第2節(jié)氣相色譜儀

第七章

色譜分析法一、氣相色譜儀及其流程二、氣相色譜固定相三、氣相色譜檢測裝置

1．檢測器特性

2．熱導(dǎo)檢測器

3．氫火焰離子化檢測器

4.電子捕獲檢測器

5.具有定性功能的檢測器（聯(lián)用技術(shù)）第二節(jié)

氣相色譜裝置2024/1/23氣相色譜儀12024/1/23氣相色譜儀22024/1/23氣相色譜儀32024/1/23一、氣相色譜流程1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；4-針形閥；5-流量計(jì);6-壓力表；9-熱導(dǎo)檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀；1.載氣系統(tǒng)：包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制;2.進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣器及氣化室；3.色譜柱：填充柱（填充固定相）或毛細(xì)管柱（內(nèi)壁涂有固定液）；4.檢測器：可連接各種檢測器，以熱導(dǎo)檢測器或氫火焰檢測器最為常見；5.記錄系統(tǒng)：放大器、記錄儀或數(shù)據(jù)處理儀；6.溫度控制系統(tǒng)：柱室、氣化室的溫度控制。2024/1/23二、氣相色譜固定相1．氣固色譜固定相

種類：

活性炭：有較大的比表面積，吸附性較強(qiáng)。

活性氧化鋁：有較大的極性。適用于常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等氣體的相互分離。CO2能被活性氧化鋁強(qiáng)烈吸附而不能用這種固定相進(jìn)行分析。

硅膠：與活性氧化鋁大致相同的分離性能，除能分析上述物質(zhì)外，還能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能夠分離臭氧。2024/1/23氣固色譜固定相

分子篩：

堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子篩等（孔徑：埃）。常用5A和13X（常溫下分離O2與N2）。除了廣泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分離外，還能夠測定He、Ne、Ar、NO、N2O等。

高分子多孔微球（GDX系列）：

新型的有機(jī)合成固定相（苯乙烯與二乙烯苯共聚）。型號：GDX-01、-02、-03等。適用于水、氣體及低級醇的分析。2024/1/23氣固色譜固定相的特點(diǎn)（1）性能與制備和活化條件有很大關(guān)系；（2）同一種固定相，不同廠家或不同活化條件，分離效果差異較大；（3）種類有限，能分離的對象不多；（4）使用方便。2024/1/232．氣液色譜固定相

氣液色譜固定相[固定液+擔(dān)體（支持體）]：

固定液在常溫下不一定為液體，但在使用溫度下一定呈液體狀態(tài)。固定液的種類繁多，選擇余地大，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。擔(dān)體：化學(xué)惰性的多孔性固體顆粒，具有較大的比表面積。

可以作為擔(dān)體使用的物質(zhì)應(yīng)滿足以下條件：

比表面積大，孔徑分布均勻；化學(xué)惰性，表面無吸附性或吸附性很弱，與被分離組份不起反應(yīng)；具有較高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，不易破碎；顆粒大小均勻、適度。一般常用60~80目、80~100目。2024/1/23擔(dān)體（硅藻土）紅色擔(dān)體：孔徑較小，表孔密集，比表面積較大，機(jī)械強(qiáng)度好。適宜分離非極性或弱極性組分的試樣。缺點(diǎn)是表面存有活性吸附中心點(diǎn)。白色擔(dān)體：

煅燒前原料中加入了少量助溶劑(碳酸鈉)。顆粒疏松，孔徑較大。表面積較小，機(jī)械強(qiáng)度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性組分的試樣。2024/1/23表5-1填充柱氣液色譜擔(dān)體一覽表2024/1/23固定液

固定液：高沸點(diǎn)難揮發(fā)有機(jī)化合物，種類繁多。(1)對固定液的要求

應(yīng)對被分離試樣中的各組分具有不同的溶解能力，較好的熱穩(wěn)定性，并且不與被分離組分發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。(2)選擇的基本原則

“相似相溶”，選擇與試樣性質(zhì)相近的固定相。2024/1/23(3)固定液分類方法

如按化學(xué)結(jié)構(gòu)、極性、應(yīng)用等的分類方法。在各種色譜手冊中，一般將固定液按有機(jī)化合物的分類方法分為：脂肪烴、芳烴、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等，(4)最高最低使用溫度高于最高使用溫度易分解，溫度低呈固體；(5)混合固定相對于復(fù)雜的難分離組分通常采用特殊固定液或?qū)煞N甚至兩種以上配合使用；2024/1/23(6)固定液的相對極性

規(guī)定：角鯊?fù)椋ó惾椋┑南鄬O性為零，β，β’—氧二丙睛的相對極性為100.2024/1/23表8-2優(yōu)選固定液麥?zhǔn)铣?shù)：x’、y’、z’、u’、s’表示，分別代表了極性分子間存在著的靜電力（偶極定向力）；極性與非極性分子間存在著的誘導(dǎo)力；非極性分子間的色散力；氫鍵等。也可以用五個(gè)數(shù)的總和來表示固定相的極性大小，如：β，β’—氧二丙睛五個(gè)常數(shù)的總和為4427，是強(qiáng)極性固定相。2024/1/23三、氣相色譜檢測裝置

色譜儀的關(guān)鍵部件之一，種類較多，原理和結(jié)構(gòu)各異。有的具有廣普性，如熱導(dǎo)檢測器；有的具有高選擇性，僅對某類物質(zhì)有高響應(yīng)。1．檢測器特性濃度型檢測器：

測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化，檢測信號值與組分的濃度成正比。質(zhì)量型檢測器：

測量的是載氣中某組分進(jìn)入檢測器的速度變化，即檢測信號值與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測器組分的質(zhì)量成正比。2024/1/23檢測器性能評價(jià)指標(biāo)

響應(yīng)值（或靈敏度）S

:在一定范圍內(nèi)，信號E與進(jìn)入檢測器的物質(zhì)質(zhì)量m呈線性關(guān)系：

E=SmS=E/m

單位：mV/（mg/cm-3）；（濃度型檢測器）mV/（mg/s）；（質(zhì)量型檢測器）

S

表示單位質(zhì)量的物質(zhì)通過檢測器時(shí)，產(chǎn)生的響應(yīng)信號的大小。S值越大，檢測器（也即色譜儀）的靈敏度也就越高。檢測信號通常顯示為色譜峰，則響應(yīng)值也可以由色譜峰面積（A）除以試樣質(zhì)量求得：

S=A/m2024/1/23最低檢測限（最小檢測量）：噪聲水平?jīng)Q定著能被檢測到的濃度（或質(zhì)量）。

從圖中可以看出：如果要把信號從本底噪聲中識別出來，則組分的響應(yīng)值就一定要高于N。檢測器響應(yīng)值為2倍噪聲水平時(shí)的試樣濃度（或質(zhì)量），被定義為最低檢測限（或該物質(zhì)的最小檢測量）。線性度與線性范圍：

檢測器的線性度定義為：檢測器響應(yīng)值的對數(shù)值與試樣量對數(shù)值之間呈比例的狀況。而檢測器的線性范圍定義為：檢測器在線性工作時(shí)，被測物質(zhì)的最大濃度（或質(zhì)量）與最低濃度（或質(zhì)量）之比。2024/1/232．熱導(dǎo)檢測器（1）熱導(dǎo)檢測器的結(jié)構(gòu)

池體：一般用不銹鋼制成。

熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價(jià)廉易加工的鎢絲制成。

參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進(jìn)樣裝置之前。

測量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。2024/1/23（2）檢測原理平衡電橋，右圖。

不同的氣體有不同的熱導(dǎo)系數(shù)。

鎢絲通電，加熱與散熱達(dá)到平衡后，兩臂電阻值：

R參=R測;R1=R2

則：R參·R2=R測·R1

無電壓信號輸出；記錄儀走直線（基線）。

進(jìn)樣后，載氣攜帶試樣組分流過測量臂而這時(shí)參考臂流過的仍是純載氣，使測量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R參≠R測

則：R參·R2≠R測·R1

這時(shí)電橋失去平衡，a、b兩端存在著電位差，有電壓信號輸出。信號與組分濃度相關(guān)。記錄儀記錄下組分濃度隨時(shí)間變化的峰狀圖形。2024/1/23（3）影響熱導(dǎo)檢測器靈敏度的因素①橋路電流I

：

I

，鎢絲的溫度

，鎢絲與池體之間的溫差

，有利于熱傳導(dǎo)，檢測器靈敏度提高。檢測器的響應(yīng)值S∝I3，但穩(wěn)定性下降，基線不穩(wěn)。橋路電流太高時(shí)，還可能造成鎢絲燒壞。②池體溫度：池體溫度與鎢絲溫度相差越大，越有利于熱傳導(dǎo)，檢測器的靈敏度也就越高，但池體溫度不能低于分離柱溫度，以防止試樣組分在檢測器中冷凝。2024/1/23表7-3某些氣體與蒸氣的熱導(dǎo)系數(shù)(λ)，單位：J/cm·℃·s③載氣種類：載氣與試樣的熱導(dǎo)系數(shù)相差越大，在檢測器兩臂中產(chǎn)生的溫差和電阻差也就越大，檢測靈敏度越高。載氣的熱導(dǎo)系數(shù)大，傳熱好，通過的橋路電流也可適當(dāng)加大，則檢測靈敏度進(jìn)一步提高。氦氣也具有較大的熱導(dǎo)系數(shù)，但價(jià)格較高。2024/1/23

3．氫火焰離子化檢測器（1）特點(diǎn)（FID：hydrogenflameionizationdetector）a.典型的質(zhì)量型檢測器，b.對有機(jī)化合物具有很高的靈敏度，c.無機(jī)氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng)。d.氫焰檢測器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。e.比熱導(dǎo)檢測器的靈敏度高出近3個(gè)數(shù)量級，檢測下限可達(dá)10-12g·g-1。2024/1/23(2)氫焰檢測器的結(jié)構(gòu)

a.在發(fā)射極和收集極之間加有一定的直流電壓（100—300V）構(gòu)成一個(gè)外加電場。b.氫焰檢測器需要用到三種氣體：

N2：載氣攜帶試樣組分；

H2

：為燃?xì)?；空氣：助燃?xì)?。使用時(shí)需要調(diào)整三者的比例關(guān)系，檢測器靈敏度達(dá)到最佳。2024/1/23(3)氫焰檢測器的原理

a.當(dāng)含有機(jī)物CnHm的載氣由噴嘴噴出進(jìn)入火焰時(shí)，在C層發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生自由基：

CnHm──→·CHb.產(chǎn)生的自由基在D層火焰中與外面擴(kuò)散進(jìn)來的激發(fā)態(tài)原子氧或分子氧發(fā)生如下反應(yīng)：

·CH+O──→CHO++ec.生成的正離子CHO+與火焰中大量水分子碰撞而發(fā)生分子離子反應(yīng)：

CHO++H2O──→H3O++COA區(qū)：預(yù)熱區(qū)B層：點(diǎn)燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)2024/1/23氫焰檢測器的原理

d.化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子和電子在外加恒定直流電場的作用下分別向兩極定向運(yùn)動而產(chǎn)生微電流（約10-6～10-14A）；e.在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進(jìn)入離子室的被測組分質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器；f.組分在氫焰中的電離效率很低，大約五十萬分之一的碳原子被電離；g.離子電流信號輸出到記錄儀，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜流出曲線。A區(qū)：預(yù)熱區(qū)B層：點(diǎn)燃火焰C層：熱裂解區(qū)：溫度最高D層：反應(yīng)區(qū)2024/1/23（4）影響氫焰檢測器靈敏度的因素

①各種氣體流速和配比的選擇：

N2流速的選擇主要考慮分離效能，

N2

H2

=1

1～1

1.5

氫氣

空氣=1

10。②極化電壓正常極化電壓選擇在100～300V范圍內(nèi)。2024/1/234.電子捕獲檢測器高選擇性檢測器，僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14g/mL，

對大多數(shù)烴類沒有響應(yīng)。較多應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、食品及環(huán)境中農(nóng)藥殘留量的測定。2024/1/235.具有定性功能的檢測器（聯(lián)用技術(shù)）色譜-質(zhì)譜；色譜-紅外等。

質(zhì)譜作為色譜的檢測器使用需要解決四個(gè)問題:(1)色譜柱出口壓力與質(zhì)譜儀高真空之間的匹配；(2)試樣組分與載氣的分離；(3)質(zhì)譜對色譜流出峰的快速測定（電子計(jì)算機(jī)解決）；(4)質(zhì)譜儀的小型化（小型化的質(zhì)量分析器）。2024