氣相色譜儀及色譜檢測器

關于氣相色譜儀及色譜檢測器第1頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五1、氣路系統(tǒng)氣相色譜儀的氣路系統(tǒng)是一個載氣連續(xù)運行,包括氣源、氣體凈化、氣體流速控制和測量。氣路系統(tǒng)的氣密性、載氣流量的穩(wěn)定性都對實驗的結果有影響。氣相色譜的氣路系統(tǒng)有：單柱單氣路系統(tǒng)

雙柱雙氣路系統(tǒng)第2頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五第3頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五1).載氣的選擇

氣相色譜常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣等，其選用取決于所用的檢測器。熱導檢測器（TCD）H2、

He、N2氫火焰離子化檢測器（FID）N2火焰光度檢測器（FPD）N2電子捕獲檢測器（ECD）N2（高純>99.99%）第4頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五2).載氣的凈化載氣進入色譜儀之前必須凈化，常見的凈化方法是載氣進入色譜議之前通過裝有硅膠的分子篩，活性碳的凈化管。高純氮(>99.99%、氧含量<10ppm)、一般經(jīng)活性碳的裝置凈化。

對于載氣純度的要求取決于檢測器和色譜柱的性質。第5頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五3).載氣的流速及其校正載氣流速的大小和穩(wěn)定性對分離和檢測有很大的影響、流速的大小要通過樣品分離的情況選定。一般:50ml/min左右；流速變化<1%。載氣進入色譜柱之前有數(shù)量顯示或有轉子流量計指示流量。柱后常用皂膜流量計測量。第6頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五

用皂膜流量計測得柱壓的體積流速F’co包括了載氣通過皂膜流量計測量液時水蒸氣壓力的影響，所以計算時，應當扣除飽和水蒸氣壓力：

F’co=F’co·(ρ0－ρw)/ρ0

ρ0:柱出口壓力(大氣壓)ρw

測量溫度下飽和水蒸氣壓力由于色譜柱內進出口各部壓力不同，載氣的流速在各部也不一樣，通常以平均流速表示。載氣的出口流速Fc和平均流速之間的關系:

=jFcj=1.5[(ρi/ρ0)2－1]/[(ρi/ρ0)3－1]第7頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五2、進樣系統(tǒng)

進樣是將樣品(氣或液)通過注射器定量的加到色譜柱的上端。進樣量多少、進樣速度、樣品氣化速度都影響色譜柱的分離效果、以及定量結果的準確度和重現(xiàn)性。進樣系統(tǒng)包括：氣化室、進樣器第8頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五第9頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五進樣口和進樣技術填充柱進樣口：最簡單的進樣口，所有汽化的樣品均進入色譜柱，可接玻璃和不銹鋼填充柱，也可接大口徑毛細管柱進行直接進樣分流/不分流進樣口：最常用的毛細管柱進樣口。分流進樣最為普遍，操作簡單，但有分流歧視和樣品可能分解的問題。不分流進樣雖然操作復雜一些，但分析的靈敏度高，常用于痕量分析冷柱上進樣口：樣品以液體形態(tài)直接進入色譜柱，無分流歧視問題。分析精度高，重現(xiàn)性好。尤其適用于沸點范圍寬，或熱不穩(wěn)定的樣品，也常用于痕量分析（可進行柱上濃縮）程序升溫汽化進樣口：將分流/不分流進樣和冷柱上進樣結合起來，功能多，適用范圍廣，是較為理想的

GC進樣口第10頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五大體積進樣：采用程序升溫氣化或冷柱上進樣口，配合以溶劑放空功能，進樣量可達幾百微升，甚至更高，可大大提高分析靈敏度，在環(huán)境分析中應用廣泛，但操作較為復雜閥進樣：常用六通閥定量引入氣體或液體樣品，重現(xiàn)好，容易實現(xiàn)自動化。但進樣對峰展寬的影響大，常用于永久氣體的分析，以及化工工藝過程中物料流的監(jiān)測頂空進樣：只取復雜樣品基體上方的氣體部分進行分析，有靜態(tài)頂空和動態(tài)頂空（吹掃－捕集）之分，適合于環(huán)境分析（如水中有機污染物），食品分析（如氣味分析）及固體材料中的可揮發(fā)物分析等裂解進樣：在嚴格控制的高溫下將不能汽化或部分不能汽化的樣品裂解成可汽化的小分子化合物，進而用GC分析，適用于聚合物樣品或地礦樣品等第11頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五第12頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五第13頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五1).氣化室

可控溫度50-400℃；加熱功率70-100w要獲得高柱效、使樣品進入氣化室后能瞬間氣化。樣品進樣后很快達到分配吸附平衡、使譜帶不致發(fā)生擴張。第14頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五當氣化溫度高于250℃時氣化室的金屬管壁可能會有催化效應。要求:氣化室的死體積小、熱容量大、無催化作用、氣化溫度要保證樣品瞬間氣化

第15頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五第16頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五類型：微量注射器,旋轉式六通閥用注射器進樣重復性為2-5%

用六通閥進樣量的重復性<0.5%液體樣品:5、10μL微量進樣器氣體樣品:50、100、200μL微量進樣器也可用一般1mL、2mL注射器定量最好用六通閥進樣

0.5、1、2……mL定量環(huán)2).進樣器第17頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五3、分離系統(tǒng)

色譜柱包括:毛細柱填充柱

毛細管柱包括:填充型毛細管柱（ф內1mm

）開管型毛細管柱多孔層毛細管柱

（ф內0.1～0.3mm

）壁涂毛細管柱大口徑毛細管柱df1~5um

（ф內0.32，0.53mm

）小口徑毛細管柱df0.1~0.2um

（ф內0.1～0.2um

）第18頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五填充柱形狀:見圖內徑2～4mm

長度0.5～3m填充柱：柱子、載體、固定液填充柱柱材料:玻璃、不銹鋼(不適合鹵素)、紫鋼(不適合胺,炔,烯,甾族)、聚四氟乙烯

第19頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五填充柱制備方法靜態(tài)法:方便、簡單熱回流法:固定液不易溶、涂漬量少制備步驟

根據(jù)分析對象,備好所需的固定液,載體(粒度范圍<20目),溶劑及需裝填的色譜柱(洗凈,烘干)，再按照下列方法制備。

涂老化裝備用第20頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五涂：按比例要求稱好固定液于燒杯中(200mL)、按要求(查手冊)加入合適的溶劑、使固定液全部均勻的溶解在溶劑中(溶劑量以剛浸泡載體為宜)。紅色載體每克需溶劑1.5mL、白色載體每克需溶劑2mL。加入經(jīng)稱重的載體輕輕振蕩使載體和固定液溶液混合均勻、靜置、讓溶劑慢慢揮發(fā)。第21頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五裝：裝柱采用泵抽填充法要求：1.填充均勻

2.緊密將色譜柱(接檢測器)一端塞少許棉花，以堵住固定相，并且用橡皮管按在真空泵上，另一端接上小漏斗，在真空泵的抽吸下，慢慢加入固定相，并輕輕敲打色譜柱，邊裝邊敲，裝好后兩端塞上玻璃棉以備老化。第22頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五老化：將裝好的柱子，接到儀器上進行老化裝柱老化時將裝加固定相的一端接氣化室，另一端放空。接通氣路，在一定的溫度下(固定液最高使用溫度以下)老化，直至操作溫度下，基線平直。載氣流速10mL/min左右，老化時間一般1-3天。第23頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五4、溫控系統(tǒng)

溫度是色譜分析的一個重要操作條件柱溫直接影響柱的選擇性和柱效檢測器溫度直接影響檢測器靈敏度或穩(wěn)定性色譜儀必須有良好的溫度控制精度一般的氣相色譜溫控單元有:氣化室、柱溫箱、檢測器。第24頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五氣化室的溫度：50-400℃

設置一般高于柱溫箱溫度20-50℃柱溫箱溫度：設置要考慮固定液的最高使用溫度，不得高于此濃度，以防固定液流失。

可恒溫:樣品組分少，沸點范圍窄可程序升溫:樣品組分多，沸點范圍寬(>80℃)檢測器溫度：一般與柱溫相同或高于柱溫溫度第25頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五5、檢測、記錄系統(tǒng)系統(tǒng)

常用檢測器:通用型檢測器:對多數(shù)物質都有較大的相應信號熱導檢測器(TCD)

氫火焰檢測器(FID)專用型檢測器:對某些物質(S、P、X、N)有較大的相應信號電子捕獲檢測器(ECD):X、O、N

火焰光度檢測器(FPD):S、P

氮磷檢測器(NPD):N、P第26頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五信號記錄:色譜儀原多用數(shù)字積分儀或微處理機(80-90年代)得到:保留值、峰面積、百分量。近年來信號記錄儀多采用計算機，得到的信息與數(shù)字積分儀相同,但其坐標系統(tǒng)可自行調節(jié)(包括橫軸和縱軸),而且譜圖可儲存。第27頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五

1、檢測器的分類

1).根據(jù)檢測器輸出信號與組分含量之間的關系分：微分型和積分型

2).根據(jù)檢測器使用范圍分：通用型和選擇型

3).根據(jù)檢測器檢測器檢測原理分：濃度型和質量型

二.氣相色譜的檢測器第28頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五微分型和積分型

微分型檢測器的特點：靈敏度高，能測量痕量組分，可得各組分的保留值及其峰面積?，F(xiàn)在常用的都是微分型檢測器積分型檢測器的特點：靈敏度低，顯示不出保留時間。如電導檢測器屬積分型檢測器。

第29頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五通用型和選擇型通用型：指檢測器對所有的組分都有響應。如熱導（TCD），氫火焰（FID）檢測器注：氫火焰離子化檢測器只對極少數(shù)的組分無響應（或響應?。?，如：H2O、CO2、CO、SO2、NO、NO2、CS2、H2S、H2、He、Ne、Ar、kr、Xe、O2、N2、HCHO、HCOOH、SiCl4、SiHCl3、SiF4選擇型：指在相同條件下，檢測器對兩類物質的響應比至少是10：1，即對某類物質特別敏感，響應值很高。如電子捕獲（ECD），火焰光度（FPD），氮磷（NPD）等檢測器第30頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五濃度型和質量型

濃度型：測量流動相中組分濃度的瞬間變化，即對濃度變化敏感，檢測器的響應與組分的濃度成正比。

特點：

當無色譜柱時，將一定濃度的組分直接通入這類檢測器，其響應值（峰高）與流動相中組分的濃度成正比，而與流動相速度無關，這是由于流動相速度增加，只縮短了組分在檢測器中保留的時間，濃度并未改變，因而響應值不變。當連接色譜柱時，組分在柱內的保留時間隨流速增加而減少，峰寬減小，但方峰高不變，結果使峰面積減小，所以此類檢測器要求流速穩(wěn)定。

第31頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五質量型：根據(jù)測量流動相中組分進入檢測器的速度變化，它對質量的變化敏感。特點：當無色譜柱時，將一定濃度的組分直接通入檢測器，其響應值（峰高）與單位時間內進入的質量成正比，表示即使組分的濃度不變，但單位時間內進入檢測器的質量增加，響應值增大。當連接色譜柱時，流速增加，單位時間內進入檢測器的質量增加，峰高增加，但保留時間減少，峰寬減小，結果使峰面積維持不變。第32頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五2、對檢測器的要求

靈敏度高，穩(wěn)定性好死體積小，響應快線性范圍寬，便于定量分析結構簡單，使用安全第33頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五3.檢測器的性能指標靈敏度

穩(wěn)定性（噪聲和漂移）檢測限最小檢測量

線性范圍

響應時間

第34頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五1).靈敏度：

當一定量的組分進入檢測器時，就會產(chǎn)生一定的響應信號，以進樣量Q對響應原值R作圖，得到一條通過原點的直線，直線的斜率就是檢測器的靈敏度。用通式表示：S=△R/△Q

式中R的單位為毫伏，Q的單位則因檢測器的類型不同而異，靈敏度的計算式和量綱亦不同。第35頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五A.濃度型的檢測器靈敏度

進入檢測器的試樣是液體，mv·mL/mg

靈敏度表示每毫升載氣中有一毫克試樣在檢測器上產(chǎn)生的毫伏數(shù)。Q的單位為毫克組分/毫升流動相，則有檢測器重量靈敏度Sg：Sg=u2FdA/u1mg進入檢測器的試樣是氣體，mv·mL/mL

靈敏度表示每毫升載氣中有一毫升試樣在檢測器上產(chǎn)生的毫伏數(shù)。Q的單位為毫升組分/毫升流動相，則有檢測器體積靈敏度SV：Sv=u2FdA/u1mL第36頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五B.質量型檢測器靈敏度，

mv·s/g

表示每秒鐘有一克物質通過檢測器時所產(chǎn)生的信號的大小。Q的單位為克組分/秒，則有質量型檢測器靈敏度St，其單位為毫伏/克組分/秒。St=60u2A/u1m

第37頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五由靈敏度公式：

1、進樣量與峰面積成正比。（色譜峰定量的理論基礎）

2、進樣量一定時，峰面積與流速成反比。（定量時，要保持載氣流速恒定）

第38頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五2).噪聲和漂移：（穩(wěn)定性）第39頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五噪聲：當純載氣通過檢測器時，記錄儀記錄下來的基線波動為噪聲。以RN表示，單位為mv或mA短期噪聲：記錄筆的振幅波動。長期噪聲：周期性的基線波動。漂移：單方向的長期噪聲所產(chǎn)生基線相對于起始基線移動的距離。

第40頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五3).檢測限（或敏感度、檢測度）檢測限（D）：單位體積或時間內有多少量的物質進入檢測器，恰能使檢測器產(chǎn)生2倍于噪聲的信號。

D＝2RN/S檢測限與靈敏度的區(qū)別：檢測限不僅決定于靈敏度，而且考慮了噪聲大小對其影響。它是衡量檢測器性能好壞的比較全面的指標。檢測限越小的檢測器，越能滿足痕量分析的要求。

第41頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五4).最小檢測量（M最?。?/p>

在實際工作中，檢測器不可能單獨使用，它與柱、氣化器、記錄儀及連接管道等組成一個色譜體系。因此人們總關心所使用的色譜體系能檢測的最小組分量是多少，即關心色譜體系的最小檢測量（M最小）。第42頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五檢測限與最小檢測量的區(qū)別：1）測限是指所使用的檢測器本身可測出的最小組分量，它只與檢測器的性能有關。而色譜體系的最小檢測量不僅與檢測器的檢測限有關，還與色譜體系所使用的操作條件有關。2）測限與柱效無關，但柱效卻嚴重的影響色譜體系的最小檢測量。柱效越高，峰越窄，信號（峰高）越大，則該色譜體系的最小檢測量越小。3）實驗數(shù)據(jù)證明，色譜體系的最小檢測量比檢測器本身的檢測限大1－2個數(shù)量級。第43頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五5).線性范圍表示進入檢測器樣品量與信號成正比的數(shù)量范圍。指檢測器對組分的響應呈線性關系時最大允許進樣量與最小檢測量之比。線性范圍反應了檢測器對于樣品濃度的適應性。①M最小與檢測限成正比，但與檢測限不同。②M最小與柱效及色譜操作條件有關。第44頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五6).響應時間柱后組分進入檢測器時，要通過擴散才能達到或離開檢測敏感區(qū)。而擴散需要時間，這一時間稱為響應時間。響應時間的長短，直接影響對組分濃度變化的跟蹤速度。縮小檢測器死體積，縮短響應時間，可提高快速分析出峰的可靠性和準確性。如:熱導、電子捕獲﹤1秒氫火焰、火焰光度﹤0.1秒

第45頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五6).響應時間柱后組分進入檢測器時，要通過擴散才能達到或離開檢測敏感區(qū)。而擴散需要時間，這一時間稱為響應時間。響應時間的長短，直接影響對組分濃度變化的跟蹤速度?？s小檢測器死體積，縮短響應時間，可提高快速分析出峰的可靠性和準確性。如熱導、電子捕獲﹤1秒。氫火焰、火焰光度﹤0.1秒

第46頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五4．熱導檢測器（TCD）

熱導檢測器結構簡單，穩(wěn)定性好，線性范圍寬，通用性好，不破壞樣品，靈敏度低，適合常量及ppm級組分的分析。第47頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五結構及檢測原理

第48頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五影響熱導檢測器響應值的因素

橋電流

檢測室的溫度

載氣的影響第49頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五1).橋電流

熱導池的靈敏度與橋電流的3次方成正比，ScI3,電流增加，使熱絲溫度提高，熱絲和池體的溫度加大，氣體容易將熱量傳出來，靈敏度高，若電流過大，噪聲增大，熱絲容易氧化，縮短使用壽命。響應值與熱絲和池體之間的溫差（?t）有如下關系：?t≤50℃響應值與?t成比例?t>50℃響應值與?t1.5成比例?t>200℃

信噪比迅速惡化第50頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五2).檢測室的溫度

熱導池對溫度的變化很敏感，橋電流一定時，熱絲的

溫度為一定值。如池體溫度低，池體和熱絲的

溫差大，靈敏度提高；池體溫度升高，池體和熱絲的溫差小，靈敏度下降熱導池溫度過低，會使組分在池體內冷凝，污染池體一般應選擇檢測器池體溫度高于柱溫

第51頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五3).載氣的影響檢測器的靈敏度還與載氣和組分的熱導系數(shù)相關，載氣與試樣的熱導系數(shù)相差越大，則靈敏度越高基于檢測器的檢測原理，若λ載氣－λ組分＝?λ大，則電阻R1改變大，靈敏度高若λ載氣＝λ組分，則不產(chǎn)生信號

選用熱導檢測器時一般用熱導系數(shù)大的載氣，如氦氣、氫氣。第52頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五4).使用中注意事項

整個系統(tǒng)要求嚴格密封，保證不漏氣。特別是在使用氫氣作載氣，漏氣是引起爆炸事故的原因，要求系統(tǒng)壓力高于操作壓力0.5kg時，經(jīng)10h，壓力將<0.KG。避免熱絲的氧化，燒斷。開機前要先通載氣，分析完畢是要先停橋電流，當池體溫度高時，在降溫的過程中，不能停載氣，以避免外界空氣進入熱的池體。熱導檢測器為濃度型檢測器，定量分析時，保持流速恒定。第53頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五5、氫火焰離子化檢測器（FID）

氫焰檢測器是以氫氣與空氣燃燒生成的火焰為能源，當有機物進入火焰時，由于離子化反應二生成許多離子對，在火焰的上，下部分放一對電極，并施加一定的電壓，則產(chǎn)生的離子流就可以被檢測，因而對進入火焰中的有機物進行定量分析。第54頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五特點

幾乎所有的有機物都產(chǎn)生響應，對含碳有機物的檢測度達10-10—10-12g/s對載氣流速，壓力，溫度等變化不敏感，基線穩(wěn)定死體積小，響應迅速，特別適應連接毛細管柱作痕量分析和快速分析線性范圍廣達106-8對非烴類惰性氣體，火焰中不離解的物質，信號小或無信號第55頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五1).結構及檢測原理第56頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五

要使氫火焰離子化檢測器產(chǎn)生信號，首先必須使組分離子化成正負離子，其次必須將離子收集，要使組分離子化必須供給能源（有能源），要收集離子，必須要有一電場，氫焰檢測器的能源就是氫氧焰，電場是置于火焰上方的圓筒狀的收集極（+和置于下方的圓環(huán)狀發(fā)射極（-），期間加上50-300V電壓.氫焰檢測器有離子室，電場和火焰噴嘴組成.離子室一般用不銹鋼做成，有氣體的入口，氫氣（燃氣）和載氣在進入噴嘴前混合，空氣由另一通道引入火焰四周助燃.第57頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五

氫火焰離子化作用機理目前認為屬于化學電離：即有機物在火焰中發(fā)生自由基反應而被電離。產(chǎn)生微電流的大小與進入離子室的被測組分中含碳原子數(shù)成比例，組分中有效碳原子數(shù)（不與雜原子相連）的多少決定組分響應值的大小。第58頁，共64頁，2022年，5月20日，4點35分，星期五2).檢測器響應值的影響噴嘴：可用不銹鋼、石英、陶瓷做（要求與地絕緣），內徑在0.5mm左右。內徑小可以提高極化率，增加靈敏度，但使線性