厉昌海林隆海

关于气相色谱仪原理组成及使用的思考

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（1.杭州希科检测技术有限公司，杭州 310052；2.杭州瑞旭产品技术有限公司，杭州 310052）

本文着重对气相色谱仪的工作原理进行分析，介绍了气相色谱分析仪的组成结构，在此基础上针对气相色谱分析仪使用过程展开论述，说明了如何才能更好的使用气相色谱分析仪

气相色谱仪 原理 检测

1 气相色谱仪的介绍

1.1 气相色谱仪的发展

自从1952年世界上第一台实用型气相色谱仪问世以来，在接下来几十年的时间里，气相色谱仪是重要的现代分析检测仪器，如今已经发展成一个具有一定规模的产业，并逐渐形成了具有丰富检测技术的学科。最早，气相测谱仪仅有一、二种检测器，反应灵敏度低，应用范围较窄，仅能完成简单的分析工作。当前，仪器的发展已经非常完善，拿色谱炉温度看，已经达到达-100～+500℃检测范围，相关检测器的类型不少于十几种，不仅可以做一般性的分析，还可以做定量分析。因为新工艺、新材料的运用，尤其是电子计算技术的发展，气相色谱仪行业逐渐形成，完成了从进样、分离、测量、运算到打印实验报告全过程的自动化，这使色谱定量分析达到了非常高的效率及准确性。

气相色谱分析仪具有强大的分离能力，同时，近年来气相色谱技术慢慢的向高准确性、高度分离、快速检测、便携式、微型化的方向发展，促使其走出实验室为社会生产生活服务，我国也走过了现代计算机、数字分频电子、光电转盘、机械式的发展过程，在权威性的国际气相色谱会议把微型化色谱柱研究作为重要的议题之后，微型气相色谱仪研发慢慢成为气相色谱技术的学术界主流研究方向和流行发展趋势。

1.2 气相色谱仪的特点

气相色谱仪结构简单，反应灵敏度高，性能比较稳定，对大多数物质都有检测反应，特别适应气体的检测分析、常规分析。池体由不锈钢块组成，热敏元件一般由钨丝构成，温度系数为正数。因为热导检测属于浓度型检测范围，因此检测器的灵敏程度和池体几何结构、池体的稳定性、温度、热丝稳定性能、所使用载气热传导率，还有气体流量的稳定性、纯度、流速等诸多因素有关。并且检测器响应程度和桥流的使用密切相关，桥流越大，灵敏度也越高，但是噪声也随之增大，其使用寿命也会缩短。

2 气相色谱仪的原理

气相色谱仪利用试样的各组成成分在固定液和气相分配系数的不同，在气化后的试样随载气进入色谱柱中运行后，组成成分就会在其中的两相间反复多次分配，因为各组成成分的吸附和溶解能力不同，所以各组成成分在色谱柱的运行速度也就不同，经过一定的柱长后，便会彼此分离，按照顺序离开色谱柱进入到检测器，各组成成分产生的离子流讯号经过放大，在记录器上显示出各组成成分的色谱峰。

气相色谱法也称气体色谱法或者气相层析法，是以一种以气体为流动相，采取冲洗法的柱色谱分离技术。分离的主要依据是样品中各组成成分在色谱柱中溶解度或吸附力不同，换句话说，是利用各组成成分在色谱柱中固相和气相分配系数的不同来达到样品的分离。

2.1 气—固色谱分离过程

气—固色谱利用一种固体吸附剂为固定相，用惰性气体或永久性气体为流动相，以固定的速度流过色谱柱。若将欲分析的气体样品组成成分引入，组成成分在色谱柱随载气在气相和固相之间流动，一直进行着吸附和解析，在吸附和解析之间反复多次的分配。因为固相对各组成成分吸附平衡常数不同，比较难吸附的组成成分会较快向前移动，比较易吸附的组成成分则会移动速度较慢。经过一定的柱长后，各组成成分就彼此分离，依次离开色谱柱进入检测器，按照顺序进行测定。

2.2 气—液色谱分离过程

气—液色谱分离过程是在色谱柱里填充一种具有惰性的多孔形固体物质，在固体表面涂抹一层薄而不易挥发的多沸点化合物为固定液，固定液形成一层液膜。在载气将待分析的气体样品组成成分裹挟进入色谱柱后，由于各组成成分在载气以及固定液膜的气液两厢中分配系数不同，当载气向前流动时，样品各组成成分从固定液中解析能力也就不同。当被解析出的组成成分伴随着载气在柱中向前移动并且再次溶解在固定液，在固定液中经过这样反复的溶解解析，再加上溶解和再解析的多次分配后完成。最后，各组成成分因为分配系数的差异，经过在色谱柱中经过反复多次分配后，它们的移动速度便有了明显差别。固定液中溶解度小的组成成分移动的速度快，相反，溶解度大的组成成分移动速度慢，经过这样的过程在色谱柱的出口就可将各组成成分分离，因此可以分别对它们进行测定。

3 气相色谱仪组成

气相色谱仪一般会有五个部分组成。第一，载气系统：气源、气体流速、气体净化测量控制；第二，进样系统：气化室和进样器；第三，色谱柱：恒温控制装置和色谱柱；第四，检测系统：控温装置和检测器；第五，记录系统：工作站、记录仪、放大器。

3.1 气相色谱仪的基本组成

气相色谱仪是使用气相色谱法的工具，它是以气体为流动相，采取冲洗法实现柱色谱技术的装置。其中的载气从高压钢瓶经过减压阀流出，经过净化器除去杂质，由针形调节阀调节流量。之后通过进样装置，把注入的样品带入色谱柱。最后，把色谱柱中被分离开的组成成分带入检测器，进行最终的鉴定和记录。

混合物中各组成成分的分离主要决定月色谱柱。色谱柱可分为两类：一类为开口管柱，又称为毛细管柱，另一类为填充柱。另外，还有用多孔固体填充毛细管内的填充毛细管。为保证各组成成分在色谱柱中达到最佳分离状态，通常情况下工作在恒温或者程序升温的环境中工作。

分离的不同组成成分经过检测器的鉴定，测定组成成分的含量。流入检测器进行检测的是载气中混有的样品气，从原理上来讲，根据二元气体混合物的有关物理或化学性质可以制成对应的检测器，热的有热导检测器，电的有氢焰离子化检测器，光的有火焰光度检测器等。

3.2 载气系统

气相色谱仪的载气系统包括：载气、某些检测器所需的气体和控制。正确的选择载气，严格调节和控制载气的流速，充分满足不同检测器所需额的辅助气路，是气相色谱仪进行正常工作的重要条件。

3.3 进样系统

进样系统是将气体、液体、固体的不同样品，快速定量加到色谱柱的头上色谱分离。进样量的大小，样品浓度，样品汽化速度，进样时间的长短等因素都会影响色谱分离的效率以及定量结果的重现性和准确性。

3.4 色谱柱和柱温

色谱分析是一种先分离后检测的分析方法。这里所指的分离过程是由色谱柱来完成的。特定分离的成败与否，很大程度上是取决于色谱柱的选择正确与否。所以，可以毫不夸张地说，色谱柱是气相色谱的心脏。气相色谱分析使用的色谱柱主要有气液填充柱、气固填充柱、毛细管住以及最近才发展起来的填充毛细管住等。

柱温是色谱柱分离效果的重要因素之一。柱温的选择通常是根据样品以及固定液所允许的温度范围。在进行选择时柱温一定要适中，既不能因为温度过高降低分离度，也不能因为温度过低延长分析时间。如果被分析物质沸点范围太大，则可采用程序升温的办法完成不同沸点的组成成分在它所需的柱温下的分离。

3.5 检测系统

气相色谱检测器是一种测量载气中各分离组成成分及其浓度变化的装置。实际上它是把组成成分及浓度变化用不同方式变换成为易于测量的电信号，所以也称换能器。检测器性能的好坏会直接影响色谱分析定性定量分析的结果。下面介绍两种常见检测器工作原理。

3.5.1 热导检测器工作原理

气体能够进行热传导并且不同的气体的热传导系数不同，研究专家根据不同气体的热传导系数设计出专门的热导检测器，在不破坏样品的同时对无机、有机样品都起作用，还可以应用于常量分析。常见的热导检测器是电阻式传感器组成的检测安装装置，它的设计原理就是气体的热传导现象。热导检测器是一种典型的惠思顿电桥电路，它使用铼钨丝制作的热导元件作为热电阻，安装在由不锈钢池体制作的气室当中。只有当热导池气室中的载气流处于稳定状态，热导池体温度也相对稳定的时候，铼钨丝热电阻来组成的电桥电路才能达到相应的状态平衡。每当样品进入，根据样品热导率不同，导致热电阻发生了不同程度的变化，然后根据所产生的电压信号的大小来分析判断其成分的浓度。

3.5.2 氢焰检测器工作原理

氢焰检测器是将氧气和氢气进行燃烧，以其燃烧后产生的火焰作为能源利用，当有机物质进入火焰后，火焰能产生激发离子的高热能量，在火焰的上端和下端分别设有一对电极，在火焰的两电极之间加电压后，有机物被激发产生的离子在直流电场的作用之下进行定向移动，从而形成了一种弱电流，随后流经高电阻放大器产生出电压信号，再送到记录装置记录下来。

3.6 记录系统

气相色谱分析的结果需用一台自动电子电位差计来记录下全部色谱峰形信号，再根据记录下来的峰形信号来计算出峰高、峰面积以及保留时间进行有关的定性定量工作。记录仪在气相色谱仪中是一种可以显示记录的设备，平时常用的记录仪是自动电子电位差计，它可以直接测量并且记录来自放大器或检测器的直流输出电压值。

气相色谱检测器将样品组分转换为电信号以后，需要安装信号输出记录和数据处理装置，一般将其安装在检测线路的输出端口处。常规来看所安装的记录仪量程约为-1～+4mV，随着计算机技术的发展和进步，我国自八十年代中期起，便开始将计算机技术与色谱数据采集器结合起来，并同时配置一套对应的软件，这逐渐成为石油化工的分析领域的一种专用化、标准化、自动化的发展趋势。

气相色谱是对油品中硫化物含量乃至对位置分布进行测定的最佳方式。原子发射光谱检测器具有可选择性高、灵敏度高以及对硫的影响不因硫化物的种类不同出现变化等等优点，该仪器还能用多元素进行同步检测，由此完成复杂基质中的不同化合物定性等。将二者结合在一起，就能够取得优势互补的效果，因而可对石油化工分析的汽油样品来源、柴油中硫化物的分布、汽油中硫化物的类型、脱硫时硫化物的变化、石油中的氧化合物、多元素蒸馏模拟、油品中有机金属化合物、石油中的氮化合物含量等诸多方面进行测定、分析以及深入研究。但是这些研究大部分都是针对外国产品的硫化物进行的，对国内的相关工艺产品中存在的硫化物含量测定所进行的研究非常少。因而，在今后在相关联的技术研究，需要把重点放在国内产品硫化物的测定，来帮助国内对相关工艺以及产品研究的顺利进行。

4 气相色谱仪的应用

4.1 农药残留检测

根据我国农业发展现状来看，在农作物生长过程中大量的除真菌剂、除草剂、杀虫剂、灭鼠剂、植物生长调节剂等被使用，虽然这些药剂减少了虫病灾害保证了农作物的收成，但是导致农产品和畜产品中的农药残留量大大超标，给百姓的生活健康造成了无形的隐患和危险。因此，研究开发农药残留分析技术仪器是从根本上检测农药残留、保证食品安全、避免国际间贸易争端的有效手段，能够快速有效地从根本上保证农作物的食用健康，是一种涉及面广泛、综合性较高的分析分离过程。

气相色谱法则是农药残留分析技术中一种有效的分析方法，这种方法能够保证对残留农药进行高分离效能、高选择性、快速、灵敏的分析。GC分析法是一种对容易气化且气化后热稳定的农药残留进行分析检测的方法，这种检测方式是当前应用的最多的分析方法，GC检测分析法以对农药残留的分析为主。理想的检测器能够有具有高度的灵敏性、检测范围宽且十分稳定、操作过程简单安全、生产成本低并且应用范围广等优点。

4.2 食品分析

人类的生存和发展都离不对食品的需求，随着人民生活水平的提高和食品安全问题的屡屡曝光，人们对食品安全和其营养成分的关注度越来越高，因而食品分析也是一个非常重大的课题。早在1976年的英国，P.V.Nicholas 和G.J.Dickes两位对食品的气相色谱分析的权威分析专家，将食品分析气相色谱法进行汇集，出版了《食品分析的气相色谱法》。

食品分析包括了食品添加剂和成分分析两个方面，在这两个方面中气相色谱均能发挥其优势，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、非酒精饮料、糖酒饮料等。CC检测法可以食品的营养成分进行检测，如脂肪酸、氨基酸、糖类等。还能够检测防腐剂，乳化剂，抗氧剂，稳定剂等千余种食品添加剂。

4.3 石油化工分析

近年来，石油和石油化工发展迅速，气相色谱的发展在石油和石油化工工业中起到了很好的推动作用，气相色谱分析被广泛开发利用在石油和石油化工的领域，提高了生产的质量和效率。近年来，近红外光谱和高效液相色谱在石油以及石油化工分析中应用研究越来越受青睐，但仍然无法动摇气相色谱仍在石油以及石油化工分析中的主导地位。

气相色谱法是所有色谱方法的应用当中具有简单便利的特点十分容易进行，因此在各种石油化工生产的产品检验中CC检测法是对多成分以及可挥发性组分进行测定的首要选择，还能够在对高聚物的分析中发挥极高的作用。

4.4 环境检测

当今世界人类的生存环境问题逐渐成为一个大问题。对环境污染物的检测分析从而针对性地治理环境污染是当今世界面临的重要课题。对污染物分析研究和检测的有效手段之一就是气相色谱法。气相色谱法在对污染物的检测中包括对室内外气体、水体和其他类型污染物进行分析检测。如测定环境中的苯及其同系物、多环芳烃、杂环化合物、酚类化合物和一些有机挥发物。

4.5 气相色谱仪在药物和临床分析中的应用

尽管HPLC在在临床分析以及药物中有许多应用的案例，但是根据实践经验和调查研究结果来看，气相色谱是在药物和临床分析中的一种广泛的应用方式。在实际检测中，气相色谱比其他检测方法更为简单，因此，利用气相色谱可以更容易满足分析需求，是各种检测方法之中的首选。

现代技术将MS和GC结合起来形成了一种集分离和鉴定、定性和定量于一体的分析方法，即GC-MS分析法，如果在工作中将固相微萃取技术和GC或新型的GC-MS检测技术结合在一起使用，将定性定量研究与样品处理相结合使用，这种应用方式在临床分析中会起到更加有效的作用，提高对分析的效率和可靠性的保证。

5 气相色谱仪使用方法

5.1 调整仪器状况

调整仪器时首先要按照顺序将气体发生器的开关或者是钢瓶总阀、减压阀、净化器的空气开关阀打开，然后开启连接设备的计算机设备。计算机设备启动后要进行约为10分钟的通气，在这10分钟的通气过程中使用者需要完成对各个压力表指示值是否在规定范围内的检查工作。一旦发现压力表存在压力不正常的现象，立刻检查设备的气路系统是否出现问题，如：存在漏气的现象等。在压力经过检查一切正常之后才能打开电源的开关，然后仔细观察温度设定值和流量值是否正确。一切工作准备就绪后才能进行升温作业，当温度指示灯亮后，各路温控开始加热，然后可以进行相关软件的操作。

5.2 进行点火、交流工作

当氢焰温度达到设定值后进行点火，如果按过点火键以后发现氢焰基线有跳动且迅速回到零点，并且是直线跳动，则说明没有点着火，这种情况需要立刻对不着火的原因进行检测。还可以在软件中打开“状态”窗口，用来检验氢焰是否点火成功。然后进入“热导”界面，进行对电流值的观察，如果电流值正确便可以继续下一步的运行，按“运行”按钮，此时如果看到桥流指示灯亮起，这就说明桥流已加上。

5.3 进行参数设定

最后对软件中的“采集设置”进行修改，设置采集的类型为“绝缘油”，接下来对进样方式、切换时间、试验时间等方面进行具体的设定，等基线稳定以后就可以可进针。

6 结语

对气相色谱分析仪的使用必须以其组成和原理为基础。对分析气相色谱分析仪的原理组成分析是今后的必需要进行工作，是不断推广气相色谱分析仪的必经之路。

[1]张晓燕.气相色谱仪的发展轨迹和趋势[J].工业计量，2011，（S1）：156.

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[3]王海坤.气相色谱仪的改进及应用研究和发展[J].化学通报，2011，（1）：265.

[4]刘虎威.气相色谱方法及应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]吴方迪，张庆合.色谱仪器维护和故障排除[M].北京：化学工业出版社，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