1、第第二二章章色谱分析法色谱分析法一、气相色谱仪及其流程一、气相色谱仪及其流程二、二、气相色谱固定相气相色谱固定相三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置 1 1检测器特性检测器特性 2 2热导检测器热导检测器 3 3氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器 4.4.电子捕获检测器电子捕获检测器 5.5.具有定性功能的检测器具有定性功能的检测器（联用技术）（联用技术）第二节第二节 气相色谱装置气相色谱装置2025/7/102025/7/10气相色谱仪气相色谱仪12025/7/102025/7/10气相色谱仪气相色谱仪22025/7/102025/7/10气相色谱仪气相色谱仪32025/7/10202
2、5/7/10一、气相色谱流程一、气相色谱流程1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样器；8-色谱柱；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；1.载气系统载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制;2.进样系统进样系统：进样器及气化室；3.色谱柱：色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂有固定液）；4.检测器检测器：可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见；5.记录系统：记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；6.温度控制系统温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。2025/7/102025/7/10二、二、气相
3、色谱固定相气相色谱固定相1 1气固色谱固定相气固色谱固定相 种类：种类：活性炭：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。活活性性氧氧化化铝铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅硅胶胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。2025/7/102025/7/10气固色谱固定相气固色谱固定相 分子筛分子筛：碱碱及及碱碱土土金金属属的的硅硅铝铝酸酸盐盐（沸沸石石），多多孔孔性性。如如3A、4A、5A、10X及及13X分分子子
4、筛筛等等（孔孔径径：埃埃）。常常用用5A和和13X（常常温温下下分分离离O2 2与与N2 2）。除除了了广广泛泛用用于于H2 2、O2 2、N2 2、CH4 4、CO等等的分离外，还能够测定的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2 2O等。等。高分子多孔微球（高分子多孔微球（GDX系列）：系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型型号号：GDX-01、-02、-03等等。适适用用于于水水、气气体体及及低低级级醇醇的分析。的分析。2025/7/102025/7/10气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点（1）性能与制备和活化条
5、件有很大关系；）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同同一一种种固固定定相相，不不同同厂厂家家或或不不同同活活化化条条件件，分分离离效效果差异较大；果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。）使用方便。2025/7/102025/7/102气液色谱固定相气液色谱固定相 气液色谱固定相气液色谱固定相 固定液+担体（支持体）：固固定定液液在在常常温温下下不不一一定定为为液液体体，但但在在使使用用温温度度下下一一定定呈呈液液体状态。体状态。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。担体：化学惰性
6、的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。可以作为担体使用的物质应满足以下条件：可以作为担体使用的物质应满足以下条件：比表面积大，孔径分布均匀；比表面积大，孔径分布均匀；化化学学惰惰性性，表表面面无无吸吸附附性性或或吸吸附附性性很很弱弱，与与被被分分离离组组份份不起反应；不起反应；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。一般常用颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、目、80100目。目。2025/7/102025/7/10担体（硅藻土）担体（硅藻土）红色担体红色担体：孔径较小，表孔密集
7、比表面积较大，机械强度好。适宜分孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。缺点是表面存有活性吸附中心点。白色担体白色担体：煅烧前原料中加入了少量助溶剂煅烧前原料中加入了少量助溶剂(碳酸钠碳酸钠)。颗颗 粒疏松，孔径较大。表面积较小，机械强度粒疏松，孔径较大。表面积较小，机械强度 较差。但吸较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。2025/7/102025/7/10表表5-1填充柱气液色谱担体一览表填充柱气液色谱担体一览表2025/7/102025/7/
8、10固定液固定液 固定液：高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。固定液：高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。(1)对对固定液的固定液的要求要求 应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。(2)选择的基本原则选择的基本原则 “相似相溶相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。，选择与试样性质相近的固定相。2025/7/102025/7/10(3)固定液分类方法固定液分类方法 如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱如按化学结构、极性、应用等
9、的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等，烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等，(4)最高最低使用温度最高最低使用温度 高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；(5)混合固定相混合固定相 对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；两种以上配合使用；2025/7/102025/7/10(6)固定液的相对极性固定液的相对极性 规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零
10、规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，氧二丙睛的相对极性为氧二丙睛的相对极性为100.2025/7/102025/7/10表表8-2 优选固定液优选固定液麦麦氏氏常常数数：x、y、z、u、s表表示示，分分别别代代表表了了极极性性分分子子间间存存在在着着的的静静电电力力（偶偶极极定定向向力力）；极极性性与与非非极极性性分分子子间间存存在在着着的的诱诱导导力力；非非极极性性分分子子间间的的色色散散力力；氢氢键键等等。也也可可以以用用五五个个数数的的总总和和来来表表示示固固定定相相的的极极性性大大小小，如如：，氧氧二二丙丙睛睛五五个个常常数数的的总总和和为为4427，是是强强极极性固定相性固定相
11、2025/7/102025/7/10三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置 色色谱谱仪仪的的关关键键部部件件之之一一，种种类类较较多多，原原理理和和结结构构各各异异。有有的的具具有有广广普普性性，如如热热导导检检测测器器；有有的的具具有有高高选选择择性性，仅仅对对某类物质有高响应。某类物质有高响应。1 1检测器特性检测器特性 浓度型检测器：浓度型检测器：测测量量的的是是载载气气中中通通过过检检测测器器组组分分浓浓度度瞬瞬间间的的变变化化，检检测测 信号值与组分的浓度成正比。信号值与组分的浓度成正比。质量型检测器：质量型检测器：测测量量的的是是载载气气中中某某组组分分进进入入检检测测器器的的
12、速速度度变变化化，即即检检测测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。2025/7/102025/7/10检测器性能评价指标检测器性能评价指标响应值（或灵敏度）响应值（或灵敏度）S:在在一一定定范范围围内内，信信号号E与与进进入入检检测测器器的的物物质质质质量量m呈呈线线性关系：性关系：E=S m S=E/m 单位：单位：mV/（mg/cm-3）；（）；（浓度型检测器）浓度型检测器）mV/mV/（mg/smg/s）；（）；（）；（）；（质量型检测器）质量型检测器）质量型检测器）质量型检测器）S 表表示示单单位位质质量量的的物物质质通通过过检检
13、测测器器时时，产产生生的的响响应应信信号号的的大大小小。S值值越越大大，检检测测器器（也也即即色色谱谱仪仪）的的灵灵敏敏度度也也就就越越高高。检检测测信信号号通通常常显显示示为为色色谱谱峰峰，则则响响应应值值也也可可以以由由色色谱峰面积（谱峰面积（A）除以试样质量求得：除以试样质量求得：S=A/m2025/7/102025/7/10最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量）：噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。从从图图中中可可以以看看出出：如如果果要要把把信信号号从从本本底底噪噪声声中中识识别别出出来来，则则组组分分的的响响应应值值就就一一
14、定定要要高高于于N。检检测测器器响响应应值值为为2倍倍噪噪声声水水平平时时的的试试样样浓浓度度（或或质质量量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。，被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。线性度与线性范围线性度与线性范围：检检测测器器的的线线性性度度定定义义为为：检检测测器器响响应应值值的的对对数数值值与与试试样样量量对对数数值值之之间间呈呈比比例例的的状状况况。而而检检测测器器的的线线性性范范围围定定义义为为：检检测测器器在在线线性性工工作作时时，被被测测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。2025/7/10202
15、5/7/102 2热导检测器热导检测器 （1）热导检测器的结构热导检测器的结构 池体池体：一般用不锈钢制成。一般用不锈钢制成。热敏元件热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。的钨丝制成。参考臂：参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。靠近分离柱出口处。2025/7/102025/7/10（2）检测原理）检测原理 平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。不同的气体有不同的热
16、导系数。钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：R参参=R测测 ;R1=R2 则：则：R参参R2=R测测R1 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参参R测测 则：则：R参参R2R测测R1 这时电桥失去平衡，这时电桥失去平衡，a、b
17、两端存在着电位差，有电压信两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。时间变化的峰状图形。2025/7/102025/7/10（3 3）影响）影响热导检测器灵敏度的因素热导检测器灵敏度的因素桥桥路路电电流流I：I，钨钨丝丝的的温温度度 ，钨钨丝丝与与池池体体之之间间的的温温差差，有有利利于于热热传传导导，检检测测器器灵灵敏敏度度提提高高。检检测测器器的的响响应应值值S I3，但但稳稳定定性性下下降降，基基线线不不稳稳。桥桥路路电电流流太太高高时时，还还可可能能造成钨丝烧坏。造成钨丝烧坏。池池体
18、体温温度度：池池体体温温度度与与钨钨丝丝温温度度相相差差越越大大，越越有有利利于于热热传传导导，检检测测器器的的灵灵敏敏度度也也就就越越高高，但但池池体体温温度度不不能能低低于于分分离离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。2025/7/102025/7/10表表7-3 某些气体与蒸气的热导系数某些气体与蒸气的热导系数()，单位：单位：J/cms载气种类载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，
19、传热好，通过的桥路电流也可适当加大，气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。价格较高。2025/7/102025/7/10 3 3 氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器（1）特点）特点（FID：hydrogen flameionization detector）a.典型的质量型检测器，典型的质量型检测器，b.对有机化合物具有很高的灵敏度，对有机化合物具有很高的灵敏度，c.无无机机气气体体、水水、四四氯氯化化碳碳等等含含氢氢少少或或不不含含氢氢的的物物质质灵灵敏敏度低或不
20、响应。度低或不响应。d.氢氢焰焰检检测测器器结结构构简简单单、稳稳定定性性好好、灵灵敏敏度度高高、响响应应迅迅速速等特点。等特点。e.比比热热导导检检测测器器的的灵灵敏敏度度高高出出近近3个个数数量量级级，检检测测下下限限可可达达 10-12gg-1。2025/7/102025/7/10(2)氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构 a.在发射极和收集极之间加在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。构成一个外加电场。b.氢焰检测器需要用到三种氢焰检测器需要用到三种气体：气体：N2：载气携带试样组分；：载气携带试样组分；H2：为燃气；：为燃气；空气：助
21、燃气。空气：助燃气。使用时需要调整三者的比例使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。关系，检测器灵敏度达到最佳。2025/7/102025/7/10(3)氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 a.当当含含有有机机物物 CnHm的的载载气气由由喷喷嘴嘴喷喷出出进进入入火焰时，在火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基层发生裂解反应产生自由基：CnHm CHb.产产生生的的自自由由基基在在D层层火火焰焰中中与与外外面面扩扩散散进进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：CH+O CHO+ec.生生成成的的正正离离子子CHO+与与火火焰焰中中大大量量水水分分子
22、子碰撞而发生分子离子反应：碰撞而发生分子离子反应：CHO+H2O H3O+COA A区：预热区区：预热区B B层：点燃火焰层：点燃火焰C C层：热裂解区：层：热裂解区：温度最高温度最高D D层：反应区层：反应区2025/7/102025/7/10氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 d.d.化化学学电电离离产产生生的的正正离离子子和和电电子子在在外外加加恒恒定定直直流流电电场场的的作作用用下下分分别别向向两两极极定定向向运运动动而而产生微电流产生微电流（约（约10-610-14A）；）；e.在在一一定定范范围围内内，微微电电流流的的大大小小与与进进入入离离子子室室的的被被测测组组分分质质量量成成正
23、正比比，所所以以氢氢焰焰检检测测器是质量型检测器；器是质量型检测器；f.组分在氢焰中的电离效率很低，大约五组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离；十万分之一的碳原子被电离；g.g.离子电流信号输出到记录仪，得到峰面离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。积与组分质量成正比的色谱流出曲线。A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区2025/7/102025/7/10（4 4）影响氢焰检测器灵敏度的因素）影响氢焰检测器灵敏度的因素 各种气体流速和配比的选择：各种气体流速和配比的选择：N2流速的选择主要考虑分离效能，流速的选择主要考
24、虑分离效能，N2 H2=1=1 1 11 1 1.5 1.5 氢气氢气 空气空气=1=1 1010。极化电压极化电压 正常极化电压选择在正常极化电压选择在100100300300V V范围内。范围内。2025/7/102025/7/104 4.电子捕获检测器电子捕获检测器 高选择性检测器，高选择性检测器，仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限度，检测下限1010-14-14 g/g/mLmL，对大多数烃类没有响应。对大多数烃类没有响应。较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。较多应用于农副产品、食品及环境中农药
25、残留量的测定。2025/7/102025/7/105.5.具有定性功能的检测器（联用技术）具有定性功能的检测器（联用技术）色谱色谱-质谱；色谱质谱；色谱-红外等。红外等。质谱作为色谱的检测器使用需要解决质谱作为色谱的检测器使用需要解决四个问题四个问题:(1)(1)色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配；色谱柱出口压力与质谱仪高真空之间的匹配；(2)(2)试样组分与载气的分离；试样组分与载气的分离；(3)(3)质质谱谱对对色色谱谱流流出出峰峰的的快快速速测测定定（电电子子计计算算机机解解决决）；(4)(4)质谱仪的小型化（小型化的质量分析器）。质谱仪的小型化（小型化的质量分析器）。2025/7/
26、102025/7/10质谱作为色谱检测器所存在质谱作为色谱检测器所存在问题问题的的解决：解决：第一和第二个问题的解决：第一和第二个问题的解决：采用分子分离器；采用分子分离器；分子分离器类型：分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。喷射式分子分离器：喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如图所示。可做成多级。如图所示。可做成多级。2025/7/102025/7/10请选择内容：请选择内容：第一节第一节 色谱法概述色谱法概述第二节第二节 气相色谱仪气相色谱仪第三节第三节 色谱理论基础色谱理论基础第四节第四节 气相色谱操作条件选择气相色谱操作条件选择第五节第五节 色谱定性、定量方法色谱定性、定量方法第六节第六节 毛细管色谱毛细管色谱第七节第七节 液相色谱法液相色谱法第八节第八节 离子色谱法离子色谱法第九节第九节 高效毛细管电泳高效毛细管电泳第十节第十节 薄层色谱与纸色谱法薄层色谱与纸色谱法结束结束2025/7/102025/7/10
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