[科普中國]-氣相色譜法

簡介定義

氣相色譜法（gas chromatography 簡稱GC）是色譜法的一種。色譜法中有兩個(gè)相，一個(gè)相是流動(dòng)相，另一個(gè)相是固定相。如果用液體作流動(dòng)相，就叫液相色譜，用氣體作流動(dòng)相，就叫氣相色譜。

氣相色譜法由于所用的固定相不同，可以分為兩種，用固體吸附劑作固定相的叫氣固色譜，用涂有固定液的單體作固定相的叫氣液色譜。

按色譜分離原理來分，氣相色譜法亦可分為吸附色譜和分配色譜兩類，在氣固色譜中，固定相為吸附劑，氣固色譜屬于吸附色譜，氣液色譜屬于分配色譜。

按色譜操作形式來分，氣相色譜屬于柱色譜，根據(jù)所使用的色譜柱粗細(xì)不同，可分為一般填充柱和毛細(xì)管柱兩類。一般填充柱是將固定相裝在一根玻璃或金屬的管中，管內(nèi)徑為2～6毫米。毛細(xì)管柱則又可分為空心毛細(xì)管柱和填充毛細(xì)管柱兩種。空心毛細(xì)管柱是將固定液直接涂在內(nèi)徑只有0.1～0.5毫米的玻璃或金屬毛細(xì)管的內(nèi)壁上，填充毛細(xì)管柱是近幾年才發(fā)展起來的，它是將某些多孔性固體顆粒裝入厚壁玻管中，然后加熱拉制成毛細(xì)管，一般內(nèi)徑為0.25～0.5毫米。

在實(shí)際工作中，氣相色譜法是以氣液色譜為主。

檢測器氣相色譜法中可以使用的檢測器有很多種，最常用的有火焰電離檢測器（FID）與熱導(dǎo)檢測器（TCD）。這兩種檢測器都對很多種分析成分有靈敏的響應(yīng)，同時(shí)可以測定一個(gè)很大的范圍內(nèi)的濃度。TCD從本質(zhì)上來說是通用性的，可以用于檢測除了載氣之外的任何物質(zhì)（只要它們的熱導(dǎo)性能在檢測器檢測的溫度下與載氣不同），而FID則主要對烴類響應(yīng)靈敏。FID對烴類的檢測比TCD更靈敏，但卻不能用來檢測水。兩種檢測器都很強(qiáng)大。由于TCD的檢測是非破壞性的，它可以與破壞性的FID串聯(lián)使用（連接在FID之前），從而對同一分析物給出兩個(gè)相互補(bǔ)充的分析信息。

有一些氣相色譜儀與質(zhì)譜儀相連接而以質(zhì)譜儀作為它的檢測器，這種組合的儀器稱為氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS，簡稱氣質(zhì)聯(lián)用），有一些氣質(zhì)聯(lián)用儀還與核磁共振波譜儀相連接，后者作為輔助的檢測器，這種儀器稱為氣相色譜-質(zhì)譜-核磁共振聯(lián)用（GC-MS-NMR）。有一些GC-MS-NMR儀器還與紅外光譜儀相連接，后者作為輔助的檢測器，這種組合叫做氣相色譜-質(zhì)譜-核磁共振-紅外聯(lián)用（GC-MS-NMR-IR）。但是必須指出，這種情況是很少見的，大部分的分析物用單純的氣質(zhì)聯(lián)用儀就可以解決問題。1

原理氣相色譜系統(tǒng)由盛在管柱內(nèi)的吸附劑（表1） 或惰性固體上涂著液體的固定相和不斷通過管柱的氣體的流動(dòng)相組成。將欲分離、分析的樣品從管柱一端加入后，由于固定相對樣品中各組分吸附或溶解能力不同，即各組分在固定相和流動(dòng)相之間的分配系數(shù)有差別，當(dāng)組分在兩相中反復(fù)多次進(jìn)行分配并隨移動(dòng)相向前移動(dòng)時(shí)，各組分沿管柱運(yùn)動(dòng)的速度就不同，分配系數(shù)小的組分被固定相滯留的時(shí)間短，能較快地從色譜柱末端流出。以各組分從柱末端流出的濃度 c對進(jìn)樣后的時(shí)間t作圖，得到的圖稱為色譜圖。當(dāng)色譜過程為沖洗法方式時(shí)，色譜圖如圖1所示。從色譜圖可知，組分在進(jìn)樣后至其最大濃度流出色譜柱時(shí)所需的保留時(shí)間tR，與組分通過色譜柱空間的時(shí)間tM，及組分在柱中被滯留的調(diào)整保留時(shí)間t'R之間的關(guān)系是：式中t'R與tM的比值表示組分在固定相比在移動(dòng)相中滯留時(shí)間長多少倍，稱為容量因子k。

從色譜圖還可以看到從柱后流出的色譜峰不是矩形，而是一條近似高斯分布的曲線，這是由于組分在色譜柱中移動(dòng)時(shí)，存在著渦流擴(kuò)散、縱向擴(kuò)散和傳質(zhì)阻力等因素，因而造成區(qū)域擴(kuò)張。在色譜柱內(nèi)固定相有兩種存放方式，一種是柱內(nèi)盛放顆粒狀吸附劑，或盛放涂敷有固定液的惰性固體顆?！草d體或稱擔(dān)體（表2）〕；另一種是把固定液涂敷或化學(xué)交聯(lián)于毛細(xì)管柱的內(nèi)壁。用前一種方法制備的色譜柱稱為填充色譜柱，后一種方法制備的色譜柱稱為毛細(xì)管色譜柱（或稱開管柱）。

色譜分析綜述從色譜圖可以看到，色譜峰是組分在色譜柱運(yùn)行的結(jié)果，它是判斷組分是什么物質(zhì)及其含量的依據(jù)，色譜法就是依據(jù)色譜峰的移動(dòng)速度和大小來取得組分的定性和定量分析結(jié)果的。

定性分析在給定的條件下，表示組分在色譜柱內(nèi)移動(dòng)速度的調(diào)整保留時(shí)間是判斷組分是什么物質(zhì)的指標(biāo)，即某組分在給定條件下的t惱值必定是某一數(shù)值（圖 1）。為了盡量免除載氣流速、柱長、固定液用量等操作條件的改變對使用t惱值作定性分析指標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的不方便，可進(jìn)一步用組分相對保留值α或組分的保留指數(shù)來進(jìn)行定性分析。計(jì)算組分 i在給定的柱溫和固定相時(shí)的保留指數(shù)Ii的公式為（公式4）式中n與n+1是緊靠在組分i前后流出的正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù)氣相色譜法 是這兩個(gè)正構(gòu)烷烴的調(diào)整保留時(shí)間。

將樣品進(jìn)行色譜分析后，按同樣的實(shí)驗(yàn)條件用純物質(zhì)作實(shí)驗(yàn)，或者查閱文獻(xiàn)，把兩者所得的定性指標(biāo)（α值、t惱值或I值）相比較如果樣品和純物質(zhì)都有定性指標(biāo)數(shù)值一致的色譜峰，則此樣品中有此物質(zhì)。

由于只能說相同物質(zhì)具有相同保留值的色譜峰，而不能說相同保留值的色譜峰都是一種物質(zhì)，所以為了更好地對色譜峰進(jìn)行定性分析，還常采用其他手段來直接定性，例如采用氣相色譜和質(zhì)譜或光譜聯(lián)用，使用選擇性的色譜檢測器，用化學(xué)試劑檢測和利用化學(xué)反應(yīng)等2。

定量分析色譜峰的大小由峰的高度或峰的面積確定?？捎檬止さ姆椒y量峰高，和以峰高h(yuǎn)與峰高一半處的峰寬ω┩的乘積表示峰面積。A=hω┩。新型的色譜儀都有積分儀或微處理機(jī)給出更精確的色譜峰高或面積。應(yīng)該注意，組分進(jìn)入檢測器產(chǎn)生的相應(yīng)的色譜信號大?。ǚ甯呋蚍迕娣e）隨所用檢測器類別和載氣的不同而異，有時(shí)甚至受到物質(zhì)濃度和儀器結(jié)構(gòu)的影響。所以須將所得的色譜信號予以校正，才能與組分的量一致，即需要用下式校正組分的重量：

W=f′A式中f′為該組分的定量校正因子。依上式從色譜峰面積（或峰高）可得到相應(yīng)組分的重量，進(jìn)一步用下述方法之一計(jì)算出組分i在樣品中的含量Wi：①歸一化法將組分的色譜峰面積乘以各自的定量校正因子，然后按下式計(jì)算（公式5）此法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡便，進(jìn)樣量與載氣流速的影響不大；缺點(diǎn)是樣品中的組分必須在色譜圖中都能給出各自的峰面積，還必須知道各組分的校正因子。

② 內(nèi)標(biāo)法，向樣品中加入被稱為內(nèi)標(biāo)物的某物質(zhì)后，進(jìn)行色譜分析，然后用它對組分進(jìn)行定量分析。例如稱取樣品Wm克，將內(nèi)標(biāo)物Wφ克加入其中，進(jìn)行色譜分析后，得到欲測定的組分與內(nèi)標(biāo)物的色譜峰面積分別為Ai和Aφ，則可導(dǎo)出：（公式6）此方法沒有歸一化法的缺點(diǎn)，不足之處是要求準(zhǔn)確稱取樣品和內(nèi)標(biāo)物的重量，選擇合適的內(nèi)標(biāo)物。

③ 外標(biāo)法在進(jìn)樣量、色譜儀器和操作等分析條件嚴(yán)格固定不變的情況下，先用組分含量不同的純樣等量進(jìn)樣，進(jìn)行色譜分析，求得含量與色譜峰面積的關(guān)系用下式進(jìn)行計(jì)算，此法適用于工廠控制分析，特別是氣體分析；缺點(diǎn)是難以做到進(jìn)樣量固定和操作條件穩(wěn)定 2。

分析方法分析方法實(shí)際上是在某一特定的氣相色譜分析中使用的一系列條件。建立分析方法實(shí)際上是確定對于某一分析的最佳條件的過程。

為了滿足某一特定的分析的要求，可以改變的條件包括進(jìn)樣口溫度，檢測器溫度，色譜柱溫度及其控溫程序，載氣種類及載氣流速，固定相，柱徑，柱長，進(jìn)樣口類型及進(jìn)樣口流速，樣品量，進(jìn)樣方式等。檢測器還可能有其它可供調(diào)節(jié)的參數(shù)，這取決于所使用的檢測器類型。有一些氣相色譜儀還有可以控制樣品與載氣流向的閥門，這些閥門開啟與關(guān)閉的時(shí)間也可能對分析的效果有重要影響。 該儀器有兩個(gè)閥門，用來控制載氣進(jìn)入定量管。當(dāng)定量管充滿樣品氣后，切換閥門，載氣就會(huì)通過定量管。載氣的壓強(qiáng)會(huì)將樣品帶入到色譜柱中進(jìn)行分離。

氣相色譜法載氣選擇與載氣流速

典型的載氣包括氦氣、氮?dú)狻鍤?、氫氣和空氣。通常，選用何種載氣取決于檢測器的類型。例如，放電離子化檢測器（DID）需要氦氣作為載氣。不過，當(dāng)對氣體樣品進(jìn)行分析的時(shí)候，載氣有時(shí)是根據(jù)樣品的母體選擇的，例如，當(dāng)對氬氣中的混合物進(jìn)行分析時(shí)，最好用氬氣作載氣，因?yàn)檫@樣做可以避免色譜圖中出現(xiàn)氬的峰。安全性與可獲得性也會(huì)影響載氣的選擇，比如說，氫氣可燃，而高純度的氦氣某些地區(qū)難以獲得。（參見：氦氣——分布與生產(chǎn)） 很多時(shí)候，檢測器不僅僅決定了載氣的種類，還決定了載氣的純度（雖然對靈敏度的要求也在很大程度上影響載氣純度的要求）。通常來說，氣相色譜中所用的載氣，純度應(yīng)該在99.995%以上。用于標(biāo)識(shí)純度的典型商品名包括“零點(diǎn)氣級”，“高純度（UHP）級”，“4.5級”和“5.0級”。3 載氣流速對分析的影響在方式上與溫度類似（見下文）。載氣流速越高，分析速度越快，但是分離度越差。因此，最佳載氣流速的選擇與柱溫的選擇一樣，都需要在分析速度與分離度之間取得平衡。二十世紀(jì)九十年代之前生產(chǎn)的氣相色譜儀的載氣流速往往通過載氣入口的壓力（柱前壓）進(jìn)行控制，實(shí)際的載氣流速則在柱的出口端通過電子流量計(jì)或皂膜流量計(jì)進(jìn)行測定。這樣的一個(gè)過程常常很復(fù)雜，很耗時(shí)間，而且往往令人沮喪。在整個(gè)運(yùn)行過程中，柱前壓不能再改變，氣流必須穩(wěn)定。氣體流速與柱前壓的關(guān)系可以通過可壓縮流體的Poiseuille方程來計(jì)算。 不過，很多現(xiàn)代的氣相色譜儀已經(jīng)能用電路自動(dòng)測定氣體流速，并通過自動(dòng)控制柱前壓來控制流速。因此，載氣壓強(qiáng)與流速可以在運(yùn)行過程中調(diào)整。柱前壓/氣流控制程序（與溫度控制程序類似）隨之出現(xiàn)。

氣相色譜法進(jìn)樣口類型與流速

進(jìn)樣口類型和進(jìn)樣技術(shù)通常與樣品存在的形態(tài)（液態(tài)、氣態(tài)、被吸附、固態(tài)）以及是否存在需要?dú)饣娜軇┯嘘P(guān)。如果樣品分散良好，并且性質(zhì)已知，那么它就可以通過冷柱頭進(jìn)樣口直接進(jìn)樣；如果需要蒸發(fā)除去部分溶劑，就使用分流/不分流進(jìn)樣口（通常用注射器進(jìn)樣）；氣體樣品（如來自氣缸）通常用氣體閥進(jìn)樣器進(jìn)樣。被吸附的樣品（如在吸附管上）可以通過外部的（在線或離線）解吸裝置（如捕集-吹掃系統(tǒng)）或者在分流/不分流進(jìn)樣器中解吸（使用固相微萃取技術(shù)）。

氣相色譜法樣品量與進(jìn)樣技術(shù)

進(jìn)樣技術(shù)氣相色譜中的十分之一原則 真正的氣相色譜分析過程從樣品進(jìn)入色譜柱開始。毛細(xì)管氣相色譜法的發(fā)展使得進(jìn)樣技術(shù)面臨著很多實(shí)踐中的問題。柱上進(jìn)樣技術(shù)多用于填充柱而不適用于毛細(xì)管柱。在毛細(xì)管氣相色譜儀中的進(jìn)樣技術(shù)應(yīng)該滿足以下兩個(gè)條件：進(jìn)樣量不得超過柱的容量；與展開過程引起的樣品展寬相比，進(jìn)樣后的塞式流寬度應(yīng)該很小。如果不能滿足這一要求，色譜柱的分離能力將會(huì)下降。一個(gè)普遍的規(guī)則是，注入的體積，Vinj，和檢測器的體積，Vdet，應(yīng)該只有樣品中包含被分析物的部分出柱時(shí)的體積的十分之一。3以下是一些優(yōu)秀進(jìn)樣技術(shù)應(yīng)當(dāng)滿足的一般要求：應(yīng)該能使色譜柱達(dá)到它的最佳分離效率；對于小量的有代表性的（典型）樣品，進(jìn)樣應(yīng)具有準(zhǔn)確性和可重現(xiàn)性；不能改變樣品組成（對于具有不同的沸點(diǎn)、極性、濃度與熱力學(xué)穩(wěn)定性的物質(zhì)，進(jìn)樣過程中不應(yīng)有所差異）；應(yīng)該既適用于痕量分析，也適用于濃度相對較大的樣品。

氣相色譜法色譜柱的選擇

柱溫與溫度控制程序一個(gè)已經(jīng)拆開以顯示出內(nèi)部毛細(xì)管柱的氣相色譜儀恒溫箱氣相色譜儀中的色譜柱放置于溫度由電子電路精確控制的恒溫箱內(nèi)。（當(dāng)分析者說“柱溫”時(shí)，他實(shí)際上指的是恒溫箱的溫度。不過這種區(qū)別并不重要，因此在下文中對這兩者并不作區(qū)分。）樣品通過色譜柱的速率與溫度正相關(guān)。柱溫越高，樣品越快通過色譜柱。但是，樣品越快通過色譜柱，它與固定相之間的相互作用就越少，因此分離效果越差。通常來說，柱溫的選擇是綜合考慮分離時(shí)間與分離度的結(jié)果。柱溫在整個(gè)分析過程中不變的方法稱為恒溫方法。不過，在大部分的分析方法中，柱溫隨著分析過程的進(jìn)行逐漸上升。初溫，升溫速率（溫度“斜率”）與末溫統(tǒng)稱為控溫程序?？販爻绦蚴沟幂^早被洗脫的被分析物能夠得到充分的分離，同時(shí)又縮短了較晚被洗脫的被分析物通過色譜柱的時(shí)間。

氣相色譜的應(yīng)用應(yīng)用只要在氣相色譜儀允許的條件下可以氣化而不分解的物質(zhì)，都可以用氣相色譜法測定。對部分熱不穩(wěn)定物質(zhì)，或難以氣化的物質(zhì)，通過化學(xué)衍生化的方法，仍可用氣相色譜法分析。

在石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、生物化學(xué)、食品檢測等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用

1．在衛(wèi)生檢驗(yàn)中的應(yīng)用

空氣、水中污染物如揮發(fā)性有機(jī)物、多環(huán)芳烴，苯、甲苯、苯并（a）比等；農(nóng)作物中殘留有機(jī)氯、有機(jī)磷農(nóng)藥等；食品添加劑苯甲酸等；體液和組織等生物材料的分析如氨基酸、脂肪酸、維生素等4。

2．在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中的應(yīng)用

體液和組織等生物材料的分析：如脂肪酸、甘油三酯、維生素、糖類等。

3. 在藥物分析中的應(yīng)用

抗癲癇藥、中成藥中揮發(fā)性成分、生物堿類藥品的測定等。

優(yōu)點(diǎn)①分離效率高，分析速度快，例如可將汽油樣品在兩小時(shí)內(nèi)分離出200多個(gè)色譜峰，一般的樣品分析可在20分種內(nèi)完成。

②樣品用量少和檢測靈敏度高，例如氣體樣品用量為 1毫升，液體樣品用量為0.1微升固體樣品用量為幾微克。用適當(dāng)?shù)臋z測器能檢測出含量在百萬分之十幾至十億分之幾的雜質(zhì)。

③選擇性好，可分離、分析恒沸混合物，沸點(diǎn)相近的物質(zhì)，某些同位素，順式與反式異構(gòu)體鄰、間、對位異構(gòu)體，旋光異構(gòu)體等。

④應(yīng)用范圍廣，雖然主要用于分析各種氣體和易揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì)，但在一定的條件下，也可以分析高沸點(diǎn)物質(zhì)和固體樣品。應(yīng)用的主要領(lǐng)域有石油工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、臨床化學(xué)、藥物學(xué)、食品工業(yè)等。

缺點(diǎn)在對組分直接進(jìn)行定性分析時(shí)，必須用已知物或已知數(shù)據(jù)與相應(yīng)的色譜峰進(jìn)行對比，或與其他方法（如質(zhì)譜、光譜）聯(lián)用，才能獲得直接肯定的結(jié)果。在定量分析時(shí)，常需要用已知物純樣品對檢測后輸出的信號進(jìn)行校正。