色谱培训教材汇编.docx

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色谱培训教材汇编

第一章气相色谱法

三、气相色谱法的原理和分类

（一）色谱法简介

色谱是一种分离技术，当这种分离技术应用于分析化学领域中，就是色谱分析。

它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，叫做固定相；另一相则是推动混合物流过此固定相的流体，叫做流动相。

当流动相中所含有的混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用。

由于各组分在性质与结构上的不同，相互作用的大小强弱也有差异。

因此在同一推动力作用下不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。

这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。

作为色谱流动相的有气体或液体。

当用液体为流动相时，称为液相色谱；当用气体为流动相时，称为气相色谱。

对色谱固定相而言，也有两种状态：

即固体吸附剂和在固体担体上载有液体的固定相。

综合这两相的状态，可把色谱进一步分为四类：

即气固色谱、气液色谱、液液色谱和液固色谱。

如果按固定相所用的固定床型的不同，又可分为柱色谱、纸色谱和薄层色谱三类。

还可以按色谱谱带展开方式分为冲洗（色谱）法、顶替法和迎头法三种，其中冲洗法是色谱中最常用的一种。

（二）气相色谱法及其分类

气相色谱法是色谱法的一种,它是以气体为流动相（载气），采用冲洗法的柱色谱分离技术。

已如前述，气相色谱法按固定相状态，可分为气固色谱法和气液色谱法。

但从分离过程的物理化学原理而言，气固色谱是利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差别而达到分离的目的，因此，它是吸附色谱的一种，气液色谱则是利用不同组分在给定的两相中有不同的分配系数而使之分离的，因此，又属于分配色谱的一种。

气相色谱法还可按色谱柱的不同，分为填充柱色谱和毛细管柱色谱。

为了将气液色谱和气固色谱的优点结合起来，采用在吸附剂表面涂上少量固定液以改善固定相的分离能力，此时，可称之为气液固色谱。

随着气相色谱技术的进展，由变更操作条件而发展起来的气相色谱法又有许多新分支。

例如由柱温、压力与流速等的变化而开发的有：

高温色谱、低温色谱、程序升温色谱、高压色谱、低压色谱和程序流速色谱等方法，又如对样品前处理方法的不同而发展起来的：

顶空色谱法（又称液上气体色谱法）、衍生色谱法、裂解色谱法等。

（三）气相色谱流程与分离原理

气相色谱法的一般流程主要包括三部分：

载气系统、色谱柱和检测器。

可用流程方框图表示，如图1-1。

来自高压气瓶的载气首先进入气路控制系统，把载气调节和稳定到所需流量与压力后，流入进样装置把样品带入色谱柱，分离后的各个组分依次进入检测器，经检测后放空。

再把检测器所检测到的电信号，送至记录仪或色谱数据工作站描绘出各组分的色谱峰。

已如前述，气相色谱法的分离原理就是色谱法的两相分配原理。

具体说，它是利用

　　　　　　　　图1-1气相色谱流程方框图

已如前述，气相色谱法的分离原理就是色谱法的两相分配原理。

具体说，它是利用样品中各组分在流动相和固定相中吸附力或溶解度不同，也就是说分配系数不同。

当两相作相对运动时，样品各组分在两相间进行反复多次的分配：

不同分配系数的组分在色谱柱中的运动速度就不同，滞留时间也就不一样。

分配系数小的组分会较快地流出色谱柱；分配系数愈大的组分就愈易滞留在固定相内，流过色谱柱的速度较慢。

这样，当流经一定的柱长后，样品中各组分得到了分离。

当分离后的各个组分流出色谱柱而进入检测器时，记录仪就记录出各个组分的色谱峰。

上述色谱分离过程以AB二组分混合物的分离过程为例用图1-2进一步说明。

图1-2混合物样品在色谱柱中的分离情况

由于色谱柱中存在着分子扩散和传质阻力等原因，使得所记录的色谱峰并不是以一条矩形的谱带出现，而是一条接近高斯分布曲线的色谱峰。

（四）气相色谱流出曲线

被分析样品从进样开始经色谱分离到组分全部流过检测器后，在此期间所记录的信号随时间而分布的图象称为色谱图。

这种以组分的浓度变化（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，所给出的曲线称为色谱流出曲线。

现以一种组分的流出曲线为例，如图1-3所示。

图1-3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，当组分浓度达到极大值时，曲线上出现最高点，通常把这种曲线称为该组分的色谱峰。

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（t）表示，从进样开始到分离后的某组分浓度出现极大值（即图中的ob段）所需的时间，称为保留时间（tR）。

ab段称为调整保留时间，以tR′表示，tR′=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所示。

如横坐标以体积（V）表示，则色谱峰最高处所对应的体积即ob段称为保留体积（以VR表示），相应的oa段称为死体积（VM），ab段则称为调整保留体积VR′,VR′=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（mL／min）。

在一定实验条件下，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称为基线，GecfH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），IJ为峰底宽（Y）。

在一定的试验条件下，色谱流出曲线是色谱分析的主要依据。

其中，色谱峰的位置（即保留时间或保留体积）决定物质组分的性质，是色谱定性的依据；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。

另外，还可以利用色谱峰的位置及其宽度，对色谱柱的分离能力进行评价。

（五）气相色谱基本理论

为了研究高度复杂的色谱过程，解释色谱分离过程中的各种柱现象和描绘色谱流出曲线的形状以及评价柱子有关参数，色谱学上提出了几种基本理论，其中塔板理论和速率理论具有实用价值。

根据这些理论能得出色谱流出曲线的数学表达式（即高斯方程），选出适宜的气相色谱分离条件和计算出给定柱子的理论塔板数等。

1、塔板理论塔板理论中把色谱柱比拟为分馏塔，在每个塔片高度间隔内，样品混合物在气液两相达到平衡，最后挥发度大的组分与挥发度小的组分彼此分离，挥发度大的最先由塔顶（即柱后）流出。

尽管这个概念并不完全符合色谱柱内的分离过程，但这个比喻形象简明，说明问题。

一般可用这个理论来评价色谱柱的效能指标，即塔片数与塔片高度。

2、速率理论在色谱实际过程中，由于有气体的流动、气体的扩散，样品分子在气液两相之间的分配平衡不是瞬间完成等非理想状态的存在。

塔板理论并不能完全解释色谱柱的柱现象与柱效能。

因而，根据色谱过程中的动力学与传质原理，提出了速率概论（即范弟姆特方程）。

这一理论指出：

影响柱效率的因素主要是样品组分分子在柱内运动过程中的涡流扩散与纵向扩散，以及组分分子在两相间的传质阻力。

这一理论与塔板理论既有一定差别，又可互为补充。

可运用这一理论来选择气相色谱分析条件。

第二章　气相色谱仪

一、气相色谱仪的基本组成和核心部分

气相色谱仪品种繁多，从应用性质类型分就有：

实验室分析用、野外便携使用、工业流程在线检测用、制备纯物质用和物化常数测定用，另外在实验分析型中还有许多专用型。

不管是何种类型的气相色谱仪，其基本组成部分是必须具备的，以应用最多的实验室分析型为例来说明，一台气相色谱仪的基本组成有：

1、气路控制系统：

主要作用为保证进样系统、色谱柱系统和检测器的正常工作提供稳定的载气和有关检测器必需的燃气、助燃气以及有关辅助气。

气路控制系统的好坏将直接影晌分离效率、稳定性和灵敏度，从而将直接影响定性定量的准确性。

气路控制系统主要开关阀、稳压阀、针形阀、切换阀、压力表、流量计等组成。

2、进样系统：

主要作用时与各种形式的进样器相配合，使有关样品快速汽化并定量地送到各类型色谱柱上，进行色谱分离。

进样系统大体可分成用于填充柱和毛细柱两大类。

进样系统的结构设计、使用材料、进样温度、进样时间、进样量及进样重复性都直接影响色谱分离和定量结果。

3、色谱柱和柱箱：

色谱柱的作用就是分离混合物样品中的有关组分。

是色谱分析工作的关键部分，主要有填充柱和毛细柱两大类，色谱柱选用的正确与否，将直接影响分离效率、稳定性和检测灵敏度。

柱箱就是装接和容纳各种色谱柱的精密控温的炉箱，是色谱仪的一个重要组成部分，对柱箱的控温有恒温型和可程序升温型，柱箱结构设计的合理与否，将直接影响整机性能。

4、检测器：

检测器是气相色谱仪的心脏部件，它的功能就是把随载气流出色谱柱的各种组分进行非电量转换，将组分转变为电信号，便于记录测量和处理。

在气相色谱仪上，可以配置一个检测器，也可以根据需要配置2一4种检测器，选用仪器上配置何种检测器，是根据使用者的要求来确定的，最常用的检测器有氢焰离子化检测器（FID）、热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）、火焰光度检测器（FPD）、氮磷检测器（NPD）、光离子化检测器（PID）、氦离子化检测器（HID）等。

检测器的性能直接影响整机仪器的性能，主要影响稳定性和灵敏度，检测器的性能也决定了该仪器的应用范围。

5、检测电路：

每一种检测器都必需对应配套连接一个检测器电路，例如最常用的氢焰离子化检测器，就必需配置一个微电流放大器，热导检测器就必需配置一个热导池测量电桥所需要配套的一个供电源（有直流稳压电源，也有直流恒流电源等）；电子捕获检测器就必需配套一个直流电源或脉冲电源或调制脉冲电源；火焰光度检测器除了需用微电流放大电路外，还需一个供光电倍增管用的高压电源。

检测电路的好坏将直接影响检测器的性能，主要影响，稳定性和灵敏度。

6、温度控制系统：

温度是气相色谱技术中十分重要的参数，进样系统需要温度控制，色谱柱和检测器也必须温控，有些特殊使用中，气路系统、裂解器、催化转化炉、气体净化器等也需要温控。

所以，一般气相色谱仪中，至少有三路温度控制，其中柱箱温控还往往需要实现室温以上8℃一400℃的程序升温控制，先进的机型中，对进样系统也可进行程序升温控制。

温度控制中一般用铂电阻为感温元件，少量也用半导体热敏电阻做感温元件；加热元件一般柱箱采用电炉丝，进样系统、检测器中采用内热式加热器，加热电流控制的执行元件都采用可控硅元件或固态继电器。

对仪器中各部分温度控制的好坏（指温控精度和稳定性）直接影响仪器能否正常工作，将影响分离效果，基线稳定性和检测灵敏度等性能。

7、数据记录与处理系统：

气相色谱检测器将样品组分转换成电讯号后，（一般色谱信号是微分信号）就需要在检测电路输出端连接一个对输出讯号进行记录和数据处理的装置，记录仪表就是应用台式电子电位差，低速可调，量程一般为1——10mv，八十年代起，普遍应用了专用的色谱数据处理机，将色谱信号进行收集、转换、数字运算、存储、传输以及显示、绘图、打印结果等加工，可直接给出被分析物质成份的含量；随着计算机技术的普及应用，八十年代中期起，在微型计算机中插入专用的色谱数据采集卡（电路板部件）配置一套相应的软件就成为色谱数据工作站，可与色谱仪直接朕用。

数据记录与处理系统一般都是与气相色谱分开设计的独立系统，可由使用者任意选配，但在使用上，是整套气相色谱仪器的不可分割的一个重要组成部分。

这部分工作好坏也直接影响定量精度。

气相色谱技术的核心部分是色谱柱和检测器二大部分：

色谱柱的主要功能是将混合物中各组分分离，可以根据不同的样品来选用不同的固定相，因此，要应用气相色谱技术来开展分析检测工作的人，必须熟悉了解和善于应用各种色谱固定相的特性，在气相色谱技术中色谱柱有填充柱和毛细柱二大类，可根据被分析样品的实际需要选定。

检测器的主要功能是实现被分析组分的非电量转换，凡是近代物理、化学、电子、光学中能实现非电量转换的装置都能成为气相色谱技术中的检测器，虽然自从色谱法问世以来，人们己创造发明了三十多种气相色谱检测器，但用得最多的还是热导检测器和氢焰离子化检测器，