气相色谱法原理

色谱法亦称色层法或层析法，是一种物理分离分析方法。它是根据混合物各组分在互不相溶的两相（固定相和流动相）中吸附能力、分配系数或其他亲和作用性能的差异作为分离依据的。当混合物中各组分随流动相移动时，在流动相和固定相之间进行反复多次的分布，这样，就使吸附能力（或分配系数）不同的各组分，在移动速度上产生了差别，从而得到分离。

一、色谱法分类

1.按分离原理分类可分为：

1.1吸附色谱：根据固定相对各组分吸附性能的差异进行分离。随所用流动相不同，又可分为气-固吸附色谱和液-固吸附色谱两类。

1.2分配色谱：根据各组分在固定相与流动相间分配系数的差异进行分离。随所用流动相不同，又可分为气-固分配色谱和液-液分配色谱两类。

1.3其它：如离子交换色谱、凝胶色谱、热色谱等。

2.按使用技术分类可分为：

2.1柱色谱：固定相装在金属或玻璃色谱柱内或涂在柱壁上。如气相色谱和液相色谱。

2.2纸色谱：用滤纸上的水分子作固定相。

2.3薄层色谱：以涂在玻璃板或塑料板上的吸附剂作固定相。

本章着重介绍目前应用较为广泛的气相色谱法、液相色谱法。

二、气相色谱法Gas Chromatography

自1952年以来，气相色谱法发展极为迅速。由于它能分离气体、液体及挥发性固体，而且效能高、分析速度快、样品用量少，故近年来已成为广泛应用的分离分析手段。

1、气相色谱的基本流程

气相色谱的基本流程如下图所示：

由流程可见，气相色谱的关键部件是色谱柱和检测器。混合组分能否完全分离决定于色谱柱，分离后的组分能否准确检测出来取决于检测器。

2、色谱过程

气相色谱分离过程如下图所示：

由A、B二组分组成的被分离混合物在进样口汽化为气体后，由载气（流动相）携带进入色谱柱（内装固定相）。刚进柱时，组分A和B是一条混合谱带（11-1-1）。随着载气持续在柱中通过，由于二组分吸附能力或分配系数的差异，致使二者的移动速度不同，逐渐分离为谱带A、A+B、B（11-1-2）。经过多次吸服或分配，谱带A和B分离得渐渐清晰（11-1-3）。当组分进入检测器时，将得到如11-1-4和11-1-5的 响应信号。

3、典型色谱图及常用术语

基线：在通过检测器的载气中不带有任何使检测器产生响应信号的溶质时，记录仪记录的检测器响应信号是一条水平直线。

色谱峰：当一个溶质被载气带入检测器，按浓度或质量变化产生相应的峰形响应信号曲线，称为色谱峰。

峰高h：从基线到峰顶的垂直距离即峰高，AB高度。

峰宽：在色谱峰的拐点作切线，与基线相交的两点之间的距离为峰宽，即CD长度。

保留时间：样品从进样开始到出现峰最大值所需要的时间，tR。

保留体积：保留时间乘以载气的校正流速为保留体积。

死时间：自进样开始到惰性物质（不被固定相吸附或溶解的物质）峰最高点所需的时间。

死体积：死时间乘以载气的校正流速为死体积。

分配系数K：在一定温度和压力下，组分在流动相和固定相间达到平衡时的浓度比。

K=cl/cg

式中：cl——组分在流动相中的浓度；

      cg——组分在固定相中的浓度。

分配比：也叫容量比、容量因子，是指在一定温度和压力下，气-液相间达到平衡时，组分分配在液相和气相中的重量比。

4、气相色谱仪

气相色谱仪分为气路系统、进样系统、色谱柱、检测器和记录器等部分。不同的仪器型号，其气路、进样和记录器有所不同，这几部分将在以后的仪器分述中涉及。以下仅就色谱柱、检测器部分作一介绍。

4.1色谱柱

色谱柱中装有固定相，样品在色谱柱中进行各组分的分离，各组分的分离关键在于选择合适的固定相。

按分离方式划分，色谱柱可分为填充柱和毛细管柱。

4.1.1填充柱：由不锈钢、铜、玻璃或聚四氟乙烯制成。可根据样品有无腐蚀性、反应性及对柱温的要求，选用适当材料制作的色谱柱。色谱柱有U形、W形、螺旋形数种，内径2-4毫米，柱长1-4米左右。

4.1.2毛细管柱：多由不锈钢拉制成螺旋形，柱内径0.1-0.5mm，柱长30-300m。

增加柱长有利于提高分离效能，但延长了分析时间；加大柱内径可以增大进样量，缩短分析时间，但会降低分离效能。因此，要根据具体情况选择合适的色谱柱。

4.2检测器

检测器也是气相色谱的关键部件之一，是一种测量载气中各分离组分及其浓度变化的装置，它把组分及其浓度变化以不同的方式变换成易于测量的电信号。

A、分类

根据对信号记录方式的不同，检测器大致分为积分型和微分型两类。

积分型检测器测量各组分累积总量，所得色谱图为一系列台阶。在定量分析时，每一阶高就代表相应组分的含量，缺点是灵敏度低和显示不出保留数据故不常使用。  

微分型检测器具有测量载气中各组分及其浓度瞬间变化的性质。所得色谱图为一系列色谱峰。如果载气流过检测器时信号是恒定的，即基线值。当载气中某一组分出现，则信号随其浓度或质量变大而增高直至最大值（峰高）。然后随浓度或质量减少，信号逐渐降低，直至回到原来的基线值。微分型检测器具有灵敏度高，能测出痕量组分，并可同时得到各组分的峰面积及其保留数据的特点而常被采用。

按检测器响应信号与溶质浓度或溶质质量成比例的不同，可将检测器分为浓度型和质量型两种。浓度型检测器有热导，电子捕获，气体密度，截面积，超声等。

浓度型检测器是测量载气中组分浓度瞬间的变化，在一定流速范围内，其响应信号取决于载气中组分浓度而与载气流速无关。

质量型检测器有氢火焰，火焰光度，氩离子化，氦离子化等。质量型检测器测量的是载气中组分进入检测器的速度变化。其响应值（峰高）取决于单位时间组分进入检测器的质量。

检测器的测量方法有两种，即峰高法和峰面积法。峰高法具有色谱峰高对应信号好，直观、准确 、快速、简便等特点而被广泛应用。

峰面积法为峰高和半高峰宽的乘积。随着仪器的改进，分析周期的缩短，色谱峰出峰较快，峰宽变窄，换算出的峰面积误差可能会较大。

B、性能指标

1）灵敏度S

一定量的组分通过检测器时，所给出的信号大小叫做该检测器对该组分的灵敏度。灵敏度亦称响应值或应答值，是衡量检测器质量的重要指标。

浓度型检测器的响应信号与载气中组分的浓度成正比，质量型检测器的响应信号与单位时间通过检测器的组分质量成正比。

2）、敏感度

检测器的灵敏度只能表示检测器对某组分产生信号的大小。但灵敏度大时基线波动液随之增大（所谓基线波动是指纯载气通过检测器时给出信号的不稳定程度，以Ib/2表示，见下图），因此仅用灵敏度S还不能很好地衡量检测器的质量，必须引入敏感度M这一概念。

敏感度M是指单位体积或单位时间内，使检测器出现能检测信号的最小物质量，也叫检测器的最小检出量。通常，信号要等于基线波动的二倍时才能检出，故敏感度M为

M=Ib/S

需要注意的是，检测器的敏感度与色谱分析的最小检出量不同，前者是衡量检测器性能的指标，仅与检测器有关，后者除与检测器性能有关外，还受柱效率及操作条件的影响。

C、氢火焰检测器（Flame Ionization Detector）

氢焰以氢气与空气燃烧产生的火焰为能源。当有机物随载气进入火焰燃烧，由于离子化反应而生成许多离子。在火焰上方为筒状收集极，下方为一“丫”形极化电极，两极间施加恒定的180V 电压，形成一个静电场。只有载气和助燃空气时两极间离子很少，即基值很低。当载气中出现有机物时，由于化学电离反应产生带电离子对。在电场作用下这些带电离子向两极定向运动，形成离子流。通过放大，取出信号，进行记录，采集，处理，即可对有机物进行定性定量分析。

氢焰检测器结构简单，由不锈钢制成。包括气体入口，火焰喷嘴，高压极化极，收集极和点火丝等部分。

D、热导检测器（Thermal Conductivity Detector）

热导检测器主要由池体和热敏元件构成。池体为方形，由不锈钢块制成。池体内钻有孔道，内装热敏元件。热敏元件是TCD的感应元件，它可以是热丝或热敏电阻。为了提高灵敏度，选用电阻率高，电阻温度系数大，机械强度高，能在较高的温度，浓度范围内操作，对各种组分都显示惰性的铼-钨丝。在热导池中热敏元件的阻值变化用惠斯顿电桥原理进行测量。电桥四臂都由热敏元件（钨丝）组成，位于池体同一孔道中的R1、R3为测量臂，另一孔道中的R2，R4为参比臂。四个钨丝的电阻值相同，以增加检测器的稳定性。当只有载气流过参比臂，测量臂时，在一定的池温和流速下，电桥平衡，即R2/R1=R3/R4，输出为0。当有组分流过测量臂时，参比臂则只有载气流过。由于组分的热导系数和纯载气的热导系数不同，由热传导带走的热量不同而引起热敏元件阻值的变化，使电桥失去平衡，产生不平衡电压输出信号。

热导池检测器原理图