用氣體作載體，帶著被分析的成分通過充填物，這種方法叫做“氣體色譜法”。它被廣泛地用於分離複雜的揮發性物質。
基本介紹
- 中文名：氣體色譜法
- 外文名：Gas chromatography
- 分析對象：氣體及沸點不超400度的化合物
- 特點：兩相中進行多次反覆分配
- 類型：分離分析方法
簡介,氣體色譜儀,氣相色譜方法開發,
簡介
氣體色譜一般限於分離氣體及沸點不超過400℃的化合物。
VR=tRFc
式中 tR—保留時間；
Fc—載氣流速。
氣體色譜的一個首要參數是校正保留體積V′R。在特定柱溫和相條件下，V′R乃是被分離物質的特徵參數。校正保留體積等於保留體積減去色譜柱內氣體占有的體積。V′R與分配係數之間有如下關係：
V′R=KV1
式中 V1—固定相體積（與溫度無關的常數）；
K—分配係數。
實際上使用的參數是柯瓦茨比提出的保留指數。這個參數與溫度有一些關係，並為被測化合物的化學結構提供了有價值的信息。同時測定一給定化合物在不同極性的兩相中的保留指數，就能夠確定保留指數的增量。這個參量是各類型化合物的特徵參量。保留指數增量由下式求出：
I=Ip-In
式中 Ip—極性柱上的保留指數；
In—非極性柱上的保留指數。
范·迪姆特一佐德韋格一克林肯伯格(Van Deemler-Zuiderweg—Klinkenberg)方程式在氣相色譜的實際套用上有著相當重要意義。這個方程式說明了若干因素對色譜峰增寬效應的影響。桂效取決於理論塔板(HETP)的高度。HETP越低，柱中的塔板數就越多，分離也更佳。
因此，范·迪姆特方程指出，雖然減小載體粒度能夠獲得低的HETP高度，但卻伴隨著渦流擴散係數的增大。渦流擴散係數乃是柱填充不均勻的指標。
丘利門斯(Keulemans)和鄺蒂斯(Kwantes)對范·迪姆特方程式作了簡化，提出如下式子：
H=A+B/U+Cu
此方程以圖式表示是一雙曲線，在u=√(B/C)處有最小值H=A+2√(BC)。
換句話說，當載氣的流速等於√(B/C)時，色譜柱的分離效率最高。范·迪姆特方程還說明，隨著載氣流速的降低，縱向擴散增大，這是因為氣體在柱中的保留時間增加的緣故。但是，載氣流速太大也要損害分離效率，這是因為沒有充分的時問在
柱中建立平衡。因此，在大流速下分離效率受C項制約，在小流速下分離效率受B項制約。
氣體色譜儀
氣體色譜儀由兩部分組成：一部分是裝有吸附劑的色層柱(又稱色譜柱)。被測定的混合物通過色層柱，由於吸附劑對混合物中各組分的吸附能力有差別，使得吸附最牢的組分從色層柱中最後出來，從而達到將各組分分離的目的。第二部分是檢測器。對經過分離後的組分用各種物理的方法進行鑑定。
在色譜分析中，被測樣品在分離過程中處於流動狀態，稱為流動相，固定在色層柱內的吸附劑稱為固定相。流動相是氣體的稱為氣相色譜。氣相色譜中的試樣是利用某種不與試樣起作用的氣體送進色層柱的，這種氣體稱為載氣。
由於吸附劑的品種不多，對各種氣體混合物的分離有局限性，因此常用高沸點液體作為固定相，當被測的混合氣體隨著載氣流過色層柱時，各種氣體在高沸點液體中的溶解度不同，各組分在氣液兩相中的分配比就不同，根據吸收和解吸的平衡原理，各組分在柱內停留時間的差別隨分配次數增加而變大，混合氣體在色層柱內兩相之間進行反覆多次(可達幾千次一幾萬次)的分配，從而使各組分分離。固定相改為液體後，可擴大氣相色譜的套用範圍，彌補了吸附劑數目不多的缺陷，使原來不能分離的混合氣體，達到很好的分離效果。固定相是固體的稱為氣固色譜；固定相是液體的稱為氣液色譜。
要使混合氣體各組分的分離效果好，固定相和載氣的選擇、色層柱的長度和內徑、溫度、載氣的流速等都有很大的關係。例如載氣應選擇對樣品和固定相都不起反應的氣體，常用的載氣有N2、H2、CO2、He等，用熱導法測量時，選擇的載氣必須使它的導熱係數與樣品的導熱係數差別比較大些。在分離過程中載氣的流速要適中，若太快則被測氣體在兩相(固定相和流動相)之間來不及達到平衡，分離效果差，如果太慢，則由於氣體的擴散，使流出峰變得平坦。常用的流速為每分鐘數十毫升，流速的變動應不超過±0.5%。色層柱內常用的吸附劑有活性碳、矽膠和活性氧化鋁等。吸附力強則分離效率高，所以活化處理影響極大。一般活性愈強，顆粒愈細，則分離效率愈高，但顆粒不宜過細，一般為30一50篩孔(目)。此外裝吸附劑的鬆緊程度和色層柱的長度也有影響。在氣液色譜中，所用的周定液要求沸點高，穩定性好，與樣品不起反應。例如石臘油，鄰苯二甲酸二壬酯，多聚乙二醇等。固定液是塗敷在象硅藻土，耐火磚粉等擔體上的，各種混合氣體中各組分在固定液中的分配比相差越大，則分離效率越高。另外，色層柱的溫度對分離效率影響很大，故應設法恆溫。
氣相色譜方法開發
方法開發的一般步驟：
就GC而言，就是首先確定樣品預處理方法，然後最佳化分離條件。直到達到滿意的分離結果。最後建立數據處理的方法，包括定性鑑定和定量測定。當然這一方法要真正成為實用方法，還要進行驗證。下面是方法開發的一般步驟。
1)樣品來源及其預處理方法
GC直接分析的樣品必須是氣體或液體，固體樣品在分析前應當溶解在適當的溶劑中，而且要保證樣品中不含GC不能分析的組份（如無機鹽）或可能會損壞色譜柱的組份。
這樣，在接到一個未知樣品時，就必須了解它的來源，估計可能含有的組分，以及樣品的沸點範圍。如能確定直接進樣分析，只要找一種合適的溶劑，如丙酮，己烷、氯仿，苯等就是GC常用的溶劑。一般講，溶劑應具有較低沸點，從而使其容易與樣品分離。儘可能避免用水，二氯甲烷和甲醇作溶劑，它們對延長色譜柱的使用壽命不利。如果用毛細管分析，應注意樣品濃度不要太高，以免造成柱超載，通常樣品的濃度為mg/ml級或更低。
如果樣品中有不能用GC直接分析的組分，或樣品濃度太低，就必須進行必要的預處理，包括採用一些預分離手段，如各種萃取技術，濃縮方法，提純方法等。
2)確定儀器配置
所謂儀器配置就是用於分析樣品的方法採用什麼進樣裝置，什麼載氣，什麼色譜柱及其什麼檢測器。比如，要用GC分析啤酒的揮發性成分，就需要一個頂空進樣器，要測定水中痕量含氯農藥的殘留量，就要用電子俘獲檢測器。就色譜柱而言，常用的固定相有非極性的OV—1（SE—30）弱極性的SE—54，極性OV—17和PEG—20M等，可根據極性相似相容原理來選用，即分離一般脂肪烴類（如柴油或汽油）時多用OV—1（SE—30）。分析醇類和酯類（如含酒精飲料）多用PEG—20M，分析農藥殘留量則多用OV—17或OV—1701而要分析特殊的樣品，如手性異構體，就需要特殊的色譜柱，對於很複雜的混合物，SE—54往往是首先的固定相。
3)確定安初始操作條件
初始分離條件，主要包括進樣量，進樣器溫度，檢測器溫度，色譜柱溫度和載氣流速度。
1.進樣量要根據樣品濃度，色譜柱容量和檢測器靈敏度來確定。
2.進樣口溫度主要有樣品的沸點範圍決定，還要考慮色譜柱的使用溫度。首先要保證待測樣品全部汽化，其次要保證汽化的樣品組分能夠全部流出色譜柱，而不會在柱中冷凝。原則上進樣口溫度一般要接近樣品中沸點最高的組分的沸點，但要低於易分解組分的分解溫度，常用條件為250℃—350℃。實際操作中，只保證樣品完全汽化即可而不必進行很精確的最佳化。
3.色譜柱溫度的確定主要由樣品的複雜程度和汽化溫度決定。
原則上既要保證待測物的完全分離，又要保證所有組分能流出色譜柱，且分析時間越短越好。組成簡單的樣品最好用恆溫分析，這樣分析周期會短一些。對於組成複雜的樣品，常需要用程式開溫分離，因為在恆溫條件下，如果柱溫較低，則低沸點組合分離得好，而高沸點組分的流出時間會太長，造成峰展寬，甚至滯留在柱中造成柱污染，反之柱溫太高，低沸點組分又難以分離。
實際上，毛細柱的最大優點就是可以在較寬的溫度範圍內操作。這樣既保證了待測組分的良好分離，又能實現儘可能短的分析時間。一般地講，色譜柱的初始溫度應接近樣品中最輕組分的沸點，而最終溫度則則取決於最重組分的沸點。升溫速率則要依樣品的複雜程度決定，在具體工作中操作條件的選擇一定要根據樣品的實際分離情況來最佳化設定。
4.檢測器溫度是指檢測器加熱塊溫度而不是實際檢測點，如火焰的溫度。
檢測器溫度設定原則是保證流出色譜柱的組分不會冷凝，同是又滿足檢測器靈敏度的要求。大部分檢測器的靈敏度受溫度影響不大，故檢測器溫度可參照色譜柱的最高溫度設定。
5.載氣流速的確定相對容易一些，開始可按照比最佳流速（氮氣約20cm/S、氦氣約25cm/S、氫氣約為30cm/S）高10%來設定，然後根據分離情況進行調節，原則是既保證待測物的完全分離，又要保證儘可能短的分析時間，用填充柱時載氣流速一般設為30ml/min。
當儀器沒有配置電子氣路（EPC）控制時，必須通過皂膜流量計或測定時間的方法來測定載氣流速，通過調節柱前壓的方式來改變載氣流速，色譜柱越長，內徑越小柱溫越高，需要柱前壓越高。
當所用檢測器需要燃燒氣和輔助氣時，還要設定這些氣體的流量。
如FID檢測器，可設定為：空氣300—400ml/min、氫氣30—40ml/min
用毛細柱時：尾吹氣（氮氣）可設為30—40ml/min
4)分離條件最佳化
分離條件的最佳化是一個很大的題目，這裡只從實用角度簡單介紹最佳化方法。這裡只強調操作條件柱溫和載汽流速的最佳化。
事實上，當樣品和儀器配置確定後，一個色譜技術人員最經常的工作除了更換色譜柱處就是要改變色譜柱溫度和載氣流速以期達到最最佳化的分離。柱溫對分離結果的影響要比載氣的影響大。
條件最佳化的目的就是在最短的分析時間內達到符合要求的分離結果。所以在初始條件下樣品中難分離物質對的分離度R大於1.5時。可來用增大載氣流速，提高柱溫或開溫速率的措施來縮短分析時間，反之亦然。
比較難的問題是確定色譜圖上的峰是否單一組分的峰。可用標準樣品對照，如果某一目的峰是兩個或以上組分的共流出峰，最佳化分離的任務就比較艱巨了，在改變柱溫和載氣流速也達不到基線分離的目的時就應更換更長的色譜柱，甚至更換不同固定相色譜柱，因為在GC中，色譜柱是分離成敗的關鍵。
就GC而言，就是首先確定樣品預處理方法，然後最佳化分離條件。直到達到滿意的分離結果。最後建立數據處理的方法，包括定性鑑定和定量測定。當然這一方法要真正成為實用方法，還要進行驗證。下面是方法開發的一般步驟。
1)樣品來源及其預處理方法
GC直接分析的樣品必須是氣體或液體，固體樣品在分析前應當溶解在適當的溶劑中，而且要保證樣品中不含GC不能分析的組份（如無機鹽）或可能會損壞色譜柱的組份。
這樣，在接到一個未知樣品時，就必須了解它的來源，估計可能含有的組分，以及樣品的沸點範圍。如能確定直接進樣分析，只要找一種合適的溶劑，如丙酮，己烷、氯仿，苯等就是GC常用的溶劑。一般講，溶劑應具有較低沸點，從而使其容易與樣品分離。儘可能避免用水，二氯甲烷和甲醇作溶劑，它們對延長色譜柱的使用壽命不利。如果用毛細管分析，應注意樣品濃度不要太高，以免造成柱超載，通常樣品的濃度為mg/ml級或更低。
如果樣品中有不能用GC直接分析的組分，或樣品濃度太低，就必須進行必要的預處理，包括採用一些預分離手段，如各種萃取技術，濃縮方法，提純方法等。
2)確定儀器配置
所謂儀器配置就是用於分析樣品的方法採用什麼進樣裝置，什麼載氣，什麼色譜柱及其什麼檢測器。比如，要用GC分析啤酒的揮發性成分，就需要一個頂空進樣器，要測定水中痕量含氯農藥的殘留量，就要用電子俘獲檢測器。就色譜柱而言，常用的固定相有非極性的OV—1（SE—30）弱極性的SE—54，極性OV—17和PEG—20M等，可根據極性相似相容原理來選用，即分離一般脂肪烴類（如柴油或汽油）時多用OV—1（SE—30）。分析醇類和酯類（如含酒精飲料）多用PEG—20M，分析農藥殘留量則多用OV—17或OV—1701而要分析特殊的樣品，如手性異構體，就需要特殊的色譜柱，對於很複雜的混合物，SE—54往往是首先的固定相。
3)確定安初始操作條件
初始分離條件，主要包括進樣量，進樣器溫度，檢測器溫度，色譜柱溫度和載氣流速度。
1.進樣量要根據樣品濃度，色譜柱容量和檢測器靈敏度來確定。
2.進樣口溫度主要有樣品的沸點範圍決定，還要考慮色譜柱的使用溫度。首先要保證待測樣品全部汽化，其次要保證汽化的樣品組分能夠全部流出色譜柱，而不會在柱中冷凝。原則上進樣口溫度一般要接近樣品中沸點最高的組分的沸點，但要低於易分解組分的分解溫度，常用條件為250℃—350℃。實際操作中，只保證樣品完全汽化即可而不必進行很精確的最佳化。
3.色譜柱溫度的確定主要由樣品的複雜程度和汽化溫度決定。
原則上既要保證待測物的完全分離，又要保證所有組分能流出色譜柱，且分析時間越短越好。組成簡單的樣品最好用恆溫分析，這樣分析周期會短一些。對於組成複雜的樣品，常需要用程式開溫分離，因為在恆溫條件下，如果柱溫較低，則低沸點組合分離得好，而高沸點組分的流出時間會太長，造成峰展寬，甚至滯留在柱中造成柱污染，反之柱溫太高，低沸點組分又難以分離。
實際上，毛細柱的最大優點就是可以在較寬的溫度範圍內操作。這樣既保證了待測組分的良好分離，又能實現儘可能短的分析時間。一般地講，色譜柱的初始溫度應接近樣品中最輕組分的沸點，而最終溫度則則取決於最重組分的沸點。升溫速率則要依樣品的複雜程度決定，在具體工作中操作條件的選擇一定要根據樣品的實際分離情況來最佳化設定。
4.檢測器溫度是指檢測器加熱塊溫度而不是實際檢測點，如火焰的溫度。
檢測器溫度設定原則是保證流出色譜柱的組分不會冷凝，同是又滿足檢測器靈敏度的要求。大部分檢測器的靈敏度受溫度影響不大，故檢測器溫度可參照色譜柱的最高溫度設定。
5.載氣流速的確定相對容易一些，開始可按照比最佳流速（氮氣約20cm/S、氦氣約25cm/S、氫氣約為30cm/S）高10%來設定，然後根據分離情況進行調節，原則是既保證待測物的完全分離，又要保證儘可能短的分析時間，用填充柱時載氣流速一般設為30ml/min。
當儀器沒有配置電子氣路（EPC）控制時，必須通過皂膜流量計或測定時間的方法來測定載氣流速，通過調節柱前壓的方式來改變載氣流速，色譜柱越長，內徑越小柱溫越高，需要柱前壓越高。
當所用檢測器需要燃燒氣和輔助氣時，還要設定這些氣體的流量。
如FID檢測器，可設定為：空氣300—400ml/min、氫氣30—40ml/min
用毛細柱時：尾吹氣（氮氣）可設為30—40ml/min
4)分離條件最佳化
分離條件的最佳化是一個很大的題目，這裡只從實用角度簡單介紹最佳化方法。這裡只強調操作條件柱溫和載汽流速的最佳化。
事實上，當樣品和儀器配置確定後，一個色譜技術人員最經常的工作除了更換色譜柱處就是要改變色譜柱溫度和載氣流速以期達到最最佳化的分離。柱溫對分離結果的影響要比載氣的影響大。
條件最佳化的目的就是在最短的分析時間內達到符合要求的分離結果。所以在初始條件下樣品中難分離物質對的分離度R大於1.5時。可來用增大載氣流速，提高柱溫或開溫速率的措施來縮短分析時間，反之亦然。
比較難的問題是確定色譜圖上的峰是否單一組分的峰。可用標準樣品對照，如果某一目的峰是兩個或以上組分的共流出峰，最佳化分離的任務就比較艱巨了，在改變柱溫和載氣流速也達不到基線分離的目的時就應更換更長的色譜柱，甚至更換不同固定相色譜柱，因為在GC中，色譜柱是分離成敗的關鍵。
5)定性鑑定
所謂定性，就是確定色譜峰的歸屬，對於簡單樣品，可根據準物質對照用保留值來確定色譜圖上的峰哪個是要分析的峰。
定性時必須注意，在同一色譜柱上，不同化合物可能有相同的保留值，所以對未知物的定性僅僅用一個保留數據是不夠的，雙柱或多柱保留數值定性是GC中較為可靠的方法，因為不同化合物在不同色譜柱上具有相同保留值的幾率要小的多。
6)定量分析
在這一步驟中是要確定用什麼定量方法來測定待測組分的含量。
常用方法有：峰面積（峰高）百分法，歸一化法、內標法、外標法和標準加入法（疊加法）。峰面積（峰高）百分比法最簡單也最不準確，只做精略定量。
不同化合物在同一條件下，同一檢測器上的回響因子往往不同，故須用標準樣品測定回響因子進行校正後，方可得到準確的定量結果，故其他幾種方法均需校正。歸一化法較為複雜，它要求樣品中所有組分均出峰且要求所有組分的標準品才能定量，故很少採用。外標法是採用最頻繁的方法，只要用一系列濃度的標準樣品作出工作曲線（樣品量或濃度對峰面積或峰高作圖）就可在完全一致的條件下對求知樣品進行定量分析，只要待測組分出峰且分離完全即可，而不考慮其他組分是否出峰和分離安全，但是外標法定量，分析條件必須重現，特別是進樣量。
相比而言，內標法定量精度最高，因為它是相對於標準物（叫內標物）的回響值來定量的。而內標物要分別加入到標準樣品和求知樣品中，這樣可抵消由於操作條件（包括進樣量）的波動帶來的誤差，與外標法類似，內標法只要求待測組分出峰或完全分離即可，其餘組分則可用快速升高柱溫使其流出或用反吹法將其放空，這樣就可達到縮短分析時間的目的。理想內標物的保留時間和回響因子應該與待測物儘可能接近，且要完全分離，內標定量時，樣品製備過程要多一個定量加入內標物的步驟，標準樣品和未知樣品均要加入一定量的內標物，因此，只要定量精度要求不高，應避免使用內標法。
至於標準加入法，是在未知樣品中定量加入待測物的標準品然後根據峰面積（或峰高）的增加量來進行定量計算，其製備過程與內標法類似，但計算原理則完全來自外標法。精確度介於兩者之間。
所謂定性，就是確定色譜峰的歸屬，對於簡單樣品，可根據準物質對照用保留值來確定色譜圖上的峰哪個是要分析的峰。
定性時必須注意，在同一色譜柱上，不同化合物可能有相同的保留值，所以對未知物的定性僅僅用一個保留數據是不夠的，雙柱或多柱保留數值定性是GC中較為可靠的方法，因為不同化合物在不同色譜柱上具有相同保留值的幾率要小的多。
6)定量分析
在這一步驟中是要確定用什麼定量方法來測定待測組分的含量。
常用方法有：峰面積（峰高）百分法，歸一化法、內標法、外標法和標準加入法（疊加法）。峰面積（峰高）百分比法最簡單也最不準確，只做精略定量。
不同化合物在同一條件下，同一檢測器上的回響因子往往不同，故須用標準樣品測定回響因子進行校正後，方可得到準確的定量結果，故其他幾種方法均需校正。歸一化法較為複雜，它要求樣品中所有組分均出峰且要求所有組分的標準品才能定量，故很少採用。外標法是採用最頻繁的方法，只要用一系列濃度的標準樣品作出工作曲線（樣品量或濃度對峰面積或峰高作圖）就可在完全一致的條件下對求知樣品進行定量分析，只要待測組分出峰且分離完全即可，而不考慮其他組分是否出峰和分離安全，但是外標法定量，分析條件必須重現，特別是進樣量。
相比而言，內標法定量精度最高，因為它是相對於標準物（叫內標物）的回響值來定量的。而內標物要分別加入到標準樣品和求知樣品中，這樣可抵消由於操作條件（包括進樣量）的波動帶來的誤差，與外標法類似，內標法只要求待測組分出峰或完全分離即可，其餘組分則可用快速升高柱溫使其流出或用反吹法將其放空，這樣就可達到縮短分析時間的目的。理想內標物的保留時間和回響因子應該與待測物儘可能接近，且要完全分離，內標定量時，樣品製備過程要多一個定量加入內標物的步驟，標準樣品和未知樣品均要加入一定量的內標物，因此，只要定量精度要求不高，應避免使用內標法。
至於標準加入法，是在未知樣品中定量加入待測物的標準品然後根據峰面積（或峰高）的增加量來進行定量計算，其製備過程與內標法類似，但計算原理則完全來自外標法。精確度介於兩者之間。
