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分享丨气相色谱仪入门:原理、结构与常见问题解答
2025-12-11  
 气相色谱仪是实验室中用于混合物分离与分析的重要仪器,凭借分离效能高、分析速度快等优势,在化工、环保、食品等多个领域广泛应用。本文将从基础原理、仪器组成到关键术语及操作疑问,系统梳理气相色谱仪的核心知识。


 


01气相色谱原理


色谱法又称层分析法,是一种物理分离技术。其分离原理是使混合物中的各组分在两相间进行分配:一相是固定不动的,称为固定相;另一相是推动混合物流过固定相的流体,称为流动相。


当流动相携带混合物经过固定相时,各组分会与固定相发生相互作用。由于各组分在性质与结构上存在差异,相互作用的大小和强弱也不同。因此,在同一推动力作用下,不同组分在固定相中的滞留时间有长有短,从而按先后顺序从固定相中流出。这种借助两相分配原理使混合物中各组分分离的技术,称为色谱分离技术或色谱法。若以气体为流动相,则称为气相色谱。


色谱法具有分离效能高、分析速度快、样品用量少、灵敏度高、适用范围广等优点,是许多化学分析法难以比拟的。


 


02气相色谱仪工作原理


利用试样中各组分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,组分就在两相间进行反复多次分配。


由于固定相对各组分的吸附或溶解能力不同,各组分在色谱柱中的运行速度存在差异。经过一定的柱长后,组分彼此分离,按顺序离开色谱柱进入检测器,产生的离子流信号经放大后,在记录器上描绘出各组分的色谱峰。


 


03气相色谱仪的组成部分


载气系统:包括气源、气体净化、气体流速控制和测量装置。


进样系统:包括进样器、汽化室(将液体样品瞬间汽化为蒸气)。


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组分)。


检测系统:包括检测器及控温装置。


记录系统:包括放大器、记录仪,或数据处理装置、工作站。


 


04什么叫保留时间?


从进样开始至每个组分流出曲线达极大值所需的时间,可作为色谱峰位置的标志,此时间称为保留时间,用t表示。


 


05什么是色谱图?


进样后,色谱柱流出物通过检测器系统时,所产生的响应信号随时间或载气流出体积变化的曲线图,称为色谱图。


 


06什么是色谱峰?峰面积?


色谱柱流出组分通过检测器系统时所产生的响应信号的微分曲线,称为色谱峰。


从出峰到峰回到基线所包围的面积,称为峰面积。


 


07怎样测定载气流速?


高档色谱仪通常安装有自动测试装置;若无自动测试装置,可用皂膜流量计测量:将皂膜流量计连接在检测器出口(也可将色谱柱与检测器断开,把皂膜流量计接在色谱柱一端),测试每分钟的流速。


测完后,色谱升温时压力表指示会升高,原因是温度升高使色谱柱对气体的阻力增加,此时不要把压力调下来,当色谱温度升高后,稳流指示不会改变。载气流速需在室温下测试。


 


08怎样控制载气流速?


载气流速的控制主要靠气路上高压钢瓶上的减压阀减压,然后经仪器的稳压阀稳压,再经稳流阀控制,以达到载气流量稳定。减压阀给出的压力要高出稳压后的压力。非程序升温色谱一般没有稳流阀,仅靠稳压阀控制流速。


 


09气相色谱分析怎样测其线速度?


一般测定线速度实际上是测定色谱柱的死时间;


以甲烷作为不滞留物,测定甲烷的保留时间(TCD检测器以空气峰计算);


用色谱柱的长度除以甲烷的保留时间,得到色谱柱的平均线速度。


 


10气相色谱分析中如何选择载气流速的最佳操作条件?


在色谱分析中,选择最佳载气流速可获得塔板高度的最小值。根据速率理论关于峰形扩张的公式,可求出最佳流速值。通常色谱柱内径为4mm时,可用流速为30ml/min。


 


11气相色谱分析中如何选择载气的最佳操作条件?


载气的性质对柱效和分析时间有影响;


用相对分子质量小的载气时,最佳流速和最小塔板高度都比用相对分子质量大的载气更优越;


用轻载气有利于提高分析速度,但柱效较低;


低速时,最好用重载气,既能提高柱效又能减小噪声;


另外,选择载气还需从检测器的灵敏度考虑。


 


12气相色谱分析中如何选择气化室温度的最佳操作条件?


气化室温度以能使样品瞬间气化而不造成样品分解为最佳;


一般规律是气化室温度高于样品的沸点温度,且保持气化温度恒定,即可用峰高定量。


 


13色谱分析中,气、液、固样品各用什么进样器进样?


气体样品进样:用注射器进样;或用气体定量管进样,常用六通阀。


液体样品进样:用微量注射器。


固体样品进样:将固体样品溶解后用微量注射器进样,或采用顶空进样法。


 


14如何判断你的pH计是否准确?


一般采用柱温为被分析物的平均沸点左右或稍低一点;


柱温不能高于固定液最高使用温度,且需低于样品分解温度;


特殊情况下,柱温也可以远低于样品沸点(例如环己酮中环己基过氧化氢的色谱分析中,环己酮沸点160多度,用55℃柱温时,峰型和出峰速度都很好)。


15在气相色谱分析中如何选择柱形、柱径和柱长的最佳操作条件?


缩小柱子的直径对提高柱效率、改善分离度有利,但直径太小会对分析速度产生不利影响;


柱子直径与柱曲率半径相差越大越好;


一般填充柱柱长多用两米左右,毛细管柱则为十几米至几十米左右。


 


16热导检测器使用时应注意什么?


温度:热导池温度应高于或接近柱温,防止样品冷凝;


热丝:为避免热丝氧化,需先通载气,再通桥流;关闭时要先关桥流,再关载气。


 


17载气热导池的基本结构有几种?


热导池检测器由不锈钢制成的池体、池槽和热敏元件组成;


基本结构有三种:直通型、扩散型、半扩散型。


 


18热导池检测器温度如何控制?


热导池检测器温度要求高于柱温,防止分离物质冷凝污染;


更重要的是,控温精度需控制在±0.05℃以内。


 


19简述气相色谱检测器的性能指标?


1.灵敏度;2. 敏感度;3. 线性范围;4. 稳定性。


 


20热导检测器(TCD)的基本原理?


热导检测器基于不同物质有不同的热导系数;


未进样时,两池孔的钨丝温度和阻值变化相等;


进样时,载气经参比池,而载气携带试样组分流经测量池,由于组分与载气组成的混合气体的热导系数与载气不同;


因此测量池中的钨丝温度发生变化,使两池孔中两根钨丝的阻值产生差异;


通过电桥测出这一差异,从而测定被测组分含量。


 


21氢火焰检测器的注意事项是什么?


离子头绝缘要好,外壳要接地;


氢火焰离子化检测器使用温度应大于100℃;


离子头的喷嘴和收集极,在使用一定时间后应进行清洗。


 


22氢火焰离子检测器(FID)的基本原理?


氢火焰检测器根据色谱流出物中可燃性有机物在氢-氧火焰中发生电离的原理制成;


火焰附近存在由收集极和发射极之间形成的静电场;


当被测组分燃烧生成离子,在电场作用下定向移动形成离子流,经微电流放大器放大后,由记录仪记录。


(目前氢火焰离子检测器的基本原理有两种说法:一种是在火焰作用下离子化,另一种是在电场作用下离子化。)


 


23火焰光度检测器(FPD)的基本原理?


主要原理为:组分在富氢火焰中燃烧时,不同程度地变为碎片或分子;


由于外层电子互相碰撞而被激发,当电子由激发态返回低能态或基态时,发射出特征波长的光谱,这种特征光谱通过选择滤光片后被测量。


 


24电子捕获器检测器(ECD)的基本原理?


主要原理为:检测室内的放射源放出β射线(初级电子),与通过检测室的载气碰撞产生次级电子和正离子,在电场作用下,分别向与自身极性相反的电极运动,形成基流;


当具有负电性的组分(即能捕获电子的组分)进入检测室后,捕获检测室内的电子,变成负电荷的离子;由于电子被组分捕获,检测室基流减少,产生色谱峰信号。


 


25氮磷检测器(NPD)的基本原理?


目前认为响应机理主要有气相电离理论和表面电离理论,通常认为气相电离理论能更好地解释NPD工作原理;


气相电离理论认为:氮、磷化合物先在气相边界层中热化学分解,产生负电性的基团;该电负性基团与气相的铷原子(Rb)发生化学电离反应,生成铷离子和负离子;负离子在收集极释放出一个电子,并与氢离子反应,同时输出组分信号。


 


26在气固色谱中,常用的固定相有哪些?


活性炭;2. 氧化铝;3. 硅胶;4. 分子筛;5. 高分子多孔小球。


色谱柱固定液选择原则是什么?


相似相溶原则;


利用分子间特殊作用力原则;


利用混合固定液原则。


什么是固定相?


在色谱柱内不能移动且能起分离作用的物质,称为固定相。


 


27色谱固定相分几类?


一类为具有吸附性的多孔固体物质,称为吸附剂;另一类是能起分离作用的液体物质,称为固定液。


 


28常用的固体吸附固定相有哪些?


常用的固体吸附固定相有:吸附剂、高分子多孔小球、化学键合固定相。


 


29气相色谱选择固定液的要求是什么?


热稳定性好,蒸汽压低,在色谱温度下呈液态;


试样在固定液中有足够的溶解能力;


选择性高;


具有化学惰性。


 


30气相色谱用载体应具备哪些特性?


应具有大的比表面积;


应具有化学惰性;


载体形状规则;


要有较大的机械强度。


 


31怎样老化色谱柱?


在室温下,将柱子接真空泵的一端连接到色谱仪的气化室上,另一端放空;


通载气在室温下吹0.5小时,使柱中空气被吹干净;


然后升温,在高于使用温度20-30℃的条件下保持12-24小时;


降至室温,完成老化后,连接检测器。


 

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