NIELSEN'S FOOD ANALYSIS · CHAPTER 14

氣相層析

Gas Chromatography (GC)

食品分析　·　3 小時課程　·　含 6 個互動小遊戲
樣品前處理 · 管柱 · 載氣 · 注射 · 偵測器 · 定性定量

FIDTCDECDMSSPME毛細管柱

先想一想

咖啡的香氣有上百種分子，怎麼一一分開？

食品香氣、脂肪酸、殘留溶劑都是揮發性小分子的混合物。
氣相層析 (GC) 能把它們逐一分離，再用偵測器一個個量出來。

香氣分析脂肪酸組成殘留農藥包裝溶劑攙假檢測

14.1 為什麼用 GC

GC 適合分析什麼

💨

揮發性

樣品要能氣化——常溫或加熱下成為氣體

🔥

熱穩定

在高溫注射口/管柱中不會分解

🍳

食品應用

脂肪酸、膽固醇、風味、溶劑、農藥、PCB

🧪

不合適的

糖、胺基酸、維生素 → 需先衍生化或改用 HPLC

14.1 核心原理

兩種力量共同分離

移動相：載氣 (He/H₂/N₂) 帶著樣品前進
固定相：管柱內壁的液膜，與分析物作用
與固定相作用越強 → 滯留越久、越晚出峰
GC 還額外靠沸點分離 → 解析力極強

關鍵：分配 (partition) 是 GC 的主力。
依「與固定相親和力 + 沸點」差異，讓各成分在不同時間流出 → 得到層析圖。

14.4 層析圖

層析圖長什麼樣子？

示意層析圖：x = 滯留時間 (min)，y = 訊號。峰位 = 定性，峰面積 = 定量。

核心命題

先分離，再偵測

一台 GC = 管柱負責分離、偵測器負責感應。
五大組件：載氣 → 注射口 → 烘箱/管柱 → 偵測器 → 數據。

峰位置 → 定性 (是什麼)
峰面積 → 定量 (有多少)

小遊戲 ①偵測器測什麼0 / 6

把 6 個分析物丟給最合適的偵測器。分到三類。

儀器全覽

GC 五大組件

記錄必備：注射方式、管柱規格、各區溫度、載氣種類與流速、偵測器。

14.2 樣品前處理

為什麼不能直接打進去

注射口高溫會把非揮發物分解 → 產生假峰
目標物常需先分離濃縮到可偵測濃度
研磨/均質可能讓酵素或微生物改變組成
要先滅活、冷凍、乾燥保存樣品

前處理決定成敗。
分離方法選錯或操作不當，後面再好的 GC 也救不回來。

14.2.2 揮發物分離

把香氣從食物裡抓出來

🫧

頂空 Headspace

靜態(直接取上方氣體)/動態(吹掃捕集 Purge&Trap)，低沸點物快速

💧

蒸餾

水蒸氣蒸餾、同步蒸餾萃取 (SDE/Likens–Nickerson)；高溫易生假峰

🧴

溶劑萃取

二氯甲烷/乙醚萃取；不可含脂肪；SAFE 真空低溫去非揮發物

🧵

固相萃取

SPE / SPME 纖維 / SBSE 攪拌子；少溶劑、可自動化

小遊戲 ②前處理與注射即時測驗0 / 4

14.2.3 衍生化

讓「不揮發」變「揮發」

🧬

為何要做

糖、胺基酸太不揮發或熱不穩；酚、酸太極性 → 出峰差

🔧

三大常用

矽烷化(糖/膽固醇)、酯化(脂肪酸→FAME)、肟化(醛酮)

脂肪酸常用 BF₃/甲醇酯化成脂肪酸甲酯 (FAME) 再上 GC；農藥、香氣、PCB 本身夠揮發穩定，不必衍生化。

14.3.2 注射模式

分流 vs 不分流

注射口溫度約比柱溫上限高 20°C(常 250°C)。高濃度用分流(尖峰)；微量用不分流(高靈敏)。另有 PTV、管柱內注射、熱脫附。

14.3.4 管柱

填充柱 vs 毛細管柱

🧱

填充柱 Packed

不鏽鋼/玻璃，2–3 m；矽藻土載體塗液相 1–10%；效率低，幾乎被淘汰

🧵

毛細管柱 Capillary

熔融石英中空管 5–100 m；內徑 0.1–0.53 mm；液膜鍵結交聯，高解析

最通用：5% 苯基-95% 甲基聚矽氧烷(DB-5)，−60~325°C 範圍廣；極性物用 WAX(聚乙二醇)；trans 脂肪酸用氰丙基柱 (SP-2560)。

小遊戲 ③元件功能配對0 / 6

每個 GC 元件負責什麼？把 6 個元件配到三大功能。

14.3.1 載氣

三種載氣怎麼選

🎈

N₂ 氮氣

HETP 最低(最有效率)，但最佳流速很慢 → 分析太久

🟢

He 氦氣

流速 40 cm/s 仍維持好解析；最常用、安全

⚡

H₂ 氫氣

曲線最平坦、分析最快；可燃但實務少出事

載氣須高純度，並加水分/氧氣/碳氫捕集器。權衡速度與安全，He/H₂ 常勝過理論最佳的 N₂。

14.4.2 分離效率

載氣與流速：van Deemter

示意 van Deemter 曲線：HETP 越低分離越好。N₂ 谷底最低但落在低流速；He/H₂ 較平坦適合快速分析。

14.3.5 偵測器

四大常用偵測器

🔥

FID 火焰離子化

燒有機物產生離子；靈敏、線性最廣；食品最常用主力

🌡️

TCD 熱導

測熱導差異；通用(含水/氣體)、非破壞；靈敏度低

⚛️

ECD 電子捕獲

放射源；對含鹵/農藥極靈敏(pg)；線性窄、易飽和

🔬

MS 質譜

碎片離子=指紋；可鑑定未知物，亦作選擇性偵測

偵測器專長

選擇性 vs 靈敏度

🟣

FPD / PFPD

燒後測特定波長光，專測硫 S / 磷 P；風味硫化物、有機磷農藥

🔆

PID 光離子化

UV 光游離，靈敏、非破壞、可調選擇性；風味嗅聞

🟢

NPD 熱離子

改良 FID，專測氮 N / 磷 P；亞硝胺、胺、農藥

小遊戲 ④GC 分析流程排序— / 7

用 ▲▼ 把一次完整的 GC 分析排成正確順序（7 步）。

14.3.5 偵測下限

偵測器靈敏度大不同

資料：Table 14.5 偵測下限 (pg，數值越小越靈敏)。ECD/FPD 屬痕量等級。

14.4.2 分離效率

Van Deemter 三項

HETP = A + B/u + C·u

A 渦流擴散：流路不均(毛細管很小)
B/u 縱向擴散：流速太慢時變大
C·u 質傳阻抗：流速太快來不及平衡
HETP 越小越好；存在最佳流速

毛細管柱每公尺約 3000–4000 塔板，總數可達 10⁵~5×10⁵；解析力遠勝填充柱。

14.4 取捨金字塔

四個性質不可兼得

🎯

解析 Resolution

細內徑、薄膜、長柱、最佳流速 → 分得開

📦

容量 Capacity

大內徑、厚膜 → 載量大但解析差

⚡

速度 Speed

薄膜、高流速、短柱 → 快但犧牲解析

🔍

靈敏度 Sensitivity

偵測器與注射方式決定

優化其一必犧牲其他——依分析需求折衷選柱與條件。

小遊戲 ⑤決策挑戰：選偵測器/管柱0 / 5

14.3.5 偵測器比較

一張表選偵測器（點欄位排序）

偵測器 ⇅	專測對象 ⇅	靈敏度 ⇅	主要應用 ⇅

靈敏度：★ 越多越靈敏（偵測下限越低）。整合自 Table 14.5。

方法選擇

跟著決策樹選偵測器

下一頁實戰：用滯留時間算未知物的線性滯留指標 →

14.5.2 定性

用滯留指標確認身分

LRI = 100·n + 100 × t_未知 − t_nt_n+1 − t_n

加入一系列正烷類 (C5–C25)當標尺
n = 較早出峰那支烷類的碳數
LRI 與柱相有關，但不受溫度程式影響
配合 MS，LRI 差 ±10 內即可確認

例：恰在 C7、C8 正中間出峰的化合物 → LRI = 750。

小遊戲 ⑥計算闖關未作答

某香氣化合物在 C8 與 C9 之間出峰：t(C8)=8.00 min、t(C9)=10.00 min、t(未知)=8.50 min。求其線性滯留指標 LRI。

LRI

重點整理

今天的五個關鍵

GC 專測揮發、熱穩定的小分子；不合適者先衍生化
前處理(頂空/蒸餾/萃取/SPME)決定成敗
毛細管柱解析遠勝填充柱；DB-5 最通用

載氣 He/H₂ 比理論最佳的 N₂ 更實用(快)
偵測器：FID 通用、TCD 測氣體、ECD 測農藥、MS 鑑定；定性靠 LRI、定量靠內標

自我檢核

今天結束，你應該會…

✓說出 GC 適合分析哪類化合物(揮發、熱穩定)
✓說出 GC 五大組件與訊號流向
✓比較頂空、蒸餾、溶劑萃取、SPME 的適用時機
✓解釋為何糖/脂肪酸要衍生化
✓區分分流與不分流注射、填充柱與毛細管柱
✓依需求選對偵測器(FID/TCD/ECD/MS)
✓由滯留時間算出線性滯留指標 LRI

點一下打勾——確認自己真的會了。

下一步 · NEXT

把氣相層析
用起來

📌 課後練習：Study Questions、Practice Problems
🔜 銜接章節：液相層析 HPLC (Ch13)、質譜法 (Ch11)
🧪 思考：你的樣品揮發嗎？需要衍生化嗎？該選哪種偵測器？

FIDTCDECDMSSPMELRI