什么是气相色谱法？
气相色谱（GC）是一种分析技术，用于分离样品混合物的化学成分，然后对其进行检测，以确定其存在或不存在和/或存在量。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，这些组分需要是挥发性的，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：用于从汽车到化学品到药品的许多产品制造中的质量控制；用于从陨石分析到天然产物的研究目的；以及从环境到食品再到法医的**。气相色谱仪经常与质谱仪（GC-MS）联用，以便识别化学成分。
气相色谱法是如何工作的？
顾名思义，GC在分离过程中使用载气，这是流动相的一部分（图1（1））。载气通过GC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部件。
首先使用注射器或从自动进样器（图1（2））中转移样品至气相色谱仪（GC），自动进样器也可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）），该隔膜可在不损失流动相的情况下注入样品混合物。与入口相连的是分析柱（图1（4）），一根长（10-150 m）、窄（内径0.1-0.53 mm）的熔融石英管或金属管，其中包含内壁上涂覆的固定相。分析柱保存在柱烘箱中，在分析过程中加热柱烘箱以洗脱挥发性较小的成分。柱的出口插入检测器（图1（5）），检测器对从柱上洗脱的化学成分作出响应，以产生信号。采集软件在计算机上记录信号，以生成色谱图（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。
在注入GC入口后，如果样品混合物的化学成分尚未处于气相，则首先将其蒸发。对于低浓度样品，整个蒸汽云通过载气以无分流模式转移到分析柱中。对于高浓度样品，只有一部分样品以分离模式转移至分析柱，其余样品通过分离线从系统中冲洗，以防止分析柱过载。
一旦进入分析柱，样品组分通过其与固定相的不同相互作用进行分离。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，以使其与固定相匹配。液体固定相主要分为两类：聚乙二醇（PEG）或聚二甲基硅氧烷（PDMS），后者含有不同比例的二甲基、二苯基或中极性官能团，例如氰基丙基苯基。因此，具有二甲基或低百分比二苯基的非极性柱有利于分离非极性分析物。这些具有π-π相互作用的分子可以在含有苯基的固定相上分离。那些能够氢键的物质，例如酸和醇，zui好用PEG柱分离，除非它们经过衍生化以降低极性。
zui后一步是当分析物分子从柱上洗脱时检测它们。有许多类型的GC检测器，例如：那些对C-H键作出响应的检测器，如火焰离子化检测器（FID）；对硫、氮或磷等特定元素有反应的物质；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）一样。
向气相色谱（GC-MS）中添加质谱法
质谱（MS）是一种分析技术，可与气相色谱联用，代替气相色谱检测器。中性分子从分析柱中洗脱，并在离子源中电离，产生可降解为碎片离子的分子离子。碎片和分子离子随后在质量分析仪中按其质量：电荷（m/z）比分离，并进行检测。来自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。
你如何阅读色谱图，它告诉你什么？
图2:GC或GC-MS的色谱图输出。
从色谱图中可以获得有关GC或GC-MS系统健康状况的许多信息，以及进行定性或定量分析所需的数据。
x轴是保留时间，从样品注入GC（t0）到GC运行结束。每个分析物峰都有一个从峰顶测量的保留时间，例如tR。y轴是检测器中分析物峰的测量响应。当没有分析物从柱中洗脱或低于检测限时，基线显示检测器发出的信号。基线响应是电气噪声（通常较低）和化学噪声的混合，如载气中的杂质、色谱柱固定相排放和系统污染。因此，如果基线高于其应有水平，则表明存在问题或需要维护。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，但这是用于定量的区域，因为它受频带展宽的影响较小。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、更尖锐的峰值提供了更好的灵敏度（信噪比）和更好的分辨率（峰值分离）。显示的峰值为高斯型，但峰值拖尾（峰值右侧较宽）表示系统中存在活动或死体积，而峰值前沿（峰值左侧较宽）表示柱过载。准确的测量受一个峰值上的数据点数量的影响，理想值为15-25。太少会使峰看起来像孩子画的点，影响峰面积、分辨率以及GC-MS的反褶积。过多会降低信噪比，降低灵敏度。对于GC-MS数据，每个数据点都是质谱，是数据的第三维。
气相色谱的多维分析
与其他分离技术相比，气相色谱具有较高的峰容量，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，没有足够的理论板对它们进行色谱分离。示例可能包括柴油分析，或需要在复杂基质（如环境、生物或食品样品）中检测痕量分析物的情况。光谱分辨率，即MS与GC联用，使分析能够在没有完全色谱分辨率的情况下进行，但是共溶峰必须具有不同的光谱才能完全成功。
如果选择一个色谱柱分离大部分色谱峰，然后“切割”几组共吸附峰，并将其转移到含有不同固定相和选择性的第2个色谱柱上，则心脏切割非常有用。只有少数切割可以通过管路传输，因此只能在分离有一些问题的情况下使用。
图3：柴油的GC x GC等高线图，显示分离的不同化学类别。第1个维度列为非极性，第2个维度列为中极性。
对于存在频繁共溶的复杂样品，使用综合二维色谱法（GC x GC）。两个色谱柱串联，含有不同的固定相，因此具有不同的分离机理。“正常”设置是一个一维非极性柱，然后是一个二维更极性柱，如图3所示，用于柴油分析。在两个柱之间使用调制器从第1个柱上截取一个切口，并将一个狭窄的取样带重新注入到第2个柱上。热调节器通过温度捕捉并释放分子来实现这一点，流量调节器收集流出物，压缩并将分子冲洗到第2个色谱柱上。在整个跑步过程中，通常每1到10秒进行一次切割。在引入下一个切割之前，应实现第2列的分离。这种快速分离是通过使用一个短而窄的第2柱来实现的，该第2柱通常为1-2米，内径为0.1毫米，与热调制器一起使用；或短而宽的第2柱，通常为5 m，内径为0.25 mm，用于流量调节器。GC x GC峰非常窄，低至35 ms，因此必须使用快速GC检测器或大于100 Hz的高采集率质谱仪来采集足够的数据点。
气相色谱法的优点和局限性
GC是一种广泛应用于大多数行业的技术。它用于常规分析，通过研究、分析从固体到气体的多种不同基质中的几到数百（或数千）种化合物。这是一种稳健的技术，很容易与包括质谱在内的其他技术相结合。
GC仅 限于分析分子量约为1250 u的氦/氢挥发性化合物。热不稳定化合物可在热GC中降解，因此应使用冷注入技术和低温将其降至zui低。更多的极性分析物可能在GC中卡住或丢失，因此应停用系统并妥善维护或衍生这些分析物。
气相色谱法的常见问题
GC中zui常见的问题是泄漏。流动相是一种气体，在整个系统中流动，因此零件和耗材的正确安装以及定期的泄漏检查非常重要。
活性是更多极性分析物的另一个问题，尤其是痕量分析物。玻璃衬里和色谱柱上的硅醇基团，以及系统中的污垢堆积，都可能导致拖尾峰、不可逆吸附或催化分解。入口是导致大多数问题的区域，因为在这里样品被注入、蒸发并转移到GC柱中。因此，定期维护进口以及使用正确的耗材（例如停用的进口衬套）对于保持仪表无故障非常重要。
