试论气相色谱仪的发展轨迹以及趋势

  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(Injectanddetectortemperaturecontrol)

  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(oventemperaturecontrol)

  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(flowcontrol)

  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(dataanalysisunit)

  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(totalsystemcontrol)

  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。

  二、今后气相色谱仪的发展趋势

  从GC-7A到GC-17A的发展过程,可以看到一部从机械仪器到电子仪器的发展进步历程。早期的气相色谱仪由于电子技术水平及材料科学的限制,也限制了设计师的思路与发挥,使得当时的色谱技术也受到了很大的局限,如程序升温、程序升压等现在轻而易举的技术手段在当时是非常的麻烦和不实用。随着电子技术和材料科学的发展,不仅强化了气相色谱仪的功能,而且也极大地丰富了应用气相色谱仪技术的方法和手段,同时更给设计师的设计思想带来了深刻的影响和促进,从而更快的推动气相色谱仪的进步。

  由这个趋势而延伸,笔者可以的预测一下未来气相色谱仪的技术发展路线,看一看今后的气相色谱仪会变成什么样子。

  1.计算机成为标准配置

  由于计算机技术的广泛运用以及计算机价格的不断下跌,计算机将成为气相色谱仪的标准配置。目前在气相色谱仪上常见的控制面板将被取消,只在侧面保留少数气体流量开关。仪器各部件的运行参数完全是由计算机控制,使得气相色谱仪的体积更小,结构更简单,成本更低。

  2.可以灵活更换的功能模块

  目前,气相色谱仪的进样口、检测器一旦安装上之后就很难拆卸或更换,因为它们的接口部位、气路连接部分都没有统一的规格,且在设计上也没有考虑到经常拆卸的必要性。今后的进样口和检测器各模块都将采用统一规格的方形接口,方便用户任意插拔,选择不同的条件。套接式的气路连接口位于模块的底部,用模块顶端的手拧式螺母固定。

  3.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。

  4.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。

  5.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。

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