氣相色譜儀分析原理

e國植物學家Tswet(茨維特)于1903年發(fā)現(xiàn)“色譜”，Martin和Synge在1940年提出液一液分配色譜法(Liquid-Liquid Partition Chromatography)，并在1941年提出用氣體代替液體作流動相的可能性，11年之后James和Martin發(fā)表了從理論到實踐比較完整的氣液色譜方法(Gas-Liquid Chromatography)，因而獲得了1952年的諾貝爾化學獎。在此基礎上，1957年高雷((M.J.E.Golay)開創(chuàng)了開管柱氣相色譜法(Open-Tubular Column Chromatography)，習慣上稱為毛細管柱氣相色譜法 (Capillary Column Chromatography)。在60年代末把高壓泵和化學鍵合固定相用于液相色譜，出現(xiàn)了液相色譜(HPLC), 80年代初毛細管超臨界流體色譜((SFC)得到發(fā)展:而在80年代初由JORGENSON等集前人經驗而發(fā)展起來的毛細管電泳 (CZE)，在90年代得到廣泛的發(fā)展和應用;同時集HPLC和CZE優(yōu)點的毛細管電色譜在90年代后期受到重視[。到21世紀色譜科學將在生命科學等前沿科學領域發(fā)揮不可替代的重要作用。而G.Guiochon認為GC和HPLC是在分析領域發(fā)展，極為成功的范例。

在近代分析化學領域中，色譜分析法是一種新型的分離分析方法。色譜法可用于分離分析復雜的多組分混合物，是一種根據分子的不同遷移速度而達到分離的方法。色譜技術是建立在吸附、分配、離子交換、親和力和分子大小等基礎上的分離過程，它利用不同組份在兩相中的吸附能力、分配系數、離子交換能力、親和力或分子大小等性質的微小差別，經過連續(xù)多次在兩相間的質量交換，使不同的組份得到分離。色譜分離是色譜體系熱力學過程和動力學過程的綜合表現(xiàn)。熱力學過程是指與組分在體系中分配系數相關的過程;動力學過程是指組分在該體系兩相間擴散和傳質的過程。組分、流動相和固定相三者的熱力學性質使不同組分在流動相和固定相中具有不同的分配系數，分配系數的大小反映了組分在固定相上的溶解一揮發(fā)或吸附一解吸的能力。分配系數大的組分在固定相上溶解或吸附能力強，因此在柱內的移動速度慢;分配系數小的組分在固定相上溶解或吸附能力弱，因此在柱內的移動速度快。經過一定時間后，由于分配系數的差別，使各組分在柱內形成差速移行，達到分離的目的。

1.1氣相色譜工作原理

氣相色譜法作為色譜法的一種，是一種廣泛使用的復雜混合物的分離分析方法。它以氣體為流動相，固體或均勻涂漬在載體上的液體為固定相，通過組分在氣液(固)兩相間不斷分配，實現(xiàn)混合組分的分離[t21?；旌衔锓蛛x后按順序離開色譜柱進入檢測器，產生的離子流信號經放大后，在記錄器上描繪出各組份的色譜峰，達到鑒別和定量的目的。分離過程在柱內進行，色譜柱所用的填充物是固體吸附劑，也可以是涂在惰性擔體上的高沸點液體。被分析的樣品在高溫氣化后被氣體流動相帶入柱內，由于不同組分在柱內受到的阻力不同，流動中被逐漸拉開達到分離的目的。如圖2-1為所示，由A和B組分組成的混合樣品被注入注樣器且瞬間汽化以后，樣品由流動相氣體載氣所攜帶，經過裝有固定相的色譜柱時，由于組份分子與色譜柱內部固定相分子間要發(fā)生吸附、脫附溶解等過程，那些性能結構相近的組份，因各自的分子在兩相間反復多次分配，發(fā)生很大的分離效果，且由于每種樣品組分吸附、脫附的作用力不同，所反應的時間也不同，終結果使混合樣品中的組分得到完全地分離。

圖2-1中的1, 2, 3, 4分別表示分離過程中的四個階段。

1表示樣品剛進入色譜柱，兩組份均勻的混合在一起;

2表示兩組已部分分離;

3表示兩組份已經完全分離;

4表示分離后的A同載氣流出色譜柱，而B留在柱內后將同載氣流出柱外。如果樣品中含多個組分，也將按同樣原理依次分離流出。

氣相色譜法樣品圖

1.2氣相色譜法的特點

氣相色譜法具有能、高靈敏度、高選擇性、快速、應用范圍廣、樣品用量少等優(yōu)點〕。不僅可以分析氣體,也可以分析液體和固體,是現(xiàn)代分析的主要手段之一。

1.能、分析速度快

填充色譜具有較高的理論塔板數，因而可以分析沸點十分相近的組分和極為復雜的組分混合物，且分離、測定一次完成，一般只需幾分鐘或幾十分鐘便可完成一個分析周期。目前采用微處理機操作和處理數據的色譜儀，使分析達到了理想的程度。

2.高選擇性

色譜法的zui大優(yōu)越性在于它擅長分離分析多組分的復雜體系即性質極為相似的組分,如同位素,同分異構體等。主要是通過選用高選擇性的固體相,使各組分間的分配系數產生足夠大的差異而實現(xiàn)分離,這是光譜和質譜所不及的。

3.高靈敏度

目前氣相色譜法在農業(yè)上,主要用來分析農藥中的主要成分,分析種子和土壤中的微量毒素在醫(yī)學和生物化學上,用來解決藥物氨基酸的分析及血液中幾個ppm的成分和分析問題。

4.應用范圍廣

不僅對氣體可以進行分析，對液體、固體也能進行分析。在柱溫條件下有一定蒸氣壓且穩(wěn)定性好的樣品都能測定，只要在一196~450 0C溫度范圍內有27~1330Pa蒸氣壓且在操作溫度下熱穩(wěn)定性能良好的物質［221，原則上都可用氣相色譜進行分析。氣相色譜還可以用來測定物化常數和制備超純的色譜試劑，樣品用量少;亦可用作工廠自動化流程的在線儀表，完成自動分析的要求。

2.氣相色譜儀

2.1氣相色譜儀的基本結構

色譜分析的關鍵是實現(xiàn)分離分析系統(tǒng)的一體化。經色譜柱分離的組分，由合適的檢測器進行檢測，產生的電信號由記錄儀或工作站記錄而得出色譜圖，這一色譜圖由一連串的峰組成，每一峰表示流出的一個組分，并且其數目等于組分的數目。流出的時間可以用來衡量混合物的組分，通常用某組分的流出時間或保留時間作為定性的依據，而色譜峰的高度或面積是組分濃度或含量的量度，它們是色譜定量的依據。

氣相色譜儀的基本構成，如圖2-2所示。氣源中的載氣經減壓閥減壓出來，流經氣路箱，進入進樣裝置，并將注入的樣品帶入色譜柱，后，將在柱中被分離的組分帶入色譜檢測器，進行鑒定和記錄。系統(tǒng)主要由以下五個部分組成:

1.氣路系統(tǒng)

包括氣源(氮氣、氦氣、氫氣等的鋼瓶/氣體發(fā)生器，氣流管線)、氣路控制系統(tǒng)，也稱載氣系統(tǒng);載氣攜帶試樣通過色譜柱，載氣在柱內形成壓力梯度，壓力與壓力梯度是試樣在柱內運行的動力。載氣系統(tǒng)的要求是提供純凈、穩(wěn)定、能被計量的載氣。一般由氣源鋼瓶、減壓閥和流量計等組成。

2.進樣系統(tǒng)

包括進樣器、各種進樣口和氣化室，樣品由進樣器注入氣化室，在氣化室高溫作用下瞬間氣化，然后在載氣的攜帶下進入與氣化室相連的色譜柱中。

3.分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品，色譜柱主要有兩類:填充柱和毛細管柱。色譜柱由色譜柱管、柱內填充物等組成。柱管一般采用金屬管或玻璃管，色譜柱在恒溫柱箱內工作。

4.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要的任務有:控制所有的溫度及時間程序、控制各種檢測器((FID, NPD和FPD)的自動點火、色譜圖的保存與再處理、樣品分析條件的保存、程序升溫、開/關檢測器、分渝不分流進樣器的時間等。

5.檢測和數據處理系統(tǒng)

樣品經過色譜柱分離后，各成分按保留時間不同，順序地隨載氣進入檢測器，檢測器把進入的組分按時間及其濃度或質量的變化，轉化成易于測量的電信號，經過必要的放大傳遞給記錄儀或工作站，后得到該混和樣品的色譜流出曲線及定性、定量曲線，即色譜圖。

所使用的檢測器主要有以下幾種:火焰離子化檢測器FID (Flame Ionization Detector)、熱導檢測器TCD (Thermal Conductivity Detector)、電子俘獲檢測器ECD (Electron Capture Detector),氮磷檢測器NPD (Nitrogen Phosphor Detector)、火焰光度檢測器FPD (Flame Photometric Detector)、質譜檢測器MSD (Mass Spectrometry Detector)，本文主要介紹TCD和FID兩種檢測器

(1)熱導檢測器TCD (Thermal Conductivity Detector)，其基本原理是每種物質都有導熱能力，而且導熱的能力大小不同，通過一個熱敏電阻來測定與熱敏電阻接觸的氣體組成變化情況。這種檢測方式雖然不是靈敏的，但是對所有樣品都有響應，是通用型的檢測器。

(2)火焰離子化檢測器FID (Flame Ionization Detector)一般用的是氫火焰，其原理是在氫氣燃燒時，在火焰的上方會有一個溫度很高的區(qū)域，樣品在這個區(qū)域被離子化，形成一些正負離子，在火焰的周圍加上一個電場，讓離子定向移動，形成電流，經過一系列放大后得到放大信號，也就是檢測到的信號。

FID只對有機化合物有響應，為選擇性的檢測器。但是它的靈敏度較高，應用為廣泛，一般儀器上都是配雙柱雙氣路雙檢測器，單柱抗干擾能力差，穩(wěn)定時間長，雙柱的干擾一正一負正好抵消。

2.2色譜儀新增功能分析

為了豐富色譜儀的功能，提高其智能化和自動化水平，擬開發(fā)增添新型功能。主要包括:

1.圖譜顯示功能分析

圖譜顯示是用來對被測信號尖峰的頻率、幅值進行分析，用來研究被分析對象動態(tài)特性的主要手段。運用精密運放、A/D轉換芯片和大屏幕液晶可實現(xiàn)實時曲線在線顯示，使操作者能夠及時了解儀器的運行狀態(tài)。本文中圖譜顯示主要有以下方面的功能:(1)協(xié)調整機軟件及硬件的操作和運行，實現(xiàn)數據采集、處理、儀器標定等操作的自動化;(2)提供方便的人機對話界面，使用戶可以通過圖譜顯示界面來控制、監(jiān)視或調整儀器的運行狀態(tài)，得到正確的分析結果。

2.自動調零功能分析

自動調零是一種動態(tài)地抵消失調電壓和失調電壓漂移的技術，它能將相對輸入端的失調電壓降低到pV級［26]。系統(tǒng)自動調零用以去掉輸入電路、放大電路及模數轉換所帶來的偏移和隨時間、溫度而產生的各種漂移的影響。

色譜儀傳統(tǒng)調零方法通過控制面板上安裝的機械電位器進行手動調整。本文基于手動調零法和現(xiàn)代IC技術，提出了一種自動調零法，該算法采用軟件自動控制硬件的方法，方便、快捷地實現(xiàn)了自動調零。算法的基本思想是:通過模擬手動調零的步驟，將測量值與預先設定的閡值進行比較，判斷是否歸零;若不為零，改變補償信號大小;重復以上步驟，直至歸零。該方法采用軟件自動控制調節(jié)的方法，實現(xiàn)了儀器調零自動化。

惠州華高儀器氣相色譜儀

3.氣相色譜儀自動進樣控制系統(tǒng)

色譜儀采用手動進樣方式進樣時,操作不慎或注樣口隔墊漏氣,會造成樣品流失。每次抽取的樣品量不同,注樣間隔不相等,這些都有可能造成一定的偏差。自動進樣系統(tǒng)可以克服常規(guī)分析的缺陷,提高分析精度,并使進樣及部分樣品準備工作自動進行。自動進樣器每次抽取的樣品量相同,進樣間隔相等,確保更高的分析精度。