色譜儀色譜柱概述（二）

第二節 色譜儀毛細管柱

色譜儀毛細管柱是中空的，稱為開管柱。開管柱的特點是它的空心性，而不是它的細小性，但人們的習慣難以改變，多數人仍把這種色譜柱叫做毛細管柱。

一、毛細管柱類型：

1、常規毛細管柱：

常規毛細管柱內徑為 0.25～0.32mm，材質為普通玻璃和石英玻璃（熔融二氧化硅）。

（1）涂壁開管柱：

將固定液直接涂敷在毛細管壁上。

柱制作相對簡單，但柱制備的重現性差，壽命短。

（2）多孔層開管柱：

在毛細管壁上涂敷一層多孔性吸附劑固體微粒，不再涂固定液。

適用于分離*性氣體和低沸點有機物。

（3）載體涂漬開管柱：

將非常細的載體微粒粘接在毛細管壁上，再涂上固定液。

柱容量大。

（4）化學鍵合開管柱：

通過化學反應將固定液分子中的功能基團鍵合到毛細管壁上，形成均一、牢固的液膜。

提高了柱效和柱壽命。

（5）交聯開管柱：

固定液分子之間通過化學反應交聯成網狀結構覆蓋在毛細管壁上，形成一個不可抽取的液膜。

柱效高，柱壽命長，抗溶劑抽提。

2、小內徑毛細管柱：

小內徑毛細管柱內徑≤0.1mm，柱長＜10m，固定液膜薄，材質為石英玻璃。

多用來進行快速分析。

3、大內徑毛細管柱：

大內徑毛細管柱內徑為053～0.75mm，多為0.53mm，材質為石英玻璃，柱效介于填充柱和常規毛細管柱之間。

（1）主要柱參數：

大內徑毛細管柱內徑、液膜厚度與柱效、柱容量、分配容量、分析時間有關。

1）柱內徑：

由毛細管柱色譜理論可知，柱內徑增加，柱效會大幅度下降。大內徑毛細管柱是以犧牲柱效來增加柱容量和提高流量，以適應代替填充柱的要求。

柱內徑和理論塔板數之間的關系如下：

①柱內徑0.53mm：2100TP/m

②柱內徑0.32mm：3400TP/m

③柱內徑0.25mm：4500TP/m

④柱內徑0.1mm：11000TP/m

2）液膜厚度：

液膜厚度對柱效的影響比較復雜，包括對固定相的傳質阻力和容量因子的影響。

①薄液膜：

薄液膜柱的液相傳質阻力小，柱效高，分析時間短。

柱容量因子小，不利于高揮發性物質的分離。

不利于痕量物質的分離。

不足以掩蔽柱壁的活化點。

膜厚小于0.2μm的毛細管柱很少使用。過去用不銹鋼毛細管柱時，膜厚常為0.5～0.6μm。用普通玻璃毛細管柱時，膜厚常為0.2～0.5μm。也常用膜厚為1μm的毛細管柱分離低沸點化合物。

②厚液膜：

厚液膜柱可增加柱容量，降低活性，適用于分離低沸點化合物。

 當固定相進行交聯后，可進一步提高液膜厚度到5～6μm，甚至高達8μm，以適應于代替填充柱的要求。

（2）特點：

1）可代替填充柱，無需分流進樣。

2）比填充柱分析速度快。

3）吸附性小。

4）柱容量比常規毛細管柱大的多。

5）在較低的載氣流速下，柱效大大高于填充柱。

6）大內徑毛細管柱多采用交聯鍵合固定相，化學穩定性和熱穩定性高于填充柱。

二、毛細管柱材質的選擇：

毛細管柱的材料應具有化學惰性、熱穩定性好、內表面光滑易潤濕和操作方便等性能。自毛細管柱發明以來，對玻璃、塑料、銅、鎳和不銹鋼等多種材料進行過研究。上世紀70年代占統治地位的是普通玻璃；80年代占統治地位的是石英玻璃（熔融二氧化硅）；90年代以后為了制備高溫毛細管柱，又有部分使用不銹鋼毛細管柱（內壁涂一層惰性的二氧化硅）的趨勢。目前應用最多的是石英玻璃材料。

1、普通玻璃和石英玻璃的組成及結構：

（1）普通玻璃：

普通玻璃的化學成分主要是二氧化硅。普通玻璃中的二氧化硅通常是一個硅原子和四個氧原子結合成四面體，每個二氧化硅四面體通過硅氧鍵形成三維結構，由硅和氧原子形成一個不規則的六元環。

在普通玻璃生產過程中，常加入各種金屬氧化物以改變物理和化學性能。加入Na₂O可切斷Si－O－Si鍵使普通玻璃軟化，降低粘度，增加熱膨脹系數和在水中的溶解度。加入CaO和MgO可減小溶解度，增加抗化學刻蝕性。常用于制作毛細管柱的普通玻璃是鈉－鈣玻璃（軟玻璃）和硼硅玻璃（硬玻璃），Na₂O、CaO和B₂O₃等氧化物的加入使Si－O－Si鍵被切斷，這些玻璃的熔點比石英要低的多。軟玻璃的熔點約700℃，硬玻璃比軟玻璃高100～125℃。硬玻璃強度比軟玻璃好，不易脆碎，軟玻璃由于含有較高的Na₂O而呈堿性，硬玻璃由于含有B₂O₃而呈酸性。

（2）石英玻璃：

石英玻璃的化學成分主要是二氧化硅。石英玻璃由于Si－O－Si之間的角度易于變動而具有柔性，這種環狀結構相對穩定，根據硅氧鍵角大小不同而形成不同的同分異構體。石英玻璃具有高度交聯的三維結構，通常稱為石英，熔點近2000℃，熱膨脹系數低。石英玻璃含有極少的金屬氧化物，抗化學腐蝕性好，抗張強度高，可拉制成彈性薄壁毛細管柱。

天然石英和人造石英都是制作毛細管柱的良好材料。天然石英在高溫和真空下熔化可制成熔融石英，純度隨石英原料來源不同而異。如果在加工過程中注意減少污染，一般情況下金屬雜質含量可低于1×10ˉ⁴g/g。經進一步提純的熔融石英，金屬雜質含量可達5×10ˉ⁵g/g。人造石英基本上是純二氧化硅，金屬雜質含量小于1×10ˉ⁶g/g。

2、普通玻璃和石英玻璃的表面成分對色譜性能的影響：

普通玻璃和石英玻璃的化學性質影響毛細管柱的性能。各種金屬氧化物在普通玻璃的表面形成路易斯酸作用點，可對醇、酮、氨和含π健的分子（如芳香化合物和烯烴）等電子密度高的化合物產生吸附。石英玻璃因金屬雜質含量極小，表面不存在或很少存在酸化點，與普通玻璃相比具有天然惰性。

普通玻璃和石英玻璃的羥基是構成氫鍵型吸附的主要因素。表面羥基之間氧原子的距離大于0.31nm時，不能在兩個羥基之間形成氫鍵。這類羥基的活性最大，對一些電子云密度高的化合物會產生吸附。

氫和氧相距0.24～0.28nm時容易形成氫鍵，大約50%的表面羥基彼此相互作用形成氫鍵。這種已形成氫鍵的羥基活性很小，幾乎不再起自由羥基的作用，吸附在表面羥基的水也能對電子云密度高的化合物產生吸附，其活性與自由表面羥基相似。加熱到165℃能把物理吸附水趕走，在400℃左右會使羥基脫水而成氧橋。這時若把二氧化硅冷卻并暴露于水蒸氣中，可以再恢復形成硅醇基，加熱到400℃以上時再冷卻吸濕羥基恢復的數量要減少，加熱到800℃時二氧化硅表面羥基消失不再恢復。

表面的硅氧橋是氫鍵結合中的質子受體，對醇類分子產生吸附并有較強的范德華力。由于在普通玻璃和石英玻璃表面不同程度存在金屬氧化物、游離羥基和硅氧橋，它們以不同形式會與被分離物質產生一定吸附作用。

三、毛細管柱的拉制：

1、普通玻璃毛細管柱的拉制：

目前普通玻璃毛細管柱已很少使用，但大內徑毛細管柱（0.75mm）必須用普通玻璃材料。

普通玻璃毛細管拉制機由計算機控制，外徑為4～10mm、內徑為2～6mm的普通玻璃原料管由普通玻璃毛細管拉制機的送料輪送入溫度為650～850℃加熱爐中軟化，然后拉伸輪以較快的速度驅動已軟化的玻璃管，使之變細成為需要的毛細管，再在彎曲電熱管中加熱至550～650℃而燒成盤管，最后纏繞到轉鼓上。

控制送料輪和拉伸輪的轉速比可以拉制不同內徑的毛細管。值得注意的是，所用普通玻璃原料管內外徑粗細不均，加熱爐和彎管爐的溫度波動，送料輪和拉伸輪的轉速比過大，都會引起拉制毛細管內徑不均勻。普通玻璃毛細管拉制機拉出的毛細管內徑不均勻性在±3%～±5%之間。

2、石英玻璃毛細管柱的拉制：

石英玻璃比普通玻璃溶點高，不能用普通玻璃毛細管拉制機拉制，要用石英玻璃毛細管拉制機拉制。將石英原料管在石墨爐中加熱到1900～2000℃才能拉制出薄壁毛細管。如果石英玻璃的表面被污染或受潮，強度會下降而易破損，所以拉出的石英玻璃毛細管必須立即通過盛有耐高溫聚合物溶液（通常為聚酰亞胺）的容器，然后通過加熱爐烘干，使毛細管外表敷上一層保護膜，最后將拉好的毛細管纏繞到轉鼓上。

目前拉制的石英玻璃毛細管內徑為0.1～0.5mm，壁厚＜0.05mm，作為毛細管外涂層材料的聚酰亞胺最高使用溫度為350℃。近年來出現了鋁涂層的石英玻璃毛細管，耐高溫400～480℃，可用于烷烴（大于100個碳原子）和甘油三脂類的分離。

原料管拉制前依次用50%HNO₃、5%HF水溶液和蒸餾水洗滌，最后用丙酮沖洗，放置干燥。

拉制后的毛細管在涂漬前用蒸餾水、丙酮和溶解固定液的溶劑沖洗，N₂吹干。

 四、毛細管柱內表面的改性：

普通玻璃和石英玻璃表面存在的硅醇基吸附電子密度高的化合物，硅氧橋的離子特征作為質子接受體形成氫鍵而吸附易給質子的化合物，普通玻璃表面存在的金屬離子造成更嚴重的吸附和催化作用，會使高溫下的固定液分解而流失，因此，在涂漬固定液前必須對毛細管柱內表面進行處理，以改變化學和物理性能提高表面對固定液的濕潤性。