色谱基础知识

色谱基础知识
色谱法的分类： 1）以流动相形式分类，可分为气相色谱法和液相色谱法。
什么是流动相？什么是固定相？ 色谱分析过程中用于携带待测组分向前移动的物质称为流动相
（mobile phase）。在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的物质称 为固定相（stationary phase）。
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分离系统：中心切割
样品气放空 样品气 载气1 载气2
样品气放空 样品气 载气1 载气2
5
6
4
定量管
1
3
2
色谱柱1
放空
5
6
4
定量管
1
3
2
色谱柱1
放空
5
6
4
1
3
2
5
6
4
1
3
2
色谱柱2
检测器
色谱柱2
检测器
正向 反向
分离系统：反吹
放空 样品气 载气
5
6
4
定量管
1
3
2
放空 样品气 载气
5
6
4
定量管
1
3
2
1
毛细管柱的种类
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融熔石英 或不锈钢
多孔层开口柱[PLOT]
(内壁为多孔性涂层，如高分子小 球、氧化铝等)
固定液
管壁涂渍开口柱[WCOT] （内壁为固定液涂层）
分离系统：色谱柱
填充柱
色谱基础知识 毛细管柱
分离系统：色谱柱
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Orthodyne色谱仪在工业气体行业应用中几种常用的填充柱：
-200000
µV
分离系统：色谱柱
OPN柱：
主要用于分离烃类，如C2H2、C3H8、C3H6、C4H10等
（无法分离C2H4和C2H6）
450000
C2H4 + C2H6
350000
iC4H10 nC4H10
C3H6
C3H8
C2H2
250000
CH4
150000
50000
0
1
2
3
4
5
6
-50000
成份 A 峰面积： 1000
Conc. (ppm)
100
70
峰面积
700
1000
气相色谱仪的基本构成： 1）气路系统 2）进样系统 3）分离系统 4）检测系统 5）数据处理系统
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气相色谱仪的构成：
流量控制
进样
检测器
柱温箱
气
体
钢 瓶
色谱柱
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信号
数据处理
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气相色谱仪的构成： 1）气路系统：
- 当从色谱柱流出的被测气体组分流过测量桥臂时，因被测气体的导热系数与载气不一样，其带走 的热量也不一样，从而引起测量桥臂的温度发生变化，导致测量桥臂的电阻值发生变化，引起电桥 不平衡。电桥的输出即和被测组分的浓度呈比例关系
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影响热导检测器灵敏度的因素： 1）桥臂电流。一般来说，桥流越大灵敏度越好，但是桥流太大容易烧毁桥臂。 2）桥臂材质的热敏性。桥臂热敏性越好，灵敏度越好 3）检测器池体温度。池体与桥臂的温差越大，灵敏度越好 4）载气种类。载气与被测气体的导热系数差越大，灵敏度越好
一些气体的导热系数，单位：J / cm·℃·s
Hale Waihona Puke Baidu
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热导检测器的优缺点
优点： - 通用型检测器，对所有组分均有响应 - 结构简单，稳定性好。对于常量分析可使用廉价的N2或Ar做载气 - 不破坏被测组分
色谱法最初由俄国植物学家茨维特创立。
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茨维特实验： 1903年，茨维特做了一个植物色素分离实验：在一玻璃管中 放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒 入管中。 此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。 然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移 动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接 得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。
180000 160000
TOP
140000
120000
100000 80000
峰高
60000
40000
20000
0
0
1
-20000
保留时间
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Demo Chromatogram
峰面积（阴影部分）
2
一些色谱图相关的术语：
以右边谱图中第一个峰为例： 峰高： 284909 uV 峰宽： 约15s (从0.6到0.9min) 峰面积：2043631 uV*s 保留时间：0.76 min
2
4
3
色谱柱
1
2
4
3
色谱柱
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检测器
检测器
分离系统：反吹
反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC
放空 样品气
7
8
6
定
量
1
5
管
载气
2
4
3
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色谱柱 检测器
色谱基础知识 反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC
分离系统：反吹
反吹的典型应用：8通阀进样+反吹 测O2中的CH4-NMHC
4）峰高：某一色谱峰顶点与基线的距离（信号差值）。 5）峰宽：某一色谱峰底部的宽度。（即从色谱峰开始到结束的时间。） 6）峰面积：某一色谱峰与峰底基线所围成区域的面积叫峰面积。
峰面积是色谱法定量的依据。
7）保留时间：某一组分从进样到该组分色谱峰到达顶点的时间。 保留时间是色谱法定性的依据。
一些色谱图相关的术语
气相色谱仪的构成：
2）进样系统 进样系统的功能是将需要分析的样品注入到分析系统当中。 进样的方式一般有2种： a）进样针（注射器） b）阀。
注射器进样
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阀进样
采样状态
放空 样品气 载气
进样状态
放空 样品气 载气
5
6
4
定量管
1
3
2
5
6
4
定量管
1
3
2
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色谱柱
色谱柱
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气相色谱仪的构成：
NMHC
2
3
分离系统：色谱柱
Porapak N柱 和 Hayesep A柱： 主要用于分离C1-C2轻烃类气体，如CH4、C2H2、C2H4、C2H6等
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分离系统：色谱柱
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BTS柱，主要用于脱氧。
典型应用： 1）常规的分子筛柱无法分离O2和Ar，当需要单独分析O2和Ar时，可以用BTS柱把O2+Ar混合组 分中的O2去除，从而得到单独的Ar组分。 2）当分析O2中的杂质气体时，需要用BTS柱把背景气中的O2去除，避免干扰测量。
色谱法的分类： 2）以固定相形式分类，可为柱色谱法、纸色谱法、薄层色谱法。 3）以分离原理分类，可分为吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱 法、尺寸排阻色谱法、亲和色谱法等。
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色谱法分离原理
色谱法的分离原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、 吸附能力等亲和能力的不同来进行分离的。
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分离系统：色谱柱
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分子筛柱： 主要用于分离分离永久气体，如He、H2、O2+Ar、N2、CH4、CO等
400000 300000
CH4 O2
200000
N2
H2
100000
CO
MS 6/4 4m MS 1/8" 3m
0
Minutes
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
-100000
1）分子筛柱 （Molecular Sieve） 2）Porapak Q柱 3）Porapak N柱 4）OPN柱 5）硅胶柱（Silica Gel） 6）Hayesep柱 7）BTS柱 （脱氧柱）
分离系统：色谱柱 几种常用的填充柱的出峰次序
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分离系统：色谱柱 几种常用的填充柱的出峰次序
1）色谱图：在分析过程中色谱仪记录下来的检测器信号随时间变化的 曲线。（一般纵坐标为信号值，横坐标为时间） 2）基线：在不分析状态下色谱仪检测器信号随时间变化的曲线。 3）色谱峰：在分析过程中，当某一组分流过检测器时，检测器信号随 之产生变化，在谱图上即表现为峰状，称之为色谱峰。
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一些色谱图相关的术语：
分离系统：色谱柱
填充柱填料的种类 固定液
担体
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Partition Materials
在担体上涂覆固定液 固定相 ： 液体（主要用于分析液体样品）
固体
吸附材料 (吸附剂)
没有涂覆固定液 固定相 ： 固体 （主要用于分析气体样品） (硅胶、活性碳、分子筛、活性氧化铝, 还有多孔高分子小球)
分离系统：色谱柱
Orthodyne色谱仪常用的检测器有： A）热导检测器，TCD B）火焰离子化检测器，FID C）放电离子化检测器，DID D）等离子体发光检测器，PED（DID-AR）
热导检测器 Thermal Conductive Detector
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OUT2
R1
8
S1
IN1 REFERENCE
OUT1
分离系统：色谱柱
填充柱(Packed Column)
管
毛细管柱(Capillary Column)
填料 融熔石英
固定液
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内径(ID) 2-4 mm
长度 0.5 - 5m
填料
多孔性小球或涂覆有0.5-25%固定液的担体
理论塔板数一般都很小
内径（ID）： 0.1、0.25、0.32、0.53mm 长度 5 - 100m (30m最常用) 材质 融熔石英 理论塔板数一般都较大
7
S2
10
6
R2
9
IN2
ANALYSIS
D
OUT2
B
OUT1
TC D D ETEC TOR
S2
S1
R2
R1
E
A – 参比气入口 B – 参比气出口 C – 测量气入口 D – 测量气出口 E – 测量室
C
IN2
A
IN1
热导检测器 Thermal Conductive Detector
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3）分离系统 分离系统的功能是把需要分析的组分从背景组分中分离出来。 分离功能主要依赖于色谱柱来实现，但在某些特定的应用中
还需要一些必要的流路系统（如中心切割或反吹等）。
分离系统：色谱柱
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色谱柱，即装填有固定相用以分离混合组分的柱管，是整个色谱 分析系统的核心部分。
气相色谱柱，一般可分为填充柱和毛细管柱。
在分离过程中，待分离物质中的不同组分在流动相和固定相之间的 分配会不同，这使其随流动相运动速度各不相同，随着流动相的运动， 混合物中的不同组分在固定相上相互分离。
色谱法分离原理示意图
进样口 色谱柱
A＋B
A＋B | 一＋B
检测器
时间
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B
|
B
B
A
|
|
B
一
A
|
一
峰A
B |
峰B
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一些色谱图相关的术语：
2250000
1750000
CH4
1250000
750000
250000
O2
0
1
2
-250000
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Porapak "Q" 2m
NMHC
3
气相色谱仪的构成：
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4）检测系统 检测系统的功能是对流出色谱柱的被测组分进行检测，通常
包括检测器和放大器。检测系统相当于色谱仪的眼睛，它可以把被 测组分从载气中分辨出来。
气路系统主要功能是为色谱仪提供稳定可靠的载气及其它辅助气体。 气相色谱仪载气及辅助气体的选择主要取决于：a）检测器类型；b）所需分 析的组分；c）色谱柱类型。
气相色谱仪载气的选择：
载气
TCD： He/H2/N2/Ar
FID：
N2
DID：
He
PED： Ar
辅助气 无
H2/Air 无 无
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脱氧原理： Cu + O2
再生原理： CuO + H2
CuO Cu + H2O
分离系统：流路切换
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中心切割：泛指在色谱分析过程中为了将不需要的组分从分析系统中排 出的阀切换动作。
典型应用：高纯气体中的杂质分析
反吹：泛指在色谱分析过程中使载气在色谱柱中的流向倒置的阀切换动 作。
典型应用：测量某些不需要单独分析的组分，如CH4、及NMHC （非甲烷总烃）的分析。
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色谱法的定性
当分析条件相同时，相同的组分在相同的时间出峰。
（保留时间相同）
未知样品
标准样品 (组分A和B的混合物)
样品注入
成份 A
成份 B
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色谱法的定量
被测组分的峰面积(峰高) 与到达检测器的被测组分的量成正例
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未知的样品
标准样品 (组分A 100ppm)
成份 A 峰面积： 700
-150000
1.3C4H10
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OPN 6/4 6m OPN 1/8" 6m
Minutes
7
8
9
10
分离系统：色谱柱
Porapak Q柱： 主要用于分离CH4、CO2等
2250000
1750000
CH4
1250000
750000
250000
O2
0
1
-250000
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Porapak "Q" 2m
热导检测器的原理
- 热导检测器由4个桥臂（热敏元件）组成，组成一个惠斯登电桥。4个桥臂当中，2个是参比桥臂， 2个是测量桥臂。参比桥臂只有载气流过，测量桥臂接色谱柱出口
- 每种气体都有各自的导热系数，导热系数越大越容易带走热量
- 在不分析状态，4个桥臂流过的气体都是载气，此时4个桥臂温度相等，电阻值相等，电桥处于平 衡状态
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几个基本概念： Chromatography：色谱法，一种分离和分析的方法 Chromatograph： 色谱仪，以色谱法为原理的分析仪器 Chromatogram： 色谱图，色谱仪生成的分析结果
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Chromatography 色谱法：
色谱法是一种分离和分析方法，又叫层析法，它利用不同物质在不同 相态间的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物 中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。