在线色谱分析仪

基本知识

色谱法,又称色层法或层析法，是一种物理化学分析方法，它利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，当两相做相对移动时，各溶质在两相间进行多次平衡，使各溶质达到相互分离。它的英文名称为：chromatography这个词来源于希腊字chroma和 graphein，直译成英文时为color和writing两个字;直译成中文为色谱法。但也有人意译为色层法或层析法。

1906年由俄guo科学家茨维特研究植物色素分离，提出色谱法概念；他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。按光谱的命名方式，这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义，但仍被人们沿用至今。

茨维特经典色谱分析实验示意图

9.1基础知识

固定相——色谱法中，静止不动的一相（固体或液体）称为固定相（stationary phase） ；流动相——运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相（ phase）。

按固定相的几何形式色谱分析法分为：

柱色谱法(columnchromatography)

柱色谱法是将固定相装在一金属或玻璃柱中或是将固定相附着在毛细管内壁上做成色谱柱，试样从柱头到柱尾沿一个方向移动而进行分离的色谱法。目前在线色谱仪采用的是柱色谱法。

纸色谱法（paper chromatography）

　　纸色谱法是利用滤纸作固定液的载体，把试样点在滤纸上，然后用溶剂展开，各组分在滤纸的不同位置以斑点形式显现，根据滤纸上斑点位置及大小进行定性和定量分析。

薄层色谱法(thin-layer chromatography,TLC)

薄层色谱法是将适当粒度的吸附剂作为固定相涂布在平板上形成薄层，然后用与纸色谱法类似的方法操作以达到分离目的。

简单的说，色谱分析仪就是基于色谱法原理用色谱柱先将混合物分离开来，然后再用检测器对各组分进行检测。与前面介绍的几种气体成分分析仪不同，色谱分析仪能对被测样品进行全面的分析，既能鉴定混合物中的各种组分，还能测量出各组分的含量。因此色谱分析仪在科学实验和工业生产中应用的越来越广泛。

色谱分离基本原理：

由以上方法可知，在色谱法中存在两相，一相是固定不动的，我们把它叫做固定相；另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。

色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。

使用外力使含有样品的流动相（气体、液体）通过一固定于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。当流动相中携带的混合物流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。

由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出，色谱柱的出口安装一个检测器，当有组分从色谱柱流入检测器中，检测器将输出对应于该组分浓度人小的电信号，通过记录仪把各个组分对应的输出信号记录下来，就形成了色谱图，如下图所示。根据各组分在色谱图中出现的时问以及峰值大小可以确定混合物的组成以及各组分的浓度。

混合物在色谱柱中的分离过程示意图

色谱仪的分类

色谱分析法有很多种类，从不同的角度出发可以有不同的分类方法。从两相的状态分类：

色谱法中，流动相可以是气体，也可以是液体，由此可分为气相色谱法（GC）和液相色谱法（LC），我们工业上常用的在线色谱仪一般都是气相色谱仪。固定相既可以是固体，也可以是涂在固体上的液体，由此又可将气相色谱法和液相色谱法分为气-液色谱、气-固色谱、液-固色谱、液-液色谱。

气相色谱仪组成部分：

气相色谱仪的构成简图

①气源和载气的控制和测量 

气源多采用高压瓶(氢、氮、氩等)做高纯气的储存器，并装有减压阀，使高压气体减压

成低压气体(0．1-O．5MPa)以供使用。钢瓶供给的气体称为流动相，又称载气。载气的作用

主要是把样品输送到色谱柱和检测器中。

②流量调节阀

可以调节载气的流速，常用的有稳压阀和针形阀。流速计用以测量载气流速。常用的有转子流量计和皂膜流速计等。

③色谱柱和恒温器 

色谱柱的作用是把混合物分离成单一组分。一般常用不锈钢管或铜管内填充固定相构

成，管子成U型或螺丝形。一般柱管内径为2—8mm，还有内径更小的称为毛细管色谱柱， 柱管长度一般为1-4m或更长。

恒温器 为了保持色谱柱或检测器内的温度恒定，色谱柱和检测器多置于恒温器内。一般常采用空气恒温方式。

进样器 把样品通进色谱柱的元件称进样器，对于在线气相色谱仪进样工具常有流路切换阀、柱且阀、定量管等

④检测器

检测器又称鉴定器是用来检测柱后流出的组分，并以电压或电流信号显示出来，常用的

检测器有热导池式；氢火焰离子化式；电子捕获式和火焰光度式检测器数种。

⑤自动记录仪

记录仪的作用是将检测器输出的信号记录下来，作为定性，定量分析的依据。不过当今的在线色谱仪都不配备自动记录仪，取而代之的是大尺寸的LCD显示屏或上位机，但都留有自动记录仪的接口。

9.2气相色谱仪常用的检测器

检测器（detector）——能检测色谱柱流出组分及其量的变化的器件，又称鉴定器。是检测色谱分离组分物理或化学性质或含量变化（多数情况是将其转化为相应的电压、电流）的一种仪器装置。它是色谱系统中的关键部件，色谱分离过程的眼睛。信号

　　对检测器的要求是：灵敏度高，线性范围宽，重现性好，稳定性好，响应速度快，对不同物质的响应有规律性及可预测性。

检测器的分类

根据检测器的输出信号和组分含量的关系分，可以分为：

质量型检测器：测量载气中某组分进入检测器的质量流速变化，即检测器的响应值与单位时间内进人检测器某组分的质量成正比。

浓度型检测器：测量载气中组分浓度的瞬间变化，检测器的响应值与组分在载气中的浓度成正比，与单位时间内组分进入检测器的质量无关。

根据其测定范围可分为：

通用型检测器：对绝大多数物质够有响应。

选择型检测器：只对某些物质有响应；对其它物质无响应或很小。

目前已有几十种检测器，其中常用的是热导池检测器、电子捕获检测器（浓度型）、火焰离子化检测器、火焰光度检测器（质量型）和氮磷检测器等。具体原理和使用范围如下：

热导池检测器(Thermal Conductivity Detector，TCD)，由于它结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好，线性范围较宽，适用于无机气体和有机物，它既可做常量分析，也可做微量分析，小检测量mg/ml数量级，操作也比较简单，因而它是目前应用相当广泛的一种检测器。

TCD检测器的结构及测量示意图

火焰离子检测器（flame ionizationdetector，FID）是气体色谱检测仪中对烃类(如丁烷,己烷)灵敏度的一种手段，广泛用于挥发性碳氢化合物和许多含炭化合物的检测。FID用氢气作为燃烧气，其中掺有氦气，氮气等洗脱剂，在一个圆筒状的电极里的喷嘴处燃烧。喷嘴与电极间电压高达几百伏，当含碳溶质在喷嘴处燃烧时，产生的电子/离子对被喷嘴和电极处收集起来产生电流，该电流被放大并传送到记录仪或电脑数据采集系统的A/D转换器处。它对电离势低于H2的有机物产生响应，而对无机物、久性气体和水基本上无响应，所以火焰离子化检测器只能分析有机物（含碳化合物），不适于分析惰性气体、空气、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。

FID检测器的工作原理图

火焰光度检测器(Flame Photometric Detector，FPD)，是近三十年才发展起来的一种高选择性和高灵敏度的新型检测器。它对含硫、含磷化合物的检测灵敏度很高。目前主要用于环境污染和生物化学等领域中，它可检测含磷含硫有机化合物（农药），以及气体硫化物，如甲基对硫磷，马拉硫磷，CH3SH，CH3SCH3，SO2，H2S等，稍加改变还可以测有机汞、有机卤化物、氯化物、硼烷以及一些金属螯合物等。

FPD检测器结构原理示意图

电子捕获检测器(Electron Capture Detector，ECD)，目前气相色谱中常用的一种高灵敏度、高选择性的检测器。它只对电负性(亲电子)物质有信号，样品电负性越强，所给出的信号越大，而对非电负性物质则没有响应或响应很小。电子捕获检测器对卤化物、含磷、硫、氧的化合物，硝基化合物、金属有机物、金属螯合物，甾类化合物。多环芳烃和共轭羰基化合物等电负性物质都有很高的灵敏度，其检出*可达10-9～10-10克的范围。所以电子捕获检测器在环境保护监测、农药残留、食品卫生、医学、生物和有机合成等方面，都已成为一种重要的检测工具。

ECD检测器结构原理图

总而言之，检测器的发展方面，均向着高灵敏度，高重复性，反应快，线性宽等的方向发展．并且，正逐渐洐生出专门分析某些化合物的检测器。

9.3色谱柱（chromatographic column）

色谱柱——装填有固定相用以分离混合组分的柱管。多为金属或玻璃制作。有直管形、盘管形、U形管等形状。

气相色谱柱的分类

色谱柱是由柱管和固定相组成，按照拄管的粗细和固定相的填充方式分为：填充柱、毛细管柱。

填充柱气相色谱固定相

在影响色谱柱分离效果的诸多因素中选择适当的色谱固定相是关键。必须使待测各组分在选定的固定相上具有不同的吸附或分配，才能达到分离的目的。

①气-液色谱（分配色谱）固定相

气-液色谱的固定相是由高沸点物质固定液和惰性担体组成。

担体（或载体）——是一种化学惰性的多孔固体颗粒，支持固定液，表面积大，稳定性好（化学、热），颗径和孔径分布均匀；有一定的机械强度，不易破碎。

担体的种类和性能：

   硅藻土型：红色硅藻土担体—强度好，但表面存在活性中心，分离极性物质时色谱峰易拖尾；常用于分离非、弱极性物质。

白色硅藻土担体—表面吸附性小，但强度差，常用于分离极性物质。

非硅藻土型担体：有氟担体，适用于强极性和腐蚀性气体的分析；玻璃微球，适合于高沸点物质的分析；高分子多孔微球既可以用作气-固色谱的吸附剂，又可以用作气-液色谱的担体。

担体的预处理：除去其表面的活性中心，使之钝化。

   酸洗法（除去碱性活性基团）；

   碱洗法（除去酸性活性的基团）；

   硅烷化（消除氢键结合力）；

釉化处理（使表面玻璃化、堵住微孔）等。

②固定液——涂在担体上作固定相的主成分

对固定液的要求：

化学稳定性好：不与担体、载气和待测组分发生反应；

热稳定性好：在操作温度下呈液体状态，蒸气压低，不易流失；

选择性高：分配系数 K 差别大；

溶解性好：固定液对待测组分应有一定的溶解度。

组分与固定液分子间的相互作用：

组分与固定液分子间相互作用力通常包括：静电力、诱导力、色散力和氢键作用力。

在气-液色谱中，只有当组分与固定液分子间的作用力大于组分分子间的作用力，组分才能在固定液中进行分配。选择适宜的固定液使待侧各组分与固定液之间的作用力有差异，才能达到彼此分离的目的。

固定液的分类：固定液有四百余种，常用相对极性分类。

固定液的选择：

一般是根据试样的性质（极性和官能团），按照“相似相溶”的原则选择适当的固定液。

具体可从以下几方面考虑：

a.分离非极性混合物一般选用非极性固定液

   组分和固定液分子间的作用力主要是色散力。试样中各组分按沸点由低到高的顺序出峰。常用的有：角鲨烷（异三十烷）、十六烷、硅油等；

   b.分离中等极性混合物一般选用中等极性固定液。

组分和固定液分子间的作用力主要是色散力和诱导力。试样中各组分按沸点由低到高的顺序出峰。

   c.分离极性组分选用极性固定液

组分和固定液分子间的作用力主要是定向力。待测试样中各组分按极性由小到大的顺序出峰。例如：用极性固定液聚乙二醇一20M分析乙醛和bing烯醛时，极性较小的乙醛先出峰。

   d.分离非极性和极性(易极化)组分的混合物选用极性固定液： 

   非极性组分先流出，极性（或易被极化）的组分后出峰。例如：采用中等极性的邻苯二甲酸二壬酯作固定液，沸点相差极小的苯（沸点80.l℃）和环乙烷（沸点为80.8℃）可以定量分离，环己烷先出峰，若采用非极性固定液则很难使二者分离。

e.对于能形成氢键的组分

选用强极性或氢键型的固定液。如：多元醇、腈醚、酚和胺等的分离，不易形成氢键的先出峰。

气-固（吸附）色谱固定相——固体吸附剂

①活性炭：非极性吸附剂，分析低碳烃和气体及短链极性化合物。 

②氧化铝：弱（中等）极性吸附剂，主要用于分析C1~ C4 烃类及其异构体。

③硅胶：强极性吸附剂，常用于分析硫化物：COS、H2S、SO2等。

④分子筛（人工合成的硅酸盐）：强极性吸附剂，用于在室温条件下使H2，O2，N2，CH4，CO得到良好分离。

⑤高分子多孔微球：极性和非极性吸附剂，可分析极性的—多元醇、脂肪酸、腈类、胺类 或非极性的—烃、醚、酮等；尤其适合分析有机物中的微量水。

9.4气相色谱仪的载气

作为气相色谱载气的气体，要求要化学稳定性好；纯度高；价格便宜并易取得；能适合于所用的检测器。常用的载气有氢气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳气等等。 其中氢气和氮气价格便宜，性质良好，是用作载气的良好气体。

氢气

由于它具有分子量小，分子半径大，热导系数大，粘度小等特点，因此在使用TCD时常采用它作载气。在FID中它是*的燃气。氢气的来源目前除氢气高压钢瓶外，还可以采用电解水的氢气发生器，氢气易燃易爆，使用时，应特别注意安全。

氮气

由于它的扩散系数小，柱效比较高，致使除TCD外，在其他形式的检测器中，多采用氮气作载气。它之所以在TCD中用的较少，主要因为氮气热导系统小，灵敏度低，但在分析H2时，必须采用N2作载气，否则无法用TCD解决H2的分析问题。

氦气

从色谱载气性能上看，与氢气性质接近，且具有安全性高的特点。但由于价格较高，使用较少。

载气种类的原则

选择何种气体作载气，首先要考虑使用何种检测器。

使用热导池检测器（TCD）时，选用氢 或氦作载气，能提高灵敏度，氢载气还能延长热敏元件钨丝的寿命；

氢火焰检测器（FID）宜用氮气作载气，也可用氢气；

电子捕获检测器(ECD)常用氮气纯度大于；

火焰光度检测器（PFD）常用氮气和氢气:

扩散系数与载气性质有关，与载气的摩尔质量平方根成反比，所以选用摩尔质量大的载气、可以减小分子扩散系数，提高柱效、但选用摩尔质量小的载气，使分子扩散系数增大，会使气相传质阻力系数减小，使柱效提高。因此使用低线速载气时，应选用摩尔质量大的，使用高线速时，宜选用摩尔量小的。

载气纯度的选择

原则上讲，选择气体纯度时，主要取决于：

①     分析对象；

②     色谱柱中填充物；

③     检测器。

建议在满足分析要求的前提下，尽可能选用纯度较高的气体。这样不但会提高（保持）仪器的高灵敏度，而且会延长色谱柱，整台仪器（气路控制部件，气体过滤器）的寿命。

实践证明，作为中仪器，用于微量分析，长期使用较低纯度的气体气源，一旦要求分析低浓度的样品时，要想恢复仪器的高灵敏度有时十分困难。对于低档仪器，作常量或半微量分析，选用高纯度的气体，不但增加了运行成本，为了纯化气体还需要增加净化器，这样增加了气路的复杂性，更容易出现漏气或其他的问题而影响仪器的正常操作。因此不推荐对这样的色谱载气进行纯化。另外，为了某些特殊的分析目的要求特意在载气中加入某些“不纯物”，如：分析极性化合物添加适量的水蒸气，操作火焰光度检测器（FPD）时，为了提高分析硫化物的灵敏度，而添加微量硫。操作氦离子化检测器要氖的含量必须在5~25ppm，否则会在分析氢，氮和氩气时产生负峰或“W”形峰等。

气体纯度低的不良影响

根据分析对象，色谱柱的类型，操作仪器的挡次和具体检测器，若使用不合要求的低纯度气体，不良影响有以下几种可能：

样品失真或消失：如H2O气使氯硅样品水解；

色谱柱失效：H2O，CO2使分子筛柱失去活性，H2O气使聚脂类固定液分解，O2使PEG断链。

有时某些气体杂质和固定液相互作用而产生假峰；

对柱保留特性的影响：如：H2O对聚乙二醇等亲水性固定液的保留指数会有所增加，载气中氧含量过高时，无论是极性或是非极性固定液柱的保留特性，都会产生变化，使用时间越长影响越大。

检测器：

TCD：信噪比减小，无法调零，线性变窄，文献中的校正因子不能使用，氧含量过大，使元件在高温时加速老化，减少寿命。

FID：特别是在/秒下操做时，CH4等有机杂质，会使基流激增，噪声加大不能进行微量分析。

ECD：载气中的氧和水对检测器的正常工作影响大，在不同的供电工作方式中，脉冲供电比直流电压供电影响大，固定基流脉冲调制式供电比脉冲供电影响大。这就是为什么目前诸多在操作固定基流脉冲调制式ECD时，在载气纯度低时必须把载气纯度选择开关从“标准氮”拨到“一般氮”位置的原因。大家会发现在此情况下操作，不但灵敏度变低，而且线性亦变窄了。实践证明：在操作ECD时，载气中的水含量低于0.02ppm,氧低于1ppm时可达到较的性能。值得指出的是,我们多次发现由于仪器的调节气路系统被污染而造成的对载气的二次污染至使ECD基频大幅度增加使信燥比减小。

FPD和NPD等常用检测器,由于他们属于选择性检测器,操做时要根据分析要求,特别注意被测敏感物质中杂质的去除。

9.5在线工业色谱仪系统的一般构成及其工作过程

                 在线工业色谱测量系统框图

上图是在线工业色谱测量系统的常见结构图，现在工业中常用的在线色谱测量系统大致都与它相同。其工作过程如下：

工艺气体经取样和预处理装置变成洁净、干燥的样品连续流过定量管，取样定量管中的样品在载气的携带下进入色谱柱系统。样品中的各组分在色谱柱中进行分离，然后依次进入检测器。检测器将组分的浓度信号转换成电 。微弱的电信号经放大电路后进入数据处理部件，后送主机的液晶显示器显示，并以模拟或数字信号形式输出。程序控制器按预先安排的动作程序控制系统中各部件自动、协调、周期地工作。温度控制器对恒温箱温度进行控制。图中的两个虚线框分别表示工业色谱仪主机中的分析器部分和控制部分。

9.6色谱仪的谱图及流出曲线

谱图——色谱分析仪进样后色谱柱流出物通过检测器时产生的响应信号对时间或载气流出体积的关系曲线称为色谱图。

流出曲线——色谱图中检测器随时间输出的响应信号曲线为色谱流出曲线。

基线——当没有样品组分进入检测器时，色谱流出曲线只是一条反应仪器噪声随时间变化的曲线（仅有载气通过检测器时系统产生的响应信号曲线，称为基线。

典型色谱流出曲线图

上图中各序号代表的概念名称及其含义：

1——死时间（tM）不被固定相吸附或溶解的惰性组分（空气等），从进样开始到流出曲线浓度极大值之间的时间，它正比于色谱柱系统中空隙体积的大小。

2——保留时间（tR）指被分析样品从进样开始到该组分流出曲线浓度极大值之间的时间。

3——校正保留时间()扣除死时间后的保留时间。

4——峰宽（Y）从流出曲线的拐点作切线与基线相交的两点间的距离。

5——半峰宽( )峰高一半处的色谱峰的宽度。

6——峰高（h）样品组分流出大浓度时，检测器的输出信号。