气相色谱技术及其发展

2012-09-25肖泽文王燕杰胡小刚

大学化学 2012年3期

肖泽文王燕杰胡小刚

(华南师范大学化学与环境学院广东广州 510006)

在色谱分析方法中，以气体为流动相的柱色谱法称为气相色谱法(gas chromatography,GC)。气相色谱法已有50多年的发展历史，现在已成为一种成熟且应用广泛的分离复杂混合物的分析技术，在石化分析、药物分析、食品分析、环境分析、高聚物分析等领域均得到广泛应用，是工业、农业、国防、建设、科学研究中的重要工具。

气相色谱法的出现和发展在分析化学乃至整个化学史上都有着里程碑式的意义，了解其发展历史有助于更好地认识和运用气相色谱法。虽然国内部分色谱相关书籍或学术论文或多或少地涉及到气相色谱法的历史，但往往比较零散。本文简要地介绍了气相色谱法的起源、气相色谱法的发展以及气相色谱的一些新技术，旨在令读者对气相色谱法及其发展情况有较为全面和系统的认识。

1 气相色谱法的起源

色谱的发现最早可追溯至古罗马时代，那时人们就已经发现将一滴包含混合色素的溶液滴在一块布或一片纸上,随着溶液的展开可以观察到一个个同心圆环的出现。近代首先认识到这种分离现象和分离方法大有可为的是俄国的植物学家Tswett。Tswett于1903年在波兰华沙大学研究植物叶子的组成时，将叶绿素的石油醚抽提液倒入装有碳酸钙吸附剂的玻璃管上端，然后用石油醚进行淋洗，结果不同色素按吸附顺序在管内形成一条不同颜色的环带，就像光谱一样。1906年,Tswett在德国植物学杂志上发表的一篇论文中首次把这些彩色环带命名为“色谱图”，玻璃管称为“色谱柱”，碳酸钙称为“固定相”，石油醚称为“流动相”。Tswett开创的方法叫做“液-固色谱法”[1-2]，这就是色谱法的起源。

1941年，英国科学家Martin和Synge在研究液-液分配色谱时，预言可以使用气体作流动相，即气-液色谱法。他们在1941年发表的论文中写到“流动相不一定是液体，也可以是蒸气……以永久性气体带动挥发性混合物，在色谱柱中通过装有浸透不挥发性溶剂的固体时,可以得到很好的分离”[3]。1950年，Martin和James使用硅藻土助滤剂做载体，硅油为固定相，用气体流动相对脂肪酸进行精细分离，这就是气-液分配色谱的起源。后来，他们在1952年的BiochemicalJournal上又连续发表了3篇论文，叙述了用气相色谱分离低碳数脂肪酸、挥发性胺和吡啶类同系物的方法[4-6]，这标志着气相色谱法正式进入历史舞台。当时在石油化工的分析中，正当传统的分析方法无能为力时，气相色谱法就像及时雨一样，成为化学分析的得力助手。从此，科学家对气相色谱法的研究逐步展开。

2 气相色谱法的发展

在历史上，气相色谱法的发展总是和气相色谱仪器的发展密不可分。每一种气相色谱新技术的出现，往往都伴随着气相色谱仪器的改进。因此，了解气相色谱法的发展历史可以从气相色谱仪的发展入手。

历史上最早的气相色谱仪是1947年由捷克色谱学家Jaroslav Jank发明的。该仪器以CO2为流动相、杜马测氮管为检测器测定分离开的气体体积。在样品和CO2进入测氮管之前，通过KOH溶液吸收掉CO2，按时间记录气体体积的增量(图1)[2]。这台仪器虽然简陋，但对当时的气相色谱研究起到了巨大的推动作用。Jaroslav Jank发明的气相色谱仪也有一些明显的不足：它只能测室温下为气体的样品，样品中的CO2不能被测定，而且没有实现自动化。20世纪50年代末，它逐渐被更先进的气相色谱仪所取代。1955年，第一台商品化气相色谱仪诞生，标志着气相色谱仪的发展进入了崭新的时代。

图1 Jaroslav Jank发明的气相色谱仪装置示意图1 盐酸溶液;2 产生CO2的大理石;3 Na2CO3洗气瓶;4 浓硫酸;5 汞平衡器;6 压力计;7 CaCl2干燥器;8 三通阀;9 校正样品体积管;10 汞压力计;11 恒温槽;12 色谱柱;13 测量气体管

现代气相色谱仪主要由5个系统组成，即气路系统、进样系统、分离系统、温度控制系统与检测记录系统。气路系统与温控系统自气相色谱诞生以来很少有突破性的进展。气路系统主要朝自动化方向发展，20世纪90年代出现了采用电子压力传感器和电子流量控制器，通过计算机实现压力和流量自动控制的电子程序压力流量控制系统，这是气路系统的一大进步[7]。温控系统则基本朝着精细、快速、自动化方向发展。相比之下,进样系统、分离系统与检测记录系统是气相色谱仪的核心组成系统，它们的每一次变革和进步都推动着气相色谱的快速发展。

气相色谱仪进样系统一般由样品引入装置及气化室(又称进样口)组成。样品引入装置最初采用手动注射器，后期发展出自动进样器，进样工作效率得到显著提高。此外，气体或液体样品还可以采用手动或自动进样阀进样。进样口是进样系统中最重要的部分，气相色谱仪进样系统的发展基本上就是进样口的发展。气相色谱采用填充柱时，样品注入进样口气化后全部被载气带入色谱柱。这种进样方法后来也用于大口径毛细管柱直接进样。气相色谱进入毛细管柱时代后，最初采用分流进样法，样品在进样口中气化后，一小部分进入色谱柱，而大部分通过分流放空，此方法适用于大多数挥发性样品，操作简单，因此得到了广泛应用。20世纪60年代末，出现了不分流进样法，注入色谱仪的样品气化后全部进入色谱柱，适用于稀溶液中痕量组分的分析测定。Vogt发明了一种混合型进样系统，既可实现分流、不分流的单独操作，又可以混合操作。1977年，Grob发明了冷柱头进样方法，将样品以液态形式直接注入处于室温或更低温度下的色谱柱头，然后逐渐升高温度，样品组分按照沸点顺序依次气化后进入色谱柱实现分离。冷柱头进样最初为手动操作方式，近年来已实现与自动进样器联用，操作复杂程度得以降低。冷柱头进样法之后，又陆续出现了顶空进样技术、裂解进样技术以及程序升温气化进样技术。顶空进样技术取复杂样品上方的气体部分进样，裂解进样技术在进样过程中将高分子化合物和有机物裂解为适合色谱分析的小分子化合物再进行分析。例如用裂解气相色谱对溶剂型丙烯酸树脂进行裂解测定，可以快速而准确地获得其溶剂和合成树脂的组成[8]。现在，顶空气相色谱和裂解气相色谱已经成为气相色谱法中的独立分支。程序升温气化进样技术是目前较理想的一种进样方法，它结合分流/不分流进样、冷柱头进样等多种进样方法的长处，将样品注射入低温进样口中，按设定程序升高进样口温度实现进样。近年来，为提高分析灵敏度，色谱工作者还发展了大体积进样技术，通过大体积进样口来提高进样量，从而提高分析灵敏度[7,9]。

分离系统是气相色谱仪的核心，主要由色谱柱组成，发展非常快速。在气相色谱问世之初，色谱柱均为填充柱，由柱管及填装于柱管内的固定相组成。填充柱制备简单、种类多、应用广泛，但由于样品负荷量大、柱渗透性较小、传质阻力较大、柱子不能过长等原因导致分离效率难以提高。1957年，Golay创立了毛细管色谱柱理论，并制备了第一根毛细管色谱柱，开创了毛细管气相色谱时代。毛细管柱自发明以来发展迅速，相继出现了不锈钢毛细管柱和玻璃毛细管柱。1979年，Dandeneau与Zerenner发明了弹性石英毛细管柱，它的优点是柔韧性好，不易断裂，且惰性内表面易于硅烷化后涂渍固定液，柱效很高。这是气相色谱领域的革命，从此毛细管色谱柱的发展得到质的飞跃[10-11]。在色谱柱柱体更新换代的同时，色谱固定相也在不断发展。在早期填充柱时代，为解决填充柱柱效低的问题，科学家研究出了上千种固定液。其中最常用的是Hawkes推荐的6种固定液：聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、聚乙二醇(相对分子质量>4000)、聚醚、全氰基聚硅氧烷以及三氟丙基聚硅氧烷。到1963年，吸附剂也作为固定相应用于多孔层开管柱。常用的吸附剂固定相有氧化铝、硅胶、分子筛、碳分子筛及多孔聚合物等，它们在各自特定的应用领域内有较好的分离效果，到目前为止仍被广泛应用。20世纪80年代后，由于弹性石英毛细管柱的广泛应用，各种毛细管柱固定液应运而生。毛细管柱的柱效远高于填充柱，固定液种类较少，主要为聚硅氧烷类和聚醚类化合物。应用最多的5种固定液为聚二甲基硅氧烷、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世纪90年代后，固定液发展方向主要集中于选择性固定液，特别是分离对映异构体以及位置异构体的固定液。分离对映异构体的固定液主要有手性氨基酸衍生物、手性金属配合物和环糊精衍生物3大类。而分离位置异构体的固定液主要有液晶、环糊精及其衍生物、冠醚和高分子冠醚。此外，由于高温气相色谱法的快速发展，对固定液的耐高温能力提出了更高的要求，高温色谱固定液也有了一定的发展，最常用的是聚硅氧烷类固定液[7,13]。

检测记录系统的核心为检测器。1952年，James与Martin在提出气相色谱法的同时，发明了第一台气相色谱检测器，它是一个接在填充柱出口的滴定装置。1954年，Ray发明了热导池检测器，开创了现代气相色谱检测器的时代。1958年，Mcwillian和Harley同时发明了氢火焰离子化检测器，这也是现在应用最为广泛的检测器之一。同一年，Lovelock发明了氩电离检测器，灵敏度提高了2～3个数量级。20世纪60～70年代，由于气相色谱痕量分析的需求，一些高灵敏度、高选择性检测器陆续出现。1960年，Lovelock 发明电子俘获检测器；1966年，Brody发明了火焰光度检测器；1974年，Kolb和Bischoff 提出了电加热的氮磷检测器；1976年，美国HNU公司推出窗式光电离检测器。同时，电子技术的发展也使得原有检测器在结构和电路上得到重大改进，性能得到相应提高。20世纪80年代，弹性石英毛细管柱的广泛应用使检测器的发展呈现出体积小、响应快、灵敏度高、选择性好的趋势。计算机和软件的发展也使传统检测器的灵敏度和稳定性得到很大提高。此外还出现了一些新型的检测器，如化学发光检测器、傅氏红外光谱检测器、质谱检测器、原子发射光谱检测器等。进入20世纪90年代后，质谱检测器成为气相色谱通用检测器之一，它将色谱的高分离能力与质谱的结构鉴定能力结合在一起，定性准确，定量精度高，与其他检测器相比优势明显。此外，这一时期快速气相色谱和全二维气相色谱等快速分离技术的发展，进一步促使快速检测方法走向成熟[7]。

3 气相色谱新技术

气相色谱发展到现在已经成为一门非常成熟的分析技术，但科学家及相关企业对气相色谱的研究仍然没有停止。近年来，气相色谱出现了一些新的技术，主要有快速气相色谱、微型气相色谱、多维气相色谱等。

快速气相色谱就是分析速度更快的气相色谱法。传统气相色谱法的分析速度虽然较快，但对于复杂成分的分离如石油的模拟蒸馏等，仍需较长的时间。因此，许多色谱工作者致力于研究快速气相色谱技术。快速气相色谱理论最早出现于20世纪60年代，但到20世纪80年代后，快速气相色谱仪器才出现并被引入实际应用。快速气相色谱主要通过以下几种途径加快分析速度：使分离度最小化；提高色谱系统的选择性；在保证分离度恒定的条件下缩短分离时间。因此，快速气相色谱对仪器的要求比普通气相色谱更高。1998年，Blumberg和Klee用峰宽作为衡量标准，将快速气相色谱分为3类：FGC(Fast GC，峰宽小于1s)；VFGC(Very-fast GC，峰宽约为100ms)；UFGC(Ultra-fast GC，峰宽小于10ms)。在实际分析中，以FGC应用最为广泛，VFGC和UFGC只适用于简单样品的分离[14]。快速气相色谱在分离复杂混合物如药物、环境样品、石油工业样品、环境分析样品等有十分重要的作用[15]。

气相色谱仪虽然具有强大的分析能力，但由于体积大、功耗高等原因，在野外分析或航空航天等领域的应用受到限制。1979年，Terry等首次提出基于微机电加工手段的气相色谱。此后，微型气相色谱仪经过不断的研究和发展，已经实现了商品化。气相色谱微型化有两种思路：一是将常规仪器按比例小型化，做成便携式气相色谱仪；二是用高科技制造技术实现元件的微型化[7]，如将检测器、进样口和色谱柱微刻在硅片上，做成类似于集成电路的仪器。微型气相色谱的应用广泛，如对于大气中挥发性有机物的监测，以前都是定点采样后进行实验室分析，但此法缺乏准确度和效率，而微型气相色谱仪可以实现即时分析，能很好地解决这个问题。此外，微型气相色谱仪还能应用于有毒气体的快速分析，烟气中乙醛的现场测定，未知废物的监测等。近年来，随着技术的改进以及研究人员的增加，微型气相色谱技术的发展很快，前景很好[16]。

传统一维气相色谱使用一根色谱柱，虽然分离能力较强，但对一些成分非常复杂的混合物还是难以实现有效的分离。因此，使用多根色谱柱共同分离混合物的多维气相色谱技术得到广泛关注。理论上，多维分离技术可以从二维到六维，但目前实际研究和应用的多为二维分离技术[7]。二维气相色谱分为两种，一种是部分二维气相色谱，也就是我们通常说的二维气相色谱(GC-GC)，它是将第一根色谱柱上分离后的有关馏分以中心切割法转至第二根色谱柱上进行再分离。GC-GC只能分离部分组分，不能对全部组分进行准确的定性和定量分析。另一种是全二维气相色谱(GC×GC)，它是把分离机理不同而又互相独立的两支色谱柱以串联方式结合成二维气相色谱。第一支色谱柱分离后的每一个馏分，经调制器聚焦和快速加热后以脉冲方式进入第二支色谱柱中进行进一步的分离。所有组分从第二支色谱柱进入检测器，信号经数据处理系统处理后，得到以第一支柱上的保留时间为第一横坐标，第二支柱上的保留时间为第二横坐标，信号强度为纵坐标的三维色谱图或二维轮廓图。这一技术是在20世纪90年代初由Liu和Phillips开发的。GC×GC克服了GC-GC的缺点，具有分辨率高、峰容量大(其峰容量为组成它的两根柱各自峰容量的乘积，分辨率为两根柱各自分辨率平方和的平方根)、灵敏度高等特点[17]。近年来，GC×GC已成为多维气相色谱中的研究热点，被广泛地应用于复杂样品成分的分析。例如，石油样品是一种非常复杂的混合物，用传统一维气相色谱来分析诸如柴油这样复杂的样品时，会产生峰容量不足的缺陷，而用GC×GC则样品能得到很好的分离[17]。此外，环境样品、香精香料及有机农药等的分析，都离不开GC×GC[18]。