氣相色譜技術及其發展

肖澤文 王燕杰 胡小剛

(華南師范大學化學與環境學院 廣東廣州 510006)

在色譜分析方法中，以氣體為流動相的柱色譜法稱為氣相色譜法(gas chromatography,GC)。氣相色譜法已有50多年的發展歷史，現在已成為一種成熟且應用廣泛的分離復雜混合物的分析技術，在石化分析、藥物分析、食品分析、環境分析、高聚物分析等領域均得到廣泛應用，是工業、農業、國防、建設、科學研究中的重要工具。

氣相色譜法的出現和發展在分析化學乃至整個化學史上都有著里程碑式的意義，了解其發展歷史有助于更好地認識和運用氣相色譜法。雖然國內部分色譜相關書籍或學術論文或多或少地涉及到氣相色譜法的歷史，但往往比較零散。本文簡要地介紹了氣相色譜法的起源、氣相色譜法的發展以及氣相色譜的一些新技術，旨在令讀者對氣相色譜法及其發展情況有較為全面和系統的認識。

1 氣相色譜法的起源

色譜的發現最早可追溯至古羅馬時代，那時人們就已經發現將一滴包含混合色素的溶液滴在一塊布或一片紙上,隨著溶液的展開可以觀察到一個個同心圓環的出現。近代首先認識到這種分離現象和分離方法大有可為的是俄國的植物學家Tswett。Tswett于1903年在波蘭華沙大學研究植物葉子的組成時，將葉綠素的石油醚抽提液倒入裝有碳酸鈣吸附劑的玻璃管上端，然后用石油醚進行淋洗，結果不同色素按吸附順序在管內形成一條不同顏色的環帶，就像光譜一樣。1906年,Tswett在德國植物學雜志上發表的一篇論文中首次把這些彩色環帶命名為“色譜圖”，玻璃管稱為“色譜柱”，碳酸鈣稱為“固定相”，石油醚稱為“流動相”。Tswett開創的方法叫做“液-固色譜法”[1-2]，這就是色譜法的起源。

1941年，英國科學家Martin和Synge在研究液-液分配色譜時，預言可以使用氣體作流動相，即氣-液色譜法。他們在1941年發表的論文中寫到“流動相不一定是液體，也可以是蒸氣……以永久性氣體帶動揮發性混合物，在色譜柱中通過裝有浸透不揮發性溶劑的固體時,可以得到很好的分離”[3]。1950年，Martin和James使用硅藻土助濾劑做載體，硅油為固定相，用氣體流動相對脂肪酸進行精細分離，這就是氣-液分配色譜的起源。后來，他們在1952年的BiochemicalJournal上又連續發表了3篇論文，敘述了用氣相色譜分離低碳數脂肪酸、揮發性胺和吡啶類同系物的方法[4-6]，這標志著氣相色譜法正式進入歷史舞臺。當時在石油化工的分析中，正當傳統的分析方法無能為力時，氣相色譜法就像及時雨一樣，成為化學分析的得力助手。從此，科學家對氣相色譜法的研究逐步展開。

2 氣相色譜法的發展

在歷史上，氣相色譜法的發展總是和氣相色譜儀器的發展密不可分。每一種氣相色譜新技術的出現，往往都伴隨著氣相色譜儀器的改進。因此，了解氣相色譜法的發展歷史可以從氣相色譜儀的發展入手。

歷史上最早的氣相色譜儀是1947年由捷克色譜學家Jaroslav Jank發明的。該儀器以CO2為流動相、杜馬測氮管為檢測器測定分離開的氣體體積。在樣品和CO2進入測氮管之前，通過KOH溶液吸收掉CO2，按時間記錄氣體體積的增量(圖1)[2]。這臺儀器雖然簡陋，但對當時的氣相色譜研究起到了巨大的推動作用。Jaroslav Jank發明的氣相色譜儀也有一些明顯的不足：它只能測室溫下為氣體的樣品，樣品中的CO2不能被測定，而且沒有實現自動化。20世紀50年代末，它逐漸被更先進的氣相色譜儀所取代。1955年，第一臺商品化氣相色譜儀誕生，標志著氣相色譜儀的發展進入了嶄新的時代。

圖1 Jaroslav Jank發明的氣相色譜儀裝置示意圖1 鹽酸溶液;2 產生CO2的大理石;3 Na2CO3洗氣瓶;4 濃硫酸;5 汞平衡器;6 壓力計;7 CaCl2干燥器;8 三通閥;9 校正樣品體積管;10 汞壓力計;11 恒溫槽;12 色譜柱;13 測量氣體管

現代氣相色譜儀主要由5個系統組成，即氣路系統、進樣系統、分離系統、溫度控制系統與檢測記錄系統。氣路系統與溫控系統自氣相色譜誕生以來很少有突破性的進展。氣路系統主要朝自動化方向發展，20世紀90年代出現了采用電子壓力傳感器和電子流量控制器，通過計算機實現壓力和流量自動控制的電子程序壓力流量控制系統，這是氣路系統的一大進步[7]。溫控系統則基本朝著精細、快速、自動化方向發展。相比之下,進樣系統、分離系統與檢測記錄系統是氣相色譜儀的核心組成系統，它們的每一次變革和進步都推動著氣相色譜的快速發展。

氣相色譜儀進樣系統一般由樣品引入裝置及氣化室(又稱進樣口)組成。樣品引入裝置最初采用手動注射器，后期發展出自動進樣器，進樣工作效率得到顯著提高。此外，氣體或液體樣品還可以采用手動或自動進樣閥進樣。進樣口是進樣系統中最重要的部分，氣相色譜儀進樣系統的發展基本上就是進樣口的發展。氣相色譜采用填充柱時，樣品注入進樣口氣化后全部被載氣帶入色譜柱。這種進樣方法后來也用于大口徑毛細管柱直接進樣。氣相色譜進入毛細管柱時代后，最初采用分流進樣法，樣品在進樣口中氣化后，一小部分進入色譜柱，而大部分通過分流放空，此方法適用于大多數揮發性樣品，操作簡單，因此得到了廣泛應用。20世紀60年代末，出現了不分流進樣法，注入色譜儀的樣品氣化后全部進入色譜柱，適用于稀溶液中痕量組分的分析測定。Vogt發明了一種混合型進樣系統，既可實現分流、不分流的單獨操作，又可以混合操作。1977年，Grob發明了冷柱頭進樣方法，將樣品以液態形式直接注入處于室溫或更低溫度下的色譜柱頭，然后逐漸升高溫度，樣品組分按照沸點順序依次氣化后進入色譜柱實現分離。冷柱頭進樣最初為手動操作方式，近年來已實現與自動進樣器聯用，操作復雜程度得以降低。冷柱頭進樣法之后，又陸續出現了頂空進樣技術、裂解進樣技術以及程序升溫氣化進樣技術。頂空進樣技術取復雜樣品上方的氣體部分進樣，裂解進樣技術在進樣過程中將高分子化合物和有機物裂解為適合色譜分析的小分子化合物再進行分析。例如用裂解氣相色譜對溶劑型丙烯酸樹脂進行裂解測定，可以快速而準確地獲得其溶劑和合成樹脂的組成[8]。現在，頂空氣相色譜和裂解氣相色譜已經成為氣相色譜法中的獨立分支。程序升溫氣化進樣技術是目前較理想的一種進樣方法，它結合分流/不分流進樣、冷柱頭進樣等多種進樣方法的長處，將樣品注射入低溫進樣口中，按設定程序升高進樣口溫度實現進樣。近年來，為提高分析靈敏度，色譜工作者還發展了大體積進樣技術，通過大體積進樣口來提高進樣量，從而提高分析靈敏度[7,9]。

分離系統是氣相色譜儀的核心，主要由色譜柱組成，發展非常快速。在氣相色譜問世之初，色譜柱均為填充柱，由柱管及填裝于柱管內的固定相組成。填充柱制備簡單、種類多、應用廣泛，但由于樣品負荷量大、柱滲透性較小、傳質阻力較大、柱子不能過長等原因導致分離效率難以提高。1957年，Golay創立了毛細管色譜柱理論，并制備了第一根毛細管色譜柱，開創了毛細管氣相色譜時代。毛細管柱自發明以來發展迅速，相繼出現了不銹鋼毛細管柱和玻璃毛細管柱。1979年，Dandeneau與Zerenner發明了彈性石英毛細管柱，它的優點是柔韌性好，不易斷裂，且惰性內表面易于硅烷化后涂漬固定液，柱效很高。這是氣相色譜領域的革命，從此毛細管色譜柱的發展得到質的飛躍[10-11]。在色譜柱柱體更新換代的同時，色譜固定相也在不斷發展。在早期填充柱時代，為解決填充柱柱效低的問題，科學家研究出了上千種固定液。其中最常用的是Hawkes推薦的6種固定液：聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、聚乙二醇(相對分子質量>4000)、聚醚、全氰基聚硅氧烷以及三氟丙基聚硅氧烷。到1963年，吸附劑也作為固定相應用于多孔層開管柱。常用的吸附劑固定相有氧化鋁、硅膠、分子篩、碳分子篩及多孔聚合物等，它們在各自特定的應用領域內有較好的分離效果，到目前為止仍被廣泛應用。20世紀80年代后，由于彈性石英毛細管柱的廣泛應用，各種毛細管柱固定液應運而生。毛細管柱的柱效遠高于填充柱，固定液種類較少，主要為聚硅氧烷類和聚醚類化合物。應用最多的5種固定液為聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、含苯基的聚二甲基硅氧烷、含氰基的聚甲基硅氧烷以及含三氟丙基的聚甲基硅氧烷[12]。20世紀90年代后，固定液發展方向主要集中于選擇性固定液，特別是分離對映異構體以及位置異構體的固定液。分離對映異構體的固定液主要有手性氨基酸衍生物、手性金屬配合物和環糊精衍生物3大類。而分離位置異構體的固定液主要有液晶、環糊精及其衍生物、冠醚和高分子冠醚。此外，由于高溫氣相色譜法的快速發展，對固定液的耐高溫能力提出了更高的要求，高溫色譜固定液也有了一定的發展，最常用的是聚硅氧烷類固定液[7,13]。

檢測記錄系統的核心為檢測器。1952年，James與Martin在提出氣相色譜法的同時，發明了第一臺氣相色譜檢測器，它是一個接在填充柱出口的滴定裝置。1954年，Ray發明了熱導池檢測器，開創了現代氣相色譜檢測器的時代。1958年，Mcwillian和Harley同時發明了氫火焰離子化檢測器，這也是現在應用最為廣泛的檢測器之一。同一年，Lovelock發明了氬電離檢測器，靈敏度提高了2～3個數量級。20世紀60～70年代，由于氣相色譜痕量分析的需求，一些高靈敏度、高選擇性檢測器陸續出現。1960年，Lovelock 發明電子俘獲檢測器；1966年，Brody發明了火焰光度檢測器；1974年，Kolb和Bischoff 提出了電加熱的氮磷檢測器；1976年，美國HNU公司推出窗式光電離檢測器。同時，電子技術的發展也使得原有檢測器在結構和電路上得到重大改進，性能得到相應提高。20世紀80年代，彈性石英毛細管柱的廣泛應用使檢測器的發展呈現出體積小、響應快、靈敏度高、選擇性好的趨勢。計算機和軟件的發展也使傳統檢測器的靈敏度和穩定性得到很大提高。此外還出現了一些新型的檢測器，如化學發光檢測器、傅氏紅外光譜檢測器、質譜檢測器、原子發射光譜檢測器等。進入20世紀90年代后，質譜檢測器成為氣相色譜通用檢測器之一，它將色譜的高分離能力與質譜的結構鑒定能力結合在一起，定性準確，定量精度高，與其他檢測器相比優勢明顯。此外，這一時期快速氣相色譜和全二維氣相色譜等快速分離技術的發展，進一步促使快速檢測方法走向成熟[7]。

3 氣相色譜新技術

氣相色譜發展到現在已經成為一門非常成熟的分析技術，但科學家及相關企業對氣相色譜的研究仍然沒有停止。近年來，氣相色譜出現了一些新的技術，主要有快速氣相色譜、微型氣相色譜、多維氣相色譜等。

快速氣相色譜就是分析速度更快的氣相色譜法。傳統氣相色譜法的分析速度雖然較快，但對于復雜成分的分離如石油的模擬蒸餾等，仍需較長的時間。因此，許多色譜工作者致力于研究快速氣相色譜技術。快速氣相色譜理論最早出現于20世紀60年代，但到20世紀80年代后，快速氣相色譜儀器才出現并被引入實際應用。快速氣相色譜主要通過以下幾種途徑加快分析速度：使分離度最小化；提高色譜系統的選擇性；在保證分離度恒定的條件下縮短分離時間。因此，快速氣相色譜對儀器的要求比普通氣相色譜更高。1998年，Blumberg和Klee用峰寬作為衡量標準，將快速氣相色譜分為3類：FGC(Fast GC，峰寬小于1s)；VFGC(Very-fast GC，峰寬約為100ms)；UFGC(Ultra-fast GC，峰寬小于10ms)。在實際分析中，以FGC應用最為廣泛，VFGC和UFGC只適用于簡單樣品的分離[14]。快速氣相色譜在分離復雜混合物如藥物、環境樣品、石油工業樣品、環境分析樣品等有十分重要的作用[15]。

氣相色譜儀雖然具有強大的分析能力，但由于體積大、功耗高等原因，在野外分析或航空航天等領域的應用受到限制。1979年，Terry等首次提出基于微機電加工手段的氣相色譜。此后，微型氣相色譜儀經過不斷的研究和發展，已經實現了商品化。氣相色譜微型化有兩種思路：一是將常規儀器按比例小型化，做成便攜式氣相色譜儀；二是用高科技制造技術實現元件的微型化[7]，如將檢測器、進樣口和色譜柱微刻在硅片上，做成類似于集成電路的儀器。微型氣相色譜的應用廣泛，如對于大氣中揮發性有機物的監測，以前都是定點采樣后進行實驗室分析，但此法缺乏準確度和效率，而微型氣相色譜儀可以實現即時分析，能很好地解決這個問題。此外，微型氣相色譜儀還能應用于有毒氣體的快速分析，煙氣中乙醛的現場測定，未知廢物的監測等。近年來，隨著技術的改進以及研究人員的增加，微型氣相色譜技術的發展很快，前景很好[16]。

傳統一維氣相色譜使用一根色譜柱，雖然分離能力較強，但對一些成分非常復雜的混合物還是難以實現有效的分離。因此，使用多根色譜柱共同分離混合物的多維氣相色譜技術得到廣泛關注。理論上，多維分離技術可以從二維到六維，但目前實際研究和應用的多為二維分離技術[7]。二維氣相色譜分為兩種，一種是部分二維氣相色譜，也就是我們通常說的二維氣相色譜(GC-GC)，它是將第一根色譜柱上分離后的有關餾分以中心切割法轉至第二根色譜柱上進行再分離。GC-GC只能分離部分組分，不能對全部組分進行準確的定性和定量分析。另一種是全二維氣相色譜(GC×GC)，它是把分離機理不同而又互相獨立的兩支色譜柱以串聯方式結合成二維氣相色譜。第一支色譜柱分離后的每一個餾分，經調制器聚焦和快速加熱后以脈沖方式進入第二支色譜柱中進行進一步的分離。所有組分從第二支色譜柱進入檢測器，信號經數據處理系統處理后，得到以第一支柱上的保留時間為第一橫坐標，第二支柱上的保留時間為第二橫坐標，信號強度為縱坐標的三維色譜圖或二維輪廓圖。這一技術是在20世紀90年代初由Liu和Phillips開發的。GC×GC克服了GC-GC的缺點，具有分辨率高、峰容量大(其峰容量為組成它的兩根柱各自峰容量的乘積，分辨率為兩根柱各自分辨率平方和的平方根)、靈敏度高等特點[17]。近年來，GC×GC已成為多維氣相色譜中的研究熱點，被廣泛地應用于復雜樣品成分的分析。例如，石油樣品是一種非常復雜的混合物，用傳統一維氣相色譜來分析諸如柴油這樣復雜的樣品時，會產生峰容量不足的缺陷，而用GC×GC則樣品能得到很好的分離[17]。此外，環境樣品、香精香料及有機農藥等的分析，都離不開GC×GC[18]。

4 結語

氣相色譜經過了半個多世紀的發展，已經成為世界上應用最廣泛的分析技術之一。展望未來，氣相色譜技術將主要朝著儀器小型化、簡單化、精密化、高效化等方面發展，氣相色譜的靈敏度、選擇性、方便快捷性、自動化程度將會得到顯著提高[19]。此外，氣相色譜儀和其他儀器的聯用技術將會得到更加充分的發展。

參 考 文 獻

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