便携式气相色谱仪工作原理及特点

摘 要 环境化学的特殊需要，决定环境分析、检测仪器的特征。近年来，随着环境科学的发展，适应这种要求的环境分析检测仪器也得到了长足进展。其中，机动灵活的便携式气相色谱仪的研制与应用，引起了广大环境分析化学工作者的高度重视。不同检测原理的检测器，决定了各种便携式气相色谱仪的性能。本文从检测器检测原理出发，分析几种常用便携式气相色谱仪的主要特征，以便从事环境分析化学工作的科技工作者，根据实际工作要求，选气相色谱仪时参考。本文简要介绍，配备热导池检测器（TCD）、氢火焰检测器（FID）、电子俘获检测器（ECD）、光离子化检测器（PID）、氩离子化检测器（AID）、表面声波检测器（SAW）、氦离子化检测器（HID）的便携式气相色谱仪性能。

关键词 色谱 气相 检测器
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
环境分析监测仪器发展的动力来自环境科学的需要。环境科学的特征决定了环境分析监测仪器的特点。随着环境科学的发展，要求分析监测的是大量基体中浓度越来越低的化学物质；环境污染物中相当大的一部分具有很强的时间性和空间性；化学结构类似的化合物往往对环境污染会有不同的影响。因此，研制灵敏度高、分辨力强、速度快，性能价格比好的分析检测仪器，是环境分析、检测仪器研制、开发工作者致力解决的重要课题。具有机动、灵活性的便携式气相色谱仪就是适应这种要求而诞生和发展的。便携式气相色谱仪的主要性能取决于它使用的检测器，因此，本文从检测器的性质阐述、分析几种常用便携式气相色谱仪的主要特征，以便广大从事环保事业的科技工作者根据实际工作需求，选择仪器时参考。
一、热导检测器气相色谱仪
热导检测器（TCD，thermal conductivity detector）是利用被测组分和载气热导系数不同而响应的浓度型检测器，它是整体性能检测器，属物理常数检测方法。热导检测器基本理论，工作原理和响应特征，早在上个世纪六十年代就已成熟。由于它对所有的物质都有响应，结构简单，性能可靠，定量准确，价格低廉，经久耐用，又是非破坏型检测器。因此，TCD 始终充满着旺盛的生命力。近十几年来，应用于商品化气相色谱仪的产量仅次于FID，应用范围较广泛。与其它检测器相比，TCD 的灵敏度低，这是影响它应用于环境分析与检测的主要因素。据文献报道，以氦作载气，进气量为2mL 时，检出限可达ppm 级（10-6 g/g）。因此，使用这种检测器的便携式气相色谱仪，不适于室内外一般环境污染物分析与检测。大多用于污染源和突发性环境污染事故的分析与检测
二、氢火焰气相色谱仪
氢火焰检测器（FID，flame ionization detector）是利用氢火焰作电离源，使被测物质电离，产生微电流的检测器。它是破坏性的、典型的质量型检测器。它的突出优点是对几乎所有的有机物均有响应，特别是对烃类化合物灵敏度高，而且响应值与碳原子数成正比；它对H2O、CO2和CS2等无机物不敏感，对气体流速、压力和温度变化不敏感。它的线性范围广，结构简单、操作方便。它的死体积几乎为零。因此，作为实验室仪器，FID 得到普遍的应用，是最常用的气相色谱检测器。FID 的主要缺点是需要可燃气体-氢气、助燃气体和载气三种气源钢瓶及其流速控制系统。因此，制作成一体化的便携式仪器非常困难，特别是应对突发性环境污染事件的分析与检测就更加困难，因为它需要点“一把火”，增加了引燃、引爆的潜在危险性。上海精密科学仪器有限公司推出的GC190 微型便携式气相色谱仪，主要特点是，柱上加热；温度范围为，环境温度至250℃；微型FID 检测器，灵敏度达5×10-11 g/s；线性范围105，氢气作载气「1」。以氢气作载气主要问题是，调节载气流量时，无法控制氢火焰稳定性。
三、电子俘获检测器（ECD）
电子俘获检测器（ECD）是卤代烃等电子亲和势较高化合物的选摘性检测器，灵敏度高。但它使用放射性同位素63Ni，根据我国相关法律，不宜制成随意移动的便携式气相色谱仪「2」「3」。
本文介绍的重点是自上个世纪八十年代迅速发展起来， 在西方科学技术发达国家得到广泛应用，目前在我国尚未得到很好应用的便携式气相色谱仪，它们使用的检测器是光离子化检测器（PID，Photo ionization detector ）、氩离子化检测器（AID，Argon ionization detector）、表面声波检测器（SAW，Surface Acoustic Wave）。

四、光离子化痕量检测、分析技术
1．光离子化痕量检测、分析技术及其光源的发展Lossing 和Tanaka 等人在1955 年首先阐述了光离子化的原理，当光子能量高于受辐照物质
分子的电离能时，该物质可以被电离。1957 年Robinson[4] 首先将此原理用于实际气相色谱检测器，1961 年，Lovelock [5] 在对色谱分析技术的各种离子化技术的评论中，把光离子化检测器（PID）与氢火焰离子化检测器（FID）相比较，显示出PID 是相当有前途的检测方法。Sawyer 对气体放电的研究表明，使用惰性气体放电可以有效地限制放电的辐射波长，使输出光辐射主要为惰性气体的共振谱线，因此当时的PID 光源大多使用Ar 或He 气放电。早期的PID 光源与离子化池并不分开，而是在同一空间进行。虽然Lovelock 发现放电光源中,置入空心阴极时放电效率和稳定性都有显著的提高，但由于高效共振辐射出现在低气压下，而被分析物质离子化检测的最大灵敏度则在一个大气压左右，这使紫外光源和光离子化池都不能工作在最佳状态，因此在六十年代PID 的研究与应用发展缓慢。

PID检测器应该是当前的发展方向，它比FID更简单更安全，并且是非破坏性的检测，灵敏度高，对多种有机物有线性响应。具体资料可以看美国华瑞公司的网站。