毛細(xì)管柱氣相色譜簡(jiǎn)單知識(shí)

一、毛細(xì)管柱與填充柱的區(qū)別

與填充柱相比，毛細(xì)管柱的特點(diǎn)為：

1、分離效能高

2、分析速度快

3、樣品用量少

可在幾十分鐘內(nèi)分離出包含幾百種化合物的汽油分餾，然而樣品用量?jī)H有數(shù)微克

在快速分析方面，可在幾秒鐘內(nèi)分離含十幾組份的樣品

其*的特點(diǎn)在于：

滲透性大，分析速度快

傳質(zhì)阻力小，可用長(zhǎng)柱，并得高的總柱數(shù)。

色譜動(dòng)力學(xué)認(rèn)為：填充柱可看作是一束長(zhǎng)毛細(xì)管的組合，其內(nèi)徑約等于粒子粒度，因其彎曲，多徑擴(kuò)散嚴(yán)重，故理論板數(shù)少。

毛細(xì)管柱*沒(méi)有這些缺陷，故理論板數(shù)可高大106數(shù)量級(jí)。

用毛細(xì)管柱，有利于：

提高色譜分離能力，

加快色譜分析速度，

促進(jìn)色譜的應(yīng)用都是十分必要的；

二、毛細(xì)管色譜法相關(guān)理論

在毛細(xì)管柱，柱內(nèi)只有一個(gè)流路，故多徑項(xiàng)2ldp為0，彎曲因子g=1，且用其液膜厚代替了填充柱中載體的顆粒直徑dp。

1、毛細(xì)管柱的zui小理論板高

毛細(xì)管柱的H——U圖也是一個(gè)雙曲線，在U值是*值時(shí)，H值z(mì)ui小。

式中Cg、Cl的大小取決于分配系數(shù)及柱的幾何性（以相比ß為代表），但一般毛細(xì)管柱液膜薄，ß值較大，液相傳質(zhì)阻力Cl項(xiàng)不起控制作用。

當(dāng)被測(cè)物質(zhì)的k>10時(shí)，如果每米理論板數(shù)大于1000/d時(shí)，則所用柱子的性能較好

表中未K值很大時(shí)柱效（每米板數(shù)）值，其值由H/L=1000/d

一般認(rèn)為直徑在0.1——0.7mm較好

小于0.1mm，入口壓力增加，柱負(fù)荷減少

大于0.7mm，雖柱負(fù)荷增大，但柱效下降

目前流行0.53mm的大口徑管，不必分流。

2、載氣線速

從速率方程可知，zui小板高時(shí)的*線速為：

如果Cl很小，則有：

可見(jiàn)，細(xì)管徑，輕載氣更適合于快速分析。

3、樣品容量

一根色譜柱的zui大允許進(jìn)樣量，約為一塊理論板的有效體積。

可見(jiàn)zui大允許進(jìn)樣量與柱半徑、柱長(zhǎng)、分配比成正比，與塔板數(shù)稱反比

比較填充柱和毛細(xì)管柱的柱容量

一根長(zhǎng)20米，內(nèi)徑為0.25毫米的毛細(xì)管柱，一般可涂上6mg的固定液，柱內(nèi)體積

而一根長(zhǎng)兩米，內(nèi)徑3毫米的不銹鋼填充柱，柱內(nèi)體積

按12:100的液載比，可涂上800mg固定液。

可見(jiàn)，一根2米長(zhǎng)的填充柱中固定液的含量時(shí)一根20米長(zhǎng)毛細(xì)管柱中固定液含量約150倍，故允許進(jìn)樣量也在一百倍以上。

4、柱效能

毛細(xì)管柱每米塔片數(shù)通常在2000——5000之間，長(zhǎng)20米的毛細(xì)管柱總柱效為4萬(wàn)至10萬(wàn)。

填充柱每米塔片數(shù)在1000——1500之間，長(zhǎng)2米的填充柱的柱效為2000——3000

所以毛細(xì)管柱的總柱效可以比填充柱高10——100倍。

根據(jù)上式，分離度正比于總塔片數(shù)N。即毛細(xì)管柱色譜總效高，其分離效能也高。

如果柱效高，K值夜大時(shí)的，目前流行大孔厚膜毛細(xì)管柱可塑具有這兩重性質(zhì)。

5、分析時(shí)間

根據(jù)公式，樣品的保留時(shí)間正比于柱長(zhǎng)，在以氮為載氣時(shí)，毛細(xì)管柱的線速可達(dá)16厘米/秒，而填充柱在4厘米/秒。

毛細(xì)管柱可采用很高的載氣線速來(lái)縮短保留時(shí)間。且毛細(xì)管柱的K值比填充柱小，因此保留時(shí)間小。

故：毛細(xì)管柱上可實(shí)現(xiàn)快速分析。

三、毛細(xì)管柱的色譜系統(tǒng)

與填充柱系統(tǒng)的基本一樣

因毛細(xì)管柱內(nèi)徑細(xì)，柱容量小，出峰快、峰形窄，因此對(duì)色譜儀本身（如進(jìn)樣系統(tǒng)、檢測(cè)器、記錄器等）有些特殊的要求。

1、進(jìn)樣系統(tǒng)

毛細(xì)管柱進(jìn)樣量必須極小（一般液樣10—2~10—3微升，氣樣約1微升）。

要引進(jìn)如此微量樣品，可采用分流法進(jìn)樣。即在氣化室出口分兩路，絕大部分放空，極小部分進(jìn)柱子，這兩部分比例較分流比。分流法又分為動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法兩種。

對(duì)分流器的要求

為使分流后的樣品不改變組成：

1、分流后樣品混合物中各峰的相對(duì)大小應(yīng)與未分流的嚴(yán)格一致。

2、分析不同濃度的混合物時(shí)，峰面積必須正比與濃度。

3、當(dāng)柱溫、分流比、流速改變時(shí)各色譜峰的相對(duì)大小要保持恒定。

A、動(dòng)態(tài)分流法

是目前毛細(xì)管柱進(jìn)樣系統(tǒng)zui常用的分流方法，不同儀器上的分流有不同的形式。

對(duì)分流器設(shè)計(jì)要求：整個(gè)分流器要保持在氣化室的溫度下，防止樣品冷凝；

分流前要有一定的混合體積，使試樣、載氣*混勻；

放空管體積至少要等于樣品氣化后的體積加載氣體積。

A為氣化樣品與載氣混合部分，B為分流點(diǎn)，C為噴嘴，引起放空部分與進(jìn)入部分在分流過(guò)程中進(jìn)一步混合，確保寬沸程樣品分流后部失真。然后通過(guò)放空閥 分流比。這種分流器只是在進(jìn)樣時(shí)才打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥，幾秒鐘后就關(guān)閉大部分載氣，而留下一點(diǎn)出氣，防止試樣反擴(kuò)散進(jìn)柱中。

簡(jiǎn)易分流器

在一般填充柱氣化室出口，并排插入兩根同內(nèi)徑不同長(zhǎng)度的不銹鋼毛細(xì)管，墊上硅橡膠構(gòu)成，其長(zhǎng)度比即分流比。

注意：在分流前要有一段混合體積，內(nèi)裝硅烷化玻璃球，可保證分流后組成不失真。

2、尾吹

毛細(xì)管柱內(nèi)流動(dòng)相流速低，流量小，組分會(huì)因柱后死體積突然增加而發(fā)生嚴(yán)重的縱向擴(kuò)散，從而導(dǎo)致峰形展寬，有可能使在柱中以分離的組分在柱后再次重疊，影響分離。

也可在使用FID時(shí)受阻于引入的H2壓力而出柱困難。

增加尾吹氣將改善這一狀況。

3、檢測(cè)器

因流速低，且內(nèi)徑細(xì)，只能分析小量樣品，約10—5~10—6克，有的組份如占1.0%，則相當(dāng)于10—7~10—8克，要求高靈敏度檢測(cè)器。

快速分析時(shí)因峰寬只有幾秒或少于1秒，要求檢測(cè)器、記錄器響應(yīng)時(shí)間快，則檢測(cè)器和記錄器的時(shí)間常數(shù)，應(yīng)少于zui早峰峰寬的流出時(shí)間的1/20。

適用的檢測(cè)器有：

高靈敏度的離子化檢測(cè)器，常用FID。（靈敏度高，死體積趨近于零，響應(yīng)時(shí)間快等。）也可用氬離子化和電子捕獲檢測(cè)器，此時(shí)需在毛細(xì)管出口外加吹洗氣以降低檢測(cè)器死體積。也可應(yīng)用特制的微型熱絲檢測(cè)器，微型熱敏電阻檢測(cè)器，但因其屬于非商品化檢測(cè)器，使用頻率不高。

4、記錄系統(tǒng)

因毛細(xì)管色譜法很窄，應(yīng)配備快速記錄系統(tǒng)。

曾經(jīng)用示波儀或電流計(jì)型記錄器記錄，其滿刻度筆速0.1秒。

目前的各種色譜數(shù)據(jù)處理機(jī)和色譜工站已完滿足記錄系統(tǒng)的要求。

5、毛細(xì)管柱的種類

經(jīng)典的毛細(xì)管柱為壁涂開(kāi)管柱（WCOT——WallCoatedOpenTubularColumn）。因其制備難、柱子的重復(fù)性差、內(nèi)表面小、涂漬量小和ß值大，將導(dǎo)致有效塔板數(shù)和實(shí)際分離能力不高，且熱穩(wěn)定性也較差，故已幾無(wú)人使用。其他的幾種柱子及其性能如下。

多孔層壁涂柱（PLOT——PorousLayerOpenTubularColumn）：先涂上吸附劑或惰性固體與柱壁，再涂漬固定液。

載體壁涂柱（SCOT——SupportCoatedOpenTubularColumn）：把載體和固定液同時(shí)涂于壁上制備而成。

必須注意，以上兩種柱子中的載體只是涂布于毛細(xì)管柱的壁上，而非充滿整根柱子。

熔融石英毛細(xì)管柱（FSOT——FusedSilicaOpenTubularColumn）：其表面惰性度好，能耐高溫，zui主要的是有彈性，不易折斷。

交聯(lián)毛細(xì)管柱（CLOT——Cross-LinkedOpenTubularColumn）：涂好固定液后再用偶聯(lián)劑交聯(lián)鍵合，柱子性能有很大改善，能耐高溫，抗水、抗溶劑。

大口徑毛細(xì)管柱：一般口徑在0.53毫米，液膜厚度為0.88~2.65微米，負(fù)載大，可不經(jīng)分流而直接進(jìn)樣分析。微型填充柱（Micro-packedColumn）：制備過(guò)程和填充柱基本相似，知識(shí)所填的載體粒度很小。微填充柱有很高的柱效，zui低板高可達(dá)0.2~0.3毫米。

選定毛細(xì)柱的四個(gè)基本參數(shù)

一、固定液

非極性：SE30*，OV101，SE54*

中極性：OV17，XE60*,OV1701*

極性：PEG20M*，F(xiàn)FAP*, DEGS*

二、柱內(nèi)徑

0.2~0.25柱效高、負(fù)荷量低、流失小

0.3~0.35負(fù)荷量大于毛細(xì)口徑柱60%，柱效低

0.53~0.6大口徑毛細(xì)柱，負(fù)荷量近似填充柱，總柱效遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)填充柱，分析速度快

三、柱長(zhǎng)（m）

短柱10~15米 分離少于10個(gè)組份的樣品

中長(zhǎng)柱20~30米  分離10~15個(gè)組份的樣品

長(zhǎng)柱50米以上分離50個(gè)組份以上的樣品

四、液膜厚度（微米）

薄液膜0.1~0.2微米低負(fù)荷量、高沸點(diǎn)化合物

標(biāo)準(zhǔn)液膜0.25~0.33微米一般標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)柱分析

厚液膜0.5~1微米符合量較大，低沸點(diǎn)樣品

特厚液膜1~5微米取代填充柱，分析沸點(diǎn)200℃以下復(fù)雜樣品

毛細(xì)管色譜柱的使用注意事項(xiàng)

毛細(xì)管色譜柱在氣相色譜儀分析中是一個(gè)核心部分，正確使用毛細(xì)管色譜柱對(duì)氣相色譜儀分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和延長(zhǎng)毛細(xì)管色譜柱的使用壽命至關(guān)重要，現(xiàn)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)整理如下資料供氣相色譜儀分析工作者參考：

1、在沒(méi)有載氣通過(guò)時(shí)，柱的固定液熱分解叫迅速，所以在柱箱（爐）升溫前總是應(yīng)該先通上載氣（這與TCD操作要求相似），柱箱冷卻后才能把載氣關(guān)上。

2、載氣中若夾帶灰塵或其它顆粒狀物體就會(huì)導(dǎo)致柱迅速損壞，因此在載氣進(jìn)入儀器管線前需加凈化器。（帶填充劑的汽化室玻璃襯管必須注意不能帶有微粒或灰塵吹出）

3、載氣中的水分通過(guò)固定液的液膜吸附在柱管表面上，將取代或破壞固定液液膜，所以，固定液極性越強(qiáng)，越需要采用干燥的載氣，例如： OV-1、SE-30、SE-54、OV-101對(duì)載氣干燥要求不高，而PEG20M、SP1000對(duì)載氣要求就很高。但在涂布于碳酸鋇沉積層上的柱子情況就恰恰相反，涂極性固定液的柱子能經(jīng)受含水樣品的直接進(jìn)樣，而涂非極性固定液的柱反而不能經(jīng)受含水樣品。

4、對(duì)于那些能被氧化的固定液（如PEG20M、Caxbowax、FFAP等）對(duì)載氣除氧也很重要，在N2和He中往往含O2較高，而H2中含O2少，所以，ECD-CS、FIS-CS常用高純N2作載氣，TCD-CS用H2作載氣，可用105催化劑常溫下除O2。同時(shí)，停機(jī)使用時(shí)，應(yīng)將排空端密封住，以防止空氣中的O2對(duì)柱固定液的氧化作用。

5、在大多數(shù)情況下，柱的壽命與它的使用溫度成反比。采用稍低些的溫度上限，可顯著提高柱的壽命，程序升溫到較高溫度所維持的時(shí)間短對(duì)柱的壽命的影響小。

①聚二甲基硅酮類固定相：OV-1,SE-30(彈性體，OV-101,SF96,DC2000流體)，使用溫度上限為300℃，但把溫度上限改為280℃，可使柱子壽命顯著延長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，彈性體類固定液比流體類更穩(wěn)定些，SF96,DC200因含有較高水平的殘留催化劑和不純物，不宜作GC/MS分析。

②聚苯基乙基硅酮：SE52(彈性體，5%苯基)，SE54(彈性體，5%苯基，1%乙烯基)，DC10（液體，35%苯基），OV17(液體，50%苯基)實(shí)際上限250℃。SE-52、SE54在280時(shí)穩(wěn)定性很好，常用于GC/MS分析，并能容納超負(fù)荷的大進(jìn)樣量。苯基含量增加、穩(wěn)定性要差點(diǎn)。

③聚氰丙基硅酮是極性強(qiáng)的硅酮固定液：OV225（液體，25%氰丙基，25%苯基），Silav10c、SP2340(液體，75%氰丙基)，實(shí)際溫度上限是250℃。

④聚乙二醇型（Carbowaxor  PEG）固定液是乙烯氧化物聚合體的混合物，其名稱反映了

6、水、醇（尤其是甲醇）、二硫化碳這類的溶劑，有著非常強(qiáng)的置換固定液的能力，因此用于有意將相當(dāng)大量的溶劑聚集在柱上（溶劑效應(yīng)）的不分流進(jìn)樣法進(jìn)樣法以及柱上進(jìn)樣法的溶劑，應(yīng)根據(jù)它們對(duì)柱壁的吸附親和力（或固定液被置換的可能性）小心的加以選擇。（例如：甲醇不宜用于PEG20M，丙酮往往會(huì)引起硅酮降解。）

7、毛細(xì)管柱zui大特點(diǎn)是高的柱效，但是必須清楚一般所測(cè)得的柱效不僅反映了柱的質(zhì)量，而且還包括進(jìn)樣過(guò)程的整個(gè)系統(tǒng)的效率的總質(zhì)量，也就是說(shuō)，自樣品進(jìn)入系統(tǒng)的一瞬間開(kāi)始到記錄筆繪出色譜峰為止，每一個(gè)能影響峰的加寬或分離的因素，如進(jìn)樣器、柱的連接、輔助氣引入位置、管路死體積、進(jìn)樣器內(nèi)襯的毛病等等，都一定會(huì)影響柱效。

8、一根好的柱子，由于安裝不當(dāng)，可以造成理論塔板數(shù)降低，峰形增寬或拖尾、活性物質(zhì)的吸附性拖尾或消失、靈敏度降低或組分分離不佳等等。

9、進(jìn)樣器與色譜柱連接方式：

①分流進(jìn)樣方式：分流點(diǎn)要求位于載氣流速較高的區(qū)域。

②不分流進(jìn)樣方式：色譜柱不伸進(jìn)進(jìn)樣器內(nèi)，避免造成氣流掃不到的區(qū)域，通常直接接連接到進(jìn)樣器的末端。

③檢測(cè)器與色譜柱出口端連接：對(duì)FID不僅插入深度要超過(guò)尾吹和氫氣的進(jìn)口，而且應(yīng)盡可能將柱出口端插到FID的噴嘴下面1mm處為佳，對(duì)Micro    TCD 應(yīng)插到TCD氣體入口處為佳。可以改善輕度拖尾。

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