便攜式氣相色譜儀工作原理及特點

摘 要 環境化學的特殊需要，決定環境分析、檢測儀器的特征。近年來，隨著環境科學的發展，適應這種要求的環境分析檢測儀器也得到了長足進展。其中，機動靈活的便攜式氣相色譜儀的研制與應用，引起了廣大環境分析化學工作者的高度重視。不同檢測原理的檢測器，決定了各種便攜式氣相色譜儀的性能。本文從檢測器檢測原理出發，分析幾種常用便攜式氣相色譜儀的主要特征，以便從事環境分析化學工作的科技工作者，根據實際工作要求，選氣相色譜儀時參考。本文簡要介紹，配備熱導池檢測器（TCD）、氫火焰檢測器（FID）、電子俘獲檢測器（ECD）、光離子化檢測器（PID）、氬離子化檢測器（AID）、表面聲波檢測器（SAW）、氦離子化檢測器（HID）的便攜式氣相色譜儀性能。

關鍵詞 色譜 氣相 檢測器
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
環境分析監測儀器發展的動力來自環境科學的需要。環境科學的特征決定了環境分析監測儀器的特點。隨著環境科學的發展，要求分析監測的是大量基體中濃度越來越低的化學物質；環境污染物中相當大的一部分具有很強的時間性和空間性；化學結構類似的化合物往往對環境污染會有不同的影響。因此，研制靈敏度高、分辨力強、速度快，性能價格比好的分析檢測儀器，是環境分析、檢測儀器研制、開發工作者致力解決的重要課題。具有機動、靈活性的便攜式氣相色譜儀就是適應這種要求而誕生和發展的。便攜式氣相色譜儀的主要性能取決于它使用的檢測器，因此，本文從檢測器的性質闡述、分析幾種常用便攜式氣相色譜儀的主要特征，以便廣大從事環保事業的科技工作者根據實際工作需求，選擇儀器時參考。
一、熱導檢測器氣相色譜儀
熱導檢測器（TCD，thermal conductivity detector）是利用被測組分和載氣熱導系數不同而響應的濃度型檢測器，它是整體性能檢測器，屬物理常數檢測方法。熱導檢測器基本理論，工作原理和響應特征，早在上個世紀六十年代就已成熟。由于它對所有的物質都有響應，結構簡單，性能可靠，定量準確，價格低廉，經久耐用，又是非破壞型檢測器。因此，TCD 始終充滿著旺盛的生命力。近十幾年來，應用于商品化氣相色譜儀的產量僅次于FID，應用范圍較廣泛。與其它檢測器相比，TCD 的靈敏度低，這是影響它應用于環境分析與檢測的主要因素。據文獻報道，以氦作載氣，進氣量為2mL 時，檢出限可達ppm 級（10-6 g/g）。因此，使用這種檢測器的便攜式氣相色譜儀，不適于室內外一般環境污染物分析與檢測。大多用于污染源和突發性環境污染事故的分析與檢測
二、氫火焰氣相色譜儀
氫火焰檢測器（FID，flame ionization detector）是利用氫火焰作電離源，使被測物質電離，產生微電流的檢測器。它是破壞性的、典型的質量型檢測器。它的突出優點是對幾乎所有的有機物均有響應，特別是對烴類化合物靈敏度高，而且響應值與碳原子數成正比；它對H2O、CO2和CS2等無機物不敏感，對氣體流速、壓力和溫度變化不敏感。它的線性范圍廣，結構簡單、操作方便。它的死體積幾乎為零。因此，作為實驗室儀器，FID 得到普遍的應用，是最常用的氣相色譜檢測器。FID 的主要缺點是需要可燃氣體-氫氣、助燃氣體和載氣三種氣源鋼瓶及其流速控制系統。因此，制作成一體化的便攜式儀器非常困難，特別是應對突發性環境污染事件的分析與檢測就更加困難，因為它需要點“一把火”，增加了引燃、引爆的潛在危險性。上海精密科學儀器有限公司推出的GC190 微型便攜式氣相色譜儀，主要特點是，柱上加熱；溫度范圍為，環境溫度至250℃；微型FID 檢測器，靈敏度達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，調節載氣流量時，無法控制氫火焰穩定性。
三、電子俘獲檢測器（ECD）
電子俘獲檢測器（ECD）是鹵代烴等電子親和勢較高化合物的選摘性檢測器，靈敏度高。但它使用放射性同位素63Ni，根據我國相關法律，不宜制成隨意移動的便攜式氣相色譜儀「2」「3」。
本文介紹的重點是自上個世紀八十年代迅速發展起來， 在西方科學技術發達國家得到廣泛應用，目前在我國尚未得到很好應用的便攜式氣相色譜儀，它們使用的檢測器是光離子化檢測器（PID，Photo ionization detector ）、氬離子化檢測器（AID，Argon ionization detector）、表面聲波檢測器（SAW，Surface Acoustic Wave）。

四、光離子化痕量檢測、分析技術
1．光離子化痕量檢測、分析技術及其光源的發展Lossing 和Tanaka 等人在1955 年首先闡述了光離子化的原理，當光子能量高于受輻照物質
分子的電離能時，該物質可以被電離。1957 年Robinson[4] 首先將此原理用于實際氣相色譜檢測器，1961 年，Lovelock [5] 在對色譜分析技術的各種離子化技術的評論中，把光離子化檢測器（PID）與氫火焰離子化檢測器（FID）相比較，顯示出PID 是相當有前途的檢測方法。Sawyer 對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，使輸出光輻射主要為惰性氣體的共振譜線，因此當時的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，而是在同一空間進行。雖然Lovelock 發現放電光源中,置入空心陰極時放電效率和穩定性都有顯著的提高，但由于高效共振輻射出現在低氣壓下，而被分析物質離子化檢測的最大靈敏度則在一個大氣壓左右，這使紫外光源和光離子化池都不能工作在最佳狀態，因此在六十年代PID 的研究與應用發展緩慢。

PID檢測器應該是當前的發展方向，它比FID更簡單更安全，并且是非破壞性的檢測，靈敏度高，對多種有機物有線性響應。具體資料可以看美國華瑞公司的網站。