1、气相色谱仪原理图文详解气相色谱仪原理(图文详解）什么是气相色谱本章介绍气相色谱的功能和用途，以及色谱仪的基本结构。气相色谱（GC)是一种把混合物分离成单个组分的实验技术.它被 用来对样品组分进行鉴定和定量测定:基子时间的差别进行分离和物理分离（比如蒸馏和类似的技术)不同，气相色谱（GC）是 基于时间差别的分离技术。将气化的混合物或气体通过含有某种物质的管，基于管中物质对 不同化合物的保留性能不同而得到分离。这样，就是基于时间的 差别对化合物进行分离。样品经过检测器以后，被记录的就是色 谱图（图1）,每一个峰代表最初混合样品中不同的组分.峰出现的时间称为保留时间，可以用来对每个组分进行定性，而
2、峰的大小（峰高或峰面积）则是组分含量大小的度量。图1典型色谱图系统一个气相色谱系统包括可控而纯净的载气源。它能将样品带入GC系统 进样口，它同时还作为液体样品的气化室 色谱柱，实现随时间的分离检测器，当组分通过时,检测器电信号的输出值改变,从而对 组分做出响应某种数据处理装置 图2是对此作出的一个总结。样品载气源 一 进样口一 色谱柱 一 检测器一_ 数据处理图2色谱系统气源载气必须是纯净的.污染物可能与样品或色谱柱反应，产生假峰 进入检测器使基线噪音增大等。推荐使用配备有水分、烃类化合 物和氧气捕集阱的高纯载气.见图钢瓶阀若使用气体发生器而不是气体钢瓶时,应对每一台GC都装配净 化器，并且使
3、气源尽可能靠近仪器的背面。进样口进样口就是将挥发后的样品引入载气流。最常用的进样装置是注 射进样口和进样阀。 注射进样口用于气体和液体样品进样。常用来加热使液体样品蒸发.用气体 或液体注射器穿透隔垫将样品注入载气流。其原理（非实际设计 尺寸）如图4所示。样品从机械控制的定量管被扫入载气流.因为进样量通常差别很 大，所以对气体和液体样品采用不同的进样阀。其原理（非实际 设计尺寸）如图5所示。进样阀通常与进样口连接，特别在分流进样模式时，进样阀连接 到分流/不分流进样口。色谱柱分离就在色谱柱中进行.因为用户可以选择不同的色谱柱.故使 用一台仪器能够进行许多不同的分析。图因为大多数分离都强烈依赖于温
4、度。故色谱柱要安装在能够精密 控温的柱箱内。见图6.从色谱柱里出来的含有分离组分的载气流通过检测器而产生信号。 检测器的输出信号经过转化后成为色谱图,见图检测器有几种类型的检测器可供选择，但是所有的检测器的功能都是相 同的：当纯的载气（没有待分离组分)流经检测器时，产生稳定的电 信号（基线当有待分离组分通过检测器时.产生不同的信号。数据处理测量色谱图记录下了检测器输出的电信号。它可以通过以下几种方式 进行处理：在带状图记录仪上记录 使用数字积分仪处理 用计算机数据系统处理传统的带状图记录仪必须手工测量峰的保留时间和峰大小。积分 仪和数据系统则可直接进行这些测量。强烈推荐使用积分仪和数 据系统，
5、因为它们有很好的重现性和灵敏度。计算色谱峰的保留时间和峰大小必须转换成待分离组分的名称和含量。 这可以通过与已知样品(校准样品）的保留时间和响应值大小进 行比较来完成。这种比较可以手工完成。但是鉴于速度和准确性. 采用数据处理系统是最好的。仪器控制某些数据系统和GC组合还可通过数据系统计算机提供对GC的直 接控制。这样就能创建可存储的方法。需要时调用储存的方法即 可。从而可实现高度的自动化分析.一些样品已经是气体(例如室内或室外的空气，可燃气体等)， 则可以用气体注射器或气体进样阀直接进样.大多数样品为液体，为了用气相色谱来分析，必须首先使之气化 这常常由加热的进样口和液体注射器或液体进样阀相
6、结合而完成的进样口进样口的设计和选择取决于色谱柱的直径和类型。下一章将介绍 色谱柱类型,填充柱和毛细管柱。填充柱和大口径毛细管柱使用填充柱进样口;小口径的毛细管柱 使用分流/不分流进样口。填充柱进样口填充柱进样口是为填充柱设计的。可更换的衬管使进样口适用于 特定内径的色谱柱，柱内径一般为1/8或1/4英寸。典型的设计 如图8所示。当用大口径毛细管柱时，专用的衬管使得它们可以用于填充柱进 样口。这种色谱柱的柱容量与填充柱的类似。样品用注射器穿过隔垫注入到载气流中。加热的进样口使样品 (如果是液体）气化，而后载气将气化的样品带入色谱柱。分流/不分流进样口分流/不分流进样用毛细管柱，有两种操作模式.
7、 分流模式毛细管柱有较小的样品容量。进样量必须非常少.通常远少于1 微升，以防止色谱柱超载.如此小的样品量操作起来是很困难的.分流模式提供了 一种方法 来解决此问题：采用通常的进样量.气化。然后只把其中一部分 引入到色谱柱内进行分析。其余大部分经分流出口放空。图9为典型的分流/不分流进样口的分流模式。分流阀开启并一直维持此状态。样品被注射进衬管，同时被气化。 气化的样品在色谱柱（气流阻力大)和分流放空口 (气流阻力可 调）之间分配.不分流进样模式此模式特别适用于低浓度的样品。它将样品捕集在柱头，同时将 残留在进样口的溶剂气体放空.此模式包括两个步骤- 1注射样品关闭分流阀。载气流在隔垫吹扫气出
8、口和色谱柱之间分配.柱 头压力由分流放空调节阀来设定，从而设定流过色谱柱的流速.注射样品。溶剂（主要的样品成分）在富集样品的柱头产生饱 和区带。进样口流量 隔垫螺母隔垫吹扫控制阀和隔垫气控制图10 不分流模式进样进样口吹扫在样品被捕集到色谱柱头之后，打开分流阀.将残留在进样口 中的气体(此时大部分是溶剂）放空。现在流路和分流模式是相同的(图9）。升高柱温，开始将样品组分引入色谱柱并分离。此方法对于沸点比溶剂高的组分的分离是很有效的。溶剂峰将会 很大。要采用程序升温将目标化合物的峰和溶剂峰分离。不分流模式进样步骤成功的不分流进样包括以下几个步骤：在加热的进样口中使样品和溶剂挥发。采用较低的柱温在
9、柱头产生一个溶剂饱和区带.利用此区带使样品在柱头进行富集和重组。在所有样品，或至少是大部分样品进入色谱柱后，通过打开分 流放空阀放空进样口中残留的样品气体。升高柱温,先将溶剂,然后将样品从柱头释放。 操作参数初始值设定您必须通过实验来确定最佳操作参数值.表1提供了一些建议的 参数设置初始值：表1 不分流进样模式的进样口参数初始值设置仪器参数建议初始值柱温低于溶剂沸点柱箱初始时间分流阀开启时间分流放空阀开启时间衬管体积 2/柱流速注射进样技术每一个色谱峰的起始点是与载气混合的挥发的样品区域的一部分 在样品组分于柱内被分离的过程中，样品区域由于扩散而展宽。 任何色谱峰的宽度都不会比初始区域宽度更窄
10、。 由于分离窄峰比宽峰容易得多。故必须使初始区域宽度最小化. 理想的注射进样技术是：将样品充入注射器，调节进样量。将注射器的针尖以尽可能深地速度穿过进样隔垫（进样口的设 计者假定您会这样做）.快速压下注射器推杆。立即把针从进样口拔出。重要的就是速度任何迟疑都将导致样品区域宽度增大。如果一个熟练的操作者按以上方法进样，他能达到3到4的进样 量重复性。能够限制注射器推杆移动距离的机械装置能提高进样 重复性。应避免使用在两个气泡间捕集样品的注射技术。这样您必须做两 次估算,因而使进样量的误差增倍。自动进样的优点自动进样器是解决进样问题的一个方法.它们能够实现高度重复 的进样。因此，它们通常允许采用更
11、简单的峰的含量计算方法 (用外标法，而不是内标法).如果配备有自动进样器（装备有样品盘.并与数据系统连接）. 就可以进行全自动分析。气体样品进样阀包括一个定量管和将定量管接入载气流和脱离载 气流的阀体。图11所示为一种常用的进样机理。样品量通过定量管来确定.定量管是可以更换的，因此一个进样 阀能够提供多种高度重复的进样体积。液体进样阀这与气体进样阀的原理是一样的。由于液体进样要求更小的进样 体积，因此“定量管”是构成阀体的一部分，且是不可更换的.如果要改变进样量，您必须更换整个进样阀.进样口温度气体样品对于气体样品而言。进样口不需要气化任何物质。因此也就没有 必要加热.然而.大多数色谱工作者更
12、倾向于加热进样口以保证进样口不会 使任何物质冷凝。常用的进样口温度为10（TC.液体样品液体样品要求加热进样口.温度要足够高以使样品气化.但又不 能过高而导致样品分解。温度足够髙开始将进样口温度设置为溶剂沸点值并观察色谱峰 形。如果所有色谱峰的峰形大致相同（大小不同），说明进样口 温度已经足够高了。如果后流出的色谱峰显得过宽，就将进样口 温度升高10 C看峰形是否改善。温度过高如果出现的峰数比组分数还多，且峰型较差,说明可 能有样品分解发生。在进样口发生分解所产生的峰，其大小主要取决于进样口温度。 为了验证是否发生分解,稍稍降低进样口温度后进行第二次分析， 然后比较峰的大小。若有明显的变化，就
13、表明在进样口处有样品 分解发生。 气相色谱原理组分分离色谱柱如何对化合物进行分离混合物在色谱柱内被分离为单个组分。许多色谱柱都可以用来分 离混合物.色谱柱的选择取决于混合物的性质和所需获得的信息 （分析目的）然而，所有色谱柱都基于同样的工作原理。色谱柱如何对化合物进行分离这是一段含有两个样品组分（彩色的圆点）的色谱柱的横截面, 它既没有填料，也没有涂层。这样的色谱柱只是空柱（图载气流图12 未经涂层的色谱柱如果过几秒钟后您再观察，色谱柱内的情况就发生了改变 （图图13 几分钟后由于载气流的带动，样品向柱的右端移动。并且由于样品区域和 周围载气中样品浓度的不同而使得样品区带展宽。样品组分仍然是混
14、合在一起的。现在我们在柱子的内表面涂一层高沸点物质，然后重复此实验 我们可以用所希望的任何涂层.在这个例子中，我们选用能够溶 解兰色圆点组分而不能溶解黄色圆点组分的固定液。蓝色组分在固定相和载气两相之间进行分配。黄色组分则停留在 气相中.几秒钟以后我们再观察色谱柱。我们会发现(黄色组分与涂层之间没有作用）它随载气一同流过色谱柱并首先 从色谱柱中流出。兰色组分在固定液和载气之间进行分配.它以较慢的速度流过色 谱柱而后流出色谱柱.样品已经开始分离为两个峰.色谱基本原理当气化的组分与气相和固定（涂层)相共存时.它就根据对两 相相对吸附性能的不同而在两相间进行分配。此“吸附性能”可以是溶解度，挥发性，
15、极性，特殊的化学相 互作用，或其他任何存在于样品组分间的性质差异。如果一相是固定的（涂层）而另一相是流动的（载气）,组分 将会以比流动相慢的速度迁移。迁移速度慢的程度取决于相互 作用的大小。如果不同组分有不同的“吸附性能”，它们将会随时间而被分离。毛细管柱是将固定相涂在管内壁的开口管。其中没有填充物.毛细管柱的内径从0.1到0.5毫米。典型的柱长是30米.见 图16.图16 毛细管柱毛细管柱产生很窄的色谱峰。这有利于分离非常复杂的混合物. 例如，常用的汽车燃油的分析将产生400到500个色谱峰。色谱柱类型毛细管柱这些用熔融石英毛细管制成的色谱柱呈很好的惰性。在不锈钢和 玻璃柱上拖尾现象很严重的
16、样品,如硫醇类化合物，在毛细管柱 上能够达到基线分离.填充柱毛细管柱对样品量的要求小于填充柱。特定的进样口，见19页 “分流/不分流进样口，允许采用常规进样量而在样品进入色谱 柱之前进行分流。在填充柱内。固定液被涂在粒度均匀的载体颗粒上以增大表面积. 减少涂层厚度。涂好的填料被填充在金属.玻璃。或塑料管内. 如图17。大多数金属填充柱的外径是1/8或1/4英寸。玻璃柱通常是1/4 英寸外径,但是内径不同，使之与两种规格的不锈钢柱有相同的 分离效果。填料上的涂层填充柱图填充柱有较大的样品容量.是老式的灵敏度较低的检测器所必需 的.然而.采用现代高灵敏度的检测器.样品容量大的优势已经 消失。填充柱
17、仍然适用于气体样品.但是.毛细管柱对于大多液 体样品会有更好的分离度。色谱柱管材色谱柱管材料包括：不锈钢一耐用，但是相对活泼的柱表面可能导致被分离组分的 损失和峰拖尾。玻璃一质脆，通常要求对内表面进行脱活处理。熔融石英一仅用于毛细管柱。惰性好、坚固耐用.是最常用的 柱材料。色谱柱特性色谱柱的用途是将多组分的样品分成窄的、分离良好的色谱峰 这两个目标并不是完全无关的。柱效高柱效的色谱柱产生窄的色谱峰.见图低柱效高柱效图18 柱效柱效是由色谱柱的结构(小的柱内径和薄的固定相涂层有最高的 柱效）和载气流速决定的。表2是所推荐的载气流速。表2 推荐的载气流速注:较低的流速接近于载气与色谱柱的优化值。通
18、常。色谱柱运 行得更快。分析就更迅速。而不会损失多少柱效。如果分离非常 好或使用更短的色谱柱.色谱柱甚至还可以运行得更快。大多数 情况下。不用低于推荐值的流速.因为它们延长分析时间。还会 降低柱效.载气控制填充柱内的流速通常是用质量流量控制器来控制的。毛细管柱， 由于它的流速很低.常常是用压力来控制流速的.有些GC提供电子气路控制。这样的仪器允许从键盘上设定流速 并从显示器上读出.柱分离度高分离度的色谱柱能够作到基线分离。如果色谱峰很窄（柱效 高），分离将会更容易实现。载气流速的稍微改变能对分离度产生显著的影响。结合柱效和分离度的数学定义式，我们可以得到重要的结论：色谱柱分离度与柱长的平方根成
19、正比。这意味着增加柱长并不是提高分离度行之有效的方法。柱长加倍，分 离时间（和色谱柱成本)也加倍，但是分离度仅仅增加大约40%。柱选择性这是一个定义不很明确的、与固定相有关的性质。事实上，它是 固定相对两种化合物表现出不同作用的程度.选择性低一两组分 同时流出。选择性高一两色谱峰分离。用毛细管柱还是填充柱两者各有所长。下面是一些需要考虑的因素。气体分析通常用填充柱完成。填充柱有足够的柱容量来适应较 大体积的气体进样量。气体样品分析常用填料包括:分子筛一氧气，氮气，氦气，氢气，二氧化碳，一氧化碳, 甲烷等。氧化铝一丙烷或更大分子量的化合物多孔性聚合物微球（Porapaks) 乙烷,丁烷，二氧化碳
20、等。其中一些填料（但不是所有填料）可以用于毛细管色谱柱中。毛细管柱有比填充柱更高的分离度。即使选择性低一些，通常 也能实现足够的分离。一根毛细管柱能够完成多种分析,而用填充柱则可能需要多根 才能完成.对毛细管柱和填充柱都适用的的固定液有： 甲基硅烷一非极性到中等极性苯基甲基硅烷（5到50%的苯基)一烯烃，芳香化合物， 中等极性化合物聚乙二醇）_酸，强极性的物质由于毛细管柱高的分离度，通常可以牺牲一点分离度而减少分 析时间。由于分离度与柱长的平方根成正比，因此一根良好的 毛细管柱可以被截成两段很好的毛细管柱，而仅损失很少的分 离度。分离时间却可以减少一半！柱温色谱柱内的固定相（涂层）有一个适用的
21、温度范围。漫菇温度通常是熔点。低于此。您所做的是气/固色谱；高于 此，您所做的是气/液色谱。结果可能大不相同。漫暮温度通常是指沸点或降解温度。色谱柱通常安装在可控温的柱箱里，因为温度对分离的影响是很 大的.温度柱温可以采用恒温或程序升温。如图19。这是操作柱温箱最简单的方法。在整个分析过程中，柱温将保持 不变.它有以下优点柱温箱总是处于可进行样品分析的状态。两次分析之间不需要间隔时间。缺点：若样品组分的沸点范围很宽，那么恒温分离将会需要很长时间, ?由于色谱峰随时间而展宽，后面流出的峰将会难于检测或测定。程序控温在分析过程中，柱温随时间而变化，通常是升高柱温。它的优点是: ?减少分析时间整个分
22、离过程中峰形一致，检测和测定更容易。 缺点：样品组分将经历比恒温分离更高的温度，这可能会导致某些敏 感组分降解。在两次进样之间。柱温箱必须冷却到初始温度。这样就抵消了 部分所节省的分析时间。 气相色谱仪原理组分检测热导检测器工作原理 40 火焰离子化检测器（工作原理 42 电子捕获检测器(ECD) 43 工作原理本章所介绍的三种检测器能够完成GC的大部分工作。还有其他 一些检测器起互补作用（见表3),大多是元素专属性检测器或 质量选择性检测器，在这里将不对它们做详细介绍。表3 其他检测器热导检测器所有气体都能够导热，但是氢气和氦气的热导系数最大(见 表4)。当两者任何一种作为载气时，任何其他成
23、分的存在都将导 致热导检测池中气流热导率的下降。用TCD可以测量这种变化，并用来创建色谱图。表4 某些气体相对于正己烷的热导率气体相对热导系数由于TCD是基于热导率的差异而工作的，故氢气或氦气显然是优 选的载气.工作原理当电压施加于热丝时.它就发热。稳定的温度取决于所施加的电 压、热丝的电阻和热丝向周围环境散热的速率.如果热丝被载气所包围.载气热导率的任何变化都会引起热丝温 度的改变.这样就导致热丝电阻的变化.早期的TCD设计是将四根热丝连接成惠斯通电桥。柱流出物流经 两根相对的热丝；纯的载气（参比气)流过另外两根热丝。当有 被分离样品组分流出色谱柱进入检测器时,电桥的平衡被破坏.现代的TCD
24、设计如图20所示。此检测器只用一根热丝.快速切换阀使得柱流出物（含样品）和 参比气交替通过检测池。如果两气流是一样的一没有被分离的组 分，气体切换时热丝电阻不变.然而，在有样品组分进入检测池时，切换到色谱柱流出气时，热 丝温度降低；当切换到参比气时，热丝温度又恢复原值。电子传 感器能够探测到此变化并调节热丝的电源供给以使温度保持恒定。图20 热导检测器电源供给变化曲线的波动幅度取决于柱流出物(有组分存在时） 和参比气之间热导率的差异.火焰离子化检测器氢气和空气燃烧所生成的火焰产生不多的离子。然而有含碳有机 物进入火焰中燃烧时，离子产率将增大。工作原理从色谱柱流出的载气和氢气混合后在空气中燃烧。
25、FID有两个电 极,其中之一是火焰燃烧的喷嘴，另一个加上极化电压后用来收 集火焰中的离子.当组分进入火焰时,收集极所记录到的电流增大.该电流经过放 大后形成色谱图。图21 火焰离子化检测器对在火焰中产生离子的任何物质都有响应，几乎包括所有有 机化合物（有少数例外)。通用的FID设计如图21所示。空 极焰 放电火电子捕获检测器（电子捕获检测器广泛应用于环境分析领域，这是因为它对含卤素 化合物有很高的灵敏度，包括大部分除草剂和农药。工作原理检测池中的放射性同位素,通常是63Ni，发射出0射线。射线和 载气分子碰撞而产生低能量的自由电子。在两电极间施加极化电 压以捕集电子流。某些分子能够捕获低能量的
26、自由电子而形成负离子。当此类化合 物分子进入检测池时，部分电子被捕获从而使得收集电流下降。 信号经过处理后形成色谱图.图22是一种ECD的结构示意图.是高度选择性的检测器：对能捕获电子的物质有高的灵敏 度，而对其他物质则几乎不响应.一些相对响应值见表5。表5 ECD对某些化合物的灵敏度化合物相对于苯（响应值=1)的响应值 气相色谱基本原理 谱图解析色谱峰测量 47 保留时间 47 色谱峰大小 47 组分定性 49 组分定量 50 未校准计算 50 峰面积与峰高百分比法 50 校准计算 52 归一化法 54 外标法 55 内标法 56色谱仪产生随时间而变化的信号。当信号被记录下来时,就形成 我们
27、熟悉的色谱图(见图23）。图23 典型色谱图色谱图可以通过手动或电子处理方式转化为峰保留时间或峰大小 的数据列表.色谱峰测量对于一个色谱峰,我们可以获得两个基本的测量数据 ?进样后到色谱峰被检测到的时间 ?色谱峰的大小保留时间峰出现的时间是从开始进样到被检测到的时间，包括两部分： 一载气流过色谱柱所用的时间。可通过注射空气或其他没有相互作用的物质来测定。保留时间一由于被分离组分与色谱柱固定相相互作用所造成的 滞留时间.在大多数情况下.通常忽略死时间而把出峰时间认为是保留时间.色谱峰大小色谱峰大小可以通过峰高或峰面积来测定，二者都是相对于基线 而言的。色谱峰下的基线不能直接测量。它必须从色谱峰两
28、侧的基线处测量对于分离良好的峰这是很简单的。但是当峰发生重叠,或出现在 溶剂峰的拖尾侧，或其他非理想化的情况时,测量就比较困难一 些。鉴于此，花在改善峰分离条件上的时间是值得的。峰高这是最简单的测量，仅仅需要一把测量尺.它是从峰尖到基线的 垂直距离。峰面积此面积是指由色谱峰信号曲线和基线所围成的面积。最好通过电 子方式来测量。图24为两个测量参数的图示.测量基线图24 色谱峰测量积分仪和数据系统积分仪用来测量色谱峰的面积和峰高.以及峰保留时间。它们能 够方便而重现地将曲线（色谱图)转换为表格（时间和大小）。数据处理系统不仅有积分仪同样的优点.而且具有更多的功能：软件控制的积分仪比机械的积分仪更灵活.不用重复进样,可以采用不同的积分和计算参数对数据进行再 处理。系统能够更加精确的完成本章所介绍的几种基本的计算。 ?系统能够给出用户所需要的报告格式。 ？色谱峰的校准变得非常简单. 既可以进行一点.也可以进行多点校准。 ？原始数据和已处理的数据可以被保存以备后用 ？系统可以同时处理多台气相色谱仪的数据.因为许多化合物可能在同一时间(或几乎同一时间)流出色谱 柱，因此仅仅依靠气相色谱本身是不能对一个完全未知的化合物 进行定性的.然而,当问题被加以限定时，气相色谱将变成一个强有力的工具。 可以通过比较气相色谱图以确定样品是否相同。例如，油轮里的原 油样品可以和海上浮油比较以确定油
