1、气相色谱柱概述第 1 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
2、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（Packed Column）；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（Capillary Column）或者称开管柱（Open Tubular Column）。 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
3、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 15 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
4、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
5、产物等复杂混合物分离的唯一有效工具。第 2 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
6、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
7、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
8、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；Chromosorb 100（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 401408 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 3
9、 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
10、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
11、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
12、、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 4 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
13、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
14、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
15、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
16、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、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
17、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 2-6cms，不得超过 10cms。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。也可采用汞塞法提高动态法的效
18、果：往色谱柱管中吸入柱长 10的固定液溶液，停止抽空，使毛细管入口离开液面，让液栓后的弯月面移动几厘米。然后把柱人口处擦干净，取一小滴干净的汞放人管中，使汞塞长度为 8-10cm，举起毛细管人口端以重力使汞塞进入柱中。把毛细管柱平放在没有对流风的桌面上，并用一块玻璃片盖在毛细管平面上，在毛细管末端装一段缓冲柱。施加一定压力使汞塞向前移动，速度约为 0.50.7cms，待液体离开毛细管柱之后，取下缓冲柱。加大气体流量吹扫色谱柱 20min，然后进行色谱柱的老化。、静态涂渍法：静态涂渍法的优点是重现性好，柱效高。其方法要点是把固定液的稀溶液(2-20mg/ml)用真空系统吸人毛细管柱中，一端封口，
19、从另一端抽真空，在低于溶剂沸点 1015 的恒温条件下使溶剂慢慢蒸发出去。这样在管壁留下一层薄薄的液膜。在静态涂柱的方法中，毛细管口的密封是一个关键性问题，溶剂与封口的交界面不能留下气泡，否则它将会把柱内的部分或全部涂渍液带出柱外。为了缩短制作柱子的时间，选用溶剂时除考虑对固定液的溶解性能外，还应尽量选用挥发性强的。例如，一支 20m 长、内径为 0.32mm 的毛细管柱在室温下蒸发，若用二氯甲烷作溶剂需要 15h，而选用正戊烷只需要 8h。Kong 等人提出了高温(85)下的静态涂渍法，加快了溶剂的挥发速度。国内徐秉玖等人改进了这一方法，建立了所谓自由逸出静态涂渍法。该方法是在高于溶剂沸点7
20、5或 80的恒温条件下进行。不需抽真空使溶剂自由挥发，蒸发溶剂时在毛细管柱上接上一段缓冲柱增加阻力。这种方法简便，涂渍速度快，柱效高，可用于各种柱径和固定液的涂渍。、毛细管柱的交联：涂渍在毛细管柱内的固定液，通过分子间的共价连接(原位交联)或与毛细管柱壁连接(键合)，使液膜稳定性得到提高。制备这种毛细管柱的技术称之为毛细管柱的交联。交联柱有下列优点：减小柱流失，提高柱子的使用温度，交联使原来线性的固定液分子变成网状结构。制备好之后，用溶剂把未交联的低分子物质洗去，从而提高了固定液的热稳定性。抗溶剂冲洗，有利于柱内污染物的清除。防止固定液在柱中脱落，允许注入大体积稀溶液而不致于造成损坏液膜。 防
21、止固定液的热重排。固定液交联形成的固定液网状结构阻止热重排。制备交联柱有两种方法，其一是通过固定液的缩合或固定液在柱壁上的硅醇基反应形成 Si-O-Si 键而实现交联固化。另一方法是聚硅氧烷上的甲基(或乙烯基)经引发剂引发产生 SiC-C-Si(即碳与碳间形成键)的反应。第 5 节 填充色谱柱的制作填充色谱柱的制作o 管材: 玻璃管, 金属管和塑料管.o 尺寸: 分析用的填充色谱柱管外径有 3.18, 4.76 和 6.35mm 三种; 供制备用的填充色谱柱管外径 1-10cm; 色谱柱的长度都很少超过 10m; 分析用填充色谱柱的长度大多在 3m 以内.1.不同填充色谱柱尺寸条件下载体粒径和
22、载气流量的选择柱内径/mm短柱载体粒径/目长柱载体粒径/目氮气/ml.min-1氢气/ml.min-1o 2o 3o 4100-120100-12080-10080-10080-10060-808-15 15-3030-6015-30 30-6060-100注: 短柱长度大于 3 米, 长柱长度小于 3 米2.色谱柱的试漏将色谱柱浸在水中, 出口堵死通气, 在高于使用压力条件下不应有气泡冒出. 注意在清洗后还应试漏一次, 以防止因堵在漏洞处的污物被清洗后造成的泄漏.3.色谱柱的清洗o 玻璃柱: 可用洗耳球将 K2CrO4.H2SO4 洗液吸入 , 浸泡一段时间后用自来水冲洗至中性后烘干备用.o
23、 铜柱: 用 10%的盐酸溶液浸泡. 为了增加去污效果应用水泵抽洗, 直至抽洗液中没有金属, 铜锈或其他悬浮杂质为止, 然后用自来水冲洗至中性后烘干备用.o 不绣钢柱 : 用 5%-10%的热 NaOH 的水溶液抽洗 4-5 次, 以除去管内壁的油腻和污物, 然后用自来水冲洗至中性后烘干备用.4.载体的选择常用的载体有红色硅藻土载体, 主要用于分析非极性和弱极性化合物, 白色硅藻土载体, 主要应用于极性和碱性物质的分析, 非硅藻土载体如玻璃微球可分析甾族化合物, 氟载体耐腐蚀用于分析强极性化合物.5.载体和固定液的用量先依据柱长和柱内径计算所需载体的体积(V), V=r2L (r, L 均以
24、cm 为单位). 然后用量杯量取计算值 V 的 1.2 倍的载体在天平上称量质量(m=V/),再按配比称取固定液的质量, 常用固定液的质量百分含量为 5-30%.6.溶剂的选择所选溶剂应不和固定液发生化学反应, 但能和固定液形成无限互溶体系, 且容易挥发, 选择的依据是溶剂和固定液之间的相似相溶原理, 溶剂的用量为载体体积的 0.8-1.0 倍.7.固定液的涂渍o 浸渍法: 将固定液溶于适量溶剂中, 待完全溶解后, 迅速倾入载体, 轻轻搅拌均匀, 用红外灯加热使溶剂缓慢挥发. 使用低温固定液时, 尽量使溶剂缓慢自然蒸发.o 回流法: 难溶解的固定液可与溶剂回流加热至溶解, 然后倒入载体加热回流
25、1.5-2 h, 倒出使溶剂挥发掉, 其中的载体在配置前应先烘干 .o 减压抽滤涂渍 : 在吸滤瓶中放入 10ml 液相溶液, 加 20 g 载体. 用水泵抽吸滤瓶几分中, 然后停止抽吸, 放置 15 分钟. 将吸滤瓶中的物质倒入烧结玻璃漏斗中, 抽真空 15 分钟后将载体分散在滤纸上干燥, 最后在 80-l00的烘箱中干燥,熔点低的溶液应在室温下干燥.8.固定相的装填与成型固定相的装填应紧密, 均匀, 不能存在沟槽和断裂, 同时柱端的死体积要小, 装填过程中还应防止载体破碎. 在链接色谱柱时, 一定要注意方向！把原来接真空泵的, 装填比较紧密的一端接检测器, 另一端接汽化室. 这样可以提高柱
26、出口压力,使载气的线速均匀, 柱效高, 若方向接反, 柱效将下降约 10-20%. 常用的固定相的装填方法有o 振动法: 将柱管直立, 一端塞上玻璃棉, 由上端漏斗加入固定相 , 边装边敲, 装满后用玻璃棉(最好经过硅烷化)堵死, 再加工成所需形状.o 抽空法: 装填螺旋柱时可用有干燥装置的真空泵抽, 抽空时稍加振动, 柱一端堵好玻璃棉防止载体进入泵内.9.色谱柱的老化涂渍好的柱子, 使用前都需经过老化处理, 以除去制备柱子时可能产生的挥发性成分和不稳定物质. 老化温度一般应选在固定相最高使用温度之下, 实际操作使用温度之上, 老化时将制得的柱装在色谱仪上, 并将柱末端和检测器断开, 缓慢升温
27、. 或者可选择在高于使用温度 20-50的条件下通氮气老化至少 6-8 h. 注意老化过程色谱柱出口不能接监测器以防污染.第 6 节 毛细管色谱柱的发展与分类毛细管色谱柱的发展与分类毛细管的材质最常用的是玻璃和石英, 工业上使用熔融拉制的方法生产, 其中石英毛细管一拉出来时总要在外表面涂上一层聚酰亚胺保护膜以增加毛细管的强度和弹性. 石英毛细管柱表面往往呈酸性, 使用之前应在室温下通氮气清洗柱子,对于 20m 的柱子可用氮气清洗 20min(pH 试纸不变红)以除去部分酸性气体, 更严格的试验可在 260下通氮气 2 h 以进一步除去酸性气体.毛细管色谱法的历史包括三个明显的发展阶段o 70
28、年代毛细管键合交联柱的制备(immobolization), 通过固定液薄膜的三维共价交联生成具有低固定相流失特征的良好稳定性毛细管色谱柱.o 80 年代, 大孔径毛细管柱的制备 (megabore column), 通过增加毛细管的孔径和固定液薄膜的用量来提高分析样品的容量和组分检测的灵敏度.o 90 年代, 集束毛细管柱的制备 (multicapillary column), 使用一束小孔径毛细管色谱柱做为一个整体用于色谱分析, 以达到大容量进样条件下具有较高分辨率的目的.按照固定相的分布特征毛细管色谱柱分为1.常规开管型毛细管色谱柱o 涂壁毛细管柱 (Wall Coated Open T
29、ubular column, WCOT), 直接在毛细管的内壁涂载固定液.o 多孔层毛细管柱 (Porous Layer Open Tubular column, PLOT), 在毛细管的内壁制成一层多孔.2.固体载体做为色谱固定相涂载体毛细管柱(Support Coated Open Tubular column, SCOT) 在毛细管的内壁制成一层多孔固体载体, 再将固定液涂载在载体上.o 小孔径毛细管柱 (microbore column), 内径小于 100m 的弹性石英毛细管柱o 大孔径毛细管柱 (megaobore column), 内径 530m, 常做成厚液膜柱(如 5-8 m
30、)3.填充型毛细管色谱柱先在玻璃管中装载体或吸附剂, 然后拉制成毛细管色谱柱, 或者先拉制成毛细管,再把固定相直接填充到毛细管柱. 后一种方法制备的色谱柱也叫微填充柱.第 7 节 玻璃毛细管内表面有机固定相的润湿和分散玻璃毛细管内表面有机固定相的润湿和分散1.润湿性和接触角润湿性是指液体在固体表面上的分散程度, 润湿性好坏可以直观的用液体在固体表面分散以后的接触角来判断. 当液体分散在固体表面上时, 液体-固体之间的界面与液体-气体之间的曲面切面形成的通过液体内部的夹角叫接触角 . 接触角越小, 液体在固体上的润湿性越好, 接触角为零时液体在固体上完全分散, 润湿性最好.2.表面张力和玻璃的临
31、界表面张力液体在固体表面的分散性能取决于固体表面, 液体表面和固体-液体界面三种界面张力作用于交界处力的平衡结果. 一般情况下由于液体的表面张力(3.0-5.010-4N/cm)多大于玻璃的临界表面张力(CST3.010-4 N/cm), 大多数固定液在玻璃表面的润湿性能较差, 很难涂渍成均匀分散的液体薄膜. 通常从两个方面考虑改变玻璃管内壁有机固定相的润湿性, 改性处理玻璃管内壁, 提高玻璃管内壁的表面张力; 改变固定液的性能, 如添加表面活性剂等, 减小固定液的表面张力.第 8 节 毛细管的化学腐蚀法和物理填充法改性毛细管的化学腐蚀法和物理填充法改性普通玻璃的化学腐蚀法表面处理化学腐蚀法适
32、用于普通玻璃制备的毛细管, 常用的处理方法有以下两种1.用 HCl 处理钠钙玻璃毛细管柱使内臂生成氯化钠结晶将 HCl 气体连续地通过置于 350 的钠钙玻璃柱管 2 h, 生成均匀的氯化钠颗粒,或将 HCl 气体充满柱管, 封死其两端后, 在 360加热 3 h, 生成较大的氯化钠颗粒.这种方法形成的晶体与玻璃的表面组成有关, 难于重复; 涂渍液会溶解少量氯化钠晶体; 同时由于钠钙玻璃内壁存在碱性活性位, 这种活性位在高温条件下往往容易催化分解固定液.2.用 HF 处理硼硅玻璃毛细管柱使生成 SiO2 晶须直接将 HF 气体或加热后产生 HF 气体的物质填充到硼硅玻璃毛细管内, 在一定温度下
33、腐蚀, 使毛细管内壁产生 SiO2 晶须状物质. 这种方法产生的晶须不易脱落, 可能导致柱效不高.填充毛细管和多孔层空心毛细管的制备1.填充毛细管柱(packed capillary column)在玻璃管中填装固体, 然后拉制成毛细管柱, 固体则嵌在柱内壁, 固体可以是吸附剂做固定相直接使用, 或固体载体拉制后再涂渍固定液使用.2.多孔层空心毛细管柱 (porous layer open tubular column)在拉制的毛细柱管内壁分散一层多孔性物质, 如石墨化碳黑, 分子筛等, 然后涂渍固定液或做为吸附剂固定相直接使用.第 9 节 石英毛细管柱的粗糙化石英毛细管柱的粗糙化1.沉积石墨
34、化碳黑使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, 也可以把石墨化碳黑胶体溶液沉积到弹性石英毛细管柱内壁上.2.沉积氯化钠氯化钠的胶体溶液以动态法涂渍在毛细管内壁上. 首先往 NaCl 饱和水溶液中加入 1,1,1-三氯乙烷制成胶体溶液, 把此溶液通过毛细管柱, 等溶剂蒸发后根据需要再涂第二次, 第三次, 第四次. 最后在 350 下加热 1 h , 使之重结晶. 其中胶体溶液通过柱子的量最少为 25L/cm2 柱表面,接触时间不少于 40min, 流动速度控制在 1-5 cm/s.用三氯甲烷代替 1,1,1-三氯乙烷制成氯化钠的胶体溶液, 制备出沉积氯化钠的玻璃或石英毛细管柱.
35、 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.3.沉积二氧化硅首先将少量固定相用超声波与 Silanox 101 和高密度溶剂制成悬浮液 , 其中的Silanox 101 为一种三甲基硅烷化的二氧化硅, 高密度溶剂为四氯化碳或三氯甲烷等. 在通入悬浮液之前首先用溶剂将毛细管柱湿润一下, 通入悬浮液的量为 25%的柱长, 以 5 cm/s 的速度使悬浮液向前移动 . 等悬浮液的液柱离开毛细管后用氮气吹扫 3 h 使之干燥. 这样在利用固定相将二氧化硅粒子黏附在毛细管壁上, 这一步也可以加入一定量的表面活性剂如氯化苄
36、基二苯基膦以增加二氧化硅粒子的分散性. 接着将固定相溶于黏度小的溶剂如异辛烷中, 把固定相溶液通入经氧化硅粒子处理过的毛细管柱中使固定相达到所需的担载用量. 这种方法不易用于极性固定液的涂渍, 其中使用的二氧化硅尺寸大到 7m, 目前使用更小粒度的二氧化硅涂渍.使用粒度小于 1 m 的高纯 SiO2 粉末也可以实现粗糙化石英毛细管的目的. 先将 SiO2 粉末在 300烘 3 小时, 然后和溶剂三氯甲烷和二氧杂环己烷等溶剂相混合,超声波振荡后将二氧化硅粒子分散成均匀的悬浮液 . 涂渍二氧化硅粒子之前先用三氯甲烷润湿毛细管,把毛细管一端插入配置好的二氧化硅悬浮液抽入一定量的二氧化硅悬浮液, 用汞
37、塞法使液柱通过柱子, 再使用较低的氮气流速吹扫溶剂后得到二氧化硅粒子涂层. 这种方法可以方便的用于石英毛细管柱的粗糙化,二氧化硅粗糙化后的石英柱可以涂渍极性较强的固定液, 如 OV-225,OV-275 等,得到极性色谱柱.第 10 节 石英毛细管柱的去活石英毛细管柱的去活由于材料中杂质的存在, 未经处理的毛细管表面总是不可避免的分布着各种各样的活性位点. 这些活性位可能使固定液分解, 也可能对所要分离的酸性或碱性组分产生较强的吸附, 或者使分离组分催化分解, 所以在色谱柱的制作过程中总是要对毛细管表面进行去活处理, 而经过去活处理后的色谱柱往往对色谱固定液具有良好的分散性. 根据处理方法的差
38、异, 去活过程可能产生如下三种的效果:o 除去或减少活性物质o 改变活性基团的性质o 把活性基团隐藏起来 , 使之不发生作用毛细管的水热处理把石英毛细管表面在高温条件下用稀盐酸进行处理, 这种过程在毛细管的内表面产生大量的硅羟基, 同时能使金属氧化物杂质溶解, 增加毛细管的亲水性, 同时减少毛细管表面活性位的数量. 实验在毛细管中装入一段 2%的盐酸溶液, 以大约 5 cm/s 的速度让盐酸溶液动态涂渍到毛细管内壁, 再用丁烷-氧火焰把毛细管柱两端封口, 封口后的毛细管柱在 220下加热 6 h.毛细管的去活处理o 聚乙二醇处理这种方法用一定含量的 PEG-20M 溶液涂渍毛细管柱, 把两端封
39、口后在 280下加热 16 h, 然后用二氯甲烷和甲醇洗涤毛细管柱即可. 当使用的 PEG-20M 含量较低时可用于涂渍非极性色谱固定液, 当 PEG-20M 含量较高时可以用于极性固定液的涂渍, 所得色谱柱在 250分离条件下使用效果很好, 当温度大于 250性能变差.o 硅烷化处理1.高温硅烷化去活方法把六甲基二硅胺烷(HMDS), 三甲基氯硅烷(TMCS)等试剂以动态 4-5 cm/s 的线速度涂渍在毛细管内表面, 柱两端封口后快速加热到 300保持 20 小时.2.聚硅氧烷高温裂解去活用动态法把 OV-101 涂渍在毛细管柱中 , 柱两端封口后加热 2-20 h . 在加热过程中聚硅氧
40、烷受热部分分解, 一些分解产物和毛细管柱表面上的硅醇基反应, 然后用溶剂把未分解的聚硅氧烷洗去. 这一方法要在高达 450的温度下进行, 不能用于弹性石英毛细管柱的去活, 这一温度条件下弹性石英毛细管外的聚酰亚胺涂层分解.3.含氢硅油裂解去活由于聚硅氧烷高温裂解去活需要高温下处理, 为此有人提出用含氢硅油作硅烷化试剂, 使用含氢硅油代替聚硅氧烷可以在 250对石英毛细管进行去活处理.其它的方法完全类似, 其中当硅烷化试剂中含有和固定液相似的官能团时去活效果和固定液的分散性能均较好.第 11 节 毛细管固定液的涂渍毛细管固定液的涂渍涂渍过程是固定液在毛细管柱内表面的均匀散过程, 包括动态涂渍和静
41、态涂渍两种方法. 改性后的毛细管可用于固定液的涂渍.1.动态涂渍法动态涂渍法是将要涂渍的固定液配制成一定浓度的溶液, 溶液在气体的推动下流过要涂渍的毛细管柱, 控制涂渍液的线速度待溶液流出毛细管柱后继续通气体使溶剂挥发完全, 这样在毛细管内表面就留下一层很薄的固定液液膜.例如以二氯甲烷或丙酮作溶剂, 配成 5-30 g/100ml 的溶液, 放入适当的容器内,用高压氮气在严格控制流速条件下将固定液压入毛细管内; 当 25%柱体积被充满时, 将插入固定液端的毛细管提起, 让氮气气流以 1-2 cm.s-1 稳定流速推动液柱流过柱子, 为防止液柱离开柱子时柱压突然变化, 柱后连接一段内径相同长度为
42、 1/4 涂渍柱长的缓冲柱. 涂后的柱子继续通氮气 3-4 小时以完全去除溶剂.动态涂渍适用于粘度低, 流动性好的固定液涂渍, 所得毛细管柱的液膜厚度和均匀性取决于涂渍液的浓度, 粘度, 温度, 流动速度以及溶剂的挥发速度.这种方法简便快速但重复性差, 所得色谱柱的柱效比静态法低, 并且液膜厚度较难准确预测.2.汞塞动态涂渍法汞塞动态涂渍法将一小段汞插在涂渍液与推动气体之间. 由于表面张力的存在,汞塞滚压后多余的涂渍液从柱内壁表面移出柱外, 由于汞塞的作用这种方法还可以涂渍浓度和粘度较大的固定液.汞塞法是动态涂渍固定液较好的方法, 但不适于涂含引发剂的固定液, 因引发剂可将汞氧化堵塞毛细管.
43、所以当采用引发剂时, 一般先用汞塞法涂上液膜, 再用动态法涂引发剂交联.3.超动态涂渍法用高流速气体使液柱快速通过色谱柱, 当液柱完全离开缓冲柱后, 在同样压力下用氮气吹 0.5-1.5 小时即可 .超动态法快速, 简便, 适应于大口径厚液膜毛细管色谱柱的制备, 而且柱效与静态法涂渍的效果相当, 但超动态法涂柱速度比静态法快的多.4.静态涂渍法静态法将准确计量的低浓度固定液溶液充满毛细管柱, 将一端除气后封死, 另一端接真空系统恒温减压下条件下抽去溶剂, 这样在毛细管内壁就留下了一层固定液液膜.如用戊烷, 二氯甲烷等易挥发溶剂配成的低浓度固定液充满色谱柱, 一端封死先放置数小时, 再将另一端接
44、真空泵, 在低于溶剂沸点 10-15条件下恒温缓慢蒸发溶剂. 最后在色谱柱中就留下了一层良好分散的固定液薄膜.静态涂渍法制备的毛细管色谱柱柱效很高, 但制备过程时间长, 一般只能制备30m 以内的色谱柱.静态涂渍法操作过程中溶剂与封口的交界处不能留下气泡, 否则它会部分或全部将柱内的涂渍液带出柱外, 使涂渍操作失效. 其中常用的封口物质有水玻璃, 有机胶以及各种蜡酯等等.5.自由逸出静态涂渍法自由逸出静态涂渍法不需要抽真空, 制备过程将充满固定液溶液的色谱柱一端封死, 另一端开口与大气环境相连, 在远高于溶剂沸点的恒温条件下使溶剂快速蒸发.自然溢出静态涂渍法简便快速, 柱效高, 液膜厚度可准确
45、控制, 特别适应于长而管径小的色谱柱的制备.第 12 节 毛细管固定液的交联与键合毛细管固定液的交联与键合正常情况下固定液分子之间以及固定液和氧化硅玻璃表面之间的聚集和分散仅仅依靠分子之间相互作用力的形式来维持, 这样较高的温度或溶剂的作用都可能使固定液分子从毛细管壁上流失. 这种流失现象可以从固定液分子之间的共价键交联和固定液在玻璃表面的共价键键合两个方面来改善.1.固定液在玻璃表面的共价键键合固定液与毛细管壁硅醇基直接反应形成共价键, 这种共价键的形成使固定液分子牢固的结合在毛细管玻璃表面, 增强了毛细管色谱柱的稳定性.如将端羟基聚硅氧烷和有机金属催化剂混合涂渍在毛细管柱的内壁, 通载气的
46、条件下程序升温至 280反应 6 小时, 即可在固定液分子和色谱柱的端羟基之间形成 Si-O-Si 键. 同时通过改变端羟基化合物的结构和极性 , 如进一步结合一定含量的苯基或氰基生成不同极性的玻璃毛细管表面.这种键合了不同极性官能团色谱柱进一步涂渍相应极性的固定液可以生成不同极性的性能稳定的色谱柱.2.固定液分子之间的交联反应当固定液分子中含有可发生聚合反应的官能团时, 通过引发这些官能团之间的聚合反应在固定液分子之间形成共价键, 形成固定液分子之间的三维共价网状结构,从而达到增加固定液稳定性的目的. 如含有乙烯基官能团的聚硅氧烷 SE-54,OV-1701 等通过过氧化物引发后发生烯键之间
47、的聚合反应形成 Si-C-C-Si 共价交联结构.常见的交联反应有:o 过氧化合物或偶氮化合物引发的交联反应. 其中的过氧化物引发剂包括过氧化苯甲酰(BP), 过氧化二异丙苯(DCUP), 过氧化叔丁基 (TBP)等. 偶氮化合物引发剂有偶氮叔丁烷(ATB), 偶氮叔辛烷(ATO), 偶氮二异丁腈(ATBN), 氮叔十二烷(ATD)等.o 臭氧引发的自由基交联反应可用于非极性和中等极性固定液的交联反应. 固定液中含甲苯基和乙烯基时有利于交联反应的发生. 这种反应更适合于固定液膜较薄的毛细管柱的制备, 其中的交联条件易于控制, 重复性好, 设备简单, 同时固定液膜中不存在引发剂单体分解后残留的副
48、产物.o 辐射引发的交联反应将涂渍好固定液的柱子用 射线照射, 辐射剂量为0.5MR.h-1, 照射时间 0.2-100 小时. 和臭氧引发的交联反应类似, 这种方法不会引入任何杂质, 结果可靠, 可用于非极性和中等极性固定液的交联.3.溶胶凝胶法近年来也出现了溶胶-凝胶法制备毛细管柱的做法. 经过预水解制备的溶胶-凝胶前体与石英管内壁牢固结合形成二氧化硅三维网状结构, 同时固定相与三维网状结构结合形成稳定涂层. 这一技术把传统工艺中的脱活, 涂渍, 固定相键合等操作合为一体, 显著简化了操作过程, 在手性杯芳烃和环糊精衍生物色谱柱等的制备中均取得了良好的效果.第 13 节 毛细管色谱柱的老化
49、毛细管色谱柱的老化涂渍好的柱子, 使用前都需经过老化处理, 以除去制备柱子时可能产生的挥发性成分和残留在固定相中的不稳定物质. 老化温度一般应小于固定相的最高使用温度, 大于实际分析中使用的工作温度. 将制备的毛细管色谱柱装在色谱仪上, 色谱柱的末端和检测器断开, 在载气流通条件下缓慢升温到老化温度维持 6-7 小时.其中的老化温度也可以参考选择高于工作温度 20-50. 这里一定注意当老化温度过高时会发生固定液的流失或分解, 损坏色谱柱.第 14 节 毛细管色谱柱的评价毛细管色谱柱的评价毛细管色谱是色谱分析技术中最成功的分析技术之一, 随着毛细管色谱技术的广泛采用, 高柱效, 低流失的性能成了今后毛细管色谱柱的发展方向.一般评价毛细管色谱柱的方法是在一定条件下分离一组混合物样品, 包含各种典型官能团, 检测色谱柱的分离性能. 样品中的典型组分包括烷烃, 芳烃, 醇, 二元醇, 醛, 酮, 酚, 胺酯和游离酸, 文献中更多使用的是 Grob 试剂. 一个好的毛细管柱不仅应该柱效高和选择性好, 还应兼具热稳定性好和催化活性小等特点. 柱子的选择性主要通过要分离
