气相色谱法

气液色谱法（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混合物进行分离与分析的层析技术。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。
气相色谱中的流动相（或活动相）是载气，通常使用惰性气体（如氦气）或反应性差的气体（如氮气）。固定相则由一薄层液体或聚合物附着在一层惰性的固体载体表面构成。固定相装在由玻璃或金属制成的一根空心管柱内（称为色谱柱）。用作进行气相色谱的仪器称为气相色谱仪（或“气体分离器”）。
待分析的气体样品与覆盖有各种各样的固定相的柱壁相互作用，使得不同的物质在不同的时间被洗脱出来。从一种物质进样开始到出现色谱峰最大值的时间被称为该物质的保留时间，通过将未知物质的保留时间与相同条件下标准物质的保留时间的比较可以表征未知物。
在原理上，气相色谱与柱色谱（及其它种类的色谱，如高效液相色谱，薄层色谱）类似，但也有着很多明显的不同。
*第一：在气相色谱中，混合物的分离在液态的固定相与气态的流动相之间进行，而在柱色谱中，固定相为固态而流动相为液态。
*第二：在气相色谱中使用的柱是放置在一个温度可控的恒温箱中的，而在典型的柱色谱中并无这样的温度控制装置。
*第三：在气相色谱中，气相中物质的浓度只是气体的蒸气压的函数。
气相色谱也与分馏类似。它们都主要利用混合物中各个组分的沸点（或蒸气压）的差异对混合物中的各个组分进行分离。但是，分馏通常用于常量的混合物的分离，而气相色谱所分离的物质则要少得多（微量）。
气相色谱法有时也叫做气液分配色谱（GLPC）。这些别名以及它们的缩写在科学文献中很常见。严格地说，最标准的名称是气液分配色谱，因而该名称也被大多数的作者接受。

**历史**
色谱法的使用可以追溯到1903年的俄罗斯科学家Mikhail Semenovich Tswett的工作。德国研究生Fritz Prior在1947年发明了气固色谱。阿彻·马丁（Archer John Porter Martin）奠定了气相色谱的发展基础，并于1950年发明了气液色谱。他因为1941年在液液色谱与1944年在纸色谱的发展上的贡献而获得了诺贝尔奖。

**原理**
气相层析仪是用于分离混合物中多种化合物的化学分析仪器。气相层析仪中有一根外观看似线圈的极细铜管，这就是层析柱(色谱柱)。在线圈般的层析柱中已填充矽胶(或活性碳、或氧化铝)作为固定相，混合物加热气化后，用氮气(或二氧化碳等不产生化学反应的惰性气体，载气，流动相)加压推动样品进入层析柱，混合物中不同的化合物因为分子大小、分子的极性不同，在矽胶中流动的速度不同，因此流出层析柱的速度不同，多种化合物因此分离。通常分子小的化合物先流出层析柱，分子大的化合物比较难通过矽胶孔隙，所以大分子化合物较慢流出层析柱。
经过层析柱分离纯化的化合物从层析柱末端流出时，可串联各种仪器检测，如：质谱仪、 电子捕获侦测器、 热导检测器、火焰电离检测器、光离子化检测仪、热离子侦测器(Thermionic Ionization Detector)......等
分离的化合物被气相层析仪后面串连的检测器检测到，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。

**仪器**
气相色谱仪结构简图

**自动进样装置**
自动进样装置能将样品自动引入到进样口中。虽然手动进样仍然可用，但已经不普遍。自动进样能提供更好的分析重现性，并能更好地进行时间优化。
自动进样装置有很多种，按容量分可以分为自动注射器（可同时处理少数几个样品）与自动进样器，按照自动机的类型可以分为XYZ自动机与旋转/SCARA自动机（后者是最常见的自动机），按照进样技术来分可以分为以下几种：
*液体进样
*静态顶空进样
*动态顶空进样
*固相微萃取进样
传统上，自动进样装置与气相色谱仪由不同的厂家生产。历史上，美国，意大利和瑞士在自动进样装置的技术上较为领先。

**进样口**
色谱柱的进样口是将样品引入连续的载气流中的装置。它通常固定在柱头上。
常见的进样口类型有：- 分流/不分流进样口；样品从注射器经过隔膜进入到一个加热了的小室中。热量使得样品及样品的基体挥发。然后载气将挥发后的样品全部（不分流模式）或部分（分流模式）吹扫入色谱柱中。在分流模式中，样品与载气的混合物大部分通过分流出口放空。当样品中的被分析物含有高的分析浓度（>0.1%）时，宜采用分流进样，对于只含有很少被分析物的痕量分析（inj，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。
但是，也有一些问题存在于当前的进样技术中，即使这并不是破坏性问题。
*即便最好的进样口注射器声称其有3%的精度，但是在非专业人士的操作中仍然会产生较大的误差。
*射针（Needle）在射出样品的时候也许会从隔膜上切下小块的胶（rubber）。这也许会堵住射针并且导致下一次使用时注射器填充出现问题。这可能不是一个能被明显发现的问题。
*部分的样品可能在从注射器的连续射出后困在隔膜中。这会导致后来的色谱图中产生鬼峰（Ghost Peak）。
*射针的末端可能使一些易挥发的样品组分蒸发，产生选择性的样品损失。

**色谱柱的选择**
色谱柱的选择取决于样品以及测定。在选择色谱柱时，混合物的极性是一项主要的化学属性因素，但是其官能团的作用也会影响到色谱柱的选择。样品的极性必须与色谱柱固定相的极性非常匹配，来增加分辨率和分离度，同时减少了运行时间。固定相的膜厚，色谱柱的长度和直径也都会影响分离度和运行时间。

**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。

**数据整理与分析**
定性分析
一般来说，色谱分析的结果用色谱图来表示。在色谱图中，横坐标为保留时间，纵坐标为检测器的信号强度。色谱图中有一系列的峰，代表着被分析物中在不同的时间被洗脱出来的各种物质。在分析条件相同的前提下，保留时间可以用于表征化合物。同时，在分析条件相同时，同一化合物的峰的形态也是相同的，这对于表征复杂混合物很有帮助。然而，现代的气相色谱分析很多时候采用联用技术，即气相色谱仪与质谱仪或其它能够表征各峰对应化合物的简单检测器相连。
定量分析
在色谱图中，峰面积与分析物的含量成正比。通过用积分计算峰面积，可以定出分析物中各组分的浓度。分析物的浓度也可以通过校准曲线来获得。通过配制一系列浓度的标准样品并测量它们的响应（信号强度）可以绘制出校准曲线。分析物的浓度还可以通过被分析物的相对响应因子来确定。相对响应因子指的是被分析物的信号与内标物（或外标物）的预期响应比值，它可以通过固定内标物（一种加入到样品之中并具有标准浓度，且保留时间与被分析物不同的化合物）的含量而改变被分析物的含量，观察信号响应的变化来计算。
在大多数现代的气相色谱法-质谱联用系统之中，计算机软件可以绘画色谱图，积分峰面积，并自动将质谱图与文献标准图进行比对。

**应用**
通常来说，那些在300°C左右以下气化并在该气化温度以下保持稳定的物质，都可以定量地测定。这些样品还应该是无盐的，即不包含离子。气相色谱可以对很小量的物质进行分析，但常常要求有一份待测定物质的纯样作为参比。
有很多种控温程序可以使读数更有意义，如区分在气相色谱分析过程中行为相似的两种物质。
专业人士利用气相色谱法来分析化学产品中某些物质的含量（如确定化工产品的质量），测定土壤，空气和水中的有毒物质。如果运用得当，气相色谱可以测定含量为pmol/mL级的液体样品或浓度在ppb数量级的气体样品。
在高等院校的实践课程之中，学生有时是通过研究薰衣草油的成分或者通过测定本氏烟植物的叶子提取物中的乙烯含量来了解气相色谱的。这些都是对烃类（从两个碳到四十多个碳不等）的气相色谱分析。一个典型的实验是，学生用填充柱分出较轻的气体并用热导检测器（TCD）进行检测，而烃类则通过毛细管柱进行分离，用火焰离子化检测器（FID）进行检测。在对较轻的气体的分析过程中，氢气与氦气（最常用也是最灵敏的惰性载气）几乎有着相同的热导性质，这使得分析变得复杂化。（TCD是根据气体热导率的改变引起惠斯通电桥中两根热丝导电性质的改变而检测被洗脱的物质的）。因此，这些气相色谱仪常采用双道TCD检测器，它有一个专门用于分析氢气的通道，该通道以氮气为载气。气相化学反应（如费脱合成Fischer-Tropsch合成）经常用氩气作为载气。这样做的好处是可以使用单一载气而不必使用两种。这种做法降低了分析的灵敏度，换来的是气源的简化。

**通俗文化中的气相色谱**
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（参见显着性差异）。
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什幺成分，以及它们可能有怎幺样的浓度。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。
气相色谱法-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。

**参见**
薄层色谱
*分析化学
*色谱
*气相色谱法-质谱联用
*导热测气计
*标准加入法
*未消解复杂混合物

**参考文献**

**外部链接**
 气相色谱仪
*气相色谱- 气相色谱帮助站