【分享】气相色谱基础知识介绍——学习GC从基础做起

§1 色谱法基础
§1.1色谱法原理
在互不相溶的两相——流动相和固定相的体系中，当两相作相对运动时，第三组分（即溶质或吸附质）连续不断地在两相之间进行分配，这种分配过程即为色谱过程。由于流动相、固定相以及溶质混合物性质的不同，在色谱过程中溶质混合物中的各组分表现出不同的色谱行为，从而使各组分彼此相互分离，这就是色谱分析法的实质。也就是说，当一种不与被分析物质发生化学反应的被称为载气的永久性气体（例如H2 、N2 、He、 Ar 、CO2 等）携带样品中各组分通过装有固定相的色谱柱时，由于试样分子与固定相分子间发生吸附、溶解、结合或离子交换，使试样分子随载气在两相之间反复多次分配，使那些分配系数只有微小差别的组分发生很大的分离效果，从而使不同组分得到完全分离，例如一个试样中含A、B二个组分，已知B组分在固定相中的分配系数大于A，即KB > KA ，如图1-1所示。




当样品进入色谱柱时，组分A、B以一条混合谱带出现，由于组分B在固定相中的溶解能力比A大，因此组分A的移动速度大于B，经过多次反复分配后，分配系数较小的组分A首先被带出色谱柱，而分配系数较大的组分B则迟被带出色谱柱，于是样品中各组分达到分离的目的。设法将流出色谱柱某组分的浓度变化用电压、电流信号记录下来，便可逐一进行定性和定量分析。

§1.2 色谱流出曲线
通常，如果进样浓度很小，在吸附等温线的线性范围内，色谱流出曲线可以假设为对称的，如图1-2所示。

§1.3 色谱术语介绍
§1.3.1 基线——当没有样品进入鉴定器时，在实验条件下，反映鉴定器噪声随时间变化的曲线称基线。稳定的基线是一条直线，如图1-3横座标0-t所示的直线。
§1.3.2 保留参数
1．死时间§（tM）：指不被固定相吸附或溶解的组分（如气相色谱的空气或甲烷）进入色谱柱至柱后出现浓度极大点的时间，即从进样到惰性组分流出浓度极大点的时间，如图1-3中0’—A’所示。死时间正比于色谱柱中空隙体积的大小。
2．保留时间（tR）：进样后组分流入检测器的浓度达到极大值（即0’-B段）所需的时间，即组分从进样到出现峰最大值所需的时间。
3．调整保留时间(tR’)：扣除死时间后某组分的保留时间（即A’-B段）。即



上述3项的时间单位一般都以分（秒）表示。
4．死体积（VM）：不被固定相滞留的物质的保留体积，也指色谱柱内流动相所占的体积。对气相色谱，通常可由死时间和经三项校正后的载气体积流速的乘积来计算。即


5．保留体积（VR）：指从进样开始到柱后被分析组分出现浓度极大值时所需的载气体积，即





6. 净保留体积(VN)：为扣除死体积后的保留体积，即



上述体积的单位一般以毫升表示。
7. 比保留体积（Vg）: 在温度为273.16K时，每克固定液的净保留体积，其单位是毫升/克，计算式为:



式中:TC为柱温(以绝对温度K表示)，WL为固定液的重量(克)
8. 相对保留值(r): 相对保留值是个无因次量。它表示在相同操作条件下，某组分调整保留值与参比物调整保留值的比值。即



相对保留值在一定范围内不受固定液用量多少的影响，但会受柱温的影响。
凡是纯度高又容易得到的物质都能用来作参比物。应当注意选用的参比物保留值与所分析组分的保留值接近而又能分离完全的物质为参比物。常用的参比物质有正丁烷、正戊烷、异辛烷（2，2，4——三甲基戊烷），苯，对——二甲苯、萘、甲乙酮、环己酮、环己醇等。

§1.3.3 峰宽参数
区域宽度的大小是色谱出曲线中一个很重要的参数，它反映了所选择的分离条件的好坏。在实际工作中，从分离角度看，人们总是希望流出曲线的峰形越窄越好，习惯上表示一个色谱峰区域宽度大小的量主要有下述三种：
1．标准偏差（σ）：即0.607倍峰高时色谱宽度的一半，如图1－2中EF的一半。
2．半高峰宽（Wh）:简称“半峰宽”或“半宽度”，为当峰高（图1－2中AB）一半处色谱峰的宽度，如图1－2中的GH所示。区域宽度和标准偏差间的关系是



由于色谱峰的半宽度容易测量，使用方便，所以一般都用它表示区域宽度。
3．峰宽（W）：也称基线宽度，为通过流出曲线的拐点所作的切线在基线上的截距。如图1－2中的IJ所示，它和标准偏差的关系是：
W=4σ
基线宽度与半峰宽的关系为：
W = 1.7 Wh
区域宽度或色谱峰的半峰宽一般用秒或厘米表示。

§2 色谱柱系统
色谱法中一个首要问题是设法将混合物中的不同组分加以分离，然后通过检测器对已分离的各组分进行鉴定或测定。完成分离过程所需要的色谱柱便是色谱仪的关键部件之一。
在色谱柱内不移动、起分离作用的物质称为固定相。气固色谱的固定相是具有活性的多孔性固体物质（吸附剂）、高分子多孔聚合物等固体固定相。气-液色谱的固定相有时仅指起分离作用的液态物质（固定液），但一般是指承载有固定液的惰性固体，即液态固相。

§2.1 气固填充色谱柱
气固色谱固定相是一类吸附剂，所能分析的样品主要是永久性气体和低分子量的烃类等气态混合物。它具有如下特点：
1.有较大的比表面，一般都大于200㎡/g，高的达1000㎡/g。
2.有相对较好的选择性，不同气态组分在固体的吸附剂上的吸附热往往相差较大，在气－液色谱中溶解度小而难以分离的气态混合物样品，在气－固色谱上可能会得到很好的分离。
3.有良好的热稳定性，能适合于高灵敏的检测器。
4.使用较为方便，价格也不高，一般都可再生使用。
所要注意的是炭类吸附剂的机械强度较低，装填时需防止碎裂；在较高柱温时吸附剂表面易呈现一定的催化活性，有时需借助改性处理；因其吸附容量大，在贮存或分析过程中会事先产生永久性吸附而影响柱效，故在使用前通常需进行活化处理，使用过程中也需定期作再生处理。

§2.2 气液填充色谱柱
气液色谱固定相是在惰性固体表面涂上一层很薄的高沸点有机液体，这种高沸点的有机液体叫做“固定液”，起着承载固定液作用的惰性固体叫做“载体”。
§2.2.1固定液的分类
1．分类
对已有的上千种固定液，需按一定规律将其分类以便于查阅，利用。常见的分类方法有按官能团分和按极性分两种，方法各有利弊。按官能团分类便于了解固定液的类别，可由结构相似出发来选择固定相，同样也便于寻找同类替代品。而按极性分类的方法可根据被测物极性的大小来查阅，方便地寻找极性相似的固定液作替代品。在实际应用中，若样品较为简单，按官能团类别来选择固定液较为方便。此外，还有按最高使用温度把固定液分为低温固定液（Tmax﹤100℃）、中等温度固定液（Tmax在100－250℃）和高温固定液（Tmax﹥250℃）。
根据中华人民共和国国家标准GB2991-82规定，气相色谱固定液按结构分为以下10类。
（1）烃类：（a）脂肪烃；（b）芳香烃。
（2）聚硅氧烷类：如甲基、乙基、乙烯基、苯基甲基、氯苯基甲基、氟烷基甲基、氰烷基甲基等聚硅氧烷。按表观状态分别称为硅油、硅弹性体、硅脂等。
（3）聚二醇及聚烷基氧化物。
（4）酯类：（a）二元酸酯；（b）聚酯和树脂；（c）磷酸酯；（d）其他酯类。
（5）其它含氧化合物：如醇、醛、酮、醚、酚、有机酸及其盐和碳水化合物。
（6）含氮化合物：（a）腈和氰基化合物；（b）硝基化合物；（c）胺和酰胺；（d）氮杂环化合物。
（7）含硫及硫杂环化合物。
（8）含卤素化合物及其聚合物。
（9）无机盐。
（10）其他固定液
2．固定液极性
（1）相对极性：Rohrschneider 早期曾提出测定固定液的相对极性法，他规定固定液鲨鱼烷的相对极性为零，β,β’-氧二丙腈为100，被测的固定液的相对极性（PX）依下式计算：



（2）罗什那德固定液常数（略）
（3）麦克雷诺兹固定液常数（略）

§2.2.2固定液选用原则
在实际工作中，一般是根据被分离样品组分的性质，按“相似相溶原则”来选用固定相，性质相似时，溶质与固定液间的作用力大，在柱内保留时间长，反之就先出柱。
1．被分离样品为非极性物质，一般选用非极性固定液。因主要是色散力在起作用，故而按沸点规律出峰：沸点低的先出峰。如用角鲨烷柱分离时，出峰顺序依次为：甲烷（BP－161.5℃，下同）、乙炔（－83.6℃）、乙烯（－103.9℃）、乙烷（－88.6℃）、丙烯（－47.7℃）、丙烷（－42.2℃）。除乙炔外均按沸点由低到高顺序出峰。
2．被分离的样品为极性物质，则一般先用极性固定液。这时，被测组分与固定液分子间的作用力，主要是定向力，极性越大，定向力越强，因而各组分按极性从小到大顺序出峰。用极性固定液聚乙二醇(PEG)-600，分析乙醛、丙烯醛气体混合物的情形就是这样，乙醛的极性比丙烯醛小，故先出峰，完全符合极性大小规律，如果是强极性的被测物质，选用非极性固定液，则分离效果很差。
3．被分离样品为极性物质（或易被极化物质）和非极性物质的混合物，一般也选用极性固定液，这时，非极性物质先出峰，极性物质（或易被极化的物质）后出峰，如苯和环己烷的分离，当选用非极性固定液时，很难将其分离；但若选用聚乙二醇-400作固定液，苯的保留时间是环己烷的3.9倍，选用极性更强的β，β’-氧二丙腈作固定液，苯的保留时间是环己烷的6.3倍，就很容易将其分离了，这是由于苯具有p电子云结构，容易被极化，而环乙烷不易被极化之故。
4．被分离的样品若为形成氢键的物质，一般选择极性或氢键型固定液。如分析低分子量的伯、仲、叔胺时，一般采用三乙醇胺作固定液，因为胺类能与三乙醇胺形成氢键，三乙醇胺对伯、仲、叔胺有选择性，一甲胺、二甲胺、三甲胺和氨在20%三乙醇胺和酸洗红色载体(C-22保温砖)柱[长2米，内径3毫米，柱温60℃，氮气（载气）50毫升/分]上的出峰顺序为：三甲胺（沸点3.5℃）、氨（沸点-33.4℃）、二甲胺（沸点7.4℃）和一甲胺(沸点-6.5℃)，除氨外完全是按照形成氢键的难易程度排列的，三甲胺因其分子中三个甲基的位阻效应，最不容易形成氢键，故最先出峰，而一甲胺则因最易形成氢键，被三乙醇胺保留到最后出峰。
5．被分离样品为具有酸性和碱性（吡啶类）的极性物质，会产生严重拖尾，一般选用极性固定液，并加酸性或碱性减尾剂，如H3PO4或KOH，以便得到对称峰。
6．被分离样品为异构体，一般选用强极性或有特殊作用力的固定液，以分离带有极性的异构体，选用高色散力的固定液，分离非极性异构体（烃类）。
7．被分离样品为不同族的混合物，视具体情况而定，或用单一固定液，或用混合物固定液。例如烯烃和烷烃的分离可以采用硝酸银一乙二醇饱和溶液作用固定液，这是一种极为特殊的固定液，银离子与不饱和碳氢化合物的双键形成松弛的化学键，因而所有烯烃类化合物比烷烃类化合物更滞留，从而将其分离 ，也可以选用碳分子筛或石墨化炭黑作固定相，炔烃在烯烃前流出。
此外，从检测器的角度考虑，应选用对检测器不灵敏的固定液以减小检测本底，并应考虑与被分离组分不同类的固定液以免干扰。
应该注意：在首先考虑极性的“相似性原则”外，还须考虑固定液在载体表面的分布情况，载体的吸附作用，以及界面传质阻力等影响柱效因素。

§2.2.3填充柱的制备
1. 固定液的最高使用温度和最低使用温度
固定液虽然是一种高沸点的有机物，但使用温度也有一定限制，不能在太高的温度下使用。这个限制温度即一般所谓的最高使用温度，它应比相应固定液的沸点低大约150～200℃，超过最高使用温度可能使固定液变质，产生流失现象而缩短色谱柱的寿命。常用色谱固定液的最高使用温度参看附录。有的固定液使用温度有一个“下限”，即一般指的最低使用温度。低于此温度，固定液粘度过大而使溶解被测组份的能力降低，或分离效果变差。如二甲基硅橡胶最低使用温度为100－125℃、阿匹松L的最低使用温度为75℃、六环聚苯醚的最低使用温度为75℃等等。
2. 固定液涂渍
一根好的色谱柱不仅与选择合适的固定液有重要的关系，而且与固定液能否在载体表面上分布为一层均匀的液膜，以及与固定相的填充情况有密切的关系。
当选好固定液后，还需要确定固定液与载体的重量比，称为固定液的配比，一般分析常用5:100到25:100，近年来的趋势是偏向于低液载比。固定液的涂渍一般采用动态法，称取一定量的固定液溶解在适当的有机溶剂中，所需溶剂的体积与载体体积相同或略多些。若固定液在常温下为固体或粘度过大，则需要进行回流溶解。
涂渍通常在室温下进行，有时为了使其迅速地完全溶解，可将容器（如烧杯）放在热水浴中（水浴温度低于溶剂沸点20℃）或红外灯上加热溶解后把一定量的经过处理和筛分过的载体倒入，在适当温度下轻轻地拍打烧杯，待其中所有溶剂完全挥发后即涂渍完毕。
3. 色谱柱柱体的选择，试漏和清洗
分析用填充色谱柱一般为内径0.3—0.4厘米、长度1—4米的玻璃柱或不锈钢柱，根据实验条件（如柱压、柱温）和样品性质（如反应性能、腐蚀性等）选择合适的柱材料，柱子的形状可以是U形，也可以是螺旋形（螺旋形直径与柱内径之比一般为15：1到25：1）、使用前柱子都要进行试漏和清洗。试漏方法是将柱全部浸在水里，将出口堵死，然后通气，在高于操作压力下，不应有气泡冒出。
柱的清洗与柱材有关，玻璃柱可先用铬酸洗液浸泡洗涤，再用水洗至中性，以内壁不挂水珠为洗净标准，烘干后备用，不锈钢柱则先用热碱水（5～10%NaOH）抽洗几次清除内壁油污，再用水洗至中性，烘干后再用石英砂冲洗一次，使内壁更光滑。吹净浮砂后备用。
4. 固定相的填充
一般采用泵抽法填充，在柱的一端（以后接检测器那端）填入少量玻璃棉后用布包紧，接上真空泵抽气，另一端用小漏斗加入固定相，在不断轻轻敲击柱身中直至填满。要注意的是，敲打不能过重，以免载体碎裂；对涂渍低沸点固定液的固定相不宜用泵抽法；装填要均匀，不要太松或太紧。
5. 固定相的老化
填充完毕的色谱柱还需进行老化处理，其目的有两个，一是彻底除去填充物中的残余溶剂和某些挥发性杂质，二是促进固定液均匀牢固地分布在载体表面上。老化的方法视固定液的性质而定，对于只能在常温下使用的固定液，待涂渍完毕后即可直接装入色谱柱，把柱接入气流系统，让载气冲走柱填充物内残余溶剂和挥发性杂质，直至记录器上的基线平直，就可进行分析。如果固定液的最高较高，则需在通较低流速载气的情况下，在略高于操作柱温但又不超过固定液的最高使用温度的条件下，加热十几个小时，使残存溶剂和杂质完全挥发掉，并使固定液均匀牢固地附着在载体表面上。

§2.3 毛细管柱气相色谱法
毛细管气相色谱法是1957年由美国学者Golay在填充柱气相色谱法基础上提出的，是使用具有高分辨能力的毛细管色谱柱来分离复杂组分的色谱法。
毛细管色谱柱内径只有0.1～0.53mm,长度可达100m，甚至更长，空心。虽然每米理论板数与填充柱相近，但可以使用50～100m的柱子，而柱压降只相当于4m长的填充柱，总理论板数可达10～30万。
毛细管色谱的出现使色谱分离能力大大提高，对于分析复杂的有机混合物样品，如石油化工、环境污染、天然产品、生样样品、食品等方面开辟了广阔的前景，已成为色谱学科中一个独具特色的分支。
目前商品化的毛细管色谱柱有许多牌号，下面列出常见毛细管柱的情况：