色譜法,又稱色層法或?qū)游龇ǎ且环N物理化學(xué)分析方法，它利用不同溶質(zhì)（樣品）與固定相和流動(dòng)相之間的作用力（分配、吸附、離子交換等）的差別，當(dāng)兩相做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，各溶質(zhì)在兩相間進(jìn)行多次平衡，使各溶質(zhì)達(dá)到相互分離。它的英文名稱為：chromatography這個(gè)詞來源于希臘字chroma和 graphein，直譯成英文時(shí)為color和writing兩個(gè)字;直譯成中文為色譜法。但也有人意譯為色層法或?qū)游龇ā?/span>

1906年由俄國(guó)科學(xué)家茨維特研究植物色素分離，提出色譜法概念；他在研究植物葉的色素成分時(shí)，將植物葉子的萃取物倒入填有碳酸鈣的直立玻璃管內(nèi)，然后加入石油醚使其自由流下，結(jié)果色素中各組分互相分離形成各種不同顏色的譜帶。按光譜的命名方式，這種方法因此得名為色譜法。以后此法逐漸應(yīng)用于無色物質(zhì)的分離，“色譜”二字雖已失去原來的含義，但仍被人們沿用至今。

茨維特經(jīng)典色譜分析實(shí)驗(yàn)示意圖

9.1基礎(chǔ)知識(shí)

固定相——色譜法中，靜止不動(dòng)的一相（固體或液體）稱為固定相（stationary phase） ；流動(dòng)相——運(yùn)動(dòng)的一相（一般是氣體或液體）稱為流動(dòng)相（mobile phase）。

按固定相的幾何形式色譜分析法分為：

紙色譜法（paper chromatography）

簡(jiǎn)單的說，色譜分析儀就是基于色譜法原理用色譜柱先將混合物分離開來，然后再用檢測(cè)器對(duì)各組分進(jìn)行檢測(cè)。與前面介紹的幾種氣體成分分析儀不同，色譜分析儀能對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行的分析，既能鑒定混合物中的各種組分，還能測(cè)量出各組分的含量。因此色譜分析儀在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的越來越廣泛。

由以上方法可知，在色譜法中存在兩相，一相是固定不動(dòng)的，我們把它叫做固定相；另一相則不斷流過固定相，我們把它叫做流動(dòng)相。

色譜法的分離原理就是利用待分離的各種物質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)、吸附能力等親和能力的不同來進(jìn)行分離的。

使用外力使含有樣品的流動(dòng)相（氣體、液體）通過一固定于柱中或平板上、與流動(dòng)相互不相溶的固定相表面。當(dāng)流動(dòng)相中攜帶的混合物流經(jīng)固定相時(shí)，混合物中的各組分與固定相發(fā)生相互作用。

由于混合物中各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相之間產(chǎn)生的作用力的大小、強(qiáng)弱不同，隨著流動(dòng)相的移動(dòng)，混合物在兩相間經(jīng)過反復(fù)多次的分配平衡，使得各組分被固定相保留的時(shí)間不同，從而按一定次序由固定相中先后流出，色譜柱的出口安裝一個(gè)檢測(cè)器，當(dāng)有組分從色譜柱流入檢測(cè)器中，檢測(cè)器將輸出對(duì)應(yīng)于該組分濃度人小的電信號(hào)，通過記錄儀把各個(gè)組分對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)記錄下來，就形成了色譜圖，如下圖所示。根據(jù)各組分在色譜圖中出現(xiàn)的時(shí)問以及峰值大小可以確定混合物的組成以及各組分的濃度。

色譜法中，流動(dòng)相可以是氣體，也可以是液體，由此可分為氣相色譜法（GC）和液相色譜法（LC），我們工業(yè)上常用的在線色譜儀一般都是氣相色譜儀。固定相既可以是固體，也可以是涂在固體上的液體，由此又可將氣相色譜法和液相色譜法分為氣-液色譜、氣-固色譜、液-固色譜、液-液色譜。

氣相色譜儀組成部分：

根據(jù)檢測(cè)器的輸出信號(hào)和組分含量的關(guān)系分，可以分為：

質(zhì)量型檢測(cè)器：測(cè)量載氣中某組分進(jìn)入檢測(cè)器的質(zhì)量流速變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)人檢測(cè)器某組分的質(zhì)量成正比。

濃度型檢測(cè)器：測(cè)量載氣中組分濃度的瞬間變化，檢測(cè)器的響應(yīng)值與組分在載氣中的濃度成正比，與單位時(shí)間內(nèi)組分進(jìn)入檢測(cè)器的質(zhì)量無關(guān)。

根據(jù)其測(cè)定范圍可分為：

通用型檢測(cè)器：對(duì)大多數(shù)物質(zhì)夠有響應(yīng)。

選擇型檢測(cè)器：只對(duì)某些物質(zhì)有響應(yīng)；對(duì)其它物質(zhì)無響應(yīng)或很小。

目前已有幾十種檢測(cè)器，其中常用的是熱導(dǎo)池檢測(cè)器、電子捕獲檢測(cè)器（濃度型）、火焰離子化檢測(cè)器、火焰光度檢測(cè)器（質(zhì)量型）和氮磷檢測(cè)器等。具體原理和使用范圍如下：

熱導(dǎo)池檢測(cè)器(Thermal Conductivity Detector，TCD)，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度適宜，穩(wěn)定性較好，線性范圍較寬，適用于無機(jī)氣體和有機(jī)物，它既可做常量分析，也可做微量分析，小檢測(cè)量mg/ml數(shù)量級(jí)，操作也比較簡(jiǎn)單，因而它是目前應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種檢測(cè)器。

TCD檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量示意圖

火焰離子檢測(cè)器（flame ionizationdetector，FID）是氣體色譜檢測(cè)儀中對(duì)烴類(如丁烷,己烷)靈敏度好的一種手段，廣泛用于揮發(fā)性碳?xì)浠衔锖驮S多含炭化合物的檢測(cè)。FID用氫氣作為燃燒氣，其中摻有氦氣，氮?dú)獾认疵搫谝粋€(gè)圓筒狀的電里的噴嘴處燃燒。噴嘴與電間電壓高達(dá)幾百伏，當(dāng)含碳溶質(zhì)在噴嘴處燃燒時(shí)，產(chǎn)生的電子/離子對(duì)被噴嘴和電處收集起來產(chǎn)生電流，該電流被放大并傳送到記錄儀或電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器處。它對(duì)電離勢(shì)低于H2的有機(jī)物產(chǎn)生響應(yīng)，而對(duì)無機(jī)物、久性氣體和水基本上無響應(yīng)，所以火焰離子化檢測(cè)器只能分析有機(jī)物（含碳化合物），不適于分析惰性氣體、空氣、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。

FPD檢測(cè)器結(jié)構(gòu)原理示意圖

電子捕獲檢測(cè)器(Electron Capture Detector，ECD)，目前氣相色譜中常用的一種高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)器。它只對(duì)電負(fù)性(親電子)物質(zhì)有信號(hào)，樣品電負(fù)性越強(qiáng)，所給出的信號(hào)越大，而對(duì)非電負(fù)性物質(zhì)則沒有響應(yīng)或響應(yīng)很小。電子捕獲檢測(cè)器對(duì)鹵化物、含磷、硫、氧的化合物，硝基化合物、金屬有機(jī)物、金屬螯合物，甾類化合物。多環(huán)芳烴和共軛羰基化合物等電負(fù)性物質(zhì)都有很高的靈敏度，其檢出限量可達(dá)10-9～10-10克的范圍。所以電子捕獲檢測(cè)器在環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、農(nóng)藥殘留、食品衛(wèi)生、醫(yī)學(xué)、生物和有機(jī)合成等方面，都已成為一種重要的檢測(cè)工具。

ECD檢測(cè)器結(jié)構(gòu)原理圖

總而言之，檢測(cè)器的發(fā)展方面，均向著高靈敏度，高重復(fù)性，反應(yīng)快，線性寬等的方向發(fā)展．并且，正逐漸洐生出專門分析某些化合物的檢測(cè)器。

9.3色譜柱（chromatographic column）

色譜柱——裝填有固定相用以分離混合組分的柱管。多為金屬或玻璃制作。有直管形、盤管形、U形管等形狀。

9.4氣相色譜儀的載氣

作為氣相色譜載氣的氣體，要求要化學(xué)穩(wěn)定性好；純度高；價(jià)格并易取得；能適合于所用的檢測(cè)器。常用的載氣有氫氣、氮?dú)?、氬氣、氦氣、二氧化碳?xì)獾鹊取?其中氫氣和氮?dú)鈨r(jià)格，性質(zhì)良好，是用作載氣的良好氣體。

氫氣

由于它具有分子量小，分子半徑大，熱導(dǎo)系數(shù)大，粘度小等特點(diǎn)，因此在使用TCD時(shí)常采用它作載氣。在FID中它是必用的燃?xì)?。氫氣的來源目前除氫氣高壓鋼瓶外，還可以采用電解水的氫氣發(fā)生器，氫氣易燃易爆，使用時(shí)，應(yīng)特別注意安全。

氮?dú)?/span>

由于它的擴(kuò)散系數(shù)小，柱效比較高，致使除TCD外，在其他形式的檢測(cè)器中，多采用氮?dú)庾鬏d氣。它之所以在TCD中用的較少，主要因?yàn)榈獨(dú)鉄釋?dǎo)系統(tǒng)小，靈敏度低，但在分析H2時(shí)，必須采用N2作載氣，否則無法用TCD解決H2的分析問題。

氦氣

從色譜載氣性能上看，與氫氣性質(zhì)接近，且具有安全性高的特點(diǎn)。但由于價(jià)格較高，使用較少。

載氣種類的原則

選擇何種氣體作載氣，先要考慮使用何種檢測(cè)器。

使用熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD）時(shí)，選用氫 或氦作載氣，能提高靈敏度，氫載氣還能延長(zhǎng)熱敏元件鎢絲的壽命；

氫火焰檢測(cè)器（FID）宜用氮?dú)庾鬏d氣，也可用氫氣；

電子捕獲檢測(cè)器(ECD)常用氮?dú)饧兌却笥冢?/span>

火焰光度檢測(cè)器（PFD）常用氮?dú)夂蜌錃?

擴(kuò)散系數(shù)與載氣性質(zhì)有關(guān)，與載氣的摩爾質(zhì)量平方根成反比，所以選用摩爾質(zhì)量大的載氣、可以減小分子擴(kuò)散系數(shù)，提高柱效、但選用摩爾質(zhì)量小的載氣，使分子擴(kuò)散系數(shù)增大，會(huì)使氣相傳質(zhì)阻力系數(shù)減小，使柱效提高。因此使用低線速載氣時(shí)，應(yīng)選用摩爾質(zhì)量大的，使用高線速時(shí)，宜選用摩爾量小的。

載氣純度的選擇

原則上講，選擇氣體純度時(shí)，主要取決于：

①   分析對(duì)象；

②   色譜柱中填充物；

③   檢測(cè)器。

建議在滿足分析要求的前提下，盡可能選用純度較高的氣體。這樣不但會(huì)提高（保持）儀器的高靈敏度，而且會(huì)延長(zhǎng)色譜柱，整臺(tái)儀器（氣路控制部件，氣體過濾器）的壽命。

實(shí)踐證明，作為中儀器，用于微量分析，長(zhǎng)期使用較低純度的氣體氣源，一旦要求分析低濃度的樣品時(shí)，要想恢復(fù)儀器的高靈敏度有時(shí)十分困難。對(duì)于低檔儀器，作常量或半微量分析，選用高純度的氣體，不但增加了運(yùn)行成本，為了純化氣體還需要增加凈化器，這樣增加了氣路的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)漏氣或其他的問題而影響儀器的正常操作。因此不推薦對(duì)這樣的色譜載氣進(jìn)行純化。另外，為了某些特殊的分析目的要求特意在載氣中加入某些“不純物”，如：分析性化合物添加適量的水蒸氣，操作火焰光度檢測(cè)器（FPD）時(shí)，為了提高分析硫化物的靈敏度，而添加微量硫。操作氦離子化檢測(cè)器要氖的含量必須在5~25ppm，否則會(huì)在分析氫，氮和氬氣時(shí)產(chǎn)生負(fù)峰或“W”形峰等。

氣體純度低的不良影響

工藝氣體經(jīng)取樣和預(yù)處理裝置變成潔凈、干燥的樣品連續(xù)流過定量管，取樣定量管中的樣品在載氣的攜帶下進(jìn)入色譜柱系統(tǒng)。樣品中的各組分在色譜柱中進(jìn)行分離，然后依次進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器將組分的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 。微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理部件，后送主機(jī)的液晶顯示器顯示，并以模擬或數(shù)字信號(hào)形式輸出。程序控制器按預(yù)先安排的動(dòng)作程序控制系統(tǒng)中各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)、周期地工作。溫度控制器對(duì)恒溫箱溫度進(jìn)行控制。圖中的兩個(gè)虛線框分別表示工業(yè)色譜儀主機(jī)中的分析器部分和控制部分。

9.6色譜儀的譜圖及流出曲線