1、1 气相色谱概述1.1 分离原理和物理分离（比如蒸馏和类似的技术）不同，气相色谱 (GC) 是基于时间差别的分离技术。将气化的混合物或气体通过含有某种物质的管，基于管中物质对不同化合物的保留性能不同而得到分离。这样，就是基于时间的差别对化合物进行分离。样品经过检测器以后，被记录的就是色谱图。如图 1。图 1 典型色谱图每一个峰代表最初混合样品中不同的组分峰出现的时间称为保留时间。可以用来对每个组分进行定性。而峰的大小、峰高或峰面积，则是组分含量大小的度量。1.2 气相色谱系统一个气相色谱系统包括： 载气源 它能将样品带入 GC 系统 进样口 它同时还作为液体样品的气化室 色谱柱 实现随时间的分
2、离 检测器 当组分通过时 检测器电信号的输出值改变 从而对组分做出响应 数据处理装置图 2 色谱系统1.2.1 气源载气必须是纯净的。污染物可能与样品或色谱柱反应，产生假峰进入检测器使基线噪音增大等。推荐使用配备有水分，烃类化合物和氧气捕集阱的高纯载气。图 3 载气瓶1.2.2 进样口进样口就是将挥发后的样品引入载气流。最常用的进样装置是注射进样口和进样阀。注射进样口用于气体和液体样品进样 常用来加热使液体样品蒸发 用气体或液体注射器穿透隔垫将样品注入载气流 其原理 非实际设计尺寸 如图 4 所示 进样阀样品从机械控制的定量管被扫入载气流 因为进样量通常差别很大 所以对气体和液体样品采用不同的
3、进样阀 其原理 非实际设计尺寸 如图 5 所示1.2.3 色谱柱分离就在色谱柱中进行。因为用户可以选择不同的色谱柱，故使用一台仪器能够进行许多不同的分析。因为大多数分离都强烈依赖于温度，故色谱柱要安装在能够精密控温的柱箱内 见图 6 1.2.4 检测器从色谱柱里出来的含有分离组分的载气流通过检测器而产生信号检测器的输出信号经过转化后成为色谱图。 当纯的载气（没有待分离组分）流经检测器时，产生稳定的电信号（基线） 。 当有待分离组分通过检测器时，产生不同的信号。1.2.5 数据处理色谱峰的保留时间和峰大小必须转换成待分离组分的名称和含量。通过与已知样品（校准样品）的保留时间和响应值大小进行比较来
4、完成。2 进样方式一些样品已经是气体（例如室内或室外的空气，可燃气体等）则可以用气体注射器或气体进样阀直接进样。大多数样品为液体，为了用气相色谱来分析，必须首先使之气化。这常常由加热的进样口和液体注射器或液体进样阀相结合而完成的。2.1 分流 / 不分流进样口2.1.1 分流模式毛细管柱有较小的样品容量，进样量必须非常少，分流进样以防止色谱柱超载。如此小的样品量操作起来是很困难的。分流模式提供了一种方法来解决此问题，采用通常的进样量，气化，然后只把其中一部分引入到色谱柱内进行分析，其余大部分经分流出口放空。2.1.2 不分流进样模式此模式特别适用于低浓度的样品。成功的不分流进样包括以下几个步骤
5、1. 在加热的进样口中使样品和溶剂挥发2. 采用较低的柱温在柱头产生一个溶剂饱和区带3. 利用此区带使样品在柱头进行富集和重组4. 在所有样品 或至少是大部分样品进入色谱柱后 通过打开分流放空阀放空进样口中残留的样品气体5. 升高柱温 先将溶剂 然后将样品从柱头释放操作参数初始值设定通过实验来确定最佳操作参数值。 表 1 提供了一些建议的参数设置初始值。表 1 不分流进样模式的进样口参数初始值设置2.2 注射进样技术在样品组分于柱内被分离的过程中，样品区域由于扩散而展宽。任何色谱峰的宽度都不会比初始区域宽度更窄。由于分离窄峰比宽峰容易得多，故必须使初始区域宽度最小化。理想的注射进样技术：1.
6、将样品充入注射器，调节进样量2. 将注射器的针尖以尽可能深地速度穿过进样隔垫3. 快速压下注射器推杆4. 立即把针从进样口拔出应避免使用在两个气泡间捕集样品的注射技术。这样必须做两次估算，而使进样量的误差增倍。能够限制注射器推杆移动距离的机械装置能提高进样重复性2.3 自动进样自动进样器能够实现高度重复的进样。因此，它们通常允许采用更简单的峰的含量计算方法（用外标法，而不是内标法） 。2.4 进样口温度2.4.1 气体样品对于气体样品而言，进样口不需要气化任何物质，因此也就没有必要加热。通常使用时为保证进样口不会使任何物质冷凝，常用的进样口温度为 1002.4.2 液体样品液体样品要求加热进样
7、口，温度要足够高以使样品气化，但又不能过高而导致样品分解。温度足够高 开始将进样口温度设置为溶剂沸点值并观察色谱峰形 如果所有色谱峰的峰形大致相同 大小不同，说明进样口温度已经足够高了。 如果后流出的色谱峰显得过宽，就将进样口温度升高 10，看峰形是否改善。温度过高 如果出现的峰数比组分数还多，且峰型较差，说明可能有样品分解发生。 为了验证是否发生分解，稍稍降低进样口温度后进行第二次分析，然后比较峰的大小，若有明显的变化，就表明在进样口处有样品分解发生。3 组分分离3.1 色谱基本原理 气化的组分与气相和固定（涂层）相共存时，根据对两相相对吸附性能的不同而在两相间进行分配。 此“吸附性能”可以
8、是溶解度，挥发性，极性，特殊化学作用，或其他任何存在于样品组分间的性质差异。 组分的速度迁移将会比流动相慢，迁移速度慢的程度取决于相互作用的大小。 不同组分根据不同的“吸附性能” ，随时间而被分离。3.2 色谱柱类型3.2.1 毛细管柱毛细管柱是将固定相涂在管内壁的开口管，其中没有填充物。毛细管柱的内径从 0.1 到 0.5 毫米 典型的柱长是 30 米。 3.2.2 填充柱在填充柱内，固定液被涂在粒度均匀的载体颗粒上以增大表面积，减少涂层厚度，涂好的填料被填充在金属，玻璃，或塑料管内。3.2.3 色谱柱管材色谱柱管材料包括 不锈钢 耐用 但是相对活泼的柱表面可能导致被分离组分的损失和峰拖尾
9、玻璃 质脆 通常要求对内表面进行脱活处理 熔融石英 仅用于毛细管柱，惰性好，坚固耐用，是最常用的柱材料。3.3 色谱柱特性色谱柱的用途是将多组分的样品分成窄的，分离良好的色谱峰。3.3.1 柱效柱效是由色谱柱的结构（小的柱内径和薄的固定相涂层有最高的柱效）和载气流速决定的。 较低的流速接近于载气与色谱柱的优化值。 通常，色谱柱运行得更快， 分析就更迅速， 而不会损失多少柱效。 如果分离非常好或使用更短的色谱柱，色谱柱甚至还可以运行得更快。 大多数情况下，不用低于推荐值的流速，因为它们延长分析时间，还会降低柱效。表 2 推荐的载气流速3.3.2 载气控制 填充柱内的流速通常是用质量流量控制器来控
10、制的。 毛细管柱由于它的流速很低，常常是用压力来控制流速的。 有些 GC 提供电子气路控制，这样的仪器允许从键盘上设定流速并从显示器上读出。3.3.3 柱分离度高分离度的色谱柱能够作到基线分离，如果色谱峰很窄（柱效高）分离将会更容易实现。载气流速的稍微改变能对分离度产生显著的影响。结合柱效和分离度的数学定义式，可以得到重要的结论：色谱柱分离度柱长的平方根成正比这意味着增加柱长并不是提高分离度行之有效的方法，柱长加倍，分离时间（和色谱柱成本）也加倍，但是分离度仅仅增加大约 40%3.3.4 柱选择性固定相对两种化合物表现出不同作用的程度的“吸附性能” 。 选择性低 两组分同时流出 选择性高 两色
11、谱峰分离3.4 柱温色谱柱内的固定相（涂层）有一个适用的温度范围。色谱柱通常安装在可控温的柱箱里，因为温度对分离的影响是很大的。柱箱恒温 程序控温优点1. 柱温箱总是处于可进行样品分析的状态2. 两次分析之间不需要间隔时间1. 减少分析时间2. 整个分离过程中峰形一致 检测和测定更容易缺点1. 若样品组分的沸点范围很宽 那么恒温分离将会需要很长时间2. 由于色谱峰随时间而展宽 后面流出的峰将会难于检测或测定1. 样品组分将经历比恒温分离更高的温度 这可能会导致某些敏感组分降解2. 在两次进样之间 柱温箱必须冷却到初始温度，这样就抵消了部分所节省的分析时间4 组分检测1、氢火焰离子化检测器(Fl
12、ame ionization detector, FID)，对几乎包括所有有机化合物都有响应。2、光离子化检测器(Photoionization detector,PID)3、氮-磷检测器(Nitrogen-phosphorus detector, NPD)4、火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD)5、硫化学发光检测器(Sulfur chemiluminesence detector, SCD)6、电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD)7、原子发射光谱检测器(Atomic emission detector, A
13、ED)4.1 热导检测器 (TCD)所有气体都能够导热，但是氢气和氦气的热导系数最大。当两者任何一种作为载气时，任何其他成分的存在都将导致热导检测池中气流热导率的下降，故氢气或氦气显然是优选的载气。稳定的温度取决于所施加的电压，热丝的电阻和热丝向周围环境散热的速率。 此检测器只用一根热丝，快速切换阀使得柱流出物样品和参比气交替通过检测池，如果两气流是一样的，没有被分离的组分，气体切换时热丝电阻不变。 在有样品组分进入检测池时，切换到色谱柱流出气时，热丝温度降低，当切换到参比气时，热丝温度又恢复原值，电子传感器能够探测到此变化，并调节热丝的电源供给以使温度保持恒定。 电源供给变化曲线的波动幅度取
14、决于柱流出物，有组分存在时和参比气之间热导率的差异。4.2 火焰离子化检测器 (FID)氢气和空气燃烧所生成的火焰产生不多的离子，有含碳有机物进入火焰中燃烧时，离子产率将增大。 从色谱柱流出的载气和氢气混合后在空气中燃烧。 FID 有两个电极，其中之一是火焰燃烧的喷嘴，另一个加上极化电压后用来收集火焰中的离子 当组分进入火焰时，收集极所记录到的电流增大，该电流经过放大后形成色谱图 FID 对在火焰中产生离子的任何物质都有响应，几乎包括所有有机化合物（少数例外） 。4.3 电子捕获检测器 (ECD)电子捕获检测器广泛应用于环境分析领域，这是因为它对含卤素化合物有很高的灵敏度，包括大部分除草剂和农
15、药。检测池中的放射性同位素，通常是 63Ni, 发射出 射线。 射线和载气分子碰撞而产生低能量的自由电子，在两电极间施加极化电压以捕集电子流。某些分子能够捕获低能量的自由电子而形成负离子。 当此类化合物分子进入检测池时，部分电子被捕获从而使得收集电流下降，信号经过处理后形成色谱图。ECD 是高度选择性的检测器，对能捕获电子的物质有高的灵敏度，而对其他物质则几乎不响应 一些相对响应值。4.4 其他检测器 (NPD,FPD,AED,MSD)5 谱图解析5.1 色谱峰测量对于一个色谱峰，我们可以获得两个基本的测量数据 进样后到色谱峰被检测到的时间 色谱峰的大小5.1.1 保留时间峰出现的时间是从开始
16、进样到被检测到的时间，包括两部分： 死时间 载气流过色谱柱所用的时间，可通过注射空气或其他没有相互作用的物质来测定 保留时间 由于被分离组分与色谱柱固定相相互作用所造成的滞留时间在大多数情况下 通常忽略死时间而把出峰时间认为是保留时间5.1.2 色谱峰大小 色谱峰大小可以通过峰高或峰面积来测定，二者都是相对于基线而言的。 色谱峰下的基线不能直接测量，它必须从色谱峰两侧的基线处测量。对于分离良好的峰这是很简单的。但是当峰发生重叠，或出现在溶剂峰的拖尾侧，或其他非理想化的情况时，测量就比较困难一些。鉴于此，花在改善峰分离条件上的时间是值得的。峰高：这是最简单的测量，仅仅需要一把测量尺，它是从峰尖到
17、基线的垂直距离。峰面积：此面积是指由色谱峰信号曲线和基线所围成的面积，最好通过电子方式来测量。5.2 组分定性因为许多化合物可能在同一时间 或几乎同一时间 流出色谱柱 因此仅仅依靠气相色谱本身是不能对一个完全未知的化合物进行定性的当问题被加以限定时，气相色谱将变成一个强有力的工具可以通过比较气相色谱图以确定样品是否相同。通常使用已知标准物质样品和待测样品比较以确定待测样品中是否含有标准物质的组分。因此，GC 对于排除可疑性是很有用的。GC 在处理已知样品组分并且要求定量时是特别有用的。 GC 通常也用来监测杂质组分的存在 作为额外峰。5.3 组分定量5.3.1 未校准计算 当载气通过检测器时将
18、会产生信号。如果没有样品组分存在，所产生的信号是基线。 当有组分出现时 信号将会增强。信号和其投影的基线所围面积是峰面积，从色谱峰顶到投影的基线的最大垂直距离是峰高。 积分仪或数据处理系统负责处理绘制基线和测量峰面积和峰高这项困难的任务 其结果就是测量的响应值(MR)。5.3.2 峰面积与峰高百分比法在一次进样分析过程中每一个色谱峰所占总的峰面积或峰高的百分比。假设检测器对所有组分都有相同的响应 计算公式见公式如下： 10%一一MnRn优点 快速，因为不需要进行校准 进样量在一定范围内变化不影响结果缺点 所有组分的色谱峰必须能够检测到 任何没有被检测到或有没流出色谱柱的峰都会减少 MR 的总和
19、，这会造成所有被测物质含量值偏高适用范围 为建立校准表而列出响应信号和保留时间 要进行快速分析 与设定的极限值比较 结果重现 用于过程监测，产品检验测试等。 不能用于对绝对准确度要求高的分析5.3.3 校准计算如果峰面积和峰高百分比定量不能满足需要。就要用标准样品分析所得数据进行校准计算。建立单个色谱峰的定量校准曲线最简单的校准是响应因子。 它是通过已知组分的含量除以相应峰的大小来计算的。响应因子方法有两个假设的前提条件 含量 / 峰面积 峰高 曲线经 过原点 含量 / 峰面积 峰高 曲线是 直线响应因子可通过分析一个含有所有欲校准组分的标准混合溶液来进行测定响应因子是组分含量对色谱峰大小曲线
20、的斜率。在上图，响应因子可用于色谱峰 A 和 B 但不适用于色谱峰 C，两种形式的定量校正用公式 2和公式 3 来表示 对于色谱峰 A 和 B：峰的 CR 值 = 峰的 MR 值 x 色谱峰响应因子。 对于色谱峰 C：峰的 CR 值 = 色谱峰 MR 值的 5.3.4 归一化法归一化百分比法与面积和峰高百分比法类似，但是要用校正的响应值 (CR) 代替测量的响应值 如公式 4 所示 10%一CRn一n值 之所 有 峰 的 值第 n 个色谱峰含量= 第 n 个色谱峰的 CR 值/ 所有峰的 CR 之和 *100%优点 此计算方法可对组分灵敏度差异进行校正 这对流出早的色谱峰的计算结果更加准确 进
21、样量在一定范围内变化不影响结果缺点 此方法必须经过校准。 所有的峰都必须能被检测。任何没有被检测到或有没流出色谱柱的峰都会减少 CR 的总和 这会造成所有被测物质含量值偏高。 所有的峰都必须被鉴定和校准，以求达到最高的准确度，未知的（或未校准）峰将会降低校准的绝对准确度。适用范围 如果没有高沸点化合物存在 就可给出非常准确的结果5.3.5 外标法外标法最大的优点是只对目标化合物的色谱峰进行校准即可。其计算非常简便 第 n 个色谱峰含量 = 第 n 个色谱峰的 CR 值优点 只需对目标化合物进行校准 只需目标化合物流出色谱柱并被检测即可 每一个校准的峰都是独立进行计算的缺点 必须对目标化合物进行
22、校准 外标法假定仪器漂移是可以忽略的，必须定期用已知测试样进行测试以确证这一点 外标法是绝对计算而非相对计算，因此恒定的进样量是至关重要的 用手动进样很难保证这一点。实际上，气体或液体进样阀或自动液体进样器是必须的。适用范围使用进样阀进行气体分析，随着仪器稳定性能的提高，借助于自动进样装置保证恒定的进样量 外标法已经取代了许多过去要求用内标法来测定的分析工作。5.3.6 内标法内标法对每一个色谱峰提供独立的计算，它同时还对进样量的波动，仪器漂移和其他影响因素进行校正。内标法的基本计算公式见公式 内 标 物 的 含 量值内 标 物 的 值个 峰 的第个 峰 的 含 量第 CRnn内标峰的含量是在
23、分析之前加在待测样品中的已知内标化合物的含量虽然随着现代仪器的发展外标法有很大的改进，但是内标法仍被认为是最准确的色谱定量方法。优点 只需对目标化合物进行校准 只需目标化合物流出色谱柱并能够检测到 每一个校准峰是独立计算的 进样量微小的变化不影响测定结果 微小的仪器漂移不影响测定结果缺点 必须对目标峰进行校准 每个样品中必须加入已知量的内标化合物适用范围 要求高准确度的液体样品分析。内标物加入要求 内标化合物在样品前处理（萃取，蒸馏，等等）完成后加入。此情况下，对内标物的主要要求是样品中不含有该物质，同时内标化合物能够产生与样品组分完全分离的，峰形很好的色谱峰，内标物不必和样品组分的化学性质相
24、似。 内标化合物是在样品处理之前加入到原始样品中去。 此情况下，内标化合物的化学性质必须和样品相似，以保证前处理步骤对内标物和样品组分有相同的影响。此时，内标物用来对两种不同的因素进行较正。 在预处理过程中样品回收量的误差 进样时样品量的误差 用单一内标物是不可能实现这两个目的的 通过精确控制样品预处理过程和用实验来证明回收率是高度重现的，那么误差可以减少至可接受的程度。6 GC 基线噪音、重现性与色谱柱老化根据 GC，GCMSD 的故障统计，90%的问题发生在进样口 。由于进样口引起的不良现象大体有:重复性差、出现鬼峰、峰型差、进样歧视、基线出现不规律毛刺等。这些现象与进样口的几种消耗品部件
25、有关：6.1 进样隔垫隔垫的作用隔垫将样品流路与外部隔开，进样针插入时，能保持系统内压，防止泄漏，避免外部空气渗入，污染系统。隔垫一般由耐高温，惰性好，气密性好的硅橡胶制成。为什么要更换隔垫隔垫要定期更换，为防止：漏汽， 分解， 样品损失， 出鬼峰， 柱效下降。如何避免出现问题 进样口温度不要超过隔垫的最高使用温度 定期更换（200 次） 安装后用“手紧“ 使用针尖锋利的注射器。6.2 衬管和分流平板污染的衬管、分流平板会造成：峰形变坏，样品分解或歧视，重现性差，出鬼峰。衬管和分流平板可以清洗，可以用无机酸或者有机溶剂超声、清洗，但不能刷洗。衬管清洗后应当进行硅烷化处理，衬管里的玻璃棉也应该是
26、硅烷化处理过的。6.3 石墨垫；石墨垫的作用色谱柱与色谱系统的连接处靠密封垫密封理想的密封垫提供无泄漏的密封效果，适合各种外径的色谱柱，不用过分拧紧，与色谱柱或接头不粘连，且耐温度变化。为什么要更换石墨垫石墨垫损坏会造成：水，空气渗入系统，破坏色谱柱， 样品损失， 出鬼峰， 污染质谱仪如何避免出现问题先用手拧紧柱帽，再用扳手拧紧保持清洁，避免手印，油的污染用放大镜检查是否有破损，裂纹6.4 几种异常现象分析：基线过高：载气纯度达不到，GC 所用载气（氢气、氮气、氦气）以及辅助器纯度要求为大于 99.999%,并加装净化器。基线过高的另外原因可能是色谱柱没有老化，或者 检测器污染，ECD、TCD
27、 要进行热清洗，FID 要拆洗检测器。前伸峰和脱尾峰：原因是进样量过大或者所用的柱子类型不正确。峰形变坏、样品分解或歧视、重现性差、出鬼峰：脏的衬管或分流平板。进样不准，尤其是手动进样，也容易造成重复性差。规则、不规则毛刺：仪器地线没有接好，附近有大功率电器，FID/FPD 使用了空气、氢气发生器而且没有加装净化管，TCD 环境温度、气流影响，ECD/FID 信号放大板与收集杆接触不牢等。基线升高：程序升温基线升高，是由于柱子没有老化或者柱子已经不能再用。不出峰：检查进样针是否堵塞、是否有柱流量、检测器工作是否正常。6.5 色谱柱老化：柱需预先老化以除去柱中残留的溶剂。选择老化温度时请考虑以下几点；足够高以除去不挥发物质。足够低以延长柱寿命和减小柱流失老化温度越低老化时间应越长。请柱生产厂商确认柱的固定相最高使用温度。毛细管柱老化：按实际工作时的炉温程序重复升温，以使柱得以较好老化。比如 HP-5柱子，40 度，3-5 度/分钟升温至 300 度，重复几次。柱温操作：恒温： 在整个分析过程中，色谱炉温保持恒定。 用初始时间设定运行结束时间。 升温速率设为“ 0” 。 后流出的峰展宽。程序升温： 当组分有较宽的沸点范围 (100C)时使用。 减少分析时间并使峰变窄。 增加柱流失，引起基线漂移。 可设多阶程序升温。
