氣相色譜儀是以氣體為流動(dòng)相的色譜分析儀器，主要用于分離分析易揮發(fā)的物質(zhì)。氣相色譜儀高靈敏度、gao效能、高選擇性、分析速度快、所需試樣量少、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在醫(yī)藥衛(wèi)生、石油化工、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
氣相色譜儀的原理
在加溫的狀態(tài)下使樣品瞬間氣化，由載氣帶入色譜柱，由于氣相色譜儀各組分在固定相與流動(dòng)相(載氣)間相對(duì)吸附能力/保留性能不同而在兩相間進(jìn)行分配，在色譜柱中以不同速度移動(dòng)，經(jīng)一段時(shí)間后得到分離，再依次被載氣帶入檢測(cè)器，將各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)變化并記錄成色譜圖，每一個(gè)峰代表Z初混合物中不同的組分。峰出現(xiàn)的時(shí)間稱(chēng)為保留時(shí)間，可以用來(lái)對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行定性，根據(jù)峰的大小(峰面積)對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行定量。
涉及的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)：
固定相：在色譜分離中固定不動(dòng)、對(duì)樣品產(chǎn)生保留的一相;
流動(dòng)相：與固定相處于平衡狀態(tài)、帶動(dòng)樣品向前移動(dòng)的另一相;
色譜圖：若干物質(zhì)的流出曲線(xiàn)，即在不同時(shí)間的濃度或響應(yīng)大小;
保留時(shí)間(tR)：樣品注入到色譜峰Zda值出現(xiàn)的時(shí)間。
氣相色譜儀的特點(diǎn)
選擇性高：能分離同位素、同分異構(gòu)體等物理、化學(xué)性質(zhì)十分相近的物質(zhì)。
分離效能高：一次可進(jìn)行含有150多個(gè)組分的烴類(lèi)混合物的分離分析。
靈敏度高：氣相色譜可檢測(cè)10^-11～10^-13g的物質(zhì)。
分析速度快：一般幾分鐘或幾十分鐘便可完成一個(gè)分析周期。
應(yīng)用范圍廣：450℃以下有不低于27～330Pa的蒸氣壓，熱穩(wěn)定性好的物質(zhì)。
缺點(diǎn)：不適應(yīng)于大部分沸點(diǎn)高的和熱不穩(wěn)定的化合物;需要有已知標(biāo)準(zhǔn)物作對(duì)照。
氣相色譜儀的系統(tǒng)
氣相色譜儀主要包括五大系統(tǒng)：載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)?；玖鞒倘缦拢?
1、載氣系統(tǒng)：
可控而純凈的載氣源。氣相色譜儀載氣從起源鋼瓶/氣體發(fā)生器出來(lái)后依次經(jīng)過(guò)減壓閥、凈化器、氣化室、色譜柱、檢測(cè)器，然后放空。
氣相色譜儀載氣必須是純潔的(99.999%)，要求化學(xué)惰性，不與有關(guān)物質(zhì)反應(yīng)。載氣的選擇除了要求考慮對(duì)柱效的影響外，還要與分析對(duì)象和所用的檢測(cè)器相配。常用的載氣有氫氣、氮?dú)?、氦氣等惰性氣體。一般用熱導(dǎo)檢測(cè)器時(shí)，使用氫氣、氦氣，其它檢測(cè)器使用氮?dú)狻?
凈化器：多為分子篩和活性碳管的串聯(lián)，可除去水、氧氣以及其它雜質(zhì)。
2、進(jìn)樣系統(tǒng)：
包括氣化室和進(jìn)樣裝置，保證樣品瞬間完全氣化而引入載氣流。常以微量注射器(穿過(guò)隔膜墊)將液體樣品注入氣化室。
進(jìn)樣條件的選擇：影響氣相色譜儀分離效率以及分析結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度;
氣化室溫度：一般稍高于樣品沸點(diǎn)，保證樣品瞬間完全氣化;
進(jìn)樣量：不可過(guò)大，否則造成拖尾峰，進(jìn)樣量不超過(guò)數(shù)微升;柱徑越細(xì)，進(jìn)樣量應(yīng)越少;采用毛細(xì)管柱時(shí)，應(yīng)分流進(jìn)樣以免過(guò)載;
進(jìn)樣速度(時(shí)間)：1秒內(nèi)完成，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可引起色譜峰變寬或變形。
3、分離系統(tǒng)：
分離系統(tǒng)是氣相色譜儀的心臟部分，是在色譜柱內(nèi)完成試樣的分離，因?yàn)榇蠖鄶?shù)分離都強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度，故色譜柱要安裝在能夠精密控溫的柱箱內(nèi)。
色譜柱的選擇：
①色譜柱的種類(lèi)
分為填充柱和毛細(xì)管/空心柱兩類(lèi)。填充柱材質(zhì)多為不銹鋼或玻璃，毛細(xì)管柱的材質(zhì)多為石英。
②固定相的選擇
固體固定相：是表面有一定活性的固體吸附劑，如活性炭、硅膠、氧化鋁分子篩等，不同的分析對(duì)象選用不同的吸附劑。
液體固定相：由固定液和載體組成。固定液均勻的涂布在載體表面。
載體：要求比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，顆粒均勻，有一定的機(jī)械強(qiáng)度。
固定液的選擇：高沸點(diǎn)有機(jī)液體，在操作范圍內(nèi)蒸汽壓低，熱穩(wěn)定性好，對(duì)樣品各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?，選擇性高，揮發(fā)性小，不與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。一般根據(jù)“相似性原則”選擇固定液，即組分的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)或極性與固定液相似時(shí)，在固定液中的溶解度就大，保留時(shí)間長(zhǎng)，有利于相互分離;反之，則溶解度小，保留時(shí)間短。常用固定液有甲基聚硅氧烷(如SE-30、OV-17等)、聚乙二醇(如PEG-20M等)。
柱溫的選擇：
氣相色譜儀柱溫可以采用恒溫或程序升溫。
①在能保證R()的前提下，盡量使用低柱溫，但應(yīng)保證適宜的tR()及峰不拖尾，減小檢測(cè)本底。
②根據(jù)樣品沸點(diǎn)情況選擇合適柱溫，柱溫應(yīng)低于組分沸點(diǎn)50~100℃，寬沸程樣品應(yīng)采用程序升溫。
程序升溫好處：改善分離效果;縮短分析周期;改善峰形;提高檢測(cè)靈敏度。
4、檢測(cè)器
檢測(cè)器是將流出色譜柱的載氣流中被測(cè)組分的濃度(或量)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)變化的裝置，是氣相色譜儀的核心部件之一。檢測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化放大后成為色譜圖。
氣相色譜儀所用檢測(cè)器有熱導(dǎo)池檢測(cè)器(TCD)、氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)、電子捕獲檢測(cè)器(ECD)、氮磷檢測(cè)器(NPD)等。
①熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)
TCD是一種應(yīng)用較早的通用型檢測(cè)器，對(duì)任何氣體均可產(chǎn)生響應(yīng)，因而通用性好，而且線(xiàn)性范圍寬、價(jià)格便宜、應(yīng)用范圍廣，但靈敏度較低?，F(xiàn)仍在廣泛應(yīng)用。它由金屬池體和裝入池體內(nèi)兩個(gè)完全結(jié)稱(chēng)孔道內(nèi)的熱敏元件所組成，是基于被分離組分與載氣的導(dǎo)熱系數(shù)不同進(jìn)行檢測(cè)。所有氣體都能夠?qū)?，但是氫氣和氦氣的熱?dǎo)系數(shù)Zda，故是優(yōu)選的載氣。
②氫火焰電離檢測(cè)器(FID)
FID是使用Z廣泛的檢測(cè)器，它是利用有機(jī)物在H2-Air燃燒的高溫火焰中電離成正負(fù)離子，并在外加電場(chǎng)的作用下作定向移動(dòng)形成電子流，其電流的強(qiáng)度與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器離子室的待測(cè)組分含碳原子的數(shù)目有關(guān)，所以它適用于含碳有機(jī)物的測(cè)定。FID為典型的質(zhì)量型檢測(cè)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速、比熱導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度高出近3個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)有機(jī)化合物具有很高的靈敏度，但對(duì)無(wú)機(jī)氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質(zhì)靈敏度低或不響應(yīng)。
FID檢測(cè)器氣體流速：
氣相色譜儀FID檢測(cè)器須使用三種不同氣體：載氣、氫氣(燃?xì)?和空氣(助燃?xì)?，通常三種氣體的流速比約為1：1：10。
FID檢測(cè)器溫度：
溫度對(duì)FID檢測(cè)器的靈敏度和噪聲的影響不顯著，為了防止有機(jī)物冷凝，一般控制在比柱溫箱高30℃～50℃。此時(shí)氫在檢測(cè)器中燃燒生成水，以水蒸汽逸出檢測(cè)器，若溫度低，水冷凝在離子化室會(huì)造成漏電并使色譜基線(xiàn)不穩(wěn)，故檢測(cè)溫度應(yīng)高于150℃，一般控制250℃～350℃。
5、信號(hào)記錄處理系統(tǒng)
包括信號(hào)記錄和數(shù)據(jù)顯示等。氣相色譜儀檢測(cè)器得到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化放大后由數(shù)據(jù)處理機(jī)/積分儀/記錄儀/色譜工作站接收處理后成為色譜圖，可對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析。
氣相色譜儀組分定性與定量分析
1、組分定性分析
氣相色譜儀主要利用保留值定性，但在很多情況下，仍需借助其它手段。包括以下方法：利用保留時(shí)間定性;利用加入純物質(zhì)增加峰高法定性;利用相對(duì)保留值定性;利用碳數(shù)/沸點(diǎn)規(guī)律定性;利用保留指數(shù)定性;利用雙柱或多柱定性;利用檢測(cè)器定性;與其它方法結(jié)合定性。
2、組分定量分析
氣相色譜儀分析的依據(jù)是被測(cè)組分的質(zhì)量與其色譜峰面積/峰高成正比。
①歸一化法：
前提：試樣中所有組分都產(chǎn)生信號(hào)并能檢出色譜峰。
依據(jù)：組分含量與峰面積成正比。
優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確;定量結(jié)果與進(jìn)樣量、重復(fù)性無(wú)關(guān);色譜條件略有變化對(duì)結(jié)果幾乎無(wú)影響。
缺點(diǎn)：所有組分必須在一定時(shí)間內(nèi)都出峰;必須已知所有組分的校正因子。
②內(nèi)標(biāo)法：
氣相色譜儀定量加入樣品中不存在的對(duì)照物-內(nèi)標(biāo)物，以待測(cè)組分和內(nèi)標(biāo)物的響應(yīng)信號(hào)對(duì)比定量。
對(duì)內(nèi)標(biāo)物要求：
a、內(nèi)標(biāo)物須為原樣品中不含組分;
b、內(nèi)標(biāo)物與待測(cè)物保留時(shí)間應(yīng)接近且R>1.5;
c、內(nèi)標(biāo)物為高純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，或含量已知物質(zhì);
內(nèi)標(biāo)法優(yōu)點(diǎn)：
進(jìn)樣量不超量時(shí)，重復(fù)性及操作條件對(duì)結(jié)果無(wú)影響;只需待測(cè)組分和內(nèi)標(biāo)物出峰，與其他組分是否出峰無(wú)關(guān);內(nèi)標(biāo)法缺點(diǎn)：找合適內(nèi)標(biāo)物困難。
③外標(biāo)法(標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法)
以待測(cè)組分純品為對(duì)照物，與試樣中待測(cè)組分的響應(yīng)信號(hào)相比較進(jìn)行定量的方法。
外標(biāo)法特點(diǎn)：不需要校正因子，不需要所有組分出峰;結(jié)果受進(jìn)樣量、進(jìn)樣重復(fù)性和操作條件影響大→氣相色譜儀每次進(jìn)樣量應(yīng)一致，否則產(chǎn)生誤差。
