GC色谱柱(5)

对醇类、卤代烃、芳烃、烷烃、各种多取代苯的位置异构体都具有良好的分离能力，使用温度范围宽，其热稳定性远远高于一般冠醚聚硅氧烷固定液。杯芳烃作为一种新型的特殊固定液还处于初始研究阶段，但这类环状低聚物是一类极具发展前景的新型色谱固定液。很有可能比冠醚和环糊精类固定液更优秀。

金属配体交换手性色谱固定液 这类手性色谱固定液主要是一些金属离子与手性试剂所形成的配位化合物。常用的金属离子有Eu, Rh, Ni, Mn, Cu等，手性配体为樟脑酸衍生物，水杨醛与手性胺形成的西佛碱等。这类手性固定相可用于分离烯烃、环酮、醇、胺、氨基酸、羟基酸等化合物的对映体。

四、填充柱的制备方法

要制备一根高效能的填充柱，不仅要选择好合适的固定液和载体，还要掌握好固定液的渍涂方法和色谱柱的填充技术。 （一）固定相的制备

气固色谱用的固体固定相的制备方法比较简单。通常先进行过筛，根据需要取60～80目或80～100目的筛分范围，然后按要求进行活化处理。 活化后的固定相应在干燥器内贮存备用。对于液体固定相的制备，可以根据实际情况选用下述方法:

（1）蒸发法: 称取需要量的固定液溶解在选定的有机溶剂中制成涂渍溶液。为了使固定液完全溶解，可以将溶液置于热水浴上加热，但应控制温度低于所用溶剂沸点以下20℃。待固定液完全溶解后，缓缓倒入经预处理和过筛备用的载体。在适当温度下轻轻摇动容器，让其中溶剂慢慢地自然挥发完全后即涂渍完毕。如果希望加快工作进度，也可以使用旋转蒸发器在适当的温度下除去有机溶剂。在涂渍过程中应注意不能猛烈搅料，以免损伤载体。有机溶剂的用量一般为载体体积的2倍。

（2）回流法: 本法适合溶解性能较差的高温固定液的涂渍。方法是将已知量的固定液和溶剂置于圆底烧瓶内，上接冷凝器，然后加热回流0.5 h，待固定液完全溶解后缓缓加入载体，继续加热回流1.5～2 h。最后将载体和溶剂倒入烧杯，置通风橱内让溶剂自然挥发至干。 在制备液体固定相过程中，载体的粒度通常选用80～100目级分。有机溶剂的选用通常遵循三个原则: ⑴不与固定液起化学反应；⑵能和固定液形成无限互溶体系，当加入载体后不会出现分层现象；⑶沸点适当，有一定的挥发度。

(二) 固定相的填充方法

固定相填充质量的好坏直接影响填充柱的柱效。一根填充质量较高的色谱柱，通常其理论塔板数应该达到2000~3000/ m[22]。为了获得最佳的填充密度，可根据情况选择下面不同的方法:

(1)加压法。将填充柱的一端塞好硅烷化的玻璃棉，另一端与填料池连接。先将固定相倒

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入填料池，填料池的另一端出口与氮气或空气钢瓶的减压阀连结。对于常见内径为4.5 mm的填充柱，可调节气流为30 ml/min，(气流应随内径大小作相应调整)，将填充池内的固定相压入填充柱中，同时用木棒轻敲填充柱体使固定相填充均匀。固定相填充完毕后，在原来连接填充池的一端塞上硅烷化的玻璃棉，注意这一端应该与色谱仪的进样室相连接，另一端作为出口端与检测器相连结，不能接反。

(2)减压法。填充长柱子时多采用此法。这个方法采用真空泵抽气，将填充柱的一端塞好硅烷化的玻璃棉后与真空泵的缓冲安全瓶相连结。为了防止抽气时潮湿空气进入而使固定相性能受影响，可以在填料池加入固定相后，在入气口接氯化钙和硅胶干燥塔，其它操作过程与加压填充法相同。

(3)手工填充法: 这种方法一般只用于某些涂有沸点较低固定液的固定相的填充。通常采用边装边敲打的办法。每次加进柱内的填料约5 cm。填充时应注意两点: 一是固定相要填充均匀和适度紧密，柱内不留有死空间或者间隙；二是要避免填充过程中敲打振动过猛，造成固定相机械粉碎。

（三）填充柱的老化与评价

新制备的填充柱在使用前必须经过老化处理，以便把柱内的残存溶剂、低分子量固定液以及低沸点杂质除去，使固定液在载体表面涂得更均匀牢固。老化的方法比较简单: 在室温下将色谱柱的入口端与进样器相连结。为了避免污染，出口端与检测器断开。然后接通载气，调节载气流速10～20毫升/分， 再以程序升温的方式缓慢将柱温升至比使用温度高20℃，并在此温度下老化4～8 h。注意，老化温度不能高于固定液允许的最高使用温度。如果使用氢气作载气，还应注意将出口端流出的氢气引出室外。老化处理后，将柱温降至室温，把色谱柱出口端与检测器相连结，在分析条件下观察基线。若能获得平稳的基线，说明色谱柱已经老化合格，一般即可进行正式分析试验。

填充柱的评价方法基本与毛细管柱的评价方法相同，操作过程可参考毛细管柱的有关内容。

第三节 毛细管气相色谱柱

一、毛细管柱的制备

（一）毛细管柱的材料 毛细管柱的材料对制备一支高质量的毛细管气相色谱柱是十分重要的。毛细管柱的材料应具有化学惰性，热稳定性好，内表面光滑易润湿以及操作方便等

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性能。自从毛细管气相色谱柱发明以来，对许多材料，如塑料、铜、镍、不锈钢等进行过研究[23-26]。但目前普遍使用的则是玻璃和石英玻璃材料，应用最多的是后者。本节着重讨论玻璃和石英玻璃的结构、表面成分以及它们对色谱性能的影响。

（１）玻璃和石英玻璃的组成和结构 玻璃和石英玻璃的化学成分都是以二氧化硅为主。玻璃中的二氧化硅通常是一个硅原子和四个氧原子结合成四面体。每个二氧化硅四面体通过硅氧键形成一个三维网络，这样由硅和氧原子形成一个不规则的六元环，如图2－1所示。石英玻璃由于Si-O-Si之间的角度易于变动而具有柔性，这种环状结构相对稳定。根据硅氧键角大小不同而形成不同的同分异构体。石英玻璃的硅氧夹角为150o，是一种最简单的玻璃。通常人们称它为石英。其结构见图2－1a。它具有高度交联的三维结构，因此它的熔点高（近2000℃），热膨胀系数低。它的成分主要是二氧化硅，含有极少的金属氧化物，抗化学腐蚀性好和抗张强度高，可允许拉制成优质弹性薄壁毛细管柱。由它制作的毛细管柱人们通常称之为弹性石英毛细管柱(flexible fused silica capillary column)。

图2－1 各种玻璃的结构

在玻璃生产过程中，常加入各种金属氧化物以改变物理和化学性能。加入Na2O可切断Si-O-Si 键而使玻璃软化并降低粘度，增加热膨胀系数和在水中的溶解度，降低它的抗化学腐蚀性。加入CaO和MgO则为了减小溶解度，增加其抗化学刻蚀性。常用于毛细管柱材料的两种玻璃是钠－钙玻璃（软玻璃）和硼硅玻璃（硬玻璃，如Pyrex）。Na2O、CaO和B2O3等氧化物的加入使 Si-O-Si 键截断，如图2－1 b、c所示。因此这些玻璃的熔点比石英要低得多。软玻璃的熔点约700℃, 硬玻璃比软玻璃高100~125℃。强度也比软玻璃好，不易脆碎，软玻璃由于含有较高的Na2O而呈碱性；硬玻璃由于它含有B2O3而呈酸性。

表2－6 钠钙玻璃和硼硅玻璃的组成[27]

组分 SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 MgO BaO K2O

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钠钙玻璃 67.7 15.6 5.7 2.8 - 3.9 0.8 0.6 硼硅玻璃 81.1 4.0 0.5 2.0 13.0 - - - 天然石英和人造石英都是作毛细管柱的好材料。天然石英在高温及真空下可熔化制成熔融石英。其纯度随石英原料的来源不同而异。如果在加工过程中注意减少污染，一般情况下金属杂质含量可低于1×10-4g/g。经进一步提纯的熔融石英，其金属杂质含量可达1~5 ×10-5g/g。人造石英则是在高温下用四氯化碳在火焰中与水反应水解而成，基本上是纯二氧化硅，其金属杂质含量小于1×10-6g/g。

（２）玻璃表面成分对色谱性能的影响 玻璃表面的化学性质影响色谱柱的性能。各种金属氧化物在玻璃的表面形成路易斯酸作用点，可对醇、酮、氨以及含?健的分子（如芳香化合物和烯烃）等一类局部电子密度高的化合物产生吸附。石英材料因金属杂质含量极小，表面不存在或很少存在酸化点，故与玻璃相比具有天然惰性。玻璃和石英表面的羟基是构成氢键型吸附的主要因素。表面羟基团之间氧原子的距离大于0.31 nm时，就不能在两个羟基之间形成氢键。这类羟基的活性最大，对一些电子云密度高的化合物如胺、酮、醇以及?键化合物产生吸附。也是进行表面硅烷化处理的主要作用点。氢和氧相距0.24~0.28 nm 时`容易形成氢键，大约50％表面的羟基彼此相互作用形成氢键。这种已形成氢键的羟基活性很小，几乎不再起自由羟基的作用。吸附在表面羟基的水也能对电子云密度高的化合物产生吸附，其活性与自由表面羟基相似。当加热时可以把物理吸附水除去，留下自由羟基进一步加热使二氧化硅表面与相邻羟基脱水形成氧桥。加热到165℃能把物理吸附水赶走，约在400℃左右会使羟基脱水而成氧桥。这时如把二氧化硅冷却并暴露于水蒸汽中，它还可以再恢复形成硅醇基。加热400℃以上时再冷却吸湿羟基恢复的数量要减少，如加热到800℃时二氧化硅表面羟基消失就不再恢复。温度对二氧化硅表面的失水情况可表示如下：

SiOHSiOHSiOHOHH800℃不可逆160℃SiOHSiOH可逆< 400℃SiSiOSiSiO+H2O

表2－7给出了在不同温度下二氧化硅表面羟基的浓度。另外表面的硅氧桥是氢键结合中的质子受体，对醇类分子产生吸附并有较强的范德华力。由于在玻璃和石英表面不同程度存在金属氧化物、游离羟基、硅氧桥，它们以不同形式会与被分离物质产生一定吸附作用。

表2－7 真空处理二氧化硅后表面羟基的浓度[28]

真空处理温度(℃） 200 300 每1nm2上的羟基数 4.8 3.6 真空处理温度(℃） 600 700 每1nm2上的羟基数 1.6 1.2 24

400 500 2.7 2.1 800 900 0.9 0.7 （二）毛细管柱的拉制

（１）玻璃毛细管柱的拉制 目前玻璃毛细管柱已很少使用，但在需要大内径（0.75mm）的毛细管柱时还必须用玻璃材料。本节将玻璃毛细管柱的拉制作方法作一简要介绍。现代的玻璃毛细管拉制机由计算机控制，基本原理与最早Desty[29] 的发明相似，如日本岛津公司的DM-2型，见图2－2。 外径为4~10 mm, 内径为2~6 mm的原料玻璃管都可以用，由送料轮送入温度为650~850℃加热炉中软化，然后拉伸轮以较快的速度驱动已软化的玻璃管，使之变细成为需要的毛细管。再通过在弯曲电热管中加热至550~650℃而烧成盘管，最后存放在支架托盘上。控制送料轮和拉伸轮的转速比可以拉制不同内径的毛细管。但值得注意的是所用原料管内外径粗细不均，加热炉及弯管炉温度波动以及送料轮与拉伸轮的转速之比过大都是引起拉制毛细管内径不均匀的因素。现在的商品玻璃毛细管拉制机拉出的毛细管内径不均匀性在?3~?5％之间。

图2－2 玻璃毛细管拉制机的示意图

1－原料玻璃管，2－电炉，3－毛细管，4－弯曲电热管，5－牵引辊，6－送料辊

（２）弹性石英毛细管柱的拉制 石英比玻璃溶点高，不能用一般玻璃拉制机拉制。 石英毛细管的拉制机见图2－3所示。需将石英原料管在石墨炉中加热到1900-2000℃时才能拉制出薄壁毛细管柱。如果石英的表面被污染或受潮，其强度会下降而易破损。所以拉出的石英毛细管必须立即通过一个盛有耐高温聚合物溶液的容器。这聚合物通常为聚酰亚胺。然后通过加热炉烘干，使柱子的外表敷上一层保护膜，最后是将拉好的毛细管缠绕到一个转鼓上。目前拉制的石英毛细管内径为0.1~0.5 mm，壁厚<0.05 mm。作为柱子外涂层材料的聚酰亚胺最高使用温度为350℃。近年来市场上出现了铝涂层的弹性石英毛细管柱，可耐热400~480℃的高温。这类柱子可以用于一些高级烷烃（大于100个碳原子）以及甘油三脂类的分离。

图2－3 弹性石英毛细管柱拉制机示意图

1－电炉，2－聚酰亚胺炉，3－烘干炉，4－拉好的毛细管，5－转鼓

（三）毛细管柱的内壁改性

如上所述，玻璃和石英材料表面存在的硅醇基吸附电子密度高的化合物，硅氧桥的离子特征作为质子接受体形成氢键而吸附易给质子的化合物，玻璃表面存在的金属离子造成更严重的吸附和催化作用，将会使高温下的固定液分解而流失。因此在涂渍固定液之前必须

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