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第十九章气相色谱法

第一节基本内容和要求

一．要求

本章通过对气相色谱法的学习，加深对色谱法的基本术语和基本公式的理解和掌握，并能熟练掌握与灵活运用。

掌握速率理论在气相色谱法中的具体运用，范氏方程的简式，以及各项的名称。

熟练掌握理论塔板数、塔板高度及分离度的求算。

定量方法掌握归一化法和内标法以及相对重量校正因子的计算。

熟悉色谱理论、差速迁移、塔板理论、速率理论在气相色谱中具体运用以及计算。

熟悉范氏方程填充柱详细式的各符号的含义，从而理解分离条件的选择。

熟悉气相色谱仪的主要部件、固定液的分类及选择、检测器的分类以及选择、柱温的选择。

了解气相色谱法的分类与特点、气相色谱仪的一般构造、高分子多孔微球、载体、液载比、填充柱的制备、检测器的构造、其他色谱条件的选择、样品预处理方法、定性分析方法、应用与示例以及系统适用性试验。

了解毛细管气相色谱法的特点、分类、毛细管柱速率理论方程、操作条件的选择、分流进样与分流比的测定。

二．基本内容

1.气相色谱法是以气体为流动相的色谱方法，按固定相的不同，可分气固色谱法以及气液色谱法。

按分离原理，气固色谱法属于吸附色谱，气液色谱属于分配色谱。

按柱的粗细不同，又可分为填充柱气相色谱法和毛细管柱气相色谱法。

2.气相色谱仪仪器一般由5部分组成：

载气系统，进样系统，色谱柱系统，检测系统及记录系统。

色谱柱分填充柱及毛细管柱两类，填充柱又分气-固色谱柱及气-液色谱柱。

本章主要讨论气-液色谱柱。

气-色谱柱由固定液和载体组成，固定液按极性分类可分成非极性，中等极性，极性以及氢键型固定液。

固定液的选择按相似形原则，具体归纳如下表。

分离对象

固定液

作用力

组分流出顺序

非极性物质

非极性固定液

如SE-30、沙鱼烷

色散力

沸点低的组分先流出色谱柱。

沸点相同，极性大的组分先流出柱

中等极性物质

中等极性固定液

如OV-17、DNP

诱导力

沸点低的组分先流出色谱柱。

沸点相同，极性小的组分先流出柱

极性物质

极性固定液

如β，β’氧二丙腈

静电力

极性小的组分先流出柱

能形成氢键的物质

氢键型固定液

如PEG—20M

氢键力

难形成氢键的组分先流出柱

载体可有红色载体和白色载体之分，白色载体比表面积小，为红色载体的四分之一，红色载体常用于涂渍非极性固定液，白色载体用于涂渍极性固定液。

载体钝化的方法有三种：

酸洗、碱洗及硅烷化。

高分子多孔微球是常用的气固色谱用固定相，它的特点是按分子量顺序出峰。

检测器分浓度型及质量型两类：

浓度型检测器它的响应信号与载气中组分的浓度成正比。

质量型检测器的响应信号与单位时间内进入检测器的质量成正比。

氢焰检测器是质量型检测器，具有灵敏度高、检测限小、死体积小等优点，是一种性能非常优良的检测器，常用于检测含碳的有机化合物。

操作时，需使用三种气体：

载气常选用氮气，氢气为燃气，空气为助燃气。

热导检测器是浓度型检测器，组分与载气的热导率有差别即能检测。

载气选用H2、He，灵敏度高。

电子捕获检测器也是一种浓度型检测器，检测含有电负性强的元素的物质，具有高选择性和高灵敏度。

为保护检测器和色谱柱，开气相色谱仪时，必须先开载气，后开电源，加热。

关机时，最后关载气。

一个好的检测器，应灵敏度S大，检测限（D=2N/S）小，线性范围宽，死体积小，响应快。

柱温的选择原则为：

在使最难分离的组分有尽可能好的分离度的前提下，要尽可能采用较低的柱温，但以保留时间适宜及不拖尾为度。

对宽沸程样品，采用程序升温方式，用保留温度来定性。

3．定性与定量定性方法基本上与液相色谱相似，有已知物对照法，相对保留值，保留指数，利用化学方法配合，两谱联用定性。

对称因子用于衡量色谱峰的峰形，也可用于评价色谱柱性能。

定量方法常用归一化法和内标法，在没有校正因子情况下，使用外标一点法和内标对比法较方便。

4．毛细管气相色谱法毛细管柱比填充柱具有更高的分离效能，应用范围广。

目前多使用开管型毛细管柱，内径常用0.2—0.3mm，长可达几十米。

按内壁状态可分WCOT柱、PLOT柱、SCOT柱等类型，质材常用石英毛细管柱（FSOT柱）。

毛细管柱气相色谱系统与填充柱相比，为了减少死体积，主要不同在于：

有分流进样和柱后尾吹装置。

第二节重点和难点

一．基本术语和计算公式：

固定液的相对极性（Px）

麦氏常数：

测定苯、丁醇、戊酮—2、硝基丙烷、吡啶五种物质在被测固定液与角鲨烷固定液柱上保留指数的差值以及差值的平均值，作为固定液极性的标度。

灵敏度：

Sg（浓度型检测器用）1ml载气中携带1mg的某组分通过检测器时，产生的电压。

St（质量型检测器用）每秒中有1g某组分，被载气携带通过检测器，所产生的电压或电流值。

噪音（N）由于仪器本身和工作条件等的偶然因素引起的基线起伏。

漂移（d）基线在单位时间内单方向缓慢变化的幅值。

检测限（D）某组分的峰高恰为噪音二倍时，单位时间内由载气引入检测器中该组分的质量或单位体积载气中所含该组分的量。

程序升温柱温随着操作时间有规律地升温。

保留温度在程序升温色谱中，某组分从柱后流出时所对应的色谱柱温。

分流进样进样后，只将其中较小的部分送进柱子，大部分放空，这称为分流进样。

分流比进柱的样品流量是Fc，与通过分流进样器放空的流量Fv之比。

线性分流将样品组分经过分流器分出的一小部分的量进入柱子时，能代表样品中组分的含量。

相对保留值（γ1，2）

tR’R1未知物

tR’R2标准物

相对重量校正因子

Ai，As，mi，ms分别代表物质i和标准物质s的峰面积和重量。

归一化法

外标一点法

内标法

内标对比法

二．基本理论

（1）差速迁移在色谱柱中，不同组分要有不同的迁移速度，（根据公式tR=tM（1+Vs/Vm）），应有不同的分配系数或容量因子，调整保留时间与分配系数成正比关系。

要改变分配系数，分配系数比，主要通过选择合适的固定相和流动相来达到目的，在气相色谱中，载气的选择余地不大，主要通过选择合适的固定相。

（2）塔板理论重点掌握n，H的计算，峰形窄，理论塔板数高，板高小，柱效高。

（3）速率理论以VanDeemter方程式表示，简式，详细式为

填充柱H=A+B/u+Cu

开管柱H=B/u+Cgu+Clu

重点了解简式各项和各符号的含义，熟悉填充柱详细式的各符号的含义，从而理解分离条件的选择，即填充均匀度，填料的平均颗粒直径，液膜厚度，载气的性质及流速，柱温等对柱效及分离的影响。

从范氏曲线理解最小板高和最佳线速度的含义，为了减少分析时间，常用最佳实用线速度，其数值大于最佳线速度。

第三节精选例题

1．当出现下列3种情况时，VanDeemter曲线是什么形状

（1）B/u=Cu=0

（2）A=Cu=0（3）A=B/u=0

答：

（1）平行于横轴的一条直线。

（2）双曲线。

（3）通过原点的一条直线。

2．样品在进样器以塞子状进样，起始谱带非常窄，但经色谱柱分离后谱带变宽，这是由哪些因素造成的？

答：

色谱峰变宽可以由VanDeemter方程式来解释，H=A+B/u+Cu

谱带变宽主要由涡流扩散、纵向扩散以及传质造成谱带变宽。

3．在GC中分离A，B两组分，其tR分别为5.5min，6.2min，非滞留组分的tR为1.0min，试问：

（1）A组分的移行速率是B组分移行速率的几倍？

（2）流动相移行速率是B组分移行速率的几倍？

（3）B组分停留在固定相中的时间是A组分的几倍？

（4）B组分在柱中两相间的分配系数是A组分的几倍？

（5）B组分停留在固定相中时所流过的流动相体积，是A组分停留在固定相中时所流过流动相体积的几倍？

答：

（1）

A组分的迁移速度是B组分的1.1倍

（2）

流动相的移行速度是B组分的6.2倍

（3）

B组分停留在固定相中的时间是A组分的1.2倍

（4）

B组分在柱中两相间的分配系数是A组分的1.2倍

（5）

B组分停留在固定相中时流过的流动相体积是A组分的1.2倍

4．在GC中，改变下列一个色谱条件，其余色谱条件均不变，问：

色谱峰形会发生怎样变化？

并说明理由

（1）柱长增加一倍

（2）载气流速增加

（3）载气摩尔质量减少，并在低流速区工作

（4）采用粘度较小的固定液

答：

（1）柱长增加一倍，H不变。

L为2L原，则n变为2n原，

tR为2tR原

∵

∴W为

W原

（2）载气流速增加，在柱中展宽时间少，tR变小，W变窄。

u增加，一般会增加H，而n变小，W变宽，此因素较其次。

（3）在低流速区，按范氏方程，以B/u为主，B=2γDm，摩尔质量减小，Dm↑，B↑，H↑，n↓，W↑，所以在低流速区，载气摩尔质量减小，色谱峰变宽

（4）范氏方程中，

，固定液η↓，DL↑，C↓，H↓，n↑，W↓，采用粘度较小的固定液可使峰宽变窄

5．试比较归一化法与内标法在色谱定量分析中的主要优缺点？

并分别写出它们的计算公式。

归一化法

内标法

优点

定量结果与进样量无关

操作条件变化对结果影响较小

定量结果与进样量无关

操作条件变化对结果影响较小

不需要所有组分流出柱，也不需检测器对它们都有信号

缺点

必须所有组分在一个分析周期

内都能流出色谱柱，而且检

测器对它们都产生信号

内标有时不易寻找

计算公式

6．分离分析下列试样，分别应选用哪种色谱方法，写出可能用的固定相（具体名称），检测器或检测方法。

请列表答题（方法、固定相、检测器）。

（1）无水乙醇中的微量水分的测定

（2）中药中含氯农药的残留量

（3）血药浓度测定（如：

乙酰水杨酸）

（4）合成药物中有机溶剂残留量

（5）中药的鉴别试验（如：

人参）

（6）复方制剂分析（如：

APC片）

方法

固定相

检测器

无水乙醇中的微量水分的测定

GC

高分子多孔小球

或GDX或有机担体

TCD

中药中含氯农药的残留量

GC

OV—17（或其他）

ECD

血药浓度测定（如：

乙酰水杨酸）

HPLC

ODS

UV或MS

合成药物中有机溶剂残留量

GC

SE—30（或其他）

FID

中药的鉴别试验（如：

人参）

TLC

硅胶

H2SO4显色

复方制剂分析（如：

APC片）

HPLC

ODS

UV

7．有下列两组样品，请分别选择气液色谱所需的固定液，并说明组分的流出顺序。

（1）三种胺类混合物：

一甲胺、二甲胺和三甲胺。

（2）苯（bp80.1℃）与环己烷（bp80.7℃）混合物。

答：

（1）一甲胺二甲胺三甲胺

HHCH3

CH3—N＞CH3—N＞CH3—N形成氢键能力

HCH3CH3

分子中N能接受质子，与N相连的H又能给出质子，形成

氢键能力一甲胺最强，二甲胺，三甲胺，位阻加大，给出质子减少

可选用氢键型固定液，如聚乙二醇

流出顺序为三甲胺最先流出色谱柱，一甲胺最后。

（2）苯与环己烷沸点相差很小，极性有一定的差别，可选用极性固定液或中等极性固定液，如β，β’氧二丙腈或邻苯二甲酸二壬醋。

组分流出顺序，环己烷先流出色谱柱。

8．用一根2米长色谱柱将组分A、B分离，实验结果如下：

空气保留时间30秒。

A峰与B峰保留时间分别为230秒和250秒。

B峰峰宽为25秒，求色谱柱的理论塔板数、两峰的分离度，若将两峰完全分离，柱长至少为多少？

答：

L2=7.0米

若将两峰完全分离，R至少为1.5，则柱长至少为7米。

9．用一色谱柱分离A、B两组分，此柱的理论塔板数为4200片，测得A、B的保留时间分别为15.05min及14.82min

（1）求分离度；

（2）若分离度为1.0时，理论塔板数为多少？

解：

（1）求分离度R

WA=0.9289

WB=0.9147

（2）

R1=0.25R2=1.0n1=4200

n2=67200

10．用气相色谱法分离某二元混合物时，当分别改变下列操作条件之一时，请推测一下对tR、H、R的影响（忽略检测器、汽化室、连接管道等柱外死体积）。

tR

H

R

流速加倍

柱长加倍

记录仪纸速加倍

解：

tR

H

R

流速加倍

变大

变小

柱长加倍

2tR原

不变

记录仪纸速加倍

不变

不变

不变

说明：

（1）因F与tR成反比，所以流速加倍，保留时间缩短为原来的

。

一般采用的流速为最佳实用流速，流速增加，从范氏曲线上可看出，板高会变大。

由于板高变大，n变小，对α，k基本无影响，则R变小。

（2）柱长增加，其他条件不变，组分迁移速度不变，保留时间增加1倍。

色谱柱性能不变，所以板高不变，但n由于柱长增加一倍而增加一倍。

R则由于n增加而为

。

（3）记录仪纸速改变没有从根本上改变色谱分离条件，因此对tR，n，H，R等均无影响。

11．在某一柱上分离一样品，得以下数据。

组分A、B及非滞留组分C的保留时间分别为2分、5分和1分钟。

求：

（1）B停留在固定相中的时间是A的几倍？

（2）B的分配系数是A的几倍？

（3）当柱长增加一倍时，峰宽增加多少倍？

解：

（1）B停留在固定相中的时间=tRB－tM=tRB’

A停留在固定相中的时间为tRA’

（2）

（3）

当柱长为2L原时，n=2n原、tR=2tR原

∵

∴W=

W原

当柱长增加一倍时，峰宽为

原峰宽。

12．一根长2米的色谱柱分离某多元混合物，理论塔板数，n为4000片/米，tM=1.11分，混合物最后一个组分k=5，试求

（1）若不考虑组分间的分离度，最后一个组分的保留时间为多少？

（2）若其他条件不变，当最难分离物质对α=1.10，分离度达到1.5时，其tR为多少？

解：

（1）

（2）

k2=2.83

13．已知组分A和B的分配系数之比为0.909，若使两者完全分离，柱长应为多少？

设有效塔板高度为0.88mm。

解：

要使A、B两者完全分离，柱长至少为3.9米

14．设色谱的速率理论公式中，三个参数分别为A=0.011cm，B=0.32cm2/sec，C=0.0045sec，试求：

（1）最佳载气线速度；

（2）最小塔板高度

（1）最佳载气线速度H-u曲线是双曲线，在最佳载气线速时

（2）最小塔板高度最佳载气线速度时对应的板高为最小塔板高度

Hmin=A+B/

+C

=A+2

=0.087cm

第四节练习与自测

一．填充

1．名词解释：

检测限麦氏常数质量型检测器

灵敏度分流进样浓度型检测器

噪音分流比相对重量校正因子

程序升温线性分流涂壁毛细管柱

保留温度失真石英毛细管柱

2．在GC中，若汽化室温度过低，样品不能迅速汽化，则峰形变，而增加柱温，则保留时间变，峰形变。

3.在GC中，是实验条件选择的关键，其选择原则是。

4.气相色谱仪由如下五个系统组成：

，，，

，。

5.在气相色谱中，具有小的分配系数的组分，分配在载气中的浓度，因此，就较地流出色谱柱。

6.气相色谱法中，常用归一化法定量，其计算式为：

。

采用归一化法定量，在一定分析周期内，样品中各组分必须

，。

7.在色谱分析中，常用的缩写符号HPTLC、FID、TCD、ECD分别表示、、、。

8.GC检测器可分和两大类，前者如，后者如。

9.毛细管气相色谱柱一般可分为型和

型两种，后者按内壁的状态可分三类，缩写WCOT柱为柱

PLOT柱为柱，SCOT柱为柱。

石英毛细管柱缩写为柱。

10.毛细管气相色谱仪与填充柱气相色谱仪的区别在于：

，。

11.毛细管气相色谱采用分流进样方式，其作用有

，。

12.气相色谱定性分析方法有，，

，。

13.在气相色谱中，常采用程序升温，用于样品，该法常用代替保留时间定性。

14.气相色谱中，对于一些或的物质，需进行样品预处理后进行分离分析，样品预处理方法通常有

和。

15.GC中，最常用的质量型检测器为__________，一般采用________为氮气，______为燃气，______为助燃气。

它的优点有_________________________.

16.填充柱气相色谱中范氏方程的简式为______________________，三项分别为__________，_____________，_____________。

毛细管气相色谱法中范氏方程的简式为_________________________。

二．选择题：

1．对某一组分来说，在一定的柱长下，色谱峰的宽或窄主要决定于组分在色谱柱中的（）

A．保留值B.扩散速度C.分配系数比D.n

2．在下列GC定量分析中，哪种方法与进样量无关（）

A．外标一点法B外标标准曲线法

C归一化法D内标法

3．用GC分析酊剂中乙醇含量，如用质量型检测器进行定量，当进样量一定时，则载气流速（）

A．与峰面积有关，与峰高无关

B．与峰高有关，与峰面积无关

C．与峰高，峰面积都有关

4．在GC中，用TCD作检测器，选择（）作载气时，检测灵敏度较高

A．N2B.H2C.He

5．某GC柱，填料为涂有角沙烷的红色担体，载气用N2，（）先流出色谱柱

A．甲烷B.乙烷C.丙烷

6．在色谱过程中，组分在固定相中停留的时间为（）

A．tMB.tRC.tR’D.kE.K

7．在气液色谱中，下列（）对溶质的保留体积几乎没有影响

A．载气流速B.增加固定液用量

C.增加柱温D.改换固定液E.增加柱长

8．k=10时，溶质在流动相中的百分率为（）

A．9.1%B.10%C.90%

D.91%E.0.1%

9．在其它实验条件不变的情况下，若柱长增加一倍，则理论塔板数（）；色谱峰的宽度为原色谱峰宽度的（）。

（忽略柱外死体积）

（1）A.不变B.增加一倍C.增加

倍D.减小

倍

（2）A.

倍B.一倍C.

倍D.4倍

10．用气相色谱法分离某二元混合物时，当载气流速加倍时，组分的保留体积（）；理论塔板高度（）。

（1）A.不变B.为原来的1/2C.为原来的2倍D.为原来的

倍

（2）A.不变B.为原来的1/2C.变大D.变小

11．在色谱流出曲线上，两峰间距离决定于相邻两组分在两相间的（）。

A.分配系数B.扩散速度C.理论塔板数

12．关于范氏方程式，下列哪种说法是正确的（）。

A．最佳流速这一点，塔板高度最小；

B．最佳流速这一点，塔板高度最大；

C．塔板高度最小时，流速最小

D．塔板高度最小时，流速最大；

E．塔板高度与流速成正比

13．下列这些气相色谱操作条件，（）不是正确的。

A．载气的热导系数尽可能与被测组分的热导系数接近

B．使最难分离的物质对能很好分离的前提下，尽可能采用较低的柱温

C．汽化温度越高越好

D．检测室温度应低于柱温

E．载体的粒度适中

14．若在1根1米长的色谱柱上测得两组分的分离度为0.68，若要使它们完全分离，则柱长应为（）米。

A．0.5B.1C.2D.5E.9

15．哪些参数改变会引起气相色谱中组分的相对保留值的增加（）。

A．柱长增加B.降低柱温C.流动相流速降低

D.Vm/Vs增加E.固定液种类改变

16．在气相色谱中，调整保留时间实际上反映了（）分子间的相互作用。

A.组分与载气B.组分与固定相C.组分与组分D.载气与固定相

17．在使用FID时，采用（）载气检测灵敏度最高。

A．氮气B.氢气C.二氧化碳D.氦气

18．用色谱法进行定量分析时，不要求混合物中每一个组分都出峰是（）。

A.外标标准曲线法B.内标标准曲线法

C.内标法D.归一化法E.外标法

19．热导检测器由于老化性能变差，噪音加倍，以及灵敏度降低为原来的

，此检测器的检测限为（）

A．保持不变B.增加为原来的4倍

C.减少为原来的

D.减少为原来的

20．使用气相色谱仪时，有下列步骤，下面（）次序是正确的

（1）打开桥电流开关

（2）打开记录仪开关（3）通载气（4）升柱温及检测室温度（5）启动色谱仪开关

A.1→2→3→4→5B.2→3→4→5→1

C.3→5→4→1→2D.5→4→3→2→1

21．在其它条件相同情形下，若使柱理论塔板数增加一倍，对二个接近间隔峰的分离度将是（）。

A．原来的

倍B.原来的2倍C.原来的4倍D.原来的

倍

22．当载气线速较小，范氏方程中的分子扩散项起控制作用时，采用下列哪种气体作载气对提高柱效有利（）。

A．N2B.H2C.CO2D.HeE.Ar

23．如果试样比较复杂，相邻两峰间距离太近或操作条件不易控制稳定，要准确测量保留值有一定困难时，可采用（）方法定性。

A.利用相对保留值定性B.加入已知物增加峰高的办法定性

C.利用文献保留值数据定性D.与化学方法配合进行定性

24．气相色谱法定性影响组分之间分离程度的最大因素主要是（）

A.进样量B.柱温C.载体粒度D.汽化室温度

25．根据VanDeemter方程式，在高流速情况下，影响柱效的因素主要是（）

A.传质阻力B.纵向扩散C.涡流扩散D.弯曲因子

26．对于一对较难分离的组分现分离不理想，为了提高它们的色谱分离效率，在气相色谱法中，最好采用的措施为（　　）。

A．改变载气速度B.改变固定液

C.改变载体D.改变载气性质

三．问答题

1．气相色谱仪有哪几个主要部件？

简述各部分的作用。

2．简述TCD与FID的优缺点、应用范围和操作注意点。

3．用TCD时，用N2作载气时出现倒峰的原因是什么？

4．在GC中，常用的载气有哪几种，如何选择？

5．在气相色谱中，如何选择固定液？

6．某色谱柱理论塔板数很大，能否说明任何两种难分离的组分一定能在该柱上分离，为什么？

7．气相色谱定量分析的依据是什么？

为什么要引入定量校正因子？

常用的定量方法有哪几种？

8．毛细管柱气相色谱有什么特点？

毛细管柱为什么比填充柱有更高的柱效？

9．用气—液色谱法分离某二元混合物时，当分别改变下列操作条件之一时，推测对tR、H、R的影响（忽略检测器、汽化室、连接管道等柱外死体积）。

（答案各填a.原值加倍，b.原值减半c.

原值e.增加f.减少g.基本不变或不变，六种答案之一。

写在答题纸上。

）

tR

H

R

流速加倍

柱长加倍

相比（Vm/Vs）加倍

dp加倍

不作回答

记录仪纸速加倍

柱温加倍

10．醋酸甲酯、丙酸甲酯在邻苯二甲酸二壬酯上的保留时间分别为