仪器选型篇 | 一文了解“气相色谱”的前世今生和庞大家族

气相色谱（gas chromatography 简称GC）是二十世纪五十年代出现的一项重大科学技术成就。它是一种新的分离、分析技术，在工业、农业、国防、建设、科学研究中具有广泛应用。

今天我们就其发展史、检测原理、结构及应用等和大家进行探讨，一起来学习一下吧~

（还有哪些您想听的知识点文中没有讲到，亦或是觉得文章中有哪些观点您不太认同，欢迎积极留言~)

0一、“气相色谱仪”的诞生和发展

GC色谱的发展与下面两个方面的发展是密不可分的。一是气相色谱分离技术的发展，二是其他学科和技术的发展。

▲ 图源网络

1954年Ray提出热导计，开创了现代气相色谱检测器的时代。

此后至1957年，是填充柱、TCD年代。

1958年Gloay首次提出毛细管，同年，Mcwillian和Harley同时发明了FID，Lovelock发明了氩电离检测器（AID）使检测方法的灵敏度提高了2～3个数量级。

20世纪60和70年代，由于气相色谱技术的发展，柱效大为提高，环境科学等学科的发展，提出了痕量分析的要求，又陆续出现了一些高灵敏度、高选择性的检测器。如1960年Lovelock提出电子俘获检测器（ECD）；1966年Brody等发明了FPD；1974年Kolb和Bischoff提出了电加热的NPD；1976年美国HNU公司推出了实用的窗式光电离检测器（PID）等。同时，由于电子技术的发展，原有的检测器在结构和电路上又作了重大的改进。如TCD出现了衡电流、衡热丝温度及衡热丝温度检测电路；ECD出现衡频率变电流、衡电流脉冲调制检测电路等，从而使性能又有所提高。

20世纪80年代，由于弹性石英毛细管柱的快速广泛应用，对检测器提出了体积小、响应快、灵敏度高、选择性好的要求，特别是计算机和软件的发展，使TCD、FID、ECD、和NPD的灵敏度和稳定性均有很大提高，TCD和ECD的池体积大大缩小。

进入20世纪90年代，由于电子技术、计算机和软件的飞速发展使MSD生产成本和复杂性下降，以及稳定性和耐用性增加，从而成为最通用的气相色谱检测器之一。其间出现了非放射性的脉冲放电电子俘获检测器（PDECD）、脉冲放电氦电离检测器（PDHID）和脉冲放电光电离检测器（PDECD）以及集次三者为一体的脉冲放电检测器（PDD），4年后，美国Varian公司推出了商品仪器，它比通常FPD灵敏度高100倍。另外，快速GC和全二维GC等快速分离技术的迅猛发展，促使快速GC检测方法逐渐成熟。

气路系统包括气源、净化干燥管和载气流速控制及气体化装置，是一个载气连续运行的密闭管路系统。通过该系统可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、流量测量的准确性及载气流速的稳定性，都是影响气相色谱仪性能的重要因素。

气相色谱中常用的载气有氢气 、氮气 、氩气，纯度要求99.99% 以上，且化学惰性好，不与相关物质反应。

载气的选择除了要求考虑对柱效的影响外，还要与分析对象和所用的检测器相配。气相色谱选择载气，是根据色谱柱系统及色谱仪的检测器等条件来确定的。

氢气(H₂)具有相对分子质量小、热导系数大、黏度小等特点，是热导检测器常用的载气、氢火焰离子化检测器中必用的燃气，但氢气易燃、易爆，使用时要特别注意安全。

氮气(N₂)相对分子质量较大、扩散系数小、柱效相对较高、安全、价格便宜，因此，氮气是最为常用的载气，在氢火焰离子化检测器中常用，但由于其热导系数低、灵敏度差、定量线性范围较窄，因此在热导检测器中少用。

氦气(He)相对分子量小、热导系数大、黏度小、使用时线速度大，与氢气相比，更安全，但成本高，常用于气一质联用分析。

氩气(Ar)相对分子量大、热导系数小，但由于成本高，因而应用较少。

(1)进样器：根据试样的状态不同,采用不同的进样器。

液体样品的进样一般采用微量注射器。气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转式六通阀。固体试样一般先溶解于适当试剂中,然后用微量注射器进样。

(2)气化室：气化室一般由一根不锈钢管制成,管外绕有加热丝，其作用是将液体或固体试样瞬间气化为蒸气。为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，无催化效应。

(3)加热系统：用以保证试样气化，其作用是将液体或固体试样在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。

分离系统是色谱仪的核心。其作用就是把样品中的各个组分分离开来。分离系统由柱室、色谱柱、温控部件组成。其中色谱柱是色谱仪的核心部件。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。柱材料包括金属、玻璃、融熔石英、聚四氟乙烯等。色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。

检测器是将经色谱柱分离出的各组分的浓度或质量(含量)转变成易被测量的电信号(如电压、电流等)，并进行信号处理的一种装置，是色谱仪的眼睛。通常由检测元件、放大器、数模转换器三部分组成。被色谱柱分离后的组分依次进检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，绘出色谱图。检测器性能的好坏将直接影响到色谱仪器最终分析结果的准确性。

根据检测器的响应原理，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器。

(1)浓度型检测器：测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器、电子捕获检测器。

(2)质量型检测器：测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器。

在气相色谱测定中，温度控制是重要的指标，直接影响柱的分离效能、检测器的灵敏度和稳定性。温度控制系统主要指对气化室、色谱柱、检测器三处的温度控制。在气化室要保证液体试样瞬间气化；在色谱柱室要准确控制分离需要的温度，当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，保证各组分在最佳温度下分离；在检测器要使被分离后的组分通过时不在此处冷凝。

控温方式分恒温和程序升温两种。

(1)恒温模式：对于沸程不太宽的简单样品，可采用恒温模式。一般气体分析和简单液体样品分析都采用恒温模式。 

(2)程序升温：程序升温是指在一个分析周期里色谱柱的温度随时间由低温到高温呈线性或非线性地变化，使沸点不同的组分，各在其最佳柱温下流出，从而改善分离效果，缩短分析时间。对于沸程较宽的复杂样品，如果在恒温下分离很难达到好的分离效果，应使用程序升温方法。

记录系统是记录检测器的检测信号，进行定量数据处理。一般采用自动平衡式电子电位差计进行记录，绘制出色谱图。一些色谱仪配备有自动积分仪，可测量色谱峰的面积，直接提供定量分析的准确数据。

按固定相状态不同，可以分为两种，用固体吸附剂作固定相的叫气固色谱，用涂有固定液的担体作固定相的叫气液色谱，在实际气相色谱分析中，气液色谱占90％以上。 

按色谱柱外观形态，可分为填充柱色谱和毛细管柱色谱两类。一般填充柱是将固定相装在一根玻璃或金属管中，管内径为2~6毫米。毛细管柱色谱通常为常用内径0.1~0.5mm的玻璃或弹性石英毛细管。毛细管柱比填充柱有更高的分离效率，但因其内径小，柱容量小，且对进样技术要求高，载气流速控制要求更为精确。

气相色谱仪利用被测物质各组分在不同两相间分配系数(溶解度)的微小差异，当两相作相对运动时，这些物质在两相间进行反复多次的分配，使原来只有微小的性质差异产生很大的效果，而使不同组分得到分离。

气相色谱法作为近代迅速发展起来的一种新型分离分析技术，具有分离效能高，分析速度快，样品用量少等特点，被广泛用于石油化工、环境监测、医药生产、以及食品分析等领域。

1、石油化工

2、环境监测

3、医药分析

4、食品分析

（一）色谱仪的安装准备 

（二）色谱仪成套性检查及安装

载气一定要用高纯级的，以避免干扰分析和污染色谱柱或检测器。

2、及时更换进石墨密封垫：

石墨密封垫漏气是GC常见故障之一。尽量不要在不同色谱柱上重复使用同一密封垫，即使同一根柱卸下重新安装时，最好也要换新密封垫，这样能保证更高的工作效率。

3、定期更换气体净化器填料：

变色硅胶可据颜色变化来判断其性能，但分子筛等吸附有机物的净化器就不好用肉眼判断了，所以须定期更换，最好3个月更换一次。如果硅胶与分子筛装在一起，则更换硅胶时也要更换分子筛。

4、使用性能可靠的气体减压阀：

新的减压阀在使用时一定要试漏，在长期的使用过程中也要经常检漏。如果不注意该问题，轻则造成气体浪费，重则出现安全问题。

5、定期更换进样衬垫：

进样口衬垫漏气也是GC常见故障之一。另外，衬垫的老化降解也会给色谱分析带来干扰。比如其碎屑掉进汽化室内也可能导致鬼峰。至于多长时间换一次衬垫，则要看所分析的样品性质和分析条件而定。一般不建议，一个衬垫连续使用时间超过一周。

6、及时清洗注射器：

保持注射器清洁能避免样品记忆效应的干扰。更换样品时要清洗，用同一样品多次进样时也要用样品本身清洗注射器。一支注射器暂时不用时，更要彻底清洗，否则残留其中的样品可能将针芯粘牢，造成注射器报废。

7、定期检查并清洗进样衬管：

仪器长期使用后，进样衬管内会有焦油状物质，这是样品中的不挥发成分造成的。此外还会有颗粒状物质积存（隔垫碎屑，样品中的固体物质）这些都会干扰分析的正常进行。因此要定期检查，及时清洗。在衬管中填充一些经硅烷化处理的石英玻璃毛，既可提高样品的汽化效率，又能防止隔垫碎屑进入色谱柱造成堵塞。

更多内容，请查看仪器信息网牵头编写的《气相色谱实战宝典》

气相色谱仪在进样后检测信号没有变化，不出峰，输出仍为直线。遇到该情况，应从进样针、进样口到检测器的顺序逐一检查。

a. 首先检查进样针是否堵塞；

b. 再检查进样口和检测器的石墨垫圈是否紧固、不漏气；

c. 检查色谱柱是否断裂或漏气；

d. 检测器是否出现故障，如堵塞或者未点火。

a. 载气不纯：当样品中的物质含量比载气低时便会有负峰，此时更换纯度更高的载气；

b. TCD中，样品热导率大于载气热导率，或使用氮气作载气，或TCD电源接反；

c. 积分仪或记录仪输入线接反，倒相开关位置改变；

d. 在双柱系统中，进样时进错色谱柱；

e. 离子化检测器输出选择开关的位置错误，放射源或电极被污染；

f. 脉冲发生器不正常，收集极接触不良或短路。

在温度不变的情况下，若基线有漂移通常可考虑以下几种情况：

a. 检查色谱仪本身和积分仪的接地线是否良好，保证接地可靠；

b. 载气漏气、流速不稳也会使基线漂移，检漏；

c. 柱箱密封性要好，使箱体周围没有间隙，防止室内空气进入箱内而造成温度不稳定；

d. 载气阀（包括色谱内部阀）有故障，气源压力不稳；

e. 从进样系统到检测器的连接管，或者TCD的池体受到污染需要清洗掉污染物；

f. 若色谱柱填充物流失，需要重新老化色谱柱。在高灵敏度操作时，由于柱流失使基线漂移是正常现象；

g. TCD 故障，检修或更换；

h. 检测器的温度过高（或过低）。对于TCD，检测器质量较大，当温度改变时，热容大，温度平衡慢，允许有一定时间使基线稳定；

i. 检测器检测元件被氧化，用不锈钢管或铜管替代四氟乙烯管，这样空气中的氧气不会渗透到载气管线中，从而减少元件的氧化；

j. 基线漂移很大，色谱柱老化不充分，再次进行老化，色谱柱被污染也会发生大的漂移，只有充分老化色谱柱才行。色谱柱老化后又出现了大的基线漂移，可能是有高沸点液体样品在程序升温过程中没有被吹出去，在色谱柱允许的最高使用温度下，通载气，升温清洗；

k. 如果是双柱系统操作时，两路载气不平衡，设置相同的柱流速即可。

在程序升温过程中基线上升，可能的原因以及排除方法如下：

a. 色谱柱内固定相流失现象相对上升，可以老化色谱柱并进行柱补偿；

b. 两柱的流速不一样，设置相同的柱流速；

c. 色谱柱有可能被污染，充分老化色谱柱2h以上。

基线不在零位，故障原因较多，主要考虑以下几种：

a. 积分仪零点没调合适，重调其零点；积分仪接线错误，检查各条连接线，特别检查屏蔽线的接法；积分仪滑线电阻故障，检修或更换；

b. TCD 电源故障或没有调平衡，检修或更换新件，重调平衡；

c. 柱的固定相流失大，改用低流失柱；

d. 检测器可能被污染，需要清洗。

基线出现无规律或有规律的尖峰，其原因有：

a. 房间内的开关门，排气扇的启动等使大气压迅速改变，拨打手机时产生的电磁信号流也会影响，可以通过改善仪器放置环境来解决这一问题；

b. TCD电源故障，检修或更换新件；

c. 热丝老化不好，充分老化；

d. 温度不稳，桥流过大，设置合适的参数；

e. 载气被污染，用大流量载气吹洗管路，净化载气或更换过滤器，或更换新的载气钢瓶；

f. 有其他高沸点液体残留在TCD 检测器出口，将检测器温度升高，但不能超过其使用温度，使凝聚物蒸发， 或在检测器排气口注入少量的丙酮等溶剂热清洗，除去管内的凝聚物；

g. TCD的检测器元件故障或桥流不稳定，更换有故障的元件。

出现拖尾峰，可进行如下几种操作：

a. 减少样品的进样量；

b. 进样器气化管有残渣或破损，清洗或更换，检查检测器是否被污染，必要时清洗；

c. 检查载气流量、隔膜清洗流量是否设置正确，分流比或其他条件设置是否合理；

d. 气化温度设置是否正确，若柱箱温度过低，增加其温度，提高检测器温度；

e. 色谱柱安装方法是否正确，在柱入口端切除1~2 m，使用的柱不合适，致使样品和固相担体相互作用，更换合适的色谱柱，填充柱使用时间过长，重新装填柱子。

出现圆顶或平顶峰，有如下可能：

a. 操作超出检测器输出范围，针对此种情况可以减小进样量，降低灵敏度；

b. 积分仪故障或重新调整。

信号陡然下降到原基线，故障原因如下：

a. 样品量过大，减小样品量；

b. 检测器信号值太高，调零；信号线发生短路，或检测器已坏，进行修理更换；

更多内容，请查看仪器信息网牵头编写的《气相色谱实战宝典》

气相色谱仪厂家众多，我们如何从众多气相色谱仪厂家之中找出合适自己样品分析的气相色谱仪呢？下面针对以上问题，为大家列举你在购买气相色谱仪的时候需要考虑的事情。

1、被分析样品情况

2、分析的目的

3、单位需求定位

实用性指标某种程度上来说就是性价比。评价实用性应该从两个方面来谈：一方面是自己的仪器预算是多少，在预算的范围内购买合适档位的仪器；另外一方面是能不能满足自己分析要求，只要可以满足自己的分析要求，不一定要购买贵的。

检测器是气相色谱仪的重要部件，其作用是将色谱柱分离后各组分在载气中浓度或质量变化转换成易于测量的电信号，然后记录并显示出来。

根据检测原理的不同，气相色谱检测器可分为浓度型检测器和质量型检测器。浓度型检测器测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比，如热导检测器和电子捕获检测器。

质量型检测器测量的是载气中某组分单位时间内进入检测器的含量变化，即检测器的响应值和单位时间内进入检测器某组分的量成正比。如火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。

根据样品是否被破坏，气相色谱检测器又可分为破坏性检测器和非破坏性检测器。

破坏性检测器有：FID（氢火焰离子化检测器）、NPD（氮磷检测器）、FPD火焰光度检测器）等；

非破坏性检测器有：TCD（热导池检测器）、PID（光离子化检测器）、ECD（电子捕获检测器）等。

根据对被检测物质响应情况，气相色谱检测器又可分为通用型检测器和选择性检测器。常见的通用型检测器有：TCD（热导池检测器）、FID（氢火焰离子化检测器）、PID（光离子化检测器）。常见的选择性检测器有：FPD（火焰光度检测器）、ECD（电子捕获检测器）、NPD（氮磷检测器）。

a. 氢火焰离子化检测器（FID）

通过有机化合物在氢气-空气的扩散火焰中燃烧形成离子流，产生电信号，经过放大，然后由记录器记录电压随时间的变化，从而得出色谱图。其特点是只对含碳有机物有明显的响应，而对非烃类、惰性气体或在火焰中难电离或不电离的物质，则讯号较低或无信号，如一些氮的氧化物（NO、N2O等）、一些无机气体（SO2、NH3等）、CO2、CS2和H2O等，甲酸因氧化态较高不易在火焰中形成离子也不产生显著的信号。FID检测器具有灵敏度高，线性范围宽，响应快等特点，常用于微量有机物分析。

b. 热导检测器（TCD）

根据各种物质均具有不同的热传导系数，当载气中混入其他气态物质时，热导率发生变化，利用被测组分与载气的热导率不同来检测组分的浓度变化。其结构简单，性能稳定，对无机和有机物都有响应，通用性好，而且线性范围宽，可用于常量、半微量分析。

c. 电子捕获检测器（ECD）

利用放射性同位素作为放射源轰击载气生成正离子和自由电子，在所施电场的影响下，电子向正极移动，形成了一定的离子流，称为基流。当载气带着微量的电负性组分（含卤素、硫、磷、氰基等的化合物）进入时，这些亲电子的组分将捕获电子形成负离子而使基流下降，从而产生检测信号。ECD检测器对电负性物质有极高的灵敏度，对非电负性的物质则没有响应。常用于有机氯农药残留分析。

d. 火焰光度检测器（FPD）

通过燃烧分解从色谱柱中流出的含P和S的化合物分子，使之碎片化，然后把这些碎片激发到高能级，这些激发态的分子回到基态，发射出特征的带状光谱。这些发射光谱通过392nm（对于硫）或526nm（对于磷）处的滤光片，用光电倍增管测定其强度。FPD检测器对含硫、磷化合物有高选择性和高灵敏度，常用于有机磷农药残留量测定、大气中痕量硫化物的微量分析。

e. 氮磷检测器（NPD）

具有与FID相似的结构，只是将一种涂有碱金属盐（如硅酸钠或硅酸铷）的陶瓷珠放置在燃烧的氢火焰和收集气之间，当试样蒸汽和氢气流经碱金属盐表面时，含N、P的化合物便会从被氢气还原的碱金属蒸汽上获得电子而离子化；失去电子的碱金属则形成盐再沉积到陶瓷珠表面上。这个碱金属陶珠是作为电子转移反应的催化剂来起作用的。NPD检测器只对含磷和氮化合物有很高的选择性和灵敏度，用于有机磷、含氮化合物的微量分析，主要用于食品、药品、农药残留以及亚硝胺类等物质的分析。

f. 光离子化检测器（PID）

A. 安捷伦

产品：

Agilent 8890 气相色谱系统

Agilent 7890B 气相色谱仪等

▲ Agilent 8890 气相色谱系统

B. 北分瑞利

产品：

SP-3420A气相色谱仪

北分瑞利气相色谱仪SP-3500等

▲ SP-3420A气相色谱仪

C. 岛津

产品：

岛津旗舰级气相色谱仪 Nexis GC-2030

岛津气相色谱仪 GC-2010 Pro等

▲ 岛津旗舰级气相色谱仪 Nexis GC-2030

D. 东西分析

产品：

GC-4100系列气相色谱仪

东西分析GC-4000A系列气相色谱仪等

▲ GC-4100系列气相色谱仪

E. 福立

产品：

福立GC9790Plus气相色谱仪

福立GC9720 plus气相色谱仪等

▲ 福立GC9790Plus气相色谱仪

F. 磐诺

产品：

磐诺A91 Plus实验室高端气相色谱仪

磐诺V5000实验室气相色谱仪等

▲ 磐诺A91 Plus实验室高端气相色谱仪

G. 珀金埃尔默

产品：

气相色谱仪PerkinElmer Clarus 680

气相色谱系统PerkinElmer Clarus 590/690等

▲ 气相色谱仪PerkinElmer Clarus 680

H. 赛默飞

产品：

赛默飞TRACE 1300系列 模块化气相色谱仪

赛默飞TRACE 1310 气相色谱仪等

▲ 赛默飞TRACE 1300系列 模块化气相色谱仪

I. 上海炫一

产品：

炫一M6物联网气相色谱分析平台等

▲ 炫一M6物联网气相色谱分析平台

J. 上海仪电分析

产品：

上海仪电分析-GC128 气相色谱仪（GC）

上海仪电分析-GC126N 气相色谱仪（GC）等

▲ 上海仪电分析-GC128 气相色谱仪（GC）

K. 舜宇恒平

产品：

舜宇恒平GC1120气相色谱仪

舜宇恒平GC1290 气相色谱仪等

▲ 舜宇恒平GC1120气相色谱仪

L. 天美

产品：

天美GC7980气相色谱仪

Scion GC气相色谱仪436-GC/456-GC等

▲ 天美GC7980气相色谱仪

本文出现品牌由仪器信息网仪器导购专场

大数据（品牌指数、3i指数等）综合计算得出

最终解释权归仪器信息网所有

十一、小结

        以上，就是小编为大家整理的气相色谱百科知识大全，附上部分市场主流仪器品牌及型号，更多仪器，请点击进入“气相色谱仪”专场。

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