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毛细管气相色谱柱
毛细管气相色谱柱的材料
自从毛细管气相色谱诞生以来，研究过多种柱材料，如塑料、铜、镍、金、银和不锈钢，但是70年代占统治地位的是玻璃，80 年代占统治地位的是熔融二氧化硅(石英)，即弹性石英毛细管色谱柱。90年代以后为了制备高温毛细管柱，又有部分使用不锈钢毛细管柱（内壁涂一层惰性的二氧化硅）的趋势。
1、毛细管柱材料对柱性能的影响 目前主要毛细管柱材料是石英，我国多称作弹性石英毛细管柱，这种材料在体相中基本不会有金属杂质，所以表层成分不会有路易氏酸的活化点，但在石英表面上主要是和硅原子相连的羟基，在此表面上的硅原子以四面体形式和三个氧原子形成共价键，这三个氧原子位于体相中，这样在低温下表面的硅原子趋向于与一价的氢氧基连接实现其共价结合。即形成自由羟基，在高温下则会形成脱水的有一定张力的氧桥。表面羟基如果被氧隔离，相距0.31nm时就不能在两个羟基之间形成氢键了，氢和氧之间相距0.24-0.28nm 最适于形成氢键。据有人测定在石英表面上于室温下每1nm 面积上有5个羟基，在常温和常压下水会以氢键方式吸附在它的表面上，当加热时可以把物理吸附水除去，留下自由羟基，进一步加热会使相邻羟基脱水成氧桥。从室温到165℃只能把物理吸附水除去，约在400℃左右会使羟基脱水成氧桥，如把这样的二氧化硅冷却并暴露于水蒸汽中，还可以恢复再形成硅醇基。所以在玻璃或石英表面上有硅醇基、硅氧桥和可能存在的金属氧化物，因而会和被分离物有一定的吸附作用。即: ① 路易氏酸活化点对一些电子云密度大的化合物如醇、酮、胺以及π键化合物产生吸附作用；②表面硅醇基是质子给于体，它很容易和局部电子云密度大的化合物产生强烈的吸附作用；③硅氧桥是质子受体，易于和给质子的化合物产生吸附作用；④石英表面的硅氧四面体结构会产生色散力的吸附作用。
2、毛细管柱表面的湿润性 在毛细管柱表面涂渍固定相，要得到高柱效，固定相必须形成一个均匀、完整的液膜，要达到这一目的，固定相在柱表面上要有较好的湿润性，湿润性好坏的标准是固定相在柱表面上接触角的大小，接触角小则易于湿润，也就是易于成膜。要使接触角小则固定相的表面张力(γ)要小于固定相和毛细管表面的附着力。或者说固定相的表面张力要小于石英表面的临界表面张力(限CST, )。CST的定义是: 当液体的表面张力大于某一固体表面的CST时，此液体在固体表面上的接触角就大于零。CST的测定是这样的: 在给定的固体上用一组同系化合物测定接触角(θ)，把cosθ 对此同系物的表面张力作图，一般成一直线，在cosθ=1 时的表面张力即为该固体的临界表面张力(CST)。如果液体的表面张力小于某固体的CST，其接触角就等于零，因此该固体就可以被液体所湿润。
玻璃或石英是一种高表面张力的固体，光滑干净玻璃表面的CST≤3×10－4N/cm，而典型的固定相CST=3～5 ×10－4N/cm，所以玻璃表面如不处理就难以涂渍成均匀的液膜。聚二甲基硅氧烷的表面张力为1.9～2.0×10－4N/cm，所以它易于涂渍在毛细管柱上。

毛细管气相色谱柱
弹性石毛细管气相色谱柱的拉制
目前主要使用的是弹性石英毛细管柱，这种色谱柱是1979年由Dandeneau和Zerener首先制作成功的，是用光导纤维拉制机，拉成管壁很薄的毛细管柱，由于内径小、管壁薄，而石英表面又有很高的抗张强度，所以这种毛细管柱具有很好的柔韧性，卷曲成很小的圆圈(如 1cm 直径)不会折断。石英表面如被污染或不当的处理，其强度就会大大下降，所以拉制出来的石英毛细管柱必须立即在外边涂敷一层保护层，一般为聚酰亚胺，这一保护层应具有较好的强度和耐热性，在300℃ 下使用，流失不显著。但是近年来耐高温毛细管柱的需求日增，比如要求高达100～120个碳原子烷烃的分离，色谱柱要在400～450℃下工作，这样聚酰亚胺就难以胜任了，于是出现了柱外镀铝的石英毛细管柱。
下图是弹性石英毛细管柱的拉制机示意图。这种拉制机是拉光导纤维用的，高温电炉可达2000℃，拉毛细管柱经聚酰亚胺槽，在柱外边涂覆一层聚酰亚胺保护层。
石英毛细管柱拉制机示意图

毛细管气相色谱柱的预处理
毛细管气相色谱柱的粗糙化

由于玻璃或石英是一种高表面张力的固体，光滑干净玻璃表面的 CST≤3×10-4N/cm，而固定相的表面张力常常大于此数值，所以玻璃表面如不处理就难以涂渍成均匀的液膜，所以在涂渍固定相之前要进行粗糙化处理。对玻璃柱研究过多种粗糙化方法，对石英毛细管柱的粗糙化方法有下列一些。

一、沉积石墨化碳黑
在60年代中期Grob就研究了几种在玻璃毛细管内壁上沉积石墨化碳黑的方法。到70年代中期，可以用静态或动态法把石墨化碳黑的胶体溶液沉积到毛细管内壁上，它的黏附力很好，也可以把石墨化碳黑胶体溶液沉积到弹性石英毛细管内壁上。燕山石化研究院用石墨化碳黑的超细粉，在有机溶剂中用大功率超声波制成胶体溶液，涂渍到弹性石英毛细管柱上，作气-固色谱用。也可以把石墨化碳黑的超细粉和液晶混合在一起，涂渍到弹性石英毛细管柱上(单纯液晶是很难涂渍的)。

二、沉积氯化钠
70年代中期就有人用NaCl的胶体溶液以动态法涂渍在毛细管内壁上。胶体溶液是往NaCl饱和水溶液中加入 1,1,1-三氯乙烷，把此溶液通过毛细管柱，等溶剂蒸发后再涂第二次，第三次，第四次，这样可以增加 NaCl的覆盖量，最后在350℃下加热1h，使之重结晶，要达到最大的NaCl覆盖量，胶体溶液通过柱子的量最少为25μL/cm2的柱表面，接触时间最少要40min，流动速度在1～5cm/s。
也有人用三氯甲烷代替 1,1,1-三氯乙烷，成功地制备出沉积氯化钠的玻璃和石英毛细管柱，在这样粗糙化过的毛细管柱上可以涂渍多种极性固定相，如: OV-17, PEG-20M, FFAP, OV-225 和DEGS等。

三、沉积二氧化硅
70年代中期有人开发出一种在固定相溶液中悬浮硅烷化二氧化硅，进行涂渍固定相的方法，在固定相溶液中加入硅烷化二氧化硅颗粒，改变了固定相在柱内表面上的铺展性能，可以大大改善液膜的稳定性。他们所用的二氧化硅称为Silanox 101，这是一种经过三甲基硅烷化的熔融二氧化硅。最初用的二氧化硅尺寸为7μm , 这样的颗粒不能黏附在毛细管壁上，也不会自行聚集，必须和一种黏结剂一起进行涂渍。例如把固定相和一种表面活化剂，如氯化苄基二苯基膦(BTPPC)，共同作黏结剂。涂渍分两步进行: 首先把Silanox 101旋浮于稀的固定相溶液中，把此溶液通过毛细管柱，二氧化硅颗粒被固定相黏附在管壁上。第二步把较浓的固定相溶液再通过毛细管柱，使固定相的量达到所需的量。第一步所用的典型溶液是把0.5g的固定相用超声波与2g Silanox 101及100mL高密度溶剂(如四氯化碳或三氯甲烷)制成旋浮液。毛细管柱先用上述溶剂湿润一下，把上述旋浮液通入毛细管柱，通入的旋浮液量为25%的柱长，以5cm/s的速度使旋浮液向前移动。等旋浮液的液柱离开毛细管，用氮气吹拂3h 使之干燥。第二步是把固定相溶于黏度小的溶剂(如异辛烷)中，把此溶液通入经第一步处理过的毛细管柱中，速度为2cm/s 。但是这种方法不易于极性固定相的涂渍。目前使用粒度更小的二氧化硅进行涂渍。

毛细管气相色谱柱—去活
石英毛细管柱的去活
一支高性能的毛细管柱应具备四个方面的优良性能: 柱效高，活性低，热稳定性好，和保留性能重复性好。而要想达到这样的性能，去活是必不可少的步骤。无论是玻璃柱还是石英柱都需要去活，为此人们进行了大量的研究工作，积累了丰富的经验。但是没有一种万能的去活方法，必须依柱材料和所涂固定相的不同，采取不同的去活方法。
1 早期的去活方法 早在70年代初Aue就发现用PEG20M在280℃下处理硅藻土载体，可使载体去活得到高柱效。之后有人把Aue的方法用于玻璃毛细管柱的去活，方法是: 用2%的PEG20M溶液处理毛细管柱，把两端封口后在280℃下加热16h，然后用二氯甲烷和甲醇洗涤毛细管柱，这样就得到去活的效果。此后Grob家族又研究了这一方法，他们采用较稀的PEG20M 溶液多次处理毛细管柱，然后再加热处理。用PEG20M去活的毛细管柱当去活层很薄时，可以与非极性固定相相容；如果形成较厚的一层去活膜时，可以与极性固定相相容。这样去活的毛细管柱在高于250℃使用时性能变坏。在低于此温度下使用其性能很好，所以至今仍有人使用。
2 硅烷化去活
（1）、早期的硅烷化去活方法 前苏联的Kiselev等首次提出用硅烷化的方法去活，他们用三甲基氯硅烷(TMCS)作硅烷化试剂，和玻璃表面上的自由硅醇基反应，生成硅醚基。也有用六甲基二硅烷胺(HMDS)做硅烷化试剂的。
后来Novotny等人的研究工作指出: 用取代基的硅烷化试剂进行去活，在毛细管柱表面引入与固定相相同的基团，可增进与固定相的相容性，例如在毛细管柱表面引入腈基基团，就可以容易地涂渍β,β-氧二丙腈。因此在去活的方法中要考虑在去活之后的表面上要有与所涂渍固定相相容的基团。这样在改进表面的湿润性，才可以涂渍出柱效高的色谱柱。
（2）、高温硅烷化去活方法1977年Welsch 等人首次提出高温硅烷化去活的方法，他们的方法是:把HMDS试剂以动态法(液柱速度为4～5cm/s)涂渍在毛细管内表面上，把柱两端封口后快速加热到300℃,并在此温度下保持20h 。这样处理后的毛细管柱可获得很好的去活效果。此后有人进一步研究发现，在更高的温度(400℃)下进行高温硅烷化处理可得到更好的效果。
Grob等人建议使用二苯基四甲基硅胺烷做去活试剂要优于HDMS，前者有较大的分子体积，虽然它会阻碍硅烷化的进行，但是由于较大的分子体积可以掩盖未反应的硅醇基，起到保护伞的作用。
（3）、聚硅氧烷高温裂解去活(HTS)1979年Shomburg提出一个把聚硅氧烷在高温下裂解去活的方法，用以为玻璃毛细管柱去活，即用动态法把OV-101涂渍在毛细管柱中，把柱两端封口后加热2～20h 。在加热过程中聚硅氧烷受热部分分解，一些分解产物和毛细管柱表面上的硅醇基反应，然后用溶剂把未分解的聚硅氧烷洗去。这种方法叫做聚硅氧烷降解法(PSD)，这一方法要在高达450℃的温度下进行。
（4）、含氢硅油裂解去活 由于聚硅氧烷高温裂解去活需要在高温下处理，而弹性毛细管柱的外涂层聚酰亚胺又不能经受450℃的高温，为此有人提出用含氢硅油作硅烷化试剂，用含氢硅油可以在较低的温度下(250℃)去活，这一方法有以下的优点:
（5）、全硅烷化去活(Persilylation)1979年Grob 提出用六甲基二硅氨烷(HMDS)对玻璃毛细管柱进行去活，称为全硅烷化去活。全硅烷化去活的方法既有去活的作用又有改进固定液湿润性的作用，因而是在毛细管制造技术中十分令人满意的方法.全硅烷化去活不仅可以用于固定相的毛细管色谱柱.也可以用于涂固定相的弹性石英管，如GC/MS 中的联接管，或保留间隙管。

毛细管气相色谱柱—涂渍的固定相

1、毛细管气相色谱柱用的固定相
为获得柱效高、稳定性好的毛细管气相色谱柱，要求气相色谱固定相具有以下性能：
（1）、热稳定性好的高聚物，其熔点要低，黏度要高。
（2）、对石英毛细管内壁有较好的湿润性。
（3）、在制备中分子结构一致，分子量分布窄而批与批之间尽可能一致。
（4）、最好在分子上有易于交联的基团，如乙烯基。
（5）、有选择性高的基团，便于制备出分离异构体的固定相。
2、常用的常规聚硅氧烷毛细管气相色谱固定相
(1)、聚二甲基硅氧烷 常用的聚二甲基硅氧烷牌号是: OV-1；SE-30GC 。
(2)、含苯基的聚硅氧烷 SE-54是含有5%苯基和1%乙烯基的硅生胶，它很容易涂渍和交联。OV-17硅生胶(gum)是黏度高的含50%苯基的聚硅氧烷；OV-25是黏度较高的含75%苯基的聚硅氧烷，可制备出极性较高的毛细管气相色谱柱。
(3)、含氰基的聚硅氧烷 使用较多的含氰基的聚硅氧烷有: OV-225； OV-275； OV-1701(结构和基团在第二章已经讲过)。
(4)、含氟聚桂氧烷 使用较多的含氟聚硅氧烷有: OV-210，OV-215。
3 聚乙二醇类固定相
聚乙二醇20M是最常用的极性氢键型固定相，但是它的热性差，易受盐和少量水的催化而分解，对氧尤其敏感，有人发现这类固定相中残留的催化剂较多会造成它的分解，所以比利时的Sandra制备了一系列残留催化剂少分子量高的聚乙二醇，如 Superox20M；Superox4 。据说后者可耐温到300℃。
4 便于交联的聚硅氧烷固定相
在毛细管柱内使固定相原位交联(固定化, immobilization)或键合到毛细管壁上，是提高液膜稳定性和耐温性的重要途径， 但是一些苯基含量高的聚硅氧烷，如 OV-17、OV-25和OV-225，难以用引发剂使之交联。但是如果在聚硅氧烷分子中引入一定量的乙烯基，通过乙烯基可以使这类固定相容易进行交联。所以往聚硅氧烷分子中引入乙烯基是提高固定相性能的重要手段。第二个提高固定相液膜和热稳定性的方法是使用端羟基聚硅氧烷固定相，由于聚硅氧烷分子两端有羟基，它在加热的情况下可以和毛细管壁上的硅醇基进行缩合，这样可制成键合固定相。第三个办法是往聚硅氧烷分子链和功能基团侧链之间引入间隔基(spacer)，使分子易于交联。
5 特殊选择性固定相
手性固定相是近年来研究较多的课题。最出名的第一批手性固定相是Frank等把L-缬氨酸－特丁酰胺接枝到聚硅氧烷上, 商品名叫做Chirasil-Val, 它通过氢键作用, 可以在宽广温度范围内分离一系列种类的手性化合物。手性氨基酸衍生物固定相可以通过氰烷基取代的聚硅氧烷(如XE-60, OV-225)的改性得到。80年代中期M. L. Lee实验室 的 Brandshow等人把含乙烯的手性分子，以硅氢加成的方法合成了具有手性侧链的聚硅氧烷固定相。
近年手性固定相研究最多的是环糊精的各种衍生物。

毛细管气相色谱柱—耐高温GC固定相
耐高温的气液色谱固定相
由于要分析分子量大、热稳定性好的样品，对气相色谱固定相的耐热性提出了更高的要求，例如在石油分析中模拟蒸馏要分离100个碳以上的脂肪烃，分离原油中的有机金属化合物如金属卟啉类化合物，分析聚合物中的添加剂，分析食品中三甘油酸酯，分析环境中的多环芳烃等，都要求能耐325℃以上柱温的色谱柱。通常在325℃以下的色谱叫常温色谱，高于 325℃ 以上柱温的色谱叫高温色谱。在高温色谱固定相中最常用的是端羟基聚硅氧烷，在涂渍过程中进行缩合交联并与石英表面的硅羟基缩合而键合到毛细管壁上。SGE 公司在1995年展出三种耐高温毛细管柱BPX-5(Tmax=370℃); BPX-35(Tmax=360℃); BPX-70(Tmax=290℃)。 Chrompack公司的不锈钢高温柱 ST-SIMDIST CB可用到430℃。曾在市场上出现的耐高温气液色谱固定液见下表 。
耐高温的气液色谱固定相

液晶和高分子液晶固定相
低分子液晶固定相是1963年Kelker首先提出的，成功地用于二元取代苯异构体的分离，其后国内外有许多人研究这类固定相，国内发展了芳羧酸酯类液晶作气相色谱固定相在工业分析中的应用。在孙济庆等编纂的《中国液晶科技论文索引集》中汇集了国内从1983到1994年间发表的有关液晶的科技论文索引，其中有很多是在气相色谱固定液中的应用。80年代初发展了以聚硅氧烷为主链、以液晶为侧链的高分子液晶气相色谱固定液，在位置异构体和多环芳烃的分离上有所突破，但是这种固定相在提纯和热稳定性方面还存在一些问题，所以多年来只有极少数商品柱。不过至今研究这种固定相的报告有不少。国内在60年代曾把芳羧酸酯类液晶用于甲酚和二甲酚位置异构体的分离，用于叔丁基二茂铁同系物的分离。高分子液晶有较好的耐热性，可以用于多环芳烃的分离，但是随时间固定相回有流失，柱寿命欠佳。
用做低分子液晶固定相的典型液晶列于表1中

典型的侧链聚硅氧烷液晶于表2中。


毛细管气相色谱柱—冠醚GC固定相

毛细管气相色谱柱—冠醚GC固定相

冠醚和高分子冠醚固定相
冠醚和高分子冠醚作气相色谱固定相始于1985年，高分子冠醚固定相虽然开始于国外，但是有关这类固定相的研究是我国做得最多。这种高分子冠醚固定相在分离某些位置异构体，如甲酚、二甲酚异构体等十分有效。最近俄罗斯用二苯并18-冠-6和OV-101作成层状固定液的毛细管柱分离25种有机物很有效。但是冠醚和高分子冠醚的合成比较困难。目前还没有高分子冠醚的商品柱。一些研究过的高分子冠醚和高分子液晶冠醚的结构列于表中

毛细管气相色谱柱—环糊精GC固定相
环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是6个以上D-(+)-葡萄糖分子通过-1.4连接而形成的聚合体。最常用的α.β.γ-环糊精分别含有六、七、八个葡萄糖单元。每个葡萄糖单体有五个手性中心。环糊精外形类似内空去顶的圆台。外表面的仲羟基基团位于空羟的细口端。仲羟基位于空羟的宽口端。C(2)上的羟基位于圆台细口端。C(2)上的羟基为顺时针方向，C(3)、C(6)上的羟基为逆时针方向，这种结构因素在手性识别上起作用。由于内腔只有C－H键和C－O苷健，具有疏水性。环上具有多羟基，具有亲水性。O原子的孤对电子朝向内腔，使内腔具有高电子密度，具有Lewis碱的特征，能和多种化合物形成包含物。
由于环糊精母体和一些衍生物有较高的熔点，很多人把它们溶于中等极性的聚硅氧烷(如OV-1701)中形成混合固定液。但是Koenig使用低熔点的环糊精衍生物作气相色谱固定相不用稀释剂直接涂渍在毛细管柱上分离对映异构体，所以文献中也有用纯的环糊精衍生物作手性固定相的报告，我们所研究的环糊精衍生物都是直接涂渍在毛细管柱上，国外也还有用直接涂渍环糊精衍生物作手性固定相的报告。不过Koenig本人后来也把低熔点的环糊精衍生物溶在OV-1701中使用。环糊精衍生物的商品柱多为用在OV-1701烯释的混合固定相。1990年Schurig把全甲基环糊精接枝到聚硅氧烷上，成为侧链甲基环糊精聚硅氧烷固定相，这种固定相容易涂渍，耐热性好，效仿Chiralsil-Val的命名，把它叫作Chiralsil-Dex。它可以用于气相色谱或超临界流体色谱。后来又把三氟乙酰基引入环糊精中接枝到聚硅氧烷上，叫作Chiralsil-Dex-TFA并进固定化，用作手性分离固定相。
环糊精的结构和性能如下表和图所示。
CD的物理数据及性质