2017-03-06 14:27:15

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气体作为移动相的色谱法。根据所用固定相的不同可分为两类:固定相是固体的,称为气固色谱法;固定相是液体的则称为气液色谱法。

基本信息

  • 中文名

    气相色谱法

  • 外文名

    gas chromatography,GC

  • 固定相

    固体或液体

  • 性    质

    检测方法

  • 分    类

    气固色谱法、气液色谱法

  • 流动相

    气体

折叠 编辑本段 基本简介

气液色谱法(英语:Gas chromatography,又称气相层析)是一种在有机化学中对易于挥发而不发生分解的化合物进行分离与分析的色谱技术。气相色谱的典型用途包括测试某一特定化合物的纯度与对混合物中的各组分进行分离(同时还可以测定各组分的相对含量)在某些情况下,气相色谱还可能对化合物的表征有所帮助。在微型化学实验中,气相色谱可以用于从混合物中制备纯品。

折叠 编辑本段 分析法概述

气相色谱仪是用于分离复杂样品中的化合物的化学分析仪器。气相色谱仪中有一根流通型的狭长管道,这就是色谱柱。在色谱柱中,不同的样品因为具有不同的物理和化学性质,与特定的柱填充物(固定相)有着不同的相互作用而被气流(载气,流动相)以不同的速率带动。当化合物从柱的末端流出时,它们被检测器检测到,产生相应的信号,并被转化为电信号输出。在色谱柱中固定相的作用是分离不同的组分,使得不同的组分在不同的时间(保留时间)从柱的末端流出。其它影响物质流出柱的顺序及保留时间的因素包括载气的流速,温度等。

在气相色谱分析法中,一定量(已知量)的气体或液体分析物被注入到柱一端的进样口中(通常使用微量进样器,也可以使用固相微萃取纤维(solid phase microextraction fibres)或气源切换装置)。当分析物在载气带动下通过色谱柱时,分析物的分子会受到柱壁或柱中填料的吸附,使通过柱的速度降低。分子通过色谱柱的速率取决于吸附的强度,它由被分析物分子的种类与固定相的类型决定。由于每一种类型的分子都有自己的通过速率,分析物中的各种不同组分就会在不同的时间(保留时间)到达柱的末端,从而得到分离。检测器用于检测柱的流出流,从而确定每一个组分到达色谱柱末端的时间以及每一个组分的含量。通常来说,人们通过物质流出柱(被洗脱)的顺序和它们在柱中的保留时间来表征不同的物质。

折叠 编辑本段 检测器

气相色谱法中可以使用的检测器有很多种,最常用的有火焰电离检测器(FID)与热导检测器(TCD)。这两种检测器都对很多种分析成分有灵敏的响应,同时可以测定一个很大的范围内的浓度。TCD从本质上来说是通用性的,可以用于检测除了载气之外的任何物质(只要它们的热导性能在检测器检测的温度下与载气不同),而FID则主要对烃类响应灵敏。FID对烃类的检测比TCD更灵敏,但却不能用来检测水。两种检测器都很强大。由于TCD的检测是非破坏性的,它可以与破坏性的FID串联使用(连接在FID之前),从而对同一分析物给出两个相互补充的分析信息。

其它的检测器要么只能检测出个别的被测物,要么可以测定的浓度范围很窄。

常见的检测器包括:

放电离子化检测器(DID),它通过高压放电来产生离子。

电子俘获检测器,它使用β放射线源(电子流)来测量样品对电子的俘获能力。

火焰光度检测器(FPD)

火焰电离检测器(FID)

霍尔电导检测器(ElCD)

氦离子化检测器(HID)

氮磷检测器(NPD)

质谱检测器(MSD)

光离子化检测器(PID)

脉冲放电检测器(PDD)

热能(热导)分析器/检测器(TEA/TCD)

有一些气相色谱仪与质谱仪相连接而以质谱仪作为它的检测器,这种组合的仪器称为气相色谱-质谱联用(GC-MS,简称气质联用),有一些气质联用仪还与核磁共振波谱仪相连接,后者作为辅助的检测器,这种仪器称为气相色谱-质谱-核磁共振联用(GC-MS-NMR)。有一些GC-MS-NMR仪器还与红外光谱仪相连接,后者作为辅助的检测器,这种组合叫做气相色谱-质谱-核磁共振-红外联用(GC-MS-NMR-IR)。但是必须指出,这种情况是很少见的,大部分的分析物用单纯的气质联用仪就可以解决问题。[1]

折叠 编辑本段 气相色谱

电影,书籍与电视节目经常歪曲气相色谱法的能力以及运用气相色谱法完成的工作。

例如,在美国的电视节目《鉴证行动组》中,人们用气相色谱来快速地识别未知样品。分析员在取得样品之后十五分钟之后就会说:“这是在过去两个星期中在雪佛龙公司(Chevron)的油站里购买的汽油。”

事实上,一个典型的气相色谱分析所用的时间要长得多。有时依照选定的程序,一个样品就要进行一个多小时的分析。对色谱柱进行“清理”以便接受下一个样品还需要额外的时间。同时,为了验证一个结论,分析员往往需要进行多次平行的分析,因为单次分析的结果很可能具有偶然性(参见显著性差异)。

同时,气相色谱并不能识别大部分的样品,而且并非样品中的所有物质都可以通过气相色谱检测出来。气相色谱真正能告诉分析者的,只是在某个时间有一种物质从色谱柱中被洗脱出来,而且检测器对它有响应。为了使结果变得更有意义,分析人员需要知道样品中可能含有什么成分,以及它们可能有怎么样的浓度。还有,一些低含量的物质可能因为与另一种高含量的物质同时被洗脱而无法在色谱图中表现出来。最后,分析人员还经常需要将未知样品的气相色谱结果与可能存在的物质的标准样品的分析结果进行比较。

气相色谱-质谱联用仪可以很好地改善这种混淆不清的状况,因为质谱仪可以识别出各组分的相对分子质量。不过,要很好地完成这些工作,同样需要时间与技巧。

类似地,绝大部分的气相色谱分析并不是简单的按键操作。你不能简单地将样品瓶放在自动采样器的托盘上,然后按一个按钮,让计算机告诉你关于样品的所有信息。根据被分析的物质,分析人员需要小心选择一套合适的操作程序。

不过也要承认,在对相似样品的大量重复性分析之中,简单的按键操作是存在的。这包括化工生产中的分析,也包括为了确定样品中被测物的平均含量而对同一实验获得的20个样品的分析等等。不过,那些书籍,电影与电视节目中的研究性工作绝对不属于这种情况。

折叠 编辑本段 基本原理

气相色谱系统由盛在管柱内的吸附剂(表1) 或惰性固体上涂着液体的固定相和不气相色谱法气相色谱法断通过管柱的气体的流动相组成。将欲分离、分析的样品从管柱一端加入后,由于固定相对样品中各组分吸附或溶解能力不同,即各组分在固定相和流动相之间的分配系数有差别,当组分在两相中反复多次进行分配并随移动相向前移动时,各组分沿管柱运动的速度就不同,分配系数小的组分被固定相滞留的时间短,能较快地从色谱柱末端流出。以各组分从柱末端流出的浓度 c对进样后的时间t作图,得到的图称为色谱图。当色谱过程为冲洗法方式时,色谱图如图1所示。从色谱图可知,组分在进样后至其最大浓度流出色谱柱时所需的保留时间tR,与组分通过色谱柱空间的时间tM,及组分在柱中被滞留的调整保留时间t恼的关系是:式中t恼与tM的比值表示组分在固定相比在移动相中滞留时间长多少倍,称为容量因子k:

从色谱图还可以看到从柱后流出的色谱峰不是矩形,而是一条近似高斯分布的曲线,这是由于组分在色谱柱中移动时,存在着涡流扩散、纵向扩散和传质阻力等因素,因而造成区域扩张。在色谱柱内固定相有两种存放方式,一种是柱内盛放颗粒状吸附剂,或盛放涂敷有固定液的惰性固体颗粒〔载体或称担体(表2)〕;另一种是把固定液涂敷或化学交联于毛细管柱的内壁。用前一种方法制备的色谱柱称为填充色谱柱,后一种方法制备的色谱柱称为毛细管色谱柱(或称开管柱)。

折叠 编辑本段 基本分类

内标准法

取标准被测成分,按依次增加或减少的已知阶段量,各自分别加入各单体所规定的定量内标准物质中,调制标准溶液。分别取此标准液的一定量注入色谱柱,根据色谱图取标准被测成分的峰面积和峰高和内标物质的峰面积和峰高的比例为纵坐标,取标准被测成分量和内标物质量之比,或标准被测成分量为横坐标,制成标准曲线。

然后按单体中所规定的方法调制试样液。在调制试样液时,预先加入与调制标准液时等量的内标物质。然后按制作标准曲线时的同样条件下得出的色谱,求出被测成分的峰面积或峰高和内标物质的峰积或峰高之比,再按标准曲线求出被测成分的含量。

绝对标准曲线法

取标准被测成分 按依次增加或减少阶段法,各自调制成标准液,注入一定量后,按色谱图取标准被测成分的峰面积或峰高为纵坐标,而以标准被测成分的含量为横坐标,制成标准曲线。然后按单体中所规定的方法制备试样液。取试样液按制标准曲线时相同的条件作出色谱,求出被测成分的峰面积和峰高,再按标准曲线求出被测成分的含量。

峰面积百分率法

以色谱中所得各种成分的峰面积的总和为100,按各成分的峰面积总和之比,求出各成分的组成比率。

折叠 编辑本段 仪器装置

气流系统

指载气及其他气体(燃烧气、助燃气)流动的管路和控制、测量元件。所用的气体从高压气瓶或气体发生器逸出后,通过减压和气体净化干燥管,用稳压阀、稳流阀控制到所需的流量。

分离系统

由进样室与色谱柱组成。进样室有气体进样阀、液体进样室、热裂解进样室等多种型式。色谱柱通常为内径2~3毫米、长1~3米、内盛固定相的填充柱,或内径0.25毫米、长20米以上气相色谱法气相色谱法、内涂固定液的开管柱。样品从进样室被载气携带通过色谱柱,样品中的组分在色谱柱内被分离而先后流出,进入检测器。

检测系统

包括检测器、微电流放大器、记录器。检测器(表3)将色谱柱流出的组分,依浓度的变化转化为电信号,经微电流放大器后,把放大后的电信号分别送到记录器和数据处理装置,由记录器绘出色谱流出曲线。

数据处理系统

简单的数据处理部件是积分仪。新型的气相色谱仪都有微处理机作数据处理。

温度控制系统及其他辅助部件

温度控制器用于控制进样室、色谱柱、检测器的温度。如果色谱柱放置在有鼓风的色谱炉内,则要求色谱炉能在恒定温度或程序升温下操作。重要的辅助部件有顶空取样器、流程切换装置等。

流动相

即载气 可用氦气、二氧化碳、氢气、氮气等。载气的选择与纯化的要求取决于所用的色谱柱、检测器和分析项目的要求,如对有些固定相不能与微量氧气接触,又如对热传导池检测器宜用气相色谱法气相色谱法氢气作载气;对电子捕获检测器须除去载气中负电性较强的杂质,以利于提高检测器的灵敏度。用分子量小的气体作载气时可用较高的线速,这时柱效下降不大,却可以缩短分析时间,因为分子量小的气体粘度小,柱压增加不大,并且在高线速时可减小气相传质阻力。用氢气作载气时,在填充柱和开管柱中的流速可分别选用35和2毫升/分左右。

固定相

一般来说,宜按“相似性”原则选择固定液;分析非极性样品时用非极性固定液;分析强极性样品时用极性强的固定液(表4)。把固定液涂敷于开管柱的内壁,或涂渍在载体上制成填充柱的固定相,均勿太厚。开管柱的df宜为0.2~0.4微米,填充柱的固定液含量宜为3%~10%。载体颗粒约为柱径的0.1,即80~100目较好。这样,组分在液相中传质快载体粒度较小而又未增大填充不均匀性,有利于在较低的温度下分析高沸点组分及缩短分析时间。

操作温度

进样室的温度应根据进样方法和样品而定。气化方式进样时,气化温度既要使组分能充分气化,又不会分解(裂解进样除外)。检测室的温度以稍高于柱温为好,可避免组分冷凝或产生其他问题。色谱柱温的确定要作综合考虑,即要照顾到固定相的使用温度范围、分析时间长短、便于定性和定量测定等因素。最好能在恒温下操作,沸程很宽的样品才采用程序升温操作。满意的操作温度须由实验求得。

样品预处理

欲分析的化合物常用化学反应的方法转变成另一种化合物,这称为衍生物的制备。然后再对衍生物进行色谱分析。预处理的好处是:①许多化合物挥发性过低或过高,极性很小或热稳定气相色谱法气相色谱法性差,不能或不适于直接取样注入色谱分析仪进行分析,其衍生物则可以很方便地进入色谱仪;②一些难于分离的组分,转化成衍生物就便于分离和进行定性分析;③用选择性检测器检测可获得高灵敏度的衍生物;④样品中有些杂质因不能成为衍生物而被除去。

常用术语

基线: 在操作条件下,仅有纯流动相进入检测器时的流出曲线。

峰高与峰面积:色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高(peak height)。用h表示。

峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area),用A表示。

峰的区域宽度:a、峰底宽 WD = 4σ=1.70 Wh/2 b、半高峰宽 Wh/2=2.355σ c、标准偏差峰宽 W0.607h=2σ

折叠 编辑本段 发展简史

气相色谱法的发展与两个方面的发展是密不可分,一是气相色谱分离技术的发展,二是其他学科和技术的发展。

1952年James和Martin提出气液相色谱法,同时也发明了第一个气相色谱检测气相色谱法气相色谱法器。这是一个接在填充柱出口的滴定装置,用来检测脂肪酸的分离,用滴定溶液体积对时间做图,得到积分色谱图。之后,他们又发明了气体密度天平。1954年Ray提出热导计,开创了现代气相色谱检测器的时代。此后至1957年,则进入填充柱、TCD的年代。

1958年Gloay首次提出毛细管,同年,Mcwillian和Harley同时发明了FID,Lovelock发明了氩电离检测器(AID)使检测方法的灵敏度提高了2~3个数量级。

20世纪60年代和70年代,由于气相色谱技术的发展,柱效大为提高,环境科学等学科的发展,提出了痕量分析的要求,又陆续出现了一些高灵敏度、高选择性的检测器,如1960年Lovelock提出电子俘获检测器(ECD);1966年Brody等发明了FPD;1974年Kolb和Bischoff提出了电加热的NPD;1976年美国HNU公司推出了实用的窗式光电离检测器(PID)等。同时,由于电子技术的发展,原有的检测器在结构和电路上又作了重大的改进,如TCD出现了衡电流、横热丝温度及衡热丝温度检测电路;ECD出现衡频率变电流、衡电流脉冲调制检测电路等,从而使性能又有所提高。

20世纪80年代,由于弹性石英毛细管柱的快速广泛应用,对检测器提出了体积小、响应快、灵敏度高、选择性好的要求,特别是计算机和软件的发展,使TCD、FID、ECD、和NPD的灵敏度和稳定性均有很大提高,TCD和ECD的检测池体积大大缩小。

进入20世纪90年代,由于电子技术、计算机和软件的飞速发展使MSD生产成本和复杂性下降,以及稳定性和耐用性增加,从而成为最通用的气相色谱检测器之一。期间出现了非放射性的脉冲放电电子俘获检测器(PDECD)、脉冲放电氦电离检测器(PDHID)和脉冲放电光电离检测器(PDECD)以及集次三者为一体的脉冲放电检测器(PDD)。四年后,美国Varian公司推出了商品仪器,它比通常FPD灵敏度高100倍。另外,快速GC和全二维GC等快速分离技术的迅猛发展,也促使快速GC检测方法逐渐成熟。

折叠 编辑本段 应用范畴

1.在卫生检验中的应用

空气、水中污染物如挥发性有机物、多环芳烃[苯、甲苯、苯并(a)比等];农作物中残留有机氯、有机磷农药等;食品添加剂苯甲酸等;体液和组织等生物材料的分析如氨基酸、脂肪酸、维生素等。

2.在医学检验中的应用

体液和组织等生物材料的分析:如脂肪酸、甘油三酯、维生素、糖类等。

3. 在药物分析中的应用

抗癫痫药、中成药中挥发性成分、生物碱类药品的测定等。[2]

折叠 编辑本段 分析方法

分析方法实际上是在某一特定的气相色谱分析中使用的一系列条件。建立分析方法实际上是确定对于某一分析的最佳条件的过程。

为了满足某一特定的分析的要求,可以改变的条件包括进样口温度,检测器温度,色谱柱温度及其控温程序,载气种类及载气流速,固定相,柱径,柱长,进样口类型及进样口流速,样品量,进样方式等。检测器还可能有其它可供调节的参数,这取决于所使用的检测器类型。有一些气相色谱仪还有可以控制样品与载气流向的阀门,这些阀门开启与关闭的时间也可能对分析的效果有重要影响。

右图为GeoStrata Technologies生产的Eclipse气相色谱仪。它以三分钟为周期持续运转。该仪器有两个阀门,用来控制载气进入定量管。当定量管充满样品气后,切换阀门,载气就会通过定量管。载气的压强会将样品带入到色谱柱中进行分离。

折叠 载气选择与载气流速

典型的载气包括氦气、氮气、氩气、氢气和空气。通常,选用何种载气取决于检测器的类型。例如,放电离子化检测器(DID)需要氦气作为载气。不过,当对气体样品进行分析的时候,载气有时是根据样品的母体选择的,例如,当对氩气中的混合物进行分析时,最好用氩气作载气,因为这样做可以避免色谱图中出现氩的峰。安全性与可获得性也会影响载气的选择,比如说,氢气可燃,而高纯度的氦气某些地区难以获得。(参见:氦气——分布与生产)

很多时候,检测器不仅仅决定了载气的种类,还决定了载气的纯度(虽然对灵敏度的要求也在很大程度上影响载气纯度的要求)。通常来说,气相色谱中所用的载气,纯度应该在99.995%以上。用于标识纯度的典型商品名包括“零点气级”,“高纯度(UHP)级”,“4.5级”和“5.0级”。

载气流速对分析的影响在方式上与温度类似(见下文)。载气流速越高,分析速度越快,但是分离度越差。因此,最佳载气流速的选择与柱温的选择一样,都需要在分析速度与分离度之间取得平衡。

二十世纪九十年代之前生产的气相色谱仪的载气流速往往通过载气入口的压力(柱前压)进行控制,实际的载气流速则在柱的出口端通过电子流量计或皂膜流量计进行测定。这样的一个过程常常很复杂,很耗时间,而且往往令人沮丧。在整个运行过程中,柱前压不能再改变,气流必须稳定。气体流速与柱前压的关系可以通过可压缩流体的Poiseuille方程来计算。

不过,很多现代的气相色谱仪已经能用电路自动测定气体流速,并通过自动控制柱前压来控制流速。因此,载气压强与流速可以在运行过程中调整。柱前压/气流控制程序(与温度控制程序类似)随之出现。

折叠 进样口类型与流速

进样口类型和进样技术通常与样品存在的形态(液态、气态、被吸附、固态)以及是否存在需要气化的溶剂有关。如果样品分散良好,并且性质已知,那么它就可以通过冷柱头进样口直接进样;如果需要蒸发除去部分溶剂,就使用分流/不分流进样口(通常用注射器进样);气体样品(如来自气缸)通常用气体阀进样器进样。被吸附的样品(如在吸附管上)可以通过外部的(在线或离线)解吸装置(如捕集-吹扫系统)或者在分流/不分流进样器中解吸(使用固相微萃取技术)。

折叠 样品量与进样技术

进样技术

气相色谱中的十分之一原则

真正的气相色谱分析过程从样品进入色谱柱开始。毛细管气相色谱法的发展使得进样技术面临着很多实践中的问题。柱上进样技术多用于填充柱而不适用于毛细管柱。在毛细管气相色谱仪中的进样技术应该满足以下两个条件:

进样量不得超过柱的容量;

与展开过程引起的样品展宽相比,进样后的塞式流宽度应该很小。如果不能满足这一要求,色谱柱的分离能力将会下降。一个普遍的规则是,注入的体积,Vinj,和检测器的体积,Vdet,应该只有样品中包含被分析物的部分出柱时的体积的十分之一。

以下是一些优秀进样技术应当满足的一般要求:

应该能使色谱柱达到它的最佳分离效率;

对于小量的有代表性的(典型)样品,进样应具有准确性和可重现性;

不能改变样品组成(对于具有不同的沸点、极性、浓度与热力学稳定性的物质,进样过程中不应有所差异);

应该既适用于痕量分析,也适用于浓度相对较大的样品。

折叠 色谱柱的选择

柱温与温度控制程序

一个已经拆开以显示出内部毛细管柱的气相色谱仪恒温箱

气相色谱仪中的色谱柱放置于温度由电子电路精确控制的恒温箱内。(当分析者说“柱温”时,他实际上指的是恒温箱的温度。不过这种区别并不重要,因此在下文中对这两者并不作区分。)

样品通过色谱柱的速率与温度正相关。柱温越高,样品越快通过色谱柱。但是,样品越快通过色谱柱,它与固定相之间的相互作用就越少,因此分离效果越差。

通常来说,柱温的选择是综合考虑分离时间与分离度的结果。

柱温在整个分析过程中不变的方法称为恒温方法。不过,在大部分的分析方法中,柱温随着分析过程的进行逐渐上升。初温,升温速率(温度“斜率”)与末温统称为控温程序。

控温程序使得较早被洗脱的被分析物能够得到充分的分离,同时又缩短了较晚被洗脱的被分析物通过色谱柱的时间。[3]

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