气相色谱仪的工作原理

气相色谱仪器是许多研究和工业实验室常用的分析技术。它在分析方式上有各种各样的方式，所有形式的色谱都涉及一个固定相和一个流动相。用于质量控制以及混合物中化合物的鉴定和定量。
气液色谱的流程
进样

使用小注射器将极少量您要分析的样品注入机器。注射器针头穿过一个厚橡胶盘（称为隔膜），当注射器被拔出时，它会再次重新密封。注射器包含在温度可以控制的烘箱中。它足够热，以至于所有样品都沸腾并被氦气（或其他载气）以气体形式携带到色谱柱中。

色谱柱的工作原理
包装材料
气液色谱中有两种主要类型的色谱柱。其中之一是装有固定相的细长管；另一个更薄，固定相键合在其内表面。
色谱柱通常由不锈钢制成，长度在 1 到 4 米之间，内径最大为 4 毫米。它被卷起，以便放入恒温控制的烤箱中。
柱子里装满了细磨的硅藻土，这是一种非常多孔的岩石。这是涂有高沸点液体 - 通常是蜡状聚合物。
柱温
柱温可在约 50°C 至 250°C 之间变化。它比进样炉温度低，因此混合物的某些成分可能会在色谱柱的开始处冷凝。
在某些情况下，正如您将在下面看到的，色谱柱从低温开始，然后随着分析的进行，在计算机控制下逐渐变热。
色谱柱的分离工作原理
注入色谱柱的混合物中的特定分子可能会发生以下三种情况之一：
它可能会凝结在固定相上。
它可能溶解在固定相表面的液体中。
它可以保持在气相中。
这些东西都不一定是永久性的。
沸点高于柱温的化合物显然会在柱的起始处冷凝。然而，即使温度远低于 100°C，其中一些会再次蒸发，就像水在温暖的日子蒸发一样。很有可能它会沿着柱子再次冷凝。
类似地，一些分子可能会溶解在液体固定相中。有些化合物比其他化合物更易溶于液体。更易溶解的将花费更多的时间被吸收到固定相中；溶解度较低的将在气体中花费更多的时间。
一种物质在两种不混溶的溶剂中分开的过程，因为它比另一种更易溶解，称为分配。现在，您可能会合理地争辩说，氦气之类的气体不能真正被描述为“溶剂”。但术语分配仍用于气液色谱法。
您可以说一种物质在液体固定相和气体之间进行自我分配。物质中的任何分子都会花费一些时间溶解在液体中，而另一些时间则与气体一起携带。
保留时间
特定化合物通过色谱柱到达检测器所需的时间称为保留时间。该时间是从样品注入时间到显示屏显示该化合物最大峰高的时间点。
不同的化合物具有不同的保留时间。对于特定化合物，保留时间会因以下因素而异：
化合物的沸点。在高于柱温的温度下沸腾的化合物几乎所有时间都将在柱开始处冷凝为液体。所以高沸点意味着较长的保留时间。
在液相中的溶解度。化合物在液相中的溶解度越高，它被气体携带的时间就越短。在液相中的高溶解度意味着高保留时间。
柱的温度。较高的温度往往会激发分子进入气相——要么是因为它们更容易蒸发，要么是因为它们的能量太大以至于液体的吸引力不再保持它们。高柱温会缩短柱中所有物质的保留时间。
对于给定的样品和色谱柱，关于化合物的沸点或它们在液相中的溶解度，您无能为力——但您可以控制温度。
色谱柱的温度越低，您的分离效果就越好 - 但可能需要很长时间才能让在色谱柱开始处冷凝的化合物通过！
另一方面，使用高温，所有物质都会更快地通过色谱柱 - 但分离效果较差。如果一切都在很短的时间内通过，色谱图上的峰之间不会有太大的空间。
答案是从色谱柱相对凉爽开始，然后逐渐且非常有规律地升高温度。
开始时，大部分时间处于气相的化合物将快速通过色谱柱并被检测到。稍微提高温度会促使稍微“粘性”的化合物通过。进一步提高温度将迫使非常“粘性”的分子离开固定相并通过色谱柱。
探测器
有几种不同类型的检测器在使用。下面描述的火焰离子化检测器是常用的，并且比替代品更容易描述和解释。
火焰离子化检测器
就反应机理而言，有机化合物的燃烧非常复杂。在此过程中，火焰中会产生少量的离子和电子。可以检测这些的存在。整个检测器封闭在其自己的烘箱中，烘箱温度高于柱温。这会阻止检测器中的任何冷凝。
注意： 为了清楚起见，这被简化了。显然必须有某种点燃火焰的方法。这是通过电加热线圈完成的，但包括它会使图表混乱。
如果柱子中没有任何有机物通过，你就会看到空气中燃烧的氢气火焰。现在假设您正在分析的混合物中的一种化合物开始通过。
当它燃烧时，它会在火焰中产生少量的离子和电子。正离子将被吸引到圆柱形阴极。负离子和电子将被吸引到作为阳极的射流本身。
这与正常电解过程中发生的情况非常相似。
在阴极，正离子将从阴极接收电子并被中和。在阳极，火焰中的任何电子都会转移到正极；负离子会将它们的电子提供给电极并被中和。
这种从一个电极损失电子而在另一个电极获得的电子会导致外部电路中的电子从阳极流向阴极。换句话说，你得到了电流。

电流不会很大，但可以放大。火焰中的有机化合物越多，产生的离子就越多，因此电流就越大。作为一个合理的近似值，尤其是当您谈论类似的化合物时，您测量的电流与火焰中的化合物量成正比。

火焰离子化检测器的缺点
主要缺点是它在检测到柱子时会破坏它。例如，如果您想将产品送到质谱仪进行进一步分析，则不能使用火焰离子化检测器。
解释检测器的输出
输出将记录为一系列峰值 - 每个峰值代表通过检测器的混合物中的一种化合物。只要您小心控制色谱柱上的条件，您就可以使用保留时间来帮助识别存在的化合物——当然，前提是您（或其他人）已经对各种不同的纯样品进行了测量。相同条件下的化合物。
但是您也可以使用峰作为测量存在的化合物的相对数量的一种方式。这仅在您分析相似化合物的混合物时才是准确的 - 例如，相似的碳氢化合物。
峰下面积与通过检测器的每种化合物的量成正比，这些面积可以由连接到显示器的计算机自动计算。它将测量的区域在（非常简化的）图中以绿色显示。
请注意，重要的不是峰高，而是峰下的总面积。在此特定示例中，左侧峰最高且面积最大。不一定总是这样。
可能有很多一种化合物存在，但它可能会在很长一段时间内以相对较少的量从色谱柱中出现。测量面积而不是峰高可以实现这一点。