气相色谱之色谱柱篇

气相色谱柱学习完本单元你应该掌握：解释和说明气相色谱中分析物和固定相之间的相互作用力。针对不同的分析物和应用类型选择合适的色谱固定相。针对不同应用类型选择合适的色谱柱规格。理解如何调整色谱柱的物理参数，从而能在合理的时间内获得高质量的分离效果掌握在实际操作中色谱柱的存放、安装和老化原则。比较对照气相填充柱和气相毛细管的异同。描述气相色谱作用力与保留时间的关系及分子间基本的相互作用力。探讨各种不同种类的色谱固定相，以及选择固定相时的关键因素；研究气相毛细管色谱柱的重要物理参数，以及与气相色谱保留时间、分离度和柱效率之间的关系简述色谱柱流失以及降低柱流失的方法正确安装色谱柱和老化操作气相毛细管色谱柱毛细管色谱柱出现在1958年9月Golay发表的专利中，但是从那以后并没有被广泛使用，直到19世纪70年代后期才开始越来越流行。而现在绝大多数气相色谱仪使用毛细管色谱柱。空心毛细管柱是一个长且细的二氧化硅管在其内壁涂有固定相薄膜，膜的厚度非常薄，固定相一般包括聚合物液体、树脂、微粒或沸石。因此，将这种色谱柱称为涂壁空心柱(WCOT)，在所有气相色谱柱中分辨率及柱效率最高。这主要是由于毛细管色谱柱技术可以实现细长且均匀的固定相薄膜。石英玻璃是生产涂壁空心毛细管色谱柱最好的材料，因为其可塑性强、化学惰性而且柱效率很高。当聚合物固定相完全“湿润”玻璃管，便在其内表面形成均匀的固定相薄膜。虽然使用的石英玻璃具有较高的抗拉强度，但是，石英管的管壁很薄，在实验室环境中也很容易被快速腐蚀或损坏。因此，在色谱柱的外表面涂有聚酰亚胺的保护层，可以使最高使用温度(硅胶柱)达到360℃左右。在使用过程中若所需柱炉温度较高，可选用不锈钢包裹的石英柱。石英管的内表面用化学方法处理减小样品与管道之间的相互作用。所选用的试剂和涂层方法取决于管壁的固定相类型。大多数色谱柱需要进行硅烷化，即石英管表面的硅醇基(Si-OH)与一个硅烷试剂进行反应(相关内容见钝化作用章节)。气相色谱填充柱与毛细柱的比较气相色谱填充柱通常用玻璃或不锈钢制成。填充柱由固定相涂层的二氧化硅颗粒(通常在30/40目到100/120目之间)填充而成，颗粒越小柱效率越高。典型的气相色谱填充柱长为2m-4m，内径在2mm到4mm之间。由于涂壁空心毛细管柱是空心管，整个色谱柱的压力降(反向压力)非常低，因此长度可达到60m以上，而这对于填充柱来说是不可能的。毛细管气相色谱柱的液相薄膜很均匀，柱效率非常高，一般为每米3000-5000块塔板。填充柱的固定相膜较厚并且不均匀，柱效率很低，一般为每米1000-2000塔板。因此，毛细管色谱柱总塔板数远远高于填充柱。由于涡流扩散也会造成填充柱的谱带展宽，涡流扩散是范德姆特方程中的术语，最终导致柱效率降低。当然，毛细管柱不是用颗粒材料填充而成，因此没有涡流扩散的影响，也不会造成谱带展宽，这种情况Golay在他改编的范第姆特方程中进行了阐述（可以参考高效液相色谱法理论知识的谱带展宽章节）。固定液与分析物之间的相互作用概述在开始研究固定相的类型及其与分析物分子的相互作用之前，需要理解两个重要的概念，即分子的极性和分子间的偶极作用。这些相互作用力便是吸附机理的基础同时也是分析物能够被气相色谱保留的基本原因。通常我们也根据气相色谱固定相的极性(无极性)进行分类，所以对分子极性的理解非常重要。所有共价键分子内的原子之间共用电子。非极性共价键的原子之间，电子电荷均匀分布，最简单的非极性共价键分子是双原子分子，如Cl2或H2。这种类型的分子没有建立固定的电子活动区域，电子均匀分布。相反,“极性”键的电子云分布不均匀。元素周期表中相差超过两个主族的两种非金属原子之间通常形成极性键：典型的例如HCl分子。蓝色箭头所指方向的原子带有很高的负电荷，分子总体形成一个“偶极矩”，即它分别包含一个相对的正极和负极中心(这就是两极分化)。下表列举了其他一些常见有机物分子的偶极矩。虽然在一个分子内有不止一个偶极子(极性键)，但是可以用总的偶极矩来指示总电荷的分布情况。相互作用力一：电负性电负性是某元素的原子吸引电子形成共价键能力的相对标度。从上面的图可以看出，电负性与原子半径的变化趋势相同。通过比较形成共价键原子的电负性可以判断一个分子是否存在偶极矩。例如，当两个原子之间的电负性之差超过0.5个单位，那么此键可能是极性键，除非分子高度对称。C-H=2.5-2.1=0.4单位电负性，那么此键为非极性键C-O=3.2-2.5=1.0单位电负性，此键为极性键分析化学中常见的共价键：C-F=4.0-2.5=1.5个单位电负性差（极性很强的共价键用来区分共价键和离子键）C-N=3.0-2.5=0.5电负性（极性共价键）O-H=3.5-2.1=1.4（强极性共价键）C-S=2.5-2.5=0（非极性共价键）相互作用力二：色散力在气相色谱中，由于溶质分子与固定相的相互作用大于流动相，因此溶质分子被吸附保留在固定相内。气相色谱的独特之处还在于分析物与流动相之间的化学作用力非常小，因此分析物分子与固定相之间的相互作用力就非常重要。在气相色谱中分析物与固定相之间的相互作用力分为三类：色散作用偶极作用氢键色散作用最难描述和想象，因为他们是由分子中电子或原子核振动而引起电荷的波动现象。这种波动是随机的，基本上是一个统计性的效果。分子中的原子核和核外电子有偶极矩，由于波动性从而导致整个分子的总的电荷量为零。然而，在任何时刻，偶极子可以与其它分子的瞬时偶极子相互作用。色散力是普遍存在的，而且任何分子间的相互作用都能产生色散力。单个的分子也存在色散力，而且即使存在其他类型的相互作用，色散力也是一直都存在的。烃类化合物之间仅存在色散作用。低分子量的烃类化合物为液体而不是气体完全是由于烃类化合物的分子之间的色散作用力。相互作用力三：偶极力分子之间的偶极-偶极作用分为两类：即两个永久偶极子分子之间的偶极-偶极作用，以及永久偶极子与可极化的分子之间的偶极-诱导偶极作用。偶极-偶极作用力非常强，永久偶极子分子之间一般会产生偶极-偶极作用，例如醇、酯、醚、胺、酰胺、腈等。当然，与偶极作用一样色散作用也能使分子间产生相互吸引力，但是偶极-偶极作用的强度远远超过色散作用。在当一个永久偶极子分子接近一个可极化分子时会产生偶极-诱导偶极作用，通常这些分子都含有p电子（即芳香族或不饱和化合物）。这种作用力的强度介于色散和偶极-偶极作用力之间。分子之间仅发生色散作用的同时也伴随产生偶极作用。相互作用力四：氢键氢键是偶极-偶极作用的一个特例，在氢键作用下与偶极子相连的两个羟基分子互相靠近。氢键作用力比色散作用大很多，在极端情况下(如水与甲醇)偶极-偶极相互作用力的大小接近化学键的作用力。应该指出的是，即使分子间存在氢键，同时也会产生微弱的色散作用。固定相介绍：聚硅氧烷聚硅氧烷是最常见的固定相，聚硅氧烷的种类有很多并且其性能非常稳定能够通用。标准的聚硅氧烷是由硅氧烷分子缩聚而成。每一个硅原子上有两个可取代官能团，根据所连接官能团的不同来区分固定相的类型和性能。最基本的聚硅氧烷是100%甲基取代。如果存在其他官能团时，要标明各官能团的总数量。例如，5%二苯基95%二甲基聚硅氧烷其中包含5%的苯基和95%的甲基。前缀“di-”表示每个硅原子含有两个相同的官能团。有时即使两个官能团一致这个前缀也可以省略，例如上面的聚硅氧烷有时也可以称为5%苯基聚硅氧烷。如果甲基的百分比没有特别标明，通常将其理解为所有官能团的加和为100%（例如50%苯基甲基聚硅氧烷中有50%的甲基取代基)。氰丙基苯基的百分比值有可能出错，例如14%的氰丙基苯基聚硅氧烷含有7%的氰丙基和7%的苯基（连同86%的甲基）。这是由于氰丙基和苯基是连接在同一个硅原子上，因此其含量是两者的加和。聚硅氧烷的分类聚甲基硅氧烷固定相100%二甲基聚硅氧烷苯基聚硅氧烷固定相5%二苯基二甲基聚硅氧烷35%二苯基二甲基聚硅氧烷50%二苯基二甲基聚硅氧烷氰丙基固定相6%氰丙基苯基二甲基聚硅氧烷14%氰丙基苯基二甲基聚硅氧烷50%氰丙基苯基二甲基聚硅氧烷50%氰丙基二甲基聚硅氧烷三氟环丙基固定相35%三氟环丙基二甲基聚硅氧烷50%三氟环丙基二甲基聚硅氧烷官能团色散力偶极距甲基强无苯基较强弱氰丙基强很强三氟环丙基强中等常用固定相名称：CB-1、CBX-1、DB-1，BP-1，SPB-1，CP-SiL5，OV-1，SE-30固定相介绍：聚乙二醇固定相聚乙二醇类(PEG)被广泛用作色谱固定相。固定相名称中含有“wax”或“FFAP”是聚乙二醇或其衍生物。标准的聚乙二醇固定相不能发生取代反应，因为此聚合物是100%的固体材料，且不太稳定，比大多数聚硅氧烷固定相的使用温度低。在典型的应用中使用寿命较短，过热或暴露于氧气中容易损坏。但是，聚乙二醇独特的分离性能使得可以容忍这些不利因素的存在。聚乙二醇类固定相必须在气相色谱温度条件下能转变为液体。有两种类型的聚乙二醇被常用作气相色谱的固定相。一类固定相的温度上限较高，并且活性高（某些化合物的色谱峰拖尾），被称为“温度范围较宽的聚乙二醇类固定相”。另一类的温度上限较低，但再现性较好且化学惰性，这是标准的“wax”系列固定相。这两种固定相的分离特性略有不同。另外pH修饰也能改变聚乙二醇固定相。游离脂肪酸固定相(FFAP)色谱柱是经对苯二甲酸改性的聚乙二醇类固定相，这类色谱柱通常用于酸性化合物的分析。碱改性的聚乙二醇固定相也可以用来分析碱性化合物。标准色谱柱上分析强酸和强碱往往会导致谱峰拖尾。经过pH修饰的固定相可以降低强酸或强碱的峰拖尾。固定相的选择选择正确的固定相是确保气相色谱方法成功的最关键参数。因为分析物分子与流动相之间的相互作用几乎可以忽略不计，柱温度和分析物与固定相之间的相互作用是支配分离选择性的关键。使用温度将进一步在气相色谱的理论和仪器/气相色谱程序升温章节中进行讨论。下面重点讨论在选择合适的色谱固定相时需要考虑的因素。总则：色谱固定相选择的公认原则是“相似相溶”原理，分离极性分析物时需要一个极性的固定相，反之亦然。固定相选择的技巧已知(或经验性证实)，所选固定相的极性强度必须能避免保留时间过长，同时还可以获得令人满意的分离效果。当分离中等极性的化合物或分析物为极性和非极性化合物的混合物时，需要对每种固定相的保留能力及分离度完全了解。在这里主要讨论三种作用力的作用原理，即“色散力”、“偶极子”(包括偶极子和诱导偶极子)和“氢键”。固定相选择中的色散作用力所有常见的固定相与分析物分子之间通过色散原理相互作用，含有甲基和苯基的聚硅氧烷的色散力最强。色散力的大小与分析物的挥发性有关，一般来说，分析物越容易挥发它的保留时间会小，越早从色散型固定相的色谱柱中洗脱。分析物的沸点可以作为分析物挥发性的指标，因此，低沸点的分析物容易从色散型固定相色谱柱中快速洗脱出来。虽然，利用沸点可以很好的预测化学官能团相同的分析物(同系物)的洗脱顺序，但是当被分析物的化学官能团改变时，就不能用沸点大小来类推分析物的洗脱顺序。当所处理的分析物含有混合官能团时，以沸点大小类推洗脱顺序容易出错。例如，仲丁苯和正癸烷的沸点相同，之所以能将其分开，是由于它们与固定相作用的色散力大小不同。根据一般经验，如果两种化合物的沸点相差30℃或更高，那么大多数固定相可以将这两者分开，这主要由于色散力是许多固定相的主要作用力。如果化合物的沸点相差不到10℃(但和分析物不是同系物)，以沸点大小类推洗脱顺序是错误的。色散作用和固定液的极性另一个影响保留时间的固定相特性是固定相中苯基的含量。固定相中苯基含量越高，对芳烃溶质的保留时间相比脂肪族溶质的保留时间越长。这并不意味芳烃被更多的保留，而是相对于脂肪族溶质转移变慢。例如，增加固定相苯基的含量，正构烷烃类化合物先洗脱，烷基苯后洗脱。固定相的极性并不直接影响它的选择性，但是极性影响分析物的保留时间进而影响分离效果。换句话说，极性化合物更容易被极性固定相保留，反之亦然。改变固定相中苯基的含量会影响色谱柱的极性。苯基的含量增加，固定相的极性增加，由于苯基官能团中存在p电