色譜分析儀基礎知識培訓

1、在線色譜分析儀基礎知識色譜法,又稱色層法或層析法，是一種物理化學分析方法，它利用不同溶質（樣品）與固定相和流動相之間的作用力（分配、吸附、離子交換等）的差別，當兩相做相對移動時，各溶質在兩相間進行多次平衡，使各溶質達到相互分離。它的英文名稱為：chromatography這個詞來源于希臘字 chroma和 graphein，直譯成英文時為 color和writing兩個字;直譯成中文為色譜法。但也有人意譯為色層法或層析法。 1906年由俄國科學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，將植物葉子的萃取物倒入填有碳酸鈣的直立玻璃管內，然后加入石油醚使其自由流下，結果色

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。以后此法逐漸應用于無色物質的分離，“色譜”二字雖已失去原來的含義，但仍被人們沿用至今。 茨維特經典色譜分析實驗示意圖9.1基礎知識固定相色譜法中，靜止不動的一相（固體或液體）稱為固定相（stationary phase） ；流動相運動的一相（一般是氣體或液體）稱為流動相（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管內壁上做成色譜柱，試樣從柱頭到柱尾沿一個方向移動而進行分離的色

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，把試樣點在濾紙上，然后用溶劑展開，各組分在濾紙的不同位置以斑點形式顯現(xiàn)，根據(jù)濾紙上斑點位置及大小進行定性和定量分析。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到分離目的。簡單的說，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來，然后再用檢測器對各組分進行檢測。與前面介紹的幾種氣體成分分析儀不同，色譜分析儀能對被測樣品進行全面的分析，既能

4、鑒定混合物中的各種組分，還能測量出各組分的含量。因此色譜分析儀在科學實驗和工業(yè)生產中應用的越來越廣泛。色譜分離基本原理： 由以上方法可知，在色譜法中存在兩相，一相是固定不動的，我們把它叫做固定相；另一相則不斷流過固定相，我們把它叫做流動相。 色譜法的分離原理就是利用待分離的各種物質在兩相中的分配系數(shù)、吸附能力等親和能力的不同來進行分離的。 使用外力使含有樣品的流動相（氣體、液體）通過一固定于柱中或平板上、與流動相互不相溶的固定相表面。當流動相中攜帶的混合物流經固定相時，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和結構上的差異，與固定相之間產生的作用力的大小、強弱不同，隨著流

5、動相的移動，混合物在兩相間經過反復多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時間不同，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檢測器，當有組分從色譜柱流入檢測器中，檢測器將輸出對應于該組分濃度人小的電信號，通過記錄儀把各個組分對應的輸出信號記錄下來，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)的時問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： 氣相色譜儀的構成簡圖氣源和載氣的控制和測量 氣源多采用高壓瓶(氫、氮、氬等)做高純氣的儲存器，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器中。 流量調節(jié)閥 可以調節(jié)載氣的流速，常用的有穩(wěn)壓閥和針形閥。流速計用以測量載氣流速。常用的有轉子流量計和皂膜流速計等。 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填充固定相構 成，管子成U型或螺絲形。一般柱管內徑為28mm，還有內徑更小的稱為毛細管色譜柱， 柱管長度一般為1-4m或更長。 恒溫器 為了保持色譜柱或檢測器內的溫度恒定，色譜柱和檢測器多置于恒溫器內。一般常采用空氣恒溫方式。 進樣器 把樣品通進色譜柱的元件稱進樣器，對于在線氣相色譜儀進樣工具常有流路切換閥、柱且閥、定量管等 檢測器 檢測器又稱鑒定器是用來檢測柱后流出的組分，并以電壓或電流信號顯示出來，常用的 檢測器有熱導池式；氫火焰離子化式；電子捕獲式和火焰光度式檢測器數(shù)種。 自動記錄儀 記錄儀的作用是將檢測器輸出的信號記錄下來，作為定性，定量分析的依據(jù)。不過

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

9、ity Detector，TCD)，由于它結構簡單，靈敏度適宜，穩(wěn)定性較好，線性范圍較寬，適用于無機氣體和有機物，它既可做常量分析，也可做微量分析，最小檢測量mg/ml數(shù)量級，操作也比較簡單，因而它是目前應用相當廣泛的一種檢測器。TCD檢測器的結構及測量示意圖火焰離子檢測器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）是氣體色譜檢測儀中對烴類(如丁烷,己烷)靈敏度最好的一種手段，廣泛用于揮發(fā)性碳氫化合物和許多含炭化合物的檢測。FID用氫氣作為燃燒氣，其中摻有氦氣，氮氣等洗脫劑，在一個圓筒狀的電極里的噴嘴處燃燒。 噴嘴與電極間電壓高達幾百伏，當含碳溶質在噴嘴處燃燒時，產生的電子/

10、離子對被噴嘴和電極處收集起來產生電流，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轉換器處。它對電離勢低于H2的有機物產生響應，而對無機物、久性氣體和水基本上無響應，所以火焰離子化檢測器只能分析有機物（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檢測器的工作原理圖總而言之，檢測器的發(fā)展方面，均向著高靈敏度，高重復性，反應快，線性寬等的方向發(fā)展并且，正逐漸洐生出專門分析某些化合物的檢測器。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，按照拄管的粗細和固定相的填充方式分為：填充柱、毛細管柱。9.4氣相色譜儀的載氣作為氣相色譜載氣的氣體，要求要化學穩(wěn)定性好；純度高；價格便宜并易取得；能適合于所用的檢測器。常用的載氣有氫氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳氣等等。 其中氫氣和氮氣價格便宜，性質良好，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，熱導系數(shù)大，粘度小等特點，因此在使用TCD時常采用它作載氣。在FID中它是必用的燃氣。氫氣的來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，應特別注意安全。氮氣由于它的擴散系數(shù)小，柱效比較高，致使除TCD

12、外，在其他形式的檢測器中，多采用氮氣作載氣。它之所以在TCD中用的較少，主要因為氮氣熱導系統(tǒng)小，靈敏度低，但在分析H2時，必須采用N2作載氣，否則無法用TCD解決H2的分析問題。氦氣從色譜載氣性能上看，與氫氣性質接近，且具有安全性高的優(yōu)秀特點。但由于價格較高，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器。使用熱導池檢測器（TCD）時，選用氫 或氦作載氣，能提高靈敏度，氫載氣還能延長熱敏元件鎢絲的壽命；氫火焰檢測器（FID）宜用氮氣作載氣，也可用氫氣；電子捕獲檢測器(ECD)常用氮氣純度大于；火焰光度檢測器（PFD）常用氮氣和氫氣:擴散系數(shù)與載氣性質有關，與載氣的摩爾質量

13、平方根成反比，所以選用摩爾質量大的載氣、可以減小分子擴散系數(shù)，提高柱效、但選用摩爾質量小的載氣，使分子擴散系數(shù)增大，會使氣相傳質阻力系數(shù)減小，使柱效提高。因此使用低線速載氣時，應選用摩爾質量大的，使用高線速時，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，主要取決于： 分析對象； 色譜柱中填充物； 檢測器。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。這樣不但會提高（保持）儀器的高靈敏度，而且會延長色譜柱，整臺儀器（氣路控制部件，氣體過濾器）的壽命。實踐證明，作為中高檔儀器，用于微量分析，長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，要想恢復儀器的高靈敏度有時十分

14、困難。對于低檔儀器，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雜性，更容易出現(xiàn)漏氣或其他的問題而影響儀器的正常操作。因此不推薦對這樣的色譜載氣進行純化。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，操作火焰光度檢測器（FPD）時，為了提高分析硫化物的靈敏度，而添加微量硫。操作氦離子化檢測器要氖的含量必須在525ppm，否則會在分析氫，氮和氬氣時產生負峰或“W”形峰等。氣體純度低的不良影響根據(jù)分析對象，色譜柱的類型，操作儀器的擋次和具體檢測器，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。有時某些氣體雜質和固定液相互作用而產生假峰；對柱保留特性的影響：如：H2O對聚乙二醇等親水性固定液的保留指數(shù)會有所增加，載氣中氧含量過高時，無論是極性或是非極性固定液柱的保留特性，都會產生變化，使用時間越長影響越大。檢測器：TCD：信噪比減小，無法調零，線性變窄，文獻中的校正因子不能使用，氧含量過大，使元件在高溫時加速老化，減少壽命。FID：特別是在/秒下操做時，CH4等有機雜質，會使基流激增，噪聲加大不能進行微量分析。ECD：載氣中的氧和水對檢

16、測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制式ECD時，在載氣純度低時必須把載氣純度選擇開關從“標準氮”撥到“一般氮”位置的原因。大家會發(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。實踐證明：在操作ECD時，載氣中的水含量低于0.02ppm,氧低于1ppm時可達到較理想的性能。值得指出的是,我們多次發(fā)現(xiàn)由于儀器的調節(jié)氣路系統(tǒng)被污染而造成的對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等常用檢測器,由于他們屬于選擇性檢測器,操做時要根據(jù)分析要求,特別注

17、意被測敏感物質中雜質的去除。9.5在線工業(yè)色譜儀系統(tǒng)的一般構成及其工作過程 在線工業(yè)色譜測量系統(tǒng)框圖上圖是在線工業(yè)色譜測量系統(tǒng)的常見結構圖，現(xiàn)在工業(yè)中常用的在線色譜測量系統(tǒng)大致都與它相同。其工作過程如下：工藝氣體經取樣和預處理裝置變成潔凈、干燥的樣品連續(xù)流過定量管，取樣定量管中的樣品在載氣的攜帶下進入色譜柱系統(tǒng)。樣品中的各組分在色譜柱中進行分離，然后依次進入檢測器。檢測器將組分的濃度信號轉換成電 。微弱的電信號經放大電路后進入數(shù)據(jù)處理部件，最后送主機的液晶顯示器顯示，并以模擬或數(shù)字信號形式輸出。程序控制器按預先安排的動作程序控制系統(tǒng)中各部件自動、協(xié)調、周期地工作。溫度控制器對恒溫箱溫度進行控制。圖中的兩個虛線框分別表示工業(yè)色譜儀主機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樣后色譜柱流出物通過檢測器時產生的響應信號對時間或載氣流出體積的關系曲線稱為色譜圖。流出曲線色譜圖中檢測器隨時間輸出的響應信號曲線為色譜流出曲線?；€當沒有樣品組分進入檢測器時，色譜流出曲線只