【资料】色谱基础(共14讲)

色谱法的分类和特点
按流动相和固定相聚集态分类 气相色谱（气-固色谱、气-液色谱） 液相色谱（液-固色谱、液-液色谱） 超临界流体色谱 毛细管电泳 按所利用的物理化学原理分类 吸附色谱（气-固吸附色谱、液-固吸附色谱） 分配色谱（气-液分配色谱、液-液分配色谱） 其它色谱类型（离子交换色谱、凝胶渗透色谱、络合色谱、亲合色谱、毛细管电泳） 按固定相的形状分类 柱色谱（填充柱色谱、开管柱色谱） 纸色谱 薄层色谱（平板薄层色谱、棒状薄层色谱） 按色谱动力学过程来分类 冲洗法 顶替法 迎头法

气相色谱的进样系统概述


气相色谱的进样系统的作用是将样品直接或经过特殊处理后引入气相色谱仪的气化室
或色谱柱进行分析，根据不同功能可划分为如下几种：


手动进样系统

微量注射器：使用微量注射器抽取一定量的气体或液体样品注入气相色谱仪进行分析
的手动进样。广泛适用于热稳定的气体和沸点一般在500℃以下的液体样品的分析。用
于气相色谱的微量注射器种类繁多，可根据样品性质选用不同的注射器。

固相微萃取（SPME）进样器：固相微萃取是九十年代发明的一种样品预处理技术，可
用于萃取液体或气体基质中的有机物，萃取的样品可手动注入气相色谱仪的气化室进
行热解析气化，然后进色谱柱分析。这一技术特别适用于水中有机物的分析。

2、液体自动进样器

液体自动进样器用于液体样品的进样，可以实现自动化操作，降低人为的进样误差，
减少人工操作成本。适用于批量样品的分析。

3、阀进样系统

、气体进样阀

气体样品采用阀进样不仅定量重复性好，而且可以与环境空气隔离，避免空气对样品
的污染。而采用注射器的手动进样很难做到上面这两点。采用阀进样的系统可以进行
多柱多阀的组合进行一些特殊分析。气体进样阀的样品定量管体积一般在0.25毫升以
上。

、液体进样阀

液体进样阀一般用于装置中液体样品的在线取样分析，其样品定量环一般是阀芯处体
积约0.1-1.0微升的刻槽。

4、吹扫捕集系统

用于固体、半固体、液体样品基质中挥发性有机化合物的富集和直接进气相色谱仪进
行分析。

5、热解吸系统

用于气体样品中挥发性有机化合物的捕集，然后热解吸进气相色谱仪进行分析。

6、顶空进样系统

顶空进样器主要用于固体、半固体、液体样品基质中挥发性有机化合物的分析，如水
中VOCs、茶叶中香气成分、合成高分子材料中残留单体的分析等。

7、热裂解器进样系统

配备热裂解器的气相色谱称为热解气相色谱(pyrolysis gas chromatography
PGC)，理论上可适用于由于挥发性差依靠气相色谱还不能分离分析的任何有机物（在
无氧条件下热分解，其热解产物或碎片一般与母体化合物的结构有关，通常比母体化
合物的分子小，适于气相色谱分析），但目前主要应用于聚合物的分析。

通常在气相色谱仪的载气（氦气或氮气）中，无氧条件下，将聚合物试样加热，由于
施加到聚合物试样上的热能超过了分子的键能，结果引起化合物分子裂解。分子的碎
裂包括以下过程：失去中性小分子，打开聚合物链产生单体单元或裂解成无规的链碎
片。聚合物热裂解的机理取决于聚合物的种类，但热解产物的性质和相对产率还与热
裂解器的设计和热裂解条件有关。影响特征热裂解碎片产率重现性的关键因素有：终
点热解温度、升温时间或升温速率和进样量。

用于固体和高沸点液体的热解器分为两类：脉冲型和连续型。目前常用的居里点热解
器和热丝热解器属于第一类，炉式热解器属于第二类。此外还有一些特殊的热解器。

PGC应用于聚合物分析包括合成聚合物和生物聚合物。在合成聚合物领域的主要应用包
括指纹鉴定、共聚物或共混物组成的定量分析和结构测定如无规、序列和支化。在生
物聚合物领域的应用包括研究细菌、真菌、碳水化合物和蛋白质等。此外PGC在其他很
多方面也有应用。

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气相色谱数据处理系统简介

记录器 用自动记录的电子电位差计采集检测器输出的信号，绘出色谱图，然后手工测量色谱峰的保留值（或用秒表计时）供定性用，测量出峰面积或峰高供定量用。 积分仪 积分仪可以自动绘出色谱图，并根据预先设好的方法处理色谱图及进行定量计算并打印出报告。但积分仪对色谱图不能进行二次处理。 色谱工作站 随着微型计算机的发展，积分仪也逐渐被色谱工作站取代。国产的工作站一般只能单向采集色谱仪输出的模拟信号，然后进行处理计算，打印报告，所需硬件是A/D转换卡。国外气相色谱仪所配备的工作站功能要强大得多，除了采集色谱数据外，也可以控制气相色谱仪，设置色谱分析条件，数据传输是双向的。其通讯方式也是多样的，有IEEE-488，INET，RS-232，LAN等，其信号采集也主要是数字信号。色谱工作站的优点是可以对采集到的色谱图进行再处理；可以实现数据上网传输；可以实现气相色谱仪的自动控制，大大提高工作效率。

气相色谱检测系统简介


气相色谱的检测系统主要由检测器、放大器和记录器等部件组成。气相色谱检测器的
性能要求：通用性强或专用性好；响应范围宽，可用于常量和痕量分析；稳定性好，
噪音低；死体积小，响应快；线性范围宽，便于定量；操作简便耐用。气相色谱检测
器按其检测特性分类可分为浓度型检测器和质量型检测器。气相色谱常用的检测器分
述如下：


1. 热导检测器（thermal conductivity detector,TCD）

结构：热敏元件装入检测池池体中，制成热导池，再将热导池与电阻组成惠斯顿电
桥。

原理：热敏电阻消耗的电能所产生的热与载气热传导和强制对流等散失的热达到热动
平衡，当载气中有组分进入热导池时由于组分的导热系数与载气不同，热平衡被破
坏，热敏电阻温度发生变化，其电阻值也随之发生变化，惠斯顿电桥输出电压不平衡
的信号，记录该信号从而得到色谱峰。

应用：热导检测器是一种通用的非破坏性浓度型检测器，理论上可应用于任何组分的
检测，但因其灵敏度较低，故一般用于常量分析。


2. 氢火焰离子化检测器（flame ionization detector,FID）

结构：金属圆筒做外壳，内部装有燃烧的喷嘴，载气及组分从色谱柱流出后与氢气
（必要时还有尾吹气）一起从喷嘴逸出并与喷嘴周围的空气燃烧。喷嘴附近装有发射
极和收集极，两极间形成电场。

原理：FID是以氢气在空气中燃烧所生成的热量为能源，组分燃烧时生成离子，同时在
电场作用下形成离子流。组分在火焰中生成离子的机理，至今不是很清楚。

工作条件：温度一般应在150℃以上以防积水；氢气：氮气：空气=1：1：10。

性能与应用：FID是多用途的破坏性质量型检测器。灵敏度高，线性范围宽，广泛应用
于有机物的常量和微量检测。


3. 氮磷检测器（nitrogen-phosphorus detector,NPD）

结构：与氢火焰离子化检测器类似，但在火焰喷嘴与收集极之间，装有铷珠（硅酸
铷，Rb2O·SiO2）。

原理：一些研究者提出了一些不同的机理，但都不能完满地解释实验现象。

工作条件：两种操作方式，NP方式和P方式，其工作条件也不一样。

性能与应用：NPD是选择性检测器。NP操作方式时，可用于测定含氮和含磷的有机化合
物；P操作方式时，可用于测定含磷的有机化合物。作为选择性检测器，对于检测的化
合物灵敏度非常高，为其它检测器所不及。


4. 电子捕获检测器（electron capture detector,ECD）

结构：检测室内有正负电极与β-射线源，目前所使用的最佳的放射源是Ni63，在衰变
中没有γ辐射，产生的β射线能量低，半衰期长，可用到400℃。

原理：检测室内的放射源放出β-射线粒子（初级电子），与通过检测室的载气碰撞产
生次级电子和正离子，在电场作用下，分别向与自己极性相反的电极运动，形成检测
室本底电流，当具有负电性的组分（即能捕获电子的组分）进入检测室后，捕获了检
测室内的电子，变成带负电荷的离子，由于电子被组分捕获，使得检测室本底电流减
少，产生倒的色谱峰信号。

工作条件：载气一般选用高纯氮气，气体中微量氧和微量水会污染检测室，必须用净
化管除去。

性能与应用：ECD是浓度型选择性检测器，对负电性的组分能给出极显著的响应信号。
用于分析卤素化合物、多核芳烃、一些金属螯合物和甾族化合物。


5. 火焰光度检测器（flame-photometric detector,FPD）

结构：一般分为燃烧和光电两部分；前者为火焰燃烧室，与FID相似，后者由滤光片和
光电倍增管等组成。

原理：组分在富氢（H2﹕O2>3）的火焰中燃烧时组分不同程度地变为碎片或原子，其
外层电子由于互相碰撞而被激发，当电子由激发态返回低能态或基态时，发射出特征
波长的光谱，这种特征的光谱通过经选择的干涉滤光片测量（含有磷、硫、硼、氮、
卤素等的化合物均能产生这种光谱）。如硫在火焰中产生350-430nm的光谱，磷产生
480-600nm的光谱。

工作条件：通入的氢气量必须多于通常燃烧所需要的氢气量，即在富氢情况下燃烧得
到火焰。

性能与应用：FPD为质量型选择性检测器，主要用于测定含硫、含磷化合物，其信号比
碳氢化合物几乎高一万倍。广泛应用于石油产品中微量硫化合物及农药中有机磷化合
物的分析。


6. 其它检测器：质谱仪、付立叶变换红外光谱仪、AED、SCD、ELCD、PID、HID等。

气相色谱分离系统简介


色谱分离系统即色谱柱被誉为色谱仪的心脏。气相色谱柱主要有两种类型：填充柱和毛细管开管柱。但气相色谱的固定相却种类繁多。 气相色谱固定相 (1)、固体固定相 固体固定相主要有吸附剂、高分子多孔小球、化学键合固定相等。它们大多数具有能在高温下使用的优点，用于分析永久性气体及其它气体混合物、高沸点混合物或强极性混合物。 、吸附剂：硅胶(粗孔、细孔、多孔)、碳素(活性碳、石墨化碳黑、碳分子筛)、氧化铝(γ-Al2O3)、分子筛 、高分子多孔小球：具有疏水性，适于快速测定样品中微量水。 、化学键合固定相：由一些化学试剂与硅胶表面的硅羟基经化学键合而成。 (2)、液体固定相 目前，绝大多数气相色谱使用液体固定相，这是因为液体固定相在使用时具有显著优点：峰形对称；种类众多；载体好；纯度高；液膜厚度可调。 、载体 气相色谱中载体的作用就是负载固定液，并使之与流动相之间有尽可能大的接触面积。理想的载体应符合以下要求：比表面积大，并有较好润湿性；热稳定性及化学惰性好；孔径分布均匀；粒度均匀；有一定机械强度。 常用的载体是硅藻土类，特殊情况用氟载体和玻璃微球等。 、固定液 固定液应具备如下条件： a.对组分有良好的选择性； b.蒸气压力低； c.润湿性好，其表面张力小于载体的临界表面张力； d.热稳定性好； e.化学惰性好； f.凝固点低，粘度适当； g.成分稳定。 虽然作为气相色谱的固定液需满足许多要求，目前却有近千种试剂被列为固定液，而且还有许多新的固定液在不断得到应用。这些固定液按化学结构分类的话，根据 GB2991-82规定，有如下十类：烃类；聚硅氧烷类；聚二醇及聚烷基氧化物；酯类；其它含氧化合物；含氮化合物；含硫化合物；含卤素化合物及其聚合物；无机盐；其它固定液。 色谱柱 (1)、填充色谱柱 、柱管：用作填充色谱柱的柱管主要有内径均匀的玻璃管、金属管或塑料管。柱管内径一般2-4mm，长度0.5-3m，由于填充柱阻力较大，所以其柱长最长一般不超过10m。 、填充柱的制备 、填充柱的应用：组分较少的样品的分离分析。 (2)、空心柱（开管柱）：毛细管色谱柱 、用做毛细管的材料有普通玻璃毛细管和石英玻璃毛细管及金属毛细管。常规毛细管柱内径为0.22-0.53mm，长度25-60m，由于空心柱阻力较少，因此可以制备成长柱，有人曾制备过长达300m的毛细管色谱柱；细内径毛细管柱内径为0.05-0.1mm，长度 10-25m，细内径毛细管色谱柱由于内径细，柱阻力增大，因此一般柱长度较短，但由于柱效很高，可做快速分析。 、毛细管色谱柱的类型及制备方法 、毛细管色谱柱的应用：多组分样品的分析。

气相色谱气体供给系统简介


1、气体 ①、载气气相色谱是以气体做流动相的色谱分离过程。用于气相色谱载气的气体必须满足下列要求：化学惰性；粘度小，传质速度快；纯气易于得到，价格相对便宜；适于检测器。常用作载气的气体有：氢气，氦气，氮气，氩气等。 ②、检测器用气气相色谱所用的一些火焰型检测器需要氢气做燃烧气，空气做助燃气。 ③、阀驱动气气相色谱仪若配备有自动阀系统，需供给阀驱动气，一般用压力0.5Mpa左右的空气. 2、气源气相色谱目前常用的气源主要是钢瓶气和气体发生器 3、气体传输管线和接头气体传输管线一般使用经过特殊处理的不锈钢管线或铜管线，这些金属管线渗气性小，结实耐用，一般不用渗气性强的塑料管线。管线内径大小应根据供应多少台气相色谱仪来进行合理的配置。管线接头使用密封性好的专用接头。 4、气体压力流量控制气体压力和流量的控制主要有两种方式：①手动调节的减压阀、稳压稳流阀、气阻等；②电子控制（压敏元件）的压力流量调节器、气阻等

气相色谱法的分离原理及理论基础

气相色谱法的分离原理是利用要分离的诸组分在流动相（载气）和固定相两相间的分配有差异（即有不同的分配系数），当两相作相对运动时，这些组分在两相间的分配反复进行，从几千次到数百万次，即使组分的分配系数只有微小的差异，随着流动相的移动可以有明显的差距，最后使这些组分得到分离。 气相色谱法的理论基础主要表现在两个方面，即色谱过程动力学和色谱过程热力学，也可以这样说，组分是否能分离开取决于其热力学行为，而分离得好不好则取决于其动力学过程。 色谱过程动力学��发展高效色谱技术及色谱峰形预测的理论基础 色谱过程动力学是研究物质在色谱过程中运动规律的科学。其研究的主要目的是根据物质在色谱柱内运动的规律解释色谱流出曲线的形状；探求影响色谱区域宽度扩张及峰形拖尾的因素和机理，从而为获得高效能色谱柱系统提供理论上的指导，为峰形预测、重叠峰的定量解析以及为选择最佳色谱分离条件奠定理论基础。 在色谱发展过程中，用来描述色谱过程动力学的理论模型主要有：1940年提出的平衡色谱理论，解释了部分实验事实，但由于该理论忽略了传质速率有限性与物质分子纵向扩散性的影响，对一些现象不能解释；1941年Martin等人引入了理论塔板的概念，在该理论中，色谱过程被比拟为蒸馏过程，而色谱柱被视为一系列平衡单元-理论塔板的结合。在色谱柱足够长、理论塔板高度充分小，以及分配等温线呈线性的情况下，这一理论对色谱流出曲线分布和谱带移动规律，以及柱长与理论塔板高度H对区域扩张的影响等给予了近似的解释。但是塔板理论对影响理论塔板高度H的各种因素没有从本质上考虑，而色谱过程本质上并不是分馏过程，因而这一理论还只是半经验式的理论。 首先揭露影响色谱区域宽度内在因素的是纵向扩散理论和考察传质速率有限性的的速率理论。在气相色谱中有同时考察传质速率和纵向扩散影响的van Deemter方程式，考察径向扩散的Golay毛细管色谱方程式。 van Deemter方程式和Golay方程式分别描述了填充柱和毛细管柱两种色谱柱的理论塔板高度H的各种影响因素，两个公式综合到一起可简化如下： H=A+B/u+(Cg+Cl)u 色谱过程热力学��色谱定性及研究高选择性色谱方法和柱系统等的理论基础 由气相色谱的分离原理可知，实现气相色谱分离的基本条件是欲被分离的物质有不同的分配系数，而不同的分配系数也是气相色谱定性鉴别组分的基础。物质在色谱过程中的保留是一种宏观现象，但引起保留的原因却是分子之间的微观作用。因此要研究影响物质保留的原因，必须从分子间的微观作用、分子的微观结构着手，在这一方面，统计热力学是最好的工具。 色谱过程热力学能够很好地解释气相色谱的保留值规律：利用分子结构参数直接预测气相色谱保留值；容量因子k’随柱温变化的规律；同类化合物中同系物保留值随分子中碳原子数目变化的规律；同族化合物的保留值随沸点变化的规律；双固定液的保留值变化规律。

气相色谱法的新进展及发展方向


1、 仪器方面的最新进展 ● 自动化程度进一步提高，特别是EPC（电子程序压力流量控制系统）技术已作为基本配置在许多厂家的气相色谱仪上安装（如HP6890，Shimadzu GC-17A GC-2010， Varian 3800，PE Auto XL，CE Mega 8000等），从而为色谱条件的再现、优化和自动化提供了更可靠更完善的支持。 ● 与应用结合更紧密的专用色谱仪，如天然气分析仪等。 ● 色谱仪器上的许多功能进一步得到开发和改进，如大体积进样技术，液体样品的进样量可达500微升；检测器也不断改进，灵敏度进一步提高；与功能日益强大的工作站相配合，色谱采样速率显著提高，最高已达到200赫兹，这为快速色谱分析提供了保证。 ● 色谱工作站功能不断增大，通讯方式紧跟时代步伐，已实现网络化，从技术上讲，现在实现气相色谱仪的远程操作（样品已置于自动进样器中）是没有问题的。 ● 新的选择性检测器得到应用，如AED、O-FID、SCD、PFPD等。 2、 色谱柱 ● 新的高选择性固定液不断得到应用，如手性固定液等。 ● 细内径毛细管色谱柱应用越来越广泛，主要是快速分析，大大提高分析速度。 ● 耐高温毛细管色谱柱扩展了气相色谱的应用范围，管材使用合金或镀铝石英毛细管，用于高温模拟蒸馏分析到C120；用于聚合物添加剂的分析，抗氧剂1010在20分钟内流出，得到了较好的峰形。 ● 新的PLOT柱出现，得到了一些新的应用。 3、 GC×GC（全二维气相色谱） GC×GC技术是近两年出现并飞速发展的气相色谱新技术，样品在第一根色谱柱上按沸点进行分离，通过一个调制聚焦器，每一时间段的色谱流出物经聚焦后进入第二根细内径快速色谱柱上按极性进行二次分离，得到的色谱图经处理后应为三维图。据报道，使用这一技术分析航空煤油检出了上万个组分。 4、 今后气相色谱的发展方向随着社会不断进步，人们对环境的要求越来越高，环保标准日益严格，这就要求气相色谱与其它分析方法一样朝更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展，不断推出新的方法来解决遇到的新的分析问题。网络经济飞速发展也为气相色谱的发展提供了更加广阔的发展空间。

色谱法的历史简介

色谱法从二十世纪初发明以来，经历了整整一个世纪的发展到今天已经成为最重要的分离分析科学，广泛地应用于许多领域，如石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生、环境保护，乃至空间探索等。 将一滴含有混合色素的溶液滴在一块布或一片纸上，随着溶液的展开可以观察到一个个同心圆环出现，这种层析现象虽然古人就已有初步认识并有一些简单的应用，但真正首先认识到这种层析现象在分离分析方面具有重大价值的是俄国植物学家Tswett。 Tswett关于色谱分离方法的研究始于1901年，两年后他发表了他的研究成果"一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用"，提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。三年后，他将这种方法命名为色谱法(Chromatography)，很显然色谱法 (Chromatography)这个词是由颜色(chrom)和图谱(graph)这两个词根组成的，派生词有chromatograph(色谱仪)，chromatogram(色谱图)，chromatographer(色谱工作者)等。由于Tswett的开创性工作，因此人们尊称他为"色谱学之父"，而以他的名字命名的Tswett奖也成为了色谱界的最高荣誉奖。 色谱法发明后的最初二三十年发展非常缓慢。液-固色谱的进一步发展有赖于瑞典科学家Tiselius(1948年Nobel Chemistry Prize获得者)和Claesson的努力，他们创立了液相色谱的迎头法和顶替法。分配色谱是由著名的英国科学家Martin和Synge创立的，他们因此而获得1952年的诺贝尔化学奖。1941年，Martin和Synge采用水分饱和的硅胶为固定相，以含有乙醇的氯仿为流动相分离乙酰基氨基酸，他们在这一工作的论文中预言了用气体代替液体作为流动相来分离各类化合物的可能性。 1951年，Martin和James报道了用自动滴定仪作检测器分析脂肪酸，创立了气-液色谱法；1958年，Golay首先提出了分离效能极高的毛细管柱气相色谱法，发明了玻璃毛细管拉制机，从此气相色谱法超过最先发明的液相色谱法而迅速发展起来，今天常用的气相色谱检测器也几乎是在五十年代发展起来的。七十年代发明了石英毛细管柱和固定液的交联技术。随着电子技术和计算机技术的发展气相色谱仪器也在不断发展完善中，到现在最先进的气相色谱仪已实现了全自动化和计算机控制，并可通过网络实现远程诊断和控制。