【资料】气相色谱知识讲座

第二节 气相色谱仪

气相色谱仪由六个基本系统组成：
一、载气系统

载气系统一般由气源钢瓶、减压装置、净化器、稳压恒流装置、压力表和流量计以及供载气连续运行的密闭管路组成。
1、气源钢瓶
 气相色谱中的载气（carrier gas）为化学惰性气体，常用的有氢气、氮气和氩气，一般由相应

的高压钢瓶供给。选用何种载气，通常由所使用的检测器来决定。
 载气的作用，一是作为动力，它驱动样品在色谱柱中流动，并把分离后的各组分推进检测器；二

是为样品的分配提供一个相空间。
2、减压装置
由于载气供应源为高压钢瓶，故需要使用减压装置（如减压阀）来减压。
3、净化器
 由于钢瓶中含有微量杂质，如水、氧、烃类气体及一些无机杂质。这些微量杂质对色谱图会有影

响，在进入色谱柱分离之前，必须经过净化器来除掉杂质。净化器内含有硅胶、活性碳、分子筛等

净化器，可将这些微量杂质吸附。
4、稳压恒流装置
 由于载气的流速是影响色谱分离及定性分析的重要参数之一，因此要求载气流速稳定。在恒温色

谱柱中，于一定操作条件下，使用稳压阀使进入管柱之压力稳定，则可保持流速稳定。但在程序升

温（temperature programming）的色谱柱中，由于管柱内阻随温度而不断增加，致使流速逐渐减

缓，因此必须在稳压阀之后加一个稳流阀。
5、流量计
 流速测量可使用转子流量计、毛细管流量计（示差流量计）、皂子流量计。通常使用皂子流量

计，系一橡胶球内含肥皂液或清洁剂溶液，被挤压时会在气体通路上形成一肥皂泡沫，量测此肥皂

泡沫在滴定管刻度间移动所需时间，换算成体积流速。一般接于管柱出口末端
气路结构
二、进样系统
进样就是把样品快速而定量地加到色谱柱上端，以便进行分离。进样系统包括进样器和气化室两部分。
 1、进样器
 2、气化室

三、分离系统
1、色谱柱
 色谱柱是色谱仪的心脏，色谱分离过程就是在色谱柱内进行的。色谱柱可分为填充柱和毛细管

柱两类，都是由固定相和柱管构成。柱管可用不锈钢、铜、玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，可根据

样品有无腐蚀性、反应性及柱温的要求，选用适当材料制作的色谱柱。 不锈钢制成的管柱，其机械

强度佳、耐腐蚀、耐温，在高温下操作对大部分物质无催化作用，但对某些物质如生物链则会催化

促进分解。玻璃管柱对管内填充物是否均匀、是否变质可以容易检查，并且玻璃对样品成分不具催

化作用。但玻璃管柱之机械强度较差，其导热性也较差为其缺点。聚四氟乙烯对样品不具催化作用，

对于某些含硫的有机物，其分离效果良好。钢制管柱因具有催化作用，较少被使用。管柱外形有直

线形、U形、螺旋形等。

常用的填充柱内径为2～4 mm，长1～3m。填充料可以是具有吸附性的吸附剂或覆盖在载体上的

均匀固定液膜。填充柱可供选择的填料种类很多，因而具有广泛的选择性，应用很广。但由于填充

管柱的渗透性较小，质量传送阻力大，且管柱不能太长而使其分离效率不甚高。
 毛细管柱又叫空心柱，柱内径0.1～0.5mm，柱长30～300m。空心毛细管柱是将固定液直接涂在

毛细管的内壁表面。由于毛细管柱的质量传送阻力小且管柱长，因此其渗透性好，分离效率高，分

析速度快。但柱容量低，进样量小，要求检测器灵敏度高，操作条件严格，所以多数情况下都用填

充柱。
2、色谱炉
色谱炉的作用是为样品各组分在柱内的分离提供适宜的温度。
四、温控系统
温度控制系统用来设定、控制和测量色谱炉、气化室和检测器的温度。
1、色谱炉温度
 色谱炉温度从300～500℃连续可调，可在任意给定温度保持恒温，也可按一定的速率程序升温。
程序升温
 对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定速度提高柱温，在程

序开始时，柱温较低，低沸点的组分得到分离，中等沸点的组分移动很慢，高沸点的组分还停留于

柱口附近；随着温度上升，组分由低沸点到高沸点依次分离出来。
 采用程序升温后不仅改善分离，而且可以 缩短分析时间，得到的峰形也很理想。
2、气化室温度
 气化室温度应使试样立即瞬间气化而又不分解，一般，气化室温度比柱温高30～50℃。
3、检测器的温度
 除氢焰离子检测器外，所有检测器对温度变化都较敏感，尤其是热导检测器，温度的微小变化，

都直接影响检测器的灵敏度和稳定性，所以检测器的控温精度要优于±0.1℃。

五、检测系统
检测系统主要为检测器（detector）是一种能把进入其中各组分的量转换成易于测量的电信号的装置
（一）检测器的分类
1、根据对信号的记录方式不同
主要分为积分型及微分型。
积分型系连续测量管柱流出物的流量，得到一阶梯形的曲线，如图所示。每一阶梯代表一种组分，而阶梯的垂直高度与该成分的总量成正比。此类检测器目前较少用。
微分型是测量管柱流出物及其浓度的瞬间变化，得到一峰形的曲线（如图所示），每一峰代表一组分，每一峰的面积（或峰高）与每一组分的含量成正比。目前广泛使用此类型检测器。
2、根据检测原理的不同
 可分为浓度型和质量型两类。
浓度型检测器测量的是载气中组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值正比于载气中组分的浓度。例如热导检测器和电子捕获检测器。
质量型检测器测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。例如氢焰离子化检测器和火焰光度检测器。
（二）气相色谱的检测器
1、理想检测器的特性
（1）适当的灵敏度：一般检测器的灵敏度范围在克分析物/秒之间。
（2）具有良好的稳定性及再现性；
（3）温度范围由室温至800℃；
（4）对样品无破坏性；
（5）反应时间短且与流速无关；
（6）可信度高且容易使用；
（7）对所有分析物有相似的反应，对某些分析物具选择性反应；
（8）对分析物的校准曲线呈线性。
3、几种检测器
 A.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。
B.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。
C.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。

D.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。
E.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。
F.其它检测器：质谱仪、付立叶变换红外光谱仪、AED、SCD、ELCD、PID、HID等。
4、检测器的性能指标
A、灵敏度S
当一定浓度或一定质量的组分进入检测器，产生一定的响应信号R。以进样量c（单位：mg.cm-3或g.s-1）对响应信号（R）作图得到一条通过原点的直线。直线的斜率就是检测器的灵敏度（S）。因此，灵敏度可定义为信号（R）对进入检测器的组分量（Q）的变化率：

S = △R / △Q

浓度型检测器的灵敏度



式中：
Sc —为灵敏度（ mV.mL. mg -1 ）
C1—记录纸移动速度（ cm .min -1 ）
C2—记录仪灵敏度（ mV.cm-1）
Ai —为色谱峰面积（ cm2）
Fc—检测器入口处载气的流速（ mL .min -1 ）
m—进入检测器的样品量（mg）
质量型检测器的灵敏度


Sm —灵敏度( mV.s .g-1 ）；
mi—进入检测器的样品量（g）

B、检出限D
检出限定义为：检测器恰能产生三倍于噪音（ 3N ）时的单位时间（单位：s）引入检测器
的样品量（单位：g）或单位体积（单位：mL ）载气中需含的样品量。
D = 3N / S
C、最小检测量Q0
最小检测量指恰能产生和噪声相鉴别的信号时进入色谱柱的最小物质量（或最小浓度）。
最小检测量和检出限是两个不同的概念。检出限只用来衡量检测器的性能；而最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。
D、线性范围
检测器的线性范围定义为在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。
E、 响应时间
响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63%所需的时间。一般小于1s。

六、 记录系统
记录系统是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。


第三节 色谱定性和定量分析
一 、色谱的定性分析
由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值，因此保留值可作为一种定性指标。目前各种色谱定性方法都是基于保留值的。
（一）利用纯物质对照定性
只适用于组分性质已有所了解，组成比较简单，且有纯物质的未知物。
（二）相对保留值法
（三）保留指数定性法
保留指数又称为柯瓦（Kováts）指数，它表示物质在固定液上的保留行为，是目前使用最广泛并被国际上公认的定性指标。它具有重现性好、标准统一及温度系数小等优点。
保留指数也是一种相对保留值，它是把正构烷烃中某两个组分的调整保留值的对数作为相对的尺度，并假定正构烷烃的保留指数为n´100。被测物的保留指数值可用内插法计算。



二、定量分析

定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含量。色谱定量的依据是，当操作条件一致时，被测组分的质量（或浓度）与检测器给出的响应信号成正比。即：
式中mi为被测组分i的质量； Ai为被测组分i的峰面积； fi为被测组分i的校正因子。
（一）峰面积测量方法
峰面积是色谱图提供的基本定量数据，峰面积测量的准确与否直接影响定量结果。对于不同峰形的色谱峰采用不同的测量方法。
（1）对称形峰面积的测量—— 峰高乘以半峰宽法
对称峰的面积 A = 1.065 ´ h ´ Y1/2
（2）不对称形峰面积的测量—— 峰高乘平均峰宽法
对于不对称峰的测量如仍用峰高乘以半峰宽，误差就较大，因此采用峰高乘平均峰宽法。
A = 1/2 · h（Y0.15 + Y0.85）

式中W0.15 和 W0.85分别为峰高0.15倍和0.85倍处的峰宽。
（3）峰高乘峰底宽度法
（4）峰高乘保留值法

（二）定量校正因子
色谱定量分析的依据是被测组分的量与其峰面积成正比。但是峰面积的大小不仅取决于组分的质量，而且还与它的性质有关。即当两个质量相同的不同组分在相同条件下使用同一检测器进行测定时，所得的峰面积却不相同。为了使峰面积能真实反映出物质的质量，就要对峰面积进行校正，即在定量计算是引入校正因子。
　　校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。

fi = mi / Ai　　　 fi¢ = fi / fs

1　质量校正因子fm 　
fm =（mi /Ai）/（ms/As）=（mi / ms）·（As / Ai ）
2　摩尔校正因子fM
3　体积校正因子Fv
4　相对响应值s¢
常用的标准物质，对热导检测器（TCD）是苯，对氢焰检测器（FID）是正庚烷。
测定相对校正因子最好是用色谱纯试剂。若无纯品，也要确知该物质的百分含量。测定时首先准确称量标准物质和待测物，然后将它们混合均匀进样，分别测出其峰面积，再进行计算。
（三）定量计算方法
1. 归一化法
把所有出峰组分的含量之和按100%计的定量方法称为归一化法。其计算公式如下：
Pi % = (mi / m) · 100%
= Aif¢i / (A1f¢1 + A2f¢2 + ¼+Anf¢n) · 100%
式中Pi %为被测组分i的百分含量； A1、A2 ¼ An为组分1 ~ n的峰面积；f¢1、f¢2 ¼ f¢n为组分1 ~ n的相对校正因子。
2. 内标法
当样品各组分不能全部从色谱柱流出，或有些组分在检测器上无信号，或只需对样品中某几个出现色谱峰的组分进行定量时可采用内标法。
所谓内标法，是将一定量 的纯物质作为内标物加入到准确称量的试样 中，根据试样和内标物的质量以及被测组分和内标物的峰面积可求出被测组分的含量。
由于被测组分与内标物质量之比等于峰面积之比，即
mi / ms =Aif¢i / Asf¢s

内标法的关键是选择合适的内标物，它必须符合下列条件：
（1）内标物应是试样中原来不存在的纯物质，性质与被测物相近，能完全溶解于样品中，但不能与样品发生化学反应。
（2）内标物的峰位置应尽量靠近被测组分的峰，或位于几个被测物之峰的中间并与这些色谱峰完全分离。
（3）内标物的质量应与被测物质的质量接近，能保持色 谱峰大小差不多

（3）外标法
外标法实际上就是常用的标准曲线法。首先用纯物质配制一系列不同浓度的标准试样，在一定的色谱条件下准确定量进样，测量峰面积（或峰高），绘制标准曲线。进样品测定时，要在与绘制标准曲线完全相同的色谱条件下准确进样，根据所得的峰面积（或峰高），从曲线查出被测组分的含量。