氣相色譜（GC）是一種分析技術(shù)，用于分離樣品混合物的化學(xué)成分，然后對其進(jìn)行檢測，以確定其存在或不存在和/或存在量。這些化學(xué)成分通常是有機分子或氣體。為了使氣相色譜分析成功，這些組分需要是揮發(fā)性的，通常分子量低于1250 Da，并且熱穩定，因此它們不會(huì )在氣相色譜系統中降解。GC是一種廣泛應用于大多數行業(yè)的技術(shù)：用于從汽車(chē)到化學(xué)品到藥品的許多產(chǎn)品制造中的質(zhì)量控制；用于從隕石分析到天然產(chǎn)物的研究目的；以及從環(huán)境到食品再到法醫的**。氣相色譜儀經(jīng)常與質(zhì)譜儀（GC-MS）聯(lián)用，以便識別化學(xué)成分。
氣相色譜法是如何工作的？
顧名思義，GC在分離過(guò)程中使用載氣，這是流動(dòng)相的一部分（圖1（1））。載氣通過(guò)GC系統輸送樣品分子，理想情況下不會(huì )與樣品發(fā)生反應或損壞儀器部件。
首先使用注射器或從自動(dòng)進(jìn)樣器（圖1（2））中轉移樣品至氣相色譜儀（GC），自動(dòng)進(jìn)樣器也可從固體或液體樣品基質(zhì)中提取化學(xué)成分。樣品通過(guò)隔膜注入GC入口（圖1（3）），該隔膜可在不損失流動(dòng)相的情況下注入樣品混合物。與入口相連的是分析柱（圖1（4）），一根長(cháng)（10-150 m）、窄（內徑0.1-0.53 mm）的熔融石英管或金屬管，其中包含內壁上涂覆的固定相。分析柱保存在柱烘箱中，在分析過(guò)程中加熱柱烘箱以洗脫揮發(fā)性較小的成分。柱的出口插入檢測器（圖1（5）），檢測器對從柱上洗脫的化學(xué)成分作出響應，以產(chǎn)生信號。采集軟件在計算機上記錄信號，以生成色譜圖（圖1（6））。
圖1：氣相色譜儀的簡(jiǎn)化圖，顯示：（1）載氣，（2）自動(dòng)進(jìn)樣器，（3）入口，（4）分析柱，（5）檢測器和（6）PC。
在注入GC入口后，如果樣品混合物的化學(xué)成分尚未處于氣相，則首先將其蒸發(fā)。對于低濃度樣品，整個(gè)蒸汽云通過(guò)載氣以無(wú)分流模式轉移到分析柱中。對于高濃度樣品，只有一部分樣品以分離模式轉移至分析柱，其余樣品通過(guò)分離線(xiàn)從系統中沖洗，以防止分析柱過(guò)載。
一旦進(jìn)入分析柱，樣品組分通過(guò)其與固定相的不同相互作用進(jìn)行分離。因此，在選擇使用的色譜柱類(lèi)型時(shí)，應考慮分析物的揮發(fā)性和官能團，以使其與固定相匹配。液體固定相主要分為兩類(lèi)：聚乙二醇（PEG）或聚二甲基硅氧烷（PDMS），后者含有不同比例的二甲基、二苯基或中極性官能團，例如氰基丙基苯基。因此，具有二甲基或低百分比二苯基的非極性柱有利于分離非極性分析物。這些具有π-π相互作用的分子可以在含有苯基的固定相上分離。那些能夠氫鍵的物質(zhì)，例如酸和醇，zui好用PEG柱分離，除非它們經(jīng)過(guò)衍生化以降低極性。
zui后一步是當分析物分子從柱上洗脫時(shí)檢測它們。有許多類(lèi)型的GC檢測器，例如：那些對C-H鍵作出響應的檢測器，如火焰離子化檢測器（FID）；對硫、氮或磷等特定元素有反應的物質(zhì)；以及那些對分子的特定性質(zhì)做出反應的分子，比如捕獲電子的能力，就像電子捕獲檢測器（ECD）一樣。
向氣相色譜（GC-MS）中添加質(zhì)譜法
質(zhì)譜（MS）是一種分析技術(shù)，可與氣相色譜聯(lián)用，代替氣相色譜檢測器。中性分子從分析柱中洗脫，并在離子源中電離，產(chǎn)生可降解為碎片離子的分子離子。碎片和分子離子隨后在質(zhì)量分析儀中按其質(zhì)量：電荷（m/z）比分離，并進(jìn)行檢測。來(lái)自GC-MS的數據是三維的，提供了可用于身份確認、識別未知分析物和確定分子結構和化學(xué)性質(zhì)的質(zhì)譜，以及可用于定性和定量分析的色譜圖。
你如何閱讀色譜圖，它告訴你什么？
圖2:GC或GC-MS的色譜圖輸出。
從色譜圖中可以獲得有關(guān)GC或GC-MS系統健康狀況的許多信息，以及進(jìn)行定性或定量分析所需的數據。
x軸是保留時(shí)間，從樣品注入GC（t0）到GC運行結束。每個(gè)分析物峰都有一個(gè)從峰頂測量的保留時(shí)間，例如tR。y軸是檢測器中分析物峰的測量響應。當沒(méi)有分析物從柱中洗脫或低于檢測限時(shí)，基線(xiàn)顯示檢測器發(fā)出的信號?；€(xiàn)響應是電氣噪聲（通常較低）和化學(xué)噪聲的混合，如載氣中的雜質(zhì)、色譜柱固定相排放和系統污染。因此，如果基線(xiàn)高于其應有水平，則表明存在問(wèn)題或需要維護?？梢詮姆逯堤庍M(jìn)行各種測量，例如基線(xiàn)處的寬度、半高處的寬度、總高度和面積。后兩者與濃度成正比，但這是用于定量的區域，因為它受頻帶展寬的影響較小。測量結果可用于計算譜帶展寬的程度、分析物分子在色譜柱上的擴散。更窄、更尖銳的峰值提供了更好的靈敏度（信噪比）和更好的分辨率（峰值分離）。顯示的峰值為高斯型，但峰值拖尾（峰值右側較寬）表示系統中存在活動(dòng)或死體積，而峰值前沿（峰值左側較寬）表示柱過(guò)載。準確的測量受一個(gè)峰值上的數據點(diǎn)數量的影響，理想值為15-25。太少會(huì )使峰看起來(lái)像孩子畫(huà)的點(diǎn)，影響峰面積、分辨率以及GC-MS的反褶積。過(guò)多會(huì )降低信噪比，降低靈敏度。對于GC-MS數據，每個(gè)數據點(diǎn)都是質(zhì)譜，是數據的第三維。
氣相色譜的多維分析
與其他分離技術(shù)相比，氣相色譜具有較高的峰容量，能夠分離數百種化合物。然而，對于一些需要分離數千個(gè)峰的應用，沒(méi)有足夠的理論板對它們進(jìn)行色譜分離。示例可能包括柴油分析，或需要在復雜基質(zhì)（如環(huán)境、生物或食品樣品）中檢測痕量分析物的情況。光譜分辨率，即MS與GC聯(lián)用，使分析能夠在沒(méi)有完全色譜分辨率的情況下進(jìn)行，但是共溶峰必須具有不同的光譜才能完全成功。
如果選擇一個(gè)色譜柱分離大部分色譜峰，然后“切割”幾組共吸附峰，并將其轉移到含有不同固定相和選擇性的第2個(gè)色譜柱上，則心臟切割非常有用。只有少數切割可以通過(guò)管路傳輸，因此只能在分離有一些問(wèn)題的情況下使用。
圖3：柴油的GC x GC等高線(xiàn)圖，顯示分離的不同化學(xué)類(lèi)別。第1個(gè)維度列為非極性，第2個(gè)維度列為中極性。
對于存在頻繁共溶的復雜樣品，使用綜合二維色譜法（GC x GC）。兩個(gè)色譜柱串聯(lián)，含有不同的固定相，因此具有不同的分離機理?！罢！痹O置是一個(gè)一維非極性柱，然后是一個(gè)二維更極性柱，如圖3所示，用于柴油分析。在兩個(gè)柱之間使用調制器從第1個(gè)柱上截取一個(gè)切口，并將一個(gè)狹窄的取樣帶重新注入到第2個(gè)柱上。熱調節器通過(guò)溫度捕捉并釋放分子來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，流量調節器收集流出物，壓縮并將分子沖洗到第2個(gè)色譜柱上。在整個(gè)跑步過(guò)程中，通常每1到10秒進(jìn)行一次切割。在引入下一個(gè)切割之前，應實(shí)現第2列的分離。這種快速分離是通過(guò)使用一個(gè)短而窄的第2柱來(lái)實(shí)現的，該第2柱通常為1-2米，內徑為0.1毫米，與熱調制器一起使用；或短而寬的第2柱，通常為5 m，內徑為0.25 mm，用于流量調節器。GC x GC峰非常窄，低至35 ms，因此必須使用快速GC檢測器或大于100 Hz的高采集率質(zhì)譜儀來(lái)采集足夠的數據點(diǎn)。
氣相色譜法的優(yōu)點(diǎn)和局限性
GC是一種廣泛應用于大多數行業(yè)的技術(shù)。它用于常規分析，通過(guò)研究、分析從固體到氣體的多種不同基質(zhì)中的幾到數百（或數千）種化合物。這是一種穩健的技術(shù)，很容易與包括質(zhì)譜在內的其他技術(shù)相結合。
GC僅 限于分析分子量約為1250 u的氦/氫揮發(fā)性化合物。熱不穩定化合物可在熱GC中降解，因此應使用冷注入技術(shù)和低溫將其降至zui低。更多的極性分析物可能在GC中卡住或丟失，因此應停用系統并妥善維護或衍生這些分析物。
氣相色譜法的常見(jiàn)問(wèn)題
GC中zui常見(jiàn)的問(wèn)題是泄漏。流動(dòng)相是一種氣體，在整個(gè)系統中流動(dòng)，因此零件和耗材的正確安裝以及定期的泄漏檢查非常重要。
活性是更多極性分析物的另一個(gè)問(wèn)題，尤其是痕量分析物。玻璃襯里和色譜柱上的硅醇基團，以及系統中的污垢堆積，都可能導致拖尾峰、不可逆吸附或催化分解。入口是導致大多數問(wèn)題的區域，因為在這里樣品被注入、蒸發(fā)并轉移到GC柱中。因此，定期維護進(jìn)口以及使用正確的耗材（例如停用的進(jìn)口襯套）對于保持儀表無(wú)故障非常重要。
