气相色谱法的基本知识及应用.docx
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气相色谱法的基本知识及应用
高效液相色谱法（HPLC）
概述：
色谱法是一种应用范围相当广泛的分离分析技术，它已有近百年的发展史。
二十世纪五、六十年代石油及石油化工的突起促使了GC技术大发展，而七、八十年代生命科学、生化、制药工业的发展推动了HPLC的迅速发展。
目前除分析化学外，生物化学，石油化学，有机化学，无机化学等学科都普遍采用色谱技术。
现代高效液相色谱仪，以其高效，快速和自动化等特点成为当代分析仪器中发展最快的仪器。
HPLC已成为操作方便、准确、快速并能解决困难分离问题的强有力的分析手段。
适用范围广：
已知有机物中仅20%不经预先化学处理，可用GC分析；而其余80%有机物可用HPLC分析。
HPLC适于分离生物、医学大分子和离子化合物，不稳定的天然产物，种类繁多的其它高分子及不稳定化合物。
第一课色谱法概述
色谱法是一种重要的分离分析方法，它是利用不同物质在两相中具有不同的分
配系数（或吸附系数、渗透性），当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离。
在色谱技术中，流动相为气体的叫气相色谱，流动相为液体的叫液相色谱。
固定相可以装在柱内，也可以做成薄层。
前者叫柱色谱，后者叫薄层色谱。
根据色谱法原理制成的仪器叫色谱仪，目前，主要有气相色谱仪和液相色谱仪。
色谱法的创始人是俄国的植物学家茨维特。
1905年，他将从植物色素提取的石油
醚提取液倒人一根装有碳酸钙的玻璃管顶端，然后用石油醚淋洗，结果使不同色素得到分离，在管内显示出不同的色带，色谱一词也由此得名。
这就是最初的色谱法。
后来，用色谱法分析的物质已极少为有色物质，但色谱一词仍沿用至今，在50年代，色谱法有了很大的发展。
1952年，詹姆斯和马丁以气体作为流动相分析了脂肪酸同系物并提出了塔板理论。
1956年范第姆特总结了前人的经验，提出了反映载气流速和柱效关系的范笨姆特方程，建立了初步的色谱理论。
同年，高莱（Golay）发明了毛细管拄，以后又相继发明了各种检测器，使色谱技术更加完善。
50年代末期，出现了气相色谱和质谱联用的仪器，克服了气相色谱不适于定性的缺点。
则年代，由于检测技术的提高和高压泵的出现，高效液相色谱迅远发展，使得色谱法的应用范围大大扩展。
目前，由于高效能的色谱往、高灵敏的检测器及微处理机的使用，使得色谱法已成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析仪器。
在这里主要介绍气相色谱分析法。
同时也适当介绍液相色谱法。
气相色谱法的
基本理论和定性定量方法也适用于液相色谱法。
其不同之处在液相色谱法中介绍。
第二课气相色谱仪
典型的气相色谱仪具有稳定流量的载气，将汽化的样品由汽化室
带入色谱柱，在色谱柱中不同组分得到分离，并先后从色谱柱中流出，
经过检测器和记录器，这些被分开的组分成为一个一个的色谱峰。
色
谱仪通常由下列五个部分组成：
1.载气系统（包括气源和流量的调节与测量元件等）
2.进样系统（包括进样装置和汽化室两部分）
3.分离系统（主要是色谱柱）
4.检测、记录系统（包括检测器和记录器）
5.辅助系统（包括温控系统、数据处理系统等）
第三课气相色谱仪－载气系统
载气通常为氮、氢和氢气，由高压气瓶供给。
由高压气瓶出来
的载气需经过装有活性炭或分子筛的净化器，以除去载气中的
水、氧等有害杂质。
由于载气流速的变化会引起保留值和检测
灵敏度的变化，因此，一般采用稳压阀、稳流阀或自动流量控
制装置，以确保流量恒定。
载气气路有单柱单气路和双柱双气
路两种。
前者比较简单，后者可以补偿因固定液流失、温度被
动所造成的影响，因而基线比较稳定。
第四课气相色谱仪－进样系统
进样系统包括进样装置和汽化室。
气体样品可以用注射
进样，也可以用定量阀进样。
液体样品用微量注射器进样。
固体样品则要溶解后用微量注射器进样。
样品进入汽化室
后在一瞬间就被汽化，然后随载气进入色谱柱。
根据分析样
品的不同，汽化室温度可以在50一400℃范围内任意设定。
通常，汽化室的温度要比使用的最高柱温高10一50℃以保
证样品全部汽化。
进洋量和进样速度会影响色谱柱效率。
进样量过大造成色谱柱超负荷，进样速度慢会使色谱峰加
宽，影响分离效果。
第五课气相色谱仪－分离系统
色谱柱是色谱仪的分离系统。
试样中各组分的分离在色谱
柱中进行，因此，色谱柱是色谱仪的核心部分。
色谱往
主要有两类：
填充柱和毛细管柱，现分别叙述如下:
1．填充柱
填充柱由柱管和固定相组成，柱管材料为不锈钢或玻璃，
内径为2—4毫米，长为1—3米。
往内装有固定相，固定相
又包括固体固定相和液体固定相两种。
2．毛细管往
毛细管柱又叫空心柱，空心柱分涂壁空心柱，多孔层空
心柱和涂载体空心柱。
涂壁空心柱是将固定液均匀地涂
在内径0．1—0．5毫米的毛钢管内壁而成。
毛细管的材
料可以是不锈钢、玻璃或石英。
这种色谱柱具有渗透性
好、传质阻力小等特点，因此柱子可以做得很长（一般
几十米，最长可到三百米）。
和填充柱相比，其分离效率
高，分析速度快,样品用量小。
其缺点是样品负荷量小，
因此经常需要采用分流技术。
柱的制备方法也比较复杂；
多孔层空心柱是在毛细管内壁适当沉积上一层多孔性物
质，然后涂上固定液。
这种柱容量比较大，渗透性好，
故有稳定、高效、决速等优点。
第六课气相色谱仪－检测系统
1．热导检测器热导检测器
（Thermalcoductivitydetector，简称TCD），是应
用比较多的检测器，不论对有机物还是无机气体都有响
应。
热导检测器由热导池池体和热敏元件组成。
热敏元
件是两根电阻值完全相同的金属丝（钨丝或白金丝），作
为两个臂接入惠斯顿电桥中，由恒定的电流加热。
如果
热导池只有载气通过，载气从两个热敏元件带走的热量
相同，两个热敏元件的温度变化是相同的，其电阻值变
化也相同，电桥处于平衡状态。
如果样品混在载气中通
过测量池，由于样号气和载气协热导系数不同，两边带
走的热量不相等，热敏元件的温度和阻值也就不同，从
而使得电桥失去平衡，记录器上就有信号产生。
这种检
测器是一种通用型检测器。
被测物质与载气的热导系数
相差愈大，灵敏度也就愈高。
此外，载气流量和热丝温
度对灵敏度也有较大的影响。
热丝工作电流增加—倍可
使灵敏度提高3—7倍，但是热丝电流过高会造成基线不
稳和缩短热丝的寿命。
热导检测器结构简单、稳定性好，对有机物和无
机气体都能进行分析，其缺点是灵敏度低。
2．氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器（FlameIonizationDetector，FID）
简称氢焰检测器。
它的主要部件是一个用不锈钢制成的
离子室。
离子室由收集极、极化极（发射极）、气体入口
及火焰喷嘴组成。
在离子室下部，氢气与载气混合后通
过喷嘴，再与空气混合点火燃烧，形成氢火焰。
无样品
时两极间离子很少，当有机物进入火焰时，发生离子化
反应，生成许多离子。
在火焰上方收集极和极化极所形
成的静电场作用下，离子流向收集极形成离子流。
离子
流经放大、记录即得色谱峰。
有机物在氢火焰中离子化反应的过程如下：
当氢和空气
燃烧时，进入火焰的有机物发生高温裂解和氧化反应生
成自由基，自由基又与氧作用产生离子。
在外加电压作用下，这些离子形成离子流，经放大后被
记录下来。
所产生的离子数与单位时间内进入火焰的碳
原子质量有关，因此，氢焰检测器是一种质量型检测器。
这种检测器对绝大多数有机物都有响应，其灵敏度比热
导检测器要高几个数量级，易进行痕量有机物分析。
其
缺点是不能检测惰性气体、空气、水、C0，CO2、NO、
S02及H2S等。
3．电子捕获检测器电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器，它只对合
有电负性元素的组分产生响应，因此，这种检测器适于
分析合有卤素、硫、磷、氮、氧等元素的物质。
在电子
捕获检测器内一端有一个多放射源作为负极，另一端有
一正极。
两极间加适当电压。
当载气（N2）进入检测器时，
受多射线的辐照发生电离，生成的正离子和电子分别向
负极和正极移动，形成恒定的基流。
合有电负性元素的
样品AB进入检测器后，就会捕获电子而生成稳定的负离
子，生成的负离子又与载气正离子复合。
结果导致基流
下降。
因此，样品经过检测器，会产生一系列的倒峰。
电子捕获检测器是常用的检测器之一，其灵敏度高，选
择性好。
主要缺点是线性范围较窄。
第七课液相色谱仪
气相色谱法是一种很好的分离、分析方法，它具有分析
速度快、分离效能好和灵敏度高等优点。
但是气相色
谱仅能分析在操作温度下能汽化而不分解的物质。
据估
计，在已知化合物中能直接进行气相色谱分析的化合物
约占15％，加上制成衍生物的化合物，也不过20％左右。
对于高沸点化合物；难挥发及热不稳定的化合物、离子
型化合物及高聚物等，很难用气相色谱法分析。
为解决
这个问题，70年代初发展了高效液相色谱。
高效液相色
谱的原理与经典液相色谱相同，但是它采用了高效色谱
拄、高压泵和高灵敏度检测器。
因此，高效液相色谱的
分离效率、分析速度和灵敏度大大提高。
就其分离机
理的不同，高效液相色谱可以分为液－固吸附色谱、
液－液分配色谱、离子交换色谱和凝胶渗透色谱四类。
液—固色谱的色谱柱内填充固体吸附剂，由于不同组分
具有不同的吸附能力，因此，流动相带着被测组分经
过色谱柱时，各组分被分开。
液—液色谱的流动相和
固定相都是液体。
作为固定相的液体涂在惰性担体上，
流动相与固定液不互溶。
当带有被测组分的流动相进
入色谱柱时，组分在两相间很快达分配平衡，由于各
组分在两相间分配系数不同而彼此分离。
以非极性溶
液作流动相，极性物质作固定相的液—液色谱叫正相
色谱；极性溶液作流动相，非极性物质作固定相的液
—液色谱叫反相色谱。
离子交换色谱的色谱柱内填充
离子交换树脂，依*样品离子交换能力的差别实现分
离。
而凝胶色谱是按试样中分子大小的不同来进行分
离的。
在上述四类色谱中，应用最广泛的是液—液色
谱，因此，在本节的讨论中以液—液色谱为主。
高
效液相色谱的基本理论和定性定量分析方法与气相色
谱基本相同。
高效液相色谱仪由输液系统、进样系统、
分离系统、检测系统和数据处理系统组成。
第八课液相色谱仪－输液系统
输液系统高效液相色谱的输液系统包括流动相贮存器、高压泵和
梯度淋洗装置。
流动相贮存器为不锈钢或玻璃制成的容
器，可以贮存不同的流动相。
高压泵是高效液相色谱仪
最重要的部件之一。
由于高效液相色谱仪所用色谱柱直
径细，固定相粒度小，流动相阻力大，因此，必须借助
于高压泵使流动相以较快的速度流过色谱这。
高压泵需
要满足以下条件：
能提供150－450kg/cm2的压强；流速
稳定，流量可以调节；耐腐蚀。
目前所用的高压泵有机械泵和气动放大泵两种。
梯度淋洗装置可以将两种或两种以上的不同极性溶剂，
按一定程序连续改变组成，以达到提高分离效果，缩短
分离时间的目的。
它的作用与气相色谱中的程序升温装
置类似。
梯度淋洗装置分为两类：
一类叫外梯度装置；一类内梯
度装置。
外梯度装置是流动相在常压下混合，*一台高
压泵压至色谱柱；内梯度装置是先将溶剂分别增压后，
再由泵按程序压入混合室，再注入色谱柱。
第九课液相色谱仪－进样系统，分离系统
进样系统一般高效液相色谱多采用六通阀进样。
先由注射器将样
品常压下注入样品环。
然后切换阀门到进样位置，由
高压泵输送的流动相将样品送人色谱柱。
样品环的容积
是固定的，因此进样重复性好。
分离系统
分离系统包括色谱柱、连接管、恒温器等。
色谱柱是高
效液相色谱仪的心脏。
它是由内部抛光的不锈钢管制成
，一般长10—50cm，内径2—5mm，柱内装有固定相。
液
相色谱的固定相是将固定该涂在担体上而成。
担体有两
类：
一类是表面多孔型担体；另一类是全多孔型担体。
近年来又出现了全多孔型微粒担体。
这种担体检度为5
—10um，是由nm级的硅胶微粒堆积而成，又叫堆积硅
珠。
由于颗粒小，所以柱效高，是目前最广泛使用的一
种担体。
在高效液相色谱分析中，适当提高柱温可改善
传质，提高桂效，缩短分析时间。
因此，在分析时可以
采用带有恒温加热系统的金属夹套来保持色谱拄的温度。
温度可以在室温到60℃间调节。
第十课液相色谱仪－检测系统
检测系统高效液相色谱的检测器很多，最常用的有紫外检测器、示
差折光检测器和荧光检测器等。
（1）紫外检测器紫外检测器是液相色谱中应用最广泛的检测器，适用有紫
外吸收物质的检测。
在进行高效液相色谱分析的样品中，
约有80％的样品可以使用这种检测器。
紫外检测器的工作
原理如下：
由光源产生波长连续可调的紫外光或可见光，
经过透镜和遮光板变成两束平行光，无样品通过时，参比
池和样品池通过的光强度相等，光电管输出相同，无信号
产生；有样品通过时，由于样品对光的吸收，参比池和样
品池通过的光强度不相等，有信号产生。
根据朗伯—比尔
定律，样品浓度越大，产生的信号越大，这种检测器灵敏
度高，检测下限约为10（-10）g／ml，而且线性范围广，
对温度和流速不敏感，适于进行梯度洗脱。
（2）示差折光检测器示差折光检测器是根据不同物质具有不同折射率来进行组
分检测的。
凡是具有与流动相折射率不同的组分，均可
以使用这种检测器。
如果流动相选择适当，可以检测所
有的样品组分。
示差折光检测器分为反射式和沂射式两种。
反射式示差折光检测器是根据下述原理制成的：
光在两种
不同物质界面的反射百分率与入射角和两种物质的折射率
成正比。
如果入射角固定，光线反射百分率仅与这两种物
质的沂射率成正比。
光通过仅有流动相的参比池时，由于
流动相组成不变，故其折射率是固定的；光通过工作池时
，由于存在待测组分而使折射串改变，从而引起光强度的
变化，测量光强度的变化，即可测出该组分浓度的变化。
偏转式示差折光检测器是根据下述原理：
当一束光透过折
射率不同的两种物质时，此光束会发生一定程度的偏转，
其偏转程度正比于两物质折射率之差。
示差折光检测器
的优点是通用性强，操作简便；缺点是灵敏度低，最小检
出限约为10（-7）g/ml，不能做痕量分析。
此外，由于
洗脱液组成的变化会使折射率变化很大，因此，这种检测
器也不适用于梯度洗脱。
（3）荧光检测器物质的分子或原子经光照射后，有些电子被激发至较高的能
级，这些电子从高能级跃至低能级时，物质会发出比入射光
波长较长的光，这种光称为荧光。
在其他条件一定的情况
下，荧光强度与物质的浓度成正比。
许多有机化合物具有天
然荧光活性，另外，有些化合物可以利用柱后反应法或柱前
反应法加入荧光化试剂，使其转化为具有荧光活性的衍生物
。
在紫外光激发下，荧光活性物质产生荧光，由光电倍增管
转变为电信号。
荧光检测器是一种选择性检测器，它适合于
稠环芳烃、氨基酸、胺类、维生素、蛋白质等荧光物质的测
定。
这种检测器灵敏度非常高，其检出限可达10（-12）_10
（-13）g/ml，比紫外检测器高2—3个数量级，适合于痕量分析
。
而且可以用于梯度洗脱。
其缺点是适用范围有一定的局限性。
第十一课离子色谱法
离子色谱法是利用离子交换原理和液相色谱技术测定溶液中
阴离子和阳离子的一种分析方法。
离子色谱是液相色谱的一
种。
离子色谱是利用不同离子对固定相亲合力的差别来实现
分离的。
离子色谱的固定相是离子交换树脂，离子交换树脂
是苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物。
树脂核外是一层可离解的
无机基团，由于可离解基团的不同，离子交换树脂又分为阳
离子交换树脂和阴离子交换树脂。
当流动相将样品带到分离
柱时，由于样品离子对离子交换树脂的相对亲合能力不同而
得到分离，由分离柱流出的各种不同离子，经检测器检测，
即可得到一个个色谱峰。
然后用通常的色谱定性定量方法进
行定性定量分析.
离子色谱法是进行离子测定的快速、灵敏、选择性好的
方法，它可以同时检测多种离子.
特别是对阴离子的测定更是其他方法所不能相比的。
如果说高频感应等离子光谱是同时测定多种元素的快速、
准确的分析方法，那么，同时测定多种阴离子的快速、灵敏
的方法便是离子色谱法了。
离子色谱自1975年问世以来，已经得到了飞快的发展，
并且引起了分析工作者的广泛注意
。
目前，离子色谱法已经在能源、环境、冶金、电镀、半导
体、水文地质等方面广泛应用，并且开始进入了与生命科学
有关的分析领域。
我国从80年代初期引进离子色谱仪，开始
了离子色谱的应用研究工作，同时也开始了仪器的研制，目
前已能生产离子色谱仪。
随着离子色谱技术的发展，离于色
谱仪在我国的应用将日益普及。
一。
离子色谱的工作原理
（1）离子交换平衡离子色谱中使用的固定相是离子交换树脂。
离子交换
树脂上分布有固定的带电荷的基团和
能游动的配位离子。
当样品加入离子交换色谱往后，如果用
适当的溶液洗脱，样品离子即与树脂上能游动的离子进行交
换，并且连续进行可逆交换吸附和解吸，最后达到吸附平衡。
（2）化学抑制型离子色谱工作原理待测样品由流动相带入分离柱，由分离柱将不同离子
分开，由检测器得色谱峰。
但是，用
于离子色谱的洗脱液，一般都是强电解质溶液，其电导值
一般较待测离子高2—3个数量级，如果用电导检测器检测
待测离子，待测离子信号将完全被洗脱液所淹没。
第十二课气质联用
气相色谱－质谱联用色谱法是有机物的有效分离分析方法，特别适用于进行有
机物的定量分析，但定性分析比较困难。
质谱法擅长定
性分析，但对复杂的有机混合物分析则无能为力。
如果
把二者结合起来，则能发挥两种仪器各自的优点。
因此，
目前所有的质谱仪都与气相色谱相连。
组成气相色谱－
质谱联用（GC—MS）系统。
该技术是在50年代后期开始研究的。
到60年代后期
已经成熟并出现了商品仪器。
色谱仪是在常压下工作，
而质谱仪是在高真空下工作，因此，必须有一个连接装
置，将色谱流出的载气去掉，使压强降低，样品气进入
离子源。
这个连接装置叫分子分离器。
目前一般使用喷
射式分子分离器，样品气和载气（He）一起由色谱柱流出
进入分子分离器。
由于载气分子量小，扩散快；经过喷
咀后，很快扩散开并被抽走。
样品气分子量大，扩散慢
，依*惯性进入质谱仪。
这样，经过分子分离器后，压
强由常压降到10（-2）Pa，载气被抽除，实现了载气和样
品气的分离。
如果色谱仪使用毛细管柱，由于毛细管柱
流量很小，可以不必经过分子分离器而直接进入离子源
。
这样，混合物样品由色谱仪一个一个分开，由质谱仪
一个一个鉴定，并且根据需要由数据系统进行数据处理
，快速地得到各种信息。
因此，GC—MS系统已成为有机
物分析的重要工具。
第十三课液质联用
液相色谱—质谱联用对于热稳定性差或不易汽化的样品，使用GC—MS有一定的困难。
因此，近年来又发展了液相色谱—质谱（LC—MS）联用技术。
LC和MS连接的主要问题是如何去除溶剂。
目前应用较多的接口装置有传送带式和热喷雾式两种。
传送带接口是依*不锈钢或高聚物的传送带将样品送入离子源。
在传送过程中，溶剂被加热汽化并用泵抽走，样品在离子源汽化并电离,这种接口适用于非极性溶剂。
对于极性溶剂，由于汽化慢，需要分流，因而样品利用率低，影响了整个系统的灵敏度。
热喷雾接口是80年代发展起来的新的接口装置。
这种装置包括汽化器、电窝室和抽气系统三部分。
汽化器是一根金属毛细管，内径约0．15mm,毛细管采用直接电加热法加热。
电离室有发射电子的灯丝和放电电离装置。
抽气系统主要是一个机械泵，有的加冷阱，目的为了捕集溶剂。
热喷雾接口的电离方式有三种：
直接热喷雾电离、放电电离和电子束电离。
热喷雾电离是在流动相中加入电解质（如醋酸铵），当流动相通过加热的汽化器后，以接近汽化（或部分汽化）的状态从毛细管喷出，形成合有细微雾滴的气流，因为溶液中合有电解质，溶液中就含有一定量的离子，微小雾滴因而带电。
随着雾滴的不断蒸发变小，形成局部强电场，发生场解吸电离。
场解吸电离生成的溶剂离子和样品离子还可以通过离
子分子反应生成新的离子。
此外，还可以利用放电电
离和电子束使热喷雾气流产生化学电离。
先使溶剂分
子电离，然后与样品分子反应生成样品离子。
电离生
成的离子进入分析器，溶剂气体由抽气系统抽出。
热
喷雾方式的特点：
（1）直接热喷雾电离产生的样品离子一般为质子化的离子或所加阳离子与样品分子的合成离子，如（M十H）+，（M十NH4）+等。
这种电离方式比化学电离温和，谱图往往有较强的准分子离子。
因而更适用于难汽化和热不稳定样品的分子；
（2）能满足一船液相色谱流量要求，100%的水也能分析；
（3）有良好的色谱分辨率，灵敏度等于或优于传送带方式；
（4）需加入电解质，操作麻烦，结构信息少，适合于四
极质谱而不适合于磁质谱。
以上两种联接装置，虽然使液相色谱和质谱的联
用成为可能，但都有不足之处。
目前正在发展中的超
临界流体色谱（SFC）和质谱（MS）联用，可能是对难挥发、
易分解物质进行联用分析最有前途的方法。
第十四课质－质联用
质谱—质谱联用 80年代初，在传统的质谱仪基础上，发展了质谱—
质语（MS—MS）联用技术。
它和GC—MS不同，GC—MS是依
*GC将混合物分离，然后由MS定性。
而MS—MS则是依*
第一级MS分离出特定的离子，经过碰撞活化后，再依*
第二级MS进行定性分析。
质谱—质谱联用方式很多，既
有磁式质谱—质谱联用，如BEB型、EBE型、BEBE型（B：
磁分析器，E：
静电分析器），又有四极质谱—质谱联用
，如QQQ型（Q：
四极场），也有混合质谱项谱联用，如EB
QQ型。
无论哪种类型的联用，都采用了碰撞诱导分解
（CID）技术。
质谱—质谱联用技术对于有机物结构研究
是非常有用的。
利用它可以进行于离子扫描、母离子
扫描以及中性丢失扫描。
子离子扫描可以用来研究某个
化合物的结构；母离子扫描则用以研究一组相关的化合
物；而中性丢失扫描。
可以在复杂的混合物中，寻找县
有相同官能团的系列化合物。
同时，采用MS—MS技术还
可以直接进行混合有机物的分析。
由第一级MS选择复杂
混合物中的特定离子，碰撞活化后由第二级MS定性测定
。
另外，对于分子量大的热不稳定的化合物，可以利用
场解吸—质谱—质谱（FD—MS—MS）或快原于轰击—质谱
—质谱（FAB—MS—MS）联用方法，充分发挥MS—MS联用的
优势。
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