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氣相色譜法

(利用氣體作流動相的色層分離分析方法)

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氣相色譜法是利用氣體作流動相的色層分離分析方法。汽化的試樣被載氣(流動相)帶入色譜柱中,柱中的固定相與試樣中各組份分子作用力不同,各組份從色譜柱中流出時間不同,組份彼此分離。採用適當的鑑別和記錄系統,製作標出各組份流出色譜柱的時間和濃度的色譜圖。根據圖中表明的出峯時間和順序,可對化合物進行定性分析;根據峯的高低和麪積大小,可對化合物進行定量分析。具有效能高、靈敏度高、選擇性強、分析速度快、應用廣泛、操作簡便等特點。適用於易揮發有機化合物的定性、定量分析。對非揮發性的液體和固體物質,可通過高温裂解,氣化後進行分析。可與紅光及收光譜法或質譜法配合使用,以色譜法做為分離複雜樣品的手段,達到較高的準確度。是司法鑑定中檢測有機化合物的重要分析手段。
中文名
氣相色譜法
外文名
Gas chromatography
性    質
檢測方法
流動相
氣體
分    類
氣固色譜法氣液色譜法
固定相
固體或液體

氣相色譜法簡介

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氣相色譜法定義

氣相色譜法(gas chromatography 簡稱GC)是色譜法的一種。色譜法中有兩個相,一個相是流動相,另一個相是固定相。如果用液體作流動相,就叫液相色譜,用氣體作流動相,就叫氣相色譜。
氣相色譜法由於所用的固定相不同,可以分為兩種,用固體吸附劑作固定相的叫氣固色譜,用塗有固定液的單體作固定相的叫氣液色譜。
按色譜分離原理來分,氣相色譜法亦可分為吸附色譜和分配色譜兩類,在氣固色譜中,固定相為吸附劑,氣固色譜屬於吸附色譜,氣液色譜屬於分配色譜。
按色譜操作形式來分,氣相色譜屬於柱色譜,根據所使用的色譜柱粗細不同,可分為一般填充柱和毛細管柱兩類。一般填充柱是將固定相裝在一根玻璃或金屬的管中,管內徑為2~6毫米。毛細管柱則又可分為空心毛細管柱和填充毛細管柱兩種。空心毛細管柱是將固定液直接塗在內徑只有0.1~0.5毫米的玻璃或金屬毛細管的內壁上,填充毛細管柱是近幾年才發展起來的,它是將某些多孔性固體顆粒裝入厚壁玻管中,然後加熱拉制成毛細管,一般內徑為0.25~0.5毫米。
在實際工作中,氣相色譜法是以氣液色譜為主。

氣相色譜法檢測器

氣相色譜法中可以使用的檢測器有很多種,最常用的有火焰電離檢測器(FID)與熱導檢測器(TCD)。這兩種檢測器都對很多種分析成分有靈敏的響應,同時可以測定一個很大的範圍內的濃度。TCD從本質上來説是通用性的,可以用於檢測除了載氣之外的任何物質(只要它們的熱導性能在檢測器檢測的温度下與載氣不同),而FID則主要對烴類響應靈敏。FID對烴類的檢測比TCD更靈敏,但卻不能用來檢測水。兩種檢測器都很強大。由於TCD的檢測是非破壞性的,它可以與破壞性的FID串聯使用(連接在FID之前),從而對同一分析物給出兩個相互補充的分析信息。
有一些氣相色譜儀與質譜儀相連接而以質譜儀作為它的檢測器,這種組合的儀器稱為氣相色譜-質譜聯用(GC-MS,簡稱氣質聯用),有一些氣質聯用儀還與核磁共振波譜儀相連接,後者作為輔助的檢測器,這種儀器稱為氣相色譜-質譜-核磁共振聯用(GC-MS-NMR)。有一些GC-MS-NMR儀器還與紅外光譜儀相連接,後者作為輔助的檢測器,這種組合叫做氣相色譜-質譜-核磁共振-紅外聯用(GC-MS-NMR-IR)。但是必須指出,這種情況是很少見的,大部分的分析物用單純的氣質聯用儀就可以解決問題。

氣相色譜法原理

氣相色譜法 氣相色譜法
氣相色譜法 氣相色譜法
氣相色譜系統由盛在管柱內的吸附劑(表1) 或惰性固體上塗着液體的固定相和不斷通過管柱的氣體的流動相組成。將欲分離、分析的樣品從管柱一端加入後,由於固定相對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相之間的分配係數有差別,當組分在兩相中反覆多次進行分配並隨移動相向前移動時,各組分沿管柱運動的速度就不同,分配係數小的組分被固定相滯留的時間短,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對進樣後的時間t作圖,得到的圖稱為色譜圖。當色譜過程為沖洗法方式時,色譜圖如圖1所示。從色譜圖可知,組分在進樣後至其最大濃度流出色譜柱時所需的保留時間tR,與組分通過色譜柱空間的時間tM,及組分在柱中被滯留的調整保留時間t'R之間的關係是:式中t'R與tM的比值表示組分在固定相比在移動相中滯留時間長多少倍,稱為容量因子k。
從色譜圖還可以看到從柱後流出的色譜峯不是矩形,而是一條近似高斯分佈的曲線,這是由於組分在色譜柱中移動時,存在着渦流擴散、縱向擴散和傳質阻力等因素,因而造成區域擴張。在色譜柱內固定相有兩種存放方式,一種是柱內盛放顆粒狀吸附劑,或盛放塗敷有固定液的惰性固體顆粒〔載體或稱擔體(表2)〕;另一種是把固定液塗敷或化學交聯於毛細管柱的內壁。用前一種方法制備的色譜柱稱為填充色譜柱,後一種方法制備的色譜柱稱為毛細管色譜柱(或稱開管柱)。

氣相色譜法色譜分析

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氣相色譜法綜述

從色譜圖可以看到,色譜峯是組分在色譜柱運行的結果,它是判斷組分是什麼物質及其含量的依據,色譜法就是依據色譜峯的移動速度和大小來取得組分的定性和定量分析結果的。

氣相色譜法定性分析

公式4 公式4
在給定的條件下,表示組分在色譜柱內移動速度的調整保留時間是判斷組分是什麼物質的指標,即某組分在給定條件下的t惱值必定是某一數值(圖 1)。為了儘量免除載氣流速、柱長、固定液用量等操作條件的改變對使用t惱值作定性分析指標時產生的不方便,可進一步用組分相對保留值α或組分的保留指數來進行定性分析。計算組分 i在給定的柱温和固定相時的保留指數Ii的公式為(公式4)式中n與n+1是緊靠在組分i前後流出的正構烷烴的碳原子數氣相色譜法 是這兩個正構烷烴的調整保留時間。
將樣品進行色譜分析後,按同樣的實驗條件用純物質作實驗,或者查閲文獻,把兩者所得的定性指標(α值、t惱值或I值)相比較如果樣品和純物質都有定性指標數值一致的色譜峯,則此樣品中有此物質。
由於只能説相同物質具有相同保留值的色譜峯,而不能説相同保留值的色譜峯都是一種物質,所以為了更好地對色譜峯進行定性分析,還常採用其他手段來直接定性,例如採用氣相色譜和質譜或光譜聯用,使用選擇性的色譜檢測器,用化學試劑檢測和利用化學反應等 [1] 

氣相色譜法定量分析

色譜峯的大小由峯的高度或峯的面積確定。可用手工的方法測量峯高,和以峯高h與峯高一半處的峯寬ω┩的乘積表示峯面積。A=hω┩。新型的色譜儀都有積分儀或微處理機給出更精確的色譜峯高或面積。應該注意,組分進入檢測器產生的相應的色譜信號大小(峯高或峯面積)隨所用檢測器類別和載氣的不同而異,有時甚至受到物質濃度和儀器結構的影響。所以須將所得的色譜信號予以校正,才能與組分的量一致,即需要用下式校正組分的重量:
公式5 公式5
W=f′A式中f′為該組分的定量校正因子。依上式從色譜峯面積(或峯高)可得到相應組分的重量,進一步用下述方法之一計算出組分i在樣品中的含量Wi:①歸一化法將組分的色譜峯面積乘以各自的定量校正因子,然後按下式計算(公式5)此法的優點是方法簡便,進樣量與載氣流速的影響不大;缺點是樣品中的組分必須在色譜圖中都能給出各自的峯面積,還必須知道各組分的校正因子。
公式6 公式6
② 內標法,向樣品中加入被稱為內標物的某物質後,進行色譜分析,然後用它對組分進行定量分析。例如稱取樣品Wm克,將內標物Wφ克加入其中,進行色譜分析後,得到欲測定的組分與內標物的色譜峯面積分別為Ai和Aφ,則可導出:(公式6)此方法沒有歸一化法的缺點,不足之處是要求準確稱取樣品和內標物的重量,選擇合適的內標物。
③ 外標法在進樣量、色譜儀器和操作等分析條件嚴格固定不變的情況下,先用組分含量不同的純樣等量進樣,進行色譜分析,求得含量與色譜峯面積的關係用下式進行計算,此法適用於工廠控制分析,特別是氣體分析;缺點是難以做到進樣量固定和操作條件穩定 [1] 

氣相色譜法分析方法

分析方法實際上是在某一特定的氣相色譜分析中使用的一系列條件。建立分析方法實際上是確定對於某一分析的最佳條件的過程。
為了滿足某一特定的分析的要求,可以改變的條件包括進樣口温度,檢測器温度,色譜柱温度及其控温程序,載氣種類及載氣流速,固定相,柱徑,柱長,進樣口類型及進樣口流速,樣品量,進樣方式等。檢測器還可能有其它可供調節的參數,這取決於所使用的檢測器類型。有一些氣相色譜儀還有可以控制樣品與載氣流向的閥門,這些閥門開啓與關閉的時間也可能對分析的效果有重要影響。 該儀器有兩個閥門,用來控制載氣進入定量管。當定量管充滿樣品氣後,切換閥門,載氣就會通過定量管。載氣的壓強會將樣品帶入到色譜柱中進行分離。
氣相色譜法載氣選擇與載氣流速
典型的載氣包括氦氣、氮氣、氬氣、氫氣和空氣。通常,選用何種載氣取決於檢測器的類型。例如,放電離子化檢測器(DID)需要氦氣作為載氣。不過,當對氣體樣品進行分析的時候,載氣有時是根據樣品的母體選擇的,例如,當對氬氣中的混合物進行分析時,最好用氬氣作載氣,因為這樣做可以避免色譜圖中出現氬的峯。安全性與可獲得性也會影響載氣的選擇,比如説,氫氣可燃,而高純度的氦氣某些地區難以獲得。(參見:氦氣——分佈與生產) 很多時候,檢測器不僅僅決定了載氣的種類,還決定了載氣的純度(雖然對靈敏度的要求也在很大程度上影響載氣純度的要求)。通常來説,氣相色譜中所用的載氣,純度應該在99.995%以上。用於標識純度的典型商品名包括“零點氣級”,“高純度(UHP)級”,“4.5級”和“5.0級”。 載氣流速對分析的影響在方式上與温度類似(見下文)。載氣流速越高,分析速度越快,但是分離度越差。因此,最佳載氣流速的選擇與柱温的選擇一樣,都需要在分析速度與分離度之間取得平衡。二十世紀九十年代之前生產的氣相色譜儀的載氣流速往往通過載氣入口的壓力(柱前壓)進行控制,實際的載氣流速則在柱的出口端通過電子流量計皂膜流量計進行測定。這樣的一個過程常常很複雜,很耗時間,而且往往令人沮喪。在整個運行過程中,柱前壓不能再改變,氣流必須穩定。氣體流速與柱前壓的關係可以通過可壓縮流體的Poiseuille方程來計算。 不過,很多現代的氣相色譜儀已經能用電路自動測定氣體流速,並通過自動控制柱前壓來控制流速。因此,載氣壓強與流速可以在運行過程中調整。柱前壓/氣流控制程序(與温度控制程序類似)隨之出現。
氣相色譜法進樣口類型與流速
進樣口類型和進樣技術通常與樣品存在的形態(液態、氣態、被吸附、固態)以及是否存在需要氣化的溶劑有關。如果樣品分散良好,並且性質已知,那麼它就可以通過冷柱頭進樣口直接進樣;如果需要蒸發除去部分溶劑,就使用分流/不分流進樣口(通常用注射器進樣);氣體樣品(如來自氣缸)通常用氣體閥進樣器進樣。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)或者在分流/不分流進樣器中解吸(使用固相微萃取技術)。
氣相色譜法樣品量與進樣技術
進樣技術氣相色譜中的十分之一原則 真正的氣相色譜分析過程從樣品進入色譜柱開始。毛細管氣相色譜法的發展使得進樣技術面臨着很多實踐中的問題。柱上進樣技術多用於填充柱而不適用於毛細管柱。在毛細管氣相色譜儀中的進樣技術應該滿足以下兩個條件:進樣量不得超過柱的容量;與展開過程引起的樣品展寬相比,進樣後的塞式流寬度應該很小。如果不能滿足這一要求,色譜柱的分離能力將會下降。一個普遍的規則是,注入的體積,Vinj,和檢測器的體積,Vdet,應該只有樣品中包含被分析物的部分出柱時的體積的十分之一。以下是一些優秀進樣技術應當滿足的一般要求:應該能使色譜柱達到它的最佳分離效率;對於小量的有代表性的(典型)樣品,進樣應具有準確性和可重現性;不能改變樣品組成(對於具有不同的沸點、極性、濃度與熱力學穩定性的物質,進樣過程中不應有所差異);應該既適用於痕量分析,也適用於濃度相對較大的樣品。
氣相色譜法色譜柱的選擇
柱温與温度控制程序一個已經拆開以顯示出內部毛細管柱的氣相色譜儀恆温箱氣相色譜儀中的色譜柱放置於温度由電子電路精確控制的恆温箱內。(當分析者説“柱温”時,他實際上指的是恆温箱的温度。不過這種區別並不重要,因此在下文中對這兩者並不作區分。)樣品通過色譜柱的速率與温度正相關。柱温越高,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。通常來説,柱温的選擇是綜合考慮分離時間與分離度的結果。柱温在整個分析過程中不變的方法稱為恆温方法。不過,在大部分的分析方法中,柱温隨着分析過程的進行逐漸上升。初温,升温速率(温度“斜率”)與末温統稱為控温程序。控温程序使得較早被洗脱的被分析物能夠得到充分的分離,同時又縮短了較晚被洗脱的被分析物通過色譜柱的時間。

氣相色譜法氣相色譜的應用

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氣相色譜法應用

只要在氣相色譜儀允許的條件下可以氣化而不分解的物質,都可以用氣相色譜法測定。對部分熱不穩定物質,或難以氣化的物質,通過化學衍生化的方法,仍可用氣相色譜法分析。
在石油化工、醫藥衞生、環境監測、生物化學、食品檢測等領域都得到了廣泛的應用
1.在衞生檢驗中的應用
空氣、水中污染物如揮發性有機物、多環芳烴,苯、甲苯、苯並(a)比等;農作物中殘留有機氯、有機磷農藥等;食品添加劑苯甲酸等;體液和組織等生物材料的分析如氨基酸、脂肪酸、維生素等 [2] 
2.在醫學檢驗中的應用
體液和組織等生物材料的分析:如脂肪酸、甘油三酯、維生素、糖類等。
3. 在藥物分析中的應用
抗癲癇藥、中成藥中揮發性成分、生物鹼類藥品的測定等。

氣相色譜法優點

①分離效率高,分析速度快,例如可將汽油樣品在兩小時內分離出200多個色譜峯,一般的樣品分析可在20分種內完成。
②樣品用量少和檢測靈敏度高,例如氣體樣品用量為 1毫升,液體樣品用量為0.1微升固體樣品用量為幾微克。用適當的檢測器能檢測出含量在百萬分之十幾至十億分之幾的雜質。
③選擇性好,可分離、分析恆沸混合物,沸點相近的物質,某些同位素,順式與反式異構體鄰、間、對位異構體,旋光異構體等。
④應用範圍廣,雖然主要用於分析各種氣體和易揮發的有機物質,但在一定的條件下,也可以分析高沸點物質和固體樣品。應用的主要領域有石油工業、環境保護、臨牀化學藥物學、食品工業等。

氣相色譜法缺點

在對組分直接進行定性分析時,必須用已知物或已知數據與相應的色譜峯進行對比,或與其他方法(如質譜、光譜)聯用,才能獲得直接肯定的結果。在定量分析時,常需要用已知物純樣品對檢測後輸出的信號進行校正。
參考資料