基本介紹
- 中文名：氣相色譜儀
- 外文名：Gas Chromatograph
- 分類名稱：醫療器械
基本構造,工作原理,套用領域,使用方法,日常維護,儀器保養,常見故障,
基本構造
氣相色譜儀的種類繁多，功能各異，但其基本結構相似。氣相色譜儀一般由氣路系統、進樣系統、分離系統（色譜柱系統）、檢測及溫控系統、記錄系統組成。
1. 氣路系統
氣路系統包括氣源、淨化乾燥管和載氣流速控制及氣體化裝置，是一個載氣連續運行的密閉管路系統。通過該系統可以獲得純淨的、流速穩定的載氣。它的氣密性、流量測量的準確性及載氣流速的穩定性，都是影響氣相色譜儀性能的重要因素。
2. 進樣系統
（1）進樣器：根據試樣的狀態不同，採用不同的進樣器。液體樣品的進樣一般採用微量注射器。氣體樣品的進樣常用色譜儀本身配置的推拉式六通閥或旋轉式六通閥。固體試樣一般先溶解於適當試劑中，然後用微量注射器進樣
（2）氣化室：氣化室一般由一根不鏽鋼管制成，管外繞有加熱絲，其作用是將液體或固體試樣瞬間氣化為蒸氣。為了讓樣品在氣化室中瞬間氣化而不分解，因此要求氣化室熱容量大，無催化效應。
（3）加熱系統：用以保證試樣氣化，其作用是將液體或固體試樣在進入色譜柱之前瞬間氣化，然後快速定量地轉入到色譜柱中。
3. 分離系統
分離系統是色譜儀的心臟部分。其作用就是把樣品中的各個組分分離開來。分離系統由柱室、色譜柱、溫控部件組成。其中色譜柱是色譜儀的核心部件。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細管柱（開管柱）。柱材料包括金屬、玻璃、融熔石英、聚四氟等。色譜柱的分離效果除與柱長、柱徑和柱形有關外，還與所選用的固定相和柱填料的製備技術以及操作條件等許多因素有關。
4. 檢測系統
檢測器是將經色譜柱分離出的各組分的濃度或質量（含量）轉變成易被測量的電信號（如電壓、電流等），並進行信號處理的一種裝置，是色譜儀的眼睛。通常由檢測元件、放大器、數模轉換器三部分組成。被色譜柱分離後的組分依次進檢測器，按其濃度或質量隨時間的變化，轉化成相應電信號，經放大後記錄和顯示，繪出色譜圖。檢測器性能的好壞將直接影響到色譜儀器最終分析結果的準確性。
根據檢測器的回響原理，可將其分為濃度型檢測器和質量型檢測器。
（1）濃度型檢測器：測量的是載氣中組分濃度的瞬間變化，即檢測器的回響值正比於組分的濃度。如熱導檢測器、電子捕獲檢測器。
（2）質量型檢測器：測量的是載氣中所攜帶的樣品進入檢測器的速度變化，即檢測器的回響信號正比於單位時間內組分進入檢測器的質量。如氫焰離子化檢測器和火焰光度檢測器。
5. 溫度控制系統
在氣相色譜測定中，溫度控制是重要的指標，直接影響柱的分離效能、檢測器的靈敏度和穩定性。溫度控制系統主要指對氣化室、色譜柱、檢測器三處的溫度控制。在氣化室要保證液體試樣瞬間氣化；在色譜柱室要準確控制分離需要的溫度，當試樣複雜時，分離室溫度需要按一定程式控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離；在檢測器要使被分離後的組分通過時不在此冷凝。
控溫方式分恆溫和程式升溫兩種。
（1）恆溫：對於沸程不太寬的簡單樣品，可採用恆溫模式。一般的氣體分析和簡單液體樣品分析都採用恆溫模式。
（2）程式升溫：所謂程式升溫，是指在一個分析周期里色譜柱的溫度隨時間由低溫到高溫呈線性或非線性地變化，使沸點不同的組分，各在其最佳柱溫下流出，從而改善分離效果，縮短分析時間。對於沸程較寬的複雜樣品，如果在恆溫下分離很難達到好的分離效果，應使用程式升溫方法。
6. 記錄系統
記錄系統是記錄檢測器的檢測信號，進行定量數據處理。一般採用自動平衡式電子電位差計進行記錄，繪製出色譜圖。一些色譜儀配備有積分儀，可測量色譜峰的面積，直接提供定量分析的準確數據。先進的氣相色譜儀還配有電子計算機，能自動對色譜分析數據進行處理。
工作原理
氣相色譜儀是以氣體作為流動相（載氣）。當樣品由微量注射器“注射”進入進樣器後，被載氣攜帶進入填充柱或毛細管色譜柱。由於樣品中各組分在色譜柱中的流動相（氣相）和固定相（液相或固相）間分配或吸附係數的差異，在載氣的沖洗下，各組分在兩相間作反覆多次分配使各組分在柱中得到分離，然後用接在柱後的檢測器根據組分的物理化學特性將各組分按順序檢測出來。
檢測器對每個組分所給出的信號，在記錄儀上表現為一個個的峰，稱為色譜峰。色譜峰上的極大值是定性分析的依據，而色譜峰所包羅的面積則取決於對應組分的含量，故峰面積是定量分析的依據。一個混合物樣品注入後，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果。
套用領域
氣相色譜法是以氣體為流動相的色譜分析方法，主要用於分離分析易揮發的物質。氣相色譜法已成為極為重要的分離分析方法之一，在醫藥衛生、石油化工、環境監測、生物化學等領域得到廣泛的套用。氣相色譜儀具有：高靈敏度、高效能、高選擇性、分析速度快、所需試樣量少、套用範圍廣等優點。
氣相色譜儀，將分析樣品在進樣口中氣化後，由載氣帶入色譜柱，通過對欲檢測混合物中組分有不同保留性能的色譜柱，使各組分分離，依次導入檢測器，以得到各組分的檢測信號。按照導入檢測器的先後次序，經過對比，可以區別出是什麼組分，根據峰高度或峰面積可以計算出各組分含量。通常採用的檢測器有：熱導檢測器，火焰離子化檢測器，氦離子化檢測器，超音波檢測器，光離子化檢測器，電子捕獲檢測器，火焰光度檢測器，電化學檢測器，質譜檢測器等。
使用方法
氣相色譜儀的一般分析流程：載氣由高壓鋼瓶中流出，經減壓閥降到所需壓力後，通過淨化乾燥管使載氣淨化，再經穩壓閥和轉子流量計後，以穩定的壓力、恆定的速度流經氣化室與氣化的樣品混合，將樣品氣體代入色譜柱中進行分離。分離後的各組分隨著載氣先後流入檢測器，然後載氣放空。檢測器將物質的濃度或質量的變化轉變為一定的電信號，經放大後在記錄儀上記錄下來，就得到色譜流出曲線。根據色譜流出曲線上得到的每個峰的保留時間，可以進行定性分析，根據峰面積或峰高的大小，可以進行定量分析。
日常維護
為保證氣相色譜儀能夠正常運行，確保分析數據的準確性、及時性，需要對氣相色譜儀進行定期維護。
- 氣源檢查檢：查發生器或者氣體鋼瓶是否處於正常狀態；檢查脫水過濾器、活性炭以及脫氧過濾器，定期更換其中的填料。
- 管線泄漏：檢查定期檢查管線是否泄漏，可使用肥皂沫滴到接口處檢查。
- 氣化室的維護：氣化室包括：進樣室螺帽、隔墊吹掃出口、載氣入口、分流氣出口、進樣襯管。不同的部件有不同的維護方式：
- 進樣室螺帽、隔墊吹掃出口、載氣入口及分流氣出口4個部件需按廠家要求定期清洗：把這幾個部件從氣化室上拆卸下來，放在盛有丙酮溶液的燒杯中浸泡並超聲2小時，晾乾後使用；若有損壞應及時更換；
- 進樣襯管必須定期進行清洗，先用洗液清洗，然後用丙酮溶液浸泡，再用電吹風吹乾備用，及時添加石英棉；
- 若有損壞應及時更換。
檢測器的維護：檢測器的收集器、檢測器接收塔、火焰噴嘴、檢測器基部、色譜柱螺帽等處，須用丙酮溶液清洗，一般超聲2小時，至清洗乾淨，清洗後用電吹風吹乾備用。
柱溫箱的維護：柱溫箱的外殼、容積區間，可用脫脂棉蘸乙醇擦洗。
維護周期：氣相色譜儀維護周期一般定為3個月。實際工作中可根據儀器工作量和運轉情況適當延長或縮短維護周期。
儀器保養
儀器內部的吹掃、清潔氣相色譜儀停機後，打開儀器的側面和後面面板，用儀表空氣或氮氣對儀器內部灰塵進行吹掃，對積塵較多或不容易吹掃的地方用軟毛刷配合處理。吹掃完成後，對儀器內部存在有機物污染的地方用水或有機溶劑進行擦洗，對水溶性有機物可以先用水進行擦拭，對不能徹底清潔的地方可以再用有機溶劑進行處理，對非水溶性或可能與水發生化學反應的有機物用不與之發生反應的有機溶劑進行清潔，如甲苯、丙酮、四氯化碳等。注意，在擦拭儀器過程中不能對儀器表面或其他部件造成腐蝕或二次污染。
1. 電路板的維護和清潔：
氣相色譜儀準備檢修前，切斷儀器電源，首先用儀表空氣或氮氣對電路板和電路板插槽進行吹掃，吹掃時用軟毛刷配合對電路板和插槽中灰塵較多的部分進行仔細清理。操作過程中儘量戴手套操作，防止靜電或手上的汗漬等對電路板上的部分元件造成影響。吹掃工作完成後，應仔細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象。對電路板上沾染有機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行擦拭。
2. 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的玻璃毛和其它雜質，移取過程不要劃傷襯管表面。如果條件允許，可將初步清理過的玻璃襯管在有機溶劑中用超音波進行清洗，烘乾後使用。也可以用丙酮、甲苯等有機溶劑直接清洗，清洗完成後經過乾燥即可使用。
分流平板最為理想的清洗方法是在溶劑中超聲處理，烘乾後使用。也可以選擇合適的有機溶劑清洗：從進樣口取出分流平板後，首先採用甲苯等惰性溶劑清洗，再用甲醇等醇類溶劑進行清洗，烘乾後使用。
3. 分流管線的清洗：
氣相色譜儀用於有機物和高分子化合物的分析時，許多有機物的凝固點較低，樣品從氣化室經過分流管線放空的過程中，部分有機物在分流管線凝固。氣相色譜儀經過長時間的使用後，分流管線的內徑逐漸變小，甚至完全被堵塞。分流管線被堵塞後，儀器進樣口顯示壓力異常，峰形變差，分析結果異常。在檢修過程中，無論事先能否判斷分流管線有無堵塞現象，都需要對分流管線進行清洗。分流管線的清洗一般選擇丙酮、甲苯等有機溶劑，對堵塞嚴重的分流管線有時用單純清洗的方法很難清洗乾淨，需要採取一些其他輔助的機械方法來完成。可以選取粗細合適的鋼絲對分流管線進行簡單的疏通，然後再用丙酮、甲苯等有機溶劑進行清洗。由於事先不容易對分流部分的情況作出準確判斷，對手動分流的氣相色譜儀來說，在檢修過程中對分流管線進行清洗是十分必要的。
3. 進樣口的清洗：
對於EPC控制分流的氣相色譜儀，由於長時間使用，有可能使一些細小的進樣墊屑進入EPC與氣體管線接口處，隨時可能對EPC部分造成堵塞或造成進樣口壓力變化。所以每次檢修過程儘量對儀器EPC部分進行檢查，並用甲苯、丙酮等有機溶劑進行清洗，然後烘乾處理。
進樣口的清洗在檢修時，對氣相色譜儀進樣口的玻璃襯管、分流平板，進樣口的分流管線，EPC等部件分別進行清洗是十分必要的。由於進樣等原因，進樣口的外部隨時可能會形成部分有機物凝結，可用脫脂棉蘸取丙酮、甲苯等有機物對進樣口進行初步的擦拭，然後對擦不掉的有機物先用機械方法去除，注意在去除凝固有機物的過程中一定要小心操作，不要對儀器部件造成損傷。將凝固的有機物去除後，然後用有機溶劑對儀器部件進行仔細擦拭。
4. TCD和FID檢測器的清洗
TCD檢測器在使用過程中可能會被柱流出的沉積物或樣品中夾帶的其他物質所污染。TCD檢測器一旦被污染，儀器的基線出現抖動、噪聲增加。有必要對檢測器進行清洗。HP的TCD檢測器可以採用熱清洗的方法，具體方法如下：關閉檢測器，把柱子從檢測器接頭上拆下，把柱箱內檢測器的接頭用死堵堵死，將參考氣的流量設定到20～30ml/min，設定檢測器溫度為400℃，熱清洗4～8h，降溫後即可使用。
國產或日產TCD檢測器污染可用以下方法。儀器停機後，將TCD的氣路進口拆下，用50ml注射器依次將丙酮（或甲苯，可根據樣品的化學性質選用不同的溶劑）無水乙醇、蒸餾水從進氣口反覆注入5～10次，用吸爾球從進氣口處緩慢吹氣，吹出雜質和殘餘液體，然後重新安裝好進氣接頭，開機後將柱溫升到200℃，檢測器溫度升到250℃，通入比分析操作氣流大1～2倍的載氣，直到基線穩定為止。
對於嚴重污染，可將出氣口用死堵堵死，從進氣口注滿丙酮（或甲苯，可根據樣品的化學性質選用不同的溶劑），保持8h左右，排出廢液，然後按上述方法處理。
FID檢測器在使用中穩定性好，對使用要求相對較低，使用普遍，但在長時間使用過程中，容易出現檢測器噴嘴和收集極積炭等問題，或有機物在噴嘴或收集極處沉積等情況。對FID積炭或有機物沉積等問題，可以先對檢測器噴嘴和收集極用丙酮、甲苯、甲醇等有機溶劑進行清洗。當積炭較厚不能清洗乾淨的時候，可以對檢測器積炭較厚的部分用細砂紙小心打磨。注意在打磨過程中不要對檢測器造成損傷。初步打磨完成後，對污染部分進一步用軟布進行擦拭，再用有機溶劑最後進行清洗，一般即可消除。
常見故障
1. 進樣後不出色譜峰的故障
氣相色譜儀在進樣後檢測信號沒有變化，儀不出峰，輸出仍為直線。遇到這種情況時，應按從樣品進樣針、進樣口到檢測器的順序逐一檢查。
（1）首先檢查注射器是否堵塞，如果沒有問題，
（2）再檢查進樣口和檢測器的石墨墊圈是否緊固、不漏氣，
（3）然後檢查色譜柱是否有斷裂漏氣情況，
（4）最後觀察檢測器出口是否暢通。
檢測器出口的暢通是很重要的，有人在工作中會遇到這樣的問題：前一天儀器工作還一切正常，第二天開機後卻無回響峰信號。檢查進樣口、注射器、墊圈和色譜柱都正常，可就是不出峰，無意中發現進樣口柱頭壓達不到設定值，總是偏高，這時才懷疑是ECD檢驗器出口不暢通。由於ECD的排放物有一定的放射性，所以ECD出口是引到室外的。當時是秋冬之交，雨水進入到ECD排出口之後凍住了，因此造成儀器ECD的出口堵塞，柱頭壓居高不下，氣體在氣路中無法流動，也就無法載樣品到檢測器，所以不出峰。
2. 基線問題
氣相色譜基線波動、飄移都是基線問題，基線問題可使測量誤差增大，有時甚至會導致儀器無法正常使用。
（1）遇到基線問題時應先檢查儀器條件是否有改變，近期是否新換氣瓶及設備配件。
（2）如果有更換或條件有改變，則要先檢查基線問題是不是由這些改變造成的，一般來說，這種變化往往是產生基線問題的原因。有些人在工作中就遇到過這種情形：新載氣純度不夠，換過載氣之後，基線逐漸上升（由於載氣淨化管的原因，基線不是馬上變化的）。第二天開機之後，基線非常高，並伴有基線強烈抖動，所有峰都湮沒在噪音中，無法檢測。經過檢查，問題出現在新換的載氣上，重新更換載氣後，立即恢復了正常。
（3）當排除了以上可能造成基線問題的原因後，則應當檢查進樣墊是否老化（應養成定期更換進樣墊的好習慣）；
（4）石英棉是不是該更換了；
（5）襯管是否清潔。值得一提的是，清洗襯管時可先用試驗最後定容的溶劑充分浸泡，再用超音波清洗幾分鐘，然後放入高溫爐中加熱到比工作溫度略高的溫度，最後再重新安裝。
（6）此外，檢測器污染也可能造成基線問題，其可以通過清洗或熱清洗的方法來解決。
3. 造成峰丟失的故障
造成峰丟失的原因有兩種：一是氣路中有污染，另一可能是峰沒有分開。
第一種情況可通過多次空運行和清洗氣路（進樣口、檢測器等）來解決。
（1）為了減少對氣路的污染，可採用以下的措施：程式升溫的最後階段應有一個高溫清洗過程；
（2）注入進樣口的樣品應當清潔；
（3）減少高沸點的油類物質的使用；
（4）使用儘量高的進樣口溫度、柱溫和檢測器溫度。
峰丟失的第二種情況是峰沒有分開，除了以上原因外，其也有可能是因系統污染造成的柱效下降造成，或者是由於柱子老化導致的，但柱子老化所造成的峰丟失是漸進的、緩慢的。假峰一般是由於系統污染和漏氣造成的，其解決方法也是通過檢查漏氣和去除污染來解決。在平時的工作中應當記錄正常時基線的情況，以便在維護時作參考。
這裡介紹的只是工作中三種常見問題的檢修方法，氣相色譜儀的故障點比較多，故障恢復時間也較長，因此進行設備維護時的關鍵在於對原因的正確分析。每檢查一個部件，便要將前後的分析結果進行比較，做到不將問題擴大化，相信通過反覆嘗試，一定能成功解決問題。
