气相色谱法检测室内空气品质

　　色谱过程是物质分子在相对运动的两相间反复分配“平衡”的过程。在混合物中，若两个组分的分配系数(distribution coefficient)不等，则会产生差速迁移而实现分离。
 

　　从二十世纪初起，特别是在近50年中，气相色谱法、高效液相色谱法及薄层扫描法得到了飞速发展，广泛用于各个领域，成为多组分混合物的*重要的分析方法，在各学科中起过和起着重要作用。
 

　　色谱技术的使用可以追溯到1906年，俄国植物学家Tsweet将碳酸钙放在竖立的玻璃管中，从顶端倒入植物色素的石油醚浸取液，并用石油醚冲洗。在管的不同部位形成色带，因而命名为色谱。管内填充物称为固定相(stationary phase)，冲洗剂称为流动相(mobile phase)。
 

　　随后，色谱技术得到进一步发展，到二十世纪五十年代，气相色谱法达到了在线分析的新水平，奠定了现代色谱法的基础;二十世纪六十年代，气相色谱一质谱联用技术(GC-MS)的发展弥补了色谱法定性能力弱的缺点;二十世纪七十年代，高效液相色谱法(HPLC)，用于难挥发、热不稳定及高分子产品分析，扩大了色谱法的应用范围;随着超临界流体色谱法和高效毛细管电泳法的提出，色谱技术得到了更为广泛的使用。
 

　　 色谱法的分类

　　色谱法的种类很多，它的分类方法主要有以下三种：

　　1.按流动相与固定相的分子聚集状态，可分为气相色谱法(gas chromatography，GC)、液相色谱法(liquid chromatography，LC)和超临界流体色谱法(supercritical fluid chromatography，SFC)等;按固定相的不同，气相色谱法可进一步分为气一固色谱法(GSC)和气一液色谱法(GLC)，液相色谱法可进一步分为液一固色谱法(LSC)和液一液色谱法(LLC)。
 

　　2.按操作形式的不同，可分为柱色谱法(column chromatography)、平板色谱法(Planar或Plane chromatography)和毛细管电泳法(capillary electrophoresis，CE)。
 

　　在将固定相装于柱管内构成的色谱柱内进行色谱过程的方法称为柱色谱法，又可分为填充柱(packed column)色谱法、毛细管柱(capillary column)色谱法和微填充柱(microbore packed column)色谱法等。
 

　　在固定相构成的平面状层内进行色谱过程的方法称为平板色谱法，又可分为纸色谱法(paper chromatography)、薄层色谱法(thin layer chromatography，TLC)和薄膜色谱法(thin film chromatography)等。
 

　　利用组分在电场作用下的迁移速度不同进行分离的方法称为毛细管电泳法。
 

　　3.按色谱过程分离机制的不同，色谱法可分为：分配色谱法(partition chromatography)、吸附色谱法(adsorption chromatography)、离子交换色谱法(ion exchange chromato-graphy，IEC)、空间排阻色谱法(steric exclusion chromato-graphy，SEC)、亲和色谱法(affinity chromatography)等。
 

　　分配色谱法

　　分配色谱法利用被分离组分在固定相或流动相中的溶解度差别而实现分离。其固定相为液体，GLC和LLC都属于分配色谱法范围。
 

　　在分配色谱中，溶于流动相与溶于固定相的溶质分子处于动态平衡，平衡时浓度之比(严格应为活度比)为狭义分配系数(partition coefficient)：;
 

　　溶质分子在固定相中溶解度越大，或在流动相中溶解度越小，则K越大。在LLC中K主要与流动相的性质(种类与*性)有关;在GLC中K与固定相*性和柱温有关。
 

　　吸附色谱法

　　吸附色谱法利用被分离组分对固体表面活性吸附中心吸附能力的差别而实现分离。其固定相为固体吸附剂，大部分GSC和LSC都属于吸附色谱法。
 

　　吸附过程是样品中各组分的分子(X)与流动相分子(Y)争夺吸附剂表面活性中心(即为竞争吸附)的过程。吸附平衡可以表示为：
 

　　Xm+nYa=X+nYm
 

　　流动相中组分的分子Xm与吸附在吸附剂表面的n个流动相分子Ya相置换，组分的分子被吸附，以Xa表示。流动相分子回至流动相内部，以Ym表示。吸附平衡常数称为吸附系数(Ka)，可近似用浓度商表示：;
 

　　因为流动相的量很大，[Ym]n/[Ya]n近似于常数，且吸附只发生于吸附剂表面，所以，吸附系数可写成：
 

　　Ka=[Xa]/[Xm]=(Xa/Sa)/(Xm/Vm)
 

　　式中Sa为吸附剂的表面积，Vm为流动相(展开剂)的体积。吸附系数与吸附剂的活性、组分的性质和流动相的性质有关。
 

　   离子交换色谱法

　　离子交换色谱法利用被分离组分离子交换能力的差别而实现分离。其固定相为离子交换树脂，按可交换离子的电荷符号又可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。
 

　　空间排阻色谱法

　　空间排阻色谱法根据被分离组分分子的线团尺寸而进行分离。其固定相是多孔性填料凝胶，故此法又称为凝胶色谱法(gel chromato-graphy)，也称为分子排阻色谱法。以有机溶剂为流动相者称为凝胶渗透色谱法(gel permeation chromatography，GPC);以水溶液为流动相者为凝胶过滤色谱法(gel filtration chromatography，GFC)。
 

　　凝胶色谱法的分离机制与前三种色谱法完全不同，它只取决于凝胶的孔径大小与被分离组分线团尺寸之间的关系，与流动相的性质无关。其作用类似于分子筛的作用。
 

　　气相色谱法

　　气相色谱法简介

　　以气体为流动相的色谱法称为气相色谱法，按上述分类方法，气相色谱法属于柱色谱法。按固定相的物态可分为：气一固色谱法(GSC)和气一液色谱法(GLC);按柱的粗细和填充情况可分为：填充柱色谱法和毛细管柱色谱法(内径一般0.01至0.75mm)。
 

　　气相色谱法的一般流程如图3所示，载气由高压气瓶供给，经压力调节器降压，经净化器脱水及净化，由稳压阀调至适宜的流量而进入色谱柱，经检测器流出色谱仪。待流量、温度及基线稳定后，即可进样。液态样品用微量注射器吸取，由进样器注入，气态样品可用六通阀或注射器进样，样品被载气带入色谱柱。
 

　　1.载气瓶2.压力调节器(a.瓶压，b.输出压力) 3.净化器4.稳压阀5.柱前压力表 6.转子流量计7.进样器 8.色谱柱9.色谱柱恒温箱10.馏分收集口(柱后分流阀) 11.检测器12.检测器恒温箱13.记录器14.尾气出口
 

　　气相色谱法具有很多优点，如分离效能高、选择性好、灵敏度高、样品用量少、分析速度快、应用范围广等;它*的弱点是受样品蒸气压限制，对于挥发性较差的液体、固体，需采用制备衍生物或裂解等方法，增加挥发性。据统计，能用气相色谱法直接分析的有机物约占全部有机物的20%。
 

　　2.2 气相色谱法基本概念

　　1.色谱峰(流出峰)

　　由电信号强度对时间作图所绘制的曲线称为色谱流出曲线。流出曲线(图4)上的突起部分称为色谱峰。正常色谱峰为对称形正态分布曲线，曲线有*高点，以此点的横坐标为中心，曲线对称地向两侧快速、单调下降。
 

　　• 拖尾峰(tailing peak)：前沿陡峭，后沿平缓

　　• 前延峰(leading peak)：前沿平缓，后沿陡峭
 

　　对称因子或叫拖尾因子fS(Symmetry factor) 的定义见图5，fs=W0.05h/2A = (A+B)/2A;0.95< fs <1.05为对称峰，fs< 0.95为前延峰;fs >1.05为拖尾峰。
 

　　一个组分的色谱峰可用三项参数即峰高或峰面积(用于定量)、峰位(用保留值表示、用于定性)及峰宽(用于衡量柱效)说明。
 

　　2.基线

　　在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线称为基线。稳定的基线应是一条平行于横轴的直线。基线反映仪器(主要是检测器)的噪音随时间的变化。
 

　　3.保留值(滞留值)

　　(1)保留时间(retention time, tR)：

　　从进样开始到某个组分的色谱峰顶点(柱后某组分出现浓度*大)的时间间隔。
 

　　(2)死时间(dead time, t0)：

　　分配系数为零的组分的保留时间称为死时间。通常把空气或甲烷视为此种组分，用来测定死时间。
 

　　(3) 调整保留时间(adjusted retention time)：

　　某组分由于溶解(或被吸附)于固定相，比不溶解(或不被吸附)的组分在柱中多停留的时间称为调整保留时间，又称为校正保留时间。调整保留时间与保留时间和死时间有如下关系：

　　t’R=tR-t0
 

　　在实验条件(温度、固定相等)一定时，调整保留时间仅决定于组分的性质 (调整保留时间是实验条件的函数) ，因此调整保留时间是定性的基本参数。
 

　　(4) 保留体积(retention volume, VR)：

　　从进样开始到某个组分在柱后出现浓度*大时，所需通过色谱柱的载气体积。对于正常峰， VR为该组分的 1/2量被带出色谱柱时所消耗的载气体积。 VR与tR和载气流速(Fc，ml/min)有如下关系： VR=tR× Fc，对一定tR的物质，VR与载气流速无关。
 

　　(5) 死体积(dead volume, V0)：

　　由进样器至检测器的流路中未被固定相占有的空间称为死体积，包括进样器至检测器间各导管的容积、色谱柱中固定相颗粒间间隙、及检测器内腔容积的总和。死体积与死时间和载气流速有如下关系：

　　V0=t0× Fc
 

　　死体积大，色谱峰扩张(展宽)，柱效降低。死时间相当于载气充满死体积所需的时间。
 

　　(6)调整保留体积(V’R)：

　　由保留体积扣除死体积后的体积，V’R=VR- V0 =t’R× Fc ，V’R与载气流速无关，是常用的色谱定性参数之一。
 

　　4.色谱峰区域宽度

　　(l)标准差(s)：s 为正态分布曲线上两拐点间距离之半。在色谱中，s 的大小表示组分被带出色谱柱的分散程度，s 越小，柱效越高。在tR+s 及tR-s 间的面积为峰面积的68.3%，即流出组分量为该组分总量的68.3%。对于正常峰，s 为0.607倍峰高处的峰宽之半。
 

　　因为峰高h为0.3989，0.2420相当于 0.607h，因此拐点在峰高的0. 607倍处。由于 0. 607 h不好测量，故区域宽度还常用半峰宽描述。
 

　　(2)半峰宽(peak width at half height;W1/2或Y1/2)：

　　峰高一半处的峰宽称为半峰宽，又称为半腰宽及半宽度等。W1/2=2.355s。
 

　　(3)峰宽(peak width; W)：

　　通过色谱峰两侧的拐点作切线，在基线上的截距称为峰宽，或称基线宽度，也可用Y表示。
 

　　W=4s 或W=1.699W1/2

　　W1/2与W都是由s 派生而来的，除用它们衡量柱效外，还用它们计算峰面积。
 

　　5.相平衡参数

　　色谱过程是相平衡过程。常用的相平衡参数有分配系数(K)及容量因子(k)，分配系数与保留时间的关系为：tR=t0(1+KVs/Vm)，由此式可见，在色谱柱一定时，Vs与Vm一定;若流速、温度一定，则tR一定。这样tR取决于分配系数K，K大的组分tR长。K与组分、流动相和固定相的性质及温度有关。因此，在实验条件一定时，tR取决于组分的性质，因而tR 可用于定性。进而可得t’R / t0 = k，说明k表示组分在色谱柱中多停留的时间与死时间的倍数，k大则保留时间长。
 

　　3 气相色谱的定性与定量分析方法

　　3.1 定性分析方法

　　色谱定性分析是鉴定样品中各组分是何种化合物。用气相色谱法对范围未知的混合物单纯用气相色谱法定性则很困难。常需与化学分析或其它仪器分析方法配合。
 

　　1.利用保留值定性

　　(1)已知物对照法：根据同一种物质在同一根色谱柱上和相同的操作条件下保留值相同的原理进行定性。
 

　　将适量的对照物质加入样品中，若加入后某色谱峰相对增高，则该组分与对照物可能为同一物质;再选一根与所用色谱柱*性差别较大的柱，再进行实验。若两根柱上该色谱峰都产生增高现象，一般可认定二者是同一物质。
 

　　(2)利用相对保留值定性：

　　测定各组分的相对保留值，与文献数据对比进行定性。 ris是待定性组分(i)与参考物质(s)的调整保留值之比，即：
 

　　由于分配系数只取决于组分的性质、柱温与固定液的性质，因而r;s与固定液的用量、柱长、载气流速及柱填充情况等无关。故气相色谱手册及文献都登载相对保留值。利用此法时，先查手册，根据手册规定的实验条件及参考物质进行实验。
 

　　相对保留值定性法适用于所有组分已知的情况，也可与已知物对照法相结合，先用此法缩小范围，再用已知物进行对照。
 

　　(3) 利用保留指数定性：

　　许多手册上都刊载各种化合物的保留指数，只要固定液及柱温相同，就可以利用手册数据对物质进行定性。保留指数测定的重复性及准确性均较好(相对误差
 

　　2.利用化学反应定性

　　把由色谱柱流出的待鉴定组分(馏分)通入官能团分类试剂中，观察是否发生反应(显色或产生沉淀)，判断该组分含什么官能团或属何类化合物。例如，鉴定醛、酮可用2,4-二硝基苯肼试剂。若产生橙色沉淀，则说明组分为l~8个碳原子的酮或醛。检查各类官能团的试剂及配制方法可参考有关参考书。
 

　　若用热导检测器，可在组分开始起峰时将尾气直接通入装有官能团分类试剂的试管中，待该峰将出完时，观察试剂是否反应。若用氢火焰检测器必须在色谱柱及检测器间装上柱后分流阀，接收组分。因为样品在氢焰中被破坏，不能直接用尾气检查。
 

　　3.利用联用技术(hyphenated techniques)定性

　　把气相色谱仪作为分离手段，把质谱仪、红外分光光度计等充当检测器，称为色谱一光谱联用，简称两谱联用。联用方式有两种：在线联用(on-line coupling)是把色谱分离后的组分峰直接导入质谱等分析;以及非在线联用(off-line coupling)是分别收集气相色谱分离后的各纯组分，而后用光谱仪器测定它们的光谱，进行定性。目前比较成熟的在线联用仪有：
 

　　(l)气相色谱一质谱联用仪(GC-MS)：

　　由于质谱的灵敏度高(需样量仅10-11~10-8 g)、扫描时间快(0～1000质量数，扫描时间可短于1s)，并能准确测定未知物的分子量，给出许多结构信息。因此，气相色谱一质谱联用是目前*成功的联用仪器。它在获得色谱图的同时，可得到对应于每个色谱峰的质谱图。根据质谱对每个色谱组分进行定性。
 

　　(2)气相色谱-红外光谱联用：

　　傅里叶变换红外分光光度计(Fourier transform infrared spectrograph FTIR)扫描速度快(全波数扫描0.l至几秒)，灵敏度高(信号可累加)，而且红外吸收光谱的特征性强，因此气相色谱一傅里叶变换红外联用仪(GC-FTIR)也是一种很好的联用仪器，能对组分进行定性鉴定。但其灵敏度与图谱自动检索不如 GC-MS。
 

　　3.2 定量分析方法

　　定量分析的依据是在实验条件恒定时峰面积与组分的量成正比Wi = fi’/Ai，其中fI’为峰面积和比例常数 (称为校正因子)。在各种操作条件(色谱柱、温度、流速等)不变时，在一定进样范围内，色谱峰的半峰宽与进样量无关。因此Wi = fi’’/hi。
 

　　(一) 峰面积的计算

　　1.峰高乘半峰宽法

　　A=l.065h´W1/2
 

　　2.峰高乘平均峰宽法

　　A= 1. 065h ´(W0.15+W0.85)/2
 

　　3.自动求积法

　　目前的气相色谱仪都带有数据处理机或色谱工作站，能自动打印或显示出峰面积(一般为mV•s)及峰高。这类仪器测量的准确度高(RSD为0.2%～l%)，线性范围宽(>105)，操作简便，而且可根据峰形确定切割方式与基线处理方法。
 

　　(二) 定量校正因子

　　相同量的不同物质常产生不同值的峰面积或峰高。这样，各组分峰面积或峰高的相对百分数并不等于样品中各组分的百分含量。因此引入定量校正因子，将各峰面积或峰高校正以定量代表物质的量。
 

　　1. 定量校正因子的定义

　　从 Wi=f’i Ai可得峰面积表示的*定量校正因子f’i： f’i =Wi /Ai，即单位峰面积所代表的物质量。

　　峰高表示的*定量校正因子即单位峰高代表的物质量。*定量校正因子的值随色谱实验条件而改变，因而很少使用。

　　在实际工作中一般采用相对校正因子。其定义为某物质i与所选定的基准物质s的*定量校正因子之比，即：

　　式中 W以重量表示，因此fw又称为相对重量校正因子，通常称为校正因子(f )。
 

　　2. 定量校正因子的测定

　　需要自己测定物质的校正因子时，准确称取待测校正因子的物质i (纯品)和所选定的基准物质s，混合均匀后进样，测得两色谱峰面积Ai和As，用上式求得物质i的相对重量校正因子。

　　如采用归一化法定量时，选择样品中某一组分为基准物质。测定校正因子的条件(检测器类型)应与定量分析的条件相同。还应该注意的是，使用热导检测器时，以氢气或氦气作载气测得的校正因子相差不超过3%，可以通用，但以氮气作载气测得的校正因子与前二者相差很大，不能通用。而氢焰检测器的校正因子与载气性质无关。
 

　　(三) 定量方法

　　气相色谱定量方法分为归一化法、外标法、内标法、内标对比法及叠加法等。
 

　　1. 归一化法(normalization method) 如果样品中所有组分都能产生信号，得到相应的色谱峰，那么可以用如下归一化公式计算各组分的含量。

　　若样品中各组分校正因子相近，可将它们消去，直接用峰面积归一化法计算。
 

　　归一化法的优点是：简便、准确、定量结果与进样量重复性无关(在色谱柱不超载的范围内)、操作条件略有变化时对结果影响较小。缺点是：必须所有组分在一个分析周期内都流出色谱柱，而且检测器对它们都产生信号。不适于微量杂质的含量测定。
 

　　2.外标法(external standardization)

　　用待测组分的纯品作对照物质，以对照物质和样品中待测组分的响应信号相比较进行定量的方法称为外标法
 

　　(1)工作曲线法

　　用对照物质配制一系列浓度的对照品溶液确定工作曲线，求出斜率、截距。在完全相同的条件下，准确进样与对照品溶液相同体积的样品溶液，根据待测组分的信号，从标准曲线上查出其浓度，或用回归方程计算。工作曲线法也可以用外标二点法代替。通常截距应为零，若不等于零说明存在系统误差。工作曲线的截距为零时，可用外标一点法(直接比较法)定量。
 

　　(2)外标一点法

　　用一种浓度的对照品溶液对比测定样品溶液中i组分的含量。将对照品溶液与样品溶液在相同条件下多次进样，测得峰面积的平均值，用下式计算样品中i组分的量：

　　Wi =Ai (Wi)s/(Ai)s

　　式中Wi与Ai分别代表在样品溶液进样体积中所含i组分的重量及相应的峰面积。(Wi)s及(Ai)s分别代表在对照品溶液进样体积中含纯品i组分的重量及相应峰面积。外标法方法简便，不需用校正因子，不论样品中其他组分是否出峰，均可对待测组分定量。但此法的准确性受进样重复性和实验条件稳定性的影响。此外，为了降低外标一点法的实验误差，应尽量使配制的对照品溶液的浓度与样品中组分的浓度相近。
 

　　3.内标法

　　选择样品中不含有的纯物质作为对照物质加入待测样品溶液内，以待测组分和对照物质的响应信号比，测定待测组分含量的方法称为内标法。该对照物质称为内标物。

　　在一个分析周期内不是所有组分都能流出色谱柱(如有难气化组分)，或检测器不能对每个组分都产生信号，或只需测定混合物中某几个组分的含量时，可采用内标法。

　　准确称量W克样品，再准确称量Ws克内标物，加至样品中，混匀，进样。测量待测组分i的峰面积Ai及内标物的峰面积As，则i组分在W克样品中所含的重量Wi，与内标物的重量Ws，有下述关系：

　　待测组分 i在样品中的百分含量 Ci%为：

　　对内标物的要求：

　　①内标物是原样品中不含有的组分

　　②内标物的tR应与待测组分相近，但能完全分离(R>1.5)

　　③内标物必须是纯度合乎要求的纯物质。
 

　　内标法的优点是：

　　①在色谱柱不超载的范围内，定量结果与进样量重复性无关

　　②只要被测组分及内标物出峰，且分离度合要求，就可定量，

　　③很适用于测定药物中微量有效成分或杂质的含量。

　　由于杂质(或微量组分)与主要成分含量相差悬殊，无法用归一化法测定含量，用内标法则很方便。但样品配制比较麻烦和内标物不易找寻是其缺点。
 

　　4.气相色谱仪在IAQ方面的应用

　　对于室内常见的几种VOC，例如苯、甲苯、二甲苯等都可以使用气相色谱仪来分析。使用的仪器设备有：气相色谱仪、大气采样仪、高纯氮气、空气源、氢气发生器、热解析仪、活性炭采样管等。

　　具体操作流程包括气体采样和色谱分析两部分。采样时，将两端封闭的活性炭管打开，根据标出的采样方向，利用胶皮管与采样器连接;设定采样时间为10min，采样流量为1L/min，共采气10L;仪器将自动定时采样，采样完毕后，将活性炭管两端封闭，立即进行分析或置于冰箱中保存。气相色谱分析的具体流程。
 

　　5.总结

　　使用气相色谱法可以检测室内空气多种常见的VOCs气体，通过对室内VOCs浓度的监测，可以科学地指导室内污染控制策略，方便地观测对污染气体控制和治理的效果，有助于室内空气品质的提高。
 

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