随着现代气相色谱技术的发展, 毛细管气相色谱法(CGC) 以其高超的分离能力、化学及热稳定性高、分析速度快、呈化学惰性等特点而广泛应用于石油化工、环境保护、天然产品、食品等领域的复杂有机混合物样品的分析。近年来, 许多新柱型、新技术不断出现, 使CGC 不断完善, 特别是大口径毛细管柱的开发, 大有取代传统气相色谱填充柱之
势。因此对于现在的气相色谱工作者来说应尽快熟悉和掌握这门技术, 适应现代技术发展需要。而毛细管气相色谱法的关键部分是毛细管色谱柱的选择和使用。
1 毛细管色谱柱柱型规格与操作条件的选择依据目前, 国内出售的商品毛细管柱(国内、国外均有生产) 品种、规格、牌号繁多, 这给使用毛细管柱的分析人员带来一定困难。其实各供应商产品相互可以替代, 不一定要追求某一特定的商品牌号。在选择毛细管柱时只需考虑以下四个因素: 固定相、内径、膜厚及柱长。
111 固定相
由于毛细管柱具有高分离能力, 在大多数应用方面, 有限数目的固定相就能替代几百种在填充柱中使用的固定相。目前可选择近200 种固定液, 但是使用广泛的仍是侧链为甲基或被其它基团取代的聚硅氧烷类, 如SE - 30 , OV - 1 , OV - 101 , DC- 200 等。固定相的选择在一般色谱书中都有著
述。通常, 固定相热稳定性随着其极性增加而降低, 对于色谱工作者, 必须特别注意固定相热稳定性极限。这些固定相在室温下粘度不同, 又会影响它们的最低使用温度, 例如: OV - 1 (胶状) 的最低使用温度为50 ℃, OV - 101 (粘液) 的最低使用温度为- 50 ℃。因此, 在室温分离低沸点化合物OV -101 较OV - 1 要好。表1 以HP 公司毛细柱为例列
出了它们的应用范围及相似固定相。
112 内径选择
ID0. 25mm : 适合于复杂多组份试样分析, 高分离工作的常规柱, 与大口径毛细管柱比, 负荷量低, 柱流失较小, 必须采用分流或无分流进样, 适合与质谱等高灵敏检测器联用。ID0. 32mm : 柱效稍低于ID0. 25mm 常规柱,负荷量大于常规柱的60 %。可采用柱头进样, 分流/ 不分流进样, 有些情况下还可使用直接进样。
ID0. 53mm : 这种使用广泛的毛细管柱可以替代大部分填充柱, 具有近似填充柱的负荷量, 与小孔径毛细管柱相比使用更简便, 可采用直接进样技术。
表1 毛细管柱应用组成及相似固定相
应用HP 固定相组成极性其它厂牌相似固定相
胺类, 烃类, 农药酚类和硫代物HP - 1 100 %聚甲基硅氧烷非极性
OV - 1 , SE - 30 ,OV - 101 , DB - 1 ,
BP - 1 , SBP - 1
生物碱,药物,脂肪酸甲酯,卤代
化合物
HP - 5 5 %苯基聚甲基硅氧烷非极性
SE - 54 , OV - 73 , DB - 5 , BP - 5 ,
SPB - 5
Aroclors , 醇类,农药及VOAS HP - 1301
6 %氰丙基苯基聚甲基硅
氧烷
弱极性DB - 1301 ,DB - 624 , RTX - 1301
Aroclols , 胺类,农药及药物HP - 35 35 %苯基聚甲基硅氧烷中极性
DB - 35 , RTX - 35 , SPB - 35 , OV -
11
杀虫剂, 除草剂TMS 糖及aroclas HP - 1701
14 %氰丙基苯基聚甲基
硅氧烷
中极性
DB - 1701 , OV - 1701 , BP - 10 , SPB
- 1701
药物, 乙二醇类, 杀虫剂, 甾族HP50 + 50 %苯基聚甲基硅氧烷中极性
DB - 17 , OV - 17 , SP2250 , SPB - 50 ,
DB - 17
酸类, 醇类, 醛类, 丙烯酸, 脂类,
酮类及腈类
HP - FFAP 酸改性聚乙二醇20M 极性
OV - 351 , SP - 1000 , DB - FFAP , BP
- 21
溶剂, 二醇及醇类HP - Wax 聚乙二醇20M 极性DB - Wax , Supelcowax - 10 , BP - 20
113 固定液膜厚
随着膜厚的增加, 对两个流出时间相近的化合物的分离越好, 但是固定相的温度上限降低, 柱流失增加。因此, 毛细管柱液膜厚度(df ) 是一个重要的柱参数。一般商品柱的标准液膜厚为0125～0.33μm。对于低挥发性高沸物或热敏化合物, 往往选用薄液膜柱(df : 0. 25～0. 5μm) , 主要用于在300 ℃以下流出的大部分样品。对于流出温度高于300 ℃的高分子量的化合物来说, 选用df 0. 1μm 薄液膜柱是理想的。而且通常选择较短的柱子(10～15m) 。对于质谱等高灵敏度检测器通常选用薄膜柱( df :0. 1～0. 2μm) 。中等厚度(1μm～1. 5μm) 厚膜柱主要用于在100～200 ℃流出的样品。超厚膜(df : 3～5μm) 柱主要用于低沸点化合物(气体, 溶剂, 清洁剂等) , 以便于在较高(高于室温) 柱温下分析。它具有较高的试样负荷量, 但在高温下流失较大。
114 柱长的选择
5～10m : 分离小于10 个组份(不包含难分离物
质对) 的简单试样或用于快速分析。
25～30m : 分离10 到50 个组份的中等至复杂
混合物。
50～60m : 要求最高分辩率的应用, 分离大于
50 个组份或包含有难分离物质对的复杂试样程序
升温分析。
当然在实际应用中选择毛细管柱时, 需要把以
上4 个参数加以综合考虑, 根据自己的仪器和进样
系统方式选择适合于试样分析的毛细管柱。表2 、
3 、4 有助于我们选择毛细管柱。
表2 柱内径与理论分离效率、较佳流速的关系
内径ID
(mm)
最小理论板高
(mm)
最大每米塔板数
(/ m)
线速
(cm/ s)
容积流量
(ml/ min)
011 0109 11000 40～50 012～0. 3
0. 25 0. 22 4400 25～35 0. 7～1. 0
0. 32 0. 29 3500 20～35 1. 0～1. 7
0. 53 0. 45 2200 18～27 2. 4～3. 5
注: 流速以He 气为标准。H2 约为118 倍, N2 约为015 倍。
表3 不同内径下样品容量与液膜厚度关系
内径ID
(mm)
不同膜厚时的对应样品容量(ng)
0. 1μm 0. 25μm 0. 5μm 1. 0μm 1. 2μm 2. 5μm 5. 0μm
0. 1 10 25 50 100
0. 25 25 65 120 250 300 620 1200
0. 32 32 80 160 320 380 800 1600
0. 53 53 130 260 530 640 1300 2600
表4 不同内径时柱长与分离效能关系
内径ID
(mm)
不同分离效能所对应的柱长(m)
高中低
0125 50～60 25～30 10～15
0132 50～60 25～30 10～15
0153 25～30 15 10
2 毛细管柱的正确使用
211 如何延长柱寿命
毛细管柱的寿命与使用载气的纯度、水蒸气含量以及分析样品的性质有关。因此一根柱子合理科学的使用是延长其寿命的较佳办法。在没有载气通过时, 柱的固定液热分解较迅速, 所以在柱箱升温前应该先通上载气, 柱箱冷却后才能把载气关上。大多数情况下, 柱的寿命与它的使用温度成反比。采用稍低些的温度上限, 可以显著提高寿命, 程序升温到较高温度所维持的时间短对柱寿命的影响小。如OV - 101 使用温度上限为300 ℃, 但把实际温度上限降到280 ℃, 可使柱寿命显著延长。根据笔者经验, 一般实际使用温度上
限可比固定相使用温度上限低20 ℃。载气中的水分能透过固定液膜吸在柱管表面上, 会取代或破坏固定液膜, 所以固定液极性越
高, 越需要采用干燥的载气。例如SE - 30 , SE - 54等对载气干燥要求不严, 而对PEG20M , FFAP , 载气干燥就十分重要。而对于那些氧气能氧化的固定液(PEG20M , FFAP) 对载气除氧亦很重要。因此,停机使用时, 应将排空端密封住, 以防空气中的氧
气对柱固定液的氧化作用。对于试样溶剂的选择也要注意, 如水、甲醇、二硫化碳等有着非常强的置换固定液的能力, 因此甲醇不宜用于PEG20M。另外, 丙酮往往会引起硅酮降解。
212 毛细管的安装与老化
一根好的柱子, 由于安装不当, 可以造成理论塔板数降低, 峰形增宽或拖尾, 灵敏度降低等。在毛细管色谱中, 由于柱体积很小, 载气流量很小,微小的死体积将会引起峰拖尾, 柱效降低, 因此安装时应注意尽可能减少死体积的产生。毛细管色谱柱与不同进样器和检测器的连接, 不同公司的仪器均有严格要求, 我们在安装时应特别注意。使用新毛细管柱前, 首先要对柱子进行老化处理。一般是先在50 ℃柱温下保持1h , 赶走溶剂, 然后以2～3 ℃/ min 的速度程序升温, 当达到固定液允许的最高使用温度老化4h 即可。应当注意的是,一根放置较长时间的柱子, 在使用之前, 也必须按上述程序进行老化, 而不可突然将柱温升至很高,防止柱液膜被破坏。
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