气相分析，操作条件的确定

　　来源：仪器网

　　气相色谱法简介

　　气相色谱法是根据气-固、气-液、气-液-固之间的相平衡，借溶质分配系数的不同而进行分离的方法。建立相平衡的“界面”最好是无穷大，气相色谱法能满足在这个极大的表面上瞬间建立相平衡的条件。

　　由于一般用惰性气体作载气，故可认为溶质和载气分子之间基本上没有相互作用。为减少色谱柱中的纵向扩散，流动相最好用分子量大的载气。另外，还存在一个使理论塔板高度（H）最小的最佳线性流速。但气相色谱法在选择色谱柱时基本上可以忽略这些。研究固定相液体、载体表面、吸附剂以及溶质在液相中或固体表面上的分子间相互作用，才是选择色谱柱的必要事项。

　　哪些样品可以作为分析对象

　　分析样品的物性（如沸点、官能团、反应性、溶解的溶剂系统等）与选择气相色谱的分离条件密切相关。

　　保留体积（Vg）与样品沸点（TB）之间的关系：

　　式中：M1―液相的分子量，γ―溶质的活度系数（同系物溶质的γ基本相同，则保留体积的对数与TB成直线关系），T―色谱柱温。

　　（1）溶质之间沸点相差20℃时：容易用标准色谱柱分离；

　　（2）溶质之间沸点相差10℃时：若选择与溶质有相似极性的固定液，很容易分离；

　　（3）溶质之间沸点相差5℃时：用较长的色谱柱或用结构与溶质很类似的固定液；

　　（4）溶质之间沸点相差0~2℃时：当两者的沸点相近时，若每种溶质的官能团不同，选用与其中一种溶质的极性相近的固定液就容易进行分离。但对具有相同官能团的同系物要选择可以利用结构差异的固定相（如分离o-，m-，p-位取代苯可用FFAP/CarbopakC等气-液-固体系）；

　　（5）溶质沸点在-50℃以下：用强吸附剂作填料，而且柱温要置于低温；

　　（6）溶质沸点在-50~20℃：用吸附剂或以吸附剂为载体，且在担体上涂渍极性固定液的填料；

　　（7）溶质沸点在20~300℃：几乎所有的填料均可使用；

　　（8）溶质沸点在300℃以上：用高沸点固定液或根据情况将样品衍生化后再供分析用，或者用液相色谱法测定。

　　色谱分离条件选择的指标

　　1、柱效能（N）

　　2、选择性（α）

　　3、分离度（R）

　　1、柱效能

　　为了分离某一物质对，当相对保留值不变（固定液、柱温不变），而k值（固定液配比）变化时，k越小越是靠近非保留峰，则完全分离所需的塔板数越多。但扣除非保留峰后（tR-t0）算出的有效板数（neff）却保持不变，则分离情况也可保持不变。

　　2、选择性

　　所谓选择性就是固定液对于两个相邻组份的相对保留值，也就是某一难分离物质对校正保留值之比，以α表示。α代表固定液对难分离物质对的选择性保留作用，其数值越大，越容易分离。

　　3、分离度（R）

　　柱效能只说明色谱柱的效率高低，却反映不出难分离物质对的直接分离效果；而选择性则反映不出效率高低，故需用一综合性指标，即既能反映柱效能又能反映选择性的指标，作为色谱柱的总分离效能指标，这一指标就是分离度，分离度是反映色谱柱对相邻两组分直接分离效果的。而R值越大就意味着相邻两组份分离得越好。

　　初始操作条件的确定

　　1、确定初始操作条件

　　2、色谱柱形式的选择

　　3、分离条件优化

　　4、程序升温

　　1、确定初始操作条件

　　进样量要根据样品浓度、色谱柱容量和检测器灵敏度来确定。样品浓度不超过mg/ml时填充柱的进样量通常为1~5μL，而对于毛细管柱，若分流比为50：1时，进样量一般不超过2μL。如果这样的进样量不能满足检测灵敏度的要求，可考虑加大进样量，但以不超载为限。进样口温度主要由样品的沸点范围决定，还要考虑色谱柱的使用温度。即首先要保证待测样品全部气化，其次要保证气化的样品组分能够全部流出色谱柱，而不会在柱中冷凝。原则上讲，进样口温度高一些有利，一般要接近样品中沸点最高的组分的沸点，但要低于易分解组分的分解温度，常用的条件是250~350℃。实际操作中，进样口温度可在一定范围内设定，只要保证样品完全汽化即可，而不必进行很精确的优化。注意，当样品中某些组分会在高温下分解时，就应适当降低汽化温度。必要时可采用冷柱上进样或程序升温汽化（PTV）进样技术。

　　色谱柱温度的确定主要由样品的复杂程度和汽化温度决定。原则是既要保证待测物的完全分离，又要保证所有组分能流出色谱柱，且分析时间越短越好。组成简单的样品最好用恒温分析，这样分析周期会短一些。特别是用填充柱时，恒温分析时色谱图的基线要经程序升温时稳定得多。对于组成复杂的样品，常需要用程序升温分离，因为在恒温条件下，如果柱温较低，则低沸点组分分离得好，而高沸点组分的流出时间会太长，造成峰展宽，甚至滞留在色谱柱中造成柱污染；反之，当柱温太高时，低沸点组分又难以分离。

　　毛细管柱的一个最大优点就是可在较宽的温度范围内操作，这样既保证了待测组分的良好分离，又能实现尽可能短的分析时间。一般来讲，色谱柱的初始温度应接近样品中最轻组分的沸点，而最终温度则取决于最重组分的沸点。升温速率则要依样品的复杂程度而定。建议毛细管柱的尝试温度条件设置为：

　　OV-1（SE-30）或SE-54柱：从50℃到280℃，升温速率10℃/min；

　　OV-17（OV-1701）柱：从60℃到260℃，升温速率8℃/min；

　　PEG-20M柱：从60℃到200℃，升温速率8℃/min。

　　检测器的温度是指检测器加热块温度，检测器温度的设置原则是保证流出色谱柱的组分不会冷凝同时满足检测器灵敏度的要求。大部分检测器的灵敏度受温度影响不大，故检测器温度可参照色谱柱的最高温度设定，而不必精确优化。

　　载气流速的确定相对容易一些，开始可按照比最佳流速（氮气约为20cm/s，氦气约为25cm/s，氢气约为30cm/s）高10%来设定。然后再根据分离情况进行调节。原则是既保证待测物的完全分离，又要保证尽可能短的分析时间。用填充柱时，载气流速一般设为30ml/min。空气，300~400ml/min；氢气30~40ml/min；氮气（尾吹气）30~40ml/min。

　　2，色谱柱形式的选择

　　当欲测组分之间的相互分离系数很小时，即使对各种操作条件加以探讨，为使它们完全分离仍必须采用理论塔板数（N）大的色谱柱。理论塔板数N按一般填充柱≤微填充柱≤填充毛细管柱≤空心毛细管柱的顺序增加。由于N不同，有时色谱图也不相同。

　　3，分离条件优化

　　事实上，当样品和仪器配置确定之后，一个色谱技术人员最经常的工作除了更换色谱柱外，就是改变色谱柱温和载气流速，以期达到最优化的分离。柱温对分离结果的影响要比载气的影响大。简单地说，分离条件的优化目的就是要在最短的分析时间内达到符合要求的分离结果。

　　参数基本可分为三部分，一是导致峰展宽的动力学因素，即与H、N、u有关的参数；二是与热力学有关的参数，即α，三是与流动相和固定相性质有关的参数k。分离条件的优化就是设法调节有关参数，以便在尽可能短的分析时间内获得满意的分离结果。

　　（1）改变N和H

　　这两个参数首先与柱长L有关，L增大时，N就成比例地增加，但分析时间也增加。理想的方法是在不增加柱长的条件下减小H以达到增加N的目的。可采取的措施有采用接近uopt的载气流速，采用小内径的色谱柱，如果是填充柱就采用较小的填料粒度。

　　（2）改变k

　　改变k是提高分离度R的最容易的方法。k在一定范围内增加可有效地提高分离度，但当k大于5时R的变化就很小了，反而使保留时间迅速增加。所以，GC分析中k值最好控制在2~5之间，一般要求不超过10，否则会大大延长分析时间。改变k的最简单的方法是改变柱温，降低柱温可明显地提高k。此外，降低载气流速也是提高k的常用方法。

　　（3）改变α

　　在流动相和固定相一定时，α只与柱温有关。当两个组分的α接近1时，改变H和k都难以在可接受的时间内实现完全分离。此时，应在保持k值为2~10之间的前提下，设法改变α。

　　按由易到难顺序排列的几个改变α的方法有：

　　A，改变柱温；

　　B，改变固定相，即更换色谱柱；

　　C，利用化学作用，如通过衍生化反应改变待测物的结构。

　　4，程序升温

　　程序升温可使待测物在适当的温度下流出，以保证每个组分有合适的k值，同时改善分离度，因此是GC分离复杂混合物的有效方法。