便攜式氣相色譜儀工作原理及特點(diǎn)

摘 要 環(huán)境化學(xué)的特殊需要，決定環(huán)境分析、檢測(cè)儀器的特征。近年來，隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，適應(yīng)這種要求的環(huán)境分析檢測(cè)儀器也得到了長(zhǎng)足進(jìn)展。其中，機(jī)動(dòng)靈活的便攜式氣相色譜儀的研制與應(yīng)用，引起了廣大環(huán)境分析化學(xué)工作者的高度重視。不同檢測(cè)原理的檢測(cè)器，決定了各種便攜式氣相色譜儀的性能。本文從檢測(cè)器檢測(cè)原理出發(fā)，分析幾種常用便攜式氣相色譜儀的主要特征，以便從事環(huán)境分析化學(xué)工作的科技工作者，根據(jù)實(shí)際工作要求，選氣相色譜儀時(shí)參考。本文簡(jiǎn)要介紹，配備熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD）、氫火焰檢測(cè)器（FID）、電子俘獲檢測(cè)器（ECD）、光離子化檢測(cè)器（PID）、氬離子化檢測(cè)器（AID）、表面聲波檢測(cè)器（SAW）、氦離子化檢測(cè)器（HID）的便攜式氣相色譜儀性能。

關(guān)鍵詞 色譜 氣相 檢測(cè)器
Characterizations of Various Portable Gas Chromatographs
X O Lee Y Zhang S L Jing*
（Beijing East and West Electronic Technology Institute Beijing China 100085）
Abstract Characterizations of environmental analysis and detection depend on the special needs of environmental chemistry. Recently, the instrumentations in the field of environmental analysis and detection have being developed very fast. Among them, the developments and applications of the portable gas chromatographs have been paid very much attention to, by scientists and technicians in the field of environmental chemistry. The different working principles decide different performances of portable gas chromatographs. Therefore, authors have discussed the major characterizations, including the working principles of several portable gas chromatographs in common use. The detectors in use are TCD、FID、PID AID and SAW. The purpose of the paper is to provide scientists in the instruments according the needs of their own research work.
Key Words Chromatograph Gas Detectors
環(huán)境分析監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展的動(dòng)力來自環(huán)境科學(xué)的需要。環(huán)境科學(xué)的特征決定了環(huán)境分析監(jiān)測(cè)儀器的特點(diǎn)。隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，要求分析監(jiān)測(cè)的是大量基體中濃度越來越低的化學(xué)物質(zhì)；環(huán)境污染物中相當(dāng)大的一部分具有很強(qiáng)的時(shí)間性和空間性；化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的化合物往往對(duì)環(huán)境污染會(huì)有不同的影響。因此，研制靈敏度高、分辨力強(qiáng)、速度快，性能價(jià)格比好的分析檢測(cè)儀器，是環(huán)境分析、檢測(cè)儀器研制、開發(fā)工作者致力解決的重要課題。具有機(jī)動(dòng)、靈活性的便攜式氣相色譜儀就是適應(yīng)這種要求而誕生和發(fā)展的。便攜式氣相色譜儀的主要性能取決于它使用的檢測(cè)器，因此，本文從檢測(cè)器的性質(zhì)闡述、分析幾種常用便攜式氣相色譜儀的主要特征，以便廣大從事環(huán)保事業(yè)的科技工作者根據(jù)實(shí)際工作需求，選擇儀器時(shí)參考。
一、熱導(dǎo)檢測(cè)器氣相色譜儀
熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD，thermal conductivity detector）是利用被測(cè)組分和載氣熱導(dǎo)系數(shù)不同而響應(yīng)的濃度型檢測(cè)器，它是整體性能檢測(cè)器，屬物理常數(shù)檢測(cè)方法。熱導(dǎo)檢測(cè)器基本理論，工作原理和響應(yīng)特征，早在上個(gè)世紀(jì)六十年代就已成熟。由于它對(duì)所有的物質(zhì)都有響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，定量準(zhǔn)確，價(jià)格低廉，經(jīng)久耐用，又是非破壞型檢測(cè)器。因此，TCD 始終充滿著旺盛的生命力。近十幾年來，應(yīng)用于商品化氣相色譜儀的產(chǎn)量?jī)H次于FID，應(yīng)用范圍較廣泛。與其它檢測(cè)器相比，TCD 的靈敏度低，這是影響它應(yīng)用于環(huán)境分析與檢測(cè)的主要因素。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，以氦作載氣，進(jìn)氣量為2mL 時(shí)，檢出限可達(dá)ppm 級(jí)（10-6 g/g）。因此，使用這種檢測(cè)器的便攜式氣相色譜儀，不適于室內(nèi)外一般環(huán)境污染物分析與檢測(cè)。大多用于污染源和突發(fā)性環(huán)境污染事故的分析與檢測(cè)
二、氫火焰氣相色譜儀
氫火焰檢測(cè)器（FID，flame ionization detector）是利用氫火焰作電離源，使被測(cè)物質(zhì)電離，產(chǎn)生微電流的檢測(cè)器。它是破壞性的、典型的質(zhì)量型檢測(cè)器。它的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)幾乎所有的有機(jī)物均有響應(yīng)，特別是對(duì)烴類化合物靈敏度高，而且響應(yīng)值與碳原子數(shù)成正比；它對(duì)H2O、CO2和CS2等無(wú)機(jī)物不敏感，對(duì)氣體流速、壓力和溫度變化不敏感。它的線性范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。它的死體積幾乎為零。因此，作為實(shí)驗(yàn)室儀器，F(xiàn)ID 得到普遍的應(yīng)用，是最常用的氣相色譜檢測(cè)器。FID 的主要缺點(diǎn)是需要可燃?xì)怏w-氫氣、助燃?xì)怏w和載氣三種氣源鋼瓶及其流速控制系統(tǒng)。因此，制作成一體化的便攜式儀器非常困難，特別是應(yīng)對(duì)突發(fā)性環(huán)境污染事件的分析與檢測(cè)就更加困難，因?yàn)樗枰c(diǎn)“一把火”，增加了引燃、引爆的潛在危險(xiǎn)性。上海精密科學(xué)儀器有限公司推出的GC190 微型便攜式氣相色譜儀，主要特點(diǎn)是，柱上加熱；溫度范圍為，環(huán)境溫度至250℃；微型FID 檢測(cè)器，靈敏度達(dá)5×10-11 g/s；線性范圍105，氫氣作載氣「1」。以氫氣作載氣主要問題是，調(diào)節(jié)載氣流量時(shí)，無(wú)法控制氫火焰穩(wěn)定性。
三、電子俘獲檢測(cè)器（ECD）
電子俘獲檢測(cè)器（ECD）是鹵代烴等電子親和勢(shì)較高化合物的選摘性檢測(cè)器，靈敏度高。但它使用放射性同位素63Ni，根據(jù)我國(guó)相關(guān)法律，不宜制成隨意移動(dòng)的便攜式氣相色譜儀「2」「3」。
本文介紹的重點(diǎn)是自上個(gè)世紀(jì)八十年代迅速發(fā)展起來， 在西方科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，目前在我國(guó)尚未得到很好應(yīng)用的便攜式氣相色譜儀，它們使用的檢測(cè)器是光離子化檢測(cè)器（PID，Photo ionization detector ）、氬離子化檢測(cè)器（AID，Argon ionization detector）、表面聲波檢測(cè)器（SAW，Surface Acoustic Wave）。

四、光離子化痕量檢測(cè)、分析技術(shù)
1．光離子化痕量檢測(cè)、分析技術(shù)及其光源的發(fā)展Lossing 和Tanaka 等人在1955 年首先闡述了光離子化的原理，當(dāng)光子能量高于受輻照物質(zhì)
分子的電離能時(shí)，該物質(zhì)可以被電離。1957 年Robinson[4] 首先將此原理用于實(shí)際氣相色譜檢測(cè)器，1961 年，Lovelock [5] 在對(duì)色譜分析技術(shù)的各種離子化技術(shù)的評(píng)論中，把光離子化檢測(cè)器（PID）與氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）相比較，顯示出PID 是相當(dāng)有前途的檢測(cè)方法。Sawyer 對(duì)氣體放電的研究表明，使用惰性氣體放電可以有效地限制放電的輻射波長(zhǎng)，使輸出光輻射主要為惰性氣體的共振譜線，因此當(dāng)時(shí)的PID 光源大多使用Ar 或He 氣放電。早期的PID 光源與離子化池并不分開，而是在同一空間進(jìn)行。雖然Lovelock 發(fā)現(xiàn)放電光源中,置入空心陰極時(shí)放電效率和穩(wěn)定性都有顯著的提高，但由于高效共振輻射出現(xiàn)在低氣壓下，而被分析物質(zhì)離子化檢測(cè)的最大靈敏度則在一個(gè)大氣壓左右，這使紫外光源和光離子化池都不能工作在最佳狀態(tài)，因此在六十年代PID 的研究與應(yīng)用發(fā)展緩慢。

PID檢測(cè)器應(yīng)該是當(dāng)前的發(fā)展方向，它比FID更簡(jiǎn)單更安全，并且是非破壞性的檢測(cè)，靈敏度高，對(duì)多種有機(jī)物有線性響應(yīng)。具體資料可以看美國(guó)華瑞公司的網(wǎng)站。