环境现代仪器分析实验：有机污染物的仪器分析方法

有机污染物分析主要采用气相色谱法（GC）和液相色谱法（HPLC）。气相色谱常用于分析挥发性有机物及半挥发性有机物，更适用于热稳定好，相对分子质量中等，非极性及部分中等极性有机化合物；高效液相色谱法适用于分析沸点高不易挥发的、受热不稳定易分解的、相对分子质量大的、不同极性的有机化合物。

1.气相色谱法

气相色谱仪由载气系统，进样系统（进样口），色谱柱和柱温箱，检测器组成。针对某种或某类有机污染物开发GC分析方法时，色谱柱和检测器是最主要考虑的两方面。在气相色谱分析中，某一多组分化合物中各组分能否完全分离，主要取决于色谱柱的效能和选择性，后者在很大程度取决于固定相选择是否适当，因此选择适当的固定相就成为色谱分析中的关键。

色谱柱分为填充柱和毛细管柱。填充柱是填充了固定相的金属柱或玻璃柱，内径为2～5mm，柱长为0.5～10m。毛细管色谱柱是近几十年发展的一种高柱效、快速、高灵敏度的色谱柱，广泛应用于气相色谱。毛细管色谱柱是把高分子量、热稳定性聚合物涂渍到内径为0.05～0.53mm 的毛细管内，形成0.1～10μm 的膜厚，此聚合物涂层称为固定相。选择毛细管色谱柱时，除了考虑固定相外，还应考虑柱长、内径、膜厚等因素。多孔层开管柱（PLOT 柱）是将气-固固定相的小而多孔的微粒用黏合剂或相似的方法黏附在毛细管内壁，用于易挥发性溶质（主要是气体）的分离。商品化的毛细管色谱柱为气相色谱法的应用提供了多种选择，表5-3列出了部分厂商的毛细管色谱柱性能。

表5-3　部分厂商毛细管色谱柱性能

检测器的作用是将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相应的电信号，是气相色谱仪中的主要组成部分。常用的气相色谱检测器有热导检测器（TCD），氢火焰离子化检测器（FID），电子捕获检测器（ECD）及火焰光度检测器（FPD）。TCD 是通用型检测器，适用于各种无机气体和有机物的分析，但由于灵敏度不高，现在多用于分析一些其他检测器无法检测的无机气体，如氢、氧、氮、一氧化碳、二氧化碳等。FID 是准通用型检测器，是对几乎所有可在进样口挥发的有机化合物均有响应，对所有烃类化合物（碳数≥3）的相对响应值几乎相等，对含杂原子的烃类有机物中的同系物（碳数≥3）的相对响应值也几乎相等，而且具有灵敏度高（10-13～10-10 g／s），线性范围宽（106～107），响应快（～1ms），对气体流速、压力和温度变化不敏感等优点，已经成为应用最广泛的气相色谱检测器。ECD 检测器是有选择性的高灵敏度的检测器，只对具有电负性的物质，如含卤素、硫、磷、氮的物质有信号。物质的电负性越强，也就是电子吸收系数越大，检测器灵敏度越高，而对电中性（无电负性）物质，如烷烃等，则无信号。它主要用于分析测定卤化物，含磷（硫）化合物以及过氧化物，硝基化合物，金属有机物，金属螯合物，甾族化合物，多环芳烃和共轭羟基化合物等电负性物质。FPD 检测器对有机磷、有机硫的响应值与碳氢化合物的响应值之比可达104，因此可排除大量溶剂峰及烃类的干扰，非常有利于痕量磷、硫的分析，是检测有机磷农药和含硫污染物的主要工具。

质谱检测器（MSD）由于具有提供目标化合物结构信息的强大功能，使得气相色谱质谱联用仪（GC-MS）成为有机物分析中最重要的仪器之一。质谱仪是可以单独进样的分析仪器，当其与气相色谱联用时，质谱仪具备了多目标物分离的功能，被视为气相色谱的检测器。如今的质谱部分体积不断缩小，与气相色谱渐成一体，GC 的毛细管柱末端直接接到MS的离子源。质谱检测器主要由离子源，质量分析器和检测器组成。GC-MS的离子源主要是电子电离源（EI源）和化学电离源（CI源），质量分析器主要有四级杆，飞行时间和离子肼和磁质量分析器。环境分析实验室最常用的是EI源-单四级杆GC-MS。另外，串联四级杆GC-MS-MS是复杂样品中目标化合物定量的强有力工具。

GC-MS最大的优点是可以用来进行未知物定性。人们将在EI源内70eV 电子轰击得到的纯物质的标准谱图做成已知化合物的标准质谱谱库，然后将在上述电离条件下得到的未知化合物的质谱图和标准谱库内的质谱图按照一定的程序进行比较，筛选出匹配度高的化合物，并给出这些化合物的名称、分子量、分子式、结构式和相似度，这对解析未知化合物和定性分析有很大帮助，所以质谱谱库已经成为GC-MS中不可缺少的一部分。目前，常用的通用标准质谱谱库有：①NIST 库，由美国国家标准和技术研究所（NIST）出版；②NIST／EPA／NIH 库，由NIST、EPA 和美国国立卫生研究院（NIH）共同出版；③Wiley库。它们由美国Wiley公司出版。另外还有如农药库、药物库等专用库。

2.液相色谱法

高效液相色谱仪的工作过程：样品经自动进样器导入，输液泵将流动相（经过在线过滤器）以稳定的流速（或压力）输送至分析体系，流动相将样品带入色谱柱，在色谱柱中各组分因在固定相中的分配系数不同而被分离，并依次随流动相流至检测器，检测到的信号送至数据系统记录、处理和保存。(www.xing528.com)

同气相色谱一样，色谱柱和检测器是液相色谱法实现色谱分离和检测的核心部分。色谱柱内，目标化合物与固定相、流动相之间发生吸附与分配作用。液固色谱或称吸附色谱是经典的液相色谱法，固定相为固体吸附剂；液液色谱或称分配色谱，其固定相是惰性载体上物理涂渍的固定液；目前获得日益广泛应用的是化学键合相色谱法，是由液液分配色谱发展起来的，其固定液不是物理涂渍，而是其有机官能团通过化学反应共价键合到载体表面，生成化学键合的固定相。

根据固定相与流动相相对极性的强弱，液相色谱可分为正相色谱和反相色谱。正相色谱中流动相极性小于固定相极性，使用极性吸附剂的液固色谱、正相液液分配色谱、正相键合相色谱皆可称为正相色谱；反相色谱中流动相极性大于固定相极性，使用非极性吸附剂的液固色谱、反相液液分配色谱、反相键合相色谱皆可称为反相色谱。在高效液相色谱法中，70%～80%的分析任务由反相键合相色谱法来完成。

正相色谱常用的固定相是氨基与氰基化学键合相，流动相主选溶剂为烷烃类，常加入适当的有机溶剂进行调节；常用的有机调节剂为乙醇，异丙醇，四氢呋喃，三氯甲烷等。由于固定相是极性填料，流动相是非极性或弱极性溶剂，因此在正相洗脱时，样品中极性小的组分先流出色谱柱，极性大的组分后流出色谱柱。这是极性小的组分在固定相中的溶解度小，容量因子小的缘故。正相色谱主要用于分离极性及中等极性的分子型物质。

反相色谱一般用非极性固定相，常用的固定相是十八烷基硅烷键合硅胶（octadecyl silane，ODS；或用C18表示）与辛烷基硅烷键合硅胶（用C8 表示）化学键合相，流动相主要为水，与水互溶的有机溶剂为调节剂，常用的有甲醇、乙腈等。由于固定相是非极性填料，流动相是极性溶剂，因此在反相洗脱时，样品中极性大的组分先流出色谱柱，而极性小的组分后流出色谱柱。组分的极性与出峰顺序的关系，正好与正相色谱相反。反相色谱主要用于分离非极性或中等极性的分子型物质。反相色谱是目前应用最广泛的液相色谱，应用范围日益扩大。为了控制样品在分离过程中的解离，需要用缓冲溶液调节流动相的pH 值，进而抑制样品的解离，增加样品在固定相中的溶解度。流动相的pH 值一般应控制在2.0～8.0，太高会使硅胶溶解，太低则会使键合的烷基脱落。表5-4给出了常见液相色谱柱的应用情况。

表5-4　不同液相色谱柱的应用范围

常用的HPLC检测器有紫外可见光检测器（UV-Vis，或VWD），光电二极管阵列检测器（DAD，或PDA），荧光检测器（FD，或FLD），示差折光检测器（RID）和蒸发光散射检测器（ELSD）。UV-Vis检测器是专属性检测器，其优点是灵敏度高，最高可达0.001 Abs／FS（full scale，FS）；噪声低，最低检出量10-7～10-12 g；不破坏样品，能与其他检测器串联，可用于制备色谱；线性范围宽、重复性好。由于UV-Vis对环境温度、流速、流动相组成等的变化不是很敏感，所以还能用于梯度淋洗。DAD 可以对每个洗脱组分进行光谱扫描，经计算机处理后，得到光谱和色谱结合的三维图谱，其中吸收光谱用于定性（确证是否是单一物质），色谱用于定量，常用于复杂样品（如生物样品、中草药）的定量分析。FD 可用于检测自身具有荧光的物质或与其他化合物发生化学反应可转变成荧光衍生物或与带有特定功能团的荧光试剂结合而产生的荧光衍生物，如芳香族化合物，生化物质（有机胺、维生素、激素、酶等）。FD 具有非常高的灵敏度和良好的选择性，灵敏度要比UV-Vis高2～3个数量级。RID 是基于样品组分的折射率与流动相溶剂折射率有差异，当组分被洗脱出来时，会引起流动相折射率的变化，这种变化与样品组分的浓度成正比。绝大部分物质的折射率与流动相都有差异，所以RID 是一种通用的检测器。灵敏度比其他检测方法低，更适合检测无紫外吸收的化合物（如高分子化合物、糖类、脂肪烷烃），常用于凝胶色谱及制备色谱。ELSD 的工作原理是将引入雾化器的色谱柱流出液与通入的气体（常为高纯氮，有时是空气）混合形成均匀微小液滴，经过加热漂移管，蒸发除去流动相，而样品组分形成气溶胶，然后进入检测器，用强光或激光照射气溶胶，产生光散射，用光电二极管检测散射光。ELSD适用于挥发性低于流动相的组分，主要用于检测糖类，高级脂肪酸，磷脂，维生素，氨基酸，甘油三酯及甾体等，灵敏度较低。

质谱检测器也是液相色谱的重要检测器之一，液相色谱和质谱的联用技术可以同时利用LC强有力的分离技术和MS高灵敏度的检测鉴别技术。常用的液质联用仪是四级杆质谱仪，尤其串联的三重四级杆LC-MS-MS在环境有机物分析中常用来定量检测复杂体系样品中目标污染物，其多反应监测（multiple reaction monitoring，MRM）技术可以通过二级质谱消除干扰。

由于液质联用仪的电喷雾电离源（Electron spray Ionization，ESI）是软电离技术，LC-MS分析得到的质谱过于简单，主要是分子量信息，结构信息少，也没有类似GC-MS的标准谱库，因此进行定性分析比较困难，主要依靠标准样品定性。对于多数样品，保留时间相同，子离子谱也相同，即可定性，少数同分异构体例外。四级杆-飞行时间高分辨质谱（Q-TOF）可以得到精确的分子量信息，按照有机化合物结构规则，通过软件可给出最可能的几个化合物分子式。