气相色谱-气相色谱机如何工作，如何读取色谱仪和GCxGC

什么是气相色谱法?

气相色谱法(GC)是一种分析技术分离和检测化学成分样品混合物，以确定其存在与否和/或数量。这些化学成分通常是有机分子或气体。为了使气相色谱分析成功，这些成分需要具有挥发性，通常分子量低于1250 Da，并且热稳定，因此它们不会在气相色谱系统中降解。GC是一种广泛应用于大多数行业的技术，包括:

• 许多汽车产品生产中的质量控制，¹化学品和石油化工产品到制药行业²
• 研究目的来自对陨石的分析^3.天然产物⁴
• 安全与监控环境样品,塑料微粒和食物^5-8和酒到法医。⁹

气相色谱仪经常用连字符来表示质谱仪(GC-MS)，使化学成分的鉴定。

气相色谱是如何工作的?

顾名思义，GC在分离中使用载气，它起着流动相的作用(图1(1))。载气通过气相色谱系统输送样品分子，理想情况下不与样品发生反应或损坏仪器部件。

• 首先将样品引入气相色谱仪(GC)，用注射器或从自动进样器(图1(2))转移，自动进样器也可以从固体或液体样品基质中提取化学成分。样品通过隔膜注入GC入口(图1(3))，该隔膜使样品混合物的注入不会丢失流动相。
• 连接进气口的是分析柱(图1(4))，这是一个长(10 - 150米)，窄(0.1 - 0.53毫米内径)熔融石英或金属管，其中包含涂在内壁上的固定相。
• 分析柱保持在柱炉中，柱炉在分析过程中被加热以洗脱挥发性较小的组分。
• 列的出口插入探测器(图1(5))，它响应从色谱柱中洗脱的化学成分产生信号。
• 信号由采集软件在计算机上生成色谱图(图1(6))。
  
  

图1:气相色谱仪的简化图显示:(1)载气，(2)自动进样器，(3)进样口，(4)分析柱，(5)检测器和(6)PC机。来源:Anthias Consulting。

在注入气相色谱入口后，如果样品混合物的化学成分尚未处于气相，则首先汽化。对于低浓度样品，整个蒸汽云通过载气转移到分析柱中，称为离了模式．对于高浓度样品，只有一部分样品以分离模式转移到分析柱上，其余的样品通过分割线从系统中冲洗出来，以防止分析柱过载。

一旦进入分析柱，样品组分通过它们与固定相的不同相互作用被分离。因此，在选择使用的色谱柱类型时，应考虑分析物的挥发性和官能团，使其与固定相相匹配。液体固定相主要分为两种类型:以聚乙二醇(PEG)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基础，后者具有不同百分比的二甲基、二苯基或中极性官能团，例如氰丙苯。相似分离相似，因此非极性柱与二甲基或低百分比的二苯是很好的分离非极性分析物。具有π-π相互作用的分子可以在含有苯基的固定相上分离。那些能形成氢键的物质，例如酸和醇，最好用聚乙二醇柱分离，除非它们经过衍生化以降低极性。

最后一步是当分析物分子从色谱柱中洗脱出来时进行检测。有许多类型的GC检测器，例如:响应碳氢键的火焰电离检测器(FID);那些对特定元素(如硫、氮或磷)有反应的;以及那些对分子的特定性质做出反应的分子，比如捕获电子的能力，就像电子捕获检测器(ECD)所使用的那样。

将质谱法引入气相色谱(GC-MS)

质谱法(MS)是一种分析技术，它可以与气相色谱(GC)结合使用，代替气相色谱检测器。中性分子从分析柱中洗脱出来，在离子源中电离产生可降解为片段离子的分子离子。然后，碎片和分子离子在质量分析仪中通过它们的质量:电荷(m/z)比分离并检测。来自GC-MS的数据是三维的，提供的质谱可用于身份确认，识别未知分析物，确定分子的结构和化学性质，以及可用于定性和定量分析的色谱。

你怎么读色谱图，它告诉你什么?

图2:从GC或GC- ms输出的色谱图。来源:Anthias Consulting。

可以从色谱图(图2)中获得有关GC或GC- ms系统健康状况的许多信息，以及执行定性或定量分析所需的数据。

x轴为保留时间，取自样品进气相色谱的时间(t)₀)到GC运行结束。每个分析物峰具有从峰的顶点开始测量的保留时间，例如t_R．y轴是被分析物峰在检测器中的测量响应。基线显示了当没有分析物从色谱柱中洗脱或低于检测限时检测器发出的信号。基线响应是电气噪声(通常较低)和化学噪声(如载气中的杂质、柱固定相泄放和系统污染)的混合。因此，如果基线高于应有的水平，则表明存在问题或需要进行维护。可以从峰值处进行各种测量，例如基线处的宽度、半高处的宽度、总高度和面积。后两者与浓度成正比，但它是用于定量的面积，因为它受能带增宽的影响较小。测量结果可用于计算谱带展宽的程度，分析物分子在色谱柱上的扩散。更窄、更锐利的峰值提供更好的灵敏度(信噪比)和更好的分辨率(峰值分离)。所示的峰是高斯分布的，但是峰尾(峰的右侧较宽)表示系统中的活动或死量，而峰前(峰的左侧较宽)表示列过载。 Accurate measurements are affected by the number of data points across a peak, with an ideal number being 15-25. Too few, makes the peak look like a child’s join-the-dots drawing, affecting peak area, resolution and, with GC-MS, deconvolution. Too many reduces the signal to noise, reducing sensitivity. For GC-MS data, each data point is a mass spectrum, the third dimension of data.

将气相色谱法带入多个维度

与其他分离技术相比，气相色谱具有较高的峰容量，可以分离数百种化合物。然而，对于一些需要分离数千个峰的应用，没有足够的理论板来色谱分离它们。例子包括对柴油的分析，¹⁰或者需要在环境、生物或食品等复杂基质中检测痕量分析物的地方¹¹样本。光谱分辨率，其中质谱与气相色谱连在一起，使分析可以在没有全色谱分辨率的情况下进行，但是，为了完全成功，吸出峰必须具有不同的光谱。

图3:GC简化图x GC分析。

当选择一根色谱柱分离大多数峰时，心脏切割是有用的，然后将几组析溶峰“切割”并转移到含有不同固定相和选择性的第二根色谱柱上(图3)。只有少数切割可以通过运行转移，因此它只能用于有几个问题的分离。

图4:柴油的GC x GC等高线图显示了分离的不同化学类别。1^圣维度列为非极坐标和2^nd维度列为中极。来源:Anthias Consulting。

对于频繁检出的复杂样品，采用综合二维色谱法(GC × GC)。两个柱，包含不同的固定相，因此不同的分离机制，串联设置。“正常”设置是1^圣维数非极列后面跟着一个2^nd多维多极坐标柱，如图4所示，用于分析柴油。在两列之间使用调制器，从第一列取一个切口，并在狭窄的采样带中重新插入到第二列。热调制器利用温度捕获并释放分子，流量调制器收集流出物，压缩并将分子冲洗到第二柱上。在整个播放过程中，通常每1到10秒进行一次剪辑。第二柱上的分离应在下次切割前完成。这种快速分离是通过使用短，窄的第二柱，通常1-2米的0.1毫米内径与热调制器使用实现的;或一个短，宽的第二柱，通常5米0.25毫米内径与流量调节器使用。GC x GC峰非常窄，低至35 ms，因此必须使用快速GC检测器或高采集率质谱仪>100 Hz来获取足够的数据点。

气相色谱法的优点和局限性

GC是大多数行业中广泛使用的技术。它用于常规分析到研究，分析从固体到气体的许多不同基质中的数百种(或数千种GC x GC)化合物。它是一种强大的技术，很容易与包括质谱法在内的其他技术相结合。

气相色谱仅限于分析分子量在1250 u左右的氦/氢挥发性化合物。热不稳定的化合物在热气相色谱中会降解，因此应该使用冷注入技术和低温来减少这种情况。更多的极性分析物可能在气相色谱中卡住或丢失，因此系统应该停用并维护好，或者这些分析物衍生化。

气相色谱的常见问题

GC中最常见的问题是泄漏。流动相是一种气体，在整个系统中流动，因此正确安装部件和消耗品以及定期检查泄漏非常重要。

活性是更多极性分析物的另一个问题，特别是那些微量水平的分析物。玻璃衬垫和玻璃柱上的硅烷醇基团，以及系统中污垢的积聚，都可能导致尾矿峰、不可逆吸附或催化分解。进样口是引起大多数问题的区域，因为样品在这里被注入、汽化并转移到气相色谱柱中。因此，定期进气口维护以及使用正确的消耗品(例如停用的进气衬套)对于保持仪器无故障非常重要。

参考文献