氣相色譜法

氣液色譜法（Gas chromatography，又稱氣相層析）是一種在有機化學中對易於揮發而不發生分解的混合物進行分離與分析的層析技術。氣相色譜的典型用途包括測試某一特定化合物的純度與對混合物中的各組分進行分離（同時還可以測定各組分的相對含量）在某些情況下，氣相色譜還可能對化合物的表徵有所幫助。在微型化學實驗中，氣相色譜可以用於從混合物中製備純品。

氣相色譜中的流動相（或活動相）是載氣，通常使用惰性氣體（如氦氣）或反應性差的氣體（如氮氣）。固定相則由一薄層液體或聚合物附著在一層惰性的固體載體表面構成。固定相裝在由玻璃或金屬製成的一根空心管柱內（稱為色譜柱）。用作進行氣相色譜的儀器稱為氣相色譜儀（或 “氣體分離器”）。

待分析的氣體樣品與覆蓋有各種各樣的固定相的柱壁相互作用，使得不同的物質在不同的時間被洗脫出來。從一種物質進樣開始到出現色譜峰最大值的時間被稱為該物質的保留時間，透過將未知物質的保留時間與相同條件下標準物質的保留時間的比較可以表徵未知物。

在原理上，氣相色譜與柱色譜（及其它種類的色譜，如高效液相色譜，薄層色譜）類似，但也有著很多明顯的不同。

第一：在氣相色譜中，混合物的分離在液態的固定相與氣態的流動相之間進行，而在柱色譜中，固定相為固態而流動相為液態。
第二：在氣相色譜中使用的柱是放置在一個溫度可控的恆溫箱中的，而在典型的柱色譜中並無這樣的溫度控制裝置。
第三：在氣相色譜中，氣相中物質的濃度只是氣體的蒸氣壓的函式。

氣相色譜也與分餾類似。它們都主要利用混合物中各個組分的沸點（或蒸氣壓）的差異對混合物中的各個組分進行分離。但是，分餾通常用於常量的混合物的分離，而氣相色譜所分離的物質則要少得多（微量）。

氣相色譜法有時也叫做氣液分配色譜（GLPC）。這些別名以及它們的縮寫在科學文獻中很常見。嚴格地說，最標準的名稱是氣液分配色譜，因而該名稱也被大多數的作者接受。

歷史

色譜法的使用可以追溯到 1903 年的俄羅斯科學家 Mikhail Semenovich Tswett 的工作。德國研究生 Fritz Prior 在 1947 年發明了氣固色譜。阿徹・馬丁（Archer John Porter Martin）奠定了氣相色譜的發展基礎，並於 1950 年發明了氣液色譜。他因為 1941 年在液液色譜與 1944 年在紙色譜的發展上的貢獻而獲得了諾貝爾獎。

原理

氣相層析儀是用於分離混合物中多種化合物的化學分析儀器。氣相層析儀中有一根外觀看似線圈的極細銅管，這就是層析柱 (色譜柱)。線上圈般的層析柱中已填充矽膠 (或活性碳、或氧化鋁) 作為固定相，混合物加熱氣化後，用氮氣 (或二氧化碳等不產生化學反應的惰性氣體，載氣，流動相) 加壓推動樣品進入層析柱，混合物中不同的化合物因為分子大小、分子的極性不同，在矽膠中流動的速度不同，因此流出層析柱的速度不同，多種化合物因此分離。通常分子小的化合物先流出層析柱，分子大的化合物比較難透過矽膠孔隙，所以大分子化合物較慢流出層析柱。

經過層析柱分離純化的化合物從層析柱末端流出時，可串聯各種儀器檢測，如：質譜儀、 電子捕獲偵測器、 熱導檢測器、火焰電離檢測器、光離子化檢測儀、熱離子偵測器 (Thermionic Ionization Detector)...... 等

分離的化合物被氣相層析儀後面串連的檢測器檢測到，產生相應的訊號，並被轉化為電訊號輸出。

在色譜柱中固定相的作用是分離不同的組分，使得不同的組分在不同的時間（保留時間）從柱的末端流出。

其它影響物質流出柱的順序及保留時間的因素包括載氣的流速，溫度等。

在氣相色譜分析法中，一定量（已知量）的氣體或液體分析物被注入到柱一端的進樣口中（通常使用微量進樣器，也可以使用固相微萃取纖維（solid phase microextraction fibres）或氣源切換裝置）。當分析物在載氣帶動下透過色譜柱時，分析物的分子會受到柱壁或柱中填料的吸附，使透過柱的速度降低。分子透過色譜柱的速率取決於吸附的強度，它由被分析物分子的種類與固定相的型別決定。由於每一種型別的分子都有自己的透過速率，分析物中的各種不同組分就會在不同的時間（保留時間）到達柱的末端，從而得到分離。檢測器用於檢測柱的流出流，從而確定每一個組分到達色譜柱末端的時間以及每一個組分的含量。通常來說，人們透過物質流出柱（被洗脫）的順序和它們在柱中的保留時間來表徵不同的物質。

儀器

3.1 自動進樣裝置

自動進樣裝置能將樣品自動引入到進樣口中。雖然手動進樣仍然可用，但已經不普遍。自動進樣能提供更好的分析重現性，並能更好地進行時間最佳化。

自動進樣裝置有很多種，按容量分可以分為自動注射器（可同時處理少數幾個樣品）與自動進樣器，按照自動機的型別可以分為 XYZ 自動機與旋轉 / SCARA 自動機（後者是最常見的自動機），按照進樣技術來分可以分為以下幾種：

液體進樣
靜態頂空進樣
動態頂空進樣
固相微萃取進樣

傳統上，自動進樣裝置與氣相色譜儀由不同的廠家生產。歷史上，美國，義大利和瑞士在自動進樣裝置的技術上較為領先。

3.2 進樣口

色譜柱的進樣口是將樣品引入連續的載氣流中的裝置。它通常固定在柱頭上。

常見的進樣口型別有：

分流 / 不分流進樣口；樣品從注射器經過隔膜進入到一個加熱了的小室中。熱量使得樣品及樣品的基體揮發。然後載氣將揮發後的樣品全部（不分流模式）或部分（分流模式）吹掃入色譜柱中。在分流模式中，樣品與載氣的混合物大部分透過分流出口放空。當樣品中的被分析物含有高的分析濃度（>0.1%）時，宜採用分流進樣，對於只含有很少被分析物的痕量分析（inj，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。

但是，也有一些問題存在於當前的進樣技術中，即使這並不是破壞性問題。

即便最好的進樣口注射器聲稱其有 3% 的精度，但是在非專業人士的操作中仍然會產生較大的誤差。
射針（Needle）在射出樣品的時候也許會從隔膜上切下小塊的膠（rubber）。這也許會堵住射針並且導致下一次使用時注射器填充出現問題。這可能不是一個能被明顯發現的問題。
部分的樣品可能在從注射器的連續射出後困在隔膜中。這會導致後來的色譜圖中產生鬼峰（Ghost Peak）。
射針的末端可能使一些易揮發的樣品組分蒸發，產生選擇性的樣品損失。

3.3 色譜柱的選擇

色譜柱的選擇取決於樣品以及測定。在選擇色譜柱時，混合物的極性是一項主要的化學屬性因素，但是其官能團的作用也會影響到色譜柱的選擇。樣品的極性必須與色譜柱固定相的極性非常匹配，來增加解析度和分離度，同時減少了執行時間。固定相的膜厚，色譜柱的長度和直徑也都會影響分離度和執行時間。

3.4 柱溫與溫度控制程式

氣相色譜儀中的色譜柱放置於溫度由電子電路精確控制的恆溫箱內。（當分析者說 “柱溫” 時，他實際上指的是恆溫箱的溫度。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。）

樣品透過色譜柱的速率與溫度正相關。柱溫越高，樣品越快透過色譜柱。但是，樣品越快透過色譜柱，它與固定相之間的相互作用就越少，因此分離效果越差。

通常來說，柱溫的選擇是綜合考慮分離時間與分離度的結果。

柱溫在整個分析過程中不變的方法稱為恆溫方法。不過，在大部分的分析方法中，柱溫隨著分析過程的進行逐漸上升。初溫，升溫速率（溫度 “斜率”）與末溫統稱為控溫程式。

控溫程式使得較早被洗脫的被分析物能夠得到充分的分離，同時又縮短了較晚被洗脫的被分析物透過色譜柱的時間。

資料整理與分析

定性分析

一般來說，色譜分析的結果用色譜圖來表示。在色譜圖中，橫座標為保留時間，縱座標為檢測器的訊號強度。色譜圖中有一系列的峰，代表著被分析物中在不同的時間被洗脫出來的各種物質。在分析條件相同的前提下，保留時間可以用於表徵化合物。同時，在分析條件相同時，同一化合物的峰的形態也是相同的，這對於表徵複雜混合物很有幫助。然而，現代的氣相色譜分析很多時候採用聯用技術，即氣相色譜儀與質譜儀或其它能夠表徵各峰對應化合物的簡單檢測器相連。

定量分析

在色譜圖中，峰面積與分析物的含量成正比。透過用積分計算峰面積，可以定出分析物中各組分的濃度。分析物的濃度也可以透過校準曲線來獲得。透過配製一系列濃度的標準樣品並測量它們的響應（訊號強度）可以繪製出校準曲線。分析物的濃度還可以透過被分析物的相對響應因子來確定。相對響應因子指的是被分析物的訊號與內標物（或外標物）的預期響應比值，它可以透過固定內標物（一種加入到樣品之中並具有標準濃度，且保留時間與被分析物不同的化合物）的含量而改變被分析物的含量，觀察訊號響應的變化來計算。

在大多數現代的氣相色譜法 - 質譜聯用系統之中，計算機軟體可以繪畫色譜圖，積分峰面積，並自動將質譜圖與文獻標準圖進行比對。

應用

通常來說，那些在 300°C 左右以下氣化並在該氣化溫度以下保持穩定的物質，都可以定量地測定。這些樣品還應該是無鹽的，即不包含離子。氣相色譜可以對很小量的物質進行分析，但常常要求有一份待測定物質的純樣作為參比。

有很多種控溫程式可以使讀數更有意義，如區分在氣相色譜分析過程中行為相似的兩種物質。

專業人士利用氣相色譜法來分析化學產品中某些物質的含量（如確定化工產品的質量），測定土壤，空氣和水中的有毒物質。如果運用得當，氣相色譜可以測定含量為 pmol/mL 級的液體樣品或濃度在 ppb 數量級的氣體樣品。

在高等院校的實踐課程之中，學生有時是透過研究薰衣草油的成分或者透過測定本氏煙植物的葉子提取物中的乙烯含量來了解氣相色譜的。這些都是對烴類（從兩個碳到四十多個碳不等）的氣相色譜分析。一個典型的實驗是，學生用填充柱分出較輕的氣體並用熱導檢測器（TCD）進行檢測，而烴類則透過毛細管柱進行分離，用火焰離子化檢測器（FID）進行檢測。在對較輕的氣體的分析過程中，氫氣與氦氣（最常用也是最靈敏的惰性載氣）幾乎有著相同的熱導性質，這使得分析變得複雜化。（TCD 是根據氣體熱導率的改變引起惠斯通電橋中兩根熱絲導電性質的改變而檢測被洗脫的物質的）。因此，這些氣相色譜儀常採用雙道 TCD 檢測器，它有一個專門用於分析氫氣的通道，該通道以氮氣為載氣。氣相化學反應（如費脫合成 Fischer-Tropsch 合成）經常用氬氣作為載氣。這樣做的好處是可以使用單一載氣而不必使用兩種。這種做法降低了分析的靈敏度，換來的是氣源的簡化。

通俗文化中的氣相色譜

電影，書籍與電視節目經常歪曲氣相色譜法的能力以及運用氣相色譜法完成的工作。

例如，在美國的電視節目《鑑證行動組》中，人們用氣相色譜來快速地識別未知樣品。分析員在取得樣品之後十五分鐘之後就會說：“這是在過去兩個星期中在雪佛龍公司（Chevron）的油站裡購買的汽油。”

事實上，一個典型的氣相色譜分析所用的時間要長得多。有時依照選定的程式，一個樣品就要進行一個多小時的分析。對色譜柱進行 “清理” 以便接受下一個樣品還需要額外的時間。同時，為了驗證一個結論，分析員往往需要進行多次平行的分析，因為單次分析的結果很可能具有偶然性（參見顯著性差異）。

同時，氣相色譜並不能識別大部分的樣品，而且並非樣品中的所有物質都可以透過氣相色譜檢測出來。氣相色譜真正能告訴分析者的，只是在某個時間有一種物質從色譜柱中被洗脫出來，而且檢測器對它有響應。為了使結果變得更有意義，分析人員需要知道樣品中可能含有什麼成分，以及它們可能有怎麼樣的濃度。還有，一些低含量的物質可能因為與另一種高含量的物質同時被洗脫而無法在色譜圖中表現出來。最後，分析人員還經常需要將未知樣品的氣相色譜結果與可能存在的物質的標準樣品的分析結果進行比較。

氣相色譜法 - 質譜聯用儀可以很好地改善這種混淆不清的狀況，因為質譜儀可以識別出各組分的相對分子質量。不過，要很好地完成這些工作，同樣需要時間與技巧。

類似地，絕大部分的氣相色譜分析並不是簡單的按鍵操作。你不能簡單地將樣品瓶放在自動取樣器的托盤上，然後按一個按鈕，讓計算機告訴你關於樣品的所有資訊。根據被分析的物質，分析人員需要小心選擇一套合適的操作程式。

不過也要承認，在對相似樣品的大量重複性分析之中，簡單的按鍵操作是存在的。這包括化工生產中的分析，也包括為了確定樣品中被測物的平均含量而對同一實驗獲得的 20 個樣品的分析等等。不過，那些書籍，電影與電視節目中的研究性工作絕對不屬於這種情況。