第六章-毛細(xì)管氣相色譜法-capillary-gas-Chromatography-

第六章毛細(xì)管氣相色譜法（capillarygasChromatography）概述毛細(xì)管氣相色譜與填充柱色譜的比較毛細(xì)管氣相色譜柱的制備毛細(xì)管氣相色譜柱的評價(jià)常用毛細(xì)管氣相色譜柱毛細(xì)管柱的選擇一、概述（一）發(fā)展歷史1957年高雷(Golay)發(fā)表“涂壁毛細(xì)管氣液分配色譜理論和實(shí)踐”論文，首先提出毛細(xì)管速率方程，并第一次實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管氣相色譜分離。1958年戈雷在阿姆斯特丹的國際氣相色譜會(huì)議上發(fā)表了著名的高雷方程，闡述了各種參數(shù)對柱性能的影響。1979年彈性石英毛細(xì)管開始應(yīng)用,將毛細(xì)管氣相色譜推上高潮。八十年代將固定液固定化。它大大提高了色譜柱的穩(wěn)定性,延長了柱壽命,并使液膜進(jìn)一步增厚,提高了色譜性能(如可在高溫下使用)。1983年惠普公司推出大孔徑毛細(xì)管柱，可直接代替填充柱20世紀(jì)90年代Alltech

公司推出“集束毛細(xì)管柱”，919只內(nèi)徑為40um的毛細(xì)管柱20世紀(jì)90年代后期耐高溫色譜柱、手性色譜柱（二）毛細(xì)管氣相色譜柱的類型高雷：開管柱（opentubularcolumn）習(xí)慣稱毛細(xì)管柱（Capillarycolumn

）1.填充型毛細(xì)管柱

（1）填充毛細(xì)管柱：近年很少使用。

(2)微填充柱：目前應(yīng)用不多。PackedCapillary2.開管型毛細(xì)管柱a.壁涂毛細(xì)管柱：簡稱WCOT柱。目前多數(shù)為該種類型。b.多孔層毛細(xì)管柱(Porous-LayerOpenTubularColumn)簡稱PLOT柱，這一類使用最多的是“載體涂層毛細(xì)管柱”(SupportCoatedOpenTubularColumn)簡稱SCOT柱。（1）常規(guī)毛細(xì)管柱：內(nèi)徑為0.1～0.3mm，一般為0.25mm左右PorousLayerOpenTubularWallCoatedOpenTubular

（2）小內(nèi)徑毛細(xì)管柱(MicroboreColumn)：內(nèi)徑是小于100μm的彈性石英毛細(xì)管柱，多用來進(jìn)行快速分析。(3)大內(nèi)徑毛細(xì)管柱(MegaoboreColumn)：內(nèi)徑為320μm和530μm，為了用這種色譜柱代替填充柱，常做成厚液膜柱，如液膜厚度為5～8μm。（4）集束毛細(xì)管柱（multicapillarycolumn）：容量高，分析速度快，適用于工業(yè)分析。（四）毛細(xì)管色譜柱的特點(diǎn)①滲透性好：一般毛細(xì)管的比滲透率約為填充柱的100倍,在同樣的柱前壓下,可使用更長的毛細(xì)管柱(如100米以上),而載氣的線速可保持不變。這就是毛細(xì)管柱高柱效的主要原因。②

相比（

）大：相比大，傳質(zhì)快，有利于提高柱效；k’值小實(shí)現(xiàn)有利于快速分析。毛細(xì)管柱的液膜厚度小,柱效高，加上柱滲透性大，可采用較高線流速縮短分析時(shí)間。

③

總柱效高從單位柱長的柱效看,毛細(xì)管柱和填充柱處于同一數(shù)量級,但毛細(xì)管柱的長度比填充柱可長1~2個(gè)數(shù)量級,因此其總柱效遠(yuǎn)高于填充柱，這樣就大大提高分離復(fù)雜混合物的能力?？傊?，毛細(xì)管柱滲透性大,可采用長柱子和高載氣流速縮分析技術(shù)，使其保持高柱效和快速分離。④

柱容量小毛細(xì)管柱允許的進(jìn)樣量小。這樣對進(jìn)樣和檢測技術(shù)要求更高。進(jìn)樣量取決于柱內(nèi)固定液含量，由于毛細(xì)管柱涂漬的固定液僅幾十mg，液膜厚度為0.35~1.5

m，柱容量小，一般進(jìn)樣量為10－3~10－5

L，故需要采用分流進(jìn)樣技術(shù)。二、毛細(xì)管氣相色譜與填充柱的比較（一）比滲透率（B0)L：柱長η：柱溫下載氣的粘度；U：平均載氣線流速；ΔP：柱出口和進(jìn)口壓力降j：壓力校正因子填充柱：B0＝dp2/1012毛細(xì)管柱：B0＝r2/8

B0=(L

u)/(

pj)2.4m填充柱的柱壓降是2.5×106Pa，在同樣的柱壓降下，可使用0.27mm內(nèi)徑WCOT柱192m，0.5mm內(nèi)徑SCOT柱250m。色譜柱類型柱內(nèi)徑/mmBo/10-7cm2填充柱2.22~3壁涂毛細(xì)管柱（WCOT）0.25

0.27

0.50200

230

780載體涂層毛細(xì)管柱（SCOT）0.50250~350（二）.填充柱和毛細(xì)管柱性能的比較

色譜參數(shù)填充柱WCOTSCOT柱長度，m1~510~10010~50滲透性×10-7，cm1~1050~800200~1000柱內(nèi)徑，mm2~40.1~0.80.5~0.8液膜厚度，

m100.1~10.8~2相比4~200100~150050~300每個(gè)峰的容量，ng10~106<10050~300柱效，N/m500~10001000~4000600~1200最小板高，mm0.5~20.1~20.2~2分離能力低高中等相對壓力高低低最佳線速，cm/s5~2010~10020~160毛細(xì)管柱與填充柱分離一些硝基化合物的比較

（a）填充柱1.5m，涂QF-1，恒溫；（b）毛細(xì)管柱，21m，涂OV-101（三）毛細(xì)管氣相色譜儀與填充柱氣相色譜儀比較分流進(jìn)樣作用：毛細(xì)管柱的載氣體積流量比填充柱低得多，將樣品從氣化室沖洗到色譜柱需要較長的時(shí)間，導(dǎo)致進(jìn)樣器內(nèi)色譜區(qū)帶嚴(yán)重?cái)U(kuò)張。此外，柱容量小，采用常規(guī)的進(jìn)樣方式，無法控制這樣小的進(jìn)樣量。尾吹氣路作用：由于毛細(xì)管柱的載氣體積流量很小，進(jìn)入檢測器后發(fā)生突然減速，引起色譜峰擴(kuò)張。為了減少譜帶擴(kuò)展，同時(shí)也是調(diào)節(jié)氫火焰檢測器靈敏度，使氫氮比達(dá)到1左右，必須在色譜柱出口增加輔助尾吹氣。1.氣源和流量控制系統(tǒng)

壓力-流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)：對高壓氣體減壓，穩(wěn)定流量和壓力，使色譜系統(tǒng)具有優(yōu)異精度和重現(xiàn)性。現(xiàn)代高檔氣相色譜儀均采用高精度的電子壓力控制（Electromicpneumaticcontrol,EPC）或電子流量控制（EFC）技術(shù)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性達(dá)到新的高度。

電子壓力控制（EPC）：采用電子壓力傳感器和電子流量控制器，通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)壓力和流量的自動(dòng)控制。載氣控制方式的選擇填充柱分析采用恒流方式毛細(xì)柱分析采用恒壓方式，恒線速度方式6kg/cm2SPL/SplitlessINJ1INJ2毛細(xì)柱填充柱1填充柱2返回電子壓力控制系統(tǒng)示意圖2.進(jìn)樣系統(tǒng)－一般采用分流/不分流進(jìn)樣器進(jìn)樣技術(shù)：“Achillesheel”。毛細(xì)管柱的柱容量很小，要使柱子不超載，進(jìn)入柱中的樣品量不應(yīng)超過0.01-0.001

L。填充柱的進(jìn)樣系統(tǒng)毛細(xì)管分流/不分流進(jìn)樣系統(tǒng)①分流進(jìn)樣

使樣品瞬間氣化并與載氣混合，使小部分樣品進(jìn)入色譜柱，大部分放空。一般儀器是在氣化室的出口將載氣分成兩路,絕大部分載氣放空,而極小部分載氣流入色譜柱。當(dāng)進(jìn)樣時(shí)把分流閥關(guān)閉，但注射隔膜吹洗氣（~2mL/min)一直保持，經(jīng)過一段時(shí)間（30~90s），大部分溶劑和溶質(zhì)蒸氣進(jìn)入色譜柱，電磁閥打開。氣化室中剩余的溶劑和溶質(zhì)通過分流閥吹走。②不分流進(jìn)樣優(yōu)點(diǎn)：大部分樣品入柱，避免分離歧視，盡可能消除溶劑脫尾。3.色譜柱系統(tǒng)4.檢測系統(tǒng)5.記錄系統(tǒng)：響應(yīng)速度要快。響應(yīng)快的記錄儀,如時(shí)間常數(shù)<50ms。要求采用高靈敏度的檢測器,如FID、小池體積的TCD(HP單絲微型TCD的檢測池僅有3.5μl)等；在使用毛細(xì)管柱時(shí)必須用補(bǔ)充氣。三、毛細(xì)管色譜柱的制備由于柱制備技術(shù)較復(fù)雜,一般用戶通常使用商品柱。如OV-101,PEG-20,SE-54等。

固定液的固載化：一是固定液分子中的功能基團(tuán)和柱內(nèi)表面產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，形成一個(gè)穩(wěn)定的液膜，稱固定液的鍵合；另一是固定液分子之間化學(xué)結(jié)合，交聯(lián)生成一個(gè)網(wǎng)狀的大分子覆蓋在毛細(xì)管內(nèi)表面，成為一個(gè)不可抽取的液膜，稱固定液的交聯(lián)（Cross-linking)；最后一種情況是固定液分子既和內(nèi)表面形成化學(xué)鍵合，其自身又交聯(lián)成網(wǎng)狀大分子，即鍵合交聯(lián)法。四、毛細(xì)管色譜柱性能評價(jià)（一）、評價(jià)色譜柱的指標(biāo)和測試物評定三項(xiàng)重要指標(biāo)：柱效、表面惰性和熱穩(wěn)定性。一般評價(jià)色譜柱的方法是在一定的色譜條件下分離一組測試混合物考核色譜柱的各種性能。測試混合物包含：烷烴、芳烴、醇、二元醇、醛、酮、酚、胺、酯和游離酸，普遍實(shí)用的是所謂Grob試劑Grob試劑的組成和濃度組成濃度/mg·mL-1組成濃度/mg·mL-1十二酸甲酯41.3壬醛40十一酸甲酯41.82.3-丁二醇53癸酸甲酯42.32,6-二甲基苯胺32癸烷28.32,6-二甲基苯酚32十一烷28.7二環(huán)己胺31.31-辛醇35.52-乙基己酸38圖用Grob

試劑測試SE-52柱（5％苯基－95％聚二甲基硅氧烷）的色譜圖Diol—2,3-丁二醇；C10—正癸烷；C8-OH—正辛醇；C11—正11烷；C9-OH—正壬醇；DMP—2,6-二甲基苯酚；DMA—2,6-二甲基苯胺；E10—癸酸甲酯；E11—十一酸甲酯；E12—十二酸甲酯（二)評價(jià)色譜柱的柱效1.柱分離能力的測量每米柱長理論塔板=[5.54×(tR/Wh)2]/L2、涂漬效率：CE=(hmin/h)×100%

式中CE—涂漬效率；

hmin—最小理論塔板高度；

h—實(shí)際測定的理論塔高度。四、其它類型毛細(xì)管柱色譜法（一）大內(nèi)徑厚液膜毛細(xì)管氣相色譜柱大內(nèi)徑毛細(xì)管柱主要是指內(nèi)徑為0.53mm的彈性石英毛細(xì)管柱1.大內(nèi)徑厚液膜毛細(xì)管柱的特點(diǎn)

（1）可直接取代填充柱，即無須分流進(jìn)樣；

（2）分析速度快，比填充柱分析速度快；

（3）吸附性??；

（4）在較低載氣流速下柱效大大優(yōu)于填充柱；

（5）多為交聯(lián)型固定相，所以化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)于填充柱；

2.大內(nèi)徑厚液膜毛細(xì)管柱的主要柱參數(shù)

（1）柱內(nèi)徑；（2）液膜厚度。柱內(nèi)徑/mm每米理論板數(shù)/（TP/m）達(dá)10萬理論塔板數(shù)所需柱長/m0.530.320.250.10210034004500110004829229（二）細(xì)內(nèi)徑毛細(xì)管氣相色譜柱細(xì)內(nèi)徑毛細(xì)管氣相色譜柱的特點(diǎn)長度為25～30m，內(nèi)徑為0.25～0.32mm的毛細(xì)管柱來進(jìn)行常規(guī)分析，可以提供高的柱效(1000000理論塔板數(shù))和足夠的樣品容量和負(fù)載量。10m×0.1mmi.d.的毛細(xì)管柱可提供柱效等同于一支25m×0.25mmi.d.柱的柱效（三）氣-固毛細(xì)管柱五、毛細(xì)管柱常用固定液及各商品毛細(xì)管柱的對應(yīng)牌號聚硅氧烷類：聚硅氧烷有優(yōu)良的穩(wěn)定性,用途廣，是目前最為常用的固定相聚乙二醇：聚乙二醇是另外一類廣泛應(yīng)用的固定相。有時(shí)我們稱之為“WAX”或“FFAP”（硝基對苯二甲酸改性的聚二醇固定相）。毛細(xì)管色譜柱常用固定液

固定液極性對照牌號最高使用溫度OV-101，SE-30聚甲基硅氧烷非極性DL-1AT-1HP-1DB-1BP-1RTX-1320℃SE-52，545%聚苯基甲基硅氧烷弱極性DL-5AT-5HP-5DB-5BP-5RTX-5320℃OV-17氰基硅油中極性DL-17AT-50HP-50DB-17RTX-50240℃PEG-20聚乙二醇強(qiáng)極性AT-WAXHP-WAXDB-WAXBP-20250℃固定液名稱RestexJ&WHPSupelco100%聚甲基硅氧烷OV-1OV-101Rtx-1DB1HP1SPB-195％甲基＋5％苯基SE-54Rtx-5DB5HP5SPB-550％甲基＋50％苯基OV-17Rtx-50DB17HP17SPB-50聚乙二醇PEG20MStabilwaxDBWAXHPWAXSUPELCO-WAX六、毛細(xì)管柱的選擇1.柱長的選擇

15m的短柱用于快速分離較簡單的樣品，也適于掃描分析；

30m的色譜柱是最常用的柱長，大多數(shù)分析在此長度的柱子上完成；

50m、60m或更長的色譜柱用于分離比較復(fù)雜的樣品。2.柱內(nèi)徑的選擇

0.25mm：具有較高的柱效，柱容量較低。分離復(fù)雜樣品較好。

0.32mm：柱效稍低于0.25mm的色譜柱，但柱容量約高60%。

0.53mm：具有類似于填充柱的柱容量，可用于分流進(jìn)樣，也可用于不分流進(jìn)樣，當(dāng)柱容量是主要考慮因素時(shí)（如痕量分析），選擇大口徑毛細(xì)管柱較為合適。

3.液膜厚度的選擇

0.1-0.2mm：薄液膜厚度的毛細(xì)管柱比厚液膜的毛細(xì)管柱洗脫組分快，所需柱溫度低，且高溫下柱流失較小，適用高沸點(diǎn)的化合物的分

0.25~0.5mm：常用的液膜厚度。厚液膜：對分析低沸點(diǎn)的化合物較為有利。

4.固定相的選擇1.二甲基硅氧烷

非極性毛細(xì)管柱SE-30、OV-1、OV-101

DB-1、H