氣相色譜(GC)百科

氣液色譜法（英語：Gas chromatography，又稱氣相層析）是一種在有機(jī)化學(xué)中對(duì)易于揮發(fā)而不發(fā)生分解的化合物進(jìn)行分離與分析的色譜技術(shù)。氣相色譜的典型用途包括測(cè)試某一特定化合物的純度與對(duì)混合物中的各組分進(jìn)行分離（同時(shí)還可以測(cè)定各組分的相對(duì)含量）在某些情況下，氣相色譜還可能對(duì)化合物的表征有所幫助。在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以用于從混合物中制備純品。

GC主要是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)混合物的分離，其過程如圖氣相分析流程圖所示。待分析樣品在汽化室汽化后被惰性氣體（即載氣，也叫流動(dòng)相）帶入色譜柱，柱內(nèi)含有液體或固體流動(dòng)相，由于樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向于在流動(dòng)相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣是流動(dòng)的，這種平衡實(shí)際上很難建立起來。也正是由于載氣的流動(dòng)，使樣品組分在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行反復(fù)多次的分配或吸附/解吸附，結(jié)果是在載氣中濃度大的組分先流譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當(dāng)組分流譜柱后，立即進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器能夠?qū)悠方M分的與否轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而電信號(hào)的大小與被測(cè)組分的量或濃度成正比。當(dāng)將這些信號(hào)放大并記錄下來時(shí)，就是圖了。

儀器

中的流動(dòng)相（或活動(dòng)相）是載氣，通常使用惰性氣體（如氦氣）或反應(yīng)性差的氣體（如氮?dú)猓?。固定相則由一薄層液體或聚合物附著在一層惰性的固體載體表面構(gòu)成。固定相裝在由玻璃或金屬制成的一根空心管柱內(nèi)（稱為色譜柱）。用作進(jìn)行的儀器稱為儀（或“氣體分離器"）。

（1）載氣系統(tǒng) 儀中的氣路是一個(gè)載氣連續(xù)運(yùn)行的密閉管路系統(tǒng)。整個(gè)載氣系統(tǒng)要求載氣純凈、密閉性好、流速穩(wěn)定及流速測(cè)量準(zhǔn)確。 　　

（2）進(jìn)樣系統(tǒng) 進(jìn)樣就是把氣體或液體樣品速而定量地加到色譜柱上端。 　　

（3）分離系統(tǒng) 分離系統(tǒng)的核心是色譜柱，它的作用是將多組分樣品分離為單個(gè)組分。色譜柱分為填充柱和毛細(xì)管柱兩類。 　　

（4）檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)器的作用是把被色譜柱分離的樣品組分根據(jù)其特性和含量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)放大后，由記錄儀記錄成色譜圖。 　　

（5）信號(hào)記錄或微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 近年來儀主要采用色 譜數(shù)據(jù)處理機(jī)。色譜數(shù)據(jù)處理機(jī)可打印記錄色譜圖，并能在同一張記錄紙上打印出處理后的結(jié)果，如保留時(shí)間、被測(cè)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。 　　

（6）溫度控制系統(tǒng) 用于控制和測(cè)量色譜柱、檢測(cè)器、氣化室溫度，是儀的重要組成部分。

分析方法

分析方法實(shí)際上是在某一特定的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(duì)于某一分析的更佳條件的過程。

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(cè)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(cè)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(cè)器類型。有一些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(duì)分析的效果有重要影響。

載氣選擇與載氣流速

典型的載氣包括氦氣、氮?dú)?、氬氣、氫氣和空氣。通常，選用何種載氣取決于檢測(cè)器的類型。例如，放電離子化檢測(cè)器（DID）需要氦氣作為載氣。不過，當(dāng)對(duì)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(duì)氬氣中的混合物進(jìn)行分析時(shí)，更好用氬氣作載氣，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(cè)器不僅僅決定了載氣的種類，還決定了載氣的純度（雖然對(duì)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，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(jí)"，“高純度（UHP）級(jí)"，“4.5級(jí)"和“5.0級(jí)"。

載氣流速對(duì)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，更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(cè)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)代的儀已經(jīng)能用電路自動(dòng)測(cè)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)。

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)）。

樣品量與進(jìn)樣技術(shù)

進(jìn)樣技術(shù)

真正的分析過程從樣品進(jìn)入色譜柱開始。毛細(xì)管法的發(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(cè)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。

以下是一些進(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)到它的更佳分離效率；

對(duì)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(duì)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(duì)較大的樣品。

但是，也有一些問題存在于當(dāng)前的進(jìn)樣技術(shù)中，即使這并不是破壞性問題。

即便更好的進(jìn)樣口注射器聲稱其有3%的精度，但是在非專業(yè)人士的操作中仍然會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

射針（Needle）在射出樣品的時(shí)候也許會(huì)從隔膜上切下小塊的膠（rubber）。這也許會(huì)堵住射針并且導(dǎo)致下一次使用時(shí)注射器填充出現(xiàn)問題。這可能不是一個(gè)能被明顯發(fā)現(xiàn)的問題。

部分的樣品可能在從注射器的連續(xù)射出后困在隔膜中。這會(huì)導(dǎo)致后來的色譜圖中產(chǎn)生鬼峰（Ghost Peak）。

射針的末端可能使一些易揮發(fā)的樣品組分蒸發(fā)，產(chǎn)生選擇性的樣品損失。

色譜柱的選擇[編輯]

色譜柱的選擇取決于樣品以及測(cè)定。在選擇色譜柱時(shí)，混合物的極性是一項(xiàng)主要的化學(xué)屬性因素，但是其官能團(tuán)的作用也會(huì)影響到色譜柱的選擇。樣品的極性必須與色譜柱固定相的極性非常匹配，來增加分辨率和分離度，同時(shí)減少了運(yùn)行時(shí)間。固定相的膜厚，色譜柱的長度和直徑也都會(huì)影響分離度和運(yùn)行時(shí)間。

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)管柱的儀恒溫箱

儀中的色譜柱放置于溫度由電子電路控制的恒溫箱內(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(duì)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。

控溫程序使得較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。

數(shù)據(jù)整理與分析

定性分析

一般來說，色譜分析的結(jié)果用色譜圖來表示。在色譜圖中，橫坐標(biāo)為保留時(shí)間，縱坐標(biāo)為檢測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度。色譜圖中有一系列的峰，代表著被分析物中在不同的時(shí)間被洗脫出來的各種物質(zhì)。在分析條件相同的前提下，保留時(shí)間可以用于表征化合物。同時(shí)，在分析條件相同時(shí)，同一化合物的峰的形態(tài)也是相同的，這對(duì)于表征復(fù)雜混合物很有幫助。然而，現(xiàn)代的分析很多時(shí)候采用聯(lián)用技術(shù)，即儀與質(zhì)譜儀或其它能夠表征各峰對(duì)應(yīng)化合物的簡(jiǎn)單檢測(cè)器相連。

定量分析

在色譜圖中，峰面積與分析物的含量成正比。通過用積分計(jì)算峰面積，可以定出分析物中各組分的濃度。分析物的濃度也可以通過校準(zhǔn)曲線來獲得。通過配制一系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品并測(cè)量它們的響應(yīng)（信號(hào)強(qiáng)度）可以繪制出校準(zhǔn)曲線。分析物的濃度還可以通過被分析物的相對(duì)響應(yīng)因子來確定。相對(duì)響應(yīng)因子指的是被分析物的信號(hào)與內(nèi)標(biāo)物（或外標(biāo)物）的預(yù)期響應(yīng)比值，它可以通過固定內(nèi)標(biāo)物（一種加入到樣品之中并具有標(biāo)準(zhǔn)濃度，且保留時(shí)間與被分析物不同的化合物）的含量而改變被分析物的含量，觀察信號(hào)響應(yīng)的變化來計(jì)算。

在大多數(shù)現(xiàn)代的-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)之中，計(jì)算機(jī)軟件可以繪畫色譜圖，積分峰面積，并自動(dòng)將質(zhì)譜圖與文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行比對(duì)。