主题：【分享】毛细管色谱柱主要参数的识别（中）

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发表于：2022/11/28 11:44:00 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

在气相色谱分析中，样品中各组分的分离程度主要取决于固定相，因而固定相是气相色谱分析的核心和关键。在一定色谱条件下，当各组分与固定相间的分子作用力类型及强度存在一定差异时，使得各组分在固定相中保留时间不同进而实现分离。不同结构的固定相具有不同的分子作用，根据组分在化学结构和分子作用等方面的差异，通过选择合适的固定相有利于不同组分的分离（《气相色谱分析及应用》（第二版），齐美玲编著）。根据固定相的聚集状态，可以将气相色谱分为气-液色谱（GLC）和气-固色谱（GSC）。

气-液色谱以气体为流动相，以涂布（或者键合）于惰性载体表面的高沸点有机化合物（即固定液，在工作状态下为液态）为固定相；样品组分根据其与固定液的分子间相互作用力的不同（体现在不同组分在固定液中的溶解-分配平衡性质的差异）实现分离。适用于各种组分的分离。

气-固色谱以气体为流动相，以固体吸附剂为固定相；利用不同组分在吸附剂表面的吸附-解吸能力的差异，在合适的吸附剂表面得到相应的分离。主要用于永久性气体和低沸点烃类化合物。

本文主要介绍气-液色谱中的固定相——即固定液；固定液是涂布（或者键合）于惰性载体表面的高沸点有机化合物。对于毛细管色谱柱（填充柱与此不同），惰性载体表面主要指的是（石英、玻璃或者金属）毛细管色谱柱的内壁。该种类型的毛细管色谱柱一般称之为壁涂开管柱（WCOT柱；开管柱（Opentubular column）指色谱柱固定液涂布在内壁上，柱管中心为空心）。

1 气-液色谱固定相（固定液）

气-液色谱固定相（固定液）分离样品主要基于不同组分在固定液中的分配系数的差异，组分在气-液两相间多次反复地进行分配而分离。气-液色谱固定相在使用温度下呈现液态，因此常被称为固定液，但是在室温下不一定为液体。

固定液必须是化学惰性物质，非挥发性和热稳定性的，对样品中要分离的组分具有一定的溶解度和选择性。曾有上千种物质被作为气相色谱的固定液使用，经常使用的还有200多种，其中硅氧烷类和聚酯类化合物占多数。固定液主要分为一下几个大类：①烃类；②硅氧烷类；③醇、酯和碳氢化合物类；④氰和氰醚类；⑤其他的一些类型的固定液。（分析化学手册（第三版）：气相色谱分析）

2 气-液色谱固定相（固定液）的组成与比较

目前实验室使用最多的气-液色谱固定相是硅氧烷类固定液和聚乙二醇类固定液。

2.1 硅氧烷类固定液

硅氧烷类固定相是气相色谱柱中使用最多和最广泛的固定相，具有很好的化学惰性，热稳定性和很大的选择性范围。空气、水分及酸、碱会影响其稳定性。常见的硅氧烷类固定液包括甲基聚硅氧烷类固定液和具有不同含量/不同基团的聚硅氧烷类固定液。

2.1.1 甲基聚硅氧烷类固定液

甲基聚硅氧烷固定相的化学结构图可以参见下图：

标准的聚硅氧烷类固定相是有很多单个的硅氧烷重复连接（聚合）而成，每个硅原子与两个官能团连接。当连接的两个官能团均为甲基时，则组成为100%的二甲基聚硅氧烷；“二”是表示每个硅原子包含有两个特定基团，当两个特定基团完全相同时，一般会省略这种叫法，即100%的二甲基聚硅氧烷又可以称之为100%的甲基聚硅氧烷。

上图中的甲基聚硅氧烷固定相由于其聚合度（即n值）的不同，形成的固定相在形态上会有所不同。低分子量时一般称之为二甲基硅油，呈现液态粘稠状；高分子量时称之为二甲基硅脂及橡胶。常见的低分子量甲基聚硅氧烷固定相有美国OhioValley（OV公司）生产的OV-101等；高分子量的甲基聚硅氧烷固定相有美国GeneralElectric（通用电气）的SE-30等。

甲基聚硅氧烷固定相极性很低，烃类通常以沸点增加的次序流出；对于含有不同官能团的化合物，不完全按沸点顺序流出。该固定相对含氧化合物的分离也具有相当的选择性。由于具有较高的温度适用范围，这类固定相适合于分析宽沸点范围的样品。对于未知样品，此类固定相是首选（分析化学手册（第三版）：气相色谱分析）。下图为《分析化学手册（第三版）：气相色谱分析》中罗列的一些公司的甲基聚硅氧烷类固定液的特性。

常见的固定相为二甲基聚硅氧烷的商品化毛细管色谱柱有DB-1、HP-1、SPB-1、Rtx-1、BP-1、OV-1、OV-101、007-1(MS)、SP-2100、SE-30、ZB-1、AT-1、MDN-1、ZB-1等。

2.1.2 具有不同含量/基团的聚硅氧烷类固定液

2.1.2.1 聚硅氧烷类固定液取代基团类型

前述内容介绍了聚硅氧烷中与硅原子连接的两个官能团均为甲基时的固定相特性。除此之外，聚硅氧烷会因取代基不同或者取代基含量不同表现出不同的极性和热稳定性。一般而言，极性取代基的含量增加，聚硅氧烷的极性增大，最高使用温度降低。聚硅氧烷常见的取代基可以参见下图：

如常见的XX-5型色谱柱为5％二苯基/95％二甲基聚硅氧烷；XX-35为35％二苯基/65％二甲基聚硅氧烷；XX-50为50％二苯基/50％二甲基聚硅氧烷；XX-1301/624为6％氰丙基苯基/94％二甲基聚硅氧烷；XX-1701为14％氰丙基苯基/86％二甲基聚硅氧烷等。

2.1.2.2 聚硅氧烷类固定液取代基团含量的描述

在上述不同色谱柱的组成中，出现了取代基团的百分含量。最基本的聚硅氧烷是由100%甲基取代；当有其他种类的取代基出现时，该基团的数目占比则由百分数值表示。

上图分别表示结构为5％二苯基/95％二甲基聚硅氧烷和结构为50%三氟丙基/50%甲基聚硅氧烷的色谱柱固定相，对于第二种固定相，也有文献称之为100% 三氟丙基甲基聚硅氧烷。

需要单独说明的是，往往可能对氰丙基苯基（或者其他基团）的百分含量产生错误的理解。以14%氰丙基苯基/86%二甲基聚硅氧烷为例，表示的是其含有7%的氰丙基和7%的苯基（另有86%的甲基），因为一个氰丙基和一个苯基连接于同一个硅原子上，所以14%是一种加和的表征方法（下图）。

2.1.2.3 聚硅氧烷类固定液不同取代基团的作用

说明：本小节内容引用于《气相色谱分析及应用》（第二版），齐美玲编著。

不同的取代基对于固定液的影响不同。不同苯基含量的二甲基聚硅氧烷是一类可极化的弱极性至中等级性的固定相；随着苯基含量的增加，固定相的极性增加。

对于含氰基的二甲基聚硅氧烷，氰基的引入使其具有中等级性或者强极性；随着氰基含量增加，固定相的极性增大；此类固定相对含芳基和烯基的化合物保留作用较强，氰基含量越高，其保留作用越强，适用于复杂烃类化合物中不饱和烃与芳烃的分流，以及不饱和脂肪酸的分离。

含三氟丙基的二甲基聚硅氧烷（如OV-210）具有较强的给质子能力，对羰基化合物有较强的保留作用。对相同碳数的酮的保留时间长于同碳数的醇的保留时间，尽管后者具有更高的沸点。

一般来说，聚硅氧烷类固定相的热稳定性与取代基的种类和数量有关。甲基、苯基取代的聚硅氧烷类固定相热稳定性较好，最高使用温度可以达到350℃；而氰基取代的聚硅氧烷类固定相的最高使用温度较低。研究表明，在聚硅氧烷类主链中引入亚芳基、二苯醚、十硼碳烷基等集团可以明显的提高其热稳定性。如一些色谱柱厂家推出的"ms" 色谱柱即是引入了亚芳基，这些色谱柱即使在较高温度下仍具有较低的流失性，如DB-5ms等。

2.2 聚乙二醇类固定液

聚乙二醇是一类氢键型极性固定相，这类固定相中的氧原子具备成为氢键受主（或者受体，可以接受质子形成氢键）的能力，因此，醇、酸、酚、伯/仲胺等会被较强的保留。

相对于聚硅氧烷，聚乙二醇的稳定性和耐受温度都稍逊，在使用时应当注意。高温、载气中的氧、水等都会引起固定相的分解。因此在使用时候应当注意色谱柱的最高使用温度，并保证载气的纯度（最好99.999%），同时确保载气管路中不会有空气渗入（避免使用聚四氟乙烯管路，尽量使用黄铜管路或者不锈钢管路）。

2.2.1 常规聚乙二醇固定液

一般的聚乙二醇固定液的结构如下：

聚乙二醇简称PEG，上图中的聚乙二醇固定液由于其聚合度（即n值）的不同，导致分子量的不同，会形成多种固定液。常用的为分子量为20000的类型，常见的名称为PEG-20M，wax等；常见的商品化毛细管色谱柱有SUPELCOWAX 10、SUPEROX II、CB-WAX、Stabilwax、BP-20、007-CW、Carbowax、Rtx-WAX、ZB-WAX、ZB-WAXplus等。

美国药典USP中涉及到了多种不同分子量的聚乙二醇固定液，如G14、G15、G16、G20、G39等。参见下图：

公众号后台发送关键词“USP固定相”，可获取USP美国药典GC固定相完全版。

需要特别说明的是，目前市面上一些厂家的wax色谱柱是严格对应美国药典（USP）G16固定相，即分子量约15000的聚乙二醇；《中国药典》中一些相关的检测内容规定的是使用分子量为20000的聚乙二醇（PEG-20M），在选择固定相时候应当加以注意。

2.2.2 碱改性聚乙二醇固定液

碱性化合物在医药行业、化工合成中经常遇到，使用气相色谱分析这些物质时会遇到馒头峰、拖尾等现象，常规的操作是采用碱改性聚乙二醇固定液（其他固定液，如聚硅氧烷类也可以进行该种操作）。在毛细管色谱柱中，具体的处理过程是采用 KOH碱处理工艺将色谱柱表层处理成碱性，然后再涂布普通的聚乙二醇固定液，用于分析碱性化合物。

但是采用该种方法将色谱柱表面处理成碱性对检测酸、醇、酯类化合物就会出现不出峰或拖尾等现象，尤其在面对碱性与酸性混合物的检测时，表现出KOH处理的局限性。

常见的商品化毛细管色谱柱有Agilent CAM、Stabilwax-DB、Carbowax Amine和KB-bwax等。

2.2.3 酸改性聚乙二醇固定液

以聚乙二醇与不同酸反应得到的酯类固定液是一类极性固定液，如DEGA、DEGS、EGA、CTPA、FFAP等。该类固定液特别适合分析喹啉衍生物、高沸点的烯烃、芳烃和杂环化合物、脂肪酸酯、氨基酸的非立体对映异构体等，缺点是热稳定差（分析化学手册（第三版）：气相色谱分析）。

2.2.3.1 FFAP

FFAP柱是由硝基对苯二甲酸改性的聚乙二醇强极性柱，用于分析有机酸、挥发性脂肪酸和酚类等。该柱与USP固定相G35相当，可以替代 OV-351。

2.2.3.2 DEGS

DEGS是聚乙二醇丁二酸酯，是聚乙二醇强极性柱，主要用于分离饱和、单不饱和脂肪酸以及不同饱和程度高碳酸酯等。

3 气-液色谱固定相（固定液）交叉对比表及应用范围

气-液色谱固定相（固定液）种类较多，不同厂家之间相似固定液的商品名繁杂多样，在采购和使用过程中会面临比对和筛选，以下图示摘录自《安捷伦J&W气相色谱柱选择指南》，展示了不同厂家气-液色谱固定相（固定液）的交叉对比以及常见的应用范围，在分析检测工作可以进行参考：