气相色谱仪的发展轨迹与趋势

自1952年世界上第一次建立实用气液色谱法以来，在短短几十年间，气相色谱仪可以作为现代分析检测仪器的代表，已发展成为一个有相当规模的生产产业，并形成了具有相当丰富的检测技术知识的学科。通过研究气相色谱仪的发展规律，能给使用者有益的启迪，为有关专业人员的工作带来一定的帮助。 现以在中国得到广泛应用的日本岛津公司气相色谱仪系列为例，如1983年的GC-7A， 1985年的GC-9A，1990年的GC-14A，1995年的GC-17A等，就这些仪器的几个主要方面，即加热单元控制、炉温控制、流量控制、数据处理系统、检测器系统、系统控制等，来讲述气相色谱仪技术进步的发展轨迹，并预测今后气相色谱仪的发展趋势。 一、 气相色谱仪技术进步的发展轨迹 1.进样口及检测器的加热单元温度控制（Inject and detector temperature control） GC-7A和GC-9A均采用一个完整的总加热块单元，GC-14A的进样口和检测器各共用一个总加热块单元，GC-17A改为每一个进样口和检测器都有独立的加热单元系统。总加热块单元是指进样口、检测器全部或部分集中在一个大的加热块上，有一个加热棒，一个温度控制器，一个恒温块来控制温度。它的优点是结构简单、元器件少、成本低，由于储热值大，在到达温度后易于保持稳定。它的缺点是：加热块上的各部件的温度只能设为一致，而不能有所区别，限制了检测手段的运用；由于加热块体积大，升温降温速度缓慢，改变条件困难；升温时所有的部件都被加热，不用的部件也在升温降温过程时经受热疲劳损耗。独立加热单元是指任何一个进样口和检测器都有独立的加热、控温、恒温装置。它的优点是任何一个部件都可设定为不同的温度，且由于加热块体积小，储热值低，升温降温速度都有很大的提高，能够提供进样口程序升温等功能，丰富了色谱技术的手段。它的缺点是各成一独立系统，对温度控制的技术要求高，且元件增多，成本相对较高。采用总加热块单元的气相色谱仪一般采用“U”形柱（如GC-7A，GC-9A，GC-14A），因为各部件的位置被限定在一个加热块中，必须排列紧凑。采用独立加热单元的气相色谱仪一般采用圆形柱，因为它的进样口和检测器需要相隔一定距离，原因在于：各个独立加热单元的降温是通过周围空气冷却而实现，如进样口和检测器相隔太近，会互相影响散热效果。从总加热块单元到独立单元加热是一个大趋势，从GC-7A，GC-9A的一个总加热块到 GC-14A的两个加热块单元，岛津公司的设计师已作了改进，使得升温降温效果有了一定的改善。但由于总加热块单元设计在原理上的先天不足，使之仍无法达到独立单元加热的应用效果。为此，从GC-17A起已改为独立单元加热模式。 2．炉温控制（oven temperature control）气相色谱仪炉温控制性能水平往往能体现这台仪器的层次和水准，炉温控制技术的衍变从柱温箱排热口的变化就可以看出来。GC-7A没有柱温箱排热口，其升温降温速度慢得令人生畏，使操作者轻易不敢改变条件；GC-9A，GC-14A具有狭长缝型的排热口，使效果有了一定改善；GC-17A进一步改为两个方形的排热口，降温效果更加令人满意。在炉温控制的操作系统方面，GC-7A采用机械拨盘方式，甚不方便。从GC-9A开始开始利用电子控制，采用键盘输入参数。可以说，岛津公司的气相色谱仪从GC-9A才算是开始进入现代化。而GC-17A是由工作站控制，可以很方便地进行程序升温。 3． 气体流量控制（flow control） GC-7A，GC-9A，GC-14A都采用了经典的机械式表阀控制，如压力表和转子流量计。一般需要精确控制载气流量的部件使用转子流量计，只需粗略控制的部位使用压力表，如作为辅助燃烧气体的氢气和空气流量控制基本上都使用压力表。机械表阀控制优点是：可靠、耐用、经济。它的缺点在于：每次开机时都要从零点慢慢地调高，关闭时再调回零位，由于每次调节都有不可避免存在人为的差异，每次的流量难以保持一致，因此在检测过程中不能改变流量。而电子压力控制采用电磁阀取代机械表阀，只需要输入一个数值即可找到预定的流量或压力，方便、准确、迅速；还可以提供程序升压手段，可谓是流量控制的一次革命。电子控制流量克服了机械控制流量的缺陷，但又因为运用电子技术而带来了新的问题： 1、如果气源压力变化太大，容易因为强烈冲击而损坏，机械式表阀则不存在这个问题； 2、一旦遭遇意外停电，电磁阀停止工作，停止供气，色谱柱在高温没有载气通过时极易损坏。3、从理论上来说，转子流量计是测载气流量的最稳定准确的元件，很难产生偏差；而电子压力控制必竟是一个电子模拟机械过程，长期使用后有可能出现细微的偏差。 4. 数据处理系统（data analysis unit）一般而言，GC-7A配置绘图仪，GC-9A配置积分仪或不可存储数据的数据处理机，GC- 14A 配置可存储数据的数据处理机，GC-17A配置化学工作站以处理数据。数据系统数据处理系统是气相色谱仪中进步最快，使用者得益最大的部分，它使操作仪器的工作越来越方便。在发明积分仪之前，测量色谱峰的峰面积只能手工用积分尺量算或剪纸称重，往往一个色谱峰就要花去半天的时间。现在，在检测工作完成后即可很快得到所有的色谱数据，且数据处理手段越来越丰富，使用越来越简便。从绘图仪到积分仪，再由数据处理机到化学工作站，其中的进步主要应归功于电子技术日新月异的发展。 5．检测器系统（detector ）在气相色谱仪的各个部件中，检测器相对较成熟稳定，进步不象其它部件那么显著。内部结构和组成并没有革命性的进展，检测性能提高也有限。但是稳定速度有了长足的进步；如GC-17A的电子捕获检测器，它的稳定速度比GC-14A快了10倍，降温效率更是达到了每10分钟降100摄氏度的惊人速度。 6．主机系统控制部分（total system control）在工作站出现以前，只能手工设置主机的各种运行参数，因此，开动一台仪器，需要进行许多琐碎的设定与调整步骤，开闭许多开关，调节许多旋钮。对这台设备不是很熟悉的人员经常会发生错误，学习起来也很吃力。在运用工作站之后，使用者可以将不同实验的各种仪器参数、运行程序输入计算机内，下次直接调用即可工作，完成从开机、检测、处理结果等各个步骤，再也不需对仪器各个部件的参数进行逐项输入和确定，使操作更加简便，也使得学习的难度大大降低。岛津公司的气相色谱仪系列在GC-17A后普遍使用了工作站对仪器进行直接控制。 7. 数据采集的网卡化各家公司目前各式各样且价格不菲的数据采集卡将逐渐消失，取代它们的是计算机网卡。检测数据通过网线传递给计算机，这样更进一步降低了仪器的成本。 8. 出现能共享的控制软件目前，各种气相色谱仪的工作站都是专用的，即只能控制某一家公司生产的某一种型号的气相色谱仪。随着电子元件的高度应用，意味着只要控制电信号即可控制仪器。因此，尽管各家气相色谱仪的信号模式及其量程都有所区别，但是一套软件如果同时存储了几种仪器的信号参数，则通过选择不同型号就可以控制不同公司生产的仪器。 9. 价格的大幅下降部件的减少与集约意味着成本的降低。除检测器价格下降空间有限外，考虑到控制面板、数据采集卡的取消，以及其它部件的集约化设计，整套仪器（包括计算机）的价格估计至少能下降一半左右。