氣相色譜原理、結(jié)構(gòu)與維護(hù)一文通

昵稱14934981 2022-03-14

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氣相色譜是我們實(shí)驗(yàn)室最常見(jiàn)的儀器之一，氣相色譜儀是利用色譜分離技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，對(duì)多組分的復(fù)雜混合物進(jìn)行定性和定量分析的儀器。通?？捎糜诜治鐾寥乐袩岱€(wěn)定且沸點(diǎn)不超過(guò)500°C的有機(jī)物，氣相色譜儀的原理，結(jié)構(gòu)以及常見(jiàn)的故障和解決辦法你都會(huì)嗎？快一起來(lái)看看吧。

氣相色譜儀的原理

氣相色譜儀是利用色譜分離技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，對(duì)多組分的復(fù)雜混合物進(jìn)行定性和定量分析的儀器。通?？捎糜诜治鐾寥乐袩岱€(wěn)定且沸點(diǎn)不超過(guò)500℃的有機(jī)物，如揮發(fā)性有機(jī)物、有機(jī)氯、有機(jī)磷、多環(huán)芳烴、酞酸酯等。

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，氣相色譜儀主要是利用物質(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)帶入氣相色譜儀色譜柱，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)，在記錄儀上表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)的峰，稱為色譜峰，色譜峰上的極大值是定性分析的依據(jù)。

而色譜峰所包羅的面積則取決于對(duì)應(yīng)組分的含量，故峰面積是定量分析的依據(jù)。一個(gè)混合物樣品注入后，由記錄儀記錄得到的曲線，稱為色譜圖。分析色譜圖就可以得到定性分析和定量分析結(jié)果。

氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)

1、載氣系統(tǒng)

包括氣源、氣體凈化、氣體流速控制和測(cè)量。

氣相色譜的氣源按照用途可以分為四類：載氣、燃?xì)狻⒅細(xì)?、?qū)動(dòng)氣。

①載氣：個(gè)分析系統(tǒng)，要求純度高、質(zhì)量好，一般來(lái)說(shuō)常用的載氣有：氮?dú)?、氫氣、氬氣、氦氣等?/span>

②燃?xì)猓阂话阌脷錃?，只要保證可以正常點(diǎn)火，并且不干擾分析就可以了?？梢允褂酶呒兌鹊匿撈繗饣驓錃獍l(fā)生器。如果預(yù)算足夠的話，使用氫氣發(fā)生器，因?yàn)楸容^安全。

③助燃?xì)猓阂话阌每諝猓灰梢云鸬街嫉淖饔?，而且不干擾分析就可以了?？梢允褂酶呒兌鹊匿撈繗饣蚩諝獍l(fā)生器。

④驅(qū)動(dòng)氣：一般是空氣。

2、氣源選擇

一般按照檢測(cè)器來(lái)考慮。

①FID：需要配載氣、燃?xì)狻⒅細(xì)狻?/span>一般來(lái)說(shuō)都是配氮?dú)?高純鋼瓶氣或氮?dú)獍l(fā)生器)，氫氣(鋼瓶氣或氫氣發(fā)生器)，空氣(鋼瓶氣或空氣發(fā)生器)。

②TCD：需要配載氣。一般來(lái)說(shuō)，為了提高靈敏度，我們建議客戶配氫氣或氦氣。但是如果客戶要分析氫氣的時(shí)候，我們需要配氬氣或者氮?dú)饣蛘吆狻?/span>

③ECD：需要配載氣。一般來(lái)說(shuō)配氮?dú)狻?/span>

④FPD：需要配載氣、燃?xì)狻⒅細(xì)狻?/span>一般來(lái)說(shuō)都是配氮?dú)?高純鋼瓶氣或氮?dú)獍l(fā)生器)，氫氣(鋼瓶氣或氫氣發(fā)生器)，空氣(鋼瓶氣或空氣發(fā)生器)。

⑤TSD：需要配載氣、燃?xì)?、助燃?xì)狻?/span>一般來(lái)說(shuō)都是配氮?dú)?高純鋼瓶氣或氮?dú)獍l(fā)生器)，氫氣(鋼瓶氣或氫氣發(fā)生器)，空氣(鋼瓶氣或空氣發(fā)生器)。

3、進(jìn)樣系統(tǒng)

包括進(jìn)樣器、汽化室（將液體樣品瞬間汽化為蒸氣），應(yīng)針對(duì)不同的分析任務(wù)來(lái)選擇不同的進(jìn)樣器。

①手動(dòng)微量進(jìn)樣器：可抽取氣體或液體樣品，適用于采用手動(dòng)進(jìn)樣的氣相色譜儀。

②固相微萃取進(jìn)樣器：可用于萃取液體或者氣體基質(zhì)中的有機(jī)物，萃取的樣品可直接注入氣相色譜儀的汽化室進(jìn)行熱解析汽化，然后進(jìn)色譜柱分析。這一技術(shù)適合用于水中有機(jī)物或者其他樣品中的一些揮發(fā)成分的分析。

③液體自動(dòng)進(jìn)樣器：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，降低人為的進(jìn)樣誤差，減少人工操作成本，適用于批量樣品的分析。

④閥進(jìn)樣系統(tǒng)：

A氣體進(jìn)樣閥：氣體樣品采用閥進(jìn)樣，不僅定量重復(fù)性好，而且可以與環(huán)境空氣隔離，避免空氣對(duì)樣品的污染，而采用手動(dòng)進(jìn)樣很難做到上面這兩點(diǎn)。采用閥進(jìn)樣系統(tǒng)，還可以進(jìn)行多柱、多閥的組合，可以進(jìn)行一些特殊分析。

B液體進(jìn)樣閥：一般用于液體樣品的在線取樣分析。

⑤吹掃捕集系統(tǒng)：用于固體、半固體、液體樣品基質(zhì)中揮發(fā)性有機(jī)化合物的富集和直接進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行分析。

⑥熱解吸系統(tǒng)：用于氣體樣品中揮發(fā)性有機(jī)化合物的捕集，然后熱解吸進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行分析。

⑦頂空進(jìn)樣系統(tǒng)：頂空進(jìn)樣器主要用于固體、半固體、液體樣品基質(zhì)中有揮發(fā)性有機(jī)化合物的分析。

⑧熱裂解器進(jìn)樣系統(tǒng)：理論上，可適用于由于揮發(fā)性差，依靠氣相色譜儀還不能分離分析的任何有機(jī)物，但是目前主要用于聚合物的分析。

⑨冷柱上進(jìn)樣系統(tǒng)：處于室溫或者更低溫度下的進(jìn)樣，然后以程序升溫方式使樣品組分汽化，先后進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離。該進(jìn)樣方式適用于熱不穩(wěn)定樣品組分的分析，也可用于微量組分的高精度分析。

4、色譜柱和柱溫

包括恒溫控制裝置（將多組分樣品分離為單個(gè)）。

5、檢測(cè)系統(tǒng)

包括檢測(cè)器，控溫裝置。常見(jiàn)的檢測(cè)器有以下幾種：

①熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)

熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)屬于濃度型檢測(cè)器，即檢測(cè)器的響應(yīng)值與組分在載氣中的濃度成正比。它的基本原理是基于不同物質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)系數(shù)，幾乎對(duì)所有的物質(zhì)都有響應(yīng)，是目前應(yīng)用最廣泛的通用型檢測(cè)器。

由于在檢測(cè)過(guò)程中樣品不被破壞，因此可用于制備和其他聯(lián)用鑒定技術(shù)。

②氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)

氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)利用有機(jī)物在氫火焰的作用下化學(xué)電離而形成離子流，借測(cè)定離子流強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)器靈敏度高、線性范圍寬、操作條件不苛刻、噪聲小、死體積小，是有機(jī)化合物檢測(cè)常用的檢測(cè)器。

但是檢測(cè)時(shí)樣品被破壞，一般只能檢測(cè)那些在氫火焰中燃燒產(chǎn)生大量碳正離子的有機(jī)化合物。

③電子捕獲檢測(cè)器(ECD)

電子捕獲檢測(cè)器(ECD)是利用電負(fù)性物質(zhì)捕獲電子的能力，通過(guò)測(cè)定電子流進(jìn)行檢測(cè)的。ECD具有靈敏度高、選擇性好的特點(diǎn)。

它是一種專屬型檢測(cè)器，是目前分析痕量電負(fù)性有機(jī)化合物最有效的檢測(cè)器，元素的電負(fù)性越強(qiáng)，檢測(cè)器靈敏度越高，對(duì)含鹵素、硫、氧、羰基、氨基等的化合物有很高的響應(yīng)。

電子捕獲檢測(cè)器已廣泛應(yīng)用于有機(jī)氯和有機(jī)磷農(nóng)藥殘留量、金屬配合物、金屬有機(jī)多鹵或多硫化合物等的分析測(cè)定。它可用氮?dú)饣驓鍤庾鬏d氣，最常用的是高純氮。

④火焰光度檢測(cè)器(FPD)

火焰光度檢測(cè)器(FPD)對(duì)含硫和含磷的化合物有比較高的靈敏度和選擇性。其檢測(cè)原理是，當(dāng)含磷和含硫物質(zhì)在富氫火焰中燃燒時(shí)，分別發(fā)射具有特征的光譜，透過(guò)干涉濾光片，用光電倍增管測(cè)量特征光的強(qiáng)度。

6、記錄系統(tǒng)

包括放大器、記錄儀、或數(shù)據(jù)處理裝置、工作站。

以下氣路系統(tǒng)圖能夠簡(jiǎn)明的描述儀器系統(tǒng)的主要部件、各部件之間的關(guān)系和氣路的走向。

氣相色譜儀維護(hù)

氣相色譜儀經(jīng)常用于有機(jī)物的定量分析，儀器在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于靜電原因，儀器內(nèi)部容易吸附較多的灰塵；電路板及電路板插口除吸附有積塵外，還經(jīng)常和某些有機(jī)蒸氣吸附在一起；因?yàn)椴糠钟袡C(jī)物的凝固點(diǎn)較低，在進(jìn)樣口位置經(jīng)常發(fā)現(xiàn)凝固的有機(jī)物，分流管線在使用一段時(shí)間后，內(nèi)徑變細(xì)，甚至被有機(jī)物堵塞；在使用過(guò)程中，TCD檢測(cè)器很有可能被有機(jī)物污染；FID檢測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間用于有機(jī)物分析，有機(jī)物在噴嘴或收集極位置沉積或噴嘴、收集極部分積炭經(jīng)常發(fā)生。

1、儀器內(nèi)部的吹掃、清潔

氣相色譜儀停機(jī)后，打開(kāi)儀器的側(cè)面和后面面板，用儀表空氣或氮?dú)鈱?duì)儀器內(nèi)部灰塵進(jìn)行吹掃，對(duì)積塵較多或不容易吹掃的地方用軟毛刷配合處理。吹掃完成后，對(duì)儀器內(nèi)部存在有機(jī)物污染的地方用水或有機(jī)溶劑進(jìn)行擦洗，對(duì)水溶性有機(jī)物可以先用水進(jìn)行擦拭，對(duì)不能徹底清潔的地方可以再用有機(jī)溶劑進(jìn)行處理，對(duì)非水溶性或可能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)物用不與之發(fā)生反應(yīng)的有機(jī)溶劑進(jìn)行清潔，如甲苯、丙酮、四氯化碳等。注意，在擦拭儀器過(guò)程中不能對(duì)儀器表面或其他部件造成腐蝕或二次污染。

2、電路板的維護(hù)和清潔

氣相色譜儀準(zhǔn)備檢修前，切斷儀器電源，首先用儀表空氣或氮?dú)鈱?duì)電路板和電路板插槽進(jìn)行吹掃，吹掃時(shí)用軟毛刷配合對(duì)電路板和插槽中灰塵較多的部分進(jìn)行仔細(xì)清理。操作過(guò)程中盡量戴手套操作，防止靜電或手上的汗?jié)n等對(duì)電路板上的部分元件造成影響。

吹掃工作完成后，應(yīng)仔細(xì)觀察電路板的使用情況，看印刷電路板或電子元件是否有明顯被腐蝕現(xiàn)象。對(duì)電路板上沾染有機(jī)物的電子元件和印刷電路用脫脂棉蘸取酒精小心擦拭，電路板接口和插槽部分也要進(jìn)行擦拭。

3、進(jìn)樣口的清洗

在檢修時(shí)，對(duì)氣相色譜儀進(jìn)樣口的玻璃襯管、分流平板，進(jìn)樣口的分流管線，EPC等部件分別進(jìn)行清洗是十分必要的。

玻璃襯管和分流平板的清洗

從儀器中小心取出玻璃襯管，用鑷子或其他小工具小心移去襯管內(nèi)的玻璃毛和其它雜質(zhì)，移取過(guò)程不要?jiǎng)潅r管表面。

如果條件允許，可將初步清理過(guò)的玻璃襯管在有機(jī)溶劑中用超聲波進(jìn)行清洗，烘干后使用。也可以用丙酮、甲苯等有機(jī)溶劑直接清洗，清洗完成后經(jīng)過(guò)干燥即可使用。

分流平板最為理想的清洗方法是在溶劑中超聲處理，烘干后使用。也可以選擇合適的有機(jī)溶劑清洗：從進(jìn)樣口取出分流平板后，首先采用甲苯等惰性溶劑清洗，再用甲醇等醇類溶劑進(jìn)行清洗，烘干后使用。

4、分流管線的清洗

氣相色譜儀用于有機(jī)物和高分子化合物的分析時(shí)，許多有機(jī)物的凝固點(diǎn)較低，樣品從氣化室經(jīng)過(guò)分流管線放空的過(guò)程中，部分有機(jī)物在分流管線凝固。

氣相色譜儀經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，分流管線的內(nèi)徑逐漸變小，甚至完全被堵塞。分流管線被堵塞后，儀器進(jìn)樣口顯示壓力異常，峰形變差，分析結(jié)果異常。在檢修過(guò)程中，無(wú)論事先能否判斷分流管線有無(wú)堵塞現(xiàn)象，都需要對(duì)分流管線進(jìn)行清洗。分流管線的清洗一般選擇丙酮、甲苯等有機(jī)溶劑，對(duì)堵塞嚴(yán)重的分流管線有時(shí)用單純清洗的方法很難清洗干凈，需要采取一些其他輔助的機(jī)械方法來(lái)完成。

可以選取粗細(xì)合適的鋼絲對(duì)分流管線進(jìn)行簡(jiǎn)單的疏通，然后再用丙酮、甲苯等有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗。由于事先不容易對(duì)分流部分的情況作出準(zhǔn)確判斷，對(duì)手動(dòng)分流的氣相色譜儀來(lái)說(shuō)，在檢修過(guò)程中對(duì)分流管線進(jìn)行清洗是十分必要的。

對(duì)于EPC控制分流的氣相色譜儀，由于長(zhǎng)時(shí)間使用，有可能使一些細(xì)小的進(jìn)樣墊屑進(jìn)入EPC與氣體管線接口處，隨時(shí)可能對(duì)EPC部分造成堵塞或造成進(jìn)樣口壓力變化。所以每次檢修過(guò)程盡量對(duì)儀器EPC部分進(jìn)行檢查，并用甲苯、丙酮等有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，然后烘干處理。

5、進(jìn)樣口的清洗

由于進(jìn)樣等原因，進(jìn)樣口的外部隨時(shí)可能會(huì)形成部分有機(jī)物凝結(jié)，可用脫脂棉蘸取丙酮、甲苯等有機(jī)物對(duì)進(jìn)樣口進(jìn)行初步的擦拭，然后對(duì)擦不掉的有機(jī)物先用機(jī)械方法去除，注意在去除凝固有機(jī)物的過(guò)程中一定要小心操作，不要對(duì)儀器部件造成損傷。將凝固的有機(jī)物去除后，然后用有機(jī)溶劑對(duì)儀器部件進(jìn)行仔細(xì)擦拭。

6、TCD和FID檢測(cè)器的清洗

TCD檢測(cè)器在使用過(guò)程中可能會(huì)被柱流出的沉積物或樣品中夾帶的其他物質(zhì)所污染。TCD檢測(cè)器一旦被污染，儀器的基線出現(xiàn)抖動(dòng)、噪聲增加。有必要對(duì)檢測(cè)器進(jìn)行清洗。

7、TCD檢測(cè)器清洗

TCD檢測(cè)器可以采用熱清洗的方法，具體方法如下：關(guān)閉檢測(cè)器，把柱子從檢測(cè)器接頭上拆下，把柱箱內(nèi)檢測(cè)器的接頭用死堵堵死，將參考?xì)獾牧髁吭O(shè)置到20～30ml/min，設(shè)置檢測(cè)器溫度為400℃，熱清洗4～8h，降溫后即可使用。

8、國(guó)產(chǎn)或日產(chǎn)TCD檢測(cè)器清洗

國(guó)產(chǎn)或日產(chǎn)TCD檢測(cè)器污染可用以下方法。儀器停機(jī)后，將TCD的氣路進(jìn)口拆下，用50ml注射器依次將丙酮(或甲苯，可根據(jù)樣品的化學(xué)性質(zhì)選用不同的溶劑)無(wú)水乙醇、蒸餾水從進(jìn)氣口反復(fù)注入5～10次，用吸爾球從進(jìn)氣口處緩慢吹氣，吹出雜質(zhì)和殘余液體，然后重新安裝好進(jìn)氣接頭，開(kāi)機(jī)后將柱溫升到200℃，檢測(cè)器溫度升到250℃，通入比分析操作氣流大1～2倍的載氣，直到基線穩(wěn)定為止。

對(duì)于嚴(yán)重污染，可將出氣口用死堵堵死，從進(jìn)氣口注滿丙酮(或甲苯，可根據(jù)樣品的化學(xué)性質(zhì)選用不同的溶劑)，保持8h左右，排出廢液，然后按上述方法處理。

9、FID檢測(cè)器的清洗

FID檢測(cè)器在使用中穩(wěn)定性好，對(duì)使用要求相對(duì)較低，使用普遍，但在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)檢測(cè)器噴嘴和收集極積炭等問(wèn)題，或有機(jī)物在噴嘴或收集極處沉積等情況。對(duì)FID積炭或有機(jī)物沉積等問(wèn)題，可以先對(duì)檢測(cè)器噴嘴和收集極用丙酮、甲苯、甲醇等有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗。當(dāng)積炭較厚不能清洗干凈的時(shí)候，可以對(duì)檢測(cè)器積炭較厚的部分用細(xì)砂紙小心打磨。注意在打磨過(guò)程中不要對(duì)檢測(cè)器造成損傷。初步打磨完成后，對(duì)污染部分進(jìn)一步用軟布進(jìn)行擦拭，再用有機(jī)溶劑最后進(jìn)行清洗，一般即可消除。

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