GC色谱柱(3)

Gas Chrom Z Gas Chrom A 经过酸洗、DMCS处理

白 很小 同上

Gas Pak F 表面涂全氟聚合物的 硅藻土载体

白 小 美国

Anaport Tee Six Chemalite TF C-22

氟树脂载体 硅藻土载体

白 白 红

小 小 有

Analabs Inc.

日本 美国

①硅藻土型

硅藻土型载体使用的历史最长，应用也最普遍。这类载体绝大部分是以硅藻土为原料制成的。在天然硅藻土中加入木屑及少量粘合剂于900℃左右煅烧，就得到红色硅藻土载体，如国产的6201载体及国外的C-22火砖和Chromosorb P即属于这一类。如果将天然硅藻土经盐酸处理后干燥，再加入少量碳酸钠助熔剂在1100℃左右煅烧，就得到白色硅藻土载体。属于这一类载体的有国产的101白色载体、405载体，国外的Celite和Chromosorb W载体。 红色和白色硅藻土载体的化学组成基本相同，内部结构相似，都是以硅、铝氧化物为主体,以水合无定形氧化硅和少量金属氧化物杂质为骨架。但是它们的表面结构差别很大，红色载体和硅藻土原来的细孔结构一样，表面孔隙密集，孔径较小，表面积大，能负荷较多的固定液。由于结构紧密，因而机械强度较好。与此相反，白色硅藻土载体在烧结时由于助熔剂的作用，硅藻土原来的细孔结构大部分被破坏，变成了松散的烧结物。此种载体孔径较粗，表面积小，能负荷的固定液小，机械强度不如红色载体。但是和红色载体相比，它的表面吸附作用和催化作用比较小，能用于高温分析，特别是应用于分析极性组分时易获得对称峰。 ②玻璃微球

玻璃微球是一种有规则的颗粒小球。它具有很小的表面积，通常把它看做是非孔性、表面惰性的载体。为了得到较为理想的表面特性，增大表面积，使用时往往在玻璃微球上涂敷一层固体粉末，如硅藻土、氧化铁、氧化锆等[11,12]。 也有人用含铝量较高的碱石灰玻璃制成蜂窝状结构的低密度微球；或用硅酸钠玻璃制成表面具有纹理的微球；或用酸、碱腐蚀法制成表面惰性、多孔性的微球等。这类载体的优点是能在较低的柱温下分析高沸点物质，使某些热稳定性差但选择性好的固定液获得应用。缺点是柱负荷量小，只能用于涂渍低配比固定液。另外，柱寿命较短。国产玻璃微球性能很好，已有各种筛目的多孔玻璃微球载体可供选择。 ③氟载体

这类载体的特点是吸附性小、耐腐蚀性强，适合用于强极性物质和腐蚀性气体分析。其缺点是表面积较小，机械强度低，对极性固定液的浸润性差，涂渍固定液的量一般不超过5%。这类载体主要有两种，常用的是聚四氟乙烯载体，通常可以在200℃柱温下使用。随着聚合和

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加工条件的变化，不同型号的聚四氟乙烯载体其表面结构略有差异。国外的产品有Teflon, Chromosorb T, Halopart F等，国内上海试剂总厂也有产品。除聚四氟乙烯载体外，还有聚三氟氯乙烯等氟氯载体，如国外的产品Ekatlurin, Daiflon, Kel-F300和Halopart K等。与聚四氟乙烯载体相比，氟氯载体的颗粒比较坚硬，易于填充操作，但表面惰性和热稳定性较差，使用温度不能高于160℃。

(2)载体的表面活性和去活方法

一种理想的载体，其表面应该无吸附性和催化性，在操作条件下不与固定液和样品组分反应。但是实际上载体表面完全没有吸附性能和催化性能是不可能的。实验表明，经过灼烧后制成的硅藻土类载体，其表面既有催化活性，也有吸附活性。当载体表面存在氢键活性作用点时，分析能与硅醇、硅醚形成氢键的物质例如水、醇、胺等一类化合物时就会观察到相应组分色谱峰的拖尾；同样，用具有酸性(或碱性)作用点的载体分离碱性(或酸性)化合物时也会引起相应色谱峰的拖尾，甚至发生一些醇类、萜类、缩醛类等化合物的催化反应。引起载体表面活性的原因主要有三:

⑴表面硅醇基团。载体表面存在的硅醇基团（-Si-OH ）能与醇、胺、酸类等极性化合物形成氢键，发生吸附，引起色谱峰的拖尾；

⑵无机杂质。载体中通常存在少量金属氧化物，在表面形成酸性或碱性活性基团。酸性活性基团能吸附碱性化合物甚至发生催化反应。碱性活性基团可以引起酸类及酚类物质的吸附，造成色谱峰严重拖尾。

⑶微孔结构。硅藻土载体本身有许多孔隙，孔隙的分布与孔径的大小对载体性质有很大影响。孔径小于1?m的微孔会妨碍气体扩散，还会产生毛细管凝聚现象。例如红色载体存在许多这种微孔，它是产生吸附的主要原因。

为了取得好的分离效果，特别是在分析极性、酸碱性以及氢键型样品时获得对称的色谱峰，人们常采用下述方法对载体进行预处理:

⑴酸洗: 通常用6 mol/L盐酸浸泡载体，加热处理20~30 min，然后用水冲洗至中性，用甲醇淋洗、烘干、过筛。也可以用王水或硝酸进行酸洗处理。载体经酸洗后可除去无机杂质，减小吸附性能，适用于分析酸性物质和脂类。使用中应当注意，经酸洗的载体催化活性较大。例如在高温下会使SE-30的硅氧链断裂，PEG-400裂解。不宜分析碱性化合物和醇类。 ⑵碱洗: 将酸洗载体用10%NaOH-甲醇溶液浸泡或者回流，再用水冲洗至中性，最后用甲醇淋洗、烘干备用。碱洗载体的表面酸性作用点较低，适合于胺类等碱性化合物的分析。但碱洗载体的表面仍残留有微量游离碱，可能会引起非碱性物质(如脂类)的分解。

⑶硅烷化: 硅烷化是消除载体表面活性最有效的办法之一。它可以消除载体表面的硅醇基团，减弱生成氢键作用力，使表面惰化。一般的方法是将载体用5~8%硅烷化试剂的甲苯溶液浸泡或回流，然后用无水甲醇洗至中性，烘干备用。常用的硅烷化试剂有二甲基二氯硅烷

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(DMCS)、三甲基氯硅烷(TMCS)和六甲基二硅氨烷(HMDS)。以DMCS的硅烷化效果最好，HMDS其次，TMCS较差。如果用酸洗的载体进行硅烷化，其效果比末酸洗的更好。硅烷化载体适用于分析水、醇、胺类等易形成氢键而产生拖尾的物质。载体经硅烷化处理后，表面由亲水性变成了疏水性，比表面也相应缩小2~3倍。因此，一般只能涂渍非极性或弱极性固定液，操作温度也应控制在270℃以下。

⑷釉化: 目的是堵塞载体表面的微孔，改善表面性质。通常将欲处理的载体置于2.3%的Na2CO3-K2CO3 (1∶1)水溶液中浸泡两昼夜，烘干后在870℃灼烧3.5h，再升温到980℃灼烧约40 min。经过这样处理后，载体表面产生了一层玻璃状的釉质，从而屏蔽或惰化了载体表面的活性中心，增加了机械强度。釉化载体适于分析醇、酸类极性较强的物质，但分析甲醇、甲酸时有不可逆的化学吸附，分析非极性物质时柱效较低。 以上几种经过表面处理的色谱载体国内都有产品出售。

(3)载体的选择原则与评价

载体性能的优劣对样品的分离起着重要的作用，实际工作中主要依据分析对象、固定液的性质和涂渍量来选择载体:

⑴固定液: 当固定液的涂渍量大于5%时，可以选用白色或红色硅藻土载体；若涂渍量小于5%，则应选用处理过的硅烷化载体；

⑵分析对象: 当样品为酸性时，最好选用酸洗载体，样品为碱性时用碱性载体。对于高沸点组分，一般选用玻璃微球载体，分析强腐蚀性组分时应选用氟载体。 常用的载体粒度一般在80~100目范围，为提高柱效也可使用100~120目。

对载体进行评价是为了比较不同处理方法或处理前后的效果，确定最佳处理条件。方法之一是将不涂固定液的裸载体填装到色谱柱中，选用丙酮、苯等有代表性的组分进行考察，测定相应的保留值、峰形和柱效。载体的吸附性越强，相应组分的保留时间则越长，峰形拖尾越严重，柱效越低。 （二）固定液

固定液是气液色谱柱的关键组成部分。它的种类繁多, 应用极其广泛。与气固色谱柱中的吸附剂相比，固定液的优点主要是在通常的操作条件下, 组分在两相间的分配等温线多是线性的，因此比较容易获得对称峰。

(1)对固定液的要求

适合用作气相色谱固定液的物质应能满足以下一些基本要求:

①在操作温度下呈液态，粘度越低越好。组分在粘度高的固定液中传质速度慢，柱效下降。这决定了固定液的最低使用温度。

②蒸气压低，热稳定性好。这样可以减少固定液的流失，延长色谱柱的使用寿命。这两

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者决定了固定液的最高使用温度。

③化学惰性高，润湿性好。化学惰性高是指固定液不与组分、载体、 载气发生不可逆化学反应。润湿性好则可以使固定液均匀涂布在载体表面或毛细管柱内壁，形成结构稳定的薄层。

④有良好的选择性。选择性好的固定液对沸点相同或相近而类型不同的物质具有分离能力，即保留一种类型化合物的能力大于另一种类型。

固定液的选择性取决于被分析组分与固定液两者分子之间的相互作用力[14]。这种作用力有以下几种[13]:

i、静电力: 这是极性分子永久偶极间的作用力，由此力形成的平均势能(Ek)为:

22?12?2Ek??3kTR6

(2—1)

式中k为玻兹曼常数，T是开尔文温度，负号表示吸引力。从式2—1可见，静电作用能与两极性物质分子间的距离R的六次方及绝对温度T成反比，与两物质的偶极距μ1，μ2的平方成正比。

ii、诱导力: 这是非极性分子受极性分子永久偶极电场作用而产生诱导偶极时二者之间的作用力。由此力产生的平均作用能(ED)为:

2?1?2??2?12 ED?6R(2—2)

式中μ1，μ2分别是固定液与组分的偶极矩。由式2—2可见，若两个分子的偶极距越大，诱导作用能则越大。如果两个分子越接近或分子体积越小，则诱导作用越强。

iii、色散力: 这是非极性分子(弱极性分子)间由于分子内电子振动所产生的瞬时偶极而引起的相互作用力。这种力的相互作用能(EL)可表达为:

EL??3I1I2?1?2

2I1?I2R6 (2—3)

式中I1，I2是固定液和组分分子的电离能，α1与α2分别为其分子的极化率， R为分子间距。色散力不受温度影响，具有加和性。对于非极性(弱极性)的物质而言，分子间的作用力主要是色散力。

iv、氢键作用力: 这是与电负性原子(如N，O，F等) 形成共价键的氢原子又和另一个电负性原子所生成的一种有方向性的相互作用力，常称为范德华力。这种作用力介于化学键力和色散力之间，通常在5～10 KCal/mol。

有机化合物形成氢键的能力按下列顺序递降: ⑴能形成三维空间结构的强氢键的化合物。如水、多元醇、氨基醇、羟基酸、多元酸、酰胺、多元酚等。⑵含α-活泼氢原子和带自由电子对的原子(O，N，F)的化合物。如醇、脂肪酸、酚、伯胺、仲胺、肟、硝基化合物、有α-氢的腈、以及氨、肼、氟化氢等。⑶含电负性原子(O，N，F)但不带活泼氢原子的化合物。如醚、酮、醛、酯、叔胺、以及有α-氢原子的腈和硝基化合物。⑷含有活泼氢原子但不带电负

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性原子的化合物。如二氯甲烷、三氯甲烷、芳烃、烯烃等。⑸不能形成氢键的化合物。如饱和烃、二硫化碳、硫醇、四氯化碳等。

“极性”一词常用来描述或评价固定液的性质。气相色谱中的所谓极性，是指含有不同功能团的固定液与分析物质的功能团和亚甲基之间相互作用的程度。如果一种固定液保留某种化合物的能力大于另一类，则认为这种固定液对于前一类化合物有较高的选择性。人们最初用来描述和区别固定液分离特性的方法是罗胥耐德(Rohrschneider)于1959年提出的相对极性方法。他首先规定固定液β,β-氧二丙腈的相对极性为100，角鲨烷为零， 选用正丁烯与正丁烷或环已烷与苯作为物质对，然后分别测定物质对在氧二丙腈、角鲨烷以及被测固定液柱上的相对调整保留值并取对数，被测固定液的相对极性(Px)按下式计算:

Px?100?100(q1?qx) q1?q2(2—4)

式中q1, q2, qx分别是物质对在氧二丙腈、角鲨烷、被测固定液柱上的相对调整保留值的对数。Px值越大，说明极性越大。这种方法主要反映的是组分和固定液分子间的诱导力。考虑到固定液与组分分子之间相互作用的复杂性(偶极矩、色散力、氢键作用力等)，1966年他又提出采用某标准物质(M)在某一固定液(P)和非极性固定液(S) 的保留指数之差(?I)来衡量该固定液(P)相对极性的大小，即:

?IpM = Ip － Is

(2—5)

式中Ip及Is分别为标准物质M在被测固定液(P)和非极性固定液(S)上的Kovats保留指数。S通常选用角鲨烷，并规定在100℃下进行实验。为了全面反映被测固定液的分离特征，选用的标准物是5种不同性质的物质，其中用苯作为电子给予体，乙醇作为质子给予体，甲乙酮代表定向偶极力，硝基甲烷代表电子接受体，吡啶代表质子接受体。根据分子间作用力的相加性，被测固定液的极性则用下式表示:

?IpM = Ip － Is = aX + bY + cZ + dU + eS

(2—6)

式中a, b, c, d, e是标准物的各种极性因子，叫做组分常数。X，Y，Z，U，S是固定液各种作用力的极性因子，叫做固定液常数。组分常数随标准物的不同而异，对不同的固定液则为常数。由于5种标准物质分别代表不同的作用力， 故人为规定它们的“组分常数”如表2－4。 表2－4 5种标准物的组分常数[3]

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 组 分 常 数 标准物质

ａ ｂ ｃ ｄ ｅ ────────────────────────── 苯 100 0 0 0 0 乙醇 0 100 0 0 0

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