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氣相色譜儀的發(fā)展軌跡與趨勢論文
摘要：本文以島津公司系列氣相色譜儀系列為例，從電子、機械、設計思想幾個(gè)方面講述其技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展軌跡，并預測了今后氣相色譜儀的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：氣相色譜儀 電子 機械
1前言
自1952年世界上第一次創(chuàng )建實(shí)用氣液色譜法以來(lái)，在短短幾十年間，氣相色譜儀作為現代分析檢測儀器的代表，已發(fā)展成為一個(gè)有相當生產(chǎn)規模的產(chǎn)業(yè)，并形成了具有相當豐富的檢測技術(shù)知識的學(xué)科。通過(guò)研究氣相色譜儀的發(fā)展規律，能給使用者有益的啟迪，為有關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的工作帶來(lái)一定的幫助。
現以在中國得到廣泛應用的島津公司氣相色譜儀系列為例，如1983年的Gc-7A、1985年的Gc-9A，1990年的Gc-14A、1995年的GC-17A等，就這些儀器的幾個(gè)主要方面，即加熱單元控制、爐溫控制、流量控制、數據處理系統、檢測器系統、系統控制等，來(lái)講述氣相色譜儀技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展軌跡，并預測今后氣相色譜漢的發(fā)展趨勢。
2氣相色譜儀技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展軌跡
2.1進(jìn)樣口及檢測器的加熱單元溫度控制(Injectandde-cector temperature control)
Gc-7A和Gc-9A均采用一個(gè)完整的總加熱塊單元，3c-14A的進(jìn)樣口和檢測器各共用一個(gè)總加熱塊單元，3c-17A改為每一個(gè)進(jìn)樣口和檢測器都有獨立的加熱單元系統。
總加熱塊單元是指進(jìn)樣口、檢測器全部或部分集中在一個(gè)大的加熱塊上，有一個(gè)加熱棒，一個(gè)溫度控制器，一個(gè)恒溫塊來(lái)控制溫度。它的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、元器件少、成本低，由于儲熱值大，在到達溫度后易于保持穩定。它的缺點(diǎn)是：加熱塊上的各部件的溫度只能設為一致，而不能有所區別，限制了檢測手段的運用；由于加熱塊體積大，升溫降溫速度緩慢，改變條件困難；升溫時(shí)所有的部件都被加熱，不用的部件也在升溫降溫過(guò)程時(shí)經(jīng)受熱疲勞損耗。
獨立加熱單元是指任何一個(gè)進(jìn)樣口和檢測器都有獨立的加熱、控溫、恒溫裝置。它的優(yōu)點(diǎn)是任何一個(gè)部件都可設定為不同的溫度，且由于加熱塊體積小、儲熱值低，升溫降溫速度都有很大的提高，能夠提供進(jìn)樣口程序升溫等功能，豐富了色譜技術(shù)的手段。它的缺點(diǎn)是各成一獨立系統，對溫度控制的技術(shù)要求高，且元件增多，成本相對較高。
采用總加熱塊單元的氣相色譜儀一般采用“u”形柱(如Gc-7A、Gc-9A、GC-14A)，因為各部件的位置被限定在一個(gè)加熱塊中，必須排列緊湊。采用獨立加熱單元的氣相色譜儀一般采用圓形柱，因為它的進(jìn)樣口和檢測器需要相隔一定距離，原因在于：各個(gè)獨立加熱單元的降溫是通過(guò)周?chē)諝饫鋮s而實(shí)現，如進(jìn)樣口和檢測器相隔太近，會(huì )互相影響散熱效果。從總加熱塊單元到獨立單元加熱是一個(gè)大趨勢。
2.2 爐溫控制(Oven temperature control)
氣相色譜儀爐溫控制性能水平往往能體現這臺儀器的層次和水準，爐溫控制技術(shù)的衍變從柱溫箱排熱口的變化就可以看出來(lái)。Gc-7A沒(méi)有柱溫箱排熱口，其升溫降溫速度慢得令人生畏，使操作者輕易不敢改變條件；GC-9A、GC-14A具有狹長(cháng)縫型的排熱口，使效果有了一定改善；Gc-17A進(jìn)一步改為兩個(gè)方形的排熱口，降溫效果令人滿(mǎn)意。
在爐溫控制的操作系統方面，Gc-7A采用機械撥盤(pán)方式，很不方便。從Gc-9A開(kāi)始利用電子控制，采用鍵盤(pán)輸入參數�？梢哉f(shuō)，島津公司的氣相色譜儀從Gc-9A才算是開(kāi)始進(jìn)入現代化。而Gc-17A是由工作站控制，可以很方便地進(jìn)行程序控溫。
2．3 氣體流量控制(Flow control)Gc-7A、GC-9A．Gc-14A都采用了經(jīng)典的機械式表閥控制，如壓力表和轉子流量計。
一般需要精確控制載氣流量的部件使用轉子流量計，只需粗略控制的部位使用壓力表，如作為輔助燃燒氣體的氫氣和空氣流量控制基本上都使用壓力表。
機械表閥控制優(yōu)點(diǎn)是：可靠，耐用、經(jīng)濟。它的缺點(diǎn)在于：每次開(kāi)機時(shí)都要從零點(diǎn)慢慢地調高，關(guān)閉時(shí)再調回零位，由于每次調節都有不可避免存在人為的差異，每次的流量難以保持一致，因此在檢測過(guò)程中不能改變流量。而電子壓力控制采用電磁閥取代機械表閥，只需要輸入一個(gè)數值即可找到預定的流量或壓力，方便．準確、迅速，還可以提供程序升壓手段，可謂是流量控制的一次革命。
電子控制流量克服了機械控制流量的缺陷，但也帶來(lái)了新的問(wèn)題：
(1)如果氣源壓力變化太大，容易因為強烈沖擊而損壞，機械式表閥則不存在這個(gè)問(wèn)題。
(2)一旦遭遇意外停電，電磁閥停止工作，停止供氣，色譜柱在高溫沒(méi)有載氣通過(guò)時(shí)極易損壞。
(3)從理論上來(lái)說(shuō)，轉子流量計是測載氣流量最穩定準確的元件，很難產(chǎn)生偏差；而電子壓力控制必竟是一個(gè)電子模擬機械過(guò)程，長(cháng)期使用后有可能出現細微的偏差。
2．4 數據處理系統(Data analysis unit)
Gc-7A配置繪圖儀，Gc-9A配置積分儀或不可儲數據的數據處理機，GC-14A配置可存儲數據的數據處理機，Gc-17A配置化學(xué)工作站進(jìn)行數據處理。數據系統數據處理系統是氣相色譜儀中進(jìn)步最快，使用者得益最大的部分，它使操作儀器的工作越來(lái)越方便。在發(fā)明積分儀之前，測量色譜峰的峰面積只能手工用積分尺量算或剪紙稱(chēng)重，往往一個(gè)色譜峰就要花去半天的時(shí)間�，F在，檢測工作完成后可很快得到所有的譜數據。
從繪圖儀到積分儀，再由數據處理機到化學(xué)工作站，其中的進(jìn)步主要應歸功于電子技術(shù)日新月異的發(fā)展。
2．5檢測器系統(Detector)
在氣相色譜儀的各個(gè)部件中，檢測器相對較穩定，內部結構和組成并沒(méi)有革命性的進(jìn)展，檢測性能提高也有限，但是穩定速度有了長(cháng)足的進(jìn)步，如Gc-17A的電子捕獲檢測器，它的穩定速度比Gc-14A快了10倍，降溫效率更是達到了每10分鐘降100攝氏度的驚人速度。
2.6主機系統控制部分(Total system control)在工作站出現以前，只能手工設置主機的各種運行參數，因此，開(kāi)動(dòng)一臺儀器，需要進(jìn)行許多瑣碎的設定與調整步驟，開(kāi)閉許多開(kāi)關(guān)，調節許多旋鈕。對設備不是很熟悉的人員經(jīng)常會(huì )發(fā)生錯誤。
在運用工作站之后，使用者可以將不同實(shí)驗的各種儀器參數、運行程序輸入計算機內，下次直接調用即可工作，完成從開(kāi)機、檢測、處理結果等各個(gè)步驟，再也不需對儀器各個(gè)部件的參數進(jìn)行逐項輸入和確定，使操作更加簡(jiǎn)便。島津公司的氣相色譜儀系列在GC-17A后普遍使用了工作站對儀器進(jìn)行直接控制。
3 今后氣相色譜儀的發(fā)展趨勢
從GC-7A到Gc-17A的發(fā)展過(guò)程，可以看到一段從機械儀器到電子儀器的發(fā)展歷程。早期的氣相色譜儀由于電子技術(shù)水平及材料科學(xué)的限制，也限制了設計師的思路與發(fā)揮，使得當時(shí)的色譜技術(shù)也受到了很大的局限，如程序升溫、程序升壓等現在輕而易舉的技術(shù)手段在當時(shí)是非常麻煩和不實(shí)用的。
隨著(zhù)電子技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，不僅強化了氣相色譜儀的功能，而且也極大地豐富了應用氣相色譜儀技術(shù)的方法和手段，同時(shí)更給設計師的設計思想帶來(lái)了深刻的影響和促進(jìn)，從而更快地推動(dòng)氣相色譜儀的進(jìn)步。
由這個(gè)趨勢而延伸，筆者預測一下未來(lái)氣相色譜儀的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)，看一看今后的氣相色譜儀會(huì )變成什么樣子。
3．1計算機成為標準配置由于計算機技術(shù)的廣泛運用以及計算機價(jià)格的不斷下跌，計算機將成為氣相色譜儀的標準配置。目前在氣相色譜儀上常見(jiàn)的控制面板將被取消，只在側面保留少數氣體流量開(kāi)關(guān)。儀器各部件的運行參數完全是由計算機控制，使得氣相色譜儀的體積更小，結構更簡(jiǎn)單，成本更低。
3．2可以靈活更換的功能模塊目前，氣相色譜儀的進(jìn)樣口，檢測器一旦安裝上之后就很難拆卸或更換，因為它們的接口部位、氣路連接部分都沒(méi)有統一的規格，且在設計上也沒(méi)有考慮到經(jīng)常拆卸的必要性。
今后的進(jìn)樣口和檢測器各模塊都將采用統一規格的方形接口，方便用戶(hù)任意插拔，選擇不同的條件。套接式的氣路連接口位于模塊的底部，用模塊頂端的手擰式螺母固定。
3．3數據采集的網(wǎng)卡化各家公司目前各式各樣且價(jià)格不菲的數據采集卡將逐漸消失，取代它們的是計算機網(wǎng)卡。檢測數據通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳遞給計算機，這樣更進(jìn)一步降低了儀器的成本.
3.4出現能共享的控制軟件目前，各種氣相色譜儀的工作站都是專(zhuān)用的，即只能控制某一家公司生產(chǎn)的某一種型號的氣相色譜儀。
隨著(zhù)電子元件的高度應用，意味著(zhù)只要控制電信號即可控制儀器。因此，盡管各家氣相色譜儀的信號模式及其量程都有所區別，但是一套軟件如果同時(shí)存儲了幾種儀器的信號參數，則通過(guò)選擇不同型號就叮以控制不同公司生產(chǎn)的儀器。
3 . 5價(jià)格的大幅下降部件的減少與集約意味著(zhù)成本的降低。除檢測器價(jià)格下降空間有限外，考慮到控制面板，數據采集卡的取消，以及其它部件的集約化設計，整套儀器(包括計算機)的價(jià)格估計至少能下降一半左右。
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