气相色谱基础知识
色谱基础知识
色谱法分离原理示意图
A＋B
色谱基础知识
进样口
A＋B |一 ＋B
色谱柱
B | A B
检测器
B | 一
| B A
| 峰一 A
B |
时间
峰B
色谱基础知识
一些色谱图相关的术语： 1）色谱图：在分析过程中色谱仪记录下来的检测器 信号随时间变化的曲线。（一般纵坐标为信号值，横 坐标为时间） 2）基线：在不分析状态下色谱仪检测器信号随时间 变化的曲线。 3）色谱峰：在分析过程中，当某一组分流过检测器 时，检测器信号随之产生变化，在谱图上即表现为峰 状，称之为色谱峰。
色谱基础知识
一些色谱图相关的术语
180000
TOP
160000 140000 120000 100000
Demo Chromatogram
80000
60000 40000 20000 0 0 -20000
峰高 峰面积（阴影部 分）
1
2
保留时间
一些色谱图相关的术 语：
以右边谱图中第一个峰为例： 峰高： 284909 uV 峰宽： 约15s (从0.6到0.9min) 峰面积：2043631 uV*s 保留时间：0.76 min
色谱基础知识
正向
检测器
色谱柱
5 放空 6 4
1
2
4
反向
样品气
定量管
检测器
3
3
1 2
载气
色谱柱
分离系统：反吹
色谱基础知识
反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC
7
色谱柱
6
放空
8
样品气
1
定 量 管
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色谱基础知识•第一部分色谱基础知识1、色谱起源2、色谱定义色谱法：利用组分在两相间分配系数不同而进行分离的技术流动相：携带样品流过整个系统的流体固定相：静止不动的一相，色谱柱3、色谱分类1、高效液相色谱High Performance Liquid Chromatography (HPLC)2、气相色谱 Gas Chromatography (GC)3、薄层色谱 Thin-Layer Chromatography (TLC)4、毛细管电泳 Capillary Electrophoresis(CE)4、色谱优点1、同时分析2、分离性能好3、灵敏度高 (ppm-ppb)4、进样量小 (1-100uL)HPLC vs GC液相色谱：以液体作为流动相的色谱分离方法1、适用于高沸点、大分子、强极性和热稳定性差的化合物的分析2、流动相具有运载样品分子和选择性分离的双重作用气相色谱：以气体作为流动相的色谱分离方法1、适用于沸点较低、热稳定性好的中小分子化合物的分析2、流动相只起运载样品分子的能力5、HPLC分类1、正相模式 (NP-LC)2、反相模式 (RP-LC)3、反相离子对色谱 (IPC)4、离子交换色谱 (IEC)5、尺寸排阻色谱 (GPC / GFC)反相模式 (RP)填料：C18 (ODS)、C8 (octyl)、C4 (butyl)、苯基、TMS和氰基相互作用力：反相模式下流动相的选择：优化水相（缓冲液）和有机相的比例非常重要（甲醇，乙腈和THF 是常用的有机溶剂）在有缓冲液的情况下, 缓冲液的浓度和pH值非常重要增加流动相极性：固定相极性变化对分离的影响：固定相极性变化对分离的影响：离子对色谱离子对试剂·阴离子化合物：氢氧化四丁基铵、溴化四丁基铵·阳离子化合物：丁烷基磺酸钠(C4)、戊烷基磺酸钠(C5)、己烷基磺酸钠(C6）、庚烷基磺酸钠(C7)、辛烷基磺酸钠(C8)、癸烷基磺酸钠(C10)、十二烷基磺酸钠(SDS)离子对色谱影响因素·离子对试剂的类型·离子对试剂的浓度·流动相的pH正相色谱色谱柱：·硅胶柱:常用·氰基柱: 常用·氨基柱: 分析糖·二醇基柱: 分析蛋白质相互作用力氢键力·如果样品有–-COOH: 羧基–-NH2: 氨基–-OH: 羟基则氢键力强.·如果样品没有任何官能团，象碳水化合物·如果样品有大的基团, 由于空间障碍则氢键力弱.正相模式下流动相的选择：·主要试剂：烷烃(戊烷, 己烷, 庚烷, 辛烷)、芳香烃(苯, 甲苯, 二甲苯)、二氯甲烷–氯仿、四氯化碳·辅助试剂：甲基-t-丁基醚(MTBE)、乙醚、四氢呋喃(THF)、二氧杂环乙烷、嘧啶、乙酸乙酯、乙腈、丙酮、异丙醇、乙醇、甲醇为了调整保留时间，可以选择主要试剂然后再加入辅助试剂。
色谱基础知识
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分离系统：色谱柱
色谱基础知识
分子筛柱： 主要用于分离分离永久气体，如He、H2、O2+Ar、N2、CH4、CO等
400000 300000
CH4 O2
MS 6/4 4m MS 1/8" 3m
200000
N2
H2
100000
CO
0
Minutes
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
-100000
色谱基础知识
色谱基础知识
几个基本概念： Chromatography：色谱法，一种分离和分析的方法 Chromatograph： 色谱仪，以色谱法为原理的分析仪器 Chromatogram： 色谱图，色谱仪生成的分析结果
色谱基础知识
Chromatography 色谱法：
色谱法是一种分离和分析方法，又叫层析法，它利 用不同物质在不同相态间的选择性分配，以流动相对 固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会 以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。
7
S2
10
6
R2
9
IN2
ANALYSIS
D
OUT2
B
OUT1
TCD DETECTOR
S2
S1
R2
R1
E
A – 参比气入口 B – 参比气出口 C – 测量气入口 D – 测量气出口 E – 测量室
C
IN2
A
IN1
热导检测器 Thermal Conductive Detector
色谱基础知识
色谱基础知识
保留时间是色谱法定性的依据。
色谱基础知识
色谱的优点
★ 分离效率高 ★ 分析速度快 ★ 应用范围广 ★ 样品用量少 ★ 灵敏度高 ★ 分离和测定同步完成 ★ 易于自动化，可在工业流程中使用
高分子多孔微球：新型的有机合成固定相（苯乙烯/二乙烯苯共聚）。 适用于水、气体及低级醇的分析。
②气液色谱：溶质在固定相和流动相中进行分配，通过分子间作用力
（色散力、静电力、诱导力、氢键）的差异实现分离。
固定相=载体+固定液
对载体的要求：√具有化学惰性
√具有热稳定性
√具有一定的机械强度 √具有适当的比表面
ECD1A, ECD1A, 前部信号(HP5-ECD\STD-50PPB.D)
归一化 325
相交的两点之间的距离，W=1.698644× W ECD1A,ECD1A,前部信号(HP5-ECD\STD-50PPB.D)
300
1/2
归一化
275
800 700
250
600
225
500
200
W1/2
h
400 300
色谱的发展历程
1931年，Kuhn和Lederer重复了Tswett的实验，用氧化铝和碳 酸钙做固定相分离出了3中胡萝卜素（α、β、γ），此后用这种方法 分离了60多种这类色素。
1940年，Martin和Synge提出液液分配色谱法。 1941年， Martin和Synge提出用气体代替液体做流动相的可能。 此后的11年内，James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气 液色谱方法，因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。 1956年，Van Deemter提出速率理论。1965年Giddings对其进 行了总结和发展。 1957年，Golay开创了毛细管柱气相色谱法。
GCMS基础知识
④ ②
3分析条件的设定 点击辅助栏中的[Data Acquisition],输入自动进样器、GC和MS的分析条件。 选择[File]菜单中的[Save Method File As],输入方法文件名，点击[Save]。
4．数据采集
①点击 [Sample Login],输入数据文件名，调谐文件名等信息，点击确定，进行单次分析。 ②点击[Standby],传输数据 ③进样前，先用容剂洗针数次，再用样品洗针数次。进样时，吸取样品1ul，排除气泡， 竖直快速插入进样口，按下推塞，拔出进样针，要快，准。 ④进样后，点击[Start]，开始数据采集。
GCMS基础知识
GCMS的基本流路图
GC
接口
MS
真空系统
数据处理
色谱的热力学理论--塔板理论
理论塔板数N=5.545(tR/WH/2)=L/HETP
开始
H
WH/2
H/2
tR
理论塔板数（Ｎ）理论塔板高度（Ｈ）
理论塔板数N
表示柱效的参数 N越大，柱效越高
理论塔板高度(HETP)
表示柱效的参数（与柱长无关） H越小，柱效越高
聚甲基硅氧烷（Polysiloxanes, silicones） 聚乙二醇（Polyethylene glycols, PEG） 碳氢化合物 ，酯类，聚酯等 固定相膜厚：0.2--5μm
固定相－聚甲基硅氧烷
R=
RR O Si O Si O
R
CH3
CH2CH2CH2CN
R
methyl
cyanopropyl
气相色谱仪的流动相----载气
高纯氦气（纯度99.999%以上） 高纯氮气（纯度99.999%以上）
气相色谱的进样口结构
气相色谱法-质谱法联用(GC-MS)知识详解
气相色谱法-质谱法联用（GC-MS）知识详解一、GC-MS的结构组成GC-MS总体上由以下五大部分组成：色谱仪（常压）、接口部分、质谱分析器（高真空）和计算机数据处理系统。
示意图如图2所示：图2. GC-MS示意图1、气相色谱部分气相色谱仪的基本流程如图3所示。
主要包括以下5大系统：气路系统、进样系统、分离系统、温度控制系统以及检测和记录系统。
图3.气相色谱仪（GC）基本流程气相色谱仪的组成部分及作用：（1）载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。
为获得纯净、流速稳定的载气。
（2）进样系统：包括进样器和气化室。
进样器分气体进样器和液体进样器，气化室是将液体样品瞬间气化的装置。
（3）分离系统：包括色谱柱和柱温箱和控温装置。
根据各组分在流动相和固定相中分配系数或吸附系数的差异，使各组分在色谱柱中得到分离。
（4）温控系统：控制气化室、柱箱和检测器的温度。
（5）检测和记录系统：包括检测器、放大器、记录仪、或数据处理装置、工作站（色谱图）。
将各组分的浓度或质量转变成电信号并记录。
2、接口部分是协调联用仪器输出和输入状态的硬件设备。
一般分为直接接口（小口径毛细管柱）和开口分流接口（大口径毛细管柱），用于除去GC部分的载气并传输组分。
在GC-MS联用中有两个作用：（1）压力匹配——质谱离子源的真空度在10-3Pa，而GC色谱柱出口压力高达105Pa，接口的作用就是要使两者压力匹配。
（2）组分浓缩——从GC色谱柱流出的气体中有大量载气，接口的作用是排除载气，使被测物浓缩后进入离子源。
3、MS质谱部分质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成（结构示意图如图4），它们被安放在真空总管道内。
在GC-MS联用中经过气相色谱分离的各气态分子受离子源轰击，电解裂解成分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。
在电场和磁场综合作用下，按照m/z大小进行分离，到达检测器检测、记录和整理，得到质谱图，实现样品定性定量分析。
岛津气相色谱仪基础知识
Rtx-225 Rtx-WAX
polyethylene glycol 2nitroterephthalate
Stabiwax-DA
J&W
DB-1 DB-1MS DB-5 DB-5MS
DB-35 DB-35MS DB-17 DB-608 DB-1301 DB-624 DB-1701
应用比例约占10%
液体：聚甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚脂等，用于 液体样品及高沸点化合物分析
应用比例占90%以上
42
毛细管柱管材
熔融石英 – 合成高纯石英
外表面涂覆聚酰亚胺 内表面经化学处理
不锈钢
用于高温分析 最不易断裂 内表面经特殊处理
43
毛细管柱固定相
大多数固定相为聚合物 毛细管柱:
聚甲基硅氧烷（Polysiloxanes, silicones） 聚乙二醇（Polyethylene glycols, PEG）
OCI（冷柱头）进样方式
一般适用于0.53内径的柱子 没有分流流路，不能分析高浓度样品（污染柱子），进样量一般 小于2μL
36
注意事项 - 样品气化不完全
进样口温度过低，将导致高沸点化合物气化不完 全，并且不能有效转移到色谱柱中。
进样口温度：200℃
进样口温度：300℃
37
注意事项 - 样品分解
4
GC vs HPLC
气相色谱：以气体作为流 动相的色谱分离方法
) 适用于沸点较低、热稳定性好的 中小分子化合物的分析
) 流动相只具有运载样品分子的作用
液相色谱：以液体作为流动相 的色谱分离方法
) 适用于高沸点、大分子、热稳定性差 的化合物的分析
GC基础知识
定义
色谱法：利用组分在两相间分配系数不 同而进行分离的技术
流动相：携带样品流过整个系统的流体 固定相：静止不动的一相，色谱柱
色谱流出曲线和术语
由色谱流出曲线可以实现
1.依据色谱峰的保留值进行定性 分析； 2.依据色谱峰的面积或峰高进行 定量分析； 3. 依据色谱峰的保留值以及区域 宽度评价色谱柱的分离效能
第七部分 定量分析方法
色谱定量分析 色谱定量分析
定量分析： 定量分析： 以峰高或峰面积定量
峰高法和峰面积法的选择
在色谱定量分析中，选用峰高法还是选用峰面积法， 主要取决于在检测器的线性范围内，峰高和峰面积测量的 准确性和重复性。 在分离度较好，色谱峰形较好，峰面积可以准确测量 时，以峰面积法定量为好。特别是在气相色谱使用程序升 温和液相色谱用多元梯度洗脱时，最好使用峰面积法定量。 但当分离度不好，峰形不好（如严重拖尾）时，峰面积测 量引起的误差较大，此时，峰高法定量较好。保留时间短 的色谱峰峰形较尖（峰尾宽较小），峰高测定较峰面积测 定准确，宜用峰高法定量，而保留时间长的色谱峰峰形较 宽(峰尾宽较大)，此时峰面积测定较峰高测定准确，宜用 峰面积法定量。
FID检测原理
FID结构示意图 FID结构示意图
电子捕获检测器(ECD)检测原理 电子捕获检测器(ECD)检测原理
ECD检测器结构 ECD检测器结构
火焰热离子化检测器(FTD)检测原 火焰热离子化检测器(FTD)检测原 理和结构
火焰光度检测器(FPD)检测原理 火焰光度检测器(FPD)检测原理
GC基础知识 GC基础知识
2008-09-01
安徽国星质检科编制
版权所有, 版权所有,违者必究
第一部分 色谱原理和基本构成
色谱的由来及发展
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气相色谱基本知识
1、什么是气相色谱法
以气体为流动相（称载气）的色谱分析法称气相色谱法（GC ）。
2.、气相色谱是基于时间的差别进行分离
在加温的状态下使样品瞬间气化，由载气带入色谱柱，由于各组分在固定相与流动相（载气）间相对吸附能力/保留性能不同而在两相间进行分配，在色谱柱中以不同速度移动，经一段时间后得到分离，再依次被载气带入检测器，将各组分的浓度或质量转换成电信号变化并记录成色谱图，每一个峰代表最初混合物中不同的组分。
峰出现的时间称为保留时间（t R ），可以用来对每个组分进行定性，根据峰的大小（峰面积）对每个组分进行定量。
涉及的几个术语：
固定相（stationary phase ）： 在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的一相； 流动相（mobile phase ）：与固定相处于平衡状态、带动样品向前移动的另一相； 色谱图：若干物质的流出曲线，即在不同时间的浓度或响应大小；
保留时间 （retention time ，t R ）：样品注入到色谱峰最大值出现的时间；
3、气相色谱法特点
3.⒈选择性高：能分离同位素、同分异构体等物理、化学性质十分相近的物质。
3.⒉分离效能高：一次可进行含有150多个组分的烃类混合物的分离分析。
3.⒊灵敏度高：气相色谱可检测1110-～1310-ｇ的物质。
3.⒋分析速度快：一般几分钟或几十分钟便可完成一个分析周期。
3.⒌应用范围广：450℃以下有不低于27～330Pa 的蒸气压，热稳定性好的物质。
3.⒍缺点：不适应于大部分沸点高的和热不稳定的化合物；需要有已知标准物作对照。
4、气相色谱系统
主要包括五大系统：载气系统、进样系统、分离系统、检测系统和记录系统。
基本流程如下
脱水管限流器
4.1、载气系统：
可控而纯净的载气源。
载气从起源钢瓶/气体发生器出来后依次经过减压阀、净化器、气化室、色谱柱、检测器，然后放空。
载气必须是纯洁的（99.999%），要求化学惰性，不与有关物质反应。
载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。
常用的载气有氢气、氮气、氦气等惰性气体。
一般用热导检测器时，使用氢气、氦气，其它检测器使用氮气，
净化器：多为分子筛和活性碳管的串联，可除去水、氧气以及其它杂质。
4.2、进样系统：
包括气化室和进样装置，保证样品瞬间完全气化而引入载气流。
常以微量注射器(穿过隔膜垫)将液体样品注入气化室。
进样条件的选择:影响色谱的分离效率以及分析结果的精密度和准确度
气化室温度：一般稍高于样品沸点，保证样品瞬间完全气化；
进样量：不可过大，否则造成拖尾峰，进样量不超过数微升；柱径越细，进样量应越少；采用毛细管柱时，应分流进样以免过载；
进样速度（时间）：1秒内完成，时间过长可引起色谱峰变宽或变形。
4.3分离系统：
分离系统是色谱分析的心脏部分，是在色谱柱内完成试样的分离，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。
4.3.1色谱柱的选择：
4.3.1.1色谱柱的种类
分为填充柱和毛细管/空心柱两类。
填充柱材质多为不锈钢或玻璃，毛细管柱的材质多为石英。
4.3.1.2固定相的选择
固体固定相：是表面有一定活性的固体吸附剂，如活性炭、硅胶、氧化铝分子筛等，不同的分析对象选用不同的吸附剂。
液体固定相：由固定液和载体组成。
固定液均匀的涂布在载体表面。
载体：要求比表面积大，化学稳定性和热稳定性好，颗粒均匀，有一定的机械强度。
固定液的选择：高沸点有机液体，在操作范围内蒸汽压低，热稳定性好，对样品各组分有适当的溶解能力，选择性高，挥发性小，不与样品发生化学反应等。
一般根据“相似性原则”选择固定液，即组分的结构、性质或极性与固定液相似时，在固定液中的溶解度就大，保留时间长，有利于相互分离；反之，则溶解度小，保留时间短。
常用固定液有甲基聚硅氧烷（如SE-30、OV-17等）、聚乙二醇（如PEG-20M等）。
4.3.2柱温的选择:
柱温可以采用恒温或程序升温
4.3.2.1在能保证R（）的前提下，尽量使用低柱温，但应保证适宜的tR（）及峰不拖尾，减小检测本底。
4.3.2.2根据样品沸点情况选择合适柱温，柱温应低于组分沸点50~100C，宽沸程样品应采用程序升温
程序升温好处：改善分离效果；缩短分析周期；改善峰形；提高检测灵敏度。
4.4、检测器
检测器是将流出色谱柱的载气流中被测组分的浓度（或量）变化转化为电信号变化的装置，是气相色谱仪的核心部件之一。
检测器的输出信号经转化放大后成为色谱图。
气相色谱所用检测器有热导池检测器（TCD）、氢火焰离子化检测器（FID）、电子捕获检测器（ECD）、氮磷检测器（NPD）等，
4.4.1 热导检测器(TCD)
TCD是一种应用较早的通用型检测器，对任何气体均可产生响应，因而通用性好，而且线性范围宽、价格便宜、应用范围广，但灵敏度较低。
现仍在广泛应用。
它由金属池体和装入池体内两个完全结称孔道内的热敏元件所组成，是基于被分离组分与载气的导热系数不同进行检测。
所有气体都能够导热，但是氢气和氦气的热导系数最大，故是优选的载气。
4.4.2氢火焰电离检测器(FID)
FID是使用最广泛的检测器，它是利用有机物在H2-Air燃烧的高温火焰中电离成正负离子，并在外加电场的作用下作定向移动形成电子流，其电流的强度与单位时间内进入检测器离子室的待测组分含碳原子的数目有关，所以它适用于含碳有机物的测定。
FID为典型的质量型检测器，具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速、比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达 10-12g·g-1等特点。
对有机化合物具有很高的灵敏度，但对无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应。
FID检测器操作条件：
a.气体流速
FID检测器须使用三种不同气体：载气、氢气（燃气）和空气（助燃气），通常三种气体的流速比约为1∶1∶10。
b. FID检测器温度
温度对FID检测器的灵敏度和噪声的影响不显著，为了防止有机物冷凝，一般控制在比柱温箱高30℃～50℃。
此时氢在检测器中燃烧生成水，以水蒸汽逸出检测器，若温度低，水冷凝在离子化室会造成漏电并使色谱基线不稳，故检测温度应高于150℃，一般控制250℃～350℃。
4.5信号记录处理系统
包括信号记录和数据显示等。
检测器得到的电信号经过转化放大后由数据处理机/积分仪/记录仪/色谱工作站接收处理后成为色谱图，可对样品进行定性定量分析。
5、组分定性与定量分析
5.1组分定性分析
色谱法主要利用保留值定性，但在很多情况下，仍需借助其它手段。
包括以下方法：
利用保留时间定性；
利用加入纯物质增加峰高法定性；
利用相对保留值定性；
利用碳数/沸点规律定性；
利用保留指数定性；
利用双柱或多柱定性；
利用检测器定性；
与其它方法结合定性；
5.2组分定量分析。
色谱定量分析的依据是被测组分的质量与其色谱峰面积/峰高成正比
即 i i i A f m =＝f i h i
5.2.1归一化法
前提：试样中所有组分都产生信号并能检出色谱峰
依据：组分含量与峰面积成正比
%100f A f A f A f A w m m 2211i i i ⨯+++= 优点： 简便，准确
定量结果与进样量、重复性无关（前提→柱子不超载）
色谱条件略有变化对结果几乎无影响
缺点：
所有组分必须在一定时间内都出峰
必须已知所有组分的校正因子
5.2.2内标法：
定量加入样品中不存在的对照物-内标物，以待测组分和内标物的响应信号对比定量 对内标物要求：
a ．内标物须为原样品中不含组分
b ．内标物与待测物保留时间应接近且R>1.5
c ．内标物为高纯度标准物质，或含量已知物质
内标法优点：
进样量不超量时，重复性及操作条件对结果无影响
只需待测组分和内标物出峰，与其他组分是否出峰无关
内标法缺点： 找合适内标物困难
5.2.3外标法（标准曲线法）
以待测组分纯品为对照物，与试样中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法 外标法特点：
1）不需要校正因子，不需要所有组分出峰
2）结果受进样量、进样重复性和操作条件影响大→每次进样量应一致，否则产生误差。
%100%100%⨯⋅⋅=⨯=⇒m
m f A A m m C s is s i i i。