氣相層析

氣相層析 (Gas Chromatography)
國立臺灣師範大學化學系 黃仲楷

簡介

氣相層析 (gas chromatography, GC) 在有機化學中，是一種用於分離、純化易揮發、熱穩定性佳化合物的技術。¹與其他層析法相同，都是藉由動相 (mobile phase) 和靜相 (stationary phase) 互相作用，使混合物所含成分在系統內有不同的流速，而達到分離的目的。

氣相層析，顧名思義就是在氣體中分離待測物，因此其動相為氣體，稱作載體氣體 (carrier gas)，一般有化學惰性、純淨、乾燥等特色，如：氮氣、氦氣。²

氣相層析儀主要的元件有高壓氣體供給系統、進樣器、管柱、偵測器、記錄器，如圖一所示。¹而在氣體的管線、管柱之間還會有分子篩陷阱、氧陷阱存在，以免水或氧氣破壞系統，或是與待測物發生反應。

圖一、氣相色譜儀結構簡圖。（圖片來源：參考資料 1）

分類

由於載體氣體對樣品沒有親和力，即不產生作用力，因此只需要考慮樣品對靜相的作用力。已知不同的層析方法是利用不同的作用力來做分類，靜相不同作用力也不盡相同，故氣相層析還可分類為氣相—液相層析法 (gas-liquid chromatography, GLC) 以及氣相—固相層析法 (gas-solid chromatography, GSC)。

GLC 應用範圍極廣，因此有時可直接簡稱作 GC，液態的靜相附著於惰性的固體表面或毛細管的管壁上。GSC 則使用固態靜相，其分配過程涉及物理吸附，對樣品的吸引力強，使極性大的氣體在靜相中成半永久性吸附或使波峰嚴重拉長，故僅使用於極性較小、低分子量、揮發性高的氣體，例：分離氮氣與氧氣。³

影響解析度的因素

影響氣相層析解析度的因素有很多，在靜相的部分，最關鍵的就是極性，例如常用的 DB5-MS，數字 5 代表有 5% 聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane, PDMS) 的甲基被苯基取代了，此舉可增加靜相極性。對於管長而言，解析度正比於管長的開根號，但管柱愈長，分離愈久，擴散情況就愈嚴重；再者是管柱內徑、膜厚，兩者皆是愈小愈好，如此較不易擴散。²最終是注入的樣品量、速度都要控制好，才能維持一定的解析度。¹

接著介紹能提高解析度，且與液相層析之梯度沖提法 (gradient elution) 齊名的溫度規劃法 (temperature programming)。其可加快分離速率、使訊號的波峰較尖銳，適用於沸點範圍寬的混合物。若樣品在管柱中待的時間太長，就會使擴散情況加劇，訊號因而變寬，而使得解析度逐漸下降；因此若在適當的時機提高溫度，可使高沸點者有足夠的能量脫離靜相，訊號的波峰就能持續保持尖銳的樣貌，才能維持穩定的解析度。²

偵測器

氣相層析的偵測器大致可分為十種，圖二即為以 1 毫升樣品注入時，GC 偵測器大約的偵測極限、動態範圍。其中最靈敏的是電子捕獲偵測器 (electron capture detector, ECD)，主要用來檢測含有鹵素的化合物，利用 ⁶³Ni 產生的 $$\beta$$ 射線來測量樣品對電子的補獲能力。²當然若是與氣相層析儀連接的質譜偵測器靈敏度夠高，也能有很高的靈敏度。

最常見的則是熱導率偵測器 (thermal conductivity detector, TCD) 與火焰離子化偵測器 (flame Ionization detector, FID)。TCD 是以惠士同電橋為基礎原理，當電橋一端導熱力改變，即可產生訊號，因此其偵測範圍最廣，基本上除了載體氣體之外的樣品都能檢測。FID 則主要用於有機化學檢測碳氫化合物上，當化合物經火焰電離後，離子流產生訊號。最後再介紹被微型化而可隨身攜帶的光離子化偵測器 (photoionization detector, PID)，其利用真空紫外線使待測物電離，常用於含有不飽和鍵的化合物。²

圖二、以 1 毫升樣品注入時，GC 偵測器大約的偵測極限、動態範圍。（圖片來源：參考資料 2）

參考文獻

1. Gas chromatography — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_chromatography
2. Robinson, J. W., Frame, E. S., & Frame II, G. M. (2005). Undergraduate instrumental analysis. (6th ed.). New York: Marcel Dekker. pp. 749–791.
3. Skoog, D. A., Holler, F. J., Crouch, S. R. (2007). Principles of Instrumental Analysis (6th ed.). Canada: Thomson Brooks/Cole. pp. 788–810.