氣相色譜法(gaschromatography)概述

  用氣體作為移動相的色譜法。根據所用固定相的不同可分為兩類﹕固定相是固體的﹐稱為氣固色譜法﹔固定相是液體的則稱為氣液色譜法。

　　簡史20世紀30年代﹐P.舒夫坦和A.尤肯發展了氣固色譜法。P.C.特納﹑S.克拉桑﹑E.克里默接踵于后。氣液色譜法則是A.T.詹姆斯和馬丁﹐A.J.P.提出的。氣固色譜法由于采用了各種特殊性能的吸附劑﹐現在日益廣泛地用于各種氣體的分析﹐但仍受組分的吸附等溫線非線性和吸附劑制備重復性差的局限。氣液色譜法由于可采用不同性質的固定液﹐得到更為廣泛的應用。由于新的固定液及其制備方法有了新發展﹐而使固定液流失問題得到較好的克服﹐現在氣相色譜法有時主要指氣液色譜法。

　　原理氣相色譜系統由盛在管柱內的吸附劑或惰性固體上涂著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后﹐由于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系數有差別﹐當組分在兩相中反復多次進行分配并隨移動相向前移動時﹐各組分沿管柱運動的速度就不同﹐分配系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對進樣后的時間作圖﹐得到的圖稱為色譜圖。當色譜過程為沖洗法方式時

　　通常借用蒸餾法的塔片概念來表示色譜柱的效能﹐例如使用“相當于一個理論塔片的高度”或“塔片數”來表示柱效。對于填充柱﹕

　　現在實驗和理論上都證明了物質的色譜峰形狀是不對稱的和曳尾的﹐若用指數衰減修正的高斯分布作為描述色譜峰形狀的分布函數﹐則更為確切。

　　上面曾經指出﹐兩組分的分配系數必須有差異﹐其色譜峰才能被分開。有了差異﹐分離時所需的柱效也就不相同﹐所以要判別兩色譜峰分離的情況(圖2色譜總分離效能指標圖)﹐還需要采用色譜柱總分離效能指標。

　　氣流系統指載氣及其它氣體(燃燒氣﹑助燃氣)流動的管路和控制﹑測量組件。所用的氣體從高壓氣瓶或氣體發生器逸出后﹐通過減壓和氣體凈化干燥管﹐用穩壓閥﹑穩流閥控制到所需的流量。

　　分離系統由進樣室與色譜柱組成。進樣室有氣體進樣閥﹑液體進樣室﹑熱裂解進樣室等多種型式。色譜柱通常為內徑2～3毫米﹑長1～3米﹑內盛固定相的填充柱﹐或內徑0.25毫米﹑長20米以上﹑內涂固定液的開管柱。樣品從進樣室被載氣攜帶通過色譜柱﹐樣品中的組分在色譜柱內被分離而先后流出﹐進入檢測器。

　　檢測系統包括檢測器﹑微電流放大器﹑記錄器。檢測器(表3氣相色譜法常用檢測器)將色譜柱流出的組分﹐依濃度的變化轉化為電信號﹐經微電流放大器后﹐把放大后的電信號分別送到記錄器和數據處理裝置﹐由記錄器繪出色譜流出曲線。

　　數據處理系統簡單的數據處理部件是積分儀。新型的氣相色譜儀都有微處理機作數據處理。

　　溫度控制系統及其它輔助部件溫度控制器用于控制進樣室﹑色譜柱﹑檢測器的溫度。如果色譜柱放置在有鼓風的色譜爐內﹐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。

　　流動相即載氣﹐可用氦氣﹑二氧化碳﹑氫氣﹑氮氣等。載氣的選擇與純化的要求取決于所用的色譜柱﹑檢測器和分析項目的要求﹐如對有些固定相不能與微量氧氣接觸﹐又如對熱傳導池檢測器宜用氫氣作載氣﹔對電子捕獲檢測器須除去載氣中負電性較強的雜質﹐以利于提高檢測器的靈敏度。用分子量小的氣體作載氣時可用較高的線速﹐這時柱效下降不大﹐卻可以縮短分析時間﹐因為分子量小的氣體黏度小﹐柱壓增加不大﹐并且在高線速時可減小氣相傳質阻力。用氫氣作載氣時﹐在填充柱和開管柱中的流速可分別選用35和2毫升/分左右。

　　固定相一般來說﹐宜按“相似性”原則選擇固定液﹔分析非極性樣品時用非極性固定液﹔分析強極性樣品時用極性強的固定液(表4常用固定液)。把固定液涂敷于開管柱的內壁﹐或涂漬在載體上制成填充柱的固定相﹐均勿太厚。開管柱的宜為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組分及縮短分析時間。

　　操作溫度進樣室的溫度應根據進樣方法和樣品而定。氣化方式進樣時﹐氣化溫度既要使組分能充分氣化﹐又不會分解(裂解進樣除外)。檢測室的溫度以稍高于柱溫為好﹐可避免組分冷凝或產生其它問題。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﹑分析時間長短﹑便于定性和定量測定等因素。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驗求得。

　　樣品預處理欲分析的化合物常用化學反應的方法轉變成另一種化合物﹐這稱為衍生物的制備。然后再對衍生物進行色譜分析。預處理的好處是﹕許多化合物揮發性過低或過高﹐極性很小或熱穩定性差﹐不能或不適于直接取樣注入色譜分析儀進行分析﹐其衍生物則可以很方便地進入色譜儀﹔一些難于分離的組分﹐轉化成衍生物就便于分離和進行定性分析﹔用選擇性檢測器檢測可獲得高靈敏度的衍生物﹔樣品中有些雜質因不能成為衍生物而被除去。

　　氣相色譜法最常用的化學衍生物法有硅烷化反應法﹑酰化反應法和酯化反應法(有重氮甲烷法﹑三氟化硼催化法和季硼鹽分解法等)。在制備化學衍生物時要特別仔細﹐否則會帶來嚴重的錯誤。

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

　　定性分析在給定的條件下﹐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么物質的指標﹐即某組分在給定條件下的值必定是某一數值。為了盡量免除載氣流速﹑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或組分的保留指數來進行定性分析。將樣品進行色譜分析后﹐按同樣的實驗條件用純物質作實驗﹐或者查閱文獻﹐把兩者所得的定性指標(值﹑值或值)相比較﹐如果樣品和純物質都有定性指標數值一致的色譜峰﹐則此樣品中有此物質。

　　由于只能說相同物質具有相同保留值的色譜峰﹐而不能說相同保留值的色譜峰都是一種物質﹐所以為了更好地對色譜峰進行定性分析﹐還常采用其它手段來直接定性﹐例如采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。

　　定量分析色譜峰的大小由峰的高度或峰的面積確定。可用手工的方法測量峰高﹐和以峰高與峰高一半處的峰寬的乘積表示峰面積。新型的色譜儀都有積分儀或微處理機給出更精確的色譜峰高或面積。應該注意﹐組分進入檢測器產生的相應的色譜信號大小(峰高或峰面積)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。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峰面積﹐還必須知道各組分的校正因子。

　　內標法﹐向樣品中加入被稱為內標物的某物質后﹐進行色譜分析﹐然后用它對組分進行定量分析。例如稱取樣品克﹐將內標物克加入其中﹐進行色譜分析后﹐得到欲測定的組分與內標物的色譜峰面積分別為和﹐則可導出﹕

　　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。

　　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﹐求得含量與色譜峰面積的關系。優缺點優點為﹕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多個色譜峰﹐一般的樣品分析可在20分種內完成。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。選擇性好﹐可分離﹑分析恒沸混合物﹐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。應用范圍廣﹐雖然主要用于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﹑臨床化學﹑藥物學﹑食品工業等。

　　氣相色譜法的缺點為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峰進行對比﹐或與其它方法(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后輸出的信號進行校正。

　　展望今后氣相色譜法還將有很大的發展﹐耐高溫的極性高效開管柱和選擇性好﹑靈敏度高的檢測器的研制﹐色譜定性和定量分析規律的研究﹐微處理機進一步的應用﹐生物學﹑醫學﹑環境保護等方面新的分析方法都是很活躍的研究課題。智能氣相色譜法的研究也是今后發展的方向。