱径细，载体颗粒也细到几十到几百微米。

2.空心柱 可分为三种。(1)壁涂空心柱(wall coated open tubular column, WCOT)，毛细管内壁充当担体，固定液直接涂在毛细管内壁表面上。这是最早使用的毛细管柱，由于其传质阻力小，渗透性好，柱可以做得很长，因此分离效能高，分析速度快，但固定液易流失，柱寿命短；(2)多孔层空心柱(porous layer open tubular column, PLOT)，即色谱柱的内壁用熔融石英等物质处理，使之具有吸附性能，实际上是气-固毛细管色谱；(3)涂载体空心柱(support coated open tubular column, SCOT)，即色谱柱的内表面覆盖一层很细的(<2mm)担体，在其上再涂布固定液，这种柱液膜较薄，其柱容量较大，渗透性好，故有稳定、高效快速等优点。

各种类型毛细管柱的比较见表9-6。

表9-6  不同类型毛细管柱的比较

毛细管柱按材质分又可分为金属管柱、玻璃管柱和石英管柱。目前以石英管柱应用最广。

(二)  毛细管柱的特点

毛细管柱和填充柱相比，有以下一些特点：

 柱效高 毛细管柱的每米塔板数一般在2 000~5 000，和填充柱相差不大，但由于长度长，所以总柱效高，能够解决复杂混合物的分离分析问题。由于毛细管柱分离效能高，所以对固定液的选择性要求并不苛刻，一根柱可以分析多类物质。

 柱渗透性好 毛细管柱一般为空心柱，阻力小，因此渗透性好，可在较高的载气流速下分析，分析速度较快，例如某一环境污染物用1m长内径0.1mm的毛细管柱可在几秒钟内分离十几个组分。

 柱容量小 毛细管柱涂渍的固定液只有毫克级，能负荷的样品量少，因此进样量不能大，否则会导致色谱峰的峰形变差，柱效下降。为了解决这一问题，毛细管柱色谱一般采用分流方式进样。

表9-7  毛细管柱和填充柱的比较

(三)  毛细管柱的评价

新毛细管柱用前都应测试柱效及柱性能并对其进行评价。评价的关键是选用适当的试验混合物并在最佳色谱条件下测试，根据得到的信息，对柱做出评价。色谱柱效能可从以下五个方面来评价：

1.柱效  根据柱极性选用试验混合物进样，测出理论塔板数和有效塔板数等。

2. 柱的吸附性  柱的吸附性可根据色谱峰拖尾的情况加以评价。如果醇类峰拖尾，说明此柱不适于分析含醇样品；酮类峰拖尾，说明柱子极性太强。

3. 柱的酸碱性  可用2,6-二甲基苯胺与2,6-二甲基苯酚混合试样，氢焰离子化检测器测定。若两组分的色谱峰面积比值相等，则为中性柱；若二甲基苯胺色谱峰变小或拖尾，则为酸性柱，不宜分析碱性组分；反之则是碱性柱，不宜分析酸性组分。

4. 柱的热稳定性与固定液性质及老化程度有关。可从最高使用温度和柱寿命两方面考察。考察前者时，将色谱仪调到最高灵敏度，检测不同柱温下固定液流失所增大的本底信号；考察柱寿命时，查看在条件不变的情况下使用一定时间，组分的分配比和柱效是否下降。

5. 柱的抗溶剂抽提性 即柱中固定液对抗溶剂和水抽提的能力。

由上述测试数据，就可对毛细管柱的效能、惰性、使用温度范围、适于分析何类样品等做出正确的评价。一般对新购置的成品柱，可按照所附的性能指标、测试条件和色谱图对柱进行评价。除了以上的指标外，还有一些指标，如柱极性、拖尾因子、涂渍效率、柱容量、液膜厚度等，由于篇幅所限，在此就不一一介绍了。

五、毛细管柱气相色谱仪

毛细管柱色谱仪和填充柱色谱仪十分相似。有专用的毛细管柱色谱仪，也有用填充柱色谱仪加一毛细管柱附件改装而成。毛细管柱和填充柱

图9-12 毛细管气相色谱仪示意图

色谱仪的主要差别在于柱前安装了一个可以进行分流的进样器，柱后加上了尾吹气路。图9-12是毛细管气相色谱仪的示意图。

毛细管色谱仪的进样系统是毛细管柱色谱仪的关键部件，这是因为它和柱效能有关，同时也和样品是否“失真”有关，因而直接影响定量结果的准确性。由于毛细管柱柱体积很小，和填充柱相比柱容量很低，所以必须在很短的时间内把极小量样品通过进样器定量地注入毛细管柱中，以获得高柱效和准确的定量结果。为此，发展了各种进样器，进样技术也在不断改进。进样的方式可分为三类：分流进样、不分流进样和冷柱头进样。其中最简便，也最常用的是分流进样，即注入样品，在分流器的控制下，让极少量样品进入毛细管柱，绝大部分样品放空。放空样品和进柱样品之比称为分流比。

毛细管色谱柱的载气流量很低，所以要求管路的死体积小，以防止色谱峰的扩张。但在柱出口处需用尾吹气增加载气流速，减小柱出口到检测器之间的死体积，并使检测器处于最佳气体流速，以提高检测器的灵敏度。尾吹气根据所用的检测器可以选用N₂、H₂、He和空气，流速应根据检测器的灵敏度而定。

 由于毛细管柱的柱容量小，只能分析少量样品，所以要求使用高灵敏度的检测器。常用的是氢焰离子化检测器（FID)，也可以用电子捕获检测器（ECD)和火焰光度检测器（FPD)，目前用的更多的是质谱检测器。

 六、毛细管色谱的应用

毛细管色谱具有高效、快速等优点，在许多学科和领域得到广泛的应用。在卫生学检验和医学检验中，毛细管柱色谱是常用的一种检测方法，图9-13为使用涂OV-3的毛细管柱分离多环芳烃混合物的色谱图。

图9-13  多环芳烃的毛细管色谱图

图9-14是填充柱和毛细管柱分离同一样品的两张色谱图。在一根长1.5m的填充柱上，某香精油样品能分离出三十多个色谱峰（见图9-14上图)，同一样品在一根30m的毛细管柱上可以分出近百个峰（见图9-14下图)，而且分析时间几乎相同。

图9-14  香精油的填充柱和毛细管柱的气相色谱图

第七节  顶空气相色谱法

 顶空气相色谱法(head space-gaschromatography)是一种测定液体或固体样品中挥发性组分的气相色谱法。顶空气相色谱法突出的优点在于，采用顶空蒸气直接注入色谱仪分析，能简化样品的前处理，可以避免样品基底对色谱柱的污染，还能提高检测灵敏度；不仅可用于分离分析液体、半固体（血、粘液、乳悬液等)还可用于固体样品中痕量易挥发组分的分离分析，在卫生检验和医学检验中具有广阔的应用前景。

一、方法原理

 将样品置于有一定顶端空间的密闭容器中，在一定温度和压力下，待测挥发性组分将在气-液（或气-固)两相中达到动态平衡，当待测组分在气相中的浓度相对恒定时，其蒸气压可由拉乌尔（Raoult)定律表示 

（9-47)

式中为组分i在气相中的蒸气压，为纯组分i的饱和蒸气压，为组分i在该溶液中的物质的量，为组分i的活度系数。

 在顶空气相色谱中是采用与样品呈热力学平衡的气相进行色谱分析，测得气相中i组分的峰面积与该组分的蒸气压成正比 

   （9-48) 

式中为组分i对检测器特性的校正系数，在测定条件不变时，通常为常数。当温度和其它实验参数固定，试液中待测组分浓度很低时，，均为常数，可与合并为常数，当用组分i的浓度代替式中物质的量时，则有  

  （9-49)

  式9-49即为顶空气相色谱法的定量分析基础。如果待测试样和标准样品在相同的操作条件下进行顶空分析，则值相同，待测组分的浓度，可由下式计算 

（9-50)

其中为待测组分i的浓度，为标准样品的浓度，和分别为待测组分和标准样品的峰面积。

二、顶空分析装置

 1.静态式  目前在实验室最常用的顶空分析简易装置如图9-15 所示。恒温系统可用水浴、甘油浴或金属块加热。通常用带有硅橡胶垫片塞的玻璃瓶作为样品瓶，瓶塞要求密闭，气密性好，不与待测组分的蒸气发生反应，瓶体积为2ml~100ml。将样品（液体或固体)置于瓶中，加塞密闭，放在恒温水浴内，达平衡后，用气密性好的注射器，从样品瓶中取出一定量的顶空蒸气，迅速注入色谱仪中，进行分析。此法比较成熟，应用广泛，但是灵敏度较低。目前气相色谱仪可以配专用顶空分析装置，以降低吸样和进样误差，便于操作自动化。

图9-15  静态式顶空分析装置图   图9-16  动态式顶空分析装置图

2.动态式  用惰性气体将顶空瓶内的组分吹到富集系统（如冷阱或吸附管)，然后将组分解吸并进行气相色谱分析的方法称为动态顶空色谱法。该法操作较复杂，但灵敏度高。如图9-16所示，将样品置于密闭容器中，其挥发性组分随通入的氮气进入吸附柱或冷阱而被吸附或冷凝富集，吸附柱上或冷阱中的组分经加热解吸后进行色谱分析。也可将色谱柱作为吸附柱组成动态分析系统。在吸附过程中，色谱柱处于室温状态，待吸附完成后瞬间升温进行色谱分析。

三、影响顶空气相色谱法灵敏度的因素

 1. 温度  提高顶空瓶的温度将使待测组分的蒸气压增高，有利于提高灵敏度。但是温度过高，密封垫中的杂质可能逸出，容器的气密性也会相对降低。升温达到一定值后，气相中痕量组分的浓度不会再增大。

  2. 溶剂  在能充分溶解试样的前题下，宜采用沸点较高，蒸气压较低的溶剂，使顶空气体中溶剂的浓度较小，组分的相对挥发度增大，有利于痕量组分的测定。

  3. 加入电解质及非电解质  在水溶液中加入电解质如盐类可降低被测组分的溶解度（盐效应)，增加它在气相中的浓度，检测灵敏度可提高3~5倍，其效果与所用盐的性质有关。在有机溶剂中加入非电解质，也可增加被测组分在顶空气体中的浓度，其效果取决于溶剂系统和被测组分的结构、极性等。

  4. 容器体积  顶空瓶的体积较小可使平衡时间缩短，但体积过小则限制取样量，通常样品体积和顶空体积比为1:3。

四、误差来源及消除

 1. 相平衡  顶空分析定量基础是待测组分在气液两相中达到平衡，气相中各组分浓度相对恒定。影响平衡的因素有空间体积，平衡时间，样品粘度等。平衡时间必须通过实验来选择。样品粘度大，系统空间体积大都将使平衡时间相对延长，而影响分析速度。

 2. 吸样及进样  用于顶空分析的样品瓶体积较小，吸取气样不宜超过其空间体积的10%。由于气相中被测组分浓度与体系中该组分的总量有关，通常只取1~2次样品进行测定。所用注射器要预热，尽量与样品温度相近。

 3. 标准与试样组成  组分的活度系数与组分本身的性质和溶液体系的组成有关。因此，标准样品与待测样品应具有相同或相似的基体。

 4. 内标法定量  顶空分析最好采用内标法，可部分抵消实验参数变化所造成的影响，所选择的内标物尽量与被测物具有相似的结构和性质，以便具有相近的活度系数值。

 五、顶空气相色谱法的应用

对于复杂样品中痕量低沸点化合物的分离分析，顶空气相色谱法具有前处理简便、提取净化过程一次完成和检测灵敏度高的优点，在分析化学的各领域中应用范围越来越广泛。例如，工业废水和地面水中的硝基苯的测定，如采用有机溶剂萃取或蒸馏提取法，操作繁琐，而采用顶空气相色谱法，样品预处理简单、灵敏、快速，线性范围宽。卫生部颁发的《生活饮用水检验规范》（2001年)中将顶空气相色谱法列为饮用水和水源水中三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯等有机卤代物测定的标准方法。顶空气相色谱法在生物材料（体液、组织)中的挥发性有机组分的分离和分析方面具有重要的实用价值。如测定血、尿中的Br^－，F^－ 离子，可先在顶空分析装置中将样品中的Br^－或F^－转变成易挥发的衍生物，然后取顶空气体，用电子捕获检测器检测，可以大大提高检测灵敏度，简化样品的前处理步骤，又可以消除生物样品中复杂基底对测定的干扰。

近年来，顶空气相色谱法与固相微萃取联用在环境分析和卫生检验中已经得到了广泛的应用。固相微萃取( solid phasemicro-extraction , SPME) 是一种新型的无溶剂样品制备技术, 具有简便快速、污染小等特点。例如用聚二甲基硅氧烷(PDMS) 作为固相微萃取的涂层, 通过固相微萃取-顶空气相色谱法测定了血中苯、甲苯、二甲苯、异丙苯和氯代苯等10种挥发性有机化合物(VOCs)，方法的重现性好( RSD < 5%) , 线性范围宽, 血中10种VOCs 的最低检出限均低于5ng/ml。

第八节　气相色谱法的特点和应用

一、气相色谱法的特点 

气相色谱分析是色谱法中十分活跃并具有发展潜力的分离分析方法，其主要原因是它具有高分辩率的色谱柱，可以采用多种灵敏度高、选择性好、线性范围宽的检测器并容易和其它方法联用。与其它的分离分析方法相比，气相色谱法的优点可以概括为  分离效能高、灵敏度高、分析速度快和应用范围广。

1. 分离效能高  气相色谱填充柱的理论塔板数可达10³，毛细管柱可达10⁵~10⁶，能分离和检测性质相似的多组分混合物，如同系物、同分异构体以及多达几十、上百个组分的食品、水、生物材料、石油产品以及汽车废气等复杂样品。

2. 灵敏度高  可以检出10^-11~10^-13g的物质，适用于微量或痕量分析。在大气污染中，可以测出低至ng/m³空气污染物；在农药残留量分析中，可以检出水质、食品及农副产品中痕量的农药残留。

3. 分析速度快气相色谱法分析一般只需几分钟到几十分钟。目前气相色谱仪可以自动控制操作条件和处理数据，使分析速度更快。

4. 应用范围广  气相色谱法不仅能分析有机物，也可以分析部分无机物；可以分析气体，也可以分析易挥发的液体和固体。对于不易挥发的物质可以通过化学反应将其转化为挥发性的衍生物，部分无机物也可转变成金属卤化物或金属配合物后进行气相色谱分析。对于高分子化合物还可以用裂解色谱法使其降解成易挥发的小分子再测定。一般情况下，待测物的沸点在450℃以下，在操作温度下有一定的蒸汽压和热稳定性均可以采用气相色谱法。因此，气相色谱法已经成为石油化工、医药卫生、环境保护、工农业生产及科学研究中的重要分析方法。

气相色谱法对于低分子有机化合物的分析具有无可比拟的优势，但也存在一定的局限性。它不适用于高沸点、难挥发或热稳定性差的高分子化合物和生物大分子的分离分析。当没有待测物的标准物质或有关的色谱定性数据对照时，仅用气相色谱法难于定性鉴定。近年来，利用质谱法定性能力强的优点，气相色谱法与质谱联用技术使气相色谱法的应用范围更加广阔。

二、气相色谱法的应用

  气相色谱法作为一种有效的分离分析技术，已经在各个领域内得到广泛的应用，限于篇幅，这里仅介绍在卫生检验和医学检验中的应用。

卫生检验涉及的样品主要是空气、水质、食品和生物材料等，其样品成分复杂，待测的有毒有害物质含量甚微，采用一般化学分析方法难于使待测组分分离和测定。鉴于气相色谱法的优点，卫生检验中所涉及的许多有机物检测都是采用气相色谱法作为我国的卫生标准分析方法。例如，对于空气中常见的挥发性有机物，我国作业场所的标准分析方法是采用涂渍聚乙二醇-6000固定液的填充色谱柱，在不同的色谱操作条件下，不仅可以同时测定空气中的苯、甲苯和二甲苯，还可以用于同时测定1，2-二氯丙烷、1，3-二氯丙烷、三氯丙烯；乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、乙酸正戊酯等多种有机组分。对于空气中多环芳烃的污染可以采用高分子液晶涂渍的毛细管柱进行分离，可以同时检测大气污染物中包括苯并（a)芘在内的32种多环芳烃。

随着工农业的发展，水环境的污染，特别是有机物对水质的污染日益严重。国内外生活饮用水和地面水的卫生标准中有机物的测定项目占有很大的比例。采用气相色谱法是监测水质有机污染的有效方法之一。如水中石油的污染，可以用二硫化碳等有机溶剂提取后，经填充有阿皮松K的色谱柱进行分离，用火焰离子化检测器（FID)检测，若采用气相色谱与质谱联用，可同时定性、定量测定多种组分。采用顶空-气相色谱法测定饮用水中卤代烃则更加简便、快速，用涂渍BD-642的30m´0.25mm熔融石英毛细管柱分离，程序升温，与质谱检测器联用，16 min即可同时测定饮用水中十几种挥发性卤代烃, 色谱图见图9-17。

图9-17  饮水中卤代烃顶空气相色谱图

有机氯、有机磷、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类等农药在水质、食品、土壤甚至在人和动物的体液和组织中都有残留。采用气相色谱法，选用高灵敏度、高选择性的电子捕获检测器（ECD)、火焰光度检测器 (FPD)或氮磷检测器 (NPD)可以对不同种类的农药残留量进行定性、定量分析。图9-18为柑橘中有机磷农药残留的气相色谱图，采用涂渍BP-10的熔融石英毛细管柱（25m× 0.22mm)，程序升温，火焰光度检测器 (FPD)检测，在40min内可测定柑橘中20种有机磷农药残留的含量。

图9-18  柑橘中有机磷农药残留的气相色谱图

气相色谱法还常用于检测食品中所含的多种有机成分。例如食品添加剂的分析，采用气相色谱法可以测定糖精、山梨酸、苯甲酸等多种添加剂。食品包装材料，饮料瓶及密封垫片等成型品，多数是用聚乙烯树脂为主要原料，但常加有增塑剂、稳定剂等，对人体健康有害。根据国家食品卫生标准检验方法，采用顶空气相色谱法，将包装材料用正己烷溶解，在70±1°C的恒温水浴中，取液上气体用涂渍聚乙二醇丁二酸酯固定液的釉化6201红色担体的填充色谱柱进行分析，色谱图见图9-19。

图9-19  包装材料中挥发性组分的气相色谱图

体液和组织等生物材料的分析在医学检验中日益受到重视，很多检测指标与疾病的诊断有密切关系，如脂肪酸、氨基酸、甘油酸三酯、甾类化合物、糖类、维生素等。这些化合物往往需要经衍生化转变成相应的易挥发衍生物，才能进行气相色谱法分析。例如尿中草酸盐浓度的测定有助于临床诊断肾结石，用草酸脱羧酶使尿中草酸盐脱羧产生CO₂, 然后用顶空色谱分析，可以测定尿中 50 mol/L草酸盐。采用涂渍5% 苯基甲基硅氧烷的毛细管柱（25m×0.31mm, 0.52µm)程序升温，用火焰离子化检测器，测定尿中酚类化合物。