填充柱的應用

1、填充柱在氣相色譜中應用色譜柱又稱分離柱，是填充了色譜填料的內部拋光不銹鋼柱管或塑料柱管。色譜柱是實現(xiàn)分離的核心部件，要求色譜柱的柱效高、柱容量大和性能穩(wěn)定。分析型色譜柱的內徑通常在48mm柱長通常在50250mm液相色譜填充柱內徑通常在35mqn典型的柱內徑是4mrr氣相色譜中所用毛細管柱的內徑一般小于1mm微型柱是內徑在1mmfc右的填充型色譜柱，通常用于高靈敏的微量成分分離。因為氣相色譜的載氣種類少，分離選擇性主要依靠選擇固定相。色譜峰能否分離，首先取決于固定相，迄今已有數(shù)百上千種氣相色譜固定相，常用的不過十幾種。第一節(jié)氣-固色譜固定相-固體固定相氣一周色譜法廣泛應用于永久氣體和低沸點姓類

2、的分析。常用的固定相種類有非極性的活性炭，弱極性的氧化鋁，極性的分子篩，氫鍵型硅膠等。氣-固色譜與氣-液色譜相比，有許多特點及不同之處，見表5-1o氣固色譜適合于分析永久氣體，氣態(tài)燒；熱穩(wěn)定性好，柱溫上限高；一般情況下，吸附等溫線不成線性，峰不對稱；由于固定相表面結構不均勻，所以重現(xiàn)性不好。表5-1氣-固色譜與氣-液色譜的比較氣-液色譜氣一周色譜1分配系數(shù)小，保留時間短吸附系數(shù)大，保留時間長2色譜峰對稱色譜峰常常不對稱3保留值重現(xiàn)性好，吸附劑間差異大，保留值及分離性能不穩(wěn)定4固定液一般無催化性高溫下吸附劑有催化性5可用于高沸點化合物的分離適用于永久氣體和低沸點姓類的分離6品種多，選擇余地大品種

3、少，選擇余地不大7局溫下固定液易流失較局柱溫下不易流失一、吸附劑雖然吸附劑的種類很多，但是在氣固色譜中作為固定相的卻不多，一般僅限于活性炭、石墨化炭黑、碳多孔小球、硅膠、氧化鋁，分子篩等。由于吸附劑的性能與制備、活化條件等有很大關系，所以，不同來源的同種吸附劑，甚至于同一來源的非同批產品，其色譜分離效能均不重復。（一）活性炭非極性。有較大的比表面積，吸附性較強?？捎糜诙栊詺怏w、永久氣體，氣態(tài)爛的分析等分析。由于活性炭表面活性大而不均勻，會造成色譜峰拖尾，現(xiàn)在很少使用權了。（二）石墨化炭黑（Cabopack系列）：非極性。為克服活性炭的缺點，把炭黑進行高溫處理，如加熱到3000C,表面均勻、使活

4、性點大為減少。所以大大改善了色譜峰形，提高了分析重現(xiàn)性。據有關研究認為石墨化炭黑的表面沒有官能團，沒有冗鍵，它的吸附性主要靠色散力起作用，因而石墨化炭黑的極性比角鯊烷還小。（三）碳分子篩（碳多孔小球；TDXS列）-非極性。是用偏聚氯乙稀小球進行熱裂解，得到固體多孔狀的炭。碳多孔小球的國外商品名為Carbosieve,國內叫TDX具體牌號有TDX-01、TDX-02。碳多孔小球特點是非極性很強，表面活性點少，疏水性強，可使水峰在甲烷前或后洗脫出；柱效高；耐腐蝕、耐輻射；壽命長。TDXW用于分析H2、02、N2、COCO2CH4C2H2C2H4C2H6以及C3的姓:類和SO2等氣體的分析；氮肥廠的

5、半水煤氣分析；金屬熱處理氣氛的分析；低碳姓;中水分的分析等。圖5-1是碳分子篩分離含硫化合物的色譜圖。圖中各峰的組分依次是1.空氣；2.硫化氫；3.氧硫化碳；4.三氧化硫；5.甲基硫醇；6.二硫化碳。圖5-2碳分子篩分離含硫化合物（四）活性氧化鋁-有較大的極性。熱穩(wěn)定性好，機械強度高，適用于常溫下O2、N2、COCH4C2H6C2H描氣體的分離。CO2tg被活性氧化鋁強烈吸附，因此不能用這種固定相進行分析。（五）硅膠SiO2xH2O（Porasil系列等）強極性。分離能力決定于孔徑大小及含水量，一般用來分離C2-C4姓:類及某些含硫氣體：H2S、CO2N2ONONO2、N2OSO2有與活性氧化

6、鋁大致相同的分離性能，且能夠分離臭氧。（六）分子篩-有特殊吸附活性。堿及堿土金屬的硅鋁酸鹽（沸石），多孔性。人工合成的泡沸石，化學組成為MOAl2O柒Si02yH2O其中M是金屬離子Na+KK+、Ca2+等，合成的泡沸石加熱時，結構水就從空隙中逸出，留下一定大小均勻的孔穴。當樣品分子經過分子篩時，比孔徑小的分子被吸進去，比孔徑大的分子通過分子篩出來，故分子篩實際是個反篩子。分子篩的種類很多，分析用的有4A、5A、13X等，其中前面的數(shù)字代表孔徑，AX表示類型，AX化學組成不同。用于分析氣樣中N2和O2有特效。分子篩可用來分離永久氣體、H2、H2s02CH4CO氣態(tài)姓分析等。特點是能在高溫下使用

7、，但重復性好的吸附劑很難制備，往往使峰拖尾。圖5-3表示活性炭吸附劑（13X分子篩）分離永久氣體的色譜圖，柱溫22C,He氣流速20ml/min。圖5-3活性炭吸附劑（13X分子篩）分離永久氣體的色譜圖二、分子多孔微球（Porapak,Chropmosorb等）高分子多孔微球是新型的有機合成固定相，是用苯乙烯與二乙烯苯共聚所得到的交聯(lián)多孔共聚物。既可做固定相，又可做載體。Hollis所研究的PorapakQ是一種色譜分離性能很好的氣-固色譜固定相。我國天津化學試劑二廠的GD粽列分為非極性，弱極性，中等極性的相當于美國的Parapak,chromosorb系列，型號有GDX-101GDX-102

8、GDX-103GDX-104GDX-105GDX-201GDX-301GDX-501等。適用于水、氣體及低級醇的分析。高分子多孔微球的特點是：（一）表面積大，機械強度好。（二）疏水性很強，可快速測定有機物中的微量水分。如順丁橡膠合成中要求單體丁二稀含水量在3X10-5g/mL以下，可用1MX4nlm的GDX-10光譜柱，120c柱溫下，載氣流速33mL/min很好分離測定。（三）耐腐性好?？煞治鯤CI、NH3HCNCl2、SO反活性氣體。有機溶劑和氯化氫中的微量水分可用GDX-104色譜柱測定。見文獻。（四）不存在固定液流失問題。圖5-4是PorapakQ（150-200目）填充柱、TC=22

9、B、載氣He37ml/min、TCD檢測器測定溶劑中水分的色譜圖。圖5-4PoropakQ測定溶劑中水三、化學鍵合相化學鍵合相的優(yōu)點是防止固定液流失，提高柱效。將在以后章節(jié)中討論。第二節(jié)氣液色譜固定相氣液色譜固定相是固定液均勻地涂在載體上，載體是化學惰性的固體微粒，用來支持固定液的，氣液色譜固定相中的固定液大多數(shù)是高沸點的有機化合物，在氣相色譜工作條件下呈液態(tài)，所以叫固定液。在氣一液色譜柱內，被測物質中各組分的分離是基于各組分在固定液中溶解度的不同。當載氣攜帶被測物質進入色譜柱，和固定液接觸時，氣相中的被測組分就溶解到固定液中去。載氣連續(xù)進入色譜柱，溶解在固定液中的被測組分會從固定液中揮發(fā)到氣

10、相中去。隨著載氣的流動，揮發(fā)到氣相中的被測組分分子又會溶解到固定液中。這樣反復多次溶解、揮發(fā)、再溶解、再揮發(fā)。由于各組分在固定液中溶解能力不同。溶解度大的組分就較難揮發(fā)，停留在柱中的時間長些，往前移動得就慢些。而溶解度小的組分，往前移動得快些，停留在柱中的時間就短些。經過一定時間后，各組分就彼此分離。固定液配比一般是3-25%,配比指固定液在固定相中所占重量，色譜柱起分離決定作用的是固定液。載體作用是提供一個大的惰性表面，以便涂上固定液。一、氣液色譜載體載體是一種化學惰性、多孔性的顆粒，它的作用是提供一個大的惰性表面，用以承擔固定液，使固定液以薄膜狀態(tài)分布在其表面上。(一)對載體的要求1 .載

11、體表面應是化學惰性的，即表面沒有吸附性或和吸附性很弱，更不能與被測物質起化學反應。2 .足夠大的表面積。多孔性，即表面積較大，使固定液與試樣的接觸面較大。3 .熱穩(wěn)定性好，有一定的機械強度，不易破碎。4 .形狀規(guī)則、大小均勻。對擔體粒度的要求，一般希望均勻、細小，這樣有利于提高柱效。(二)載體的分類氣一液色譜中所用擔體可分為硅藻土型和非硅藻土型兩大類。1.硅藻土類載體：由天然硅藻土煨燒而成的。常用此類擔體，主要成分無機鹽。根據制造工藝和助劑不同，又可分為紅色擔體和白色擔體兩種。(1)紅色載體：孔徑較小，表面孔穴密集，比表面積較大(4m2/g),機械強度好。適宜分離非極性或弱極性化合物。缺點是表

12、面存有活性吸附中心點。常見的有201、202系列、6201系列等(2)白色載體：白色擔體是在煨燒時加Na2CO必類的助熔劑，使氧化鐵轉化為白色的鐵硅酸鈉。白色載體顆粒疏松，孔徑較大。表面積較?。?m2/g）,機械強度較差。但吸附性顯著減小，適宜分離極性化合物。常見的有101、102系列。2.非硅藻土載體（1）玻璃微球：是小玻璃珠，顆粒規(guī)則，涂漬困難。（2）聚四氟乙烯：吸附性小，耐腐蝕，分析SO2Cl2、HCl等氣體。（3）高分子多孔微球GDX既可做GSC固定相，又可做GLC載體GDX-101102、103、104、105201、202-301-401-501（GDXS列產品）。前面的數(shù)字表示極

13、性，后面的數(shù)字是不同的稀釋劑（汽油、甲苯等）用量。（三）硅藻土類載體的表面處理普通硅藻土類載體表面并非惰性，含有三Si-OH,Si-O-Si,=Al-O-,=Fe-O-等基團，故既有吸附活性又有催化活性。若涂漬上極性固定液，會造成固定液分布不均勻；分析極性試樣時，由于活性中心的存在，會造成色譜峰拖尾，甚至發(fā)生化學反應。因此，載體使用前應進行鈍化處理，方法如下：會造成色譜峰拖尾，甚至發(fā)生化學反應。因此，使用前應進行鈍化處理，鈍化處理方法如下：1 .酸洗、堿洗（除去酸性基團）：用濃HCl、KOH勺甲醇溶液分別浸泡，以除去鐵等金屬氧化物及表面的氧化鋁等酸性作用點。2 .硅烷化：（消除氫鍵結合力）用硅

14、烷化試劑（二甲基二氯硅烷等）與載體表面的硅醇、硅醴基團反應，以消除擔體表面的氫鍵結合力。處理后，性能好，但試劑昂貴。3 .釉化（表面玻璃化、堵微孔）：以碳酸鈉，碳酸鉀等處理后，在擔體表面形成一層玻璃化釉質。（四）載體的選擇1 .紅色硅藻土載體用于烷姓:、芳姓:等非極性、弱極性物的分析。2 .白色硅藻土載體用于醇、胺、酮等極性物的分析。3 .固定液含量大于5%一般選用的紅色、白色載體。4 .固定液含量小于5%一般選用處理過的載體。5 .高沸點化合物的分析要選玻璃微球；強腐蝕的物質的分析選氟載體。二、氣液色譜固定液（一）特點氣液色譜固定液的特點是可得較對稱的色譜峰；可供選擇的固定液很多；譜圖重現(xiàn)性

15、好；可在一定范圍內調節(jié)液膜厚度。（二）對固定液的要求1 .選擇性好（對填充柱要求a1.21.15,或a1.21,08）;2 .化學穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定，化學穩(wěn)定性好（每種固定液都有一個“最高使用溫度”），固定液的蒸汽壓要低，固定液流失要少；3 .對組分要有一定的溶解度，即對組分有一定的滯留性；4 .凝固點低，粘度適當（因為凝固點以下，固定液凝固，只起吸附作用，所以凝固點就是固定液的“最低使用溫度”）。（三）固定液與組份分子間作用力固定液為什么能固定在載體表面，而不被載氣帶走？組分分子為什么能溶解在固定液里，而且有不同的溶解度？這都是由于固定液、組分分子間的相互作用結果。組分之所以能夠分離

16、，是由于組分在色譜柱中容量因子k就是組分與固定液分子間的作用力不同。固定液與組分分子間作用力從tR反映出來。分子間作用力包括定向力、誘導力、色散力、氫鍵作用力。不同，在固定液中的溶解力不同，也圖5-5固定液、組分分子間的相互作用力1 .定向力（靜電力）一一極性分子和極性分子間的作用力E（5-1）5-1式中，pA、種極性分子的永久偶極矩；r為分子間距離；k為波茲曼常數(shù)；T為溫度。pS為兩極性固定液分離極性樣品組分時，定向力起主導作用，分子間距離越小，相互作用越強，偶極矩越大，作用力越大。該組分滯留時間就越長。圖5-6表明用極性固定液甘油分離極性組分乙醇時，定向力起主導作用，乙醇的保留時間長。圖5

17、-6用極性固定液分離極性組分乙醇2 .誘導力ED一個具有永久偶極的極性分子，永久偶極對非極性分子會產生誘導作用，產生偶極，此時兩分子間相互吸引而產生誘導力。（5-2）5-2式中，aSaS為組分和固定液的分子極化率誘導力通常是很小的，但在分離非極性和可極化分子的混合物時，極性固定液的誘導力就突出表現(xiàn)出來，例如圖5-7表達了苯（沸點：80.10C）與環(huán)己烷（沸點80.81C）在不同極性固定液中的分離情形。苯的環(huán)己烷的兩種組分都是非極性分子，無永久偶極，沸點接近。若用非極性固定液很難分開，但苯比環(huán)己烷易極化。若用強極性的BB氧二丙月青固定液，使苯產生誘導偶極矩，很易分離。tR苯=6.3tR環(huán)己烷。圖

18、5-7苯（沸點：80.10C）與環(huán)己烷（沸點80.81C）在不同極性固定液中的分離3.色散力EL-非極性分子間唯一的相互作用力.（5-3）式中，IA、IS為組分和固定液分子的電離能，有機物分子電離能接近。非極性分子間沒有靜電力與誘導力，由于分子電中心瞬間位移產生瞬間偶極矩，能使周圍分子極化，被極化的分子又反過來加劇瞬間偶極矩變化幅度產生所謂色散力。例如用非極性角鯊烷固定液，分離非極性C1C4正構烷爛，因為色散力與沸點成正比，所以按沸點順序出峰。4.氫鍵作用力-一個氫原子與一個電負性大的原子構成共價鍵，又能與另外一個電負性大的原子形成一種有方向性的靜電吸附力，叫氫鍵力。假如固定液分子中含一OH-

19、COOH-NH2W能團，分析組分含F(xiàn)、ON化合物時，常有顯著氫鍵作用，使保留值增大。氫鍵強弱順序為：FH,FO-H,OO-H,NN-H,NCH,N（四）固定液的分類一一如何評價固定液？目前約有700多種可供使用的固定液，如何對眾多的固定液有規(guī)律的排列，以利于選擇，方法有如下幾種：1.五級分類法用（5-4）式計算時要選擇一物質對，常用苯與環(huán)己烷。分別在非極性、極性、被測固定液柱上測出物質對的相對保留值，并取對數(shù)。這種分類法的優(yōu)點是直觀、簡單。缺點是粗分，有時P出現(xiàn)負值。（5-4）五級分類法規(guī)定了bb氧二丙月青的相對極性p=i0a角鯊烷（異30烷）相對極性p=o；其它固定液按下式計算：（5-5）根

20、據（5-5）式算出各種固定液的PX,然后把極性分為五級，每20為1級，共粗分為五級。所有固定液相對極性都在0100之間。所有固定液分成為強極性，極性，中等極性，弱極性，非極性五類。這樣最強極性固定液BB一氧二丙晴極性為100；非極性固定液角鯊烷極性為0;其余，0100之間。見表5-2。如果0-20+1如果21-40+2如果41-60+3如果61-80+4如果81-100+5表5-2固定液的相對極性、分級、最高使用溫度和分析對象固定液名稱固定液的相對極性級別最高使用溫度C分析對象異烷（角鯊烷）0C8前烷姓：阿皮松N高沸點有機物S130高沸點有機物鄰苯二甲酸二壬酯（DNP有機物PEG6007441

21、20含D,N有機物BB氧二丙月青脂肪姓:、芳香姓:、氧化物、等極性化合物這種表示固定液極性方法的缺點是未能反映出固定液與組分間的全部作用力，主要反映分子間的誘導力，所以不完善，為此提出下列的特征常數(shù)分類法。2.羅什那德常數(shù)（特征常數(shù)法）按相對極性分類只反映分子間的誘導力，而實際上，組分與固定液分子間除誘導力外，還尚有定向力、色散力、氫鍵作用力等。因此相對極性不能反映分子間的全部作用力。4.按化學類型分類（1）爛類極性最弱，有角鯊烷、石蠟油、聚乙烯等。適用于非極性物分析?；旧习捶悬c順序出峰。（2）聚硅氧烷類應用最廣，使用溫度范圍寬（50350C）,固定液的種類日益增多，引入不同的取代基，使極性

22、不同，如甲基聚硅氧烷，苯基聚硅氧烷等。中、英文名稱對照：methylsilicone甲基硅酮methylpolysiloxane甲基聚硅氧烷、硅醴結構，見圖5-8。根據分子量不同，狀態(tài)分別為油、橡膠等。（3）醇、醴類易形成氫鍵，選擇性取決于氫鍵作用力。聚乙二醇固定液應用最多。種類有PEG-200300、400、1000、1500、6000、20MPEG后面的數(shù)字代表平均分子量。（4）酯類為中等極性，含有極性和非極性集團。例如鄰苯二甲酸二壬酯（DNP、丁二酸二乙二醇聚酯（DEGS。（5）其它固定液還有有機皂土；液晶；手性固定相等固定液。（五）固定液的選擇固定液的選擇沒有嚴格的規(guī)律可循，一般規(guī)則是

23、根據樣品來選固定液。固定液的分離特征是選擇固定液的基礎。固定液的選擇，一般根據“相似相溶”原則進行。在GC中，常用“極性”來說明固定液和被測組分的性質。如果組分與固定液分子性質（極性）相似，固定液和被測組分兩種分子間的作用力就強，被測組分在固定液中的溶解度就大，K就大，也就是說，被測組分在固定液中溶解度或K的大小與被測組分和固定液兩種分子之間相互作用的大小有關。1.已知樣品分離非極性物質，一般選用非極性固定液，這時試樣中各組分按沸點次序先后流出色譜柱，沸點低的組分先出峰，沸點高的組分后出峰。分離極性物質，選用極性固定液，這時試樣中各組分主要按極性順序分離，極性小的先流出色譜柱，極性大的后流出色

24、譜柱。分離非極性和極性混合物時，一般選用極性固定液，這時非極性組分先出峰，極性組分（或易被極化的組分）后出峰。對于能形成氫鍵的試樣，如醇、酚、胺和水等的分離。一般選擇極性的或是氫鍵型的固定液，這時試樣中各組分按與固定液分子形成氫鍵的能力大小先后流出，不易形成氫鍵的先流出，最易形成氫鍵的最后流出。(1)相似相溶原則：按極性選擇固定液；按化學官能團選擇固定液。(2)按組分之間的沸點差別或極性差別選擇：如果主要差別是沸點差別，選非極性固定液；如果主要差別是極性差別，則選極性固定液。(3)按麥氏常數(shù)選擇固定液，對于不同類組分的分離可按麥氏常數(shù)選擇固定液。(4)特殊樣品選特殊固定液：例如分離醇、水可選GDX分離N2、O2可選分子篩。(5)選擇混合固定液：對于復雜的樣品的分離，單一固定液分不開，可選混合固定液。2.未知樣品時(1)用毛細管柱初分離實驗室中可常備中等極性，極性和非極性三根毛細柱。由于毛細管柱具有很高的分離效能，一般的組分未知樣品大都可以得到良好的分離，使用不同極性的毛細管柱，進行定性分離，可以確定樣品中組分的峰數(shù)、極性范圍等。(2)幾種常用的固定液就目前來說，被優(yōu)選的次數(shù)最多，性能好、有代表性的固定液見表5-4o表5-4最常用的氣液色譜固定液名稱商品代號毛細柱使用情況填充柱使用情況1聚二甲基硅氧烷OV-101,SE-30,SP2