ATC 010 气相色谱分析技术

本书系中关村材料试验技术联盟（CSTM）合格评定试验人员能力专业委员会与全国分析检测人员能力培训委员会（NTC）联合组编的《CSTM/NTC专业试验与通用基础技术能力系列培训教材》之一。
本书依据CSTM合格评定试验人员能力专业委员会与NTC的《ATC 010气相色谱分析技术考核与培训大纲》编写，包括气相色谱基础、气相色谱仪器与操作、顶空气相色谱和裂解气相色谱、气相色谱新技术及其应用、气相色谱分析方法开发与验证、气相色谱的应用等内容。
本书涵盖了从事气相色谱分析工作的检测人员需要掌握的理论、仪器和应用的通用基础与专业试验知识，并附有思考题，可作为培训气相色谱技术分析检测人员的教材，也可作为高校和科研院所的相关科研、教学人员及分析检测机构技术人员的参考用书。

北京大学化学与分子工程学院教授，博士生导师，现任中国质谱学会副理事长、中国化学会色谱专业委员会副主任、中国分析测试协会副秘书长、北京理化分析测试技术学会副理事长、北京色谱学会名誉理事长。长期从事生物分离与检测技术研究，包括色谱、毛细管电泳、质谱以及联用技术，应用领域包括药物分析、植物激素检测、蛋白质组学和脂质组学分析。曾先后主持国家自然科学基金委重点项目、科学仪器专项、科技部国家科技支撑计划项目、国家重大科技专项等国家和省部级项目多项。担任《Journal of Separation Science》《Journal of Analysis and Testing》和《分析仪器》副主编，《色谱》执行副主编，以及多种国际和国内分析测试类学术期刊编委。迄今发表学术论文300余篇，著作三部。

气相色谱是20世纪50年代初出现的，而其理论研究可追溯到20世纪40年代初英国物理化学家Martin和Synge的工作。他们因对分配色谱理论的贡献获得了1952年的诺贝尔化学奖，巧合的是同一年他们发表了第一篇关于气相色谱的论文。经过80多年的发展，气相色谱已经成为一种非常成熟且应用广泛的仪器分析技术。在现代科学的发展过程中，色谱在有机化学、石油化工、日用化工、环境科学、药物研发、食品安全、地球化学、生命科学、材料合成、法庭科学等领域都起了极为重要的作用。正如Pimentel教授在其名著《化学中的机会》中所写：“可以说，没有任何一种单一的分离技术能像色谱这样分离性能非常接近的化合物，如异构体”。当然，色谱包括气相色谱、液相色谱、超临界流体色谱、场流分级和毛细管电泳等，其中气相色谱以分离分析挥发性物质为特点，是色谱家族中最重要的成员之一。在我国公开的各类标准中，涉及气相色谱的标准方法就有1400多项。
为使分析测试领域的从业者，特别是分析检测人员尽快掌握气相色谱技术的原理和方法，我们编写了这本培训教材。本书依据CSTM合格评定试验人员能力专业委员会和全国分析检测人员能力培训委员会（NTC）的《ATC 010 气相色谱分析技术考核与培训大纲》编写。第1章是气相色谱基础，包括概述和气相色谱基本理论；第2章是气相色谱仪器与操作，包括进样技术、柱技术和检测技术，鉴于气相色谱-质谱联用已经成为常规分析技术，我们专门用一节简单介绍了气相色谱-质谱联用技术的仪器和操作；第3章介绍裂解气相色谱与顶空气相色谱；第4章讨论了几种色谱新技术；第5章是方法开发与验证；第6章从石油化工与能源分析、农药残留分析、环境分析、药物分析、食品分析、法庭分析、保健品分析、兴奋剂检测、生命科学分析、化工与材料分析等10个方面介绍了气相色谱的应用。本书重点讲述气相色谱的分析方法、常用技术和应用，以期给有关分析检测人员提供一本实用教材。第6章又提供了很多联用分析方法的实例，培训时可以根据需要适当选择这些内容，同时读者也可以自学。需要说明一点，考虑到试验条件的准确性，书中有些引自文献的应用保留了原来的计量单位，如ppm（10-6）、psi（磅/平方英寸）等，同时注明了与国际标准单位之间的换算关系。
本书可以作为有关部门培训分析检测人员的教材，也可作为高校和科研院所的研究生以及分析检测机构技术人员的参考书。
本书由刘虎威教授执笔编写，编委会成员傅若农教授、汪正范研究员、佟艳春高级工程师、唐凌天正高级工程师、齐美玲教授和NTC秘书处共同完成。在写作过程中，参考和引用了很多文献资料，在此向文献作者表示诚挚的谢意。王海舟院士对书稿提出许多宝贵意见，并给予很多指导；书稿审阅人和出版社责任编辑投入了大量的心血。在此一并表示感谢！
希望同仁、专家和各位读者朋友能及时指出书中可能存在的不妥之处。

《ATC 010 气相色谱分析技术》编委会
2024年1月

1 气相色谱基础 1
1.1 概述 1
1.1.1 气相色谱发展简史 1
1.1.2 气相色谱的特点 2
1.1.3 气相色谱的分类 2
1.1.4 气相色谱与液相色谱的比较 2
1.1.5 气相色谱文献 4
1.2 气相色谱基本概念 6
1.2.1 气相色谱分离过程 6
1.2.2 气相色谱基本术语 7
1.3 气相色谱基本理论 11
1.3.1 色谱的塔板理论 11
1.3.2 色谱速率理论 13
1.3.3 气相色谱分离优化 19
1.4 气相色谱数据处理 22
1.4.1 基本要求 22
1.4.2 数据处理基本参数 23
1.4.3 色谱定性分析方法 25
1.4.4 色谱定量分析方法 26
进一步阅读建议 28
习题和思考题 29

2 气相色谱仪器与操作 31
2.1 气相色谱仪器组成和配置 31
2.1.1 仪器的组成 31
2.1.2 仪器的购置 32
2.2 气路系统 33
2.2.1 气源 33
2.2.2 气路控制系统 34
2.2.3 电子气路控制 36
2.3 进样口及其操作 37
2.3.1 常用进样口的技术指标 37
2.3.2 进样口对谱带展宽的影响及其消除方法 38
2.3.3 常用进样口的特点及其选择 40
2.3.4 填充柱进样口及其操作 44
2.3.5 分流/不分流进样口及其操作 46
2.3.6 柱上进样口及其操作 51
2.3.7 程序升温进样口及其操作 53
2.3.8 大体积进样技术及其操作 55
2.3.9 阀进样技术及其操作 61
2.4 色谱柱系统 64
2.4.1 柱箱尺寸与控温 64
2.4.2 色谱柱的类型与选择 65
2.4.3 填充柱及其制备 66
2.4.4 毛细管柱及其制备 71
2.4.5 色谱柱操作注意事项 73
2.5 检测器及其操作 75
2.5.1 检测器的分类和特点 75
2.5.2 检测器的性能技术指标 76
2.5.3 热导检测器及其操作 78
2.5.4 火焰离子化检测器及其操作 79
2.5.5 氮磷检测器及其操作 81
2.5.6 电子捕获检测器及其操作 82
2.5.7 火焰光度检测器及其操作 83
2.5.8 其他检测器简介 83
2.5.9 检测器的选用及尾吹气的问题 85
2.6 GC-MS简介 86
2.6.1 质谱基础 86
2.6.2 GC-MS仪器 99
2.6.3 GC-MS数据处理 102
2.7 仪器的校准和使用中检查 106
2.7.1 GC仪器校准的计量性能要求 106
2.7.2 检定/校准用标准物质和设备 106
2.7.3 检定/校准方法 107
2.7.4 检定周期和内容 108
进一步阅读建议 109
习题和思考题 109

3 顶空气相色谱和裂解气相色谱 111
3.1 顶空气相色谱技术及其操作 111
3.1.1 概述 111
3.1.2 静态顶空气相色谱技术及操作 112
3.1.3 动态顶空气相色谱技术及操作 132
3.1.4 热解吸进样技术及操作 137
3.2 裂解气相色谱技术及其操作 139
3.2.1 概述 139
3.2.2 裂解气相色谱原理 140
3.2.3 裂解条件及其优化 142
3.2.4 谱图解析与数据处理 146
3.2.5 裂解装置和裂解色谱的有关技术 149
3.2.6 裂解气相色谱的有关技术 158
3.2.7 裂解色谱的典型应用 160
进一步阅读建议 172
习题和思考题 172

4 气相色谱新技术及其应用 173
4.1 快速气相色谱 173
4.1.1 快速气相色谱的定义 173
4.1.2 实现快速气相色谱的途径 173
4.1.3 快速气相色谱应用举例 174
4.1.4 快速气相色谱的操作注意事项 177
4.2 保留时间锁定 179
4.2.1 保留时间锁定的原理 179
4.2.2 保留时间锁定软件 181
4.2.3 保留时间锁定的应用 181
4.3 微型气相色谱及其应用 185
4.3.1 微型气相色谱的特点 185
4.3.2 微型气相色谱仪器 186
4.3.3 微型气相色谱的应用 186
4.4 高温气相色谱及其应用 190
4.4.1 高温气相色谱固定液 190
4.4.2 高温气相色谱柱材料 191
4.4.3 高温气相色谱的应用 191
4.5 多维气相色谱及其应用 192
4.5.1 多维色谱概述 192
4.5.2 二维气相色谱的仪器 194
4.5.3 二维气相色谱的应用举例 195
4.6 超临界流体色谱简介 200
4.6.1 超临界流体色谱的原理 200
4.6.2 超临界流体色谱的仪器 200
4.6.3 超临界流体色谱的应用 201
进一步阅读建议 203
习题和思考题 203

5 气相色谱分析方法开发与验证 204
5.1 降低气相色谱分析检测限的途径 204
5.1.1 样品浓缩 204
5.1.2 使用选择性高灵敏度检测器 204
5.1.3 降低仪器系统噪声 204
5.1.4 改变进样方式 205
5.2 气相色谱分析样品制备 205
5.2.1 引言 205
5.2.2 固相萃取 208
5.2.3 固相微萃取 211
5.2.4 微波辅助萃取 214
5.2.5 超临界流体萃取 216
5.2.6 加压流体萃取 220
5.2.7 衍生化技术 222
5.3 气相色谱分析方法开发 224
5.3.1 方法开发的一般步骤 224
5.3.2 方法的验证 229
5.4 色谱分析结果的不确定度评定与质量保证 231
5.4.1 不确定度的定义 231
5.4.2 不确定度的评定 232
5.4.3 不确定度评定举例 236
5.4.4 色谱实验室质量控制与管理 242
5.5 气相色谱实验室的良好习惯 244
进一步阅读建议 246
习题和思考题 246

6 气相色谱的应用 248
6.1 概述 248
6.2 石油化工与能源分析 248
6.2.1 天然气成分分析 248
6.2.2 炼厂气分析 254
6.2.3 模拟蒸馏 257
6.2.4 汽油基本组成分析 259
6.2.5 柴油组成的分析 261
6.3 农药残留分析 262
6.3.1 概述 262
6.3.2 QuEChERS农药多残留分析方法 263
6.3.3 有机磷农药残留的检测 265
6.3.4 有机氯和拟除虫菊酯类农药残留的检测 267
6.3.5 氨基甲酸酯类农药残留的检测 270
6.4 环境分析 271
6.4.1 概述 271
6.4.2 多环芳烃的分析 271
6.4.3 二英和多氯联苯的分析 277
6.4.4 多溴联苯醚的分析 289
6.4.5 挥发性有机物的分析 292
6.4.6 其他重要污染物的分析 299
6.5 药物分析 307
6.5.1 引言 307
6.5.2 农药及溶剂残留分析 308
6.5.3 中药成分分析 315
6.5.4 化学药成分分析 318
6.5.5 手性药物测定 325
6.6 食品分析 326
6.6.1 引言 326
6.6.2 农药残留和PAHs检测 326
6.6.3 食品添加剂分析 329
6.6.4 非法添加和有毒有害化学品的测定 333
6.7 法庭分析 340
6.7.1 引言 340
6.7.2 一般物证鉴定 340
6.7.3 滥用药物分析 342
6.7.4 爆炸残留物的分析 350
6.8 兴奋剂检测和保健品分析 354
6.8.1 运动兴奋剂检测 354
6.8.2 保健品分析 359
6.9 生命科学分析 365
6.9.1 引言 365
6.9.2 代谢组学分析 365
6.9.3 脂质组学分析 369
6.9.4 体内药物分析 372
6.10 化工与材料分析 374
6.10.1 化妆品分析 374
6.10.2 材料分析 381
6.10.3 其他应用 386
进一步阅读建议 386
习题和思考题 387

参考文献 388

附录Ⅰ 我国有关GC分析的部分现行标准 393

附录Ⅱ 本书所用英文缩写和符号表 394