第四章气相色谱法 论 流动相是气体，固定相是固体或液体的色谱法称为气相色谱法。 19世纪末叶，随着钢铁工业的发展，炼焦副产品一一煤焦油大量增加，引起有机化学 工业的发展，不断出现分析有机物的新方法。色谱法正是在这种历史背景下发展起来的。20 世纪50年代石油化学工业的出现以及医药，生物化学的发展，使气相色谱法高速度地发展 起来，而且借助于近年来电子 工业的高度发展，也使气相色谱仪日益完善。目前气相色谱法 己成为分析化学中极为重要的一种手段。 在现代农业科研和农药工作中的应用也越来越普通，对农药研究、农药生产、加强农药 管理、制定农药安全使用标准、开展对外贸易搞好环境生态等均有重要现实意义。 当然，气相色谱法在应用中亦有局限性。但近年来的高效液相色进法正好弥补气相色谱 法的不足。这两种方法成为分离和测定有机化合物相辅相成互相补充的重要方法 (一)特 气相色谱法问世以后，很快即用于农药分析，目前占很重要的地位。该法迅速发展的原 因与以下特点有关。 1.应用范围广农药沸点大都在气谱工作范围内，分子量大多小于400，且在找气流 存在的情况下，可使高沸点化合物的气化温度比其沸点为低，再加气谱测定需用样品甚少， 故检测范围广泛 2。分离效能高农药分析的检测对象中，有的含杂质，有的为混合制剂，有的为异构 体，用其它方法分离相当困难，但用气相色谱则比较容易。例如分离化学结构极为接近的六 六六异构体早已用于日常分析。 3.分析速度快气相色谱的分析速度较快.适于农药生产中的流程控制分析和大量样 本分析。进行 一次色谱分析短者只需几十秒，长者几十分 一般几分钟即可 4.灵敏度高农药污染环境的检样，要求分离和测定出极少量的物质。有时检测极限 为PPb一PPt数量级(109一10I2)气谱法可满足分析要求。 6.准确度、精密度高农药分析要求有一定准准确度和精密度，尤其制剂分析对此要 求更高。用气谱内标法测定，准确度和拮密度，均较经典方法和光学分析法等为好。 6.分离和测定 一次完成用紫外、红外、质谱、核磁共振法测定农药样本时，均需先 分离出纯品，而气相色谱法的分离和测定一次即可完成 (二)仪器和流程 根据使用目的的不同可分为分析用气相色谱仪、制备用气相色谱仪和工艺过程控制监测 用气相色谱仪（又称流程色谱仪）三大类。本书主要介绍第一类。 目前国内外气相色谱仪的型号虽有多种多样，但基本组成相同，即每台色谱仪都包含有 气路系统包括气源、稳压、稳流、流量测量) ,进样系统、柱恒温箱、检测系统、控温系统 电源的稳压和信号放大系统、数据的记录和处理系统。 气相色谱仪流程是指载气与试样流动的趋向，简称气路。 每种仪器都有自己的流程。例如：北京分析仪器厂生产的SP一2305气相色谱仪是双气 路流程，上海分析仪器厂生产的上分一10型气相色谱仪是单气路流程。 图4一1为典型气相色谱仪流程示意图，图中箭头（一）方向为栽气流动的趋向，虚箭号 (一)为试样流动的趋向
第四章 气相色谱法 一、概 论 流动相是气体，固定相是固体或液体的色谱法称为气相色谱法。 19 世纪末叶，随着钢铁工业的发展，炼焦副产品——煤焦油大量增加，引起有机化学 工业的发展，不断出现分析有机物的新方法。色谱法正是在这种历史背景下发展起来的。20 世纪 50 年代石油化学工业的出现以及医药，生物化学的发展，使气相色谱法高速度地发展 起来，而且借助于近年来电子工业的高度发展，也使气相色谱仪日益完善。目前气相色谱法 已成为分析化学中极为重要的一种手段。 在现代农业科研和农药工作中的应用也越来越普通，对农药研究、农药生产、加强农药 管理、制定农药安全使用标准、开展对外贸易搞好环境生态等均有重要现实意义。 当然，气相色谱法在应用中亦有局限性。但近年来的高效液相色谱法正好弥补气相色谱 法的不足。这两种方法成为分离和测定有机化合物相辅相成互相补充的重要方法。 (一)特 点 气相色谱法问世以后，很快即用于农药分析，目前占很重要的地位。该法迅速发展的原 因与以下特点有关。 1．应用范围广 农药沸点大都在气谱工作范围内，分子量大多小于 400，且在载气流 存在的情况下，可使高沸点化合物的气化温度比其沸点为低，再加气谱测定需用样品甚少， 故检测范围广泛。 2．分离效能高 农药分析的检测对象中，有的含杂质，有的为混合制剂，有的为异构 体，用其它方法分离相当困难，但用气相色谱则比较容易。例如分离化学结构极为接近的六 六六异构体早已用于日常分析。 3．分析速度快 气相色谱的分析速度较快．适于农药生产中的流程控制分析和大量样 本分析。进行一次色谱分析短者只需几十秒，长者几十分，一般几分钟即可。 4．灵敏度高 农药污染环境的检样，要求分离和测定出极少量的物质。有时检测极限 为 PPb—PPt 数量级(10 －9 一 l0－12)气谱法可满足分析要求。 6．准确度、精密度高 农药分析要求有一定准准确度和精密度，尤其制剂分析对此要 求更高。用气谱内标法测定，准确度和精密度，均较经典方法和光学分析法等为好。 6．分离和测定一次完成 用紫外、红外、质谱、核磁共振法测定农药样本时，均需先 分离出纯品，而气相色谱法的分离和测定一次即可完成。 (二) 仪器和流程 根据使用目的的不同可分为分析用气相色谱仪、制备用气相色谱仪和工艺过程控制监测 用气相色谱仪(又称流程色谱仪)三大类。本书主要介绍第一类。 目前国内外气相色谱仪的型号虽有多种多样，但基本组成相同，即每台色谱仪都包含有 气路系统(包括气源、稳压、稳流、流量测量)，进样系统、柱恒温箱、检测系统、控温系统、 电源的稳压和信号放大系统、数据的记录和处理系统。 气相色谱仪流程是指载气与试样流动的趋向，简称气路。 每种仪器都有自己的流程。例如：北京分析仪器厂生产的 SP—2305 气相色谱仪是双气 路流程，上海分析仪器厂生产的上分—100 型气相色谱仪是单气路流程。 图 4—1 为典型气相色谱仪流程示意图，图中箭头(→)方向为栽气流动的趋向，虚箭号 (.→)为试样流动的趋向
“ 控制， (三)应用范用与局限 气相色谱法以气体作为流动相，在检测农药时，被分离农药在色谱住内运行时必须处于 “气化”状态，而“气化”与农药的性质和其所处于的工作温度（主要指色谱柱所处的温度） 有关。所以，被分离农药无论是液体或固体，是有机物或无机物，只要这些农药在气相色谱 仪所能达到的工作温度下可以“气化”，而日不发牛分解，原则上郑可以采用气相色进法 日前可能达到的工作温度一般为一196一450℃，在这个温度下，对蒸气压不小于20 130d Pa,热稳定性好的任何气体、液体、固体农药都可进行分析：或者说，凡是沸点大约在500℃ 以下，分子量在400以下的农药，原则上都可以采用气相色谱法进行分离和分析。 虽然气相色谱法有许多优点，但它作为一种分析方法，仍然有一些薄弱环节，局限了它 的应用范围。譬如除分子最大，热分解和不挥发性农药不能使用外，而对于所接受的每一项 分析任务，往往需要建立特定的分析方法：色谱峰的定性可信度较差：对化学性质极为活 的及腐蚀性的试样，分析较为困难 (四)在农药分析中的应用 气相色谱法是农药分析中必不可少的方法。气相色谱仪是农药分析实验室必备的仪器。 该法在有关农药的研制创新、工业生产、科学管理、农业应用、污染防治等方面均广泛应用 研制创新：新农药的创制，新剂型的开发及共有关研究。 工业生产：农药生产中工艺流程的控制与改进，原料、中间体及产品质量的分析。 科学管理：制定与检验农药质量标准，监督保证农药质量。 农业应用：制定农药合理使用准则，为农业上施用提供科学依据。此外，尚有中毒原因 及发生药害时的分析判断等。 污染防治：农田用药后，农药在农作物、备产品、土壤、河川水中的残留量及姥代谢物 的残留规律和其对生态系的影响。 以上各项工作的分析测定，都离不开气相色谱法。目前国际上约0%的农药制剂，采 用气谱法进行分析：在残留量分析中，则气谱法应用更多。 二、基本原理 气相色谱法亦称气体色谱法或气相层析法，是以气体为流动相的柱色谱分离技术。它分 离的主要依据是利用样品中各组分 谱柱中吸附力或溶解 度不同，也既是不 用各组分在色 谱住中气相和固定相的分配系数不同来达到样品的分离。对于气一固色谱（也叫吸附色谱）， 它的分配系数确切地讲，应称吸附平衡常数，主要用于永久性气体或气态烃等的分离分析。 本文仅就常用于农药分析的气一液色谱加以介绍
(三)应用范围与局限 气相色谱法以气体作为流动相，在检测农药时，被分离农药在色谱住内运行时必须处于 “气化”状态，而“气化”与农药的性质和其所处于的工作温度(主要指色谱柱所处的温度) 有关。所以，被分离农药无论是液体或固体，是有机物或无机物，只要这些农药在气相色谱 仪所能达到的工作温度下可以“气化”，而且不发生分解，原则上都可以采用气相色谱法。 日前可能达到的工作温度一般为－196—450℃，在这个温度下，对蒸气压不小于 20 一 1300 Pa，热稳定性好的任何气体、液体、固体农药都可进行分析；或者说，凡是沸点大约在 500℃ 以下，分子量在 400 以下的农药，原则上都可以采用气相色谱法进行分离和分析。 虽然气相色谱法有许多优点，但它作为一种分析方法，仍然有一些薄弱环节，局限了它 的应用范围。譬如除分子最大，热分解和不挥发性农药不能使用外，而对于所接受的每一项 分析任务，往往需要建立特定的分析方法；色谱峰的定性可信度较差；对化学性质极为活泼 的及腐蚀性的试样，分析较为困难。 （四）在农药分析中的应用 气相色谱法是农药分析中必不可少的方法。气相色谱仪是农药分析实验室必备的仪器。 该法在有关农药的研制创新、工业生产、科学管理、农业应用、污染防治等方面均广泛应用。 研制创新；新农药的创制，新剂型的开发及共有关研究。 工业生产：农药生产中工艺流程的控制与改进，原料、中间体及产品质量的分析。 科学管理：制定与检验农药质量标准，监督保证农药质量。 农业应用：制定农药合理使用准则，为农业上施用提供科学依据。此外，尚有中毒原因 及发生药害时的分析判断等。 污染防治：农田用药后，农药在农作物、畜产品、土壤、河川水中的残留量及姥代谢物 的残留规律和其对生态系的影响。 以上各项工作的分析测定，都离不开气相色谱法。目前国际上约 70％的农药制剂，采 用气谱法进行分析；在残留量分析中，则气谱法应用更多。 二、基本原理 气相色谱法亦称气体色谱法或气相层析法，是以气体为流动相的柱色谱分离技术。它分 离的主要依据是利用样品中各组分在色谱柱中吸附力或溶解度不同，也既是利用各组分在色 谱住中气相和固定相的分配系数不同来达到样品的分离。对于气—固色谱(也叫吸附色谱)， 它的分配系数确切地讲，应称吸附平衡常数，主要用于永久性气体或气态烃等的分离分析。 本文仅就常用于农药分析的气—液色谱加以介绍
(一)气一液色谱分离过程 气一液色谱柱中装入一种具有一定惰性的多孔性固体物质（称为担体或载体），在它的表 面 一层很薄的不易挥发的高沸点有机化合物（即固定液），形成一层液膜 当载气把气化 的样品组分代入色谐柱后，由于各组分在载气和固定液膜的气一液两相中分配系数不同，在 载气向前流动时，样品各组分从固定液中脱溶能力也就不同。当脱溶出来的组分随着载气在 柱中往前移动时，再次溶解在前面的固定液中，这样反复地溶解一脱溶→再溶解→再脱溶多 次的进行分配，有时可达上千次甚至上万次。最后，各组分由于分配系数的差异，在色谱柱 中经过反复多次分配后 多 力速度便有了显著差别。在固定液中溶解 度小的组分 多动速度快 溶解度大的则移动速度慢，这样在色谱柱出口就可将各组分分离开来，可以分别对它们进行 测定。 例如，在某一色谱柱中欲分离的两组分为A和B,而且它们的分配系数K比KB大 倍。显然经过第一次分配后，A和B两物质的分离因数(@)为： a=K=2 若连续分配n次后，则： 可见，当n=1时，a=2,n=100时，a=2o0≈10∞，此时分离效率已很大，这表明A、 B两物质已较好地分离，也就是说分配次数愈多，分离效率愈高。而在一般气相色谱法中， 分配次数远不只100次，往往是上千次，上万次，因此，即便K与KB相差很微小，经过 反复若干次分配，最终也可使两物质分离。例如，六六六各异构体的化学性质极其相似，用 般化学方法很难将它们分离，但是利用OV一17和QF一1为混合固定液的气一液色谱法 可将其很好地一一分离。 (二)气相色谱流出曲线 样品中的组分经色谱柱分离后，随着载气逐步流出色谱柱。在不同的时间，流出物中组 分的成分和浓度是不同的。一股采用记录仪将流出物中各组分及其浓度的变化依次记录下 来，即可得到色谱图。这种以组分的浓度变化（或某种信号）作为纵坐标，以流出时间（或相应 流出物的体积)作为横坐标，所绘出的曲线称为色谱流出曲线。现以一种组分的流出曲乡 明如下（如图4一2所示）。 女，时同支体 用4-2气相色谱流出曲线 由图可见，从进样开始（以此作为零点），随着时间的推移，组分的浓度不断地发生变 化，当组分的浓度达到极大值时，曲线上也出现最高点，通常把这种曲线称该组分的色谱峰
(一)气－液色谱分离过程 气—液色谱柱中装入一种具有一定惰性的多孔性固体物质(称为担体或载体)，在它的表 面涂敷一层很薄的不易挥发的高沸点有机化合物(即固定液)，形成一层液膜。当载气把气化 的样品组分代入色谱柱后，由于各组分在载气和固定液膜的气—液两相中分配系数不同，在 载气向前流动时，样品各组分从固定液中脱溶能力也就不同。当脱溶出来的组分随着载气在 柱中往前移动时，再次溶解在前面的固定液中，这样反复地溶解→脱溶→再溶解→再脱溶多 次的进行分配，有时可达上千次甚至上万次。最后，各组分由于分配系数的差异，在色谱柱 中经过反复多次分配后，移动速度便有了显著差别。在固定液中溶解度小的组分移动速度快， 溶解度大的则移动速度慢，这样在色谱柱出口就可将各组分分离开来，可以分别对它们进行 测定。 例如，在某一色谱柱中欲分离的两组分为 A 和 B，而且它们的分配系数 KA 比 KB大一 倍。显然经过第一次分配后，A 和 B 两物质的分离因数(α)为： A B K 2 K 1 ＝ ＝ 若连续分配 n 次后，则： n n A n B K 2 2 K 1 ＝ ＝ ＝ 可见，当 n＝1 时，a＝2，n＝100 时，a＝2 100≈1030，此时分离效率已很大，这表明 A、 B 两物质已较好地分离，也就是说分配次数愈多，分离效率愈高。而在一般气相色谱法中， 分配次数远不只 100 次，往往是上千次，上万次，因此，即便 KA 与 KB相差很微小，经过 反复若干次分配，最终也可使两物质分离。例如，六六六各异构体的化学性质极其相似，用 一般化学方法很难将它们分离，但是利用 OV—17 和 QF—1 为混合固定液的气—液色谱法 可将其很好地一一分离。 (二)气相色谱流出曲线 样品中的组分经色谱柱分离后，随着载气逐步流出色谱柱。在不同的时间，流出物中组 分的成分和浓度是不同的。一股采用记录仪将流出物中各组分及其浓度的变化依次记录下 来，即可得到色谱图。这种以组分的浓度变化(或某种信号)作为纵坐标，以流出时间(或相应 流出物的体积)作为横坐标，所绘出的曲线称为色谱流出曲线。现以一种组分的流出曲线说 明如下(如图 4—2 所示)。 由图可见，从进样开始(以此作为零点)，随着时间的推移，组分的浓度不断地发生变 化，当组分的浓度达到极大值时，曲线上也出现最高点，通常把这种曲线称该组分的色谱峰
每一个组分在流出曲线上，都有一个相对应的色谱峰。 如横坐标以时间()表示，那么从进样开始到柱后出现某组分的浓度极大值（即ob段）》 所需要的时间，称为保留时间()。b段称为调整保 以t表 t'R=tR 。其中 称为死时间，即从进样到惰性组分流出曲线浓度极大点的时间 ,如图中oa所表 如果横坐标以体积(V)表示，则色谱峰最高处所对应的体积即b段称为保留体积（以 Vg表示，相应的oa段称为死体积(V),b段为调整保留体积V”=VR一Vu。 保留体积与保留时间两者之间有以下关系： 式心为 司样，VM=F 谱柱内载气的平均流速，即每mm载气流出体积的平均值：单位为mmm。 在一定实验条件中，保留体积或保留时间为某一组分的特性。 在色谱流出曲线中，GH叫基线，GeefH为某组分的峰面积(A)、cd为峰高(h),ef为 峰半高宽度简称半峰宽(Y12)。 楼分定的实约条件下峰面或蜂高为来一组分浓度合量的特征，因此，色瑞流出国 要依据。利用它可以解决以下问题 (1)色谱峰的位置（即保留时间或保留体积）决定于物质的性质，是色谱定性的依据。 (2)色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，是色谱定量的依据。 (3)利用色谱峰的位置与其宽度，可以对色谱柱分离的情况进行评价。 (三)塔板理论 1.塔板理论假定为了研究谱峰的形状，建立起一种半经验式的理论 一塔板理论 用于描述物质在两相间的分配状况和评价柱的效能。塔板理论是把柱子假想成由许多塔板细 成，在每个理论塔板里，组分在气液相间达成一次平衡，经过多次分配平衡后，使组分彼此 分离。为简化起见，塔板理论有如下假设： ()在每块板上气液平衡是瞬间建立的。 2)载气是脉冲式进入色谱柱进行冲洗的，每次恰好为一个板体积 (3)所有组分开始都集中在第零块塔板上，且不考虑纵向扩散。 (4)在所有塔板上，分配系数是常数，也即和组分的量无关。 2.理论塔板数在上述理想情况下，可以认为进人柱子内的样品成分在载气中是呈“正 态分布”的，因而，在记录纸上出现的色谱蜂应为高斯(Guss)曲线。所以色谱峰常用与高 斯曲线宽度相关的某一标准偏差。表示。图4一3表明在不同高度位置上蜂宽度与0的关系。 1.000 ”wg-234 0 0.234 0.01 一理 图4~3用高斯曲线表示的色谢峰
每一个组分在流出曲线上，都有一个相对应的色谱峰。 如横坐标以时间(t)表示，那么从进样开始到柱后出现某组分的浓度极大值（即 ob 段） 所需要的时间，称为保留时间(tR)。ab 段称为调整保留时间，以 t’R表示，t’R＝tR—tM。其中， tM称为死时间，即从进样到惰性组分流出曲线浓度极大点的时间，如图中 oa 所表示。 如果横坐标以体积(V)表示，则色谱峰最高处所对应的体积即 ab 段称为保留体积(以 VR表示)，相应的 oa 段称为死体积(VM)，ab 段为调整保留体积 V’R＝VR－VM。 保留体积与保留时间两者之间有以下关系： VR＝FC·tR， 同样，VM＝FC·tM 式中，FC为色谱柱内载气的平均流速，即每 min 载气流出体积的平均值：单位为 ml/min。 在一定实验条件中，保留体积或保留时间为某一组分的特性。 在色谱流出曲线中，GH 叫基线，GeefH 为某组分的峰面积(A)、cd 为峰高（h），ef 为 峰半高宽度简称半峰宽(Y1/2)。 在一定的实验条件下，峰面积或峰高为某一组分浓度合量的特征，因此，色谱流出曲线 是色谱分析的主要依据。利用它可以解决以下问题： (1)色谱峰的位置(即保留时间或保留体积)决定于物质的性质，是色谱定性的依据。 (2)色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，是色谱定量的依据。 (3)利用色谱峰的位置与其宽度，可以对色谱柱分离的情况进行评价。 (三) 塔板理论 1．塔板理论假定 为了研究谱峰的形状，建立起一种半经验式的理论——塔板理论， 用于描述物质在两相间的分配状况和评价柱的效能。塔板理论是把柱子假想成由许多塔板组 成，在每个理论塔板里，组分在气液相间达成一次平衡，经过多次分配平衡后，使组分彼此 分离。为简化起见，塔板理论有如下假设： (1)在每块板上气液平衡是瞬间建立的。 (2)载气是脉冲式进入色谱柱进行冲洗的，每次恰好为一个板体积． (3)所有组分开始都集中在第零块塔板上，且不考虑纵向扩散。 (4)在所有塔板上，分配系数是常数，也即和组分的量无关。 2．理论塔板数 在上述理想情况下，可以认为进人柱子内的样品成分在载气中是呈“正 态分布”的，因而，在记录纸上出现的色谱峰应为高斯(Gauss)曲线。所以色谱峰常用与高 斯曲线宽度相关的某一标准偏差σ表示。图 4—3 表明在不同高度位置上峰宽度与σ的关系
其中： 曲线拐点处的宽度W,=20 峰半高处的宽度Wh=2o(2ln2)=2.354o (4.1) 拐点的切线与基线交点之间的峰宽W=4σ (4.2 因而w=2W,=1.699W12 (4.3) 最早提出峰形变宽的理论是Martin等人提出的塔板理论。 作为该理论的结论，理论塔板数n用下式表示： a=6月 (4.4) 式中，R是保留时间，W是与保留时间使用同一单位测得的峰底宽度。在谱图上二者都可 以用长度单位进行测量。现在在图4一4中利用甲苯色谱峰试计算一下理论板塔数 空气峰 时@(min 困4一4理论蛛板数的求法 先测量出由进样点到峰顶点之间的距离（相当于保留时间），以mm为单位（记录纸速10mm min,tR=68mm,峰底宽度W=8mm,因此： n-168)月 8=1156 然后，将式4.2)代入式(4.4)中，得： (4.5) 由此可知，理论塔板数与方差G2呈反比关系。设空气的保留时间为，从空气蜂作起 点所测得的保留时间为t tR=t十tR[本式以保留时间表示 (4.6) 由于载气（流动相）中的组分是随着载气在柱内移动，所以全部组分在气相中的时间不论 其保留时间大小，均为t,保留时间银中剩余部分'R可认为是组分在液相中停留时间。我 们取组分在两相中的时间比定为组分的分配比k: k=I (4.7) 另外，仿照式(4.4)有效塔板N可按下式定义：
其中： 曲线拐点处的宽度 Wi＝2σ 峰半高处的宽度 ( ) 1 2 W 2 2ln 2 2.354 1 2 ＝ ＝ （4.1） 拐点的切线与基线交点之间的峰宽 W＝4σ （4.2） 因而 W＝2Wi＝1.699W1/2 （4.3） 最早提出峰形变宽的理论是 Martin 等人提出的塔板理论。 作为该理论的结论，理论塔板数 n 用下式表示： 2 R t n w ＝16 （4.4） 式中，tR 是保留时间，W 是与保留时间使用同一单位测得的峰底宽度。在谱图上二者都可 以用长度单位进行测量。现在在图 4—4 中利用甲苯色谱峰试计算一下理论板塔数。 先测量出由进样点到峰顶点之间的距离(相当于保留时间)，以 mm 为单位(记录纸速 10mm／ min)，tR＝68mm，峰底宽度 W＝8mm，因此： 2 68 n 16 1156 8 ＝ ＝ 然后，将式(4.2)代入式(4.4)中，得： 2 R 2 t n ＝ （4.5） 由此可知，理论塔板数与方差 σ 2 呈反比关系。设空气的保留时间为 tM，从空气峰作起 点所测得的保留时间为 t’R。 tR＝tM＋t’R[本式以保留时间表示] (4.6) 由于载气(流动相)中的组分是随着载气在柱内移动，所以全部组分在气相中的时间不论 其保留时间大小，均为 tM，保留时间 tR中剩余部分 t’R可认为是组分在液相中停留时间。我 们取组分在两相中的时间比定为组分的分配比 k： R M t k t ’ ＝ （4.7） 另外，仿照式(4.4)有效塔板 N 可按下式定义：