色譜分析儀基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

1、在線色譜分析儀基礎(chǔ)知識(shí)色譜法,又稱色層法或?qū)游龇?，是一種物理化學(xué)分析方法，它利用不同溶質(zhì)（樣品）與固定相和流動(dòng)相之間的作用力（分配、吸附、離子交換等）的差別，當(dāng)兩相做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，各溶質(zhì)在兩相間進(jìn)行多次平衡，使各溶質(zhì)達(dá)到相互分離。它的英文名稱為：chromatography這個(gè)詞來(lái)源于希臘字 chroma和 graphein，直譯成英文時(shí)為 color和writing兩個(gè)字;直譯成中文為色譜法。但也有人意譯為色層法或?qū)游龇ā?1906年由俄國(guó)科學(xué)家茨維特研究植物色素分離，提出色譜法概念；他在研究植物葉的色素成分時(shí)，將植物葉子的萃取物倒入填有碳酸鈣的直立玻璃管內(nèi)，然后加入石油醚使其自由流下，結(jié)果色

2、素中各組分互相分離形成各種不同顏色的譜帶。按光譜的命名方式，這種方法因此得名為色譜法。以后此法逐漸應(yīng)用于無(wú)色物質(zhì)的分離，“色譜”二字雖已失去原來(lái)的含義，但仍被人們沿用至今。 茨維特經(jīng)典色譜分析實(shí)驗(yàn)示意圖9.1基礎(chǔ)知識(shí)固定相色譜法中，靜止不動(dòng)的一相（固體或液體）稱為固定相（stationary phase） ；流動(dòng)相運(yùn)動(dòng)的一相（一般是氣體或液體）稱為流動(dòng)相（mobile phase）。 按固定相的幾何形式色譜分析法分為：柱色譜法(column chromatography)柱色譜法是將固定相裝在一金屬或玻璃柱中或是將固定相附著在毛細(xì)管內(nèi)壁上做成色譜柱，試樣從柱頭到柱尾沿一個(gè)方向移動(dòng)而進(jìn)行分離的色

3、譜法。目前在線色譜儀采用的是柱色譜法 。紙色譜法（paper chromatography）紙色譜法是利用濾紙作固定液的載體，把試樣點(diǎn)在濾紙上，然后用溶劑展開(kāi)，各組分在濾紙的不同位置以斑點(diǎn)形式顯現(xiàn)，根據(jù)濾紙上斑點(diǎn)位置及大小進(jìn)行定性和定量分析。薄層色譜法(thin-layer chromatography, TLC)薄層色譜法是將適當(dāng)粒度的吸附劑作為固定相涂布在平板上形成薄層，然后用與紙色譜法類似的方法操作以達(dá)到分離目的。簡(jiǎn)單的說(shuō)，色譜分析儀就是基于色譜法原理用色譜柱先將混合物分離開(kāi)來(lái)，然后再用檢測(cè)器對(duì)各組分進(jìn)行檢測(cè)。與前面介紹的幾種氣體成分分析儀不同，色譜分析儀能對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行全面的分析，既能

4、鑒定混合物中的各種組分，還能測(cè)量出各組分的含量。因此色譜分析儀在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。色譜分離基本原理： 由以上方法可知，在色譜法中存在兩相，一相是固定不動(dòng)的，我們把它叫做固定相；另一相則不斷流過(guò)固定相，我們把它叫做流動(dòng)相。 色譜法的分離原理就是利用待分離的各種物質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)、吸附能力等親和能力的不同來(lái)進(jìn)行分離的。 使用外力使含有樣品的流動(dòng)相（氣體、液體）通過(guò)一固定于柱中或平板上、與流動(dòng)相互不相溶的固定相表面。當(dāng)流動(dòng)相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時(shí)，混合物中的各組分與固定相發(fā)生相互作用。由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強(qiáng)弱不同，隨著流

5、動(dòng)相的移動(dòng)，混合物在兩相間經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時(shí)間不同，從而按一定次序由固定相中先后流出，色譜柱的出口安裝一個(gè)檢測(cè)器，當(dāng)有組分從色譜柱流入檢測(cè)器中，檢測(cè)器將輸出對(duì)應(yīng)于該組分濃度人小的電信號(hào)，通過(guò)記錄儀把各個(gè)組分對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)記錄下來(lái)，就形成了色譜圖，如下圖所示。根據(jù)各組分在色譜圖中出現(xiàn)的時(shí)問(wèn)以及峰值大小可以確定混合物的組成以及各組分的濃度?；旌衔镌谏V柱中的分離過(guò)程示意圖色譜儀的分類色譜分析法有很多種類，從不同的角度出發(fā)可以有不同的分類方法。 從兩相的狀態(tài)分類： 色譜法中，流動(dòng)相可以是氣體，也可以是液體，由此可分為氣相色譜法（GC）和液相色譜法（LC），我們工業(yè)上常

6、用的在線色譜儀一般都是氣相色譜儀。固定相既可以是固體，也可以是涂在固體上的液體，由此又可將氣相色譜法和液相色譜法分為氣-液色譜、氣-固色譜、液-固色譜、液-液色譜。 氣相色譜儀組成部分： 氣相色譜儀的構(gòu)成簡(jiǎn)圖氣源和載氣的控制和測(cè)量 氣源多采用高壓瓶(氫、氮、氬等)做高純氣的儲(chǔ)存器，并裝有減壓閥，使高壓氣體減壓 成低壓氣體(01-O5MPa)以供使用。鋼瓶供給的氣體稱為流動(dòng)相，又稱載氣。載氣的作用 主要是把樣品輸送到色譜柱和檢測(cè)器中。 流量調(diào)節(jié)閥 可以調(diào)節(jié)載氣的流速，常用的有穩(wěn)壓閥和針形閥。流速計(jì)用以測(cè)量載氣流速。常用的有轉(zhuǎn)子流量計(jì)和皂膜流速計(jì)等。 色譜柱和恒溫器 色譜柱的作用是把混合物分離成單

7、一組分。一般常用不銹鋼管或銅管內(nèi)填充固定相構(gòu) 成，管子成U型或螺絲形。一般柱管內(nèi)徑為28mm，還有內(nèi)徑更小的稱為毛細(xì)管色譜柱， 柱管長(zhǎng)度一般為1-4m或更長(zhǎng)。 恒溫器 為了保持色譜柱或檢測(cè)器內(nèi)的溫度恒定，色譜柱和檢測(cè)器多置于恒溫器內(nèi)。一般常采用空氣恒溫方式。 進(jìn)樣器 把樣品通進(jìn)色譜柱的元件稱進(jìn)樣器，對(duì)于在線氣相色譜儀進(jìn)樣工具常有流路切換閥、柱且閥、定量管等 檢測(cè)器 檢測(cè)器又稱鑒定器是用來(lái)檢測(cè)柱后流出的組分，并以電壓或電流信號(hào)顯示出來(lái)，常用的 檢測(cè)器有熱導(dǎo)池式；氫火焰離子化式；電子捕獲式和火焰光度式檢測(cè)器數(shù)種。 自動(dòng)記錄儀 記錄儀的作用是將檢測(cè)器輸出的信號(hào)記錄下來(lái)，作為定性，定量分析的依據(jù)。不過(guò)

8、當(dāng)今的在線色譜儀都不配備自動(dòng)記錄儀，取而代之的是大尺寸的LCD顯示屏或上位機(jī)，但都留有自動(dòng)記錄儀的接口。9.2氣相色譜儀常用的檢測(cè)器檢測(cè)器（detector ）能檢測(cè)色譜柱流出組分及其量的變化的器件，又稱鑒定器。是檢測(cè)色譜分離組分物理或化學(xué)性質(zhì)或含量變化（多數(shù)情況是將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓、電流信號(hào)）的一種儀器裝置。它是色譜系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，色譜分離過(guò)程的眼睛。對(duì)檢測(cè)器的要求是：靈敏度高，線性范圍寬，重現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，對(duì)不同物質(zhì)的響應(yīng)有規(guī)律性及可預(yù)測(cè)性。檢測(cè)器的分類目前最常用的是熱導(dǎo)池檢測(cè)器、火焰離子化檢測(cè)器等。具體原理和使用范圍如下：熱導(dǎo)池檢測(cè)器(Thermal Conductiv

9、ity Detector，TCD)，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度適宜，穩(wěn)定性較好，線性范圍較寬，適用于無(wú)機(jī)氣體和有機(jī)物，它既可做常量分析，也可做微量分析，最小檢測(cè)量mg/ml數(shù)量級(jí)，操作也比較簡(jiǎn)單，因而它是目前應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種檢測(cè)器。TCD檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量示意圖火焰離子檢測(cè)器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）是氣體色譜檢測(cè)儀中對(duì)烴類(如丁烷,己烷)靈敏度最好的一種手段，廣泛用于揮發(fā)性碳?xì)浠衔锖驮S多含炭化合物的檢測(cè)。FID用氫氣作為燃燒氣，其中摻有氦氣，氮?dú)獾认疵搫?，在一個(gè)圓筒狀的電極里的噴嘴處燃燒。 噴嘴與電極間電壓高達(dá)幾百伏，當(dāng)含碳溶質(zhì)在噴嘴處燃燒時(shí)，產(chǎn)生的電子/

10、離子對(duì)被噴嘴和電極處收集起來(lái)產(chǎn)生電流，該電流被放大并傳送到記錄儀或電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器處。它對(duì)電離勢(shì)低于H2的有機(jī)物產(chǎn)生響應(yīng)，而對(duì)無(wú)機(jī)物、久性氣體和水基本上無(wú)響應(yīng)，所以火焰離子化檢測(cè)器只能分析有機(jī)物（含碳化合物），不適于分析惰性氣體、空氣、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。FID檢測(cè)器的工作原理圖總而言之，檢測(cè)器的發(fā)展方面，均向著高靈敏度，高重復(fù)性，反應(yīng)快，線性寬等的方向發(fā)展并且，正逐漸洐生出專門(mén)分析某些化合物的檢測(cè)器。9.3色譜柱（chromatographic column） 色譜柱裝填有固定相用以分離混合組分的柱管。多為金屬或玻璃制作。有直管形、盤(pán)管形、U形管等

11、形狀。氣相色譜柱的分類色譜柱是由柱管和固定相組成，按照拄管的粗細(xì)和固定相的填充方式分為：填充柱、毛細(xì)管柱。9.4氣相色譜儀的載氣作為氣相色譜載氣的氣體，要求要化學(xué)穩(wěn)定性好；純度高；價(jià)格便宜并易取得；能適合于所用的檢測(cè)器。常用的載氣有氫氣、氮?dú)狻鍤?、氦氣、二氧化碳?xì)獾鹊取?其中氫氣和氮?dú)鈨r(jià)格便宜，性質(zhì)良好，是用作載氣的良好氣體。氫氣由于它具有分子量小，分子半徑大，熱導(dǎo)系數(shù)大，粘度小等特點(diǎn)，因此在使用TCD時(shí)常采用它作載氣。在FID中它是必用的燃?xì)?。氫氣的?lái)源目前除氫氣高壓鋼瓶外，還可以采用電解水的氫氣發(fā)生器，氫氣易燃易爆，使用時(shí)，應(yīng)特別注意安全。氮?dú)庥捎谒臄U(kuò)散系數(shù)小，柱效比較高，致使除TCD

12、外，在其他形式的檢測(cè)器中，多采用氮?dú)庾鬏d氣。它之所以在TCD中用的較少，主要因?yàn)榈獨(dú)鉄釋?dǎo)系統(tǒng)小，靈敏度低，但在分析H2時(shí)，必須采用N2作載氣，否則無(wú)法用TCD解決H2的分析問(wèn)題。氦氣從色譜載氣性能上看，與氫氣性質(zhì)接近，且具有安全性高的優(yōu)秀特點(diǎn)。但由于價(jià)格較高，使用較少。載氣種類的原則選擇何種氣體作載氣，首先要考慮使用何種檢測(cè)器。使用熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD）時(shí)，選用氫 或氦作載氣，能提高靈敏度，氫載氣還能延長(zhǎng)熱敏元件鎢絲的壽命；氫火焰檢測(cè)器（FID）宜用氮?dú)庾鬏d氣，也可用氫氣；電子捕獲檢測(cè)器(ECD)常用氮?dú)饧兌却笥冢换鹧婀舛葯z測(cè)器（PFD）常用氮?dú)夂蜌錃?擴(kuò)散系數(shù)與載氣性質(zhì)有關(guān)，與載氣的摩爾質(zhì)量

13、平方根成反比，所以選用摩爾質(zhì)量大的載氣、可以減小分子擴(kuò)散系數(shù)，提高柱效、但選用摩爾質(zhì)量小的載氣，使分子擴(kuò)散系數(shù)增大，會(huì)使氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)減小，使柱效提高。因此使用低線速載氣時(shí)，應(yīng)選用摩爾質(zhì)量大的，使用高線速時(shí)，宜選用摩爾量小的。載氣純度的選擇原則上講，選擇氣體純度時(shí)，主要取決于： 分析對(duì)象； 色譜柱中填充物； 檢測(cè)器。建議在滿足分析要求的前提下，盡可能選用純度較高的氣體。這樣不但會(huì)提高（保持）儀器的高靈敏度，而且會(huì)延長(zhǎng)色譜柱，整臺(tái)儀器（氣路控制部件，氣體過(guò)濾器）的壽命。實(shí)踐證明，作為中高檔儀器，用于微量分析，長(zhǎng)期使用較低純度的氣體氣源，一旦要求分析低濃度的樣品時(shí)，要想恢復(fù)儀器的高靈敏度有時(shí)十分

14、困難。對(duì)于低檔儀器，作常量或半微量分析，選用高純度的氣體，不但增加了運(yùn)行成本，為了純化氣體還需要增加凈化器，這樣增加了氣路的復(fù)雜性，更容易出現(xiàn)漏氣或其他的問(wèn)題而影響儀器的正常操作。因此不推薦對(duì)這樣的色譜載氣進(jìn)行純化。另外，為了某些特殊的分析目的要求特意在載氣中加入某些“不純物”，如：分析極性化合物添加適量的水蒸氣，操作火焰光度檢測(cè)器（FPD）時(shí)，為了提高分析硫化物的靈敏度，而添加微量硫。操作氦離子化檢測(cè)器要氖的含量必須在525ppm，否則會(huì)在分析氫，氮和氬氣時(shí)產(chǎn)生負(fù)峰或“W”形峰等。氣體純度低的不良影響根據(jù)分析對(duì)象，色譜柱的類型，操作儀器的擋次和具體檢測(cè)器，若使用不合要求的低純度氣體，不良影響

15、有以下幾種可能：樣品失真或消失：如H2O氣使氯硅樣品水解；色譜柱失效：H2O，CO2使分子篩柱失去活性，H2O氣使聚脂類固定液分解，O2使PEG斷鏈。有時(shí)某些氣體雜質(zhì)和固定液相互作用而產(chǎn)生假峰；對(duì)柱保留特性的影響：如：H2O對(duì)聚乙二醇等親水性固定液的保留指數(shù)會(huì)有所增加，載氣中氧含量過(guò)高時(shí)，無(wú)論是極性或是非極性固定液柱的保留特性，都會(huì)產(chǎn)生變化，使用時(shí)間越長(zhǎng)影響越大。檢測(cè)器：TCD：信噪比減小，無(wú)法調(diào)零，線性變窄，文獻(xiàn)中的校正因子不能使用，氧含量過(guò)大，使元件在高溫時(shí)加速老化，減少壽命。FID：特別是在/秒下操做時(shí)，CH4等有機(jī)雜質(zhì)，會(huì)使基流激增，噪聲加大不能進(jìn)行微量分析。ECD：載氣中的氧和水對(duì)檢

16、測(cè)器的正常工作影響最大，在不同的供電工作方式中，脈沖供電比直流電壓供電影響大，固定基流脈沖調(diào)制式供電比脈沖供電影響大。這就是為什么目前諸多在操作固定基流脈沖調(diào)制式ECD時(shí)，在載氣純度低時(shí)必須把載氣純度選擇開(kāi)關(guān)從“標(biāo)準(zhǔn)氮”撥到“一般氮”位置的原因。大家會(huì)發(fā)現(xiàn)在此情況下操作，不但靈敏度變低，而且線性亦變窄了。實(shí)踐證明：在操作ECD時(shí)，載氣中的水含量低于0.02ppm,氧低于1ppm時(shí)可達(dá)到較理想的性能。值得指出的是,我們多次發(fā)現(xiàn)由于儀器的調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)被污染而造成的對(duì)載氣的二次污染至使ECD基頻大幅度增加使信燥比減小。FPD和NPD等常用檢測(cè)器,由于他們屬于選擇性檢測(cè)器,操做時(shí)要根據(jù)分析要求,特別注

17、意被測(cè)敏感物質(zhì)中雜質(zhì)的去除。9.5在線工業(yè)色譜儀系統(tǒng)的一般構(gòu)成及其工作過(guò)程 在線工業(yè)色譜測(cè)量系統(tǒng)框圖上圖是在線工業(yè)色譜測(cè)量系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)在工業(yè)中常用的在線色譜測(cè)量系統(tǒng)大致都與它相同。其工作過(guò)程如下：工藝氣體經(jīng)取樣和預(yù)處理裝置變成潔凈、干燥的樣品連續(xù)流過(guò)定量管，取樣定量管中的樣品在載氣的攜帶下進(jìn)入色譜柱系統(tǒng)。樣品中的各組分在色譜柱中進(jìn)行分離，然后依次進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器將組分的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 。微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理部件，最后送主機(jī)的液晶顯示器顯示，并以模擬或數(shù)字信號(hào)形式輸出。程序控制器按預(yù)先安排的動(dòng)作程序控制系統(tǒng)中各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)、周期地工作。溫度控制器對(duì)恒溫箱溫度進(jìn)行控制。圖中的兩個(gè)虛線框分別表示工業(yè)色譜儀主機(jī)中的分析器部分和控制部分。9.6色譜儀的譜圖及流出曲線譜圖色譜分析儀進(jìn)樣后色譜柱流出物通過(guò)檢測(cè)器時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)對(duì)時(shí)間或載氣流出體積的關(guān)系曲線稱為色譜圖。流出曲線色譜圖中檢測(cè)器隨時(shí)間輸出的響應(yīng)信號(hào)曲線為色譜流出曲線?；€當(dāng)沒(méi)有樣品組分進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，色譜流出曲線只