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      色譜儀毛細管色譜柱的種類和選用方法

      點擊: 次 時間:2016-09-26 10:36

      概述

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

      毛細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,本文主要說明毛細管色譜柱的選用。

      一、毛細管色譜柱的種類

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

      經典的毛細管柱為壁涂開管柱(WCOT——WallCoated OpenTubular Column),管內經預處理后將固定液直接涂漬在內壁上。因其制備難、柱子的重復性差、內表面小、涂漬量小和相比β值大,將導致有效塔板數和實際分離能力不高,且熱穩定性也較差,已很少使用。

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

      載體壁涂柱(SCOT——SupportCoated OpenTubular Column):內壁上先涂一層載體,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管柱的壁上,而非充滿整根柱子。

      交聯毛細管柱(CLOT——Cross-LinkedOpenTubular Column):涂好固定液后再用偶聯劑交聯鍵合,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,但由于制備技術復雜,應用也不太普遍。毛細管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、毛細管氣相色譜柱的選用

       分析時,選擇最佳的毛細管柱可能是一件非常困難的任務。一根色譜柱的規格描述包括其固定相的種類和內外部尺寸(柱內徑、長度和膜厚等)。不同規格的色譜柱,對樣品的分離結果影響也不盡相同,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,在實際分析應用中,色譜柱的性能指標,如惰性、塔板數和柱流失率等,同樣會嚴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,用極性固定相分析極性物質,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,就會產生越大的分離度。

      但是在毛細管色譜時代,分離度不再始終是分析的首選問題。毛細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,正常應選擇wax類高極性色譜柱。但是在雜質較少的情況下,選擇DB-1這樣的非極性柱具有更高的靈活性和使用壽命。

      具體選擇要依據以下規則:

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

      ii.分析氫鍵型物質用氫鍵型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保留能力更強。但是分析二甲苯等芳烴異構體,首選Wax類強極性色譜柱。

      在過去的幾十年中,所有的GC應用中,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,分析設備和分析條件也是需要參考的指標。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相色譜柱,交聯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果進行確證。通常我們做農藥分析方法確證時,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. 色譜柱內徑的選擇

      標準色譜柱內徑(ID)尺寸為0.2mm、0.25mm、0.32mm和0.53mm。少數方法會使用到0.1mm和0.8mm內徑的柱子。0.25mm是最常用的色譜柱內徑尺寸,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用。

      色譜柱內徑的大小對分離效果的影響是明顯的。越細的色譜柱,其塔板數就越高,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,除了選擇適當的內徑,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,得到最佳的分離效果和分析結果。

      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。

      在揮發物的分析應用中,為了改善分離效果,常使用較長的柱型,如50m、60m和100m等。在氣態樣品和精細烴分析應用中,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:保留時間和樣品負載能力。

      另外,色譜柱適用溫度范圍、分析時間和分析結果的準確性和可靠性等也與膜厚有關。例如一根內徑為0.25mm,膜厚為0.1μm的色譜柱可以達成快速分離的效果,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,而這個指標在有些應用中是非常重要的。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方面較為均衡,使用也較多。

      膜厚與柱內徑的關系體現在相比(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(柱效率)的主要因素。決定柱容量(最小檢出量)的主要因素是內徑和膜厚,決定柱效率的是內徑,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。

      最后要強調的一點是,選擇色譜柱是必須要看具體的分析任務。如果是做法規分析,則必須按有關法規的要求選擇色譜柱。如一些產品的質量檢驗,盡管用毛細管柱可以得到更好的分析結果,且分離效率高、分析速度快,但若國家標準或行業標準規定用填充柱,那就應該用填充柱,否則分析結果不被法規所認可。當然,作為方法開發的研究,用毛細管柱常常是有利的。

      (內容來源氣相色譜之家)

       


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