气相色谱基础知识

什么是气相色谱？

气相色谱 — 基础知识

气相色谱 (GC) 是一种强大的分析技术，可用于分离、鉴定和定量复杂混合物中的单个化学成分。

气相色谱（Gas chromatography，简称 GC）中的“gas”一词并不是指该技术适用的样品类型，而是指气体携带样品通过仪器的事实。这些气体称为载气或流动相，通常为高纯度氦气、氢气或氮气。事实上，大多数气相色谱法针对的是液体样品，也可应用于固体样品。使用气相色谱法分析样品的基本要求是样品中的目标化合物必须能够挥发且不会发生热分解。

气相色谱

丰富多样的气相色谱系统配置和规格看起来让人眼花缭乱，但其实每套气相色谱系统都可以分为三个单独的部分：进样口、色谱柱和检测器。

它们均使用专用的柱温箱和加热区进行温度控制（在样品分析过程中保持恒温或进行梯度升温），且每个部分都有一种或多种气流以特定的压力或流速（恒定或梯度）穿过。进样口用于将样品引入气相色谱系统并最终上样至色谱柱。样品在流经色谱柱时被分离为单个组分，然后由检测器进行表征。目前最常用的气相色谱配置是分流/不分流 (SSL) 进样口、含二甲基聚硅氧烷固定相薄层的涂壁开管 (WCOT) 毛细管柱和火焰离子化检测器 (FID)。

气相色谱进样口

进样口是许多气相色谱仪器中最复杂的部分。在分析液体时，通常使用注射器将样品通过隔垫注入进样口。如图所示，SSL 进样口在玻璃衬管内以高达 350 °C 的温度蒸发样品。在气化过程中，衬管提供了一个惰性表面，可防止样品中可被热金属表面催化的活性化合物分解。衬管也可以填充经去活处理的玻璃毛，以实现更高效的气化，结合不同的内部几何形状和挡板，促进样品蒸气的混合与均质化。

样品气化后，会被载气吹扫到色谱柱上。由于色谱柱的尺寸较小，检测器的灵敏度较高，只需将极少量的气化样品吹扫到色谱柱上。通过采用分流气流，将大部分样品蒸气排出进样口，仅在柱头留下一小截尖锐的样品蒸气段。这种离散的尖锐样品段通常会产生非常高效的色谱性能，提供窄峰和高分离度，使分流进样成为一种常用的配置。

SSL 进样口也可以在不分流模式下运行，在该模式下会有更多的样品蒸气流到色谱柱上。这种模式提高了痕量分析的灵敏度，但由于样品在进样口中停留的时间更长，会使峰展宽和不稳定分析物的热降解增多。

其他常见的气相色谱进样口包括：

程序升温气化 (PTV) 进样口 — 与 SSL 类似，但可以在进样过程中快速提高进样口温度。
冷柱头 (COC) 进样口 — 在较低的温度下，进样针插入并将全部样品直接注入柱头，进一步防止可能的热降解，并促进痕量分析。
多模式进样口 (MMI) — 兼具标准分流/不分流进样口的灵活性以及 PTV 进样口的功能。

气相色谱柱

现代毛细管气相色谱柱主要由两部分组成：

带外聚酰亚胺涂层的熔融石英玻璃管。
由涂覆在内壁的高分子量、热稳定聚合物薄膜制成的固定相。

熔融石英管的内径通常为 0.1–0.53 mm，长度可达 10–150 m。外聚酰亚胺涂层显著提高了玻璃柱的柔韧性，使其能够紧密缠绕并置于气相色谱柱温箱中进行温度控制。

当样品段流过色谱柱时，不同的组分根据与固定相之间的相互作用强度实现分离。气相色谱存在许多不同类型的固定相，通常用极性程度来对其进行描述。虽然控制溶解度平衡的分子间作用力是一个复杂的话题，但总体表现为极性分子在极性体系中更容易溶解，而非极性分子在非极性体系中更容易溶解（“相似相溶”）。气相色谱采用极性固定相时，与非极性分子相比，样品中流过色谱柱并分配到固定相的极性分子更多，并且流经色谱柱的时间更长。分配的程度也与温度相关，可以利用放置色谱柱的柱温箱温度来促进具有相似极性的特定化合物之间的分离。在许多气相色谱应用中，柱温箱的线性温度梯度非常常见。