色谱分析仪原理

在气相色谱分析中，要快速、有效的分析一个复杂样品，关键的问题是要选择出一根好的色谱柱进行分离，并对柱操作条件进行选择。

色谱柱的选择直接影响到分析的可靠性。色谱柱的选择包括：选择填充柱还是选择毛细管柱；选择什么样的固定相，如何制备填充色谱柱。色谱操作条件的选择直接影响到分析的结果，操作条件包括：检测器的选择、气体种类和流量、柱温及检测器温度、电极电压、样品的制备、进样量和时间等。

（一）色谱柱

1．色谱柱

总的来说，色谱柱（简称柱子）形状、柱内径、柱长均可影响柱效率。柱形不同，柱效率不一样，一般螺旋形和盘形柱的柱效率较高，而且体积较小，为一般仪器所常用。

填充柱的柱内径过小，易造成填充困难和柱压降增加，给操作带来麻烦，故一般选择柱内径3～4mm。柱子长些，一般柱效率高，但柱子太长，柱压降也增大，保留时间延长，甚至出现扁平峰，使柱效下降。柱长选择通常以使组分能完全分离，分离度（R≥1.5，两组分完全分离；R＝1.2基本分开；R＜1没有分开）能达到所期望的值为准。因此，常用的填充柱长度为1～2m。毛细管柱多为盘形柱，柱内径一般0.1～0.5mm，柱长一般几十米至上百米。毛细管柱与填充柱相比，分离效率高、色谱峰形窄、分析速度快、样品用量少、不同组分容易分开、适于复杂混合物的分析。其缺点是：样品负荷量小，因此，经常需要采用分流技术，对微小组分的分析不利，定量分析的重现性也不如填充柱好。在进行色谱分析时，可根据样品的情况选择色谱柱类型。若欲分析测定混合样品中苯、甲苯、乙苯的含量，选择3mm内径、2m长的盘形填充柱即可。

2．固定相

固定相分为固体固定相和液体固定相两种。固体固定相一般采用固体吸附剂。其特点是吸附容量大、热稳定性好、价格便宜，但柱效低，吸附活性中心易中毒，因此使用前要进行活化处理，然后方可装柱使用。固体固定相主要用于惰性气体、H2、O2、N2、CO、CO2和CH4等一般气体和低沸点有机物的分析。气相色谱常用的固体固定相见表1。液体固定相是将固定液均匀地涂在担体上制成的。担体（载体）的表面和孔结构决定了固定液在载体上的分布和样品分子在载体孔中的扩散。担体的作用是提供一个具有较大表面积的惰性表面，以保证固定液在担体表面均匀涂布。要求担体比表面积大、化学稳定性和热稳定性好、粒度均匀。固定液往往是高沸点有机物，蒸汽压低、稳定性好、能溶解被分离混合物中的各组分，使各组分有足够的分离能力、黏度低。担体的粒度直径一般为柱内径的1/20～1/25为宜。分析柱常用60～80目，80～100目，100～120的担体，当需用长柱或制备色谱柱时，为了减小柱压降，选用60～80目或40～60目的担体。表2为几种常用的固定液，表3为气相色谱常用的一些担体。

固定液选择的一般规律：首先根据样品沸点范围，选择合适温度、适用范围的固定液。其次根据结构相似和相似相溶的原则，要求固定液挥发性小、蒸汽压低、热稳定性好、不易分解等特性。（1）分离非极性化合物选择非极性固定液。（2）分离极性化合物选用极性固定液。（3）分离酸性和碱性化合物选用强极性固定液。（4）利用特殊作用力分离，如氢键、π键选择性分离。例如，分析测定混合样品中苯、甲苯、乙苯的含量，选择 OV－17固定液涂布在101白色担体上作为液体固定相即可。

3．色谱柱的制备

 

填充色谱柱的制备目前还无规范化的操作，一般应遵守以下基本原则：

 

（1）尽可能筛选粒度分布均匀的载体或固定相填料。

 

（2）保证固定液在载体表面涂渍均匀。

 

（3）保证固定相填料在色谱柱内填充均匀，不允许柱管内存在死体积。

 

（4）避免载体颗粒破碎和固定液的氧化作用。

 

色谱柱的制备包括三个步骤：即固定液的涂渍、色谱柱填充和色谱柱老化。

 

固定液的涂渍首先选用合适的溶剂。溶剂对固定液有足够的溶解能力和适宜的挥发性。常用的溶剂有：氯仿、丙酮、乙酸乙酯、乙醇、苯、甲苯等，根据样品性质确定固定液涂渍浓度。一般以固定液与载体重量比表示。低沸点样品，固定液用量一般在20%～30%；高沸点样品一般用量在1%～10%；固定液用量高，采用红色载体；固定液用量低，采用白色载体；强极性、热不稳定的高沸点化合物如有机磷农药采用玻璃载体，用量<1%。涂渍方法是蒸发法和过滤法。蒸发法是将固定液溶解于略大于载体体积的溶剂中，将担体倾入固定液溶液，让溶剂在红外灯照射下慢慢蒸发。过滤法是把载体与已知浓度的固定液溶液混合，然后过滤掉过量溶液，测定过滤前后的溶液体积，可计算出担体中固定液的含量。然后让溶剂慢慢挥发，使固定液涂渍在载体表面。

 

柱子填充方式根据柱子形状而异。一般采用抽吸、震动或敲击柱管填充。在色谱柱一端塞上少量硅烷化玻璃棉，然后接上真空泵，另一端装上漏斗，将填料分小批量装入柱内，并轻轻敲击管壁，装满后在另一端塞上玻璃棉，柱两端玻璃棉能防止柱中填料漏出。装柱过程中应防止填料破碎，要求填充均匀、紧密。

 

色谱柱固定相必须在高于柱操作使用温度25℃、低于固定液的最高使用温度下老化2～24h，老化过程应通以少量的载气流（5～10mL·min-1），柱出口与检测器的入口脱开，以免污染检测器。柱子老化的目的是除去固定相残余溶剂和挥发性杂质，并促进固定液在载体表面分布均匀。在高温和载气流作用下也可使柱内填料分布更趋均匀，有助于提高柱效。

4．柱温

 

选择柱温的一般原则是：在使最难分离组分有尽可能好的分离前提下，柱温的选择以低柱温、保留时间适宜、峰形不拖尾为准。提高柱温可使气相、液相传质速率加快，有利于降低理论塔板高度，改善柱效。但增加柱温又使纵向扩散加剧从而加大了理论塔板高度，导致柱效下降。另一方面，为了改善分离效果，提高选择性，希望柱温较低，这又使分析时间加长。因此，选择柱温要兼顾这几方面的因素。一般多采用较低的柱温，同时减少固定液的含量和适当增加流速。柱温必须在固定液的最高使用温度之下，且组分在柱内不会冷凝、也不会分解。一般柱温选在试样各组分的平均沸点左右或比平均沸点略低一些（＜50℃＝。柱温过高不利于分离。表4为分离各类组分的参考柱温和固定液配比。

 

对于宽沸程的多组分混合物，如果柱子恒定在一个温度上，则会出现低沸点组分出峰拥挤以至不易辨认，高沸点组分拖延时间很长甚至停在柱中不能出峰的缺陷。为此，可采用程序升温法。程序升温的条件要反复实验加以选择。程序升温可以改善分离，缩短时间，得到的峰形也好。