气相色谱仪基本原理

气相色谱仪是利用色谱分离技术和检测技术，对多组分的复杂混合物进行定性和定量分析的仪器。通常可用于分析土壤中热稳定且沸点不超过500°C的有机物，如挥发性有机物、有机氯、有机磷、多环芳烃、酞酸酯等。

一、气相色谱法基本原理　　

气相色谱仪要分析的样品往往是复杂基体中的多组分混合物，对含有未知组分的样品，首先必须将其分离，然后才能对有关组分进行进一步的分析。混合物的分离是基于组分的物理化学性质的差异，气相色谱仪主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。

待分析样品在汽化室汽化后被惰性气体（即载气，一般是N2、He等）带入气相色谱仪色谱柱，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立起来，也正是由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解附，结果在载气中分配浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出。当组分流出色谱柱后，立即进入检测器，检测器能够将样品组分的存在与否转变为电信号，而电信号的大小与被测组分的量或浓度成比例，当将这些信号放大并记录下来时，就形成了色谱图。

二、气相色谱仪的组成部分　　

气相色谱仪由以下几大系统组成：

1、载气系统：包括气源、气体净化、气体流速控制和测量；

2、进样系统：包括进样器、汽化室（将液体样品瞬间汽化为蒸气）；

3、色谱柱和柱温：包括恒温控制装置（将多组分样品分离为单个）；

4、检测系统：包括检测器，控温装置；

5、记录系统：包括放大器、记录仪、或数据处理装置、工作站。

三、气相色谱的定性定量分析

1、定性分析

气相色谱仪的定性分析主要有相对保留值定性法、保留值规律定性法、已知物增加峰高定性法、化学试剂定性法、文献值对照定性法和检测器定性法。

2、定量方法

①归一化法：如果试样中所有组分均能流出色谱柱，并在检测器上都有响应信号，都能出现色谱峰，可用此法计算各待测组分的含量。

②内标法：在试样中加入一定量的纯物质作为内标物来测定组分的含量。内标物应选用试样中不存在的纯物质，其色谱峰应位于待测组分色谱峰附近或几个待测组分色谱峰的中间，并与待测组分完全分离，内标物的加入量也应接近试样中待测组分的含量。

③外标法：取待测试样的纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液，分别取一定体积，进样分析。从色谱图上测出峰面积（或峰高），以峰面积（或峰高）对含量作图即为标准曲线。然后在相同的色谱操作条件，分析待测试样，从色谱图上测出试样的峰面积（或峰高），由上述标准曲线查出待测组分的含量。

四、气相色谱柱　　

1、气相色谱柱的分类：

按照尺寸、主要以色谱柱的内经分类为毛细管色谱空心柱和填充色谱柱；按气相色谱仪色谱柱中固定相类型分类，可将色谱柱分为吸附柱和分配柱。　　

2、固定液的选择和固定液的配比：

试样在色谱柱中两相间的分配行为决定于试样中各组分本身性质与固定液，因而固定液对于试样能否被有效分离起决定性作用，固定液的选择是在基本原则指导下，多根据操作者的实践经验进行。固定液选择的总原则是“相似相溶”。

①固定液的选择：

分离非极性组分时，通常选择用非极性固定相，各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰；分离极性组分时，一般选择用极性固定液，各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰；分离非极性和极性的混合物，一般选用极性固定液，此时非极性（或易被极化的）组分后出峰；醇、胺、水等强极性和能形成氢键化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液；组成复杂、较难分离的试样，通常使用特殊固定液或混合固定相。　　

②固定液配比的选择：

固定液在担体上涂渍量，一般指的是固定液与担体的百分比，配比通常在5%～25%之间，配比越低，在担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱效越高，分析速度也越快，配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小，分析工作中通常倾向于使用较低的配比。　　

3、分离柱长和柱内径的选择：

气相色谱仪填充色谱柱的柱长通常为1～3m，内径3～4mm，材质有玻璃、石英玻璃、不锈钢（较常用）。增加柱长对提高分离度有利，但组分的保留时间增加，且柱阻力增加，不便操作。柱长的选择原则是在能满足分离目的的前提下，尽可能选用较短的柱，有利于缩短分析时间。对于空心毛细管色谱柱其选用原则相似，不过空心毛细管色谱柱不存在固定液配比之说，但讲液层厚度，一般液层厚度在0.1～0.6um之间，液层薄、柱效高，但柱容量小。　　

4、色谱柱选择原则：

在满足气相色谱仪分析要求的条件下，先填充柱后毛细管柱，选毛细管柱，先大口径后小口径；柱长越短越好，固定相用量越少越好；非极性比极性好，Zgao使用温度越高越好，自身稳定性好，抗污染能力强、老化、活化、再生简单、时间短、使用周期长。 

五、检测器

1、FID检测器　　

①原理：当有机物经过气相色谱仪检测器时，在火焰那里会产生离子，在极化电压的作用下，喷嘴和收集极之间的电流会增大，对这个电流信号进行检测和记录即可得到相应的谱图。只有选择Z佳气流比，使火焰达到稳定的扩撒型火焰时，才能得到较高的灵敏度。

②特点：FID是目前气相色谱仪所有检测器中Z令人满意，近似理想的一个通用检测器，其检测限低，由属于质量型检测器，故对操作条件变化相对不够敏感，稳定性好，特别适合用于常量至微量的常规分析；FID对水、空气没有什么响应，故而特别适合于生物物质的水相样品盒空气污染物的测定；FID响应时间快，和毛细管分析技术配合使用，能完成痕量及快速分析。

2、TCD检测器

①原理：在一个处于热平衡的TCD中，组分进入测量臂池腔，就会由于气体组成的改变，引起气体热导系数的变化，从而引起热敏元件温度的变化，热敏元件的温度变化，就会引起热敏元件阻值的变化，热敏元件阻值的变化使惠斯顿电桥输出信号的变化。信号大小与被测物质浓度成函数关系。

②TCD检测条件的选择：

载气种类：TCD检测器通常使用氢气或者氦气作为载气，因为它们的热导系数远远大于其它化合物，故灵敏度高，且易于定量，线性范围宽。从理论上讲用氦气较合理，但它价格昂贵，因此在我国一般都选用氢气作载气。

载气纯度：载气纯度影响灵敏度，实验证明：在电桥电流120～200mA范围内，用99.999％的超纯氢气比用99％的普氢灵敏度高6％～13％，同时，基线漂移和噪声也可以大大降低。载气纯度对峰形也有影响，用TCD作高纯气中杂质检测时，载气纯度应比被测气体高十倍以上，否则易出倒峰。

载气流速：TCD为浓度型检测器，对流速波动很敏感，TCD的峰面积响应值反比于载气流速。因此，在检测过程中载气流速必须保持恒定。在柱分离许可的情况下以低一些为妥。流速波动可能导致基线噪声和漂移增大。

电桥电流：气相色谱仪电桥电流可以显著提高TCD的灵敏度。一般认为S值与电流的3次方成正比。但是电流的提高又受到噪声和使用寿命的限制。桥流设定与TCD检测池的温度及使用的载气种类密切相关。