第四节　气相色谱法

气相色谱法（gas chromatography，GC）是用气体作为流动相的色谱法。它具有高选择性、高效能、低检测限、分析速度快以及应用范围广等优点；不足之处是对沸点高、易分解、腐蚀性和反应性较强物质的分析较为困难。据统计，约有20％的有机物能用GC测定，因此GC的应用有一定的局限性，但仍是目前应用最广的一种色谱法。

一、气相色谱仪

以气体作流动相而设计的色谱仪称为气相色谱仪。

（一）气相色谱仪流程简介

图3-4是一台填充柱气相色谱仪的示意图。

载气从高压钢瓶经减压阀流出，进入净化管、然后经稳压阀调节流量后，以一定的流量将进入进样器的组分带入色谱柱，组分在色谱柱中被分离后，依次进入检测器得到相应的响应信号，并在记录仪上记录下来。

（二）气相色谱仪各组成部分的作用及要求

由图3-4可知，气相色谱仪主要由载气系统、进样系统、分离系统、检测系统、记录系统和温度控制系统等6个部分组成。

1.载气系统

载气系统包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。其作用是提供稳定而可调节的气流以保证气相色谱仪的正常运转。

（1）载气选择　载气是气相色谱分析中的流动相。载气的性质、净化程度及流速对色谱柱的分离效能、检测器的灵敏度、操作条件的稳定性均有很大影响。可作为载气的气体很多，原则上没有腐蚀性且不与被分析组分发生化学反应的气体均可作为载气，最常用的是氦气、氢气、氩气、氮气。

（2）载气净化　载气净化的目的是保证基线的稳定性及提高仪器的灵敏度。净化程度主要取决于使用的检测器及分析要求（常量或微量分析），对于一般检测器，净化是使用一根装有硅胶、分子筛、活性炭的净化管，载气经过时可以除去微量的水分及油等。

（3）流速的控制与测定　在气相色谱中对流速控制的要求很高，主要是保证操作条件的稳定性。由稳压阀、针阀、稳流阀相互配合以完成流速的精确控制。柱前流速由转子流量计指示，柱后流速用皂膜流量计测量。

2.进样系统

进样系统包括进样装置和气化室，其作用是定量引入样品并使其瞬间气化。

气相色谱可以分析气体、液体及固体。要求气化室体积尽量小，无死角，以减少样品扩散，提高柱效。

对于液体样品，一般采用注射器、自动进样器进样。对于气体样品，常用六通阀进样（见图3-5）。对于固体样品，一般溶解于常见溶剂转变为溶液进样；对于高分子固体，可采用裂解法进样。

3.分离系统

分离系统由色谱柱和柱箱组成。

色谱柱可视为气相色谱仪的心脏，色谱柱的选择是完成分析的关键。

色谱柱可分为填充柱和毛细管柱两种。填充柱一般采用不锈钢、玻璃或聚四氟乙烯材料制成，内径为2～6mm，长度为1～10m，形状有U形、螺旋形等，内装固定相。毛细管柱通常为内径0.1～0.5mm、长25～300m的石英玻璃柱，呈螺旋形，其固定相是涂在或键合在毛细管壁上。

对色谱柱箱的要求是：使用温度范围宽，控温精度高，热容小，升温、降温速度快，保温好。

4.检测系统

检测系统由检测器与放大器等组成。检测器的作用是将经色谱柱分离的各组分，按其特性和含量转换成易于记录的电信号，再经放大器放大后输送给记录仪记录下来。检测器通常视为色谱仪的“眼睛”，是色谱仪的关键部件，以下将对其作重点介绍。

5.记录系统

记录系统的作用是采集并处理检测系统输出的信号以及显示和记录色谱分析结果，主要包括记录仪，有的色谱仪还配有数据处理器。现代色谱仪多采用色谱工作站的计算机系统，不仅可对色谱数据进行自动处理和记录，还可对色谱参数进行控制。

6.温度控制系统

色谱柱的柱箱、气化室和检测器都要加热和控温，因三者要求的温度不同，故需三套不同的温控装置。为保证试样能瞬间气化，通常气化室温度比柱箱温度高30～70℃；为防止组分在检测室内冷凝，检测器温度与柱箱温度相同或稍高于后者。

（三）气相色谱检测器

检测器是气相色谱仪的重要部件，它能感知到与载气性质不同的组分，并能指示出载气中各分离组分及其浓度的变化。对检测器的要求是，灵敏度高、线性范围宽、稳定性好，且操作简单。根据检测原理不同，气相色谱检测器分为浓度型和质量型两种类型。浓度型检测器的响应信号与组分在载气中的浓度成正比，而质量型检测器的响应信号则正比于单位时间内组分进入检测器的质量。

常用的浓度型检测器有热导检测器、电子捕获检测器等，质量型的有氢火焰离子化检测器、火焰光度检测器和氮磷检测器等。

1.检测器的性能指标

（1）灵敏度　灵敏度是评价检测器性能好坏的重要指标。

单位量的物质通过检测器时所产生的响应信号，称为检测器对该物质的灵敏度，即响应信号对进入检测器的组分量的变化率。

　　 （3-59） 　　

如果ΔR取mV，Δm取mg·ml-1，则为浓度型灵敏度，适用于浓度型检测器，以Sc表示，单位：mV·ml·mg-1。

　　 （3-60） 　　

式中，C1为记录仪灵敏度，mV·cm-1；C2为记录仪纸速的倒数，min·cm-1；F为载气流速，ml·min-1；A为峰面积，cm2；m为进样量，mg。

如果ΔR为mV，Δm为g·s-1，则为质量型灵敏度，适用于质量型检测器，以Sm表示，单位：mV·s·g-1。

　　 （3-61） 　　

式中，m为进样量，g。

（2）基流（Ib）　在操作条件下，纯载气通过检测器时所给出的信号。

（3）噪声（RN）　由各种偶然因素引起的基流起伏，表现为基线呈无规则毛刺状，如图3-6（a）所示。

（4）漂移（Rd）　基线向一个方向有规律性的移动，如图3-6（b）所示，单位为mV·h-1。产生漂移的原因可能是柱温或载气缓慢变化，电子元器件性质变坏，固定液的轻微流失等。

（5）线性范围　当检测器的响应信号与其中检测物质的浓度或质量成线性关系时，最大进样量与最小进样量的比值叫作线性范围，该比值越大，在定量分析中可能测定的浓度或质量范围就越大。

（6）检测限　检测限（D）又称敏感度，其定义为当检测器恰能产生3倍噪声信号时，单位时间（s）或单位体积（ml）进入检测器的某组分的量。

浓度型检测器的检测限为

　　 （3-62） 　　

质量型检测器的检测限为

　　 （3-63） 　　

式中，RN为检测器噪声，mV。

（7）响应时间　气相色谱检测器响应时间，是指进入检测器的组分输出达到63％所需的时间，一般都小于1s。检测器的响应时间越小越好。

2.几种常用的气相色谱检测器

（1）热导检测器　热导检测器（thermal conductivity detector，TCD）是根据不同的物质具有不同的热导系数的原理制成的。TCD是气相色谱中应用最广泛的通用型检测器，它结构简单、稳定、线性范围宽、不破坏样品，易于和其他检测器联用，适宜于常量及含量在10-5g以上的组分分析。

①结构。热导检测器由热导池与电路连接而成。热导池由池体和热敏元件组成，在不锈钢池体钻有两个或4个孔道，内装金属丝作热敏元件。为提高灵敏度，一般选用电阻率高、电阻温升系数大、机械强度好、对各种成分都呈现惰性的金属丝作热敏元件，如铂丝、钨丝、铼-钨丝、铂-铑丝等。对称孔道之一为测量臂，另一为参比臂，热导检测器结构如图3-7所示。

热导池电路采用惠斯顿电桥形式，如图3-8所示。电桥中R1、R2为热敏元件，其中R1为测量臂，R2为参比臂，R3、R4是等值的两固定电阻。此种热导池称为双臂热导池。

②工作原理。热敏丝通电后温度上升，当载气同时通过测量臂R1及参比臂R2时，R1与R2阻值的变化ΔR1与ΔR2是相同的。因此，在惠斯顿电桥中

电桥平衡，没有电流输出，因此没有信号产生，记录的是一条平直的基线。当在测量臂通有载气和样品，而在参比臂只通过载气时，由于测量臂样品导热系数和参比臂载气不同，因此ΔR1和ΔR2不相等，则在惠斯顿电桥中

电桥失去平衡，有信号输出，记录仪上出现色谱峰。设电桥的总电流为I，载气的热导率为λ，组分与载气热导率之差为Δλ，则产生的输出信号为

由此可见，输出信号的大小和组分的热导率有关，载气和组分的热导率差值越大，产生信号越大；组分浓度越大，产生信号越大；加在热丝上电流越大，产生信号越大。

在使用热导池检测器时，宜采用轻载气（氢气和氦气），且保持载气流速稳定；选用较大的桥电流，以便提高灵敏度。

（2）氢火焰离子化检测器　氢火焰离子化检测器（flame ionization detector，FID）几乎对所有的有机化合物都有响应，对载气要求不苛刻，载气中微量水及二氧化碳对载气无影响，受温度和压力的影响最小，线性范围宽，灵敏度高（比TCD高100～1000倍），稳定性好，响应快，因此氢火焰离子化检测器广泛应用于气相色谱分析中。

①结构。氢火焰离子化检测器由离子室、离子头及气体供应三部分组成。其结构如图3-9所示。

如图3-9所示，载气携带组分分子由5进入喷嘴，与6进来的氢气混合。接电后极化极3燃红，点燃H2，在由7进入的空气的助燃下形成氢焰。在极化极3与收集极4间施加直流电压，形成一个静电场。当载气中不存在试样组分时，两极间离子很少，基流很低。当载气中出现待测有机物时，于氢焰中燃烧、发生离子化反应，生成的正离子与电子在电场作用下向收集极和极化极做定向移动从而形成电流，此电流经放大，由记录仪记录得色谱图。

②工作原理——火焰离子化过程。

a.有机物进入火焰燃烧时，裂解产生含碳自由基（·CH）。

b.与火焰外面扩散进来的氧反应。

c.形成的CHO+与氢气燃烧生成的水蒸气相碰撞，生成H3O+。

火焰离子化产生的正离子CHO+、H3O+及电子e在电场作用下形成微电流，经放大后记录下色谱峰。

③操作条件对响应值R的影响

a.氢气流速。当载气选定之后，随着氢气流速增加，响应信号逐渐增大而后慢慢降低，见图3-10。由图3-10可知，当载气流速一定时，氢气流速对响应值的影响存在一个最佳值。

b.空气流速。空气中的O2和试样组分在燃烧过程中形成CHO+，因此离子化效率和空气的量密切相关。空气流速对响应值的影响如图3-11所示。当空气流速较低时，响应值随空气流速的增加而增大，而通常当空气流速增大到400mL·min-1后，则响应值不受其影响。

氢火焰检测器要求富氧火焰，因此空气量较大，通常采用载气（N2）、燃气（H2）、助燃气（Air）的流量比为1:（1～1.5）:（5～10）。

c.操作电压。施加电压在极化极与收集极之间，使组分离子化后尽快向两极移动，避免复合，形成较大离子流。施加电压对R值的影响如图3-12所示。在极化电压较低时，响应值随极化电压的增加而增大，增大到一定值后（一般为50V）趋于稳定，通常极化电压的取值为50～300V。

（3）电子捕获检测器　电子捕获检测器（electron capture detector，ECD）是一种高灵敏度、高选择性的放射性检测器，它只对具有电负性的物质产生响应，且电负性越强，灵敏度越高。目前已广泛用于环境样品中痕量农药、多氯联苯和多硫化合物等的分析。

①结构。电子捕获检测器结构如图3-13所示。

检测器的离子室由不锈钢制成，池体内放置一个放射源1作负极，不锈钢棒7作正极。放射源63Ni或3H发射β射线，使载气电离成正离子及自由电子，在电场的作用下，向极性相反的电极运动，形成恒定的本底电流——基流。

当有电负性组分（如卤素、含氧基团）进入检测器时，电负性组分会捕获自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离子复合成中性化合物，而使基流下降，产生负信号而形成倒峰，检测信号的大小与待测物质的浓度呈线性关系。ECD的线性范围较窄，故进样量不可太大。

②工作原理。高纯氮气进入检测器后，在β射线轰击下电离

在电场中，形成的正离子和电子向两极移动形成基流，一般为10-8～10-9A。电负性组分AB进入后捕获自由电子，形成负离子。

生成的负离子与正离子碰撞形成中性分子

式中，E代表能量。

由于组分捕获电子以及正负离子的复合，使带电体数目减少，基流下降，产生负信号而形成倒峰。被测组分浓度越大，捕获电子的概率就越大，结果使基流下降的就越多，倒峰就越大。

③操作条件对基流及响应值的影响。

a.载气纯度对基流的影响。为保证检测器有足够大的基流，载气需要净化。氮气中微量氧气的存在，会使基流下降，影响检测器性能，因此需使用除去氧气的高纯度的氮气。载气中含氧量对基流的影响见图3-14，可见随着载气含氧量的增加，基流迅速下降。

b.脉冲周期的选择。脉冲周期的增加意味着正离子与自由电子结合概率的增加，结果使基流下降；同时又因增加了电负性组分捕获电子的机会，而使响应值提高。原则上只有在足够大的基流情况下捕获电子，才会有正常响应，因此不能一味追求增加响应而使基流不足，这样做不能得到正确响应。脉冲周期与基流、响应值（峰高）之间的关系，见图3-15。

（4）火焰光度检测器　火焰光度检测器（flame photometric detector，FPD）是一种对含硫、含磷有机化合物有高选择性、高灵敏度的检测器，其结构如图3-16所示。

实际上FPD是由氢火焰和光度计两部分构成。含硫、磷化合物在载气携带下进入喷嘴，周围通入H2。点燃H2后，组分在富氢焰中燃烧生成激发态或HPO*，当它们返回到基态时便发射出不同波长的特征光谱。硫的特征光谱为384nm或394nm，磷的特征光谱为526nm。这些特征光谱通过滤光片后投射到光电倍增管的阴极，产生光电流，经放大器放大后，在记录仪上记录下含硫或含磷有机物的色谱图。

FPD是一种质量型选择性检测器，用于测定含硫、含磷化合物时，其检测限比碳氢化合物几乎低1万倍，所以特别适用于大气中痕量硫化物、农副产品及水中纳克级有机硫和有机磷农药残留量的测定。

四种常用检测器的性能列于表3-1中。

二、气相色谱固定相

在气相色谱分析中，某一多组分混合物能否完全分离，主要取决于固定相的选择。气相色谱固定相分为两类：用于气固色谱的固体吸附剂及用于气液色谱的液体固定相（包括固定液和载体）。

（一）气固色谱固定相

固定相是固体吸附剂，流动相是气体的色谱称为气固色谱。

1.吸附等温线

在气固色谱中，固定相是表面具有吸附活性的吸附剂，当含有多组分的样品随载气通过色谱柱时，因为吸附剂对各组分吸附能力不同，经过多次反复地吸附与脱附过程，最后组分彼此得到分离。

组分在吸附剂表面的吸附情况，可用吸附等温线描述。吸附等温线是在一定温度下，被研究组分在吸附剂表面上的浓度，随组分在流动相中的浓度而变化的规律。或者是说，在一定温度下，所研究组分达到平衡时，在吸附剂表面上的吸附量随该组分在流动相中的分压大小变化的规律。在气固色谱中，组分的吸附情况可用下述吸附等温线描述，即图3-17中（a）、（b）、（c）所示的三种类型，图中（a）为线性吸附等温线，即被研究组分在吸附剂上的浓度与它在流动相中的浓度之比是常数，则对应的色谱峰是对称的高斯峰，这是一种理想状态，只有在浓度很低时才会出现；（b）是向下弯曲的吸附等温线，对应的色谱峰是拖尾峰；（c）是向上弯曲的吸附等温线，对应的色谱峰是伸舌峰，后两种情况是不期望的。

2.固定相

虽然吸附剂的种类很多，但能在气固色谱中作为固定相的却很少，一般只限于活性炭、硅胶、氧化铝和分子筛几种。由于这些吸附剂的品种不同，活化条件不同，甚至同一种但来源于不同批次的产品，其色谱行为也不同。这就给分析条件的选择造成了困难。随着合成技术的不断发展，许多新型合成固定相也可作为气固色谱的吸附剂，如苯乙烯和二乙烯苯交联共聚产物，简称GDX；还有聚偏二氯乙烯热解产物，简称TDX，又叫碳分子筛。这些优良的固体吸附剂广泛应用于气体、低沸点液体以及微量水的分析。气固色谱常用固体吸附剂的性能见表3-2。

气固色谱固定相的化学稳定性和热稳定性好，容易操作；由于不存在固定液流失问题，故可获得较高柱效；特别适合分离分析永久气体、无机气体和低分子碳氢化合物（气态烃类）。与气液色谱相比，由于可用作气固色谱固定相的吸附剂品种少，吸附剂性能重复性差，故气固色谱的应用范围仍比较局限。

（二）气液色谱固定相

气液色谱固定相由固定液和载体构成。涂渍在载体表面上使混合物获得分离且在使用温度下呈液态的物质，称为固定液。其分离原理是组分在载气和固定液中的溶解分配平衡，依不同组分溶解度或分配系数的差异而分离。由于固定液种类繁多，应用范围广，使气液色谱成为气相色谱的主流。

1.气液色谱载体（担体）

载体（也称担体）是一种化学惰性、多孔性的固体颗粒，其作用是提供一个大的惰性表面，以承载固定液，使固定液在其表面展成薄而均匀的液膜。

对载体的要求是：适宜的比表面积；合适的表面能；合适的孔结构；较好的惰性；机械强度高；热稳定性好；形状规则，粒度均匀。

气液色谱中所用载体，分为硅藻土型和非硅藻土型两类，常用硅藻土又分为红色担体和白色担体两种，它们都是天然硅藻土经过煅烧而成，所不同的是白色担体在煅烧前加入大约2％的碳酸钠。

硅藻土表面含有相当数量的硅醇基以及少量金属氧化物，故载体表面既有催化活性，又有吸附活性。改进的措施是，可用酸洗、碱洗、硅烷化、釉化等方法处理担体，掩盖其活性中心。

常用的国产担体见表3-3。

2.气液色谱固定液

（1）对固定液的要求　热稳定性和化学稳定性好，有较宽的温度范围，对样品有一定的溶解度和选择性，对要分离的各组分应具有合适的分配系数，易于在载体表面分布均匀，黏度低，挥发性小。

因此，固定液都是高沸点有机化合物，各有其特定的使用温度范围，特别要注意其最高使用温度。表3-4列出了部分常用色谱固定液的特性。

（2）组分和固定液分子间的作用力　在气液色谱分析中，组分的分离微观上是由于不同的组分与固定液分子间相互作用力不同引起的。分子间作用力是一种较弱的分子间吸引力，不像分子内化学键那么强，它包括色散力、诱导力、静电力和氢键作用力等。色散力是非极性分子之间的作用力，诱导力是极性分子与非极性分子之间的作用力，静电力是极性分子之间的作用力，氢键是一种特殊的分子间作用力，一般是活泼氢与含有氢键接受者原子（如N、O、F等）的分子间的作用力。组分的分离可能是由于一种或几种力共同作用的结果，究竟是属于哪种力，要具体分析组分与固定液分子的结构方可确定。了解组分与固定液之间的作用力，对推测组分在柱中的分配行为和流出顺序十分重要。

（3）固定液特性　用于色谱分析的固定液目前已有上千种，常用的也有几十种。为了选择和使用方便，需要对固定液进行分类。一般的分类原则是按固定液的极性进行分类，常用的有按固定液相对极性分类或按固定液的特征常数分类。

①按固定液相对极性分类。1959年，罗什那德（Rohrschneider）提出用相对极性P来表征固定液的分离特征。规定：强极性固定液β，β'-氧二丙腈的相对极性P=100；非极性固定液角鲨烷的相对极性P=0。

实验采用的物质对为苯和环己烷，分别测定它们在β，β'-氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液制成的3根色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到

　　 （3-64） 　　

被测固定液的相对极性值Px可按下面的公式计算

　　 （3-65） 　　

式中，q1、q2、qx分别为苯和环己烷物质对在β，β'-氧二丙腈、角鲨烷和待测固定液柱上测得的调整保留值之比的对数。显然被测固定液为角鲨烷时，Px=0；被测固定液为β，β'-氧二丙腈时，Px=100。每种固定液都能测出其Px值，结果分布在0～100之间。把Px值从0～100分为5级，每20为1级，用“+”表示，Px值为0者称为非极性固定液，+1至+2之间为弱极性固定液，+3者为中等极性固定液，+4至+5之间为强极性固定液。非极性亦可用“-”表示。固定液的级数越大，说明固定液的极性越强。

上述这种排列固定液极性的方法，只能反映组分（苯和环己烷）与固定液之间的诱导力和色散力，尚不能反映被测物与固定液分子间的全部作用力，后来罗氏和麦克雷诺又提出了改进方案。

②按固定液特征常数分类。1966年，罗氏对固定液的评价方法进行了改进，他选用了5种有代表性的试验物质，即苯、乙醇、2-丁酮、硝基甲烷和吡啶，它们分别代表了与固定液之间不同类型的作用力。分别测量这些试验物质在欲测定固定液和角鲨烷固定液上的保留指数，然后求出这5种试验物质在欲测定固定液及角鲨烷固定液上的保留指数差值，即

ΔI=I x-Is　　（3-66）

式中，Ix为任一试验物质在欲测固定液的保留指数；Is为任一试验物质在角鲨烷固定液的保留指数。

用5个试验物质可得5个ΔI值，再分别除以100，得

　　 （3-67） 　　

　　 （3-68） 　　

　　 （3-69） 　　

　　 （3-70） 　　

　　 （3-71） 　　

式中，x、y、z、u、s是固定液各种作用力的极性因子，称为固定相常数，随固定液不同而异。在比较某一固定液的极性时，只要求得上述5种标准物质在该固定液的固定相常数后，就可以从这些数值进行判断，数值大表示极性强，这5种固定相常数称为罗氏常数。

1970年，麦克雷诺（McReynolds）在罗氏方法的基础上提出了改进方案。他认为罗氏选定的试验物质中，乙醇、2-丁酮、硝基甲烷给出的保留指数接近500，这样需要用C5或C5以下的气态烃作参比物，这些参比物易挥发，因此测得的数据准确度差。他选用了10种试验物质作为标准，于120℃测定了226种固定液与角鲨烷之间的保留指数之差值（ΔI）。归纳后发现用苯、丁醇、2-戊酮、硝基丙烷、吡啶5种物质足以表达固定液的相对极性。为了与罗氏固定相常数相区别，用x'、y'、z'、u’和s’表示相应的麦氏固定相常数，并且将前者的数值分别乘以100，即

x'=ΔI苯　　（3-72）

y'=ΔI丁醇　　（3-73）

z'=ΔI2-戊酮　　（3-74）

u'=ΔI硝基丙烷　　（3-75）

s'=ΔI吡啶　　（3-76）

可用5种标准物质的麦氏常数或其总和的数值大小来表示固定液的相对极性。数值越大，固定液的极性就越大。现在已广泛地采用麦氏常数来比较固定液的性质。麦氏常数可由气相色谱手册查找。

（4）固定液的选择。固定液的选择是实现样品成功分离的关键，一般可按“相似相溶”的原则来选择固定液。具体来说，大致可分为以下6种情况。

①分离非极性组分，一般选用非极性固定液。试样中各组分按沸点从低到高的顺序流出色谱柱。同沸点的极性组分先流出。

②分离极性组分，选用极性固定液。试样中各组分按极性顺序分离，极性小的先流出，极性大的后流出。

③分离中等极性组分，选用中等极性固定液。组分按沸点顺序流出，沸点低的先流出，同沸点的极性小的组分先流出。

④分离非极性和极性混合物，一般选用极性固定液。非极性组分先流出，极性组分后流出。

⑤分离能形成氢键的组分，一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力的大小流出色谱柱，不易形成氢键的先流出，易形成氢键的最后流出。

⑥复杂的难分离组分，可选用两种或两种以上的混合固定液。

对于样品极性情况未知的，一般可用表3-5中常用的几种固定液做试验。

在固定液的选择上，应用较多的还有Rohrschneider/McReynolds（R/M）系统。对于含不同官能团的化合物的分析，R/M系统是有帮助的。例如，当需要对醇的保留作用大于对芳烃的保留作用时，应选用y’与x’之比值较高的固定相。又如，要得到对醇的保留作用比酮大的柱子，需选用y’与z’之比值较高的固定相。此外，如果试验过一种固定液但分离效果不好，则最好选ΣΔI差异在200以上的固定液。

除上面介绍的方法外，还可以利用前人优选出的固定相。目前已有上千种固定相，而且还在不断增加。在前人优选出的固定相中，对填充柱而言，最受欢迎的是甲基硅氧烷（OV-101、SE-30）、50％苯基甲基硅氧烷（OV-17）、Carbowax 20M、中等氰基含量的氰基固定相（OV-275、SP-2300）和50％三氟丙基硅氧烷（OV-202、SP-2401）等；对无机气体和轻烃，高分子多孔微球是优选固定相；对毛细管色谱，甲基硅氧烷、Carbowax 20M、氰丙基硅氧烷或二氟丙基硅氧烷为优选固定相。

3.填充柱的制备

（1）色谱柱的选择、清洗　目前色谱用填充柱一般多采用不锈钢或玻璃柱，早期曾用过铜柱、铝柱，在使用较高的柱温下，铜或铝会发生催化作用破坏样品，现在已很少使用。当分析某些易分解或易发生结构转化的化合物时，如甾族化合物、氨基酸等，多使用更加惰性的玻璃柱。

柱的清洗：玻璃柱要用洗液浸泡洗涤，不锈钢柱则要用5％～10％的热碱（NaOH或KOH）水溶液洗涤，最后用去离子水冲洗至中性，烘干后备用。

选择合适的固定液和合适的担体对色谱分离仅仅是完成了第一步，固定液涂渍及填充是完成色谱分离的关键。

（2）固定液的涂渍　根据选择的固定液配比，称取一定量的固定液溶解在适当的溶剂中。对溶剂的要求是：

①和固定液不发生反应；

②有足够的溶解能力；

③有适宜的挥发度。待固定液全部溶解后，将其放入蒸发皿或烧杯中，把一定量的经过筛分好的担体慢慢均匀地加入到蒸发皿中，以液面稍溢过担体为宜。将蒸发皿放在水浴上加热，温度控制在低于选用的溶剂沸点。慢慢搅拌或晃动蒸发皿，直至无明显液体存在为止。固定液涂渍过程不可图快，也不宜用玻璃棒猛烈搅拌，以免损伤担体。将涂渍好的固定液放在低温烘箱或稍远离红外灯下慢慢烘干备用。

（3）固定相的填充　通常是在柱后接一真空泵抽气，使固定相靠真空吸入柱管，为填充均匀，可用振荡器振动或用小木棒轻轻敲打柱管，使填料填充密实、均匀。在填充过程中不可剧烈敲打振动，以免造成固定相颗粒破碎。

（4）老化处理　装好固定相的柱子不能马上使用，需要进行老化处理。老化的目的是：①除去填充物中残余溶剂和挥发性杂质；②促使固定液均匀牢固地分布在载体表面；③促进填料均匀密实。老化温度应高于实际使用温度，而低于固定液最高使用温度。老化时柱一端接在进样器气路中，另一端悬空在柱箱中，通载气数小时至十几小时，以保证接入检测器后基线稳定。

三、气相色谱操作条件的选择

气相色谱操作条件选择的是否合适，常常决定分离的目的是否能够达到，而选择实验条件的主要依据是范氏方程和分离度与各种色谱参数的关系式。

1.色谱柱的选择

色谱柱的选择包括固定相与柱长两方面，固定相的选择在前面已经叙述，此处仅介绍柱长的选择。从分离度与柱长的关系可知，柱长加长，分离度提高，但分析时间也随之延长，峰宽加大；权衡利弊，通常选择填充柱的长度为0.5～6m。

2.柱温的选择

柱温主要影响分配系数、容量因子以及组分在流动相和固定相中的扩散系数，从而影响分离度和分析时间。选择柱温的原则，一般是在使难分离物质对达到要求的分离度条件下，尽可能采用低柱温，其优点是可以增加固定相的选择性，降低组分在流动相中的纵向扩散、提高柱效，减少固定液的流失、延长柱寿命和降低检测器的本底。对于宽沸程样品，需采用程序升温法进行分离，即柱温按预先设定的程序随时间成线性或非线性增加，从而获得最佳分离效果。

3.载气的选择

载气的种类主要影响峰展宽、柱压降和检测器的灵敏度。从范氏方程可知，当载气流速较低时，纵向扩散占主导地位，为提高柱效，宜采用相对分子质量较大的载气，如N2；当流速较高时，传质阻力项占主导地位，为提高柱效，宜采用低相对分子质量的载气，如H2或He。

载气流速主要影响分离效率和分析时间。为获得高柱效，应选用最佳流速，但所需分析时间较长。为缩短分析时间，一般选择载气流速要高于最佳流速，此时柱效虽稍有下降，却节省了很多分析时间。常用的载气流速为20～80ml·min-1。

考虑到对检测器灵敏度的影响，用热导检测器时，应选用H2或He作载气；用氢火焰离子化检测器时，应选择N2作载气。

4.进样量的选择

进样量的多少直接影响谱带的初始宽度。因此，只要检测器的灵敏度足够高，进样量越少，越有利于得到良好分离。一般情况下，柱越长，管径越粗，组分的容量因子越大，则允许的进样量越多。通常填充柱的进样量为：气体样品0.1～1ml；液体样品0.1～1μl，最大不超过4μl。此外，进样速度要快，进样时间要短，以减小纵向扩散，有利于提高柱效。

5.气化温度的选择

气化温度取决于样品的挥发性、沸点范围及进样量等因素。气化温度选择不当，会使柱效下降。通常气化室的温度选择为样品沸点或高于沸点，以保证样品能瞬间气化；但不要超过沸点50℃以上，以防样品分解。对于一般气相色谱分析，气化温度比柱温高10～50℃即可。

以上介绍的是气相色谱操作条件选择的基本原则，对于实际问题还需结合具体情况灵活应用。

四、毛细管气相色谱法简介

毛细管气相色谱法（capillary gas chromatography，CGC）是采用高分离效能的毛细管柱分离复杂组分的一种气相色谱法，是1957年由美国学者戈雷（Golay）首先提出的，他用内壁涂渍一层薄而均匀固定液的毛细管代替填充柱，解决组分在填充柱中因涡流扩散所致柱效降低的问题。这种色谱柱的固定液涂布在内壁上，中心是空的，故称开管柱，习惯称毛细管柱。由于毛细管柱具有相比大、渗透性好、分析速度快以及柱效高等优点，因而特别适合分离分析组成极为复杂的混合物和痕量物质，现已广泛应用于石油化工、环境科学、食品科学及医药卫生等领域。

1.毛细管柱的种类

毛细管柱指的是内径0.1～0.5mm、长30～300m的色谱柱。毛细管柱分为空心柱与填充柱两类，但由于填充毛细管柱制作困难，很难推广使用，所以通常说的毛细管柱，多指空心毛细管柱。根据柱内固定液涂渍情况不同，空心柱又可分为以下几种。

（1）涂壁空心柱（WCOT）　在玻璃柱的内壁上直接涂渍固定液，其特点是柱效高但柱容量低。

（2）多孔层空心柱（PLOT）　在毛细管内壁上涂一层多孔性吸附剂固体微粒，不再涂固定液。实际上是气固色谱空心柱。

（3）载体涂渍空心柱（SCOT）　先在毛细管内壁上涂覆一层硅藻土载体，然后再在其上涂渍一层固定液。涂覆硅藻土载体的目的是在柱内表面形成微孔层，增大表面积，在液膜厚度不增加的情况下，可提高固定液涂渍量，因此可增大进样量，适用于痕量分析。

（4）键合型空心柱　将固定液用化学键合的方法键合到涂敷硅胶的柱表面或经表面处理的毛细管内壁上。这类柱子热稳定性好，抗溶剂冲洗，柱寿命长。

（5）交联毛细管柱　采用交联引发剂，在高温处理下，将固定液交联到毛细管内壁上。这种柱子具有柱效高、耐高温、不易流失等特点，是目前发展迅速、较理想的一类毛细管柱。

（6）集束毛细管柱　这是由许多支很小内径的毛细管柱组成的毛细管束。这种柱容量高，分析速度快，适于工业分析。

2.毛细管气相色谱仪

毛细管气相色谱仪是在填充柱色谱仪基础上发展起来的，根据毛细管柱的特点，做了某些适当的改进。第一因为毛细管柱体积很小，柱容量小，柱承载的样品量很小，因此，柱前必须加分流装置，保证很少量的样品进入色谱柱。第二在柱后加装尾吹装置，因为毛细管柱中，体积流速很小，为了使在毛细管柱中分离很好的组分不会在检测器中发生混合，在毛细管柱出口加尾吹气，防止组分扩散，保证柱效。

商品化毛细管气相色谱仪包括专用毛细管色谱仪及毛细管与填充柱兼用色谱仪。其流程示意如图3-18所示。

3.毛细管色谱进样技术

毛细管柱由于柱容量很小，因此对进样系统的要求很严格。毛细管进样技术是近年来广大色谱工作者十分关心的重要课题之一。

（1）分流进样　由于毛细管柱的柱容量很小，要在很短的时间里把极小的样品定量地引入毛细管柱中，一般只能采用分流法进样。即在气化室出口分两路，绝大部分放空，极小部分进入毛细管柱，这两部分比例叫分流比，通常控制在50:1至500:1。常见分流结构如图3-19所示。

通常在气相色谱仪气化室适当位置加装分流装置，由针阀手动控制或由电磁阀自动控制分流比。分流进样要求进入气化室的样品迅速气化，并且保证等比例分流，即进入色谱柱的组分比例应该和放空的组分比例相同。这样才能保证分流进样的组分不失真，对定性、定量工作才有意义。要做到等比例分流是很困难的，因此分流进样对痕量组分的定量分析需十分慎重。

（2）格如伯（Grob）不分流进样　不分流进样技术是指由Grob等人利用溶剂效应锐化样品谱带，从而实现稀溶液中痕量分析的一种毛细管气相色谱进样技术。

溶剂效应是利用溶剂在载气携带下，在低的气化室温度和较低的柱温下，稀释样品经进样器缓慢进样后，大量的溶剂向前滚动，形成临时液相，样品谱带前沿在越来越厚的液膜上移动，造成该区内相比随着液膜厚度的增加而递减，而分配比却增加，因而造成组分谱带的前沿移动速度慢，而后沿却相反，移动的速度快。这样，由于溶剂效应使组分谱带锐化或聚焦，使组分分离成一个一个的尖锐的窄峰。

Grob不分流进样，是专指那些借助于“溶剂效应”的Grob型不分流进样方式，其典型操作为：在暂时关闭系统分流阀和选用较低的气化温度、较低的柱温条件下，缓慢地将若干微升稀样品注入进样器，利用溶剂效应来实现稀溶液样品直接注射，实现色谱带浓缩、锐化的进样技术。

4.毛细管色谱法的特点

（1）分离效能高　由于毛细管柱的空心性，气体流路畅通，压降很小，和填充柱相比较，达到同样的压降，柱子可以很长，因此可以使用很长的柱子来增加板数，通常一根毛细管柱的柱效是填充柱的百倍。因此可用来分析极复杂的混合物，正是由于毛细管柱的高效性使其对固定液要求不苛刻，一般有2～3根不同极性的毛细管柱就可解决大部分分析工作。

（2）相比大　即β值大，填充柱的β值一般在6～35之间，而毛细管柱在50～1500之间。β值大，液膜厚度小，传质快，有利于提高柱效和实现快速分析。

（3）操作条件严格　与填充柱相比，毛细管色谱进样要严格得多，不管是分流进样，还是不分流进样，都需满足进样条件的要求，因此操作要仔细、合理，否则会造成较大的分析误差。尾吹气流速要选择合适，否则会造成谱带展宽，严重的会造成柱效下降，分离效果变差。