色谱仪构成、原理

1色谱仪分析仪

1.1色谱仪框图、原理

（1）框图

色谱分析仪是基于色谱法原理的，色谱法是一种分离技术，试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。色谱分析仪能对被测样品进行全面的分析，既能鉴定混合物中的各种组分，还能测量出各组分的含量。

混合物的分离是色谱法的关键，分离过程是一种物理化学过程，由色谱柱来完成。需分离的样品由气体或液体携带沿色谱柱连续流过，携带样品的气体或液体称为流动相。色谱柱中放有固体颗粒或涂在胆体上的液体，它们对流动相不产生任何物理化学作用，但能吸收或溶解被测样品中的各组分，并且对不同组分具有不同的吸收或溶解能力。色谱柱中不随流动相而移动的固体颗粒物或液体统称为固定相。

由于流动相可以是气体或液体，固定相可以是液体或固体，因此色谱法有气－液色谱，气－固色谱，液－液色谱，液－固色谱等之分。不管采用哪一种色谱法，基本原理是相近的。这里主要介绍气相色谱仪。

图1.1－1 工业色谱仪系统框图

（2）工作原理

其工作过程是：工艺气体经取样和预处理装置变成洁净、干燥的样品连续流过定量管，取样时定量管中的样品在载气的携带下进人色谱柱系统。样品中的各组分在色谱柱中进行分离。然后依次进入检测器。检测器将组分的浓度信号转换成电信号。微弱的电信号经放大电路后进人数据处理部件，最后送主机的液晶显示器显示，并以模拟或数字信号形式输出。程序控制器按预先安排的动作程序控

制系统中各部件自动、协调、周期地工作。温度控制器对恒温箱温度进行控制。上图中的两个虚线框分别表示工业色谱仪主机中的分析器部分和控制器部分。（3）色谱图

色谱分析仪进样后色谱柱流出物通过检测器时产生的响应信号对时间或载气流出体积的关系曲线图称为色谱图。

色谱法是利用色谱柱中固定相对被测样品中各组分具有不同的吸收或溶解能力，各组分在两相中反复分配，使各组分得以分离，这样各组分按照一定的顺序流出色谱柱。色谱柱的出口安装一个检测器，当有组分从色谱柱流入检测器中，检测器将输出对应于该组分浓度大小的电信号，通过记录仪把各个组分对应的输出信号记录下来，就形成了色谱图，如图1.1.2。根据各组分在色谱图中出现的时间以及峰值大小可以确定混合物的组成以及各组分的浓度。

1－载气，2－样品，3－色潜柱，4－检测器，5－色潜图

图1.1－2 色谱图

（4）色谱流出曲线

色谱图中检测器随时间输出的响应信号曲线为色谱流出曲线。

当没有样品组分进入检测器时，色谱流出曲线只是一条反应仪器噪声随时间变化的曲线（仅有载气通过检测器时系统产生的响应信号曲线），称为基线。

过程气相色谱仪大多采用恒温分析，但在分析沸程较宽的样品，特别是一些高沸点样品时，需采用程序升温型色潜仪。气相色谱仪在恒温状态下，只适用于沸点不高沸程较窄的样品分析。一旦样品沸程较宽时，低沸点组分在较低温度下出峰较快，峰形较好，但高沸点组分出峰慢，甚至出平顶峰，有时无法定量。同时，重组分在低温下不能从色潜柱中流出，使基线劣化，形成一些无法解释的“假峰”现象。如选用高柱温时，高沸点组分能获得较好的峰形，流出较快。但此时低沸点样品出峰太快，甚至无法分离。

采用程序升温可以使色谱柱温按预定的程序逐渐升温，让样品中每个组分都能在最佳温度下流出色谱柱。低沸点组分在较低温度下保持较好峰形流出。随着温度升高，高沸点组分也以较好峰形流出。采用程序升温可使宽沸程样品中所有

组分都获得良好的峰形，并缩短分析周期。

1.2气相色谱仪构成

多组分的混合气体通过色谱柱时，被色谱柱内的填充剂所吸收或吸附。由于气体分子种类不同，被填充剂吸收或吸附的程度也不同，因而通过柱子的速度产生差异，在柱出口处就发生了混合气体被分离成各个组分的现象。这种采用色谱柱和检测器对混合气体先分离、后检测的定性、定量分析方法叫做气相色谱分析法。

在色谱分析法中，填充剂叫做固定相，它可以是固体或液体。通过固定相而流动的流体，叫做流动相，它可以是气体或液体。按照流动相的状态，可以把色谱分析法分为气相色谱法和液相色谱法两大类。按照固定相的状态，又可以把气相色潜法分为气固色谱法和气液色谱法两类。

气相色谱仪的基本设备与流程如图1.2－1，主要由载气设备、进样装置、色谱柱、检测系统和温度控制系统等部分组成。

图1.2－1 气相色谱仪的基本设备与流程

（1）载气设备

载气设备包括气源、净化干燥管和载气流速控制，常用的载气有氢气、氮气、氦气；净化干燥管去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等），载气流速控制包括压力表、流量计、针形稳压阀等，用于控制载气流速恒定。（2）进样装置

进样装置由进样器和气化室组成。进样器可分为气体进样器和液体进样器。气体进样器（六通阀）有推拉式和旋转式两种，试样首先充满定量管，载气携带定量管中的试样气体进入分离柱，液体进样器是具有不同规格的专用注射器，填充柱色谱柱常用10µL，毛细管色谱常用1µL，新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、采样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。气化

室将液体试样瞬间气化的装置，无催化作用。

（3）色谱柱

色谱柱是色谱仪的核心部件。其材质为不锈钢管或玻璃管，内径3mm－6mm,长度可根据需要确定。柱填料为粒度为60－80或80－100目的色谱固定相。液－固色谱采用固体吸附剂，液－液色谱采用担体+固定液。柱制备对柱效有较大影响，填料装填太紧，柱前压力大，流速慢或将柱堵死，反之空隙体积大，柱效低。

（4）检测系统

检测系统是色谱仪的眼睛，通常由检测元件、放大器、显示记录二部分组成。被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应的电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图。为了分析各种物质，一台气相色谱仪都配有多个检测器，有的检测器是广普型的，对所有物质均有响应；有的是专属型的，对特定物质有高灵敏响应。常用的检测器有热导检测器、氢火焰离了化检测器。

氢火焰离了化检测器是根据物质电离特性而制成的，灵敏度比热导式检测器高1000多倍，但只对有机碳氢化合物有响应，其响应信号随着化合物中碳原了数量的增多而增大，对所有的惰性气体和CO，CO2，SO2等气体都没有响应。其灵敏度高、反应快，其结构原理图

如图1.2－2。

图1.2－2 氢火焰离了化检测器

带有样品的载气从色谱柱出来和氢气混合后进入检测器，由喷嘴2喷出。点火丝1通电后点燃氢气，空气从侧面进入检测器帮助氢气燃烧。含有碳氢原子的有机化合物在氢气的火焰中燃烧，由于化学电离作用，生成带电的离子对。在发射极和集电极之间加有一定的直流电压（100V－300V）构成一个外加电场。在没有样品组分进入检测器时，两极之间的离子流即基极电流很小。当样品