色谱分析

1. 色谱分析 应用化学系 罗川南

2. 第三章 色谱仪器 • 第一节 气相色谱仪器 • 第二节 高效液相色谱仪器 • 第三节 离子色谱仪器 • 第四节 超临界流体色谱仪器 • 第五节 毛细管电泳仪器

3. 本章学习目标 了解 (1) 色谱仪操作参数的选择及其使用 (2) 色谱仪重要部件的基本工作原理 (3) 色谱仪的发展趋势 熟悉 (1) 色谱仪主要系统的构成 (2) 色谱常用检测器的基本结构 (3) 色谱工作站

4. 掌握 (1) 色谱仪的分类及特点 (2) 气相色谱仪的基本构成及其对主要系统 的要求 (3) 高相液相色谱仪的基本构成及其对主要 系统的要求 (4) 色谱常用检测器的基本原理及其应用范围 (5) 色谱应用注意事项

5. 第三章 色谱仪器 • 第一节 气相色谱仪器 • 第二节 高效液相色谱仪器 • 第三节 离子色谱仪器 • 第四节 超临界流体色谱仪器 • 第五节 毛细管电泳仪器

6. 第一节 气相色谱仪器 气相色谱仪具有高分辨率、高速度、高灵敏度及选择性好等优点。但只能用于被气化物质的分离、检测，而常压下可气化或可定量转变为气化的衍生物的物质，其总的比例大约只占几百万种化合物的20％左右。 一台典型的气相色谱仪主要由气路系统、进样系统、分离系统（色谱柱）、检测系统、温度控制系统、数据处理、记录系统及电源、电子线路等构成。

7. 进样气化 载气源 减压阀 净化器 稳压阀 稳流阀 色谱柱 检测器 放大器 记录仪 温度控制系统 气相色谱仪方框图

8. 进口气相色谱仪 外观 内部结构

9. 国产气相色谱仪 外观 内部结构

10. 进样口 前后 显示屏 检测器 控制面板 柱温箱门

11. 一、气相色谱系统 Gas chromatographic system

12. 二、气路系统 气相色谱仪的气路系统通常由载气源、减压阀、净化器、稳压阀、稳流阀、柱子及全部连接管道构成。气路系统的目的是向色谱柱提供质地洁净、流动平稳的流动相。

13. 1、单气路系统

14. p36 图3-1 2、双气路系统

15. 3、气相色谱的气源和减压阀 • 常见的气源是气体钢瓶 价格便宜 • H2 N2 He 钢瓶 空气压缩机 • 近年来多配备气体发生器 价格贵一些 • H2 N2 空气发生器 • 使用气体钢瓶必须掌握气体阀门的开、关。 • 钢瓶总阀把手、减压阀上标有开关的箭头指示方向。总阀顺时针为关，减压阀与其相反。

16. 气 源

17. 气体钢瓶阀门 总阀 减压阀 将压力降到 0.2-0.5 MPa

18. 1 2 3 4 5 6 7 9 8 减压阀结构示意图 1－调节手轮 2－弹簧 3－隔膜 4－提升针阀 5－出口腔 6－入口腔 7－气体入口 8－高压压力表 9－气体出口 10－低压压力表 10

19. 4、稳压阀和稳流阀 用于控制载气流量和压强，保证载气的平稳性。均为机械负反馈形式，通过波纹管压缩、伸张或弹性膜片受力改变产生机械作用，带动入气口或出气口的改变，引起气体流量的变化，从而调整压强或流量，达到载气流量或压强恒定的目的。

20. PI 5 3 4 2 1 6 PS 稳压阀示意图 1－阀座 2－针形阀(或平面阀) 3－波纹管 4－弹簧 5－手柄 6－阀杆

21. 2 1 A P3 P2 B P4 3 4 P1 稳流阀示意图 1－弹性膜片 2－上游反馈管 3－手柄 4－针阀

22. 5、载气净化器 载气中一般含有水、碳氢化合物、二氧化碳和其他惰性气体。载气是否净化对检测器的稳定性有很大的影响，也严重影响检测器的灵敏度。并且高纯的载体还可以提高色谱柱的使用寿命。净化器主要对载气进行净化，去掉其中的水分、有机烃类杂质。

23. 6、气路系统—载气连续运行的密闭管路系统 (1) 对气路的要求 (2) 气路结构 (3) 流速的测定和校正 载气流速采用 气密性好 载气要纯净、且稳定 单柱单气路，简单 适于恒温分析 双柱双气路 适于程序升温 转子流量计—给出载气流速的相对值 不能反映柱内真实流速 皂膜流量计—测柱后的流速，进行校 正后得到柱温下的流速

24. 7、校正载气流速 皂膜流量计测得载气流速 • 载气在柱后的真实流速： 室温时水的饱和蒸气压 出口载气流速 经过水蒸气校正的流速 柱出口压力，即大气压力

25. 8、载气平均流速 • Fc = Fo′ • Ti • j • 温度校正因子 Ti =Tc / Tr Tc柱温 Tr柱后温度 pi进口压力 po出口压力 压力校正因子 柱温、柱压、柱内载气的平均流速：

26. 三、进样系统—进样装置和汽化室 进样系统由载气预热器、取样器、样品分流器和进样汽化装置等组成。 对进样系统的要求是：准确定量，迅速注入；气态或经汽化的样品能在载气中形成一个窄带集中地进入色谱柱，否则测量结果将毫无意义。

27. 1、进样装置 • 液体样品进入色谱柱的最普通的方法是使用微升注射器。样品量在1～10μL之间。常用5μL和10μL注射器。当是气态样品时，必须有一个理想规格（0.1～5mL）的气密注射器。 • 液体：0.5、1、5、10、25、50 L (一般进样0.1~10 L） • 气体：0.25~5mL 注射器或六通阀 (一般进样0.1~1 mL）

28. 7 7 5 5 4 4 6 6 3 3 2 1 1 2 载气 接柱 接柱 载气 为了取样的准确性，常选用专门的取样阀取样。气体取样阀按其结构通常分为膜片式、拉动式和旋转式几种。也可按样品和载气分为四通、六通、十通阀等类型。旋转式六通阀最为常用。 采样 进样

29. 微量进样针 气体平面六通阀

30. 自动进样器 机械手根据所设置的小程序自动取样

31. 2、汽化装置 • 进样汽化装置（常称汽化室）功能是接收样品后，立即使其汽化。液体样品进入后应保证各组分能够瞬间完全汽化，而又不致于分解。 • 样品在汽化室被瞬间汽化后，并很快被载气带入色谱柱。 • 汽化室可控温度为50~400℃，一般比柱温高30~70 ℃。

32. 汽化室分流模式流路图 总流量控制环路 限流器 压力传感器 隔垫吹扫 调节器 流量传感器 柱前压控制 比例阀1 分流流量 出口 比例阀2 分流出口 捕集管 分流阀 (打开/on) 去检测器 分流/不分流进样口

33. 汽化室不分流模式流路图 进样口压力控制环路 inlet pressure control loop 限流器 流量传感器 压力传感器 隔垫吹扫 调节器 比例阀1 比例阀2 分流出口 捕集管 • 进样过程中分流阀关闭 （没有分流出口流量） • 进样后某指定时间，分流阀打开将剩余蒸汽吹扫出进样口 分流阀 (关闭/off) 去检测器

34. 四、气相色谱检测器 气相色谱检测器（GC detector）就是将载气里样品组分的浓度或质量（含量）转换为电信号、并进行信号处理的一种传感装置。色谱仪除分离部分外，另一个十分重要的部分就是检测器。检测器性能的好坏将直接影响到色谱仪器最终分析结果的准确性。

35. 1、检测器的分类 按照检测器的输出信号与物质含量的关系分为积分型的检测器和微分型的检测器两大类。 （1）积分型检测器 积分型检测器所给出的响应与色谱柱流出物的总量成正比，记录仪记录下来的色谱图是一种阶梯状曲线。每一个阶梯表示一种物质从色谱柱中分离出来，而阶梯的垂直高度则与该物质的总量成比例。

36. （2）微分型检测器微分型检测器所给出的响应与已分离组分在载气中的浓度或质量流速有关，记录仪记录下来的色谱图就是常用的具有一个个峰形的曲线，每一个峰代表一种物质的出现，峰与基线所包围的面积与样品组分的含量成比例。（2）微分型检测器微分型检测器所给出的响应与已分离组分在载气中的浓度或质量流速有关，记录仪记录下来的色谱图就是常用的具有一个个峰形的曲线，每一个峰代表一种物质的出现，峰与基线所包围的面积与样品组分的含量成比例。 微分型检测器又分为浓度型检测器和质量型检测器两种类型。

37. 峰a 检 测 器 响 应 R t1 t2 时间t (min) • 浓度型检测器 浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。色谱流出曲线上的每一点都对应于该瞬间组分在载气中的浓度。如热导检测器和电子捕获检测器。 dt 浓度型检测器的输出曲线

38. 质量型检测器 质量型检测器测量的是载气中组分进入检测器的质量速度（单位时间内通过的组分质量）变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器的样品组分的质量成正比。色谱峰上的每一点都对应于分离物质该瞬时的质量流速。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。

39. 2、气相色谱仪检测器的主要性能技术指标 • 灵敏度高。 • 最小检测量愈低愈好，以适应痕量分析的要求。 所谓最小检测量是指检测器能确切反映的物质的最低含量（指能产生二倍于噪声信号的响应时，单位时间检测器的样品量，或单位体积载气所含样品量）。即：

40. 线性范围要宽。 • 噪音要低、漂移要小。 • 响应时间要快。 • 选择性问题。 一个优良的检测器应具备灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。

41. 检测器的选择性问题 通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。 通用性检测器主要包括：热导检测器、氢火焰离子化检测器。 选择性检测器又称专属检测器主要包括：电子捕（俘）获检测器、火焰光度检测器（硫磷检测器）、热离子检测器（氮磷检测器）等。

42. 五、常用气相色谱检测器 1、热导检测器 (TCD) 2、氢火焰离子化检测器 (FID) 3、电子捕获检测器 (ECD) 4、火焰光度检测器 (FPD)

43. 1、热导检测器TCD 热导检测器（TCD，thermal conductivity detector）由热导池、测量桥路、热敏元件、稳压电路、信号衰减及基线调节等部分组成，具有结构简单，线性、稳定性好，适用面广等特点，还可与其他检测器联用。 热导检测器最基本的特点是载气和样品各组分具有不同的导热系数。

44. 工作 热导池 支承丝 电桥 记录仪 载气 E 输出电阻 参比 热导池 热敏元件 热导检测器是通用性检测器，几乎对所有物质都有响应。由于性能稳定，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。 热导检测器基本原理图

45. (1) 热导池结构 热导池由池体和热敏元件构成。 池体用不锈钢制成；池体内装两根电阻完全相等的钨丝或铂丝热敏元件。构成参比池和测量池。 热导池检测器结构图

46. R2 R1 (2) 热导池检测原理 热导池检测器检测原理是基于不同的物质有不同的导热系数。参比池和测量池与固定电阻组成惠斯登电桥。热导检测器电桥线路示意图： 未进样时： （无信号输出） R1=R2 R参=R测 R参×R1 ＝ R测×R2 △R参= △R测 进样后： （输出信号） △R参≠△R测

47. (3) 热导检测器灵敏度的影响因素 • 桥电流 桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。 响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一般桥电流控制在100～200mA左右（N2作载气时为100～150mA，H2作载气时150～200mA为宜）。

48. 池体温度 池体温度一般等于或高于柱温。 • 载气种类 载气与试样的导热系数相差愈大，则灵敏度愈高。一般物质导热系数较小，故选择导热系数大的H2或Ne作载气有利于灵敏度提高。如用N2作载气时，有些试样（如甲烷）的导热系数比它大就会出现倒峰。 同一种物质，峰面积越大，浓度越大。 不同物质，与载气的导热系数相差越大，峰面积越大，灵敏度越大。

49. 例：苯和甲醇导热系数的差别 同质量的苯和甲醇，在热导检测器上峰面积不同。 所以在归一化或内标法中利用峰面积求物质含量时，需要用相对校正因子校正峰面积。

50. 2、氢火焰离子化检测器FID FID： flame ionization detector 氢火焰离子化检测器属通用性检测器，是以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。主要基本构成环节是：电极、电离室、离子源、极化电源、本底电流补偿环节以及静电计、记录仪等。