气相色谱仪的发展轨迹与趋势
互联网
920
摘要：本文以岛津公司系列气相色谱仪系列为例，从电子、机械、设计思想几个方面讲述其技术进步的发展轨迹，并预测了今后气相色谱仪的发展趋势。
关键词：气相色谱仪 电子 机械
1前言
自1952年世界上第一次创建实用气液色谱法以来，在短短几十年间，气相色谱仪作为现代分析检测仪器的代表，已发展成为一个有相当生产规模的产业，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汉的发展趋势。
2气相色谱仪技术进步的发展轨迹
2.1进样口及检测器的加热单元温度控制(Injectandde-cector temperature control)
Gc-7A和Gc-9A均采用一个完整的总加热块单元，3c-14A的进样口和检测器各共用一个总加热块单元，3c-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。
2.2 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，很不方便。从Gc-9A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控温。
[$page$]
2．3 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，但也带来了新的问题：
(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。
2．4 数据处理系统(Data analysis unit)
Gc-7A配置绘图仪，Gc-9A配置积分仪或不可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配置化学工作站进行数据处理。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，检测工作完成后可很快得到所有的谱数据。
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。
2．5检测器系统(Detector)
在气相色谱仪的各个部件中，检测器相对较稳定，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。
2.6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。对设备不是很熟悉的人员经常会发生错误。
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。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。
3 今后气相色谱仪的发展趋势
从GC-7A到Gc-17A的发展过程，可以看到一段从机械仪器到电子仪器的发展历程。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麻烦和不实用的。
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，从而更快地推动气相色谱仪的进步。
由这个趋势而延伸，笔者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。
3．1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。
3．2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。
3．3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.
3.4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叮以控制不同公司生产的仪器。
3 . 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。
关键词：气相色谱仪 电子 机械
1前言
自1952年世界上第一次创建实用气液色谱法以来，在短短几十年间，气相色谱仪作为现代分析检测仪器的代表，已发展成为一个有相当生产规模的产业，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汉的发展趋势。
2气相色谱仪技术进步的发展轨迹
2.1进样口及检测器的加热单元温度控制(Injectandde-cector temperature control)
Gc-7A和Gc-9A均采用一个完整的总加热块单元，3c-14A的进样口和检测器各共用一个总加热块单元，3c-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。
2.2 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，很不方便。从Gc-9A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控温。
[$page$]
2．3 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，但也带来了新的问题：
(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。
2．4 数据处理系统(Data analysis unit)
Gc-7A配置绘图仪，Gc-9A配置积分仪或不可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配置化学工作站进行数据处理。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，检测工作完成后可很快得到所有的谱数据。
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。
2．5检测器系统(Detector)
在气相色谱仪的各个部件中，检测器相对较稳定，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。
2.6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。对设备不是很熟悉的人员经常会发生错误。
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。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。
3 今后气相色谱仪的发展趋势
从GC-7A到Gc-17A的发展过程，可以看到一段从机械仪器到电子仪器的发展历程。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麻烦和不实用的。
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，从而更快地推动气相色谱仪的进步。
由这个趋势而延伸，笔者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。
3．1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。
3．2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。
3．3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.
3.4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叮以控制不同公司生产的仪器。
3 . 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。
