气相色谱讲义-1

目前已有几十种检测器，其中最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。
　　一．检测器的性能指标--灵敏度（高）、稳定性（好）、响应（快）、线性范围（宽）
　　（一）灵敏度--应答值
　　单位物质量通过检测器时产生的信号大小称为检测器对该物质的灵敏度。
　　响应信号(R)-进样量(Q)作图，可得到通过原点的直线，该直线的斜率就是检测器的灵敏度，以S表示：
　　(3)
　　由此可知：灵敏度是响应信号对进入检测器的被测物质质量的变化率。
　　气相色谱检测器的灵敏度的单位，随检测器的类型和试样的状态不同而异：
　　对于浓度型检测器：
　　当试样为液体时，S的单位为mVoml/mg，即1mL载气中携带1mg的某组分通过检测器时产生的mV数；
　　当试样为气体时，S的单位为mVoml／ml，即1ml载气中携带1ml的某组分通过检测器时产生的mV数；
　　对于质量型检测器：当试样为液体和气体时，S的单位均为：mVos／g，即每
　　秒钟有1g的组分被载气携带通过检测器所产生的mV数。
　　灵敏度不能全面地表明一个检测器的优劣，因为它没有反映检测器的噪音水平。由于信号可以被放大器任意放大，S增大的同时噪声也相应增大，因此，仅用S不能正确评价检测器的性能。
　　（二）检测限（敏感度）
　　噪声--当只有载气通过检测器时，记录仪上的基线波动称为噪声，以RN表示。
　　噪声大，表明检测器的稳定性差。
　　检测限--是指检测器产生的信号恰是噪声的二倍（2RN）时，单位体积或单位时间内进入检测器的组分质量，以D表示。灵敏度、噪声、检测限三者之间的关系为：
　　(4)
　　检测限的单位：对于浓度型检测器为mg／ml或ml／ml；对质量型检测器为：g/s。
　　检测限是检测器的重要性能指标，它表示检测器所能检出的最小组分量，主要受灵敏度和噪声影响。D越小，表明检测器越敏感，用于痕量分析的性能越好。
　　在实际分析中，由于进入检测器的组分量很难确定（检测器总是处在与气化室、色谱柱、记录系统等构成的一个完整的色谱体系中）。
　　所以常用最低检出量表示：
　　（三）最低检出量--恰能产生2倍噪声信号时的色谱进样量，以Q0表示。
　　（三）线性范围
　　检测器的线性范围是指其响应信号与被测组分进样质量或浓度呈线性关系的范围。通常用最大允许进样量QM与最小检出量Q0的比值来表示。比值越大，检测器的线性范围越宽，表明试样中的大量组分或微量组分，检测器都能准确测定。
　　二.（氢）火焰离子化检测器
　　火焰离子化检测器是根据气体的导电率是与该气体中所含带电离子的浓度呈正比这一事实而设计的。一般情况下，组分蒸汽不导电，但在能源作用下，组分蒸汽可被电离生成带电离子而导电。
　　1.火焰离子化检测器的结构：该检测器主要是由离子室、离子头和气体供应三部分组成。
　　离子室是一金属圆筒，气体入口在离子室的底部，氢气和载气按一定的比例混合后，由喷嘴喷出，再与助燃气空气混合，点燃形成氢火焰。靠近火焰喷嘴处有一圆环状的发射极（通常是由铂丝作成），喷嘴的上方为一加有恒定电压（+300V）的
　　圆筒形收集极（不锈钢制成），形成静电场，从而使火焰中生成的带电离子能被对应的电极所吸引而产生电流。
　　2.火焰离子化检测器的工作原理
　　由色谱柱流出的载气（样品）流经温度高达2100℃的氢火焰时，待测有机物组分在火焰中发生离子化作用，使两个电极之间出现一定量的正、负离子，在电场的作用下，正、负离子各被相应电极所收集。当载气中不含待测物时，火焰中离子很少，即基流很小，约10-14A。当待测有机物通过检测器时，火焰中电离的离子增多，电流增大（但很微弱10-8～10-12A）。需经高电阻（108～l011）后得到较大的电压信号，再由放大器放大，才能在记录仪上显示出足够大的色谱峰。该电流的大小，在一定范围内与单位时间内进入检测器的待测组分的质量成正比，所以火焰离子化检测器是质量型检测器。
　　火焰离子化检测器对电离势低于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。
　　三.电子捕获检测器
　　1.电子捕获检测器的结构：早期电子捕获检测器由两个平行电极制成。现多用放射性同轴电极。在检测器池体内，装有一个不锈钢棒作为正极，一个圆筒状-放射源（3H、63Ni）作负极，两极间施加流电或脉冲电压。
　　2.电子捕获检测器的工作原理
　　当纯载气（通常用高纯N2）进入检测室时，受射线照射，电离产生正离子（N2+）和电子e-，生成的正离子和电子在电场作用下分别向两极运动，形成约10-8A的电流--基流。加入样品后，若样品中含有某中电负性强的元素即易于电子结合的分子时，就会捕获这些低能电子，产生带负电荷阴离子（电子捕获）这些阴离子和载气电离生成的正离子结合生成中性化合物，被载气带出检测室外，从而使基流降低，产生负信号，形成倒峰。倒峰大小（高低）与组分浓度呈正比，因此，电子捕获检测器是浓度型的检测器。其最小检测浓度可达10-14g/ml，线性范围为103左右。
　　电子捕获检测器是一种高选择性检测器。高选择性是指只对含有电负性强的元素的物质，如含有卤素、S、P、N等的化合物等有响应.物质电负性越强，检测灵敏度越高。
　　四.火焰光度检测器
　　火焰光度检测器是利用在一定外界条件下（即在富氢条件下燃烧）促使一些物质产生化学发光，通过波长选择、光信号接收，经放大把物质及其含量和特征的信号联系起来的一个装置。
　　1．火焰光度检测器的结构
　　燃烧室、单色器、光电倍增管、石英片（保护滤光片）及电源和放大器等。
　　2.工作原理
　　当含S、P化合物进入氢焰离子室时，在富氢焰中燃烧，有机含硫化合物首先氧化成SO2，被氢还原成S原子后生成激发态的S2*分子，当其回到基态时，发射出350～430nm的特征分子光谱，最大吸收波长为394nm。通过相应的滤光片，由光电倍增管接收，经放大后由记录仪记录其色谱峰。此检测器对含S化合物不成线性关系而呈对数关系（与含S化合物浓度的平方根成正比）。
　　当含磷化合物氧化成磷的氧化物，被富氢焰中的H还原成HPO裂片，此裂片被激发后发射出480～600nm的特征分子光谱，最大吸收波长为526nm。因发射光的强度（响应信号）正比于HPO浓度。
　　主要特点：
　　1.五种检测器任选
　　-热导检测器(TCD)：用于气体、液体的常量分析
　　-氢火焰离子化检测器(FID)：用于烃类工业及其他领域有机物分析
　　-火焰光度检测器(FPD)：用于痕量硫、磷化合物检测
　　-氮磷检测器(NPD)：用于痕量硫、磷化合物检测
　　-电子捕获检测器(ECD)：检测能俘获电子的化合物
　　2.单元式整体结构设计，安装、维修方便
　　3.大体积柱箱，可同时安装三根色谱柱
　　4.仪器设计合理、灵活，可以同时安装任意三种检测器，并且有三个独立电路系统、三个信号输出端
　　5.灵活的填充柱和毛细管柱系统
　　6.稳定的温度控制系统，8阶程序升温，进样器、各检测器均可独立控温，并具有超温保护功能
　　7.全新稳压、多气路系统：单、双、三气路（可任选）
　　-注射器、阀进样系统（全配置或任选）
　　-反吹、预切割装置（可任选）
　　-甲烷转化炉、裂解炉装置（可任选）
　　技术参数：
　　1、检测器
　　热导检测器(TCD)：
　　灵敏度S≥5000mv.ml/mg(苯)；噪声≤0.1mv
　　氢火焰离子化检测器(FID)：
　　灵敏度M≤1×10-11g/sec；噪声≤5×10-14A
　　电子捕获检测器(ECD)：
　　灵敏度M≤1×10-13g/ml(r-666)
　　火焰光度检测器(FPD)：
　　灵敏度MS≤5×10-11g/sec(噻吩)、MP≤2×10-12g/s(1605)；噪声≤2×10-12A
　　氮磷检测器(NPD)：
　　灵敏度MN：5×10-13g/s、MP：1×10-12g/s
　　1、热导检测器热导检测器(Thermalcoductivitydetector，简称TCD)：是应用比较多的检测器，不论对有机物还是无机气体都有响应。热导检测器由热导池池体和热敏元件组成。热敏元件是两根电阻值完全相同的金属丝(钨丝或白金丝)，作为两个臂接入惠斯顿电桥中，由恒定的电流加热。如果热导池只有载气通过，载气从两个热敏元件带走的热量相同，两个热敏元件的温度变化是相同的，其电阻值变化也相同，电桥处于平衡状态。如果样品混在载气中通过测量池，由于样号气和载气协热导系数不同，两边带走的热量不相等，热敏元件的温度和阻值也就不同，从而使得电桥失去平衡，记录器上就有信号产生。这种检测器是一种通用型检测器。被测物质与载气的热导系数相差愈大，灵敏度也就愈高。此外，载气流量和热丝温度对灵敏度也有较大的影响。热丝工作电流增加-倍可使灵敏度提高3-7倍，但是热丝电流过高会造成基线不稳和缩短热丝的寿命。热导检测器结构简单、稳定性好，对有机物和无机气体都能进行分析，其缺点是灵敏度低。
　　2、氢火焰离子化检测器：氢火焰离子化检测器(FlameIonizationDetector，FID)简称氢焰检测器。它的主要部件是一个用不锈钢制成的离子室。离子室由收集极、极化极(发射极)、气体入口及火焰喷嘴组成。在离子室下部，氢气与载气混合后通过喷嘴，再与空气混合点火燃烧，形成氢火焰。无样品时两极间离子很少，当有机物进入火焰时，发生离子化反应，生成许多离子。在火焰上方收集极和极化极所形成的静电场作用下，离子流向收集极形成离子流。离子流经放大、记录即得色谱峰。
　　有机物在氢火焰中离子化反应的过程如下：当氢和空气燃烧时，进入火焰的有机物发生高温裂解和氧化反应生成自由基，自由基又与氧作用产生离子。在外加电压作用下，这些离子形成离子流，经放大后被记录下来。所产生的离子数与单位时间内进入火焰的碳原子质量有关，因此，氢焰检测器是一种质量型检测器。这种检测器对绝大多数有机物都有响应，其灵敏度比热导检测器要高几个数量级，易进行痕量有机物分析。其缺点是不能检测惰性气体、空气、水、C0，CO2，NO、S02等。
　　3、电子捕获检测器：电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器，它只对合有电负性元素的组分产生响应，因此，这种检测器适于分析合有卤素、硫、磷、氮、氧等元素的物质。在电子捕获检测器内一端有一个多放射源作为负极，另一端有一正极。两极间加适当电压。当载气(N2)进入检测器时，受多射线的辐照发生电离，生成的正离子和电子分别向负极和正极移动，形成恒定的基流。合有电负性元素的样品AB进入检测器后，就会捕获电子而生成稳定的负离子，生成的负离子又与载气正离子复合。结果导致基流下降。因此，样品经过检测器，会产生一系列的倒峰。电子捕获检测器是常用的检测器之一，其灵敏度高，选择性好。主要缺点是线性范围较窄。
　　柱长度的选择
　　分辨率与柱长的平方根成正比。在其他条件不变的情况下，为取得加倍的分辨率需有4倍的柱长。较短的柱子适于较简单的样品，尤其是由那些在结构、极性和挥发性上相差较大的组分组成的样品。一般来说，
　　15m的短柱用于快速分离较简单的样品，也适于扫描分析；
　　30m的色谱柱是最常用的柱长，大多数分析在此长度的柱子上完成；
　　50m、60m或更长的色谱柱用于分离比较复杂的样品。
　　应该注意，柱长增加分析时间也增加。
　　柱内径的选择
　　柱径直接影响柱子的效率、保留特性和样品容量。小口径柱比大口径柱有更高柱效，但柱容量更小。
　　0.25mm：具有较高的柱效，柱容量较低。分离复杂样品较好。
　　0.32mm：柱效稍低于0.25mm的色谱柱，但柱容量约高60%。
　　0.53mm：具有类似于填充柱的柱容量，可用于分流进样，也可用于不分流进样，当柱容量是主要考虑因素时（如痕量分析），选择大口径毛细管柱较为合适。
　　液膜厚度的选择
　　液膜厚度影响柱子的保留特性和柱容量。厚度增加，保留也增加。
　　0.1～0.2m：薄液膜厚度的毛细管柱比厚液膜的毛细管柱洗脱组分快，所需柱温度低，且高温下柱流失较小，适用高沸点的化合物的分析。
　　0.25～0.5m：常用的液膜厚度。
　　厚液膜：对分析低沸点的化合物较为有利
　　柱长度的选择
　　分辨率与柱长的平方根成正比。在其他条件不变的情况下，为取得加倍的分辨率需有4倍的柱长。较短的柱子适于较简单的样品，尤其是由那些在结构、极性和挥发性上相差较大的组分组成的样品。一般来说，
　　15m的短柱用于快速分离较简单的样品，也适于扫描分析；
　　30m的色谱柱是最常用的柱长，大多数分析在此长度的柱子上完成；
　　50m、60m或更长的色谱柱用于分离比较复杂的样品。
　　应该注意，柱长增加分析时间也增加。
　　柱内径的选择
　　柱径直接影响柱子的效率、保留特性和样品容量。小口径柱比大口径柱有更高柱效，但柱容量更小。
　　0.25mm：具有较高的柱效，柱容量较低。分离复杂样品较好。
　　0.32mm：柱效稍低于0.25mm的色谱柱，但柱容量约高60%。
　　0.53mm：具有类似于填充柱的柱容量，可用于分流进样，也可用于不分流进样，当柱容量是主要考虑因素时（如痕量分析），选择大口径毛细管柱较为合适。
　　液膜厚度的选择
　　液膜厚度影响柱子的保留特性和柱容量。厚度增加，保留也增加。
　　0.1～0.2m：薄液膜厚度的毛细管柱比厚液膜的毛细管柱洗脱组分快，所需柱温度低，且高温下柱流失较小，适用高沸点的化合物的分析。
　　0.25～0.5m：常用的液膜厚度。
　　厚液膜：对分析低沸点的化合物较为有利
　　根据被分离组分和固定液分子间的相互作用关系，固定液的选择一般根据所谓的"相似性原则"，即固定液的性质与被分离组分之间的某些相似性，如官能团、化学键、极性、某些化学性质等，性质相似时，两种分子间的作用力就强，被分离组分在固定液中的溶解度就大，分配系数大，因而保留时间就长；反之溶解度小，分配系数小，因而能很快流出色谱柱。
　　下面就不同情况进行讨论：
　　a、分离极性化合物，采用极性固定液。这时样品各组分与固定液分子间作用力主要是定向力和诱导力，各组分出峰次序按极性顺序，极性小的先出峰，极性越大，出峰越慢；
　　b、分离非极性化合物，应用非极性固定液，样品各组分与固定液分子间作用力是色散力，没有特殊选择性，这时各组分按沸点顺序出峰，沸点低的先出峰。对于沸点相近的异构物的分离，效率很低；
　　c、分离非极性和极性化合物的混合物时，可用极性固定液，这时非极性组分先馏出，固定液极性越强，非极性组分越易流出；
　　d、对于能形成氢键的样品。如醇、酚、胺和水的分离，一般选择极性或氢键型的固定液，这时依组分和固定液分子间形成氢键能力大小进行分离。"相似相容性原则"是选择固定液的一般原则，有时利用现有的固定液不能达到满意的分离结果时，往往采用"混合固定液"，应用两种或两种以上性质各不相同的，按适合比例混合的固定液，使分离有比较满意的选择性，又不致使分析时间延长。然而，在实际工作中选择固定液往往是参考资料或文献介绍的实例来选用固定液的
　　冷针进样
　　将样品回抽至注射器针筒内，在针插入进样口隔膜后，迅速按下注射器活塞而使样品通过注射针进入柱。出于这样时注射针元时间与气化室进行热平衡，故称为冷针进样。
　　满针进样
　　这种进样技术在那些使用自动进样器的实验室是最经常使用的。与其它进样技术相比，这种技术导致了混合物中高沸点组份的明显损失。这是因为，残留在针内的样品组份的百分数是随其沸点增高而增加的。
　　气塞法
　　此方法即为在注射器活塞与样品之间造成一段空间，即先抽取空气来代替抽取纯溶剂，这个气塞可以机械地帮助从注射器中排出样品并避免样品从针内蒸发。但是已经发现，用这种方法进样时，在气塞的最靠近注射器活塞的地方，总是会残留有一小部份样品，这说明，它并不能有效地将样品完全移出注射器。同时，进样时样品的迅速汽化会向针内产生一个反压，它足以使气塞空气向活塞周围扩散，并将部份样品吹
　　向活塞，从而造成定量进样的误差。
　　热针进样
　　与冷针进样相比，这个技术要求在抽取样品和将样品引入汽化室之前，将空的注射针头置于汽化室中5秒以上。在这段时间内，注射针的温度已升至与汽化室温度相近。在所有的不分流技术中，这种技术获得的结果是最好的。很显然，由丁针头是热的，进样时与针壁接触的那部分样品，在针内首先发生瞬间汽化。汽化产生的高压将使得大部分样品，以液态进入汽化室而导致在针内残留的样品最少。使用这种进样方法的关键，一是要在样品与针接触之前，将针头预热至气比室的温度，二是从注射器针筒将样品传递到针头的速度要快，以便迅速排出液体样品，并在注射器活塞后部形成真有最佳效果的，能将全部样品送入气化室管内的蒸气"塞"。
　　固定相名称商品代号使用温度范围（摄氏温度）极性应用范围
　　100%甲基硅酮（弹性体）SE-30OV-1-80~300/320非极性碳氢化合物，硫化物，酚，胺，多环芳烃，农药
　　100%甲基硅酮（液体）OV-101SP10000~280非极性氨基酸衍生物，基油，碳氢化合物
　　5%苯基；95%甲基硅酮SE-54-80-300/320非极性脂肪酸甲脂，药物卤代烃，生物碱
　　50%苯基；50%甲基硅酮OV1740~280/300中极性药物，卤族化合物，农药，二元醇
　　聚乙二醇-TPA改性FFAP60~220/240极性（酸性）酸，醇，醛，酮丙烯酸脂，腈类等
　　聚乙二醇二万PEG-20M80~220极性游离酸，醇，醚，基油，溶剂，二元醇
　　Al2O3/KClAl2O3320C1~C4，烃
　　分子筛分子筛320惰性气体，氦，氢，氩，氧，氪等气体
　　GC柱选择对照表
　　PhenomenexRestekJ&WSupelcoHpAlltechSGEChrompackOV
　　ZB-1RTX-1，RTX-1PONA，MXT-1，RTX-1F&FDB-1，DB-1HT，SE-30，DB-2887，DB-1EVDXSPB-1，MDN-1，SPB-1TG，SIMPLICITY-1，SBP-1SULFUR，HP-1，HP-1MS，SPB-HAP，MET-1，HP-101，HP-PONAAT-1，AT-SULFUR，EC-1BP-1，BP1-PONACP-SIL5CB，CP-SIL5CBMSOV-1
　　ZB-5RTX-5，MXT-5，XTI-5，RTX-5MSDB-5，DB-5MS，DB-5HT，DB-5.625，SE-54DB-5MSEVDXMDN-5，SPB-5，PTE-5，SIMPLICITY-5，MDN-5S，HT-5，MDN-12，SAC-5HP-5，HP-5MS，HP-PAS-5，HP-5TAAT-5，EC-5BP-5，BPX-5CP-SIL8CB，CP-SIL8CBMSOV-5
　　ZB-35RTX-35，MXT-35DB-35，DB-35MSMDN-35，SPB-35HP-35，HP-35MSAT-35BPX-35
　　ZB-50RTX-50，MXT-50DB-17，DB-17HT，DB-17MS，SP-2250，SPB-17，SPB-50HP-17，HP-50+AT-50BPX-50CP-SIL24CBOV-17
　　ZB-624RTX-1301，RTX-624，MXT-1301，MXT-624DB-1301，DB-624SPB-1301，SPB-624HP-1301，HP-624AT-624，AT-1301BP-624
　　ZB-1701RTX-1701，MXT-1701DB-1701，DB-1701PSPB-1701HP-1701，HP-PAS-1701AT-1701BP-10CP-SIL19CBOV-1701
　　ZB-WAXSTABILWAX，RTX-WAX，FAMEWAXMXT-WAXDB-WAX，CARBOWAX-20M，DB-WAXETR，DB-VRXSUPELCOWAX10，MET-WAX，OMEGAWAX，SIMPLICITYWAXHP-20M，HP-WAX，HP-INNOWAXAT-WAX，EC-WAXBP-20CP-WAX52CB，CP-WAX51，CP-WAX58CBCARBOWAX-20M
　　气相色谱条件主要受载气种类、流速、柱温、汽化温度、柱长、柱内径、进样时间和进样量等因素影响。
　　根据范第姆特方程，流速是影响塔板高度的重要因素，通常选择稍高于最佳流速的载气流速；载气流速大时，应选择相对分子量小，扩散系数大的H2，Ne等作载气，反之选择相对分子量大，扩散系数小的N2，Ar等作载气；
　　提高柱温可以提高传质速率，提高柱效，但柱温过高又会使组分间分离度减小。采用较低的柱温，减少固定相的用量和适当增加载气的流速，可在短时间内获得良好的分离效果；
　　汽化温度应以能使试样迅速汽化而不产生分解为准，通常比柱温高20-70℃，柱温应比试样中各组分的平均沸点低20-30℃，对于沸点范围较宽的试样，宜采用程序升温；
　　增加柱长会提高分离度，但分析时间增长，因此，一般在满足一定分离度的条件下尽可能用短柱子；
　　进样应在1秒以内完成，以减小峰变宽；
　　最大允许的进样量应该控制在使峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。