第2节气相色谱仪

1、2021-12-5第第第第第第七七七七七七章章章章章章色谱分析法色谱分析法色谱分析法色谱分析法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）第二节第二节第二节第二节第二节第二节 气相色谱装置气相色谱装置气相色谱装置气相色谱装置气相色谱装置气相色谱装置2021-12-5气相色谱仪气相色谱

2、仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪1 1 12021-12-5气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪2 2 22021-12-5气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪气相色谱仪3 3 32021-12-5一、气相色谱流程一、气相色谱流程一、气相色谱流程一、气相色谱流程一、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；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；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

3、：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。2021-12-5二、二、二、二、二、二、气相色谱固定相气相色谱固定相气相色谱固定相气相色谱固定相气相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。 活性氧化铝活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相

4、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。 硅胶硅胶：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。2021-12-5气固色谱固定相气固色谱固定相气固色谱固定相气固色谱固定相气固色谱固定相气固色谱固定相 分子筛分子筛： 碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及及13X分子筛等（孔径：埃）。常用分子筛等（孔径：埃）。常用5A和和13X（常（常温下分离温下分离O2 2与与N2 2）。）。除了广泛用于除了广泛用于H2 2、O2 2、N2 2、CH4

5、 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）。 型号：型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇等。适用于水、气体及低级醇的分析。的分析。2021-12-5气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点气固色谱固定相的特点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件有很大关系；）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同

6、活化条件，分离效）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；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。2021-12-52 2 2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） ： 固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。液体状态。 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：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有

7、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； 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；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。2021-12-5担体（硅藻土）担体（硅藻土）担体（硅藻土）担体（硅藻土）担体（硅藻土）担体（硅藻土） 红色

8、担体红色担体：孔径较小，表孔密集，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。 种类 担体名称 特点及用途 生产厂家红色硅藻土担体201 红色担体301 釉化红色担

9、体6201 红色担体适用于涂渍非极性固定液分析非极性物质由 201 釉化而成，性能介于红色与白色硅藻土担体之间，适用于分析中等极性物质上海试剂厂大连催化剂厂硅藻土类白色硅藻土担体101 白色担体101 酸洗101 硅烷化白色担体102 白色担体适用于涂渍极性固定液分析极性物质催化吸附性小，减小色谱峰拖尾上海试剂厂非硅藻土类高分子微球玻璃微球氟担体由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成经酸碱处理，比表面积 0.02 m2 / g ,可在较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2 /g适宜分析强极性物质和腐蚀性物质上海试剂厂2021-12-5固定液固定液固定液固定液固定液

10、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。2021-12-5(3)(3)(3)固定液分类方法固定液分类方法固定液分类方法固定液分类方法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

11、类方法。在各种色谱如按化学结构、极性、应用等的分类方法。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；2021-12-5(6) (6) (6) 固定液的相对极性固定液的

12、相对极性固定液的相对极性固定液的相对极性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，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. 固定液 名 称商品牌号使用温度（最高） 溶剂相对极性麦氏常数总和 分析对象 （参考）1、 角鲨烷 （异三十烷）SQ150乙醚00烃类及非极性化合物2、阿皮松 LAPL300苯143非极性和弱极性各类高沸点有机化合物3、硅油OV-101350丙酮+1229各类高沸点弱极性有机化合物，如芳烃4、 苯基 10% 甲基聚硅氧烷OV-3350甲苯+14235、 苯基（20%） 甲基聚硅氧烷OV-73

13、50甲苯+25926、 苯基（50%） 甲基 聚硅氧烷OV-17300甲苯+28277、 苯基（60%）甲基聚硅氧烷OV-22350甲苯+210758、 邻苯二甲酸 二壬酯DNP130乙醚+29、 三氟丙基甲基 聚硅氧烷OV-210250氯仿+2150010、 氰丙基（25%）苯基（25%）甲基聚硅氧烷OV-225250+3181311、聚乙二醇PEG20M250乙醇氢键2308醇、醛酮、脂肪酸、酯等极性化合物12、 丁二酸二乙 二醇聚酯DEGS225氯仿氢键3430表表8-2 优选固定液优选固定液麦氏常数：麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别表示，分别代表了极性分子间存代表了极性分子间存在

14、着的静电力（偶极在着的静电力（偶极定向力）；极性与非定向力）；极性与非极性分子间存在着的极性分子间存在着的诱导力；非极性分子诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等间的色散力；氢键等。也可以用五个数的。也可以用五个数的总和来表示固定相的总和来表示固定相的极性大小，如：极性大小，如：，氧二丙睛五个常氧二丙睛五个常数的总和为数的总和为4427，是，是强极性固定相强极性固定相。2021-12-5三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置三、气相色谱检测装置 色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各异。色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构

15、各异。有的具有广普性，如热导检测器；有的具有高选择性，仅对有的具有广普性，如热导检测器；有的具有高选择性，仅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： 测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测 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： 测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检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。2021-12-5检测器

16、性能评价指标检测器性能评价指标检测器性能评价指标检测器性能评价指标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）响应值（或灵敏度）响应值（或灵敏度）响应值（或灵敏度）响应值（或灵敏度）S S S : : : 在一定范围内，信号在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量与进入检测器的物质质量m呈线呈线性关系：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 / （mg /s）；（）；（质量型检测器）质量型检测器） S 表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信表示单位质量的物质通过检测器时

17、，产生的响应信号的大小。号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（谱峰面积（A）除以试样质量求得：除以试样质量求得： S = A / m2021-12-5最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量）最低检测限（最小检测量）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）。 从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组

18、分的响从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于应值就一定要高于N。检测器响应值为检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量倍噪声水平时的试样浓度（或质量），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 ： 检测器的线性度定义为：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间检测器的线性度定义为：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。而检测器的线性范围定义为：检测器在线性工作时，被测呈比例的状况。而检测器的线性范围定义为：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）

19、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。2021-12-52 2 2 2 2 2热导检测器热导检测器热导检测器热导检测器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

20、。靠近分离柱出口处。2021-12-5（2 2 2）检测原理）检测原理）检测原理）检测原理）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

21、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。2021-12-5（3 3 3 3 3 3）影响）影响）影响）影响）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热导检测器灵敏度的因素热导检测器灵敏度的因素热导检测器灵敏度的因素热导检测器灵敏度的因素桥路电流

22、桥路电流I ： I ，钨丝的温度，钨丝的温度 ，钨丝与池体之间的温，钨丝与池体之间的温差差 ，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。造成钨丝烧坏。池体温度池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，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。2021

23、-12-5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，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。2021-12-5 3 3 3 3 3 3 氢火焰离子化检测器氢火焰离子

24、化检测器氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器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. 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应。度低或不响应。d. 氢焰检测器结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速氢焰检测器结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点。等特点。e. 比热导检测器的灵敏度高出近比热导检测器的灵敏度高出近3个数

25、量级，检测下限可达个数量级，检测下限可达 10-12gg-1。2021-12-5(2) (2) (2) 氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构氢焰检测器的结构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

26、灵敏度达到最佳。2021-12-5(3) (3) (3) 氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 a. 当含有机物当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入的载气由喷嘴喷出进入火焰时，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. 产生的自由基在产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进层火焰中与外面扩散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. 生成的正离子生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子

27、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2021-12-5氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理氢焰检测器的原理 d. d. 化学电离产生的正离子和电子在外加恒化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定直流电场的作用下分别向两极定向定向运动而运动而产生微电流产生微电流（约（约10-610-14A）；）；e. 在一定范围内，微电流的大小与进入离在一定范围内，微电流的大小与

28、进入离子室的被测组分质量成正比，所以子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测氢焰检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2021-12-5（4 4 4 4 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）影响氢焰检测器灵敏度的因素）影响氢焰检测器灵敏

29、度的因素）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。2021-12-54 4 4 4 4 4. . . . . .电子捕获检测器电子捕获检测器电子捕获检测器电子捕获检测器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