什么是氣相色譜法？

氣相色譜（GC）是一種分析技術(shù)，用于分離樣品混合物的化學(xué)成分，然后對其進(jìn)行檢測，以確定其存在或不存在和/或存在量。這些化學(xué)成分通常是有機(jī)分子或氣體。為了使氣相色譜分析成功，這些組分需要是揮發(fā)性的，通常分子量低于1250 Da，并且熱穩(wěn)定，因此它們不會在氣相色譜系統(tǒng)中降解。GC是一種廣泛應(yīng)用于大多數(shù)行業(yè)的技術(shù)：用于從汽車到化學(xué)品到藥品的許多產(chǎn)品制造中的質(zhì)量控制；用于從隕石分析到天然產(chǎn)物的研究目的；以及從環(huán)境到食品再到法醫(yī)的**。氣相色譜儀經(jīng)常與質(zhì)譜儀（GC-MS）聯(lián)用，以便識別化學(xué)成分。

氣相色譜法是如何工作的？

顧名思義，GC在分離過程中使用載氣，這是流動相的一部分（圖1（1））。載氣通過GC系統(tǒng)輸送樣品分子，理想情況下不會與樣品發(fā)生反應(yīng)或損壞儀器部件。

首先使用注射器或從自動進(jìn)樣器（圖1（2））中轉(zhuǎn)移樣品至氣相色譜儀（GC），自動進(jìn)樣器也可從固體或液體樣品基質(zhì)中提取化學(xué)成分。樣品通過隔膜注入GC入口（圖1（3）），該隔膜可在不損失流動相的情況下注入樣品混合物。與入口相連的是分析柱（圖1（4）），一根長（10-150 m）、窄（內(nèi)徑0.1-0.53 mm）的熔融石英管或金屬管，其中包含內(nèi)壁上涂覆的固定相。分析柱保存在柱烘箱中，在分析過程中加熱柱烘箱以洗脫揮發(fā)性較小的成分。柱的出口插入檢測器（圖1（5）），檢測器對從柱上洗脫的化學(xué)成分作出響應(yīng)，以產(chǎn)生信號。采集軟件在計算機(jī)上記錄信號，以生成色譜圖（圖1（6））。

圖1：氣相色譜儀的簡化圖，顯示：（1）載氣，（2）自動進(jìn)樣器，（3）入口，（4）分析柱，（5）檢測器和（6）PC。

在注入GC入口后，如果樣品混合物的化學(xué)成分尚未處于氣相，則首先將其蒸發(fā)。對于低濃度樣品，整個蒸汽云通過載氣以無分流模式轉(zhuǎn)移到分析柱中。對于高濃度樣品，只有一部分樣品以分離模式轉(zhuǎn)移至分析柱，其余樣品通過分離線從系統(tǒng)中沖洗，以防止分析柱過載。

一旦進(jìn)入分析柱，樣品組分通過其與固定相的不同相互作用進(jìn)行分離。因此，在選擇使用的色譜柱類型時，應(yīng)考慮分析物的揮發(fā)性和官能團(tuán)，以使其與固定相匹配。液體固定相主要分為兩類：聚乙二醇（PEG）或聚二甲基硅氧烷（PDMS），后者含有不同比例的二甲基、二苯基或中極性官能團(tuán)，例如氰基丙基苯基。因此，具有二甲基或低百分比二苯基的非極性柱有利于分離非極性分析物。這些具有π-π相互作用的分子可以在含有苯基的固定相上分離。那些能夠氫鍵的物質(zhì)，例如酸和醇，zui好用PEG柱分離，除非它們經(jīng)過衍生化以降低極性。

zui后一步是當(dāng)分析物分子從柱上洗脫時檢測它們。有許多類型的GC檢測器，例如：那些對C-H鍵作出響應(yīng)的檢測器，如火焰離子化檢測器（FID）；對硫、氮或磷等特定元素有反應(yīng)的物質(zhì)；以及那些對分子的特定性質(zhì)做出反應(yīng)的分子，比如捕獲電子的能力，就像電子捕獲檢測器（ECD）一樣。

向氣相色譜（GC-MS）中添加質(zhì)譜法

質(zhì)譜（MS）是一種分析技術(shù)，可與氣相色譜聯(lián)用，代替氣相色譜檢測器。中性分子從分析柱中洗脫，并在離子源中電離，產(chǎn)生可降解為碎片離子的分子離子。碎片和分子離子隨后在質(zhì)量分析儀中按其質(zhì)量：電荷（m/z）比分離，并進(jìn)行檢測。來自GC-MS的數(shù)據(jù)是三維的，提供了可用于身份確認(rèn)、識別未知分析物和確定分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的質(zhì)譜，以及可用于定性和定量分析的色譜圖。

你如何閱讀色譜圖，它告訴你什么？

圖2:GC或GC-MS的色譜圖輸出。

從色譜圖中可以獲得有關(guān)GC或GC-MS系統(tǒng)健康狀況的許多信息，以及進(jìn)行定性或定量分析所需的數(shù)據(jù)。

x軸是保留時間，從樣品注入GC（t0）到GC運(yùn)行結(jié)束。每個分析物峰都有一個從峰頂測量的保留時間，例如tR。y軸是檢測器中分析物峰的測量響應(yīng)。當(dāng)沒有分析物從柱中洗脫或低于檢測限時，基線顯示檢測器發(fā)出的信號。基線響應(yīng)是電氣噪聲（通常較低）和化學(xué)噪聲的混合，如載氣中的雜質(zhì)、色譜柱固定相排放和系統(tǒng)污染。因此，如果基線高于其應(yīng)有水平，則表明存在問題或需要維護(hù)。可以從峰值處進(jìn)行各種測量，例如基線處的寬度、半高處的寬度、總高度和面積。后兩者與濃度成正比，但這是用于定量的區(qū)域，因為它受頻帶展寬的影響較小。測量結(jié)果可用于計算譜帶展寬的程度、分析物分子在色譜柱上的擴(kuò)散。更窄、更尖銳的峰值提供了更好的靈敏度（信噪比）和更好的分辨率（峰值分離）。顯示的峰值為高斯型，但峰值拖尾（峰值右側(cè)較寬）表示系統(tǒng)中存在活動或死體積，而峰值前沿（峰值左側(cè)較寬）表示柱過載。準(zhǔn)確的測量受一個峰值上的數(shù)據(jù)點數(shù)量的影響，理想值為15-25。太少會使峰看起來像孩子畫的點，影響峰面積、分辨率以及GC-MS的反褶積。過多會降低信噪比，降低靈敏度。對于GC-MS數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)點都是質(zhì)譜，是數(shù)據(jù)的第三維。

氣相色譜的多維分析

與其他分離技術(shù)相比，氣相色譜具有較高的峰容量，能夠分離數(shù)百種化合物。然而，對于一些需要分離數(shù)千個峰的應(yīng)用，沒有足夠的理論板對它們進(jìn)行色譜分離。示例可能包括柴油分析，或需要在復(fù)雜基質(zhì)（如環(huán)境、生物或食品樣品）中檢測痕量分析物的情況。光譜分辨率，即MS與GC聯(lián)用，使分析能夠在沒有完全色譜分辨率的情況下進(jìn)行，但是共溶峰必須具有不同的光譜才能完全成功。

如果選擇一個色譜柱分離大部分色譜峰，然后“切割”幾組共吸附峰，并將其轉(zhuǎn)移到含有不同固定相和選擇性的第2個色譜柱上，則心臟切割非常有用。只有少數(shù)切割可以通過管路傳輸，因此只能在分離有一些問題的情況下使用。

圖3：柴油的GC x GC等高線圖，顯示分離的不同化學(xué)類別。第1個維度列為非極性，第2個維度列為中極性。

對于存在頻繁共溶的復(fù)雜樣品，使用綜合二維色譜法（GC x GC）。兩個色譜柱串聯(lián)，含有不同的固定相，因此具有不同的分離機(jī)理。“正常”設(shè)置是一個一維非極性柱，然后是一個二維更極性柱，如圖3所示，用于柴油分析。在兩個柱之間使用調(diào)制器從第1個柱上截取一個切口，并將一個狹窄的取樣帶重新注入到第2個柱上。熱調(diào)節(jié)器通過溫度捕捉并釋放分子來實現(xiàn)這一點，流量調(diào)節(jié)器收集流出物，壓縮并將分子沖洗到第2個色譜柱上。在整個跑步過程中，通常每1到10秒進(jìn)行一次切割。在引入下一個切割之前，應(yīng)實現(xiàn)第2列的分離。這種快速分離是通過使用一個短而窄的第2柱來實現(xiàn)的，該第2柱通常為1-2米，內(nèi)徑為0.1毫米，與熱調(diào)制器一起使用；或短而寬的第2柱，通常為5 m，內(nèi)徑為0.25 mm，用于流量調(diào)節(jié)器。GC x GC峰非常窄，低至35 ms，因此必須使用快速GC檢測器或大于100 Hz的高采集率質(zhì)譜儀來采集足夠的數(shù)據(jù)點。

氣相色譜法的優(yōu)點和局限性

GC是一種廣泛應(yīng)用于大多數(shù)行業(yè)的技術(shù)。它用于常規(guī)分析，通過研究、分析從固體到氣體的多種不同基質(zhì)中的幾到數(shù)百（或數(shù)千）種化合物。這是一種穩(wěn)健的技術(shù)，很容易與包括質(zhì)譜在內(nèi)的其他技術(shù)相結(jié)合。

GC僅 限于分析分子量約為1250 u的氦/氫揮發(fā)性化合物。熱不穩(wěn)定化合物可在熱GC中降解，因此應(yīng)使用冷注入技術(shù)和低溫將其降至zui低。更多的極性分析物可能在GC中卡住或丟失，因此應(yīng)停用系統(tǒng)并妥善維護(hù)或衍生這些分析物。

氣相色譜法的常見問題

GC中zui常見的問題是泄漏。流動相是一種氣體，在整個系統(tǒng)中流動，因此零件和耗材的正確安裝以及定期的泄漏檢查非常重要。

活性是更多極性分析物的另一個問題，尤其是痕量分析物。玻璃襯里和色譜柱上的硅醇基團(tuán)，以及系統(tǒng)中的污垢堆積，都可能導(dǎo)致拖尾峰、不可逆吸附或催化分解。入口是導(dǎo)致大多數(shù)問題的區(qū)域，因為在這里樣品被注入、蒸發(fā)并轉(zhuǎn)移到GC柱中。因此，定期維護(hù)進(jìn)口以及使用正確的耗材（例如停用的進(jìn)口襯套）對于保持儀表無故障非常重要。