氣相色譜法

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氣液色譜
Gaschromatograph.jpg
帶有頂空進樣器的氣相色譜儀
英文縮寫 GLC, GC
分類 色譜
分析對象 有機
無機
必須是揮發性的
生產廠家 安捷倫
日普利科技
LECO公司
PerkinElmer
Shimadzu
美國熱電集團
Varian公司
其它技術
相關技術 薄層色譜
高效液相色譜
聯用技術 氣相色譜-質譜聯用

氣液色譜法英語: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化合物進行分離與分析的色譜技術。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征有所幫助。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。[1]

氣相色譜中的流動相(或活動相)是載,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聚合物附着在一層惰性的固體載體表面構成。固定相裝在由玻璃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,通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征未知物。

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,但也有着很多明顯的不同。

  • 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函數[1]

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)。[1]

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。[1]

歷史[編輯]

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。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

氣相色譜分析法概述[編輯]

氣相色譜儀是用於分離複雜樣品中的化合物的化學分析儀器。氣相色譜儀中有一根流通型的狹長管道,這就是色譜柱。在色譜柱中,不同的樣品因為具有不同的物理和化學性質,與特定的柱填充物(固定相)有着不同的相互作用而被氣流(載氣,流動相)以不同的速率帶動。當化合物從柱的末端流出時,它們被檢測器檢測到,產生相應的信號,並被轉化為信號輸出。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通過色譜柱時,分析物的分子會受到柱壁或柱中填料的吸附,使通過柱的速度降低。分子通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類型決定。由於每一種類型的分子都有自己的通過速率,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,人們通過物質流出柱(被洗脫)的順序和它們在柱中的保留時間來表征不同的物質。

儀器[編輯]

氣相色譜儀結構簡圖

自動進樣裝置[編輯]

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優化。

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,按照自動機的類型可以分為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:

傳統上,自動進樣裝置與氣相色譜儀由不同的廠家生產。目前,沒有一家氣相色譜儀生產商提供完整的一套自動進樣裝置。歷史上,美國,意大利和瑞士在自動進樣裝置的技術上較為領先。

進樣口[編輯]

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。

常見的進樣口類型有:

  • 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通過分流出口放空。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(<0.01%),則最好用不分流進樣。
  • 柱頭進樣口;樣品不經加熱直接導入分析柱。
  • 程序升溫蒸發(PTV)進樣口;Vogt在1979年首先引入了程序升溫進樣,最初Vogt將這種技術用於毛細管氣相色譜的大體積樣品的進樣(高達250µL)。Vogt以一種受控的速率將樣品引入到襯管之中。襯管的溫度設定為稍低於溶劑的沸點。微沸的溶劑持續蒸發,並從襯管的孔逸出。在這種進樣技術的基礎上,Poy發明了程序升溫蒸發進樣口(PTV)。這種新型的進樣技術因為襯管的初始溫度低而避免了很多傳統熱進樣技術中的問題。
  • 閥進樣口;在收集瓶中的氣體樣品被連接到一個通常是六通的進樣閥上(稱這六個通口為1,2,3,4,5,6)。放入樣品時,載氣流從接口5開始連續流入並經接口4流出,而樣品從接口1引入,從6進入到一個預先排空了的定量管中,多餘的樣品經接口3進入接口2後排出。樣品引入完成後,轉動閥門,載氣就會順次通過接口5,接口6,定量管,接口3,接口4而將定量管中的樣品導入到色譜柱中。
  • 吹掃-捕集進樣口;惰性氣體的泡沫通過水基樣品而使不溶的揮發性物質從基體中吹掃出來。這些揮發性物質被一個吸附裝置(捕集器)捕集。之後,捕集器被加熱,揮發性組分在載氣帶動下進入色譜柱。需要預先濃縮或提純的樣品通常用這種方法引入,而且常常與分流/不分流進樣口相連。
  • 固相微萃取進樣口(solid phase microextraction, SPME)提供一種方便和低成本的進樣方式,可以取代吹掃-捕集進樣口。它兼有注射器靈活應用廣泛與分流/非分流進樣口的簡單易用的優點。

色譜柱[編輯]

氣相色譜法中常用的色譜柱有兩種:

  • 填充柱長1.5-10米,內直徑為2-4毫米。柱身通常由不鏽鋼或玻璃製成,內部有填充物,由一薄層液態或固態的固定相覆蓋在磨碎的化學惰性固體表面(如硅藻土)構成。覆蓋物的性質決定了哪些物質受到的吸附作用最強。因此,填充柱有很多種,每一種填充柱被設計成用於某一類或幾類混合物的分離。
  • 毛細管柱內直徑很小,通常為十分之一毫米的數量級,長度一般在25至60米之間。在壁塗開管柱(WCOT)中,柱的內壁被一層活性材料所覆蓋,而在多孔層開管柱(PLOT)中管壁為準固態,充滿微孔。大部分的毛細管柱由石英玻璃組成,表面覆蓋有一層聚亞酰胺。這些色譜柱都很柔軟,因此一根很長的柱可以繞成一小卷。
  • 新發展;當人們發現一根柱難以滿足需要時,人們開始嘗試將多根色譜柱以特定的幾何方式整合在一根柱內。這些新發展包括:
    • 內加熱microFAST柱,在一個通用的柱壁內部整合了兩根柱,一根內部加熱絲和一個溫度傳感器(microFAST);
    • 微填充柱(1/16" OD)是一種柱中套柱的填充柱。這種柱中外層柱的填料和內層柱的填料不同,因而可以同時表現出兩根柱的分離行為,它們很容易與毛細管柱氣相色譜儀的進樣口及檢測器相連接。

分子吸附與分子通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序。電子壓力控制則可以調整分析過程中的流速,使得運行時間得以提升同時分離度不下降。

載氣的選擇(流動相)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[編輯]

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(FID)與熱導檢測器(TCD)。這兩種檢測器都對很多種分析成分有靈敏的響應,同時可以測定一個很大的範圍內的濃度。TCD從本質上來說是通用性的,可以用於檢測除了載氣之外的任何物質(只要它們的熱導性能在檢測器檢測的溫度下與載氣不同),而FID則主要對烴類響應靈敏。FID對烴類的檢測比TCD更靈敏,但卻不能用來檢測水。兩種檢測器都很強大。由於TCD的檢測是非破壞性的,它可以與破壞性的FID串聯使用(連接在FID之前),從而對同一分析物給出兩個相互補充的分析信息。

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接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(GC-MS,簡稱氣質聯用),有一些氣質聯用儀還與核磁共振波譜儀相連接,後者作為輔助的檢測器,這種儀器稱為氣相色譜-質譜-核磁共振聯用(GC-MS-NMR)。有一些GC-MS-NMR儀器還與紅外光譜儀相連接,後者作為輔助的檢測器,這種組合叫做氣相色譜-質譜-核磁共振-紅外聯用(GC-MS-NMR-IR)。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[編輯]

GeoStrataEclipse.jpg

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序,載氣種類及載氣流速,固定相,柱徑,柱長,進樣口類型及進樣口流速,樣品量,進樣方式等。檢測器還可能有其它可供調節的參數,這取決於所使用的檢測器類型。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。它以三分鐘為周期持續運轉。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,載氣就會通過定量管。載氣的壓強會將樣品帶入到色譜柱中進行分離。

載氣選擇與載氣流速[編輯]

典型的載氣包括氦氣氮氣氬氣氫氣空氣。通常,選用何種載氣取決於檢測器的類型。例如,放電離子化檢測器(DID)需要氦氣作為載氣。不過,當對氣體樣品進行分析的時候,載氣有時是根據樣品的母體選擇的,例如,當對氬氣中的混合物進行分析時,最好用氬氣作載氣,因為這樣做可以避免色譜圖中出現氬的峰。安全性與可獲得性也會影響載氣的選擇,比如說,氫氣可燃,而高純度的氦氣某些地區難以獲得。(參見:氦氣——分佈與生產

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(雖然對靈敏度的要求也在很大程度上影響載氣純度的要求)。通常來說,氣相色譜中所用的載氣,純度應該在99.995%以上。用於標識純度的典型商品名包括「零點氣級」,「高純度(UHP)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(見下文)。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通過載氣入口的壓力(柱前壓)進行控制,實際的載氣流速則在柱的出口端通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。在整個運行過程中,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通過可壓縮流體的Poiseuille方程來計算。

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,並通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運行過程中調整。柱前壓/氣流控制程序(與溫度控制程序類似)隨之出現。

進樣口類型與流速[編輯]

進樣口類型和進樣技術通常與樣品存在的形態(液態、氣態、被吸附、固態)以及是否存在需要氣化的溶劑有關。如果樣品分散良好,並且性質已知,那麼它就可以通過冷柱頭進樣口直接進樣;如果需要蒸發除去部分溶劑,就使用分流/不分流進樣口(通常用注射器進樣);氣體樣品(如來自氣缸)通常用氣體閥進樣器進樣。被吸附的樣品(如在吸附管上)可以通過外部的(在線或離線)解吸裝置(如捕集-吹掃系統)或者在分流/不分流進樣器中解吸(使用固相微萃取技術)。

樣品量與進樣技術[編輯]

進樣技術[編輯]

氣相色譜中的十分之一原則

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着很多實踐中的問題。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:

  1. 進樣量不得超過柱的容量;
  2. 與展開過程引起的樣品展寬相比,進樣後的塞式流寬度應該很小。如果不能滿足這一要求,色譜柱的分離能力將會下降。一個普遍的規則是,注入的體積,Vinj,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。

色譜柱的選擇[編輯]

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,來增加解像度和分離度,同時減少了運行時間。固定相的膜厚,色譜柱的長度和直徑也都會影響分離度和運行時間。

柱溫與溫度控制程序[編輯]

一個已經拆開以顯示出內部毛細管柱的氣相色譜儀恆溫箱

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。)

樣品通過色譜柱的速率與溫度正相關。柱溫越高,樣品越快通過色譜柱。但是,樣品越快通過色譜柱,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,柱溫隨着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序

控溫程序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通過色譜柱的時間。

數據整理與分析[編輯]

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,橫坐標為保留時間,縱坐標為檢測器的信號強度。色譜圖中有一系列的峰,代表着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征化合物。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,這對於表征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征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。通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通過校準曲線來獲得。通過配製一系列濃度的標準樣品並測量它們的響應(信號強度)可以繪製出校準曲線。分析物的濃度還可以通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信號與內標物(或外標物)的預期響應比值,它可以通過固定內標物(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,觀察信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,計算機軟件可以繪畫色譜圖,積分峰面積,並自動將質譜圖與文獻標準圖進行比對。

應用[編輯]

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。

有很多種控溫程序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,學生有時是通過研究薰衣草油的成分或者通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,而烴類則通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)幾乎有着相同的熱導性質,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[編輯]

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)的油站里購買的汽油。」

事實上,一個典型的氣相色譜分析所用的時間要長得多。有時依照選定的程序,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通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採樣器的托盤上,然後按一個按鈕,讓計算機告訴你關於樣品的所有信息。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序。

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。

參見條目[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Pavia, Donald L., Gary M. Lampman, George S. Kritz, Randall G. Engel. Introduction to Organic Laboratory Techniques (4th Ed.). Thomson Brooks/Cole. 2006: 797–817. ISBN 978-0-495-28069-9. 

外部連結[編輯]