氣相色譜儀原理、結(jié)構(gòu)及操作

氣相色譜儀原理、結(jié)構(gòu)及操作

1、基本原理

氣相色譜（GC）是一種分離技術(shù)。實(shí)際工作中要分析的樣品往往是復(fù)雜基體中的多組分混合物，對(duì)含有未知組分的樣品，首先必須將其分離，然后才能對(duì)有關(guān)組分進(jìn)行進(jìn)一步的分析?；旌衔锏姆蛛x是基于組分的物理化學(xué)性質(zhì)的差異，GC主要是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物的分離。待分析樣品在汽化室汽化后被惰性氣體（即載氣，一般是N2、He等）帶入色譜柱，柱內(nèi)含有液體或固體固定相，由于樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向于在流動(dòng)相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣是流動(dòng)的，這種平衡實(shí)際上很難建立起來(lái)，也正是由于載氣的流動(dòng)，使樣品組分在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行反復(fù)多次的分配或吸附/解附，結(jié)果在載氣中分配濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當(dāng)組分流出色譜柱后，立即進(jìn)入檢測(cè)器，檢測(cè)器能夠?qū)悠方M分的存在與否轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而電信號(hào)的大小與被測(cè)組分的量或濃度成比例，當(dāng)將這些信號(hào)放大并記錄下來(lái)時(shí)，就是如圖2所示的色譜圖（假設(shè)樣品分離出三個(gè)組分），它包含了色譜的全部原始信息。在沒(méi)有組分流出時(shí)，色譜圖的記錄是檢測(cè)器的本底信號(hào)，即色譜圖的基線。

2、氣相色譜結(jié)構(gòu)及維護(hù)

2.1 進(jìn)樣隔墊

進(jìn)樣隔墊一般為硅橡膠材料制成，一般可分普通型、型和高溫型三種，普通型為米黃色，不耐高溫，一般在200℃以下使用；型可耐溫到300℃；高溫型為綠色，使用溫度可高于350℃，至色譜柱zui高使用溫度的400℃。正因?yàn)檫M(jìn)樣隔墊多為硅橡膠材料制成，其中不可避免地含有一些殘留溶劑和/或低分子齊聚物，另外由于汽化室高溫的影響，硅橡膠會(huì)發(fā)生部分降解，這些殘留的溶劑和降解產(chǎn)物如果進(jìn)入色譜柱，就可能出現(xiàn)“鬼峰”（即不是樣品本身的峰），從而影響分析。解決的辦法有：一是進(jìn)行“隔墊吹掃”，二是更換進(jìn)樣隔墊。

一般更換進(jìn)樣隔墊的周期以下面三個(gè)條件為準(zhǔn)：（1）出現(xiàn)“鬼峰”；（2）保留時(shí)間和峰面積重現(xiàn)性差；（3）手動(dòng)進(jìn)樣次數(shù)70次，或自動(dòng)進(jìn)樣次數(shù)50次以后。

2.2 玻璃襯管

氣相色譜的襯管多為玻璃或石英材料制成，主要分成分流襯管、不分流襯管、填充柱玻璃襯管三種類型。襯管能起到保護(hù)色譜柱的作用，在分流/不分流進(jìn)樣時(shí)，不揮發(fā)的樣品組分會(huì)滯留在襯管中而不進(jìn)入色譜柱。如果這些污染物在襯管內(nèi)積存一定量后，就會(huì)對(duì)分析產(chǎn)生直接影響。比如，它會(huì)吸附極性樣品組分而造成峰拖尾，甚至峰分裂，還會(huì)出現(xiàn)“鬼峰”，因此一定要保持襯管干凈，注意及時(shí)清洗和更換。

玻璃襯管清洗的原則和方法

當(dāng)以下現(xiàn)象：（1）出現(xiàn)“鬼峰”；（2）保留時(shí)間和峰面積重現(xiàn)性差出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)襯管進(jìn)行清洗。清洗的方法和步驟如下：（1）拆下玻璃襯管；（2）取出石英玻璃棉；（3）用浸過(guò)溶劑（比如丙酮）的紗布清洗襯管內(nèi)壁。 玻璃襯管更換時(shí)要注意玻璃棉的裝填：裝填量3～6mg，高度5～10mm。要求填充均勻、平整。

2.3 氣體過(guò)濾器

變色硅膠可根據(jù)顏色變化來(lái)判斷其性能，但分子篩等吸附有機(jī)物的過(guò)濾器就不能用肉眼判斷了，所以必須定期更換，一般3個(gè)月更換或再生一次。

由于分流氣路中的分子篩過(guò)濾器飽和或受污嚴(yán)重，就會(huì)出現(xiàn)基線漂移大的現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候就必須更換或再生過(guò)濾器了。再生的方法是：（1）卸下過(guò)濾器，反方向連接于原色譜柱位置。（2）再生條件：載氣流速40～50ml/min，溫度340℃，時(shí)間5h。

2.4 檢測(cè)器

如果說(shuō)色譜柱是色譜分離的心臟，那么，檢測(cè)器就是色譜儀的眼睛。無(wú)論色譜分離的效果多么好，若沒(méi)有好的檢測(cè)器就會(huì)“看”不出分離效果。因此，高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)器一直是色譜儀發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前，GC所使用的檢測(cè)器有多種，其中常用的檢測(cè)器主要有火焰離子化檢測(cè)器（FID）、火焰熱離子檢測(cè)器（FTD）、火焰光度檢測(cè)器（FPD）、熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）、電子俘獲檢測(cè)器（ECD）等。下面對(duì)檢測(cè)器的日常維護(hù)作簡(jiǎn)單討論：

2.4.1火焰離子化檢測(cè)器（FID）

（1） FID雖然是準(zhǔn)通用型檢測(cè)器，但有些物質(zhì)在檢測(cè)器上的響應(yīng)值很小或無(wú)響應(yīng)，這些物質(zhì)包括*氣體、鹵代硅烷、H2O、NH3、CO、CO2、CS2、CCl4，等等。所以檢測(cè)這些物質(zhì)時(shí)不應(yīng)使用FID。

（2）FID的靈敏度與氫氣、空氣、氮?dú)獾谋壤兄苯雨P(guān)系，因此要注意優(yōu)化，一般三者的比例應(yīng)接近或等于1∶10∶1。

（3）FID是用氫氣在空氣燃燒所產(chǎn)生的火焰使被測(cè)物質(zhì)離子化的，故應(yīng)注意安全問(wèn)題。在未接上色譜柱時(shí)，不要打開(kāi)氫氣閥門(mén)，以免氫氣進(jìn)入柱箱。測(cè)定流量時(shí)，一定不能讓氫氣和空氣混合，即測(cè)氫氣時(shí)，要關(guān)閉空氣，反之亦然。無(wú)論什么原因?qū)е禄鹧嫦鐣r(shí)，應(yīng)盡量關(guān)閉氫氣閥門(mén)，直到排除了故障重新點(diǎn)火時(shí)，再打開(kāi)氫氣閥門(mén)。

（4）為防止檢測(cè)器被污染，檢測(cè)器溫度設(shè)置不應(yīng)低于色譜柱實(shí)際工作的zui高溫度。檢測(cè)器被污染的影響輕則靈敏度明顯下降或噪音增大，重則點(diǎn)不著火。消除污染的辦法是對(duì)噴嘴和氣路管道的清洗。具體方法是：斷開(kāi)色譜柱，拔出信號(hào)收集極；用一細(xì)鋼絲插入噴嘴進(jìn)行疏通，并用丙酮、乙醇等溶劑浸泡。

2.4.2 火焰熱離子檢測(cè)器（FTD）

FTD使用注意事項(xiàng)：

（1） 銣珠：避免樣品中帶水，使用壽命大約600～700h；

（2） 載氣：N2或He，要求純度99.999%。一般He的靈敏度高；

（3） 空氣：是選鋼瓶空氣，無(wú)油；

（4） 氫氣：要求純度99.999%。

另外需要注意的是使用FTD時(shí)，不能使用含氰基固定液的色譜柱，比如OV-1701。

2.4.3火焰光度檢測(cè)器（FPD）
FPD使用注意事項(xiàng)：

（1） FPD也是使用氫火焰，故安全問(wèn)題與FID相同；

（2） 頂部溫度開(kāi)關(guān)常開(kāi)（250℃）；

（3） FPD的氫氣、空氣和尾吹氣流量與FID不同，一般氫氣為60～80ml/min，空氣為 100～120ml/min，而尾吹氣和柱流量之和為20～25ml/min。分析強(qiáng)吸附性樣品如農(nóng)藥等，中部溫度應(yīng)高于底部溫度約20℃；

（4） 更換濾光片或點(diǎn)火時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉光電倍增管電源；

（5） 火焰檢測(cè)器，包括FID、FPD，必須在溫度升高后再點(diǎn)火；關(guān)閉時(shí)，應(yīng)先熄火再降溫。

2.4.4熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）

TCD使用注意事項(xiàng)：

（1）確保熱絲不被燒斷。在檢測(cè)器通電之前，一定要確保載氣已經(jīng)通過(guò)了檢測(cè)器，否則，熱絲就可能被燒斷，致使檢測(cè)器報(bào)廢；關(guān)機(jī)時(shí)一定要先關(guān)檢測(cè)器電源，然后關(guān)載氣。任何時(shí)候進(jìn)行有可能切斷通過(guò)TCD的載氣流量的操作，都要關(guān)閉檢測(cè)器電源；

（2）載氣中含有氧氣時(shí)，熱絲壽命會(huì)縮短，所以載氣中必須*除氧；

（3）用氫氣作載氣時(shí)，氣體排至室外；

（4）基線漂移大時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：雙柱是否相同，雙柱氣體流速是否相同；是否漏氣； 更換色譜柱至檢測(cè)器的石墨墊圈。 池體污染； 清洗措施：正己烷浸泡沖洗。

 2.4.5 電子俘獲檢測(cè)器（ECD）

ECD使用注意事項(xiàng)：

（1） 氣路安裝氣體過(guò)濾器和氧氣捕集器； 氧氣捕集器再生：

（2） 使用填充柱時(shí)也需供給尾吹氣（2～3ml/min）；

（3） 操作溫度為250～350℃。無(wú)論色譜柱溫度多么低，ECD的溫度均不應(yīng)低于250℃， 否則檢測(cè)器很難平衡。

（4） 關(guān)閉載氣和尾吹氣后，用堵頭封住ECD出口，避免空氣進(jìn)入。

3、基本操作

3.1 加熱

由于氣相色譜儀的生產(chǎn)廠家和質(zhì)量的不同．測(cè)定溫度的方式也不相同 對(duì)于用微機(jī)設(shè)數(shù)法或撥輪選擇法給定溫度．一般是直接設(shè)數(shù)或選擇合適給定溫度值加以升溫．而如果是采用旋鈕定位法．則有技巧可言

3.1.1過(guò)溫定位法

將溫控旋鈕調(diào)至低于操作溫度約30℃處 給氣相色譜儀升溫 當(dāng)過(guò)溫至約為操作溫度時(shí)．配臺(tái)溫度指示和加熱指示燈．再逐漸將溫控旋鈕調(diào)至臺(tái)適位置

3.1.2 分步遞進(jìn)定位法

將溫控旋鈕朝升溫方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度．升溫開(kāi)始．指示燈亮：當(dāng)溫度基本穩(wěn)定時(shí) 再同向轉(zhuǎn)動(dòng)溫控旋鈕．開(kāi)始繼續(xù)升溫：如此遞進(jìn)調(diào)節(jié)、直至恒溫在工作溫度上.

3.2 調(diào)池平衡

調(diào)池平衡 實(shí)際是調(diào)熱導(dǎo)電橋平衡．使之有較為臺(tái)適的輸出 講調(diào)節(jié)技巧．其實(shí)是對(duì)具有池平衡、調(diào)零和記錄調(diào)零等

*步．用池平衡或調(diào)零旋鈕將記錄儀指針調(diào)至臺(tái)適位置；

第二步．自衰減至l6倍左右．觀察記錄儀指針移動(dòng)情況；

第三步．用記錄謂零旋鈕將記錄儀指針調(diào)回原處；

第四步．退回衰減．觀察記錄儀指針移動(dòng)情況；

第五步．用調(diào)零或池平衡旋鈕將記錄儀指針調(diào)回原處

3.3 點(diǎn)火  氫焰氣相色譜儀 開(kāi)機(jī)時(shí)需要點(diǎn)火．有時(shí)因各種原因致使熄火后．也需要點(diǎn)火 然而．我們經(jīng)常會(huì)遇到點(diǎn)火不著的情況 下面介紹兩種點(diǎn)火技巧．供同行們相試

3.3.1 加大氫氣流量法先加大氫氣流量．點(diǎn)著火后．再緩慢調(diào)回工作狀況 此法通用

3.3.2 減少尾吹氣流量法先減少尾吹氣流量．點(diǎn)著火后．再調(diào)回工作狀況 此法適用于用氫氣怍載氣．用空氣作助燃?xì)夂臀差睔馇闆r

3.4 氣比的調(diào)節(jié)

氫焰氣相色譜儀三氣的流量比．有關(guān)資料均建議為：氮?dú)猓簹錃猓嚎諝猓簂：l：10 但由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示流量的不準(zhǔn)確性．事實(shí)上誰(shuí)會(huì)去苛求這個(gè)配比呢?本人認(rèn)為 為各氣旌以良好匹配．目的是既有高的檢測(cè)器靈敏度又能有較好的分離效果．還不致于容易熄火。本著上述原則 氣比應(yīng)按下法調(diào)節(jié)：

(1）氮?dú)饬髁康恼{(diào)節(jié)

在色譜柱條件確定后、樣品組分分離效果的好壞、氮?dú)獾牧髁看笮∈菦Q定因素 調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繒r(shí)．要進(jìn)樣觀察組分分離情況．直至氮?dú)饬髁勘M可能大且樣品組分有較好分離為止

(2)氫氣和空氣流量的調(diào)節(jié)氫氣和空氣流量的調(diào)節(jié)效果．可以用基流的大小來(lái)檢驗(yàn) 先調(diào)節(jié)氫氣流量 使之約等于氮?dú)?的流量．再調(diào)節(jié)空氣流量 在調(diào)節(jié)空氣流量時(shí)．要觀察基流的改變情況 只要基流在增加．仍應(yīng)相向調(diào)節(jié)．直至基流不再增加不止 zui后．再將氫氣流量上調(diào)少許。

3.5 進(jìn)樣技術(shù)

在氣相色譜分析中，一般是采用注射器或六通閥門(mén)進(jìn)樣 在考慮進(jìn)樣技術(shù)的時(shí)候．主要是以注射器進(jìn)樣為對(duì)象

3.5.1 進(jìn)樣量

進(jìn)樣量與氣化溫度、柱容量和儀器的線性響應(yīng)范圍等因素有關(guān)，也即進(jìn)樣量應(yīng)控制在能瞬間氣化．達(dá)到規(guī)定分離要求和線性響應(yīng)的允許范圍之內(nèi) 填充柱沖洗法的瞬間進(jìn)樣量：液體樣品或固體樣品溶液一般為0．01～ 10微升．氣體樣品一般為0．1～ 10毫升 在定量分析中．應(yīng)注意進(jìn)樣量讀數(shù)準(zhǔn)確

（1)排除注射器里所有的空氣

用微量注射器抽取液體樣品時(shí)．只要重復(fù)地把液體抽凡注射器又迅速把其排回樣品瓶．就可做到遺一點(diǎn)。

還有一種更好的方法．可以排除注射器里所有的空氣 那就是用計(jì)劃注射量的約2倍的樣品置換注射器3～5次．每扶取到樣品后，垂直拿起注射器．針尖朝上 任何依然留在注射器里的空氣都應(yīng)當(dāng)跑到針管頂部 推進(jìn)注射器塞子．空氣就會(huì)被排掉。

（2)保證進(jìn)樣量的準(zhǔn)確

用經(jīng)畿換過(guò)的注射器取約計(jì)劃進(jìn)樣量2倍左右的樣品．垂直拿起注射器．針尖朝上．讓針穿過(guò)一層紗布．這樣可用紗布吸收從針尖排出的液體 推進(jìn)注射器塞子．直到讀出所需要的數(shù)值用紗布擦干針尖 至此準(zhǔn)確的液體體積已經(jīng)測(cè)得．需要再抽若干空氣到注射器里．如果不慎推動(dòng)柱塞．空氣可以保護(hù)液體使之不被排走

3.5.2 進(jìn)樣方法

雙手章注射器 用一只手(通常是左手)把針插入墊片．洼射大體積樣品(即氣體樣品)或輸入壓力*時(shí)．要防止從氣相色譜儀來(lái)的壓力把柱塞彈出(用右手的大拇指)讓針尖穿過(guò)墊片盡可能踩的進(jìn)入進(jìn)樣口．壓下柱塞停留1～ 2秒鐘．然后盡可能快而穩(wěn)地抽出針尖（繼續(xù)壓住柱塞)

3.5.3 進(jìn)樣時(shí)間

進(jìn)樣時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)柱效率影響很大，若進(jìn)樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)．遇使色譜區(qū)域加寬而降低柱效率 因此．對(duì)于沖洗法色譜而言．進(jìn)樣時(shí)間越短越好．一般必須小于1秒鐘。