氣相色譜法

氣液色譜法在某些情況下，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。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，氣相色譜與柱色譜類似，但也有著很多明顯的不同。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。氣相色譜法有時也叫做氣液分配色譜。這些別名以及它們的縮寫在科學很常見。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，一定量的順序和它們在柱中的保留時間來表徵不同的物質。儀器.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，按照進樣技術來分可以分為以下幾種：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。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：色譜柱.氣相色譜法中常用的色譜柱有兩種：分子吸附與分子透過色譜柱的速率具有強烈的溫度依賴性，因此色譜柱必須嚴格控溫到十分之一攝氏度，以保證分析的精確性。降低柱溫可以提供最大限度的分離，但是會令洗脫時間變得非常長。某些情況下，色譜柱的溫度以連續或階躍的方式上升，以達到某種特定分析方法的要求。這一整套過程稱為控溫程式。電子壓力控制則可以調整分析過程中的流速，使得執行時間得以提升同時分離度不下降。載氣的選擇是很關鍵的。氫氣用作載氣時分離效率最高，分離效果最好。不過，氦氣在與氫氣效率相當的範圍內有較大的流速調節範圍，同時還具有不可燃燒以及適用於多種檢測器等優點。因此，最常使用的載氣是氦氣。檢測器.氣相色譜法中可以使用的檢測器有很多種，最常用的有火焰電離檢測器，從而對同一分析物給出兩個相互補充的分析資訊。其它的檢測器要麼只能檢測出個別的被測物，要麼可以測定的濃度範圍很窄。常見的檢測器包括：有一些氣相色譜儀與質譜儀相連線而以質譜儀作為它的檢測器，這種組合的儀器稱為氣相色譜法-質譜聯用。但是必須指出，這種情況是很少見的，大部分的分析物用單純的氣質聯用儀就可以解決問題。分析方法.分析方法實際上是在某一特定的氣相色譜分析中使用的一系列條件。建立分析方法實際上是確定對於某一分析的最佳條件的過程。為了滿足某一特定的分析的要求，可以改變的條件包括進樣口溫度，檢測器溫度，色譜柱溫度及其控溫程式，載氣種類及載氣流速，固定相，柱徑，柱長，進樣口型別及進樣口流速，樣品量，進樣方式等。檢測器還可能有其它可供調節的引數，這取決於所使用的檢測器型別。有一些氣相色譜儀還有可以控制樣品與載氣流向的閥門，這些閥門開啟與關閉的時間也可能對分析的效果有重要影響。右圖為GeoStrata Technologies生產的Eclipse氣相色譜儀。它以三分鐘為週期持續運轉。該儀器有兩個閥門，用來控制載氣進入定量管。當定量管充滿樣品氣後，切換閥門，載氣就會透過定量管。載氣的壓強會將樣品帶入到色譜柱中進行分離。此分析方法可用於分離具有熱穩定性、高揮發性、低分子量等特徵之化合物。載氣選擇與載氣流速.典型的載氣包括氦氣、氮氣、氬氣、氫氣和空氣。通常，選用何種載氣取決於檢測器的型別。例如，放電離子化檢測器很多時候，檢測器不僅僅決定了載氣的種類，還決定了載氣的純度級”，“4.5級”和“5.0級”。載氣流速對分析的影響在方式上與溫度類似。載氣流速越高，分析速度越快，但是分離度越差。因此，最佳載氣流速的選擇與柱溫的選擇一樣，都需要在分析速度與分離度之間取得平衡。二十世紀九十年代之前生產的氣相色譜儀的載氣流速往往透過載氣入口的壓力進行控制，實際的載氣流速則在柱的出口端透過電子流量計或皂膜流量計進行測定。這樣的一個過程常常很複雜，很耗時間，而且往往令人沮喪。在整個執行過程中，柱前壓不能再改變，氣流必須穩定。氣體流速與柱前壓的關係可以透過可壓縮流體的泊肅葉定律來計算。不過，很多現代的氣相色譜儀已經能用電路自動測定氣體流速，並透過自動控制柱前壓來控制流速。因此，載氣壓強與流速可以在執行過程中調整。柱前壓/氣流控制程式隨之出現。進樣口型別與流速.進樣口型別和進樣技術通常與樣品存在的形態。樣品量與進樣技術.進樣技術.真正的氣相色譜分析過程從樣品進入色譜柱開始。毛細管氣相色譜法的發展使得進樣技術面臨著很多實踐中的問題。柱上進樣技術多用於填充柱而不適用於毛細管柱。在毛細管氣相色譜儀中的進樣技術應該滿足以下兩個條件：以下是一些優秀進樣技術應當滿足的一般要求：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。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。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。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。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。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。資料整理與分析.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，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。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。