主题：【资料】色谱100年回顾扎记(共72讲)

色谱100年回顾扎记（11）

  毛细管气相色谱的出现(2)



色谱柱的柱效，一直是研究色谱的一个极为重要的研究课题，从茨维持，马丁 (Martin) 辛格 (Synge)，柯尔曼 (Keulemans) 等都在为提高色谱柱的柱效方面进行了不懈的研究。毛细管柱的创始人高雷 (M．L. E．Go1ay) 从 1955 年开始也在当时的 Perkin-E1mer 公司从事提高色谱柱的柱效方面的研究。

高雷认为一支理想的色谱要比填充柱 ( 用 Celite 做载体) 的性能高一万倍，因此他认为理论和实际之间存在很大的差距，所以大有改进的余地。而开管柱（毛细管柱）却可大大改进分离性能，比填充柱可提高约一百倍。

高雷在 1957 年由美国仪器学会在美国密执安大学举行的第一届气相色谱会议上，发表了第一篇有关毛细管气相色谱的报告 。此时他的理论方面的研究还有些粗略，但是他介绍的一张色谱图，是在一支 91m 长的色谱柱上得到 12000 块理论塔板数。这样的水平现在看起来当然是不值一提了，但在当时毕 竟是一个难能可贵的开始。在此后的一段时间里，高雷和他的同事 (主要是 R.D.Codon ) 研究了毛细管柱的制备问题，并把他的毛细管柱色谱理论进一步完善。于是在 1958 年的阿姆斯特丹国际气相色谱会议上，提出了著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。另外，他还发表了两幅色谱图，其中一幅是在一支 45 m 长内径为 0.25 mm  的不锈钢毛细管柱中涂以邻苯二甲酸二(十八酯)，柱效达 50000 多块理论塔板数，检测器是用高雷自己设计的微型热导池。在 58 min  内可以把间-二甲苯和对-二甲苯分离开。柱温 70℃，载气为氦，流速为 0.48 mL／min，间-、对-二甲苯的相对保留值只有1．023。

色谱100年回顾扎记（12）

各国竞相研究毛细管气相色谱

1958 年阿姆斯特丹的国际色谱会议奠定了毛细管色谱发展的基础。许多

参加阿姆斯特丹会议的色谱工作者，在会议结束后立即效仿高雷着手研究毛细管气相色谱,著名的色谱学家 Desty 是第—个积极的效仿者，很快他在 1958 年10月于莱比锡 (Leipzig) 举行的首届气相色谱报告会上介绍了他的仪器和色谱柱。此后又有—批著名的色谱学家相继发表他们的研究报告。和 Desty 同时进行毛细管色谱研究工作的有美国的 Zlatkis、Lipsky 及 Lovelock，在 1958 年秋天他们都制备出了毛细管色谱柱。Lipsky 研究组立即用毛细管气相色谱去解决过去难以解决的问题,如脂肪酸的分离。而 Zlatkis 则首先用这种技术解决烃类的分析。他可以分离所有 16 个 C5-C7 的烷烃，间-、对-二甲苯，C4烯烃和所有 16 个 C1—C6 的醇类。在欧洲的效仿者有R.P．Scot，Grant 和 Adlard(英国)；Kaiser 和 Schomburg(德国)，Liberti,Cartoni 和 Bruner (意大利)。在这个阶段所涉及的研究问题有：色谱柱的制备，色谱条件如载气种类和流速，柱温和柱参数(如长度、内径及液膜厚度)对结果的影响。在这一阶段人们都普遍接受动态涂渍法。另一个毛细管气相色谱课题——进样技术，在此阶段进展较慢，普遍接受分流进样的方法，在 1961—1962 年间这种进样方式进行了较多的研究和改进。

色谱100年回顾扎记（13）

提高毛细管柱的容量

    壁涂毛细管柱的内表面小、柱容量小，因而在60年代初人们开始研究增加毛细管柱内表面的毛细管柱，主要是在毛细管内壁上沉淀一层多孔物质。在1962-1963年间由美国著名色谱学家Harvath提出这一方法，之后在德国法兰克福的Halasz的实验室进行了这种研究，制备出SCOT柱 。这种由Harvath 提出的SCOT柱后来PE公司的Ettre又进行了深入的研究，并把这种色谱柱形商品。

同时高雷又结合SCOT柱修正了适用于SCOT柱的高雷方程。Harvath和Ettre 都使用了高雷的静态涂渍技术，把含有多孔载体的固定相的溶液充满不锈钢毛细管，然后从毛细管柱的一头让溶剂蒸发掉，后来这种方法被 Ilkova 和Mistryukov 用于玻璃SCOT 柱的制备。我国兰州化学物理研究所由俞惟乐教授领导的研究组成功地用有机胶做粘结剂制备了玻璃毛细管柱。以后由天津试剂二厂生产，在70年代国内有较多的使用者。 

近年开发出的PLOT柱(在大口径毛细管柱壁上涂渍或键合\交联上三氧化二铝、分子筛、苯乙烯-二乙烯基苯共聚物等）十分有用。

色谱100年回顾扎记（14）

玻璃毛细管柱的时代

    高雷的第一支色谱柱是用聚乙烯制成的，之后多用不锈钢毛细管柱。但是不锈钢柱的活性高、柱效差，因而玻璃毛细管柱成为 60-70 年代的主要柱型。但是玻璃毛细管柱有几个主要缺点：难以涂渍固定液；柱寿命短；易碎，因此困扰了人们很多年。所以，60 年代仍多用不锈钢毛细管柱，在 1960 年 Desty 就研制出第一台玻璃毛细管柱的拉制机。当时在玻璃毛细管柱上涂渍角鲨烷，只可使用两三天，固定液液膜就破坏了。经过几年的研究，对玻璃毛细管内壁进行改性，致使固定液可以徐渍在毛细管壁上。进行这一研究的先驱有 Grob，Liberti，Novotny 和 Tesarik 等。Grob 的早期研究是让二氯甲烷热解成为碳黑，使壁内表面粗糙化，Liberti 等用氨或氢氧化钠溶液处理毛细管内壁，使之粗糙化， Novotny 和 Tesarik 用气态 HCl 或 HF 刻蚀玻璃内表面( HF 是用甲基三氟氧乙基醚热解产生的)。

    在这些基础性研究之后，70 年代初有一批色谱工作者——A1exander、Blomberg 、Fanken、Grob、Guiochon、Jennings、Kaiser、Onuska、Rijks、Roerade、Rutten 和 Schomburg 等人，研究了各种处理玻璃表面的方法,和涂渍固定液的方法，并把毛细管色谱的应用范围进一步扩大。

    70 年代末，当毛细管色谱柱使用玻璃做材料的时代结束时，对玻璃毛细管柱进行去活及涂渍的工艺已相当成熟，它的应用也渗透到许多领域。   

    现在玻璃毛细管柱已经完全退出了毛细管气相色谱的领域，完全为弹性石英毛细管柱所取代。

色谱100年回顾扎记（15）

                              弹性石英毛细管柱的时代



使用熔融二氧化硅做毛细管柱的材料，这是一次气相色谱领域中的革命。1979年春在国际第三次毛细管色谱报告会上，Dandeneau和Zerenner 首次报告了用熔融二氧化硅 (fused silica) 做毛细管柱的研究，开始了熔融二氧化硅做毛细管柱材料的时代。我国习惯地把熔融二氧化硅毛细管柱称做弹性石英毛细管柱(flexible fused silica capillary column)。很快，这种柱材料成为毛细管柱的主要材料。这是因为弹性石英柱有几个显著的优点:



①        石英柱的柔韧性好，易于连接安装。与检测器、质谱仪、多维色谱系统很容易连接。

②  石英柱内表面惰性好，金属离子杂质少，对固定液的催化分解作用小。

③  由于惰性好，对一些极性和氢键型化合物吸附性弱，拖尾小。

④  与玻璃相比，石英表面易于通过硅烷化处理,使各种极性的固定液形成均匀的液膜因而柱效很高。



  70年代末毛细管气相色谱的另一个大的突破是在毛细柱内固定液的固定化 (immobilization) 或称固定相的交联化，例如含有乙烯基的聚二甲基硅氧烷，在高温和过氧化物的引发下，线状聚二甲基硅氧烷分子交联成网状体形聚合物，它不再溶于有机溶剂。这一方法虽然最初由 Madani 在 70 年代末就提出 ，但它的兴盛是与弹性石英毛细管柱的发展同步而行的。到 80 年代末弹性石英毛细管拄和交联固定相在商品柱中广泛流行。为大多数色谱工作者所接受，成为毛细管色谱柱的主流，而玻璃毛细管柱成为次要的品种。 



    1983 年10月 HP 公司推出大孔径毛细管柱(“Megabore”柱)，此后又有其它公司生产这种大孔径柱，即所谓 530 柱  ( 即内径为 530 μm ) 。而 Supelco 公司还生产 750 μm 的玻璃毛细管柱。这种色谱柱可以直接代替填充柱，在 80 年代末曾在国内外风靡一时，近年 PLOT 型大孔径毛细管柱的流行，替代了过去分析低挥发性混合物（如永久性气体）的填充色谱柱，这就为毛细管柱完全取代填充柱创造了好的条件。

色谱100年回顾扎记（16）

    杨那克的气相色谱仪

杨那克 (Jaroslav Janák，1924 年出生 ) 是捷克人，著名色谱学家。1947 年他在一家进行气体和水的分析，当时做气体分析还是使用奥氏气体分析器（就是使用各种化学试剂吸收混合气体中的某中组分（如用 KOH 吸收二氧化碳，用焦性没什子酸吸收氧气等）。此法不能分析挥发性烃类化合物，因而需要研究一种新的分析方法。杨那克熟悉酚类混合物的液体色谱和纸色谱的方法，他想用色谱应该可以分析挥发性烃类化合物。他利用工厂里丰富的文献，包括Turner 和 Claesson 的文章（N.C. Turner, Nat. Petrol. News,1943,  35, R234–237 ;  N.C. Turner, Petr. Refiner. 1943, 22(5), 140–144; S. Claesson, Ark. Kem. Mineral. Geol. 1946, 23A(1),. 1–133 ）。杨那克改进了前人的方法，用 CO2 做流动相，用杜马测氮管测定分离开的气体体积，用作检测器，在样品和 CO2 进入测氮管之前通过 KOH 溶液被吸收掉。按时间记录气体体积的增量。纯 CO2 可以在实验室于系统前面制备。如图 1 和图 2 所




    图 1  杨那克的气相色谱仪装置

              1—  盐酸溶液  2—产生CO2的大理石  3—洗涤NaCO3 的洗气瓶  4—浓硫酸

              5—汞平衡器  6—压力计  7—CaCl2 干燥器  8—三通阀  9—校正样品体积管

              10—汞压力计  11—恒温槽  12—色谱柱  13—测量气体管



图 2  杨那克的气相色谱仪照片





(资料来源于Leslie S. Ettre: LC-GC NORTH AMERICA ,2002,  20 ( 9 ): 866)

色谱100年回顾扎记（17）

      杨那克气相色谱仪的应用 (1)





    杨那克（Janák）的气相色谱仪是用 CO2 做流动相，用杜马测氮管用作检测器，在样品和 CO2 进入测氮管之前通过 KOH 溶液被吸收掉。按时间记录气体体积的增量。测的的累计性色谱如图 17-1 所示.








    图 17-1 杨那克的累积型气相色谱图



这一累积型气相色谱图是氮素计管中的体积和经过时间关系的图，这里全部体积是5.2 mL，A=空气（1.9%），B=甲烷（30.8%）,C=乙烷（7.7%）,D=丙烷（11.5%），E=2-甲基丙烷（9.6%），F=正丁烷（15.4%），G=2-甲基丁烷（13.5%），H=正戊烷（9.6%）。色谱柱是用二甲基环丁砜作固定液。

    Janák 在进行了这一工作之后, 开始发表他的详细研究报告和应用文章，他的第一篇文章于 1953 年发表，此后的年里 Janák 和他的合作者发表了 18 篇论文，所有的文章都首先发表在 Chemické Listy （捷克化学会志）上。此后德文（有的还有俄文译文）在Collection of Czechoslovak Chemical Communications （1929 年开始发行的国际性科学杂志）。在“ Janák 著作汇编“的条目中列出了这些论文的题目，并指出这一研究有广泛的应用。

    在 Janák 的原始性研究中他使用活性碳和硅胶作固定相，用来分离无机气体和烃类气体。之后有使用分子筛和涂渍各种固定液的分配色谱。这样一来一来 Janák 的气相色谱仪在欧洲引起了极大的兴趣，而且一些实验室建立了他们自己的分析气体的体系（要知道当时还没有商品气相色谱仪或者刚刚开始筹备）。这一时期有公司使用自己建立的 Janák 型气相色谱仪，包括：德国的 BASF, Farbwerke Hoechst, 和 Lurgi，英国的 British Petroleum，荷兰的 Shell Laboratories ，法国的Societé Française du Pétrole。这时候 Janák 型气相色谱仪十分普及，甚至一些化学家创造了一个用 Janák 型气相色谱仪进行分析的“动词“，叫 ”janákieren“ （ Janák 方法）。

    一些仪器公司如德国的 Hereus ，英国的 Griffin & George，捷克的 Kavalier 都开发了不同形式的Janák 型商品气相色谱仪，但是这种仪器十分简单，当时的实验室都可以自己制作。

(资料来源于Leslie S. Ettre: LC-GC NORTH AMERICA ,2002,  20 ( 9 ): 866)

  色谱100年回顾扎记（18）

杨那克型便携式气相色谱仪 



      一些小的公司如德国的 Hereus ,英国的 Griffin & George 和捷克斯拉伐克的 Kavalier 等公司，开发出各种类似杨那克型的产品，但是，由于它们的结构很简单，用一些实验室有的元件就可以制造出来，所以许多实验室宁愿自己来制作（因为一些实验化学家愿意自己制做仪器）。英国的 British Petroleum 和美国的Podbielniak Co. 制造出最初的便携式商品气相色谱仪来，叫做 Chromanette 9495 系列，如图 18-1 所示。于 1956 年的 California Natural Gasoline Association 会议上介绍了这一仪器（  Ch. Rouit, in Vapour Phase Chromatography (1956 London Symposium), D.H. Desty, Ed. (Butterworths, London, 1957), pp. 291–303 ），但是未见实际进行销售。



    图 18-1    杨那克型便携式气相色谱仪

                       

      各种自行制造的仪器已经偏离了原来杨那克的设计思路，在某些方面有所改进，如 L.S. Ettre 于 1957 年设计的气相色谱仪 （这一仪器和带热导检测器的商品气相色谱仪一起使用了两年）。这一仪器不用大理石产生 CO2 ，而是用一个高压锅装干冰，提供连续不断的CO2 ，在装填干冰时会带入一些空气，这些空气在短时间打开高压锅阀门可以很容易地排除掉。另外 L. S. Ettre 还改进了进样系统。原来杨那克使用微量滴定管进样以汞把气体样品压入载气中。L. S. Ettre 则使用了Perkin-Elmer Corp 的气体进样阀和定量进样管（也就是现代所使用的进样工具了）。而且使用转子流量计来测量载气动的流量，载气动的流量可以由高压锅上的阀进性控制。如前所述，杨那克型仪器的优点就是可以直接的到分离出来气体的体积，不要忘记，第一台以及后来出现的商品气相色谱仪，其峰面积要用测量峰高和峰宽进行计算来得到，或者用面积仪来测量，这是很麻烦的工作。所以杨那克型仪器的优点就适合于工业上的例行分析。

(资料来源于Leslie S. Ettre: LC-GC NORTH AMERICA ,2002,  20 ( 9 ): 866)

色谱100年回顾扎记（19）

            杨那克气相色谱仪的弱点



      50 年代中期在 PE 公司的 Leslie S. Ettre 每天要做很多样品的定量分析，他所开发的方法是在一台标准的商品气相色谱仪 ( Perkin-Elmer model 154 ，是世界上第一台商品气相色谱仪)上进行的，这一仪器使用热导检测器和电子电位差计记录色谱峰的色谱图。Leslie S. Ettre 把他所开发的方法和色谱柱转移到他所制作的杨那克型气相色谱仪上，进行样品的常规分析，靠直接读取分离出来的气体体积获得分析结果。这样做比用手动测量峰高或峰面积计算分析结果要方便。

    但是杨那克型气相色谱仪也有一些致命的弱点，首先它只能做在室温下为气体的样品，因为色谱柱是放在液体恒温浴中，温度只能从室温到 50–60 °C ，但是测氮管和连接管件是在室温下，如果要把它们加热就比较麻烦。

    其次。在样品中的 CO2 不能被测定，因为它会被碱溶液吸收。而且酸性样品如硫化氢也会被碱溶液吸收。一些能和碱溶液部分起反映的样品会得到错误的结果，如乙炔。这些问题曾在 1956 年 9 月在德国举行的 First German Gas Chromatography Symposium 上和杨那克做过讨论。

    到 50 年代末杨那克想把他的仪器进行自动化，自动化读取氮素计的体积，但是这样一来使仪器过于复杂化，而当时已经有一些厂家生产出使用方便的通用型气相色谱仪，优于杨那克型的气相色谱仪，所以50 年代末杨那克的气相色谱仪就逐渐被更为先进的气相色谱仪所取代了。现在杨那克型的气相色谱仪只留在我们的记忆里了，但是不管怎么样，它在气相色谱仪历史上起了重要的作用。

    杨那克在 Institute of Petroleum Research 工作五年之后，于 1956 年他被当时的捷克斯拉伐克科学院任命组建气体分析分离实验室，研究气相色谱的应用。于1964年扩大为仪器分析研究所，1974 年更名为分析化学研究所，从 1964 到 1980 年杨那克任领导工作，1993年他退休。但是他一直和研究所保持定期的联系，并在 Journal of Chromatography 编辑方面进行合作。杨那克长期在捷克斯拉伐克从事气相色谱仪的制造和各种色谱的教学工作。下面的照片就是他在 1960 年进行教学的情况。



          图 19-1  杨那克于1960 年进行气相色谱教学的情况



(资料来源于Leslie S. Ettre: LC-GC NORTH AMERICA ,2002,  20 ( 9 ): 866)

色谱100年回顾扎记（20）

                                          顶空气相色谱的起源（1）

        自从气相色谱诞生以来，人们就碰到要在非挥发性样品中分析挥发性组份的问题，如果把一个含有挥发性组份和非挥发性基体的液体注入气相色谱仪，挥发性组份被载气带到色谱柱中进行分离分析，而非挥发性基体则滞留在进样口中，这样一来就会污染进样口。而分析固体中的挥发性组份更为麻烦，这种样品显然不能直接进样，而要经过样品制备的过程，例如把挥发性基组份萃取出来，而且一些样品的基体是高沸点可挥发性物质，它在进入气相色谱仪之后有慢慢挥发，从而延长了分析时间。

    在物理化学测量中常常碰到分离的问题，在一个复杂的体系中，要研究其中某个组份和其液体或固体之间的平衡，不能使用上面所说的气相色谱方法，因为这样会破坏他的平衡状态。

    使用顶空气相色谱可以很容易地解决这类问题。顶空气相色谱主要是一种进样方法，它可以按比例地吸取一部分和液相或固相平衡的蒸汽样品，在平衡情况下蒸汽在两相间分配决定于分配系数，因而可以测定出原来样品（液体或固体）中的挥发性物质的含量。顶空气相色谱进样是在系统静态平衡下进行的，所以这一技术也叫做“静态顶空分析”。

    另外一种方法是所谓“吹扫捕集”法，有时把它看成是顶空分析的变种，这一方法通常是把液体样品连续用惰性气体吹扫，一直到把所有挥发性组份全部除去为止，被惰性气体吹扫出来的组份或是用低温冷凝，或是用吸附剂捕集。捕集阱滞留从样品吹扫出来的挥发性物质。当捕集阱把挥发性物质收集完全后，迅速加热捕集阱测定挥发性物质的含量，这一方法叫做“动态顶空分析”。

在过去的若干年里，开发出一些静态顶空进样新技术， 如固相微萃取（SPME，solid-phase microextraction），SPME 是把固定相涂渍到一支石英丝外表面上，此固相微萃取石英丝固定在一个注射器上，并把它暴露在要分析样品的顶空瓶样品上面，等达到平衡之后，把吸附有样品的固相微萃取石英丝转移到气相色谱仪的进样口中，进行气相色谱分析。

下面我们讲述顶空气相色谱是起源和发展。有关顶空气相色谱的更多内容可以阅读 Kolb and Ettre 的专著。  B. Kolb and L.S. Ettre, Static Headspace GasChromatography: Theory and Practice (Wiley-VCH, New York, 1997).

摘自 Leslie S. Ettre， LC-GC NORTH AMERICA， 2002，20 （12 ）： 1120