氣相色譜

，一是氣相色譜分離技術(shù)的發(fā)展，二是其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。

1952年James和Martin提出氣液相色譜法，同時(shí)也發(fā)明了第一個(gè)氣相色譜檢測(cè)

氣相色譜法

器。這是一個(gè)接在填充柱出口的滴定裝置，用來(lái)檢測(cè)脂肪酸的分離，用滴定溶液體積對(duì)時(shí)間做圖，得到積分色譜圖。之后，他們又發(fā)明了氣體密度天平。1954年Ray提出熱導(dǎo)計(jì)，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代氣相色譜檢測(cè)器的時(shí)代。此后至1957年，則進(jìn)入填充柱、TCD的年代。

1958年Gloay首次提出毛細(xì)管，同年，Mcwillian和Harley同時(shí)發(fā)明了FID，Lovelock發(fā)明了氬電離檢測(cè)器（AID）使檢測(cè)方法的靈敏度提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

20世紀(jì)60年代和70年代，由于氣相色譜技術(shù)的發(fā)展，柱效大為提高，環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，提出了痕量分析的要求，又陸續(xù)出現(xiàn)了一些高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)器，如1960年Lovelock提出電子俘獲檢測(cè)器（ECD）；1966年Brody等發(fā)明了FPD；1974年Kolb和Bischoff提出了電加熱的NPD；1976年美國(guó)HNU公司推出了實(shí)用的窗式光電離檢測(cè)器（PID）等。同時(shí)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，原有的檢測(cè)器在結(jié)構(gòu)和電路上又作了重大的改進(jìn)，如TCD出現(xiàn)了衡電流、橫熱絲溫度及衡熱絲溫度檢測(cè)電路；ECD出現(xiàn)衡頻率變電流、衡電流脈沖調(diào)制檢測(cè)電路等，從而使性能又有所提高。

20世紀(jì)80年代，由于彈性石英毛細(xì)管柱的快速?gòu)V泛應(yīng)用，對(duì)檢測(cè)器提出了體積小、響應(yīng)快、靈敏度高、選擇性好的要求，特別是計(jì)算機(jī)和軟件的發(fā)展，使TCD、FID、ECD、和NPD的靈敏度和穩(wěn)定性均有很大提高，TCD和ECD的檢測(cè)池體積大大縮小。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和軟件的飛速發(fā)展使MSD生產(chǎn)成本和復(fù)雜性下降，以及穩(wěn)定性和耐用性增加，從而成為最通用的氣相色譜檢測(cè)器之一。期間出現(xiàn)了非放射性的脈沖放電電子俘獲檢測(cè)器（PDECD）、脈沖放電氦電離檢測(cè)器（PDHID）和脈沖放電光電離檢測(cè)器（PDECD）以及集次三者為一體的脈沖放電檢測(cè)器（PDD）。四年后，美國(guó)Varian公司推出了商品儀器，它比通常FPD靈敏度高100倍。另外，快速GC和全二維GC等快速分離技術(shù)的迅猛發(fā)展，也促使快速GC檢測(cè)方法逐漸成熟。

3分析法概述編輯

氣相色譜儀是用于分離復(fù)雜樣品中的化合物的化學(xué)分析儀器。氣相色譜儀中有一根流通型的狹長(zhǎng)管道，這就是色譜柱。在色譜柱中，不同的樣品因?yàn)榫哂胁煌奈锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)，與特定的柱填充物（固定相）有著不同的相互作用而被氣流（載氣，流動(dòng)相）以不同的速率帶動(dòng)。當(dāng)化合物從柱的末端流出時(shí)，它們被檢測(cè)器檢測(cè)到，產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，并被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。在色譜柱中固定相的作用是分離不同的組分，使得不同的組分在不同的時(shí)間（保留時(shí)間）從柱的末端流出。其它影響物質(zhì)流出柱的順序及保留時(shí)間的因素包括載氣的流速，溫度等。

在氣相色譜分析法中，一定量（已知量）的氣體或液體分析物被注入到柱一端的進(jìn)樣口中（通常使用微量進(jìn)樣器，也可以使用固相微萃取纖維（solid phase microextraction fibres）或氣源切換裝置）。當(dāng)分析物在載氣帶動(dòng)下通過(guò)色譜柱時(shí)，分析物的分子會(huì)受到柱壁或柱中填料的吸附，使通過(guò)柱的速度降低。分子通過(guò)色譜柱的速率取決于吸附的強(qiáng)度，它由被分析物分子的種類(lèi)與固定相的類(lèi)型決定。由于每一種類(lèi)型的分子都有自己的通過(guò)速率，分析物中的各種不同組分就會(huì)在不同的時(shí)間（保留時(shí)間）到達(dá)柱的末端，從而得到分離。檢測(cè)器用于檢測(cè)柱的流出流，從而確定每一個(gè)組分到達(dá)色譜柱末端的時(shí)間以及每一個(gè)組分的含量。通常來(lái)說(shuō)，人們通過(guò)物質(zhì)流出柱（被洗脫）的順序和它們?cè)谥械谋Ａ魰r(shí)間來(lái)表征不同的物質(zhì)。

4檢測(cè)器編輯

氣相色譜法中可以使用的檢測(cè)器有很多種，最常用的有火焰電離檢測(cè)器（FID）與熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）。這兩種檢測(cè)器都對(duì)很多種分析成分有靈敏的響應(yīng)，同時(shí)可以測(cè)定一個(gè)很大的范圍內(nèi)的濃度。TCD從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是通用性的，可以用于檢測(cè)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(cè)器檢測(cè)的溫度下與載氣不同），而FID則主要對(duì)烴類(lèi)響應(yīng)靈敏。FID對(duì)烴類(lèi)的檢測(cè)比TCD更靈敏，但卻不能用來(lái)檢測(cè)水。兩種檢測(cè)器都很強(qiáng)大。由于TCD的檢測(cè)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(duì)同一分析物給出兩個(gè)相互補(bǔ)充的分析信息。

其它的檢測(cè)器要么只能檢測(cè)出個(gè)別的被測(cè)物，要么可以測(cè)定的濃度范圍很窄。

常見(jiàn)的檢測(cè)器包括：

放電離子化檢測(cè)器（DID），它通過(guò)高壓放電來(lái)產(chǎn)生離子。

電子俘獲檢測(cè)器，它使用β放射線源（電子流）來(lái)測(cè)量樣品對(duì)電子的俘獲能力。

火焰光度檢測(cè)器（FPD）

火焰電離檢測(cè)器（FID）

霍爾電導(dǎo)檢測(cè)器（ElCD）

氦離子化檢測(cè)器（HID）

氮磷檢測(cè)器（NPD）

質(zhì)譜檢測(cè)器（MSD）

光離子化檢測(cè)器（PID）

脈沖放電檢測(cè)器（PDD）

熱能（熱導(dǎo)）分析器/檢測(cè)器（TEA/TCD）

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(cè)器，這種組合的儀器稱(chēng)為氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)器，這種儀器稱(chēng)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(cè)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(jiàn)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(wèn)題。^[1]

5通俗文化中的氣相色譜編輯

電影，書(shū)籍與電視節(jié)目經(jīng)常歪曲氣相色譜法的能力以及運(yùn)用氣相色譜法完成的工作。

例如，在美國(guó)的電視節(jié)目《鑒證行動(dòng)組》中，人們用氣相色譜來(lái)快速地識(shí)別未知樣品。分析員在取得樣品之后十五分鐘之后就會(huì)說(shuō)：“這是在過(guò)去兩個(gè)星期中在雪佛龍公司（Chevron）的油站里購(gòu)買(mǎi)的汽油?！?/p>

事實(shí)上，一個(gè)典型的氣相色譜分析所用的時(shí)間要長(zhǎng)得多。有時(shí)依照選定的程序，一個(gè)樣品就要進(jìn)行一個(gè)多小時(shí)的分析。對(duì)色譜柱進(jìn)行“清理”以便接受下一個(gè)樣品還需要額外的時(shí)間。同時(shí)，為了驗(yàn)證一個(gè)結(jié)論，分析員往往需要進(jìn)行多次平行的分析，因?yàn)閱未畏治龅慕Y(jié)果很可能具有偶然性（參見(jiàn)顯著性差異）。

同時(shí)，氣相色譜并不能識(shí)別大部分的樣品，而且并非樣品中的所有物質(zhì)都可以通過(guò)氣相色譜檢測(cè)出來(lái)。氣相色譜真正能告訴分析者的，只是在某個(gè)時(shí)間有一種物質(zhì)從色譜柱中被洗脫出來(lái)，而且檢測(cè)器對(duì)它有響應(yīng)。為了使結(jié)果變得更有意義，分析人員需要知道樣品中可能含有什么成分，以及它們可能有怎么樣的濃度。還有，一些低含量的物質(zhì)可能因?yàn)榕c另一種高含量的物質(zhì)同時(shí)被洗脫而無(wú)法在色譜圖中表現(xiàn)出來(lái)。最后，分析人員還經(jīng)常需要將未知樣品的氣相色譜結(jié)果與可能存在的物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣品的分析結(jié)果進(jìn)行比較。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀可以很好地改善這種混淆不清的狀況，因?yàn)橘|(zhì)譜儀可以識(shí)別出各組分的相對(duì)分子質(zhì)量。不過(guò)，要很好地完成這些工作，同樣需要時(shí)間與技巧。

類(lèi)似地，絕大部分的氣相色譜分析并不是簡(jiǎn)單的按鍵操作。你不能簡(jiǎn)單地將樣品瓶放在自動(dòng)采樣器的托盤(pán)上，然后按一個(gè)按鈕，讓計(jì)算機(jī)告訴你關(guān)于樣品的所有信息。根據(jù)被分析的物質(zhì)，分析人員需要小心選擇一套合適的操作程序。

不過(guò)也要承認(rèn)，在對(duì)相似樣品的大量重復(fù)性分析之中，簡(jiǎn)單的按鍵操作是存在的。這包括化工生產(chǎn)中的分析，也包括為了確定樣品中被測(cè)物的平均含量而對(duì)同一實(shí)驗(yàn)獲得的20個(gè)樣品的分析等等。不過(guò)，那些書(shū)籍，電影與電視節(jié)目中的研究性工作絕對(duì)不屬于這種情況。

6原理編輯

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

氣相色譜法

斷通過(guò)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(duì)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(duì)進(jìn)樣后的時(shí)間t作圖，得到的圖稱(chēng)為色譜圖。當(dāng)色譜過(guò)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(guò)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：

氣相色譜法

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(zhǎng)多少倍，稱(chēng)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粒〔載體或稱(chēng)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(chēng)為填充色譜柱，后一種方法制備的色譜柱稱(chēng)為毛細(xì)管色譜柱（或稱(chēng)開(kāi)管柱）。

通常借用蒸餾法的塔片概念來(lái)表示色譜柱的效能，例如使用“相當(dāng)于一個(gè)理論塔片的高度“H或“塔片數(shù)”n來(lái)表示柱效。

式中λ是與填充均勻性有關(guān)的因素稱(chēng)為填充不規(guī)則因子； γ是柱內(nèi)填充物使得氣體擴(kuò)散路徑彎曲的因素，稱(chēng)為彎曲因子；dp是填充物平均顆粒直徑（即粒度);u是載氣在柱溫、柱壓下的線速；Dg是組分在氣相中的分子擴(kuò)散系數(shù)；Dl是組分在液相的擴(kuò)散系數(shù)；df是固定液的液膜厚度；dc是開(kāi)管柱的

氣相色譜法

內(nèi)徑。所以色譜柱的塔片數(shù)n=L/H，式中L為色譜柱長(zhǎng)；n的數(shù)值可用給定的物質(zhì)作實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)所得到的色譜圖（圖1）計(jì)算得到

式中ω┩為色譜峰的半高寬，由于氣相色譜的組分在固定液中的分配等溫線多為線性，如果進(jìn)樣量很小，得到的色譜峰流出曲線最初是用高斯正態(tài)分布來(lái)描述的，其數(shù)學(xué)表示式為：

實(shí)驗(yàn)和理論上都證明了物質(zhì)的色譜峰形狀是不對(duì)稱(chēng)的和曳尾的，若用指數(shù)衰減修正的高斯分布作為描述色譜峰形狀的分布函數(shù)，則更為確切（公式1）

式中A表示峰面積；tG表示高斯峰的中心位置；σ表示高斯峰的標(biāo)

公式1

準(zhǔn)方差；τ表示指數(shù)衰減函數(shù)的時(shí)間常數(shù)；t′為積分變量。

上面曾經(jīng)指出，兩組分的分配系數(shù)必須有差異，其色譜峰才能被分開(kāi)。有了差異，分離時(shí)所需的柱效n也就不相同

公式2

所以要判別兩色譜峰分離的情況（圖2），氣相色譜法還需要采用色譜柱總分離效能指標(biāo)R（公式2）

n與R的關(guān)系為（公式3）

式中α′是組分相對(duì)保留值；α是組分校正相對(duì)保留值。

公式3

從上式可知，選擇適宜固定液和具有給定塔片數(shù)的色譜柱后，應(yīng)該通過(guò)改變色譜柱溫來(lái)調(diào)節(jié)α′值，從而滿足將兩組分分離至給定R值的分離程度。

7儀器要求編輯

所用的儀器為氣相色譜儀。除另有規(guī)定外，載氣為氮?dú)?；色譜柱為填充柱或毛細(xì)管柱，填充柱的材質(zhì)為不銹鋼或玻璃，載體用直徑為0.25～0.18mm 、0.18～0.15mm或0.15～0.125mm經(jīng)酸洗并硅烷化處理的硅藻土或高分子多孔小球；常用玻璃或彈性石英毛細(xì)管柱的內(nèi)徑為0.20或0.32mm。進(jìn)樣口溫度應(yīng)高于柱溫30～50℃；進(jìn)樣量一般不超過(guò)數(shù)微升；柱徑越細(xì)進(jìn)樣量應(yīng)越少。檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器，檢測(cè)溫度一般高于柱溫，并不得低于100℃，以免水氣凝結(jié)，通常為250～350℃。

正文中各品種項(xiàng)下規(guī)定的條件，除檢測(cè)器種類(lèi)、固定液品種及特殊指定的色譜柱材料不得任意改變外，其余如色譜柱內(nèi)徑、長(zhǎng)度、載體牌號(hào)、粒度、固定液涂布濃度、載氣流速、柱溫、進(jìn)樣量、檢測(cè)器的靈敏度等，均可適當(dāng)改變，以適應(yīng)具體品種并符合系統(tǒng)適用性試驗(yàn)的要求。一般色譜圖約于30分鐘內(nèi)記錄完畢。

8儀器裝置編輯

氣流系統(tǒng)

指載氣及其他氣體（燃燒氣、助燃?xì)猓┝鲃?dòng)的管路和控制、測(cè)量元件。所用的氣體從高壓氣瓶或氣體發(fā)生器逸出后，通過(guò)減壓和氣體凈化干燥管，用穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流閥控制到所需的流量。

分離系統(tǒng)

由進(jìn)樣室與色譜柱組成。進(jìn)樣室有氣體進(jìn)樣閥、液體進(jìn)樣室、熱裂解進(jìn)樣室等多種型式。色譜柱通常為內(nèi)徑2～3毫米、長(zhǎng)1～3米、內(nèi)盛固定相的填充柱，或內(nèi)徑0.25毫米、長(zhǎng)20米以上

氣相色譜法

、內(nèi)涂固定液的開(kāi)管柱。樣品從進(jìn)樣室被載氣攜帶通過(guò)色譜柱，樣品中的組分在色譜柱內(nèi)被分離而先后流出，進(jìn)入檢測(cè)器。

檢測(cè)系統(tǒng)

包括檢測(cè)器、微電流放大器、記錄器。檢測(cè)器（表3）將色譜柱流出的組分，依濃度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)微電流放大器后，把放大后的電信號(hào)分別送到記錄器和數(shù)據(jù)處理裝置，由記錄器繪出色譜流出曲線。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理部件是積分儀。新型的氣相色譜儀都有微處理機(jī)作數(shù)據(jù)處理。

溫度控制系統(tǒng)及其他輔助部件

溫度控制器用于控制進(jìn)樣室、色譜柱、檢測(cè)器的溫度。如果色譜柱放置在有鼓風(fēng)的色譜爐內(nèi)，則要求色譜爐能在恒定溫度或程序升溫下操作。重要的輔助部件有頂空取樣器、流程切換裝置等。

流動(dòng)相

即載氣 可用氦氣、二氧化碳、氫氣、氮?dú)獾取］d氣的選擇與純化的要求取決于所用的色譜柱、檢測(cè)器和分析項(xiàng)目的要求，如對(duì)有些固定相不能與微量氧氣接觸，又如對(duì)熱傳導(dǎo)池檢測(cè)器宜用

氣相色譜法

氫氣作載氣；對(duì)電子捕獲檢測(cè)器須除去載氣中負(fù)電性較強(qiáng)的雜質(zhì)，以利于提高檢測(cè)器的靈敏度。用分子量小的氣體作載氣時(shí)可用較高的線速，這時(shí)柱效下降不大，卻可以縮短分析時(shí)間，因?yàn)榉肿恿啃〉臍怏w粘度小，柱壓增加不大，并且在高線速時(shí)可減小氣相傳質(zhì)阻力。用氫氣作載氣時(shí)，在填充柱和開(kāi)管柱中的流速可分別選用35和2毫升/分左右。

固定相

一般來(lái)說(shuō)，宜按“相似性”原則選擇固定液；分析非極性樣品時(shí)用非極性固定液；分析強(qiáng)極性樣品時(shí)用極性強(qiáng)的固定液（表4）。把固定液涂敷于開(kāi)管柱的內(nèi)壁，或涂漬在載體上制成填充柱的固定相，均勿太厚。開(kāi)管柱的df宜為0.2～0.4微米，填充柱的固定液含量宜為3%～10%。載體顆粒約為柱徑的0.1，即80～100目較好。這樣，組分在液相中傳質(zhì)快載體粒度較小而又未增大填充不均勻性，有利于在較低的溫度下分析高沸點(diǎn)組分及縮短分析時(shí)間。

操作溫度

進(jìn)樣室的溫度應(yīng)根據(jù)進(jìn)樣方法和樣品而定。氣化方式進(jìn)樣時(shí)，氣化溫度既要使組分能充分氣化，又不會(huì)分解（裂解進(jìn)樣除外）。檢測(cè)室的溫度以稍高于柱溫為好，可避免組分冷凝或產(chǎn)生其他問(wèn)題。色譜柱溫的確定要作綜合考慮，即要照顧到固定相的使用溫度范圍、分析時(shí)間長(zhǎng)短、便于定性和定量測(cè)定等因素。最好能在恒溫下操作，沸程很寬的樣品才采用程序升溫操作。滿意的操作溫度須由實(shí)驗(yàn)求得。

樣品預(yù)處理

欲分析的化合物常用化學(xué)反應(yīng)的方法轉(zhuǎn)變成另一種化合物，這稱(chēng)為衍生物的制備。然后再對(duì)衍生物進(jìn)行色譜分析。預(yù)處理的好處是：①許多化合物揮發(fā)性過(guò)低或過(guò)高，極性很小或熱穩(wěn)定

氣相色譜法

性差，不能或不適于直接取樣注入色譜分析儀進(jìn)行分析，其衍生物則可以很方便地進(jìn)入色譜儀；②一些難于分離的組分，轉(zhuǎn)化成衍生物就便于分離和進(jìn)行定性分析；③用選擇性檢測(cè)器檢測(cè)可獲得高靈敏度的衍生物；④樣品中有些雜質(zhì)因不能成為衍生物而被除去。

氣相色譜法最常用的化學(xué)衍生物法有硅烷化反應(yīng)法、酰化反應(yīng)法和酯化反應(yīng)法（有重氮甲烷法、三氟化硼催化法和季硼鹽分解法等）。在制備化學(xué)衍生物時(shí)要特別仔細(xì)，否則會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。