毛细管气相色谱系列讲座.doc

毛细管气相色谱系列讲座毛细管气相色谱的出现 世界性的科学技术和生产的发展、进步，推动了分析化学的发展，激发了商品仪器的生产。而色谱法是分析化学的重要组成部分，从一出现就对科学的进步和生产的发展起着重要的作用。在3040年代他为揭开生物世界的奥秘，为分离复杂的生物组成发挥了他独特的作用；50年代为石油工业的研究和发展作出了贡献；6070年代成为石油化工、化学工业等部门不可缺少的分析监测工具。目前色谱法是生命科学、材料科学、环境科学、医药科学、食品科学、法庭科学以及航天科学等研究领域的重要手段。各种色谱仪器已经成为各类研究室、实验室极为重要的仪器设备。气相色谱是比较成熟的方法，气相色谱仪使用极为普遍的仪器。1941年Martin 和Synge提出用气体代替液体作流动相的可能性，11年之后James 和 Martin 发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法(Gas-Liquid Chromatography)，因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。在此基础上1957年高雷(M.J.E .Golay)（见图1） 开创了开管柱气相色谱法(Open-Tubular Column Chromatography)。图1 高雷进行毛细管气相色谱的研究高雷本来是电学和数学专家，1955 年他加盟 Perkin-Elmer 公司，开发红外分光光度计的检测器，这一年 Perkin-Elmer 公司推出了世界上第一台气相色谱仪，许多研究人员对这种新奇的分离方法进行深入的研究，也引起了高雷极大的兴趣，他用电学和数学的方法对填充柱色谱进行了大量的理论研究，发现如果使用毛细管柱可以把柱效大大提高。他在1957年美国仪器学会组织的第一届气相色谱会议上发表了第一篇毛细管气相色谱的报告，介绍了他的第一张毛细管气相色谱图，是在一支91m长的毛细管气相色谱柱上进行的，得到了12000个理论塔板数。次年他在阿姆斯特丹的国际气相色谱会议上发表了著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。阿姆斯特丹的会议为毛细管气相色谱的发展奠定了重要的基础。高雷的研究激发了许多色谱学家的极大兴趣,如英国的Desty，Scott 美国的Zlatkis, Lipsky, Lovelock；德国的Kaiser ，Schomberg ；意大利的 liberti, bruner, 都为毛细管气相色谱早期的发展做出了贡献。毛细管气相色谱系列讲座（2）毛细管气相色谱仪（A）现代的实验室用气相色谱仪大都是既可做填充柱气相色谱又可以进行毛细管气相色谱的色谱仪，在仪器设计上考虑了毛细管气相色谱仪的特殊要求。毛细管气相色谱仪的进样系统和填充柱气相色谱有较大的差别, 色谱柱出口到检测器的联接和填充柱也有些区别，毛细管气相色谱仪的示意图和气相色谱仪的照片如下图所示。毛细管气相色谱仪示意图gas inlets 三种气体进口 Injector 进样口 Detector 检测器Detector amplifier 检测器放大器 Data system & Print数据处理系统和打印机Pneumatic Controls 气路控制系统 Column 色谱柱 Thermostated onen 柱恒温箱 毛细管气相色谱系列讲座（3）毛细管气相色谱仪（B）-气源和流量控制系统 毛细管气相色谱仪的这一部分部件和填充柱色谱仪没有太大的区别，只是由于毛细管气相色谱要求的载气流量比填充柱小得多(每分钟只有几毫升)，如不用分流进样，则柱前压较小，流量指示部件的数值也很低，对控制和检测部件的要求要高，所以早期的毛细管气相色谱仪多用分流进样。目前毛细管气相色谱仪多采用电子压力和流量控制系统，大大提高了流量的精度。这种电子压力控制系统如下图所示：电子压力控制系统的示意图Caiier Gas flow载气流； Flow Restrictor限流器(过滤器)； EPC Board电子压力控制阀电路板； Pressur Senser压力传感器； Programmable Cool On-Column Inlet程序控制冷柱头进样口；Septum purge Regulator密封垫吹扫调节器；Septum purge Vent密封垫吹扫气放空；Flow Restrictor 限流器；Septum purge-密封垫吹扫；To Detector到检测器；Column6色谱柱；Electronic Pressur Control Vaalve -电子压力控制阀； 毛细管气相色谱系列讲座（4）毛细管气相色谱仪（C）-分流/不分流进样色谱柱一般认为是色谱仪的心脏，而毛细管气相色谱仪的进样系统有把它比喻为“阿基里德的脚后跟”(Achilles heel)，即致命的弱点(据传说阿基里德除脚后跟外全身刀枪不入)，所以毛细管气相色谱的进展在很大的程度上决定于毛细管气相色谱柱(固定液和柱工艺)和进样系统的进展。毛细管气相色谱仪近年已经很成熟，正是因为在这两个关键问题上有了很大的发展。为了满足定性和定量分析的要求，进样系统要没有或有很小的歧视(discrimination)，所谓歧视就是进入色谱柱的组成含量与实际组成含量没有变异(就像在填充柱色谱那样)，在分流进样中常常会产生歧视，也就是非线性分流，所以对进样系统的第一个要求就是要避免歧视。对进样系统的第二个要求是由进样系统带来的谱带加宽越小越好。 目前使用的进样方式有: 分流进样，分流/不分流进样，柱头进样，直接进样，程序升温气化进样。分流进样：一般气相色谱仪的气化室体积为 0.5 2.0mL ，常用毛细管色谱柱的载气流速为0.52.0 mL/min 如果载气以理想的层流方式流过气化室，并把样品冲洗到色谱柱中，那么需要0.254min，这样色谱峰会大大变宽，以至无法应用。此外现有的微量注射器也无法准确、重复地注入几个nL的样品。因此在毛细管色谱发展的初期就采用分流的办法解决上述问题。分流进样器：典型的分流/不分流进样器如下图所示，经预热的载气进入进样系统, 载气分为两路，一路气向上冲洗注射隔垫，另一路气以较高的流速进入气化室，在气化室内装有一个玻璃和石英的衬管，在此处样品与载气混合，混合以后的气流在毛细管入口处以一定的“分流比”进行分流，所谓分流比是指进入毛细管柱的混合气体体积与放空载气体积之比。对常规毛细管柱(0.220.32 mm I.D.)，分流比一般为 1:50到 1:500，对大内径厚液膜毛细管柱，其分流比比较低，一般为 1:5到 1:50。对小内径毛细管柱，其分流比超过 1:1000。 分流/不分流进样器示意图 rubber septum 硅橡胶隔垫； septum purge outlet 隔垫吹扫气出口； carrier gas inlet 载气入口； split outlet 分流气出口； heated metal block 加热块； glass liner 玻璃衬管； vapourisation chamber 蒸发室； column色谱柱不分流进样器：所谓不分流进样是在进样时，把分流进样系统的分流阀关闭一段时间，所有样品在气化室内蒸发为样品蒸汽，并被载气带入毛细管中，然后又把分流阀打开，把少量未进入柱中的混合气体吹走。由于这一转移过程需要几百毫秒，可能会造成谱带的加宽，但是通过优化的浓缩效应，可有效地抑制色谱峰的谱带加宽。 不分流进样的主要优点是可以把全部样品注入色谱柱，比分流进样的灵敏度大大提高，所以它适合于痕量分析。 上图也可以用作不分流进样器，在进样时分流电磁阀关闭，但注射隔垫处的吹洗气流(约 2 mL/min)一直保持，经过一段时间(3090s)，大部分溶剂和溶质蒸汽进入色谱柱，电磁阀打开，在气化室中剩余的溶剂和溶质蒸汽通过分流阀吹走。毛细管气相色谱系列讲座（5）毛细管气相色谱仪（D）-柱头进样器 柱头进样器是 1977 年提出来的方法，其目的是避免分流引起的歧视现象，尽管柱头进样器可提高精度，但是有严格的技术要求，在实际使用中不太方便。Grob 设计的柱头进样器如下图所示。在柱头进样时，使用外径为 0.23 mm, 内径为 0.1mm, 长度为 85 mm 的注射器，如果使用一支弹性石英毛细管作针头的注射器，可以在内径小到 0.2 mm 的毛细管色谱柱上进样，在 Grob 柱头进样器的顶部有一个锥形导管和注射器进入的通道，此通道的内径要和注射器外径相匹配，以便在停止阀打开插入注射器时不会使载气泄漏，导至高挥发性溶质损失。在进样器底部通入冷空气，使注入的的样品溶液呈液态，注样后把注射器撤回到停止阀上部的标记处，关闭停止阀后再把注射器完全拔出。 1锥形孔；20.3mm 通道；3钢杯；4载气入口；5石墨垫；6毛细管柱；7冷却空气出口；8冷却空气入口；9停止阀。 1979年后又有人改进了这种柱头进样器，即在进样器底部(在柱箱内)装上第二冷却系统，通入冷空气，使色谱柱入口处温度下降到溶剂沸点以下，可使柱箱温度高于溶剂的沸点。一般在使用柱头进样器时要在程序升温条件下工作，因此选择适当的溶剂和与之相适应的柱箱初温。在进样的过程中色谱柱柱头进样区应保持温度恒定，以免样品产生歧视。毛细管气相色谱系列讲座（6）毛细管气相色谱仪（E）-程序升温柱头进样器上一节所讲的柱头进样器要使用适当的柱箱程序升温，选择适当的溶剂和适合的起始温度十分重要。而且为了不会产生歧视效应，在进样过程中色谱柱在进样口的部分要适当恒温（第二次冷却）。在大体积（比如大于1L）进样时高沸点组分常常会产生色谱峰分叉等不正常现象。为了改善大体积进样的色谱峰形、不出现上述的影响分离的现象，把进样口的温度控制和柱箱的温度控制隔离开，使进样口温度可以独立地进行程序升温，下图就是这中可做大进样量样品的程序升温柱头进样器。 1 注射器；2装弹簧的O-型圈密封垫；3不锈钢护套；4阀的杠杆；5加热槽；6载气入口；7玻璃插件（弹性石英毛细管色谱柱自校准导轨）8外径0.18 mm 内径0.10 mm 的弹性石英毛细管注射针；9冷却剂；10温度传感器；11针形阀；12电磁阀；13进样器吹扫；14柱箱15弹性石英毛细管色谱柱；16加热器 在进样口处的色谱柱可以进行自动线性升温，从室温到350，对热稳定性差的样品使用慢速升温，对混合物样品温度范围宽的样品可以进行快速升温，以便减小色谱峰的加宽和拖尾。因为进样口的温度独立于色谱柱柱箱的温度，其温度可以低于柱箱的温度，所以可配合柱箱的恒温或程序升温分析。程序升温柱头进样器要使用电子流量控制系统，以便在程序升温时保持载气流量的稳定。毛细管气相色谱系列讲座（7）毛细管气相色谱仪（F）-吹扫捕集进样器在分析食品、饮料、生物样品、水中污染物和塑料中的有机挥发物时，由于样品成分很复杂，常常使用这种吹扫捕集进样器。使用吹扫捕集进样时往往要经过一次样品的预浓缩和富集，以便提高检测灵敏度。简单的吹扫捕集进样器包括一个顶空样品管或一支填充预柱，和一个冷阱，如下图所示：1 载气开关阀；2切换阀；3开关阀；4被分析样品室（顶空瓶或预柱管）；5切换阀；6冷却捕集阱；7进样器；8分流阀；9毛细管色谱柱；10检测器；11针阀；12放空阀这种进样系统有两种模式，一个是正常吹扫捕集模式，另外一个是反吹冷阱模式。在吹扫捕集模式中，载气通过三通切换阀（2）直接进入顶空瓶（4）进行吹扫，把挥发性组分带到用干冰或液氮冷却的冷阱（6），使样品得到富集，把三通切换阀（5）的 3 关闭，移去冷源给冷阱加热，到热平衡后打开三通切换阀（5）的 4 ，使载气通过进入冷阱，把挥发出来的样品带入色谱系统。 如果要把冷阱进行反吹，把三通切换阀（2）从 1 转到 2 ，并用针阀（11）调节切换阀（2）到进样器之间的压力降。用另外一个针阀（12）调节通过冷阱的反吹气的流量。毛细管气相色谱系列讲座（8）毛细管气相色谱仪（G）-裂解进样器气相色谱仪的裂解进样器可以对不挥发物质或难挥发的进行热裂解进样，所谓热裂解是在热能的作用下，物质发生的化学降解过程，使一些分子量较大、结构复杂、不挥发或难挥发的物质得到分离和鉴定。把裂解进样器和毛细管柱气相色谱相结合，称为裂解气相色谱仪（PyGC）它具有以下的特点: 分离效率高 现时的PyGC大都是使用毛细管色谱柱，可以对复杂的裂解产物进行有效的分离，尤其是高分子化合物之间的微小差异，聚合物材料中的微量组分，都能在裂解谱图上灵敏地反映出来，在找到相应的特征。 灵敏度高，样品用量少,PyGC一般采用氢火焰离子化检测器，有很高的灵敏度。样品用量一般为至 m量级，这对只能获得微量样品的检测很有利。 分析速度快，信息量大 典型的分析周期为 0.5 h , 当裂解产物很复杂时，一个多小时也可以完成一次分析，不仅可做定性分析，还可以进行定量分析，而且还可以进行高聚物结构的研究，以及热稳定性和反应动力学研究。 适合于各种形态样品，不需要预处理 无论是黏稠液体、粉沫、纤维及弹性体，还是固化的树脂、涂料、硫化橡胶，都可以直接进样分析。 设备简单，易于普及 把裂解进样器和气相色谱仪组合在一起就可以进行 PyGC 分析，裂解进样器比较简单。一般的实验室都可以做到。 可以和各种光谱仪器在线联接 凡是可以和GC在线联接的仪器都可以和 PyGC 在线联接，使用最多的是PyGC/MS，近年PyGC/FT-IR联用也逐渐增多。裂解进样器有管式炉裂解进样器、热丝(带)裂解进样器、居里点裂解器，使用较多的热丝(带)裂解进样器，CDS公司的热丝(带)裂解器示意图如图1，和气相色谱仪的连接如图2，这里是比较老的型号，目前国内北京分析仪器厂生产的就是类似与CDS-190的裂解进样器。图1 CDS 热丝裂解进样器示意图 1石英管；2加热丝；3连接器；4裂解探头；5电源；6硅橡胶垫；7连接管；8色谱仪气化室；9载气毛细管气相色谱系列讲座（9）毛细管气相色谱仪（H）-保留间隙进样技术 保留间隙进样是解决不分流进样，特别是大体积不分流进样时色谱峰加宽的问题。不管使用何种不分流进样,如果处理不当都会引起色谱峰的加宽（谱带加宽），一种是由于进样时间延长带来的铺带加宽，叫做“时间性谱带加宽”，要抑制这种谱带加宽常采用溶剂效应（Solvent effect），即溶剂浓缩(Solvent focusing)，或采用冷捕集技术，也叫热浓缩(Thermal focusing)方法。所谓溶剂效应就是在进祥时柱温必须比所用溶剂的沸点低2530。当不分流进样完毕之后，分流阀打开，用载气清扫汽化室中残留的溶质和溶剂，同时柱温开始升高，溶剂开始蒸发，溶质则以窄的起始谱带开始进行色谱分离的过程。这就是用溶剂效应抑制谱带加宽的过程。所谓热浓缩的过程是这样的，即进样时柱温要比溶质的沸点低很多，以便把它们冷凝在柱头；同时柱温又要比溶剂沸点商很多，以便使溶剂保留为汽态。在此条件下不会出现溶剂效应。但是，实际上溶质浓缩常是一个溶剂浓缩和热浓缩的联合过程。如果柱温和溶质沸点之间的差别很大(150)，热浓缩会有效地把溶质浓缩到很窄的区带上。 ，另外一个谱带加宽的因素是空间性谱带加宽，这一概念是1981年由小Gorob提出，它是溶剂效应的一个直接的结果。由于溶剂效应，使溶剂浓缩到一个窄的区带液层。但是溶剂冷凝后形成一个有几厘米长的液层，由于液层太厚因而不够稳定，在载气的吹拂下向前方扩散，形成一溢流区(Flooded zone)如图1。图 1 空间性谱带加宽示意图由于溶剂溢流，于是溶质也遍布于整个溶剂溢流区，因此产生了谱带的加宽。如果色谱柱的固定相可被溶剂很好地湿润(例如异辛烷在二甲基硅氧烷固定液上；乙酸乙酯在聚乙二醇固定液上)，则进样1L，溢流区的长度约为20一30cm。空间性谱带加宽可用保留间隙(Retention Gap)进样技术来抑制，所谓保留间隙是指接在毛细管柱前的一段未涂固定液的毛细管柱。所有的溶质在此无固定液的柱中都没有保留作用，即k0。把溶剂溢流区处于保留间隙柱中，溶质随着溶剂的前进和蒸发被浓缩和集中于涂有固定液的色谱柱起始端，因而达到克服溶剂溢流造成的谱带加宽，使溶质浓缩在色谱柱的起始段，其示意图如图2所示。保留间隙柱成为毛细管色谱技术中十分有用的技术，在柱头进样以及液相色谱与毛细管气相色谱联用中发挥作用。保留间隙管的长度决定于溢流区的长度，因而保留间隙管的长度就决定于样品的体积和所用溶剂的性质。进样l-2L样品时，保留间隙管的长度约为051m。如要进样更大的体积，保留间隙管要相应地增长。图 2 保留间隙管1一溶质和溶剂从溢流区的后部移向前部；2一溶质的k值大于溶剂的k值，溶质起到在固定液上的浓缩作用；3一溶质的k值大于溶剂k值一到五倍，起溶剂浓缩作用 毛细管气相色谱系列讲座（10）毛细管气相色谱仪检测器(A)-总论 研究过的气相色谱检测器有二三十种，但是在商品仪器上常用的气相色谱检测器只有六 种: (一) 热导检测器 (TCD)是基于各种物质有不同的导热系数而设计的检测器。 (二) 氢火焰离子化检测器(FID) 是气相色谱中最常用的一种检测器。它的敏感度高,线性范围宽,易于掌握,应用范围广,特别适合于毛细管气相色谱使用。 (三) 电子捕获检测器(ECD) 是一种用 63Ni 或氚做放射源的离子化检测器,它是气相色谱检测器中灵敏度最高的一种选择性检测器,在气相色谱仪中应用范围仅次于TCD和FID 而占第三位。 (四) 火焰光度检测器(FPD) 是基于样品在富氢火焰中燃烧,使含硫、磷化合物经燃烧后又被氢还原,而得到特征光谱的检测器。 (五) 热离子检测器(TID) 又称氮磷检测器(NPD),它是在FID的喷嘴和收集极之间放置一 个含有硅酸铷的玻璃珠，适于测定氮、磷化合物的检测器。 (六) 光离子化检测器(PID) 是利用紫外光能激发解离电位较低( 10.2 eV )的化合物,使之电离而产生信号的检测器。各种检测器的性能比较见下表：常用毛细管气相色谱检测器性能比较检测器响应特性噪声水平/A基流/A敏感度/gs-1线性范围响应时间/s最小检测量/gTCD浓度型0.0050.01 mV无110-6110-10g/mL110 4110 5 1110-4110 -8FID质量型15 10 -14110-11110 -12 2 10 -12110 6110 7 0.1110-863Ni:110 -9110 -14 g/mL110 2110 5与操作方式有关1103硫:5102(在双对数座标纸上) 0.1 110-10TID质量型510-14210-11氮 110-13磷 110-141104105 1 110-13PID质量型1510-14110-10110-1311071108 0.1 Rb Cs,对N的灵敏度为Rb K Cs。毛细管气相色谱系列讲座（14）毛细管气相色谱仪检测器(E)-FPD火焰光度检测器 FPD(Flame Photometric Detector，简称FPD)1. FPD的原理 FPD的原理是基于样品在富氢火焰中燃烧,使含硫、磷的化合物经燃烧后又被氢还原, 产生激发态的 S2* (S2的激发态)和 HPO* (HPO的激发态) , 这两种受激物质反回到基态时幅射出 400 nm 和 550 nm 左右的光谱, 用光电倍增管测量这一光谱的强度, 光强与样品的质量流速成正比关系。FPD是灵敏度很高的选择性检测器, 广泛地用于含硫、磷化合物的分析。2. FPD 的结构 FPD是把FID和光度计结合在一起的结构,开始为单火焰FPD,1978年后为了弥补单火焰FPD的缺点, 开发出双火焰的FPD, 其结构见下图。它有两个相互分开的空气氢气火焰,下边的火焰把样品分子转化成燃烧产物, 其中含有相对简单的分子, 如S2和HPO；上面的火焰产生可发光的激发态碎片,如 S2* 和HPO*,对准上面火焰有一个视窗,用光电倍增管检测化学发光的强度,视窗用硬质玻璃制成,火焰喷口用不锈钢制成。 火焰光度检测器的示意图 (a) 双焰火焰光度检测器 1滤光片；2透镜；3光电倍增管；4检测器底座 5空气 1；6氢气；7空气 2； 8火焰 1；9火焰 2；10点火器。 11窗口。 (b) 双火焰喷嘴 1空气 1 + 色谱流出物；2氢气；3空气 2；4火焰喷嘴 1； 5火焰 1；6火焰喷嘴 2；7火焰 2；8检测器筒；9窗口3. FPD 的性能 FPD是用于测定含硫、磷化合物的选择性检测器,其火焰是富氢焰,空气的供量只够与70%氢的燃烧反应,所以火焰温度较低以便生成激发态的硫、磷化合物碎片。 载气、氢气和空气的流速对FPD有很大的影响,所以气体流量控制要很稳定。对含硫化合物的测定火焰温度宜在390左右,可生成激发态的S2*；对含磷化合物的测定氢和氧的比例价应在2-5之间,根据样品不同要改变氢氧比,还要把载气和补充气量进行适当调节,以便获得好的信噪比。毛细管气相色谱系列讲座（15）毛细管气相色谱仪检测器(F)-单丝热导检测器毛细管气相色谱要和 TCD 配合使用，必须要使用微型热导池，而安捷伦科技有限公司的单丝热导检测器可以很好地配合毛细管气相色谱柱使用。即单丝流路调制式TCD。一般TCD载气在池腔中的流动都是按一定方向，连续匀速通过参考池和测量池。而安捷伦科技有限公司的单丝流路调制式TCD，其载气通过池腔是按一定的周期改变方向、间断通过热丝的，如图 1 所示。图 1 单丝流路调制式TCD示意图图中池体为长方形不锈钢制成，其中有长方环形气体流路，左通道中装有热丝，右通道比左通道略粗。下方 l 为毛细管柱和尾吹气人口， 2、3为切换气(或称调制气、参比气)入口。开机条件稳定后，柱流出物和尾吹气以一定的流速进入池腔，它的流动方向完全受切换气控制。当切换气以一定的流速(如 30 mLmin)从 2 进人，其中 20 mLmin 通过热丝，从出口 4 排出，另外 10 mLmin的切换气与柱流出组分一起通过右侧，从出口排放掉，热丝只作参比气测量图 1 (a)。当切换气从 3 进入，流过右侧排出；柱流出物和余下切换气即通过热丝，而后排出，这时作样品测量图 1 (b)。如此反复切换，频率为 5 Hz，即每 100 毫秒切换一次，每秒切换10次。对热丝而言，十次中有五次是样品气通过，另五次为参比气通过。该单热丝为惠斯顿电桥的一个臂，组成恒丝温检测电路，见图 2 所示。它是用时域差从一根热丝上分别取得测量和参比信号。AD数据采集速率为80 Hz，即100 ms 取 8 次数据，1s 取 80 次。具体到一次参比和测量转换，200 ms 中 8 次取得参比数据，另外 8 次取得测量数据。最后用电子线路将这种脉冲式的色谱峰解调成正常的色谱信号峰。图 2 单丝流路调制式TCD电桥示意图毛细管气相色谱系列讲座（16）毛细管气相色和填充柱色谱的比较毛细管色谱柱（非填充毛细管色谱柱）是中空的，所以它的比渗透率 (Bo)比填充柱要大一两个数量级，因而色谱柱长度可以到几十到一百米。比渗透率 (Bo)的定义如下：表 2 是各种色谱柱性能的比较，从表 2 和图 1 的数据和色谱图可以说明毛细管柱具有高效、快速、的特点。为了形象地比较 WCOT 和填充柱总体性能，用图 1 表明两种色谱柱的分离情况。毛细管气相色谱系列讲座（17）毛细管气相色谱柱（一）毛细管气相色谱柱的类型1名称 毛细管气相色谱柱, 高雷称之为“开管柱”(open tubular column)，因为这种色谱柱是中空的，他强调这种色谱柱的特点是它的“空心性”，而不是它的“细小性”，但是人们的习惯难以改变，多数人仍把这种色谱柱叫做毛细管气相色谱柱。2毛细管气相色谱的类型 毛细管气相色谱柱的内径一般小于 1mm，又可分为开管型和填充型两大类。 一. 填充型毛细管柱 这一类又分为两类。 (一) 填充毛细管柱 这种毛细管柱是先在较粗的厚壁玻璃管中装入松散的载体或吸附剂，然后再拉制成毛细管柱。如装入的是载体，可涂渍固定液成为气-液填充毛细管柱；如装入的是吸附剂，就成为气-固毛细管柱。这种毛细管柱近年很少使用了。 (二) 微填充柱 这种毛细管柱与一般填充柱一样，只是它的内径较细(1mm 以下)，它是把固定相直接填充到毛细管中。这种色谱柱在气相色谱中应用不多。 二. 开管型毛细管柱 又可分为三小类。 (一) 常规毛细管柱 这类毛细管柱的内径为 0.10.3 mm，一般为 0.25 mm左右，可以是玻璃柱也可以是弹性石英柱，它们按内壁处理方法不同又可分为 （1）. 壁涂毛细管柱(Wall Coated Open Tubular Column) 简称WCOT柱，这种毛细管柱是把固定液直接涂渍到毛细管柱壁上，现在多数毛细管柱是这种类型的。 （2）. 多孔层毛细管柱( Porous-Layer Open Tubular Column) 简称PLOT柱，它是先在毛细管内壁上附着一层多孔固体，然后再在其上涂渍固定液，在这一类毛细管柱中使用最多的是“载体涂层毛细管柱”( Support Coated Open Tubular Column) 简称SCOT柱，它是先在毛细管壁上涂覆一层硅藻土载体，然后再在其上涂渍一层固定液。 (二) 小内径毛细管柱( Microbore Column ) 这类毛细管柱的内径是小于100m的弹性石英毛细管柱，多用来进行快速分析。 (三) 大内径毛细管柱(Megaobore Column) 这类毛细管柱的内径为320m 和530m ，为了用这种色谱柱代替填充柱，常做成厚液膜柱，如液膜厚度为58 m。现在使用最多的弹性石英（熔融二氧化硅）毛细管色谱柱。毛细管气相色谱系列讲座（18）毛细管气相色谱柱（二）毛细管气相色谱柱的材料 自从毛细管气相色谱诞生以来，研究过多种柱材料，如塑料、铜、镍、金、银和不锈钢，但是70年代占统治地位的是玻璃，80 年代占统治地位的是熔融二氧化硅(石英)，即弹性石英毛细管色谱柱。90 年代以后为了制备高温毛细管柱，又有部分使用不锈钢毛细管柱（内壁涂一层惰性的二氧化硅）的趋势。1 毛细管柱材料对柱性能的影响 目前主要毛细管柱材料是石英，我国多称作弹性石英毛细管柱，这种材料在体相中基本不会有金属杂质，所以表层成分不会有路易氏酸的活化点，但在石英表面上主要是和硅原子相连的羟基，在此表面上的硅原子以四面体形式和三个氧原子形成共价键，这三个氧原子位于体相中，这样在低温下表面的硅原子趋向于与一价的氢氧基连接实现其共价结合。即形成自由羟基，在高温下则会形成脱水的有一定张力的氧桥。表面羟基如果被氧隔离，相距0.31nm 时就不能在两个羟基之间形成氢键了，氢和氧之间相距0.24-0.28 nm 最适于形成氢键。据有人测定在石英表面上于室温下每 1 nm 面积上有 5 个羟基，在常温和常压下水会以氢键方式吸附在它的表面上，当加热时可以把物理吸附水除去，留下自由羟基，进一步加热会使相邻羟基脱水成氧桥。从室温到165 只能把物理吸附水除去，约在 400左右会使羟基脱水成氧桥，如把这样的二氧化硅冷却并暴露于水蒸汽中，还可以恢复再形成硅醇基。所以在玻璃或石英表面上有硅醇基、硅氧桥和可能存在的金属氧化物，因而会和被分离物有一定的吸附作用。即: 路易氏酸活化点对一些电子云密度大的化合物如醇、酮、胺以及键化合物产生吸附作用； 表面硅醇基是质子给于体，它很容易和局部电子云密度大的化合物产生强烈的吸附作用； 硅氧桥是质子受体，易于和给质子的化合物产生吸附作用； 石英表面的硅氧四面体结构会产生色散力的吸附作用。2 毛细管柱表面的湿润性 在毛细管柱表面涂渍固定相，要得到高柱效，固定相必须形成一个均匀、完整的液膜，要达到这一目的，固定相在柱表面上要有较好的湿润性，湿润性好坏的标准是固定相在柱表面上接触角的大小，接触角小则易于湿润，也就是易于成膜。要使接触角小则固定相的表面张力()要小于固定相和毛细管表面的附着力。或者说固定相的表面张力要小于石英表面的临界表面张力(限CST)。CST的定义是: 当液体的表面张力大于某一固体表面的CST时，此液体在固体表面上的接触角就大于零。CST的测定是这样的: 在给定的固体上用一组同系化合物测定接触角()，把 cos 对此同系物的表面张力作图，一般成一直线，在cos=1 时的表面张力即为该固体的临界表面张力(CST)。如果液体的表面张力小于某固体的CST，其接触角就等于零，因此该固体就可以被液体所湿润。 玻璃或石英是一种高表面张力的固体，光滑干净玻璃表面的CST3104 N /cm，而典型的固定相CST=35 104 N /cm，所以玻璃表面如不处理就难以涂渍成均匀的液膜。聚二甲基硅氧烷的表面张力为1.92.0104 N /cm，所以它易于涂渍在毛细管柱上。毛细管气相色谱系列讲座（19）毛细管气相色谱柱（三）弹性石毛细管气相色谱柱的拉制目前主要使用的是弹性石英毛细管柱，这种色谱柱是1979年由Dandeneau 和 Zerener 首先制作成功的，是用光导纤维拉制机，拉成管壁很薄的毛细管柱，由于内径小、管壁薄，而石英表面又有很高的抗张强度，所以这种毛细管柱具有很好的柔韧性，卷曲成很小的圆圈(如 1 cm 直径)不会折断。石英表面如被污染或不当的处理，其强度就会大大下降，所以拉制出来的石英毛细管柱必须立即在外边涂敷一层保护层，一般为聚酰亚胺，这一保护层应具有较好的强度和耐热性，在 300 下使用，流失不显著。但是近年来耐高温毛细管柱的需求日增，比如要求高达100120 个碳原子烷烃的分离，色谱柱要在400450下工作，这样聚酰亚胺就难以胜任了，于是出现了柱外镀铝的石英毛细管柱。下图是弹性石英毛细管柱的拉制机示意图。这种拉制机是拉光导纤维用的，高温电炉可达2000，拉毛细管柱经聚酰亚胺槽，在柱外边涂覆一层聚酰亚胺保护层。 石英毛细管柱拉制机示意图毛细管气相色谱系列讲座（20）毛细管气相色谱柱（四）预处理1粗糙化毛细管气相色谱柱的粗糙化 由于玻璃或石英是一种高表面张力的固体，光滑干净玻璃表面的 CST3104 N /cm，而固定相的表面张力常常大于此数值，所以玻璃表面如不处理就难以涂渍成均匀的液膜，所以在涂渍固定相之前要进行粗糙化处理。对玻璃柱研究过多种粗糙化方法，对石英毛细管柱的粗糙化方法有下列一些。一沉积石墨化碳黑 在 60 年代中期Grob 就研究了几种在玻璃毛细管内壁上沉积石墨化碳黑的方法。到 70 年代中期，可以用静态或动态法把石墨化碳黑的胶体溶液沉积到毛细管内壁上，它的黏附力很好，也可以把石墨化碳黑胶体溶液沉积到弹性石英毛细管内壁上。燕山石化研究院用石墨化碳黑的超细粉，在有机溶剂中用大功率超声波制成胶体溶液，涂渍到弹性石英毛细管柱上，作气-固色谱用。也可以把石墨化碳黑的超细粉和液晶混合在一起，涂渍到弹性石英毛细管柱上(单纯液晶是很难涂渍的)。 二 沉积氯化钠 70 年代中期就有人用 NaCl 的胶体溶液以动态法涂渍在毛细管内壁上。胶体溶液是往 NaCl 饱和水溶液中加入 1,1,1-三氯乙烷，把此溶液通过毛细管柱，等溶剂蒸发后再涂第二次，第三次，第四次，这样可以增加 NaCl 的覆盖量，最后在 350 下加热 1 h ，使之重结晶，要达到最大的NaCl 覆盖量，胶体溶液通过柱子的量最少为25L/cm2 的柱表面，接触时间最少要 40 min ，流动速度在 15cm/s。 也有人用三氯甲烷代替 1,1,1-三氯乙烷，成功地制备出沉积氯化钠的玻璃和石英毛细管柱，在这样粗糙化过的毛细管柱上可以涂渍多种极性固定相，如: OV-17, PEG-20M, FFAP, OV-225 和DEGS等。 三沉积二氧化硅 70 年代中期有人开发出一种在固定相溶液中悬浮硅烷化二氧化硅，进行涂渍固定相的方法，在固定相溶液中加入硅烷化二氧化硅颗粒，改变了固定相在柱内表面上的铺展性能，可以大大改善液膜的稳定性。他们所用的二氧化硅称为Silanox 101，这是一种经过三甲基硅烷化的熔融二氧化硅。最初用的二氧化硅尺寸为 7m , 这样的颗粒不能黏附在毛细管壁上，也不会自行聚集，必须和一种黏结剂一起进行涂渍。例如把固定相和一种表面活化剂，如氯化苄基二苯基膦(BTPPC)，共同作黏结剂。涂渍分两步进行: 首先把 Silanox 101 旋浮于稀的固定相溶液中，把此溶液通过毛细管柱，二氧化硅颗粒被固定相黏附在管壁上。第二步把较浓的固定相溶液再通过毛细管柱，使固定相的量达到所需的量。第一步所用的典型溶液是把 0.5 g 的固定相用超声波与 2 g Silanox 101 及 100 mL 高密度溶剂(如四氯化碳或三氯甲烷)制成旋浮液。毛细管柱先用上述溶剂湿润一下，把上述旋浮液通入毛细管柱，通入的旋浮液量为25%的柱长，以 5 cm/s 的速度使旋浮液向前移动。等旋浮液的液柱离开毛细管，用氮气吹拂 3 h 使之干燥。第二步是把固定相溶于黏度小的溶剂(如异辛烷)中，把此溶液通入经第一步处理过的毛细管柱中，速度为 2 cm/s 。但是这种方法不易于极性固定相的涂渍。目前使用粒度更小的二氧化硅进行涂渍。毛细管气相色谱系列讲座（21）毛细管气相色谱柱（五）预处理2去活石英毛细管柱的去活 一支高性能的毛细管柱应具备四个方面的优良性能: 柱效高，活性低，热稳定性好，和保留性能重复性好。而要想达到这样的性能，去活是必不可少的步骤。无论是玻璃柱还是石英柱都需要去活，为此人们进行了大量的研究工作，积累了丰富的经验。但是没有一种万能的去活方法，必须依柱材料和所涂固定相的不同，采取不同的去活方法。1 早期的去活方法 早在70年代初 Aue 就发现用 PEG 20M 在 280下处理硅藻土载体，可使载体去活得到高柱效。之后有人把 Aue 的方法用于玻璃毛细管柱的去活，方法是: 用 2