氣相色譜柱效能

氣相色譜柱知識詳解
第一節 氣相色譜柱的類型

氣相色譜法（gas chromatography, 簡稱GC）亦稱氣體色譜法，氣相層析法。其核心即為色譜柱。
氣相色譜柱有多種類型。從不同的角度出發，可按色譜柱的材料、形狀、柱內徑的大小和長度、固定液的化學性能等進行分類。色譜柱使用的材料通常有玻璃、石英玻璃、不銹鋼和聚四氟乙烯等，根據所使用的材質分別稱之為玻璃柱、石英玻璃柱、不銹鋼柱和聚四氟乙烯管柱等。在毛細管色譜中目前普遍使用的是玻璃和石英玻璃柱，后者應用范圍最廣。對于填充柱色譜, 大多數情況下使用不銹鋼柱，其形狀有U型的和螺旋型的，使用U型柱時柱效較高。按照色譜柱內徑的大小和長度，又可分為填充柱和毛細管柱。前者的內徑在2?4mm，長度為1?10m左右；后者內徑在0.2?0.5mm，長度一般在25?100m。在滿足分離度的情況下，為提高分離速度，現在也有人使用高柱效、薄液膜的10m短柱。
根據固定液的化學性能，色譜柱可分為非極性、極性與手性色譜分離柱等。固定液的種類繁多，極性各不相同。色譜柱對混合樣品的分離能力，往往取決于固定液的極性。常用的固定液有烴類、聚硅氧烷類、醇類、醚類、酯類以及腈和腈醚類等。新近發展的手性色譜柱使用的是手性固定液，主要有手性氨基酸衍生物、手性金屬配合物、冠醚、杯芳烴和環糊精衍生物等。其中以環糊精及其衍生物為色譜固定液的手性色譜柱，用于分離各種對映體十分有效，是近年來發展極為迅速且應用前景相當廣闊的一種手性色譜柱。
在進行氣相色譜分析時，色譜柱的選擇是至關重要的。不僅要考慮被測組分的性質，實驗條件例如柱溫、柱壓的高低，還應注意和檢測器的性能相匹配。有關內容我們將在以后章節中加以詳細討論。

第二節 填充氣相色譜柱

填充氣相色譜柱通常簡稱填充柱，在實際分析工作中的應用非常普遍。據資料統計，日常色譜分析工作大約有80%是采用填充柱完成的。填充柱在分離效能和分析速度方面比毛細管柱差，但填充柱的制備方法比較簡單，定量分析的準確度較高，特別是在某些分析領域（例如氣體分析、痕量水分析）具有獨特用途。從發展上看，雖然毛細管柱有逐步取代填充柱的趨勢（例如已有一些日常分析使用PLOT柱代替過去常用的氣固色譜填充柱），但至少在目前一段時期內，填充柱在日常分析中仍是一種十分有價值的分析分離手段。
填充柱主要有氣固色譜柱和氣液色譜填充柱兩種類型。在色譜柱中關鍵的部分是固定相。在本節我們將首先介紹柱管的選擇及其處理方法，然后再分別重點討論氣固色譜柱和氣液色譜填充柱有關固定相的內容。

一、填充柱柱管的選擇與處理

用作填充色譜柱柱管的材料通常有不銹鋼管、銅管、鋁管、銅鍍鎳管、玻璃管以及聚四氟乙烯管等[1-5]。銅管和鋁管由于催化活性太強且易變形已不太常用。分析用的填充柱內徑一般采用2~4 mm，制備用的柱內徑可大些，一般使用5~10 mm。長度可選擇1~5 m。柱子的形狀可以是螺旋形的，也可以是U型的。使用后者較易獲得較高的柱效。如果使用螺旋形的，應注意柱圈徑的大小對柱效會有一定的影響[3-6], 一般柱圈徑應比柱內徑大15倍。
柱材料的選擇應依據待分析的樣品性質和實驗條件而定。如果待分析的樣品易分解或具有[wiki]腐蝕[/wiki]性，應考慮使用玻璃管或聚四氟乙烯管。玻璃管柱的優點是化學惰性好，制備的柱子柱效高，便于觀察柱子的填充情況，但玻璃管易碎是其缺點。聚四氟乙烯管的優點是耐腐蝕，缺點是不耐高溫高壓。在填充柱中目前最常使用的是不銹鋼管。它的最大優點是不破碎，傳熱性能好，柱壽命長，能滿足常見樣品分析的要求。缺點是內壁較粗糙，有活性，比較難于清洗干凈。
填充柱的柱管在使用前應該經過清洗處理和試漏檢查。清洗的方法與柱管材料有關。對于不銹鋼管，通常先用10%熱[wiki]氫[/wiki]氧化鈉水溶液浸泡，抽洗除去管內壁的油污，然后用自來水洗至中性。如果用1:20的稀鹽酸水溶液重復處理一次，則可顯著降低柱內壁的吸附作用。玻璃柱的清洗可參照上面所述的方法，不同的是通常使用洗液浸泡。同樣，為了減少玻璃內壁的活性，可以用5%二甲基二氯硅烷的甲苯溶液浸泡處理，然后用甲苯和甲醇分別沖洗干凈。柱子的檢漏方法比較簡單: 可將柱子泡在水里，堵死柱的一端，在另一端通氣，若無氣泡冒出即說明柱子無泄漏現象。

二、氣固色譜填充柱

我們知道, 色譜分離的基本原理是試樣組分通過色譜柱時與填料之間發生相互作用，這種相互作用大小的差異使各組分互相分離而按先后次序從色譜柱流出。我們把色譜柱內不移動、起分離作用的填料稱為固定相。氣固色譜填充柱常采用固體物質作固定相。這些固體固定相包括具有吸附活性的無機吸附劑、高分子多孔微球和表面被化學鍵合的固體物質等。
（一）無機吸附劑
這一類吸附劑包括具有強極性的硅膠、中等極性的氧化鋁、非極性的炭素及有特殊吸附作用的分子篩。它們大多數能在高溫下使用，吸附容量大，熱穩定性好，是分析永久性氣體及氣態烴類混合物理想的固定相。但使用時應該注意: ⑴吸附劑的吸附性能與其制備、活化條件有密切關系。不同來源的同種產品或者同一來源而非同批的產品，其吸附性能可能存在較大的差異；⑵一般具有催化活性，不宜在高溫和存在活性組分的情況下使用； ⑶吸附等溫線通常是非線性的，進樣量較大時易出現色譜峰形不對稱。
(1)硅膠
硅膠是一種氫鍵型的強極性固體吸附劑，其化學組成為SiO2?nH2O。品種有細孔硅膠、粗孔硅膠和多孔硅球等。氣相色譜使用較多的是粗孔硅膠，其孔徑為80~100 nm，比表面積近300 m2/g，可用于分析N2O、SO2、H2S、SF6、CF2Cl2以及C1~C4烷烴等物質。硅膠的分離能力主要取決于孔徑大小和含水量。用前通常需要經過處理。方法: 對市售的色譜專用硅膠,可在200℃下活化處理2h后使用；如果使用市售的非色譜專用硅膠, 則先將硅膠用6 mol/L鹽酸浸泡2h，然后用水沖洗至無Cl－離子。晾干后置于馬弗爐內，在200~500℃溫度下灼燒活化2h后降溫取出，貯存于干燥器中備用。
(2)氧化鋁
氧化鋁有五種不同的晶型，氣相色譜常用的主要是γ型，具有中等極性，主要用于分析C1~C4烴類及其異構體，在低溫下也能用于分離氫的同位素。氧化鋁具有很好的熱穩定性和[wiki]機械[/wiki]強度，但其活性隨含水量有較大的變化[7]。故使用前通常需對其進行活化處理(在450~ 1350℃灼燒2h)。為保持使用過程中含水量穩定，可將載氣先通過含結晶水的[wiki]硫酸[/wiki]鈉(或硫酸銅)后再進入色譜柱。經過氫氧化鈉處理改性的氧化鋁，能在320~380℃ 柱溫下分析C36以下的碳氫化合物，峰形很好。
(3)碳素
碳素是一類非極性的固體吸附劑，主要有活性碳、石墨化碳黑和碳分子篩等品種。活性碳是無定形碳，具有微孔結構，比表面積大(800~1000 m2/g)，可用于分析永久性氣體和低[wiki]沸點[/wiki]烴類。若涂少量固定液，可用來分析空氣、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氣體保護下經高溫(2500~3000℃) 煅燒而成的石墨狀細晶，特別適用于分離空間和結構異構體，也可用于分析硫化氫、二氧化硫、低級醇類、短鏈脂肪酸、酚、胺類。上述兩種碳素固定相用前都需進行活化處理。方法是先用等體積的苯（或甲苯、二甲苯）沖洗2~3次，然后在350℃通水蒸汽洗滌至無渾濁, 最后在180℃活化2h即可使用。
碳分子篩又稱為炭多孔小球，是聚偏二氯乙烯小球徑高溫熱解處理后的殘留物，比表面積800~1000 m2/g，孔徑約1.5~2 nm，主要用于稀有氣體、空氣、二氧化碳、氧化亞氮、C1~C3烷類分析。多孔炭黑國內外都有商品出售，如由中國科學院化學所研制、天津化學試劑二廠生產的TDX-01和TDX-02，國外的產品Carbon Sieve B等即屬于這類。使用前通常在180℃通氮氣活化3~4h，降溫后存于干燥器內備用。
(4)分子篩
分子篩是一類人工合成的硅鋁酸鹽，其基本化學組成為MO.Al2O3.xSiO2.yH2O，其中M代表Na+、K+、Li+或Ca2+、Sr2+、Ba2+等金屬陽離子。分子篩具有均勻分布的孔穴，其大小取決于M金屬離子的半徑和其在硅鋁構架上的位置。一般認為，分子篩的性能主要取決于孔徑的大小和表面特性。當試樣分子經過分子篩時，比孔徑小的分子可進入孔內，比孔徑大的分子則被排除于孔外。氣相色譜分析中應用的分子篩通常有4A、5A和13X等三種類型。前面的數字表示分子篩的平均孔徑，例如4A指的是該分子篩的平均孔徑為0.4 nm（10-8 cm）。A、X表示類型，其化學組成稍有差異。A型中Al2O3與SiO2的比例為1∶2， 而X型的硅鋁比則高一些。分子篩的表面積很大，內表面積通常有700~800 m2/g，外表面積為1~3 m2/g。在氣相色譜中主要用于分離H2、O2、N2、CO、CH4以及低溫下分析惰性氣體等。
分子篩極易因吸水而失去活性。因此，用前應在550~600℃或在減壓條件下350℃活化2h，降溫后貯存于干燥器內。使用過程中要對載氣進行干燥處理，樣品中如果存在水分也應設法除去。此外使用時還應注意，某些物質如氨、甲酸、二氧化碳等會被分子篩不可逆吸附。分子篩是否失效通常可從氮、氧的分離情況來判斷。失活后的分子篩可以采用上述方法重新活化使用。常見的分子篩及其性能見表2－1。