气相色谱仪原理和操作基础

气相色谱仪原理和操作基础

一、基本原理

气相色谱是对气体物质或可以在一定温度下转化为气体的物质进行检测分析。由于物质的物性不同，其试样中各组份在气相和固定液液相间的分配系数不同，当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同， 虽然载气流速相同，各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定时间的流动后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的讯号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰。 根据出峰位置，确定组分的名称，根据峰面积确定浓度大小。

二、对-个混合试样成功地分离，是气相色谱法完成定性及定量分析的前提和基础。而其中气相色谱分离条件的选择至为关键。主要涉及以下几个方面：

1. 载气对柱效的影响：

载气对柱效的影响主要表现在组分在载气中的扩散系数Dm(g)上，它与载气分子量的平方根成反比，即同一组分在分子量较大的载气中有较小的Dm(g) 。根据速率方程：

（1）涡流扩散项与载气流速无关；

（2）当载气流速 u 小时，分子扩散项对柱效的影响是主要的，因此选用分子量较大的载气，如 N2、Ar，可使组分的扩散系数 Dm(g)较小，从而减小分子扩散的影响，提高柱效；

（3）当载气流速 u 较大时，传质阻力项对柱效的影响起主导作用，因此选用分子量较小的气体，如 H2、He 作载气可以减小气相传质阻力，提高柱效。

2. 载气流速（u）对柱效的影响：

从速率方程可知，分子扩散项与流速成反比，传质阻力项与流速成正比，所以要使理论塔板高度H最小，柱效最高，必有一最佳流速。对于选定的色谱柱，在不同载气流速下测定塔板高度，作 H-u 图。

由图可见，曲线上的最低点，塔板高度最小，柱效最高。该点所对应均流速即为最佳载气流速。在实际分析中，为了缩短分析时间，选用的载气流速稍高于最佳流速。

3. 固定液的配比 又称为液担比。

从速率方程式可知，固定液的配比主要影响Csu，降低df，可使Csu减小从而提高柱效。但固定液用量太少，易存在活性中心，致使峰形拖尾；且会引起柱容量下降，进样量减少。在填充柱色谱中，液担比一般为 5％～25％。

4. 柱温的选择

柱温是影响气相色谱分离的重要参数之一，主要影响来自于K、k、Dm(g)、Ds(l)；从而直接影响分离效能和分析速度。柱温与 R和 t 密切相关。提高 t，可以改善 Cu，有利于提高 R，缩短 t。但是提高柱温又会增加B/u 导致 R 降低，r21变小。但降低 t 又会使分析时间增长。

在实际分析中应兼顾这几方面因素，选择原则是在是在难分离物质对能得到良好的分离，分析时间适宜且峰形不托尾的前提下，尽可能采用较低的柱温。同时，选用的柱温不能高于色谱柱中固定液的最高使用温度（通常低20-50℃）。 对于沸程宽的多组分混合物可采用“程序升温法”，可以使混合物中低沸点和高沸点的组分都能获得良好的分离。 气化温度的选择

气化温度的选择主要取决于待测试样的挥发性、沸点范围。稳定性等因素。气化温度一般选在组分的沸点或稍高于其沸点，以保证试样完全气化。对于热稳定性较差的试样，气化温度不能过高，以防试样分解。

色谱柱长和内径的选择

能使待测组分达到预期的分离效果，尽可能使用较短的色谱柱。一般常用的填充柱为l～3m。填充色谱柱内径为3～4mm。

7. 进样时间和进样量的选择

进样迅速（塞子状）以防止色谱峰扩张；

进样量要适当：在检测器灵敏度允许下，尽可能少的进样量：液体样0.1～10ul，气体试样为0.1～10ml。

8. 燃气和助燃气的比例

在气相色谱分析中，燃气和助燃气的比例会严重的影响组分的分离，一般两者的比例为1：8~1：15。

而真正实现对-个混合试样成功地分离，色谱条件的选择中最为关键的是色谱柱的选择、柱温的选择、载气的选择及其流速的确定、燃气和助燃气的比例等。

衡量气相色谱分离好坏的程度可用分离度R表示：

式中，tR2，Y2和tR1，Y1分别是两个组分的保留时间和峰底宽，如图所示。当R＝1.5时，两峰完全分离；当R=1.0时，98％的分离。在实际应用下，R＝1.0时一般可以满足需要。

用色谱法进行定性分析的任务是确定色谱图上每一个峰所代表购物质。在色谱条件确定时，任何一种物质都有确定的保留值、保留时间、保留体积、保留指数及相对保留值等保留参数。因此，在相同的色谱操作条件下，通过比较已知纯样和未知物的保留参数或在固定相上的位贸，即可确定未知物为何种物质。

当手头上有待测组分的纯样时，作与巴知物的对照进行定性分析极为简单。实验时，可采用单柱比较法、峰高加入法或双柱比较法。

单柱比较法是在相同的色谱条件下，分别对已知纯样及待测试样进行色谱分析．得到两张色谱图，然后比较其保留参数。当两者的数值相同时，即可认为待测试样中有纯佯组分存在。双柱比较法是在两个极性完全不同的色谱住上，在各自确定的操作条件下，测定纯样和待测组分在其上的保留参数，如果都相同，则可准确地判断试样中有与此纯样相同的物质存在。由于有些不同的化合物会在某一固定相上表现出相向的热力学性质，故双柱法定性比单柱法更为可靠。

在一定的色谱条件下，组分i的质量mi或其在流动相中的浓度，与检测器的响应讯号峰面积Ai或峰高hi，成正比： 或 ，

式中，和称为绝对校正因子。这是是色谱定量的依据。响应信号Ai、hi及校正因子和的淮确测量直接影响定量分析的准确度。而其中峰面积更适于作为定量分析的参数。现代色谱仪或工作站中一般都能准确测量色谱峰面积。

绝对校正因子可用下式表示：

式中，Mi可用质量、物质的量及体积等物理量表示，糊应的校正因子分别称为质量校正因子、摩尔校正因子和体积校正因子。由于绝对校正因子受仪器和操作条件的影响很大，其应用受到限制，一般采用相对校正因子。相对校正因子是指组分i与基准组分s的绝对校正因子之比，即：

根据不同的情况，可选用不同的定量方法。归一化法是将样品巾所有组分合量之相按100％计算，以它们相应的响应信号为定量参数，从而计算各组分的质量分数。该法简便、准确。当操作条件变化时，对分析结果影响较小，常用于定量分析，尤其适于进佯量少而体积不易准确测量的液体试样。但采用本法进行定量分析时，要求试样中各组分产生可测量的色谱峰。

三、仪器和试剂

1.气相色谱仪 任一型号

2.氮气或氢气钢瓶

3.微量进样器 10μL，医用注射剂 5ｍＬ， 10ｍＬ

4.色谱条件 色谱柱：苯系物专用检测柱（2mm×2m不锈钢填充柱，其最高耐受温度105℃），气化室温度：150℃，检测器温度：150℃，载气（N2）流速：30~50mL/min，燃烧气（H2）流速：40~50mL/min，助燃气（空气）流速：400~500mL/min，柱温：65℃~100℃。 初始色谱条件：气化室温度：150℃，检测器温度：150℃，载气（N2）流速：30mL/min，燃烧气（H2）流速：40mL/min，助燃气（空气）流速：400mL/min，柱温：65℃。

5.苯、甲苯、乙苯、正己烷等均为分析纯。

四、试验步骤

样品的配制：分别取取苯、甲苯及乙苯各50μL，用正己烷稀释至50mL容量瓶中，密封摇匀。

样品的测定：先按照初始条件设定色谱条件，待仪器的电路和气路系统达到平衡，记录仪上的基线平直时，既可进样。吸取2uL标准样品注入汽化室，记录色谱图，采集色谱数据。重复进样两次。进样后及时在记录纸上，于进样信号处标明标准溶液号码，注意每做完一种标准溶液需用后一种待进样标准溶液洗涤微量进样器5~6次。

柱温的选择： 改变柱温：65℃、75℃、85℃，同上测试，判断柱温对分离的影响。 载气流速的选择：改变不同的载气流速，同上测试，判断柱温对分离的影响。

燃气和助燃气的比例的选择：改变燃气和助燃气的比例，同上测试，判断柱温对分离的影响。

五﹑ 数据及处理

记录初始实验条件下的色谱条件及色谱结果（各自组分及对应保留时间）。并根据单一标准样的保留时间确定混合样品中各峰的物质名称。

记录实验条件：

（1）色谱柱的柱长及内径：

（2）载气及其流量：

（3）燃气及其流量：

（4）助燃气及其流量：

（5）柱温：

（6）检测器及检测温度：

（7）汽化室温度：

记录各色谱图上各组分色谱峰的保留时间值，并填入下表中。

编号t苯t甲苯t乙苯

123平均值123平均值123平均值

单标

混合样

采用混合标样作为样品，改变柱温：65℃、75℃、85℃，同上测试，记录各色谱图上各组分色谱峰的保留时间值，并填入下表中。判断柱温对分离的影响。

温度t苯t甲苯t乙苯

123平均值123平均值123平均值

65℃

75℃

85℃

如果时间许可，可以以混合标样作为样品尝试改变不同的载气流速，改变燃气和助燃气

的比例，判断柱温对分离的影响。

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