气相层析操作原理及应用

1、气相层析操作原理及应用气相层析操作原理及应用GC属于色层分析法的一种，以气体当作流动相而得名，GC的分析特点为高选择性高效能高灵敏度快速分析为分析上的一大利器 , 广泛的使用于易挥发的液体及气体的分析。气相层析气相层析 (Gas Chromatography , GC)分子量很大的高沸点物质极性度很高受热不安定会分解物质受热会增强吸附效应受热会聚合成高分子物质。GCGC分析不适用于以下的状况分析不适用于以下的状况GC仪器简单分为烘箱、样品注入系统、侦测系统、气体控制系统、数据处理系统等五部分：GC 仪 器 配 置气气 相相 层层 析析 仪仪 基基 本本 配配 置置Column： (1) Col

2、umn 的材质：的材质：管柱材质早期使用管柱材质早期使用Stainless steel材质，材质，但是但是Column弯曲固定不易，之后使用弯曲固定不易，之后使用玻璃玻璃Column比较柔软；最后使用比较柔软；最后使用fuse silica材质的材质的Column，但是，但是Fuse silica在超过在超过350较易破裂，而且温度传导较易破裂，而且温度传导稳定度较差，稳定度较差，Stainless steel材质可在高材质可在高温下操作，传热性又好，一般而言温下操作，传热性又好，一般而言Stainless steel材质的管柱是较好的选材质的管柱是较好的选择，但现今以择，但现今以Fuse s

3、ilica材质的材质的column占多数。占多数。典型的典型的Fuse silica capillary column如图如图1.。主要分为三部份，最外层是。主要分为三部份，最外层是Polyimide被覆，用以保护被覆，用以保护column本体防止破损、折损。防止任何含水本体防止破损、折损。防止任何含水成份的渗入。填补管柱制作时的遐疵或缝隙。成份的渗入。填补管柱制作时的遐疵或缝隙。column的浅棕色即是的浅棕色即是Polyimide，column颜色不同不会影响颜色不同不会影响column的效能；最内层为固相的效能；最内层为固相(Stationary phase)，固相则为分离样品的主要部份

4、。，固相则为分离样品的主要部份。中间为中间为Fused silica层，这层以石英材质披覆，必需非常均匀的覆在管壁层，这层以石英材质披覆，必需非常均匀的覆在管壁内，制作时需用雷射来测量内径要求达到一定的平滑及均匀度。此层直内，制作时需用雷射来测量内径要求达到一定的平滑及均匀度。此层直接与固相接触，必需无化学活性，不与样品反应，又必需提供固相均匀接与固相接触，必需无化学活性，不与样品反应，又必需提供固相均匀的表面。最内层为固定相，也是分离的主要部份，的表面。最内层为固定相，也是分离的主要部份，J & WGL Sciences Chrompack HPSupelcoOHIOQuadrexO

5、therDB-1TC-1,NB-1 CP-Sil 5CB HP-1SPB-1OV-1007-1BP-1DB-5TC-5,NB-5 CP-Sil 8CB HP-5SPB-5OV-5007-5BP-5DB-1701TC-1701CP-Sil 19CBSP-2250OV-1701007-1701BP-10DB-17TC-17HP-17OV-17007-17Rts-1701DB-waxTC-waxCP-wax52CBHP-20MSupelcowax-10Carbpwax20M007-cwBP-20DB-FFAPTC-FFAPCp-wax 58CBHP-FFAPNukolOv-351007-FFAPPE

6、-FFAP市售市售column制造厂商很多，名称不同但固相是相同制造厂商很多，名称不同但固相是相同的，列举如下：的，列举如下：Column的固定相的固定相(Stationary phase)：Column的极性对样品分离的影响非常大，因此固相的选择是选用column时首要的考虑因素。通常选择column时必须先确定固相极性，而后才会考虑column长度、内径、固相厚度。选错了固相即使column长度、内径、固相厚度都很正确也无法获得好的分析效果。两个样品如果在固相中滞留的时间一样，即表示无法分离，相反的如果固相对两样品的滞留时间不同则表示可分离。固相的极性由固相聚合物的结构来决定，极性不只影响

7、样品的分离也影响column的寿命、温度极限、bleed及样品容量。非极性的固相比较偏向吸附非极性的样品，也表示对非极性样品的滞留性较强。同理如果要分离两极性样品，选择DB-1这种非极性固相的Column是不好的选择。Column的极性如何分辨呢？(1) 尽可能选择极性小的固定相；70%的样品可用 100% (DB-1)非极性Column及5% Phenyl (DB-5)来 进行分析。选用column的极性尽量与溶剂的极性 配合(非极溶剂配合非极性固相)。(2) 非极性的column有较长的寿命。 (3) 最广泛使用的column为DB-1、DB-5、DB-1701、 DB-17、DB-WAX

8、等五种column。可满足95%以上 的样品分析，所以尽可能由这五种column作选择。Column内径：一般选择0.35mm内径Column就可提供良好再现性与分析效果，0.35mm内径Column可适用于各种Detector；但Mass则必须选择0.15、0.22及0.25mm内径Column。某些状况使用0.53mm Column是因为要注射较大量的样品。小内径的Column有较佳的分离效果；内径减一半则可增加一倍的分离效果。样品量的多少与Column内径的选择必需配合，配合不好就会造成分析效能变差。我们可以用下表来作为选择的参考。Column ID0.18 mm0.25 mm0.32

9、mm0.53 mmHe(flow:20cm/sec)0.3 ml/min0.7 ml/min1.2 ml/min2.6 ml/minH2(flow:40cm/sec)0.6 ml/min1.4 ml/min2.4 ml/min2.6 ml/min樣品容量樣品容量50 ng50 - 100 ng400 - 500 ng1000 - 2000 ng固定相厚度：Column固相的厚度直接影响样品的滞留时间与分析温度，厚的固相增加样品的分离时间与分离温度。高挥发性样品由于滞留时间太接近，因此选择较厚的固相来增加滞留时间，使样品得以完全分离。低挥发性高沸点样品一般分析时间都比较长，所以选择薄的固相来达到

10、快速分离。如果分离的样品浓度相差太大，建议选择gel较厚的Column；但两分离样品的浓度相差太大结构差异大时则可选择较薄gel厚度Column。较薄gel厚度可注入较大的样品量，但注射太大量会影想分离率。相同gel厚度内径减一半样品量需减半，一般而言0.32内径0.25mm厚度Column最大注射量约100ng。较大的固相厚度有较长的滞留时间及较高的分析温度，一般而言加倍gel厚度分析温度需提高15-20Column长度：越长的column有越好的分析效能、较长的分析时间与花较多的金钱。每增加一倍的column长度，则column效能增加2的平方根；而分析时间几乎增加一倍。理论上尽可能选择较

11、短的Column，增加长度一倍仅增加40%的效能，所以一般选择改变固相或内径，而不选择增加Column长度。Column增长代表分离时间加长，使后面出现的Peak更宽，更高的花费。一般而言分析条件为单一温度(isothermal)时，分离效果取决于Column长度，因此有必要增加Column长度。但当分离条件为梯度升温时，温度对滞留时间的影响比Column长度重要。30 m的长度最适用，15 m用于很简单的或高分子量的样品，60 m用于非常复杂的样品。 温度限制：所有固相皆有最高与最低温限制，分析时必需在安全温度范围内，如果温度太低，固相失去层析作用。超过限制的高温会加速固相的崩解。在限制的范

12、围内Column固相自然的缓慢崩解，但是超过限制温度Column的崩解速率会急速增加。超温会造成peak拖尾及bleed增加。在升降温时如果没有开启Carrier gas会造成Column不可挽回的严重伤害。极性的固相比非极性固相更易受伤害。Column bleed : Column bleed为分析时固相崩解时产生的正常背景讯号。每个Column制造都尽可能降低bleed，一般而言固相越厚、Column长度越长bleed会增加，极性的Column的bleed也比非极性Column大。随着梯度升温，bleed也会增加，这是因为高温加速固相崩解。Bleed大小和侦测器的灵敏度有关，必需非常灵敏的

13、侦测器才能侦测的到。如果使用Cyanopropyl-phenyl为固相的Column，在NPD Detector比FID Detector的bleed大，因为对固相中N2的成分NPD比FID灵敏。Column损坏或污染会造成bleed增加；将Column暴露在氧气的高温环境，也是造成Column损坏的主因之一。最常见的情形是气体管路渗漏，造成氧气的进入。其它比如注射被污染的样品，不挥发物质残留在Column内等，皆会造成固相的损坏使bleed增大。化学物质的配合：固相不会因注入水或有机溶液而损坏，仅有部份非有机酸(HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3)和碱(KOH、NaOH、NH4OH)等

14、会造成固相损坏，事实上低浓度的HCl不会伤害固相。Column的保存：Column一段时间不用要拆下储存，column末端用septum封住，将column保存于干燥箱，再次使用安装时需将末端切掉。Column的切割：Column的切割是很重要的。不正确的切割会造成Column固相层及fused silica层产生缺口，导致Carrier gas路径不正确，会造成peak拖尾、分叉和变宽、分析样品损失等问题发生。使用钻石刀、石英刀或专门的切割工具是必要的。 Column condition：设定温度10-20/min 最大温度不可超过Column所能承受的最大温度。如gel厚度较大或要做微量分

15、析，condition时间较久。如果样品分析温度不高，只需用比分析条件高20的温度去condition。Column condition时没有Carrier gas会造成Column的损坏。先检查好整个系统不可渗漏；一般condition的时间约30 - 60分钟，如baseline依然未稳定可再作60-90分钟，如果仍然不行，不要持续condition Column，请先彻底检查是否有漏或污染。Carrier gas品质不佳、Detector污染或气体管路未装trap都会造成condition时间延长及Column损坏的原因。Trap：气体的污染会造成baseline的不稳、detector

16、的噪声及column的损坏，要避免这些问题必须加装trap来除去水分、氧气、碳氢物质及其他杂质。一般而言除水的trap需装在离气体钢瓶最近的地方，因为水份会快速减短除O2 trap的寿命，而除O2的trap要放在第二位。当使用强极性的column尤其是Wax为固相的column，一定要加装除水除氧的trap，因为水及氧气会严重破坏固相，造成氧化，会造成效能变差及bleed的增加。1. 烘箱(OVEN)：Oven是column放置地点，必须提供分析 时column所需的温度，所以oven必须有 稳定、快速的温度控制系统1.可提供高于400的高 温，必要于可支持-99的 低 温环境。2.温度精确值

17、可达 0.1 oC3.快速升温及降温 4.大容量 Backflash : 所有的injector皆为热的injector (除了on-column injector外)，样品进入injector之后迅速蒸发膨胀，随着Carrier gas进入column内；但超过一定注射量的样品，充满liner ( inset ) ，冲过injector内carrier gas管路以上的地方，造成逆流称为Backflash。如此大的体积进入column会拖的很长，造成一个宽而拖尾的peak；如果backflash遇到injector较冷的部份如：septum或carrier gas进入injector的前段，

18、都会冷凝，冷凝的样品随后会造成分析上的ghost peak。其它进入injector本体和金属面接触的样品会被破坏，造成定量的不准确。backflash的解决方法有四点：使用septum purge用于split/splitless injector。减少注射量。使用大体积的liner。改用较佳的注射温度。Injector温度：Injector温度必需适当，必须高到足以使样品挥发，但不可太高而使样品受到破坏，温度太低使样品挥发不完全或造成宽的peak；如果温度太高会造成高的Backflash及样品受到破坏。如果injector温度设定超过column所能承受的最高温度一般而言不会造成colum

19、n的损坏。常常我们把injector温度设在250，以求得最大的蒸发及最小的Backflash。Inlet discrimination：在injector内不挥发样品比挥发样品需要更高的温度才能蒸发汽化，由于蒸发汽化速率的差别造成样品中挥发性样品比较能完全进入column；而不挥发样品会有相当一定比率的样品无法进入column，造成不挥发样品peak比较小的现象，称为discrimination。Syringe：(1) Syringe的选择：依据样品量多少决定，但最少注入量不得少于Syringe 全量的15-20%。(2) Syringe的使用： 使用前先检查是否有裂痕，针尖是否有变形。 用

20、溶剂清洗5 20 次，前三次吸入后将溶液丢弃。 吸样品时采慢吸快放的方式以去除气泡。 吸入超量的样品体积，抽出注射器，轻推注射针的plunger使剩余样 品量等于欲注射量。 吸入小量气体，用清洁的卫生纸将针尖周围样品擦净。 将注射针插入injector内，停留2 5秒后，快速将样品注入。 抽出Syringe用solvent清洗，风干再用。(3) Syringe的清洁：一般使用methanol、acetone、acetonitrile、methylene chloride等溶液。(4) Syringe Plunger注意事项： 金属材质的plunger不可使用暴力推拉。 如针尖塞住不可用力推入以免针筒破损或plunger扭曲。 不可仅更换plunger因为不同的plunger与针筒密合度不