气相色谱仪分析原理
e国植物学家Tswet(茨维特)于1903年发现“色谱”，Martin和Synge在1940年提出液一液分配色谱法(Liquid-Liquid Partition Chromatography)，并在1941年提出用气体代替液体作流动相的可能性，11年之后James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法(Gas-Liquid Chromatography)，因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。在此基础上，1957年高雷((M.J.E.Golay)开创了开管柱气相色谱法(Open-Tubular Column Chromatography)，习惯上称为毛细管柱气相色谱法 (Capillary Column Chromatography)。在60年代末把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱，出现了液相色谱(HPLC), 80年代初毛细管超临界流体色谱((SFC)得到发展:而在80年代初由JORGENSON等集前人经验而发展起来的毛细管电泳 (CZE)，在90年代得到广泛的发展和应用;同时集HPLC和CZE优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视[。到21世纪色谱科学将在生命科学等前沿科学领域发挥不可替代的重要作用。而G.Guiochon认为GC和HPLC是在分析领域发展，极为成功的范例。
在近代分析化学领域中，色谱分析法是一种新型的分离分析方法。色谱法可用于分离分析复杂的多组分混合物，是一种根据分子的不同迁移速度而达到分离的方法。色谱技术是建立在吸附、分配、离子交换、亲和力和分子大小等基础上的分离过程，它利用不同组份在两相中的吸附能力、分配系数、离子交换能力、亲和力或分子大小等性质的微小差别，经过连续多次在两相间的质量交换，使不同的组份得到分离。色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的综合表现。热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关的过程;动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质的过程。组分、流动相和固定相三者的热力学性质使不同组分在流动相和固定相中具有不同的分配系数，分配系数的大小反映了组分在固定相上的溶解一挥发或吸附一解吸的能力。分配系数大的组分在固定相上溶解或吸附能力强，因此在柱内的移动速度慢;分配系数小的组分在固定相上溶解或吸附能力弱，因此在柱内的移动速度快。经过一定时间后，由于分配系数的差别，使各组分在柱内形成差速移行，达到分离的目的。
1.1气相色谱工作原理
气相色谱法作为色谱法的一种，是一种广泛使用的复杂混合物的分离分析方法。它以气体为流动相，固体或均匀涂渍在载体上的液体为固定相，通过组分在气液(固)两相间不断分配，实现混合组分的分离[t21。混合物分离后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份的色谱峰，达到鉴别和定量的目的。分离过程在柱内进行，色谱柱所用的填充物是固体吸附剂，也可以是涂在惰性担体上的高沸点液体。被分析的样品在高温气化后被气体流动相带入柱内，由于不同组分在柱内受到的阻力不同，流动中被逐渐拉开达到分离的目的。如图2-1为所示，由A和B组分组成的混合样品被注入注样器且瞬间汽化以后，样品由流动相气体载气所携带，经过装有固定相的色谱柱时，由于组份分子与色谱柱内部固定相分子间要发生吸附、脱附溶解等过程，那些性能结构相近的组份，因各自的分子在两相间反复多次分配，发生很大的分离效果，且由于每种样品组分吸附、脱附的作用力不同，所反应的时间也不同，终结果使混合样品中的组分得到完全地分离。
图2-1中的1, 2, 3, 4分别表示分离过程中的四个阶段。
1表示样品刚进入色谱柱，两组份均匀的混合在一起;
2表示两组已部分分离;
3表示两组份已经完全分离;
4表示分离后的A同载气流出色谱柱，而B留在柱内后将同载气流出柱外。如果样品中含多个组分，也将按同样原理依次分离流出。
气相色谱法样品图
1.2气相色谱法的特点
气相色谱法具有能、高灵敏度、高选择性、快速、应用范围广、样品用量少等优点〕。不仅可以分析气体,也可以分析液体和固体,是现代分析的主要手段之一。
1.能、分析速度快
填充色谱具有较高的理论塔板数，因而可以分析沸点十分相近的组分和极为复杂的组分混合物，且分离、测定一次完成，一般只需几分钟或几十分钟便可完成一个分析周期。目前采用微处理机操作和处理数据的色谱仪，使分析达到了理想的程度。
2.高选择性
色谱法的zui大优越性在于它擅长分离分析多组分的复杂体系即性质极为相似的组分,如同位素,同分异构体等。主要是通过选用高选择性的固体相,使各组分间的分配系数产生足够大的差异而实现分离,这是光谱和质谱所不及的。
3.高灵敏度
目前气相色谱法在农业上,主要用来分析农药中的主要成分,分析种子和土壤中的微量毒素在医学和生物化学上,用来解决药物氨基酸的分析及血液中几个ppm的成分和分析问题。
4.应用范围广
不仅对气体可以进行分析，对液体、固体也能进行分析。在柱温条件下有一定蒸气压且稳定性好的样品都能测定，只要在一196~450 0C温度范围内有27~1330Pa蒸气压且在操作温度下热稳定性能良好的物质［221，原则上都可用气相色谱进行分析。气相色谱还可以用来测定物化常数和制备超纯的色谱试剂，样品用量少;亦可用作工厂自动化流程的在线仪表，完成自动分析的要求。
2.气相色谱仪
2.1气相色谱仪的基本结构
色谱分析的关键是实现分离分析系统的一体化。经色谱柱分离的组分，由合适的检测器进行检测，产生的电信号由记录仪或工作站记录而得出色谱图，这一色谱图由一连串的峰组成，每一峰表示流出的一个组分，并且其数目等于组分的数目。流出的时间可以用来衡量混合物的组分，通常用某组分的流出时间或保留时间作为定性的依据，而色谱峰的高度或面积是组分浓度或含量的量度，它们是色谱定量的依据。
气相色谱仪的基本构成，如图2-2所示。气源中的载气经减压阀减压出来，流经气路箱，进入进样装置，并将注入的样品带入色谱柱，后，将在柱中被分离的组分带入色谱检测器，进行鉴定和记录。系统主要由以下五个部分组成:
1.气路系统
包括气源(氮气、氦气、氢气等的钢瓶/气体发生器，气流管线)、气路控制系统，也称载气系统;载气携带试样通过色谱柱，载气在柱内形成压力梯度，压力与压力梯度是试样在柱内运行的动力。载气系统的要求是提供纯净、稳定、能被计量的载气。一般由气源钢瓶、减压阀和流量计等组成。
2.进样系统
包括进样器、各种进样口和气化室，样品由进样器注入气化室，在气化室高温作用下瞬间气化，然后在载气的携带下进入与气化室相连的色谱柱中。
3.分离系统
分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品，色谱柱主要有两类:填充柱和毛细管柱。色谱柱由色谱柱管、柱内填充物等组成。柱管一般采用金属管或玻璃管，色谱柱在恒温柱箱内工作。
4.控制系统
控制系统主要的任务有:控制所有的温度及时间程序、控制各种检测器((FID, NPD和FPD)的自动点火、色谱图的保存与再处理、样品分析条件的保存、程序升温、开/关检测器、分渝不分流进样器的时间等。
5.检测和数据处理系统
样品经过色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器，检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或工作站，后得到该混和样品的色谱流出曲线及定性、定量曲线，即色谱图。
所使用的检测器主要有以下几种:火焰离子化检测器FID (Flame Ionization Detector)、热导检测器TCD (Thermal Conductivity Detector)、电子俘获检测器ECD (Electron Capture Detector),氮磷检测器NPD (Nitrogen Phosphor Detector)、火焰光度检测器FPD (Flame Photometric Detector)、质谱检测器MSD (Mass Spectrometry Detector)，本文主要介绍TCD和FID两种检测器
(1)热导检测器TCD (Thermal Conductivity Detector)，其基本原理是每种物质都有导热能力，而且导热的能力大小不同，通过一个热敏电阻来测定与热敏电阻接触的气体组成变化情况。这种检测方式虽然不是灵敏的，但是对所有样品都有响应，是通用型的检测器。
(2)火焰离子化检测器FID (Flame Ionization Detector)一般用的是氢火焰，其原理是在氢气燃烧时，在火焰的上方会有一个温度很高的区域，样品在这个区域被离子化，形成一些正负离子，在火焰的周围加上一个电场，让离子定向移动，形成电流，经过一系列放大后得到放大信号，也就是检测到的信号。
FID只对有机化合物有响应，为选择性的检测器。但是它的灵敏度较高，应用为广泛，一般仪器上都是配双柱双气路双检测器，单柱抗干扰能力差，稳定时间长，双柱的干扰一正一负正好抵消。
2.2色谱仪新增功能分析
为了丰富色谱仪的功能，提高其智能化和自动化水平，拟开发增添新型功能。主要包括:
1.图谱显示功能分析
图谱显示是用来对被测信号尖峰的频率、幅值进行分析，用来研究被分析对象动态特性的主要手段。运用精密运放、A/D转换芯片和大屏幕液晶可实现实时曲线在线显示，使操作者能够及时了解仪器的运行状态。本文中图谱显示主要有以下方面的功能:(1)协调整机软件及硬件的操作和运行，实现数据采集、处理、仪器标定等操作的自动化;(2)提供方便的人机对话界面，使用户可以通过图谱显示界面来控制、监视或调整仪器的运行状态，得到正确的分析结果。
2.自动调零功能分析
自动调零是一种动态地抵消失调电压和失调电压漂移的技术，它能将相对输入端的失调电压降低到pV级［26]。系统自动调零用以去掉输入电路、放大电路及模数转换所带来的偏移和随时间、温度而产生的各种漂移的影响。
色谱仪传统调零方法通过控制面板上安装的机械电位器进行手动调整。本文基于手动调零法和现代IC技术，提出了一种自动调零法，该算法采用软件自动控制硬件的方法，方便、快捷地实现了自动调零。算法的基本思想是:通过模拟手动调零的步骤，将测量值与预先设定的阂值进行比较，判断是否归零;若不为零，改变补偿信号大小;重复以上步骤，直至归零。该方法采用软件自动控制调节的方法，实现了仪器调零自动化。
惠州华高仪器气相色谱仪
3.气相色谱仪自动进样控制系统
色谱仪采用手动进样方式进样时,操作不慎或注样口隔垫漏气,会造成样品流失。每次抽取的样品量不同,注样间隔不相等,这些都有可能造成一定的偏差。自动进样系统可以克服常规分析的缺陷,提高分析精度,并使进样及部分样品准备工作自动进行。自动进样器每次抽取的样品量相同,进样间隔相等,确保更高的分析精度。
气相色谱仪在石油、化工、生物化学、医药卫生、食品工业、环保等方面应用很广，它除用于定量和定性分析外，还能测定样品在固定相上的分配系数、活度系数、分子量和比表面积等物理化学常数。今天我们主要来介绍一下气相色谱仪常见故障问题及处理方法，希望可以帮助到大家。
气相色谱仪在进样后检测信号没有变化，仪不出峰，输出仍为直线。遇到这种情况时，应按从样品进样针、进样口到检测器的顺序逐一检查。
1、首先检查注射器是否堵塞，如果没有问题，
2、再检查进样口和检测器的石墨垫圈是否紧固、不漏气，
3、然后检查色谱柱是否有断裂漏气情况，
4、最后观察检测器出口是否畅通。
5、检测器出口的畅通是很重要的，有人在工作中会遇到这样的问题：前一天仪器工作还一切正常，第二天开机后却无响应峰信号。检查进样口、注射器、垫圈和色谱柱都正常，可就是不出峰，无意中发现进样口柱头压达不到设定值，总是偏高，这时才怀疑是ECD检验器出口不畅通。由于E C D的排放物有一定的放射性，所以E C D出口是引到室外的。当时是秋冬之交，雨水进入到E CD排出口之后冻住了，因此造成仪器E CD的出口堵塞，柱头压居高不下，气体在气路中无法流动，也就无法载样品到检测器，所以不出峰。
基线问题：
气相色谱基线波动、飘移都是基线问题，基线问题可使测量误差增大，有时甚至会导致仪器无法正常使用。
1、遇到基线问题时应先检查仪器条件是否有改变，近期是否新换气瓶及设备配件。
2、如果有更换或条件有改变，则要先检查基线问题是不是由这些改变造成的，一般来说，这种变化往往是产生基线问题的原因。有些人在工作中就遇到过这种情形：新载气纯度不够，换过载气之后，基线逐渐上升(由于载气净化管的原因，基线不是马上变化的)。第二天开机之后，基线非常高，并伴有基线强烈抖动，所有峰都湮没在噪音中，无法检测。经过检查，问题出现在新换的载气上，重新更换载气后，立即恢复了正常。
3、当排除了以上可能造成基线问题的原因后，则应当检查进样垫是否老化(应养成定期更换进样垫的好习惯);
4、石英棉是不是该更换了;
5、衬管是否清洁。值得一提的是，清洗衬管时可先用试验最后定容的溶剂充分浸泡，再用超声波清洗几分钟，然后放入高温炉中加热到比工作温度略高的温度，最后再重新安装。
6、此外，检测器污染也可能造成基线问题，其可以通过清洗或热清洗的方法来解决。
造成峰丢失的故障：
造成峰丢失的原因有两种：一是气路中有污染，另一可能是峰没有分开。
(一)、第一种情况可通过多次空运行和清洗气路(进样口、检测器等)来解决。
1、为了减少对气路的污染，可采用以下的措施：程序升温的最后阶段应有一个高温清洗过程;
2、注入进样口的样品应当清洁;
3、减少高沸点的油类物质的使用;
4、使用尽量高的进样口温度、柱温和检测器温度。
(二)、峰丢失的第二种情况是峰没有分开，除了以上原因外，其也有可能是因系统污染造成的柱效下降造成，或者是由于柱子老化导致的，但柱子老化所造成的峰丢失是渐进的、缓慢的。
假峰一般是由于系统污染和漏气造成的，其解决方法也是通过检查漏气和去除污染来解决。在平时的工作中应当记录正常时基线的情况，以便在维护时作参考。
气相色谱仪是指用气体作为流动相的色谱分析仪器。它利用试样中各组份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，组份就在其中的两相间进行反复多次分配;
由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同， 因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流讯号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰。
气相色谱操作条件的选择主要从如下几点考虑：
1.柱长，柱内径
一般讲，柱管增长，可改善分离能力，短则组分馏出的快些；柱内径小分离效果好，柱内径大处理量大，但柱内径过大，将导致担体不能均匀地分布在色谱柱中。
气相色谱仪分析用柱管一般内径为３－６毫米，柱长为１－４米。
2.柱温
柱温是一个重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。
选择柱温的根据是混合物的沸点范围，固定液的配比和鉴定器的灵敏度。
提高柱温可缩短分析时间；降低柱温可使色谱柱选择性增大，有利于组分的分离和色谱柱稳定性提高，柱寿命延长。
一般采用等于或高于数十度于样品的平均沸点的柱温为较合适，对易挥发样用低柱温，不易挥发的样品采用高柱温。
3.载气流速
载气流速是决定色谱分离的重要原因之一。一般讲流速高色谱峰狭，反之则宽些，但流速过高或过低对分离都有不利的影响。流速要求要平稳，常用的流速范围每分钟在１０－１００亳升之间。
4.固定相：固定相是由固体吸附剂或涂有固定液的担体构成。
（１）固体吸附剂或担体粗细：一般采用４０－６０目、６０－８０目、８０－１００目。当用同等长度的柱子，颗粒细的分离效率就要比粗的好些。
（２）固定液含量：固定液含量对分离效率的影响很大，它与担体的重量比一般用１５％－２５％。比例过大有损于分离，比例过小会使色谱峰拖尾。
5.进样：一般讲进样快，进样量小，进样温度高其分离效果好。
对进液体样，速度要快，汽化温度要高于样品中高沸点组分的沸点值，一次汽化，保证色谱峰形不致展宽、使柱效高。
当进样量在一定限度时，色谱峰的半峰宽是不变的。若进样量过多就会造成色谱柱超载。
一般讲柱长增加四倍，样品的许可量增加一倍。对于常规分析，液体进样量为１－２０微升；气体进样量为０、１－５毫升。
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