气相色谱原理及样品测试分析
（1）了解GC-9790Ⅱ型气相色谱仪的结构，了解热导池检测器的测定原理。 （2）掌握气相色谱仪操作方法。
（3）基本了解气相色谱的定性、定量分析方法。 二、实验基本原理
1.气相色谱分析基本原理
色谱分析法（chromatography），又称色谱法、层析法，是一种物质的分离和分析方法。气相色谱法系采用气体为流动相（载气），流经装有填充剂（固定相）的色谱柱进行物质分离测定的色谱方法。物质气化后，被载气带入色谱柱，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。随着载气的流动，这种分配或吸附/解吸附过程在运动中反复进行。由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，因此各组分在流动相与固定相之间的分配系数不同，在固定相中滞留时间长短不同。与固定相作用力小的组分先流出色谱柱，与固定相作用力大的组分后流出色谱柱，从而实现各组分的分离。
当组分流出色谱柱后，立即进入检测器。检测器将样品组分转变为电信号，将这些信号放大并记录下来，便得到气相色谱图。每一个组分对应一个色谱峰。根据组分出峰时间（保留值）可以进行定性分析；根据峰面积或峰高大小可以进行定量分析。
2.气相色谱仪
气相色谱仪由以下六大系统组成：气路系统、进样系统、分离系统、温控系统、检测系统、记录和数据处理系统。组分能否分开，关键在于色谱柱；分离后组分能否鉴定出来则在于检测器，所以分离系统和检测系统是仪器的核心。
图1 气相色谱仪结构示意图
2.1 气路系统
气路系统为色谱分析提供压力稳定、流速准确、纯度合乎要求的流动相（载气），包括：载气气源、减压阀、净化管、稳压阀、稳流阀、压力表等。
常用的气源有氦、氮和氢，可由高压钢瓶或高纯度气体发生器提供，经过适当的减压装置，以一定的流速经过进样器和色谱柱；根据供试品的性质和检测器种类选择载气，除另有
规定外，氢火焰和电子捕获检测器常用载气为氮气，热导检测器常用载气为氢气。
2.2 进样系统
进样系统是将气体、液体或固体溶液试样引入色谱柱前瞬间气化、快速定量转入色谱柱的装置。主要作用是与各种形式的进样器相配合，使有关样品快速并定量地送到各类型色谱柱中进行色谱分离。进样系统大体可分成用于填充柱和毛细柱两大类。进样系统的结构设计、进样时间、进样量及进样重复性都直接影响色谱分离和定量结果。
进样系统由进样器（注射器针进样、阀进样）和气化室组成。
2.3 分离系统
气相色谱分离是利用混合物中各组分在流动相和固定相中具有不同的溶解和解吸能力或不同的吸附和脱附能力或其他亲和性能作用的差异。当两相作相对运动时样品各组分在两相中反复多次受到各种作用力的作用从而使混合物中各组分获得分离。
气相色谱仪的分离系统主要由色谱柱和柱箱组成。其中色谱柱是分离系统的核心，它的作用是将多组分样品分离为单个组分，色谱柱选用的正确与否，将直接影响分离效率、稳定性和检测灵敏度。色谱柱分为填充柱和毛细管柱两类。柱箱是安装和容纳各种色谱柱的精密控温的炉箱，对柱箱的控温有恒温型和可程序升温型，柱箱结构设计的合理与否，将直接影响整机性能。
2.4 温控系统
温度控制系统 用于控制和测量色谱柱、检测器、气化室温度，是气相色谱仪的重要组成部分,必不可缺少。
2.5 检测系统
检测系统的作用是把从柱后流出、经色谱柱分离的样品组分根据其特性和含量转化成电信号，经放大后，送入记录仪或数据处理系统中进行谱图记录及数据处理。色谱检测系统由检测器、微电流放大器、记录器等部件构成。
任何一个检测器从根本上讲是一个传感器。各种检测器的共性是根据物质的物理的或物理化学的性质，将组分的浓度(或质量)的变化情况转化为易于测量的电压、电流讯号，而这些讯号在一定范围内必须与该物质的量成一定的比例关系。
常见的检测器有氢火焰离子化检测器(Flame Ionization Detector，FID)，简称氢焰检测器；热导检测器(Thermal Conductivity Detector，TCD)；电子捕获检测器(Electron Capture Detector，ECD)；火焰光度检测器(Flame Photometric Detector，FPD)；热离子检测器 (The Thermionio detector，TID)。
2.6 记录和数据处理系统
近年来气相色谱仪主要采用色 谱数据处理机。色谱数据处理机可打印记录色谱图，并能在同一张记录纸上打印出处理后的结果，如保留时间、被测组分质量分数等。
3.热导检测器
热导池检测器属于浓度型检测器，即给出的信号大小与物质在载气中的浓度有关。热导池检测器由于它结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好，线性范围较宽，适用于无机气体和有机物，它既可做常量分析，也可做微量分析，最小检测量g/ml数量级，操作也比较简单，因而它是目前应用相当广泛的一种检测器。
3.1热导池检测器原理
目前普遍采用四臂钨丝热导池，在四个圆形孔道内，安装上四根钨丝（或铼钨丝），利用此四根钨丝组成惠斯通电桥（见图2a）。惠斯通电桥中VG检流计读数为零的时候，四个
电阻有如下关系式：
R1RxR2R3 （1）
因此可以通过已知电阻R1、R2和R3测定待测电阻Rx。设置R2为可变电阻，则可以测定一定阻值范围内的待测电阻Rx。
图2 四臂热导池电桥电路和工作原理
当通过一定量的恒定直流电流，钨丝发热，具有一定的温度。此时，当气体以恒定的流速流经钨丝时，热丝表面被带走的热量是恒定的，即热丝阻值的变化也恒定。气体带走热量的能力随钨丝周围的气体成分及浓度而改变。不同的气体分子导热系数不同，一般来说，分子量小的或分子直径小的气体具有高的热导率；相反，分子量大的或分子体积大的则有低的热导率。气体分子越多则浓度越大，传导的热量也越多。
工作时，检测器中的参考池通以纯载气，而测量池为含有样品组分的载气通过。因此，两组热导池引起阻值变化不一样。图2a中BD端的电位差ΔV≠0，因此有相应的电压信号输出，在一定条件下此信号大小与组分的浓度成正比。因此，利用测量此非平衡电压信号，即可确定待测组分的含量。这就是热导池检测器的的基本原理（见图2b）。 三、实验仪器与材料
仪器：福立9790Ⅱ型气相色谱仪（浙江福立分析仪器有限公司），热导检测器。
微量注射器：50 μL 若干支。
色谱柱：不锈钢螺旋柱，柱长3 m，内径3 mm。 载气：氢气
N2000色谱数据处理机。 乙醇，异丙醇等：分析纯。 四、实验步骤
1.了解气相色谱仪的结构
了解GC-9790Ⅱ型气相色谱仪的气路系统、进样系统、分离系统、温控系统、检测系统、记录和数据处理系统。
2.气相色谱仪操作 2.1 安装填充柱
接上两根TCD分析用的填充柱。 2.2 通载气
（1）气路连接：用高纯氢气作载气（即把氢气接在仪器后面载气的入口处）。
（2）打开气路：打开氢气钢瓶，调节减压阀使压力输出在0.2 Mpa~0.3 Mpa，再打开
气体净化器上氢气的开关。调总压为0.2 Mpa，把柱前压Ⅰ和柱前压Ⅱ调到20~60 ml/min,同时把热导检测器的两个出气口放空（即将两个封口螺帽拆下）
2.3 流量监测
先进行检漏测试，确定没有漏气的情况下，用流量计测量检测器两个出口气体的流量。调节两出口气体流量基本相同，并大于20 ml/min。
2.4 温度设定及加热
打开“电源”和“加热”两个开关，开机加热，待仪器自检通过以后，再按一下热导板上的复位键，使过载灯熄灭。设定柱箱、热导池、进样器的温度，系统自动升温。
所有设定温度均高于待测样品沸点。其中进样器的温度和热导池的温度略高于柱箱温度。
2.5 基线调整
设定电热丝电流：进入TCD的参数设置，按输入键将光标移到current=1，然后设定电流值。一般情况下不要超过160mA，对于高灵敏度的热导电流值不要超过100 mA。（设定电流越大，灵敏度就越高，同时对载气的纯度要求也越高）
按一下热导板上的红色开关，使其处于“开”的状态。 2.6 样品测试
打开电脑及工作站，静待仪器的基线走直。在进样之前，先观察仪器的电压值是否在0mV以上，如果偏离0点很多，可先用热导板上的调零旋钮将电平调到0~10 mV之间。
进样分析时，如进外面的柱子，极性应设定在Polarity=0(－)；进样在里面的柱子，极性设定为1（+），不然进样可能会出负峰。
进样的同时，计时开始。记录出峰保留时间和峰面积。 2.7 关机
将热导板上的红色开关关掉，再将参数上设定的 电流值设定为0 mA。 把柱箱、热导、注样器的温度设定为50℃来降温。
待热导检测器的实际温度降到80℃以下时，再关闭氢气。（也就直接关掉氢气钢瓶的总压输出即可）再用两个封口螺帽将热导的两个出气口封住，防止空气进入氧化钨丝。
关闭仪器的电源和加热开关。
3.气相色谱图的定性、定量分析方法
3.1 定性测试实验
微量注射器吸取1 μL已知纯试剂样品，注射进样，得到气相色谱图。记录保留时间。分析保留时间的变化规律。每个样品平行注射进样3次。
微量注射器吸取1 μL未知纯试剂样品，注射进样，根据气相色谱图判断未知样品成分。样品平行注射进样3次。
已知纯试剂：乙醇，异丙醇等（以实验当天配给为准）。 3.2 定量测试实验
微量注射器吸取不同量的已知纯试剂A样品，注射进样，得到气相色谱图。记录峰面积。分析峰面积的变化规律。每个样品平行注射进样3次。
已知纯试剂A：以实验当天配给为准。 注射体积：1 μL，2 μL。 3.3 定性、定量综合测试
自行设计实验，判断未知样品成分。如果未知样品不是纯物质，则分析未知样品各成分含量。 五、注意事项
（1）使用热导池检测器时，加桥温、通电流之前，一定保证载气畅通，以保护电热丝。测试结束后，在电热丝冷却之前，也要保证载气畅通，
（2）进样体积要准确。
（3）当使用氢气作为载气或燃气时，要注意氢气可能会流入柱箱引起爆炸危险。所以在把管线连接好以前一定要把气源关闭；在把氢气连接到仪器上以前，一定要把进样口和检测器的接头连接到色谱柱上，或全部戴上堵头。氢气是可燃性气体。泄漏气体如果封闭在一个密闭空间，就有引起燃烧和爆炸的危险。在任何需要使用氢气的场合，在使用仪器以前，要对所有的连接处、管线和阀进行检漏。在使用仪器以前，要使氢气气源一直保持关闭。 六、实验报告
1．画出气相色谱仪结构简图，简介每部分结构的作用。 2．根据实际试验过程，记录气相色谱仪操作步骤。 3．定性、定量实验数据记录与处理。
定性测试实验
表1 已知纯试剂气相色谱法测定的色谱峰保留时间数据记录
测试条件 进样体积 （μL）
保留时间 平均保留时间
已知纯试剂名称：
进样温度： 柱温： 热导池温度： 气体流速： 电热丝电流：
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测试条件 进样体积 （μL）
保留时间 平均保留时间
已知纯试剂名称：
进样温度： 柱温： 热导池温度： 气体流速： 电热丝电流：
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定量测试实验
表2 已知纯样品气相色谱法测定的色谱峰保留时间和峰面积数据记录
测试条件 进样体积 （μL）
保留时间 平均保留时间 峰面积 平均峰面积
已知纯试剂名称：
进样温度： 柱温： 热导池温度： 气体流速： 电热丝电流：
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进样体积和平均峰面积之间有什么关系？为什么？
4．未知样品定性及定量分析。 （1）写出分析思路、操作步骤
（2）记录分析测试数据，自行设计数据记录表（注意体现保留时间和峰面积）。 （3）完成下表，得出结论。
表4 未知样品测试结果
未知样品名称
结论
未知样品成分为： 各组分含量为：
七、思考
（1）色谱峰的保留时间和峰面积还与哪些参数相关？
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