气相色谱仪小知识：原理、结构与维护

2023-02-17 南京杰岛

气相色谱仪的原理

气相色谱仪是利用色谱分离技术和检测技术，对多组分的复杂混合物进行定性和定量分析的仪器。通常可用于分析土壤中热稳定且沸点不超过500℃的有机物，如挥发性有机物、有机氯、有机磷、多环芳烃、酞酸酯等。

对含有未知组分的样品，首先必须将其分离，然后才能对有关组分进行进一步的分析。混合物的分离是基于组分的物理化学性质的差异，气相色谱仪主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。

待分析样品在汽化室汽化后被惰性气体(即载气，一般是N2、He等)带入气相色谱仪色谱柱，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。

但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立起来，也正是由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解附，结果在载气中分配浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出。

当组分流出色谱柱后，立即进入检测器，检测器能够将样品组分的存在与否转变为电信号，在记录仪上表现为一个个的峰，称为色谱峰，色谱峰上的极大值是定性分析的依据。

而色谱峰所包罗的面积则取决于对应组分的含量，故峰面积是定量分析的依据。一个混合物样品注入后，由记录仪记录得到的曲线，称为色谱图。分析色谱图就可以得到定性分析和定量分析结果。

气相色谱仪的结构

1、载气系统

包括气源、气体净化、气体流速控制和测量。

气相色谱的气源按照用途可以分为四类：载气、燃气、助燃气、驱动气。

①载气：个分析系统，要求纯度高、质量好，一般来说常用的载气有：氮气、氢气、氩气、氦气等。

②燃气：一般用氢气，只要保证可以正常点火，并且不干扰分析就可以了。可以使用高纯度的钢瓶气或氢气发生器。如果预算足够的话，使用氢气发生器，因为比较安全。

③助燃气：一般用空气，只要可以起到助燃的作用，而且不干扰分析就可以了。可以使用高纯度的钢瓶气或空气发生器。

④驱动气：一般是空气。

2、气源选择

一般按照检测器来考虑。

①FID：需要配载气、燃气、助燃气。一般来说都是配氮气(高纯钢瓶气或氮气发生器)，氢气(钢瓶气或氢气发生器)，空气(钢瓶气或空气发生器)。

②TCD：需要配载气。一般来说，为了提高灵敏度，我们建议客户配氢气或氦气。但是如果客户要分析氢气的时候，我们需要配氩气或者氮气或者氦气。

③ECD：需要配载气。一般来说配氮气。

④FPD：需要配载气、燃气、助燃气。一般来说都是配氮气(高纯钢瓶气或氮气发生器)，氢气(钢瓶气或氢气发生器)，空气(钢瓶气或空气发生器)。

⑤TSD：需要配载气、燃气、助燃气。一般来说都是配氮气(高纯钢瓶气或氮气发生器)，氢气(钢瓶气或氢气发生器)，空气(钢瓶气或空气发生器)。

3、进样系统

包括进样器、汽化室（将液体样品瞬间汽化为蒸气），应针对不同的分析任务来选择不同的进样器。

①手动微量进样器：可抽取气体或液体样品，适用于采用手动进样的气相色谱仪。

②固相微萃取进样器：可用于萃取液体或者气体基质中的有机物，萃取的样品可直接注入气相色谱仪的汽化室进行热解析汽化，然后进色谱柱分析。这一技术适合用于水中有机物或者其他样品中的一些挥发成分的分析。

③液体自动进样器：可以实现自动化操作，降低人为的进样误差，减少人工操作成本，适用于批量样品的分析。

④阀进样系统：

A气体进样阀：气体样品采用阀进样，不仅定量重复性好，而且可以与环境空气隔离，避免空气对样品的污染，而采用手动进样很难做到上面这两点。采用阀进样系统，还可以进行多柱、多阀的组合，可以进行一些特殊分析。

B液体进样阀：一般用于液体样品的在线取样分析。

⑤吹扫捕集系统：用于固体、半固体、液体样品基质中挥发性有机化合物的富集和直接进入气相色谱仪进行分析。

⑥热解吸系统：用于气体样品中挥发性有机化合物的捕集，然后热解吸进入气相色谱仪进行分析。

⑦顶空进样系统：顶空进样器主要用于固体、半固体、液体样品基质中有挥发性有机化合物的分析。

⑧热裂解器进样系统：理论上，可适用于由于挥发性差，依靠气相色谱仪还不能分离分析的任何有机物，但是目前主要用于聚合物的分析。

⑨冷柱上进样系统：处于室温或者更低温度下的进样，然后以程序升温方式使样品组分汽化，先后进入色谱柱进行分离。该进样方式适用于热不稳定样品组分的分析，也可用于微量组分的高精度分析。

4、色谱柱和柱温

包括恒温控制装置（将多组分样品分离为单个）。

5、检测系统

包括检测器，控温装置。常见的检测器有以下几种：

①热导检测器(TCD)

热导检测器(TCD)属于浓度型检测器，即检测器的响应值与组分在载气中的浓度成正比。它的基本原理是基于不同物质具有不同的热导系数，几乎对所有的物质都有响应，是目前应用#@*广泛的通用型检测器。

由于在检测过程中样品不被破坏，因此可用于制备和其他联用鉴定技术。

②氢火焰离子化检测器(FID)

氢火焰离子化检测器(FID)利用有机物在氢火焰的作用下化学电离而形成离子流，借测定离子流强度进行检测。该检测器灵敏度高、线性范围宽、操作条件不苛刻、噪声小、死体积小，是有机化合物检测常用的检测器。

但是检测时样品被破坏，一般只能检测那些在氢火焰中燃烧产生大量碳正离子的有机化合物。

③电子捕获检测器(ECD)

电子捕获检测器(ECD)是利用电负性物质捕获电子的能力，通过测定电子流进行检测的。ECD具有灵敏度高、选择性好的特点。

它是一种专属型检测器，是目前分析痕量电负性有机化合物#@*有效的检测器，元素的电负性越强，检测器灵敏度越高，对含卤素、硫、氧、羰基、氨基等的化合物有很高的响应。

电子捕获检测器已广泛应用于有机氯和有机磷农药残留量、金属配合物、金属有机多卤或多硫化合物等的分析测定。它可用氮气或氩气作载气，#@*常用的是高纯氮。

④火焰光度检测器(FPD)

火焰光度检测器(FPD)对含硫和含磷的化合物有比较高的灵敏度和选择性。其检测原理是，当含磷和含硫物质在富氢火焰中燃烧时，分别发射具有特征的光谱，透过干涉滤光片，用光电倍增管测量特征光的强度。

6、记录系统

包括放大器、记录仪、或数据处理装置、工作站。

以下气路系统图能够简明的描述仪器系统的主要部件、各部件之间的关系和气路的走向。

气相色谱仪维护

气相色谱仪经常用于有机物的定量分析，仪器在运行一段时间后，由于静电原因，仪器内部容易吸附较多的灰尘；电路板及电路板插口除吸附有积尘外，还经常和某些有机蒸气吸附在一起；因为部分有机物的凝固点较低，在进样口位置经常发现凝固的有机物，分流管线在使用一段时间后，内径变细，甚至被有机物堵塞；在使用过程中，TCD检测器很有可能被有机物污染；FID检测器长时间用于有机物分析，有机物在喷嘴或收集极位置沉积或喷嘴、收集极部分积炭经常发生。

1、仪器内部的吹扫、清洁

气相色谱仪停机后，打开仪器的侧面和后面面板，用仪表空气或氮气对仪器内部灰尘进行吹扫，对积尘较多或不容易吹扫的地方用软毛刷配合处理。吹扫完成后，对仪器内部存在有机物污染的地方用水或有机溶剂进行擦洗，对水溶性有机物可以先用水进行擦拭，对不能彻底清洁的地方可以再用有机溶剂进行处理，对非水溶性或可能与水发生化学反应的有机物用不与之发生反应的有机溶剂进行清洁，如甲苯、丙酮、四氯化碳等。注意，在擦拭仪器过程中不能对仪器表面或其他部件造成腐蚀或二次污染。

2、电路板的维护和清洁

气相色谱仪准备检修前，切断仪器电源，首先用仪表空气或氮气对电路板和电路板插槽进行吹扫，吹扫时用软毛刷配合对电路板和插槽中灰尘较多的部分进行仔细清理。操作过程中尽量戴手套操作，防止静电或手上的汗渍等对电路板上的部分元件造成影响。

吹扫工作完成后，应仔细观察电路板的使用情况，看印刷电路板或电子元件是否有明显被腐蚀现象。对电路板上沾染有机物的电子元件和印刷电路用脱脂棉蘸取酒精小心擦拭，电路板接口和插槽部分也要进行擦拭。

3、进样口的清洗

在检修时，对气相色谱仪进样口的玻璃衬管、分流平板，进样口的分流管线，EPC等部件分别进行清洗是十分必要的。

玻璃衬管和分流平板的清洗

从仪器中小心取出玻璃衬管，用镊子或其他小工具小心移去衬管内的玻璃毛和其它杂质，移取过程不要划伤衬管表面。

如果条件允许，可将初步清理过的玻璃衬管在有机溶剂中用超声波进行清洗，烘干后使用。也可以用丙酮、甲苯等有机溶剂直接清洗，清洗完成后经过干燥即可使用。

分流平板#@*为理想的清洗方法是在溶剂中超声处理，烘干后使用。也可以选择合适的有机溶剂清洗：从进样口取出分流平板后，首先采用甲苯等惰性溶剂清洗，再用甲醇等醇类溶剂进行清洗，烘干后使用。

4、分流管线的清洗

气相色谱仪用于有机物和高分子化合物的分析时，许多有机物的凝固点较低，样品从气化室经过分流管线放空的过程中，部分有机物在分流管线凝固。

气相色谱仪经过长时间的使用后，分流管线的内径逐渐变小，甚至完全被堵塞。分流管线被堵塞后，仪器进样口显示压力异常，峰形变差，分析结果异常。在检修过程中，无论事先能否判断分流管线有无堵塞现象，都需要对分流管线进行清洗。分流管线的清洗一般选择丙酮、甲苯等有机溶剂，对堵塞严重的分流管线有时用单纯清洗的方法很难清洗干净，需要采取一些其他辅助的机械方法来完成。

可以选取粗细合适的钢丝对分流管线进行简单的疏通，然后再用丙酮、甲苯等有机溶剂进行清洗。由于事先不容易对分流部分的情况作出准确判断，对手动分流的气相色谱仪来说，在检修过程中对分流管线进行清洗是十分必要的。

对于EPC控制分流的气相色谱仪，由于长时间使用，有可能使一些细小的进样垫屑进入EPC与气体管线接口处，随时可能对EPC部分造成堵塞或造成进样口压力变化。所以每次检修过程尽量对仪器EPC部分进行检查，并用甲苯、丙酮等有机溶剂进行清洗，然后烘干处理。

5、进样口的清洗

由于进样等原因，进样口的外部随时可能会形成部分有机物凝结，可用脱脂棉蘸取丙酮、甲苯等有机物对进样口进行初步的擦拭，然后对擦不掉的有机物先用机械方法去除，注意在去除凝固有机物的过程中一定要小心操作，不要对仪器部件造成损伤。将凝固的有机物去除后，然后用有机溶剂对仪器部件进行仔细擦拭。

6、TCD和FID检测器的清洗

TCD检测器在使用过程中可能会被柱流出的沉积物或样品中夹带的其他物质所污染。TCD检测器一旦被污染，仪器的基线出现抖动、噪声增加。有必要对检测器进行清洗。

7、TCD检测器清洗

TCD检测器可以采用热清洗的方法，具体方法如下：关闭检测器，把柱子从检测器接头上拆下，把柱箱内检测器的接头用死堵堵死，将参考气的流量设置到20～30ml/min，设置检测器温度为400℃，热清洗4～8h，降温后即可使用。

8、国产或日产TCD检测器清洗

国产或日产TCD检测器污染可用以下方法。仪器停机后，将TCD的气路进口拆下，用50ml注射器依次将丙酮(或甲苯，可根据样品的化学性质选用不同的溶剂)无水乙醇、蒸馏水从进气口反复注入5～10次，用吸尔球从进气口处缓慢吹气，吹出杂质和残余液体，然后重新安装好进气接头，开机后将柱温升到200℃，检测器温度升到250℃，通入比分析操作气流大1～2倍的载气，直到基线稳定为止。

对于严重污染，可将出气口用死堵堵死，从进气口注满丙酮(或甲苯，可根据样品的化学性质选用不同的溶剂)，保持8h左右，排出废液，然后按上述方法处理。

9、FID检测器的清洗

FID检测器在使用中稳定性好，对使用要求相对较低，使用普遍，但在长时间使用过程中，容易出现检测器喷嘴和收集极积炭等问题，或有机物在喷嘴或收集极处沉积等情况。对FID积炭或有机物沉积等问题，可以先对检测器喷嘴和收集极用丙酮、甲苯、甲醇等有机溶剂进行清洗。当积炭较厚不能清洗干净的时候，可以对检测器积炭较厚的部分用细砂纸小心打磨。注意在打磨过程中不要对检测器造成损伤。初步打磨完成后，对污染部分进一步用软布进行擦拭，再用有机溶剂#@*进行清洗，一般即可消除。

原文转载自微信公众号：化学分析计量

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