气相色谱柱知识详解
气相色谱柱知识详解
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气相色谱柱知识详解
第一节气相色谱柱的类型
气相色谱法（gas chromatography, 简称GC）亦称气体色谱法，气相层析法。其核心即为色谱柱。
气相色谱柱有多种类型。从不同的角度出发，可按色谱柱的材料、形状、柱内径的大小和长度、固定液的化学性能等进行分类。色谱柱使用的材料通常有玻璃、石英玻璃、不锈钢和聚四氟乙烯等，根据所使用的材质分别称之为玻璃柱、石英玻璃柱、不锈钢柱和聚四氟乙烯管柱等。在毛细管色谱中目前普遍使用的是玻璃和石英玻璃柱，后者应用范围最广。对于填充柱色谱, 大多数情况下使用不锈钢柱，其形状有U型的和螺旋型的，使用U 型柱时柱效较高。按照色谱柱内径的大小和长度，又可分为填充柱和毛细管柱。前者的内径在2~4mm，长度为1~10m左右；后者内径在0.2~0.5mm，长度一般在25~100m。在满足分离度的情况下，为提高分离速度，现在也有人使用高柱效、薄液膜的10m短柱。
根据固定液的化学性能，色谱柱可分为非极性、极性与手性色谱分离柱等。固定液的种类繁多，极性各不相同。色谱柱对混合样品的分离能力，往往取决于固定液的极性。常用的固定液有烃类、聚硅氧烷类、醇类、醚类、酯类以及腈和腈醚类等。新近发展的手性色谱柱使用的是手性固定液，主要有手性氨基酸衍生物、手性金属配合物、冠醚、杯芳烃和环糊精衍生物等。其中以环糊精及其衍生物为色谱固定液的手性色谱柱，用于分离各种对映体十分有效，是近年来发展极为迅速且应用前景相当广阔的一种手性色谱柱。
在进行气相色谱分析时，色谱柱的选择是至关重要的。不仅要考虑被测组分的性质，实验条件例如柱温、柱压的高低，还应注意和检测器的性能相匹配。有关内容我们将在以后章节中加以详细讨论。
第二节填充气相色谱柱
填充气相色谱柱通常简称填充柱，在实际分析工作中的应用非常普遍。据资料统计，日常色谱分析工作大约有80%是采用填充柱完成的。填充柱在分离效能和分析速度方面比毛细管柱差，但填充柱的制备方法比较简单，定量分析的准确度较高，特别是在某些分析领域（例如气体分析、痕量水分析）具有独特用途。从发展上看，虽然毛细管柱有逐步取代填充柱的趋势（例如已有一些日常分析使用PLOT柱代替过去常用的气固色谱填充柱），但至少在目前一段时期内，填充柱在日常分析中仍是一种十分有价值的分析分离手段。
填充柱主要有气固色谱柱和气液色谱填充柱两种类型。在色谱柱中关键的部分是固定相。在本节我们将首先介绍柱管的选择及其处理方法，然后再分别重点讨论气固色谱柱和气液色谱填充柱有关固定相的内容。
一、填充柱柱管的选择与处理
用作填充色谱柱柱管的材料通常有不锈钢管、铜管、铝管、铜镀镍管、玻璃管以及聚四氟乙烯管等[1-5]。铜管和铝管由于催化活性太强且易变形已不太常用。分析用的填充柱内径一般采用2~4 mm，制备用的柱内径可大些，一般使用5~10 mm。长度可选择1~5 m。柱子的形状可以是螺旋形的，也可以是Ｕ型的。使用后者较易获得较高的柱效。如果使用螺旋形的，应注意柱圈径的大小对柱效会有一定的影响[3-6], 一般柱圈径应比柱内径大15倍。
柱材料的选择应依据待分析的样品性质和实验条件而定。如果待分析的样品易分解或具有腐蚀性，应考虑使用玻璃管或聚四氟乙烯管。玻璃管柱的优点是化学惰性好，制备的柱子柱效高，便于观察柱子的填充情况，但玻璃管易碎是其缺点。聚四氟乙烯管的优点是耐腐蚀，缺点是不耐高温高压。在填充柱中目前最常使用的是不锈钢管。它的最大优点是不破碎，传热性能好，柱寿命长，能满足常见样品分析的要求。缺点是内壁较粗糙，有活性，比较难于清洗干净。
填充柱的柱管在使用前应该经过清洗处理和试漏检查。清洗的方法与柱管材料有关。对于不锈钢管，通常先用10%热氢氧化钠水溶液浸泡，抽洗除去管内壁的油污，然后用自来水洗至中性。如果用1:20的稀盐酸水溶液重复处理一次，则可显著降低柱内壁的吸附作用。玻璃柱的清洗可参照上面所述的方法，不同的是通常使用洗液浸泡。同样，为了减少玻璃内壁的活性，可以用5%二甲基二氯硅烷的甲苯溶液浸泡处理，然后用甲苯和甲醇分别冲洗干净。柱子的检漏方法比较简单: 可将柱子泡在水里，堵死柱的一端，在另一端通气，若无气泡冒出即说明柱子无泄漏现象。
二、气固色谱填充柱
我们知道, 色谱分离的基本原理是试样组分通过色谱柱时与填料之间发生相互作用，这种相互作用大小的差异使各组分互相分离而按先后次序从色谱柱流出。我们把色谱柱内不移动、起分离作用的填料称为固定相。气固色谱填充柱常采用固体物质作固定相。这些固体固定相包括具有吸附活性的无机吸附剂、高分子多孔微球和表面被化学键合的固体物质等。
（一）无机吸附剂
这一类吸附剂包括具有强极性的硅胶、中等极性的氧化铝、非极性的炭素及有特殊吸附作用的分子筛。它们大多数能在高温下使用，吸附容量大，热稳定性好，是分析永久性气体及气态烃类混合物理想的固定相。但使用时应该注意: ⑴吸附剂的吸附性能与其制备、活化条件有密切关系。不同来源的同种产品或者同一来源而非同批的产品，其吸附性能可能存在较大的差异；⑵一般具有催化活性，不宜在高温和存在活性组分的情况下使用；⑶吸附等温线通常是
非线性的，进样量较大时易出现色谱峰形不对称。
(1)硅胶
硅胶是一种氢键型的强极性固体吸附剂，其化学组成为SiO2 nH2O。品种有细孔硅胶、粗孔硅胶和多孔硅球等。气相色谱使用较多的是粗孔硅胶，其孔径为80~100 nm，比表面积近300 m2/g，可用于分析N2O、SO2、H2S、SF6、CF2Cl2以及C1~C4烷烃等物质。硅胶的分离能力主要取决于孔径大小和含水量。用前通常需要经过处理。方法: 对市售的色谱专用硅胶,可在200℃下活化处理2h后使用；如果使用市售的非色谱专用硅胶, 则先将硅胶用6 mol/L盐酸浸泡2h，然后用水冲洗至无Cl－离子。晾干后置于马弗炉内，在200~500℃温度下灼烧活化2h 后降温取出，贮存于干燥器中备用。
(2)氧化铝
氧化铝有五种不同的晶型，气相色谱常用的主要是γ型，具有中等极性，主要用于分析C1~C4烃类及其异构体，在低温下也能用于分离氢的同位素。氧化铝具有很好的热稳定性和机械强度，但其活性随含水量有较大的变化[7]。故使用前通常需对其进行活化处理(在450~ 1350℃灼烧2h)。为保持使用过程中含水量稳定，可将载气先通过含结晶水的硫酸钠(或硫酸铜)后再进入色谱柱。经过氢氧化钠处理改性的氧化铝，能在320~380℃柱温下分析C36以下的碳氢化合物，峰形很好。
(3)碳素
碳素是一类非极性的固体吸附剂，主要有活性碳、石墨化碳黑和碳分子筛等品种。活性碳是无定形碳，具有微孔结构，比表面积大(800~1000 m2/g)，可用于分析永久性气体和低沸点烃类。若涂少量固定液，可用来分析空气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、乙炔、乙烯等混合物。石墨化碳黑是碳黑在惰性气体保护下经高温(2500~3000℃) 煅烧而成的石墨状细晶，特别适用于分离空间和结构异构体，也可用于分析硫化氢、二氧化硫、低级醇类、短链脂肪酸、酚、胺类。上述两种碳素固定相用前都需进行活化处理。方法是先用等体积的苯（或甲苯、二甲苯）冲洗2~3次，然后在350℃通水蒸汽洗涤至无浑浊, 最后在180℃活化2h即可使用。
碳分子筛又称为炭多孔小球，是聚偏二氯乙烯小球径高温热解处理后的残留物，比表面积800~1000 m2/g，孔径约1.5~2 nm，主要用于稀有气体、空气、二氧化碳、氧化亚氮、C1~C3烷类分析。多孔炭黑国内外都有商品出售，如由中国科学院化学所研制、天津化学试剂二厂生产的TDX-01和TDX-02，国外的产品Carbon Sieve B等即属于这类。使用前通常在180℃通氮气活化3~4h，降温后存于干燥器内备用。
(4)分子筛
分子筛是一类人工合成的硅铝酸盐，其基本化学组成为MO.Al2O3.xSiO2.yH2O，其中M代表Na+、K+、Li+或Ca2+、Sr2+、Ba2+等金属阳离子。分子筛具有均匀分布的孔穴，其大小取决于M金属离子的半径和其在硅铝构架上的位置。一般认为，分子筛的性能主要取决于孔径的大小和表面特性。当试样分子经过分子筛时，比孔径小的分子可进入孔内，比孔径大的分子则被
排除于孔外。气相色谱分析中应用的分子筛通常有4A、5A和13X等三种类型。前面的数字表示分子筛的平均孔径，例如4A指的是该分子筛的平均孔径为0.4 nm（10-8 cm）。A、X表示类型，其化学组成稍有差异。A型中Al2O3与SiO2的比例为1∶2，而X型的硅铝比则高一些。分子筛的表面积很大，内表面积通常有700~800 m2/g，外表面积为1~3 m2/g。在气相色谱中主要用于分离H2、O2、N2、CO、CH4以及低温下分析惰性气体等。
分子筛极易因吸水而失去活性。因此，用前应在550~600℃或在减压条件下350℃活化2h，降温后贮存于干燥器内。使用过程中要对载气进行干燥处理，样品中如果存在水分也应设法除去。此外使用时还应注意，某些物质如氨、甲酸、二氧化碳等会被分子筛不可逆吸附。分子筛是否失效通常可从氮、氧的分离情况来判断。失活后的分子筛可以采用上述方法重新活化使用。常见的分子筛及其性能见表2－1。
表2－1常用分子筛及其性能[1-3,7]
分子筛化学组成
比表面
(m2/g)
孔径
(nm)
最高使用
温度(℃)
可吸附的物质
产地及国外
相似品牌
4A Na2O.Al2O
.2SiO2.4H2O 3
~8000 0.48 4000
He Ne Ar Kr Xe H2 O2
N2 CH4 CO CO2 H2O
NH3H2S CS2N2O2C2H4
C2H2 CH3OH CH2Cl
CH3Br CH3CN
大连红光厂
上海试剂厂
美国Davison 4A
美国Linde 4A.
俄国Zeolit NaA
法国Siliporite K-1
5A 0.7CaO.0.3Na2O.
Al2O32SiO2.4H2O
750-800 0.55 400
C3H8C4以上正构烷烯烃
C2H5Cl C2H2OH C2H6NH2
CH2Cl2及4A分子筛可吸附者
大连红光厂
上海试剂厂
美国Davison
美国Linde 5A
俄国Zeolit CaA
法国Siliporite K-20
13X
Na2O.Al2O3
.2.5SiO2.6H2O
1030 1.0 400
异构烷烯烃、异构醇类苯类
环烷类及5A 分子筛可吸附者
大连红光厂
上海试剂厂
美国Davison 10A
美国Linde 13X
俄国Zeolit NaX
（二）高分子多孔小球
高分子多孔小球（GDX）是以苯乙烯等为单体与交联剂二乙烯苯交联共聚的小球。这种聚合物在有些方面具有类似吸附剂的性能，而在另外一些方面又显示出固定液的性能[8]。因此，
它本身既可以作为吸附剂在气固色谱中直接使用，也可以作为载体涂上固定液后用于分离。在烷烃、芳烃、卤代烷、醇、酮、醛、醚、脂、酸、胺、腈以及各种气体的气相色谱分析中已得到广泛应用。其优点主要有: ⑴吸附活性低。无论对非极性物质还是极性物质，使用这种固定相通常都可以获得对称色谱峰；⑵对含羟基的化合物具有相对低的亲和力。羟基作用力越强，亲和力越弱。在非极性固定相上出峰次序基本上按分子量大小分离，故特别适合有机物中痕量水的快速测定; ⑶可选择的范围大。不仅可以依据样品性质选择合适的孔径大小和表面性质的产品直接使用，还可以涂上固定液，使亲油性化合物的保留时间缩短，极性组分的保留时间适当延长，从而增加色谱柱的选择性。此外，高分子小球在高温时不流失，机械强度好，圆球均匀，较易获得重现性好的填充柱。由中国科学院化学研究所研制、天津化学试剂二厂生产的GDX-系列高分子小球产品即属于此类。
在交联共聚过程中，使用不同的单体或不同的共聚条件，可获得不同分离效能、不同极性的产品。从表面化学性质上可将它们分为极性和非极性两种。为方便读者选用，表2－2简要列出国内外一些重要的高分子多孔小球产品及其性能。详细情况也可参考有关手册[7]。
高分子多孔微球有一个缺点是小球经常带有“静电”，易贴附于仪器和器皿上而难以清理，通常可用润湿过丙酮的纱布擦拭来消除。
表2－2一些重要高分子多孔小球产品及其性能[3,7,9]
名称组成颜色
堆密度
(g/ml) 比表面
(m2 /g)
极性
最高使用
温度(℃)
主要分析用途生产厂
GDX-101 二乙烯苯、苯乙
烯等共聚物
白0.28 330
非极
性
270
烷烃、芳烃、卤代烷、醇、
酮、醛、醚、脂、酸、胺、
腈及各种气体
天津化学
试剂二厂
GDX-102 同上白0.20 680 非极
性
270 高沸点物质同上
GDX-103 同上白0.18 670 非极
性
270
同上, 还可分离正丙醇-
叔丁醇
同上
GDX-104 同上半透
明
0.22 590
非极
性
270 气体分析同上
GDX-105 同上透明0.44 610 非极
性
270 微量水及体分析同上
GDX-201 同上白0.21 510 非极
性
270 较高沸点化合物同上
GDX-202 同上白0.18 480 非极
性
270
同上, 还可分离正丙醇/
叔丁醇体系
同上
GDX-203 同上白0.09 800 非极270 同上, 还可分离乙酸/苯/同上
性乙酐体系
GDX-301 二乙烯苯、三氯
乙烯共聚物
白0.24 460
弱极
性
250 乙炔/氯化氢同上
GDX-401 二乙烯苯含氮杂
环单体共聚物
乳白0.21 370 中等250
乙炔/氯化氢/水, 氨水,
甲醛水溶液
同上
GDX-403 同上乳白0.17 280 中等250 水/低级胺/甲醛等同上GDX-501 同上淡黄0.33 80 较强270 C4烯烃异构体同上GDX-502 同上白- 170 较强250 C1~C2烯烃, CO, CO2同上
GDX-601 含强极性基团的
聚二乙烯苯
黄0.3 90
强极
性
200 环己烷/苯等
科学院化
学所
401 二乙烯苯、苯乙
烯等共聚物
白0.32 300~400
非极
性
270 相当于GDX-101
上海试剂
一厂
402 同上白0.27 400~500 非极
性
270 相当于GDX-102 同上
403 同上白0.21 300~500 非极
性
270 相当于GDX-103 同上
404 二乙烯苯、含氮
极性单体共聚物
- - ＜80 较强270 相当于GDX-105 同上
405 二乙烯苯、三氯
乙烯共聚物
- - ＜150 较强- - 同上
406 二乙烯苯、苯乙
烯共聚物
- - - - -
乙烯、乙炔、烷烃、芳烃、
卤代烃、含氧有机化合物
同上
407 二乙烯苯、乙基
乙烯共聚物
- - - - -
同上, 还可用于正丙醇
与叔丁醇分离
同上
408 二乙烯苯、苯乙
烯、极性单体共
聚物
- - - - -
活泼化合物, 如氯化氢
及氯中的水
同上
A101 二乙烯苯、乙基
乙烯苯共聚物
白0.2 -
非极
性
250
气体、芳烃同系物、含氯
化合物、脂类
A102 同上白0.21 - 非极
性
250 同上
浙江黄岩
分析化学
材料厂
A101S 硅烷化的A101 白0.21 - 非极
性
250 同上同上
A102S 硅烷化的A102 白0.23 - 非极
性
250 同上同上
B101 二乙烯苯、苯乙
烯、乙基苯乙烯
白0.12 -
非极
性
250 相当于GDX-101 同上
共聚物
B102 同上白0.23 - 非极
性
250 相当于GDX-102 同上
B101S 硅烷化的B102 白0.12 - 非极
性
250 相当于GDX-101 同上
B102S 硅烷化的B102 白0.12 - 非极
性
250 相当于GDX-102 同上
C101 二乙烯苯、含氮
极性单体共聚物
- 0.24 - 较强250 相当于GDX-501 同上
C102 同上- 0.25 - 较强250 同上
D101 二乙烯苯、苯乙
烯、含氮极性单
体共聚物
- - - 较强250 腈类、醛类同上
D102 同上- - - 较强250 同上同上
Chromo-s orb 101 苯乙烯、二乙烯
苯共聚物
白0.30 30-40 弱275
酸、二元醇、烷、脂、酮
醛、醚、氟化物
Macherey
Nagel
Chromo-s orb 102 同上白0.29 300-400 中等250
低沸点化合物、永久气
体、水、醇
同上
Chromo-s
orb 103
交联聚苯乙烯白0.32 15-25 中等275 C1-C6胺类、醇、醛、酮同上
Chromo-s orb 104 丙烯腈、二乙烯
苯共聚物
白0.32 100-200 强250
硫化氢水溶液、氨、腈、
硝基烷、氮氧化物
同上
Chromo-s orb 105 聚芳族高聚物白0.34 600-700 中等250
甲醛、乙炔、水、沸点低
于2000C的有机物
同上
Chromo-s
orb 106
交联聚苯乙烯白0.28 700-800 弱250 C2-C5脂肪酸和醇同上Chromo-s
orb 107
交联聚丙烯酸酯白0.30 400-500 中等250 甲醛水溶液同上Chromo-s
orb 108
同上白0.3 100-200 中等250 水、醇、醛、酮、气体同上
Porapak P 苯乙烯、二乙烯
苯共聚物
白0.28 100-200 弱250
乙烯、乙炔、烷烃、芳烃、
含氧有机物、卤代烷等
Waters
Ass℃iated
Inc. (美国)
Porapak P s 硅烷化的
Porapak P
白- - 弱250 同上同上
Porapak Q 乙基乙烯苯、二
乙烯苯共聚物
黄
0.25-0.3
5
500-600
非极
性
250 同上同上
Porapak
Q s 硅烷化的
Porapak Q
白- -
非极
性
250 同上同上
Porapak R 苯乙烯、二乙烯白0.33 450-600 中等250 氯与氯化氢等活性物质同上
苯、极性单体共
中的水
聚物
Porapak S 同上白0.35 350-450 中等250 醇类、极性气体同上Porapak T 同上白0.44 250-350 很强200 同上同上Porapak N 同上白0.39 437 中等200 甲醛水溶液组分同上（三）化学键合固定相
化学键合固定相又称化学键合多孔微球固定相。这是一种以表面孔径度可人为控制的球形多孔硅胶为基质，利用化学反应方法把固定液键合于载体表面上制成的键合固体相。这种键合固定相大致可以分为以下三种类型:
⑴硅氧烷型。这是以有机氯硅烷或有机烷氧基硅烷与载体表面硅醇基反应，生成Si-O-Si-C 键合相。这种键合相的最大特点是热稳定性好。在气相色谱和液相色谱中广泛使用。
⑵硅脂型。通常利用扩孔后的硅珠表面羟基与醇类的酯化反应生成Si-O-C键合相。这种键合相在一定条件下有水解和醇解的可能性，热稳定性比硅氧烷型稍差。
⑶硅碳型。将载体表面的硅醇基用SiCl4等氯化后，再与有机锂或格氏(Griynard)试剂反应可制得Si-C键合相。这样制备出来的键合相，其最大的特点是对极性溶剂不起分解作用，耐高温。在高达300℃下使用也不容易发生水解。缺点是制备手续比较麻烦。除了上述三种类型，还有一些其它类型的键合相，例如将表面氯化的硅胶与伯胺反应，可以制得-Si-N-C键合相，其稳定性和选择性也很好。
与载体涂渍固定液制成的固定相比较，化学键合固定相主要有下述优点: ⑴具有良好的热稳定性。例如采用一般涂渍法时，β,β-氧二丙腈，PEG 400和正辛烷在80~90℃就开始流失。若选用Porasil-S为骨架得到的键合相，则流失温度可提高到200℃；⑵适合于做快速分析。键合相的H/U-U图中，有一长的平滑最小H/U区域，即线速增加，板高不变；⑶对极性组分和非极性组分都能获得对称峰。这种固定相具有较均匀的液相结合型分布，在载体表面上的液膜很薄，因此液相传质阻力小，柱效高；⑷耐溶剂。特别是耐极性溶剂的抽提。化学键合固定相在气相色谱分析中常用于分析C1~C3烷烃、烯烃、炔烃、CO2、卤代烃及有机含氧化合物。国产商品主要有上海试剂一厂的500硅胶系列与天津试剂二厂的HDG系列产品, 国外的品种主要有美国Waters公司生产的Durapak系列。
三、气液色谱填充柱
气液色谱填充柱中所用的填料是液体固定相。它是由惰性的固体支持物和其表面上涂渍的高沸点有机物液膜所构成。通常把惰性的固体支持物称为“载体”, 把涂渍的高沸点有机物称为“固定液”。
（一）载体
载体又称担体，是一种化学惰性的物质, 大部分为多孔性的固体颗粒。它的作用是使固定