浅谈气相色谱柱

浅谈气相色谱柱GASCHROMATOGRAPHICCOLUMN目录CONTENTS原理简介柱效理论影响柱效的因素结语0102030405原理•气相色谱仪以气体作流动相（载气），当样品进入汽化室气化后，被载气带入色谱柱内，样品中各组分在流动相和固定相之间进行反复多次的分配，由于样品中各组分的物理化学性质不同，在色谱柱两相间的分配系数和吸附系数不同，在载气的带动下各组分在柱子中的运动速度也不同，经过一定的柱长后，各组分在柱子末端分离开，然后通过接在柱子后的检测器根据组分的物理化学性质将组分按顺序检测出来。“•按照色谱柱内径的大小和长度，又可分为填充柱和毛细管柱。•毛细管色谱柱，又称开口管柱，是将固定相涂在管内壁的开口管，其中没有填充物。毛细管柱的内径远比填充柱小，填充柱内径通常大于2mm，而毛细管柱内径在0.1～0.5mm范围;填充柱长度一般在20m以内，而毛细管柱的柱长可从10m到100m以上，典型的柱长是30m。在满足分离度的情况下，为提高分离速度，现在也有人使用高柱效、薄液膜的10m短柱。“简介•速率理论以VanDeermter方程来表示色谱柱的理论板高H:•H=A+B/u+C·u(3)•式中，A为涡流扩散项，u为流动相线速度，B/u为纵向扩散项，C·u为传质阻力项，C·u分为固定相传质阻力项Cs·u和流动相传质阻力项Cm·u之和(Cs+Cm)u。在毛细管色谱柱中，可认为没有涡流扩散项，即A=0，故毛细管柱的柱效以下式表示:•H=B/u+(Cs+Cm)u5“速率理论对柱效的表示方法：•（一）固定相的性质：•1.选择性可以认为是固定相根据溶质分子在化学或物理性质方面的差异来区分两种溶质分子的能力。如果固定相与不同溶质间的相互作用不同，就可以实现它们的分离。6“色散力偶极作用氢键对于液态或胶质固定相（聚硅氧烷和聚乙二醇），有三种主要相互作用力：影响毛细管色谱柱柱效的因素：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。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。烃类化合物之间仅存在色散作用。（1）色散力是所有聚硅氧烷和聚乙二醇固定相最主要的相互作用力。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。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。（2）如果固定相可以靠偶极力相互作用，则偶极矩不同的溶质具有更好的分离能力。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。聚乙烯乙二醇类和氰丙基与三氟丙基取代聚硅氧烷具有偶极相互作用；甲基或苯基取代基团不发生偶极相互作用。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。如果溶质分子与固定相之间可形成氢键，则会发生氢键相互作用。如果化合物间的氢键相差不大，就需要更大量适宜的基团（如聚乙二醇，而不是14%氰丙基-甲基聚硅氧烷）。如果采用氢键相互作用能力不同的固定相，具有氢键形成能力的溶质的峰分离程度也常常会变化。010302（3）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。1)按极性相似原则选择；2)按官能团相似选择:若待测物质为酯类,则选用酯或聚酯类固定液;若待测物质为醇类,可选用聚乙二醇固定液；3)按主要差别选择:若待测各组分之间沸点是主要矛盾,可选用非极性固定液,若极性是主要矛盾,则选用极性固定液；4)选择混合固定液:对于难分离的复杂样品,可选用两种或两种以上的固定液；5)如果可能，便是使用含有与选择性检测器产生高响应官能团的固定相。2.固定相的选择一般根据“相似相溶”的原则，待测组分分子与固定液分子的性质（极性、官能团）相似时，其溶解度就大。•3.固定相的种类：可以用作气相色谱固定液的物质很多，已被采用的有近千种。按我国国家标准GB2991-82的规定，根据化学结构的不同，这些固定液可被分为烃类、聚硅氧烷类、聚二醇及聚烷基氧化物、酯类、其它含氧化合物、含氮化合物、含硫及硫杂环化合物、含卤素化合物及其聚合物、无机盐、其它固定液，共10类。•现在文献中出现次数最多，使用几率最大，即可以认为最常使用的固定液为:OV-101(甲基聚硅氧烷)；OV-17(50%苯基的甲基聚硅氧烷)；OV-210(50%三氟丙基的甲基聚硅氧烷)；Carbowax20M(聚乙二醇，平均分子量2万)；DEGS(二乙二醇脂丁二酸)，这组常用固定液性能稳定，极性间距均匀，应用面广，可从解决大量的一般性分析问题。11•早期的气相固定相主要集中于聚硅氧烷类、液晶类、环糊精类和冠醚类。但近几年，其他材料如室温离子液体、金属有机框架化合物和碳纳米管的研究和商品化方面有所突破。•1)1999年，Armstrong课题组首次将离子液体用作气相色谱固定相，且发现其在使用过程中具有“两性”的选择特性，这项研究表明离子液体同时具有极性和弱极性固定相的特性，其作为新型的分离材料在气相固定相方面具有较大的发展潜力。根据选择性能的不同，离子液体固定相可分为两大类:具有普通选择性能的离子液体;手性离子液体固定相。12•2)金属有机框架化合物具有如比表面高、热稳定性好、纳米级孔道结构均一、内孔具有功能性、外表面可修饰等优异的特性，可作为气相色谱固定相很好的分离介质，检测限可达ng/L。•3)此外，碳纳米管具有表面积大、活化点多，π-π作用力强等特殊性能，适合作为气相色谱固定相，而且其纳米级多孔有利于减小传质阻力，可得到对称的色谱峰，主要用于标准的混合物，如烷烃、芳香族化合物、醇类、酯类、酮类等。13•4.按固定相极性分类，安捷伦的毛细管气相色谱柱主要分为以下几类：•1)非极性：•100%二甲基聚硅氧烷：DB-1ms（与标准100%二甲基聚硅氧烷色谱柱相比，改善了酸性化合物的分离性能），HP-1ms，VF-1ms；DB-1，HP-1；CP-Sil5CB；Ultra1；•（5%苯基）-甲基聚硅氧烷：DB-5ms，HP-5ms，VF-5ms（比VF-1ms极性稍高，对芳香化合物据欧更高的选择性适用于分析中等极性甚至极性化合物）；Ultra2；DB-5，HP-5；CP-Sil8CB。•2)弱极性：•DB-XLB（理想的验证分析色谱柱）。14•3)中等极性：•（35%苯基）-甲基聚硅氧烷：DB-35ms（理想的确证分析色谱柱），VF-35ms；DB-35（比HP-35极性略强），HP-35（比DB-35极性略弱，理想的确证分析色谱柱）•（50%苯基）-甲基聚硅氧烷：VF-Xms（理想的验证分析用色谱柱-更高极性，可替代5%苯基柱；对半挥发性化合物如农药具有极高的选择性，在很短的分析时间内实现高效分离；对氯化物具有非常独特的选择性）；DB-17ms（农药分析最佳色谱柱），VF-17ms；DB-17（比HP-50+极性略强），HP-50+；CP-Sil24CB（尤其适用于分析氨基酸、药物和农药）。•14%苯基/86%二甲基聚硅氧烷：CP-Sil13CB（分析中等极性化合物）；15•固定相由6%氰丙基/苯基和94%二甲基聚硅氧烷组成：VF-1301ms薄膜色谱柱具有极低流失和与VF-624ms相似的选择性，适合半挥发性有机溶剂、PCB和农药的分析；DB-1301；CP-1301（分析除草剂，杀虫剂和许多药品）•由14%氰丙基/苯基和86%聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成固定相：VF-1701ms（适用于分析农药、多氯联苯和半挥发性有机化合物）；DB-1701；CP-Sil19CB（环境、食品和饮料、药品分析）；•固定相由25%氰丙基、25%苯基和50%二甲基聚硅氧烷组成：CP-Sil43CB;•(35%三氟丙基)-甲基聚硅氧烷：VF-200ms（对于高偶极矩相互作用化合物（例如酮、醛、硝基化合物或氯化物、多环芳烃和氯氟烃）的分析具有独特的选择性）；DB-200（比DB-1701或DB-17的极性强，分离位置异构体的理想选择，含有硝基、卤素和羰基等基团的化合物有独特的相互作用）；16•4)强极性：•（50%-氰丙基）-甲基聚硅氧烷：VF-23ms；DB-23（分离脂肪酸甲酯，适合于分离顺、反-异构体）•（50%-氰丙基苯基）-甲基聚硅氧烷：DB-225ms（非常适用于顺/反式脂肪酸FAME的分离），DB-225；•（50%三氟丙基）-甲基聚硅氧烷：DB-210；•聚乙二醇：VF-WAXms（专为极性化合物获得准确的质谱分析结果而设计）；DB-WAX，DB-WaxFF；DB-WAXetr；HP-INNOWax；CP-Wax52CB；Carbowax20M和HP-20M（适用于醇类、游离酸、醚、乙二醇和溶剂，DB-WAX是HP-20M的键合替代品）；•聚乙二醇和硝基对苯二甲酸二乙二醇酯：DB-FFAP（分析挥发性脂肪酸和酚类），HP-FFAP，CP-Wax58FFAPCB；17•（二）色谱柱内径：•柱内径对主要考虑的五个参数均有影响：柱效、保留、压力、载气流速和容量。•毛细管柱中流动相的流动存在流形扩散现象，即沿着管壁流动的流动相速度小于沿着轴心流动的流动相，造成色谱谱带的扩展。18•Golay方程对毛细管柱内径与柱效的描述有如下关系:•上式中，u为载气线速，Dg为气相扩散系数，k'为容量因子，r0为柱内径，df为柱内固定液膜厚度，Dl为液相扩散系数。从上式可知，在其它条件相对固定时，理论板高与柱内径的平方成正比关系，即柱内径越大，柱效越低，较小内径的色谱柱具有更高的理论塔板数。19•表1是“安捷伦”关于柱内径与柱效比较的例子。•当需要较高的柱效时，使用0.15、0.18或0.25内径的色谱柱，适用于低容量泵的GC/MS系统；当需要较高的样品容量时，使用0.32内径的色谱柱，对于不分流进样或大体积（2μL）进样时早流出的溶质有更高的分离度。20•（三）柱长•柱长影响柱效，保留时间和载气压力；•增加柱长，虽然可以有效提高柱效和组分分离度，但也使分析时间显著增加，柱长增加一倍，组分保留时间也几乎增加一倍，因此，在满足组分分离度的情况下，应尽量使用较短的色谱柱以提高分析效率。难以确定最佳长度时，可选择25～30m长的色谱柱试验后确定。21图1柱长与柱效、组分保留时间和分离度的比较22•（四）液膜厚度•从Golay方程式可以看出，在其它条件相对一定时，理论塔板高H与液膜厚度df的平方成正比，即增加液膜厚度会使柱效降低，原因是传质阻力（C·u项）增加。•另一方面，液膜较厚时，柱流失会增加，程序升温时基线漂移严重，因此液膜厚度应根据样品性质来适当选择。•厚液膜色谱柱用于保留和分离挥发性溶质（如轻质溶剂，气体）；薄液膜色谱柱用于降低高沸点，高分子量溶质的保留（如类固醇，甘油三酯）。23图2载气线速与理论板高的关系及最佳流速•（五）柱内载气流速24柱内载气线速u与理论板高H的关系如图2。•载气线速极低时，组分分子扩散严重(B/u高)，虽传质阻力项(C·u)低，但理论塔板高H很大，柱效极低；载气线速逐渐增加时，分子扩散很快降低，传质阻力逐渐增大。•两者作用抵消达到一个平衡点后传质阻力起主导作用，表现为板高由很快下降到一极低值后转为逐渐上升。当载气线速达到最佳时，理论板高有最小值（Hmin），此时柱效最高。•最佳流速可以通过试验确定，为提高分析速度，实际分析中常采用略高于最佳线速作操作条件。25OPTION01OPTION02OPTION03影响毛细管色谱柱的柱效因素比较多，综合分析一些主要因素对于建立气相色谱分析方法以及选择最佳操作条件有重要指导意义:①首先要针对样品寻找合适的固定液类型；②再选择恰当的色谱柱规格型号(包括柱长、柱内径、液膜厚度等)；③然后再分析调试操作条件(包括柱流速、柱温等)。另外对色谱性能的维护、掌握良好的色谱操作技术、解决一些色谱常见故障也有帮助，尤其是在柱效突