主题：【资料】毛细管气相色谱系列讲座(共35讲)

毛细管气相色谱系列讲座（22）

毛细管气相色谱柱（六）——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。

毛细管气相色谱系列讲座（23）

  毛细管气相色谱柱（七）——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

毛细管气相色谱系列讲座（24）

  毛细管气相色谱柱（八）——液晶 gc 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。

毛细管气相色谱系列讲座（25）

  毛细管气相色谱柱（九）——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

好多好东西

毛细管气相色谱系列讲座（26）

    毛细管气相色谱柱（十）——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

毛细管气相色谱系列讲座（27）

            毛细管气相色谱柱（11）——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．

 

Grob试剂的组成和浓度


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。

毛细管气相色谱系列讲座（28）

          毛细管气相色谱柱（12）——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：

·  涂渍分子筛的 PLOT 柱

    ·  涂渍各种三氧化二铝的 PLOT 柱

·  键合苯乙烯二乙烯基苯的 PLOT 柱

各种PLOT柱的应用如表。

Agilent-PLOT 柱的应用




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10 min。

    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 0.32 mm 和 0.53 mm 内径的所有三种色谱柱其温度上限均为 200 ℃，对 0.25 mm 柱可以在 250 ℃ 下短时间使用。由于 0.25 mm 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。0.25 mm 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Al2O3 KCl 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。

毛细管气相色谱系列讲座（29）

          毛细管气相色谱柱（13）——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 0.53 mm 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。

            柱径和理论塔板数间的关系




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 0.5～0.6 μm；用玻璃毛细管柱时，膜厚常为 0.2-0.5 μm。但是也常用膜厚为 1 μm 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。

毛细管气相色谱系列讲座（30）

          毛细管气相色谱柱（14）——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0.25～0.32 mm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×0.25 mm 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

  用细内径毛细管气相色谱柱分析香精油的条件



用常规毛细管气相色谱分析合成香料, 在30 min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12.5 min。

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0.002 min (RSD< 0.03%), 峰面积的标准偏差小于1%。