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*章 氣相色譜法
氣相色譜法是以氣體作為流動相對復雜樣品進行分離、檢測和定量的一種分析方法。它是近年來迅速發展起來的 分析技術，在不斷豐富發展和提高過程中，已逐漸形成一個專門的學科——氣相色譜學。由于該分析方法有分離效能高，分析速度快，樣品用量少等特點，因此目前 已廣泛的被用于石油化工、生物化學、醫藥衛生、衛生檢疫、食品檢疫、環境保護、勞動保護、食品發酵、臨床等部門。氣相色譜法在這些領域中解決了工業生產的 中間體和工業產品的質量檢驗、科學研究、公害檢測、生產控制的分析問題。
1—1 氣象色譜一般介紹
氣相色譜儀 氣相色譜儀是以氣相色譜法為基礎而設計的儀器、氣相色譜儀是以氣相色譜住為分離基礎，樣品進入進樣器后由載氣傳送，到達色譜柱得到分離，分離后樣品由柱中溜出后到達檢測器，并給出相應的電訊號，然后排空。氣相色譜儀的系統方框示意圖見圖1—1。
圖1—1 氣相色譜儀的系統方框示意圖
在氣相色譜中，分離是分析的前提，只有使樣品組份能得到彼此分離才可能有正常的分析數據。 在 氣相色譜中常用填充柱或毛細管柱對樣品進行分離。用氣體作為流動的傳輸氣，稱作流動相或稱為載氣。樣品通過一定的方式導入色譜儀后，由載氣把樣品組份帶進 色譜柱，色譜柱中填充物是涂漬了固定液的擔體（稱為固定相），由于固定液對不同的物質有不同的分子引力，使樣品各組份在柱中與固定液分子間發生了相互作用 （主要有吸附、溶解、絡合、離子交換……），于是使樣品分子在載氣和固定液之間進行分配，樣品中各組份的物理化學性質不同，所以各自在二相間的分配的比也 不同，于是各組份在色譜中運動的速度也就不同，當經過一段距離后，各組份通過反復多次的分配，彼此間距離拉開，按先后次序從色譜柱后流出，從而獲得分離。 樣品組份分離示意圖1—2.
圖1—2.樣品組份在色譜柱中分離示意圖。
氣相色譜儀流路原理示意圖見圖1—3 圖1—3單流路系統示意圖
被分析樣品組份由進樣器導入，由于進樣器加熱溫度是樣品的zui高沸點，使瞬時把液態的樣品汽化為氣態，他們在載氣的攜帶下進入色譜柱，樣品中的組份在注重哦 得到分離然后依次進入檢測器。檢測器將各組份的濃度變化訊號轉換為電訊號（毫伏或毫安），由記錄儀記錄即可得到一張色譜分析圖，示意圖見1—4.
圖1—4中縱坐標表示檢測器所給出的訊號，橫坐標為時間，所描繪的曲線稱為色譜流出曲線。其中tR1、tR2 、tR3，分別是組份A、B、C的進樣到的時間稱作為保留時間，保留時間作為組份的定性數據，而A、B、C三色譜峰面積作為定量的依據。 由圖1—3的流程可知，氣象色譜儀載氣流經的次序是：載氣高壓瓶→減壓閥→凈化器→穩壓閥→柱前壓力表→刻度流量閥→進樣器→色譜柱→檢測器→放空。 （1）高壓瓶是載氣的儲存器，其內壓力較高（灌滿時zai 15Mpa左右），使用時需特別注意安全。切莫把出氣口對準人或儀器，也不可把高壓瓶靠近熱源或受日曬，搬動時也要小心，應當輕拿輕放，勿在地上踢滾，勿 敲打撞擊，以免發生爆炸，造成損失。有條件的實驗室應把高壓氣瓶放到實驗室外的通風條件比較好的小屋里，使用氫氣瓶的實驗室在室內禁止吸煙。
（2）減壓閥：主要起降低氣壓的作用，以便使用。所有減壓閥必須與高壓氣瓶嘴緊密配合（注意：一般氫氣減壓閥與氣瓶連接處有一尼龍密封墊圈，使用前必須用扳手上緊，國內減壓閥密封螺母的六角扳手同一尺寸是30毫米），否則開啟時會發生意外或漏氣，使色譜儀器無法正常工作。
（3）凈化器：凈化器系用一金屬圓筒制成，內盛硅膠和分子篩，其作用是將鋼瓶出來的載氣中所帶有的水分及雜質除 去。在使用高靈敏度檢測器時，對載氣的凈化要求往往很高，這點必須注意。管內的硅膠和分子篩等物質，每隔一段時間后因吸附雜質太多而失效，就應當再活化才 能繼續使用。
（4）穩壓閥：經過凈化的載氣進入色譜儀后，加了穩壓閥，它的作用是使載氣有一穩定壓力輸出（也有加穩流閥的，經過穩流閥使載氣有一恒定的流速）。
（5）柱前壓力表：習慣上氣相色譜儀器有一個柱前壓力表，通過柱前壓力表可以了解色譜柱阻力情況，并能使用柱前壓力表對載氣流路系統探漏，檢查流路的漏氣。
（6）刻度流量閥：該閥為機械刻度式，由上游穩壓閥提供穩定的輸入氣壓（出廠時調至約0.3Mpa）穩流閥的輸出流量可以從相應的流量曲線查得。
（7）進樣器：是把樣品以一定方式導入的設備，進樣器有氣體、液體和固體進樣器。
（8）色譜柱：這是色譜儀器分離的心臟部分，色譜柱通常用玻璃、不銹鋼等材料制作。內部填充有固定相（涂有固定液的 擔體或吸附劑），色譜柱有U型柱或螺旋形柱。色譜柱種類有填充柱、毛細管柱等。填充柱內徑在2—4毫米，長度在0.5~10米，而毛細管柱內徑在 0.1~0.5毫米，柱長在10~200米。
（9）檢測器：其作用是將色譜柱分離后的物質濃度的變化轉化為電信號，通過相應的電部件后由記錄儀記錄下來作為色譜分析的數據。
（10）溫度控制系統：由于進樣器、色譜柱及檢測器都必須要求在一定的溫度下工作，所以氣相色譜儀都有溫度控制器， 色譜柱的溫度對樣品分離的影響較大，一般要求在恒溫下進行分離，對寬沸程樣品應當能進行程序升溫操作，這樣可以縮短分離時間，又能得到較好的分離效果。當 使用一般液體樣品進樣器時，其溫度要根據柱溫及樣品的沸點來選擇，使樣品進入進樣器后能瞬時汽化。
（11）與檢測器有關的電部件：熱導池檢測器有直流穩壓電源或穩流電源供電，有的熱導池檢測器還配有前置放大器。氫 火焰離子化檢測器，有正負極化電壓和微電流放大器，電子捕獲檢測器有直流供電或脈沖供電和微電流放大器，有的電子捕獲檢測器有調頻脈沖放大器。氮磷檢測器 有直流低壓電源供電和微電流放大器，火焰光度檢測器有供光電倍增管工作的高壓電源及微電流放大器，這里不作一一贅述。
（12）記錄儀及數字積分儀：色譜用記錄儀是一種電子電位差計，它能直觀的記錄色譜儀的工作狀況及描繪色譜圖。國內記錄儀主要有大華儀表廠的XWC—100、XWC—200、XWT—100、XWT—200、LM14-Y（t）100LW’12—Y（t）200等。 色譜數據積分儀有模擬式數字積分儀和微處理機控的色譜數據系統，模擬式數字積分儀由于積分精度數據的完整性沒有微處理機控制的色譜數據系統好，所以逐漸淘汰，近年來生命力zui強的是微處理機控制的數據臺，該數據臺能描繪出色譜圖和以表格形式給出運算結果。
1—2 與氣相色譜儀有關的概念
（1）色譜柱：色譜工作者應當考慮色譜柱材料應不與樣品起不良反應。不銹鋼材料的色譜柱能承受較高的溫度，且使用過 程中不易破裂，但對酸類、鹵素等樣品不銹鋼柱管易與之反應，其中某些金屬元素還具有催化作用，故在分離生化樣品及某些農藥殘留物就會引起不良作用，因此分 析這些樣品給人們多用玻璃管色譜柱。玻璃柱的優點是耐酸、堿，無催化作用，但易碎，所以使用玻璃柱前必須注意柱管不要碰撞。 色譜柱內徑太粗則柱效明顯下降，色譜柱太細則填充固定相就很困難，近年來應用在商品儀器上常用的色譜柱內徑是Ф2~Ф3毫米，而柱長要根據被測樣品及色譜柱的效能，常用的色譜柱長度是小于3米。
（2）基線：通常為一水平直線，它表示只有載氣通過檢測器時，所得到的信號。它是檢查色譜儀器工作正常與否的重要指標。 （3）色譜峰：當載氣中混有其他的物質一起通過檢測器時，所得到的高于基線的峰形（信號——時間的曲線）。 （4）載氣：利用氣體來輸送樣品流經色譜柱和檢測器。常用的載氣有氮、氫、氦、氬與甲烷的混合氣。 （5）載氣速度：載氣的質量流速，單位為毫升/分。 （6）檢測器：把柱末端溜出樣品組份轉換成電信號的設備。檢測器能檢測氣體的某些物理性質的變化。 （7）空氣峰：與固定相無相互作用的峰（對多數檢測器是空氣）。 （8）衰減器：電子線路的一部分，它決定放大了的檢測信號傳送到記錄器的量值（也可以不改變電子線路的衰減而改變記錄器的滿量程毫伏值）。 （9）拖尾峰：出峰時上升很快，而后緩慢回到基線的峰。 （10）伸舌峰:出峰時上升很緩慢，而后能很快回到基線的峰。 （11）怪峰：除被分析組份之外的色譜峰，這些峰出現與氣相色譜儀結構，柱流失或系統污染及樣品分解、沾污等有關。 （12）流速：儀器中柱前流量計所讀出的體積流速（Fco’）,并不表示柱體積流速，需經算成指示體積流速Fo’。 Fo’=Fco’?（1+P1） P1為柱前壓，Fco’可以在柱出口或檢測器出口用皂沫流量計來測定，Fo’系近似方法計算的柱體積流速，由于載氣流經高溫的色譜柱和熱導池檢測器，必須把計算后的柱體積流速（Fo’）經溫度校正，常用的溫度校正公式如下：
273+TTCD Fo=Fo’? ———— 273+TA
式中，TTCD系熱導池檢測器溫度，TA為環境溫度。
（13）死時間：惰性物質（空氣）通過色譜柱所需要的時間，即從進樣開始至惰性物質峰zui高點所需的時間，用t0表示。
（14）平均線速（ū）：平均線速是柱長（L）除以惰性氣體物質流經色譜柱所需要的時間（tO）即： ū=L/ tO 厘米/秒
（15）保留時間（tR）：樣品通過色譜柱所需的時間，即從進樣開始到樣品通過色譜柱所需要的時間，即從進樣開始到樣品峰zui高點所需的時間。
（16）保留體積（VR）：保留時間（分）和流速（毫升/分）的乘積。單位是毫升。
（17）校正保留時間（tR’）：保留時間（tR）減去死時間（t0）。
（18）校正保留體積（VR’）：保留體積（VR）減去死體積（VO）。
（19）死體積：死時間（tO）和流速（毫升/分）的乘積。
（20）分配系數（K）：載氣攜帶樣品進入色譜柱時，在氣相中的溶質分子就要溶解到固定液中去，隨著固定液中溶質的 增加，從固定液揮發到氣相中的溶質也逐漸增加，zui后達到動態平衡，這種物質在氣液兩相之間發生的溶解和揮發的過程，稱為分配過程，平衡時氣液兩相中溶質的 濃度的定義為分配系數（K）
固定相中溶質的濃度（CS）
K= ————————————
固定相中溶質的濃度（CT）
固定相中溶質的濃度（CT） （21）拖尾因子的計算：正常的色譜峰應當是對稱峰，在數學上稱為正太分布函數曲線，如果儀器有超線性將可能出現色譜峰的不對稱，對不對稱峰的計算可以用拖尾因子的表達來計算，見圖1—5。
在10%峰高處量基線，分別測量前后兩半寬度，前半寬度和后半寬度之比，即為拖尾因子。
（22）峰的容量因子（K）：又稱分配比、容量比。是衡量色譜柱對被分離組份保留能力的重要參數。定義為刺組份在固定相和流動相中分配量（重量、體積或克分子）之比，用：
校正保留時間tR’
K= ———————
死時間tO
死時間tO K值大者，在柱內保留強，反之保留弱。
（23）相對保留值：某組份的1保留值與另一組份2的保留值之比稱相對保留值或溶劑效率。相對保留值用二組份校正保留時間，校正保留體積比值來計算。 r=VR2’/VR1’=tR2’/tR1’ 對保留值的優點是：只要柱溫、固定相性質不變，即使柱徑、柱長、柱填情況及流動相流速有所變化，相對保留值也即溶劑效率仍保持不變（示意圖1—6）。
（24）分離因子：指二組份未經校正保留值（VR或tR）的比值以Sf表示： Sf=VR2/VR1=tR2/tR1 分離因子是評價色譜柱選擇性的一種指標，由物質對所給定固定相中的熱力學性質決定，與柱溫有很大關系，在保留體積V、死體積VM時，分離因子與溶劑效率即相對保留值相一致。
1—3 理論概要
（1）分離度（R）：色譜分析中總是要求把樣品中的各組份加以一一分離。在多組份樣品中經常會遇到二個或更多組份相 互交疊在一塊，說明色譜峰擴張影響分離度。兩個相鄰的實際分離度，用R來度量，分離度R既是柱效率又是溶劑效率的量度，它取決于峰的寬度和兩峰峰頂之間的 間隔。
分離度表示見圖1—6。
分離度及其定義是：相鄰兩峰之間的差距之差被除以兩峰寬的平均值。 2（tR1-tR2） R= ————— W1+W2 tR2-tR1：兩色譜峰頂間的距離 1/2（W1+W2）色譜峰峰底寬總和的一半。 W1、W2分別是二色譜峰的峰底寬度。 由上式可以看出： 當R=0時，二峰重合。 當R=1時，實際仍有交鋒。 當R=1.5時，兩個色譜峰*分開。 當R＜1時，兩個色譜峰有明顯的交疊。
對于分離度還可以用圖1—7多給的分離示意圖表示： 2△tR △tR R=———— ≈———— W1+W2 W2 由圖所示分離度是峰寬和峰之間距離的函數。 （2）塔片理論：典型的色譜峰見圖1—8
（a）理論塔板數（n）：描述樣品在色譜柱中分配行為的半徑驗理論——“塔板”理論，把色譜柱比擬為一個分餾塔的模式，并引入理論塔板數作為描述色譜柱效能的一個指標，用n表示，n值越大則柱效率越高，n可以用下述表達式計算：
n=16?（tR/W）2或n=5.54（tR/2△t1/2）2 式中tR是被測樣品的保留時間，W是峰底寬，從峰的兩側轉折點做的切線與基線相交點之間的截距。 2△t1/2是半峰寬度，※tR、2△t1/2和W三者均需以同一單位表示（時間或距離）※※對伸舌峰或拖尾峰計算理論塔片數時應當用n=16?（tR/W）2式來表達。 理論塔板數表達了色譜峰的擴張程度和色譜峰的陡度，但不能說明色譜柱對組份的選擇。
（b）有效塔板數：由于系統有死時間或死體積存在，理論塔板數與理論塔板高度不能完成反應柱效率，特別是對過早流出色譜柱的樣品，而扣除死時間（死體積）后算出來的有效塔板數是不隨保留值而變化的，因而它更能反映柱效率。n有效表達式如下：
n有效=16?（tR’/W）2或n有效=5.54（t’R /△t1/2）2
式中tR’=tR-tO，tR’是校正保留時間
（c）理論塔高度：又稱理論等板高度、等度高度或板高、zui小板高，相當于一個理論塔板的高度，用H或HETP表示。 H=L/n 式中L是柱長（通常用厘米或毫米表示）
（d）有效塔板高度用H有效=L/n有效表示。
（e）根據分離的要求確定塔板數 下述方程可用測定所需要的板數，進而確定所需要的柱長：
n需=16?R2（α/α-1）2（k2’+1/k2’）2 式中R為分離度，α為相對保留值，K2’為峰2的容量因子。 舉例說明：圖1—9表示二化合物分離是在一根2米色譜柱上得到的，問為使R=1.5（即達到二峰*分開），柱長需要多少米？踏板高度（H）是多少？
圖1—9 所需要的塔板數計算
n=5.54（tR /2△t1/2）2 =5.54（15’30’’/30’’）2 =5324（塊板）
r=t’R2/t’R1 =（15’30’’-45’’）/（12’20’’-45’’） =1.27
R2’= t’R2/to=（15’30’’-45’’）/45’’=19.66
n需=16?R2（α/α-1）2（R2’+1/R2’）2 =16×1.52×（1.27/1.27-1）2×（19.66+1/19.66）2=875
需要柱長=原來柱長×（n需/n原有） =2×（875/5324）=0.33米
由此可見，用一根短得多的色譜柱即可提供令人滿意的分離結果，因分離是在2米柱上完成的，因此可以使用更高的流速（降低柱效），以縮短分析時間。 （3）速率理論： 范特姆塔（Van deemter）在1956年提出了比較柱尺寸和分析條件的非常有用的方程式。這一方程式與理論塔板數（n），理論塔板高度（H）和載氣流速有關，其zui簡單的形式是： H=A+（B/u）+（CG+CL）ū 這一方程可以用圖1—10表示的那樣，用理論塔板高度（H）作為載氣線速（u）的函數而繪制曲線，曲線上有u的zui小值稱為*載氣線速（uopt）。在這一點的理論塔板高度位于zui低值，因而柱效能為zui高值。 上式中引入了三個與樣品分子通過柱子期間的各種基本過程有關的復合項：即多路效應（A），縱向氣態擴散（B）和與樣品分子在氣相和液相中的擴散過程有關的傳質阻力（CG+CL）
圖1—10 Van deemter理論塔板高度與載氣線速關系圖
其中A項是多路（渦流擴散）項,在填充柱里由于填充物的顆粒大小、形狀、填充方法和柱的直徑不同，流動相通過填充物會改變流動方向。在填充物的不規則空隙中其流動方向不斷改變。因此樣品組份分子在流動相中形成了紊亂的類似渦流的流動，多路效應示意圖見圖1——11.
圖1—11 填充柱多路效應示意圖
為減少多路（渦流擴散）影響，減少A項的一個明顯途徑是使用較小和均勻顆粒的固定相，而填充柱子時必須使柱有一個很高的填充密度，而又不使粒子破碎。 而分子擴散項B是表示樣品進入色譜柱后運動著的分子會發生各方面擴散作用而使色譜峰擴張，它與組份在柱內停留時間，載氣的分子量有關。較大的載氣分子量和較高的載氣流速能減少分子擴散項的影響。 傳質阻力項在色譜過程中溶質分子不斷進出于流動相與固定相之間，但溶質在此二相之間的平衡不 是瞬間完成的。溶質進入色譜柱后，由流動相至二相界面，再由二相界面流動至相內，反復發生質量傳遞過程，除去縱向擴散外，所有阻礙溶質組份在二相間達到平 衡的因素都歸于傳質阻力。由于這些阻力的存在，使色譜峰產生區域擴張，傳質阻力與流速，樣品的擴散系數、液膜的厚度，載體顆粒大小，填充情況等有關。為減 少傳質阻力應選擇較薄的固定液涂層，涂漬要均勻，樣品分子量要?。ㄟ@是由于同系物中分子量大的樣品比分子量小的有較小的擴散系數和較大的傳質阻力。）降低 柱流速可以減小傳質阻力項的影響。 為了提高色譜柱的效率，必須壓縮多路（渦流擴散），分子擴散的影響，同時要加快氣相和液相的傳質速率，因為H越小，樣品在一定長度的色譜柱上達到的分配次數越多，柱效率就越高，色譜圖也越窄，分離得也就越好。 （4）分離條件的選擇 人們都希望能滿意的取得分析結果，可對不同的樣品進行分析時必須把已掌握的知識，經過幾次試驗后能比較準確的找到適當的操作條件，以達到分離的目的。 本節將就載氣的性質、載氣的流速、擔體性質、固定液配比、柱溫、柱徑和柱長、進樣技術等對塔板高度H作一簡單介紹。 （A）載氣的性質：載氣的性質對柱效率是有一定影響的。圖1—12表示不同載氣時平均線速度與塔板高度關系。
圖1—12 不同載氣時平均線速度與理論塔板高的關系
由圖可知分子量小的載氣，*線速和塔板高度都比分子量大的載氣大，這一實驗表明氮氣能獲得較高的柱效而氫氣能得到較快的分析速度，對于不同的檢測器應選擇不同的載氣（這在第三章里要詳細介紹）。 （B）載氣流速的選擇 為 了獲得zui高的柱效，色譜柱必須在*流速下操作，*流速可以在理論塔板高度與線速度曲線中找到。zui小的理論塔板高度決定了*載氣線速所使用的流速。在 實際分析中，為了縮短分析周期，對選擇略比*線速度高的載氣流速，而面對理論塔板高度沒有明顯的影響，略高于*載氣線速的一點稱為*實用線速。如圖 1—13圖見下面。
圖1-13 *線速與*實用線速示意圖
（C）擔體直徑（粒度） 擔體表面結構和孔徑的分布決定固定液在擔體上的分布以及傳質阻力和縱向擴散的情況，所以不同粒度的擔體，其柱效是不同的，擔體直徑與塔板高度的關系見圖1—14。
圖1—14 擔體粒度與塔板高度的影響
使用小而均勻的擔體直徑能改善柱效。由圖1—14可見80~100目硅藻土型擔體能給出zui高的柱效。 （D）固定液配比 固定液含量越低則可以減少傳質阻力，從而提高柱效率縮短分析周期，但是固定液用量也不能太低，否則所用固定液不足以覆蓋擔體而出現擔體的吸附現象，柱效反而會下降，不同固定液配比與塔板高度影響見圖1—15。
圖1—15 不同固定液配比載氣線速與塔板高度關系
（E）柱溫影響 一般柱溫選擇在被分析樣品的平均沸點左右或稍低一些，對于寬沸程的樣品多采用程序升溫方法來解決。 通常較低的柱溫能改善分離，但由此造成的分析時間，對低的柱溫能減少化合物的分解，但可能增加了吸附，所以平時人們都用較低的固定液配比來降低柱溫。 （F）柱內徑和柱長 減少柱子內徑，保持其他條件不變，結果柱效將會明顯提高，柱內徑與塔板高度關系見圖1—16。
圖1—16 不同柱內徑時載氣線速與塔板高度關系
當填充小內徑的柱子時，可能會有些困難，近年來常用的色譜柱內徑是Ф1.5~2毫米，小的柱內徑使用的樣品量也比較小。 如果進入柱子的樣品量過大，其結果損失柱效率。正如圖1—17中看到那樣，當對一定規格的柱子增加樣品量時，柱效差不多穩定到某一點，此后開始迅速下降。
圖1—17 不同進樣量與塔板高度關系
若氣體流速保持不變，則分析時間隨柱長的增加而增加，分離度也有所改善。增加了柱長往往增加了柱前壓力，因此希望在維持一定分離度時使柱長減到zui短。近年來Ф2毫米內徑色譜柱常用柱長在0.5~2米左右。 （5）進樣技術對柱效的影響 進樣速度必須很快，注射器的針尖要插到底，動作要熟練，每次動作要力求重復，讓樣品迅速到達進樣器或色譜柱頂（柱上進樣法），同時進樣器要求有足夠的汽化溫度，進樣器溫度太低會引起伸舌色譜峰，而進樣速度太慢會使樣品指數式的汽化而出現拖尾的色譜峰。
