色譜儀毛細(xì)管色譜柱的種類和選用方法

概述

自從1957年高雷(M.J.E.Golay) 開創(chuàng)了開管柱氣相色譜法(Open-TubularColumnChromatography)之后，毛細(xì)管柱成為近年來發(fā)展極為迅速的一個領(lǐng)域，它的高效分離能力使它能夠廣泛應(yīng)用于許多分析問題，是目前分離、分析復(fù)雜有機化合物的重要工具。毛細(xì)管柱的應(yīng)用也在我國逐漸普及，許多新制定的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也都采用毛細(xì)管柱。毛細(xì)管柱是今后色譜分析的發(fā)展方向。

毛細(xì)管色譜柱是目前氣相色譜中用到最多的色譜柱，可以說是氣相色譜分離的核心，本文主要說明毛細(xì)管色譜柱的選用。

一、毛細(xì)管色譜柱的種類

首先說明毛細(xì)管柱的種類。一般將毛細(xì)管柱分為四種類型：壁涂開管柱（WCOT）、載體涂漬開管柱（SCOT）、交聯(lián)毛細(xì)管柱(CLOT）和多孔層開管柱（PLOT）。

經(jīng)典的毛細(xì)管柱為壁涂開管柱(WCOT——WallCoated OpenTubular Column)，管內(nèi)經(jīng)預(yù)處理后將固定液直接涂漬在內(nèi)壁上。因其制備難、柱子的重復(fù)性差、內(nèi)表面小、涂漬量小和相比β值大，將導(dǎo)致有效塔板數(shù)和實際分離能力不高，且熱穩(wěn)定性也較差，已很少使用。

多孔層壁涂柱（PLOT——PorousLayer OpenTubular Column）：內(nèi)壁上僅涂一層多孔性吸附劑微粒，是毛細(xì)管氣固色譜柱。

載體壁涂柱（SCOT——SupportCoated OpenTubular Column）：內(nèi)壁上先涂一層載體，載體上再涂固定液。固定液膜可以較厚，柱容量也較大。必須注意，以上兩種柱子中的載體只是涂布于毛細(xì)管柱的壁上，而非充滿整根柱子。

交聯(lián)毛細(xì)管柱(CLOT——Cross-LinkedOpenTubular Column)：涂好固定液后再用偶聯(lián)劑交聯(lián)鍵合，柱子性能有很大改善，能耐高溫，抗水、抗溶劑。

其中PLOT柱主要用于永久氣體和低分子量有機化合物的分離；SCOT柱所用固定液的量大一些，故柱容量大一些，但由于制備技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用也不太普遍。毛細(xì)管GC中的主力軍是CLOT，其柱材料大多用熔融石英，即所謂彈性石英柱。

二、毛細(xì)管氣相色譜柱的選用

 分析時，選擇最佳的毛細(xì)管柱可能是一件非常困難的任務(wù)。一根色譜柱的規(guī)格描述包括其固定相的種類和內(nèi)外部尺寸（柱內(nèi)徑、長度和膜厚等）。不同規(guī)格的色譜柱，對樣品的分離結(jié)果影響也不盡相同，如樣品分離的洗脫順序、保留時間、分離度和峰形/峰高等。另外，在實際分析應(yīng)用中，色譜柱的性能指標(biāo)，如惰性、塔板數(shù)和柱流失率等，同樣會嚴(yán)重影響到樣品的分離效果。

a. 固定相的選擇原則和方法

理論上講，選擇固定相首選遵循相似性原則，即：用非極性固定相分析非極性物質(zhì)，用極性固定相分析極性物質(zhì)，用含芳香基團的固定相分析芳香族化合物。在填充柱時代，這個想法是非常正確的，因為那個時候，分離度是首先需要把握的關(guān)鍵因素，分不開，就沒辦法想其它。它的理由在于塔板理論的推論，即：組分在固定相中有越大的溶解度差異，就會產(chǎn)生越大的分離度。

但是在毛細(xì)管色譜時代，分離度不再始終是分析的首選問題。毛細(xì)管具有幾十萬塊塔板，如此大的柱效率，以至于不再需要充分考慮分離問題了。這個時候，樣品兼容性、使用溫度、穩(wěn)定性、柱流失情況等，都可能成為選擇的主要理由。

例如分析甲醇乙醇丙醇等低級醇類，正常應(yīng)選擇wax類高極性色譜柱。但是在雜質(zhì)較少的情況下，選擇DB-1這樣的非極性柱具有更高的靈活性和使用壽命。

具體選擇要依據(jù)以下規(guī)則：

i.因為非極性毛細(xì)管柱具有明顯的穩(wěn)定性、高使用溫度、良好的色譜峰形等有利因素，因此易分離物質(zhì)應(yīng)首先選用極性小的色譜柱。

ii.分析氫鍵型物質(zhì)用氫鍵型PEG柱更佳。

iii.輕烴或永久氣體用PLOT柱更佳。

iv.高苯基固定相對芳香族物質(zhì)保留能力更強。但是分析二甲苯等芳烴異構(gòu)體，首選Wax類強極性色譜柱。

在過去的幾十年中，所有的GC應(yīng)用中，非極性色譜柱的使用率高于中等極性柱和極性柱。一般來說，非極性柱，如HP-5MS柱，可應(yīng)用與于50%以上的分析。而極性或中等極性柱，如PEG柱，大概適用于25%的分析應(yīng)用中。通常，我們會先選擇非極性色譜柱，而極性色譜柱會選擇性的用于比較簡單的樣品（較少種類化合物組成的樣品）。

在選擇適用的固定相時，分析設(shè)備和分析條件也是需要參考的指標(biāo)。如檢測器的種類、載氣和進樣體積等。

如果我們不考慮對樣品選擇性和檢測靈敏度的影響，那么就使用檢測器低響應(yīng)固定相的色譜柱。比如說含氰基的固定相，像1301、1701、624等這樣的色譜柱就盡量不要與NPD（氮磷檢測器）連用。對于超低流失的固定相，如-1MS或-5MS的柱子，因為它們可以保證最低的檢測基線和噪聲水平，所以在做低或超低檢測限樣品時，超低流失色譜柱是最好的選擇。如果我們使用的載氣不純，或是設(shè)備中有氣體泄漏，這樣的問題無法解決或無法及時解決，為了不使柱固定相過早的被破壞，高溫適用固定相的色譜柱是相對好的選擇。

另外，除非方法需要，我們盡量選擇鍵合固定相的色譜柱，對比非鍵合相和非交聯(lián)相色譜柱，交聯(lián)鍵合固定相色譜柱對樣品種類和進樣體積的耐受力更強，柱性能下降的最慢。

在做應(yīng)用方法確證時，我們可同時使用非極性柱和極性柱，對色譜峰鑒定或分離結(jié)果進行確證。通常我們做農(nóng)藥分析方法確證時，選用-5MS和 -1701/-35色譜柱；做殘留溶劑分析方法確證時，選用-5MS和-624/-VMS色譜柱；做醇類或FAME分析方法確證時，選用PEG和含氰基固定相色譜柱；做汽油中氧化物分析方法確證時，選用-1和PEG色譜柱。

b. 色譜柱內(nèi)徑的選擇

標(biāo)準(zhǔn)色譜柱內(nèi)徑（ID）尺寸為0.2mm、0.25mm、0.32mm和0.53mm。少數(shù)方法會使用到0.1mm和0.8mm內(nèi)徑的柱子。0.25mm是最常用的色譜柱內(nèi)徑尺寸，而0.53mm的色譜柱通常是替代填充柱用于大體積進樣的方法應(yīng)用。

色譜柱內(nèi)徑的大小對分離效果的影響是明顯的。越細(xì)的色譜柱，其塔板數(shù)就越高，柱效就越高，但同時樣品承載容量越小，進樣體積就需要減少。但內(nèi)徑越小，通常意味著柱容量的減小，在分析低含量組分時，對檢測器靈敏度和進樣口分流能力的要求越高。因此在選擇內(nèi)徑的時候，首先考慮的是樣品分析難點，是在于分離還是檢測。對于分離困難的樣品，首選較小口徑的色譜柱；對于含量過低檢測困難的樣品，首選較大口徑的色譜柱。在容易分離的情況下，一般選擇小口徑毛細(xì)管柱可以縮短柱長，減小分析時間。

c. 色譜柱長度

色譜柱的長短直接影響到保留時間和分離效率。實驗室應(yīng)用的色譜柱長多為5m、7.5m、10m、12.5m、15m、25m、30m、50m、60m、75m、100m和105m等。最常見的色譜柱長度是30m。

對于快速分析來說，除了選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)徑，柱長度也短許多（例如5～15mx 0.25mm）。只有這樣，才有可能在最短的時間內(nèi)，得到最佳的分離效果和分析結(jié)果。

如果方法需要改進提高分辨率，較長的色譜柱，如60m或100m，是理想的選擇。分辨率與柱長的平方根成正比。需要注意的是，像一根60m長的色譜柱相對于30m的柱子，其分辨率提高近40%，但分析時間會成倍增長。

在揮發(fā)物的分析應(yīng)用中，為了改善分離效果，常使用較長的柱型，如50m、60m和100m等。在氣態(tài)樣品和精細(xì)烴分析應(yīng)用中，較長色譜柱的使用較為普遍。

更長的色譜柱會影響柱惰性、柱流失和柱效等多個方面。同時，需要更高的載氣壓力或更換載氣的種類（如把氮氣更換成氫氣/氦氣）。

d. 色譜柱膜厚

商品化色譜柱的膜厚規(guī)格一般是0.1μm、 0.15μm、 0.25μm、 0.5μm、 1.0μm、 1.5μm、 3μm、5μm等等。實驗室中最常見的色譜柱膜厚為0.25μm、0.5μm和1μm。

膜厚主要影響兩個指標(biāo)：保留時間和樣品負(fù)載能力。

另外，色譜柱適用溫度范圍、分析時間和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性等也與膜厚有關(guān)。例如一根內(nèi)徑為0.25mm，膜厚為0.1μm的色譜柱可以達(dá)成快速分離的效果，甚至可以改進分辨率，降低色譜柱的流失，適用于更寬泛的溫度范圍等。膜厚會影響到色譜柱惰性，而這個指標(biāo)在有些應(yīng)用中是非常重要的。同時膜厚對色譜柱樣品承載能力的影響也是很明顯的。

0.25μm× 0.25mm、0.5μm × 0.32mm、1μm或1.5μm × 0.53mm規(guī)格的色譜柱在分離效果、保留性能、分辨率、惰性和柱流失等指標(biāo)方面較為均衡，使用也較多。

膜厚與柱內(nèi)徑的關(guān)系體現(xiàn)在相比（β）上。相比β是色譜柱中氣相容積和固定相容積之比，計算公式為β=r/2d，其中r為色譜柱半徑，d為液膜厚度。相比是決定一個固定長度色譜柱中組分流出時間的決定性因素。如果有兩根相同相比和固定相的色譜柱，內(nèi)徑不同，在相同的溫度條件下，兩根色譜柱的分離效果和保留性能相同或相似。

需要注意的是：相比只是決定保留時間的主要因素，但并不是決定理論塔板數(shù)（柱效率）的主要因素。決定柱容量（最小檢出量）的主要因素是內(nèi)徑和膜厚，決定柱效率的是內(nèi)徑，決定保留時間的是相比。在綜合平衡柱容量、柱效率、分析時間三方面因素的時候，需要注意相比的影響。

最后要強調(diào)的一點是，選擇色譜柱是必須要看具體的分析任務(wù)。如果是做法規(guī)分析，則必須按有關(guān)法規(guī)的要求選擇色譜柱。如一些產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗，盡管用毛細(xì)管柱可以得到更好的分析結(jié)果，且分離效率高、分析速度快，但若國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用填充柱，那就應(yīng)該用填充柱，否則分析結(jié)果不被法規(guī)所認(rèn)可。當(dāng)然，作為方法開發(fā)的研究，用毛細(xì)管柱常常是有利的。

（內(nèi)容來源氣相色譜之家）