气相色谱毛细管柱的制备与发展

【摘要】  本文介绍了气相毛细管色谱柱发展过程和特点，并着重介绍了毛细管色谱柱的柱材料、常用固定相及毛细管柱改性和涂渍技术，在涂渍方法中主要介绍了动态涂渍法、静态涂渍法以及新发展起来的溶胶-凝胶涂渍技术。

【关键词】  气相色谱；   毛细管柱；  固定相；  毛细管改性；  涂渍技术

     毛细管色谱柱的出现是气相色谱发展中的一个重要的里程碑，它使GC 在分离效率和分析速度两方面都大大提高。1957年，戈雷用聚乙烯毛细管考察空气峰的分离情况，受到启发，他用玻璃管、金属管做试验，成功地在内径为250μm的金属毛细管内壁用1%聚乙二醇的二氯甲烷溶液涂渍了一层很薄的固定液，所得到的结果比当时采用填充柱的柱效高约7～8倍，显示了这个新方法的优点。1979年柔性石英毛细管柱的出现使毛细管色谱的发展推向一个新的高潮，柔性石英毛细管弹性好，不易折断，使用更为方便，应用范围更广，据统计目前所的高潮，柔性石英毛细管弹性好不易折断，使用更为方便，应用范围更广，据统计目前所用用柱子中石英毛细管已占60%以上。

    毛细管柱因中间是空心的，对载气是无阻的，又命名为空心柱。现在常用的毛细管柱内径为250～530μm左右，长度为10～50m左右，使用的最长的可达100m，材质主要有金属、玻璃、石英。目前一根内径250μm，长度为20m的壁涂层柱约有100000理论塔板数，比长为5～10m的填充柱的柱效要高得多。美国色谱专家斯科特曾采用低固定液含量、均匀细颗粒填充的长柱子，研制成高效填充柱，柱效达30000理论板数，用于解决复杂的成分分析，但随着毛细管色谱柱的出现和不断发展，填充柱几乎完全被毛细管柱所代替。

    1  毛细管色谱柱的制备

    毛细管色谱高效、快速分离取决于毛细管色谱柱性能的好坏。据资料记载，早在毛细管色谱发展初期，德斯帝用内径150μm，长度为300m的玻璃毛细管从原油中分离出170个色谱峰，而用常规方法分析同样的馏分，用了近20年时间，投入了很大的财力，只能分出10多个成分，此例充分说明一根高效毛细管色谱柱在色谱分离的重要作用。

    1.1  毛细管的柱材料  毛细管色谱柱的材料对制备是十分重要的，好的柱材料应该是惰性的、热稳定、内表面光滑、容易润湿及操作使用方便等。早期使用的柱材料有聚乙烯管［1］、尼龙管、不锈钢管［2］以及玻璃管等。随着玻璃毛细管柱改性方法的不断发展和石英毛细管柱的出现，毛细管柱材料几乎都是以二氧化硅为主要成分的玻璃管和石英管。石英柱由于表面惰性好、管壁薄、柔韧性好，应用越来越广泛，目前在GC领域中石英柱已经取代了玻璃柱。

    1.2  固定相  用于制备毛细管柱的固定相有两大类：一类为固体吸附剂，另一类为固定液。气-固吸附型毛细管柱的吸附剂有γ-Al2O3［3］、石墨化炭黑［4］和分子筛［5］。气-液分配型毛细管柱所用固定液种类繁多，主要有两大类：一类为硅氧烷型，另一类为非硅氧烷型。常用的固定液为甲基聚硅氧烷、PEG-20M、甲基苯基聚硅氧烷以及氰丙基甲基聚硅氧烷等。近年来，一些新的固定液如高分子液晶［6，7］、环芳烃［8］、环糊精衍生物［9，10］以及高温固定液［11］引起人们的广泛兴趣。

    一个好的固定液应该有好的选择性，好的稳定性，即化学性质稳定、热稳定，宽的使用温度范围以及好的润湿性，润湿性对制备一个好的、液膜稳定的毛细管柱十分重要。另外固定液粘度的温度系数也应尽可能的小，至少在实际使用温度范围内应尽可能小，过大的温度系数会使形成的液膜在柱温变化时发生液膜重排而失效。

    1.3  毛细管柱的改性和涂渍技术  一个高性能的毛细管柱应该是选择性好、柱效高、液膜均匀、表面惰性，它不仅能分离好所要分析的样品，而且能长期稳定，对样品不吸附、不反应。为了改善固定液对原料管内表面的润湿性，多年的经验表明必需对其改性。毛细管内壁改性主要有两种方法，一种是化学改性，另一种是物理改性。化学改性主要是通过沥滤、淋洗、脱水改性去活的办法，物理改性又叫内壁粗糙化，这个方法在涂渍及制备中等极性和极性固定液柱子时用得较多。

　　改性后的柱子就可进行固定液的涂渍。涂渍过程是固定液在毛细管柱内表面的一个均匀分布过程。固定液的涂渍主要有动态法和静态法两种。

　　动态涂渍法是将要涂渍的固定液配制成一定浓度的溶液，溶液在气流的推动下，流经要涂渍的毛细管柱，控制涂渍液的线速度，待溶液流出毛细管柱后，继续通以小气量的气流使溶剂挥发，待溶剂挥发后在毛细管柱内表面就会留下一层很薄的液膜。传统的动态法由Dijkstra等［12］提出，但此种方法涂渍的毛细管柱一般柱效较低。Schomburg等［13］提出了汞塞动态法，这种方法涂渍出的毛细管柱效较高，现在多数人采用此种方法涂渍毛细管柱。由于汞塞动态法在涂渍过程中使用汞，容易对环境和人体造成伤害，因此有人提出了非汞塞动态法即超动态法。此种方法采用高压强迫固定相溶液通过毛细管柱，液塞在管内移动的速度为汞塞法的30～100倍，用高气压代替了汞塞的作用，此种方法的缺点是系统要承受极高的气体压力（10～40atm）。在上面集中动态法中，最可靠的、成功率最高的还是汞塞动态法。

静态法主要有两类。一类是由J.Bouche等［14］发展起来的。此种方法是将配好的低浓度（0.5%～2%）固定液溶液充满毛细管柱，一端除气后封死，另一端接真空系统，在恒温减压下抽去溶剂，在毛细管柱内壁留下一层固定液液膜。此种方法涂渍出的毛细管柱一般柱效都很高，但较费时，一般只能涂渍30m以内长度的柱子。另一类是有徐丙久等［15］提出，黄爱今等［16］完善的高温静态涂渍法。此种静态法克服了第一种静态法的不足之处，但也有本身的缺点，主要是其加热方法为水浴，不能进行石英毛细管柱的涂渍，现在改进的方法是在空气条件下加热，这样石英柱就可以进行静态法的涂渍了。

　　近年来，溶胶-凝胶技术在材料化学领域得到了广泛应用，该技术在分析化学上的应用主要是用溶胶-凝胶法制备毛细管柱［17］。毛细管柱的溶胶-凝胶涂渍法的原理是：溶胶-凝胶前体经过水解缩合后与石英管内壁牢固结合形成三维网状结构，固定相与三维网状结构结合形成稳定的涂层。用溶胶-凝胶涂渍技术把传统的制柱工艺中的3个步骤（脱活、涂渍、固定相键合交联）合为一步。这样大大缩短了制柱的时间，此技术主要用于杯芳烃和环糊精及其衍生物等固定相的涂渍。

　　涂渍好的柱子，使用前都需经过老化处理，以除去制备柱子时可能产生的挥发性成分和不稳定物质。老化温度一般应选在固定相最高使用温度之下、实际操作使用温度之上，老化时温度上升速率应缓慢，并将柱末端和检测器断开。

    2  结论

　　一个好的毛细管柱应该是选择性好、柱效高、热稳定、柱子惰性。柱子的选择性主要通过要分离的对象进行考核，不同的柱子会有不同的要求。柱效的评价则是测定一定K值组分的单位长度的理论板数。即每米理论板数和涂渍效率。一个好的非极性柱，它的涂渍效率在90%以上。热稳定性可通过程序升温时基线漂移信号进行测定，也可通过升温处理后再降到一定温度，进行升温前后柱保留值、柱效和峰对称性测量，以判断柱子是否能承受一定处理温度的考验。柱子惰性的评价，一般都采用Grob试剂和条件进行考核，但也有采用极性组分，如苯酚、苯胺、脂肪酸酯等对正构烷烃的峰面积比是否恒定进行考核。毛细管色谱法在色谱分析中的应用越来越广泛，高柱效、低流失是今后毛细管色谱柱发展的方向。

    【参考文献】

    1  Lee M L，Wright B W.J Chromatographia. 1980，184：235.

    2  Poole C F，Schutte S A. Contemporary practice of chromatography. Amsterdam Elsevier，1984，79.

    3  G. Me Willam，Ibid：1958，56.

    4  陈世.合成橡胶工业，1984，7（2）：117.

    5  寇登民.高等学校化学学报，1997，18(9)：1442.

    6  朱绍棠.分析测试学报，2001，20(2)：82.

    7  张汉邦.第十一次全国色谱学术报告会文集，1997.

    8  吕全建.河南科学，2000，18(2)：147.

    9  陈帆.色谱，2000，18(3)：247.

    10  易建民.分析化学，2000，28(10)：1291.

    11  聂孟言，周良横，王清梅.分析化学，2000，28(11)：1366-1370.

    12  R Kaiser. J. Chromatographia 1963，11.

    13  G. Schomburg.Chromatographia，1975，(8)：517.

    14  J.Boche.J.Chrotagr.，1986，(6)：526.

    15  B Xu.Chromatographia，1984，(18)：520.

    16  黄爱今.色谱，1986，4(5)：295.

    17  李良，史雪岩，戴荣继，等.分析化学.2004，32(3)：289.