基础医学色谱分析技术和色谱分析仪器

1、第五章第五章 色谱分析技术和色谱色谱分析技术和色谱 分析仪器分析仪器 色谱仪器是近几十年来迅速发展起来的一类新型色谱仪器是近几十年来迅速发展起来的一类新型 分离分析仪器，主要用于复杂的多组分混合物的分离、分离分析仪器，主要用于复杂的多组分混合物的分离、 分析。分析。 本章将系统介绍有关色谱仪器的原理、结构和使本章将系统介绍有关色谱仪器的原理、结构和使 用。用。 第五章 色谱分析技术和色谱分析仪器 第一节 色谱法概述 第二节 气相色谱仪 第三节 高效液相色谱仪 第四节 色谱仪的数据处理系统 第五章 色谱分析技术和色谱分析仪器 目 录 引言 本章内容小结 色谱法（色谱法（chromatograph

2、ychromatography）是一种物理分离技）是一种物理分离技 术，实质上是利用混合物中各个组分在互不相溶的术，实质上是利用混合物中各个组分在互不相溶的 两相（固定相和流动相）之间的分配的差异而使混两相（固定相和流动相）之间的分配的差异而使混 合物得到分离的一种方法，也有人称之为色层法、合物得到分离的一种方法，也有人称之为色层法、 层析法等。层析法等。 第一节 色谱法概述 引 言 色谱仪（色谱仪（chromatographchromatograph）的实质是利用色谱）的实质是利用色谱 分离技术再加上检测技术，对混合物进行先分离后分离技术再加上检测技术，对混合物进行先分离后 检测，从而实现对

3、多组分的复杂混合物进行定性、检测，从而实现对多组分的复杂混合物进行定性、 定量分析。定量分析。 第一节 色谱法概述 色谱分离中的两相是指系统具有一个有大比表色谱分离中的两相是指系统具有一个有大比表 面积的固定相（面积的固定相（stationary phasestationary phase）（可以是固体）（可以是固体 或以某种方式固定了的液体）和一个能携带待分离或以某种方式固定了的液体）和一个能携带待分离 混合物流过固定相的所谓流动相（混合物流过固定相的所谓流动相（mobile phasemobile phase） （可以是气体或液体）。（可以是气体或液体）。 第一节 色谱法概述 色谱工作就是

4、根据被测样品（混合物）的性质，色谱工作就是根据被测样品（混合物）的性质， 选择适当的两相和其他操作条件，利用分离系统将各选择适当的两相和其他操作条件，利用分离系统将各 个组分分离开来，通过检测系统进行定性、定量分析。个组分分离开来，通过检测系统进行定性、定量分析。 具有高分辨率、高灵敏度、样品量少且速度较快、结具有高分辨率、高灵敏度、样品量少且速度较快、结 果准确等优点，是分析混合物的有效方法。果准确等优点，是分析混合物的有效方法。 第一节 色谱法概述 第一节 色谱法概述 目 录 一、色谱法的研究进展 二、色谱分离的基本原理 三、色谱仪的分类及特点 四、色谱仪的输出信息 五、色谱技术在临床检验

5、中的应用 一、色谱法的研究进展一、色谱法的研究进展 19031903年至年至19061906年俄国植物学家茨维特（年俄国植物学家茨维特（TswettTswett） 首先利用分离及分析技术进行植物色素方面的研究，首先利用分离及分析技术进行植物色素方面的研究， “色谱色谱”因此而得名。因此而得名。 19311931年，文特斯汀（年，文特斯汀（Winterstein)Winterstein)开始将这种分开始将这种分 离技术应用于无色物质的分离。离技术应用于无色物质的分离。 第一节 色谱法概述 1952 1952年，马丁（年，马丁（MartinMartin）等人提出了气液（分）等人提出了气液（分 配）

6、色谱法，正式推出了气相色谱技术，为色谱技配）色谱法，正式推出了气相色谱技术，为色谱技 术及色谱仪的发展开辟了广阔的前景。在术及色谱仪的发展开辟了广阔的前景。在5050年代年代 6060年代，气相色谱仪的发展速度几乎居各类分析仪年代，气相色谱仪的发展速度几乎居各类分析仪 器的首位。器的首位。 第一节 色谱法概述 液相色谱技术的发展相当缓慢。直到液相色谱技术的发展相当缓慢。直到6060年代初，年代初， 由于高压技术、高效固定相、检测技术的发展以及电子、由于高压技术、高效固定相、检测技术的发展以及电子、 计算机技术等方面的新成就的不断涌现，才给液相色谱计算机技术等方面的新成就的不断涌现，才给液相色谱

7、 技术及液相色谱仪的发展创造了有利条件，使它在技术及液相色谱仪的发展创造了有利条件，使它在7070 年代迅速发展起来。年代迅速发展起来。 第一节 色谱法概述 目前气相色谱仪和液相色谱仪都已发展成熟厂家目前气相色谱仪和液相色谱仪都已发展成熟厂家 在生产此类仪器，应用也十分普遍。在生产此类仪器，应用也十分普遍。 采用微处理器自动控制可以通过键盘操作完成色采用微处理器自动控制可以通过键盘操作完成色 谱条件的设定、控制和对仪器工作状态的监控，色谱谱条件的设定、控制和对仪器工作状态的监控，色谱 输出信息也可通过接口电路送入计算机进行计算、标输出信息也可通过接口电路送入计算机进行计算、标 定、测量与分析，

8、最后用打印机等输出设备给出需要定、测量与分析，最后用打印机等输出设备给出需要 的结果。的结果。 第一节 色谱法概述 色谱仪的联用技术也越来越受到广泛的重视，色谱仪的联用技术也越来越受到广泛的重视， 如气相色谱仪和质谱仪的联用已十分普及，液相色如气相色谱仪和质谱仪的联用已十分普及，液相色 谱仪与质谱仪的联用也在不断发展。微机化和联用谱仪与质谱仪的联用也在不断发展。微机化和联用 技术在目前的色谱仪中既已普遍采用又在不断向纵技术在目前的色谱仪中既已普遍采用又在不断向纵 深发展。深发展。 第一节 色谱法概述 在气相色谱仪中，除常用的填充柱气相色谱仪在气相色谱仪中，除常用的填充柱气相色谱仪 外，由于毛细

9、管柱尤其是大口径毛细管柱的发展，外，由于毛细管柱尤其是大口径毛细管柱的发展， 毛细管柱气相色谱仪由于其强大的分离效能也得到毛细管柱气相色谱仪由于其强大的分离效能也得到 了越来越普遍的应用。了越来越普遍的应用。 第一节 色谱法概述 在液相色谱仪中，用得最多的还是高效液相色谱在液相色谱仪中，用得最多的还是高效液相色谱 仪，但随著生物技术和生物医学工程学科的发展，制仪，但随著生物技术和生物医学工程学科的发展，制 备型液相色谱仪、低压液相色谱仪、超临界流体色谱备型液相色谱仪、低压液相色谱仪、超临界流体色谱 仪（特别是毛细管超临界流体色谱仪）、膜色谱技术、仪（特别是毛细管超临界流体色谱仪）、膜色谱技术、

10、 离子色谱仪也在不断研究、开发和应用。离子色谱仪也在不断研究、开发和应用。 第一节 色谱法概述 二、基本原理二、基本原理 色谱是利用待分离的样品组分在两相中分配的色谱是利用待分离的样品组分在两相中分配的 差异而实现分离的。差异而实现分离的。 第一节 色谱法概述 第一节 色谱法概述 检测器色谱柱（固定相） 样品组分 123 流动相流动相流动相流动相流动相流动相 时间（t） 响 应 R 图5.1 色谱分离原理示意图 进样峰 1 2 3 1 1 2 2 2 3 3 3 3 由此可见，色谱分离的两要素是互不相溶的两由此可见，色谱分离的两要素是互不相溶的两 相（流动相及固定相）以及样品（混合物）各组分相

11、（流动相及固定相）以及样品（混合物）各组分 在两相中分配的差异，它是决定色谱最终分离结果在两相中分配的差异，它是决定色谱最终分离结果 好坏的基础。好坏的基础。 第一节 色谱法概述 三、色谱仪的分类及其特点三、色谱仪的分类及其特点 1.1.色谱仪的分类色谱仪的分类 目前比较成熟的主要是气相色谱仪与液相色谱仪目前比较成熟的主要是气相色谱仪与液相色谱仪 （高效液相色谱仪）两大类。仪器的组成极为相似，（高效液相色谱仪）两大类。仪器的组成极为相似， 主要由流动相供给、进样、分离（色谱柱）、检测、主要由流动相供给、进样、分离（色谱柱）、检测、 数据处理记录、温度控制和其他控制系统等组成。数据处理记录、温度

12、控制和其他控制系统等组成。 第一节 色谱法概述 气相色谱仪具有高分辨率、高速度、高灵敏度及气相色谱仪具有高分辨率、高速度、高灵敏度及 选择性好等优点。但只能用于被气化物质的分离、检测，选择性好等优点。但只能用于被气化物质的分离、检测， 而常压下可气化或可定量转变为气化的衍生物的物质，而常压下可气化或可定量转变为气化的衍生物的物质， 其总的比例大约只占几百万种化合物的其总的比例大约只占几百万种化合物的2020左右。大左右。大 部分物质不能被气化，因而也就不能用气相色谱法。部分物质不能被气化，因而也就不能用气相色谱法。 第一节 色谱法概述 液相色谱的样品无需气化而直接导入色谱柱进行分液相色谱的样品

13、无需气化而直接导入色谱柱进行分 离、检测，特别适用于气化时易分解物质的分离、分析。离、检测，特别适用于气化时易分解物质的分离、分析。 约有约有7070左右的有机物能分析。通常认为有机物质分子左右的有机物能分析。通常认为有机物质分子 量量400400时，用气相色谱仪；在时，用气相色谱仪；在40040010001000时，最好用时，最好用 高效液相色谱仪；高效液相色谱仪；10001000时用凝胶色谱时用凝胶色谱( (排阻色谱排阻色谱) )。 第一节 色谱法概述 2.2.色谱仪的特点色谱仪的特点 根据色谱分离的基本原理可以看出：色谱仪的主根据色谱分离的基本原理可以看出：色谱仪的主 要特点是可以对混合

14、物进行多组分分析或全分析。仪要特点是可以对混合物进行多组分分析或全分析。仪 器结构简单，操作使用方便，具有应用范围广、样品器结构简单，操作使用方便，具有应用范围广、样品 用量少、高选择性、高效能、高速度以及高灵敏度等用量少、高选择性、高效能、高速度以及高灵敏度等 优点。优点。 第一节 色谱法概述 （1 1）应用范围广是指色谱仪可用于所有化合物的分离和）应用范围广是指色谱仪可用于所有化合物的分离和 分析，既能对有机物、无机物、低分子或高分子化合物，分析，既能对有机物、无机物、低分子或高分子化合物， 又能对有生物活性的生物大分子分离和测定。又能对有生物活性的生物大分子分离和测定。 （2 2）样品用

15、量少是指色谱仪用极少的样品就能完成一次）样品用量少是指色谱仪用极少的样品就能完成一次 分离及分析，进而可以实现痕量分析、微量分析。分离及分析，进而可以实现痕量分析、微量分析。 第一节 色谱法概述 （3 3）高选择性是指对性质极为相近的物质，如同位素、）高选择性是指对性质极为相近的物质，如同位素、 同分异构体等，通过选取适当的固定相及流动相和分离条同分异构体等，通过选取适当的固定相及流动相和分离条 件，可实现分离及分析。件，可实现分离及分析。 （4 4）高效能是指色谱分析能够分析分配系数极为接近的）高效能是指色谱分析能够分析分配系数极为接近的 组分，从而可分离并分析极为复杂的混合物。组分，从而可

16、分离并分析极为复杂的混合物。 第一节 色谱法概述 （5 5）高灵敏度是指色谱仪能分析含量极微的物质，如）高灵敏度是指色谱仪能分析含量极微的物质，如 气相可检出气相可检出1010-11 -11g g 1010 1313g g物质。液相也接近此精度。 物质。液相也接近此精度。 （6 6）色谱仪的分析速度较快，只需几分钟至几十分钟）色谱仪的分析速度较快，只需几分钟至几十分钟 就可完成一个样品的分析工作。就可完成一个样品的分析工作。 第一节 色谱法概述 与光谱仪、质谱仪等分析仪器相比较，色谱仪与光谱仪、质谱仪等分析仪器相比较，色谱仪 的突出优点是对多组分混合物分离、分析能力较强，的突出优点是对多组分混

17、合物分离、分析能力较强， 其分析灵敏度与质谱仪接近，比光谱仪高。而且造其分析灵敏度与质谱仪接近，比光谱仪高。而且造 价低，使用方便。价低，使用方便。 第一节 色谱法概述 色谱仪最大的不足之处是难于分析未知物。因此，色谱仪最大的不足之处是难于分析未知物。因此， 可以将其与光谱仪、质谱仪联合起来使用，优势互补，可以将其与光谱仪、质谱仪联合起来使用，优势互补， 形成色谱形成色谱- -光谱法、色谱光谱法、色谱- -质谱法联用技术，再配备上质谱法联用技术，再配备上 微机进行自动控制与信息处理。多机联用与微机化、微机进行自动控制与信息处理。多机联用与微机化、 自动化是现代分析仪器发展的重要趋势。自动化是现

18、代分析仪器发展的重要趋势。 第一节 色谱法概述 四、色谱仪的输出信息四、色谱仪的输出信息 1.1.色谱图（色谱图（chromatogramchromatogram） 表明已被色谱柱分离的物质流过检测器的含量表明已被色谱柱分离的物质流过检测器的含量 与时间的关系。与时间的关系。 第一节 色谱法概述 图5.2 色谱图 检 测 器 的 响 应 R 基线 b 进 样 峰 进 样 峰 a 进 样 峰 h 1 2 3 时间t(min)tRa tR1 tR2 tR3 第一节 色谱法概述 2.2.基线（基线（base linebase line） 是图中与时间轴平行是图中与时间轴平行t t的记录线的记录线b

19、b。它表明纯流动。它表明纯流动 相流过检测器时所产生的响应。判断基线稳定与否的标相流过检测器时所产生的响应。判断基线稳定与否的标 准是基线稳定性，即基线准是基线稳定性，即基线b b与时间轴与时间轴t t平行或偏离的程平行或偏离的程 度。度。 第一节 色谱法概述 3.3.色谱峰色谱峰 检测器的输出信号随流入组分的浓度或质量的变化检测器的输出信号随流入组分的浓度或质量的变化 出一个个的峰形，即为色谱峰（出一个个的峰形，即为色谱峰（chromatographic chromatographic peakpeak）。色谱峰所包围的面积称为峰面积，是色谱定量）。色谱峰所包围的面积称为峰面积，是色谱定量

20、分析的基础。色谱峰最高点至峰底的垂直距离称为峰高分析的基础。色谱峰最高点至峰底的垂直距离称为峰高 （peak height)hpeak height)h。 第一节 色谱法概述 进样峰（进样峰（injection peakinjection peak）是进样时操作条件被）是进样时操作条件被 干扰出现的，也可在进样时通过连动装置进行标记，是干扰出现的，也可在进样时通过连动装置进行标记，是 色谱分离过程中时间的起点。空气峰（色谱分离过程中时间的起点。空气峰（air peakair peak）是）是 由于空气等物质不被固定相吸收，最先被流动相冲洗出由于空气等物质不被固定相吸收，最先被流动相冲洗出 来到

21、达检测器而形成的峰形。来到达检测器而形成的峰形。 第一节 色谱法概述 4.4.保留时间保留时间 从进样开始到出现色谱峰最大值所需的时间为保留从进样开始到出现色谱峰最大值所需的时间为保留 时间（时间（re-tention timere-tention time）。常用）。常用t tR R（组分名） （组分名）（或简写为 （或简写为 t tR R）表示，如）表示，如t tR1 R1、 、t tR2 R2等，单位为 等，单位为minmin。与保留时间有关。与保留时间有关 的其他参数，如保留体积、校正保留时间等，统称保留的其他参数，如保留体积、校正保留时间等，统称保留 参数。参数。 第一节 色谱法概述

22、 5.5.死时间死时间 死时间（死时间（dead timedead time）是指惰性物质组分，从注入）是指惰性物质组分，从注入 到出现峰的最高点所需时间，若组分是空气，用符号到出现峰的最高点所需时间，若组分是空气，用符号t t0 0 表示，单位为表示，单位为minmin。死体积（。死体积（dead volumedead volume）指色谱柱）指色谱柱 内流动相的体积，在实际中包括从进样系统到检测器的内流动相的体积，在实际中包括从进样系统到检测器的 体积。体积。 第一节 色谱法概述 五、色谱技术在临床检验中的应用五、色谱技术在临床检验中的应用 气相色谱仪常用于人体微量元素的快速分析，血气相色

23、谱仪常用于人体微量元素的快速分析，血 与尿等体液中的脂肪酸、氨基酸、甘油三酸酯、甾族与尿等体液中的脂肪酸、氨基酸、甘油三酸酯、甾族 化合物、糖类、蛋白质、维生素、巴比妥酸等化合物化合物、糖类、蛋白质、维生素、巴比妥酸等化合物 的分析，分析鉴定药物的组成和含量、检测人体的代的分析，分析鉴定药物的组成和含量、检测人体的代 谢产物，通过气相色谱仪串联质谱，在谢产物，通过气相色谱仪串联质谱，在“兴奋剂兴奋剂”检检 测中可分析测中可分析100100余种违禁药品等。余种违禁药品等。 第一节 色谱法概述 高效液相色谱仪可以应用在：分析人体体液内正常高效液相色谱仪可以应用在：分析人体体液内正常 与异常代谢物质

24、；分析药物的组成和含量，在药物生产与异常代谢物质；分析药物的组成和含量，在药物生产 中进行中间控制；分析药物在体内的残留量，测定药物中进行中间控制；分析药物在体内的残留量，测定药物 在各器官中的代谢产物，进行治疗药物效果的监测（治在各器官中的代谢产物，进行治疗药物效果的监测（治 疗药物检测疗药物检测) )；定性测定细胞核中的核苷及核苷酸，分；定性测定细胞核中的核苷及核苷酸，分 析核酸以及分析氨基酸、酶、糖；激素水平的测定，微析核酸以及分析氨基酸、酶、糖；激素水平的测定，微 生物的鉴定等。生物的鉴定等。 第一节 色谱法概述 一台典型的气相色谱仪主要由气路系统、进样系一台典型的气相色谱仪主要由气路

25、系统、进样系 统、分离系统统、分离系统( (色谱柱色谱柱) )、检测系统、温度控制系统、检测系统、温度控制系统、 数据处理、记录系统及电源、电子线路等构成。数据处理、记录系统及电源、电子线路等构成。 第二节 气相色谱仪 国产气相色谱仪 第二节 气相色谱仪 国外产气相色谱仪 载 气 源 减 压 阀 净 化 器 稳 压 阀 稳 流 阀 进 样 气 化 色 谱 柱 检 测 器 放 大 器 记 录 仪 温度控制系统 图5.3 气相色谱仪方框图 第二节 气相色谱仪 第二节 气相色谱仪 一、气路系统 二、进样系统 三、气相色谱柱及温度控制 四、程序升温气相色谱法 五、气相色谱仪常用检测器 六、气相色谱仪的

26、操作 目 录 一、气路系统一、气路系统 气相色谱仪的气路系统通常由载气源、减压阀、气相色谱仪的气路系统通常由载气源、减压阀、 净化器、稳压阀、稳流阀、柱子及全部连接管道构成。净化器、稳压阀、稳流阀、柱子及全部连接管道构成。 气路系统的目的是向色谱柱提供质地洁净、流动平稳的气路系统的目的是向色谱柱提供质地洁净、流动平稳的 流动相。流动相。 第二节 气相色谱仪 （一）载气源和减压阀（一）载气源和减压阀 载气一般选用氦气、氮气、氢气或氩气。贮存载气一般选用氦气、氮气、氢气或氩气。贮存 在高压气瓶中。减压阀作用是把气体的压强从在高压气瓶中。减压阀作用是把气体的压强从 10MPa10MPa15MPa15

27、MPa的高压降低到的高压降低到0.2MPa0.2MPa0.4MPa0.4MPa的工作的工作 压强。压强。 第二节 气相色谱仪 10 图5-4 减压阀结构示意图 1调节手轮 2弹簧 3隔膜 4提升针阀 5出口腔 6入口腔 7气体入口 8高压压力表 9气体出口 10低压压力表 9 8 7 6 54 3 2 1 第二节 气相色谱仪 （二）净化器（二）净化器 载气中一般含有水、碳氢化合物、二氧化碳和其载气中一般含有水、碳氢化合物、二氧化碳和其 他惰性气体。他惰性气体。 载气是否净化对检测器的稳定性和响应载气是否净化对检测器的稳定性和响应 的影响的严重程度与检测器的灵敏度的增加成正比。净的影响的严重程度

28、与检测器的灵敏度的增加成正比。净 化器主要对载气净化，去掉其中的水分、有机烃类杂质。化器主要对载气净化，去掉其中的水分、有机烃类杂质。 第二节 气相色谱仪 （三）稳压阀和稳流阀（三）稳压阀和稳流阀 用于控制载气流量和压强，保证载气的平稳性。用于控制载气流量和压强，保证载气的平稳性。 均为机械负反馈形式，通过波纹管压缩、伸张或弹性膜均为机械负反馈形式，通过波纹管压缩、伸张或弹性膜 片受力改变产生机械作用，带动入气口或出气口的改变，片受力改变产生机械作用，带动入气口或出气口的改变， 引起气体流量的变化，从而调整压强或流量，达到载气引起气体流量的变化，从而调整压强或流量，达到载气 流量或压强恒定的目

29、的。流量或压强恒定的目的。 第二节 气相色谱仪 P S PI 6 5 43 2 1 图5-5 稳压阀示意图 1阀座 2针形阀(或平面阀) 3波纹管 4弹簧 5手柄 6阀杆 A B 第二节 气相色谱仪 2 1 P1 P4 P2 P3 B A 4 3 图5-6 稳流阀示意图 1弹性膜片 2上游反馈管 3手柄 4针阀 第二节 气相色谱仪 二、进样系统二、进样系统 进样系统由载气预热器、取样器、样品分流器和进进样系统由载气预热器、取样器、样品分流器和进 样气化装置等组成。进样系统的要求一方面是准确定量，样气化装置等组成。进样系统的要求一方面是准确定量， 迅速注入。另一方面气态或经气化的样品能在载气中形

30、迅速注入。另一方面气态或经气化的样品能在载气中形 成一个窄带集中地进入色谱柱，否则测量结果将毫无意成一个窄带集中地进入色谱柱，否则测量结果将毫无意 义。义。 第二节 气相色谱仪 （一）载气预热器、取样器（一）载气预热器、取样器 载气预热器是一种可以给载气加热的装置，主载气预热器是一种可以给载气加热的装置，主 要是为了防止气化后的样品遇上冷的载气而被冷凝要是为了防止气化后的样品遇上冷的载气而被冷凝 下来，影响样品的分离。下来，影响样品的分离。 第二节 气相色谱仪 液体样品进入色谱柱的最普通的方法是使用微液体样品进入色谱柱的最普通的方法是使用微 升注射器。样品量在升注射器。样品量在1l1l10l1

31、0l之间。常用之间。常用5l5l和和 10l10l注射器。当是气态样品时，必须有一个理想规注射器。当是气态样品时，必须有一个理想规 格（格（0.1ml0.1ml5ml5ml）的气密注射器。）的气密注射器。 第二节 气相色谱仪 为了取样的准确性，常选用专门的取样阀取样。为了取样的准确性，常选用专门的取样阀取样。 气体取样阀按其结构通常分为膜片式、拉动式和旋气体取样阀按其结构通常分为膜片式、拉动式和旋 转式几种。也可按样品和载气分为四通、六通、十转式几种。也可按样品和载气分为四通、六通、十 通阀等类型。以旋转式六通阀最为常用。通阀等类型。以旋转式六通阀最为常用。 第二节 气相色谱仪 载气 接柱 载

32、气接柱 图5-7 六通阀工作原理示意图 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 21 7 第二节 气相色谱仪 （二）进样气化装置（二）进样气化装置 进样气化装置（或称气化器）功能是接收样品进样气化装置（或称气化器）功能是接收样品 后，立即使其气化。由于液体样品进入后在瞬间应后，立即使其气化。由于液体样品进入后在瞬间应 使其各组分完全气化，并保证组分瞬间完全气化，使其各组分完全气化，并保证组分瞬间完全气化， 而又不致于分解。而又不致于分解。 第二节 气相色谱仪 三、气相色谱柱及温度控制三、气相色谱柱及温度控制 （一）气相色谱柱（一）气相色谱柱 1.1.固定相固定相 整个气相色谱系统的核心是分

33、析柱，混合物各整个气相色谱系统的核心是分析柱，混合物各 个组分的分离就是在此完成。在使用气相色谱仪的过个组分的分离就是在此完成。在使用气相色谱仪的过 程中，优良的柱子应该具有适当的尺寸和适当的固定程中，优良的柱子应该具有适当的尺寸和适当的固定 相。相。 第二节 气相色谱仪 一般说来，非极性液态固定相最适于分离链烷烃一般说来，非极性液态固定相最适于分离链烷烃 之类的非极性混合物，而极性固定相最好是分离极性之类的非极性混合物，而极性固定相最好是分离极性 化合物，如醇或酚等。化合物，如醇或酚等。 在气固色谱中，常选用的填充吸附剂主要有强极在气固色谱中，常选用的填充吸附剂主要有强极 性的硅胶，中等极性

34、的氧化铝，非极性的活性炭以及性的硅胶，中等极性的氧化铝，非极性的活性炭以及 分子筛等。分子筛等。 第二节 气相色谱仪 2.2.柱管形状和尺寸柱管形状和尺寸 柱管形状一般有三种，即柱管形状一般有三种，即U U型管、盘形管和螺线型管、盘形管和螺线 管，其中以管，其中以U U型管最常用。型管最常用。 第二节 气相色谱仪 柱子的尺寸应对容量（样品量）和分析速度最柱子的尺寸应对容量（样品量）和分析速度最 佳化。为获得最大效率，可用内径较小、长度较长佳化。为获得最大效率，可用内径较小、长度较长 的毛细管柱。的毛细管柱。 当分析的样品量较大且分离不困难时，可用内当分析的样品量较大且分离不困难时，可用内 径较

35、大、长度较短的填充柱。径较大、长度较短的填充柱。 第二节 气相色谱仪 （二）温度控制（二）温度控制 气态样品决定了必须进行温度操作。气态样品决定了必须进行温度操作。 首先，温度对于固定相十分重要。操作时一定要知道首先，温度对于固定相十分重要。操作时一定要知道 所用固定相温度的极限，把全部操作保持在临界温度以下所用固定相温度的极限，把全部操作保持在临界温度以下 10100 0C C15150 0C C进行。这将有助于延长柱子的使用寿命和避免进行。这将有助于延长柱子的使用寿命和避免 检测器与其他装置受固定相检测器与其他装置受固定相“流失流失”所造成的污染。所造成的污染。 第二节 气相色谱仪 其次，

36、在气相色谱仪中，温度不仅对样品在色谱其次，在气相色谱仪中，温度不仅对样品在色谱 柱上的分离过程有很大影响，对许多检测器（如热导、柱上的分离过程有很大影响，对许多检测器（如热导、 电子捕获、示差折光等）的检测结果也有很大影响。电子捕获、示差折光等）的检测结果也有很大影响。 即温度的测控与色谱仪的正常工作及其测量结果的可即温度的测控与色谱仪的正常工作及其测量结果的可 靠性有密切的关系。因此必须实行温度控制。靠性有密切的关系。因此必须实行温度控制。 第二节 气相色谱仪 控温的关键在于温度条件的稳定性。它将直接控温的关键在于温度条件的稳定性。它将直接 影响色谱柱的分离效率，保留参数的重复性以及检影响色

37、谱柱的分离效率，保留参数的重复性以及检 测器的性能。测器的性能。 温度控制一般是通过对具有一定体积的恒温箱温度控制一般是通过对具有一定体积的恒温箱 内部的温度控制来实现的，对恒温箱主要要求可概内部的温度控制来实现的，对恒温箱主要要求可概 括为：括为： 第二节 气相色谱仪 点温度的稳定性，即测量恒温箱内部任意一点的温度，点温度的稳定性，即测量恒温箱内部任意一点的温度， 其精度一般应保持在其精度一般应保持在0.10.10.5 0.5 。 温度场的均匀性，要求恒温箱内部色谱柱的上、下端温度场的均匀性，要求恒温箱内部色谱柱的上、下端 及沿柱（不单是一根柱）任意横断面平均温度的差值不及沿柱（不单是一根柱

38、）任意横断面平均温度的差值不 超过超过1 1 。 恒温范围可以调节。恒温范围可以调节。 第二节 气相色谱仪 绝热性能好，从起动到稳定点的时间要短。绝热性能好，从起动到稳定点的时间要短。 要有足够的可用恒温空间，供装色谱柱之用。要有足够的可用恒温空间，供装色谱柱之用。 目前在色谱仪中一般通过提供电流的方式来给恒温目前在色谱仪中一般通过提供电流的方式来给恒温 箱加热，用空气浴来进行热交换。温度的调节与稳定用箱加热，用空气浴来进行热交换。温度的调节与稳定用 温度控制器来实现。温度控制器来实现。 第二节 气相色谱仪 温度控制器主要有三种形式：温度控制器主要有三种形式： （1 1）开关式。）开关式。 （

39、2 2）比例调节器式。）比例调节器式。 （3 3）三作用调节器式。）三作用调节器式。 目前用得较多的是比例式调节器。目前用得较多的是比例式调节器。 第二节 气相色谱仪 设定电阻 交流电桥 电阻感温元件 交流放大器相敏检波器触发电路 加热炉丝可控硅功率调节器 图5-8 比例调节器式温度控制器工作原理框图 第二节 气相色谱仪 四、程序升温气相色谱法四、程序升温气相色谱法 气相色谱仪的温度操作（或控制）有恒温（或定气相色谱仪的温度操作（或控制）有恒温（或定 温）和程序升温两种方式。恒温是在整个工作过程中温）和程序升温两种方式。恒温是在整个工作过程中 始终把温度控制在一个设定范围内。对于样品中各组始终

40、把温度控制在一个设定范围内。对于样品中各组 分的沸点分布范围较窄时，用恒温操作，可以得到较分的沸点分布范围较窄时，用恒温操作，可以得到较 好分离结果。好分离结果。 第二节 气相色谱仪 在样品中各组分的沸点相差较大时，一般在沸点在样品中各组分的沸点相差较大时，一般在沸点 分布范围大于分布范围大于80 80 100 100 时，采用恒温，分离效时，采用恒温，分离效 果往往就不太理想，此时必须使用程序升温。程序升温果往往就不太理想，此时必须使用程序升温。程序升温 是一般恒温色谱法的一种逻辑推广，在一台性能较为完是一般恒温色谱法的一种逻辑推广，在一台性能较为完 善的气相色谱仪中，都具有程序升温装置。善

41、的气相色谱仪中，都具有程序升温装置。 第二节 气相色谱仪 （一）恒温控制系统（一）恒温控制系统 是一种闭环负反馈自动控制系统。由恒温控制电是一种闭环负反馈自动控制系统。由恒温控制电 路、恒温箱及测温、补偿等环节构成。电路形式多样，路、恒温箱及测温、补偿等环节构成。电路形式多样， 但反馈原理类似。属于连续温度控制的方法，控温精但反馈原理类似。属于连续温度控制的方法，控温精 度比断续式温度控制高得多，因此色谱仪中大都采用度比断续式温度控制高得多，因此色谱仪中大都采用 此控温方式。此控温方式。 第二节 气相色谱仪 （二）程序升温控制系统（二）程序升温控制系统 程序升温（程序升温（temperatur

42、e programmertemperature programmer）就是）就是 使色谱柱的温度在分离的过程中按照预定的程序逐使色谱柱的温度在分离的过程中按照预定的程序逐 步增加。其目的是使样品中每个组分都在最佳的温步增加。其目的是使样品中每个组分都在最佳的温 度条件下流出色谱柱，以保持较好的峰形。度条件下流出色谱柱，以保持较好的峰形。 第二节 气相色谱仪 常用的程序升温方式有两种：线性程序（单阶线性常用的程序升温方式有两种：线性程序（单阶线性 升温）和非线性程序（多阶线性升温）。升温）和非线性程序（多阶线性升温）。 1.1.线性程序：线性程序： 即柱温即柱温T T随时间成比例地升高。可表示为

43、随时间成比例地升高。可表示为T=TT=T0 0rTrT， 式中式中T T0 0为初温，为初温， ；t t表示时间，表示时间，minmin；r r代表升温速代表升温速 度，度， /min/min。 第二节 气相色谱仪 2.2.非线性程序非线性程序 （1 1）线性恒温：适于高沸点组分较多的样品的）线性恒温：适于高沸点组分较多的样品的 分离。分离。 （2 2）恒温线性：适于低沸点组分较多的样品的）恒温线性：适于低沸点组分较多的样品的 分离。分离。 （3 3）恒温线性恒温：适于组分沸点范围很宽）恒温线性恒温：适于组分沸点范围很宽 的样品。的样品。 （4 4）多种升温速度。）多种升温速度。 第二节 气相

44、色谱仪 r t1 T 0 t 0 T 图5-9 程序升温方式 e) 多种升温速度 d) 恒线恒 c) 恒温线性 b) 线性恒温 a) 线性 T 0 r t 0 T r T1 T 0 t 0 T t2 T 1 t1 T 0 t 0 T r3 r2 t3t2 T 2 r11 1 t1 T 0 t 0 T T 1 t1 第二节 气相色谱仪 终止温度 3.3.程序升温控制方式程序升温控制方式 程序升温控制方式最常见的有机电式与电子式程序升温控制方式最常见的有机电式与电子式 两种，而以电子式最常用。两种，而以电子式最常用。 第二节 气相色谱仪 （1 1）机电式：机电式程序升温控制器通过振荡器）机电式：机

45、电式程序升温控制器通过振荡器 和环形脉冲分配器控制步进电机，使它按程序控制和环形脉冲分配器控制步进电机，使它按程序控制 单元所设置的时间线性地改变变阻器的阻值，将变单元所设置的时间线性地改变变阻器的阻值，将变 阻器的阻值作为此调节器式温度控制器的设定电阻，阻器的阻值作为此调节器式温度控制器的设定电阻， 就可以达到程序升温的目的。就可以达到程序升温的目的。 第二节 气相色谱仪 （2 2）电子式：由温度定值器和温度控制器构成。）电子式：由温度定值器和温度控制器构成。 图5-10电子式程序升温控制器原理框图 V2 V1 检测电路 升温速率选择 脉冲发生器 整形电路 初温设定与控制 D/A转换 终温设

46、定 终温控制 计数器 比较放大器 感温元件Rt 检 波 恒温箱 加热器 控制驱动 第二节 气相色谱仪 4 4程序升温操作中应注意的问题程序升温操作中应注意的问题 （1 1）升温方式：主要根据样品的性质决定。）升温方式：主要根据样品的性质决定。 （2 2）起始温度：主要根据样品中沸点最低组分的沸）起始温度：主要根据样品中沸点最低组分的沸 点决定，在其附近或稍低一点。点决定，在其附近或稍低一点。 第二节 气相色谱仪 （3 3）升温速度：升温的快慢会影响到分离效率和分析）升温速度：升温的快慢会影响到分离效率和分析 时间，可视具体样品性质而定。对于内径为时间，可视具体样品性质而定。对于内径为3mm3m

47、m6mm6mm， 长长2m2m3m3m的填充柱，升温速度的填充柱，升温速度r r一般可取一般可取3 /min3 /min8 8 /min /min，而对毛细管柱，一般选取，而对毛细管柱，一般选取0.5 /min0.5 /min2 2 /min /min为宜。为宜。 第二节 气相色谱仪 （4 4）终止温度：取决于固定液的最高使用温度及高）终止温度：取决于固定液的最高使用温度及高 沸点组分的沸点。可以以其中较低的温度为依据来确沸点组分的沸点。可以以其中较低的温度为依据来确 定终止温度。定终止温度。 第二节 气相色谱仪 检测器（检测器（detectordetector）就是将样品组分的浓度或）就是将

48、样品组分的浓度或 质量（含量）转换为电信号、并进行信号处理的一种质量（含量）转换为电信号、并进行信号处理的一种 传感装置。色谱仪除分离部分外，另一个十分重要的传感装置。色谱仪除分离部分外，另一个十分重要的 部分就是检测器。检测器性能的好坏将直接影响到色部分就是检测器。检测器性能的好坏将直接影响到色 谱仪器最终分析结果的准确性。谱仪器最终分析结果的准确性。 第二节 气相色谱仪 五、气相色谱仪常用检测器 （一）气相色谱仪检测器分类（一）气相色谱仪检测器分类 按照检测器的输出信号与物质含量的关系可以按照检测器的输出信号与物质含量的关系可以 将气相色谱仪常用检测器分为两大类，一类是积分将气相色谱仪常用

49、检测器分为两大类，一类是积分 型的检测器，另一类是微分型的检测器。型的检测器，另一类是微分型的检测器。 第二节 气相色谱仪 1.1.积分型检测器积分型检测器 积分型检测器所给出的响应与色谱柱流出物的积分型检测器所给出的响应与色谱柱流出物的 总量成正比，记录仪记录下来的色谱图是一种阶梯总量成正比，记录仪记录下来的色谱图是一种阶梯 状曲线。每一个阶梯表示一种物质从色谱柱中分离状曲线。每一个阶梯表示一种物质从色谱柱中分离 出来，而阶梯的垂直高度则与该物质的总量成比例。出来，而阶梯的垂直高度则与该物质的总量成比例。 第二节 气相色谱仪 2.2.微分型检测器微分型检测器 微分型检测器所给出的响应与已分离

50、组分在载气中微分型检测器所给出的响应与已分离组分在载气中 的浓度或质量流速有关，记录仪记录下来的色谱图就是的浓度或质量流速有关，记录仪记录下来的色谱图就是 常用的具一个个峰形的曲线，每一个峰代表一种物质的常用的具一个个峰形的曲线，每一个峰代表一种物质的 出现，峰与基线所包围的面积与样品组分的含量成比例。出现，峰与基线所包围的面积与样品组分的含量成比例。 第二节 气相色谱仪 微分型检测器又分为浓度检测器（第一类）和微分型检测器又分为浓度检测器（第一类）和 质量流速检测器（第二类）两类。质量流速检测器（第二类）两类。 （1 1）浓度型检测器的输出与已分离的组分在载气中）浓度型检测器的输出与已分离的

51、组分在载气中 的浓度成比例。色谱流出曲线上的每一点都对应于的浓度成比例。色谱流出曲线上的每一点都对应于 该瞬间组分在载气中的浓度。该瞬间组分在载气中的浓度。 第二节 气相色谱仪 第二节 气相色谱仪 时间t (min) t2t1 峰a 检 测 器 响 应 R 图5-11 浓度型检测器的输出曲线 dt 假定用某种浓度型检测器测定某一样品，其色假定用某种浓度型检测器测定某一样品，其色 谱图如图谱图如图5-115-11所示。峰所示。峰a a为某组分的响应曲线。峰为某组分的响应曲线。峰 面积为面积为A A，组分全部质量为，组分全部质量为M M，X Xa a表示该组分的瞬时表示该组分的瞬时 浓度，系统工作

52、在线性范围之内，即浓度，系统工作在线性范围之内，即K K1 1为一常数。为一常数。 第二节 气相色谱仪 则检测器的响应为：则检测器的响应为： R R1 1 = K = K1 1Xa Xa （5-15-1） K K1 1为比例系数。而为比例系数。而 X Xa a = dm = dma a/ /（dmdma a+dm+dmc c） = V = Va a/ /（V Va a+V+Vc c） （5-25-2） 式中式中dmdma a、dmdmc c分别为分别为dtdt间期流过检测器的组分和载间期流过检测器的组分和载 气的质量，气的质量，V Va a、V Vc c分别为相应质量流速。分别为相应质量流速。

53、 第二节 气相色谱仪 所以峰所以峰a a面积面积A A1 1为：为： ) 3-5 ( 1 1 1 1 11 2 1 2 1 2 1 2 1 M V K t t dm V K dt t t VV V K t t dtXK dt t t RA a ca a a 第二节 气相色谱仪 （2 2）质量流速检测器的输出信号与已分离组分流过检）质量流速检测器的输出信号与已分离组分流过检 测器的质量流速（单位时间内通过的组分质量）成比测器的质量流速（单位时间内通过的组分质量）成比 例。色谱峰上的每一点都对应于分离物质该瞬时的质例。色谱峰上的每一点都对应于分离物质该瞬时的质 量流速，系统工作在线性范围之内，即量

54、流速，系统工作在线性范围之内，即K K2 2为一常数。为一常数。 第二节 气相色谱仪 则检测器的响应为：则检测器的响应为： 式中式中K K2 2为比例系数。为比例系数。 同样可得此时峰同样可得此时峰a a面积面积A A2 2： 由此看出由此看出A A2 2与与M M成比例而与载气流速无关。成比例而与载气流速无关。 )55( 22222 2 1 2 1 2 1 MK t t dmK t t dtVKdt t t RAaa dt dm KVK a a222 R （5-4） 第二节 气相色谱仪 （二）对气相色谱仪检测器的要求及综合技术指标（二）对气相色谱仪检测器的要求及综合技术指标 1.1.灵敏度高

55、。灵敏度高。 2.2.最小检测量愈低愈好，以适应痕量分析的要求。最小检测量愈低愈好，以适应痕量分析的要求。 第二节 气相色谱仪 所谓最小检测量是指检测器能确切反应的物质所谓最小检测量是指检测器能确切反应的物质 的最低含量（指能产生二倍于噪声信号的响应时，的最低含量（指能产生二倍于噪声信号的响应时， 单位时间检测器的样品量，或单位体积载气所含样单位时间检测器的样品量，或单位体积载气所含样 品量）。即：品量）。即： ）（ 6-5 2 S R D N 第二节 气相色谱仪 3.3.线性范围要宽。线性范围要宽。 4.4.噪音要低、漂移要小。噪音要低、漂移要小。 5.5.选择性问题。选择性问题。 6.6.

56、响应时间要快。响应时间要快。 第二节 气相色谱仪 （三）气相色谱仪常用检测器（三）气相色谱仪常用检测器 1.1.热导检测器热导检测器 热导检测器（热导检测器（TCDTCD，thermal conductivity thermal conductivity detectordetector）由热导池、测量桥路、热敏元件、稳压电）由热导池、测量桥路、热敏元件、稳压电 路、信号衰减及基线调节等部分组成，具有结构简单，路、信号衰减及基线调节等部分组成，具有结构简单， 线性、稳定性好，适用面广等特点，还可与其他检测器线性、稳定性好，适用面广等特点，还可与其他检测器 联用。联用。 第二节 气相色谱仪 热导

57、检测器最基本的特点是载气和样品各组分具热导检测器最基本的特点是载气和样品各组分具 有不同的导热系数。有不同的导热系数。 图5-12 热导检测器基本原理图 记录 仪 输出电阻 E 电桥 参比 热导池 热敏元件 载气 支承丝 工作 热导池 第二节 气相色谱仪 热导检测器基本上对所有的组分都敏感，但由于样热导检测器基本上对所有的组分都敏感，但由于样 品量很小，样品组分变化带来的温度变化必然很小，同品量很小，样品组分变化带来的温度变化必然很小，同 时电桥电压也不可能太大（时电桥电压也不可能太大（20V20V50V50V）。因而热导检测）。因而热导检测 器的灵敏度（器的灵敏度（10000mV10000m

58、VmL/mg)mL/mg)不太高。最小检测量一不太高。最小检测量一 般在般在1010-6 -6g g至 至1010-8 -8g g左右，线性范围 左右，线性范围10104 4。 第二节 气相色谱仪 2.2.氢火焰离子化检测器（氢火焰离子化检测器（flame ioniza- tion flame ioniza- tion detectordetector，FIDFID） 简称氢焰检测器，是电离检测器的一种，属第二类简称氢焰检测器，是电离检测器的一种，属第二类 检测器。主要基本构成环节是：电极、电离室、离子源、检测器。主要基本构成环节是：电极、电离室、离子源、 极化电源、本底电流补偿环节以及静电计

59、、记录仪等。极化电源、本底电流补偿环节以及静电计、记录仪等。 第二节 气相色谱仪 图5-13 氢焰检测器基本原理图 R0E0 记录仪 本底电流 补偿环节 离子源 电极电离室 极化电源 第二节 气相色谱仪 氢焰检测器输出信号是电流，输出阻抗很大，其后所氢焰检测器输出信号是电流，输出阻抗很大，其后所 接的微电流放大器必须要有更高的输入阻抗，信号才能正接的微电流放大器必须要有更高的输入阻抗，信号才能正 常传递下去。可采用绝缘栅场效应管作为输入级，同时采常传递下去。可采用绝缘栅场效应管作为输入级，同时采 用较高放大倍数的负反馈放大器，以保证微电流放大器具用较高放大倍数的负反馈放大器，以保证微电流放大器

60、具 有输入阻抗高，稳定性好等特点。有输入阻抗高，稳定性好等特点。 第二节 气相色谱仪 氢焰检测器是一种选择性检测器，对含碳有机物氢焰检测器是一种选择性检测器，对含碳有机物 较敏感。由于氢焰检测器是通过电离的方式检测离子较敏感。由于氢焰检测器是通过电离的方式检测离子 流，其灵敏度高，约在流，其灵敏度高，约在1010-10 -10g/s g/s1010-12 -12g/s g/s。最小检测。最小检测 量可达量可达1010-11 -11g/s g/s1010-13 -13g/s g/s。线性范围广（。线性范围广（5 510106 6 5 510107 7）。稳定性好，响应时间快。）。稳定性好，响应时