色谱柱基础知识的总结

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1、色谱柱基础知识简介一、 色谱柱工作原理当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。 二、 色谱柱的分类2.1 色谱柱主要分为填充柱和毛细管柱注：此外，还有一些综合了填充柱和毛细管柱特点的特殊色谱柱，例如Alltech公司采用专利技术生产的集束管毛细管柱。2.2 填充柱与毛细管柱的比较表1 填充柱与毛细管柱的比较色谱柱内径/mm长度/m柱材料柱容量载气流速填充柱2-50.5-3玻璃或

2、金属材质mg20-30mL/min毛细管柱10-100熔融石英或不锈钢、聚酰亚胺涂层ng1-10mL/min注：毛细管柱外层为聚酰亚胺，可修补柱子缺陷（即增强柔韧性）并且增加强度。三、 填充柱3.1填充柱的构成 填充柱的柱管填充柱可以使用任何类型的柱管，只要它对样品是清洁,、惰性的, 以及能够承受GC的柱箱温度，像：不锈钢管、玻璃管、铜管、聚四氟乙烯管、聚合物管等。固体载体(颗粒)和固定相近距离观察一个填充颗粒,会发现它是由一个固体载体(颗粒)和在它上面均匀涂渍的涂敷物(叫做固定相)所组成。固体载体即液态固定相附着的载体，其细小、均匀、多孔，增加与样品接触的表面积。常用的固体载体为硅土。固体载

3、体也有不同大小的颗粒度，颗粒度是指“目数大小”。一般是根据柱径来选择固体载体的粒度，保持载体的直径为柱内径的1/20为宜。常用60-80目及80-100目。表2 直径大小与目号的关系颗粒大小（目）平均的直径范围60/80目177至260m80/100目149至177m100/120目125至149m120/1400目105至125m四、毛细管柱4.1 毛细管柱的构成 毛细管色谱柱由两个主要部分组成：管身和固定相。 管身 毛细管柱的管身一般使用熔融二氧化硅或不锈钢作为基本材质。 熔融二氧化硅即高纯度合成石英（以下通称熔融石英)，通常在其表面涂上一层聚酰亚胺做为保护层。当实验要求更高的使用温度时，

4、我们可以来用不锈钢毛细柱来代替熔融石英毛细柱。不锈钢毛细柱在使用温度(耐高温）及日常维护（不易折断等)的性能和指标上都优于熔融石英毛细柱。但是不锈钢材质的惰性没有熔融石英好，它可以和许多的化合物相互作用，产生反应。所以通常我们也会用化学方法对其进行处理，或者是在它的内壁再涂上薄薄的一层熔融石英，以增加不锈钢管的隋性：经过适当处理后，不锈钢毛细柱的惰性与熔融石英毛细柱的不相上下。 固定相固定相种类很多。大部分的固定相是液体或胶状的高分子量，具有高热稳定性的聚合物，最常用的是聚硅氧烷（有时误称为硅氧烷）和聚乙二醇，另外还有一类是小的多孔粒子组成的聚合物或沸石(例如氧化铝、分子筛等)。聚硅氧烷在其用

5、途的多用性、性质的稳定性上都有优良的表现也是目前最为常用的固定相。标准的聚硅氧烷是由许多单个的硅氧烷重复联接构成：每个硅原子与两个功能团相连，功能团的类型和数量决定了固定相总体类型和性质常见的四种功能基团为甲基、氰丙基、三氟丙基和苯基。最基本的聚硅氧烷是由100%甲基取代的。表3 常用固定液及相应色谱柱 固定相极性相应色谱柱应用使用温度100二甲基聚硅氧烷 非极性 OV-1,OV-101,SE-30,DB-1,HP-1,BP1 常规使用，碳氢化合物，芳香化合物，农药，酚类，除草剂，胺，脂肪酸甲酯m -60-340/3601.0m -60-280/3005苯基-95 二甲基聚硅氧烷非极性SE-5

6、4,DB-5,HP-5,BP5芳香化合物，农药，杀虫剂，药物，碳氢化合物m-60-340/3601.0m-60-280/30014氰丙苯基-86二甲基聚硅氧烷中等极性HP-1701,DB-1701,OV-1701,BP-10农药，杀虫剂，药物m-20-280/30050苯基-50 二甲基聚硅氧烷中等极性HP-50,DB-17,OV-17药物，杀虫剂，乙二醇40-280/300聚乙二醇极性HP-20M (HP-Wax),DB-Wax,BP20溶剂，醇类，游离酸，芳香化合物m 20-260/300 1.0m 20-240/2604.2 毛细管柱又分为三类： a空心毛细管柱WCOT - - 内表面涂

7、有很薄的固定相，（Wall Coated Open Tube)； b填充毛细管柱SCOT 内表面涂有多孔的固体层或吸附剂（Support Coated Open Tube)； c多孔层毛细管柱PLOT 内表面先涂固态载体，然后再涂上固定相，（Porous Layer Open Tube).注：本实验室用的是空心毛细管柱WCOT，SCOT是根据其吸附性质的不同来分离溶质，PLOT（多孔层开管）柱用于易挥发性溶质（主要是气体）的分离，无需低温技术或柱温箱的低温冷却。4.3 常用的毛细管色谱柱Agilent(J&W)（安捷伦科技公司）、 Alltech（奥泰公司）、 Restek（美国瑞斯泰克公司）

8、、 Varia(Chrompak)、Supelco是世界上五大色谱柱制造商。表4 本实验室现有色谱柱及将要配备的色谱柱备注 安捷伦公司（Agilent Technologies）1999年从惠普（HP）分拆出来的，故其色谱柱牌号为HP；安捷伦公司2000年收购J&W科学公司并纳入了其牌号为DB的色谱柱。“ms”来表征一类固定相，其在硅氧烷聚合物中链接一定数量的苯基或苯基类的集团，使聚合物的链接变得更加坚固稳定，保证了在较高温度时，固定相不会产生降解。也就是说，进一步降低了色谱柱的柱流失，提高了色谱柱的使用温度。与原始的非亚芳基类型的固定相相比，亚芳基固定相不仅拥有相同的分离指数，而且在色谱柱的

9、维护等方面也有许多的调整（例如HP-5和HP-5ms）。五、毛细管色谱柱的选择选择毛细管柱，有四个要考虑的主要参数：固定相、内径、长度和液膜厚度。5.1 固定相的选择选择毛细管柱时，最重要的是选择最佳固定相。最可靠的方法是参考色谱柱制造商和供应商、GC 制造商以及出版的文献中所提供应用实例的汇编。尽管可能无法参考确切的实例，但是通常可以得到足够信息来简化决策或减少潜在色谱柱数量。 固定相选择性和极性的概念在选择固定相时非常有用。选择性决定于溶质和固定相分子的物理化学相互作用力，可以认为是固定相在区分两种溶质分子在其化学或物理性质方面的差异能力。如果固定相和溶质间的相互作用力不同，则可分离。固定

10、液与组分分子间的作用力主要包括：静电力、诱导力、色散力和氢键力。气相色谱试样中各组分通过色谱柱的保留时间与组分和固定液分子间作用力的大小有关，作用力小的组分先流出色谱柱，反之作用力大的组分后流出。 极性决定于固定相的结构，是由取代基团的极性及其相对量确定。极性并不直接与选择性相关，但是会影响化合物保留以及分离。极性确实对分离有影响，但仅是影响峰分离的众多固定相性质之一。选择固定液时，一般是根据“相似相容”的选择来选择。即固定相与被分离组分的性质（如极性、官能团、化学键等）越相似之间的作用力就越强，则固定相对其的流动阻力就越大，其保留时间也越长。色谱柱就是通过这个原理将不同性质的混合物相互分开的

11、5.2 内径 毛细管柱的内径可从0.10 - 0.80 mm。色谱柱内径的大小将影响柱效、保留值、压力、载气流速和柱容量。色谱柱内径的选择概述：a. 如果需要较高的柱效，请使用0.18-0.25 mm内径的色谱柱。0.18 mm 内径的色谱柱十分 适用于泵容量较低的GC/MS系统。直径较小的色谱柱容量最小，并需要最高的柱头压。b. 如果需要较大的样品容量，请使用0.32 mm内径的色谱柱。与0.25 mm 内径的色谱柱相 比，此色谱柱通常对不分流进样或大体积(2 l)进样时较早流出的溶质有更佳的分离度。c. 只有在仪器配备大口径直接进样器，且要求柱效较高时，才使用0.45 mm内径的色谱柱。

12、特别适用于高载气流速的情况，例如吹扫捕集、顶空进样器和阀进样应用。d. 只有配备大口径直接进样器时，才使用0.53 mm 内径的色谱柱。特别适用于高载气流速 的条件，例如吹扫捕集、顶空进样器。0.53 mm 内径的色谱柱在恒定的膜厚情况下具有 最高的样品容量。5.3 长度 毛细管柱长度可从10-100m(可根据需要进行裁剪也可大于100 m），普通的一般为30 m。柱长将会影响柱效率、保留（分析时间）和载气压力。色谱柱柱长的选择概述：a. 如果不知道最佳长度，请先使用25-30 米长的色谱柱，多数分析在此长度的柱子上完成。b. 10-15 米长的色谱柱十分适用于分离含易分离溶质的样品或含溶质较

13、少的样品。内径较小 的色谱柱通常长度较短，以便降低柱头压力。c. 如果通过其它方法（直径较小的色谱柱、不同的固定相、改变柱温）不能达到满意的分 离度时，应使用50-60 米长的色谱柱。这种色谱柱适用于分离含多种溶质的复杂样品。 需要注意的是较长色谱柱的分析时间较长，费用较高。5.4 液膜厚度液膜厚度影响柱子的保留特性、分离度和柱容量。色谱柱膜厚的选择概述：a. 对于0.18-0.32 mm 内径的色谱柱，平均或标准膜厚为0.18-0.25 m，可用于大多数分析。b. 对于0.45-0.53 mm 内径的色谱柱，其平均或标准膜厚为0.8-1.5 m，可用于大多数分析。c. 厚膜色谱柱用于保留和分

14、离挥发性溶质（如气体）。厚液膜色谱柱惰性更强，容量更大。 厚液膜色谱柱具有较高流失性，使用温度上限也有所降低。d. 薄膜色谱柱用于将高沸点、高分子量溶质（如类固醇、甘油三酸酯）的保留时间降至最 小。薄液膜色谱柱惰性更弱、容量更小、色谱柱流失更少。六、毛细管柱的正确使用6.1 毛细管柱的安装a. 从色谱柱架上色谱柱的两端松开约0.5 m（1 圈到0.5 m）的柱管，以便安装入进样器 和检测器。避免小角度折弯柱管。b. 将色谱柱安装到柱温箱中。可以使用挂架。c. 在色谱柱两端安装色谱柱螺母和石墨密封垫圈；将螺母和密封垫圈推到管线下方约 15 cm 的位置。d. 轻划（切割）色谱柱。使用切割器从距色

15、谱柱的两端约4-5 cm 处轻划色谱柱。e. 柱切割断面要整洁。在尽可能接近划痕处的位置用拇指和食指拿住色谱柱。轻轻拉动 并弯曲色谱柱。色谱柱会很容易就断开。如果色谱柱不容易断开，请勿用力将其断 开。在其他地方再次轻划（比先前的一端较远）并再次尝试干净利落地将其断开。f. 使用放大镜检查切割处。确保切割处与管线成直角，并且试管末端没有聚酰亚胺或 “玻璃”碎片。g. 在进样口处安装色谱柱。检查GC 制造商的仪器手册以确定正在使用的进样口类型的 正确的插入深度。将色谱柱螺母和密封圈滑到合适的深度然后使用打字机修正液在色 谱柱上的色谱柱螺母后面标记正确的插入深度。使液体晾干。将色谱柱插入进样器。 用

16、手拧紧色谱柱螺母直到其将色谱柱固定，然后再拧紧1/4 至1/2 圈，以便在施加较 轻的压力时不会将色谱柱从接头处拉出。通过查看打字机修正液标记来验证是否已保 持了正确的色谱柱插入深度。h. 打开载气源并设定适当的流速。将柱头压、分流和隔垫吹扫流速设定为相应的值。 有关标称柱头压，请参见表7。如果使用分流/不分流进样口，请检查是否已“打开” 吹扫（分流）阀。i. 确认载气流已通过色谱柱。把色谱柱的一端浸入盛有溶剂的瓶中，检查是否有气泡冒出。j. 将色谱柱安装进检测器。查看仪器制造商手册以确定正确的插入深度。k. 检查是否存在渗漏。这点十分重要。在进行全面的泄漏检查之前不要将色谱柱加热。l. 设定

17、适当的进样器和检测器温度。m.设定适当的尾吹气和检测器气流。点火或“打开”检测器。n. 在室温下将色谱柱吹扫最少10 分钟。维护进样口或捕集阱之后，应再吹扫一段时间。o. 注入非保留物质以检查进样器的安装是否正确。例如：丁烷或甲烷(FID)、乙腈的顶 空蒸气(NPD)、二氯甲烷的顶空蒸气(ECD)、空气(TCD)、氩气（质谱仪）。如果出现 对称非保留峰，则说明安装正确。如果观察到拖尾峰，请重新将色谱柱装入进样口。 6.2 纯化载气毛细管柱的寿命与使用载气的纯度、水蒸气含量等有关。在没有载气通过时, 柱的固定液热分解较迅速, 所以在柱箱升温前应该先通上载气，柱箱冷却后才能把载气关上。载气中的水分

18、能透过固定液膜吸在柱管表面上, 会取代或破坏固定液膜, 所以固定液极性越高, 越需要采用干燥的载气。而对于那些氧气能氧化的固定液对载气除氧亦很重要。多数情况下, 柱的寿命与它的使用温度成反比。采用稍低些的温度上限, 可以显著提高寿命, 程序升温到较高温度所维持的时间短对柱寿命的影响小。一般实际使用温度上限可比固定相使用温度上限低20 。6.3 色谱柱的使用温度色谱柱使用时有温度上限和下限. a. 色谱柱使用温度下限 如果色谱柱低于使用温度下限使用, 色谱柱的性能表现会不理想, 会得到馒头峰与宽峰(例：柱效损失), 但色谱柱并不会因此而受损；而在高于色谱柱使用温度下限的情况下使用, 可获得较好的

19、色谱峰峰形.b. 色谱柱使用温度上限 色谱柱使用温度上限的表达方式例如：325/350。前者较低的温度是恒温温度上限. 色谱柱可无限期的在恒温温度上限下使用, 此时的色谱柱流失和寿命都不会受到严重损伤. 后者较高的温度是程序升温温度上限。色谱柱只在程序升温温度上限使用10至15分钟是不会严重损伤色谱柱寿命或引起色谱柱过度流失, 但如果长时间使用或高于程序升温温度上限，则会损伤固定相以及熔融硅胶柱管的惰性，导致严重缩短色谱柱寿命或引起色谱柱过度流失. 6.4 色谱柱的老化 色谱柱老化的目的：是彻底柱内残留溶剂和某些挥发性的物质；另一方面是促进固定液均匀牢固地分布在担体的表面上。a. 使用新毛细管

20、柱前的老化使用新毛细管柱前，应按照柱子的使用说明进行老化。一般是先在50 柱温下保持1h , 赶走溶剂, 然后以23 / min 的速度程序升温, 当达到固定液允许的最高使用温度老化4h 即可。应当注意的是,一根放置较长时间的柱子, 在使用之前, 也必须按此程序进行老化, 而不可突然将柱温升至很高,防止柱液膜被破坏。B常用毛细管柱的老化 毛细管柱老化温度不要超过柱子的最高使用温度，其设定如下：高于最高分析温度20 C（例如本实验室分析温度260C，色谱柱老化温度280C）；或设为色谱柱的最高使用温度（以低者为准）；也可以通过下式计算： Tcond = Tmax/2 - Tapp/2 + Tap

21、p 其中: Tcond = 老化温度 Tmax = 色谱柱推荐采用的最高温度 Tapp = 应用中使用的最高温度6.5 色谱柱的保存 将毛细管色谱柱从GC 上卸下来之后，应将其保存在原来的盒子中。把GC 隔垫置于色谱柱两端，以防止碎屑进入管线中。重新安装色谱柱时，需要把色谱柱两端去除24 cm，以确保隔垫碎片不会堵塞色谱柱。如果要把色谱柱留在已加热的GC 中，则必须始终要有载气流通过色谱柱。只有在关闭柱温箱、进样器、检测器和传输管线的加热系统时，才可以关闭（即，取消加热）载气。如果没有载气流通过，就会对色谱柱加热的部分产生损坏。6.6 毛细管柱的使用寿命 与毛细管柱使用寿命有关的因素：a、毛细

22、管柱的类型、固定液极性，一般极性强的柱子使用寿命短于极性弱的柱子。b、样品(包括使用溶剂)的性质，不同类别的样品针对不同型号（固定相）柱子的影响不同， 简单样品（相对较干净沸点较低）和复杂样品（相对较脏污染物高沸物较多）对柱子影 响不同。c、样品的前处理方式，不同处理方式导致进入柱子的样品产生差别。d、柱子本身的质量。e、新柱子的老化。f、柱子的使用操作，包括使用温度、正确的操作、进样量等。g、载气的洁净程度，包括水、氧、烃类等微量杂质对柱子的影响。h、柱子的使用频率，柱子的使用专一性。i、柱子的维护情况，包括使用中的维护（老化、溶剂清洗等）和保存的维护。j、进样器和衬管的维护情况。k、与分析要求有关，不同的分析方法对柱子所需达到的性能要求不同，报废标准不同。 柱子报废的标准 不同的分析方法对柱子性能的要求不同，用同一根柱子对不同的样品（物质）分析也会有不同的结果；故柱子的报废标准也不尽相同。一般根据样品的分离情况、色谱峰形、基线状况、柱效（塔板数）等情况，综合判断。唯一的原则就是在合适的条件下柱子不能满足分析要求。