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毛细管气相色谱柱—色谱柱性能评价


一、评价色谱柱的指标和测试物

评定毛细管柱的性能有三项最为重要的指标，即柱效、表面惰性和热稳定性。这三项指标是分别测定的，但是它们也有一定的联系，如活性高时拖尾因子大，同时柱效也会降低。一般评价色谱柱的方法是在一定的色谱条件下分离一组测试混合物，测试混合物中含有各种官能团，以便考核色谱柱的各种性能，这些化合物有烷烃、芳烃、醇、二元醇、醛、酮、酚、胺、酯和游离酸，普遍实用的是所谓 Grob试剂，其组成和浓度见表．



用Grob试剂测试SE-52毛细管柱的色谱如下图所示。



用Grob试剂测试SE-52柱的色谱图
Diol—2,3-丁二醇； C10—正癸烷； C8-OH—正辛醇； C11—正11烷；C9-OH—正壬醇； DMP—2,6-二甲基苯酚； DMA—2,6-二甲基苯胺；E10—癸酸甲酯；E11—十一酸甲酯； E12—十二酸甲酯

二、评价色谱柱的柱效
1、柱分离能力的测量
每米柱长理论塔板=[5.54×(tR/Wh)2]÷L
2、涂渍效率 涂渍效率用下式进行计算。
CE=(hmin/h)×100%
式中 CE —涂渍效率；
hmin—最小理论塔板高度；
h —实际测定的理论塔高度。
毛细管气相色谱柱—气固毛细管色谱柱
气-固毛细管柱
自从1966年使用高分子小球作气相色谱固定相以来，气固色谱多使用填充柱，但在80年代后期多孔层气固色谱用毛细管柱（PLOT柱）出现，代替填充气固色谱柱。使用多孔层开管柱（PLOT）分析气体具有高效、快速、重复性好的优点，PLOT 柱正在取代常规的填充柱。PLOT 柱是在熔融石英毛细管柱中涂渍一层吸附剂颗粒的开管柱。
气固毛细管柱有以下三种类型：
1、涂渍分子筛的 PLOT 柱
2、涂渍各种三氧化二铝的 PLOT 柱
3、键合苯乙烯二乙烯基苯的 PLOT 柱
各种PLOT柱的应用如表。

1、分子筛 PLOT 柱
HP-PLOT分子筛柱可以分析永久气体和惰性气体,它是在柱内涂渍有固定化的5A分子筛，涂层厚度为12～50μm。这样可以保证对氮、氧、氩、甲烷和一氧化炭的分离。把分子筛键合到毛细管壁上，减少颗粒脱落的机会，以免颗粒进入系统的阀或检测器里，这样可以大大提高检测器的灵敏度和整个系统的精确性。例如惠普公司的HP-PLOT分子筛柱有足够的柱效和柱容量用以很好地分离氮、氧、甲烷和一氧化炭。这种色谱柱适合于多种气体分析样品阀所要求的时间选择。在进行等温40℃分析时，氧和氩只能部分分离。如果要把它们完全分离，可以用冷冻低温或使用厚膜HP-PLOT 分子筛柱， 在35℃下可以把惰性气体及氧和氮很好地分离，分析时间不到10min。
Agilent-PLOT分子筛柱的柱径规格为0.32mm和0.53mm, 为了能在不使用冷冻低温下分离氧和氩气，可以使用厚膜柱HP-PLOT MoleSieve/5A分子筛柱。 薄膜HP-PLOT 分子筛柱是多种应用分析（包括常规的空气监测）理想的色谱柱，分析时间小于10s。使用薄膜HP-PLOT 分子筛柱可以在低温下分离氧和氩。
2、三氧化二铝PLOT柱
PLOT三氧化二铝柱是用三氧化二铝颗粒和各种脱活的三氧化二铝颗粒的涂层开管柱。所有PLOT三氧化二铝柱都适用于烃气流中C1～C6异构体的分离，每种类型的PLOT三氧化二铝柱都各有其特点和优点.
Agilent-PLOT三氧化二铝柱的柱径从0.25mm到0.53mm, 0.53mm 柱的使用更为普遍,因为它的柱容量大,适合于大体积进样阀的应用。Agilent-PLOT 三氧化二铝柱检测烃类的检测限为10-5g/mL。对0.32mm 和0.53mm 内径的所有三种色谱柱其温度上限均为200℃，对0.25mm柱可以在250℃下短时间使用。由于0.25mm柱的柱效高，并且使用温度上限也较高，所以它可以用于烃类（高达C10）异构体的分离。0.25mm柱也广泛地用于 GC-MS的分析。
3、 HP-PLOT Al2O3 KCl柱
因为Agilent-PLOT Al2O3 KCl柱是极性最小的Al2O3柱,由于它的吸附性很低,所以可用于二烯烃的定量分析,

4、HP-PLOT Al2O3“S"和“M”柱
这种色谱柱是优良的通用性色谱柱，他不同于Al2O3KCl柱，而是进行了优化专为烃类异构体分析用的专用型色谱柱。这些色谱柱可使C1～C6异构体达到基线分离，即使在超载的情况下也可以对乙烯、丙烷、环丙烷、丙烯、乙炔、丙二烯和1，3-丁二烯有选择性分离。图5～8是用PLOT Al2O3 "S"柱分析98.5%乙烯中主要杂质的色谱图，这种色谱柱的高柱容量表现在丙烷（进样1.5mL）即使在严重超载下，它的峰形也没有发生畸变，所有的峰都尖锐而对称，分离度很好，表现出色谱柱具有独特的选择性。
5、苯乙烯二乙烯基苯的 PLOT 柱
这种色谱柱是安捷伦公司的商品名为Agilent-PLOT Q柱,它是PLOT柱中应用广泛的色谱柱，Agilent-PLOT Q 柱适合于以下对象的分离：
1、烃类———所有C1～C3异构体、一直到C14的链烃、天然气、炼厂气、乙烯、丙烯气体）。
2、二氧化炭、空气/一氧化炭、水，
3、极性溶剂、含氧和含硫化合物。
Agilent-PLOT Q 柱应用范围广阔,它可用于烃类气体的分析，如乙烯和丙烯、天然气和极性化合物，新的 Agilent-PLOT Q 柱可以用于C14以下烃类的分析，以及所有C2和C3异构体的分析。
在用 Agilent-PLOT Q 柱(用TCD)分析天然气时, 此柱表现出:在起始柱温为60℃下,水和H2S,空气/CO和CO2可以从甲烷中得到很好的分离,新戊烷和异戊烷得到分离。
在分析 1，3-丁二烯和芳烃时，使用 Agilent-PLOT Q柱不会让 1，3-丁二烯聚合，而在使用其他商品DVB-固定相的色谱柱时，有时会出现聚合的现象。
毛细管气相色谱柱—大内径毛细管色谱柱
大内径毛细管色谱柱
一、大内径毛细管柱的特点
自从1983年10月HP公司推出一种大内径的毛细管柱，取名为“megbore”熔融二氧化硅毛细管柱，此后许多公司也相继出售这种大内径毛细管柱，所谓大内径毛细管柱主要是指内径为0.53mm的弹性石英毛细管柱，其特点是:

①、可直接取代填充柱，即无须分流进样，
②、分析速度快，比填充柱分析速度快，
③、吸附性小，
④、在较低的载气流速下柱效大大优于填充柱，
⑤、这种色谱柱多为交联型固定相，所以它的化学稳定性和热稳定性优于填充柱。

二、大内径毛细管柱的主要柱参数
大内径毛细管柱涉及柱内径和液膜厚度，它们都与色谱柱的柱效、柱容量、分配容量和分析时间有关系。
1、柱内径
从毛细管色谱的理论可知，柱内径增加柱效会大幅度地下降，如表所示。
大内径毛细管柱是牺牲柱效来增加柱容量、提高流量，以便适应代替填充柱的要求。

2、液膜厚度
液膜厚度对柱效的影响比较复杂，包括对固定相的传质阻力和容量因子的影响，当液相传质阻力(CL)很小时，柱效高，分析时间短，这是薄液膜的两项优点。但是薄液膜也有三个缺点:
①、薄液膜柱容量因子小，不利于高挥发性物质的分离；
②、不利于痕量物质的分离；
③、不足以掩蔽柱壁的活化点。
所以小于0.2μm膜厚的毛细管柱很少有人使用，过去用不锈钢毛细管柱时，膜厚常为0.5～0.6μm；用玻璃毛细管柱时，膜厚常为0.2～0.5μm。但是也常用膜厚为1μm 的分离低沸点化合物。总之厚液膜柱可以增加柱容量、减低活性，适于低沸点化合物的分析。此外当固定相进行交联之后，可进一步提高液膜厚度到5～6 μm，甚至可高达8μm。以便适应于代替填充柱的要求。
毛细管气相色谱柱：细内径毛细管色谱柱
一、细内径毛细管气相色谱柱的特点
气相色谱分析方法的主要目的是在尽可能短的时间里对一个混合物得到完全的分离,对于痕量分析而言还要求灵敏度高、对样品的容量大，要达到这一目的一般使用长度为25～30m，内径为0.25～0.32mm的毛细管柱来进行常规分析，这样的毛细管柱可以提供高的柱效(1000000理论塔板数)和足够的样品容量和负载量。如果减小柱内径就会进一步提高柱效，所以可在维持分离度不变的情况下缩短柱长。例如一支10m×0.1mm i.d. 的毛细管柱可提供柱效等同于一支25m×0.25mm i.d. 柱的柱效。因为柱长缩短到2/5，分析时间也大大缩短。而且由于细内径毛细管柱的Van Deemter曲线比较平坦,最佳流速较高,所以在分离度不减低的情况下可以进一步提高分析速度。而提高分析速度的代价是柱容量减小,因而样品的注入量要小,实际应用中使用大的分流比。在许多化学、石油化学、食品、调味品和香料的分析中不需要很高的灵敏度,所以在这些领域中使用细内径毛细管柱可以大大缩短分析时间,在保持分离度不变的条件下增加每日的分析数量。

二、细内径毛细管气相色谱柱的应用
例如用Agilent 6890系列气相色谱仪进行香精油的毛细管快速气相色谱分析
所用色谱条件见下表



用常规毛细管气相色谱分析合成香料, 在30min内得到很好的分离，然而用一支细内径毛细管柱进行同样的实验可以得到同样的分离度,而分析时间只有12.5min。
使用相同的条件分析天然薰衣草油样品:芳樟醇、樟脑、芳樟醇乙酸酯和香叶醇乙酸酯，对这四个化合物进行十次测定计算它们的保留时间和峰面积重现性,结果表明：保留时间的标准偏差小于0.002min(RSD< 0.03%), 峰面积的标准偏差小于1%。

快速毛细管气相色谱柱
1、快速气相色谱方法的理论基础
在今天“时间就是金钱”的市场经济形势下，尽量缩短分析时间成为人们在色谱方法学研究中的重要课题。在气相色谱分析中，近年快速气相色谱得到很快的发展，而细内径毛细管色谱柱是实现快速色谱的重要手段之一。快速气相色谱在分离复杂混合物如药物、环境样品、石油工业样品、环境分析样品等有十分重要的作用。
快速气相色谱实际上早在1961年Desty就论证过，使用2m长，70μm i.d.细内径的壁涂金属毛细管柱，为了进样时间短，用锤子冲击进样（蒸汽进样塞只有10ms）,全部分离9个庚烷异构体只要5s。有的样品甚至只有1s就可以完成分析。此后有许多研究者进行快速气相色谱的工作都是基于使用细内径毛细管柱。使用细内径毛细管柱，另外一个效果是可以提高柱效，但是要提高柱效必须尽可能地减少死体积和减少进样宽度，有关这一问题可从理论上说明，如下面的公式：

  （1）
式中H是理论塔板高度（mm）,B,CG,CL分别为纵向扩散常数，气相传质阻力和液相传质阻力，u是载气流速，D是衡量死体积大小的系数。所以要实现快速气相色谱就要使用细内径、短的毛细管柱，柱温要高，色谱系统的死体积要小，进样宽度要尽可能小等等。

2、适合于快速气相色谱的操作条件
要实现快速气相色谱，可以从下面的保留时间（tR）公式得到答案：

式中L是色谱柱长，u是载气流速，k是容量因子。用最后一个色谱峰的tR值来衡量分析的速度，从（2）式可以看出色谱柱柱长减小可以缩短分析时间，所以在快速分析时毛细管柱长一般小于10m。增加载气流速u也可以加快分析速度，在使用小内径毛细管柱时，在一定的柱前压下，常常使用每秒几米的载气流速。另外一个影响因素是容量因子k，有一些色谱条件会使k减小，如提高柱温，减小固定相的液膜厚度都会使k减小。但是上述这些色谱条件，都会导致柱效的降低，特别是色谱系统的柱外效应（死体积）有很大的影响，下面的公式是描述柱外效应对峰加宽的影响。



式中σ2是柱外效应对峰加宽的方差，△t是分析系统总的死体积，在进行快速气相色谱时由于使用了短色谱柱、细内径和薄液膜厚度，因而导致分析系统总的死体积对柱效有非常大的影响。要使σ2适于快速气相色谱，分析时间在几秒甚至小于1s，△t必须大大减小，要小于10ms 。如果仪器的死体积和进样系统可以满足这一要求，就可以使用短色谱柱和高载气流速，达到快速气相色谱的目的。但是峰容量值和色谱柱柱长的平方成正比关系，所以使用短柱分离复杂的混合物就非常困难 。
色谱柱的柱效是快速气相色谱另外一个十分重要的参数，由于使用短柱，总柱效降低了，而柱效是分离好坏的重要依据，所以提高单位色谱柱柱长的柱效是快速气相色谱的必要条件。而在快速气相色谱的条件下，VanDeemter的速率理论又不完全适用，有人研究了快速气相色谱的理论塔板高度（H）和流速的关系 。早期Gaspar[23]提出用上面的公式（1）来表示H和u的关系，近来Blumberg 则用下面的公式（4）表示H和u的关系：

由（4）式可以看出，在快速气相色谱情况下（短柱、细内径和薄液膜），载气流速增加柱效的损失不大，氢气做载气更为适宜 。
快速气相色谱的方法和仪器
过去在商品仪器进行快速气相色谱时遇到几个难题：
1、进样体积和速度，2、检测器电路，3、数据采集速度，和4、程序升温速度。
（1）、检测器 过去在快速气相色谱中多使用FID和微型TCD，目前FID， TCD，ECD，PID和MS都有使用的。FID 由于它的死时间很小，一般只有几个毫秒，是快速气相色谱理想的检测器。微型TCD在便携式快速气相色谱仪中使用较多，特别是用在硅片上作出的微型TCD其池体积只有220nL。