bsportscom:气相色谱仪TCD检测器知识汇总：TCD原理及结构组成

发布时间：2026-09-13 00:19:57   来源：bsportscom bsport体育:

  气相色谱仪TCD检测器是利用被检测组分和载气的热导系数不同而响应的浓度型检测器，有的亦称热丝型检测器或热导计、卡他计，它是知名整体性能检测器，属物理常数检测方法。

  TCD由热导池及其检测电路组成。载气流经参考池腔、进样器、色谱柱，从测量池腔排出。R1、R2为固定电阻；R3、R4分别为测量臂和参考臂热丝。

  四臂热导池的桥电路基本不变，只是将固定电阻R1、R2也都换成了热丝，并且让两对臂为测量臂，另两对臂为参比臂。四臂热导池的灵敏度比双臂热导池的高一倍。

  当调节载气流速、桥电流及TCD温度至一定值后，TCD处于工作状态。从电源E流出之电流I在A点分成二路i1、i2至B点汇合，而后回到电源。这时，两个热丝均处于被加热状态，维持一定的丝温Tf，池体处于一定的池温Tw。一般要求Tf与Tw差应大于100℃以上，以保证热丝向池壁传导热量。当只有载气经过测量臂和参考臂时，由于二臂气体组成相同，从热丝向池壁传导的热量相等，故热丝温度保持恒定；热丝的阻值是温度的函数，温度不变，阻值亦不变；这时电桥处于平衡状态：R1·R3＝R2·R4, 或写成R1/R4＝R2/R3。M、N二点电位相等，电位差为零，无信号输出。当从2进样，经柱分离，从柱后流出之组分进入测量臂时，由于这时的气体是载气和组分的混合物，其热导系数不同于纯载气，从热丝向池壁传导的热量也就不同，从而引起两臂热丝温度不同，进而使两臂热丝阻值不同，电桥平衡破坏。M、N二点电位不等，即有电位差，输出信号。

  （1）热导系数（λ） 若物体内的各部分温度不同，从高温处向低温处将有热量的传递，这一现象叫热传导。热导系数（λ）就是反映物体热传导能力的物理量，λ越大，热传导能力越强。热导池作为检测器，就是基于不同气体或蒸气具有不一样的热导系数。在热导池中，热传递的主要形式为气体传导和强制对流。

  （2）TCD工作原理 以双臂热导池桥电路为例，来说明气相色谱仪的TCD的工作原理。在TCD的两池孔内装入完全相同的热丝，组成参比臂和测量臂；另取两只完全相同的电阻R1和R2，将它们与热丝连接成惠斯登电桥。仪器工作时，热丝被恒定的电流加热，载气以稳定的速度流经池孔。未进样时，两池孔通过等速的载气，从两热丝上带走相同的热量，二热丝的温度相同，电阻值相等，即R参 = R测。

  又由R1=R2，故有：R1R参 = R2R测。电桥满足“两对臂阻值的乘积相等”的平衡条件，a，b两端的电位相等，无信号电压输出，记录仪仅仅走基线。当进样后，纯载气仍然通过参比臂，载气与组分的混合气体则经过测量臂，由于组分和载气的热导系数不同，因此气流从测量臂热丝上带走的热量将会改变， 进而引起该热丝温度的变化，其电阻值也将改变为R测+△R；但是参比臂的温度和电阻值仍然不变，于是：R1R参 ≠R2（R测+△R）。电桥平衡被破坏，a，b之间有不平衡电压输出。在检测器的线性范围内，输出电压的大小随组分及其浓度不同而异，组分与载气的热导系数相差越大，组分在载气中的浓度越大，输出的信号电压就越大。记录仪将此电压放大并记录下来，便得到该组分的色谱图。

  如果信号强度太大，将超出记录仪的满标量程，这时能够正常的使用衰减器减小信号幅度。衰减器由在a、b之间连接的一系列分压电阻和一个转换开关构成。根据串联电阻的分压原理，转动转换开关，便可使输出信号电压被衰减为1/2，1/4，1/8，···，1/256，然后再输送给记录仪。

  热敏元件是气相色谱仪TCD的感应元件，其阻值随气温变化而改变，它们能是热敏电阻或热丝。

  （1）热敏电阻：热敏电阻由锰、镍、钴等氧化物半导体制成直径约为0.1～1.0mm的小珠，密封在玻壳内。

  热敏电阻有三个优点：①热敏电阻阻值大（5～50kΩ），温度系数亦大，故灵敏度相当高。可直接作μg/g级的痕量分析；②热敏电阻体积小，可作成0.25mm直径的小球，这样池腔可小至50μL；③热敏电阻对载气流的波动不敏感，它抵抗腐蚀能力和抗氧化。

  热敏电阻也有三个缺点：①热敏电阻#$%的响应值随温度的增加而迅速下降，因此，通常热敏电阻要在120℃以下使用。应用限制范围受到极大的限制；②与热丝相比，热敏电阻的温度系数大，表现为其响应值对于温度的变化十分敏感。例如在60℃时，池温改变1℃，热敏电阻和热丝的基线mV，前者比后者大一倍多，因此，热敏电阻的稳定性差，尤其是在程升操作时，尤为突出；③热敏电阻对还原条件十分敏感，故不能用氢气作载气。

  目前，只有下二情况可用热敏电阻作热敏元件；一是低温痕量分析；二是需小池体积配毛细管柱。其他情况很少用热敏电阻，而多用热丝。而且，近年热敏电阻可作成小池体积的优势也在逐渐下降。

  （2）热丝：一个性能优异的TCD，对热丝的要求主要考虑四点：①电阻率高，以便可在相同长度内得到高阻值；②电阻温度系数大，以便通桥流加热后得到高阻值；③强度好；④耐氧化或腐蚀。①、②是为了获得高灵敏度，同时丝体积小，可缩小池体积，制作微TCD。③、④是为了获得高稳定性。表

  钨丝电阻率低，相同长度之阻值只有铁铼丝的一半，灵敏度难以提高。另外，钨丝强度差，高温下易氧化，致使噪声增加、信!噪比下降。

  铼-钨丝与钨丝相比，电阻率高，电阻温度系数略低。因S值大体上正比于α√ρ。3％、5％铼-钨丝和钨丝的α√ρ值分别为12.2×103、11.7×103、10.29×103。可见铼钨丝之α√ρ值均高于钨丝。故前者有利于提高灵敏度。

  另外，铼钨丝与钨丝相比，拉断力明显提高，且高温特性好，故稳定性很高。但它仍存在高温下易氧化的问题。现在高性能TCD均用铼钨丝。如HP6890型，岛津GC-17A型的μ-TCD热丝，润扬仪器GC-2020/GC-2030微型热导池。

  铼钨丝有两种系列：纯钨加铼（W-Re）合金丝和掺杂钨加铼（Wal2-Re）合金丝。在电阻率、加工成型性能和高温强度等方面，后者均优于前者。因此，在相同结构设计和操作条件下，选用后者可获得较高电阻值。掺杂钨加铼合金丝中，其阻值和TCD灵敏度均随掺铼量的增加而提高，见表3-2-4。

  镀金铼钨丝是指先在支架上焊未镀金铼钨丝，经严格清洗后，再在电解槽中直接镀金的铼钨丝。阻值虽约下降11%，在相同桥流下灵敏度下降约30%，但其抗氧化性和抵抗腐蚀能力明显提高，兼顾了灵敏度和稳定能力。先镀金后焊至支架上的镀金铼钨丝，效果较差。

  池体是一个内部加工成池腔和孔道的金属体。池材料早期多用铜，因它的热传导性能好，但它防腐性能差。故近年已为不锈钢形式示意图所取代。通常将内部池腔和孔道的总体积称池体积。早期TCD的池体积多为500-800μL，后减小至100-500μL，仍称通常TCD。它适用于填充柱。近年发展了微TCD，其池体积均在100μL以下，有的达3.5μL，它适用于毛细管柱，润扬仪器在这方面做出不少尝试并取得不错的使用效果，也是今后的发展趋势之一。

  （1）通常TCD池：通常TCD池按载气对热丝的流动方式（见图3-2-4）可分直通式（a）、扩散式（b）和半扩散式（c），三种流型性能比较见表3-2-5。

  （2）微型TCD池：由于池体积已减小至几微升，甚至200nL，故在μ-TCD中，载气流动方式已不像通常TCD那样明显，基本上可分成直通和准直通式两种，图3-2-5 列出了几种μ-TCD池结构。能够准确的看出，μ-TCD池腔体积仅数微升或数十微升，标准毛细管柱可直接与之相连，基本上不会造成峰扩张。当然在灵敏度许可的情况下，适当加尾吹气，对改善峰形还是十分有利的。

  μ-TCD池腔体积虽小，但是为使其工作稳定，池块还应有适当的质量，以保证恒温效果，从而使基线稳定。

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