气相色谱法是什么意思

气相色谱法是用来描述一组用于分析气相中挥发性物质的分析分离技术的术语。在气相色谱法中，样品中的成分溶解在溶剂中并汽化，通过将样品分配到两相（固定相和流动相）中来分离分析物。流动相是一种化学惰性气体，用于携带分析物分子通过加热的色谱柱。气相色谱法是唯一一种不利用流动相与被分析物相互作用的色谱法。固定相要么是固体吸附剂，称为气固色谱法（GSC），要么是惰性支持物上的液体，称为气液色谱法（GLC）。
 

简介

20 世纪初，Mikhail Semenovich Tsvett 发现了气相色谱（GC）作为一种分离化合物的分离技术。在有机化学中，液-固柱色谱法常用于分离溶液中的有机化合物。在各种气相色谱中，气液色谱是最常用于分离有机化合物的方法。气相色谱和质谱联用是鉴定分子的重要工具。典型的气相色谱仪由进样口、色谱柱、载气流量控制设备、保持进样口和色谱柱温度的烘箱和加热器、积分器、图表记录器和检测器组成。

要在气液色谱法中分离化合物，需要将含有相关有机化合物的溶液样品注入进样口，使其气化。气化后的样品由惰性气体携带，通常使用氦气或氮气。惰性气体会通过一个玻璃柱，柱中装有涂有液体的二氧化硅。在液体中溶解度较低的物质会比溶解度较高的物质更快地增加结果。

在 GLC 中，液体固定相吸附在固体惰性填料上或固定在毛细管壁上。如果玻璃或金属柱管中装有小的球形惰性支撑物，则可视为填料柱。液相以薄层形式吸附在这些珠子的表面。在毛细管柱中，管壁涂有固定相或吸附剂层，能够支撑液相。然而，气相色谱法在实验室中的应用有限，而且由于严重的峰尾现象和极性化合物在色谱柱内的半永久性保留，这种方法很少使用。因此，气液相色谱法被简称为气相色谱法，在此也将被称为气相色谱法。本模块的目的是让大家更好地了解气液相色谱法的分离和测量技术及其应用。
 

样品进样

在色谱柱头引入样品需要一个进样口。现代进样技术通常使用加热的进样口，通过该进样口几乎可以同时进样和汽化样品。使用校准过的微量注射器将几微升的样品量通过橡胶隔膜注入汽化室。大多数分离只需要初始样品量的一小部分，并使用样品分离器将多余的样品导入废液中。当填料柱和毛细管柱交替使用时，商用气相色谱仪通常允许分流进样和无分流进样。气化室通常比样品的最低沸点高 50 °C，然后与载气混合，将样品输送到色谱柱中。
 

载气

载气在气相色谱仪中起着重要作用，并因所用气相色谱仪而异。载气必须干燥、不含氧，并且是气相色谱法中使用的化学惰性流动相。氦气是最常用的载气，因为它比氢气更安全，但在效率上与氢气相当，流速范围更大，并且与许多检测器兼容。氮气、氩气和氢气的使用也取决于所需的性能和所使用的检测器。氢气和氦气通常用于大多数传统检测器，如火焰离子化检测器（FID）、热导率检测器（TCD）和电子捕获检测器（ECD），由于流速较高且分子量较低，因此分析时间较短，样品洗脱温度较低。例如，用氢气或氦气作为载气，TCD 的灵敏度最高，因为有机蒸气和氢气/氦气之间的热导率差异大于其他载气。其他检测器（如质谱）使用氮气或氩气，由于氮气或氩气的分子量较高，因此比氢气或氦气具有更好的优势，从而提高了真空泵的效率。

所有载气都装在加压罐中，并使用压力调节器、压力计和流量计来严格控制气体的流速。所使用的大多数气体纯度应在 99.995% - 99.9995% 之间，罐内氧气和总碳氢化合物含量较低（< 0.5 ppm）。载气系统包含一个分子筛，用于去除水和其他杂质。疏水阀是另一种选择，可保持系统的纯度和最佳灵敏度，并去除微量的水和其他杂质。需要使用两级压力调节，以最大限度地减少压力浪涌，并监控气体的流速。为了监控气体的流速，还需要在储气罐和色谱仪气体入口处安装一个流量或压力调节器。载气在进入气化室之前要经过预热和分子筛过滤，以去除杂质和水分。气相色谱系统中通常需要载气流经进样器，将样品中的气态成分推入气相色谱柱，然后进入检测器（详见检测器部分）。
 

色谱柱烘箱

恒温烤箱用于将色谱柱的温度控制在十分之几度以内，以便进行精确工作。烘箱有两种操作方式：等温编程或温度编程。在等温程序中，色谱柱的温度在整个分离过程中保持不变。等温操作的最佳色谱柱温度约为样品沸程的中点。不过，只有当样品的沸点范围较窄时，等温程序才能发挥最佳效果。如果使用较低的等温柱温度，而沸点范围较宽，则低沸点馏分可得到很好的分辨，但高沸点馏分洗脱缓慢，带宽扩大。如果将温度升高到更接近高沸点组分的沸点，则高沸点组分会以尖锐的峰值洗脱，但低沸点组分洗脱速度太快，无法分离。

在温度编程法中，色谱柱的温度会随着分离的进行而持续或分步升高。这种方法非常适合分离沸点范围较宽的混合物。分析开始时温度较低，可分辨出低沸点成分，分离过程中温度升高，可分辨出样品中挥发性较弱的高沸点成分。温度编程分离的典型速率为 5-7 ℃/分钟。
 

开放管柱和填料柱

开放管柱也称为毛细管柱，有两种基本形式。第一种是管壁涂层开放式管柱（WCOT），第二种是支撑涂层开放式管柱（SCOT）。WCOT 柱是毛细管，柱壁涂有一层薄薄的固定相。在 SCOT 柱中，柱壁首先涂有一薄层（约 30 微米厚）吸附剂固体，如硅藻土，这是一种由单细胞海生植物骨架组成的材料。然后用液体固定相处理吸附剂固体。由于 SCOT 柱的样品容量比 WCOT 柱大，因此能容纳更大体积的固定相，但 WCOT 柱的柱效仍然更高。

大多数现代 WCOT 色谱柱由玻璃制成，但也使用 T316 不锈钢、铝、铜和塑料。根据不同的应用，每种材料都有其相对的优点。玻璃 WCOT 塔具有化学蚀刻的明显优势，通常通过气态或浓盐酸处理来实现。蚀刻过程会使玻璃表面变得粗糙，从而使粘合固定相更紧密地附着在色谱柱表面。

最常用的毛细管色谱柱类型之一是一种特殊的 WCOT 色谱柱，称为熔融石英壁涂层（FSWC）开放管式色谱柱。熔融石英柱的壁由纯化的二氧化硅制成，其中含有极少量的金属氧化物。为保护色谱柱，在管壁外侧涂上聚酰亚胺涂层，然后弯曲成线圈，装入气相色谱装置的恒温箱中。FSWC 气相色谱柱具有更高的化学惰性、更高的色谱柱效率和更小的取样尺寸要求，目前已在市场上销售，并正在取代旧式色谱柱。使用 100 米长的 WCOT 色谱柱可获得多达 400,000 个理论样品板，而理论样品板数量最多的世界纪录是 1.3 千米长的色谱柱可获得超过 200 万个样品板。

填料柱由玻璃或金属管制成，管内密布硅藻土等固体支撑物。由于难以均匀地填满管子，这类色谱柱的直径比开放式管状色谱柱大，长度范围也有限。因此，填料柱的效率只能达到同类 WCOT 柱的 50%。此外，由于硅藻土填料对柱内杂质的半永久性吸附，随着时间的推移，硅藻土填料会失活。相比之下，FSWC 开放式管柱在制造过程中几乎不存在这些吸附问题。

不同类型的色谱柱可用于不同领域。根据样品类型的不同，有些气相色谱柱比其他色谱柱更好。、此外，它还能提高乙醇和丙酮峰的分辨率，有助于确定 BAC 水平。这种特殊的色谱柱被称为 Zebron-BAC，外层为聚酰亚胺涂层，内层为熔融石英，内径从 0.18 毫米到 0.25 毫米不等。此外，还有许多其他用途的 Zebron 品牌色谱柱。

另一种 Zebron GC 色谱柱被称为 Zebron-inferno。它的外层涂有一种特殊的聚酰亚胺，可耐高温。它的内部还有一层。确切地说，它可以承受高达 430 °C 的高温，其设计目的是为碳氢化合物蒸馏法提供真正的沸点分离。此外，它还可用于酸性和碱性样品。
 

检测系统

检测器是位于色谱柱末端的装置，当混合物中的成分与载气结合洗脱时，检测器可对混合物中的成分进行定量测量。理论上，气体混合物中与载气不同的任何性质都可用作检测方法。这些检测特性可分为两类：大量特性和特定特性。主体属性也称为一般属性，是载气和被分析物都具有但程度不同的属性。特定属性，如测量氮磷含量的检测器，应用有限，但通过提高灵敏度来弥补。

每个检测器都有两个主要部分，它们在一起使用时就像传感器一样，将检测到的性质变化转换成电信号，并记录为色谱图。检测器的第一部分是传感器，尽可能靠近色谱柱出口，以优化检测。第二部分是用于将模拟信号数字化的电子设备，以便计算机分析获得的色谱图。模拟信号越早转换成数字信号，信噪比就越大，因为模拟信号很容易受到多种干扰的影响。

理想的气相色谱检测器有几个特点。首先需要有足够的灵敏度，以便为混合物中的所有成分提供高分辨率信号。这显然是一种理想化的说法，因为这样的样品接近零体积，检测器需要无限的灵敏度才能检测到它。在现代仪器中，探测器的灵敏度在每秒 10-8 至 10-15 克溶质之间。此外，样品量必须是可重复的，如果没有注入足够的样品，许多色谱柱的峰值就会失真。理想的色谱柱还应具有化学惰性，不会以任何方式改变样品。经过优化的色谱柱可承受 -200 °C 至至少 400 °C 的温度范围。此外，这样的色谱柱线性响应时间短，与流速无关，并可延伸几个数量级。此外，检测器应可靠、可预测且易于操作。
 

质谱检测器

质谱仪 (MS) 检测器是所有气相色谱检测器中功能最强大的。在气相色谱/质谱系统中，质谱仪在整个分离过程中连续扫描质量。当样品离开色谱柱时，会通过传输线进入质谱仪的入口。然后，通常通过电子撞击离子源对样品进行电离和破碎。在此过程中，样品受到高能电子的轰击，由于静电排斥作用，分子失去一个电子，从而发生电离。进一步的轰击会导致离子破碎。然后，离子被送入质量分析仪，根据离子的 m/z 值或质量电荷比进行分类。大多数离子只带单电荷。

色谱图将指出保留时间，质谱仪将利用峰值来确定混合物中存在何种分子。

四极杆离子阱分析仪是气相色谱/质谱联用仪中最常见的一种质量分析仪，它可以通过电场和磁场长时间保持气态阴离子或阳离子。如图 # 所示，一个简单的四极离子阱由一个空心环形电极和两个接地端盖电极组成。离子可通过上端盖的网格进入空腔。在环形电极上施加可变的射频，具有适当 m/z 值的离子就会在空腔内环绕运行。随着射频的线性增加，具有稳定 m/z 值的离子通过质量选择性喷射按质量顺序喷出。太重或太轻的离子会失去稳定性，其电荷在与环形电极壁碰撞后被中和。然后，发射出的离子撞击电子倍增器，电子倍增器将检测到的离子转换成电信号。然后，计算机通过各种程序接收该电信号。最终生成色谱图，表示 m/z 比值与样品丰度的关系。

气相色谱/质谱仪的优势在于可以立即确定分析物的质量，并可用于识别分离不完全的成分。气相色谱/质谱仪坚固耐用、易于使用，几乎可以在样品洗脱的同时快速对其进行分析。质谱检测器的缺点是，在检测之前，样品容易发生热降解，最终导致样品全部碎裂。
 

火焰离子化检测器

火焰离子化检测器（FID）是最普遍适用、应用最广泛的检测器。在火焰离子化检测器中，样品在流出色谱柱后会被引向空气-氢火焰。在空气-氢火焰的高温下，样品会发生热解，或通过强烈加热发生化学分解。热解的碳氢化合物释放出携带电流的离子和电子。高阻抗皮安计测量这种电流，以监测样品的洗脱过程。

使用 FID 的优势在于检测器不受流速、不可燃气体和水的影响。这些特性使得 FID 具有高灵敏度和低噪音的特点。该装置既可靠又相对容易使用。不过，这种技术需要可燃气体，而且会破坏样品。
 

热导检测器

热导检测器 (TCD) 是最早开发用于气相色谱的检测器之一。TCD 的工作原理是测量由于样品的存在而引起的载气热导率的变化，样品的热导率与载气不同。其设计相对简单，由一个保持恒定功率的电加热源组成。加热源的温度取决于周围气体的热导率。热源通常是由铂、金或其他材料制成的细线。 线内的电阻取决于温度，而温度又取决于气体的热导率。

TCD 通常采用两个检测器，其中一个用作载气基准，另一个用于监测载气和样品混合物的热导率。氦气和氢气等载气具有非常高的热导率，因此即使添加少量样品也很容易被检测到。

TCD 的优点是使用方便简单，可广泛应用于无机和有机化合物，并能在分离和检测后收集分析物。与其他检测方法相比，TCD 的最大缺点是灵敏度较低，此外还与流速和浓度有关。

在标准色谱图中，无论是哪种类型的检测器，X 轴是时间，Y 轴是丰度或吸光率。从这些色谱图中可以确定保留时间和峰高，并用于进一步研究样品的化学特性或丰度。
 

电子捕获检测器

电子捕获检测器 (ECD) 是一种高选择性检测器，通常用于检测环境样品，因为该设备可选择性地检测含有卤素、过氧化物、醌类和硝基等分子的有机化合物，而对所有其他化合物几乎没有反应。因此，这种方法最适用于需要检测痕量化学品（如杀虫剂），而其他色谱法又不可行的应用场合。

最简单的 ECD 方法是在电场中使用放射性发射器产生气态电子。当分析物离开气相色谱柱时，会经过该发射器，该发射器通常由镍-63 或氚组成。发射器发出的电子电离氮载气，使其释放出大量电子。在没有有机化合物的情况下，两个电极之间保持恒定电流。加入具有负电性官能团的有机化合物后，由于官能团捕获了电子，电流会显著下降。

ECD 的优点是对某些带有电负性官能团的有机物具有很高的选择性和灵敏度。不过，这种检测器的信号范围有限，而且由于其放射性而具有潜在危险。此外，信噪比还受到放射性衰变和探测器内存在氧气的限制。
 

原子发射检测器

原子发射检测器 (AED) 是气相色谱仪武器库中的最新成员之一，它是一种元素选择性检测器，利用等离子体（一种部分电离的气体）雾化样品中的所有元素并激发其特征原子发射光谱。产生等离子体的方法有三种：微波诱导等离子体（MIP）、电感耦合等离子体（ICP）或直流等离子体（DCP）。MIP 是最常用的形式，与可定位二极管阵列一起使用，可同时监测多种元素的原子发射光谱。

原子发射探测器的组件包括：1）毛细管气相色谱柱进入等离子室的接口；2）微波室；3）冷却系统；4）与光学器件相关的衍射光栅；5）与计算机连接的位置可调光电二极管阵列。
 

气相色谱化学发光检测器

化学发光光谱法（CS）是一种利用激发化学物质的光学发射来确定定性和定量特性的方法。它与 AES 非常相似，但区别在于它利用的是通电分子而不仅仅是激发分子发出的光。此外，化学发光可以发生在溶液或气相中，而 AES 是针对气相设计的。化学发光的光源来自化学反应，其产物是光能。这种光带被用来代替单独的光源，如光束。

与其他方法一样，CS 也有其局限性，CS 检测极限的主要限制与光电倍增管（PMT）的使用有关。
 

光离子化检测器

光离子化检测器是气相色谱仪的另一种检测器，它利用了化学发光光谱的特性。光离子化检测器（PID）是一种便携式蒸汽和气体检测器，可选择性地检测芳香烃、有机异原子、无机物和其他有机化合物。PID 由紫外灯发射光子组成，光子在从气相色谱柱流出的电离室中被化合物吸收。小部分分析物分子被实际电离，不具破坏性，可通过其他检测器确认分析结果。此外，PID 还提供便携式手持型号和多种灯管配置。结果几乎立竿见影。PID 常用于检测土壤、沉积物、空气和水中的挥发性有机化合物，通常用于检测环境空气和土壤中的污染物。PID 的缺点是无法检测某些低分子量的碳氢化合物，如甲烷和乙烷。

局限性：不适合检测半挥发性化合物；只能显示是否存在挥发性有机化合物；需要高浓度甲烷才能获得更高的性能；需要经常校准；单位范围为百万分之一；环境干扰，尤其是水蒸气；强电场检测器温度的快速变化以及天然存在的化合物可能会影响仪器信号。
 

应用

气相色谱法是一种分离挥发性混合物的物理分离方法。它可用于许多不同领域，如制药、化妆品甚至环境毒素。由于样品必须具有挥发性，因此使用气相色谱法可以轻松分析含有大量有机挥发物的人体呼吸、血液、唾液和其他分泌物。了解特定样本中的化合物含量，对于研究对人类健康和环境的影响大有裨益。

使用气相色谱仪可以分析空气样本。大多数情况下，空气质量控制装置使用气相色谱和 FID 来确定给定空气样本中的成分。虽然其他检测器也很有用，但 FID 是最合适的，因为它灵敏度高、分辨率高，而且还能检测到非常小的分子。

GC/MS 也是另一种有用的方法，它可以利用样品的保留时间和丰度来确定给定混合物中的成分。这种方法可应用于许多制药领域，如鉴定药物中的化学成分含量。此外，化妆品生产商也使用这种方法来有效测量产品中每种化学品的用量。