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气相色谱毛细管柱的制备与发展
2010年10月3日 来源:中国论文下载中心 责编:潘娟

  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。

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    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。

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    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。

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    【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.


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