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与液相色谱仪不同，气相色谱仪只有少数流动相可用于其分离。 液相色谱（LC）中的流动相在确定溶质的保留特性方面起着积极作用，它与固定相的化学性质有关。 为此，液相色谱仪采用各种溶剂，溶剂混合物和梯度，缓冲液和其他添加剂，以及各种各样的固定相模式和类型，从而使他们能够控制自己的分离程度，这是我们其他人可能梦might以求的。
在气相色谱（GC）中，情况要局限得多。 GC流动相的作用被简化为仅将溶质分子沿色谱柱携带，而不会溶解或吸附在固定相上。所有GC分离的选择性都可以归因于固定相。 GC流动相对“惰性”气体和“载气”气体的描述听起来很枯燥。并且与LC不同，GC载气具有一些非直觉的行为，这些行为一开始可能让人难以理解，例如气体可压缩性对流动和分离的影响。气相流动相的这些副作用已经在无数的出版物和讨论中得到了解决，在本专栏文章中，我将不再赘述。同样，由于空间原因，将不详细讨论将二氧化碳用于超临界流体色谱法（SFC）。
本月的分期付款提出以下问题：各种GC载气的确切来源是什么？明显和错误的答案是“来自气瓶”。相反，请考虑主要载气氦，氮，氢和氩的元素状态或自然状态。其中一些在本质上是很常见的。其他人很少。如何从自然界中提取载气并将其净化至99.9999％以上？
自然发生
表I列出了已经或至少可以用于GC流动相的气体。 表一的第二列列出了它们在海平面自然大气中的平均浓度。 氮气当然是含量最高的气体，占78.1％。 紧随其后的是20.9％的氧气，尽管表中省略了纯氧，因为纯氧是一种非常贫乏且具有化学活性的载气。 但是，在某些有限的情况下，例如某些便携式气相色谱仪和有限的低柱温箱温度下，已将净化空气用于载气。
氩是第二高的大气载气，其次是用于SFC的二氧化碳。表一中的二氧化碳水平是截至2013年10月在夏威夷的莫纳罗亚州报告的每月平均值（1）。二氧化碳以下列出了痕量气体氖，氦，k，氢和氙，它们总计占大气含量的约25 ppm。 and和氙现在仍然昂贵，将继续昂贵，以至于不能作为GC载气认真对待，但如果没有氦气，绝望的气相色谱仪可能会尝试其中一种稀有气体，因为他们可以找到一个气瓶。霓虹灯似乎是合乎逻辑的候选人。如果氦气价格继续上涨，那么价格比氦气高五倍的氖气可能会像氢气一样成为另一种氦气替代品。
除了简单的成本考虑之外，还有一些性能上的原因更喜欢某些载气。例如，氢有时由于其低粘度和高扩散性而被优选。低粘度意味着用氢气获得任何特定流速所需的压力较小，这意味着在较高流量和窄口径色谱柱下性能更好。较高的扩散率可在最佳载气速度区域附近产生更有效的分离。另一方面，氖具有高粘度和低扩散性，这使其吸引力降低。
氦几乎是不可再生的自然资源，它的重量足够轻，以至于它与氢一起在释放到大气中后达到逃逸速度，并简单地泄漏到被太阳风吹走的太空中。并不是说这些元素是稀缺的-有人认为氢占宇宙中已知重质物质的73.9％，其次是氦，占24％。两者都以缓慢的速度在地球大气层中被替换；表I显示了补给和损失之间的平衡。它们在空气中的平均自然浓度。使用氦载气的色谱实验室的背景氦气含量要高得多，不是全部吗？真正令人关注的是实验室中较高的氢气水平，这推动了氢气检测器的安装和更好的实验室通风。
采购，分离和纯化
大多数载气来自自然资源。氢是例外。加压罐中供应的氢气通常是作为其他商业反应和过程的副产品获得的。实验室产生的氢气是通过电解水来产生的，氢气是唯一在实验室中真正产生的载气。实验室制氮机实际上并不产生氮气，它只是从进入的气流中分离并纯化氮气。读者必须知道，氦本身就是一个故事。氦气是一种自然资源，无法以接近其消耗速度的任何速度进行补充，这是不可替代的。氦和氢将在下面的单独部分中讨论。
氮气和氩气也可以从自然资源中获得，用于工业和实验室应用，但是可用量不会造成任何消耗的危险。它们都通过与空气分离而大量生产，然后进一步纯化，直到获得所需的GC级。商业空气分离厂还产生氧气，并可以产生氖气，k气和氙气。目前，通常使用三种类型的空气分离。低温分馏是通往纯氮气和氩气载气的最熟悉的第一步。
低温分级
在进行低温分馏以回收氮气，氩气和氧气时，首先将环境空气过滤并加压。除去冷凝水，然后进一步干燥空气流，并通过活性吸附剂床（例如分子筛）除去烃和二氧化碳。将纯化的空气冷却直至液化，然后从氮气中分馏出氧气和氩气。氖，k和氙也可以通过应用其他分馏步骤进行分离。所得的纯化气流以液态或气态形式存储为工业纯度的散装气体。
通常，最初的低温分馏过程会产生约99.95％的氮气纯度。需要进一步纯化以使气体达到超高纯度或研究级，以用作GC载气或用于其他特种气体。可以使用其他分馏步骤以及变压吸附。
变压吸附
变压吸附（PSA）是一种较小规模的空气分离技术，当低温工厂的规模和成本不切实际或没有必要时，可在工业水平上使用。在一些实验室制氮机中也发现了PSA纯化。 PSA的工作原理是使空气通过初始过滤器，以除去颗粒，碳氢化合物和大部分水。接下来，净化后的空气在高压下通过碳筛床，在其中氧气，残留水和二氧化碳被吸附，而纯净的氮气则流过。随着床层达到饱和状态，进入的空气流将切换到第二个滤床，同时降低第一层的压力以将捕获的氧气和杂质释放到排气流中。可以回收富氧空气，例如用于便携式供氧设备。交替使用两个滤床以提供连续的纯化氮气流。最终的氮气纯度由流速，吸附剂床的大小，多个PSA阶段的使用和过滤控制（4）。 PSA可以产生纯度高达99.9995％的氮气输出，适用于许多GC应用。
膜分离
如果纯度在95％至99.5％范围内的中等纯度的氮气适合应用，则可以选择通过选择性膜渗透进行纯化。过滤后的压缩空气被送入一个或多个中空管膜分离器，纯化的氮气从中分离出来，并在主流中分离出杂质，包括氧气，水和二氧化碳。在氮气分离器中，膜具有渗透性和机械特性，可以选择性地允许杂质通过，同时阻挡氮气。最终的氮气纯度取决于所用膜的数量和类型。通常，仅膜分离器不能产生足够纯的氮气用于GC载气。
氦
近年来，氦气变得昂贵且难以获得。任何必须购买和管理氦气供应的人都亲身经历了这一过程。这种变化的原因包括对诸如磁共振成像（MRI）的超导磁体以及军事应用等应用的需求增加。同时，由于分布困难和即将关闭的国家氦储备减少，美国的可用氦气供应量减少了。但是，今天看来，关机已延迟。其他因素使氦气的前景黯淡，包括缓慢转向不含氦气的页岩气资源，以及缺乏激励天然气生产商将新的氦气分离设备投入生产的动力。随着今年卡塔尔新增大量氦气生产设施的开放以及非洲和中国现有供应的持续需求，全球氦气供应将有所放松。
额外的衰变过程会产生更多的α和其他核粒子，直到衰变链终止于铅为止。 α粒子（He2 +）与电子复合并在撞击附近的矿物时形成氦气。显然，内部不可能产生氦气，尽管有些人打趣说使用自持聚变反应堆是可能的。显然不是迫在眉睫的资源。可以从低温空气分离过程中回收少量的氦，但成本要比从天然气中获得氦高得多。可以通过大气分馏回收的氦气总量不会对全球需求产生太大影响。
据估计，每年自然放射性衰变产生的陆地氦气总量约为3000公吨（5）。这样形成的氦气仍被夹带在不透水的岩石中，但通过裂隙的岩石释放出来，与其他天然气一起收集在气穴中。天然气中产生的氦气浓度范围从百万分之几到高达7％。通过将其他气体（包括氮气，甲烷和二氧化碳）液化，将氦气与天然气分离，然后分馏仍为气态的氦气。像其他工业气体一样，氦被进一步纯化以达到适合于GC的实验室研究纯度。
氢
天然存在的氢分子仅在大气中处于低浓度时被发现-游离氢以与氦相同的方式逸出。幸运的是，与氦不同，氢很容易通过天然气的工业蒸汽重整来合成：
也存在氢气的其他工业反应途径。近年来，由于氢作为运输燃料的流行，氢受到了越来越多的关注。也许有一天，气相色谱仪将能够使用他们的汽车来现场供应载气。
在实验室中，氢是通过电解水产生的：
水到氢的氧化还原可以通过多种方式进行。现代实验室制氢机使用质子交换膜（PEM），该膜通过质子（H +）重组为氢分子，同时不渗透气态氢和氧反应产物。然后，氢气通过一个铂膜，该铂膜会阻塞所有其他分子，并获得六个九个或更高的氢气纯度。氧气被排出。
气相色谱仪在升高的温度下用氢气运行其熔融石英柱，也许不经意间就已经通过柱壁对其载气进行了膜纯化。熔融石英在GC柱箱温度较高的位置（高于约320°C）具有氢可渗透性。不难观察到，随着温度的升高，通过测量平均载气速度，通过色谱柱的净流速变得小于进入色谱柱的质量流速（6）。氢载体的很大一部分通过塔壁损失，特别是对于较小直径的塔。实际平均速度必须通过计时未保留的峰来测量-仅读取电子压力控制（EPC）系统报告的值将不准确，因为EPC无法补偿这种影响。
结论
GC载气在到达气罐和发生器的过程中会经过各种复杂的路径，这些有时在实验室中是理所当然的。一些载气，例如氮气和氩气，是从大气中获取的，而氦气是不可再生的自然资源，主要存在于天然气中。氢气是唯一合成的载气，无论是在实验室气体发生器中按需使用还是作为工业化学过程的副产品均可使用。所有载气必须经过多次纯化才能达到GC所需的水平。
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