什麼是氣相層析GC（Gas Chromatography）？

GC是氣相層析法（Gas Chromatography）的簡稱，與高效能液相層析法（HPLC）同樣是定性和定量分析方法。GC是比HPLC更早普及到全世界的分析方法，開發初期的1950年代多用於石油產業。現在GC在食品、環境、製藥、法醫等眾多領域都廣為使用，漸漸與HPLC一樣，是支撐今日科學家研究的重要技術，確立了科學地位。

GC主要應用於氣體與液體的樣品，擅長迅速對多種成份作出定性與定量分析，也有分析值再現性高的優點。GC可對份量只有1微升（μL）的液體樣品進行分析，可分析微少的樣品量。GC與HPLC一樣，可因應分析者的目的，調整裝置的構成以及參數，以適用於不同樣品，提升分析精準度。由於GC檢測器用的儀器與原理，以及針對不同分析對象的靈敏度以及檢測的化學選擇性，與HPLC並不相同。因此，檢測者需要依據分析目的以及樣品的型態，選擇以GC或是HPLC執行後續分析。

層析法的簡單說明可參考「初學者必看！你需要知道的HPLC基礎知識」。
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GC的原理與特點

GC與HPLC同樣是適用範圍非常廣泛的分析手法，在各種科學領域都有被採用。GC與HPLC的關鍵分別在於測定對象成份（分析物）的「沸點」與「分子量」。氣相層析法GC的原理就是通過把混合物瞬間升溫至揮發氣體狀態，再利用不同特性管柱分離混合氣體，最後選擇適合的偵測器來進行定性和定量分析。GC在原理上而言，必須將分析物溶液氣化。因此，如蛋白質這類分子量大的化合物，或者食鹽這種分子量雖然小但沸點很高且難以氣化的化合物，就不適合以GC檢測。相反，碳數低的碳氫化合物（烴），例如己烷這類分析物的話，由於HPLC檢測無法達到所需的檢測靈敏度，多數會利用GC作檢測。

氣相層析法GC包含以下優點：

  • 可在一次分析中，同時對多種化合物進行定性、定量分析。
  • 分析靈敏度可因應裝置的組成，以及分析條件的設定，單位從％到ppt，動態線性範圍高達1012。
  • 對象分析物屬於低分子（分子量估算在1000以下，沸點500攝氏度以下），且是熱穩定性較高的物質。
  • 利用HPLC難以分離、定量與定性分析的樣品或者氣體樣本。
  • 分析物可否被分離與分析，取決於「樣本注入口的條件」，「GC固定相（層析管柱）的種類」以及「層析管柱升溫條件」。實際樣品測定時通常夾雜分析物以外的雜質。分析者需要因應樣品檢測來進行最適條件調整。在分析檢測過程中，樣品注入口的條件、層析管柱的種類等眾多因素的組成，會顯著影響後續分析的可行性。
  • 利用毛細管層析管柱，可以顯著提高分離能力以及靈敏度。
  • 雖然GC本身分析值再現性高，但透過使用自動進樣器注入樣本，更可以確保更高的再現性，也可提高整體生產性能。
  • 偵測器例如質量分析計的話，可以更精密地測定成分不明的樣本中的化合物種類。

可利用GC分析所測量的成分

如GC原理所述，GC需要把樣品氣化，因此對象分析物基本上都是具揮發性的成分。另外，如果低分子物質具離子性的話，則較適用離子層析法（IC）。
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各科學領域的一般目標化合物的例子如下：

【製藥、醫藥、代謝物組學】       
低分子藥品、原料藥、原料藥中間體、藥品中的殘留溶劑、聚糖、氨基酸、藥物代謝物、生物標誌物、唾液酸、寡醣、脂類、脂肪酸、脂肪酸甲酯（FAME）

【食品、飲料】
糖類、維他命、抗生物質、霉臭（2,4,6-三氯苯甲醚、土臭素）、香料與香氣成分、異臭、農藥殘留、鄰苯二甲酸酯、動物用藥、POPs、霉毒素（真菌毒素）、食品添加劑（如色素，燃料，人工甜味劑，防腐劑等）、香料、脂肪酸、添加物含量、食品包裝

【環境】
高爾夫球場農藥除草劑、POPs、無機離子、無機酸、有機酸、醫藥品以及個人護理製品（PPCP）、有機氟化物（PFCs）、植物代謝物、天然物、高揮發性有機化合物（VVOCs）、揮發性化合物（VOCs）、半揮發性化合物（SVOCs）、殘留有機污染物（POPs）、呋喃、多氯聯苯（PCBs）、二噁英、有機磷/有機磷農藥

【法醫】
藥物、設計藥物、體育禁藥相關（禁止物質、禁止藥物、類固醇等）、代謝物、大麻素、安非他命

【化學、工業、石油化學】
單體、聚合物、添加劑、雜質、溶劑、BTEX、精油、矽、化妝品、化學品、原料、反應中間體、反應生成物、合成物、副產品、塑化劑、墨水、引擎潤滑油、石油、石腦油、天然氣、工業用水、冷卻水、金屬洗凈水、烴、多環芳香烴（PAHs）、生物柴油

 

GC的配置

【1】載流氣體（移動相），使用氦氣，氮氣或氫氣等
【2】注入口，同時為樣品氣化室 / 自動進樣器：以注射器等方法注入樣品
【3】層析管柱烘箱
【4】偵測器 (依照不同分析化合物選擇適合的偵測器，如 FID 與MS)
【5】資訊處理系統軟體：電腦高速處理電子信號，得出層析圖或者質譜圖，可保存作日後分析
【管柱】在樣品氣化室氣化的成份，以合適層析管柱進行分離

GC的通道，從開始分析，可以分為下列五個部分。

1.    載流氣體的流量控制
充當移動相的「載流氣體」控制部分。為了確保分析的再現性，須以一定流量或壓力將樣品輸送到層析管柱（固定相）中進行分離。「載流氣體」的氣體來源通常來自氣瓶。

2.    樣品導入（注入器，注入口）
將樣品（分析物）往層析管柱導入的部分。這裡也是載流氣體的通路的一部分，在前述的控制部以及後述的GC層析管柱之間。

GC為了把分析物分離，因此必須將其轉換成氣態。因此，目前主流的氣相層析法GC裝置設有「樣品氣化室」，將液體樣品以更高精度氣化。氣化室由於要提高氣化效率因此維持高溫，此外在氣化室內與樣品接觸的玻璃製以及金屬製部分，須進行不活化處理防止吸附樣品。

3.    分離（層析管柱）
分離來自樣品導入注入的樣品的部分。GC（氣相層析法）的層析管柱大致可分為「填充柱」以及「毛細管柱」，現在通常以分離效能高，分析速度高的毛細管柱為主流。毛細管柱有很多種類，當中由於擔當固定相的「液相」的種類，膜的厚薄，以及柱長以及內圈直徑等等的分別而有所不同，需要根據分析目的選定。

層析管柱通常放置在層析管柱烘箱內。GC在分析過程中，烘箱的溫度會根據「升溫程序」隨時間變化。層析管柱溫度階段式上升可以使不同沸點的分析物在短時間內同時分離，然後加以分析。

4.    偵測器
檢測從從層析管柱分離出來的分析物。得出的信號會以電子信號的形式，傳到電腦等資料處理部。偵測器有幾種類型，需要根據分析物選定不同的檢測原理以及不同的靈敏度。一般的偵測器可以分為FID、TCD、NPD、FPD，當中又以泛用性高的FID最為普及。此外，可基於分析物的質量分離、定量以及定性的質譜儀（Mass Spectrometry；MS）亦很常用。根據其內部結構可分為單四極桿，三段四極桿，雙聚焦質譜計分析器等分類。

5.    資料處理
利用電腦以及分析軟體，讀取並轉譯檢測器的信號。分析者可從「層析圖」或質譜形式確認GC的分離結果。

GC的定性與定量

氣相層析法GC的原理是透過在層析管柱中測出的峰值滯留時間以及面積，對分析物作定性和定量分析。

定性：「分析物峰值的滯留時間」
定量：「分析物峰值的大小（面積值，積分值）」

此處透過利用分析物的固有性質將其分離。因此，GC的分析條件（樣品導入部分，層析管柱，升溫程序，偵測器，樣品特性等）齊全後，在層析管柱中，特定的分析物一般會在相同時間溶出，並達至峰值。利用這種特性，可以測定未知樣品中的分析物。不過，由於樣品中可能混合與目的分析物有著類似化學特性的化合物，而導致未能在層析管柱上完全分離的結果。此時定性和定量將變得困難。適當地更改GC分析條件，以及選用質譜儀等化學選擇性高的儀器，以得到最好的檢測結果。

GC的測定濃度範圍

GC可測定的濃度範圍取決於偵測器。偵測器因應不同的檢測原理，對分析物的反應的特異性以及動態範圍各異。因此，有必要針對樣品的性質型態，分析物的存在量，以及目標檢測範圍選擇不同的偵測器。另外，為了增大檢測器的反應能力，在樣品注入前，通常會將分析物以化學衍化、濃縮、稀釋、去除雜質等「樣品前期處理」。

GC可測定樣本的特性

GC適用於具揮發性，具熱穩定性的分析物的檢測。如上所述，GC由於需要先將樣品氣化，分子量在1000以下，沸點在500攝氏度以下的化合物可以是個大概的參考標準。此外，由於GC檢測的樣品注入口、層析管柱、偵測器都在高溫下運作，分析物在過程中被分解，與其他化學物質混合的話，定性與定量分析將變得困難。建議在GC分析，不僅要確認分析物的沸點與分子量，還應該確認該物質的熱穩定性。

GC分析的樣本狀態一般分為液體與氣體兩種。若樣本是固體，則需要萃取成分，或者溶解分解等樣本前期處理、將其變成溶液。這裏用建議是甲醇或是丙酮等揮發性強，樣品溶解力高的溶劑。若樣本是氣體，由於需要收集一定量的氣體樣本注入GC分析，在樣本注入時會用上氣密性佳的氣密式注射器(例如氣密式注射針與固定體積的管路)。另外將方才提及的液體或固體樣品放入容器密封並加溫，最後收集釋出的氣體，為較常用的「頂部空間法」。

當需要以GC檢測高極性，難揮發的分析物時，建議先將樣品衍生化。衍生化是指改變分析物的分子結構的化學修飾反應。在GC分析中，多因為希望改善氣化效果為目的，而進行衍生化。古典的衍生化手法處理複雜，效率亦欠佳。對於入門者而言，建議使用Thermo Scientific™ GC試劑，該試劑種類豐富，為不同種類的分析物提供最適合的試劑。此外，每種試劑已詳細記載了操作流程，處理容易。GC分析前的將衍生化過程加入考慮是相當重要的。

GC檢測時間

分析時間一般為數分鐘到一個小時不等。因應分析者的目的，分析所需靈敏度、精準度、化合物種類等因素，可以相差很多。雖然比起HPLC通常需要較長的分析時間，適用Thermo Scientific™ TraceGOLD™ GC層析管柱系列的話，可因應分析對象提供不同的且最適合檢測用的管柱。活用這些層析管柱，進行具效率的分析，可以大幅縮短檢測時間。

總結

GC是一種分析方法，具有分析值準確、檢測靈敏度高、通用型強、高通量等諸多優點，尤其適用於揮發性成分的定量和定性分析。

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