第十二章 氣相色譜法

1第十二章氣相色譜法◆學習目的⊙◆知識要求⊙◆能力要求⊙2◆學習目的通過學習氣相色譜法的基本理論：塔板理論和速率理論，氣相色譜儀的基本組成及工作流程，氣-液色譜中的固定液、載體及分離條件和定性定量方法，加深對氣相色譜法分離原理的理解，熟悉氣相色譜儀主要部件的作用，能夠正確選擇氣相色譜法中色譜柱的條件、氣化室溫度、檢測室溫度以及進樣量等條件，能夠利用氣相色譜分離分析檢測信號對待測各組分進行定性與定量分析。為學習低沸點藥物的分析打下基礎。3◆知識要求1．掌握氣相色譜法定性依據(jù),定量分析原理及方法,定性分析與定量分析的應用。2．熟悉氣相色譜法的特點及其分類，氣相色譜儀的基本組成及流程，氣相色譜法的基本理論：塔板理論、速率理論，氣相色譜的固定相和流動相，氣相色譜法中色譜柱及柱溫的選擇、載氣及流速的選擇、其他條件的選擇。3．了解常用的檢測器。4◆能力要求熟練掌握氣相色譜儀的基本結構及各部件的作用，學會用氣相色譜儀測定樣品的含量。5第一節(jié)概述

第一節(jié)概述

氣相色譜法(gaschromatographyGC)是以氣體作為流動相的色譜分離分析方法。氣相色譜法廣泛應用于石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境科學、有機合成、生物工程等領域。在藥物分析中，氣相色譜法已成為原料藥和制劑的含量測定、雜質檢查、中草藥成分分析、藥物的純化、制備等方面的重要分離分析手段。6第一節(jié)概述一、氣相色譜儀氣相色譜儀一般由五部分組成，如下圖所示:

7第一節(jié)概述載氣系統(tǒng)包括氣源、氣體凈化器、氣體流速控制和測量裝置。進樣系統(tǒng)包括進樣器、氣化室和控溫裝置。分離系統(tǒng)包括色譜柱和色譜柱箱。檢測系統(tǒng)包括檢測器和控溫裝置。記錄系統(tǒng)包括放大器、記錄儀或數(shù)據(jù)處理裝置。8思考

課堂互動您能說出氣相色譜儀的主要構成嗎？其中起分離作用的部件叫什么？起分析作用的部件叫什么？第一節(jié)概述9第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（一）色譜流出曲線色譜柱流出的各組分通過檢測器時所產生的響應信號對流出時間或流動相流出體積所做的曲線稱為色譜流出曲線，也稱為色譜圖。色譜圖一般是以組分流出時間或者流動相流出體積為橫坐標，以檢測器的響應信號為縱坐標，見下圖。10第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（一）色譜流出曲線11第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（二）色譜分析常用術語

1．基線基線是在操作條件下，僅有流動相通過檢測系統(tǒng)時所產生的信號曲線。穩(wěn)定的基線應為一條與橫坐標平行的直線?；€反映了儀器的噪音隨時間變化的情況。2.色譜峰當試樣組分進入檢測儀器時，儀器響應值偏離基線，信號強度隨檢測器中試樣組分濃度而改變，直至組分離開檢測器，所繪出的曲線稱為色譜峰。12第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（二）色譜分析常用術語

3．峰高（h）和峰面積（A）峰高是指色譜峰最高點至基線的垂直距離。峰面積（A）是指組分的流出曲線與基線所包圍的面積。峰高或峰面積的大小和每個組分在被測試樣中的含量相關，因此色譜峰的峰高或峰面積是色譜法進行定量分析的主要依據(jù)。13第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（二）色譜分析常用術語

3．峰高（h）和峰面積（A）峰高是指色譜峰最高點至基線的垂直距離。峰面積（A）是指組份的流出曲線與基線所包圍的面積。4．色譜峰區(qū)域寬度色譜峰的區(qū)域寬度是色譜流出曲線的重要參數(shù)之一，用于衡量色譜柱效率及反映色譜操作條件的動力學因素。通常度量色譜峰區(qū)域寬度有：標準偏差、半峰寬W1/2、峰底寬度（峰寬W）。14第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（二）色譜分析常用術語

5．拖尾因子為了保證色譜分離效果和測量精度，常用拖尾因子用以衡量色譜峰的對稱性，用T表示。6．保留值從進樣到色譜柱后出現(xiàn)待測組分信號極大值所需要的時間為保留時間(tR)，從進樣到產生待測組分信號極大值所需要的流動相體積為保留體積（VR）。。15第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（二）色譜分析常用術語

（1）．死時間（tM）或死體積（VM）從進樣開始到惰性組分出現(xiàn)峰極大值所需的時間或流動相的體積，分別稱為死時間或死體積。（2）．調整保留時間t′R

組分的保留時間扣除死時間后，稱為該組分的調整保留時間，信號極大值所需要的流動相體積為保留體積（VR）。16第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（一）色譜分析常用術語

（3）．調整保留體積vR：某組分的保留體積扣除死體積后，稱為該組分的調整保留體積。（4）．相對保留值γi.s：一定實驗條件下組分i與標準物質S的調整保留值之比（也可以是它們的分配系數(shù)、容量因子之比）。17第一節(jié)概述一、色譜流出曲線及其常用術語（一）色譜分析常用術語

7．選擇因子：組分2的調整保留值與組分1的調整保留值之比，稱為選擇因子，用符號表示。8．分離度（R）又稱分辨率，是指兩相鄰組分色譜峰的保留時間之差與兩組分色譜峰峰寬之和的一半的比值。18第二節(jié)氣相色譜法的基本理論第二節(jié)氣相色譜法的基本理論一、塔板理論馬丁和辛格于1941年提出了塔板理論,塔板理論假設：

1．在塔板內，樣品中某組分可以很快達到分配平衡，H稱為理論塔板高度。

19第二節(jié)氣相色譜法的基本理論2．流動相間歇式通過色譜柱，每次進入量為一個塔板體積。3．樣品都加在第0號塔板上，并且樣品的縱向擴散可以忽略。4．分配系數(shù)在各塔板上是常數(shù)。

20第二節(jié)氣相色譜法的基本理論理論塔板數(shù)（n）和峰寬的關系：理論塔板高度（H）可由色譜柱長（L）和理論塔板數(shù)來計算：

21第二節(jié)氣相色譜法的基本理論有效塔板數(shù):有效塔板高度:

22第二節(jié)氣相色譜法的基本理論課堂互動1.在一根3m長的色譜柱上，分離一個樣品的結果為:A組分的保留時間為17分鐘，B組分的保留時間為14分鐘，空氣峰的保留時間為1分鐘，A和B兩組分色譜峰的基線寬度為1分鐘，用組分A計算色譜柱的理論塔板數(shù)n為多少？板高H為多少？（1）4.6×104片；（2）4.6×103片；（3）0.65mm；（4）0.65m23第二節(jié)氣相色譜法的基本理論課堂互動2.A組分的調整保留時間為多少？（1）13分鐘（2）14分鐘（3）15分鐘（4）16分鐘3.A組分的容量因子為多少？（1）13（2）14（3）15（4）1624第二節(jié)氣相色譜法的基本理論二、速率理論荷蘭學者范第姆特于1956年建立了色譜過程的動力學理論，即速率理論，提出了范第姆特方程：

式中,A、B、C為常數(shù)，它們分別為渦流擴散項、縱向擴散系數(shù)和傳質阻力系數(shù)，u為載氣線速度，單位為cm/s。

25第二節(jié)氣相色譜法的基本理論1．渦流擴散項渦流擴散是氣體移動中遇到填充物顆粒時，不斷改變流動方向，而造成同組分的分子經過不同路徑，而引起色譜峰的擴張，如下圖所示。

渦流擴散項A可表示為：式中為填充不規(guī)則因子，dP為固定相顆粒的平均直徑。

26第二節(jié)氣相色譜法的基本理論2．縱向擴散項由于樣品組分被載氣帶入色譜柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空間中，在“塞子”的前后(縱向)存在著濃度差，而形成濃度梯度，因此勢必使運動著的分子產生縱向擴散。式中，r表示擴散阻礙因子，填充柱＜1，毛細管柱因無擴散障礙r＝1。

Dg為組分在載氣中的擴散系數(shù)。27第二節(jié)氣相色譜法的基本理論3．傳質阻力項試樣被載氣帶入色譜柱后，試樣組分在兩相間溶解、擴散、平衡的過程稱為傳質過程，影響這個過程進行速度的阻力，稱為傳質阻力。傳質阻力的大小用傳質系數(shù)來表示，它包括氣相傳質阻力系數(shù)和液相傳質阻力系數(shù)，因前者較小，所以。

式中，df為固定液液膜厚度，k為容量因子，Dl為組分在固定液中的擴散系數(shù)。

28課堂互動您能根據(jù)范第姆特方程式的含義，解釋如何控制色譜條件，提高柱效嗎？

第二節(jié)氣相色譜法的基本理論29第三節(jié)氣相色譜法的固定相和流動相第三節(jié)氣相色譜法的固定相和流動相一、氣-液色譜的固定相

（一)固定液

1．對固定液的要求①選擇性能高，對不同的組分有不同的分配系數(shù)。②對樣品中各組分有足夠的溶解能力。③熱穩(wěn)定性要好。④化學穩(wěn)定性好，不與組分發(fā)生化學反應。⑤蒸汽壓低，粘度小，能牢固地附著于載體上。30第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相2．固定液的分類常用化學分類和極性分類?；瘜W分類是以固定液的化學結構為依據(jù)，可分為烴類、硅氧烷類、醇類、酯類等，其優(yōu)點是便于按被分離組分與固定液的“結構相似”原則來選擇固定液。31第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相極性分類是按固定液的相對極性大小分類。該法規(guī)定，極性的-氧二丙腈的相對極性為100，非極性的鯊魚烷的相對極性為0，其他固定液的相對極性在0～100之間。把0～100分成五級，每20為一級，用“+”表示。0或+1為非極性固定液；+2，+3為中等極性固定液；+4，+5為極性固定液。按相對極性對常用氣相色譜固定液分類，如表12-1所示。32第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相表12-1常用固定液的相對極性標準極性固定液100+5100-氧二丙腈(ODPN)極性化合物200+472己二酸二乙二醇聚酯(DEGA)氫鍵型化合物250+368聚乙二醇(PEG-20M)中等極性化合物275+352氰基硅橡膠(XE-60)中等極性化合物300+228三氟丙基甲基聚硅氧烷(QF-1)中等極性化合物100+225鄰苯二甲酸二壬酯(DNP)非極性化合物350+113甲基硅橡膠(SE-30，OV-1)各類高沸點化合物300+17～8阿皮松（APL）標準非極性固定液140+10鯊魚烷（SQ）應用范圍最高使用溫度（℃）極性級別相對極性固定液33第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相3．固定液的選擇選擇固定液一般是利用“相似相溶”原則，一般規(guī)律是：

(1)分離非極性物質：一般選用非極性固定液，組分基本上按沸點順序流出色譜柱，沸點低的組分先流出色譜柱。(2)分離中等極性物質：選中等極性固定液，基本上仍按沸點順序流出色譜柱，但對于沸點相同的組分，極性弱的組分先流出色譜柱。34第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相(3)分離強極性化合物：選極性強的固定液，極性弱的組分先流出色譜柱。(4)分離能形成氫鍵的物質：選用氫鍵型固定液，形成氫鍵能力弱的組分先流出色譜柱。(5)分離非極性和極性混合物：一般選用極性固定液；分離沸點相差較大的混合物，則宜選用非極性固定液。35第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相（二）載體1.對載體的要求①表面積大；②化學惰性，表面吸附或催化性很??；③熱穩(wěn)定性高；④粒度及孔徑均勻，有一定機械強度。2．常用載體(1)紅色載體：由硅藻土與粘合劑直接煅燒而成。因煅燒后天然硅藻土中的鐵變成了氧化鐵使載體呈紅色。(2)白色載體：由硅藻土與20％的碳酸鈉混合煅燒而成。因煅燒后鐵變成了鐵硅酸鈉，使載體呈白色。36第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相3．載體的鈍化(1)酸洗法(2)堿洗法(3)硅烷化法

37第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相二、氣-固色譜的固定相氣-固色譜的固定相有硅膠、氧化鋁、石墨化碳黑、分子篩、高分子多孔微球及化學鍵合相等。在藥物分析中應用較多的為高分子多孔微球（GDX）。38第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相高分子多孔微球（GDX）是一種人工合成的固定相，它既可作為載體，又可作為固定相，其分離機制一般認為具有吸附、分配及分子篩3種作用。高分子多孔微球的主要特點是：①疏水性強，選擇性好，分離效果好，特別適于分析混合物中的微量水分。②熱穩(wěn)定性好，最高使用溫度達200～300℃，且無流失現(xiàn)象，柱壽命長。③比表面極大，粒度均勻，機械強度高，耐腐蝕好。④無有害的吸附活性中心，極性組分也能獲得正態(tài)峰。39第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相化學鍵合相也是新型固定相，它是將固定液的官能團通過化學反應鍵合到載體表面而制得的固定相，具有分配與吸附兩種作用。其特點為化學性能穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性好，傳質快，柱效高，分離效果好，不流失，但價格較貴。40第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相課堂互動請您闡述化學鍵合相有何優(yōu)點？41第三節(jié)氣相色譜的固定相和流動相三、氣相色譜的流動相氣相色譜法中的流動相是氣體，稱為載氣，常用的載氣有氫氣、氮氣、氦氣、氬氣和二氧化碳。

1．氮氣它的擴散系數(shù)小，使柱效比較高，常用于除熱導檢測器以外的幾種檢測器中作載氣。2．氫氣它具有分子量較小，熱導系數(shù)較大，粘度小等特點，在使用熱導檢測器時常用作載氣。42第四節(jié)檢測器第四節(jié)檢測器檢測器（detector）是將色譜柱分離后的各組分的濃度（或質量）的變化轉換為電信號（電壓或電流）的裝置。

1.質量型檢測器（massflowratesensitivedetector）測量載氣中組分進入檢測器的質量流速變化，即檢測器的響應值與單位時間內進入檢測器的組分質量成正比。如氫焰離子化檢測器和火焰光度檢測器等。43第四節(jié)檢測器2.濃度型檢測器(concentrationsensitivedetector)測量載氣中組分濃度的瞬間變化，檢測器的響應值與組分濃度成正比，與單位時間內組分進入檢測器的質量及載氣流速無關。如熱導檢測器和電子捕獲檢測器等。

44第四節(jié)檢測器一、質量型檢測器質量型檢測器測量載氣中組分進入檢測器的質量流速變化，即檢測器的響應值與單位時間內進入檢測器的組分質量成正比。如氫焰離子化檢測器和火焰光度檢測器等。氫焰離子化檢測器（FID）簡稱氫焰檢測器，它是利用在氫焰的作用下，有機化合物燃燒而發(fā)生化學電離形成離子流，通過測定離子流強度進行檢測。其特點是靈敏度高，比熱導檢測器（TCD）的靈敏度高約103

倍；檢出限低，可達10-12g。45第四節(jié)檢測器一、質量型檢測器質量型檢測器測量載氣中組分進入檢測器的質量流速變化，即檢測器的響應值與單位時間內進入檢測器的組分質量成正比。如氫焰離子化檢測器和火焰光度檢測器等。氫焰離子化檢測器（FID）簡稱氫焰檢測器，它是利用在氫焰的作用下，有機化合物燃燒而發(fā)生化學電離形成離子流，通過測定離子流強度進行檢測。其特點是靈敏度高，比熱導檢測器（TCD）的靈敏度高約103

倍；檢出限低，可達10-12g。46第四節(jié)檢測器一、質量型檢測器FID工作原理：當載氣從色譜柱流出后，進入檢測器，載氣中的有機雜質和流失的固定液在氫火焰（2100℃）中發(fā)生化學電離（載氣N2本身不會被電離），生成正、負離子和電子。在電場作用下，正、負離子和電子形成微電流，然后在儀器內部產生電壓降，經微電流放大器放大后，在記錄儀上記錄下信號，稱為基流。47第四節(jié)檢測器組分進入檢測器時，在火焰中燃燒產生正負離子和電子，在電場作用下向兩極定向移動形成離子流，離子流的強度與單位時間內進入檢測器中組分的質量成正比，離子流經放大后，在記錄儀上得到色譜峰。48第四節(jié)檢測器二、濃度型檢測器（一）熱導檢測器（TCD）濃度型檢測器測量載氣中組分濃度的瞬間變化，檢測器的響應值與組分濃度成正比，與單位時間內組分進入檢測器的質量及載氣流速無關。如熱導檢測器和電子捕獲檢測器等。TCD是利用被測組分與載氣的熱導率不同來檢測組分的濃度變化，有的亦稱為熱導池。它對單質、無機物和有機物均有響應，且其相對響應值與使用的TCD的類型、結構以及操作條件等無關，因而通用性好。49第四節(jié)檢測器1．結構和檢測原理

熱導檢測器由池體和熱敏元件組成。池體用銅塊或不銹鋼塊制成，熱敏元件常用鎢絲或錸鎢絲制成，它的電阻隨溫度的變化而變化。將兩個材質、電阻完全相同的熱敏元件，裝入一個雙腔池體中即構成雙臂熱導池，如圖12-3所示，其中一臂接在色譜柱前只通載氣，作為參考臂；另一臂接在色譜柱后，讓組分和載氣通過，作為測量臂。由電阻組成惠斯頓電橋，如圖12-4所示。

50第四節(jié)檢測器51第四節(jié)檢測器如果只有載氣通過，則兩臂中熱絲的溫度、電阻值均相同，則R1/R2=R3/R4，A與B兩點間的電位差UAB=0，檢流計中無電流通過，指針停在零點，記錄儀記錄的是一條基線；當樣品組分隨載氣進入測量臂時，測量臂與參考臂中物質的組成不同，則兩臂中熱絲的溫度、電阻值改變不同，即R1/R2≠R3/R4，A與B兩點間的電位差UAB≠0，電橋平衡被破壞，檢流計指針發(fā)生偏轉，記錄儀上顯示一個色譜峰的信號。當組分完全通過測量臂后，電橋又恢復平衡狀態(tài)，記錄儀又顯示出一條基線。52第四節(jié)檢測器課堂互動請您說出檢測器的作用和類型？熱導檢測器和氫焰離子化檢測器各屬于哪種類型，其原理為何？53第五節(jié)分離操作條件的選擇第五節(jié)分離操作條件的選擇一、色譜柱及柱溫的選擇1．色譜柱的選擇主要是固定相、柱長和柱徑的選擇。

選擇固定液一般是利用“相似相溶”原則，即按被分離組分的極性或官能團與固定液相似的原則來選擇。分析高沸點化合物，可選擇高溫固定相。

54第五節(jié)分離操作條件的選擇第五節(jié)分離操作條件的選擇一、色譜柱及柱溫的選擇1．色譜柱的選擇主要是固定相、柱長和柱徑的選擇。

選擇固定液一般是利用“相似相溶”原則，即按被分離組分的極性或官能團與固定液相似的原則來選擇。分析高沸點化合物，可選擇高溫固定相。

55第五節(jié)分離操作條件的選擇高沸點樣品（300~400℃）用比表面積小的載體，低固定液配比（1%~3%）。低沸點樣品（沸點＜300℃）宜用高固定液配比（5%~25%），可增大R值，以獲得良好分離。難分離樣品可采用毛細管柱。在達到一定分離度的條件下應盡可能使用短柱，一般填充柱柱長為1～5m

。色譜柱的內徑增加會使柱效下降，一般柱內徑常用2～4mm。56第五節(jié)分離操作條件的選擇2．柱溫的選擇

柱溫的選擇原則是：在使最難分離的組分有較好分離度的前提下，盡量采取較低的柱溫，但應以保留時間適宜，色譜峰不拖尾為度。

57第五節(jié)分離操作條件的選擇二、載氣及流速的選擇根據(jù)范第姆特方程,作H-u曲線，如圖12-6所示。在曲線的最低點，塔板高度（H）最小，柱效最高，該點對應的流速為最佳載氣流速（u最佳

）。在實際工作中，常選擇載氣流速稍高于最佳流速。

58第五節(jié)分離操作條件的選擇三、其他條件的選擇1．氣化室溫度氣化室溫度應高于柱溫30~50℃。2．檢測室溫度一般可高于柱溫30~50℃。3．進樣量進樣量應控制在峰面積或峰高與進樣量呈線性關系的范圍內。對于填充柱，液體試樣的進樣一般應小于4μl（TCD）或小于1μl（FID），氣體試樣為0.1～10ml。毛細管柱需要用分流器分流進樣。

59第六節(jié)定性與定量分析第六節(jié)定性與定量分析一、定性分析（一）定性依據(jù):tR、

VR（二）定性方法1．保留值定性法（1）已知物對照定性將樣品與純組分在相同的色譜分析條件下進行分析，根據(jù)各自的保留值進行比較定性。60第六節(jié)定性與定量分析（2）相對保留值定性

在無已知物的情況下，對于一些組分比較簡單的已知范圍的混合物可用此法定性。相對保留值表示任一組分（i）與標準物（s）的調整保留值的比值：

61第六節(jié)定性與定量分析（3）保留指數(shù)定性保留指數(shù)是以正構烷烴系列作為標準，用兩個保留值緊鄰待測組分的正構烷烴的相對保留值來標定該組分，這個相對值稱為保留指數(shù)，又稱其為Kovats指數(shù)，其定義為：在給定條件下進行色譜實驗，測定其相對保留值，按上式計算待測組分保留指數(shù)，再與手冊或文獻發(fā)表的保留指數(shù)進行對照，即可定性。

62第六節(jié)定性與定量分析2．官能團分類定性用樣品各組分與官能團分類試劑作用，根據(jù)反應，如顯色或產生沉淀，據(jù)此判斷該組分具有什么官能團、屬于哪類化合物。

63第六節(jié)定性與定量分析二、定量分析（一）定量依據(jù):mi=fiAi1．峰面積的測量（1）峰高乘以半峰寬法此法適用于對稱色譜峰，計算公式為：（2）峰高乘以平均峰寬法此法適用于不對稱色譜峰，計算公式為：

（3）其他方法

64第六節(jié)定性與定量分析2．定量校正因子絕對校正因子是指單位峰面積所代表的組分的量:相對校正因子，是待測物質i與標準物質s的絕對校正因子之比，其中質量校正因子最常用，即：

65第六節(jié)定性與定量分析3．定量計算方法（1）歸一化法歸一化法各組分含量計算公式為：

（2）外標法外標法是用待測組分的純品作對照物，配制一系列不同濃度的標準液，進行色譜分析，以峰面積對濃度作工作曲線。在相同操作條件下，對試樣進行色譜分析，算出樣品中待測組分的峰面積，根據(jù)工作曲線即可查出組分的含量。

66第六節(jié)定性與定量分析外標一點法若工