GC色谱柱(6)

对内表面进行处理，以改变化学和物理性能提高表面对固定液的湿润性。湿润性是指液体浸润固体表面的能力，这种能力是通过接触角来衡量的。接触角是指液滴界面的切线与固体表面的夹角。当接触角为零时液态完全湿润固体表面，易于涂渍成均匀的薄膜。反之当接触角增大时液体覆盖固体表面能力降低，液体能否浸润固体表面取决于液体的内聚力和固体表面的能量。液体的内聚力由其表面张力来表征，固体的表面能则通过表面自由能表示。当液态的表面张力大于某一固体表面的临界表面张力(CST)时，此液体在固体表面上就有个大于零的接触角数值。CST的参数是这样得到的，即把一组同系化合物在给定的固体表面上测定其接触角（?），把COS? 对同系物的表面张力作图，一般成一条直线，在COS?=1时的表面张力即为该固体表面的临界表面张力。如果液体的表面张力小于某一固体表面的CST，其接触角为零，该固体表面就可以被此液体所湿润。由此可见CST作为湿润性的标志，可用作衡量固定液是否易于涂渍成均匀薄膜的定量考查。光滑干净玻璃的CST<3.0 x 10-4 N/cm，而大多数固定液的表面张力 =3.0-5.0 x 10-4 N/cm[30,31]，这说明大多数固定液对玻璃表面不湿润。要制作有效的毛细管柱，首先必须对玻璃和石英管内壁表面进行粗糙化或化学、物理改性，使它们的表面能增大，CST值提高。表2－8和2－9分别给出了一些固定液的表面张力和玻璃及石英经不同方法处理后的CST值。

表2－8 室温下部分固定液的表面张力[23

固定液 甲基硅油 OV-101 OV-210 OF-1 十八烯-1 Ucon DLB-100-B 邻苯二甲酸二癸脂 邻苯二甲酸二壬脂 鲨鱼烷 柠檬酸三丁脂 双(乙基已基)癸二酸脂 ，32]

N/cm 1.92 x 10-4 2.04 x 10-4 2.36 x 10-4 2.46 x 10-4 2.76 x 10-4 2.83 x 10-4 2.85 x 10-4 2.88 x 10-4 2.995 x 10-4 3.04 x 10-4 3.11 x 10-4 3.13 x 10-4 3.13 x 10-4 3.14 x 10-4 固定液 Ucon 50 LB 500X 癸二酸二辛脂 Apiezon L Trion Ucon 50 HB 2000 2，4-二甲-1，1二氧四氢化噻吩 N/cm 3.14 x 10-4 3.22 x 10-4 3.3 x 10-42 3.4 x 10-4 3.57 x 10-4 3.81 x 10-4 4.02 x 10-4 4.09 x 10-4 4.42 x 10-4 4.61 x 10-4 4.86 x 10-4 4.92 x 10-4 5.03 x 10-4 5.09 x 10-4 聚丙烯癸二酸脂 磷酸三甲基苯脂 聚乙烯二醇 400 Os-124 β,β-氧二丙腈 1,2,3-三(2-二氰乙氧基)丙烷 聚丙烯二醇 双(2-乙基已基)邻苯二酸脂 双甘油 丁二酸二乙二醇脂 OV-17 26

表2－9 柱材料表面的临界表面张力[23-32]

材料 天然石英 人造石英 硬质玻璃 硬质玻璃 硬质玻璃 硬质玻璃 处理 用水蒸气平衡 未处理 丙酮清洗 硫酸铬清洗液净化 氢氧化钠蚀刻 表面炭化 临界表面张力N/cm >5.0 x 10-4 >6 x 10-4 2.8 x 10-4 4.4 x 10-4 3.2~3.4 x 10-4 4.1 x 10-4 （１） 毛细管柱内表面的粗糙化 内壁表面粗糙化可采用表面腐蚀和在内壁沉积惰性微粒物质两种技术。但腐蚀只用于玻璃毛细管柱，不适用于石英柱，因腐蚀后的石英柱壁太薄，易于脆断。

玻璃毛细管柱内壁的腐蚀有氯化氢刻蚀和氟化氢刻蚀两种技术。氯化氢刻蚀法是将干燥的氯化氢气体通入柱子，用小火把两端封住，在300℃－400℃下加热3－12h[33-35], 于是在玻璃毛细管柱内壁形成有规则排列的氯化钠晶体粗糙层。Franken等人[34]详细地讨论了氯化钠晶体的生成规律，其过程是：钠钙玻璃有一层较丰富的碱金属，在与氯化氢作用时形成反应中心，高温下玻璃表面的钠离子易于流动，通过晶格游动到表面上，在表面上钠离子与氢离子进行交换，即：

SiONa+H+SiOH+Na+

然后Na+ 通过表面与Cl- 结合形成氯化钠晶体。硅硼玻璃因碱金属离子浓度低，用氯化氢处理效果不显著。这种粗糙化方法的缺点是随金属离子浓度的增加可导致弱路易氏酸性吸附和一些固定液催化降解。所以本方法的应用受到一定的限制。

氟化氢刻蚀也叫晶须生成法，用氟化氢在高温下使玻璃表面形成二氧化硅晶须[36]，其

表面积是光滑玻璃的上千倍。因为剧毒，一般不直接使用氟化氢气体。通常是用２-氯-１,１,２-三氟乙基甲基醚（CTFME）或二氟化铵充满毛细管柱。把两端封住，然后加热一段时间，CTFME或二氟化铵放出HF，这样使玻璃表面产生高密度须状物。晶须的粗细及长度取决于试剂的浓度、温度和反应时间。低于250℃不会形成晶须。刻蚀温度在400℃，试剂浓度在2.5-10.0％之间，24 h之后生成完全。

内壁粗糙化的另一种技术是从溶液中沉积一层薄而均匀的微颗粒物质，如石墨化碳黑、氯化钠微晶、碳酸钡以及二氧化硅等惰性微粒物质。

Nota[37] 和Vidal[38 ] 等人分别以静态和动态法研究了在毛细管柱内壁沉积石墨化碳黑的方法，即把石墨化碳黑制成胶体溶液，然后涂渍在毛细管中，石墨化碳黑就牢固地粘附在毛细管内壁上，各种溶剂都冲洗不掉。这种粗糙化的方法可适应各种类型的固定液，但

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是不能涂渍厚液膜的固定液。

Frank等人[34]研究了用氯化钠胶体溶液使氯化钠沉积覆盖在柱内表面的方法。先把氯化钠制成饱和甲醇溶液，然后加入1,1,1－三氯乙烷或三氯甲烷，使之成为胶体溶液，把此溶液通过毛细管柱，待溶剂蒸发后再涂第二次，这样反复四次以上，最后将柱子加热350℃并保温１h。

碳酸钡沉积是在毛细管柱内壁涂以氢氧化钡溶液，然后通入二氧化碳气体除去溶剂，随即在毛细管柱内壁生成碳酸钡层。这一方法虽说可以达到粗糙化的目的，但是由于碳酸钡形成较强的活化点，以致于去活困难，对某些固定液热稳定性差。

二氧化硅沉积法是将SiO2粉末（<1?m）在300℃加热３h，然后以CHCl3 和二氧六环为溶剂配成６~８mg SiO2/m l混合液。经超声１~1.5h使SiO2分散成均匀的悬浮液。将此悬浮液吸入事先用CHCl3湿润的毛细管柱子至柱长的１／10，用氮气流使液栓通过柱子，再用低流速氮气赶走溶剂即可完成SiO2涂层。这样处理后的柱子沉积一层SiO2，达到覆盖表面活性基团和粗糙化的双重目的。这种柱子适合涂渍极性较大的固定液。

（２）毛细管柱内表面的羟基化 在对毛细管柱内壁去活处理之前，无论是玻璃柱还是石英柱都要经过酸处理。目的是使柱内壁增加硅醇基，在下一步的去活化中降低或消除玻璃种类影响，从而制备出重现性好的毛细管柱。

玻璃毛细管柱的沥取 所谓沥取（Leaching）就是用酸或碱把玻璃柱内表面的金属离子除去，使玻璃表面形成丰富的硅醇基。用碱沥取时玻璃表面被腐蚀形成多孔层，用酸沥取能得到较为平滑的表面，所以通常用酸沥取。在试验过的几种酸溶液，如硫酸、硝酸、磷酸、草酸和盐酸中，盐酸效果最好[39]，不会在二氧化硅表层中留下残酸。合适的盐酸浓度为18％。酸沥取玻璃表面是用氢离子取代金属离子，也就是说玻璃表层和表层上面稍微深层的金属离子会迁移出来。这是由于在沥取过程中玻璃表面部分地水化。硅酸盐网络结构成开放型，形成了许多亲水的硅醇基。由于水进入网络产生溶胀作用，表层的金属离子扩散到溶液中，而深层的金属离子向表层扩散, 这一过程如图2－４所示。

图2－4 进行沥取玻璃表面的示意图

(a) 尚未处理的表面，(b) 沥取过程中，(c) 沥取后形成的硅酸表面

沥取方法是用负压法将酸溶液吸入毛细管柱中，然后把毛细管缓慢加热，使管中的盐酸溶液溢流出一部分。待冷到室温后管内有一段是空的，在真空条件下把毛细管封死，继续加热过夜。在150℃下达到中等程度沥取，若需深度沥取可加热到175℃。沥取后的柱子应立刻进行洗涤，洗涤一般用0.2％－1.0％的盐酸或水，目的是除去浓盐酸溶液和沥取出来的金属离子。洗涤后的柱子通以干燥的氮气，置于约250℃下保温2－4 h，使柱内的水汽、酸气彻底除去。K. Grob[40 ]等对于动态沥取方法的研究表明，采用动态法沥取效果不好，易

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造成毛细管内壁结构的破坏，所以不宜使用。

弹性石英毛细管柱的水热处理 石英柱的水热处理是在高温下使表面充分羟基化。石英柱因在高温下拉制，表面羟基含量甚少，约0.2／nm2。这样少的羟基不易去活处理，水热处理后获得的丰富羟基对涂渍极性固定液十分重要。与玻璃柱的沥取一样，通常采用酸进行处理。K.Grob[40]水热处理方法是：将２％的盐酸溶液充入至25％柱长之后，以５cm／s的速度使盐酸溶液向前移动至另一端流出溶液，用丁烷／氧火焰把柱两端封住，再把毛细管柱放入恒温箱中在200℃下保温６h。然后再一次充以2％的盐酸溶液至25％柱长，以１cm／s的速度把盐酸溶液赶出毛细管柱，最后将毛细管柱抽真空并在230℃下保温１h。 （３）毛细管柱内表面的惰性化 柱内壁粗糙化可使固定液液膜稳定，但也使内壁的活性增加，对一些固定液产生严重吸附。要制备一支柱效高、活性低、热稳定性好和保留值重复的毛细管柱，在填充之前，无论对于玻璃柱还是石英柱都要进行惰性化处理。目前应用的惰性化处理方法是使用有机聚合物或硅烷化试剂处理柱内壁。应用最多的是后者。 最早是Aue[41] 使用PEG20Ｍ改性硅藻土色谱载体，后来Cronin[42] 把Aue 的方法用于改性毛细管柱内壁取得了很好的效果。一般认为去活机理是PEG20Ｍ在高温下产生环氧烷结构单元，然后开环与柱内表面的硅羟基发生键合反应，形成一层桥式结构的聚合物薄膜以掩蔽硅醇基的活性。PEG20Ｍ惰性化处理有静态法和动态法。静态法是将６％的PEG20M的二氯甲烷溶液充入毛细管柱，赶净溶剂后，将柱两端封住，放入恒温箱中在280℃保温2~４h。最后洗去剩余的PEG20M。动态法是在载气的携带下将PEG20M蒸汽与置于250℃的毛细管柱内壁反应12h。用PEG20M处理的柱子在高于250℃使用时会降解流失。Franken[28] 等人对于用PEG20M处理的柱子与固定液的湿润性进行了研究，认为PEG20M在柱子内壁形成薄的一层可与非极性固定液相容，如果是厚的一层可与极性固定液相容。

硅烷化是惰化毛细管柱内表面羟基活性的最有效方法。其原理是硅烷化试剂的活泼基团与柱内表面羟基反应，从而消除表面羟基的活性。反应式如下：

SiOH+Cl-Si(CH3)3SiOSi(CH3)3

最早硅烷化去活方法是在常温下进行。这样去活处理的毛细管柱要在低于250℃下使用。70年代末Welsch[44 ]等人首次提出高温硅烷化方法。在此之后，Grob[40]和Lee[45]等人对方法进行了改进, 证明在高温下进行硅烷化得到的去活层可在300℃－400℃稳定。现在普遍采用高温硅烷化去活玻璃和石英柱内壁的方法，简称HTS（high-temperature silylation）。HTS可采用静态或动态的方法进行。静态法是将硅烷化试剂用氮气以４－５cm／s的速度通过柱子，试剂排出后将两边封住，缓慢升温（2~3℃／min）至300℃－400℃，保持4－20h。再用甲苯和甲醇依次冲洗，氮气吹干。动态法是把柱子放在400℃炉中，将两端伸出炉外，一端置于含有试剂的鼓泡器中，产生的蒸汽通过干燥的氮气将其循环流过柱子，持续48h后将炉子冷却至200℃，移去鼓泡器，用干燥氮气吹柱子，以除去未反应的试剂。动态法并

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不常用。HTS法处理的柱表面形成了三甲基硅烷基层，临界表面张力为2.1-10

－４

N/cm。涂

制OV-101、OV-１、SE-30等非极性固定液可得稳定均匀液膜。硅烷化表面的覆盖度与羟基量有关，用酸淋洗沥取后增大硅醇基密度的柱表面可增加覆盖度和柱子的热稳定性。经六甲基二硅氨烷高温硅烷化的柱子表面能很低，也可涂制弱极性的固定液。若用二苯基四甲基二硅氨烷和四苯基二甲基二硅氨烷进行硅烷化处理，可得到更稳定的去活表面，适用于中等极性固定液的涂制[46,47]。

HTS中的另一种常用方法是用聚硅氧烷高温降解[48]，又称PSD法。聚硅氧烷在300℃－400℃受热分解的部分产物与表面硅醇基键合形成一层高分子硅氧烷聚合层，达到去活的目的。Blum和Grob[49]用ＸＦ-1105固定液（含50％氰乙基和50％的甲基）和二苯基四甲基二硅氨烷混合液在370℃反应８h后，用于涂制中等极性固定液的柱子。其它一些聚硅氧烷固定液如OV-1701、OV-101、SE-54、SE-52、OV-17、Dexsil 400等均可进行热解去活处理。

HTS中的全硅烷化（persilylation）也是有效的去活方法[50]。全硅烷化的去活机理没有一致的观点，如在高温下硅烷化试剂如何与石英玻璃硅醇基作用，在表面形成什么样的基团等问题，有不少争论。Grob[50]等人用核磁共振谱研究了一些全硅烷化试剂与石英玻璃表面硅醇基反应的产物，得到的结果如下：

CH3OHOSiOSiOOOOHCH3SiCH3CH3CH3SiCH3OOSiOO

+[Si(CH2)2]2NHOOSiO+NH3他认为形成这种产物可使活性点得到屏蔽，既有去活作用又能改进固定液的湿润性。因此这是一种令人十分满意的技术。常用的全硅烷化试剂有氯硅烷、硅氨烷、硅氧烷和聚硅氧烷。

氯硅烷类：三苯基氯硅烷（TPCS）；二苯基氯硅烷（DPDCS）；六甲基二硅烷。 硅氨烷类：六甲基二硅氨烷（HMDS）是空间障碍最小的硅烷化试剂，它在玻璃表面形成非极性的甲基硅氧烷基团，适合涂渍聚二甲基硅氧烷类固定液。二苯基四甲基硅氨烷（DPTMDS）在玻璃表面引入苯基，所以适用于涂渍含苯基量不高的苯基甲基聚硅氧烷（如OV-61）类固定液。四苯基二甲基硅氨烷（TPDMDS）适合于涂渍苯基含量小于５０％的苯基甲基聚硅氧烷类固定液的去活，例如从OV-61至OV-17。

硅氧烷类：八甲基环四硅氧烷（Ｄ4）是使用最多的一种硅烷化试剂。将Ｄ4（20％）制备在正戊烷中，以动态法涂渍，移动速度为２cm/s，封口并用铝箔把色谱柱包住，在400℃下保持４h后用正戊烷冲洗。用Ｄ4处理过的柱子适用于涂渍非极性固定液。三苯基三甲基环三硅氧烷（TMPCTS）和八苯基三甲基环四硅氧烷（OPCTS）是用来作涂渍中等极性固定液的去活试剂。用二氯甲烷作溶剂，将TMPCTS与DPTMDS等体积混合液处理的玻璃

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