關于氣相色譜儀原理組成及使用的思考

厲昌海林隆海

關于氣相色譜儀原理組成及使用的思考

厲昌海1林隆海2

（1.杭州希科檢測技術有限公司，杭州 310052；2.杭州瑞旭產品技術有限公司，杭州 310052）

本文著重對氣相色譜儀的工作原理進行分析，介紹了氣相色譜分析儀的組成結構，在此基礎上針對氣相色譜分析儀使用過程展開論述，說明了如何才能更好的使用氣相色譜分析儀

氣相色譜儀 原理 檢測

1 氣相色譜儀的介紹

1.1 氣相色譜儀的發展

自從1952年世界上第一臺實用型氣相色譜儀問世以來，在接下來幾十年的時間里，氣相色譜儀是重要的現代分析檢測儀器，如今已經發展成一個具有一定規模的產業，并逐漸形成了具有豐富檢測技術的學科。最早，氣相測譜儀僅有一、二種檢測器，反應靈敏度低，應用范圍較窄，僅能完成簡單的分析工作。當前，儀器的發展已經非常完善，拿色譜爐溫度看，已經達到達-100～+500℃檢測范圍，相關檢測器的類型不少于十幾種，不僅可以做一般性的分析，還可以做定量分析。因為新工藝、新材料的運用，尤其是電子計算技術的發展，氣相色譜儀行業逐漸形成，完成了從進樣、分離、測量、運算到打印實驗報告全過程的自動化，這使色譜定量分析達到了非常高的效率及準確性。

氣相色譜分析儀具有強大的分離能力，同時，近年來氣相色譜技術慢慢的向高準確性、高度分離、快速檢測、便攜式、微型化的方向發展，促使其走出實驗室為社會生產生活服務，我國也走過了現代計算機、數字分頻電子、光電轉盤、機械式的發展過程，在權威性的國際氣相色譜會議把微型化色譜柱研究作為重要的議題之后，微型氣相色譜儀研發慢慢成為氣相色譜技術的學術界主流研究方向和流行發展趨勢。

1.2 氣相色譜儀的特點

氣相色譜儀結構簡單，反應靈敏度高，性能比較穩定，對大多數物質都有檢測反應，特別適應氣體的檢測分析、常規分析。池體由不銹鋼塊組成，熱敏元件一般由鎢絲構成，溫度系數為正數。因為熱導檢測屬于濃度型檢測范圍，因此檢測器的靈敏程度和池體幾何結構、池體的穩定性、溫度、熱絲穩定性能、所使用載氣熱傳導率，還有氣體流量的穩定性、純度、流速等諸多因素有關。并且檢測器響應程度和橋流的使用密切相關，橋流越大，靈敏度也越高，但是噪聲也隨之增大，其使用壽命也會縮短。

2 氣相色譜儀的原理

氣相色譜儀利用試樣的各組成成分在固定液和氣相分配系數的不同，在氣化后的試樣隨載氣進入色譜柱中運行后，組成成分就會在其中的兩相間反復多次分配，因為各組成成分的吸附和溶解能力不同，所以各組成成分在色譜柱的運行速度也就不同，經過一定的柱長后，便會彼此分離，按照順序離開色譜柱進入到檢測器，各組成成分產生的離子流訊號經過放大，在記錄器上顯示出各組成成分的色譜峰。

氣相色譜法也稱氣體色譜法或者氣相層析法，是以一種以氣體為流動相，采取沖洗法的柱色譜分離技術。分離的主要依據是樣品中各組成成分在色譜柱中溶解度或吸附力不同，換句話說，是利用各組成成分在色譜柱中固相和氣相分配系數的不同來達到樣品的分離。

2.1 氣—固色譜分離過程

氣—固色譜利用一種固體吸附劑為固定相，用惰性氣體或永久性氣體為流動相，以固定的速度流過色譜柱。若將欲分析的氣體樣品組成成分引入，組成成分在色譜柱隨載氣在氣相和固相之間流動，一直進行著吸附和解析，在吸附和解析之間反復多次的分配。因為固相對各組成成分吸附平衡常數不同，比較難吸附的組成成分會較快向前移動，比較易吸附的組成成分則會移動速度較慢。經過一定的柱長后，各組成成分就彼此分離，依次離開色譜柱進入檢測器，按照順序進行測定。

2.2 氣—液色譜分離過程

氣—液色譜分離過程是在色譜柱里填充一種具有惰性的多孔形固體物質，在固體表面涂抹一層薄而不易揮發的多沸點化合物為固定液，固定液形成一層液膜。在載氣將待分析的氣體樣品組成成分裹挾進入色譜柱后，由于各組成成分在載氣以及固定液膜的氣液兩廂中分配系數不同，當載氣向前流動時，樣品各組成成分從固定液中解析能力也就不同。當被解析出的組成成分伴隨著載氣在柱中向前移動并且再次溶解在固定液，在固定液中經過這樣反復的溶解解析，再加上溶解和再解析的多次分配后完成。最后，各組成成分因為分配系數的差異，經過在色譜柱中經過反復多次分配后，它們的移動速度便有了明顯差別。固定液中溶解度小的組成成分移動的速度快，相反，溶解度大的組成成分移動速度慢，經過這樣的過程在色譜柱的出口就可將各組成成分分離，因此可以分別對它們進行測定。

3 氣相色譜儀組成

氣相色譜儀一般會有五個部分組成。第一，載氣系統：氣源、氣體流速、氣體凈化測量控制；第二，進樣系統：氣化室和進樣器；第三，色譜柱：恒溫控制裝置和色譜柱；第四，檢測系統：控溫裝置和檢測器；第五，記錄系統：工作站、記錄儀、放大器。

3.1 氣相色譜儀的基本組成

氣相色譜儀是使用氣相色譜法的工具，它是以氣體為流動相，采取沖洗法實現柱色譜技術的裝置。其中的載氣從高壓鋼瓶經過減壓閥流出，經過凈化器除去雜質，由針形調節閥調節流量。之后通過進樣裝置，把注入的樣品帶入色譜柱。最后，把色譜柱中被分離開的組成成分帶入檢測器，進行最終的鑒定和記錄。

混合物中各組成成分的分離主要決定月色譜柱。色譜柱可分為兩類：一類為開口管柱，又稱為毛細管柱，另一類為填充柱。另外，還有用多孔固體填充毛細管內的填充毛細管。為保證各組成成分在色譜柱中達到最佳分離狀態，通常情況下工作在恒溫或者程序升溫的環境中工作。

分離的不同組成成分經過檢測器的鑒定，測定組成成分的含量。流入檢測器進行檢測的是載氣中混有的樣品氣，從原理上來講，根據二元氣體混合物的有關物理或化學性質可以制成對應的檢測器，熱的有熱導檢測器，電的有氫焰離子化檢測器，光的有火焰光度檢測器等。

3.2 載氣系統

氣相色譜儀的載氣系統包括：載氣、某些檢測器所需的氣體和控制。正確的選擇載氣，嚴格調節和控制載氣的流速，充分滿足不同檢測器所需額的輔助氣路，是氣相色譜儀進行正常工作的重要條件。

3.3 進樣系統

進樣系統是將氣體、液體、固體的不同樣品，快速定量加到色譜柱的頭上色譜分離。進樣量的大小，樣品濃度，樣品汽化速度，進樣時間的長短等因素都會影響色譜分離的效率以及定量結果的重現性和準確性。

3.4 色譜柱和柱溫

色譜分析是一種先分離后檢測的分析方法。這里所指的分離過程是由色譜柱來完成的。特定分離的成敗與否，很大程度上是取決于色譜柱的選擇正確與否。所以，可以毫不夸張地說，色譜柱是氣相色譜的心臟。氣相色譜分析使用的色譜柱主要有氣液填充柱、氣固填充柱、毛細管住以及最近才發展起來的填充毛細管住等。

柱溫是色譜柱分離效果的重要因素之一。柱溫的選擇通常是根據樣品以及固定液所允許的溫度范圍。在進行選擇時柱溫一定要適中，既不能因為溫度過高降低分離度，也不能因為溫度過低延長分析時間。如果被分析物質沸點范圍太大，則可采用程序升溫的辦法完成不同沸點的組成成分在它所需的柱溫下的分離。

3.5 檢測系統

氣相色譜檢測器是一種測量載氣中各分離組成成分及其濃度變化的裝置。實際上它是把組成成分及濃度變化用不同方式變換成為易于測量的電信號，所以也稱換能器。檢測器性能的好壞會直接影響色譜分析定性定量分析的結果。下面介紹兩種常見檢測器工作原理。

3.5.1 熱導檢測器工作原理

氣體能夠進行熱傳導并且不同的氣體的熱傳導系數不同，研究專家根據不同氣體的熱傳導系數設計出專門的熱導檢測器，在不破壞樣品的同時對無機、有機樣品都起作用，還可以應用于常量分析。常見的熱導檢測器是電阻式傳感器組成的檢測安裝裝置，它的設計原理就是氣體的熱傳導現象。熱導檢測器是一種典型的惠思頓電橋電路，它使用錸鎢絲制作的熱導元件作為熱電阻，安裝在由不銹鋼池體制作的氣室當中。只有當熱導池氣室中的載氣流處于穩定狀態，熱導池體溫度也相對穩定的時候，錸鎢絲熱電阻來組成的電橋電路才能達到相應的狀態平衡。每當樣品進入，根據樣品熱導率不同，導致熱電阻發生了不同程度的變化，然后根據所產生的電壓信號的大小來分析判斷其成分的濃度。

3.5.2 氫焰檢測器工作原理

氫焰檢測器是將氧氣和氫氣進行燃燒，以其燃燒后產生的火焰作為能源利用，當有機物質進入火焰后，火焰能產生激發離子的高熱能量，在火焰的上端和下端分別設有一對電極，在火焰的兩電極之間加電壓后，有機物被激發產生的離子在直流電場的作用之下進行定向移動，從而形成了一種弱電流，隨后流經高電阻放大器產生出電壓信號，再送到記錄裝置記錄下來。

3.6 記錄系統

氣相色譜分析的結果需用一臺自動電子電位差計來記錄下全部色譜峰形信號，再根據記錄下來的峰形信號來計算出峰高、峰面積以及保留時間進行有關的定性定量工作。記錄儀在氣相色譜儀中是一種可以顯示記錄的設備，平時常用的記錄儀是自動電子電位差計，它可以直接測量并且記錄來自放大器或檢測器的直流輸出電壓值。

氣相色譜檢測器將樣品組分轉換為電信號以后，需要安裝信號輸出記錄和數據處理裝置，一般將其安裝在檢測線路的輸出端口處。常規來看所安裝的記錄儀量程約為-1～+4mV，隨著計算機技術的發展和進步，我國自八十年代中期起，便開始將計算機技術與色譜數據采集器結合起來，并同時配置一套對應的軟件，這逐漸成為石油化工的分析領域的一種專用化、標準化、自動化的發展趨勢。

氣相色譜是對油品中硫化物含量乃至對位置分布進行測定的最佳方式。原子發射光譜檢測器具有可選擇性高、靈敏度高以及對硫的影響不因硫化物的種類不同出現變化等等優點，該儀器還能用多元素進行同步檢測，由此完成復雜基質中的不同化合物定性等。將二者結合在一起，就能夠取得優勢互補的效果，因而可對石油化工分析的汽油樣品來源、柴油中硫化物的分布、汽油中硫化物的類型、脫硫時硫化物的變化、石油中的氧化合物、多元素蒸餾模擬、油品中有機金屬化合物、石油中的氮化合物含量等諸多方面進行測定、分析以及深入研究。但是這些研究大部分都是針對外國產品的硫化物進行的，對國內的相關工藝產品中存在的硫化物含量測定所進行的研究非常少。因而，在今后在相關聯的技術研究，需要把重點放在國內產品硫化物的測定，來幫助國內對相關工藝以及產品研究的順利進行。

4 氣相色譜儀的應用

4.1 農藥殘留檢測

根據我國農業發展現狀來看，在農作物生長過程中大量的除真菌劑、除草劑、殺蟲劑、滅鼠劑、植物生長調節劑等被使用，雖然這些藥劑減少了蟲病災害保證了農作物的收成，但是導致農產品和畜產品中的農藥殘留量大大超標，給百姓的生活健康造成了無形的隱患和危險。因此，研究開發農藥殘留分析技術儀器是從根本上檢測農藥殘留、保證食品安全、避免國際間貿易爭端的有效手段，能夠快速有效地從根本上保證農作物的食用健康，是一種涉及面廣泛、綜合性較高的分析分離過程。

氣相色譜法則是農藥殘留分析技術中一種有效的分析方法，這種方法能夠保證對殘留農藥進行高分離效能、高選擇性、快速、靈敏的分析。GC分析法是一種對容易氣化且氣化后熱穩定的農藥殘留進行分析檢測的方法，這種檢測方式是當前應用的最多的分析方法，GC檢測分析法以對農藥殘留的分析為主。理想的檢測器能夠有具有高度的靈敏性、檢測范圍寬且十分穩定、操作過程簡單安全、生產成本低并且應用范圍廣等優點。

4.2 食品分析

人類的生存和發展都離不對食品的需求，隨著人民生活水平的提高和食品安全問題的屢屢曝光，人們對食品安全和其營養成分的關注度越來越高，因而食品分析也是一個非常重大的課題。早在1976年的英國，P.V.Nicholas 和G.J.Dickes兩位對食品的氣相色譜分析的權威分析專家，將食品分析氣相色譜法進行匯集，出版了《食品分析的氣相色譜法》。

食品分析包括了食品添加劑和成分分析兩個方面，在這兩個方面中氣相色譜均能發揮其優勢，日常生活中的食品主要包括奶制品、油脂制品、蔬菜水果、肉蛋、非酒精飲料、糖酒飲料等。CC檢測法可以食品的營養成分進行檢測，如脂肪酸、氨基酸、糖類等。還能夠檢測防腐劑，乳化劑，抗氧劑，穩定劑等千余種食品添加劑。

4.3 石油化工分析

近年來，石油和石油化工發展迅速，氣相色譜的發展在石油和石油化工工業中起到了很好的推動作用，氣相色譜分析被廣泛開發利用在石油和石油化工的領域，提高了生產的質量和效率。近年來，近紅外光譜和高效液相色譜在石油以及石油化工分析中應用研究越來越受青睞，但仍然無法動搖氣相色譜仍在石油以及石油化工分析中的主導地位。

氣相色譜法是所有色譜方法的應用當中具有簡單便利的特點十分容易進行，因此在各種石油化工生產的產品檢驗中CC檢測法是對多成分以及可揮發性組分進行測定的首要選擇，還能夠在對高聚物的分析中發揮極高的作用。

4.4 環境檢測

當今世界人類的生存環境問題逐漸成為一個大問題。對環境污染物的檢測分析從而針對性地治理環境污染是當今世界面臨的重要課題。對污染物分析研究和檢測的有效手段之一就是氣相色譜法。氣相色譜法在對污染物的檢測中包括對室內外氣體、水體和其他類型污染物進行分析檢測。如測定環境中的苯及其同系物、多環芳烴、雜環化合物、酚類化合物和一些有機揮發物。

4.5 氣相色譜儀在藥物和臨床分析中的應用

盡管HPLC在在臨床分析以及藥物中有許多應用的案例，但是根據實踐經驗和調查研究結果來看，氣相色譜是在藥物和臨床分析中的一種廣泛的應用方式。在實際檢測中，氣相色譜比其他檢測方法更為簡單，因此，利用氣相色譜可以更容易滿足分析需求，是各種檢測方法之中的首選。

現代技術將MS和GC結合起來形成了一種集分離和鑒定、定性和定量于一體的分析方法，即GC-MS分析法，如果在工作中將固相微萃取技術和GC或新型的GC-MS檢測技術結合在一起使用，將定性定量研究與樣品處理相結合使用，這種應用方式在臨床分析中會起到更加有效的作用，提高對分析的效率和可靠性的保證。

5 氣相色譜儀使用方法

5.1 調整儀器狀況

調整儀器時首先要按照順序將氣體發生器的開關或者是鋼瓶總閥、減壓閥、凈化器的空氣開關閥打開，然后開啟連接設備的計算機設備。計算機設備啟動后要進行約為10分鐘的通氣，在這10分鐘的通氣過程中使用者需要完成對各個壓力表指示值是否在規定范圍內的檢查工作。一旦發現壓力表存在壓力不正常的現象，立刻檢查設備的氣路系統是否出現問題，如：存在漏氣的現象等。在壓力經過檢查一切正常之后才能打開電源的開關，然后仔細觀察溫度設定值和流量值是否正確。一切工作準備就緒后才能進行升溫作業，當溫度指示燈亮后，各路溫控開始加熱，然后可以進行相關軟件的操作。

5.2 進行點火、交流工作

當氫焰溫度達到設定值后進行點火，如果按過點火鍵以后發現氫焰基線有跳動且迅速回到零點，并且是直線跳動，則說明沒有點著火，這種情況需要立刻對不著火的原因進行檢測。還可以在軟件中打開“狀態”窗口，用來檢驗氫焰是否點火成功。然后進入“熱導”界面，進行對電流值的觀察，如果電流值正確便可以繼續下一步的運行，按“運行”按鈕，此時如果看到橋流指示燈亮起，這就說明橋流已加上。

5.3 進行參數設定

最后對軟件中的“采集設置”進行修改，設置采集的類型為“絕緣油”，接下來對進樣方式、切換時間、試驗時間等方面進行具體的設定，等基線穩定以后就可以可進針。

6 結語

對氣相色譜分析儀的使用必須以其組成和原理為基礎。對分析氣相色譜分析儀的原理組成分析是今后的必需要進行工作，是不斷推廣氣相色譜分析儀的必經之路。

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[2]羅偉東.便攜式氣相色譜儀的模塊化設計[J].分析儀器，2011，（5）：36.

[3]王海坤.氣相色譜儀的改進及應用研究和發展[J].化學通報，2011，（1）：265.

[4]劉虎威.氣相色譜方法及應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]吳方迪，張慶合.色譜儀器維護和故障排除[M].北京：化學工業出版社，2008.

On the Principle and Application of Gas Chromatography

LI Changhai1,LIN Longhai2
(1.Hangzhou sankq Detection Technology Co. Ltd.,Hangzhou 310052;2.Hangzhou Rui Xu Product Technology Co.,Ltd., Hangzhou 310052)

This paper mainly analyzes the working principle of gas chromatography, introduces the composition structure of gas chromatography and gas chromatography analyzer.

gas chromatography,principle,detection