气相色谱柱概述

气相色谱柱概述第一节色谱柱概述气相色谱柱是气相色谱仪中的一个最重要部件，有色谱心脏之称。色谱柱的选择在整个建立分析方法的过程中是很重要的。色谱工作者分析一个样品时，需要考虑怎样才能在最短的时间内定性定量的分析出最多的组分。这样就要求选择一根合适的色谱柱，它既能满足分离的要求，又能满足快速的要求。不仅要考虑被测组分的性质，还要考虑到实验条件（例如柱温、柱压的高低），包括对仪器的了解。这其中最主要的是对色谱柱的选择，对色谱柱各个方面性质的了解有助于这些工作的开展。气相色谱柱有多种类型，可以按色谱柱的材料、形状、柱内径的大小、长度、固定液的化学性能等进行分类。通常气相色谱柱分为两个大类：一类是固定相以颗粒填料形式填满整个柱子，称为填充气相色谱柱（PackedColumn）；另一类是把固定相涂敷在毛细管的内壁，柱管中心是空的，称为毛细管气相色谱柱（CapillaryColumn）或者称开管柱（OpenTubularColumn）。图3-1是色谱柱的一个分类表。1.1、填充柱与毛细管色谱柱的比较填充柱和毛细管色谱柱在外观、操作、性能和制备上有很大的差别。这两类色谱柱在我国的使用面都很广，毛细管色谱柱是将来色谱柱发展的趋势，应该重点掌握。从表3-1可以大致了解填充柱与毛细管柱的差别填充柱内当载气和组分通过填充物间隙孔道时，受到大小和疏密不均匀颗粒的阻碍，分子间移动速度不等，加上颗粒孔径和颗粒间接触点处固定液分布不均匀，致使组分分子在不同位置停留时间不同，造成峰形扩宽，限制了填充柱理论柱效的进一步提高；填充柱渗透性差，通常只能装填1～5米长的色谱柱，一般只能分离10-15个混合物组分。而毛细管柱由于内壁涂敷的液膜很薄，不但减小了液相传质阻力，同时也使相比增大。一般毛细管柱的相比要比填充柱大10-100倍，这样就有很大的优越性：1.相比大使得组分的分配比减小，因此对于同一样品在毛细管柱上可以在更低的温度下取得分离，这对固定液的稳定性、方便操作和延长色谱柱的使用寿命无疑都是有益的；2.提高了单位时间内色谱柱的分离能力。Etter曾经以硬脂酸甲酯和油酸甲酯的分离为例，在相同温度下分别在填充柱和毛细管柱上对比了两者的分离度与保留时间的关系，如图3-2。从图中可以看出，假如保持两种色谱柱上的流出时间相同，则毛细管柱上的分离度比填充柱要高达10倍。这充分说明了毛细管色谱柱可以在更短的时间内获得比填充柱好得多的分离能力，具有快速高效的特点。在痕量分析方面，由于一支柱效高、化学惰性和热稳定性好的毛细管色谱柱能提供更为尖锐的色谱峰，使痕量极性组分得以流出，提高了分离度，同时也提高了检测灵敏度，可以用于≤10-12克量级痕量组分的测定，最低检测限要比填充柱低1-2个数量级。基于毛细管色谱柱以上的优点，目前已经成为环保样品、烟草、饮料、体液和天然产物等复杂混合物分离的唯一有效工具。第二节色谱固定相概述色谱分离的基本原理是试样组分通过色谱柱时与固定相之间发生相互作用，这种作用的大小与固定相和组分分子的性质及结构有关；正是由于这种相互作用大小的差异，各组分在色谱柱内滞留的时间就不同，从而使他们相互分离，按先后次序从色谱柱中流出。因此，固定相是色谱分离过程中关键性的部分。固定相大致可以分为四个大类：聚合物、吸附剂、载体、固定液。聚合物是一类比较特殊的固定相，在某些方面虽然具有类似吸附剂性能的特点，但在另外一些方面又显示出溶解的性能。有的文献将聚合物划归载体一类，也有的文献将他划归吸附剂一类。聚合物固定相的主要应用是不涂渍固定液而单独作为固定相。由于固定相种类繁多，每一类又有许多品种，没有必要一一介绍，这里只是粗略的介绍一下，详细情况可以参考相关资料。2.1、聚合物固定相在气相色谱的分离分析中，从早期采用的填充柱到现在的高效PLOT色谱柱，有机多孔高聚物起到了举足轻重的作用，它是气相色谱应用较为广泛的色谱柱填料之一。近几年来随着生物技术的不断发展，有机多孔高聚物不仅在气相色谱领域，而且在液相色谱和毛细管电泳中的应用也有了很大的进展。多孔高聚物固定相的发展已有30多年历史，由于种类多、耐腐蚀、热稳定性好，长期使用无固定相流失现象以及对水的保留值很小，不仅具有类似吸附剂的性能，而且还显示出分配色谱固定液的性能，因此，它本身既可以作为吸附剂直接使用，也可以作为载体涂覆固定液后用于色谱分离，并已在烷烃、芳烃、氯代烃、醇、酮、醛、醚、脂、酸、胺、腈以及各种气体的气相色谱分析中得到广泛应用。有机多孔高聚物的优点主要有：（1）吸附活性低，无论对非极性物质还是极性物质都可以获得对称色谱峰峰形；（2）对含羟基化合物有相对低的亲和力，出峰次序基本上按分子量大小分离，故特别适合有机物中痕量水的快速测定；（3）色谱柱可选择性大，可以依据样品性质选择不同极性多孔聚合物，还可以在其表面涂渍固定液，使亲油性化合物的保留时间缩短，极性组分的保留时间适当延长，从而增加色谱柱的选择性。此外，高聚物小球在高温流失小，机械强度好，粒度均匀，较易获得重现性好的色谱柱。因此在石油化工，食品卫生，环境保护，商品检验，航空航天及生命物质探索等领域均获得了较为成功的应用。目前已商品化的高聚物固定相有：Porapak(美国)系列；Chromosorb(美国)系列；Chromosorb100（美国）系列；TENAX（荷兰）系列；HayeSep（美国）系列；Synachrom(捷克)系列；Polysorb(前苏联)系列；国内由中国科学院北京化学所色谱组开发出GDX系列，上海试剂一厂开发出401—408系列，浙江黄岩分析化学材料厂开发出A101、A101S、B101、B101S以及C101系列等高聚物固定相。第三节气相填充色谱柱概述气相填充色谱柱通常简称为填充柱，在实际分析工作中的应用非常普遍。虽然从发展的眼光看，填充柱有被毛细管色谱柱取代的趋势，但我国目前很多国家标准、行业标准、分析方法标准中都采用填充柱。根据统计资料，日常色谱分析中至少有60%的是采用填充柱完成的。因此填充柱在我国的气相色谱分析中还有很大的应用前景。3.1、填充柱柱管的选择用作填充柱柱管的材料通常有不锈钢、铜管、铝管、铜镀镍管、玻璃管、聚四氟乙烯管等。铜管和铝管由于催化活性太强且易变形已经不太常用。柱材料的选择应根据待分析样品性质和试验条件而定。如果待分析的样品易分解或者具有腐蚀性，应考虑采用玻璃管或者聚四氟乙烯管。玻璃管柱的优点是化学惰性好，制备的色谱柱柱效高，制作时便于观察制作情况及填充物的填充情况。缺点是玻璃易碎，在制作和安装时都必须十分小心，操作很不方便，新手经常发生断裂情况。聚四氟乙烯管的优点是耐腐蚀，缺点是不耐高温、不耐高压。在填充柱中目前最长采用的材料就是不锈钢管，他的最大优点是不破碎、传热性能好、色谱柱使用寿命长，能过满足常见样品的分析要求。缺点是内壁较粗糙，有活性，比较难于清洗干净。3.2、填充柱柱管的处理分析用的填充柱内径一般采用2-4mm，制备用的柱内径大一些，一般使用5-10mm。长度可以选择0.5-10m。填充柱的形状可以是螺旋形的，也可以是U型的。使用后者较容易获得高的柱效。如果使用螺旋形的，应该注意柱圈内径的大小对柱效的影响，一般柱圈径应比柱内径大15倍。填充柱的柱管在使用前都应该经过清洗和试漏检查。清洗的方法和柱材料有关，不同的材料采用不同的方法。对于不锈钢管，通常先用10%的热氢氧化钠水溶液浸泡，抽洗除去管内壁的油污，然后用自来水清洗至中性，再用5%的盐酸水溶液重复处理一次，则可以显著降低柱内壁的吸附作用。玻璃柱也可以采用上述方法，也可以用洗液浸泡处理。填充柱的检漏方法比较简单：给色谱柱通气，一边堵死然后置入水中另一端加压，若无气泡冒出即说明柱子无泄漏现象。3.3、填充柱担体和固定相的选择填充柱担体和固定相的选择是一个很复杂的工作，需要对固定相、担体、无机和有机吸附剂的各种性质以及被分析样品的性质有很深的了解（在本教材的上一章节对这些内容已经做了比较详细的描述，这里不再赘述），同时也要求具备相关的化学知识和色谱技能。但是对初学者而言，上述要求不易达到。色谱经过几十年的发展，已经积累了大量的数据，初学者只要查阅相关资料一般就可以确定制作填充柱的担体、固定液及其配比。当确定这些参数后制作一根填充柱就比较容易了。第四节毛细管色谱柱概述毛细管色谱柱是近年来发展极为迅速的一个领域，它的高效分离能力使它能够广泛应用于许多分析问题。是当今世界上分离分析复杂有机化合物的重要工具。我国毛细管色谱柱的应用逐渐普及。最新制定的许多国家、行业标准也采用了毛细管色谱柱。毛细管色谱柱是今后色谱分析的发展方向。有人估计，一个常规GC实验室只要购置三种毛细管柱，就可应付85%以上的GC分析任务。这三种柱是：OV-1（SE-30）、SE-54（SE-52）、OV-17（OV-1701）。如果再加一根PEG-20M（FFAP）柱。则可应付95%的GC分析任务。因此对毛细管色谱柱柱性能的掌握、毛细管色谱柱的使用、维护、保养等的了解都十分有必要。4.1毛细管色谱柱的制备毛细管色谱柱的制备比较复杂，一般个人在实验室制作不容易获得高性能的色谱柱。而目前市场上有出售的各种性能的色谱柱，进口的价格偏高，国产的性能稍差一些，但是价格却低的很多。因此本节内容对毛细管色谱柱的制备只做一个粗略介绍。4.1.1、毛细管色谱柱的材料毛细管色谱柱的材料对制备一支高质量的色谱柱是十分重要的。毛细管色谱柱的材料应具有化学惰性，热稳定性好，内表面光滑，易润湿以及操作方便等性能。自从毛细管气相色谱柱发明以来，对许多材料，如塑料、铜、镍、不锈钢等进行研究。但是目前普遍使用的则是玻璃和石英玻璃材料，应用最多的是石英玻璃材料。由它制作的毛细管柱人们通常称之为弹性石英毛细管柱。4.1.2、毛细管柱的拉制目前玻璃毛细管柱已经很少使用，对玻璃毛细管的拉制不作介绍。石英玻璃毛细管的拉制比较复杂。需将石英原料管在石墨炉中加热到石英的软化温度（1900-2000℃）时才能拉制出薄壁毛细管。如果石英的表面被污染或受潮，其强度会下降而易破损。所以拉制出的石英毛细管必须立即通过一个盛有耐高温聚酰亚胺溶液的容器。然后通过加热炉烘干，是柱子的外表涂敷一层保护膜，最后将拉制好的毛细管绕倒一个转鼓上。目前拉制的石英毛细管内径为0.1-0.5mm，壁厚0.05mm。作为柱子外涂层材料的聚酰亚胺最高使用温度为350℃。近年来市场上出现了铝涂层的弹性石英毛细管，可耐热400-480℃的高温。这类色谱柱可以用一些高级烷烃（大于100个碳原子）以及甘油三酯类的分离。4.1.3、毛细管柱的内壁表面处理在涂渍固定液之前必须对毛细管柱内表面进行处理，以改变化学和物理性能适合于制作毛细管色谱柱。柱内表面处理的目的如下：a、改善不同极性固定液在毛细管柱内壁表面的润湿性，获得均匀稳定的液膜，制备高效色谱柱；b、除去柱内壁表面的金属离子，消除催化活性中心，减小固定相流失；c、钝化内壁表面的吸附中心，提高柱惰性；d、适当增加表面的硅醇基，以便能够更好的去活、涂渍固定液。毛细管柱的内壁改性一般有以下几种方法：a、柱内壁表面的粗造化；b、柱内壁的羟基化；c、柱内壁表面的惰性化。4.1.4、毛细管柱的涂渍ａ、动态涂渍法：动态法系以惰性气体压力推动固定液溶液通过毛细管柱，在柱内壁上留下一层液膜。固定液的浓度一般为10％-20％，。根据固定液黏度和极性不同，选择二氯甲烷或丙酮作溶剂。操作时需在毛细管柱尾连接一根与柱子内径相同、长度约10m的废毛细管，以免溶液走到柱尾时速度发生变化。柱子的另一端插入固定液溶液中，用高压氮气把固定液溶液压人柱内。当液体到达柱体积的1/5时，将插入固定液中的毛细管柱拉起离开液面。用N2气推动溶液的液栓向前移动，速度为2-6cm／s，不得超过10cm／s。涂完后柱子继续通N2气3-4h，以完全除去溶剂。动态法涂渍固定液速度快，但常常得不到均匀的液膜，重复性较差，柱效也比较低。为了提高动态法的效果，人们不断提出改进的方法。Levy等人提出一种限制流速的办法，将装置置于要涂渍柱的后边，在涂渍过程中使溶液流动速度稳定。也