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，用于分离和检测化学成分样品混合物，以确定其存在或不存在和/或数量。这些化学成分通常是有机分子或气体。为了成功地进行GC分析，这些组分需要具有挥发性，通常分子量低于1250 Da，并且热稳定，因此它们不会在GC系统中降解。GC是在大多数行业中广泛使用的技术，包括:

• 许多产品的质量控制，从汽车，¹化学品和石油化工产品，到制药业²
• 研究目的来自对陨石的分析^3.到天然产品⁴
• 安全和监控环境样品,塑料微粒和食物^5-8而且酒到法医学。⁹

气相色谱仪通常连字符质谱仪(GC-MS)，以鉴定化学成分。

气相色谱法是如何工作的?

顾名思义，GC在分离中使用载气，这是流动相的一部分(图1(1))。载气通过气相色谱系统输送样品分子，理想情况下不会与样品发生反应或损坏仪器组件。

• 样品首先通过注射器或自动进样器(图1(2))引入气相色谱仪(GC)，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。样品被注入到气相色谱入口(图1(3))通过隔膜，使样品混合物注入不失去流动相。
• 连接进气口的是分析柱(图1(4))，这是一根长(10 - 150米)窄(0.1 - 0.53毫米内径)的熔融二氧化硅或金属管，其中包含涂覆在内壁上的固定相。
• 分析柱放置在柱式烘箱中，在分析过程中加热以洗脱挥发性较低的组分。
• 所述立柱的出口插入所述探测器(图1(5))，其响应从色谱柱洗脱的化学成分以产生信号。
• 信号被记录下来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)入口，(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，样品混合物的化学成分首先被汽化，如果它们还没有处于气相的话。对于低浓度的样品，整个蒸汽云被载气转移到分析柱中离了模式．对于高浓度样品，只有一部分样品以分流模式转移到分析柱中，其余部分通过分流线从系统中冲洗出来，以防止分析柱过载。

一旦进入分析柱，样品组分就被它们与固定相的不同相互作用所分离。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，使其与固定相匹配。液体固定相主要分为两种类型:聚乙二醇(PEG)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)为主，后者具有不同比例的二甲基、二苯或中极性官能团，如氰丙基苯基。类相分离类相，因此含有二甲基或低比例二苯的非极性色谱柱适合分离非极性分析物。那些具有π-π相互作用的分子可以在含有苯基的固定相上分离。能形成氢键的化合物，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从色谱柱中洗脱时检测分析物分子。有许多类型的GC检测器，例如:那些响应C-H键，如火焰电离检测器(FID);那些对特定元素有反应的，如硫、氮或磷;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。

将质谱法加入气相色谱(GC-MS)

质谱(MS)是一种分析技术，可以连接到气相色谱和使用代替气相色谱检测器。中性分子从分析柱中洗脱，在离子源中电离产生分子离子，分子离子可降解为片段离子。然后，碎片和分子离子在质量分析仪中根据它们的质量:电荷(m/z)比进行分离并进行检测。GC-MS的数据是三维的，提供了可用于身份确认、识别未知分析物和确定分子的结构和化学性质的质谱，以及可用于定性和定量分析的色谱图。

你如何读色谱图，它告诉你什么?

图2:色谱输出的GC或GC- ms。来源:Anthias Consulting。

从色谱图(图2)可以获得很多关于GC或GC- ms系统健康状况的信息，以及进行定性或定量分析所需的数据。

x轴是保留时间，取自样品注入GC的时间(t₀)到GC运行的结束。每个分析物峰都有一个从峰的顶点测量的保留时间，例如t_R．y轴是检测物峰值在检测器中的测量响应。基线显示当没有分析物从色谱柱洗脱时，或低于检测限时，来自检测器的信号。基线响应是电气噪声(通常较低)和化学噪声的混合，如载气中的杂质、柱固定相泄漏和系统污染。因此，如果基线高于其应有值，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，如基线宽度、半高宽度、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，因为它受波段展宽的影响较小。该测量结果可用于计算条带展宽的程度，分析物分子在色谱柱上的扩散。更窄、更尖锐的峰值具有更好的灵敏度(信噪比)和更好的分辨率(峰值分离)。所示的峰值是高斯分布的，但是峰值尾延(峰值右侧较宽)表示系统中的活动或死容量，而峰值前延(峰值左侧较宽)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.

将气相色谱法应用到多个维度

与其他一些分离技术相比，气相色谱具有很高的峰值容量，能够分离数百种化合物。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。例如柴油的分析，¹⁰或者需要在环境、生物或食物等复杂矩阵中检测微量分析物¹¹样本。光谱分辨率，即质谱与气相色谱的连字，可以在没有完全色谱分辨率的情况下进行分析，然而，为了完全成功，共洗脱峰必须具有不同的光谱。

图3:GC x GC分析的简化图。

心形切割是有用的，当选择一个色谱柱来分离大多数峰，然后“切割”几组共洗脱峰，并转移到包含不同固定相和选择性的第二个色谱柱上(图3)。只有少数切割可以通过运行转移，因此它只能用于分离有一些问题的地方。

图4:柴油的气相色谱x气相色谱等高线图显示了不同化学类别的分离。1^圣维数列为非极性和2^nd尺寸列为中极性。来源:Anthias Consulting。

对于复杂的样品，经常有沉淀，采用综合二维色谱法(GC x GC)。两个柱，包含不同的固定相，因此不同的分离机制，设置在串联。“正常”设置是1^圣维度非极性列后跟一个2^nd尺寸更极柱，如图4所示，用于柴油分析。在两列之间使用一个调制器，从第一列中抽取一个切口，并在第二列中重新注入一个狭窄的样本带。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。在整个运行过程中进行剪辑，通常每1到10秒进行一次。在引入下一次切割之前，应在第二列上实现分离。这种快速分离是通过使用短而窄的第二柱实现的，通常1-2米的0.1毫米内径与热调制器一起使用;或短而宽的第二柱，通常5米0.25毫米内径与流量调制器一起使用。GC x GC峰值非常窄，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是在大多数行业中广泛使用的技术。它用于常规分析，通过研究，分析几个到数百个(或数千个与GC x GC)的化合物在许多不同的基质，从固体到气体。这是一种可靠的技术，很容易与包括质谱分析在内的其他技术结合起来。

气相色谱仅限于分析从氦/氢到分子量约1250u的挥发性化合物。热不稳定化合物可以在热气相色谱中降解，因此应使用冷注入技术和低温来尽量减少这种情况。更多的极性分析物可能会在气相色谱中卡住或丢失，因此系统应停用并做好维护，或将这些分析物衍生化。

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是很重要的。

活动是更多极性分析物的另一个问题，尤其是那些微量水平的分析物。玻璃衬垫和色谱柱上的硅醇基团，以及系统中污垢的积聚会引起尾矿峰，不可逆吸附或催化击穿。入口是引起最多问题的区域，因为在这里，样品被注入，汽化并转移到气相色谱柱中。因此，定期的进气道维护以及使用正确的消耗品，例如停用的进气道衬套，对于保持仪器无故障是很重要的。

参考文献