南京科捷丨化学实验室必备：气相色谱法基础知识！
用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。根据固定相的状态不同，又可将其分为气固色谱和气液色谱。
气固色谱是用多孔性固体为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。但由于气固色谱可供选择的固定相种类甚少，分离的对象不多，且色谱峰容易产生拖尾，因此实际应用较少。
气相色谱多用高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要在450℃以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压且热稳定性好的有机及无机化合物都可用气液色谱分离。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值。
第一节 气相色谱仪
(一）气相色谱流程
气相色谱法用于分离分析样品的基本过程如下图：
气相色谱过程示意图
由高压钢瓶1供给的流动相载气。经减压阀2、净化器3、流量调节器4和转子流速计5后，以稳定的压力恒定的流速连续流过气化室6、色谱柱7、检测器8，最后放空。
气化室与进样口相接，它的作用是把从进样口注入的液体试样瞬间气化为蒸汽，以便随载气带入色谱柱中进行分离，分离后的样品随载气依次带入检测器，检测器将组分的浓度（或质量）变化转化为电信号，电信号经放大后，由记录仪记录下来，即得色谱图。
（二）气相色谱仪的结构
气相色谱仪由五大系统组成：气路系统、进样系统、分离系统、控温系统以及检测和记录系统。
1.气路系统
气相色谱仪具有一个让载气连续运行、管路密闭的气路系统。通过该系统，可以获得纯净的、流速稳定的载气。它的气密性、载气流速的稳定性以及测量流量的准确性，对色谱结果均有很大的影响，因此必须注意控制。
常用的载气有氮气和氢气，也有用氦气、氩气和空气。载气的净化，需经过装有活性炭或分子筛的净化器，以除去载气中的水、氧等不利的杂质。流速的调节和稳定是通过减压阀、稳压阀和针形阀串联使用后达到。一般载气的变化程度。
2.进样系统
进样系统包括进样器和气化室两部分。
进样系统的作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱之前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中。进样的大小，进样时间的长短，试样的气化速度等都会影响色谱的分离效果和分析结果的准确性和重现性。
（1）进样器
液体样品的进样一般采用微量注射器。
气体样品的进样常用色谱仪本身配置的推拉式六通阀或旋转式六通阀定量进样。
（2）气化室
为了让样品在气化室中瞬间气化而不分解，因此要求气化室热容量大，无催化效应。为了尽量减少柱前谱峰变宽，气化室的死体积应尽可能小。
3. 分离系统
分离系统由色谱柱组成。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。
（1）填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2 ~ 4mm，长1 ~ 3 m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。
（2）毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。
空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2 ~ 0.5mm，长度30 ~ 300m，呈螺旋型。
色谱柱的分离效果除与柱长、柱径和柱形有关外，还与所选用的固定相和柱填料的制备技术以及操作条件等许多因素有关。
4. 控制温度系统
温度直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要制对色谱柱炉、气化室、检测室的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。
对于沸点范围很宽的混合物，一般采用程序升温法进行。程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。
5.检测和放大记录系统
（1）检测系统
根据检测原理的差别，气相色谱检测器可分为浓度型和质量型两类。
浓度型检测器测量的是载气中组分浓度的瞬间变化，即检测器的响应值正比于组分的浓度。如热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）。
质量型检测器测量的是载气中所携带的样品进入检测器的速度变化，即检测器的响应信号正比于单位时间内组分进入检测器的质量。如氢焰离子化检测器（FID）和火焰光度检测器（FPD）。
（2）记录系统
记录系统是一种能自动记录由检测器输出的电信号的装置。
第二节气相色谱固定相
气相色谱固定相可分为液体固定相和固体固定相两类。
一、液体固定相
液体固定相是将固定液均匀涂渍在载体而成。
（一）固定液
1. 对固定液的要求
固定液一般为高沸点的有机物，能做固定相的有机物必须具备下列条件：
第一，热稳定性好，在操作温度下，不发生聚合、 分解或交联等现象，且有较低的蒸汽压，以免固定液流失。通常，固定液有一个“最高使用温度”。
第二，化学稳定性好，固定液与样品或载气不能发生不可逆的化学反应。
第三，固定液的粘度和凝固点低，以便在载体表面能均匀分布。
第四，各组分必须在固定液中有一定的溶解度，否则样品会迅速通过柱子，难于使组分分离。
2. 固定液和组分分子间的作用力
固定液为什么能牢固地附着在载体表面上，而不为流动相所带走？为什么样品中各组分通过色谱柱的时间不同？这些问题都涉及到分子间的作用力。前者，取决于载体分子与固体分子间作用力的大小；后者，则与组分、固定液分子相互作用力的不同有关。
分子间的作用力是一种极弱的吸引力，主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键力等。
如在极性固定液柱上分离极性样品时，分子间的作用力主要是静电力。被分离组分的极性越大，与固定液间的相互作用力就越强，因而该组分在柱内滞留时间就越长。
又如存在于极性分子与非极性分子之间的诱导力。
由于在极性分子永久偶极矩电场的作用下，非极性分子也会极化产生诱导偶极矩。它们之间的作用力叫诱导力。极性分子的极性越大，非极性分子越容易被极化，则诱导力就越大。当样品具有非极性分子和可极化的组分时，可用极性固定液的诱导效应分离。例如，苯（B.P.80.1℃）和 环己烷（ B.P.80.8℃）沸点接近，偶极矩为零，均为非极性分子，若用非极性固定液却很难使其分离。但苯比环己烷容易极化，故采用极性固定液，就能使苯产生诱导偶极矩，而在环己烷之后流出。固定液的极性越强，两者分离得越远。
3. 固定液的分类
目前用于气相色谱的固定液有数百种，一般按其化学结构类型和极性进行分类，以便总结出一些规律供选用固定液时参考。
（1）按固定液的化学结构分类
把具有相同官能团的固定液排在一起，然后按官能团的类型不同分类，这样就便于按组分与固定液“结构相似”原则选择固定液时参考。
（2）按固定液的相对极性分类
极性是固定液重要的分离特性，按相对极性分类是一种简便而常用的方法（固定液的相对极性测定方法及常用固定液的相对极性）。
4. 固定液的选择
在选择固定液时，一般按“相似相溶”的规律选择，因为这时的分子间的作用力强，选择性高，分离效果好。
在应用中，应根据实际情况并按如下几个方面考虑：
第一，非极性试样一般选用非极性固定液。非极性固定液对样品的保留作用，主要靠色散力。分离时，试样中各组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱；若样品中含有同沸点的烃类和非烃类化合物，则极性化合物先流出。
第二，中等极性的试样应首先选用中等极性固定液。在这种情况下，组分与固定液分子之间的作用力主要为诱导力和色散力。分离时组分基本上按沸点从低到高的顺序流出色谱柱，但对于同沸点的极性和非极性物，由于此时诱导力起主要作用，使极性化合物与固定液的作用力加强，所以非极性组分先流出。
第三，强极性的试样应选用强极性固定液。此时，组分与固定液分子之间的作用主要靠静电力，组分一般按极性从小到大的顺序流出；对含有极性和非极性的样品，非极性组分先流出。
第四，具有酸性或碱性的极性试样，可选用带有酸性或碱性基团的高分子多孔微球，组分一般按相对分子质量大小顺序分离。此外，还可选用极性强的固定液，并加入少量的酸性或碱性添加剂，以减小谱峰的拖尾。
第五，能形成氢键的试样，应选用氢键型固定液，如腈醚和多元醇固定液等。各组分将按形成氢键的能力大小顺序分离。
第六，对于复杂组分，可选用两种或两种以上的混合液，配合使用，增加分离效果。
（二）载体
载体是固定液的支持骨架，使 固定液能在其表面上形成一层薄而匀的液膜。载体应有如下的特点：
第一，具有多孔性，即比表面积大；
第二，化学惰性且具有较好的浸润性；
第三，热稳定性好；
第四，具有一定的机械强度，使固定相在制备和填充过程中不易粉碎。
1.载体的种类及性能
载体可以分成两类：硅藻土类和非硅藻土类。
硅藻土类载体是天然硅藻土经煅烧等处理后而获得的具有一定粒度的多孔性颗粒。按其制造方法的不同，可分为红色载体和白色载体两种。
红色载体因含少量氧化铁颗粒而呈红色。其机械强度大，孔径小，比表面积大，表面吸附性较强，有一定的催化活性，适用于涂渍高含量固定液，分离非极性化合物。
白色载体是天然硅藻土在煅烧时加入少量碳酸钠之类的助熔剂，使氧化铁转化为白色的铁硅酸钠。白色载体的比表面积小，孔径大，催化活性小，适用于涂渍低含量固定液，分离极性化合物。
2.硅藻土载体的预处理
普通硅藻土载体的表面并非完全惰性，而是具有硅醇基（Si-OH），并有少量的金属氧化物。因此，它的表面上既有吸附活性，又有催化活性。如果涂渍的固定液量较低，则不能见个其吸附中心和催化中心完全遮盖。用这种固定相分析样品，将会造成色谱峰的拖尾；而用于分析萜烯和含氮杂环化合物等化学性质活泼的试样时，有可能发生化学反应和不可逆吸附，为此，在涂渍固定液前，应对载体进行预处理，使其表面钝化。
常用的预处理方法有：
（1）酸洗（除去碱性基团）；
（2）碱洗（除去酸性基团）；
（3）硅烷化（消除氢键结合力）；
（4）釉化（表面玻璃化、堵微孔）。
二、气固色谱固定相
用气相色谱分析永久性气体及气态烃时，常采用固体吸附剂作固定相。在固体吸附剂上，永久性气体及气态烃的吸附热差别较大，故可以得到满意的分离。
1.常用的固体吸附剂
主要有强极性的硅胶，弱极性的氧化铝，非极性的活性炭和特殊作用的分子筛等。
2.人工合成的固定相
作为有机固定相的高分子多孔微球是人工合成的多孔共聚物，它既是载体又起固定相的作用，可在活化后直接用于分离，也可作为载体在其表面涂渍固定液后再使用。
由于是人工合成的，可控制其孔径的大小及表面性质。
如圆柱型颗粒容易填充均匀，数据重线性好。在无液膜存在时，没有“流失”问题，有利于大幅度程序升温。这类高分子多孔微球特别适用于有机物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈类和胺类的分析。
高分子多孔微球分为极性和非极性两种：
（1）非极性的是由苯乙烯、二乙烯苯共聚而成。
（2）极性的是苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入极性基团。
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