淺談氣相色譜柱

1、淺談氣相色譜柱gas chromatographic column目錄c o n t e n t s原理簡介柱效理論影響柱效的因素結語0102030405原理氣相色譜儀以氣體作流動相（載氣），當樣品進入汽化室氣化后，被載氣帶入色譜柱內，樣品中各組分在流動相和固定相之間進行反復多次的分配，由于樣品中各組分的物理化學性質不同，在色譜柱兩相間的分配系數(shù)和吸附系數(shù)不同，在載氣的帶動下各組分在柱子中的運動速度也不同，經(jīng)過一定的柱長后，各組分在柱子末端分離開，然后通過接在柱子后的檢測器根據(jù)組分的物理化學性質將組分按順序檢測出來。“ 按照色譜柱內徑的大小和長度，又可分為填充柱和毛細管柱。 毛細管色譜柱，又稱

2、開口管柱，是將固定相涂在管內壁的開口管，其中沒有填充物。毛細管柱的內徑遠比填充柱小，填充柱內徑通常大于2mm，而毛細管柱內徑在0. 1 0. 5mm 范圍; 填充柱長度一般在20m 以內，而毛細管柱的柱長可從10m 到100m 以上，典型的柱長是30m。在滿足分離度的情況下，為提高分離速度，現(xiàn)在也有人使用高柱效、薄液膜的10m短柱。“簡介5 速率理論以van deermter 方程來表示色譜柱的理論板高h: h = a + b /u + cu ( 3) 式中，a 為渦流擴散項，u 為流動相線速度，b /u 為縱向擴散項，cu 為傳質阻力項，cu 分為固定相傳質阻力項csu 和流動相傳質阻力項c

3、mu 之和( cs + cm) u。在毛細管色譜柱中，可認為沒有渦流擴散項，即a = 0，故毛細管柱的柱效以下式表示: h = b /u + ( cs + cm) u“速率理論對柱效的表示方法：6 （一）固定相的性質： 1.選擇性選擇性可以認為是固定相根據(jù)溶質分子在化學或物理性質方面的差異來區(qū)分兩種溶質分子的能力。如果固定相與不同溶質間的相互作用不同，就可以實現(xiàn)它們的分離。“色散力色散力偶極作用偶極作用氫鍵氫鍵對于液態(tài)或膠質固定相（聚硅氧烷和聚乙二醇），有三種主要相互作用力：影響毛細管色譜柱柱效的因素：色散作用最難描述和想象，因為他們是由分子中電子或原子核振動而引起電荷的波動現(xiàn)象。這種波動是隨

4、機的，基本上是一個統(tǒng)計性的效果。色散力是普遍存在的，而且任何分子間的相互作用都能產(chǎn)生色散力。烴類化合物之間僅存在色散作用。（1）色散力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。單個的分子也存在色散力，而且即使存在其他類型的相互作用，色散力也是一直都存在的。低分子量的烴類化合物為液體而不是氣體完全是由于烴類化合物的分子之間的色散作用力。（2）如果固定相可以靠偶極力相互作用，則偶極矩不同的溶質具有更好的分離能力。與偶極作用一樣色散作用也能使分子間產(chǎn)生相互吸引力，但是偶極-偶極作用的強度遠遠超過色散作用。聚乙烯乙二醇類和氰丙基與三氟丙基取代聚硅氧烷具有偶極相互作用；甲基或苯基取代基團不

5、發(fā)生偶極相互作用。偶極-偶極作用力非常強，永久偶極子分子之間一般會產(chǎn)生偶極-偶極作用，例如醇、酯、醚、胺、酰胺、腈等。如果溶質分子與固定相之間可形成氫鍵，則會發(fā)生氫鍵相互作用。如果化合物間的氫鍵相差不大，就需要更大量適宜的基團（如聚乙二醇，而不是14%氰丙基-甲基聚硅氧烷）。如果采用氫鍵相互作用能力不同的固定相，具有氫鍵形成能力的溶質的峰分離程度也常常會變化。010302（3）氫鍵是偶極-偶極作用的一個特例，在氫鍵作用下與偶極子相連的兩個羥基分子互相靠近。氫鍵作用力比色散作用大很多，在極端情況下(如水與甲醇)偶極-偶極相互作用力的大小接近化學鍵的作用力。1 )按極性相似原則選擇；2 )按官能團

6、相似選擇:若待測物質為酯類,則選用酯或聚酯類固定液;若待測物質為醇類,可選用聚乙二醇固定液；3 )按主要差別選擇:若待測各組分之間沸點是主要矛盾, 可選用非極性固定液,若極性是主要矛盾,則選用極性固定液；4 )選擇混合固定液:對于難分離的復雜樣品,可選用兩種或兩種以上的固定液；5 )如果可能，便是使用含有與選擇性檢測器產(chǎn)生高響應官能團的固定相。2.固定相的選擇一般根據(jù)“相似相溶”的原則，待測組分分子與固定液分子的性質（極性、官能團）相似時，其溶解度就大。11 3.固定相的種類：可以用作氣相色譜固定液的物質很多，已被采用的有近千種。按我國國家標準gb2991-82的規(guī)定，根據(jù)化學結構的不同，這些

7、固定液可被分為烴類、聚硅氧烷類、聚二醇及聚烷基氧化物、酯類、其它含氧化合物、含氮化合物、含硫及硫雜環(huán)化合物、含鹵素化合物及其聚合物、無機鹽、其它固定液，共10類。 現(xiàn)在文獻中出現(xiàn)次數(shù)最多，使用幾率最大，即可以認為最常使用的固定液為: 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)；carbowax 20m(聚乙二醇，平均分子量2萬)；degs(二乙二醇脂丁二酸)，這組常用固定液性能穩(wěn)定，極性間距均勻，應用面廣，可從解決大量的一般性分析問題。12 早期的氣相固定相主要集中于聚硅氧烷類、液晶類、環(huán)糊精類和冠醚類。但近幾年，其他材料

8、如室溫離子液體、金屬有機框架化合物和碳納米管的研究和商品化方面有所突破。 1) 1999 年，armstrong 課題組首次將離子液體用作氣相色譜固定相，且發(fā)現(xiàn)其在使用過程中具有“兩性”的選擇特性，這項研究表明離子液體同時具有極性和弱極性固定相的特性，其作為新型的分離材料在氣相固定相方面具有較大的發(fā)展?jié)摿Α８鶕?jù)選擇性能的不同，離子液體固定相可分為兩大類:具有普通選擇性能的離子液體;手性離子液體固定相。13 2) 金屬有機框架化合物具有如比表面高、熱穩(wěn)定性好、納米級孔道結構均一、內孔具有功能性、外表面可修飾等優(yōu)異的特性，可作為氣相色譜固定相很好的分離介質，檢測限可達ng /l。 3) 此外，碳納

9、米管具有表面積大、活化點多，-作用力強等特殊性能，適合作為氣相色譜固定相，而且其納米級多孔有利于減小傳質阻力，可得到對稱的色譜峰，主要用于標準的混合物，如烷烴、芳香族化合物、醇類、酯類、酮類等。14 4.按固定相極性分類，安捷倫的毛細管氣相色譜柱主要分為以下幾類： 1) 非極性： 100%二甲基聚硅氧烷：db-1ms（與標準100%二甲基聚硅氧烷色譜柱相比，改善了酸性化合物的分離性能），hp-1ms，vf-1ms；db-1，hp-1；cp-sil 5 cb；ultra 1； （5%苯基）-甲基聚硅氧烷：db-5ms，hp-5ms，vf-5ms（比vf-1ms極性稍高，對芳香化合物據(jù)歐更高的選擇

10、性適用于分析中等極性甚至極性化合物）；ultra 2；db-5，hp-5；cp-sil 8 cb。 2) 弱極性： db-xlb（理想的驗證分析色譜柱）。15 3) 中等極性： （35%苯基）-甲基聚硅氧烷：db-35ms（理想的確證分析色譜柱），vf-35ms；db-35（比hp-35極性略強），hp-35（比db-35極性略弱，理想的確證分析色譜柱） （50%苯基）-甲基聚硅氧烷：vf-xms（理想的驗證分析用色譜柱-更高極性，可替代 5% 苯基柱；對半揮發(fā)性化合物如農(nóng)藥具有極高的選擇性，在很短的分析時間內實現(xiàn)高效分離；對氯化物具有非常獨特的選擇性）；db-17ms（農(nóng)藥分析最佳色譜柱），

11、vf-17ms；db-17（比hp-50+極性略強），hp-50+；cp-sil 24 cb（尤其適用于分析氨基酸、藥物和農(nóng)藥）。 14%苯基/86%二甲基聚硅氧烷：cp-sil 13 cb（分析中等極性化合物）；16 固定相由 6% 氰丙基/苯基和 94% 二甲基聚硅氧烷組成：vf-1301ms 薄膜色譜柱具有極低流失和與 vf-624ms 相似的選擇性，適合半揮發(fā)性有機溶劑、pcb 和農(nóng)藥的分析；db-1301；cp-1301（分析除草劑，殺蟲劑和許多藥品） 由 14% 氰丙基/苯基和 86% 聚二甲基硅氧烷（pdms） 組成固定相：vf-1701ms（適用于分析農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯和半揮發(fā)性有

12、機化合物）；db-1701；cp-sil 19 cb（環(huán)境、食品和飲料、藥品分析）； 固定相由 25% 氰丙基、25% 苯基和 50% 二甲基聚硅氧烷組成：cp-sil 43 cb; (35% 三氟丙基)-甲基聚硅氧烷：vf-200ms（對于高偶極矩相互作用化合物（例如酮、醛、硝基化合物或氯化物、多環(huán)芳烴和氯氟烴）的分析具有獨特的選擇性）；db-200（ 比 db-1701 或 db-17 的極性強，分離位置異構體的理想選擇，含有硝基、鹵素和羰基等基團的化合物有獨特的相互作用）；17 4) 強極性： （50%-氰丙基）-甲基聚硅氧烷：vf-23ms；db-23（分離脂肪酸甲酯，適合于分離順、反

13、-異構體） （50%-氰丙基苯基）-甲基聚硅氧烷：db-225ms（非常適用于順/反式脂肪酸fame 的分離），db-225； （50%三氟丙基）-甲基聚硅氧烷：db-210； 聚乙二醇：vf-waxms（專為極性化合物獲得準確的質譜分析結果而設計）；db-wax，db-waxff；db-waxetr；hp-innowax；cp-wax 52 cb；carbowax 20m和hp-20m（適用于醇類、游離酸、醚、乙二醇和溶劑，db-wax 是 hp-20m 的鍵合替代品）； 聚乙二醇和硝基對苯二甲酸二乙二醇酯：db-ffap（分析揮發(fā)性脂肪酸和酚類），hp-ffap，cp-wax 58 ffa

14、p cb；18 （二）色譜柱內徑： 柱內徑對主要考慮的五個參數(shù)均有影響：柱效、保留、壓力、載氣流速和容量。 毛細管柱中流動相的流動存在流形擴散現(xiàn)象，即沿著管壁流動的流動相速度小于沿著軸心流動的流動相，造成色譜譜帶的擴展。19 golay 方程對毛細管柱內徑與柱效的描述有如下關系: 上式中，u 為載氣線速，dg為氣相擴散系數(shù)，k為容量因子，r0為柱內徑，df為柱內固定液膜厚度，dl為液相擴散系數(shù)。從上式可知，在其它條件相對固定時，理論板高與柱內徑的平方成正比關系，即柱內徑越大，柱效越低，較小內徑的色譜柱具有更高的理論塔板數(shù)。20 表1 是“安捷倫”關于柱內徑與柱效比較的例子。 當需要較高的柱效時

15、，使用0.15、0.18或0.25內徑的色譜柱，適用于低容量泵的gc/ms系統(tǒng)；當需要較高的樣品容量時，使用0.32內徑的色譜柱，對于不分流進樣或大體積（2l）進樣時早流出的溶質有更高的分離度。21 （三）柱長 柱長影響柱效，保留時間和載氣壓力； 增加柱長，雖然可以有效提高柱效和組分分離度，但也使分析時間顯著增加，柱長增加一倍，組分保留時間也幾乎增加一倍，因此，在滿足組分分離度的情況下，應盡量使用較短的色譜柱以提高分析效率。難以確定最佳長度時，可選擇25 30m 長的色譜柱試驗后確定。22圖1 柱長與柱效、組分保留時間和分離度的比較23 （四）液膜厚度 從golay 方程式可以看出，在其它條件

16、相對一定時，理論塔板高h與液膜厚度df的平方成正比，即增加液膜厚度會使柱效降低，原因是傳質阻力（cu項）增加。 另一方面，液膜較厚時，柱流失會增加，程序升溫時基線漂移嚴重，因此液膜厚度應根據(jù)樣品性質來適當選擇。 厚液膜色譜柱用于保留和分離揮發(fā)性溶質（如輕質溶劑，氣體）；薄液膜色譜柱用于降低高沸點，高分子量溶質的保留（如類固醇，甘油三酯）。24圖2 載氣線速與理論板高的關系及最佳流速 （五）柱內載氣流速柱內載氣線速u 與理論板高h 的關系如圖2。25 載氣線速極低時，組分分子擴散嚴重( b /u高) ，雖傳質阻力項( cu) 低，但理論塔板高h很大，柱效極低；載氣線速逐漸增加時，分子擴散很快降低，傳質阻力逐漸增大。 兩者作用抵消達到一個平衡點后傳質阻力起主導作用，表現(xiàn)為板高由很快下降到一極低值后轉為逐漸上升。當載氣線速達到最佳時，理論板高有最小值（hmin），此時柱效最高。 最佳流速可以通過試驗確定，為提高分析速度，實際分析中常采用