毛細管柱選擇規(guī)則

1、要選擇一根合適的商用毛細管柱，主要需要考慮以下幾個因素：固定相、內徑、柱長、膜厚。下面分別就這些因素加以討論。1固定相色譜理論上講，選擇固定相首選遵循相似性原則，即：用非極性固定相分析非極性物質，用 極性固定相分析極性物質，用含芳香基團的固定相分析芳香族化合物。在填充柱時代，這個 想法是非常正確的，因為那個時候，分離度是首先需要把握的關鍵因素，分不開，就沒辦法 想其它。它的理由在于塔板理論的推論，即：組分在固定相中有越大的溶解度，同樣的溶解 度差異就會產(chǎn)生越大的分離度。但是在毛細管色譜時代，分離度不再始終是分析的首選問題。毛細管具有幾十萬塊塔板，如此大的柱效率，以至于不再需要充分考慮分離問題了

2、。這個時候，樣品兼容性、使用溫度、穩(wěn)定性、柱流失情況等，都可能成為選擇的主要理由。例如分析甲醇乙醇丙醇等低級醇類，正常應選擇 wax類高極性色譜柱。但是在雜質較少的情況下，選擇DB-1這樣的非極性柱具有更高的靈活性和使用壽命。具體選擇主要依據(jù)以下規(guī)則：1）、因為非極性毛細管柱具有明顯的穩(wěn)定性、高使用溫度、良好的色譜峰型等有利因素，因此易分離物質應首先選用極性小的色譜柱。2） 、分析氫鍵型物質用氫鍵型PEG柱更佳。3）、輕烴或永久氣體用 Plot柱更佳。4） 、高苯基固定相對芳香族物質保留能力更強。但是分析二甲苯等芳烴異構體，首選Wax 類強極性色譜柱。2、內徑毛細管柱理論塔板高度與內徑成正比。

3、因此相同長度的毛細管，內徑越小柱效率越高。但內徑越小，通常 意味著柱容量的減小，在分析低含量組分時，對檢測器靈敏度和進樣口分流能力的要求越高。因此在選擇 內經(jīng)的時候，首先考慮的是樣品分析難點在于分離還是檢測。對于分離困難的樣品，首選較小口徑的色譜 柱；對于含量過低檢測困難的樣品，首選較大口徑的色譜柱。在沒有分析難點的情況下，選擇小口徑毛細 管柱可以縮短柱長，減小分析時間。F面一張譜圖，可以看到不同口徑毛細管柱的分離效果。Rs = 0.fl7RS = L(1色譜柱： DB62取 30 mk 1.3Z氯苯2 14二氯苯053 min ID., 3 J pmnww J ft s if1 w/TJ j

4、On t.匕 dm Cm*0.32 mm L0.P 18 pmN=lD7.2&060m SPB-1 毛細柱 0.25&0.32nm內徑：025i>n膜厚 0.53&0.75aw內徑： 線速度：21cm/s上弓畫!以上數(shù)據(jù)均為參考值(plates/m)(He mL/mir0105-107000 125M0.180205-3050005940040,2550-1004170 4750060.32400-5003330 37ioro9；1000_20000環(huán)2.807510,000-15,0001170562 (packed)20,000200020F面一張表格，是不同

5、口徑毛細管柱理論塔板數(shù)的參考數(shù)據(jù)。柱效率中的小字，是另一公司的測試數(shù)據(jù)。內徑nun樣品容量（ng）柱效最佳流量EI3、柱長。柱長增加一倍，理論塔板數(shù)增加一倍，但同時分析時間也增加一倍，分離度由于與柱長的平方根成正比，因此理論上就只能夠得到0.414倍的增加， 但實際得到的收益要更小。 雖然如此，在分離度難以達到的時候選擇更長的毛細管柱，仍然是最直接有效的方法。4、膜厚。膜厚并不能直接影響毛細管柱的理論塔板高度，但他直接影響色譜柱的相比。越大膜厚，色譜柱的柱容量就越大，組分出峰的時間就越晚。在需要更大的進樣量的情況下，首選厚膜色譜柱；在需要快速分析的情況下，首選薄膜色譜柱。7.00DB-11 3

6、0 m x 0.32 mm 氨氣，38 cm/sec100 °C恒溫0.25 pm0 '癸正正r 2 324.59too1卩1 嘰.i1A0510152025Time (min.)Vr其他講座資料看>>>學習氣相色譜跟yuen72老師入門毛細管色譜柱的一個經(jīng)常被遺忘的重要參數(shù)就是膜厚。當我們選擇一個毛細管柱的時候，通常都是指出固定液類型 （毛細管柱商品名稱，如DB-1）、內徑（如0.32mm、長度（如50m），很少顧及到膜厚。事實上，膜厚對分析的影響是巨大的。下面給出2張不同膜厚色譜柱的分析結果對比圖，請朋友們比較兩張圖中不同膜厚譜圖的差異，并試著用塔板理論

7、加以分析。DB-1, 30 m x 0.32 mm 1氨氣.38 cm/sec2100 oc恒溫0.25 pm.10 247.001.00 pm61癸烷 2正十一烷23.正十二烷24.591020 25儀器信息網(wǎng)www匕Oe. Cr>47 minR3.140,25 /R=3 607.4 mln0.50/R=4.9613 2 min13 2 min20 mmcrlesJVriJVV ¥譜圖對比情況分析:從譜圖可以看到：1厚液膜色譜柱出峰時間明顯增加，液膜厚度增加一倍，出峰時間增加接近一倍。2、厚液膜的分離度略有增加。膜厚增加一倍，分離度沒有達到增加0.414倍，只是略有增加。知識

8、回顧：塔板理論共有四個基本假設，分別是：（i ）在柱內一小段長度 H內，組分可以在兩相間迅速達到平衡。這一小段柱長稱為理論塔板高度H。（ii ）流動相（如載氣）進入色譜柱不是連續(xù)進行的，而是脈動式，每次進氣為一個塔板體積（Vn）（iii ）所有組分開始時存在于第0號塔板上，而且試樣沿軸（縱）向擴散可忽略。（iv ）分配系數(shù)在所有塔板上是常數(shù)，與組分在某一塔板上的量無關。理論推演：根據(jù)假設，當載氣脈動進入色譜柱時，組分分子中，能夠跟隨載氣前行的只有在氣相中的那一部分，而液體固定相中的組分分子，受到固定相的保護，停留在原地。思考：組分分子的平均移動速度與哪些條件相關？為什么？提示：組分分子平均移動

9、速度：V=u/（ 1+k），這里載氣線速度為 u，k為組分分子在液相中的量與在氣相 中的量之比。分析時間t=L/V= （ 1+k）L/u=tO + ktO，這里tO為死時間L/u。譜圖情況分析：1、出峰時間延長。由于組分在固定液中溶解度較大（這就是選擇固定液依據(jù)相似性原則的基礎），因此膜厚增加一倍，固定液體積增加一倍，k也就隨之增加了一倍。因此組分調整保留時間t'增加一倍，在死時間 tO較短的情況下，所以分析時間增加了一倍。2、分離度增加。根據(jù)塔板理論，理論塔板高度H和液膜厚度并沒有關系，僅和進樣寬度即 0號塔板高度h有關，因此分離度R應該保持不變。但由于毛細管柱柱容量小，因此進樣狀態(tài)

10、絕大多數(shù)情況下處于柱過載狀態(tài)。當膜厚增加的時候，柱容量增加，由于柱過載造成的0號塔板展寬情況得到緩解，因此0號塔板高度h略有減小，理論塔板高度H也因此減小，柱效率即理論塔板數(shù)n=L/H有所增加。所以分離度 R得到了一些改善。3、深度分析：理論塔板數(shù) n增加，應該導致色譜峰變得窄而高。但是看第一張譜圖，可以發(fā)現(xiàn)峰變矮變寬 了。這是因為理論塔板數(shù) n增加很少，而保留時間的增加，會導致分子縱向擴散情況加重，根據(jù)速率理論， 峰寬應該增加。其他講座資料看>>>學習氣相色譜跟yuen72老師入門不同的膜厚，帶來了不同的保留時間。不同的內徑，帶來了不同的理論塔板數(shù)。選擇內徑和膜 厚，要考慮

11、分離難度和檢測難度。與此同時，如何控制分析時間？事實上，相比是決定一 個固定長度色譜柱中組分流出時間的決定性因素。什么是相比？在毛細管柱上:定義：色譜柱中氣相容積和固定相容積;計算公式:rP 2d意義：近似相比的色譜柱在同樣的色譜條件下可C 時間和化合物流出順序。低相比的色譜柱將提供更高的樣品容量和弓不同內徑和膜厚毛細管柱的相比情況如下表:內徑（mm）膜厚（um0L000.1845018090450.25625250125630.32800320160800531325530265128在相同的載氣流速和色譜柱長度下，相同的相比，具有相同的保留時間。如下2張譜圖:2500

12、ito61820211819SUPELCOWAX 1030m x 0.53mm ID x 0*50卩SUPELCOWAX 1030m x 0.20mni ID x 0.20pm dfSLB-Sms, 30 m x 0+25 025 pm (p = 250)需要注意的是：相比是決定保留時間的主要因素，但并不是決定理論塔板數(shù)（柱效率）的主要SLB5ms, 30 ntx 0,53 mrn LD. 050 pm (B = 265)14020I |T因素。在綜合平衡柱容量、柱效率、分析時間三方面因素的時候，需要注意相比的影響。i i一1c19在色譜柱這里，決定柱容量（最小檢出量）的主要因素是內徑和膜厚，

13、決定柱效率的是內徑,決定保留時間的是相比。在塔板理論脈沖進氣的情況下，樣品進樣都在第 0塊塔板上。如此，第0塊塔板體積應該等于進樣體積。但是，在毛細管柱的進樣上，明顯并不如此。以0.32mm色譜柱正常柱效為3300塊塔板每米來看，每塊塔板高度應為0.3mm如果考慮進樣 量為0.2ml，分流比為50倍，則進入色譜柱的樣品體積是為0.004ml，如此應該占有50mm的色譜柱，按照塔板理論假設，理論塔板高度應為 50mm為什么會出現(xiàn)這樣的差異呢？顯然問 題來自與理論假設中的脈動進樣。通常，我們把實際進樣體積占色譜柱高度與理論塔板高度之比稱為進樣寬度，這里即50mm/0.3mm=1（塊塔板。在樣品逐漸

14、進入色譜柱的時候，溶解和解析的過程是不斷進行的，實際的樣品進樣過程中，已經(jīng)形成了色譜峰的形狀。如下圖，上面的是進樣寬度為 100塊塔板高度情況下，進樣完畢 時組分濃度的柱內分布。當包括進樣在內共有 200塊塔板體積載氣進入色譜柱后，形成的色 譜峰成為下面的形狀。注意，圖中橫坐標為色譜柱頭 0至 n塊塔板。120理論塔板高度事實上是與進樣無關的，只與載氣流速、縱向擴散速度和傳質速度有關，即速 率理論：H = B/u + Cu。因此在相同線速度（縱向擴散相同）和相比（液膜厚度與內徑成 正比）的情況下，存在理論塔板高度與毛細管色譜柱內徑成正比的關系，因為此時傳質距離 正好與內徑成正比。因此，厚液膜的

15、色譜柱，因為增加了液相厚度而增加了液相傳質阻力，因此并不能提供更好的理論塔板數(shù)。相反的，厚液膜色譜柱理論塔板數(shù)（即柱效率）要略低一些。這與我們實際工作似乎略有出入，事實上，實驗室中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)厚液膜的柱子具有更好的分離度R。但這與理論并不沖突，發(fā)生這樣情形的原因在于進樣量。我們知道，毛細管柱的主要特點之一就是柱容量小。因此毛細管柱極易超載。毛細管柱超載可以分為兩個情況：1進樣體積超載。2、組分總量超載。下面我們分別對此加以描述。1進樣體積超載。如上面的圖，即當進樣寬度達到100塊塔板（進入色譜柱的樣品體積達到理想塔板氣相體積100倍），分配比=5情況下的進樣狀態(tài)圖。 此時，色譜柱已經(jīng)出現(xiàn)了進樣體積

16、超載，柱頭的1-10塊塔板已經(jīng)呈現(xiàn)進樣平臺，這一平臺必然造成了色譜峰的柱外展寬-進樣展寬。進樣展寬不屬于塔板理論和速率理論下正常峰展寬，因此屬于柱外展寬， 與此相似的還有檢測器響應時間帶來的峰展寬等。當沒有出現(xiàn)這樣的進樣平臺時，可近似認為滿足塔板理論第4假設：進樣時所有組分都位于第0號塔板，色譜峰具有最細寬度和最好的分離度。要消除這個平臺，只能減小進樣體積，或者增加柱容量。液膜厚度增加一倍，分配比k增加一倍，進樣平臺將明顯縮小。例如,上圖當分配比k=10,增加一倍后，柱頭組分濃度分配情況如下：雖然進樣體積超載會帶來色譜峰展寬，減小分離度，但這種展寬不影響色譜峰流出的形狀，通常是可以接受的。而且

17、，這種超載是難以克服的，如果定量管或者汽化室玻璃襯管體積已經(jīng)確定，無法通過降低樣品濃度，或減小注射器進樣體積來解決。但它可以通過增加分流比、增加色譜柱膜厚來減小。這種平臺峰只出現(xiàn)在色譜柱頭，當組分到達色譜柱末端已經(jīng)呈現(xiàn)為良好的色譜峰型了。這里提供一個低分配比k=2, 200塔板體積的柱頭平臺峰供參考.冋樣在分配比k=2的情況下，進樣寬度為10的時候，色譜峰型如下：1009080706050403020100/J114 27 40 S3 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 1%因此，在發(fā)生進樣體積超載的情況下，厚液膜色譜柱（更小的相比）由于減小了進樣展寬,通

18、常具有更好的分離度。2、組分總量超載。當進樣體積一定，樣品組分濃度過大時，塔板理論第 4假設：組分在兩相的分配系數(shù)K為常數(shù),將不成立。此時由于組分濃度過大，固定相無法快速溶解組分，組分將蔓延在非常寬的色譜柱 上，形成大平臺。同時由于在固定相中過多溶解，固定相中濃度過大，將和固定相載體（毛細管石英壁）發(fā)生二次吸附解析，由于二次吸附解析為慢過程，將形成峰拖尾。這種情況發(fā)生時，可以看到平臺峰或峰拖尾，分離度大大下降，因此在分析中一般無法接受, 應該調整進樣量。當然，有些時候我們也能認可，例如分析微量組分，溶劑的過量峰；或者本身吸附較強或強極 性色譜柱分析常量組分略有拖尾等情況。事實上，Plot色譜柱

19、吸附較強，柱容量較小，拖尾經(jīng)常發(fā)生。用AI2O3色譜柱分析混合碳四,常量烯烴和炔烴基本都有拖尾，并不影響分析。但細心的人可以發(fā)現(xiàn)，當這些組分含量很低時， 峰型都是非常好的 其他講座資料看 >>>學習氣相色譜跟yuen72老師入門毛細管色譜柱的一個經(jīng)常被遺忘的重要參數(shù)就是膜厚。當我們選擇一個毛細管柱的時候，通常都是指出固定液類型（毛細管柱商品名稱，如DB-1）內徑（如0.32mm、長度（如500），很少顧及到膜厚。事實上，膜厚對分析的影響是巨大的。下面給出2張不同膜厚色譜柱的分析結果對比圖，請朋友們比較兩張圖中不同膜厚譜圖的差異, 并試著用塔板理論加以分析。DB-1 ±

20、; 30 m x 0.32 mm 1孰氣，38cm/sec3川loo °c恒溫 li3012i42Gr癸烷2正十一烷3正十二烷324.591 too11Mm i A05ib152Q25Time (min.)JIJI0積(厶vm從譜圖可以看到:i厚液膜色譜柱出峰時間明顯增加，液膜厚度增加一倍，出峰時間增加接近一倍。2、厚液膜的分離度略有增加。膜厚增加一倍，分離度沒有達到增加0.414倍，只是略有增加。知識回顧:塔板理論共有四個基本假設，分別是:(i )在柱內一小段長度 H內，組分可以在兩相間迅速達到平衡。這一小段柱長稱為理論塔板高度Ho(ii )流動相(如載氣)進入色譜柱不是連續(xù)進行的，而是脈動式，每次進氣為一個塔板體R=3 60譜圖對比情況分析:20 minutes13 2伽R»4-96Fl3.t4了-4 min（iii ）所有組分開始時存在于第0號塔板上，