皮娜030130151气相色谱分析技术及发展

气相色谱技术的研究进展及其应用摘要：气相色谱技术是现代仪器分析的重要研究领域之一，由于其独特、高效、快速的分离特性，已成为物理、生物、化学分析中不可缺少的重要工具。本文阐述了气相色谱分析原理及系统的组成，系统地介绍了常见的几种便携式气相色谱仪，探讨并分析了气相色谱技术在环境分析、生物药剂学研究分析及食品分析中的相关应用。提出了气相色谱技术的前景与展望，为气相色谱技术的发展提供有利价值。关键词：气相色谱技术；便携式；环境分析；药剂学分析；食品分析ResearchprogressandapplicationofgaschromatographyPINa(CollegeofChemistryandMaterialsEngineering，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China)Abstract：Duetoitsuniqueproperties,highefficienceandfastseparation,gaschromatographytechnologyisoneoftheimportantresearchinmoderninstrumentalanalysis,anditbecomesasignificantandindispensabletoolinphysical,biological,chemicalanalysis.Thispaperexpoundstheprinciplesofgaschromatographyandthecompositionofthesystem.Severalkindsofcommonportablegaschromatographaresystematicallyintroducedinthepaper.Theapplicationinenvironmentalanalysis,biologicalpharmacyresearchandfoodanalysisarealsocarriedonrelatedanalysisanddiscussion.Theprospectsofthetechniqueofgaschromatographyprovidegoodvalueforthedevelopmentofgaschromatographytechnology.Keywords：gaschromatography;principle;technology;composition;application;prospects引言色谱法（chromatography）又称色层法、层析法，是用于分离多组分有机混合物的一种高效分离技术。随着科学技术等的发展，色谱理论逐步建立和发展，色谱分离技术已逐步实现仪器化、自动化、高速化，并从分离手段发展到分析手段，色谱方法的应用范围不断扩大，色谱分离的对象早已不限于有色物质，但“色谱法”这一名称一直被沿用[1]。1气相色谱分析分离原理及其系统1.1气相色谱技术的原理当用液体作为流动相时，称为液相色谱，当用气体作为流动相时，称为气相色谱。气相色谱的分离原理是利用不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样的各组分就在两相中经反复多次地分配，使得原来分配系数只有微小差别的各组分产生很大的分离效果，从而将各组分分离开来。然后再进入检测器对各组分进行鉴定。1.2气相色谱分析分离系统气相色谱柱可分为填充柱和毛细管柱两大类。填充柱是使用最方便、最广泛、最成熟的一种色谱柱。在气相色谱分析中，组分的分离是在色谱柱内完成的，分离效能主要取决于柱中固定相的选择和填充工艺，同时色谱柱的形状、尺寸、接头密封程度，老化处理等对样品的分离检测也有较大影响。因而对载体、固定液、固定相及色谱柱的选择就显得尤为重要。1.2.1载体载体是表面积较大且为多孔结构的固体颗粒。它的作用是支承固定液，使之附着其上，形成一层薄而均匀的液膜。载体一般可分为：硅藻土类和非硅藻土类，其中硅藻土类载体在气相色谱中应用最为广泛。选择载体时要求载体比表面积要大，化学惰性要好，形状规则，机械强度要高，且为多孔结构孔径分布均匀。1.2.2固体固定相在气相色谱分析中，吸附剂是应用历史最久的固定相，其最大特点是耐高温(无流失)和对烃类异构物的分离有很好的选择性。缺点是能用作色谱固定相的吸附剂品种很少，吸附等温线的非线性使有些色谱峰不对称，性能与制备和活化条件有密切关系，因而应用范围不广。相比于吸附剂，聚合物固定相是近年发展较快的一种新型固定相，这些不同极性聚合物能适应各种不同被分离体系的要求，使其应用十分广泛。1.2.3固定液在气液色谱分析中，固定液的选择是物质能否有效分离的一个决定性因素。固定相在操作温度下，应呈液体状态，粘度要低，以便能牢固地附着在载体上，形成均匀和结构稳定的薄膜。对样品组分有足够溶解能力，否则它们将迅速地被载气带走而难以分离。化学稳定性要好，不能和组分、载体和载气发生不可逆的化学反应。气液色谱用的固定液种类繁多，各具有不同的组成，性质和用途。目前普遍采用相对极性来标志固定液的分离特性。1.2.4色谱柱色谱柱用玻璃管、不锈钢管、铜管、尼龙管、铝管等材料制成，最常用的是不锈钢管。色谱柱的形状可以是II形，也可以是螺旋形。色谱柱管柱气路系统连接时，必须保证气密性。常用的连接方式有两种，一种用于不锈钢柱，把柱管口用专门的扩口器扩大成喇叭口形，根据气温配置硅橡胶圈、聚四氟乙烯垫圈和紫铜垫圈，再用专门的螺帽连接。另一种是用于玻璃管柱，用聚四氟乙烯垫圈密封，再用金属螺帽连接。2.常见的几种便携式气相色谱仪目前气相色谱仪的研究中便携式气相色谱仪的研究占有很重要的地位。因为在对一些时间性和空间性较强的样品来说，实时现场的分析是非常必要的。而便携式气相色谱仪就具有这样的优势，色谱仪的主要性能取决于他使用的检测器。目前常见的便携式色谱仪有氢火焰检测器气相色谱仪、光离子化气相色谱仪、氩离子化便携式气相色谱仪、热导检测器气相色谱仪和表面声波检测器气相色谱仪。2.1氢火焰检测器气相色谱仪氢火焰检测器(flameionizationdetector，FID)，它利用氢火焰作为电离源，使被测物质电离产生微电流，对待测物进行检测。其优点是对所有有机物都有相应，且线性范围宽，结构简单，操作简便。但是它对无机物、气体流速、压力和温度变化等不敏感。2.2光离子化气相色谱仪使用光离子化器(photoionizationdetector，PID)作为检测器，这种检测器常使用氟化物晶体作为窗口材料，将紫外光源与离子化池分开，使紫外灯在真空状态下放电，电离室在一个大气压下工作，放电产生的紫外线完全进入电离室。这种色谱仪对芳香族化合物和含卤素有机化合物的检测线性范围可达7个数量级。2.3氩离子化便携式气相色谱仪使用氩离子化检测器(argonionizationdetector，AID)。这种色谱仪比光离子化气相色谱仪的检测范围宽。但是氩气离子化便携式气相色谱仪中的检测器使用氚作为放射源，氚是一种放射性物质，所以无论是生产，销售和使用过程中都必须遵守我国的相关法律和法规，配备充分的安全防护措施和设备。2.4表面声波检测器气相色谱仪使用表面声波传感器(surfaceacousticwave，SAF)作为检测器。电极上输出一个射频电压后，压电晶体的晶格产生机械形变，形成表面声波，压电声波的产生和传导受到压电晶体表面物质的影响，当待测物被加人到其中一个电极表面的镀膜上后，其表面波就会与另外一个参比电极表面的表面波形成差值，这个差值就可以用来对待测物进行定性和定量分析。目前对表面波传播速度的检测精度可以达到10-7。另外这种色谱仪使用惰性气体作为载气，惰性气体不会选择性镀层发生化学反应，所以不会产生干扰，保证了该传感器的低背景、低漂移和低噪声，从而具有低检测限和高灵敏度。2.5热导检测器气相色谱仪它使用热导检测器(thermalconductivitydetector，TCD)。这种检测器利用待测组分和载气的热导系数不同而产生不同的响应信号。这种检测器技术成熟，它对所测的物质有很好的响应。但是这种传感器的检测灵敏度低。3气相色谱前处理技术气相色谱法对分析样品的要求较高，大多数样品必须经过前处理后才能进行分析。样品前处理的方法很多，本质上可分为两大类：一类是对检测器响应弱(或无信号)的样品，通过衍生技术改变其物理和化学性质，使之成为可被检测的化合物即衍生化技术。另一类是通过对复杂基体样品中低含量组分进行分离、纯化和富集以获得同样效果。这主要包括液液萃取(LLE)、液相微萃取(LPME)、固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、超临界流体萃取(SPE)和微波辅助萃取(MAE)等[2]。3.1吹扫捕集法吹扫捕集法是利用待测物质的挥发性，直接抽取样品顶空气体进行色谱分析，利用载气尽量吹出样品中得待测物后，用冷冻捕集和吸附捕集的方法收集被测物。吹扫捕集技术具有快速、准确、高灵敏度、高富集效率等优点，在食品、饮料、蔬菜、药物等样品前处理中展示了广阔的应用前景[3,4]。3.2固相萃取和固相微萃取固相萃取技术(SPE)是20世纪70年代发展起来的一种样品富集技术，其原理是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品基体和干扰化合物分离，然后再利用洗脱液洗脱或加热解吸，达到分离和富集目标化合物的目的[5]。该项技术具有回收率和富集倍数高，有机溶剂消耗量低、操作简便快速、费用低等优点，易于实践自动化并可与其它仪器联用。在很多情况下，固相萃取作为制备液体样品优先考虑的方法取代了传统的液液萃取法，如美国环保署将其用于水中农药含量的测定[6]。固相微萃取集采样、萃取、富集和进样于一体，具有耗时少、效率高、操作简单等优点，是一种无溶剂或少溶剂的样品前处理技术。它可以以纤维针式SPME、管内SPME、固态搅拌棒萃取等多种形式处理复杂基体中的目标物，在食品、环境、天然产物等领域的挥发性有机物分析中应用广泛[7,8]。SPME包括吸附和解吸两个过程，即样品中待测物在石英纤维上的涂层与样品问扩散、吸附、浓缩的过程和浓缩的待测物解吸附进入分析仪器完成分析的过程。解吸过程随SPME后续分离手段不同而不同，对于气相色谱，萃取纤维直接插入进样口进行热解吸。他具有操作时间短，样品量少、无需萃取剂、易实现自动化，适合于分析挥发性和非挥发性物质、重现性好等优点，是近年发展很快的一种样品前处理技术[9]。3.3固相基质分散萃取技术固相基质分散萃取技术(MSPDE)的原理是将涂渍有C18等各种聚合物担体的固相萃取物与试样直接研磨、混匀制成半固体状的混和物并将其作为填料装柱，然后用不同的溶剂淋洗，将各种待测物洗脱下来。MSPDE通过与样品的直接混合取代了传统样品前处理中所需的样品匀化、组织细胞裂解、提取、净化等过程，避免了样品在均化、转溶、乳化、浓缩、分离等过程中造成的农药损失[10]。3.4液液萃取和液相微萃取液体样品最常用的萃取技术之一是液液萃取(LLE)，利用样品中不同组分分配在两种不混溶的溶剂中溶解度或分配系数不同来达到分离、提取或纯化的目的。虽然该方法存在消耗试剂多、操作麻烦等缺点，但它有许多可选择的萃取剂，且灵活性强，可避免交叉污染，概念和方法容易掌握，具有可预测性，因此在环境、食品、法医、医药、工艺流程等许多领域仍有广泛的应用[11]。液相微萃取是一个基于分析物在样品及小体积的有机溶剂(或受体)之问平衡分配的过程。液相微萃取(LPME)是在液液萃取(LLE)的基础上发展起来的，与液液萃取相比，LPME可以提供与之相媲美的灵敏度，甚至更佳的富集效果，同时，该技术集采样、萃取和浓缩于一体，灵敏度高，操作简单，而且还具有快捷，廉价等特点。另外，它所需要的有机溶剂也是非常少的(几至几十微升)，是一项环境友好的样品前处理新技术，特别适合于环境样品中痕量、超痕量污染物的测定，而且液相微萃取的分析物用气相色谱进行分析时克服了解吸速度慢、涂层降解的缺点。3.5超临界流体微萃取超临界流体萃取技术