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學習重點 掌握氣相層析法（GC）的適用對象：分析物須具揮發性且熱安定，能氣化且在分析溫度下不分解。 認識儀器組成：攜帶氣體供應與純化、流量控制、加熱進樣口、置於恆溫箱內的管柱、偵測器及資料處理系統；攜帶氣體須為化學惰性，常用He、N₂。 比較充填管柱與毛細管柱的分離效率、HETP、長度、內徑、固定相量、樣品承載量、流動阻力及管材。 理解程式升溫的用途，以及GC使用的分離機制（分配、吸附），並排除離子交換。 辨別固定相極性、衍生化時機及常見偵測器（FID、ECD、TCD）的特性。 核心觀念 一、氣相層析的原理與適用對象 氣相層析法以氣體為移動相，將氣化的分析物帶入管柱。各成分因揮發性及與固定相作用強弱不同，產生不同滯留時間而分離。分析物原則上須具有揮發性且熱安定；難揮發或受熱易分解的物質，不宜直接以GC分析，必要時可先衍生化。 GC使用的平衡（保留）機制包括： 氣液分配（partition between gas and liquid）：分析物在氣態移動相與塗布的液態固定相間分配，是最主要的機制。 氣相與鍵結固定相間的分配（partition between gas and bonded surface）：現代毛細管柱常將固定相鍵結或交聯於管壁，仍屬GC的分配機制。 氣固吸附（adsorption）：以固體吸附劑為固定相，依吸附作用強弱分離。 離子交換不是GC的分離機制。離子交換需要溶液中的離子與帶電固定相交換，屬於液相層析（離子交換層析）的範疇；氣態分析物不以離子形式存在，因此GC不會用到。 二、儀器組成與攜帶氣體 典型流程為：攜帶氣體供應與純化 → 壓力、流量控制 → 加熱進樣口 → 管柱（置於管柱恆溫箱）→ 偵測器 → 資料處理系統。 攜帶氣體（移動相）：常用氦氣（He）、氮氣（N₂），亦可用氫氣（H₂）。攜帶氣體須化學惰性、純度高，不與分析物或固定相反應，並與偵測器相容。 氣體純化裝置：用於去除水分、氧氣及烴類等污染物。氮氣本身就是常用的攜帶氣體，因此「脫氮氣裝置」不是GC的組件。 進樣口（injection port）：具加熱及恆溫控制裝置，使樣品迅速氣化並進入管柱；溫度須足以氣化樣品，又要避免熱分解。 管柱恆溫箱：精確控制管柱溫度，可採恆溫操作或程式升溫。 偵測器：如FID、TCD、ECD等。 空氣不是常用的移動相（含氧氣，會氧化固定相及分析物，不具惰性）。FID雖需要空氣助燃，但偵測器的助燃氣體不等於管柱的移動相。 三、充填管柱與毛細管柱的比較 充填管柱（packed column）內裝有顆粒填料，填料可為吸附劑，或為塗有液態固定相的擔體；開管式毛細管柱（capillary column）中央為空心通道，固定相位於內壁，因此兩者在效率與負載上差異明顯。 比較項目充填管柱毛細管柱 管內構造裝滿顆粒填料開管式，固定相塗布或鍵結於內壁 分離效率較差較高 HETP（理論板高）較大較小 長度較短（通常數公尺內）較長（可達數十公尺） 內徑較大（較粗）較小（較窄） 固定相量與樣品承載量較大，可容許較大進樣量較小，進樣過多易超載，常需分流進樣 流動阻力填料造成較大阻力開管結構，阻力較小 攜帶氣體流速較大較小 典型管材不銹鋼、玻璃熔融石英（fused silica）為主，早期亦有玻璃 HETP＝L／N（L為管柱長度，N為理論板數）。HETP越小，代表單位長度的理論板數越多、效率越高。毛細管柱HETP小、又可做得很長，因此總理論板數遠高於充填管柱。 充填管柱相對於毛細管柱的主要優點是樣品承載量大，可容許較大的樣品注射量；分離效率、管柱長度都不是它的優勢。管柱可耐受的最高溫度主要取決於固定相種類與規格，不能據此判定充填管柱較耐高溫。 管材方面，教科書的比較是：不銹鋼屬充填管柱的典型材質，毛細管柱則以熔融石英為主。因此「兩者均以不銹鋼為管柱材質」與「毛細管柱材質只有玻璃」都不是正確的比較敘述。兩類管柱內徑差異大，流速也不同，「兩者移動相流速類似」亦錯誤。GC管柱長度以公尺計，「常用層析管長度為10～30 cm」不正確。 四、溫度控制、固定相極性與衍生化 程式升溫（溫度梯度）常用於分析沸點分布較廣的混合物。初期低溫可讓低沸點成分充分分離，之後逐步升溫，使高沸點成分較快流出、波峰不致過寬。因此GC操作時管柱溫度常使用升溫模式；沸點範圍窄的樣品也可用恆溫分析。 聚乙二醇（Carbowax 20M）屬極性固定相，適合極性分析物（如醇類、酸類）的分析；非極性分析物則常用聚二甲基矽氧烷類等非極性固定相，依「相似相溶」原則選擇。 GC衍生化（如矽烷化、酯化、醯化）通常在進樣前完成，目的在提高揮發性、改善熱安定性或降低極性。GC不需要後置（柱後）衍生裝置；柱後衍生多見於液相層析，用以增加偵測靈敏度。 五、常見偵測器的辨識 偵測器原理與特性 火焰離子偵測器（FID）有機物在氫火焰中燃燒產生離子而產生訊號，對含碳有機化合物響應佳；對含鹵素化合物不具特異性 電子捕獲偵測器（ECD）對具電負性、能捕獲電子的物質靈敏，含鹵素化合物為典型應用（如有機氯農藥） 熱傳導偵測器（TCD）利用流出成分與攜帶氣體熱傳導度差異產生訊號，通用型、非破壞性，可用於GC 常考陷阱 「充填管柱的優點為管內無阻力」：錯。填料會阻礙氣流，充填管柱阻力較大；開管式毛細管柱阻力才較小。 「充填管柱的HETP較小，效率較高」：錯。充填管柱HETP較大、效率較差；「充填管柱分離效率比毛細管柱差」才正確。 「毛細管柱樣品承載量較大」「充填管柱承載量較低」：錯。毛細管柱固定相少、負載小；可容許較大注射量是充填管柱的優點。 「充填管柱較長」「充填管柱內徑較窄」：錯。毛細管柱較長、內徑較窄。 「充填管柱分離效率較好」「可容許較高分析溫度」：都不是充填管柱的優點。 「兩者均使用不銹鋼」「毛細管柱只有玻璃」「兩者流速類似」：都是錯誤的比較敘述；不銹鋼對應充填管柱，毛細管柱以熔融石英為主。 「常用移動相為空氣」：錯。移動相須化學惰性，常用He、N₂；空氣是FID的助燃氣。 「FID對含鹵素化合物有特異性」：錯，那是ECD的特性。 「常用層析管長度為10～30 cm」：錯，GC管柱以公尺計。 「GC組件含脫氮氣裝置」：錯，N₂本身就是攜帶氣體。 「GC衍生化需用後置衍生裝置」：錯，GC衍生化在進樣前進行。 「GC會用到離子交換機制」：錯。氣液分配、氣相與鍵結相分配、吸附都會用到，唯獨離子交換不會。 易誤判為錯的正確敘述：溫度梯度用於沸點分布廣的混合物、管柱常用升溫模式、可使用TCD、進樣口內有恆溫裝置、Carbowax 20M適合極性分析物、攜帶氣體需化學惰性、He為攜帶氣體、GC適用於揮發且熱安定的化合物。 記憶口訣 「毛細長窄效率高，板高小、負載少；充填短粗裝得多，填料阻力不能少。」 「氦氮惰性當載氣，空氣只給火焰燒；沸點廣就用升溫，鹵素專找ECD。」 「分配吸附GC用，離子交換不入門；衍生做在進樣前，脫氮後置都是坑。」