气相色谱ecd检测器极性设置

气相色谱法 （Gas Chromatography，GC）是英国生物化学家Martin等在液液分配色谱的基础上创建的一种以气体为流动相的色谱分离技术，他们还深入研究了气－液色谱法的理论和实验方法。目前，高效能色谱柱的研制、高灵敏检测器及计算机处理技术的应用，使气相色谱成为最有效的多组分混合物的分离分析方法之一，在石油化工、食品加工业、食品卫生检验、生命科学、医药卫生、环境保护等领域得到了广泛应用。特别是近年来气相色谱仪与其他分析仪器如质谱 （MS）、傅里叶变换红外光谱 （FTIR）、核磁共振波谱仪 （NMR）、等离子原子发射光谱仪 （ICP－AES）的在线联用，极大地增强了其定性能力，已成为结构分析的有力工具；而多维色谱技术－气相色谱仪器之间的在线联用，可以使在单一分离模式下无法分开的复杂体系得到很好的分离。

13．2．1 概述

1．气相色谱分离原理及流程

（1）气相色谱分离原理

气相色谱的流动相为惰性气体，根据固定相的状态不同可将其分为气－固色谱和气－液色谱。

气－固色谱 （Gas－Solid Chromatography，GSC）以多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物。其分离原理为当多组分的混合物试样进入色谱柱后，由于吸附剂对每个组分的吸附力不同，经过一定时间后，各组分在色谱柱中的运行速率也就不同。吸附力弱的组分容易被解吸，先离开色谱柱进入检测器，而吸附力最强的组分最不容易被解吸，而最后离开色谱柱。各组分在色谱柱中彼此分离，依顺序进入检测器中被检测记录下来。

气－液色谱 （Gas－Liquid Chromatography，GLC）以均匀地涂在载体表面的液膜为固定相，这种液膜对各种有机物都具有一定的溶解度。当试样被载气带入柱中到达固定相表面时，就会溶解在固定相中。当试样中含有多个组分时，由于它们在固定相中的溶解度不同，经过一段时间后，各组分在色谱柱中的运行速率也就不同。溶解度小的组分先离开色谱柱，溶解度大的组分后离开色谱柱。这样，各组分在色谱柱中彼此分离，然后依顺序进入检测器中被检测记录下来。

（2）气相色谱流程

图13－2为一般气相色谱仪的流程示意图。

图13－2 气相色谱仪流程示意图

高压气瓶提供具有一定压力的载气，经压力调节器降压后，通过净化器脱水及净化，由稳压阀调至适宜的流量进入色谱柱中，再经检测器流出色谱仪。待流量、温度及基线稳定后，用微量注射器吸取微量试样溶液，通过进样器将试样注入色谱仪中，试样汽化后被载气带入色谱柱中进行分离。由于各组分在两相中分配系数不同，它们将按分配系数的大小，依次被载气带出色谱柱，分配系数小的组分先出柱，分配系数大的组分后出柱。被分离后的各组分再被载气带入检测器中，检测器将各组分浓度 （或质量）的变化，转变成电压 （或电流）的变化，这种随时间变化的信号由记录器记录下来。由于信号强度正比于物质浓度 （或质量），所记录的电压 （电流）－时间曲线即浓度－时间曲线，称为色谱流出曲线。

随着科学技术和仪器的发展，一般用气体发生器取代高压气瓶，用自动进样器取代手动微量注射器来吸取试样，使气相色谱逐步向着自动化、精确化的方向发展。

（3）气相色谱仪

虽然气相色谱仪型号和种类繁多，但均由五大系统组成：气路系统、进样系统、分离系统、温度控制系统和检测记录系统。

①气路系统。

气路系统是指流动相气体在色谱仪中连续运行的密闭管路系统。它包括气源 （钢瓶或气体发生器）、净化器、气体流量控制和测量装置。通过该系统可获得纯净、流量稳定的载气。气路系统的气密性好、载气纯净、流量稳定，才能获得可靠的色谱数据。

常用的载气有氮气、氢气和氦气等。载气可以由高压气瓶储装的压缩气源供给，也可以由气体发生器提供。载气的选择，主要由所用检测器的性质和分离要求决定。某些检测器还需要辅助气体，如火焰离子化和火焰光度检测器需要氢气和空气作燃气和助燃气。

载气在进入色谱仪之前，必须经过净化处理。载气的净化由装有气体净化剂的气体净化管来完成，常用的净化剂有活性炭、硅胶和分子筛，分别用来除去烃类物质、水分和氧气。

稳压阀用来调节和稳定气体的流量。它是通过两条途径来发挥作用的：一是通过改变输出气压来调节气体流量的大小；二是稳定输出气压。在恒温色谱中，当操作条件不变时，整个系统的阻力不变，单独使用稳压阀便可稳定色谱柱入口的压力，从而保持稳定的流量。但在程序升温色谱中，由于柱内阻力不断增加，载气的流量不断减少，因此需要在稳压阀后连接一个稳流阀，以保持恒定的流量。

载气流量可用转子流量计和皂膜流量计测量。用皂膜流量计测得的流量g，是在柱后室温和当时的大气压下测得的，并存在皂液水蒸气的影响，因此柱内流量应在扣除水蒸气的影响并校正到柱内的温度和压力后，才是载气在柱中的真实流量qco：

式中，q0为皂膜流量计在检测器出口实测的流量，Tr为室温，TC为色谱柱的温度，p0为柱出口处压力，即大气压，pw为室温下水的蒸气压。

由于在色谱柱内的不同位置具有不同的压力，所以其载气流量也就不同，一般用平均流量q－C。

式中，pi为柱入口处压力，即柱前压，为压力校正因子。

②进样系统。

进样系统是把待测试样 （气体或液体）快速而定量地加到色谱柱中进行色谱分离的装置，包括进样装置和汽化室。进样量的大小、进样时间的长短和进样的准确性对色谱分离的效率和结果的准确性影响极大。

常用的进样装置有注射器和六通阀。液体试样通常采用不同规格的微量注射器进样；气体试样则常用六通阀或医用注射器进样。

液体试样在进柱之前必须在汽化室内变成蒸气。汽化室位于进样口的下端，由电加热的金属块制成，其作用是将液体或固体试样瞬间汽化，以保证得到较小宽度的色谱峰。为了使试样能瞬间汽化而不分解，要求汽化室的热容量大，温度足够高且无催化效应；为了减少柱前峰展宽，汽化室的死体积也应尽可能小；为了消除金属的催化效应，在汽化管内常衬有石英套管，以消除金属表面的催化作用。汽化室注射孔用硅胶垫密封，由散热式压管压紧，采用长针头注射器将试样注入热区，以减少汽化室的死体积，提高柱效。

③分离系统。

色谱柱是色谱仪的分离系统，安装在控温的柱温箱内，试样各组分的分离都在色谱柱中进行。色谱柱分为填充柱和毛细管柱两类。

填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，一般内径为2～4mm，长为1～10m。形状有U形或螺旋形两种，常用的是螺旋形。填充柱的制备简单，可供选择的固定相种类多，柱容量大。固定相紧密而均匀地填装在柱内。

毛细管柱又称空心柱，可分为填充型和开管型两大类，目前填充型毛细管柱已很少使用。开管型毛细管柱按固定相的涂渍方式分为五种类型。

a．涂壁开管柱。将固定液均匀地涂渍在毛细管内壁上，不存在涡流扩散所导致的峰展宽。固定相液膜厚度小，组分在固定相中的传质速率较高，且气体在空心柱中的流动阻力小，柱管可以做得很长。故涂壁开管柱比填充柱有更高的柱效能和分析速度。

b．多层开管柱。在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体微粒，实际上是气固色谱开管柱。

c．载体涂渍开管柱。先在毛细管内壁涂上一层载体，如硅藻土载体，在此载体上再涂以固定液。此种毛细管柱液膜较厚，柱容量较涂壁开管柱大。

d．交联型开管柱。采用交联引发剂，在高温处理下把固定液交联到毛细管内壁上，是一种高效、耐温及抗溶剂冲刷的毛细管柱。

e．键合型开管柱：将固定液用化学键合的方法键合到涂敷硅胶的柱表面或经表面处理的毛细管内壁上，使其热稳定性大大提高。

毛细管材料可以是不锈钢、玻璃和石英，柱内径一般小于1mm。毛细管柱渗透性好，传质阻力小，柱长可长达几十米，甚至几百米。毛细管柱的分辨率高 （理论塔板数可达1．0×106），分析速度快，试样用量小。但由于其柱容量小，故对检测器的灵敏度要求高。

④温度控制系统。

温度控制系统是指对气相色谱的汽化室、色谱柱和检测器进行温度控制的装置。在气相色谱测定中，柱温的改变会引起分配系数的变化，这种变化会对色谱分离的选择性和柱效产生影响，而检测器温度直接影响检测器的灵敏度和稳定性，所以对色谱仪的温度应严格控制。

色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温 （temperature programming）两种。通常采用空气恒温的方式来控制柱温和检测室温度。如果组分的沸点范围较宽，采用恒定柱温无法实现良好分离时，可采用程序升温。

程序升温是在一个分析周期内使柱温按预定的程序由低向高逐渐变化，可以使不同沸点的组分在各自的最佳柱温下流出，具有改善分离及省时的优点。因此，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。

通常情况下，汽化室温度比柱温高30℃～70℃，以保证试样能瞬间汽化而不分解；检测器温度应与柱温相同或略高于柱温，以防止试样在检测器内冷凝。检测器的温度控制精度要求在±0．1℃以内，柱温也要求能精确控制。

⑤检测记录系统。

气相色谱检测器是一种指示并测量载气中各组分及其浓度变化的装置。它能将检测组分及其浓度变化以不同方式转换成易于测量的电信号。

检测记录系统包括检测器、放大器和记录仪，现在基本采用安装色谱工作站的计算机系统，不仅可对色谱仪进行实时控制，还可自动采集数据并完成数据处理。

2．气相色谱法的特点

气相色谱法是以气体为流动相的柱色谱法。由于气体的黏度小，组分扩散速率高，传质快，与固定相相互作用的次数多，有多种类型的固定相 （固定液）可供选择，采用的检测器灵敏度高，因而气相色谱法具有分离效率高、灵敏度高、选择性好、分析速度快及应用范围广等特点。

①分离效率高。能同时分离和测定组成极其复杂的多组分混合物，如用毛细管柱一次能分离分析试样中的150个组分。

②灵敏度高。气相色谱法使用的是高灵敏度的检测器，有的检测器的检测下限可达1．0×10－14～1．0×10－12g，是痕量分析不可缺少的工具之一。例如，它可检测食品中1．0×10－9g数量级的农药残留量，大气中1．0×10－12g数量级的污染物。

③选择性好。气相色谱法能分离性质极其相似的物质，如同位素、同分异构体、对映体及组成极其复杂的混合物，如石油、污染水样和天然精油等。

④分析速度快。气相色谱法测定一个试样只需几分钟到几十分钟，如果用色谱工作站控制整个分析过程，自动化程度更高，分析速度更快。

⑤应用范围广。在仪器允许的汽化条件下，凡能够汽化且热稳定、不具腐蚀性的液体或气体，都能用气相色谱法分析。对于沸点过高而难以汽化或易热解的化合物，则可以通过化学衍生化的方法，使其转变为易汽化或热稳定的物质后再进行分析。因此，气相色谱法已广泛用于石油化工、环境科学、医学、农业、生物化学、食品科学和生物工程等领域。

13．2．2 气相色谱固定相

气相色谱分析中，混合物中的各组分能否分离，主要取决于色谱柱中的固定相。气相色谱中所使用的固定相可以分为三类：固体固定相、液体固定相和合成固定相。

1．固体固定相

固体固定相是表面有一定活性的固体吸附剂。主要用于分离和分析永久性气体及气态烃类物质。利用固体吸附剂对气体的吸附性能差别来得到满意的分析结果。

常用的固体吸附剂主要有强极性的硅胶、弱极性的氧化铝、非极性的活性炭和具有特殊吸附作用的分子筛，根据它们对各种气体的吸附能力的不同来选择最合适的吸附剂。使用前，固体吸附剂均需进行预处理，使其活化后再使用。

固定吸附剂具有比表面积大、耐高温和价廉的优点，其缺点是吸附等温线常常为非线性，所得的色谱峰往往不对称。近年来，通过对固体吸附剂的表面进行物理化学改性，研制出了一些结构均匀的新型吸附剂。

2．液体固定相

液体固定相由固定液 （stationary liquid）和载体 （carrier）构成。固定液均匀地涂敷在载体表面，是气相色谱中应用最为广泛的固定相。

（1）载体

载体又称担体，是一种多孔、化学惰性的固体颗粒。它的作用是为固定液提供一个具有较大表面积的惰性表面，要求载体不仅比表面积大、化学稳定性和热稳定性好，不直接参与色谱分离，而且要颗粒均匀、有一定的强度，用以承担固定液，使固定液能在其表面展成薄而均匀的液膜。

气相色谱常用载体可分为硅藻土和非硅藻土两类。硅藻土载体是目前气相色谱中常用的一种载体，它由单细胞海藻骨架组成，主要成分为二氧化硅和少量无机盐，根据制造方法的不同，又分为红色载体和白色载体。

红色载体表面孔穴密集、孔径较小、比表面积较大 （约4m2／g），但表面存在活性吸附中心，对强极性化合物具有较强的吸附性和催化性。因此，红色载体适于涂渍非极性固定液，分析非极性和弱极性物质，对极性物质会由于吸附而产生严重的拖尾现象。白色载体是将硅藻土与Na2CO3（助溶剂）混合煅烧而成，呈白色。它的结构疏松，比表面积较小 （约1m2／g），吸附性和催化性弱，机械强度不如红色载体，但其表面活性中心显著减少，因此此类载体适于涂渍极性固定液，分析极性或碱性物质。

（2）固定液

固定液一般为高沸点的有机液体，均匀地涂渍在载体表面，呈液膜状态。理想的固定液应满足下列要求：

①选择性好。对试样各组分分离能力强，即各组分的分配系数差别要大。其选择性可用相对保留值r2，1来衡量。对于填充柱，一般要求r2，1＞1．15；对于毛细管柱，一般要求r2，1＞1．08。

②热稳定性好。在操作温度下，不会发生聚合、分解和交联等现象，并且有较低的气压 （小于13．33Pa）。通常固定液有一个 “最高使用温度”。

③化学稳定性好。固定液不能与试样或载气发生不可逆的化学反应。

④对试样各组分有适当的溶解能力，对易挥发的组分有足够的溶解能力。

⑤黏度低、凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。

（3）固定液的分类

固定液种类众多，其组成、性质和用途各不相同。现大多按固定液的极性和化学类型来进行分类。固定液的极性可用相对极性P和麦氏常数来表示。其中按相对极性分类是目前最常用的一种分类方法。该法规定非极性固定液角鲨烷的极性为0，强极性固定液β， β′－氧二丙腈的极性为100。然后选择一对物质如正丁烷－丁二烯或环己烷－苯来进行实验，分别测定它们在氧二丙腈、角鲨烷及欲测固定液的色谱柱上的相对保留值，将其取对数后，得到：

然后根据下式求得被测固定液的相对极性Px：

式中，下标1，2和x分别表示氧二丙腈、角鲨烷及被测固定液。

各种固定液的相对极性均在0～100之间，固定液的相对极性分为5级，每20单位为一级。相对极性在0～＋1之间称为非极性固定液，如角鲨烷、阿皮松、SE－30及OV－1等；相对极性为＋2称为弱极性固定液，如DC－550、己二酸二辛酯等；相对极性为＋3为中等极性固定液，如聚苯醚OS－124、磷酸二甲酯、XE－60、新戊二醇丁二酸聚酯和PEG－20M；相对极性为＋4～＋5为强极性固定液，如PEG－600、己二酸聚乙二醇酯、己二酸二乙二醇酯、双甘油、TCEP和β，β′－氧二丙腈等。

相对极性不能全面反映组分与固定液分子之间的全部作用力。固定液的麦氏常数却反映了分子间的全部作用力，它以保留指数I为基础数据。1970年，Mc Revnolds选用苯、正丁醇、2－戊酮、1－硝基丙烷和吡啶作标准物质，在柱温120℃下，分别测定它们在226种固定液和角鲨烷上的ΔI值，并把5项的总和称为固定液的总极性 （又称麦氏常数）。常用的12种固定液的麦氏常数见表13－5。

这12种固定液的极性均匀递增，可作为色谱分离的优选固定液。此外也可以将有相同官能团的固定液排在一起，然后按官能团的类型来进行分类。

表13－5 常用的12种固定液的麦氏常数

续表13－5

（4）固定液的选择

一般可按 “相似相溶”原则来选择固定液。所谓相似是指待测组分和固定相分子的性质 （极性、官能团等）相似，此时分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。具体来说，可从以下几个方面进行考虑：

①分离非极性物质，一般选用非极性固定液。此时组分与固定液分子间作用力很小，组分的出峰顺序主要由蒸气压决定，按沸点的高低顺序流出，沸点低的先流出，沸点高的后流出。

②分离极性物质，宜选用极性固定液。此时分子间作用力起主导作用，组分按极性大小顺序出峰，极性小的先流出，极性大的后流出。

③对于非极性和极性组分的混合物，一般也选用极性固定液。这时非极性组分先流出，极性组分后流出。固定液极性越强，非极性与极性组分保留时间差别越大，两组分越容易分离。

④分离能形成氢键的试样，一般选用极性或氢键型固定液。试样中各组分按与固定液分子间形成氢键能力的大小先后流出，最不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的后流出。

⑤对于复杂的难分离物质，可选用两种或两种以上的混合固定液。

⑥试样的极性未知，一般选用最常用的几种固定液做实验，根据色谱分离的情况，在12种固定液中选择合适极性的固定液。

以上是按极性相似原则选择固定液。此外还可按官能团相似和主要差别进行选择，即若待测物质为酯类，则选用酯或聚酯类固定液；若待测物质为醇类，则可选用聚乙二醇固定液；若待测物质各组分之间的沸点有明显的差异，可选用非极性固定液；若极性有明显的不同，则选用极性固定液。在实际应用时，一般依靠经验规律或参考文献，按最接近的性质来选择。

3．合成固定相

合成固定相又称聚合物固定相，包括高分子多孔微球和键合固定相。其中键合固定相多用于液相色谱，高分子多孔微球是一种合成的有机固定相，可分为极性和非极性两种。非极性的由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成，如国内的GDX－1型和2型 （GDX101，102），以及国外的Chromosorb系列等。若在聚合时引入不同极性的基团，即可得到不同极性的聚合物，如极性由弱到强的GDX301，401，501，601和国外的Porapak N等。

聚合物固定相既是载体又起固定液的作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再用，由于是人工合成的，其孔径大小及比表面积可以控制。圆球形颗粒容易填充均匀，其重现性好。由于无液膜存在，所以没有流失问题，有利于程序升温，用于沸点范围宽的试样的分析。这类高分子多孔微球的比表面和机械强度较大且耐腐蚀，其最高使用温度为250℃，特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类和胺类的分析，不但峰形对称，而且很少有拖尾现象。

13．2．3 气相色谱检测器

气相色谱检测器的种类多达数十种，常用的有热导检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器和火焰光度检测器等。

根据检测原理的不同，气相色谱检测器可分为浓度型和质量型。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进入检测器的组分浓度成正比，如热导检测器和电子捕获检测器。质量型检测器测量的是载气中某组分进入检测器的速率变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器的某组分的量成正比，如氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。

气相色谱检测器又可分为通用性检测器和选择性检测器。通用性检测器对大多数物质都有响应，如热导检测器和火焰离子化检测器；而选择性检测器只对某些物质有响应，对其他物质无响应或响应很小，如电子捕获检测器和火焰光度检测器。

1．检测器的主要性能指标

（1）灵敏度

单位浓度 （质量）的组分通过检测器时所产生的信号大小，称为该检测器对该组分的灵敏度，用S表示。以组分的浓度 （c）或质量 （m）对响应信号R作图，得到一条通过原点的直线，直线的斜率就是检测器的灵敏度。因此，灵敏度可定义为信号尺对进入检测器的组分量的变化率，即：

式中，ΔR为记录仪信号变化率，ΔQ为通过检测器的组分量 （浓度或质量）变化率。测定S时，一般将一定量的物质注入色谱仪，根据其峰面积和操作参数进行计算。

对浓度型检测器，其灵敏度Sc（下标c表示浓度型）为：

式中，C1为记录仪的灵敏度，C2为记录仪纸速，A为峰面积，q0为载气在色谱柱出口处流量，m为进样量。对液体、固体试样Sc的单位为m V·m L／mg，对气体试样Sc的单位为m V·m L／m L。

对质量型检测器，采用每秒有1g物质通过检测器时所产生的信号来表示灵敏度，即：

式中，灵敏度Sm的单位为m V·s／g，它与载气流量无关。

检测器的灵敏度只反映了检测器对某物质产生信号的大小，未能反映仪器噪声的干扰，而噪声会影响试样色谱峰的辨认，为此引入了检出限这一指标。

（2）检出限

检出限又称敏感度，指当检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时，在单位体积与单位时间内通过检测器的组分的质量 （或浓度），用D表示。过去常用产生的信号大小为噪声的2倍，现采用的能鉴别的响应信号为检测器噪声的3倍，即：

式中，RN为检测器的噪声，指当纯载气通过检测器时基线的起伏波动，其平均值为噪声的平均值，S为灵敏度。

可见，检出限与灵敏度成反比，与噪声成正比。检出限是衡量检测器性能好坏的综合指标，检出限越低，说明检测器越敏感，越利于痕量组分的分析。

（3）最小检测量

最小检测量指检测器恰能产生3倍于噪声的信号时所需进入色谱柱的最小质量 （或最小浓度），用Q0表示。对于浓度型检测器，最小检测量为：

式中，W12为色谱峰半峰宽，q0为载气流量。

而对质量型检测器，最小检测量为：

注意：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，与检测器的灵敏度和噪声有关，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。

（4）线性范围

检测器的线性范围 （linear range）是指检测器信号大小与被测组分的量呈线性关系的范围，通常用线性范围内的最大进样量 （Qmax）和最小进样量 （Qmin）之比来表示。

不同检测器的线性范围也有很大差别。对于同一个检测器，不同的组分有不同的线性范围。检测器的线性范围越大，适用性越宽，越有利于定量分析。热导检测器的线性范围一般为1．0×105，氢火焰离子化检测器则为1．0×107。

（5）响应时间

响应时间指进入检测器的某一组分的输出信号达到其值的63％时所需的时间，一般小于1s。检测器的死体积越小，电路系统的滞后现象越小，响应速度就越快，响应时间就越小。

一个性能优良的检测器应该灵敏度高、检出限低、死体积小、响应迅速、线性范围宽和稳定性好。

常用检测器的性能指标见表13－6。

表13－6 常用检测器的性能指标

续表13－6

2．热导检测器

热导检测器 （Thermal Conductivity Detector，TCD）是气相色谱常用的检测器，也是最早的商品检测器。它结构简单，性能稳定，对无机化合物和有机化合物都有响应，线性范围宽且不破坏试样，是应用最广、最成熟的气相色谱检测器之一。但其灵敏度较低，一般适于常量及含量在1．0×10－6g数量级以上的组分分析。

（1）工作原理

热导池由热导池体和热敏原件组成，有双臂和四臂热导池两种类型，常用的是四臂热导池。其工作原理如图13－3所示。

图13－3 热导池工作原理示意图

热导池池体由不锈钢制成，有四个大小相同、形状完全对称的孔道，内装长度、直径及电阻完全相同的钨丝或铼钨丝，称为热敏元件，与池体绝缘。其中两臂为参比臂 （R2， R3），另两臂为测量臂 （R1，R4），且R1＝R2，R3＝R4。

TCD的原理是基于不同的物质具有不同的热导系数，通过测量参比池和测量池中发热体热量损失的比率，测出气体的组成和含量。

当只有载气通过时，池内产生的热量与被载气带走的热量之间建立起热的动态平衡，参比臂和测量臂热丝的温度相同，R1×R4＝R2×R3，电桥处于平衡状态，无信号输出，记录仪输出一条平直的直线 （基线）。

进样后，当载气和试样的混合气体进入测量臂时，由于混合气体的热导系数与载气不同，测量臂的温度发生变化，热丝的电阻值也随之变化，此时测量臂和参比臂热丝的电阻值不再相等，电桥平衡被破坏，记录仪上产生相应的信号——色谱峰。混合气体与纯载气的热导系数相差越大，输出信号就越大。

（2）影响TCD灵敏度的因素

TCD实际上是一种检测柱流出物把热量从热丝上带走的速率装置。从热丝上带走热量的速率越快，其灵敏度就越高。可见，影响灵敏度的因素有桥电流、池体温度、载气种类和热导池的特性等。

①桥电流。增加桥电流，会使热丝的温度提高，热丝与热导池体的温差加大，气体容易将热量传出去，灵敏度提高。一般地，TCD的灵敏度S与桥电流i的3次方成正比，增大桥电流可迅速提高灵敏度。但电流太大，会使噪声加大，基线不稳，甚至会使金属丝氧化烧坏而影响热丝寿命。在保证灵敏度足够的情况下，应尽量使用低的桥电流。一般桥电流在100～200m A之间 （N2作载气时为100～150m A，H2作载气时为150～200m A）。

②池体温度。降低池体温度，可使池体与热丝温差加大，有利于提高灵敏度。但池体温度不能太低，以免被测试样冷凝在检测器中，因此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越大，灵敏度越高。选择热导系数大的氢气或氦气作载气，有利于提高灵敏度。当用氮气作载气时，热导系数比它大的试样 （如甲烷）就会出现倒峰。

此外，减少热导池死体积也能达到提高灵敏度的目的。

TCD是填充柱气相色谱中最常用的检测器，但由于TCD检测池的体积太大，应用于毛细管柱气相色谱时，需采用补充气来减少死体积的影响，只有在试样浓度高时才能产生足够的响应，因此在毛细管气相色谱中的应用有限。

3．氢火焰离子化检测器

氢火焰离子化检测器 （Flame Ionization Detector，FID）简称氢焰检测器，是气相色谱中最常用的检测器之一。它结构简单、灵敏度高、死体积小、响应快、线性范围宽、稳定性好，对含碳有机化合物有很高的灵敏度，一般比TCD灵敏度高几个数量级。但FID属选择性检测器，只能检测有机化合物，且检测后试样被破坏，不能进行收集。

（1）工作原理

FID以氢气和空气燃烧的火焰作为能源，利用含碳有机化合物在火焰中燃烧而产生离子，并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。

FID的主要部件是离子室，由石英喷嘴、极化极 （又称发射极）、收集极、气体入口和外罩组成 （图13－4）。

在离子室下部，载气携带组分流出色谱柱后，在进入喷嘴前与氢气混合，空气由一侧引入。喷嘴用于点燃氢气火焰，在火焰上方筒状收集极 （作正极）和下方圆环状极化极（作负极）间施加恒定的直流电压，形成一个静电场。被测组分随载气进入火焰，发生离子化反应，燃烧生成的正离子、电子在电场作用下向极化极和收集极定向移动，从而形成电流。此电流信号的大小与单位时间内进入火焰的被测组分的量成正比。

图13－4 氢火焰离子化检测器结构示意图

火焰离子化机理至今还不是十分清楚，普遍认为这是一个化学电离过程。有机化合物在火焰中先形成自由基，然后与氧作用产生正离子CHO＋，再同水反应生成H3O＋。

（2）影响FID灵敏度的因素

离子室的结构对火焰离子化检测器的灵敏度有直接影响，操作条件的变化如氢气、载气、空气的流量和检测室的温度等，都对检测器灵敏度有影响。

①氢氮比。载气的流量由色谱最佳分离条件确定，而氢气流量则以能达到最高响应值为度。氢气流量太低，易造成灵敏度下降和熄火；太高，又会使热噪声大。最佳的氢氮比一般为1∶1～1∶1．5，此时的灵敏度高且稳定性好。

②气流量。空气不仅作为助燃气，也可提供O2以生成CHO＋。当空气流量低时， FID响应值随空气流量的增加而增大，增大到一定值后 （一般为400m L／min），则不再受空气流量的影响。通常氢气与空气流量之比为1∶10。注意空气流量不宜超过800m L／min，否则会使火焰晃动，噪声增大。如果各种气体中含有微量的有机杂质，也会严重影响基线的稳定性。

③极化电压。极化电压低时，响应值随极化电压的增大而增大，当增大到一定值时，增加电压对响应值不再产生影响。增大极化电压，可使线性范围更宽，通常极化电压为150～300V。

除了TCD和FID外，电子捕获检测器 （Electron Capture Detector，ECD）和火焰光度检测器 （Flame Photometric Detector，FPD）也是常用的检测器。电子捕获检测器又称电子俘获检测器，是一种高灵敏度 （检出限为1．0×10－14g／m L）、高选择性 （只对含S，P，O，N，卤素等的电负性物质有响应）的气相色谱检测器，也是目前分析痕量电负性有机化合物最有效的检测器，已广泛用于农药残留、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。但ECD的线性范围窄 （只有1．0×103左右），响应易受操作条件的影响，重现性较差。FPD又称硫、磷检测器，是一种对含硫、磷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1．0×10－13g／s（对P）或1．0×10－11g／s（对S）。FPD可用于大气中痕量硫化物及农副产品、水样中的有机磷和有机硫农药残留量的测定。

此外，新型的气相色谱检测器还有原子发射检测器 （Atomic Emission Detector， AED）和热离子化检测器 （Thermionic Detector，TID）等。AED是20世纪90年代开发的一种新型检测器，其工作原理为：将被测组分导入一个与光电二极管阵列光谱检测器耦合的等离子体中，等离子体提供足够的能量使组分试样全部原子化，并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。用电子学技术和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。

TID又称氮磷检测器，对含氮、磷的有机化合物有响应。其灵敏度比FID分别提高了50倍和500倍，可用于测定痕量含氮和含磷的有机化合物，是一种高灵敏度、高选择性且线性范围宽的新型检测器。

13．2．4 气相色谱实验技术

在气相色谱法中，为了在较短的时间内获得满意的分析结果，关键的问题是要选择一根合适的色谱柱，并选择最佳的操作条件。可以根据基本色谱分离方程式及Van Deemter方程，对色谱分离的操作条件进行最优化。

1．载气及其流速的选择

选择载气必须首先考虑检测器的适应性。TCD常用H2，He和N2作载气，FID和FPD常用N2作载气 （H2作燃烧气，空气作助燃气），ECD常用N2作载气。

其次，应考虑载气流速的大小。根据Van Deemter方程，在较低载气流速 （u较小）时，分子扩散项B／u起主要作用，宜选择相对分子质量较大的载气 （N2，Ar），以降低组分在载气中的扩散系数，减少峰扩张。随着线速率u的增加，H迅速减小，在较高载气流速 （u较大）时，传质阻力项起主要作用，此时宜选择相对分子质量较小的载气（H2，He），以减少气相传质阻力，提高柱效。

实际上，若选用最佳流速，柱效固然最高，但分析时间较长。为加快分析速度，一般采用稍高于最佳流速的载气流速。

2．载体和固定液含量的选择

（1）载体的选择

（2）固定液含量选择

固定液含量是指固定液与载体的质量之比，又称为液载比或液担比。固定液含量的选择与被分离组分的极性、沸点及固定液本身的性质等多种因素有关。高液载比有利于提高选择性和柱容量，但太高又会使载体颗粒之间的阻力增加、柱效下降、分析时间较长，故液载比一般不超过30％；液载比低时，传质阻力小，柱效高，可使用较低的温度，使分析时间缩短，但需要较灵敏的检测器；如果液载比太小，固定液量不能覆盖担体表面上的吸附中心，反而会使柱效下降。综上所述，实际常用的液载比为3％～20％。

对于低沸点化合物，多采用高液载比柱；高沸点化合物，多采用低液载比柱。由于载体表面处理技术和高灵敏度检测器的采用，现多用低含量固定液，一般填充柱液载比小于10％，空心柱液膜厚度为0．2～0．4μm。

3．色谱柱及柱温的选择

（1）色谱柱的选择

选择好固定相后，柱效率受色谱柱形、柱内径和柱长的影响。通常螺旋形及盘形柱的柱效高且体积较小，为大多数仪器所采用。

增加柱长可使理论塔板数增大，但同时峰宽也会加大，分析时间延长，柱压也将增加，因此填充柱的柱长要合适。一般柱长选择以使组分能完全分离，分离度达到所期望的值为准。具体方法是选择一根极性适宜、长度任意的色谱柱，测定两组分的分离度，确定柱长是否合适。

增加柱内径可增加柱容量，但由于纵向扩散路径也随之增加，所以会使柱效下降。一般色谱柱内径为3～6mm。

（2）柱温的选择

柱温直接影响分离效能和分析速度。提高柱温，一方面，可加快气相、液相的传质速率，有利于改善柱效，但随着柱温的增加，纵向扩散也随之加剧，从而导致柱效下降；另一方面，为了改善分离，提高选择性，又需要较低的温度，这又会延长分析时间。

因此，柱温的选择要兼顾多个方面。一般的原则是，在使最难分离的组分尽可能好地分离前提下，采取适当低的柱温，但应以保留时间适宜、峰形不拖尾为度。同时柱温不能超过固定液的最高使用温度，以免造成固定液流失。

对于宽沸程的多组分混合物，可采用程序升温法，即在分析过程中按一定的速率提高柱温，在程序开始时，柱温很低，低沸点的组分得以分离；中沸点的组分移动很慢；高沸点的组分则停留在柱口附近。随着柱温的升高，中沸点和高沸点的组分也依次得以分离。

可见，程序升温就是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，这样能兼顾高、低沸点组分的分离效果和分析时间，使不同沸点的组分由低沸点到高沸点依次分离出来，从而达到用最短的时间获得最佳的分离效果的目的。

程序升温的起始温度、维持起始温度的时间、升温速率、最终温度和维持最终温度的时间通常都要经过反复实验加以选择。起始温度要足够低，以保证混合物中的低沸点组分能够得到满意的分离。对于含有一组低沸点组分的混合物，起始温度还需维持一定的时间，使低沸点组分之间分离更良好。如果峰与峰之间靠得很近，则应选择低的升温速率。

通常情况下，最佳柱温通过实验来确定。为了得到满意的分析结果，应在降低柱温的同时，减少固定液含量。

4．进样条件的选择

首先，进样时间越短越好，一般应在1s之内。若进样时间太长，会导致色谱峰扩展甚至峰变形。其次，进样量与汽化温度、柱容量和检测器的线性范围等因素有关。在实际分析中，最大允许进样量应控制在使半峰宽基本不变，而峰高与进样呈线性关系的范围内。进样量太多时，柱效会下降，使分离不好；进样量太小，检测器又不易检测而使分析误差增大。一般液体试样的进样量控制在0．1～10μL之间，气体试样的进样量控制在0．1～10m L之间。

13．2．5 气相色谱法的应用

气相色谱法具有的灵敏度高、分析速度快的特点，使之在生命科学、环境保护、医药卫生及食品质量与安全检验等领域得到了广泛应用。

1．在生命科学中的应用

气相色谱法在生命科学中的应用非常广泛，不仅可以分离和测定生物体中氨基酸、维生素、糖类等组分的含量，还能分析生物体组织液、尿液中的农药、低级醇和丙酮等有毒物及动植物体内痕量的激素等。

2．在食品卫生检验中的应用

气相色谱法可用于测定食品中的各种成分、添加剂及食品中的污染物，特别是农药残留量。此外，采用气相色谱法可以测定汽水、果汁、罐头、葡萄酒、酱油、醋、面条等食品中的山梨酸和苯甲酸含量。

3．在环境分析中的应用

气相色谱法可以用于测定大气污染物中的卤化物、氮化物、硫化物、芳香族化合物及水中的可溶性气体、农药、多卤代联苯、酚类和有机胺等。