第一节概述

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法

第一节概述气相色谱法（ gas chromatography, GC ）是以气体为流动相的色谱法。当气化的被测物质随载气进入色谱柱时，基于被测物质在气相和固定相之间吸附 - 解吸附（气 - 固色谱）或分配（气 - 液色谱）差异进行分离。

● 气固色谱：利用不同物质在固体吸附剂上的物理吸附 - 解吸能力不同实现物质的分离。

● 气液色谱：利用待测物在载气和固定在惰性固体表面的液体固定相之间的分配原理实现分离。


气相色谱优缺点优点：

1. 分离能力强：理论板数 103 ～ 106

2. 灵敏度高： 10-11 ～ 10-13g

3. 选择性高：可分离对映体等难分离物质

4. 快速：一次分析可在几秒 ~几十分钟完成

5. 可用于无发色团组分分析

缺点：

1. 只适用于热稳定性好、易气化的物质分析

2. 分析非挥发性物质时需衍生化

3. 由于进样量少，定量进样有一定困难


气相色谱仪


气相色谱流程示意图

随着电子技术和

计算机技术的发

展，气相色谱仪

的各种参数（温

度、载气流速、

自动进样等）控

制均已实现自动

化


1. 载气系统（ gas supply system ）包括气体钢瓶或气体发生器，压力调节器，净化管，流量控制器，等。功能 : 提供清洁、流量恒定的载气

2. 进样系统 (sample injection system) 包括进样器 (微量进样针或自动进样器 )、隔垫和气化室。功能 : 将试样引入 GC系统并蒸发成气体。


3. 色谱柱系统（ Column system ） ◆色谱柱，柱温箱

◆ 色谱柱类型 :

填充柱（柱内径 2 ～ 5mm)

毛细管柱 ( 柱内径 0.1 ～ 0.53mm)

◆ 柱温可按程序改变（程序升温）

4. 检测和数据处理系统（ Detection and data system ）

◆ 检测器，数据获取和处理装置

5. 控制系统（ Control system ）

温度控制，载气流量控制，（自动进样控制），信号控制

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法第二节固定相第二节固定相

一、气 - 液色谱固定相（ Gas-liquid stationary phase ）气 -液色谱固定相由固定液 (stationary liqiud,immobilized liquid) 和载体（ support）组成（一）固定液

固定液一般为高沸点物质

(1) 在使用温度下蒸汽压 <10 Pa

(2)热稳定性好，化学惰性

(3)选择性好

(4)对被测物有一定溶解度

要求


固定液分类：

● 按化学结构分类 : 烷烃 , 聚硅氧烷 , 聚二醇 , 酯和聚酯

烷烃类 : 异三十烷 (squalane ), 阿皮松 (Apiezon)

聚硅氧烷类 :O SiSiH3C

CH3

CH3

CH3

R

O Si CH3

CH3

CH3

n

R=-CH3, methylsilicone, OV-1, OV-101, SE-30, non-polar

R=94% methyl, 5% phenyl, 1% vinyl, SE-54, weakly polar

R= 50% methyl, 50% phenyl, OV-17, middle polar

R= 50% methyl, 25% cyanopropyl, 25% phenyl, OV-225, polar


聚二醇类 : 聚乙二醇（ polyethylene glycol ， PEG ） , Carbowax

HOH2C

H2C OH

n

PEG-6000

PEG-20M

酯类 :

O

O

O

O

R

R

R= octyl, DOP (dioctyl phthalate)

R=nonyl, DNP (dinonyl phthalate)

聚酯类 :丁二酸二甘醇聚酯 ( Diethylene glycol succinate polyester ， DEGS)


固定液的极性是指固定液与被测物之间相互作用力的函数，与纯粹的从化学结构定义的极性不同，它是相对的。

)1(100P21

1x qq

qq x

● 按极性分类

相对极性 :

,R

R

t

tlgq lgq

正己烷

，丁二烯

，环己烷

，苯或

R

R

t

t

P 0-10 ， +1 ； 21-40, +2;……..; 81-100, +5 。 P值越大，极性越强。


一些常用的固定液

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法固定液的选择固定液的选择

非极性组分：选择非极性固定液

色散力为主，按照沸点从低到高的顺序出峰极性组分：选择极性固定液

偶极作用力为主，按照极性从小到大的顺序出峰极性与非极性混合组分：选择极性固定液

非极性组分先出峰，极性组分按极性顺序出峰氢键型组分：选择聚二醇类固定液

按照形成氢键能力大小顺序出峰复杂组分混合物：可选混合固定液，采用混涂、混装、串联方式。

无严格规则，一般可按“相似性原则”（ rule of similarity ）

选择固定液时，要重点关注被分离组分间的主要差异是什么，据此选择合适的固定液。


例：不同固定液对分离的影响

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法(( 二二 )) 载体载体

比表面积大 ;

化学惰性 ;

热稳定性好 ;

有一定机械强度

基本要求

类型硅藻土

非硅藻土类 (玻璃微球，特氟龙 )

白色载体（ Chromosorb W ， 101等）

红色载体（ Chromosorb P ， 6201等）

钝化方法

酸洗（ AW）

碱洗 (BW)

硅烷化 (DMCS, HMDS)

减弱载体表面吸附活性

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法二、气 - 固色谱固定相

吸附剂 : 石墨化炭黑，硅胶，氧化铝，用于分析低分子量醇、烷烃和

醛酮

分子筛 : 用于分析 H2,O2, CO, N2, CO2, CH4 等

高分子多孔微球（ GDX ） : 药物分析中常用语分析乙醇、有机化合

物中微量水分。

例：废气成分检测

固定相： 5A 分子筛 ;

TCD检测器


三、载气（ Carrier gas ）

N2: 最常用的气相色谱载气；热导率低，用于热导检测时的灵敏度低

H2: 热导率高，使用热导检测器时常用该载气。易燃，需注意安全

He: 热导率高，常用于 GC-MS

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法第三节柱类型

◆ 填充柱 :

● 玻璃或不锈钢材质

● 内径 2 ～ 4mm, 长 0.5 ～ 4m

● 固定相颗粒： 60/80 目或 80/100 目

● 常用载气流速： 20 ～ 60 mL/min

● 柱效： 800 ～ 1000/m

● 常规药物分析时常用


◆ 毛细管柱

●石英材质 , 外涂聚酰亚胺保护层 .

● 内径 0.10 ～ 0.53mm ，常用规格 0.10 、 0.25 、 0.32 、0.53mm.

● 常用类型：涂壁毛细管 (WCOT)

载体涂层毛细管 (SCOT)

交联毛细管（用于 GC-MS ）

● 载气流速： 1 ～ 2 mL/min

● 应用分流 / 不分流进样

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法第四节检测器

浓度型检测器 : TCD, ECD

质量型检测器 : FID, FPD, NPD

性能指标 :

1. 灵敏度 (S): 每 1 mL 载气中携带 1mg 被测组分进入检测器时产生的电压值 (对浓度型检测器 ), 或者每秒钟携带 1mg被测

组分进入检测器时产生的电压值（质量型检测器）。

2. 噪声 (N) 和漂移

3. 检测限（ D ） : D=2N/S

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法一、热导检测器（ Thermal conductivity detector, TCD ）

R1/R2=R3/R4, i=0

R1/R2≠R3/R4, i≠0

被测组分通过热导池时，由于其热导率与载气不同，带走的热量不同，导致电桥不平衡，检流计中有电流通过。将微电流通过电阻转换成电压，即为色谱信号。

Wheatstone 电桥


热导检测器的特点：

属于通用性检测器，只要热导率与载气不同即可检测 .

与其他检测器相比，灵敏度较低 .

响应动态范围宽 (105)

对被测组分无破坏性

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法影响热导检测器灵敏度的因素

1.电桥电流响应值与桥电流的三次方成正比，故增加桥电流可显著增加响应信号，但桥电流不可任意增大，载气 N2 时 : 100-150mA, H2做载气时 : 150-200mA。

Note: 加桥电流前需先通载气，以免热丝烧断2. 检测器温度不得低于柱温，常比柱温高 20~50 .℃

3. 载气灵敏度正比于载气与被测组分的热导率差， H2> He> N2

4. 热丝电阻值

载气热导率载气热导率

H2 224.3 CH4 45.8

He 175.6 propane 26.4

N2 31.5 ethanol 22.3

Air 31.5 acetone 17.6

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法二、氢焰离子化检测器（ Flame ionization

detector ， FID) 结构

含碳有机物在 H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法离子化机理离子化机理

机理不十分清楚，化学离子化是可能的离子化机理 .

以苯为例 :

C6H6

ÁÑ½â6 CH

3O2 + 6 CH + 6e6CHO+

6CHO+ 6H2O 6CO + 6H3O++

影响 FID 灵敏度的因素：

1. 气体流速比例 : N2:H2 = 1:1~1:1.5 ； H2:Air = 1:10

2. 检测器温度 : >100 ℃ （常用 200-250 ℃）

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法FID 特点

• 质量型检测器

• 结构简单、耐用

• 灵敏度高 (10-13 g/s)

• 响应动态范围宽 (107)

• 响应值与有机物中含碳原子的数目有关

• 对不可燃化合物（ H2O, CO2, SO2, CS2, NOx ）无响应

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法三、电子捕获检测器（ Electron capture

detector ， ECD ）

63Ni or 3H

结构 :

检测原理 : • 放射源发出的 β-电子使载气分子离子化，在电场作用下形成稳定的基流；• 具有强电负性元素的有机分子捕获 β- 电子，使基流降低，形成倒峰。

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法电子捕获检测器的特点

• 对含电负性基团（卤素、硝基、过氧化物）具有选择性响应 (10-15

g/s)

• 对胺、醇、碳氢化合物基本不敏感

• 响应动态范围较窄 (102)

• 非线性响应 :

• 需用高纯 N2 (>99.999%) 作为载气

Kceii 0

• 非破坏性检测

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法其他重要检测器

•火焰光度检测器 (Flame photometric detector ， FPD)

对含 S 和 P 化合物具有选择性响应

• 热离子检测器 (thermionic detector ， TID ）：也称氮磷检测器（ Nitrogen phosphorus detector ， NPD),

对含 N 和 P 化合物具有选择性响应

• 质谱检测器 (MSD)

• 傅里叶变换红外检测器（ FTIR ）

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法第五节色谱条件选择

uD

d

k

k

u

DdH

l

fgp

2)1(3

222

2

2

1

1

4 k

knR

一、色谱条件选择的依据

Where α is separation factor, k2 is retention factor (capacity factor) of

compound 2 which is retained stronger than compound 1.


1. 固定相选择见第二节 .

2. 柱温

色谱柱选定后，柱温是影响分离的最重要条件。柱温降低，分离度提高，但峰宽增加，分析时间加长。

选择原则：在使难分离物质对得到良好分离，分析时间适宜，峰形对称的前提下，尽量用低柱温。

• 等温 : 在分析过程中柱温保持不变 .

•程序升温 (temperature programming): 在一个分析周期中，柱温按照一定程序改变，以利于性质差异大的组分达到合适的分离度。该法适用于复杂组分（如宽沸程样品、极性差异大的样品）分析。

二、实验条件的选择


例：等温和程序升温对分离效果的影响


3. 载气

低线速时，用 N2

高线速时，用 H2 或 He

用 TCD 时，使用 H2 或 He可提高灵敏度4. 其他条件

(1) 进样口温度：应保证样品瞬间气化

(2) 检测器温度 : 高于柱温 20-50 ℃


1. 分解法

• 热裂解法 : 适用于高聚物等大分子分析

• 水解法 : 将大分子水解成小分子 ,蛋白质水解成氨基酸

2. 衍生化法

•酯化 (esterification): -COOH-----COOR

• 硅烷化 (silanization): -OH------O-Si(CH3)3

-COOH------COOSi(CH3)3

-NHR------NRSi(CH3)3

•酰化 (acylation): -OH------OCOR

-NN2-------NHCOR

三、样品预处理

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法第六节定性分析和定量分析

一、系统适用性试验

用规定的对照品溶液或系统适用性试验溶液进行试验，以判定所用色谱系统是否规定的要求。

1．色谱柱的理论板数（n）此参数用于评价色谱柱的分离效能。

2．分离度（R） : 要求 >1.5

3．重复性 : 用于评价连续进样中色谱系统响应值的重复性。

4．拖尾因子（T）用于评价色谱峰的对称性。

除另有规定外，T应在0.95~1.05之间。

1

05.0

2d

WT h

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法第六节定性分析和定量分析

二、定性分析

1. 已知对照品对照法

2. 采用相对保留值定性

3. 用 Kovats 保留指数定性

4. 以 GC-MS 、 GC-FTIR 联用法定性

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法三、定量分析

( 一 ) 校正因子

i

ii A

mf '

is

si

s

s

i

i

s

ig Am

Am

Am

Am

f

ff

'

'

( 二 ) 定量方法

1. 归一化法（ Normalization method ）

100(%))()3(3)2(2)1(1

)(

ngnggg

igii fAfAfAfA

fAw

• 所有组分均应被分离并被检测到

• 对进样量要求不严格

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法2. External standardization （外标法）

（ 2 ）外标一点法（ one point external standard method ）

如校正曲线通过原点，可用外标一点法

1 2 3 4 5

200

400

600

800

1000

pe

ak

are

a

concentration ( mg/mL)

sisi

ii m

A

Am )(

)(

（ 1 ）标准曲线法或校正曲线法

（ Standard curve method

Calibration curve method ）

sisi

ii c

A

Ac )(

)(

Note: 进样量必须严格准确

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法3. 内标法 (Internal standard method)

对内标物的要求：

（ 1 ）样品中不存在的物质

（ 2 ）与被测组分完全分离，但保留时间接近；多

种组分同时定量时，内标峰最好处于几个被测组分峰

之间

（ 3 ）纯度高

仪器分析仪器分析第十七章气相色谱法3. 内标法 (Internal standard method)

iii Afm sss Afm s

ss

iii m

fA

fAm

100(%) m

m

fA

fAw s

ss

iii

（ 1 ）内标校正因子法

（ 2 ）内标校正曲线法

1 2 3 4 5

200

400

600

800

1000

Ai/A

s

concentration ci( mg/mL)

该法需已知校正因子，或者先测定被测物相对于内标物的校正因子。

在质量为 m的样品中加入质量为 ms的内标物， GC分析后根据下式计算：

配制一系列不同浓度的对照液，并加入相同量的内标物，进样分析，测得 Ai 和 As，以 Ai/As对对照溶液浓度作图，求回归方程。供试液配制时也需加入与对照液相同量的内标物，由校正曲线求得待测组分含量。


（ 3 ）内标对比法

dardsi

samplei

dardss

i

samples

i

c

c

AA

AA

tantan

)(

)(

)(

）（dardsi

dardss

i

samples

i

samplei c

AA

AA

c tan

tan

)()(

)( ）（

若内标校正曲线的截距近似为零，可用内标对比法（已知浓度试样对

照法）定量。在对照品溶液和待测溶液中，分别加入相同量的内标物，

配成对照品液和供试液，分别进样，按下式计算待测组分浓度：


4. 标准加入法 (Standard addition method)

ii

ii m

A

Am

i

r

i

r

i

r

i

i m

AA

AA

AA

m

'

'

在供试液中加入一定量待测组分 i的对照品（△ mi ），测定增加对照品后组分 i峰面积的增量（△ Ai ），按下式计算组分 i的

含量。

为消除进样误差，可在供试品色谱图中选择一个参比峰（ r），以Ai/Ar代替 Ai，则：


谢谢！

第一节 概述

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第一节概述