色谱知识

第一章气相色谱实验原理和应用领域 (3)
第二章、检测器的分类 (4)
2.1、（氢）火焰离子化检测器 (4)
2.2、电子捕获检测器 (5)
2.3、火焰光度检测器 (5)
2.4、热导检测器 (5)
第三章、检测器的性能指标 (7)
3.1灵敏度——应答值 (7)
3.2检测限（敏感度） (7)
3.3线性范围 (8)
第四章、气相色谱分析方法的建立步骤 (8)
4.1、样品的来源和预处理方法 (8)
4.2、确定仪器配置 (8)
4.3、确定初始操作条件 (9)
4.4、分离条件优化 (10)
4.5、定性鉴定 (10)
4.6、定量分析 (10)
4.7、方法的验证 (13)
第五章安装要求以及故障和操作失误的排除 (13)
5.1 气相色谱维修维护经验 (13)
5.2 气相色谱故障分析基础 (14)
5.3 故障分析的思路 (14)
5.4 气相色谱故障的种类 (15)
5.5 故障的判别 (15)
5.6 气相色谱仪在安装时对环境有一定的要求 (15)
5.7 气相色谱仪故障和操作失误的排除 (16)
5.8 色谱柱的连接 (17)
5.9 各系统的加热控制 (20)
5.10 放大器 (20)
5.11 检测器 (20)
5.12 采集系统 (20)
第六章气相色谱仪的操作技巧 (23)
第七章加标回收率计算方法的探讨 (26)
第一章气相色谱实验原理和应用领域气相色谱是以气体为流动相（载气），由于样品在气相中传递速度快，因此样品组分在流动相和固定相之间可以瞬间地达到平衡。

根据不同物质在气-液相间的分配系数不同或在气-固相间的吸附能力不同，不同物质在两相中的反复溶解-挥发或吸附-脱附而达到分离的现代分离测定技术。

另外加上可选作固定相的物质很多,比如液体或固体（分别称为气液色谱或气固色谱），因此气相色谱法是一个分析速度快和分离效率高的分离分析方法。

近年来采用高灵敏选择性检测器，使得它又具有分析灵敏度高、应用范围广等优点。

在石油化学工业中大部分的原料和产品都可采用气相色谱法来分析；在电力部门中可用来检查变压器的潜伏性故障；在环境保护工作中可用来监测城市大气和水的质量；在农业上可用来监测农作物中残留的农药；在商业部门可和来检验及鉴定食品质量的好坏；在医学上可用来研究人体新陈代谢、生理机能；在临床上用于鉴别药物中毒或疾病类型；在宇宙舴中可用来自动监测飞船密封仓内的气体等等
气相色谱的流程如下：
1－载气钢瓶；2－减压阀； 3－净化干燥管； 4－针形阀； 5－稳流阀； 6－压力表；
7－进样器和汽化室； 8－色谱柱； 9－检测器；10－放大器； 11－色谱工作站
气相色谱流程图
载气（流动相）经减压阀、净化器后、以某一稳定的流量进入汽化室，将注射入汽化室的样品带进色谱柱中分离，不同的成分分离后先后进入检测器，检测器将各组分的浓度或质量转化成电信号（电压、电流），并将随时间变化的信号强度输出或记录下来，即得组分流出时间和信号强度的关系图——气相色谱图。

使用热导检测器时，空气峰的保留时间常作为死时间；使用氢火焰离子化检测器时，甲烷的保留时间作为死时间。

第二章、检测器的分类
根据其测定范围可分为：通用型检测器和选择型检测器
根据检测器的输出信号与组分含量间的关系不同，可分为：浓度型检测器和质量型检测器 2.1、（氢）火焰离子化检测器
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H
2
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、CO
2、CS
2
、NO、SO
2
及H
2
S等。

氢火焰检测器在使用中注意事项
由于FID对烃类组分的检测灵敏度较高，为了保证基线稳定，必须注意以下几点：（1) 三种气体的净化管内必须填装活性炭，用以去除气体中微量烃类组分。

（2) 色谱柱的固定相必须在最高使用温度下充分老化，减少固定液流失和固定液中溶剂的挥发所造成的基线漂移。

（3) 高温下使用时，汽化室硅橡胶垫必须先高温老化，避免出怪峰。

（4) FID系统停机时，必须先将H
2气关闭，即先关H
2
气熄火，然后再关检测器的温度
控制器和色谱炉降温，最后关载气和空气。

如果开机时，FID温度低于100℃时就通H
2
点火；
或关机时，不先关H
2
熄火后降温，则容易造成FID收集极积水而绝缘下降，会引起基线不稳。

（5) 分析时，应注意保证溶剂和主组分燃烧完全。

当空气不足时，由于燃烧不完全，喷口、收集极形成结碳和污染，导致噪声增大、收集效率降低从而影响使用。

所以空气量的保证是很重要的。

2.2、电子捕获检测器
工作原理：当纯载气（通常用高纯N
2）进入检测室时，受射线照射，电离产生正离子（N
2
+）
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。

2.3、火焰光度检测器
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SO
2，被氢还原成S原子后生成激发态的S
2
*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。

2.4、热导检测器
热导检测器（TCD）是利用被测组分和载气的热导系数不同而响应的浓度型检测器，有的亦称热丝检测器（HWD）或热导计、卡他计（katherometer或Catherometer），它是知名的整体性能检测器，属物理常数检测方法。

热导检测器（TCD）又称热导池或热丝检热器，是气相色谱法最常用的一种检测器。

基于不同组分与载气有不同的热导率的原理而工作的热传导检测器。

敏感元件为热丝，如钨丝、铂丝、铼丝，并由热丝组成电桥。

在通过恒定电流以后，钨丝温度升高，钨丝温度升高，其热量经四周的载气分子传递至池壁。

当被测组分与载气一起进入热导池时，由于混合气的热导率与纯载气不同（通常是低于载气的热导率），钨丝传向池壁的热量也发生变化，致使钨丝温度发生改变，其电阻也随之改变，进而使电桥输出端产生不平衡电位而作为信号输出。

热导检测器是气象色谱法中最早出现和应用最广的检
测器。

近年来，尽管在许多方面它已被更灵敏更专属性的各种检测器所取代，但是由于它具有结构简单，性能稳定，灵敏度适宜，线性范围宽，对各种能作色谱的物质都有响应，最适合作微量分析（ppm级）。

在分析测试在中，热导检测器不仅用于分析有机污染物，而且用于分析一些用其他检测器无法检测的无机气体，如氢、氧、氮、一氧化碳、二氧化碳等。

热导检测器在使用中的注意事项
通常热导检测器的惠更斯电桥中加热丝在600~700℃的高温下工作，因此必须注意以下事项：
严格遵守热导检测器先通载气后通热导工作电流的操作原则，在长期停机后重新启动操作时，应先通载气15min以上然后加热导工作电流，以保证热导元件不被氧化或烧坏，热导池尾气排空处的载气流量是鉴别热导池是否通气的有效方法。

给定桥电流的大小与载气种类有类，也与热导池工作温度有关，并需考虑被分析对象对检测器的灵敏度要求，其关系如图所示，具体详细数值参照所用仪器说明书中热导池桥电流给定曲线。

关机时首先必须关闭检测器的工作电流，其次必须在柱箱和检测器温度降到70℃以下，才能关闭气源。

TCD的稳定性受外界条件影响，外界条件影响的大小可参考表5，从表5可以看出热丝温度对TCD响应影响最大，热丝的温度主要受桥电流影响，但也受检测器的温度和载气流量大小的影响。

所以除了设计上要求桥电流稳定外，对载气流速和检测器的温度也有较高的要求：一般情况下，检测器的温度波动应小于±0.01℃，载气流量波动应小于±1%。

表5 外界因素对TCD响应值的影响
影响因素影响数值
热丝温度桥流载气流量
单臂
双臂池压力
单臂
双臂
12400uV/℃
40Uv/Ma
25uV/(mL·min) 7 uV/(mL·min)
17.3 uV/kpa 1.12 uV/kpa
第三章、检测器的性能指标
3.1 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：
(1)
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：
3.2 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R N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（2R N）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：
(2)
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：
图2 检测器噪声
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。

3.3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Q M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。

第四章、气相色谱分析方法的建立步骤
4.1、样品的来源和预处理方法
GC能直接分析的样品通常是气体或液体，固体样品在分析前应当溶解在适当的溶剂中，而且还要保证样品中不含GC不能分析的组分(如无机盐)，可能会损坏色谱柱的组分。

这样，我们在接到一个未知样品时，就必须了解它的来源，从而估计样品可能含有的组分，以及样品的沸点范围。

如能确定直接进样分析，只要找一种合适的溶剂，如丙酮，己烷、氯仿，苯等就是GC常用的溶剂。

一般讲，溶剂应具有较低沸点，从而使其容易与样品分离。

尽可能避免用水，二氯甲烷和甲醇作溶剂，它们对延长色谱柱的使用寿命不利。

如果用毛细管分析，应注意样品浓度不要太高，以免造成柱超载，通常样品的浓度为mg/ml级或更低。

如果样品体系简单，试样组分可汽化则可直接分析。

如果样品中有不能用GC直接分析的组分，或样品浓度太低，就必须进行必要的预处理，如采用吸附、解析、萃取、浓缩、稀释、提纯、衍生化等方法处理样品。

4.2、确定仪器配置
所谓仪器配置就是用于分析样品的方法采用什么进样装置、什么载气、什么色谱柱以及什么检测器。

一般应首先确定检测器类型。

碳氢化合物常选择FID检测器，含电负性基团(F、Cl等)较多且碳氢含量较少的物质易选择ECD检测器;对检测灵敏度要求不高，或含有非碳氢化合物组分时，可选择TCD检测器;对于含硫、磷的样品可选择FPD检测器。

比如，要用GC分析啤酒的挥发性成分，就需要一个顶空进样器，要测定水中痕量含氯农药的残留量，就要用电子俘获检测器。

就色谱柱而言，常用的固定相有非极性的OV—1（SE—30）弱极性的SE—54，极性OV—17和PEG—20M等，可根据极性相似相容原理来选用，即分离一般脂肪烃类（如柴油或汽油）时多用OV—1（SE—30）。

分析醇类和酯类（如含酒精饮料）多用PEG—20M，分析农药残留量则多用OV—17或OV—1701而要分析特殊的样品，如手性异构体，就需要特殊的色谱柱，对于很复杂的混合物，SE—54往往是首先的固定相。

色谱柱确定后，根据样本中
待测组分的分配系数的差值情况，确定色谱柱工作温度，简单体系采用等温方式，分配系数相差较大的复杂体系采用程序升温方式进行分析。

对于液体样品可选择隔膜垫进样方式，气体样品可采用六通阀或吸附热解析进样方法，一般色谱仅配置隔膜垫进样方式，所以气体样品可采用吸附-溶剂解析-隔膜垫进样的方式进行分析。

常用的载气有氢气、氮气、氦气等。

氢气、氦气的分子量较小常作为填充柱色谱的载气;氮气的分子量较大，常作为毛细管气相色谱的载气;气相色谱质谱用氦气作为载气。

4.3、确定初始操作条件
当样品准备好，且仪器配置确定之后，就可开始进行尝试性分离。

这时要确定初始分离条件，主要包括进样量、进样口温度、检测器温度、色谱柱温度和载气流速。

进样量要根据样品浓度、色谱柱容量和检测器灵敏度来确定。

样品浓度不超过10mg/mL 时填充柱的进样量通常为1-5uL，而对于毛细管柱，若分流比为50：1时，进样量一般不超过2uL。

进样口温度主要由样品的沸点范围决定，还要考虑色谱柱的使用温度。

首先要保证待测样品全部汽化，其次要保证汽化的样品组分能够全部流出色谱柱，而不会在柱中冷凝。

原则上进样口温度一般要接近样品中沸点最高的组分的沸点，但要低于易分解组分的分解温度，常用条件为250℃—350℃。

色谱柱温度的确定主要由样品的复杂程度和汽化温度决定。

原则上既要保证待测物的完全分离，又要保证所有组分能流出色谱柱，且分析时间越短越好。

组成简单的样品最好用恒温分析，这样分析周期会短一些。

对于组成复杂的样品，常需要用程序开温分离，因为在恒温条件下，如果柱温较低，则低沸点组合分离得好，而高沸点组分的流出时间会太长，造成峰展宽，甚至滞留在柱中造成柱污染，反之柱温太高，低沸点组分又难以分离。

实际上，毛细柱的最大优点就是可以在较宽的温度范围内操作。

这样既保证了待测组分的良好分离，又能实现尽可能短的分析时间。

一般地讲，色谱柱的初始温度应接近样品中最轻组分的沸点，而最终温度则取决于最重组分的沸点。

升温速率则要依样品的复杂程度决定，在具体工作中操作条件的选择一定要根据样品的实际分离情况来优化设定。

检测器温度设置原则是保证流出色谱柱的组分不会冷凝，同是又满足检测器灵敏度的要求。

大部分检测器的灵敏度受温度影响不大，故检测器温度可参照色谱柱的最高温度设定。

检测器温度是指检测器加热块温度而不是实际检测点，如火焰的温度。

载气流速的确定相对容易一些，开始可按照比最佳流速（氮气约20cm/S、氦气约25cm/S、
氢气约为30cm/S）高10%来设定，然后根据分离情况进行调节，原则是既保证待测物的完全分离，又要保证尽可能短的分析时间，用填充柱时载气流速一般设为30ml/min。

当仪器没有配置电子气路（EPC）控制时，必须通过皂膜流量计或测定时间的方法来测定载气流速，通过调节柱前压的方式来改变载气流速，色谱柱越长，内径越小柱温越高，需要柱前压越高。

当所用检测器需要燃烧气和辅助气时，还要设定这些气体的流量。

如FID检测器，可设定为：空气300—400ml/min、氢气30—40ml/min
用毛细柱时：尾吹气（氮气）可设为30—40ml/min
4.4、分离条件优化
分离条件优化目的就是要在最短的分析时间内达到符合要求的分离结果。

在改变柱温和载气流速也达不到基线分离的目的时，就应更换更长的色谱柱，甚至更换不同固定相的色谱柱，因为在GC中，色谱柱是分离成败的关键。

事实上，当样品和仪器配置确定后，一个色谱技术人员最经常的工作除了更换色谱柱处就是要改变色谱柱温度和载气流速以期达到最
优化的分离。

柱温对分离结果的影响要比载气的影响大。

条件优化的目的就是在最短的分析时间内达到符合要求的分离结果。

所以在初始条件下样品中难分离物质对的分离度R大于1.5时。

可来用增大载气流速，提高柱温或开温速率的措施来缩短分析时间，反之亦然。

比较难的问题是确定色谱图上的峰是否单一组分的峰。

可用标准样品对照，如果某一目的峰是两个或以上组分的共流出峰，优化分离的任务就比较艰巨了，在改变柱温和载气流速也达不到基线分离的目的时就应更换更长的色谱柱，甚至更换不同固定相色谱柱，因为在GC中，色谱柱是分离成败的关键。

4.5、定性鉴定
所谓定性鉴定就是确定色谱峰的归属。

对于简单的样品，可通过标准物质对照来定性。

就是在相同的色谱条件下，分别注射标准样品和实际样品，根据保留值即可确定色谱图上哪个峰是要分析的组分。

定性时必须注意，在同一色谱柱上，不同化合物可能有相同的保留值，所以，对未知样品的定性仅仅用一个保留数据是不够的，双柱或多柱保留指数定性是GC中较为可靠的方法，因为不同的化合物在不同的色谱柱上具有相同保留值的几率要小得多。

条件允许时可采用气相色谱质谱联机定性。

4.6、定量分析
峰面积(峰高)百分比法最简单，但最不准确。

只有样品由同系物组成、或者只是为了粗略地定量时该法才是可选择的。

相比而言，内标法的定量精度最高，因为它是用相对于标准物(叫内标物)的响应值来定量的，而内标物要分别加到标准样品和未知样品中，这样就可抵消由于操作条件(包括进样量)的波动带来的误差。

至于标准加入法，是在未知样品中定量加入待测物的标准品，然后根据峰面积（或峰高）的增加量来进行定量计算。

其样品制备过程与内标法类似但计算原则来自外标法。

标准加入法定量精度应该介入内标法和外标法之间。

什么是内标法？怎样选择内标物？
内标法是一种间接或相对的校准方法。

在分析测定样品中某组分含量时，加入一种内标物质以校谁和消除由于操作条件的波动而对分析结果产生的影响，以提高分析结果的准确度。

内标法在气相色谱定量分析中是一种重要的技术。

使用内标法时，在样品中加入一定量的标准物质，它可被色谱拄所分离，又不受试样中其它组分峰的干扰，只要测定内标物和待测组分的峰面积与相对响应值，即可求出待测组分在样品中的百分含量。

采用内标法定量时，内标物的选择是一项十分重要的工作。

理想地说，内标物应当是一个能得到纯样的己知化合物，这样它能以准确、已知的量加到样品中去，它应当和被分析的样品组分有基本相同或尽可能一致的物理化学性质(如化学结构、极性、挥发度及在溶剂中的溶解度等)、色谱行为和响应特征，最好是被分析物质的一个同系物。

当然，在色谱分析条什下，内标物必须能与样品中各组分充分分离。

需要指出的是，在少数情况下，分析人员可能比较关心化合物在一个复杂过程中所得到的回收率，此时，他可以使用一种在这种过程中很容易被完全回收的化合物作内标，来测定感兴趣化合物的百分回收率，而不必遵循以上所说的选择原则。

内标法优点：可以排除手动进样的误差、分流歧视的影响、包括一些未知因素平行误差的影响。

在使用内标法定量时，有哪些因素会影响内标和被测组分的峰高或峰面积的比值?
影响内标和被测组分峰高或峰面积比值的因素主要有化学方面的、色谱方面的和仪器方面的三类。

由化学方面的原因产生的面积比的变化常常在分析重复样品时出现。

化学方面的因素包括：
1、内标物在样品里混合不好；
2、内标物和样品组分之间发生反应，
3、内标物纯度可变等。

对于一个比较成熟的方法来说，色谱方面的问题发生的可能性更大一些，色谱上常见的
一些问题(如渗漏)对绝对面积的影响比较大，对面积比的影响则要小一些，但如果绝对面积的变化已大到足以使面积比发生显著变化的程度，那么一定有某个重要的色谱问题存在，比如进样量改变太大，样品组分浓度和内标浓度之间有很大的差别，检测器非线性等。

进样量应足够小并保持不变，这样才不致于造成检测器和积分装置饱和。

如果认为方法比较可靠，而色谱固看来也是正常的话，应着重检查积分装置和设置、斜率和峰宽定位。

对积分装置发生怀疑的最有力的证据是：面积比可变，而峰高比保持相对恒定，
在制作内标标准曲线时应注意什么?
在用内标法做色话定量分析时，先配制一定重量比的被测组分和内标样品的混合物做色谱分析，测量峰面积，做重量比和面积比的关系曲线，此曲线即为标准曲线。

在实际样品分析时所采用的色谱条件应尽可能与制作标准曲线时所用的条件一致，因此，在制作标准曲线时，不仅要注明色谱条件(如固定相、柱温、载气流速等)，还应注明进样体积和内标物浓度。

在制作内标标准曲线时，各点并不完全落在直线上，此时应求出面积比和重量比的比值与其平均位的标准偏差，在使用过程中应定期进行单点校正，若所得值与平均值的偏差小于2，曲线仍可使用，若大于2，则应重作曲线，如果曲线在铰短时期内即产生变动，则不宜使用内标法定量。

在此，撇开大家谈论过很多的内标法如何应用的问题，来谈谈内标法的计算。

先来分清两个概念，绝对校正因子和相对校正因子。

以色谱分析为例，绝对校正因子是单位峰面积所相当的物质量，fi’=mi/Ai。

而相对校正因子是某一组分与标准物质的绝对校正因子之比，f= fi′/ fs′=As•mi/Ai•ms。

在内标法中，绝对校正因子主要由仪器的灵敏度决定，并且不易准确测量，也无法将内标物和待测物联系起来；而相对校正因子才是定量的基础，也是前文中提及的问题的答案，相对校正因子是那个一定的量，所谓待测物与内标的比一定也就是说待测物的质量与峰面积之比（即绝对校正因子fi’）和内标物的质量和峰面积之比(fs’)的比值一定（话比较绕，结合公式就一目了然啦）。

文献上，标准上看到的校正因子也都是相对校正因子。

相对校正因子也可以通过已知量的标准和内标混合后经实验测定获得。

对相对校正因子的公式进行简单变形，就能够得到待测物质量mi=Aifi’/Asfs’*ms，进而通过C=mi/m得到待测物的浓度。

因此，再见到各类内标计算公式，我们就能够分辨其中的f到底是相对校正因子还是绝对校正因子了。

比如，fi、fs就是指绝对校正因子。