气相色谱仪原理结构以及操作

气相色谱的流动相为惰性气体，气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后，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度也就不同。吸附力弱的组分容易被解吸下来，先离开色谱柱进入检测器，而吸附力强的组分不容易被解吸下来，因此离开色谱柱。如此，各组分得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录下来。

1、基本原理 

气相色谱（GC）是一种分离技术。实际工作中要分析的样品往往是复杂基体中的多组分混合物，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，GC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）带入色谱柱，柱内含有液体或固体固定相，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，而电信号的大小与被测组分的量或浓度成比例，当将这些信号放大并记录下来时，就是如图2所示的色谱图（假设样品分离出三个组分），它包含了色谱的全部原始信息。在没有组分流出时，色谱图的记录是检测器的本底信号，即色谱图的基线。 

2、气相色谱结构及维护 

2.1 进样隔垫 

进样隔垫一般为硅橡胶材料制成，一般可分普通型、优质型和高温型三种，普通型为米黄色，不耐高温，一般在200℃以下使用；优质型可耐温到300℃；高温型为绿色，使用温度可高于350℃，至色谱柱最高使用温度的400℃。正因为进样隔垫多为硅橡胶材料制成，其中不可避免地含有一些残留溶剂和/或低分子齐聚物，另外由于汽化室高温的影响，硅橡胶会发生部分降解，这些残留的溶剂和降解产物如果进入色谱柱，就可能出现“鬼峰”（即不是样品本身的峰），从而影响分析。解决的办法有：一是进行“隔垫吹扫”，二是更换进样隔垫。 

一般更换进样隔垫的周期以下面三个条件为准：

（1）出现“鬼峰”；

（2）保留时间和峰面积重现性差；

（3）手动进样次数70次，或自动进样次数50次以后。 

2.2 玻璃衬管

气相色谱的衬管多为玻璃或石英材料制成，主要分成分流衬管、不分流衬管、填充柱玻璃衬管三种类型。衬管能起到保护色谱柱的作用，在分流/不分流进样时，不挥发的样品组分会滞留在衬管中而不进入色谱柱。如果这些污染物在衬管内积存一定量后，就会对分析产生直接影响。比如，它会吸附极性样品组分而造成峰拖尾，甚至峰分裂，还会出现“鬼峰”，因此一定要保持衬管干净，注意及时清洗和更换。 

玻璃衬管清洗的原则和方法

当以下现象：

（1）出现“鬼峰”；

（2）保留时间和峰面积重现性差出现时，应考虑对衬管进行清洗。

清洗的方法和步骤如下：

（1）拆下玻璃衬管；

（2）取出石英玻璃棉；

（3）用浸过溶剂（比如丙酮）的纱布清洗衬管内壁。 

玻璃衬管更换时要注意玻璃棉的装填：装填量3～6mg，高度5～10mm。要求填充均匀、平整。 

2.3 气体过滤器

变色硅胶可根据颜色变化来判断其性能，但分子筛等吸附有机物的过滤器就不能用肉眼判断了，所以必须定期更换，一般3个月更换或再生一次。 

由于分流气路中的分子筛过滤器饱和或受污严重，就会出现基线漂移大的现象，这个时候就必须更换或再生过滤器了。再生的方法是：（1）卸下过滤器，反方向连接于原色谱柱位置。（2）再生条件：载气流速40～50ml/min，温度340℃，时间5h。 

2.4 检测器 

如果说色谱柱是色谱分离的心脏，那么，检测器就是色谱仪的眼睛。无论色谱分离的效果多么好，若没有好的检测器就会“看”不出分离效果。因此，高灵敏度、高选择性的检测器一直是色谱仪发展的关键技术。目前，GC所使用的检测器有多种，其中常用的检测器主要有火焰离子化检测器（FID）、火焰热离子检测器（FTD）、火焰光度检测器（FPD）、热导检测器（TCD）、电子俘获检测器（ECD）等。下面对检测器的日常维护作简单讨论： 

2.4.1火焰离子化检测器（FID） 

（1） FID虽然是准通用型检测器，但有些物质在检测器上的响应值很小或无响应，这些物质包括永久气体、卤代硅烷、H2O、NH3、CO、CO2、CS2、CCl4，等等。所以检测这些物质时不应使用FID。 

（2）FID的灵敏度与氢气、空气、氮气的比例有直接关系，因此要注意优化，一般三者的比例应接近或等于1∶10∶1。 

（3）FID是用氢气在空气燃烧所产生的火焰使被测物质离子化的，故应注意安全问题。在未接上色谱柱时，不要打开氢气阀门，以免氢气进入柱箱。测定流量时，一定不能让氢气和空气混合，即测氢气时，要关闭空气，反之亦然。无论什么原因导致火焰熄灭时，应尽量关闭氢气阀门，直到排除了故障重新点火时，再打开氢气阀门。 

（4）为防止检测器被污染，检测器温度设置不应低于色谱柱实际工作的最高温度。检测器被污染的影响轻则灵敏度明显下降或噪音增大，重则点不着火。消除污染的办法是对喷嘴和气路管道的清洗。具体方法是：断开色谱柱，拔出信号收集极；用一细钢丝插入喷嘴进行疏通，并用丙酮、乙醇等溶剂浸泡。 

2.4.2 火焰热离子检测器（FTD） 

FTD使用注意事项： 

（1） 铷珠：避免样品中带水，使用寿命大约600～700h； 

（2） 载气：N2或He，要求纯度99.999%。一般He的灵敏度高； 

（3） 空气：尽量是选钢瓶空气，无油； 

（4） 氢气：要求纯度99.999%。 

另外需要注意的是使用FTD时，不能使用含氰基固定液的色谱柱，比如OV-1701。 

2.4.3火焰光度检测器（FPD） 

FPD使用注意事项： 

（1） FPD也是使用氢火焰，故安全问题与FID相同； 

（2） 顶部温度开关常开（250℃）； 

（3） FPD的氢气、空气和尾吹气流量与FID不同，一般氢气为60～80ml/min，空气为 100～120ml/min，而尾吹气和柱流量之和为20～25ml/min。分析强吸附性样品如农药等，中部温度应高于底部温度约20℃； 

（4） 更换滤光片或点火时，应先关闭光电倍增管电源； 

（5） 火焰检测器，包括FID、FPD，必须在温度升高后再点火；关闭时，应先熄火再降温。 

2.4.4热导检测器（TCD） 

TCD使用注意事项： 

（1）确保热丝不被烧断。在检测器通电之前，一定要确保载气已经通过了检测器，否则，热丝就可能被烧断，致使检测器报废；关机时一定要先关检测器电源，然后关载气。任何时候进行有可能切断通过TCD的载气流量的操作，都要关闭检测器电源； 

（2）载气中含有氧气时，热丝寿命会缩短，所以载气中必须彻底除氧； 

（3）用氢气作载气时，气体排至室外； 

（4）基线漂移大时，要考虑以下几个问题：双柱是否相同，双柱气体流速是否相同；是否漏气； 更换色谱柱至检测器的石墨垫圈。 池体污染； 清洗措施：正己烷浸泡冲洗。

2.4.5 电子俘获检测器（ECD） 

ECD使用注意事项： 

（1）气路安装气体过滤器和氧气捕集器； 氧气捕集器再生： 

（2）使用填充柱时也需供给尾吹气（2～3ml/min）； 

（3）操作温度为250～350℃。无论色谱柱温度多么低，ECD的温度均不应低于250℃，否则检测器很难平衡。

（4）关闭载气和尾吹气后，用堵头封住ECD出口，避免空气进入。

3、基本操作

3.1 加热 

由于气相色谱仪的生产厂家和质量的不同．测定温度的方式也不相同 对于用微机设数法或拨轮选择法给定温度．一般是直接设数或选择合适给定温度值加以升温．而如果是采用旋钮定位法．则有技巧可言

3.1.1过温定位法

将温控旋钮调至低于操作温度约30℃处，给气相色谱仪升温，当过温至约为操作温度时．配台温度指示和加热指示灯．再逐渐将温控旋钮调至台适位置

3.1.2 分步递进定位法

将温控旋钮朝升温方向转动一个角度．升温开始．指示灯亮：当温度基本稳定时，再同向转动温控旋钮．开始继续升温：如此递进调节、直至恒温在工作温度上.

3.2 调池平衡 

调池平衡实际是调热导电桥平衡．使之有较为台适的输出，讲调节技巧．其实是对具有池平衡、调零和记录调零等。

3.3 点火 

  氢焰气相色谱仪，开机时需要点火．有时因各种原因致使熄火后．也需要点火，然而．我们经常会遇到点火不着的情况，下面介绍两种点火技巧．供同行们相试。

3.3.1 加大氢气流量法先加大氢气流量．点着火后．再缓慢调回工作状况 此法通用

3.3.2 减少尾吹气流量法先减少尾吹气流量．点着火后．再调回工作状况 此法适用于用氢气怍载气．用空气作助燃气和尾畋气情况

3.4 气比的调节 

氢焰气相色谱仪三气的流量比．有关资料均建议为：氮气：氢气：空气：l：l：10，但由于转子流量计指示流量的不准确性．事实上谁会去苛求这个配比呢?既有高的检测器灵敏度又能有较好的分离效果．还不致于容易熄火。本着上述原则，气比应按下法调节：

(1）氮气流量的调节：在色谱柱条件确定后、样品组分分离效果的好坏、氮气的流量大小是决定因素，调节氮气流量时．要进样观察组分分离情况．直至氮气流量尽可能大且样品组分有较好分离为止。

(2)氢气和空气流量的调节氢气和空气流量的调节效果．可以用基流的大小来检验，先调节氢气流量，使之约等于氮气的流量．再调节空气流量，在调节空气流量时．要观察基流的改变情况，只要基流在增加．仍应相向调节．直至基流不再增加不止。最后再将氢气流量上调少许。 

3.5 进样技术 

在气相色谱分析中，一般是采用注射器或六通阀门进样，在考虑进样技术的时候．主要是以注射器进样为对象。

3.5.1 进样量

进样量与气化温度、柱容量和仪器的线性响应范围等因素有关，也即进样量应控制在能瞬间气化．达到规定分离要求和线性响应的允许范围之内，填充柱冲洗法的瞬间进样量：液体样品或固体样品溶液一般为0．01～10微升．气体样品一般为0．1～10毫升，在定量分析中，应注意进样量读数准确。

（1)排除注射器里所有的空气

用微量注射器抽取液体样品时．只要重复地把液体抽入注射器又迅速把其排回样品瓶．就可做到这一点。

还有一种更好的方法．可以排除注射器里所有的空气，那就是用计划注射量的约2倍的样品置换注射器3～5次．每扶取到样品后，垂直拿起注射器．针尖朝上，任何依然留在注射器里的空气都应当跑到针管顶部，推进注射器塞子．空气就会被排掉。

（2)保证进样量的准确 

用注射器取约计划进样量2倍左右的样品．垂直拿起注射器．针尖朝上．让针穿过一层纱布．这样可用纱布吸收从针尖排出的液体，推进注射器塞子．直到读出所需要的数值用纱布擦干针尖，至此准确的液体体积已经测得．需要再抽若干空气到注射器里．如果不慎推动柱塞．空气可以保护液体使之不被排走。

3.5.2 进样方法

 用一只手(通常是左手)把针插入垫片．注射大体积样品(即气体样品)或输入压力极高时．要防止从气相色谱仪来的压力把柱塞弹出(用右手的大拇指)让针尖穿过垫片尽可能踩的进入进样口．压下柱塞停留1～2秒钟．然后尽可能快而稳地抽出针尖（继续压住柱塞)。

3.5.3 进样时间

进样时间长短对柱效率影响很大，若进样时间过长．遇使色谱区域加宽而降低柱效率。

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