色谱仪及检测器

14.1.1气路系统24.1.2进样系统34.1.3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。I.D.R1）填充柱填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2～4mm，长1～3m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。44.1.3分离系统2）毛细管柱毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0．l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充柱相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。54.1.4控制温度系统在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉，汽化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。对于沸点范围很宽的混合物，往往采用程序升温法进行分析。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。64.1.5检测和数据处理系统这个系统是指样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进人检测器，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计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。74.2气相色谱检测器气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达几十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种：（l）浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。如热导检测器和电子捕获检测器。（2）质量型检测器测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。8热导检测器是根据不同的物质具有不同的热导系数原理制成的。热导检测器由于结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。其主要缺点是灵敏度较低。－.热导检测器（TCD）91．热导池的结构和工作原理热导池由池体和热敏元件构成，可分双臂和四臂热导池两种。由于四臂热导池热丝的阻值比双臂热导池增加一倍，故灵敏度也提高一倍。目前仪器中都采用四根金属丝组成的四臂热导地。其中二臂为参比臂，另二臂为测量臂，将参比臂和测量臂接人惠斯登电桥，由恒定的电流加热组成热导地测量线路，如图所示。10（l）桥电流桥电流增加，使钨丝温度提高，钨丝和热导池体的温差加大，气体就容易将热量传出去，灵敏度就提高。响应值与工作电流的三次方成正比。所以，增大电流有利于提高灵敏度，但电流太大会影响钨丝寿命。一般桥电流控制在100～200mA左右（N2作载气时为100～150mA，H2作载气时150～200mA为宜）。2．影响热导检测器灵敏度的因素11（2）池体温度池体温度降低，可使池体和钨丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度过低，被测试样会冷凝在检测器中。池体温度一般不应低于柱温。（3）载气种类载气与试样的热导系数相差愈大，则灵敏度愈高。故选择热导系数大的氢气或氦气作载气有利于灵敏度提高。如用氮气作载气时，有些试样（如甲烷）的热导系数比它大就会出现倒峰。12（4）热敏元件的阻值阻值高、温度系数较大的热敏元件，灵敏度高。钨丝是一种广泛应用的热敏元件，它的阻值随温度升高而增大，其电阻温度系数为5.5×10-3cm·Ω-1·℃-1，电阻率为5.5×1O-6Ω·cm。为防止钨丝气化，可在表面镀金或镍。13二.火焰离子化检测器（FID）原理：以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加的电场作用下，使离子形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离出的组分。14二.火焰离子化检测器（FID）特点：灵敏度很高（比TCD高约103倍）；检出限低，可达10-12g·S-1；能检测大多数含碳有机化合物；死体积小，响应速度快，线性范围宽；结构不复杂，操作简单，应用广泛。缺点：不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等物质。151.结构16至今还不十分清楚其机理，普遍认为这是一个化学电离过程。有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反应生成H30+离子。以苯为例，在氢火焰中的化学电离反应如下：C6H6裂解6CH3O2+6CH+6e6CHO+6CHO+6H2O6CO+6H3O++2．火焰离子化机理17离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接影响，操作条件的变化，包括氢气、载气、空气流速和检测室的温度等都对检测器灵敏度有影响。3.影响灵敏度的因素18三.电子捕获检测器(ECD)电子捕获检测器也称电子俘获检测器，它是一种选择性很强的检测器，对具有电负性物质（如含卤素、硫、磷、氰等的物质）的检测有很高灵敏度（检出限约1O-14g·cm-3）。它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。应用：农药残留量、大气及水质污染分析，以及生物化学、医学、药物学和环境监测等领域中。缺点：线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。19是一种放射性离子化检测器，与火焰离子化检测器相似，也需要一个能源和一个电场。能源多数用63Ni或3H放射源。1．电于捕获检测器的结构与工作原理201．电于捕获检测器的结构与工作原理检测器内腔有两个电极和筒状的β放射源。β放射源贴在阴极壁上，以不锈钢棒作正极，在两极施加直流或脉冲电压。放射源的β射线将载气（N2或Ar）电离，产生次级电子和正离子，在电场作用下，电子向正极走向移动，形成恒定基流。当载气带有电负性溶质进入检测器时，电负性溶质就能捕获这些低能量的自由电子，形成稳定的负离子，负离子再与载气正离于复合成中性化合物，使基流降低而产生负信号——倒峰。212．捕获机理捕获机理可用以下反应式表示：N2βN2++eAB+eAB-+EAB-+N2+N2+AB22四.火焰光度检测器(FPD)火焰光度检测器，又称硫、磷检测器，它是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12g·S-1（对P）或10-11g·S-11（对S）。这种检测器可用于大气中痕量硫化物以及农副产品，水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。231．火焰光度检测器的结构24根据硫和磷化合物在富氢火焰中燃烧时，生成化学发光物质，并能发射出特征波长的光，记录这些特征光谱，就能检测硫和磷以硫为例，有以下反应发生：RS+2O2CO2+SO22SO2+4H24H2O+2SS+S390℃S2*（化学发光物）S2*S2+hν当激发态S2*分子返回基态时发射出特征波长光λmax为394nm。对含磷化合物燃烧时生成磷的氧化物，然后在富氢火焰中被氢还原，形成化学发光的HPO碎片，并发射出λmax为526nm的特征光谱。这些光由光电信增管转换成信号，经放大后由记录仪记录。2．火焰光度检测器的工作原理25五.原子发射检测器（AED）工作原理：将被测组分导人一个与光电二极管阵列光谱检测器耦合的等离子体中，等离子体提供足够能量使组分样品全部原子化，并使之激发出特征原子发射光谱，经分光后，含有光谱信息的全部波长聚焦到二极管阵列。用电子学方法及计算机技术对二极管阵列快速扫描，采集数据，最后可得三维色谱光谱图（见下图）。2627六.检测器的性能指标优良的检测器应具以下几个性能指标：灵敏度高，检出限低，死体积小，响应迅速，线性范围宽，稳定性好。通用性检测器要求适用范围广；选择性检测器要求选择性好。表19-8列出四种常用检测器的性能指标。2829当一定浓度或一定质量的组分进入检测器，产生一定的响应信号R。以进样量C（单位：mg.cm-3或g·s-1）对响应信号(R)作图得到一条通过原点的直线（见图19-9）。直线的斜率就是检测器的灵敏度（S）。因此，灵敏度可定义为信号（R）对进人检测器的组分量（C）的变化率cRS对于浓度型检测器，ΔR取mV，ΔC取mg·cm-3，灵敏度S的单位是mV·cm3·mg-1;对于质量型检测器，Δc取g·s-1,则灵敏度S的单位为mV·s·g-1。1．灵敏度30在实际工作中，我们常常从色谱图上测量峰的面积来计算检测器的灵敏度。根据灵敏度的定义，可得浓度型检测器灵敏度计算公式12CwFCASicic式中：Sc一灵敏度（mV·cm3·mg-1），Ai一色谱峰面积（cm2），C2一记录仪灵敏度（mV·cm-1），Fc′一检测器入口处载气流速（cm3·min-1），wi一进入检测器的样品量（mg），C1一记录纸移动速度（cm·min-1）。31同样，对于气体样品，进样量以体积cm3表示时，则灵敏度Sc的单位为mV·cm3·cm-3。质量型检测器灵敏度计算公式为：式中：Sm一灵敏度（mV·s·g-1），wi一进入检测器的样品量（g）。1260CwACSiin322．检出限（敏感度）当检测器输出信号放大时，电子线路中固有的噪声同时也被放大，使基线波动，如图19-12所示。取基线起伏的平均值为噪声的平均值，用符号RN表示。由于噪声会影响测量试样色谱峰的认辨，所以在评价检测器的质量时提出了检出限这一指标33检出限定义为：检测器恰能产生二倍于噪声信号时的单位时间（单位：S）引入检测器的样品量（单位：g），或单位体积（单位：cm3）载气中需含的样品量。对于浓度型检测器，检出限Dc表示为Dc=2RN/ScDc的物理意义指每毫升载气中含有恰好能产生二倍于噪声信号的溶质毫克数。质量型检测器的检出限为Dm=2RN/SmDm的物理意义指每秒通过的溶质克数，恰好产生二倍于噪声的信号。34热导检测器---热导检测器的检出限一般约为10-5mg·cm-3，即每毫升载气中约有10-5mg溶质所产生的响应信号相当于噪声的2倍。火焰离子化检测器---火焰离子化检测器的检出限一般为10-12g·S-1。无论哪种检测器，检出限都与灵敏度成反比，与噪音成正比。检出限不仅决定于灵敏度，而且受限于噪声，所以它是衡量检测器性能好坏的综合指标。35在实际工作中，检测器不可能单独使用，它总是与柱、气化室、记录器及连接管道等组成一个色谱体系。最小检测量指产生二倍噪声峰高时，色谱体系（即色谱仪）所需的进样量。对于浓度型检测器组成的色谱仪，最小检测量（单位：mg）为cccDCFWw12/10065.1质量型检测器的最小检测量（单位：g）为mmDCWw12/1060065.13．最小检测量36由此看出，最小检测量与检出限是两个不同的概念。检出限只用来衡量检测器的性能,而最小检测量不仅与检测器性能有关，还与色谱柱效及操作条件有关。37检测器的线性范围定义：在检测器呈线性时最大和最小进样量之比，或叫最大允许进样量（浓度）与最小检测量（浓度）之比。不同的组分的线性范围不同。不同类型检测器的线性范围差别也很大。如氢焰检测器的线性范围可达107，热导检测器则在105左右。由于线性范围很宽，在实际检测时一般采用双对数坐标纸。4．线性范围38图19-11为某检测器对两种组分的R－Ci图。R为检测器响应值，Ci为进样浓度。对于组分A进样浓度在CA。至CA′之间为线性，线性范围为CA′／CA。对于组分B则在CB至CB′之间为线性，线性范围为CB′/CB。39响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其真值的63％所需的时间。检测器的死体积小，电路系统的滞后现象小，响应速度就快。一般都小于1s。5.响应时间