气相色谱仪简介

自从1954年**台商业GC仪问世以来，其系统的仪器设备拥有了持续的发展。

现代商业GC仪的工作过程大致为：

l 惰性载气（氦气）由储气罐导入GC仪，其压力可由手动或电子气动控制器调节。

l 调节后的载气从入口处流经毛细管*终达到检测器。

l 样品被注射进入进样口，经加热而挥发，由载气带入毛细管气相色谱柱。

l 样品在毛细管气相色谱柱（拥有较小内径的细长石英柱）中分离。由于样品中各组分的相对蒸气压和在液态固定相的溶解度不同，导致它们在流动性和固定相中的分配不同而*终分离。

l 样品组分（分析物）随着载气从毛细管中流出，同时进入检测器。基于分析物的物理化学性质，检测器产生响应，*终转化为电信号用来测量分析物的量。

l 数据处理系统生成整合的色谱图。

下图为气相色谱仪工作过程，您可以点击“播放”按钮查看气相色谱样品分析的简单流程。

分离度

在色谱分析中*为重要的事情就是在*短的时间获得**的分离度。

当分离度大于1.5或者更大时，可以认为待分析的样品物质达到了“基线”分离，这时每个物质色谱峰的峰面积或者峰高能够被准确的测量。

 分离度是容量因子、分离因子和柱效三个色谱参数的组合。

 峰宽是流出曲线拐点处作切线之间的距离，如图所示。

 峰宽和保留时间都是以时间为单位，而分离度是个无量纲的参数。

 点击和拖动下图中的滑动条查看两个色谱峰的不同分离度时的效果。

分离因子

分离因子（α）是色谱系统在化学性质方面对样品组分的分离能力。它是两个色谱峰容量因子的比值，可以简单的从两个色谱峰的峰顶距离来目测。

根据定义，两个被分开的色谱峰的分离因子永远大于1，如果等于1则表示两个色谱峰同时从色谱柱中流出。

 分离因子越大，两个色谱峰之间的距离也越大。

 与有效液相色谱（HPLC）相比，在气相色谱中改变分离因子的方法有限。

分离因子显示了样品在化学方面的特性，柱温、相比（β）（色谱柱的直径和固定液液膜厚度）通常影响分离因子。

柱效

色谱峰的柱效是对样品通过气相色谱仪器进样系统、色谱柱和检测器后离散程度的一种测量方法。

理想状态时色谱峰应该是一条细线，但是由于分散效应，色谱峰呈现“高斯”分布形状。

在气相色谱中，塔板数（N）是主要评估色谱峰离散程度的方法，反映了色谱柱的性能。塔板数N是把色谱柱比拟成蒸馏过程而衍生出的一种表示色谱柱柱效的方法，在此方法中，色谱柱被分成“理论塔板”，每个塔板的高度是样品在固定液和流动相中完成一次平衡过程的距离。因此色谱柱“理论塔板”越多，平衡的过程也就越多，分离的效果也就越好。

计算色谱柱柱效的方法在后面的章节做详细描述。

一些典型的毛细管色谱柱的柱效如下所示：

请点击动画教材中的“柱效的塔板理论模型”模拟动画示意图。

下表罗列一些常见毛细管色谱柱的柱效。

色谱柱长度为30米，数据为每米塔板数和总柱效。色谱柱固定液为常见的非极性色谱柱固定液，***聚硅氧烷。

作为对照，与典型的HPLC色谱柱（150mm X 4.6mm X 5μm）比较，色谱柱总柱效在5000到8000之间。

 气相色谱的分离主要受有效的气相色谱柱推动，因此保持色谱系统有较高的柱效就非常关键。这将在下一章节中做详细讨论。

如何改变柱效

当样品被注入到气相色谱仪器的进样室汽化后，进入色谱柱，产生一定宽度的谱带，这个谱带经过色谱系统，在这个过程中，有很多因素导致这个谱带展宽。

这其中，对谱带展宽（柱效低）的贡献**的因素就是色谱柱本身。色谱柱长度、固定液液膜厚度、色谱柱内径大小、色谱柱制作工艺质量等所有因素共同决定了色谱柱的柱效。

 除此之外，还有几个其他因素导致色谱峰谱带展宽：

进样体积

死体积（进样室和检测器部分，特别是色谱柱连接处）

载气流速

载气类型

 请拖动动画教材中的“色谱柱长度”来查看不同柱长与柱效及对样品的分离效果示意图。

在下一章“色谱峰谱带展宽”章中专门讨论色谱柱柱效的问题，我们在此不做详细情况论述。

虽然如此，我们还是通过这个动画来初步展示色谱柱长度和柱效的关系。

涡流扩散

峰展宽的**个影响因素就是“涡流扩散”，这是个专用术语，它通常描述填充色谱柱中的流动相的变化。因此**注意，只有当使用填充气相色谱柱时，这个参数才很重要，而毛细管色谱柱中峰展宽的这个现象不会存在。

涡流扩散是指一个样品分子可以采取许多不同的路径通过色谱柱，这些多路径的出现是由于色谱柱装填的不均匀和颗粒大小的不一致产生的。

当样品分子通过色谱柱时，这些多路径效应使得不同的分子通过色谱柱的时间不一致，有的变长，有的变短，这样*终的峰型就变宽了。

实际上，涡流扩散在范第姆特方程中（参数A）经常被称作“填料”项，因为它反映了色谱柱装填的质量。

纵向扩散

当样品注入到色谱柱中后，流动相（载气）中的样品分子会形成一个谱带，这个谱带中间的样品浓度较大，所以样品分子由于压力梯度会向各个方向扩散。在色谱柱管中，受到空间结构的影响，这种扩散一般是沿着轴向进行，所以这种色谱峰的展宽叫做“纵向扩散”。

样品谱带同时也会在进样口和检测器端扩散展宽，但是主要的展宽因素还是在色谱柱中。

 色谱柱的长度决定了样品扩散的程度，样品在色谱柱中停留的时间越长，样品扩散的越严重，导致色谱峰变得越宽。

 纵向扩散同时也会因为气相色谱仪器系统的本身的结构上的多余的死体积的存在而产生，比如：

衬管体积太大；

没有优化的不分流进样方式；

进样口端色谱柱安装位置不正确；

检测器端色谱柱安装位置不正确。

 可以看出，在较低的流速下纵向扩散的影响较大。因此使用较高的流速（同时色谱柱内径也要较小）能够减小该项峰展宽的影响因素。

固定相传质

戈雷方程中的C项涉及到样品在流动相和固定相中的质量传质。

质量传质本质上描述了样品分子在流动相或者固定相中的移动（或者扩散）速率。如果样品分子吸附和解析的较快，则样品分子会比较集中，色谱峰型也会比较尖锐，峰型展宽也小。

 当样品分子谱带在色谱柱中被流动相推动前进时，谱带前面的样品分子分配进入固定相中，而谱带后面的样品分子从固定相中分配进入流动相中，在这个过程中，如果样品分子分配的速度较快，则色谱峰型就会较窄。

 为减小因固定相中的质量传质导致的峰型展宽，毛细管色谱柱内壁固定相的液膜厚度越小越好。样品分子从固定相中扩散进去和出来的速度越快，他们之间的距离也就越近。这好比，一个人跳进跳出游泳池，水浅时比水深时会速度更快。

 固定相的质量传质方面，另一个因素是样品与固定相之间的扩散系数。扩散系数是由样品和固定相性质决定的，所以分析人员对于扩散系数的影响有限。这种现象很容易从实际操作中看到，后面出峰的样品在固定相中的溶解度高，从固定相中转移出来的速度也慢，所以色谱峰会比早出峰的样品峰更宽。

流动相传质

非湍流流动的分析物穿过狭窄的GC柱，造成流动相传质，谱峰变宽。分析物在气相中不规则交叉混合，处在色谱柱中间的分析物分子在边缘处分子的前面移动，形成抛物线型流动剖面，造成谱峰变宽。

 缩小色谱柱内径可减小流动相传质，也就是缩短传质的距离。

 液膜厚度和所使用色谱柱内径的大小决定了戈雷方程中两个C常数的相对重要性。

 Ettre发表了多种分析物在典型的0.3mm色谱柱上的传质阻力计算。点击查看结果。

 薄膜上95%的总质量传递是流动相的传质作用，膜较厚时70%是受固定相传质的影响。

使用不同内径大小的色谱柱可以进行证明，小内径的色谱柱（0.25mm）流动相传质的影响不明显，而内径较大点的色谱柱（0.53mm）流动相传质阻力差不多有三倍高，大约占了整个传质阻力项的50%。

固定相膜厚度的影响

让我回过头来再看范第姆特方程和戈雷方程——这次选用真实的例子来略举减小色谱峰展宽的方法。这部分内容中提到的四个参数在气相色谱柱效优化上发挥着基础性的作用，分别是：

固定相膜厚度

色谱柱内径

载气流速

柱长

在开始考察固定相膜厚度的影响之前，你可以通过移动滑动条对特定柱长和固定相的色谱柱膜厚度进行改变。戈雷方程清楚显示了膜厚度对塔板高度和塔板数有很大的影响。需要重点指出的是膜厚度有一个*小值（曲线的****点，该点对应*小塔板高度）。

因此，在优化分离质量和*短时间内使谱峰间达到**分离度，这些方法的开发上膜厚度是重点考虑问题之一。

载气流速的影响

 **一个影响气相色谱分离效率优化的因素是载气流速。我们故意没有将柱长作为柱效优化的主要影响因素进行讨论，原因是增加色谱柱长度应该是**的手段。

请拖动动画示意图中载气流速的滑动条来考察流速对色谱柱效的及色谱分离度的潜在影响。（经证实，分离度提高1.4倍柱效翻倍）。

再次注意载气流速对柱效有重要的影响——任意边的流速急剧下降，*优(*小)塔板高度(HETP)与柱效明显。

这就揭示了气相色谱分析中优化载气流速的重要性。

载气流速越大，纵向展宽的效应就越小。

对于一项分离任务很容易选择适宜的流速拥有**的柱效，然而出于实际应用的关系，流速的选择将在以后章节中学习。

通常情况下为了能缩短检测时间，只要能保证分离度较小时峰型的完整，选择较高的线速度对柱效的影响都是有利的。

载气类型不同**流速(通常叫**气速)也不同，因为载气粘度影响分析物的扩散程度。