氣相色譜儀原理(圖文詳解

1、氣相色譜儀原理（圖文詳解）什么是氣相色譜本章介紹氣相色譜的功能和用途，以及色譜儀的基本結(jié)構(gòu)。氣相色譜（GC)是一種把混合物分離成單個(gè)組分的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。它被 用來對(duì)樣品組分進(jìn)行鑒定和定量測(cè)定：基子時(shí)間的差別進(jìn)行分離和物理分離（比如蒸餾和類似的技術(shù)）不同，氣相色譜（GC)是 基于時(shí)間差別的分離技術(shù)。將氣化的混合物或氣體通過含有某種物質(zhì)的管，基于管中物質(zhì)對(duì) 不同化合物的保留性能不同而得到分離。這樣，就是基于時(shí)間的 差別對(duì)化合物進(jìn)行分離。樣品經(jīng)過檢測(cè)器以后，被記錄的就是色 譜圖（圖1),每一個(gè)峰代表最初混合樣品中不同的組分。峰出現(xiàn)的時(shí)間稱為保留時(shí)間，可以用來對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行定性，而 峰的大?。ǚ甯呋蚍迕娣e

2、）則是組分含量大小的度量。圖1典型色譜圖系統(tǒng)一個(gè)氣相色譜系統(tǒng)包括可控而純凈的載氣源.它能將樣品帶入GC系統(tǒng) 進(jìn)樣口，它同時(shí)還作為液體樣品的氣化室 色譜柱，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間的分離檢測(cè)器，當(dāng)組分通過時(shí)，檢測(cè)器電信號(hào)的輸出值改變，從而對(duì) 組分做出響應(yīng)某種數(shù)據(jù)處理裝置 圖2是對(duì)此作出的一個(gè)總結(jié)。樣品載氣源 一 進(jìn)樣口一 色譜柱 一 檢測(cè)器一_ 數(shù)據(jù)處理圖2色譜系統(tǒng)氣源載氣必須是純凈的。污染物可能與樣品或色譜柱反應(yīng)，產(chǎn)生假峰 進(jìn)入檢測(cè)器使基線噪音增大等。推薦使用配備有水分、烴類化合 物和氧氣捕集阱的高純載氣。見圖鋼瓶閥若使用氣體發(fā)生器而不是氣體鋼瓶時(shí)，應(yīng)對(duì)每一臺(tái)GC都裝配凈 化器，并且使氣源盡可能靠近儀器的背

3、面。進(jìn)樣口進(jìn)樣口就是將揮發(fā)后的樣品引入載氣流。最常用的進(jìn)樣裝置是注 射進(jìn)樣口和進(jìn)樣閥。 注射進(jìn)樣口用于氣體和液體樣品進(jìn)樣。常用來加熱使液體樣品蒸發(fā)。用氣體 或液體注射器穿透隔墊將樣品注入載氣流。其原理（非實(shí)際設(shè)計(jì) 尺寸）如圖4所示。樣品從機(jī)械控制的定量管被掃入載氣流。因?yàn)檫M(jìn)樣量通常差別很 大，所以對(duì)氣體和液體樣品采用不同的進(jìn)樣閥。其原理（非實(shí)際 設(shè)計(jì)尺寸）如圖5所示。進(jìn)樣閥通常與進(jìn)樣口連接，特別在分流進(jìn)樣模式時(shí)，進(jìn)樣閥連接 到分流/不分流進(jìn)樣口。色譜柱分離就在色譜柱中進(jìn)行。因?yàn)橛脩艨梢赃x擇不同的色譜柱.故使 用一臺(tái)儀器能夠進(jìn)行許多不同的分析。圖因?yàn)榇蠖鄶?shù)分離都強(qiáng)烈依賴于溫度.故色譜柱要安裝在能

4、夠精密 控溫的柱箱內(nèi).見圖6。從色譜柱里出來的含有分離組分的載氣流通過檢測(cè)器而產(chǎn)生信號(hào)。 檢測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)化后成為色譜圖，見圖檢測(cè)器有幾種類型的檢測(cè)器可供選擇，但是所有的檢測(cè)器的功能都是相 同的：當(dāng)純的載氣（沒有待分離組分）流經(jīng)檢測(cè)器時(shí)，產(chǎn)生穩(wěn)定的電 信號(hào)（基線當(dāng)有待分離組分通過檢測(cè)器時(shí).產(chǎn)生不同的信號(hào)。數(shù)據(jù)處理測(cè)量色譜圖記錄下了檢測(cè)器輸出的電信號(hào)。它可以通過以下幾種方式 進(jìn)行處理：在帶狀圖記錄儀上記錄 使用數(shù)字積分儀處理 用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理傳統(tǒng)的帶狀圖記錄儀必須手工測(cè)量峰的保留時(shí)間和峰大小。積分 儀和數(shù)據(jù)系統(tǒng)則可直接進(jìn)行這些測(cè)量。強(qiáng)烈推薦使用積分儀和數(shù) 據(jù)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈冇泻芎玫闹噩F(xiàn)性

5、和靈敏度。計(jì)算色譜峰的保留時(shí)間和峰大小必須轉(zhuǎn)換成待分離組分的名稱和含量。 這可以通過與已知樣品（校準(zhǔn)樣品）的保留時(shí)間和響應(yīng)值大小進(jìn) 行比較來完成。這種比較可以手工完成.但是鑒于速度和準(zhǔn)確性. 采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是最好的。儀器控制某些數(shù)據(jù)系統(tǒng)和GC組合還可通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)提供對(duì)GC的直 接控制。這樣就能創(chuàng)建可存儲(chǔ)的方法.需要時(shí)調(diào)用儲(chǔ)存的方法即 可.從而可實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化分析。一些樣品已經(jīng)是氣體（例如室內(nèi)或室外的空氣，可燃?xì)怏w等）， 則可以用氣體注射器或氣體進(jìn)樣閥直接進(jìn)樣。大多數(shù)樣品為液體，為了用氣相色譜來分析，必須首先使之氣化 這常常由加熱的進(jìn)樣口和液體注射器或液體進(jìn)樣閥相結(jié)合而完成的進(jìn)樣口進(jìn)樣

6、口的設(shè)計(jì)和選擇取決于色譜柱的直徑和類型。下一章將介紹 色譜柱類型，填充柱和毛細(xì)管柱。填充柱和大口徑毛細(xì)管柱使用填充柱進(jìn)樣口；小口徑的毛細(xì)管柱 使用分流/不分流進(jìn)樣口。填充柱進(jìn)樣口填充柱進(jìn)樣口是為填充柱設(shè)計(jì)的?？筛鼡Q的襯管使進(jìn)樣口適用于 特定內(nèi)徑的色譜柱，柱內(nèi)徑一般為1/8或1/4英寸。典型的設(shè)計(jì) 如圖8所示。當(dāng)用大口徑毛細(xì)管柱時(shí)，專用的襯管使得它們可以用于填充柱進(jìn) 樣口。這種色譜柱的柱容量與填充柱的類似。樣品用注射器穿過隔墊注入到載氣流中。加熱的進(jìn)樣口使樣品 (如果是液體）氣化，而后載氣將氣化的樣品帶入色譜柱。分流/不分流進(jìn)樣口分流/不分流進(jìn)樣用毛細(xì)管柱，有兩種操作模式。 分流模式毛細(xì)管柱有較

7、小的樣品容量。進(jìn)樣量必須非常少.通常遠(yuǎn)少于1 微升，以防止色譜柱超載。如此小的樣品量操作起來是很困難的。分流模式提供了 一種方法 來解決此問題：采用通常的進(jìn)樣量.氣化.然后只把其中一部分 引入到色譜柱內(nèi)進(jìn)行分析。其余大部分經(jīng)分流出口放空。圖9為典型的分流/不分流進(jìn)樣口的分流模式。分流閥開啟并一直維持此狀態(tài)。樣品被注射進(jìn)襯管，同時(shí)被氣化。 氣化的樣品在色譜柱（氣流阻力大）和分流放空口 （氣流阻力可 調(diào)）之間分配。不分流進(jìn)樣模式此模式特別適用于低濃度的樣品。它將樣品捕集在柱頭，同時(shí)將 殘留在進(jìn)樣口的溶劑氣體放空。此模式包括兩個(gè)步驟- 1注射樣品關(guān)閉分流閥。載氣流在隔墊吹掃氣出口和色譜柱之間分配。柱

8、 頭壓力由分流放空調(diào)節(jié)閥來設(shè)定，從而設(shè)定流過色譜柱的流速。注射樣品。溶劑（主要的樣品成分）在富集樣品的柱頭產(chǎn)生飽 和區(qū)帶。進(jìn)樣口流量 隔墊螺母隔墊吹掃控制閥和隔墊氣控制圖10 不分流模式進(jìn)樣進(jìn)樣口吹掃在樣品被捕集到色譜柱頭之后，打開分流閥。將殘留在進(jìn)樣口 中的氣體（此時(shí)大部分是溶劑）放空?，F(xiàn)在流路和分流模式是相同的（圖9)。升高柱溫，開始將樣品組分引入色譜柱并分離。此方法對(duì)于沸點(diǎn)比溶劑高的組分的分離是很有效的。溶劑峰將會(huì) 很大。要采用程序升溫將目標(biāo)化合物的峰和溶劑峰分離。不分流模式進(jìn)樣步驟成功的不分流進(jìn)樣包括以下幾個(gè)步驟：在加熱的進(jìn)樣口中使樣品和溶劑揮發(fā)。采用較低的柱溫在柱頭產(chǎn)生一個(gè)溶劑飽和區(qū)

9、帶。利用此區(qū)帶使樣品在柱頭進(jìn)行富集和重組。在所有樣品，或至少是大部分樣品進(jìn)入色譜柱后，通過打開分 流放空閥放空進(jìn)樣口中殘留的樣品氣體。升高柱溫，先將溶劑，然后將樣品從柱頭釋放。 操作參數(shù)初始值設(shè)定您必須通過實(shí)驗(yàn)來確定最佳操作參數(shù)值。表1提供了一些建議的 參數(shù)設(shè)置初始值：表1 不分流進(jìn)樣模式的進(jìn)樣口參數(shù)初始值設(shè)置儀器參數(shù)建議初始值柱溫低于溶劑沸點(diǎn)柱箱初始時(shí)間分流閥開啟時(shí)間分流放空閥開啟時(shí)間襯管體積 2/柱流速注射進(jìn)樣技術(shù)每一個(gè)色譜峰的起始點(diǎn)是與載氣混合的揮發(fā)的樣品區(qū)域的一部分 在樣品組分于柱內(nèi)被分離的過程中，樣品區(qū)域由于擴(kuò)散而展寬。 任何色譜峰的寬度都不會(huì)比初始區(qū)域?qū)挾雀?由于分離窄峰比寬峰

10、容易得多.故必須使初始區(qū)域?qū)挾茸钚』?理想的注射進(jìn)樣技術(shù)是：將樣品充入注射器，調(diào)節(jié)進(jìn)樣量。將注射器的針尖以盡可能深地速度穿過進(jìn)樣隔墊（進(jìn)樣口的設(shè) 計(jì)者假定您會(huì)這樣做）?？焖賶合伦⑸淦魍茥U。立即把針從進(jìn)樣口拔出。重要的就是速度任何遲疑都將導(dǎo)致樣品區(qū)域?qū)挾仍龃?。如果一個(gè)熟練的操作者按以上方法進(jìn)樣，他能達(dá)到3到4%的進(jìn)樣 量重復(fù)性。能夠限制注射器推桿移動(dòng)距離的機(jī)械裝置能提高進(jìn)樣 重復(fù)性。應(yīng)避免使用在兩個(gè)氣泡間捕集樣品的注射技術(shù)。這樣您必須做兩 次估算，因而使進(jìn)樣量的誤差增倍。自動(dòng)進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)樣器是解決進(jìn)樣問題的一個(gè)方法。它們能夠?qū)崿F(xiàn)高度重復(fù) 的進(jìn)樣。因此，它們通常允許采用更簡單的峰的含量計(jì)算方

11、法 (用外標(biāo)法，而不是內(nèi)標(biāo)法）。如果配備有自動(dòng)進(jìn)樣器（裝備有樣品盤.并與數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接）. 就可以進(jìn)行全自動(dòng)分析。氣體樣品進(jìn)樣閥包括一個(gè)定量管和將定量管接入載氣流和脫離載 氣流的閥體。圖11所示為一種常用的進(jìn)樣機(jī)理。樣品量通過定量管來確定。定量管是可以更換的，因此一個(gè)進(jìn)樣 閥能夠提供多種高度重復(fù)的進(jìn)樣體積。液體進(jìn)樣閥這與氣體進(jìn)樣閥的原理是一樣的。由于液體進(jìn)樣要求更小的進(jìn)樣 體積，因此“定量管”是構(gòu)成閥體的一部分，且是不可更換的。如果要改變進(jìn)樣量，您必須更換整個(gè)進(jìn)樣閥。進(jìn)樣口溫度氣體樣品對(duì)于氣體樣品而言.進(jìn)樣口不需要?dú)饣魏挝镔|(zhì).因此也就沒有 必要加熱。然而.大多數(shù)色譜工作者更傾向于加熱進(jìn)樣口以保

12、證進(jìn)樣口不會(huì) 使任何物質(zhì)冷凝。常用的進(jìn)樣口溫度為10(TC。液體樣品液體樣品要求加熱進(jìn)樣口。溫度要足夠高以使樣品氣化.但又不 能過高而導(dǎo)致樣品分解。溫度足夠髙開始將進(jìn)樣口溫度設(shè)置為溶劑沸點(diǎn)值并觀察色譜峰 形。如果所有色譜峰的峰形大致相同（大小不同），說明進(jìn)樣口 溫度已經(jīng)足夠高了。如果后流出的色譜峰顯得過寬，就將進(jìn)樣口 溫度升高10 C看峰形是否改善。溫度過高如果出現(xiàn)的峰數(shù)比組分?jǐn)?shù)還多，且峰型較差，說明可 能有樣品分解發(fā)生。在進(jìn)樣口發(fā)生分解所產(chǎn)生的峰，其大小主要取決于進(jìn)樣口溫度。 為了驗(yàn)證是否發(fā)生分解，稍稍降低進(jìn)樣口溫度后進(jìn)行第二次分析， 然后比較峰的大小。若有明顯的變化，就表明在進(jìn)樣口處有樣品

13、 分解發(fā)生。 氣相色譜原理組分分離色譜柱如何對(duì)化合物進(jìn)行分離混合物在色譜柱內(nèi)被分離為單個(gè)組分。許多色譜柱都可以用來分 離混合物。色譜柱的選擇取決于混合物的性質(zhì)和所需獲得的信息 (分析目的）然而，所有色譜柱都基于同樣的工作原理。色譜柱如何對(duì)化合物進(jìn)行分離這是一段含有兩個(gè)樣品組分（彩色的圓點(diǎn)）的色譜柱的橫截面, 它既沒有填料，也沒有涂層。這樣的色譜柱只是空柱（圖載氣流圖12 未經(jīng)涂層的色譜柱如果過幾秒鐘后您再觀察，色譜柱內(nèi)的情況就發(fā)生了改變 (圖圖13 幾分鐘后由于載氣流的帶動(dòng)，樣品向柱的右端移動(dòng)。并且由于樣品區(qū)域和 周圍載氣中樣品濃度的不同而使得樣品區(qū)帶展寬。樣品組分仍然是混合在一起的?，F(xiàn)在我們

14、在柱子的內(nèi)表面涂一層高沸點(diǎn)物質(zhì)，然后重復(fù)此實(shí)驗(yàn) 我們可以用所希望的任何涂層。在這個(gè)例子中，我們選用能夠溶 解蘭色圓點(diǎn)組分而不能溶解黃色圓點(diǎn)組分的固定液。藍(lán)色組分在固定相和載氣兩相之間進(jìn)行分配。黃色組分則停留在 氣相中。幾秒鐘以后我們?cè)儆^察色譜柱.我們會(huì)發(fā)現(xiàn)（黃色組分與涂層之間沒有作用）它隨載氣一同流過色譜柱并首先 從色譜柱中流出。蘭色組分在固定液和載氣之間進(jìn)行分配。它以較慢的速度流過色 譜柱而后流出色譜柱。樣品已經(jīng)開始分離為兩個(gè)峰。色譜基本原理當(dāng)氣化的組分與氣相和固定（涂層）相共存時(shí).它就根據(jù)對(duì)兩 相相對(duì)吸附性能的不同而在兩相間進(jìn)行分配。此“吸附性能”可以是溶解度，揮發(fā)性，極性，特殊的化學(xué)相

15、互作用，或其他任何存在于樣品組分間的性質(zhì)差異。如果一相是固定的（涂層）而另一相是流動(dòng)的（載氣），組分 將會(huì)以比流動(dòng)相慢的速度遷移。遷移速度慢的程度取決于相互 作用的大小。如果不同組分有不同的“吸附性能”，它們將會(huì)隨時(shí)間而被分離。毛細(xì)管柱是將固定相涂在管內(nèi)壁的開口管.其中沒有填充物。毛細(xì)管柱的內(nèi)徑從0.1到0.5毫米。典型的柱長是30米.見 圖16。圖16 毛細(xì)管柱毛細(xì)管柱產(chǎn)生很窄的色譜峰。這有利于分離非常復(fù)雜的混合物。 例如，常用的汽車燃油的分析將產(chǎn)生400到500個(gè)色譜峰。色譜柱類型毛細(xì)管柱這些用熔融石英毛細(xì)管制成的色譜柱呈很好的惰性。在不銹鋼和 玻璃柱上拖尾現(xiàn)象很嚴(yán)重的樣品，如硫醇類化合物

16、，在毛細(xì)管柱 上能夠達(dá)到基線分離。填充柱毛細(xì)管柱對(duì)樣品量的要求小于填充柱。特定的進(jìn)樣口，見19頁 “分流/不分流進(jìn)樣口”，允許采用常規(guī)進(jìn)樣量而在樣品進(jìn)入色譜 柱之前進(jìn)行分流。在填充柱內(nèi).固定液被涂在粒度均勻的載體顆粒上以增大表面積. 減少涂層厚度。涂好的填料被填充在金屬.玻璃.或塑料管內(nèi). 如圖17。大多數(shù)金屬填充柱的外徑是1/8或1/4英寸。玻璃柱通常是1/4 英寸外徑，但是內(nèi)徑不同，使之與兩種規(guī)格的不銹鋼柱有相同的 分離效果。填料上的涂層填充柱圖填充柱有較大的樣品容量.是老式的靈敏度較低的檢測(cè)器所必需 的。然而.采用現(xiàn)代高靈敏度的檢測(cè)器.樣品容量大的優(yōu)勢(shì)已經(jīng) 消失。填充柱仍然適用于氣體樣品

17、.但是.毛細(xì)管柱對(duì)于大多液 體樣品會(huì)有更好的分離度。色譜柱管材色譜柱管材料包括：不銹鋼一耐用，但是相對(duì)活潑的柱表面可能導(dǎo)致被分離組分的 損失和峰拖尾。玻璃一質(zhì)脆，通常要求對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行脫活處理。熔融石英一僅用于毛細(xì)管柱.惰性好、堅(jiān)固耐用.是最常用的 柱材料。色譜柱特性色譜柱的用途是將多組分的樣品分成窄的、分離良好的色譜峰 這兩個(gè)目標(biāo)并不是完全無關(guān)的。柱效高柱效的色譜柱產(chǎn)生窄的色譜峰。見圖低柱效高柱效圖18 柱效柱效是由色譜柱的結(jié)構(gòu)（小的柱內(nèi)徑和薄的固定相涂層有最高的 柱效）和載氣流速?zèng)Q定的。表2是所推薦的載氣流速。表2 推薦的載氣流速注：較低的流速接近于載氣與色譜柱的優(yōu)化值。通常.色譜柱運(yùn) 行得

18、更快.分析就更迅速.而不會(huì)損失多少柱效。如果分離非常 好或使用更短的色譜柱.色譜柱甚至還可以運(yùn)行得更快。大多數(shù) 情況下.不用低于推薦值的流速.因?yàn)樗鼈冄娱L分析時(shí)間.還會(huì) 降低柱效。載氣控制填充柱內(nèi)的流速通常是用質(zhì)量流量控制器來控制的。毛細(xì)管柱， 由于它的流速很低.常常是用壓力來控制流速的。有些GC提供電子氣路控制。這樣的儀器允許從鍵盤上設(shè)定流速 并從顯示器上讀出。柱分離度高分離度的色譜柱能夠作到基線分離。如果色譜峰很窄（柱效 高），分離將會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。載氣流速的稍微改變能對(duì)分離度產(chǎn)生顯著的影響。結(jié)合柱效和分離度的數(shù)學(xué)定義式，我們可以得到重要的結(jié)論：色譜柱分離度與柱長的平方根成正比。這意味著增加

19、柱長并不是提高分離度行之有效的方法。柱長加倍，分 離時(shí)間（和色譜柱成本）也加倍，但是分離度僅僅增加大約40%。柱選擇性這是一個(gè)定義不很明確的、與固定相有關(guān)的性質(zhì)。事實(shí)上，它是 固定相對(duì)兩種化合物表現(xiàn)出不同作用的程度。選擇性低一兩組分 同時(shí)流出。選擇性高一兩色譜峰分離。用毛細(xì)管柱還是填充柱兩者各有所長。下面是一些需要考慮的因素。氣體分析通常用填充柱完成。填充柱有足夠的柱容量來適應(yīng)較 大體積的氣體進(jìn)樣量。氣體樣品分析常用填料包括：分子篩一氧氣，氮?dú)猓?，氫氣，二氧化碳，一氧化碳?甲烷等。氧化鋁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，二氧化碳等。其中一些填料

20、（但不是所有填料）可以用于毛細(xì)管色譜柱中。毛細(xì)管柱有比填充柱更高的分離度。即使選擇性低一些，通常 也能實(shí)現(xiàn)足夠的分離。一根毛細(xì)管柱能夠完成多種分析，而用填充柱則可能需要多根 才能完成。對(duì)毛細(xì)管柱和填充柱都適用的的固定液有： 甲基硅烷一非極性到中等極性苯基甲基硅烷（5到50%的苯基）一烯烴，芳香化合物， 中等極性化合物聚乙二醇）_酸，強(qiáng)極性的物質(zhì)由于毛細(xì)管柱高的分離度，通?？梢誀奚稽c(diǎn)分離度而減少分 析時(shí)間。由于分離度與柱長的平方根成正比，因此一根良好的 毛細(xì)管柱可以被截成兩段很好的毛細(xì)管柱，而僅損失很少的分 離度。分離時(shí)間卻可以減少一半！柱溫色譜柱內(nèi)的固定相（涂層）有一個(gè)適用的溫度范圍。漫菇溫

21、度通常是熔點(diǎn)。低于此.您所做的是氣/固色譜；高于 此，您所做的是氣/液色譜。結(jié)果可能大不相同。漫暮溫度通常是指沸點(diǎn)或降解溫度。色譜柱通常安裝在可控溫的柱箱里，因?yàn)闇囟葘?duì)分離的影響是很 大的。溫度柱溫可以采用恒溫或程序升溫。如圖19。這是操作柱溫箱最簡單的方法。在整個(gè)分析過程中，柱溫將保持 不變。它有以下優(yōu)點(diǎn)柱溫箱總是處于可進(jìn)行樣品分析的狀態(tài)。兩次分析之間不需要間隔時(shí)間。缺點(diǎn)：若樣品組分的沸點(diǎn)范圍很寬，那么恒溫分離將會(huì)需要很長時(shí)間， ?由于色譜峰隨時(shí)間而展寬，后面流出的峰將會(huì)難于檢測(cè)或測(cè)定。程序控溫在分析過程中，柱溫隨時(shí)間而變化，通常是升高柱溫。它的優(yōu)點(diǎn)是: ?減少分析時(shí)間整個(gè)分離過程中峰形一致

22、，檢測(cè)和測(cè)定更容易。 缺點(diǎn)：樣品組分將經(jīng)歷比恒溫分離更高的溫度，這可能會(huì)導(dǎo)致某些敏 感組分降解。在兩次進(jìn)樣之間.柱溫箱必須冷卻到初始溫度。這樣就抵消了 部分所節(jié)省的分析時(shí)間。 氣相色譜儀原理組分檢測(cè)熱導(dǎo)檢測(cè)器工作原理 40 火焰離子化檢測(cè)器（工作原理 42 電子捕獲檢測(cè)器（ECD) 43 工作原理本章所介紹的三種檢測(cè)器能夠完成GC的大部分工作。還有其他 一些檢測(cè)器起互補(bǔ)作用（見表3),大多是元素專屬性檢測(cè)器或 質(zhì)量選擇性檢測(cè)器，在這里將不對(duì)它們做詳細(xì)介紹。表3 其他檢測(cè)器熱導(dǎo)檢測(cè)器所有氣體都能夠?qū)幔菤錃夂秃獾臒釋?dǎo)系數(shù)最大（見 表4)。當(dāng)兩者任何一種作為載氣時(shí)，任何其他成分的存在都將導(dǎo)

23、致熱導(dǎo)檢測(cè)池中氣流熱導(dǎo)率的下降。用TCD可以測(cè)量這種變化，并用來創(chuàng)建色譜圖。表4 某些氣體相對(duì)于正己烷的熱導(dǎo)率氣體相對(duì)熱導(dǎo)系數(shù)由于TCD是基于熱導(dǎo)率的差異而工作的，故氫氣或氦氣顯然是優(yōu) 選的載氣。工作原理當(dāng)電壓施加于熱絲時(shí).它就發(fā)熱。穩(wěn)定的溫度取決于所施加的電 壓、熱絲的電阻和熱絲向周圍環(huán)境散熱的速率。如果熱絲被載氣所包圍.載氣熱導(dǎo)率的任何變化都會(huì)引起熱絲溫 度的改變。這樣就導(dǎo)致熱絲電阻的變化。早期的TCD設(shè)計(jì)是將四根熱絲連接成惠斯通電橋。柱流出物流經(jīng) 兩根相對(duì)的熱絲；純的載氣（參比氣）流過另外兩根熱絲。當(dāng)有 被分離樣品組分流出色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，電橋的平衡被破壞。現(xiàn)代的TCD設(shè)計(jì)如圖20所示

24、。此檢測(cè)器只用一根熱絲?？焖偾袚Q閥使得柱流出物（含樣品）和 參比氣交替通過檢測(cè)池。如果兩氣流是一樣的一沒有被分離的組 分，氣體切換時(shí)熱絲電阻不變。然而，在有樣品組分進(jìn)入檢測(cè)池時(shí)，切換到色譜柱流出氣時(shí)，熱 絲溫度降低；當(dāng)切換到參比氣時(shí)，熱絲溫度又恢復(fù)原值。電子傳 感器能夠探測(cè)到此變化并調(diào)節(jié)熱絲的電源供給以使溫度保持恒定。圖20 熱導(dǎo)檢測(cè)器電源供給變化曲線的波動(dòng)幅度取決于柱流出物（有組分存在時(shí)） 和參比氣之間熱導(dǎo)率的差異?；鹧骐x子化檢測(cè)器氫氣和空氣燃燒所生成的火焰產(chǎn)生不多的離子。然而有含碳有機(jī) 物進(jìn)入火焰中燃燒時(shí)，離子產(chǎn)率將增大。工作原理從色譜柱流出的載氣和氫氣混合后在空氣中燃燒。FID有兩個(gè)電

25、極，其中之一是火焰燃燒的噴嘴，另一個(gè)加上極化電壓后用來收 集火焰中的離子。當(dāng)組分進(jìn)入火焰時(shí)，收集極所記錄到的電流增大。該電流經(jīng)過放 大后形成色譜圖。圖21 火焰離子化檢測(cè)器對(duì)在火焰中產(chǎn)生離子的任何物質(zhì)都有響應(yīng)，幾乎包括所有有 機(jī)化合物（有少數(shù)例外）。通用的FID設(shè)計(jì)如圖21所示?？?極焰 放電火電子捕獲檢測(cè)器（電子捕獲檢測(cè)器廣泛應(yīng)用于環(huán)境分析領(lǐng)域，這是因?yàn)樗鼘?duì)含鹵素 化合物有很高的靈敏度，包括大部分除草劑和農(nóng)藥。工作原理檢測(cè)池中的放射性同位素，通常是63Ni,發(fā)射出0射線。射線和 載氣分子碰撞而產(chǎn)生低能量的自由電子。在兩電極間施加極化電 壓以捕集電子流。某些分子能夠捕獲低能量的自由電子而形成負(fù)

26、離子。當(dāng)此類化合 物分子進(jìn)入檢測(cè)池時(shí)，部分電子被捕獲從而使得收集電流下降。 信號(hào)經(jīng)過處理后形成色譜圖。圖22是一種ECD的結(jié)構(gòu)示意圖。是高度選擇性的檢測(cè)器：對(duì)能捕獲電子的物質(zhì)有高的靈敏 度，而對(duì)其他物質(zhì)則幾乎不響應(yīng)。一些相對(duì)響應(yīng)值見表5。表5 ECD對(duì)某些化合物的靈敏度化合物相對(duì)于苯（響應(yīng)值=1)的響應(yīng)值 氣相色譜基本原理 譜圖解析色譜峰測(cè)量 47 保留時(shí)間 47 色譜峰大小 47 組分定性 49 組分定量 50 未校準(zhǔn)計(jì)算 50 峰面積與峰高百分比法 50 校準(zhǔn)計(jì)算 52 歸一化法 54 外標(biāo)法 55 內(nèi)標(biāo)法 56色譜儀產(chǎn)生隨時(shí)間而變化的信號(hào)。當(dāng)信號(hào)被記錄下來時(shí)，就形成 我們熟悉的色譜圖（見

27、圖23)。圖23 典型色譜圖色譜圖可以通過手動(dòng)或電子處理方式轉(zhuǎn)化為峰保留時(shí)間或峰大小 的數(shù)據(jù)列表。色譜峰測(cè)量對(duì)于一個(gè)色譜峰，我們可以獲得兩個(gè)基本的測(cè)量數(shù)據(jù)- ?進(jìn)樣后到色譜峰被檢測(cè)到的時(shí)間 ?色譜峰的大小保留時(shí)間峰出現(xiàn)的時(shí)間是從開始進(jìn)樣到被檢測(cè)到的時(shí)間，包括兩部分： 一載氣流過色譜柱所用的時(shí)間。可通過注射空氣或其他沒有相互作用的物質(zhì)來測(cè)定。保留時(shí)間一由于被分離組分與色譜柱固定相相互作用所造成的 滯留時(shí)間。在大多數(shù)情況下.通常忽略死時(shí)間而把出峰時(shí)間認(rèn)為是保留時(shí)間。色譜峰大小色譜峰大小可以通過峰高或峰面積來測(cè)定，二者都是相對(duì)于基線 而言的。色譜峰下的基線不能直接測(cè)量。它必須從色譜峰兩側(cè)的基線處測(cè)量

28、對(duì)于分離良好的峰這是很簡單的。但是當(dāng)峰發(fā)生重疊，或出現(xiàn)在 溶劑峰的拖尾側(cè)，或其他非理想化的情況時(shí)，測(cè)量就比較困難一 些。鑒于此，花在改善峰分離條件上的時(shí)間是值得的。峰高這是最簡單的測(cè)量，僅僅需要一把測(cè)量尺。它是從峰尖到基線的 垂直距離。峰面積此面積是指由色譜峰信號(hào)曲線和基線所圍成的面積。最好通過電 子方式來測(cè)量。圖24為兩個(gè)測(cè)量參數(shù)的圖示。測(cè)量基線圖24 色譜峰測(cè)量積分儀和數(shù)據(jù)系統(tǒng)積分儀用來測(cè)量色譜峰的面積和峰高.以及峰保留時(shí)間。它們能 夠方便而重現(xiàn)地將曲線（色譜圖）轉(zhuǎn)換為表格（時(shí)間和大?。?shù)據(jù)處理系統(tǒng)不僅有積分儀同樣的優(yōu)點(diǎn).而且具有更多的功能：軟件控制的積分儀比機(jī)械的積分儀更靈活。不用重復(fù)

29、進(jìn)樣，可以采用不同的積分和計(jì)算參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再 處理。系統(tǒng)能夠更加精確的完成本章所介紹的幾種基本的計(jì)算。 ?系統(tǒng)能夠給出用戶所需要的報(bào)告格式。 ?色譜峰的校準(zhǔn)變得非常簡單。 既可以進(jìn)行一點(diǎn).也可以進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)。 ?原始數(shù)據(jù)和已處理的數(shù)據(jù)可以被保存以備后用 ?系統(tǒng)可以同時(shí)處理多臺(tái)氣相色譜儀的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵S多化合物可能在同一時(shí)間（或幾乎同一時(shí)間）流出色譜 柱，因此僅僅依靠氣相色譜本身是不能對(duì)一個(gè)完全未知的化合物 進(jìn)行定性的。然而，當(dāng)問題被加以限定時(shí)，氣相色譜將變成一個(gè)強(qiáng)有力的工具。 可以通過比較氣相色譜圖以確定樣品是否相同。例如，油輪里的原 油樣品可以和海上浮油比較以確定油輪是否應(yīng)對(duì)原油的泄漏負(fù)責(zé)。

30、對(duì)于排除可疑性是很有用的。如果您從先前的實(shí)驗(yàn)中知道異辛 烷在1.9分鐘出峰，那么一個(gè)在1.5分鐘出的峰一定不會(huì)是異辛 烷。那么它是什么呢？幸運(yùn)的是，您不必要考慮所有的有機(jī)化合物。樣品信息限定了可 能的化合物。例如，您不會(huì)期望在止痛藥中找到鏈霉素。當(dāng)一個(gè)未知的峰被初步確定后，還必須在別的不同性質(zhì)的色譜柱 上重現(xiàn)以得到確認(rèn)。如果一個(gè)化合物在基于沸點(diǎn)分離的柱（甲基 硅氧烷）和極性柱（聚乙二醇）上有正確的保留時(shí)間，此定性很 可能就是正確的。在處理已知樣品組分并且要求定量時(shí)是特別有用的。GC通常 也用來監(jiān)測(cè)雜質(zhì)組分的存在（作為額外峰）。組分定性最后.GC可以和質(zhì)譜或其他選擇性檢測(cè)器聯(lián)用以提供明確鑒定 未

31、知組分所需的輔助數(shù)據(jù)。組分定量未校準(zhǔn)計(jì)算當(dāng)載氣通過檢測(cè)器時(shí)將會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。如果沒有樣品組分存在.所 產(chǎn)生的信號(hào)是基線。當(dāng)有組分出現(xiàn)時(shí)，信號(hào)將會(huì)增強(qiáng)。當(dāng)組分通過時(shí).信號(hào)和其投影的基線所圍面積是峰面積。從色譜 峰頂?shù)酵队暗幕€的最大垂直距離是峰高。積分伩或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理繪制基線和測(cè)量峰面積和峰高這 項(xiàng)困難的任務(wù)。其結(jié)果就是測(cè)量的響應(yīng)值(MR)。峰面積與峰高百分比法在一次進(jìn)樣分析過程中每一個(gè)色譜峰所占總的峰面積或峰高的百 分比。假設(shè)檢測(cè)器對(duì)所有組分都有相同的響應(yīng)。計(jì)算公式見公式1。 第n個(gè)峰含量第n個(gè)峰的MR/_次進(jìn)樣的所有MR的和優(yōu)點(diǎn)：快速，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行校準(zhǔn)。 ?進(jìn)樣量在一定范圍內(nèi)變化不影響

32、結(jié)果。缺點(diǎn)：所有組分的色譜峰必須能夠檢測(cè)到。任何沒有被檢測(cè)到或有沒流出色譜柱的峰都會(huì)減少M(fèi)R的總 和。這會(huì)造成所有被測(cè)物質(zhì)含量值偏高。如果組分的響應(yīng)因子不同，未校準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。這會(huì) 造成早流出的峰的測(cè)得含量偏高。適用范圍為建立校準(zhǔn)表而列出響應(yīng)信號(hào)和保留時(shí)間。 ?要進(jìn)行快速分析，與設(shè)定的極限值比較，結(jié)果重現(xiàn)。用于過程監(jiān)測(cè)，產(chǎn)品檢驗(yàn)測(cè)試等。不能用于對(duì)絕對(duì)準(zhǔn)確度要求高的分析。校準(zhǔn)計(jì)算如果峰面積和峰高百分比定量不能滿足需要，就要用標(biāo)準(zhǔn)樣品分 析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，以建立單個(gè)色譜峰的定量校準(zhǔn)曲線。最簡單的校準(zhǔn)是響應(yīng)因子，它是通過已知組分的含量除以相應(yīng)峰 的大小來計(jì)算的。用圖表示，響應(yīng)因子是組

33、分含量對(duì)色譜峰大小曲線的斜率，如 圖邸所示。色譜峰大小圖25 響應(yīng)因子響應(yīng)因子可通過分析一個(gè)含有所有欲校準(zhǔn)組分的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液來 進(jìn)行測(cè)定。但是，響應(yīng)因子方法有兩個(gè)假設(shè)的前提條件： 含量/峰面積（峰高）曲線經(jīng)過原點(diǎn)。含量/峰面積（峰高）曲線是直線。對(duì)于一個(gè)可靠的校準(zhǔn)，兩個(gè)前提條件都必須通過實(shí)驗(yàn)來加以證明 如果曲線確實(shí)是一條直線且確實(shí)通過原點(diǎn)，則響應(yīng)因子是有效的在圖25中，響應(yīng)因子可用于色譜峰A和B，但不適用于色譜峰C。 兩種形式的定量校正用公式2和公式3來表示。對(duì)于色譜峰A和峰的CR值=峰旳MR值X色譜峰響應(yīng)因子對(duì)于色譜峰峰的CR值=色譜峰MR值旳響應(yīng)曲線量色譜峰C只有用整個(gè)校準(zhǔn)曲線進(jìn)行校正。手動(dòng)進(jìn)行這樣的處理是 很費(fèi)時(shí)的，但是用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)就很容易做到了。歸一化法歸一化百分比法與面積和峰高百分比法類似，但是要用校正的響 應(yīng)值（CR)代替測(cè)量的響應(yīng)值，如公式4所示。第n個(gè)色譜峰含量第n個(gè)色譜峰的CR值/所有峰的CR之和X 100此計(jì)算方法可對(duì)組分靈敏度差異進(jìn)行校正，這對(duì)流出早的色譜 峰的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。進(jìn)樣量在一定范圍內(nèi)變化不影響結(jié)果。 缺點(diǎn)：此方法必須經(jīng)過校準(zhǔn)。所有的峰都必須能被檢測(cè)。任何沒有被