氣相色譜

氣相色譜法是指用氣體作為流動相的色譜法。由於樣品在氣相中傳遞速度快，因此樣品組分在流動相和固定相之間可以瞬間地達到平衡。另外加上可選作固定相的物質很多，因此氣相色譜法是一個分析速度快和分離效率高的分離分析方法。近年來採用高靈敏選擇性檢測器，使得它又具有分析靈敏度高、應用範圍廣等優點。

氣相色譜可分為氣固色譜和氣液色譜。氣固色譜指流動相是氣體，固定相是固體物質的色譜分離方法。例如活性炭、硅膠等作固定相。氣液色譜指流動相是氣體，固定相是液體的色譜分離方法。例如在惰性材料硅藻土塗上一層角鯊烷，可以分離、測定純乙烯中的微量甲烷、乙炔、丙烯、丙烷等雜質。

GC色譜的發展與下面兩個方面的發展是密不可分的。一是氣相色譜分離技術的發展，二是其他學科和技術的發展。

1952年James和Martin提出氣液相色譜法，同時也發明了第一個氣相色譜檢測器。這是一個接在填充柱出口的滴定裝置，用來檢測脂肪酸的分離。用滴定溶液體積對時間做圖，得到積分色譜圖。以後，他們又發明了氣體密度天平。1954年Ray提出熱導計，開創了現代氣相色譜檢測器的時代。此後至1957年，是填充柱、TCD年代。

1958年Gloay首次提出毛細管，同年，Mcwillian和Harley同時發明了FID，Lovelock發明了氬電離檢測器（AID）使檢測方法的靈敏度提高了2～3個數量級。

20世紀60和70年代，由於氣相色譜技術的發展，柱效大為提高，環境科學等學科的發展，提出了痕量分析的要求，又陸續出現了一些高靈敏度、高選擇性的檢測器。如1960年Lovelock提出電子俘獲檢測器（ECD）；1966年Brody等發明了FPD；1974年Kolb和Bischoff提出了電加熱的NPD；1976年美國HNU公司推出了實用的窗式光電離檢測器（PID）等。同時，由於電子技術的發展，原有的檢測器在結構和電路上又作了重大的改進。如TCD出現了衡電流、橫熱絲溫度及衡熱絲溫度檢測電路；ECD出現衡頻率變電流、衡電流脈衝調製檢測電路等，從而使性能又有所提高。

20世紀80年代，由於彈性石英毛細管柱的快速廣泛應用，對檢測器提出了體積小、響應快、靈敏度高、選擇性好的要求，特別是計算機和軟體的發展，使TCD、FID、ECD、和NPD的靈敏度和穩定性均有很大提高，TCD和ECD的池體積大大縮小。

進入20世紀90年代，由於電子技術、計算機和軟體的飛速發展使MSD生產成本和複雜性下降，以及穩定性和耐用性增加，從而成為最通用的氣相色譜檢測器之一。其間出現了非放射性的脈衝放電電子俘獲檢測器（PDECD）、脈衝放電氦電離檢測器（PDHID）和脈衝放電光電離檢測器（PDECD）以及集次三者為一體的脈衝放電檢測器（PDD），4年後，美國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等快速分離技術的迅猛發展，促使快速GC檢測方法逐漸成熟。

GC主要是利用物質的沸點、極性及吸附性質的差異來實現混合物的分離，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，也叫流動相）帶入色譜柱，柱內含有液體或固體固定相，由於樣品中各組分的沸點、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向於在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由於載氣是流動的，這種平衡實際上很難建立起來。也正是由於載氣的流動，使樣品組分在運動中進行反覆多次的分配或吸附/解吸附，結果是在載氣中濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當組分流出色譜柱后，立即進入檢測器。檢測器能夠將樣品組分的與否轉變為電信號，而電信號的大小與被測組分的量或濃度成正比。當將這些信號放大並記錄下來時，就是氣相色譜圖了。

在石油化學工業中大部分的原料和產品都可採用氣相色譜法來分析；在電力部門中可用來檢查變壓器的潛伏性故障；在環境保護工作中可用來監測城市大氣和水的質量；在農業上可用來監測農作物中殘留的農藥；在商業部門可用來檢驗及鑒定食品質量的好壞；在醫學上可用來研究人體新陳代謝、生理機能；在臨床上用於鑒別藥物中毒或疾病類型；在宇宙艙中可用來自動監測飛船密封倉內的氣體等等。

色譜實際上是俄國植物學家茨維特（M.S.Tswett）在1901年首先發現的。1903 年3月，茨維特在華沙大學的一次學術會議上所作的報告中正式提出“chromatography”(即色譜)一詞，標誌著色譜的誕生。他因此被提名為1917年諾貝爾化學獎的候選人。當時茨維特研究的是液相色譜（LC）的分離技術，氣相色譜出現在20世紀40年代，英國人馬丁（A.J.P.Martin）和辛格(R.L.M.Synge)在研究分配色譜理論的過程中，證實了氣體作為色譜流動的可能性，並預言了GC的誕生。與此巧合的是，這兩位科學家獲得了當年的諾貝爾化學獎。儘管獲獎成果是他們對分配色譜理論的貢獻，但也有後人認為他們是因為GC而得獎的。這也從另一個方面說明了GC技術對整個化學發展的重要性。

雖然GC的出現較LC晚了50年，但其在此後20多年的發展卻是LC所望塵莫及的。從1955年第一台商品GC儀器的推出，到1958年毛細管GC柱的問世；從毛細管GC理論的研究，到各種檢測技術的應用，GC很快從實驗室的研究技術變成了常規分析手段，幾乎形成了色譜領域GC獨領風騷的局面。1970年以來，電子技術，特別是計算機技術的發展，使得GC色譜技術如虎添翼，1979年彈性石英毛細管柱的出現更使GC上了一個新台階。這些既是高科技發展的結果，又是現代工農業生產的要求使然。反過來，色譜技術又大大促進了現代物質文明的發展。在現代社會的方方面面，色譜技術均發揮著重要作用。從天上的太空梭，到水裡游的航空母艦，都用GC來監測船艙中的氣體質量；從日常生活中的食品和化妝品，到各種化工生產的工藝控制和產品質量檢驗，從司法檢驗中的物質鑒定，到地質勘探中的油氣田尋找，從疾病診斷、醫藥分析、到考古發掘、環境保護，GC技術的應用極為廣泛。

1. 在石化分析中的應用

在石油和石油化工分析中，GC是非常重要的。從油田的勘探開發到油品質量的控制，都離不開GC這種分析成本低、速度快、分離度和靈敏度高的方法。美國材料與分析協會(ASTM)已開發了、並繼續開發各種用於石化分析的GC標準方法。GC在石化分析中的應用主要涉及以下幾個方面：

1．油氣田勘探中的地球化學分析；

2．原油分析；

3．煉廠氣分析；

4．模擬蒸餾；

5．油品分析；

6．單質烴分析；

7．含硫和含氮化合物分析；

8．汽油添加劑分析；

9．脂肪烴分析；

10．芳烴分析；

11．工藝過程色譜分析。

2. 在環境分析中的應用

隨著社會經濟和科學技術的發展，人類文明在飛速進步。另一方面，也對生態環境造成了越來越嚴重的破壞，環境污染問題已經成為人類所面臨的最大挑戰之一。世界各國都在努力控制和治理各種環境污染，比如美國環保署（EPA）和中國環保局已經頒布了大量的標準分析方法。GC在環境分析中的應用主要有以下幾個方面：

1． 大氣污染分析（有毒有害氣體，氣體硫化物，氮氧化物等）；

2． 飲用水分析（多環芳烴、農藥殘留、有機溶劑等）；

3． 水資源（包括淡水、海水和廢水中的有機污染物）；

4． 土壤分析（有機污染物）；

5． 固體廢棄物分析。

3. 在食品分析中的主要應用有如下幾個方面：

1．脂肪酸甲酯分析；

2．農藥殘留分析；

3．香精香料分析；

4．食品添加劑分析；

5．食品包裝材料中揮發物的分析。

4. 在醫藥分析中的主要應擁有：

1．雌三醇測定；

2．尿中孕二醇和孕三醇測定；

3．尿中膽甾醇測定；

4．兒茶酚胺代謝產物的分析；

5．血液中乙醇、麻醉劑以及氨基酸衍生物的分析；

6．血液中睾丸激素的分析；

7．某些揮發性藥物的分析。

5. 在物理化學研究中的主要應擁有：

1．比表面和吸附性能研究；

2．溶液熱力學研究；

3．蒸氣壓的測定；

4．絡合常數測定；

5．反應動力學研究；

6．維里係數測定。

6. 在聚合物分析方面的主要應用有：

1．單體分析；

2．添加劑分析；

3．共聚物組成分析；

4．聚合物結構表徵；

5．聚合物中的雜質分析；

6．熱穩定性研究。

頂空進樣法是氣相色譜特有的一種進樣方法。適用於揮發性大的組分分析。測定時，精密稱取標準溶液和供試品溶液各3-5 ml分別置於容積為8 ml的頂空取樣瓶中。將各瓶在60攝氏度的水浴中加熱30-40 min，使殘留溶劑揮發達到飽和，再用在同一水浴中的空試管中加熱的注射器抽取頂空氣適量（通常為1 ml）。進樣，重複進樣3次，按溶劑直接進樣法進行計算與處理。

頂空進樣法使待測物揮發後進樣，可免去樣品萃取、濃集等步驟，還可避免供試品種非揮發組分對柱色譜的污染，但要求待測物具有足夠的揮發性。

頂空分析是通過樣品基質上方的氣體成分來測定這些組分在原樣品中的含量。其基本理論依據是在一定條件下氣相和凝聚相（液相和固相）之間存在著分配平衡。所以，氣相的組成能反映凝聚相的組成。可以把頂空分析看作是一種氣相萃取方法，即用氣體做“溶劑”來萃取樣品中的揮發性成分，因而，頂空分析就是一種理想的樣品凈化方法。傳統的液液萃取以及SPE都是將樣品溶在液體里，不可避免地會有一些共萃取物的干擾分析。況且溶劑本身的純度也是一個問題，這在痕量分析中尤為重要。而其做溶劑可避免不必要的干擾，因為高純度氣體很容易得到，且成本較低。這也是頂空氣相被廣泛採用的一個原因。

作為一種分析方法，頂空分析首先簡單，它只取氣體部分進行分析，大大減少了樣品本身可能對分析的干擾或污染。作為GC分析的樣品處理方法，頂空是最為簡便的。其次，是可以使氣化後進樣，頂空分析有不同模式，可以通過優化操作參數而適合於各種樣品。第三，頂空分析的靈敏度能夠滿足法規的要求。第四，頂空進樣可相對的減少用於溶解樣品的沸點較高的溶劑的進樣量，縮短分析時間，但對溶劑的純度要求較高，尤其不能含有低沸點的雜質，否則會嚴重干擾測定。最後，與GC的定量分析能力相結合，頂空GC完全能夠進行準確的定量分析。

頂空GC通常包括三個過程，一是取樣，二是進樣，三是GC分析。

根據取樣和進樣方式的不同，頂空分析有動態和靜態之分。所謂靜態頂空就是將樣品密封在一個容器中，在一定溫度下放置一段時間使氣液兩相達到平衡。然後取氣相部分帶入GC分析。所以靜態頂空GC又稱為平衡頂空GC，或叫做一次氣相萃取。如果再取第二次樣，結果就會不同於第一次取樣的分析結果，因為第一次取樣后樣品組分已經發生了變化。與此不同的是連續氣相萃取，即多次取樣，直到樣品中揮發性組分完全萃取出來。這就是所謂的動態頂空GC。常用的方法是在樣品中連續通入惰性氣體，如氦氣，揮發性成分即隨該萃取氣體從樣品中逸出，然後通過一個吸附裝置（捕集器）將樣品濃縮，最後再將樣品解析進入GC進行分析。這種方法通常被稱為吹掃-捕集分析方法。

1 氣相色譜

氣相色譜是一種以氣體為流動相的柱色譜法，根據所用固定相狀態的不同可分為氣-固色譜(GSC)和氣-液色譜(GLC)。

2 氣相色譜原理

氣相色譜的流動相為惰性氣體，氣-固色譜法中以表面積大且具有一定活性的吸附劑作為固定相。當多組分的混合樣品進入色譜柱后，由於吸附劑對每個組分的吸附力不同，經過一定時間后，各組分在色譜柱中的運行速度也就不同。吸附力弱的組分容易被解吸下來，最先離開色譜柱進入檢測器，而吸附力最強的組分最不容易被解吸下來，因此最後離開色譜柱。如此，各組分得以在色譜柱中彼此分離，順序進入檢測器中被檢測、記錄下來。

3 氣相色譜流程

載氣由高壓鋼瓶中流出，經減壓閥降壓到所需壓力后，通過凈化乾燥管使載氣凈化，再經穩壓閥和轉子流量計后，以穩定的壓力、恆定的速度流經氣化室與氣化的樣品混合，將樣品氣體帶入色譜柱中進行分離。分離后的各組分隨著載氣先後流入檢測器，然後載氣放空。檢測器將物質的濃度或質量的變化轉變為一定的電信號，經放大后在記錄儀上記錄下來，就得到色譜流出曲線。

根據色譜流出曲線上得到的每個峰的保留時間，可以進行定性分析，根據峰面積或峰高的大小，可以進行定量分析。

4 氣相色譜儀

由以下五大系統組成：氣路系統、進樣系統、分離系統、溫控系統、檢測記錄系統。

組分能否分開，關鍵在於色譜柱；分離后組分能否鑒定出來則在於檢測器，所以分離系統和檢測系統是儀器的核心。

5 氣相色譜儀幾種常用檢測器

目前有很多種檢測器，其中常用的檢測器是：氫火焰離子化檢測器（FID）熱導檢測器（TCD) 氮磷檢測器（NPD）火焰光度檢測器（FPD）電子捕獲檢測器（ECD)等類型。

氫火焰離子化檢測器（FID）：（氫）火焰離子化檢測器是根據氣體的導電率是與該氣體中所含帶電離子的濃度呈正比這一事實而設計的。一般情況下，組分蒸汽不導電，但在能源作用下，組分蒸汽可被電離生成帶電離子而導電。

工作原理：由色譜柱流出的載氣（樣品）流經溫度高達2100℃的氫火焰時，待測有機物組分在火焰中發生離子化作用，使兩個電極之間出現一定量的正、負離子，在電場的作用下，正、負離子各被相應電極所收集。當載氣中不含待測物時，火焰中離子很少，即基流很小，約10-14A。當待測有機物通過檢測器時，火焰中電離的離子增多，電流增大（但很微弱10-8～10-12A）。需經高電阻（108～l011）后得到較大的電壓信號，再由放大器放大，才能在記錄儀上顯示出足夠大的色譜峰。該電流的大小，在一定範圍內與單位時間內進入檢測器的待測組分的質量成正比，所以火焰離子化檢測器是質量型檢測器。

火焰離子化檢測器對電離勢低於H2的有機物產生響應，而對無機物、久性氣體和水基本上無響應，所以火焰離子化檢測器只能分析有機物（含碳化合物），不適於分析惰性氣體、空氣、水、CO、CO2、CS2、NO、SO2及H2S等。

熱導檢測器（TCD)：熱導檢測器（TCD）又稱熱導池或熱絲檢熱器，是氣相色譜法最常用的一種檢測器。基於不同組分與載氣有不同的熱導率的原理而工作的熱傳導檢測器。

工作原理：熱導檢測器的工作原理是基於不同氣體具有不同的熱導率。熱絲具有電阻隨溫度變化的特性。當有一恆定直流電通過熱導池時，熱絲被加熱。由於載氣的熱傳導作用使熱絲的一部分熱量被載氣帶走，一部分傳給池體。當熱絲產生的熱量與散失熱量達到平衡時，熱絲溫度就穩定在一定數值。此時，熱絲阻值也穩定在一定數值。由於參比池和測量池通入的都是純載氣，同一種載氣有相同的熱導率，因此兩臂的電阻值相同，電橋平衡，無信號輸出，記錄系統記錄的是一條直線。當有試樣進入檢測器時，純載氣流經參比池，載氣攜帶著組分氣流經測量池，由於載氣和待測量組分二元混合氣體的熱導率和純載氣的熱導率不同，測量池中散熱情況因而發生變化，使參比池和測量池孔中熱絲電阻值之間產生了差異，電橋失去平衡，檢測器有電壓信號輸出，記錄儀畫出相應組分的色譜峰。載氣中待測組分的濃度越大，測量池中氣體熱導率改變就越顯著，溫度和電阻值改變也越顯著，電壓信號就越強。此時輸出的電壓信號與樣品的濃度成正比，這正是熱導檢測器的定量基礎。

熱導池（TCD）檢測器是一種通用的非破壞性濃度型檢測器，一直是實際工作中應用最多的氣相色譜檢測器之一。TCD特別適用於氣體混合物的分析，對於那些氫火焰離子化檢測器不能直接檢測的無機氣體的分析，TCD更是顯示出獨到之處。TCD在檢測過程中不破壞被監測組份，有利於樣品的收集，或與其他儀器聯用。TCD能滿足工業分析中峰高定量的要求，很適於工廠的控制分析。

氮磷檢測器（NPD）：氮磷檢測器（NPD）是一種質量檢測器，適用於分析氮，磷化合物的高靈敏度、高選擇性檢測器。它具有與FID相似的結構，只是將一種塗有鹼金屬鹽如Na2SiO3,Rb2SiO3類化合物的陶瓷珠，放置在燃燒的氫火焰和收集極之間，當試樣蒸氣和氫氣流通過鹼金屬鹽表面時，含氮、磷的化合物便會從被還原的鹼金屬蒸氣上獲得電子，失去電子的鹼金屬形成鹽再沉積到陶瓷珠的表面上。

工作原理：是在NPD檢測器的噴口上方，有一個被大電流加熱的銣珠，鹼金屬鹽（銣珠）受熱而逸出少量離子，銣珠上加有-250V 極化電壓，與圓筒形收集極形成直流電場，逸出的少量離子在直流電場作用下定向移動，形成微小電流被收集極收集，即為基流。當含氮或磷的有機化合物從色譜柱流出，在銣珠的周圍產生熱離子化反應，使鹼金屬鹽（銣珠）的電離度大大提高，產生的離子在直流電場作用下定向移動，形成的微小電流被收

集極收集，再經微電流放大器將信號放大，再由積分儀處理，實現定性定量的分析。

氮磷檢測器的使用壽命長、靈敏度極高，可以檢測到5×10g/s偶氮苯類含氮化合物，2.5×10g/s的含磷化合物，如馬拉松農藥。它對氮、磷化合物有較高的響應。而對其他化合物有的響應值低10000~100000倍。氮磷檢測器被廣泛應用於農葯、石油、食品、藥物、香料及臨床醫學等多個領域。

火焰光度檢測器（FPD）：火焰光度檢測器是利用在一定外界條件下（即在富氫條件下燃燒）促使一些物質產生化學發光，通過波長選擇、光信號接收，經放大把物質及其含量和特徵的信號聯繫起來的一個裝置。主要由燃燒室、單色器、光電倍增管、石英片（保護濾光片）及電源和放大器等組成。

工作原理：當含S、P化合物進入氫焰離子室時，在富氫焰中燃燒，有機含硫化合物首先氧化成SO2，被氫還原成S原子後生成激發態的S2*分子，當其回到基態時，發射出350～430nm的特徵分子光譜，最大吸收波長為394nm。通過相應的濾光片，由光電倍增管接收，經放大後由記錄儀記錄其色譜峰。此檢測器對含S化合物不成線性關係而呈對數關係（與含S化合物濃度的平方根成正比）。

當含磷化合物氧化成磷的氧化物，被富氫焰中的H還原成HPO裂片，此裂片被激發后發射出480～600nm的特徵分子光譜，最大吸收波長為526nm。因發射光的強度（響應信號）正比於HPO濃度。

電子捕獲檢測器（ECD)：早期電子捕獲檢測器由兩個平行電極製成。現多用放射性同軸電極。在檢測器池體內，裝有一個不鏽鋼棒作為正極，一個圓筒狀-放射源（3H、63Ni）作負極，兩極間施加流電或脈衝電壓。

工作原理：當純載氣（通常用高純N）進入檢測室時，受射線照射，電離產生正離子（N）和電子e，生成的正離子和電子在電場作用下分別向兩極運動，形成約10-8A的電流——基流。加入樣品后，若樣品中含有某中電負性強的元素即易於電子結合的分子時，就會捕獲這些低能電子，產生帶負電荷陰離子（電子捕獲）這些陰離子和載氣電離生成的正離子結合生成中性化合物，被載氣帶出檢測室外，從而使基流降低，產生負信號，形成倒峰。倒峰大小（高低）與組分濃度呈正比，因此，電子捕獲檢測器是濃度型的檢測器。其最小檢測濃度可達10-14g/ml，線性範圍為103左右。

電子捕獲檢測器是一種高選擇性檢測器。高選擇性是指只對含有電負性強的元素的物質，如含有鹵素、S、P、N等的化合物等有響應。物質電負性越強，檢測靈敏度越高。