1 引言

氣相色譜法是利用氣體作流動(dòng)相的色層分離分析方法。汽化的試樣被載氣（流動(dòng)相）帶入色譜柱中，柱中的固定相與試樣中各組份分子作用力不同，因此從色譜柱中流出時(shí)間不同，組份因而彼此分離。根據該原理，采用適當的鑒別和記錄系統，就可以繪制出各組份流出色譜柱的時(shí)間和濃度對應的色譜圖。再根據圖中表明的出峰時(shí)間和順序，可對化合物進(jìn)行定性分析；根據峰的高低和面積大小，可對化合物進(jìn)行定量分析。氣相色譜分析具有效能高、靈敏度高、選擇性強、分析速度快、應用廣泛、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適用于易揮發(fā)有機化合物的定性、定量分析。對非揮發(fā)性的液體和固體物質(zhì)，可通過(guò)高溫裂解，氣化后進(jìn)行分析，且其可與紅光及收光譜法或質(zhì)譜法配合使用。以色譜法做為分離復雜樣品的手段，可以達到較高的準確度，故而也是司法鑒定中檢測有機化合物的重要分析手段之一。

此前，我們已經(jīng)對氣相色譜儀進(jìn)行了一個(gè)較為全面的說(shuō)明，接下來(lái)，筆者將對重點(diǎn)對色譜分析方法及其應用進(jìn)行闡述。

2 基本原理

氣相色譜主要是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來(lái)實(shí)現混合物的分離，其氣相分析流程如圖1所示。

待分析樣品在汽化室汽化后被惰性氣體（即載氣，也叫流動(dòng)相）帶入色譜柱，柱內含有液體或固體固定相，由于樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向于在流動(dòng)相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣是流動(dòng)的，這種平衡實(shí)際上很難建立起來(lái)。正是由于載氣的流動(dòng)，使樣品組分在運動(dòng)中進(jìn)行反復多次的分配或吸附/解吸附，結果是在載氣中濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。當組分流出色譜柱后，立即進(jìn)入檢測器。檢測器能夠將樣品組分轉變?yōu)殡娦盘?，而電信號的大小與被測組分的量或濃度成正比。當將這些信號放大并記錄下來(lái)時(shí)，就是氣相色譜圖了。它包含了色譜的全部原始信息。在沒(méi)有組分流出時(shí)，色譜圖記錄的是檢測器的本底信號，即色譜圖的基線(xiàn)。

3 色譜分析

從常見(jiàn)色譜圖中，我們可以看到，色譜峰是組分在色譜柱運行的結果，它是判斷組分是什么物質(zhì)及其含量的依據，色譜法就是依據色譜峰的移動(dòng)速度和大小來(lái)取得組分的定性和定量分析結果的[2]。

一、定性分析

在給定的條件下，表示組分在色譜柱內移動(dòng)速度的保留時(shí)間是判斷組分是什么物質(zhì)的指標，即某組分在給定條件下的t值必定是某一數值。

為了盡量免除載氣流速、柱長(cháng)、固定液用量等操作條件的改變對使用t值作定性分析指標時(shí)產(chǎn)生的不方便，可進(jìn)一步用組分相對保留值α或組分的保留指數來(lái)進(jìn)行定性分析。

將樣品進(jìn)行色譜分析后，按同樣的實(shí)驗條件用純物質(zhì)作實(shí)驗，或者查閱文獻，把兩者所得的定性指標（α值、t值或I值）相比較如果樣品和純物質(zhì)都有定性指標數值一致的色譜峰，則此樣品中有此物質(zhì)。

由于只能說(shuō)相同物質(zhì)具有相同保留值的色譜峰，而不能說(shuō)相同保留值的色譜峰都是一種物質(zhì)，所以為了更好地對色譜峰進(jìn)行定性分析，還常采用其他手段來(lái)直接定性，例如采用氣相色譜和質(zhì)譜或光譜聯(lián)用，使用選擇性的色譜檢測器，用化學(xué)試劑檢測和利用化學(xué)反應等。

二、定量分析

色譜峰的大小由峰的高度或峰的面積確定?？捎檬止さ姆椒y量峰高，再以峰高h與峰高一半處的峰寬w的乘積表示峰面積A。

A=?w……………（1）

目前，新型的色譜儀都有積分儀或微處理機給出更精確的色譜峰高或面積。

應該注意，組分進(jìn)入檢測器產(chǎn)生的相應的色譜信號大?。ǚ甯呋蚍迕娣e）隨所用檢測器類(lèi)別和載氣的不同而異，有時(shí)甚至受到物質(zhì)濃度和儀器結構的影響。故而，須將所得的不同色譜信號予以校正以避免產(chǎn)生較大的實(shí)驗誤差，即需要用下式校正組分的重量：

w=f′A……………（2）

式中，f^′為該組分的定量校正因子。依上式從色譜峰面積（或峰高）可得到相應組分的重量，進(jìn)一步用下述方法之一，即可計算出組分i在樣品中的含量Wi。

（1）歸一化法：如果試樣中所有組分均能流出色譜柱，并在檢測器上都有響應信號，都能出現色譜峰，可用此法計算各待測組分的含量。此法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便，進(jìn)樣量與載氣流速的影響不大；缺點(diǎn)是樣品中的組分必須在色譜圖中都能給出各自的峰面積，還必須知道各組分的校正因子。

（2）內標法：在試樣中加入一定量的純物質(zhì)作為內標物來(lái)測定組分的含量。內標物應選用試樣中不存在的純物質(zhì)，其色譜峰應位于待測組分色譜峰附近或幾個(gè)待測組分色譜峰的中間，并與待測組分分離，內標物的加入量也應接近試樣中待測組分的含量。 此方法沒(méi)有歸一化法的缺點(diǎn)，不足之處是要求準確稱(chēng)取樣品和內標物的重量，選擇合適的內標物。

（3）外標法：取待測試樣的純物質(zhì)配成一系列不同濃度的標準溶液，分別取一定體積，進(jìn)樣分析。從色譜圖上測出峰面積（或峰高），以峰面積（或峰高）對含量作圖即為標準曲線(xiàn)。然后在相同的色譜操作條件，分析待測試樣，從色譜圖上測出試樣的峰面積（或峰高），由上述標準曲線(xiàn)查出待測組分的含量。 此法適用于工廠(chǎng)控制分析，特別是對各類(lèi)氣體的準確分析；缺點(diǎn)是難以做到進(jìn)樣量固定和操作條件穩定，因而在一定程度上會(huì )有無(wú)法避免的誤差出現。

三、分析方法

分析方法實(shí)際上是在某一特定的氣相色譜分析中使用的一系列條件。建立分析方法實(shí)際上是一個(gè)過(guò)程，即確定對于某一物質(zhì)進(jìn)行分析的最佳條件。

為了滿(mǎn)足某一特定的分析要求，可以改變的條件包括進(jìn)樣口溫度，檢測器溫度，色譜柱溫度及其控溫程序，載氣種類(lèi)及載氣流速，固定相，柱徑，柱長(cháng)，進(jìn)樣口類(lèi)型及進(jìn)樣口流速，樣品量，進(jìn)樣方式等。檢測器還可能有其它可供調節的參數，這取決于所使用的檢測器類(lèi)型。有一些氣相色譜儀還有可以控制樣品與載氣流向的閥門(mén)，這些閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間也可能對分析的效果有重要影響。

（1）載氣選擇與載氣流速

典型的載氣包括氦氣、氮氣、氬氣、氫氣和空氣。通常，選用何種載氣取決于檢測器的類(lèi)型。例如，放電離子化檢測器（DID）需要氦氣作為載氣。不過(guò)，當對氣體樣品進(jìn)行分析的時(shí)候，載氣有時(shí)是根據樣品的母體選擇的，例如，當對氬氣中的混合物進(jìn)行分析時(shí)，最好用氬氣作載氣，因為這樣做可以避免色譜圖中出現氬的峰。

安全性與可獲得性也會(huì )影響載氣的選擇，比如說(shuō)，氫氣可燃，而高純度的氦氣某些地區難以獲得。很多時(shí)候，檢測器不僅僅決定了載氣的種類(lèi)，還決定了載氣的純度（雖然對靈敏度的要求也在很大程度上影響載氣純度的要求）。通常來(lái)說(shuō)，氣相色譜中所用的載氣，純度應該在99.995%以上。載氣流速對分析速度的影響在方式上與溫度類(lèi)似：載氣流速越高，分析速度越快，但是分離度越差。因此，最佳載氣流速的選擇與柱溫的選擇一樣，都需要在分析速度與分離度之間取得平衡。

二十世紀九十年代之前生產(chǎn)的氣相色譜儀的載氣流速往往通過(guò)載氣入口的壓力（柱前壓）進(jìn)行控制，實(shí)際的載氣流速則在柱的出口端通過(guò)電子流量計或皂膜流量計進(jìn)行測定。這樣的一個(gè)過(guò)程常常很復雜，很耗時(shí)間，而且結果往往不盡如意。

在整個(gè)運行過(guò)程中，柱前壓不能再改變，氣流必須穩定。氣體流速與柱前壓的關(guān)系可以通過(guò)可壓縮流體的Poiseuille方程來(lái)計算。 不過(guò)，很多現代的氣相色譜儀已經(jīng)能用電路自動(dòng)測定氣體流速，并通過(guò)自動(dòng)控制柱前壓來(lái)控制流速。因此，載氣壓強與流速可以在運行過(guò)程中調整。

（2）進(jìn)樣口類(lèi)型與流速

進(jìn)樣口類(lèi)型和進(jìn)樣技術(shù)通常與樣品存在的形態(tài)（液態(tài)、氣態(tài)、被吸附、固態(tài)）以及是否存在需要氣化的溶劑有關(guān)。如果樣品分散良好，并且性質(zhì)已知，那么它就可以通過(guò)冷柱頭進(jìn)樣口直接進(jìn)樣；如果需要蒸發(fā)除去部分溶劑，就使用分流/不分流進(jìn)樣口（通常用注射器進(jìn)樣）；氣體樣品（如來(lái)自氣缸）通常用氣體閥進(jìn)樣器進(jìn)樣。被吸附的樣品（如在吸附管上）可以通過(guò)外部的（在線(xiàn)或離線(xiàn)）解吸裝置（如捕集-吹掃系統）或者在分流/不分流進(jìn)樣器中解吸（使用固相微萃取技術(shù)）。

（3）樣品量與進(jìn)樣技術(shù)

進(jìn)樣技術(shù)在氣相色譜分析中不可忽視，真正的氣相色譜分析過(guò)程從樣品進(jìn)入色譜柱開(kāi)始。毛細管氣相色譜法的發(fā)展使得進(jìn)樣技術(shù)面臨著(zhù)很多實(shí)踐中的問(wèn)題。柱上進(jìn)樣技術(shù)多用于填充柱而不適用于毛細管柱。在毛細管氣相色譜儀中的進(jìn)樣技術(shù)應該滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：進(jìn)樣量不得超過(guò)柱的容量；與展開(kāi)過(guò)程引起的樣品展寬相比，進(jìn)樣后的塞式流寬度應該很小。如果不能滿(mǎn)足這一要求，色譜柱的分離能力將會(huì )下降。

一個(gè)普遍的規則是，注入的體積，Vinj，和檢測器的體積，Vdet，應該只有樣品中包含被分析物的部分出柱時(shí)的體積的十分之一。以下是一些優(yōu)秀進(jìn)樣技術(shù)應當滿(mǎn)足的一般要求：應該能使色譜柱達到它的最佳分離效率；對于小量的有代表性的（典型）樣品，進(jìn)樣應具有準確性和可重現性；不能改變樣品組成（對于具有不同的沸點(diǎn)、極性、濃度與熱力學(xué)穩定性的物質(zhì)，進(jìn)樣過(guò)程中不應有所差異）；應該既適用于痕量分析，也適用于濃度相對較大的樣品。

（4）柱溫的選擇與控制

柱溫與溫度控制程序的設定也是特定分析中需要重點(diǎn)考慮的對象之一，氣相色譜儀中的色譜柱通常放置于溫度由電子電路精確控制的恒溫箱內。（當分析者說(shuō)“柱溫"時(shí)，實(shí)際上指的是恒溫箱的溫度。不過(guò)這種區別并不重要，因此在下文中對這兩者并不作區分。）樣品通過(guò)色譜柱的速率與溫度正相關(guān)。柱溫越高，樣品越快通過(guò)色譜柱。但是，樣品越快通過(guò)色譜柱，它與固定相之間的相互作用就越少，因此分離效果越差。

通常來(lái)說(shuō)，柱溫的選擇是綜合考慮分離時(shí)間與分離度的結果。柱溫在整個(gè)分析過(guò)程中不變的方法稱(chēng)為恒溫方法。不過(guò)，在大部分的分析方法中，柱溫隨著(zhù)分析過(guò)程的進(jìn)行逐漸上升。初溫，升溫速率（溫度“斜率"）與末溫統稱(chēng)為控溫程序?？販爻绦蚴沟幂^早被洗脫的被分析物能夠得到充分的分離，同時(shí)又縮短了較晚被洗脫的被分析物通過(guò)色譜柱的時(shí)間。

4 誤差分析

對于氣相色譜儀的分析過(guò)程來(lái)說(shuō)，其中的每一個(gè)步驟，即從樣品采集、樣品制備、上機進(jìn)樣、色譜分離、檢測，以及峰面積定量等一系列過(guò)程都可能會(huì )產(chǎn)生實(shí)驗誤差，從而影響最終實(shí)驗分析的結果。

因此，導致氣相色譜儀分析過(guò)程中出現誤差的主要因素有以下幾點(diǎn)，需要格外注意。

（1）樣品的采集與制備

檢驗中所取樣品的代表性是得到準確定量分析結果的前提，對于具有揮發(fā)性的液體樣品，采集時(shí)要盡量避免樣品組分的揮發(fā)損失；對于液體或固體樣品，要注意樣品的代表性和均一性。在樣品制備過(guò)程中，要盡量避免或減少待測組分的損失，以及防止樣品污染。

（2）進(jìn)樣系統

進(jìn)樣的重復性會(huì )影響定量結果的準確度和精密度，不僅包括進(jìn)樣量是否準確，還包括樣品在氣化室是否瞬間氣化，在氣化和色譜分離過(guò)程中有無(wú)分解和吸附現象，以及分流時(shí)是否有歧視效應等?？梢愿鶕悠沸再|(zhì)的不同，選擇不同的進(jìn)樣器和進(jìn)樣方式以降低誤差。

（3）色譜柱條件

色譜分析中，色譜柱長(cháng)短、柱溫高低、載氣流速、氣體分流比等都會(huì )影響樣品中化合物各組分的分離程度，只有在組分分離且峰形良好的情況下，色譜峰面積或峰高的測量準確度才會(huì )更好。所以在分析組分復雜的樣品時(shí)，一般選用毛細管色譜柱程序升溫的方法以獲得較好的色譜柱分離效果，進(jìn)而提升實(shí)驗結果的精確度。

（4）檢測器

氣相色譜檢測器的種類(lèi)選擇、靈敏度、線(xiàn)性范圍、穩定性等都將影響定量結果的準確性，而色譜定量基于檢測器響應值與待測組分含量的線(xiàn)性關(guān)系，任何檢測器的響應都有一定的線(xiàn)性范圍，如超出這一范圍，響應值與含量的關(guān)系就將偏離線(xiàn)性。因此，要獲得準確的定量結果，絕不能使進(jìn)入檢測器的待測組分含量超出線(xiàn)性范圍。

（5）峰面積或峰高的測量

色譜定量的基礎是色譜峰面積或峰高，所以色譜峰面積或峰高判斷和測量的準確性將直接影響定量的結果。相對而言，用峰高作定量對分離度的要求低于用峰面積定量。所以，在分離度較低的情況下，宜用峰高定量，保留時(shí)間短、半峰寬窄的峰，其半峰寬測定誤差相對較大，影響峰面積的測量，也宜用峰高定量。分離度較好的化合物，一般采用保留時(shí)間作定性，以峰面積為定量，由于積分區間合理，故而色譜峰面積準確。

綜上所述，只有熟練掌握了氣相色譜的這些注意因素，才能提高氣相色譜的操作要領(lǐng)，實(shí)驗分析數據才能更加精密準確。