氣相色譜儀器系統—氣路系統

無論氣相色譜怎么發展，各種型號的氣相色譜儀都包括六個基本單元。

各單元功能如下：
1)氣源系統   氣源分載氣和輔助氣兩種，載氣是攜帶分析試樣通過色譜柱，提供試樣在柱內運行的動力，輔助氣是提供檢測器燃燒或吹掃用，有的儀器采用EPC系統對氣流進行數字化控制。
2)進樣系統  引入試樣，并保證試樣汽化，有些儀器還包括試樣預處理裝置，例如熱脫附裝置（TD）、裂解裝置、吹掃捕集裝置、頂空進樣裝置。
3)柱系統 試樣在柱內運行的同時得到所需要的分離。
4) 檢測系統  對柱后已被分離的組分進行檢測，有的儀器還包括柱后轉化（例如硅烷化裝置、烴轉化裝置）。
5)  數據采集及處理系統  采集并處理檢測系統輸入的信號，給出zui后試樣定性和定量結果。
6)溫控系統  控制并顯示進樣系統、柱箱、檢測器及輔助部分的溫度。
所有的氣相色譜儀都需包括以上六個基本單元，其功能都相同，差異的只是水平的配置，因此全面了解各單元的組成功能對儀器使用、開發及故障的分析排除都是必要的。下面分別介紹氣路系統、進樣系統和檢測系統，柱系統和數據采集處理系統。

一 氣路系統

    氣相色譜法是利用各組分沿色譜柱運動時，組分在柱內固定相與流動相間反復多次進行分配，多次分配差異的累積就將各組分分開，所以載氣不僅是推動組分在柱中運行的動力，而且也參加組分的分離過程。在檢測器中，載氣也直接影響組分信號的檢測，例如熱導檢測器的檢測原理是載氣攜帶組分進入熱導池時，池內氣體組成發生變化，其熱導率也相應改變。熱敏元件的熱平衡被破壞，引起熱敏元件的阻值的變化，惠更斯電橋就輸出電壓不平衡的信號，通過數據采集系統就得到組分的色譜峰。所以載氣不僅作為柱分離的動力，而且參加柱的分離過程和組分的檢出過程。輔助氣直接進入檢測器，同樣也會影響檢測的結果。因此一個成功的分析方法不僅要考慮到氣流的穩壓和流量的控制，而且需考慮到載氣和輔助氣的選擇和凈化，以保證GC分析質量和分析結果的穩定性；延長柱壽命和減少檢測器的噪聲提高檢測的靈敏度。圖a為氣體流路的主要配置。圖中各部分作用分述如下。

                    
        
圖a      氣相色譜氣路流路的主要配置 

 1．1氣源系統

     它的作用是提供足夠壓力的氣源。例如：鋼瓶、空氣泵、氣體發生器。 
     通常使用鋼瓶，但近幾年氣體發生器的使用逐年增多，發生器供給的典型的氮氣純度為O2＜2～3μl/L，露點低達—56～700C。典型的H2純度為99.99% ；典型的氣體流量：H2和O2為0～300ml/min；空氣為0～3000ml/min；工作壓力為0～0.4MPa。這些發生器可以滿足一般氣相色譜分析對氣體的要求，更高的要求就必須采用進口的發生器。例如安捷倫公司PARKER公司生產的氣體發生器：純凈氫純度可達99.99999%；超純氮純度99.9995%～99.99999%；空氣中雜質小于0.1μl/L（按甲烷計）。

1．2凈化系統

   凈化器的功能是幫助我們保證GC的分析質量和分析結果的穩定性，延長柱壽命和減少檢測器的噪聲。凈化器的作用主要是去除氣體中水分、烴、氧。存在氣源管路及氣瓶中的水分、烴、氧會產生噪聲、額外峰和基線“毛刺"，尤其對特殊檢測器（例如ECD、PID）影響更為顯著，情況下還會破壞色譜柱。通常水分存在于氣體容器的表面和氣體管路內，它不僅會影響組分的分離，還會使固定相降解，縮短柱的壽命。氧的破壞作用zui嚴重，即使很微量的氧也會破壞毛細管柱及極性填充柱，氧會使固定相氧化，從而破壞柱性能和柱壽命，氧化物還會引起基線噪聲的飄移，并隨柱溫升高破壞性急劇增大，對特殊檢測器及高靈敏度檢測器氧的破壞作用更加明顯，尤其是TCD和GC/MS，氧會直接燒壞熱絲和燈絲。

   為了保護色譜柱及檢測器和獲得穩定的基流，必須對載氣及輔助氣進行嚴格的脫水、脫氧、脫碳氫合物。考慮到硅膠價格便宜，活化再生方便的特點，通常采用室溫下用硅膠初步脫水、分子篩進一步深脫水；用活性炭脫除除甲烷外的碳氫化合物；用脫氧劑脫除氫或氮中的微量氧氣。一般氣體凈化后純度要達到99.99%以上方可使用，特殊檢測器如ECD對電負性較強組分的脫除要求更高，其載氣和吹掃氣中的氧含量必須低于0.2μl/L,否則檢測器會出現基流太低無法運行.當然與檢測器的靈敏度與分析檢測限有關.

  由于分子篩凈化的原理是篩分作用,所在針對不同氣體可以采用不同類型的分子篩(常見的有3A、4A、、10X、13X）達到不同的凈化要求（在脫水的同時脫除其他的雜質），這方面可以參考產品說明書，活化條件也隨之而異。但總的來說，活化后殘留的水量會影響脫水的效率，殘留的水越少，則脫水的效率就越高，反這亦然。所以活化的*程度決定脫水的深度，在基本沒有殘留水條件下，脫水深度可以達到露點在—900C以下（＜0.08mg/m３的水＝；同樣可以理解，在使用時，分子篩失效3/4～4/5后就必須重新活化，否則就會影響凈化的效果。

   各公司都提供不同形式的凈化管（又稱捕集器）。其凈化容量與凈化深度各不相同，用戶可以根據各種不同分析要求的需要選擇合適的捕集器。
凈化管材質一般采用金屬和有機玻璃。采用有機玻璃時，要注意空氣中氧氣和水的滲透，凈化管采用有機玻璃時，凈化后出口氣體大約含0.5μl/L的氧氣和水。凈化管進出口必須用玻璃棉或燒結不銹鋼堵好，以防止凈化劑的粉末吹入氣相色譜儀的氣路系統，損害閥件的性能和色譜性能。凈化管中所用的吸附劑（硅膠、分子篩、活性炭）及催化劑（脫氧劑）用前必須活化，失活后可再生重復使用，催化劑的活化必須用設備，一般可送回廠家再生，其他吸附劑再生方法見表1。

一般情況下GC儀使用的各種氣體凈化要求見表2。

    實際上，載氣和輔助氣的凈化純度還與分析檢測限的要求有關，對通用的檢測器可見表3。從表3可以看出檢測樣品的濃度愈低，對氣體的純度要求就愈高。對于特殊的檢測器，氣體純度的要求比通用的檢測器更高。

1．3閥件系統
毛細管柱配置FID檢測器的流程在氣相色譜儀的流程中具有典型意義，圖2-2是單柱單氣路的基本流程圖。從圖看出為了提供穩定壓力和流量的載氣和輔助氣，從氣源出來的氣需經減壓閥、穩壓閥、穩流閥（載氣）、調流閥（輔助氣），*的氣相色譜儀，從氣源出來的氣體經減壓閥直接進EPC（電子氣路控制）轉化成數字控制，只要設定柱前壓及總流量、輸入柱參數（柱長、柱內徑），則柱流量就自動調整，其精度準確性可以達到很高水平，這樣可以提高色譜定性、定量的精度和準確度。由于流量可以數字化控制，因此可以降低分析溫度、減少分析時間、延長柱壽命。 

 
   氣相色譜儀的氣路系統是一個密閉的氣流連續運行系統，毛細管柱與填充柱的主要差異是：毛細管柱在進柱前有一路載氣分流氣路，避免色譜柱過載；柱后進檢測器前有一路尾吹，用以減少柱后死體積（例如TCD）或提供檢測器所需的輔助氣（例如FID）。分流的大小及穩定性直接影響定量的結果，尾吹氣及其他輔助氣（例FID中的空氣）的大小及穩定性不僅影響檢測器性能的穩定性，而且尾吹氣還會直接影響柱后譜帶的擴寬。所以氣路穩定性的設計很重要。

   載氣流速的變化對柱分離效能及檢測器靈敏度的影響尤其突出，所以保證載氣流速的穩定性是色譜定性、定量分析可靠性的極為重要的條件。從圖2-2可以看出載氣氣路一般采用穩壓閥、穩流閥串聯組合來完成流速的調節和穩定。在使用過程必須保證上游有足夠的壓力以保證載氣流速的穩定性，一般穩壓閥和穩流閥的進出口壓力差不應低于0.05MPa。

   在先進的氣相色譜儀上為了保證壓力和流量的高度穩定性一般都采用電子壓力控制器（EPC）代替一般閥件，例HP-6890采用13路的EPC，全部氣路采用數字控制，定性和定量的結果可以大大提高。這在程序升溫時表現尤其突出：因為色譜柱的阻力隨溫度升高而增加，在柱前壓不變的前提下,柱流速迅速降低，使分析時間明顯增加，柱效隨之降低。例如：毛細管色譜柱柱溫從400C程序升溫至3000C時，柱出口流速將減少到初速的36%，這時若采用EPC恒流操作，即可保證流速的穩定性和重復性，這在節省分析時間、提高分離效能上是很明顯的，而且保留時間的重復性和可比性也大大提高。