儀器分析-電子教材:第九章氣相色譜法

第九章 氣相色譜法

第一節(jié)   概述

氣相色譜法(gas chromatography, GC)是以氣體為流動相的色譜分析方法。自從1952年英國生物化學(xué)家，諾貝爾獎金獲得者馬�。∕artin A. J. P.)等人成功建立氣相色譜法以來，由于其高分離效能、高靈敏度、高選擇性、分析速度快等特點，已經(jīng)迅速發(fā)展成為分析化學(xué)中極為重要的分離、分析方法之一。隨著氣相色譜理論的逐漸完善和氣相色譜技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來電子計算機和儀器聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用，使氣相色譜法在石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、生物化學(xué)等領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。

一、氣相色譜法的分類

按固定相的種類不同，可以分成兩類：用固體吸附劑作為固定相的稱為氣-固色譜法；用涂漬在擔(dān)體上的固定液作為固定相的稱為氣-液色譜法。

按色譜分離的原理分類，氣相色譜法可分為吸附色譜法和分配色譜法。氣-固色譜法是利用固定相的表面對不同組分吸附性能的差異進行分離的，屬于吸附色譜；氣-液色譜法是利用不同組分在氣液兩相中的分配系數(shù)不同撓進行分離的，屬于分配色譜法。

 按色譜柱內(nèi)徑不同，氣相色譜法又可分為填充柱色譜法和毛細管柱色譜法。

 由于在實際應(yīng)用中氣-液色譜法比氣-固色譜法更為廣泛，所以本章著重介紹氣-液色譜法。

二、氣相色譜法的分析流程

氣相色譜分析所采用的氣相色譜儀一般由五個部分組成：

1.氣路系統(tǒng) 包括氣源、氣體凈化、氣體流量控制和測量裝置。

2.進樣系統(tǒng)   包括進樣器、氣化室和控溫裝置。

3.分離系統(tǒng) 包括色譜柱、柱箱和控溫裝置。

4.檢測系統(tǒng)   包括檢測器和控溫裝置。

5.數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括放大器、色譜工作站或微處理機。

其中色譜柱和檢測器是關(guān)鍵部件，將在第三節(jié)和第四節(jié)專門討論。常見的氣相色譜分析流程如圖9-1所示。

圖9-1 氣相色譜流程示意圖

載氣（常用N₂ 、 H₂和He)由高壓鋼瓶供給，經(jīng)減壓、凈化、調(diào)節(jié)和控制流量后，進入色譜柱。待基線穩(wěn)定后，即可進樣。液體樣品用微量注射器注入，氣體樣品用六通閥或注射器進樣。樣品經(jīng)氣化室氣化后，隨載氣帶入色譜柱，在柱內(nèi)逐漸被分離。分離后的組分依次從色譜柱中流出，進入檢測器，檢測器將各組分的濃度或質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電信號。經(jīng)放大器放大后，由色譜工作站或微處理機記錄下來。所得到的檢測器響應(yīng)信號隨時間或載氣流出體積變化的曲線圖，稱為色譜流出曲線，即色譜圖(chromatogram)。根據(jù)色譜圖, 可以對樣品中待測組分進行定性和定量分析。

三、 氣相色譜常用術(shù)語

在一定的進樣量范圍內(nèi)，色譜流出曲線呈正態(tài)分布。現(xiàn)以某一組分的流出曲線（圖9-2)為例說明氣相色譜的有關(guān)術(shù)語。

圖9-2  色譜流出曲線

1. 色譜峰 (chromatographicpeak)  當有組分流出時，色譜流出曲線中出現(xiàn)的峰形曲線，稱為色譜峰。圖9-2中的曲線CAD。

2. 峰高(Peak height)  色譜峰最大值至峰底的垂直距離。圖9-2中的。

3. 基線(base line)  在正常操作條件下，僅有載氣通過檢測器時所產(chǎn)生的響應(yīng)信號曲線�；�線反映檢測系統(tǒng)的噪聲隨時間變化的情況。

4．保留值(retention value)  表示試樣中各組分在色譜柱內(nèi)停留時間的數(shù)值。通常用組分流出色譜柱的時間或?qū)⒔M分帶出色譜柱所需載氣的體積來表示。在一定的色譜條件下，由于各組分的性質(zhì)不同，在同一根色譜柱上的保留值也不相同。根據(jù)保留值可以對待測組分作出鑒定，因此保留值是色譜法中重要的定性參數(shù)。

（1)用時間表示保留值

①保留時間t_R(retention time)  指待測組分從進樣到柱后出現(xiàn)濃度最大值時所需要的時間，如圖9-2中所示，是待測組分流經(jīng)色譜柱時，在兩相中滯留時間之和。

  ②死時間t_M  (dead time)  指不被固定相滯留的組分（如空氣、甲烷等)的保留時間，如圖9-2中所示。

③調(diào)整保留時間 (adjusted retention time)   扣除死時間的保留時間，如圖9-2中的所示。

  (9-1)

保留時間的單位通常用(min)表示。

  （2)用體積表示保留值

①保留體積 (retention volume) 是從進樣到柱后出現(xiàn)待測組分濃度最大值時所需的載氣體積。當色譜柱出口處載氣流速為F₀ (ml/min) 時，它與保留時間的關(guān)系為

   (9-2)

  ②死體積 (dead volume) 不被固定相滯留的組分的保留體積。它與死時間的關(guān)系為

   (9-3)

  ③調(diào)整保留體積 (adjusted retention volume)： 指扣除死體積的保留體積，即

 (9-4)

或     (9-5)

   （3)相對保留值 (relative retention value) 指組分2和組分1的調(diào)整保留值之比，它是一個無因次量。

   (9-6)

相對保留值的特點是只與溫度和固定相的性質(zhì)有關(guān)，與色譜柱及其它色譜操作條件無關(guān)。反映了色譜柱對待測兩組分1和2的選擇性，是氣相色譜法中最常使用的定性參數(shù)。

3.區(qū)域?qū)挾?peak width)   區(qū)域?qū)挾仁巧�譜流出曲線中的重要參數(shù)之一，它反映了所選擇的柱效高低。從分離角度來看，色譜峰越窄越好。色譜峰的區(qū)域?qū)挾韧ǔ？捎萌�種方法來表示：

（1)標準偏差σ（standard deviation)  0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半，即圖9-2中JK的一半。

（2)半高峰寬 W_h/2（peak width at half-height) 峰高一半處色譜峰的寬度，圖 9-2中EF，半高峰寬與標準偏差的關(guān)系為

    (9-7)

   （3)峰底寬度W_b（peak width at base) 通過色譜峰兩側(cè)的拐點作切線，切線與基線交點間的距離為峰底寬度，見圖9-2中GH。峰底寬度與標準偏差的關(guān)系為

  (9-8)

綜上所述，一個組分的色譜峰可用三個參數(shù)來表示：峰的位置（用保留時間表示)，用于定性；色譜峰高（h)或色譜峰面積（A)，用于定量；區(qū)域?qū)挾�，用來衡量色譜柱的分離效果。

第二節(jié)  氣相色譜理論色譜分離條件的選擇

氣相色譜法發(fā)展極為迅速，其主要原因之一就是氣相色譜理論，特別是塔板理論和速率理論的發(fā)展，促進了高分離效能、高選擇性色譜柱的發(fā)展并指導(dǎo)了色譜操作條件的選擇。氣相色譜分析的首要問題是對試樣中各組分進行分離。欲使兩組分完全分離，應(yīng)使它們的色譜峰距離足夠遠，同時要使色譜峰足夠狹窄。色譜峰間距是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的，即與色譜的熱力學(xué)過程有關(guān)；色譜峰的寬窄是由組分在色譜柱內(nèi)的傳質(zhì)和擴散行為決定，即與色譜的動力學(xué)過程有關(guān)。研究氣相色譜分離的有關(guān)理論主要有塔板理論和速率理論。

一、塔板理論

在氣相色譜發(fā)展的初期，馬丁等人借用分餾中塔板的概念，提出了塔板理論（platetheory)，用以解釋組分在色譜柱中的分離行為。塔板理論亦稱為平衡理論，將氣-液色譜的分離過程看成組分在固定液中的分配平衡過程。這種半經(jīng)驗的理論沿用至今，仍有一定的價值。為了更好地理解塔板理論，首先討論氣-液色譜中的分配平衡。

 （一)分配平衡 (distributionequilibrium)

在氣-液色譜體系中，固定相是涂漬在載體（也稱為擔(dān)體)表面上的液膜，稱為固定液或液相，流動相（氣相)是流過固定相的載氣。待分離的組分溶解于固定液中并迅速在氣液兩相間達到平衡，由于流動相在不斷流動，所以組分在這兩相間進行多次反復(fù)分配，不斷達到新的平衡。在一定的溫度下，組分在給定的氣-液兩相間的分配行為，可用分配系數(shù)、分配比等概念來描述。

（1)分配系數(shù)（distribution coefficient) 是指在一定的溫度和壓力下，組分在氣-液兩相之間達到平衡時，組分溶解在液相中的濃度與其分配在氣相中的濃度之比。

  （9-9)

分配系數(shù)是氣-液分配色譜中的重要參數(shù)，由組分和固定液的熱力學(xué)性質(zhì)決定，隨柱溫和柱壓而變化，與色譜柱中氣相和液相的體積無關(guān)。如果兩個組分的分配系數(shù)相同，則它們的色譜峰會重合；反之，組分的分配系數(shù)相差越大，相應(yīng)的色譜峰相距越遠，分離越好。

   （2)分配比k（partition ratio)又稱為容量因子。即在一定的溫度和壓力下，組分在氣液兩相間達到分配平衡時，組分在液相和氣相中的質(zhì)量比。

      （9-10)

 式中p為組分在液相中的質(zhì)量，q為組分在氣相中的質(zhì)量。k是由組分和固定液的熱力學(xué)性質(zhì)決定的，k值隨柱溫、柱壓，以及氣相和液相的體積而變化。它是衡量色譜柱對組分保留能力的重要參數(shù)。k值越大，則組分在柱中的保留時間越長；當k為零時，則表示該組分在固定液中不溶解，例如空氣，空氣峰的保留時間即為死時間。

（3)分配系數(shù)K和分配比k的關(guān)系  設(shè)V_L為液相的體積，V_G為氣相的體積，則式9-10可表示為

 （9-11)

（4)分配系數(shù)K和分配比k與保留值的關(guān)系  分配平衡是在色譜柱中液相和氣相之間進行的，因此分配比也可以用組分在液相和氣相中的停留時間之比來表示，則分配比k為

  （9-12)

當空氣隨載氣進入色譜柱時，空氣峰流出的時間為死時間，t_M。任一組分的k值可由實驗測得，即為調(diào)整保留時間t_R'與空氣峰的保留時間t_M （死時間)的比值。

分配系數(shù)K與保留時間的關(guān)系可以由式（9-11)和（9-12)推導(dǎo)出來

 （9-13)

   （9-14)

式9-13稱為氣相色譜保留值方程式，它定量地描述了組分在柱中的保留時間與其在兩相中的分配系數(shù)K和分配比k之間的關(guān)系，是色譜熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。由式9-14可見，在一定的實驗條件下，組分的調(diào)整保留時間正比于分配系數(shù)K（或分配比k)，越大，在色譜柱內(nèi)的保留時間越長。由于K或k是由組分的性質(zhì)決定的，因此保留值可用于定性。在填充色譜柱中，選擇不同的固定液及其用量，可以控制組分在色譜柱上的保留值。

綜上所述，在氣相色譜分析中要使兩組分分離，它們的保留時間必須不同。而保留時間是由兩組分的分配系數(shù)K或分配比k決定的，所以待分離組分的分配系數(shù)K或k分配比不同是色譜分離的先決條件。

（二) 塔板理論

塔板理論(plate theory) 將色譜柱設(shè)想為由許多塔板組成的分餾塔。塔板的概念是從分餾中借用來的，實際上色譜柱中并無塔板，而是引用了處理分餾過程的概念和理論來解釋色譜的分離過程。在每一個塔板內(nèi)，一部分空間為涂漬在擔(dān)體上的液相占據(jù)，另一部分空間充滿載氣，載氣所占據(jù)的空間體積稱為板體積。組分隨載氣進入色譜柱后，在兩相間進行分配。

1.塔板理論假設(shè)

（1)在色譜柱中的每一個小段（塔板)內(nèi)，組分在氣相和液相間進行分配時迅速達到平衡，這一小段柱稱為理論塔板，其長度稱為理論塔板高度，簡稱板高，以H表示。

（2) 載氣不是連續(xù)流過色譜柱，而是脈沖式，每次通過一個塔板體積。

（3) 分離開始時組分都加到第零塊塔板上，而組分沿軸（縱)向擴散可以忽略不計。

（4) 某組分的分配系數(shù)在所有塔板上均為常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無關(guān)。

2. 色譜流出曲線方程式   根據(jù)塔板理論的基本假設(shè)，可以描述塔板內(nèi)的分配過程，并推導(dǎo)出流出曲線方程式。

為方便起見，假設(shè)色譜柱由5塊塔板組成，n表示色譜柱的總塔板數(shù) (n=5)，若塔板的編號用r表示，則r為0、1、2、3、4……n-1，用N表示進入柱中載氣的板體積數(shù)，即分配次數(shù)，設(shè)分配比k＝1，開始時每塊塔板均充滿載氣，將質(zhì)量m=1的某組分加到第0號塔板上，組分即在兩相中分配，達到平衡時，組分在氣液兩相中的量均為原始量的0.5。當一個板體積(1DV)的載氣以脈沖方式進入0號塔板時，就將其氣相中的0.5份組分推到1號塔板上。此時0號和1號塔板上的組分將在氣液兩相中重新分配，達到新的平衡，零0號塔板和1號塔板上氣液兩相中的量均各為0.25。此后，每當一個新的板體積載氣進入色譜柱時，這一分配過程就重復(fù)進行，當有16個板體積載氣進入時，即可得到表9-1 中的數(shù)據(jù)。由表9-１可見，當5個板體積載氣（N＝5)進入柱子后，組份就開始在柱出口出現(xiàn)，進入檢測器產(chǎn)生訊號，在色譜工作站上開始出現(xiàn)組分的色譜峰。

圖9-3 某組分在色譜柱中（n=5)的流出曲線

可用表9-1中組分在柱出口的質(zhì)量分數(shù)對載氣板體積N作圖得出色譜峰，如圖9-3所示。由圖9-3可以看出，從柱內(nèi)流出的組分濃度由小到大，在N為8和9時出現(xiàn)最大值，然后濃度變逐漸變小，流出曲線呈峰形但不對稱。這主要是由于該色譜柱的總塔板數(shù)太少，如n大于50時，就可以得到對稱的流出曲線。而氣相色譜分析中，一般填充柱的塔板數(shù)（n)約為10³~l0⁶，因而得到的流出曲線趨于正態(tài)分布。因此，可作正態(tài)分布處理，流出曲線上濃度c與時間t的關(guān)系用下式表示。

  （9-15 )

式中，c_o為峰面積A，即某組分的總濃度，為標準差。 此式稱為色譜流出曲線方程式

表9-1　某組分在色譜柱（n=5)內(nèi)各塔板上的分配值（mg)

以上僅討論了單一組分在柱內(nèi)的分配過程，根據(jù)上述假設(shè)，如試樣為多組分混合物，由于各組分的分配系數(shù)不同，它們的保留值將不同，經(jīng)過多次反復(fù)分配后，產(chǎn)生差速遷移，各組分在柱出口出現(xiàn)和出現(xiàn)濃度最大值的時間（板體積數(shù))各不相同，分配系數(shù)小的組分先由色譜柱中流出，分配系數(shù)大的組分后流出從而彼此分離。

(三)　理論塔板數(shù)與理論塔板高度

理論塔板數(shù)(theoreticplate number)是表示柱效率的主要指標，柱效率的高低直接影響分離效果。由色譜流出曲線方程式可以導(dǎo)出理論塔板數(shù)n的計算公式

（9-16)

式中t_R, W_h/2或W_b應(yīng)該采用同一單位。

設(shè)色譜柱長為L，理論塔板高度為H，則理論塔板數(shù)n為

  （9-17)

對于一定長度的色譜柱，塔板高度越小，由式9-13和9-14 可見，色譜峰越窄即W_h/2或W_b越小，塔板理論數(shù)n越大，對給定長度的色譜柱而言，塔板高度H越小，組分在柱內(nèi)被分配的次數(shù)愈多，則柱效率越高。因此n和H可作為描述柱效率的指標。

由于保留時間t_R中包含了死時間t_M，而t_M并不參加柱內(nèi)的分配過程，因此理論塔板數(shù)和理論塔板高度并不能反映色譜柱真實的分離效能。為了更符合實際情況，常用有效塔板數(shù) 和有效高度 作為評價柱效率的指標，即

   （9-18)

   �。�9-19)

值得注意的是，同一色譜柱對不同物質(zhì)的柱效率不同，在用這些指標描述柱效率時，必須說明是對什么物質(zhì)而言。某物質(zhì)在給定色譜柱上的 越大，說明該物質(zhì)在柱中進行分配平衡的次數(shù)越多，對分離越有利，但不能表示該物質(zhì)的實際分離效果。組分能否在色譜柱上分離，主要取決于各組分在氣-液兩相間分配系數(shù)的差異。如果兩組分在同一色譜柱上的分配系數(shù)相同，無論它們有多大也不能被分離。

 塔板理論在解釋色譜流出曲線的形狀，計算塔板數(shù)和塔板高度，評價柱效率方面是成功的。但是塔板理論將色譜分離過程簡單地看成氣-液分配過程, 某些基本假設(shè)不完全符合色譜的實際情況，如分配系數(shù)與組分的濃度無關(guān)，組分在兩相中分配能瞬間達到平衡，縱向擴散可以忽略等。在塔板理論中，表示柱效率高低的理論塔板數(shù)主要是由保留值和峰寬決定的。保留值主要由固定相的性質(zhì)和柱溫決定，而色譜峰寬則主要受載氣流速、傳質(zhì)和擴散等動力學(xué)因素的影響。由于塔板理論并沒有考慮到動力學(xué)因素對氣相色譜分離過程的影響，因此，塔板理論只能定性地給出塔板高度的概念，不能解釋影響板高的各種因素，也不能解釋在不同的載氣流速下組分在同一色譜柱中柱效率不一樣的事實。

二、速率理論

1956年Van Deemter等人在塔板理論的基礎(chǔ)上，提出了關(guān)于色譜過程的動力學(xué)理論—— 速率理論（velocity theory)。該理論仍然采用塔板高度的概念，將色譜過程與載氣流速、分子擴散和傳質(zhì)過程等動力學(xué)因素聯(lián)系起來，從理論上總結(jié)出影響塔板高度的各種因素，導(dǎo)出了速率理論方程式（范氏方程)

  （9-20)

式中，A、B、C為常數(shù)；u為載氣的線速度（cm/s)。

范氏方程將影響板高的因素歸納成三項，即渦流擴散項A，分子擴散項B/u和傳質(zhì)阻力項Cu。各項的物理意義如下：

1．渦流擴散項（A)  在填充色譜柱中，載氣進入色譜柱后遇到填充物顆粒時，不斷改變流動方向，使組分分子在氣相中形成紊亂的類似渦流的流動。由于填充物顆粒大小及填充的不均勻性，組分分子所經(jīng)過的路徑長短不一，或前或后流出色譜柱，造成色譜峰的峰形擴展，稱為渦流擴散（eddy diffusion)。

   （9-21)

由上式表明，渦流擴散項A與填充物的平均直徑d_p和固定相填充不均勻因子l有關(guān)。采用粒度較細，顆粒均勻的擔(dān)體，盡量填充均勻可以降低渦流擴散項，降低塔板高度H，提高柱效率。

 2. 分子擴散項（)  當試樣分子以“塞子”的形式進入色譜柱后，隨載氣在柱中前進時，由于存在濃度梯度，使組分分子產(chǎn)生縱向擴散，即沿著色譜柱的軸向擴散，使色譜峰擴張，塔板高度增大，分離變差，這稱為分子擴散（molecular　diffusion)。它與載氣的線速度成反比，組分在柱內(nèi)停留時間越長，分子擴散越嚴重。

 分子擴散系數(shù)B與組分在載氣中的分子擴散系數(shù)（D_g，單位cm²/s)和組分分子擴散路徑的彎曲程度有關(guān)的因子 (彎曲因子)成正比

(9-22)

 對填充柱而言, < 1, 空心柱 。組分在載氣中的分子擴散系數(shù)D_g除了與組分的性質(zhì)有關(guān)外，還與組分在載氣中停留時間、載氣性質(zhì)、柱溫、柱壓等因素有關(guān)。D_g與載氣的相對分子量的平方根成反比，隨柱溫升高而增大，隨柱壓增大而減小。

  （9-23)

 因此，采用分子量較大的載氣(如N₂)、控制較低的柱溫、采用較高的載氣流速，可以減小分子擴散項，有利于分離。

 由于組分在氣相中的分子擴散系數(shù)比其在液相中大10⁴~10⁵倍，因而在氣-液色譜中，組分在液相中的分子擴散可以忽略不計。

3. 傳質(zhì)阻力項（Cu)  試樣組分的分子在氣-液兩相中進行溶解、擴散、分配時的質(zhì)量交換過程，稱為傳質(zhì)過程，影響傳質(zhì)速度的阻力叫傳質(zhì)阻力（resistance to masstransfer)。它包括氣相傳質(zhì)阻力和液相傳質(zhì)阻力，即

  （9-24)

式中，C_g是指試樣組分在氣相和氣液界面之間進行質(zhì)量交換時的傳質(zhì)阻力，C_L為組分在氣液界面和液相之間進行質(zhì)量交換時的阻力。

氣相傳質(zhì)阻力C_g與填充物直徑d_P和組分在載氣中的擴散系數(shù)D_g的關(guān)系為

     （9-25)

 由上式可見，采用粒度小的擔(dān)體和分子量較小的載氣（如H₂)可減小氣相傳質(zhì)阻力，提高柱效。

 液相傳質(zhì)阻力C_L與固定相的液膜厚度d_f和組分在液相中的擴散系數(shù)D_l的關(guān)系為

   （9-26)

由此可見，固定相的液膜涂漬得越薄，組分在液相的擴散系數(shù)越大，液相傳質(zhì)阻力就愈小。

 載氣流速對傳質(zhì)阻力項的影響很大，當載氣流速增大時，傳質(zhì)阻力項就增大，造成塔板高度H增大，柱效降低。

速率理論討論了渦流擴散、分子擴散和傳質(zhì)阻力對塔板高度的影響，指出了影響柱效能的因素，對色譜分離條件的選擇具有指導(dǎo)意義。由以上的討論可以看出，色譜柱填充的均勻程度、擔(dān)體的粒度、載氣的流速和種類、固定液的液膜厚度和柱溫等因素都對柱效能產(chǎn)生直接的影響。其中許多因素是相互矛盾、相互制約的，如增加載氣流速，分子擴散項的影響減小，但是傳質(zhì)阻力項的影響則會增加；柱溫升高有利于減少傳質(zhì)阻力項，但是又加劇了分子擴散。因此應(yīng)全面考慮這些因素的影響，選擇適宜的色譜操作條件，才能達到預(yù)期的分離效果。

三、氣相色譜分離條件的選擇

在氣相色譜分析中，理論塔板數(shù)n只能表明某物質(zhì)在該色譜柱中的柱效的高低，并不能說明兩種物質(zhì)通過色譜柱后是否能被分離。為了判斷難分離的物質(zhì)對在色譜分析中的分離情況，常用分離度(resolution，R)作為柱的總分離效能指標。

1.分離度 (resolution)   兩個相鄰色譜峰的分離程度，以這兩個組分保留值之差與其平均峰底寬值之比表示

    （9-27)

由于色譜峰的峰底寬度W_b測量較困難，特別是當峰形不對稱或相鄰兩峰之間有重疊時更難于準確測量，因此也可用半高峰寬來代替峰底寬度W_b，根據(jù)式9-7和式9-8分離度可表示為

 （9-28)

實際使用時，可近似為

 （9-29)

式中除采用保留時間外，也可采用其它保留值。但峰寬與保留值應(yīng)采用同一單位。

 分離度R值越大，說明相鄰兩組分分離越好。當色譜峰符合正態(tài)分布時，從理論上可以證明，當R=1，兩峰的分離程度可以達到98%；當R=1.5時，分離程度為99.7%，所以通常以R=1.5作為相鄰兩色譜峰完全分離的標志。

 2. 分離度與柱效（n)、相對保留值（r₂₁)及容量因子（k)的關(guān)系   對于兩個相鄰的色譜峰，其峰底寬度相近似，故可令，根據(jù)式9-6和式9-18，則可以得出R和的關(guān)系式

    (9-30)

　   (9-31)

  在上式中若用理論塔板數(shù)n表示，則可由式9-12，式9-16和式9-18式推導(dǎo)出R和n ,r₂₁及k 的關(guān)系式

    （9-32)

式中n為組分2的理論塔板數(shù)。

 式9-29 稱為色譜分離的基本方程式，它清楚地表明了分離度R、理論塔板數(shù)n、相對保留值r₂₁以及分配比（容量因子)之間的關(guān)系。分離度R與塔板數(shù)的平方根成正比，增加塔板數(shù)，可以增加分離度。若通過增加柱長來增加塔板數(shù)，會延長分析時間，所以降低塔板高度H是增大分離度的有效途徑；相對保留值r₂₁增大，可使分離度增大。r₂₁是由相鄰兩色譜峰的相對位置決定的，它反映了固定液的選擇性，r₂₁越大，表明固定液選擇性越好。當r₂₁=1時，無論柱效有多高，R 為零，兩組分不可能分離。 因此，選擇適宜的固定液是提高分離度的重要途徑；增大分配比k 也可以增加分離度R，k 是由組分色譜峰和空氣峰的相對位置決定的，它與固定液的用量和分配系數(shù)K有關(guān)，并受柱溫的影響。增加固定液的用量雖可增大分離度，但會延長分析時間，引起色譜峰展寬。

分離度R定量描述了相鄰兩組分在色譜柱中的分離情況，概括了影響色譜過程的熱力學(xué)和動力學(xué)因素。相鄰兩組分保留時間的差值取決于色譜分離的熱力學(xué)性質(zhì)，色譜峰的寬窄取決于色譜過程的動力學(xué)因素。分離度反映了色譜過程中選擇性和柱效能影響的總和，因此可作為評價色譜柱的總分離效能的指標。

【例9-1】設(shè)兩組分在2m長的色譜柱上進行分離，相對保留值r₂₁=1.18，有效塔板高度H_eff為0.1cm, 問這兩組分的分離度是多少？

  解：    

 3. 氣相色譜分離條件的選擇  正確選擇固定相和色譜分離條件是氣相色譜分析的關(guān)鍵。在選擇合適的色譜固定相后，色譜操作條件的選擇將直接影響到待測混合物中各組分的彼此分離，特別是性質(zhì)或結(jié)構(gòu)相似的難分離物質(zhì)對的定量分離。關(guān)于固定相的選擇將在第三節(jié)討論，這里著重討論色譜分離條件的選擇。

（1)載氣及流速的選擇 載氣的種類和流速直接影響柱效和分析速度。載氣對柱效的影響，主要表現(xiàn)在組分在載氣中的擴散系數(shù)D_g上，由式9-23，D_g與載氣分子量的平方根成反比，即同一組分在分子量較大的載氣中有較小的擴散系數(shù)。根據(jù)速率方程式（式9-20)，渦流擴散項與載氣流速無關(guān)。當載氣流速u小時，分子擴散項對柱效的影響是主要的，因此選用分子量較大的載氣，如N₂、Ar，可使組分的擴散系數(shù)較小，從而減小分子擴散的影響，提高柱效；當載氣流速u較大時，傳質(zhì)阻力項對柱效的影響起主導(dǎo)作用，因此選用分子量較小的氣體，如H₂、He作載氣可以減小氣相傳質(zhì)阻力，提高柱效。此外，載氣種類的選擇還應(yīng)該考慮所用的檢測器種類。

 從速率方程式可知，分子擴散項與流速成反比，傳質(zhì)阻力項與流速成正比，所以要使理論塔板高度H最小，柱效最高，必有一最佳流速。對于選定的色譜柱，在不同載氣流速下測定塔板高度，將H對載氣流速u作圖，得到H-u曲線（圖9-4)。

圖9-4  H-u曲線

由圖9-4可見，曲線上的最低點，塔板高度最小，柱效最高。該點所對應(yīng)的流速即為最佳載氣流速。在實際分析中，為了縮短分析時間，選用的載氣流速稍高于最佳流速。

 在實際分析中，最常使用的載氣是氮氣（純度應(yīng)≥99.99%)，對于內(nèi)徑為3mm~4mm的色譜柱，N₂的流量為20~60ml/min，最佳流速應(yīng)通過實驗確定。

（2)柱溫的選擇 柱溫也是氣相譜分析中的重要操作參數(shù)，直接影響分離效能和分析速度。由于色譜固定液都有各自的最高使用溫度，選用的柱溫不能高于色譜柱中固定液的最高使用溫度（通常低20℃~50℃)，否則會引起固定液流失，不僅影響柱壽命，甚至還會污染檢測器。

 柱溫與柱效和分析時間密切相關(guān)。提高柱溫可以改善氣相和液相的傳質(zhì)速率。有利于提高柱效，縮短分析時間。但是提高柱溫又會增加分子擴散導(dǎo)致柱效降低，選擇性變差即r₂₁變小，分離度R降低。相反，降低柱溫可提高柱的選擇性，改善相鄰兩組分的分離效果。但又會使分析時間增長。在實際分析中應(yīng)權(quán)衡利弊，柱溫的選擇應(yīng)使難分離物質(zhì)對能得到良好的分離，分析時間適宜。

 對于沸點范圍較寬的多組分混合物可采用程序升溫，即柱溫按設(shè)定的程序，隨時間呈線性或非線性增加。采用程序升溫可以使混合物中低沸點和高沸點的組分都能獲得良好的分離。一般用線性升溫，即升溫速度是恒定的，例如每分鐘升高2℃、4℃、8℃，甚至20℃等。圖9-5中（a)和（b)圖表示多組分寬沸程的試樣在恒定柱溫和程序升溫操作時的分離效果比較。

圖9-5 寬沸點混合物的恒溫和程序升溫色譜圖

（3)固定液的配比又稱為液擔(dān)比，即固定液與擔(dān)體的質(zhì)量比。從速率方程式可知，固定液的配比主要影響傳質(zhì)阻力項，降低固定液的液膜厚度，可使液相傳質(zhì)阻力減小從而提高柱效。但固定液用量太少，會引起柱容量下降，進樣量減少，甚至不足以涂漬在擔(dān)體表面，造成色譜峰形變壞，柱效大為降低。在填充柱色譜中，液擔(dān)比一般為5%~25%。

（4)氣化溫度的選擇氣化溫度的選擇主要取決于待測試樣的揮發(fā)性、沸點范圍、穩(wěn)定性等因素。氣化溫度一般選在組分的沸點或稍高于其沸點，以保證試樣完全氣化。 對于熱穩(wěn)定性較差的試樣，氣化溫度不能過高，以避免試樣分解。一般氣化溫度比柱溫高20℃~50℃。

（5)色譜柱長和內(nèi)徑的選擇由于分離度R與柱長成正比，增加柱長對組分的分離有利，但柱長增加又會使組分的保留時間增加，分析時間延長，甚至還會引起色譜柱內(nèi)阻力增加，操作不便。一般常用的填充柱為1 ~ 3 m。由于色譜柱內(nèi)徑太大會使柱效降低，所以常用的填充色譜柱內(nèi)徑為3 ~ 4 mm。

（6)進樣量和進樣時間的選擇進樣量受色譜柱柱長、內(nèi)徑和固定液配比等因素的控制，進樣量應(yīng)控制在進樣量與色譜峰面積或峰高呈線性關(guān)系的范圍內(nèi)。在氣相色譜分析中液體試樣的進樣量一般為0.1 ~ 10 ml，氣體試樣為0.1 ~ 10 ml。進樣量太少，試樣中的微量組分因檢測器的靈敏度不夠而不能被檢出。進樣量太多，會超過色譜柱的容量和檢測器的線性范圍，造成色譜峰變形或出現(xiàn)平頭峰。

 此外，進樣要迅速，使試樣以“塞子”形式瞬間進入色譜柱。若進樣速度過慢，會使色譜峰擴張，影響分離效果。對于液體樣品，通常用微量注射器進樣；對于氣體試樣，可用醫(yī)用注射器進樣,為了保證準確性和重復(fù)性，最好使用六通閥進樣。

以上是根據(jù)色譜理論，選擇色譜分離條件的基本原則，對于實際的檢測項目還須結(jié)合具體情況靈活運用這些原則，不斷總結(jié)經(jīng)驗，才能得到滿意的分離效果。

第三節(jié)  色譜柱

　在氣相色譜分析中，待測組分的分離過程是在色譜柱中完成的，是否能被定量分離，主要取決于所用色譜柱的效能和選擇性，所以色譜柱是氣相色譜儀的心臟部分。

一、氣相色譜柱的分類

 色譜柱是由柱管和填充在其中的固定相組成，按照柱管的粗細和固定相的填充方式分為填充柱(packed column)和毛細管柱(capillary column)。

毛細管色譜柱常用玻璃或熔融石英拉制而成，內(nèi)徑為0.1mm~0.5mm。毛細管柱可分為填充毛細管柱和開管型柱，關(guān)于毛細管柱色譜將在第六節(jié)詳細討論。  

一般填充色譜柱通常用不銹鋼或玻璃制成，內(nèi)徑為3mm~4mm，柱長為1m~3m，做成U型或螺旋型，柱內(nèi)填充固定相。由于填充柱制備過程簡單，應(yīng)用普遍，本節(jié)主要介紹填充柱。

二、氣相色譜固定相

在影響色譜柱分離效果的諸多因素中選擇適當?shù)纳�譜固定相是關(guān)鍵。必須使待測各組分在選定的固定相上具有不同的吸附性能或分配系數(shù)，才能達到分離的目的。色譜固定相一般可分為氣-液色譜固定相和氣-固色譜固定相兩大類。

（一)氣-液色譜固定相

氣-液色譜的固定相是由固定液和擔(dān)體組成。擔(dān)體（或載體)(support)是一種惰性固體微粒，用作支持劑。固定液是涂漬在擔(dān)體上的高沸點物質(zhì)，在色譜操作溫度下為液體。色譜分離主要依靠各組分在固定液上的分配系數(shù)不同，因此選擇適宜的色譜固定液是十分重要的。

 1.固定液

（1)對固定液的要求化學(xué)穩(wěn)定性好，固定液不與擔(dān)體、載氣和待測組分發(fā)生反應(yīng)；熱穩(wěn)定性好，蒸氣壓低，在操作溫度下，不易流失；溶解性好，固定液對待測組分應(yīng)有一定的溶解度，即組分在固定液中的分配系數(shù)不能太小，否則組分將迅速被載氣帶出色譜柱，而不能被分離；選擇性高，對沸點或性質(zhì)相近的組分，有盡可能高的分辯能力，即組分的分配系數(shù)要有差別。

（2)組分與固定液分子間的相互作用   在氣相色譜中待測組分之所以能溶解在固定液中是由于組分與固定液分子間相互作用的結(jié)果。這種作用力是一種較弱的吸引力，通常包括靜電力，誘導(dǎo)力，色散力和氫鍵作用力，它們在色譜分離過程中起著特殊的作用。

 ①靜電力由于極性分子具有永久偶極，產(chǎn)生靜電作用引起的。當選用極性固定液時，待分離的極性組分與固定液分子間的作用力以靜電力為主。組分極性越強，相互作用力越強，則該組分的保留時間越長。

②誘導(dǎo)力具有永久偶極的極性分子使其它分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，它們之間的相互作用力稱為誘導(dǎo)力。這種作用力很弱，但在分離非極性和可極化組分的混合物時，極性固定液的誘導(dǎo)力就起到主要作用。如苯和環(huán)己烷的沸點非常接近，其偶極矩均為零，但苯為共軛體系比環(huán)已烷容易極化。當采用極性固定液時，使苯產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，相互作用力增強，使其保留時間較環(huán)已烷長，二者可以分離。

③色散力在非極性分子中，由于電子運動和原子核的振動，正負電荷瞬間相對位移而產(chǎn)生瞬時偶極。由這樣形成的偶極而產(chǎn)生分子間的吸引力稱為色散力。當使用非極性固定液分離非極性組分時，色散力起到主要作用。

④氫鍵力在能形成氫鍵的分子間存在的相互作用力，它是一種較強而有方向性的范德華力，在氣-液色譜中起到重要的作用。用含有-OH、-COOH、COOR、-NH₂等官能團的物質(zhì)作為固定液，分析含有電負性較強的元素如氮、氧、鹵素的化合物時，氫鍵力起到主要作用。

⑤分子間的特殊作用力除了上述作用力外，在組分和固定液分子間還可能形成弱化學(xué)鍵。如在固定液中加入硝酸銀或高氯酸銀，可選擇性保留烯烴，而同碳數(shù)的烷烴先流出色譜柱。這是由于銀離子與碳碳雙鍵的p 電子形成了弱的配合物。

 在氣液色譜中，選擇適宜的固定液, 使待測各種組分與固定液之間的作用力有差異，才能達到彼此分離的目的。

   （3)固定液的分類  從以上的討論可見，固定液的極性直接影響組分與固定液分子間的作用力的類型和大小，因此對于給定的待測組分，固定液的極性是選擇固定液的重要依據(jù)。

目前氣相色譜使用的固定液有幾百種，它們具有不同的組成、性質(zhì)和用途，為了更好地使用和選擇固定液，通常按相對極性進行分類，以便在選擇固定液時參考。即以強極性的，-氧二丙腈的相對極性為100，非極性的角鯊?fù)榈南鄬�極性為0， 以它們?yōu)闃藴�，其它固定液的相對極性在0到100之間。并將相對極性0~100分為五級，20為一級，以“+”表示。+1、+2為弱極性；+3為中等極性；+4、+5為強極性。通常把非極性固定液的相對極性以“-”表之。如阿皮松L級別為 “-”，是非極性固定液；鄰苯二甲酸二壬酯級別為“+2”，是弱極性固定液。表9-2例舉了一些常用固定液的性質(zhì)。

由于分子間的作用力是比較復(fù)雜的，僅用相對極性這單一的數(shù)據(jù)來評價固定液的性質(zhì)是不夠的。 1970年Mcreynolds (麥克雷若) 提出用五個常數(shù),,,, , 分別代表分子間的各種作用力。以五個數(shù)值的總和，即各種相互作用力的總和來說明某種固定液的極性。例如角鯊?fù)榈奈鍌�常數(shù)之和為零，表示角鯊?fù)槭欠菢O性固定液；聚乙二醇-20M為2308，是中等極性固定液；，-氧二丙腈為4427，是強極性固定液。麥氏常數(shù)愈大，表示分子間的作用力愈大，固定液的極性愈強。用麥氏常數(shù)來表示固定液的極性強弱，比相對極性的表示法更為合理。有關(guān)麥氏常數(shù)可參考色譜手冊和有關(guān)專著。

   （4)固定液的選擇 一般是根據(jù)試樣的性質(zhì)（極性和官能團)，按照“相似相溶”的原則選擇適當?shù)墓潭ㄒ�。具體可從以下幾方面考慮：

①分離非極性組分選用非極性固定液，試樣中各組分一般按沸點由低到高的順序出峰。常用的有角鯊?fù)椋ó惾�十�?、十六烷、硅油等。②分離極性組分通常選用極性固定液，待測試樣中各組分通常按極性由小到大的順序出峰。例如用極性固定液聚乙二醇-20M分析乙醛和丙烯醛時，極性較小的乙醛先出峰。 ③分離非極性和極性（易極化)組分的混合物最好選用極性固定液。這時，非極性組分先流出，極性（或易被極化)的組分后出峰。例如采用中等極性的鄰苯二甲酸二壬酯作固定液，沸點相差極小的苯（沸點80.1℃)和環(huán)己烷（沸點為80.8℃)可以定量分離。④對于能形成氫鍵的組分一般選用強極性或氫鍵型的固定液，如醇、酚和胺等的分離。待測各組分按與固定液形成氫鍵的能力由小到大流出色譜柱。⑤復(fù)雜難分離的組分 可采用兩種或兩種以上的固定液，配成混合固定相使用，以達到bhskgw.cn/yishi/預(yù)期的分離效果。

表9-2  氣相色譜常用固定液

2. 擔(dān)體   一種化學(xué)惰性的多孔固體顆粒，提供較大的惰性表面，使固定液的液膜均勻涂漬在其表面，構(gòu)成氣-液色譜的固定相。

（1)對擔(dān)體的要求 表面積大，顆徑和孔徑分布均勻；化學(xué)惰性，其表面不與待測組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或產(chǎn)生吸附或催化作用；熱穩(wěn)定性好，有一定的機械強度，不易破碎。實際上，完全滿足以上要求的擔(dān)體難于獲得，只能根據(jù)實驗選擇合適的擔(dān)體。

（2)擔(dān)體的種類和性能  氣相色譜中常用的擔(dān)體可分為硅藻土型和非硅藻土型兩大類。硅藻土型擔(dān)體應(yīng)用廣泛，又可分為紅色擔(dān)體和白色擔(dān)體。它們都是由天然硅藻土煅燒而成的，白色擔(dān)體在煅燒前在原料中加入少量碳酸鈉作助熔劑，煅燒后呈白色而得名；紅色擔(dān)體煅燒時，由于硅藻土中所含的鐵生成氧化鐵，而呈淡紅色。這兩種擔(dān)體的表面結(jié)構(gòu)不相同，紅色擔(dān)體分離極性物質(zhì)時，色譜峰易拖尾，故一般用于分析非極性或弱極性物質(zhì)。常用的有6201紅色擔(dān)體、201紅色擔(dān)體等。白色擔(dān)體一般用于分析極性物質(zhì)。常用的有101白色擔(dān)體、102硅烷化白色擔(dān)體等。

非硅藻土型擔(dān)體有氟擔(dān)體，適用于強極性和腐蝕性氣體的分析；玻璃微球適用于高沸點物質(zhì)的分析；高分子多孔微球既可以用作氣-固色譜的吸附劑又可以用作氣-液色譜的擔(dān)體。

表9-3  常用的氣液色譜擔(dān)體

（3)擔(dān)體的預(yù)處理  普通硅藻土型擔(dān)體表面并非完全惰性，而是含有相當數(shù)量的硅醇基（-Si-OH)，并且有少量的金屬氧化物，故它的表面既有吸附活性，又有催化活性。如果所涂漬的固定液量較少或涂漬不均勻，不能將其吸附和催化中心完全遮蓋，當分析極性試樣時，將會使色譜峰拖尾。對于化學(xué)性質(zhì)活潑的樣品還有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和不可逆吸附。因此，在涂漬固定液前應(yīng)對擔(dān)體進行預(yù)處理。常用的預(yù)處理方法有  酸洗法（除去堿性活性基團)、堿洗法（除去酸性活性的基團)、硅烷化（消除氫鍵結(jié)合力)，釉化處理（使表面玻璃化、堵住微孔)等。

   （二)氣-固色譜固定相

在氣-固色譜法中，常用固體吸附劑作固定相，主要用于惰性氣體、H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄等氣體及低沸點有機物的分析。

常用的固體吸附劑有非極性的活性炭、弱極性的氧化鋁和強極性的硅膠等。由于吸附劑的性能與其制備、活化條件有很大關(guān)系，不同廠家的同種吸附劑，甚至同一廠家不同批的產(chǎn)品，其色譜分離性能往往不能重復(fù)，給定性、定量工作帶來困難，所以氣-固色譜的應(yīng)用范圍受到一定的限制。近年來發(fā)展的高分子微球、分子篩、石墨化炭黑等新型吸附劑，使氣-固色譜法的應(yīng)用有了新的發(fā)展。

三、填充色譜柱的制備

填充色譜柱的制備包括固定液的涂漬、色譜柱的填充和老化三個操作步驟。色譜柱的制備是色譜分析中的關(guān)鍵操作技術(shù)。

1.色譜柱的清洗   對于玻璃柱，先在柱中加入鉻酸洗液浸泡，用自來水沖洗至中性，然后用去離子水洗凈、烘干即可用于裝柱。

對于不銹鋼柱，則用5%~10%的熱堿溶液（NaOH或KOH)抽洗，以除去管內(nèi)壁的油污，用自來水洗至中性，然后用去離子水洗凈、烘干后使用。

2.固定液的涂漬 為了制備一根分離效能高的色譜柱，必須在載體上涂漬一層薄而均勻的液膜。這首先應(yīng)選好溶劑，使固定液能完全溶解。其次在涂漬中應(yīng)仔細，避免因攪拌而使載體破碎。第三，擔(dān)體表面及內(nèi)孔中存有空氣，妨礙固定液滲入，最好減壓除去。裝柱前根據(jù)色譜柱體積，量取1.2~1.5倍柱體積的擔(dān)體（預(yù)先篩分到一定粒度范圍)并稱重；根據(jù)所要求的液擔(dān)比，稱取所需固定液。

常用的涂漬方法有靜態(tài)涂漬法和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法兩種。對于液擔(dān)比大于5%以上的固定相可用靜態(tài)涂漬法。稱取所需固定液，并加入擔(dān)體體積1.5~2倍的溶劑，待完全溶解后倒入蒸發(fā)皿內(nèi)，再加入已稱重的擔(dān)體，輕輕攪拌、均勻涂漬，自然揮干或在紅外烤燈下烘烤，當固定相完全干燥后，按原篩目過篩后裝柱。

對于低含量（<3%)的固定液，需用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法才能涂漬均勻。將已稱重的固定液完全溶于所選的溶劑后，再加入3~5倍擔(dān)體體積的溶劑，緩緩加入擔(dān)體，旋轉(zhuǎn)涂漬2~3h，于熱水浴或紅外烤燈下蒸干溶劑，即可按原篩目過篩后裝柱。

3.色譜柱的填充 通常采用真空泵抽氣填充法。將色譜柱的尾端（即接檢測器的一端)塞上玻璃棉，接真空泵；柱的另一端（接氣化室一端)接一小漏斗。開啟真空泵，慢慢加入固定相，少量多次，輕輕敲打色譜柱，直至固定相不能再加入為止。裝填好后，柱端塞上玻璃棉，并按裝填方向標記進樣端。

4. 色譜柱的老化  為了除去柱填料中殘余的溶劑和某些揮發(fā)性雜質(zhì)，促進固定液均勻地分布在擔(dān)體的表面上，填充好的色譜柱還需老化處理。將色譜柱在高于操作溫度，低于固定液最高使用溫度下，通入載氣和加溫處理使其性能穩(wěn)定的過程稱為老化(conditioning)。將色譜柱的進樣端安裝在色譜儀上，柱出口端與檢測器斷開，以免污染檢測器�？刂戚d氣流速為5~10ml/min，在高于柱溫10℃~25℃，但低于固定液的最高使用溫度下老化4~8 h。老化后，將色譜柱與檢測器連接，待基線平直后，即可開始色譜分析。

第四節(jié)  色譜檢測器

檢測器(detector)是氣相色譜儀的重要組成部分，用于鑒定樣品的組成和檢測各組分的含量。待測組分經(jīng)色譜柱分離后，通過檢測器將各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大器放大后，由色譜工作站得到色譜圖，根據(jù)色譜圖對待測組分進行定性和定量分析。近年來，由于痕量分析的需要，高靈敏度的檢測器不斷出現(xiàn)，大大促進了氣相色譜的發(fā)展和應(yīng)用。目前已有幾十種檢測器，其中最常用的是熱導(dǎo)池檢測器、火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器和氮磷檢測器等。根據(jù)檢測器的輸出信號與組分含量間的關(guān)系不同，可分為濃度型檢測器和質(zhì)量型檢測器兩大類。

濃度型檢測器  測量載氣中組分濃度的瞬間變化，檢測器的響應(yīng)值與組分在載氣中的濃度成正比。例如  熱導(dǎo)池檢測器、電子捕獲檢測器等。質(zhì)量型檢測器：測量載氣中某組分進入檢測器的質(zhì)量流速變化，即檢測器的響應(yīng)值與單位時間內(nèi)進入檢測器某組分的質(zhì)量成正比。例如：火焰離子化檢測器、火焰光度檢測器等。

一、檢測器的性能指標

在氣相色譜分析中，對檢測器的要求是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、線性范圍寬，這些要求也是評價檢測器性能的指標。

（一) 靈敏度

當待測物通過檢測器，物質(zhì)量變化（△Q)時信號量的變化率，稱為檢測器對該物質(zhì)的靈敏度(sensitivity)。如果以進樣量Q對檢測器的信號作圖，可得到通過原點的直線（見圖9-6)，該直線的斜率就是檢測器的靈敏度, 以S表示。

 （9-33)

圖9-6 中Q₀~Q_最大為檢測器進樣量的線性范圍。Q_最大為最大允許進樣量。

氣相色譜檢測器靈敏度的單位，隨檢測器的類型和試樣的狀態(tài)不同而異。對于濃度型的檢測器，當試樣為氣體時，S的單位為mV• ml /ml；當試樣為液體時為mV• ml /mg; 即每毫升載氣中含１mg試樣進入檢測器時所產(chǎn)生的毫伏數(shù)。對于質(zhì)量型的檢測器，試樣為液體或氣體時，S的單位為：mV• s/g或A• s/g，即每秒中有含１g試樣進入檢測器時所產(chǎn)生的毫伏數(shù)或安培數(shù)

圖9-6 檢測器的響應(yīng)信號和進樣量的關(guān)系   圖9-7 檢測器噪聲示意圖

（二)噪聲R_N和敏感度

當只有載氣通過檢測器時，色譜圖上基線的波動稱為噪聲，以R_N表示（圖9-7)。噪聲大，表明儀器的穩(wěn)定性差。由于檢測器的靈敏度（S)并沒有反映它的噪聲水平，為了評價檢測器的好壞，還應(yīng)引入敏感度這一指標。 

檢測器的敏感度是指檢測器恰能給出二倍噪聲（2 R_N)的信號時，單位體積載氣中或單位時間內(nèi)進入檢測器的組分質(zhì)量，以D表示。靈敏度、噪聲、敏感度三者之間的關(guān)系為 

    （9-34)

敏感度的單位，對于濃度型檢測器為mg/ml 或 ml/ml；對質(zhì)量型檢測器為  g/s。

敏感度是檢測器的重要性能指標，它表示檢測器所能檢出的最小組分量，主要受靈敏度和噪聲影響。D越小，表明檢測器越敏感，用于痕量分析的性能越好。

在實際分析中，由于進入檢測器的組分量很難確定。只有當待測組分通過檢測器產(chǎn)生的信號大于噪聲時，才能從背景噪聲中鑒別出來。因此，常用最bhskgw.cn低檢出量表示氣相色譜分析的靈敏程度，即恰能產(chǎn)生2倍噪聲信號時的進樣量，以Q₀表示。必須注意，檢測器的敏感度與色譜分析的最低檢出量是不同的。前者是衡量檢測器的性能指標，而后者不僅與檢測器的性能有關(guān)，還與色譜峰的半寬度和進樣量等因素有關(guān)。

   （三)線性范圍

檢測器的線性范圍是指其響應(yīng)信號與進樣量呈線性關(guān)系的范圍。通常用最大允許進樣量Q_最大和最小檢出量Q₀的比值來表示。檢測器的線性范圍越寬，表明檢測器對試樣中的大量組分或微量組分都能準確測定。

常用的檢測器有火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器和熱導(dǎo)池檢測器。其中熱導(dǎo)池檢測器是基于不同的氣體和蒸氣具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)進行檢測的，主要對可揮發(fā)的無機氣體和有機物有響應(yīng)。由于其靈敏度和選擇性較差，在衛(wèi)生檢驗和醫(yī)學(xué)檢驗中使用較少。本節(jié)主要介紹火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器。常用的幾種檢測器的性能指標見表9-4。

表9- 4 常用檢測器的性能

二、火焰離子化檢測器

火焰離子化檢測器（flame ionization detector,FID), 是一種質(zhì)量型的檢測器。它對大多數(shù)的有機物都有很高的靈敏度，一般較熱導(dǎo)池檢測器的靈敏度高約3個數(shù)量級，由于它的靈敏度高、死體積小、響應(yīng)快、線性范圍廣，適用于痕量有機物分析, 是目前應(yīng)用最為廣泛的一種檢測器。

1.火焰離子化檢測器的結(jié)構(gòu) 該檢測器主要是由離子室、離子頭和氣體供應(yīng)三部分組成。結(jié)構(gòu)示意圖見圖9-8。

圖9-8 火焰離子化檢測器示意圖

離子室是一金屬圓筒，避免外界影響而引起火焰擾動，兼作電屏蔽。離子頭由不銹鋼制成，包括火焰噴嘴和一對電極  發(fā)射極和收集極。發(fā)射極通常是由鉑絲作成的圓環(huán)，收集極是用不銹鋼作成的圓筒，置于發(fā)射極的上方。兩極之間加有恒定的電壓，形成靜電場。氣體入口在離子室的底部，氫氣和載氣按一定的比例混合后，由噴嘴噴出，再與空氣混合，點燃形成氫火焰。

2.火焰離子化檢測器的工作原理  氫火焰的溫度高達2100℃，待測有機物在火焰中離子化，電離生成的正負離子在兩極間的靜電場作用下定向運動形成電流。當載氣中不含待測物時，火焰中離子很少，即基流很小，約10^-14A。當待測有機物通過檢測器時，火焰中電離的離子增多，電流增大。但是有機物在氫火焰中的離子化效率很低，約每50萬個碳原子僅產(chǎn)生一對離子，因此產(chǎn)生的離子電流很微弱。需經(jīng)高電阻（10⁸~10¹¹Ω)后得到較大的電壓信號，再由放大器放大，才能在色譜工作站或微處理機上得到色譜峰。該電流的大小，在一定范圍內(nèi)與單位時間內(nèi)進入檢測器的待測組分的質(zhì)量成正比。

微量有機物進入火焰后發(fā)生離子化的機理，目前尚不十分清楚。一般認為有機物在火焰中的電離是化學(xué)電離。有機物在火焰中生成自由基，其化學(xué)電離反應(yīng)如下 

   C_nH_m ® CH·(自由基) 

有機物C_nH_m 在氫火焰中裂解生成含碳自由基，與進入離子室的氧分子反應(yīng) 

   2CH·+O₂®2CHO⁺+e^–
 CHO⁺ 與火焰中大量的水蒸氣碰撞，生成HO₃⁺離子 

CHO⁺  + H₂O® H₃O⁺+ CO

 在火焰中也存在與離子化反應(yīng)相反的過程 

H₃O⁺ + e^– ® H₂O + H

為了減少正離子與電子接觸的機會，可適當降低火焰的溫度，以降低復(fù)合反應(yīng)的發(fā)生率。由化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子（CHO⁺ 、H₃O⁺ )和電子e^–在外電場作用下定向運動產(chǎn)生微電流，其大小與進入檢測器的待測有機物的質(zhì)量成正比。由上述離子化反應(yīng)機理可知，火焰離子化檢測器對電離勢低于H₂ 的有機物產(chǎn)生響應(yīng)，而對無機物、永久性氣體和水基本上無響應(yīng)，所以火焰離子化檢測器適合于水和大氣中痕量有機物的分析。

3．操作條件的選擇

（1)載氣流速的選擇  火焰離子化檢測器一般選用氮氣為載氣，根據(jù)分離效能由實驗確定最佳載氣流速，使待測組分在選定的色譜柱有良好的分離效果。

（2)氫氣流速的選擇  氫氣流速的選擇主要考慮檢測器的靈敏度。氫氣和載氣流速的比值對氫火焰的溫度和火焰中離子化過程影響很大。H₂ 流速過小，火焰的溫度低，組分離子化數(shù)目少，檢測器靈敏度低，容易熄火；但H₂ 流速過快，則噪聲大，基線不穩(wěn)。通過實驗確定N₂ 和 H₂ 的最佳流速比，使檢測器的靈敏度達最高，穩(wěn)定性最好。一般N₂ 和 H₂ 的最佳流速比在1: 1~1.5之間。

（3)空氣流速的選擇  空氣是助燃氣，參與形成CHO⁺ 正離子的反應(yīng)。當空氣流速較小時，檢測器的信號隨空氣流速的增加而增大，到達一定值后，空氣流速對信號幾乎無影響。一般氫氣和空氣流速比為1:10。

（4)使用溫度  檢測器的溫度通常比色譜柱的溫度高20℃~50℃ 。對火焰離子化檢測器而言，溫度應(yīng)高于100℃，否則水蒸氣會在離子室內(nèi)凝聚，造成靈敏度顯著下降，甚至?xí)�影響檢測器的使用壽命。

此外，檢測器的極化電壓也影響其響應(yīng)值，適宜的極化電壓范圍為100~300V。離子室的屏蔽、清潔和所用氣體的純度都影響檢測器的靈敏度。

三、電子捕獲檢測器

電子捕獲檢測器（electron capture detector,ECD)是一種高選擇性、高靈敏度的檢測器。對含有較強電負性元素的物質(zhì)，如含有鹵素、氧、硫、氮等的化合物有響應(yīng), 元素的電負性越強，檢測器的靈敏度越高。其高靈敏度表現(xiàn)在檢測限可達 10^{–14 g/ml}。電子捕獲檢測器已廣泛用于有機氯農(nóng)藥殘留量、金屬配合物、金屬有機物、多鹵或多硫化合物、甾族化合物等的分析測定。

1.電子捕獲檢測器的結(jié)構(gòu)  如圖9-9所示

圖9-9 電子捕獲檢測器示意圖

在檢測器的池體內(nèi)，裝有一個圓筒狀的β射線發(fā)射源作為負極，以一個不銹鋼棒作為正極，在兩極間施加直流電或脈沖電壓。通常用氚 H³或鎳的同位素Ni⁶³ 作為放射源。前者靈敏度高，劑量為100~1000毫居里，安全易制備，但使用溫度較低（<190°C)，壽命較短，半衰期為12.5年。后者可在較高的溫度（350℃)下使用，劑量為10~20毫居里，半衰期為85年，但制備困難，價格昂貴。

對該檢測器結(jié)構(gòu)的要求是氣密性好，保證安全；絕緣性好，兩極之間和電極對地的絕緣電阻要大于500兆歐；池體積小，響應(yīng)時間快。

2．電子捕獲檢測器的工作原理  當載氣（通常用高純氮)進入檢測室，在β射線的作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和低能量的電子 

 N₂ ® N₂⁺+ e^–

生成的正離子和電子在電場作用下分別向兩極運動，形成恒定的電流，稱為基流。當有電負性物質(zhì)AB進入檢測器時，就會捕獲這些低能電子，產(chǎn)生帶負電荷的分子或離子并釋放出能量 

  AB + e^–  → AB^- + E

帶負電荷的分子或離子和載氣電離生成的正離子結(jié)合生成中性化合物，被載氣帶出檢測室外，從而使基流降低，產(chǎn)生負信號，形成倒峰。組分濃度越高，倒峰越大。因此，電子捕獲檢測器是濃度型的檢測器。

3.操作條件的選擇

   （1)載氣的影響  電子捕獲檢測器可用氮氣或氬氣作為載氣，最常用的是高純度的氮氣（純度≥99.999%)。載氣中若含有少量的O₂和H₂O等電負性組分，對檢測器的基流和響應(yīng)值會有很大的影響，如果載氣純度達不到要求，可采用脫氧管等凈化裝置除去雜質(zhì)。載氣流速對基流和響應(yīng)信號也有影響，可根據(jù)條件試驗選擇最佳載氣流速，通常為40~100ml/min。

(2)電子捕獲檢測器對電負性強的元素響應(yīng)值高，因此應(yīng)采用不含鹵素、氧、硫、氮的化合物，如正己烷、石油醚等作為試樣的溶劑，不采能用三氯甲烷、二氯甲烷等作為進樣溶劑。

(3) 電子捕獲檢測器的溫度對基流大小有影響，應(yīng)根據(jù)待測組分的性質(zhì)，選擇適宜的檢測器溫度，檢測器的溫度不應(yīng)超過350℃。

四、火焰光度檢測器

火焰光度檢測器（flame photometricdetector, FPD)是對含硫或含磷化合物具有高靈敏度和高選擇性的檢測器。

1.火焰光度檢測器的結(jié)構(gòu)  這種檢測器主要由氫火焰和光度檢測兩部分組成，見圖9-10。

圖9-10 火焰光度檢測器示意圖

氫火焰部分與火焰離子化檢測器的離子室相似，包括火焰噴嘴和遮光槽。光度檢測部分包括濾光片、石英片和光電倍增管。載氣先與空氣混合，由檢測器下部進入噴嘴，再與燃氣H₂混合，點火燃燒。噴嘴上方的遮光槽擋去火焰本身和烴類發(fā)出的光，以降低噪聲。光學(xué)系統(tǒng)需要絕熱，在石英片和濾光片之間裝有散熱片，石英片用于保護濾光片，避免水汽和燃燒產(chǎn)物的腐蝕。在測硫和磷時，應(yīng)采用不同的濾光片。

2.工作原理  火焰光度檢測器是在富氫焰中測量硫、磷化合物的發(fā)射光譜。當含硫化合物（RS)試樣進入氫焰離子室時，在富氫焰中燃燒，有機含硫化合物首先氧化成SO₂ ，然后被氫還原成S原子。在適當?shù)臏囟认�，S原子能生成激發(fā)態(tài)的S₂^* 分子，當其回到基態(tài)時，發(fā)射出350~430nm的特征分子光譜，最大發(fā)射波長為394nm。通過相應(yīng)的濾光片，照射到光電倍增管上，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后并記錄其色譜峰。反應(yīng)方程式如下 

  　　  RS + 2O₂ ® SO₂ + CO₂

　　 SO₂ + 4H ® S + 2H₂O

  　　　 S + S ® S₂^*

  　　　 S₂ ^* ® S₂ +hn

從上述反應(yīng)式可知，發(fā)射光的強度正比于[S₂^*]，而[S₂^*] 與SO₂，即與含硫化合物RS濃度的平方根成正比，該檢測器對硫為非線性檢測器。

當含磷化合物進入氫火焰時，首先氧化成磷的氧化物，然后在富氫焰中被氫還原成HPO, 在火焰的高溫下被激發(fā)的HPO 碎片發(fā)射出480~600nm的特征分子光譜，最大發(fā)射波長為526nm。因發(fā)射光的強度（響應(yīng)信號)正比于HPO濃度，測量其發(fā)射光的強度而檢測磷。該檢測器對磷為線性檢測器。 

3．操作條件的選擇

(1) 檢測器溫度的選擇  從檢測原理可知，硫需要在適當?shù)臏囟认虏庞欣�于S₂^* 分子生成，因此檢測室的溫度對硫的靈敏度影響很大。通�；鹧鏈囟容^高，有利于測磷，而不利于測硫。測定磷或硫應(yīng)該通過條件實驗在各自最佳的操作溫度下進行。

(2)氫氣的流速  火焰光度檢測器必須使用富氫焰，氫氣和氧氣的流速比對響應(yīng)值影響很大。通常H₂:O₂ > 3:1

為了延長檢測器光電倍增管的使用壽命和避免損壞，應(yīng)注意當檢測器燃燒室的溫度升至100℃以上才能點火，以避免燃燒室積水受潮。點火后才能開啟檢測器的高壓電源（先開低壓擋，后開高壓擋)。實驗過程中若發(fā)生熄火，應(yīng)關(guān)閉高壓電源后才可重新點火，實驗完畢先關(guān)閉高壓電源。

第五節(jié)   氣相色譜定性定量分析

一、定性分析

氣相色譜定性分析的目的是確定待測試樣的組成，判斷各色譜峰代表什么組分。氣相色譜分析的優(yōu)點是能對多種組分的混合物進行分離分析，這是光譜、質(zhì)譜法所不能及的。但氣相色譜法也有其固有的缺點，就是難于對未知物定性，需要有已知純物質(zhì)或有關(guān)的色譜定性參考數(shù)據(jù)，才能進行定性鑒定。近年來，隨著氣相色譜與質(zhì)譜、紅外光譜聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，為未知試樣的定性分析提供了新的手段。

（一)利用已知純物質(zhì)對照定性

 1.根據(jù)色譜保留值定性  當固定相和操作條件嚴格不變的情況下，各種組分在給定的色譜柱上都有確定的保留值，可以作為定性指標。即通過比較已知純物質(zhì)和未知組分的保留值來確定某一色譜峰代表什么組分。如在相同的色譜條件下，待測組分的保留值與已知純物質(zhì)的保留值相同，則可以初步認為它們是屬同一種物質(zhì)。最常用的保留值為調(diào)整保留時間。但在操作條件一定的情況下，t_M不變，也可直接采用保留時間t_R 定性。由于相對保留值只與柱溫和固定相有關(guān)，不受其它操作條件的影響，所以采用相對保留值定性比較準確。由于不同物質(zhì)在相同色譜條件下也可能會具有相近或相同的保留值，所以根據(jù)色譜保留值定性有一定的局限性。

  2. 加入已知純物質(zhì)峰高增加法定性

當試樣組成比較復(fù)雜，相鄰兩組分的保留值相近，而且操作條件又不易控制恒定時，可以在試樣中加入已知純物質(zhì)，如果某一組分的色譜峰增高，則說明該組分就是加入的已知純物質(zhì)。

3.雙柱（多柱)定性 由于不同的待測組分在同一色譜柱上可能有相同的保留值，只用一根色譜柱定性，結(jié)果不可靠�？刹捎昧硪桓鶚O性不同的色譜柱進行定性，比較未知組分和已知純物質(zhì)在兩根色譜柱上的保留值，如果都具有相同的保留值，即可認為未知組分與已知純物質(zhì)為同一種物質(zhì)。

 利用已知純物質(zhì)對照定性，方法簡便，是氣相色譜定性分析中最常用的方法。在實際分析中若購置標準品有一定困難時，可選用其它方法定性。

（二)利用文獻保留數(shù)據(jù)定性

 在實際工作中由于待測試樣各種各樣，一個實驗室不可能備有各種標準純物質(zhì)�？梢岳�用文獻上報道的有關(guān)保留指數(shù)和相對保留值進行定性，其中最常用的是相對保留值和保留指數(shù)I。但應(yīng)注意，要嚴格按文獻所要求的色譜條件（固定相和柱溫)進行實驗，定性結(jié)果才可靠。

1.相對保留值法 從文獻上查出待組分的相對保留值r₂₁，然后按文獻報道的色譜條件進行實驗，測出待測組分的r₂₁并與文獻值比較，若二者相同，則可認為是同一物質(zhì)。

 2. 保留指數(shù)法，又稱為Kovats指數(shù)，與其它保留數(shù)據(jù)相比，是一種重現(xiàn)性較好的定性參數(shù)。

 保留指數(shù)(retention index)是將正構(gòu)烷烴作為標準物，規(guī)定其保留指數(shù)為100Z（Z代表碳數(shù))，例如正庚烷和正辛烷的保留指數(shù)分別為700和800。待測組分的保留指數(shù)，是用與它相鄰的兩個正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)來標定，用均勻標度表示。欲測某一物質(zhì)的保留指數(shù)，先選擇兩個相鄰正構(gòu)烷烴為標準物，其中一個的碳數(shù)為Z，另一個的為Z+1。 使被測物質(zhì)的保留值X_Ni恰在兩個正構(gòu)烷烴的保留值X_NZ和X_N(Z+1)之間，即X_NZ＜X_Ni＜X_N（Z+1)。在有關(guān)文獻給定的操作條件下，將選定的標準和待測組分混合后進行色譜實驗。則待測組分x的保留指數(shù)可由下式計算 

（9-35)

 式中待測組分的保留值可采用調(diào)整保留時間、調(diào)整保留體積等表示。

【例9-2】在阿皮松-L色譜柱上，當柱溫為100℃時，測得某組分的調(diào)整保留時間為310.0 s，以正庚烷、正辛烷為標準物測得它們的調(diào)整保留時間分別為184.0 s和 373.4 s ，色譜圖如圖9-11所示，求該組分的保留指數(shù)。

 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

  待測物     X_Ni=310.0s lg310.0=2.49

  Z=7

 將上述數(shù)據(jù)代入式9-32，得  

 該組分的保留指數(shù)為777.6，從有關(guān)文獻上可以查出在上述色譜條件下，該未知物為乙酸正丁酯。

圖9-11 保留指數(shù)測定示意圖

3.與其它儀器分析方法結(jié)合定性  氣相色譜法是分離復(fù)雜混合物的有效方法，但不能直接從色譜圖對未知物定性鑒定。而某些儀器如質(zhì)譜儀、紅外光譜儀和核磁共振儀等定性能力很強，但要求所分析的試樣組分很純，而不能對復(fù)雜的混合物進行定性。因此，將氣相色譜與質(zhì)譜、紅外光譜、核磁共振譜聯(lián)用，復(fù)雜的混合物先經(jīng)氣相色譜分離成單一組分后，再利用質(zhì)譜儀、紅外光譜儀或核磁共振譜儀進行定性。其中色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是目前解決復(fù)雜未知物定性鑒定最有效的手段。近年來，隨著電子計算機技術(shù)的應(yīng)用，大大促進了氣相色譜法與其它方法聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見這些先進的聯(lián)用技術(shù)將會成為分離分析復(fù)雜未知物最有效的現(xiàn)代分析手段。

 二、定量分析

1.定量依據(jù)  氣相色譜進行定量分析的依據(jù)是在一定的色譜操作條件下，進入檢測器的待測組分i的含量m_i（質(zhì)量或濃度)與檢測器的響應(yīng)信號（峰面積A_i或峰高h_i )成正比。以峰面積為例，即

    （9-36)

 式中， 為定量校正因子。要準確進行定量分析，必須準確地測量響應(yīng)信號，求出定量校正因子 并選擇適宜的定量方法。

  2.峰面積的測量  峰面積的測量直接關(guān)系到定量分析的準確度。常用的峰面積測量方法主要有峰高乘半高峰寬法和峰高乘平均峰寬法�，F(xiàn)代氣相色譜儀的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)帶有自動積分功能，能自動測量色譜峰面積，對于不同形狀的色譜峰可以采用相應(yīng)的計算程序自動計算，得出準確的結(jié)果。

3. 定量校正因子   氣相色譜法是在一定條件下根據(jù)組分的峰面積（或峰高)與待測物的含量成正比來定量的。但因同一檢測器對不同物質(zhì)的響應(yīng)值不同，所以當相同質(zhì)量的不同物質(zhì)通過檢測器時，產(chǎn)生的峰面積（或峰高)不等，因而不能直接用峰面積（或峰高)計算組分含量，需要引入“定量校正因子”以校正峰面積（或峰高)，使之能真實地反映組分含量。

（1)校正因子的表示方法   現(xiàn)以峰面積定量校正因子為例說明，由式9-33可知 

    （9-37)

式中f_i'稱為絕對校正因子，即是單位峰面積所相當?shù)奈镔|(zhì)量。它主要是由儀器的靈敏度決定的，不易準確測量，所以無法直接應(yīng)用。在定量分析中常用相對校正因子，即某一組分與標準物質(zhì)的絕對校正因子之比，即 

  （9-38)

式中 A_i、 A_s分別為組分和標準物質(zhì)的峰面積；_、分別為組分和標準物質(zhì)的量。當_、可以用質(zhì)量或摩爾質(zhì)量為單位，所得的相對校正因子分別稱為相對質(zhì)量校正因子和相對摩爾校正因子，分別用和表示。使用時常將“相對”二字省去。校正因子可由有關(guān)文獻查到，也可以通過實驗測定。

（2)校正因子的測定方法  準確稱取一定量待測組分（)和標準物質(zhì)（)混合后，取一定量（在檢測器的線性范圍內(nèi))在一定的色譜條件下注入色譜儀，得到標準物質(zhì)的色譜圖，分別測量待測物和標準物質(zhì)的色譜峰面積和，由式9-38計算出校正因子。

2. 幾種常用的定量方法

（1)歸一化法(normalization method) 當試樣中所有組分在檢測器上都有響應(yīng)信號，并在色譜圖上都能出現(xiàn)色譜峰，可用此法計算各待測組分的含量。其計算公式如下

（9-39)

式中，為待測組分的校正因子；為該組分的色譜峰面積。如用質(zhì)量校正因子，則得到待測組分的質(zhì)量分數(shù)。如用摩爾校正因子，則得到待測組分的摩爾分數(shù)。

如果測量參數(shù)為色譜峰高，也可用峰高歸一化計算組分含量,則有 

  （9-40)

式中，為峰高校正因子，其測定方法與峰面積校正因子相同。

歸一化法簡便，準確，操作條件（進樣量、流速等)的變動對結(jié)果影響較小。但若試樣中有的組分不能出峰，則不能采用此法。

（2)內(nèi)標法(internal standard method)  若試樣中有的組分不能出峰，只需要測定試樣中某個或某幾個組分時，可以采用內(nèi)標法。

內(nèi)標法是在試樣中加入一定量的純物質(zhì)作為內(nèi)標來測定組分的含量。內(nèi)標物應(yīng)選用試樣中不存在的純物質(zhì)，其色譜峰應(yīng)位于待測組分色譜峰附近或幾個待測組分色譜峰的中間，并與待測組分完全分離，內(nèi)標物的加入量也應(yīng)接近試樣中待測組分的含量。具體作法是準確稱取一定量試樣，加入一定量的內(nèi)標物，根據(jù)內(nèi)標物和試樣的質(zhì)量及其在色譜圖上相應(yīng)的峰面積，由下式計算待測組分含量。

    （9-41)

 （9-42)

式中為待測組分的含量；m_s和為內(nèi)標物和試樣的質(zhì)量, m_i為試樣中待測物的質(zhì)量；和為待測物和內(nèi)標物的峰面積，相應(yīng)的質(zhì)量校正因子分別為和。

由于內(nèi)標法中以內(nèi)標物為基準，則。于是，式9-41 可簡化為 

 (9-43)

   內(nèi)標法的優(yōu)點是定量準確。因為該法是用待測組分和內(nèi)標物的峰面積的相對值進行計算，所以不要求嚴格控制進樣量和色譜操作條件，試樣中含有不出峰的組分時也能使用，但每次分析都要準確稱取或量取試樣和內(nèi)標物的量，操作較麻煩，不適用于快速分析。

   為了減少稱量和測定校正因子可采用內(nèi)標標準曲線法，即簡化內(nèi)標法。若稱取相同量的試樣，加入恒定量的內(nèi)標物，待測組分的含量與A_i/A_s成正比例。則式9-43 為

（9-44)

   繪制內(nèi)標標準曲線時，先將待測組分的純物質(zhì)配成不同濃度的標準溶液，分別取一定體積的標準溶液，加入相同量的內(nèi)標物，混合后進樣分析，測出待測物標準溶液的峰面積A_i和內(nèi)標的峰面積A_s，以標準溶液的濃度為橫坐標，以 A_i/A_s為縱坐標作圖，得到一組通過原點的直線。分析時，取與標準溶液相同體積的待測試樣和同量的內(nèi)標物，測出其峰面積比，由該組分的標準曲線上即可查出待測組分的含量。利用內(nèi)標標準曲線法定量，可免去測定校正因子的麻煩，適用于液體試樣的常規(guī)分析。

（3)外標法(external standardmethod)  取待測的純物質(zhì)配成一系列不同濃度的標準溶液，分別取一定體積，進樣分析。從色譜圖上測出峰面積（或峰高)，以峰面積（或峰高)對含量作圖，即為標準曲線。然后在相同的色譜操作條件下，分析待測試樣，從色譜圖上測出試樣的峰面積（或峰高)，根據(jù)標準曲線查出待測組分的含量。

外標法是最常用的定量方法。其優(yōu)點是操作簡便，不需要測定校正因子，計算簡單。結(jié)果的準確性主要取決于進樣的重現(xiàn)性和色譜操作條件的穩(wěn)定性。

當試樣中的待測組分濃度變化不大時，也可以不作標準曲線，而采用單點校正法。配制一個與待測組分含量十分接近的標準溶液，其含量為，取相同量的標準溶液和試樣分別進行色譜分析，得到相應(yīng)的峰面積A_s和（或峰高h_s和h_i)，由待測組分和標準溶液的峰面積比（或峰高比)求出待測組分的含量。即

  或   （9-45)

【例9-4】用10%聚乙二醇-20M和2%KOH 為固定液的填充柱，測定吸煙環(huán)境中的尼古丁。以喹啉為內(nèi)標物，準確稱取一定量的尼古丁標準品，配制尼古丁標準溶液，其濃度為0.0105mg/ml；再準確稱取一定量的內(nèi)標物喹啉，用乙醇配成0.124mg/ml的內(nèi)標溶液。取5.00ml尼古丁標準溶液加入0.20ml內(nèi)標溶液, 經(jīng)庚烷提取后，取2ml提取液注入色譜儀。從標準色譜圖上測得尼古丁標準溶液的峰高為55.3 mm, 喹啉內(nèi)標的峰高為50.2mm，求校正因子。取5.00ml樣品溶液按測定校正因子的步驟加入0.20ml內(nèi)標溶液，混勻, 經(jīng)同體積的庚烷提取后進行色譜分析，在樣品色譜圖上測得尼古丁和內(nèi)標的峰高分別為38.3mm和51.0mm。求樣品溶液中尼古丁的濃度。

解：由標準色譜圖可知 

  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

 由樣品的色譜圖可知  h_s=51.0mm  h_i= 38.3mm,

∵  m_s=0.124mg/ml×0.20ml=0.0248mg

 V_i =5.00ml

  所以，可求出樣品溶液中尼古丁的濃度為 (mg/ml)為 

第六節(jié)  毛細管柱氣相色譜法

一、概述

毛細管柱氣相色譜法(capillary gas chromatography,CGC)是使用具有高分離效能毛細管為色譜柱的氣相色譜法。

毛細管色譜柱(capillary column)亦稱空心柱(open tubular column)，是Golay在1956年發(fā)明的。這種既細又長的開放式管柱因形同毛細管而得名。毛細管色譜柱的問世，極大地提高了氣相色譜的分離能力，為氣相色譜分析注入了新的內(nèi)容，并且成為氣相色譜法發(fā)展的主流。

70年代初，由于各國對毛細管柱的制備、進樣方法和應(yīng)用進行了大量的研究，高效毛細管柱的商品化使毛細管色譜得到廣泛的應(yīng)用。1979年出現(xiàn)了石英彈性毛細管柱，由于它具有不易折斷，內(nèi)表面惰性強的優(yōu)點，很快成為毛細管色譜中應(yīng)用最廣的色譜柱。近年來，隨著新型毛細管柱的不斷問世，進樣技術(shù)的不斷發(fā)展以及毛細管色譜理論的不斷完善，毛細管色譜進入了一個大發(fā)展的成熟時期。

二、毛細管柱色譜法的基本原理

（一)毛細管柱的速率理論

填充柱可以看成是一束涂有固定液的毛細管，而毛細管的內(nèi)徑就相當于固定相的直徑，因此毛細管柱色譜的原理與填充柱色譜基本相同。1958年Golay提出了涂壁開管毛細管柱（WCOT)的速率理論方程式：

 H =B/u + C_g u + C_L u  (9-46)

式中，B為縱向擴散項，C_g、C_L為氣相和液相傳質(zhì)阻力項。各項的物理意義及影響因素與填充柱的速率方程式相同。但由于毛細管柱是空心的，沒有填充載體，故其速率理論方程中的渦流擴散項為零；縱向擴散項中的彎曲因子為1，B=2D_g ；傳質(zhì)阻力項中C_g、C_L與填充柱的速率方程相當近似，只不過用柱內(nèi)徑代替顆粒直徑d_P。因此，在毛細管柱分離組分的過程中，造成譜帶擴張的因素有三種，即縱向擴散、氣相和液相傳質(zhì)阻力。

三、毛細管柱色譜操作條件的選擇

CGC操作條件的選擇與填充柱類似，仍然是快速、高效為原則，但也有自身的某些特點。

（一)載氣種類及流速的選擇

毛細管柱色譜常用的載氣與填充柱一樣，也是N₂、H₂和He三種。不同的載氣有不同的分子量，通過影響擴散系數(shù)影響柱效。在毛細管柱色譜中，因為常常采用較高的載氣流速，因而傳質(zhì)阻力起主導(dǎo)作用，要降低傳質(zhì)阻力，就要使用擴散系數(shù)大的（即分子量小的)載氣，所以，分子量較小的H₂和He對提高柱效有利。

由于毛細管柱是空心的，因此增加流速對柱效的影響很小。在能滿足組分分離的前提下，可增大載氣流速，以加快出峰，縮短分析時間。

（二)固定液和液膜厚度的選擇 

毛細管色譜的固定液有幾十種，但常用的卻只有十幾種。表9-5列出了幾種常用的固定液。

表9-5  CGC常用固定液性能

由上表可以看出，涂漬或交聯(lián)的固定液，均以聚硅氧烷型為主。其優(yōu)點是化學(xué)及熱穩(wěn)定性好，柱效高，使用溫度范圍寬，可引入各種基團，極性間距均勻，極性范圍寬。根據(jù)樣品性質(zhì)，按“相似性”原則來選擇極性合適的固定液。

對于未知樣品，通�？上仍贠V-101，PEG-20M兩根不同極性的柱上進行試分離，根據(jù)出峰的數(shù)目，峰形及難分離組分的峰位等可以判斷樣品中組分的數(shù)目、主要組分、微量組分及難分離組分的極性等，然后有針對性地選擇極性合適的固定液。

CGC柱的液膜厚度是毛細管柱重要的色譜條件。薄的液膜厚度可降低傳質(zhì)阻力，提高柱效和縮短分析時間。但液膜太薄則會使樣品負荷量降低，對痕量分析不利。液膜厚度的選擇主要受樣品的揮發(fā)性，也就是樣品的沸點，以及固定液的溫度范圍的影響。對于低揮發(fā)性的高沸點物質(zhì)往往選用薄液膜柱，對于高揮發(fā)性的低沸點物質(zhì)，一般選用厚液膜柱。

（三)毛細管柱內(nèi)徑的選擇

正是由于毛細管柱內(nèi)徑細，中間又無填料，才使其比填充柱有更高的柱效和更快的分析速度。但是柱內(nèi)徑細，必然會使柱容量減小，因而使進樣量減小。對于薄液膜柱，一般采用0.25mm直徑的柱子，而對于厚液膜柱柱，通常采用0.32mm和0.53mm直徑的柱子。

（四)毛細管柱長度的選擇

一般，色譜柱的長度越長，則總的分離效能越高�？招牡拿�細管柱可允許超過100m的柱長，這在分離難分離組分時是極為有利的。但是，柱長的增加必然會減慢分析速度。所以需要根據(jù)實際情況選擇柱長。通常所用的毛細管柱為30m。

（五)柱溫的選擇

在毛細管柱色譜中，載氣流速較大，傳質(zhì)阻力起主導(dǎo)作用，因此，可采用較高的柱溫，降低傳質(zhì)阻力，提高柱效，有利于縮短分析時間。但是柱溫升高，氣體揮發(fā)性增大，組分的選擇性（相對保留值)降低。因此柱溫的選擇要二者兼顧，必要時采用程序升溫進行分析。

（六)進樣量的選擇

毛細管柱由于內(nèi)徑細，所以柱容量往往比填充柱小。毛細管柱的內(nèi)徑越粗，柱子越長，固定液含量越多，則允許進樣量越大。高容量的毛細管柱可以不分流進樣，但對柱容量低的柱子，則可以采用分流進樣方式。進樣量一般為1~5µl。

 四、毛細管色譜柱

毛細管色譜柱是毛細管柱色譜儀的核心。自1979年石英彈性毛細管柱問世以來，幾年內(nèi)它的制備技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展十分迅猛，極性和耐高溫的交聯(lián)石英毛細管柱是近年來發(fā)展的重點。下面介紹毛細管柱的種類、特點和柱的評價。至于毛細管柱的制備，由于技術(shù)性較強，一般都是購買成品柱。

(一)  毛細管柱的種類

毛細管柱可分為兩類：

1.填充型 可分為填充毛細管柱和微型填充柱(micropacked)。填充毛細管柱即先在玻璃管內(nèi)松散地裝入載體，拉成毛細管后再涂固定液。微型填充柱與一般填充柱相同，只是柱徑細，載體顆粒也細到幾十到幾百微米。

2.空心柱 可分為三種。(1)壁涂空心柱(wall coated open tubular column, WCOT)，毛細管內(nèi)壁充當擔(dān)體，固定液直接涂在毛細管內(nèi)壁表面上。這是最早使用的毛細管柱，由于其傳質(zhì)阻力小，滲透性好，柱可以做得很長，因此分離效能高，分析速度快，但固定液易流失，柱壽命短；(2)多孔層空心柱(porous layer open tubular column, PLOT)，即色譜柱的內(nèi)壁用熔融石英等物質(zhì)處理，使之具有吸附性能，實際上是氣-固毛細管色譜；(3)涂載體空心柱(support coated open tubular column, SCOT)，即色譜柱的內(nèi)表面覆蓋一層很細的(<2mm)擔(dān)體，在其上再涂布固定液，這種柱液膜較薄，其柱容量較大，滲透性好，故有穩(wěn)定、高效快速等優(yōu)點。

各種類型毛細管柱的比較見表9-6。

表9-6  不同類型毛細管柱的比較

毛細管柱按材質(zhì)分又可分為金屬管柱、玻璃管柱和石英管柱。目前以石英管柱應(yīng)用最廣。

(二)  毛細管柱的特點

毛細管柱和填充柱相比，有以下一些特點：

 柱效高 毛細管柱的每米塔板數(shù)一般在2 000~5 000，和填充柱相差不大，但由于長度長，所以總柱效高，能夠解決復(fù)雜混合物的分離分析問題。由于毛細管柱分離效能高，所以對固定液的選擇性要求并不苛刻，一根柱可以分析多類物質(zhì)。

 柱滲透性好 毛細管柱一般為空心柱，阻力小，因此滲透性好，可在較高的載氣流速下分析，分析速度較快，例如某一環(huán)境污染物用1m長內(nèi)徑0.1mm的毛細管柱可在幾秒鐘內(nèi)分離十幾個組分。

 柱容量小 毛細管柱涂漬的固定液只有毫克級，能負荷的樣品量少，因此進樣量不能大，否則會導(dǎo)致色譜峰的峰形變差，柱效下降。為了解決這一問題，毛細管柱色譜一般采用分流方式進樣。

表9-7  毛細管柱和填充柱的比較

(三)  毛細管柱的評價

新毛細管柱用前都應(yīng)測試柱效及柱性能并對其進行評價。評價的關(guān)鍵是選用適當?shù)脑囼灮旌衔锊⒃谧罴焉�譜條件下測試，根據(jù)得到的信息，對柱做出評價。色譜柱效能可從以下五個方面來評價：

1.柱效  根據(jù)柱極性選用試驗混合物進樣，測出理論塔板數(shù)和有效塔板數(shù)等。

2. 柱的吸附性  柱的吸附性可根據(jù)色譜峰拖尾的情況加以評價。如果醇類峰拖尾，說明此柱不適于分析含醇樣品；酮類峰拖尾，說明柱子極性太強。

3. 柱的酸堿性  可用2,6-二甲基苯胺與2,6-二甲基苯酚混合試樣，氫焰離子化檢測器測定。若兩組分的色譜峰面積比值相等，則為中性柱；若二甲基苯胺色譜峰變小或拖尾，則為酸性柱，不宜分析堿性組分；反之則是堿性柱，不宜分析酸性組分。

4. 柱的熱穩(wěn)定性與固定液性質(zhì)及老化程度有關(guān)�？蓮淖罡呤褂脺囟群椭鶋勖鼉煞矫婵疾臁？疾烨罢邥r，將色譜儀調(diào)到最高靈敏度，檢測不同柱溫下固定液流失所增大的本底信號；考察柱壽命時，查看在條件不變的情況下使用一定時間，組分的分配比和柱效是否下降。

5. 柱的抗溶劑抽提性 即柱中固定液對抗溶劑和水抽提的能力。

由上述測試數(shù)據(jù)，就可對毛細管柱的效能、惰性、使用溫度范圍、適于分析何類樣品等做出正確的評價。一般對新購置的成品柱，可按照所附的性能指標、測試條件和色譜圖對柱進行評價。除了以上的指標外，還有一些指標，如柱極性、拖尾因子、涂漬效率、柱容量、液膜厚度等，由于篇幅所限，在此就不一一介紹了。

五、毛細管柱氣相色譜儀

毛細管柱色譜儀和填充柱色譜儀十分相似。有專用的毛細管柱色譜儀，也有用填充柱色譜儀加一毛細管柱附件改裝而成。毛細管柱和填充柱

圖9-12 毛細管氣相色譜儀示意圖

色譜儀的主要差別在于柱前安裝了一個可以進行分流的進樣器，柱后加上了尾吹氣路。圖9-12是毛細管氣相色譜儀的示意圖。

毛細管色譜儀的進樣系統(tǒng)是毛細管柱色譜儀的關(guān)鍵部件，這是因為它和柱效能有關(guān)，同時也和樣品是否“失真”有關(guān)，因而直接影響定量結(jié)果的準確性。由于毛細管柱柱體積很小，和填充柱相比柱容量很低，所以必須在很短的時間內(nèi)把極小量樣品通過進樣器定量地注入毛細管柱中，以獲得高柱效和準確的定量結(jié)果。為此，發(fā)展了各種進樣器，進樣技術(shù)也在不斷改進。進樣的方式可分為三類：分流進樣、不分流進樣和冷柱頭進樣。其中最簡便，也最常用的是分流進樣，即注入樣品，在分流器的控制下，讓極少量樣品進入毛細管柱，絕大部分樣品放空。放空樣品和進柱樣品之比稱為分流比。

毛細管色譜柱的載氣流量很低，所以要求管路的死體積小，以防止色譜峰的擴張。但在柱出口處需用尾吹氣增加載氣流速，減小柱出口到檢測器之間的死體積，并使檢測器處于最佳氣體流速，以提高檢測器的靈敏度。尾吹氣根據(jù)所用的檢測器可以選用N₂、H₂、He和空氣，流速應(yīng)根據(jù)檢測器的靈敏度而定。

 由于毛細管柱的柱容量小，只能分析少量樣品，所以要求使用高靈敏度的檢測器。常用的是氫焰離子化檢測器（FID)，也可以用電子捕獲檢測器（ECD)和火焰光度檢測器（FPD)，目前用的更多的是質(zhì)譜檢測器。

 六、毛細管色譜的應(yīng)用

毛細管色譜具有高效、快速等優(yōu)點，在許多學(xué)科和領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在衛(wèi)生學(xué)檢驗和醫(yī)學(xué)檢驗中，毛細管柱色譜是常用的一種檢測方法，圖9-13為使用涂OV-3的毛細管柱分離多環(huán)芳烴混合物的色譜圖。

圖9-13  多環(huán)芳烴的毛細管色譜圖

圖9-14是填充柱和毛細管柱分離同一樣品的兩張色譜圖。在一根長1.5m的填充柱上，某香精油樣品能分離出三十多個色譜峰（見圖9-14上圖)，同一樣品在一根30m的毛細管柱上可以分出近百個峰（見圖9-14下圖)，而且分析時間幾乎相同。

圖9-14  香精油的填充柱和毛細管柱的氣相色譜圖

第七節(jié)  頂空氣相色譜法

 頂空氣相色譜法(head space-gaschromatography)是一種測定液體或固體樣品中揮發(fā)性組分的氣相色譜法。頂空氣相色譜法突出的優(yōu)點在于，采用頂空蒸氣直接注入色譜儀分析，能簡化樣品的前處理，可以避免樣品基底對色譜柱的污染，還能提高檢測靈敏度；不僅可用于分離分析液體、半固體（血、粘液、乳懸液等)還可用于固體樣品中痕量易揮發(fā)組分的分離分析，在衛(wèi)生檢驗和醫(yī)學(xué)檢驗中具有廣闊的應(yīng)用前景。

一、方法原理

 將樣品置于有一定頂端空間的密閉容器中，在一定溫度和壓力下，待測揮發(fā)性組分將在氣-液（或氣-固)兩相中達到動態(tài)平衡，當待測組分在氣相中的濃度相對恒定時，其蒸氣壓可由拉烏爾（Raoult)定律表示 

（9-47)

式中為組分i在氣相中的蒸氣壓，為純組分i的飽和蒸氣壓，為組分i在該溶液中的物質(zhì)的量，為組分i的活度系數(shù)。

 在頂空氣相色譜中是采用與樣品呈熱力學(xué)平衡的氣相進行色譜分析，測得氣相中i組分的峰面積與該組分的蒸氣壓成正比 

   （9-48) 

式中為組分i對檢測器特性的校正系數(shù)，在測定條件不變時，通常為常數(shù)。當溫度和其它實驗參數(shù)固定，試液中待測組分濃度很低時，，均為常數(shù)，可與合并為常數(shù)，當用組分i的濃度代替式中物質(zhì)的量時，則有  

  （9-49)

  式9-49即為頂空氣相色譜法的定量分析基礎(chǔ)。如果待測試樣和標準樣品在相同的操作條件下進行頂空分析，則值相同，待測組分的濃度，可由下式計算 

（9-50)

其中為待測組分i的濃度，為標準樣品的濃度，和分別為待測組分和標準樣品的峰面積。

二、頂空分析裝置

 1.靜態(tài)式  目前在實驗室最常用的頂空分析簡易裝置如圖9-15 所示。恒溫系統(tǒng)可用水浴、甘油浴或金屬塊加熱。通常用帶有硅橡膠墊片塞的玻璃瓶作為樣品瓶，瓶塞要求密閉，氣密性好，不與待測組分的蒸氣發(fā)生反應(yīng)，瓶體積為2ml~100ml。將樣品（液體或固體)置于瓶中，加塞密閉，放在恒溫水浴內(nèi)，達平衡后，用氣密性好的注射器，從樣品瓶中取出一定量的頂空蒸氣，迅速注入色譜儀中，進行分析。此法比較成熟，應(yīng)用廣泛，但是靈敏度較低。目前氣相色譜儀可以配專用頂空分析裝置，以降低吸樣和進樣誤差，便于操作自動化。

圖9-15  靜態(tài)式頂空分析裝置圖   圖9-16  動態(tài)式頂空分析裝置圖

2.動態(tài)式  用惰性氣體將頂空瓶內(nèi)的組分吹到富集系統(tǒng)（如冷阱或吸附管)，然后將組分解吸并進行氣相色譜分析的方法稱為動態(tài)頂空色譜法。該法操作較復(fù)雜，但靈敏度高。如圖9-16所示，將樣品置于密閉容器中，其揮發(fā)性組分隨通入的氮氣進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組分經(jīng)加熱解吸后進行色譜分析。也可將色譜柱作為吸附柱組成動態(tài)分析系統(tǒng)。在吸附過程中，色譜柱處于室溫狀態(tài)，待吸附完成后瞬間升溫進行色譜分析。

三、影響頂空氣相色譜法靈敏度的因素

 1. 溫度  提高頂空瓶的溫度將使待測組分的蒸氣壓增高，有利于提高靈敏度。但是溫度過高，密封墊中的雜質(zhì)可能逸出，容器的氣密性也會相對降低。升溫達到一定值后，氣相中痕量組分的濃度不會再增大。

  2. 溶劑  在能充分溶解試樣的前題下，宜采用沸點較高，蒸氣壓較低的溶劑，使頂空氣體中溶劑的濃度較小，組分的相對揮發(fā)度增大，有利于痕量組分的測定。

  3. 加入電解質(zhì)及非電解質(zhì)  在水溶液中加入電解質(zhì)如鹽類可降低被測組分的溶解度（鹽效應(yīng))，增加它在氣相中的濃度，檢測靈敏度可提高3~5倍，其效果與所用鹽的性質(zhì)有關(guān)。在有機溶劑中加入非電解質(zhì)，也可增加被測組分在頂空氣體中的濃度，其效果取決于溶劑系統(tǒng)和被測組分的結(jié)構(gòu)、極性等。

  4. 容器體積  頂空瓶的體積較小可使平衡時間縮短，但體積過小則限制取樣量，通常樣品體積和頂空體積比為1:3。

四、誤差來源及消除

 1. 相平衡  頂空分析定量基礎(chǔ)是待測組分在氣液兩相中達到平衡，氣相中各組分濃度相對恒定。影響平衡的因素有空間體積，平衡時間，樣品粘度等。平衡時間必須通過實驗來選擇。樣品粘度大，系統(tǒng)空間體積大都將使平衡時間相對延長，而影響分析速度。

 2. 吸樣及進樣  用于頂空分析的樣品瓶體積較小，吸取氣樣不宜超過其空間體積的10%。由于氣相中被測組分濃度與體系中該組分的總量有關(guān)，通常只取1~2次樣品進行測定。所用注射器要預(yù)熱，盡量與樣品溫度相近。

 3. 標準與試樣組成  組分的活度系數(shù)與組分本身的性質(zhì)和溶液體系的組成有關(guān)。因此，標準樣品與待測樣品應(yīng)具有相同或相似的基體。

 4. 內(nèi)標法定量  頂空分析最好采用內(nèi)標法，可部分抵消實驗參數(shù)變化所造成的影響，所選擇的內(nèi)標物盡量與被測物具有相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以便具有相近的活度系數(shù)值。

 五、頂空氣相色譜法的應(yīng)用

對于復(fù)雜樣品中痕量低沸點化合物的分離分析，頂空氣相色譜法具有前處理簡便、提取凈化過程一次完成和檢測靈敏度高的優(yōu)點，在分析化學(xué)的各領(lǐng)域中應(yīng)用范圍越來越廣泛。例如，工業(yè)廢水和地面水中的硝基苯的測定，如采用有機溶劑萃取或蒸餾提取法，操作繁瑣，而采用頂空氣相色譜法，樣品預(yù)處理簡單、靈敏、快速，線性范圍寬。衛(wèi)生部頒發(fā)的《生活飲用水檢驗規(guī)范》（2001年)中將頂空氣相色譜法列為飲用水和水源水中三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯等有機鹵代物測定的標準方法。頂空氣相色譜法在生物材料（體液、組織)中的揮發(fā)性有機組分的分離和分析方面具有重要的實用價值。如測定血、尿中的Br^－，F(xiàn)^－ 離子，可先在頂空分析裝置中將樣品中的Br^－或F^－轉(zhuǎn)變成易揮發(fā)的衍生物，然后取頂空氣體，用電子捕獲檢測器檢測，可以大大提高檢測靈敏度，簡化樣品的前處理步驟，又可以消除生物樣品中復(fù)雜基底對測定的干擾。

近年來，頂空氣相色譜法與固相微萃取聯(lián)用在環(huán)境分析和衛(wèi)生檢驗中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。固相微萃取( solid phasemicro-extraction , SPME) 是一種新型的無溶劑樣品制備技術(shù), 具有簡便快速、污染小等特點。例如用聚二甲基硅氧烷(PDMS) 作為固相微萃取的涂層, 通過固相微萃取-頂空氣相色譜法測定了血中苯、甲苯、二甲苯、異丙苯和氯代苯等10種揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，方法的重現(xiàn)性好( RSD < 5%) , 線性范圍寬, 血中10種VOCs 的最低檢出限均低于5ng/ml。

第八節(jié)　氣相色譜法的特點和應(yīng)用

一、氣相色譜法的特點 

氣相色譜分析是色譜法中十分活躍并具有發(fā)展?jié)摿Φ姆蛛x分析方法，其主要原因是它具有高分辯率的色譜柱，可以采用多種靈敏度高、選擇性好、線性范圍寬的檢測器并容易和其它方法聯(lián)用。與其它的分離分析方法相比，氣相色譜法的優(yōu)點可以概括為  分離效能高、靈敏度高、分析速度快和應(yīng)用范圍廣。

1. 分離效能高  氣相色譜填充柱的理論塔板數(shù)可達10³，毛細管柱可達10⁵~10⁶，能分離和檢測性質(zhì)相似的多組分混合物，如同系物、同分異構(gòu)體以及多達幾十、上百個組分的食品、水、生物材料、石油產(chǎn)品以及汽車廢氣等復(fù)雜樣品。

2. 靈敏度高  可以檢出10^-11~10^-13g的物質(zhì)，適用于微量或痕量分析。在大氣污染中，可以測出低至ng/m³空氣污染物；在農(nóng)藥殘留量分析中，可以檢出水質(zhì)、食品及農(nóng)副產(chǎn)品中痕量的農(nóng)藥殘留。

3. 分析速度快氣相色譜法分析一般只需幾分鐘到幾十分鐘。目前氣相色譜儀可以自動控制操作條件和處理數(shù)據(jù)，使分析速度更快。

4. 應(yīng)用范圍廣  氣相色譜法不僅能分析有機物，也可以分析部分無機物；可以分析氣體，也可以分析易揮發(fā)的液體和固體。對于不易揮發(fā)的物質(zhì)可以通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的衍生物，部分無機物也可轉(zhuǎn)變成金屬鹵化物或金屬配合物后進行氣相色譜分析。對于高分子化合物還可以用裂解色譜法使其降解成易揮發(fā)的小分子再測定。一般情況下，待測物的沸點在450℃以下，在操作溫度下有一定的蒸汽壓和熱穩(wěn)定性均可以采用氣相色譜法。因此，氣相色譜法已經(jīng)成為石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要分析方法。

氣相色譜法對于低分子有機化合物的分析具有無可比擬的優(yōu)勢，但也存在一定的局限性。它不適用于高沸點、難揮發(fā)或熱穩(wěn)定性差的高分子化合物和生物大分子的分離分析。當沒有待測物的標準物質(zhì)或有關(guān)的色譜定性數(shù)據(jù)對照時，僅用氣相色譜法難于定性鑒定。近年來，利用質(zhì)譜法定性能力強的優(yōu)點，氣相色譜法與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)使氣相色譜法的應(yīng)用范圍更加廣闊。

二、氣相色譜法的應(yīng)用

  氣相色譜法作為一種有效的分離分析技術(shù)，已經(jīng)在各個領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，限于篇幅，這里僅介紹在衛(wèi)生檢驗和醫(yī)學(xué)檢驗中的應(yīng)用。

衛(wèi)生檢驗涉及的樣品主要是空氣、水質(zhì)、食品和生物材料等，其樣品成分復(fù)雜，待測的有毒有害物質(zhì)含量甚微，采用一般化學(xué)分析方法難于使待測組分分離和測定。鑒于氣相色譜法的優(yōu)點，衛(wèi)生檢驗中所涉及的許多有機物檢測都是采用氣相色譜法作為我國的衛(wèi)生標準分析方法。例如，對于空氣中常見的揮發(fā)性有機物，我國作業(yè)場所的標準分析方法是采用涂漬聚乙二醇-6000固定液的填充色譜柱，在不同的色譜操作條件下，不僅可以同時測定空氣中的苯、甲苯和二甲苯，還可以用于同時測定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、乙酸正戊酯等多種有機組分。對于空氣中多環(huán)芳烴的污染可以采用高分子液晶涂漬的毛細管柱進行分離，可以同時檢測大氣污染物中包括苯并（a)芘在內(nèi)的32種多環(huán)芳烴。

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水環(huán)境的污染，特別是有機物對水質(zhì)的污染日益嚴重。國內(nèi)外生活飲用水和地面水的衛(wèi)生標準中有機物的測定項目占有很大的比例。采用氣相色譜法是監(jiān)測水質(zhì)有機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機溶劑提取后，經(jīng)填充有阿皮松K的色譜柱進行分離，用火焰離子化檢測器（FID)檢測，若采用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用，可同時定性、定量測定多種組分。采用頂空-氣相色譜法測定飲用水中鹵代烴則更加簡便、快速，用涂漬BD-642的30m´0.25mm熔融石英毛細管柱分離，程序升溫，與質(zhì)譜檢測器聯(lián)用，16 min即可同時測定飲用水中十幾種揮發(fā)性鹵代烴, 色譜圖見圖9-17。

圖9-17  飲水中鹵代烴頂空氣相色譜圖

有機氯、有機磷、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類等農(nóng)藥在水質(zhì)、食品、土壤甚至在人和動物的體液和組織中都有殘留。采用氣相色譜法，選用高靈敏度、高選擇性的電子捕獲檢測器（ECD)、火焰光度檢測器 (FPD)或氮磷檢測器 (NPD)可以對不同種類的農(nóng)藥殘留量進行定性、定量分析。圖9-18為柑橘中有機磷農(nóng)藥殘留的氣相色譜圖，采用涂漬BP-10的熔融石英毛細管柱（25m× 0.22mm)，程序升溫，火焰光度檢測器 (FPD)檢測，在40min內(nèi)可測定柑橘中20種有機磷農(nóng)藥殘留的含量。

圖9-18  柑橘中有機磷農(nóng)藥殘留的氣相色譜圖

氣相色譜法還常用于檢測食品中所含的多種有機成分。例如食品添加劑的分析，采用氣相色譜法可以測定糖精、山梨酸、苯甲酸等多種添加劑。食品包裝材料，飲料瓶及密封墊片等成型品，多數(shù)是用聚乙烯樹脂為主要原料，但常加有增塑劑、穩(wěn)定劑等，對人體健康有害。根據(jù)國家食品衛(wèi)生標準檢驗方法，采用頂空氣相色譜法，將包裝材料用正己烷溶解，在70±1°C的恒溫水浴中，取液上氣體用涂漬聚乙二醇丁二酸酯固定液的釉化6201紅色擔(dān)體的填充色譜柱進行分析，色譜圖見圖9-19。

圖9-19  包裝材料中揮發(fā)性組分的氣相色譜圖

體液和組織等生物材料的分析在醫(yī)學(xué)檢驗中日益受到重視，很多檢測指標與疾病的診斷有密切關(guān)系，如脂肪酸、氨基酸、甘油酸三酯、甾類化合物、糖類、維生素等。這些化合物往往需要經(jīng)衍生化轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的易揮發(fā)衍生物，才能進行氣相色譜法分析。例如尿中草酸鹽濃度的測定有助于臨床診斷腎結(jié)石，用草酸脫羧酶使尿中草酸鹽脫羧產(chǎn)生CO₂, 然后用頂空色譜分析，可以測定尿中 50 mol/L草酸鹽。采用涂漬5% 苯基甲基硅氧烷的毛細管柱（25m×0.31mm, 0.52µm)程序升溫，用火焰離子化檢測器，測定尿中酚類化合物。