分析化學(xué)第十一章

教學(xué)指導(dǎo)概述氣相色譜的固定相及其選擇原則氣相色譜法理論基礎(chǔ)氣相色譜分離條件的選擇氣相色譜檢測(cè)器氣相色譜分析方法高效液相色譜分析法簡介色譜分析法的應(yīng)用示例

教學(xué)目標(biāo)了解氣相色譜的原理及特點(diǎn)掌握氣相色譜的固定相及選擇原掌握氣相色譜法的理論掌握氣相色譜分離條件的選擇掌握氣相色譜分析方法

重點(diǎn)與難點(diǎn)氣相色譜的原理及特點(diǎn)氣相色譜的固定相及選擇原則氣相色譜分離條件的選擇氣相色譜分析方法概述

色譜法是一種用于分離、分析多組分混合物質(zhì)的非常有效的方法。色譜法創(chuàng)立于1906年，當(dāng)時(shí)俄國植物學(xué)家茨維特(Tswett)在研究植物色素成分時(shí)，用石油醚浸取植物色素，然后將浸取液加入到用碳酸鈣填充的玻璃管柱內(nèi)，并不斷地用石油醚淋洗，使各種色素在柱內(nèi)得以分離而形成不同顏色的譜帶，由此而得名為“色譜法”。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，色譜法應(yīng)用領(lǐng)域又進(jìn)一步擴(kuò)展到無色物質(zhì)的分離與分析，但是“色譜”這一名詞卻繼續(xù)沿用至今。

將色譜法與適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段相結(jié)合應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域，稱為色譜分析法，也就是通常所說的色譜法。

一、分類

在色譜法中，能起分離作用的柱子稱為色譜柱。

固定在色譜柱內(nèi)的填充物(如上述茨維特實(shí)驗(yàn)中的CaCO3)稱為固定相。

沿色譜柱流動(dòng)的物質(zhì)(如石油醚)稱為流動(dòng)相。通常依據(jù)色譜過程中固定相和流動(dòng)相的物理狀態(tài)作如下分類：二、氣相色譜的分析流程

常用氣相色譜儀的主要部件及分析流程如圖所示。氣相色譜儀一般可分為氣路系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)等五部分。載氣由高壓鋼瓶1供給，經(jīng)減壓閥2減壓后，通過凈化干燥管3干燥、凈化，用氣流調(diào)節(jié)閥4控制氣流速度,利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)5和壓力表6指示載氣的柱前流量和壓力.試樣用微量注射器從進(jìn)樣口注入,在氣化室7經(jīng)瞬間氣化，被載氣攜帶入色譜柱8中進(jìn)行分離.分離后的組分逐個(gè)進(jìn)入檢測(cè)器9后放空。檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)放大并驅(qū)動(dòng)自動(dòng)記錄儀10，同時(shí)記錄時(shí)間與響應(yīng)信號(hào)的相應(yīng)關(guān)系，從而獲得一組峰形曲線，簡稱色譜圖。

在氣相色譜儀的主要部件中，色譜柱和檢測(cè)器是其關(guān)鍵部件。分離的效果主要取決于色譜柱，而能否靈敏、準(zhǔn)確地測(cè)定各組分則取決于檢測(cè)器。

三、氣相色譜的分離原理

氣相色譜有很強(qiáng)的分離能力，現(xiàn)以氣液色譜為例，說明色譜分離原理。氣液色譜的色譜柱中填充的固定相是惰性擔(dān)體及其上均勻涂布的固定液，當(dāng)氣態(tài)的試樣組分隨載氣進(jìn)入色譜柱時(shí)，試樣組分分子與固定液分子充分接觸，由于二者之間的相互作用，有一部分組分被固定相溶解，另一部分仍留在流動(dòng)相中，隨著載氣的不斷通入色譜柱，流動(dòng)相中的組分又被前方的固定相溶解，而已溶解于固定相中的組分又可揮發(fā)到流動(dòng)相中，組分在固定相和流動(dòng)相兩相間的溶解、揮發(fā)過程是個(gè)分配過程，設(shè)cs為組分在固定相中的濃度，cm為組分在流動(dòng)相中的濃度，則在每次分配過程達(dá)到平衡時(shí)都應(yīng)滿足下列關(guān)系：式中K稱為分配系數(shù)。

在一定溫度下，K值決定于組分、固定相和流動(dòng)相三者的性質(zhì)，因此不同物質(zhì)在兩相間的分配系數(shù)也各不相同。K值大的組分，每次分配在氣相中的濃度較小，前移速度慢，柱內(nèi)停留時(shí)間長；而K值小的組分，每次分配在氣相中的濃度較大，相應(yīng)地，組分前移速度也快，在柱內(nèi)停留時(shí)間就較短，因此各組分流經(jīng)一定的柱長(即經(jīng)一定的時(shí)間間隔)，經(jīng)過足夠多次的反復(fù)分配后，試樣中各組分得以彼此分離。

可見，氣液色譜是利用不同物質(zhì)在固定相和流動(dòng)相間分配系數(shù)的不同，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，試樣中各組分在兩相間經(jīng)過反復(fù)多次的溶解、揮發(fā)、再溶解、再揮發(fā)的分配過程，即使原來兩組分的K值僅有微小差異(反映在沸點(diǎn)、溶解度、分子結(jié)構(gòu)和極性等方面的不同)，也能達(dá)到一定的分離效果。

與氣液色譜的分離原理相似，氣固色譜是利用組分分子在流動(dòng)相與固定相(吸附劑)之間反復(fù)進(jìn)行吸附—脫附—再吸附—再脫附的分配過程，最后達(dá)到組分間的彼此分離。

四、氣相色譜法的特點(diǎn)

由于氣相色譜法的不斷完善和分離、分析技術(shù)的發(fā)展，它已成為石油、化工、醫(yī)藥、食品、生物化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等生產(chǎn)、科研部門不可缺少的分析手段。其特點(diǎn)如下：除上述特點(diǎn)之外，普通的氣相色譜法也存在一些不足之處。其一，對(duì)于沸點(diǎn)高于450℃的難揮發(fā)物質(zhì)或?qū)岵环€(wěn)定的物質(zhì)，不能用氣相色譜法測(cè)定；其二，運(yùn)用氣相色譜法進(jìn)行未知物定性時(shí)，必須有待測(cè)組分的純品或相應(yīng)的色譜定性數(shù)據(jù)，否則難于從色譜峰得出定性結(jié)果。

近年來通過化學(xué)反應(yīng)、熱降解等途徑將一些難揮發(fā)物質(zhì)適當(dāng)轉(zhuǎn)化為能進(jìn)行氣相色譜分析的物質(zhì)；通過運(yùn)用色譜-質(zhì)譜(GC-MS)、色譜-紅外光譜(GC-IR)的聯(lián)用技術(shù)，增強(qiáng)了氣相色譜的定性能力，因此氣相色譜的應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大。氣相色譜的固定相及其選擇原則

氣相色譜的固定相對(duì)于分離效果的影響很大，固定相選擇的適當(dāng)與否是獲得滿意分離的關(guān)鍵所在。

一、氣固色譜的固定相(吸附劑)

這一類型的氣相色譜多采用吸附劑作固定相，吸附劑表面多孔，而且具有一定的吸附活性。常用的吸附劑有非極性的活性炭、弱極性的氧化鋁、強(qiáng)極性的硅膠和有特殊吸附作用的分子篩等。此類固定相主要用于分離常溫下的氣體或氣態(tài)烴，以及低沸點(diǎn)物質(zhì)，如CO、CO2、N2O、NOxCH4、He、Ar等氣體，低分子碳?xì)浠衔?。近年來，通過對(duì)吸附劑表面進(jìn)行物理化學(xué)改性，研制出表面結(jié)構(gòu)均勻的吸附劑(如石墨化黑)，可使極性化合物的色譜峰不致拖尾，成功地分離一些順、反式立體異構(gòu)體。下將幾種常用固定相吸附劑主要性質(zhì)列于表中。幾種常用的吸附劑

二、氣液色譜的固定相這一類色譜柱的固定相是以擔(dān)體為支撐骨架，在其表面上均勻涂布一層固定液的薄膜，固定液是一類高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物，被分離組分在固定相上進(jìn)行分離。這類柱子因柱效高，可靈活選用固定液，應(yīng)用廣泛。

1.擔(dān)體(亦稱載體)

擔(dān)體是一種多孔的惰性固體。對(duì)擔(dān)體的要求是比表面積大，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性，機(jī)械強(qiáng)度好。它分為硅藻土型和非硅藻土型兩類。硅藻土型由于加工處理方法不同，又分為白色擔(dān)體和紅色擔(dān)體兩種。這兩種擔(dān)體在機(jī)械強(qiáng)度、表面惰性、表面孔徑和比表面積等方面有所不同，白色擔(dān)體適于分離極性物質(zhì)，而紅色擔(dān)體適于分離非極性或弱極性物質(zhì)。

2.固定液

在氣液色譜中，固定液的選擇具有非常重要的意義。

(1)固定液應(yīng)具有下列性質(zhì)：

(i)選擇性好，對(duì)被分離組分的分配系數(shù)要有適當(dāng)?shù)牟钪担?/p>

(ii)熱穩(wěn)定性好，即沸點(diǎn)高，揮發(fā)性小；

(iii)對(duì)被測(cè)組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰Γ?/p>

(iv)化學(xué)穩(wěn)定性好，不與被測(cè)組分發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。

(2)固定液的分類幾種常用的固定液

(3)選擇固定液的原則一般按“相似相溶”原則選擇。

(i)分離非極性組分選用非極性固定液。試液中各組分按沸點(diǎn)次序由低到高先后流出色譜柱。如分離含有甲烷(沸點(diǎn)-161.5℃)、

乙烷(沸點(diǎn)-88.6℃)、丙烷(沸點(diǎn)-47℃)混合物時(shí)，采用非極性固定液角鯊?fù)榉蛛x，出峰次序依次為甲烷、乙烷、丙烷。

(ii)分離極性組分宜選用極性固定液。各組分按照極性由弱到強(qiáng)順序流出色譜柱。如分離丙酮、甲醇、乙醇、正丁醇時(shí)，宜選用聚乙二醇-20M為固定液，丙酮先出峰，正丁醇最后出峰。

(iii)分離非極性和極性(或易被極化的)混合物，一般選用極性固定液。此時(shí)非極性組分先出峰，極性(或易被極化的)組分后出峰。

(iv)凡能形成氫鍵的組分，如醇、胺和水的分離，宜選擇極性或氫鍵型的固定液。不易形成氫鍵的組分先流出色譜柱，最易形成氫鍵的組分則最后出峰。

(v)對(duì)于復(fù)雜組分的分離，常采用特殊的固定液或兩種甚至兩種以上混合的固定液，根據(jù)具體情況合理選擇。三、新型合成固定相

高分子微球(如GDX系列)固定相分為極性和非極性兩種。這類新型高分子微球合成固定相既是擔(dān)體又起固定液作用，可以在活化后直接用于分離，也可以作為擔(dān)體在其表面上涂漬固定液后再用于分離。由于這類高分子微球是人工合成的，所以能控制其孔徑大小及表面性質(zhì)，顆粒均勻。廣泛用于有機(jī)物中痕量水的分析，也適于多元醇、脂肪酸、腈類、胺類的分析。曲線中有關(guān)術(shù)語介紹如下。

1.基線

當(dāng)單純載氣通過檢測(cè)器時(shí)，響應(yīng)信號(hào)的記錄值OC稱為基線，穩(wěn)定的基線應(yīng)該是一條水平直線。氣相色譜法理論基礎(chǔ)

一、色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語

試樣中經(jīng)分離后的各組分依次進(jìn)入檢測(cè)器，后者將組分的濃度(或質(zhì)量)的變化轉(zhuǎn)化為電壓(或電流)信號(hào)，記錄儀描繪出所得信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線，稱為色譜流出曲線，即色譜圖。色譜流出曲線趨近于正態(tài)分布曲線，它是氣相色譜中定性、定量分析的主要依據(jù)。

2.保留值

表示試樣組分在色譜柱內(nèi)停留的情況，通常保留值用時(shí)間或相應(yīng)的載氣體積表示。

死時(shí)間tM不被固定相吸附或溶解的氣體物質(zhì)(如空氣、甲烷)，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值所需的時(shí)間稱為死時(shí)間，如圖中O′A′。

保留時(shí)間tR指待測(cè)組分從進(jìn)樣到柱后出現(xiàn)色譜峰最大值時(shí)所需的時(shí)間，如圖中O′B。

調(diào)整保留時(shí)間t′R

表示扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間，如圖中A′B，即t′R＝tR-tM。保留時(shí)間可用時(shí)間單位(如min或s)或長度單位(如cm)表示。

死體積VM

柱內(nèi)固定相顆粒間所剩余的空間、色譜儀中管路和連接頭間的空間以及進(jìn)樣系統(tǒng)、檢測(cè)器的空間的總和。它和死時(shí)間的關(guān)系為：VM＝tMF0，式中F0為色譜柱出口的載氣體積流速(mL·min-1)。

保留體積VR指從進(jìn)樣到色譜峰出現(xiàn)最大值時(shí)所通過的載氣體積，即VR＝tRF0。

調(diào)整保留體積V′R表示扣除死體積后的保留體積，即V′R＝VR-VM。

相對(duì)保留值r21指組分2與組分1的調(diào)整保留值之比。相對(duì)保留值只與組分性質(zhì)、柱溫、固定相性質(zhì)有關(guān)，與其它色譜操作條件無關(guān)，它表示色譜柱對(duì)兩種組分的選擇性，是氣相色譜定性的重要依據(jù)。

3.區(qū)域?qū)挾?/p>

區(qū)域?qū)挾燃瓷V峰寬度，色譜峰越窄越尖，峰形越好。通常用下列三種方法之一表示。標(biāo)準(zhǔn)偏差σ即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半(圖中EF的一半)。(2)半峰寬Y1/2峰高h(yuǎn)一半處的寬度(圖中的GH)它與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的關(guān)系是：(3)峰底寬度Wb由色譜峰兩邊的拐點(diǎn)作切線，與基線交點(diǎn)間的距離(圖中的IJ)。它與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的關(guān)系是：

二、氣相色譜法的基本理論

多組分的試樣通過色譜柱而能逐一被分離，描述這一過程的基本理論有塔板理論和速率理論?，F(xiàn)分述如下。1941年馬丁(Martin)、辛格(Synge)在研究色譜分離過程時(shí)，提出了塔板理論。該理論是將色譜柱比擬為一個(gè)分餾塔，將連續(xù)的色譜過程看作許多小段平衡過程的重復(fù)，每一小段想象為一塊塔板，在塔板的間隔高度內(nèi)被分離組分在氣液兩相間達(dá)到分配平衡，經(jīng)過多次分配平衡后，各組分達(dá)到分離。假設(shè)在柱內(nèi)塔板高度(即兩塊塔板間的距離)為H，色譜柱長為L，柱內(nèi)的理論塔板數(shù)為N理，則

1.塔板理論

根據(jù)塔板理論，可利用下式求得理論塔板數(shù)：計(jì)算所需的tR、Y1/2或Wb都可從色譜圖中測(cè)得，計(jì)算中需注意取相同的單位(s或cm)。

由式可知，當(dāng)色譜柱長L一定時(shí)，H越小，N理越多，說明組分流經(jīng)的塔板數(shù)目越多，柱效能也就越高。但是，由于柱內(nèi)的死體積VM(或相應(yīng)的死時(shí)間tM)并不參與分配過程，所以按上式計(jì)算出的N理不能反映柱內(nèi)組分分配的真實(shí)情況，為此應(yīng)扣除VM或tM，即以調(diào)整保留值計(jì)算出的有效塔板數(shù)N有和有效塔板高度H有，更接近色譜柱的實(shí)際情況，計(jì)算公式為：有效塔板高度的計(jì)算為：在用塔板數(shù)說明柱效能時(shí)，還應(yīng)注意下列兩點(diǎn)：

(i)不同物質(zhì)在同一色譜柱上的分配系數(shù)不同，所以同一色譜柱對(duì)不同物質(zhì)的柱效能也不相同，在使用N有或H有表示柱效能時(shí)，除說明色譜操作條件之外，還應(yīng)指出是對(duì)何種物質(zhì)而言；

(ii)N有越多，表示組分在色譜柱內(nèi)達(dá)到分配平衡的次數(shù)越多，柱效能越高，有利于分離，但是當(dāng)兩個(gè)組分在柱上具有相同的分配系數(shù)時(shí)，兩組分在柱上將同步移動(dòng)，即使有很多的有效塔板，也不能分離。例1.已知某組分的色譜峰底寬度為40s，死時(shí)間為14s,保留時(shí)間6.67min，求N理、N有各為多少?解：塔板理論引用處理分餾過程的概念、理論和方法處理色譜分離過程，提出評(píng)價(jià)柱效能的塔板數(shù)、塔板高度的計(jì)算公式，但未能說明影響塔板高度的因素，因此也無法指出減少塔板高度，增加柱效能的途徑。

2.速率理論——范·第姆特方程

1956年荷蘭學(xué)者范·第姆特(VanDeemter)等吸收了塔板理論的精華，并考慮到在色譜分離過程中實(shí)際存在的組分分子擴(kuò)散、傳質(zhì)阻力等動(dòng)力學(xué)因素，提出速率理論方程式(亦稱范·第姆特方程)：

式中：H為塔板高度；u為載氣的線速度，單位為cm·s-1；A、B、C均為常數(shù)。各項(xiàng)的物理意義分述如下。

(2)分子擴(kuò)散項(xiàng)B／u亦稱縱向擴(kuò)散項(xiàng)。當(dāng)色譜進(jìn)樣后，試樣在色譜柱的一小段空間作短暫停滯，在這一瞬間可以將組分比擬“塞子”形式進(jìn)入色譜柱，因而在“塞子”的前后存在濃度梯度，組分分子在隨載氣前進(jìn)的同時(shí)，還將沿著色譜柱的方向(縱向)進(jìn)行擴(kuò)散，使色譜峰擴(kuò)張，分離效果變差，塔板高度H增大。已知B∝Dg，Dg為組分在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)，單位為cm2·s-1，而Dg與載氣的摩爾質(zhì)量M的平方根成反比，因而為使B項(xiàng)降低，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)妮d氣。(3)傳質(zhì)阻力項(xiàng)Cu系數(shù)C包括氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cg和液相傳質(zhì)阻力系數(shù)Cl兩項(xiàng)。即氣相傳質(zhì)阻力Cgu是指組分從氣相移動(dòng)到固定相表面進(jìn)行濃度分配時(shí)，所受到的阻力，已知液相傳質(zhì)阻力Clu是指組分從固定相的氣液表面移動(dòng)到液相內(nèi)部，進(jìn)行擴(kuò)散，達(dá)到平衡后，又返回到氣液表面的傳質(zhì)過程中所受到的阻力，已知式中：df為固定液的液膜厚度，Dl為組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。

從上述討論可知，組分在色譜柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程中，由于運(yùn)行的多途徑，濃度梯度造成的分子縱向擴(kuò)散和在氣液兩相中傳質(zhì)時(shí)受到的阻力，最終導(dǎo)致峰形變寬，速率理論把塔板高度作為峰展寬的量度，進(jìn)而說明影響柱效能的幾個(gè)因素。關(guān)于速率理論的應(yīng)用，將結(jié)合下節(jié)的“氣相色譜分離條件的選擇”進(jìn)行討論。三、分離度

在色譜分析中，通常用一對(duì)難分離的物質(zhì)對(duì)的分離情況表示色譜柱的分離效能。相鄰組分的分離可能有三種情況，如圖所示。色譜分離的三種情況圖中(a)表明二組分未能分離開，色譜峰完全重疊；

(b)表明二組分色譜峰的峰頂拉開一些距離，但峰底嚴(yán)重重疊，未完全分離；

(c)二組分分離情況良好。

從三個(gè)圖形的比較可知，若使二組分達(dá)到滿意的分離效果，要求兩峰的峰頂拉開足夠的距離，而且峰形較窄，即二組分的保留時(shí)間差值要大，而峰底寬要小。綜合這兩項(xiàng)要求，提出用分離度R(亦稱分辨率)來評(píng)價(jià)色譜柱的總的分離效能：式中：tR1、tR2分別為二組分的保留時(shí)間；Wb1、Wb2分別為二組分的峰底寬。

有時(shí)峰底寬不易測(cè)量，也可用半峰寬Y1/2來計(jì)算，即R′與R意義相同，但數(shù)值不同，應(yīng)用時(shí)要注意所用的計(jì)算方法。

計(jì)算表明，當(dāng)R＝1時(shí)，兩峰分離的程度為98%；當(dāng)R＝1.5時(shí)，分離效果更好，達(dá)到99.7%，一般認(rèn)為兩峰已屬完全分離。

實(shí)際應(yīng)用中，首先提出相鄰二組分需有一定的分離度，計(jì)算滿足該分離度要求時(shí)，需多少有效塔板數(shù)N有，或需多長的色譜柱L，在假定Wb2＝Wb1時(shí)，可推導(dǎo)出下列公式：式中：r21為相對(duì)保留值；H有為有效塔板高度。例:欲分析A、B二組分，已知r21＝1.16，如有效塔板高度H有＝0.1cm，應(yīng)選擇多長的色譜柱才能使之完全分開?解：欲使二組分完全分離，需R＝1.5，則氣相色譜分離條件的選擇

在氣相色譜分析中，除了要選擇好固定相之外，還要選擇分離操作的最佳條件，在處理這一問題時(shí)，既應(yīng)考慮使難分離的物質(zhì)對(duì)達(dá)到定量分離的要求，還應(yīng)盡量縮短分析所需的時(shí)間。

一、載氣及其線速度u的選擇

根據(jù)式H＝A+B/u+Cu,可以繪制塔板高度與載氣線速度的H-u關(guān)系曲線，如動(dòng)畫所示根據(jù)速率理論和前述的影響速率理論方程中常數(shù)A、B、C的各種因素，當(dāng)流速較小時(shí)，分子擴(kuò)散項(xiàng)成為色譜峰擴(kuò)張的主要因素，為使組分在載氣中有較小的擴(kuò)散系數(shù)Dg，應(yīng)采用摩爾質(zhì)量較大的載氣N2、Ar；而當(dāng)流速較大時(shí)，傳質(zhì)阻力項(xiàng)成為色譜峰擴(kuò)張的主要因素，宜采用摩爾質(zhì)量較小。的載氣H2、He,此時(shí)組分在載氣中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，可減少氣相傳質(zhì)阻力，提高柱效能。對(duì)于內(nèi)徑為3～4mm的色譜柱，N2的流量常選擇20～30mL·min-1范圍，H2的流量一般為40～90mL·min-1，具體選擇應(yīng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。

在選擇載氣種類時(shí)，還要注意與所用的檢測(cè)器相配合。二、柱溫的選擇

影響色譜分離的分配系數(shù)、傳質(zhì)速率等都與溫度密切相關(guān)，因此柱溫是色譜分離中的重要操作參數(shù)。如柱溫過高，組分的分配系數(shù)K值變小，且各組分之間的K差值也變小，將使分離度下降，所以宜選擇較低的柱溫。但柱溫又不能太低，否則將降低傳質(zhì)速率，柱效能下降，而且延長分析時(shí)間。通常是選擇比各組分平均沸點(diǎn)低20～30℃，作為柱溫。還應(yīng)注意，柱溫不可超過固定液的最高使用溫度，否則固定液將流失，縮短色譜柱的使用壽命，而且如固定液隨載氣進(jìn)入檢測(cè)器，還將污染檢測(cè)系統(tǒng)。

對(duì)于沸點(diǎn)范圍較寬的試樣，宜采用程序升溫的方法。程序升溫是使柱溫按預(yù)定的加熱速度，隨時(shí)間呈線性或非線性地增加，使不同沸點(diǎn)的組分都能在最佳柱溫下進(jìn)行分離。一般升溫速度是呈線性的，即單位時(shí)間內(nèi)溫度上升的速度恒定，如每分鐘上升4℃、6℃、8℃等。

三、柱長和柱內(nèi)徑的選擇

增加柱長可以增加塔板數(shù)，增大色譜柱的總效能，對(duì)分離有利。但增加柱長使組分的保留時(shí)間增加，加長了分析時(shí)間，而且柱的阻力也增加，操作不方便。因而只要分離度達(dá)到要求，應(yīng)盡可能采用較短的柱。一般常用的柱長為1～3m，填充柱的內(nèi)徑為3～4mm。

四、進(jìn)樣量和進(jìn)樣時(shí)間的選擇

進(jìn)樣量的多少應(yīng)根據(jù)試樣性質(zhì)、種類、含量和檢測(cè)器的靈敏度等因素，通過實(shí)驗(yàn)確定。進(jìn)樣量應(yīng)嚴(yán)格控制在峰面積或峰高與進(jìn)樣量呈線性關(guān)系范圍內(nèi)。液體試樣約在0.1～5μL，氣體試樣約在0.1～10mL。進(jìn)樣速度必須迅速，進(jìn)樣操作應(yīng)在1s內(nèi)完成，否則試樣起始寬度增大，使色譜峰嚴(yán)重

五、氣化溫度的選擇

液體試樣進(jìn)樣后要求能迅速氣化。氣化室溫度一般較柱溫高30～70℃，而與試樣的平均沸點(diǎn)相近，選擇的原則是既要使試樣能在瞬間氣化，又不使試樣分解。

上面討論的填充柱氣相色譜分離操作條件的選擇，只是一般的原則，具體操作時(shí)還要作具體分析。擴(kuò)張，甚至改變峰形，影響分離。常用注射器或氣體減壓閥進(jìn)樣。質(zhì)量型檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)正比于單位時(shí)間內(nèi)通過檢測(cè)器物質(zhì)的質(zhì)量，氫火焰離子化檢測(cè)器和火焰光度檢測(cè)器屬于質(zhì)量型。

對(duì)檢測(cè)器的要求是靈敏度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，檢測(cè)限低，線性范圍寬。其中的主要指標(biāo)是靈敏度。氣相色譜檢測(cè)器

檢測(cè)器是色譜儀的重要組成部分。它的作用是將經(jīng)色譜柱分離后的各組分轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的電信號(hào)，用以檢測(cè)其含量(或濃度)。

根據(jù)檢測(cè)器原理的不同，可將檢測(cè)器分為濃度型和質(zhì)量型兩類。濃度型檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)正比于檢測(cè)器和電子捕獲檢測(cè)器屬于濃度型；

一、熱導(dǎo)池檢測(cè)器

熱導(dǎo)池檢測(cè)器(ThermalConductivityDetector,簡稱TCD)是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、線性范圍寬、對(duì)無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)均有響應(yīng)、靈敏度適中、應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)器。靈敏度亦稱響應(yīng)值或應(yīng)答值，組分進(jìn)入檢測(cè)后，經(jīng)檢測(cè)器轉(zhuǎn)換，輸出的信號(hào)可以是電流或電壓，也可以用色譜峰的面積或峰高表示。例如組分i的進(jìn)樣量為mi，輸出信號(hào)用峰面積Ai表示，則Ai＝Simi，Si即為檢測(cè)器對(duì)組分i的靈敏度。

檢測(cè)器種類很多，但常用的只有四五種，其中以熱導(dǎo)池檢測(cè)器和氫火焰離子化檢測(cè)器應(yīng)用最多。

1.熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)

熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)如動(dòng)畫所示，它由池體與熱敏元件組成。在不銹鋼制作的池體上鉆有兩個(gè)或四個(gè)大小相同、形狀對(duì)稱的孔道，每個(gè)孔道內(nèi)各固定一根長短、電阻完全相同的金屬絲作熱敏元件。一般選用電阻率高、電阻溫度系數(shù)(溫度改變1℃時(shí)電阻的變化值)大的鎢絲、鉑絲或錸鎢絲作為熱敏元件，可使檢測(cè)器獲得較高的靈敏度。用兩根鎢絲作熱敏元件的稱為雙臂熱導(dǎo)池,一臂為參比池，供載氣在進(jìn)入色譜柱前通過，另一臂為測(cè)量池，供由色譜柱流出的純載氣或載氣與試樣組分的混合氣體通過。裝有四根鎢絲作熱敏元件的稱為四臂熱導(dǎo)池，其中兩臂為參比池，兩臂為測(cè)量池。某些氣體和蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)λ(單位：J／cm·℃·s)2.熱導(dǎo)池檢測(cè)器的檢測(cè)原理

熱導(dǎo)池作為檢測(cè)器是基于各種氣體或蒸氣具有各不相同的導(dǎo)熱系數(shù)。下表列出一些氣體和蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)。雙臂熱導(dǎo)池的兩臂同兩個(gè)等值的固定電阻組成惠斯登電橋，如圖所示。四臂熱導(dǎo)池則以自身的四臂組成電橋。當(dāng)以恒定的直流電通過熱導(dǎo)池鎢絲時(shí)，鎢絲被加熱而升溫至一定溫度，其電阻亦達(dá)到一定值。在只有載氣通過參比池和測(cè)量池時(shí)，由于載氣的熱傳導(dǎo)作用，鎢絲的溫度下降，電阻隨之減小，但由于參比池和測(cè)量池中的鎢絲被導(dǎo)出的熱量相同，鎢絲的降溫、電阻減少的數(shù)值都相同，R參與R測(cè)依然相等，而且在裝配熱導(dǎo)池時(shí)，取R1＝R2，所以此時(shí)下式成立。電橋處于平衡狀態(tài)，M、N兩端電位相等，無信號(hào)輸出，記錄儀描出一條平直的基線。

當(dāng)載氣攜帶組分蒸氣進(jìn)入測(cè)量池時(shí)，由于混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與純載氣不同，致使帶走的熱量、鎢絲降溫和電阻值的改變都與純載氣通過的參比池不同，于是電橋失去平衡，M、N兩端點(diǎn)出現(xiàn)電位差ΔE，有電信號(hào)輸出，記錄儀上出現(xiàn)色譜峰。載氣中被測(cè)組分濃度c越大，通過測(cè)量池與參比池的氣體導(dǎo)熱系數(shù)之差Δλ越大，兩臂兩臂中的鎢絲溫度改變?chǔ)和電阻的改變?chǔ)ぃ乙苍酱?，即ΔE∝ΔR∝Δt∝Δλ∝c

所以

ΔE∝c即熱導(dǎo)池檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)與載氣中的組分濃度成正比，因此熱導(dǎo)池檢測(cè)器是濃度型的檢測(cè)器。

3.影響熱導(dǎo)池靈敏度的因素

二、氫火焰離子化檢測(cè)器

氫火焰離子化檢測(cè)器(FlameIonizationDetector,簡稱FID)又稱氫焰檢測(cè)器，它的靈敏度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。它對(duì)大多數(shù)有機(jī)化合物有很高的靈敏度，較熱導(dǎo)池檢測(cè)器的靈敏度高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.氫焰檢測(cè)器結(jié)構(gòu)

氫焰檢測(cè)器的主要部分是離子室，大都用不銹鋼制成，包括氣體入口、火焰噴嘴、收集極(陽極)、發(fā)射極(陰極，亦稱極化極)和金屬套筒做的外罩，如動(dòng)畫所示。

2.氫焰檢測(cè)器的檢測(cè)原理

關(guān)于有機(jī)物在氫火焰中離子化的機(jī)理，目前還不十分清楚，一般認(rèn)為是化學(xué)電離的過程。微量有機(jī)組分被載氣N2帶入離子室，在氫火焰(2100℃)作用下離子化，于火焰的熱裂解區(qū)(圖中C區(qū))進(jìn)行熱裂解，生成自由基：生成的自由基進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)區(qū)，與擴(kuò)散入內(nèi)的O2發(fā)生氧化反應(yīng)：CHO+又與火焰中大量水蒸氣生成H3O+：化學(xué)電離產(chǎn)生的正離子CHO+、H3O+和電子e-，在外加電場(chǎng)的作用下分別向兩極作定向運(yùn)動(dòng)，形成微弱的電流(10-6～10-14A)，有機(jī)物在氫火焰中的離子化率極低，估計(jì)約每50萬個(gè)C原子僅產(chǎn)生一對(duì)離子，所產(chǎn)生的離子數(shù)目，即微電流的大小，在一定范圍內(nèi)與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入火焰的組分質(zhì)量成正比，故氫焰檢測(cè)器是質(zhì)量型檢測(cè)器。

微電流經(jīng)高電阻(108～1011Ω)產(chǎn)生電壓信號(hào)，再經(jīng)放大器放大后，記錄儀即可記錄下色譜流出曲線。

由上述反應(yīng)機(jī)理可知，氫焰檢測(cè)器只對(duì)電離勢(shì)低于H2的有機(jī)物(占有機(jī)物的絕大多數(shù))產(chǎn)生響應(yīng)，而對(duì)無機(jī)化合物、永久性氣體和水基本上都無響應(yīng)，所以氫焰檢測(cè)器很適合于水中和大氣中痕量有機(jī)物的分析。3.影響氫焰檢測(cè)器靈敏度的因素氣相色譜分析方法

氣相色譜分析包括定性鑒定和定量測(cè)定兩部分。一、定性分析

二、定量分析

在一定的分離-分析條件下，檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)(峰面積A或峰高h(yuǎn))與進(jìn)入檢測(cè)器的被測(cè)組分的質(zhì)量(或濃度)成正比，這是色譜定量測(cè)定的依據(jù)。

1.峰面積的測(cè)量

(1)峰高乘半峰寬法當(dāng)峰形對(duì)稱且不太窄時(shí)，可用此近似方法。實(shí)際峰面積應(yīng)為1.065hY1/2，如要求比較嚴(yán)格，允許誤差小時(shí)，應(yīng)對(duì)峰面積進(jìn)行校正。但在作相對(duì)計(jì)算時(shí)，可略去1.065。

(2)峰高乘平均峰寬法如色譜峰為不對(duì)稱圖形時(shí)，可采用峰高0.15和0.85倍處的峰寬之和的一半作為平均峰寬，則峰面積。(3)峰高乘保留時(shí)間法在一定操作條件下，同系物的半峰寬與保留時(shí)間成正比，即作相對(duì)計(jì)算時(shí)，b可略去。此法適用于較窄的峰。2.定量校正因子

由于同一檢測(cè)器對(duì)不同物質(zhì)具有不同的響應(yīng)值，相同質(zhì)量的不同物質(zhì)得出的峰面積往往不相等，因此不能用峰面積直接計(jì)算物質(zhì)的含量。為了使檢測(cè)器產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)能真實(shí)反映出物質(zhì)的含量，就要對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行校正，所以引入“定量校正因子”。定量校正因子有絕對(duì)校正因子和相對(duì)校正因子兩種。

(1)絕對(duì)校正因子在一定的色譜條件下，組分i的質(zhì)量mi或在流動(dòng)相中的濃度，與檢測(cè)器響應(yīng)信號(hào)(峰高h(yuǎn)i或峰面積Ai)成正比：式中fAi、fhi分別為峰面積、峰高的定量校正因子。絕對(duì)校正因子是組分i通過檢測(cè)器的量與檢測(cè)器對(duì)該組分的響應(yīng)信號(hào)之