深入理解色谱柱原理

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深入理解色谱柱原理

   根据学术界对色谱柱的定义，我们知道色谱柱的作用就是分离混合物，在工业在线色谱领域，这个混合物只能是气相的。
那么，色谱柱是如何实现混合物质的分离的呢？首先要了解并记住下面几个重要的概念。
1、担体：又称载体，多为圆球状，是支撑固定液的惰性多孔固体。它被均匀且致密地填充进色谱柱管道内，在有限的空间内为流动相提供尽可能大的接触面积。
2、载气：一种不与被测介质、固定相发生化学反应且纯净单一的气体。它的作用是携带被测介质进入色谱柱，流经且冲洗固定相，最终将分离后的各组份带入检测器。
3、固定液：涂渍在担体表面或毛细管内壁的特殊化学物质，它是经过验证的有选择性的针对某一类混合物质有分离作用的有机化合物。
4、固定相：在色谱柱中，与固定液结合后的担体被均匀致密的填充在管道内，用以实现混合物的分离。因其本身不移动，而被形象的称之为固定相。
5、流动相：在色谱柱中，载气携带被测介质沿着固定相表面或孔隙向前移动。因其本身的不断流动性，而被形象的称之为流动相。
6、气固色谱柱：色谱柱针对气体混合物的分离，固定相无固定液涂渍，这一类的色谱柱叫气固色谱柱。多数填充柱都是气固色谱柱。
7、气液色谱柱：色谱柱针对气体混合物的分离，固定相表明涂渍了固定液。这一类色谱柱叫气液色谱柱。绝大多数毛细管柱都是气液色谱柱。

    上述概念实际上已经说明了色谱柱分离混合物质的原理和过程，而对于完全不懂色谱的人来说，将这些概念串连起来思考仍然很困难。
通俗地讲，混合的各气体分子无法自行进入色谱柱，必须用某种动作方式和某种传输方法进入色谱柱。因此，在线色谱通常是利用载气的携带，通过设计好的管路和切换阀的动作实现混合的气体分子注入色谱柱。混合气体一旦进入色谱柱，分离过程就开始了。而如同马拉松赛跑一样，实力差不多的一些运动员，没有足够长的距离是无法区分他们之间的微小差异的。进入色谱柱的混合气体分子，就是在载气携带下，沿着固定相表明运动时，因不同气体分子与固定相之间存在着不同的阻力，而逐渐产生了向前的运动速度差，最终实现了彼此间的完全分离。由此可见，理论上讲色谱柱越长，分离效果越好；而载气流动速度越慢，分子移动的绝对速度越慢，分离效果也越好；另外，气体分子的震动与转动频率与温度有关，温度越高，气体分子越活跃。所以，温度越低，分离效果也越好......但是，实际的情况没有这么简单，有很多因素会起到负面的影响，诸如低温会使气体液化、色谱柱过长造成气阻过大，气路会堵塞、载气流量过低会造成混合气体分子扩散效应增强、在线分析对快速的响应时间要求等等。总之，色谱柱的长度、载气的流速、温度的选择都是非常重要的，它们都共同影响着混合气体最终逐步分离成单质的终极目标。因此，前人早就总结了如下影响色谱柱分离效果的关键因素。
1、载气种类的影响：常用的载气有氢气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳气等等。氢气的分子量小，分子半径大，热导系数最大，粘度小等特点，常用于TCD检测器的应用。氮气扩散系数小，柱效较高可用于FID检测器的应用。因氮气的热导系数与其它气体分子差异不明显，通常不做为TCD检测器应用的载气。氦气的特性与氢气类似，因价格较高，较少采用。但某些不能使用氢气的应用中，只能采用氦气做载气。
2、载气流速的影响：载气的流速与混合气体的分离度成反比，但过低的载气流速会造成分析周期过长、增加分子扩散效应而造成测量精度降低等负面影响。
3、温度的影响：这里指的是色谱柱的温度。温度的高低与混合气体的分离度成反比。温度过高会造成固定液流失、担体过热损坏等问题，过低会导致在载气压力的作用下，较重的气体分子会液化或液相组份无法汽化，造成分析周期过长或无法吹出色谱柱的负面问题。柱温的选择通常是略高于被测介质的平均沸点。
4、进样时间的影响：进样时间取决于两个因素，载气的流速、定量管的容积。进样时间越长，组份的分离度越差。原因很简单，相同速率的同种气体分子，进入色谱柱的时间越长，最终分离后峰的跨度越大。而两组份的分离度计算公式是：R=2（T2-T1）/ (W1+W2)，其中T2是组份2的保留时间；T1是组份1的保留时间；W1是组份1的峰宽；W2是组份2的峰宽。我们能看到，W1、W2的代数和越大，R值越小，分离度越差。
5、进样量的影响：进样量取决于定量管的容积。进样量越大，分离度越差。原因很简单，色谱柱的长度和固定相的填充都很有限，过多的被测气体分子进入色谱柱会导致固定相饱和区域过长，最终组份的峰宽变大。
很多文档将进样时间和进样量的影响放在一起讨论。笔者将其分开的目的是对于在线色谱来说，通常都安装2根色谱柱，而不同位置安装的色谱柱作用也不相同。前面色谱柱分离的组份将进入后面的色谱柱，而前面色谱柱溶出组份的峰宽是影响后面色谱柱的进样时间，前面色谱柱溶出的组份浓度就是后面色谱柱的进样量。由此，我们就必须在下一篇文档内重点讨论在线色谱的柱切技术，因为笔者认为，柱切技术与第4和第5点密切相关。
关于色谱柱，有二条重要定律，请牢记它们。
1、在同等条件下，每一种组份的保留时间总是相同的，也就是说，每一种组份的保留时间有很高的重复性。
2、峰面积与组分浓度成正比关系。 因此，如果峰面积已知，那么有固定的公式可以求得组份浓度。组份浓度 = 峰面积 / 响应系数
通过这里两个定律，我们可以对未知组份进行定性和定量。
以下文档摘录其它文献，请读者认真研读，笔者认为这些概念和理论是学习色谱从量变到质变的根本。
常见分色谱柱有两类，填充柱和毛细管柱。而填充柱在实际工作中应用非常普遍，日常色谱工作的80%都是采用填充柱完成的。色谱柱主要由柱管和固定相组成。而固定相是色谱柱中最为关键的部分，根据所填充的固定相的情况来分，气相色谱的固定相主要分为固体固定相和液体固定相。下面分别对相关内容进行讨论。
一、填充柱柱管的选择与处理
     柱管材料的选择应依据分析样品的性质和实验的操作条件而定。填充色谱柱的柱管有不锈钢管、铜管、铝管、铜镀镍管、玻璃管以及聚四氟乙烯管等。铜管和铝管由于催化活性太强，并且容易变形，现已不太常用。若待分析的样品容易分解或具有腐蚀性，应考虑使用玻璃管或聚四氟乙烯管。玻璃柱具有化学惰性好，制备的柱子柱效高，便于观察柱子情况，使用温度范围较宽等优点，但它也有易碎的缺点。聚四氟乙烯管的优点是耐腐蚀，缺点是不耐高温高压。在填充柱中最为常用的不锈钢管，其最大优点是不破碎，传热性能好，柱寿命长，能满足常见样品的分析要求。缺点是内壁较为粗糙，有活性，较难清洗干净。
  
     填充柱的柱管在使用前应该经过清洗处理。不锈钢柱管的清洗方法为：1、先用10%的热的氢氧化钠水溶液浸泡，除去管内壁的油污，然后用自来水洗至中性。2、根据情况，可选用1：20的稀盐酸水溶液重复处理一次，以降低柱内壁的吸附作用。玻璃柱的清洗方法：1、用冼液浸泡，除去管内壁的油污，然后用自来水洗至中性。2、为减少玻璃柱内壁的活性，可用5%二甲基二氯硅烷的甲苯溶液浸泡处理，然后用甲苯和甲醇分别沖洗干净。
分析用的填充柱内径一般为2～4mm，长度一般小于10m。柱子的形状可以是螺旋形的，也可以是U型的。U型柱易获得较高的柱效，若是使用螺旋型的柱，应注意柱色谱柱圈直径的大小对柱效会产生一定的影响，一般柱圈的圈径应比柱管的内径大15倍。
色谱柱管也存在漏气的现象，为此可对色谱柱管进行检漏。检漏方法较为简单，将柱管泡在水里，堵死柱的一端，在另一端通气，若无气泡冒出则说明柱子无泄漏现象。
二、气固填充气相色谱柱固定相
     采用固体物质做固定相，这些固体物质包括具有吸附活性的无机吸附剂、高分子多孔微球和表面被化学键合的固体物质。
（一）无机吸附剂
     这一类吸附剂包括具有强极性的硅胶、中等极性的氧化铝、非极性的碳素和有特殊吸附作用的分子筛。这类固定相的最大特点是无高温流失，它们大多数能在高温下使用，吸附容量大，热稳定性好，是分析永久性气体及气态烃类混合物理想的固定相，但因为品种较少，故应用范围有限。使用这类固定相一般应注意：1、吸附剂的吸附性能与其制备活化条件关系密切，制备方法不同，活化条件不一样，都会引起色谱柱性能较大的差异。不同来源的同种产品，或者同一来源的非同批产品，其吸附性能都有可能存在较大的差异。2、一般具有催化活性，不宜在高温和存在活性组分的情况下使用；3、吸附等温线通常是非线性的，进样量大时易出现色谱峰不对称。
1、硅胶
     硅胶是一种氢键型的强极性固体吸附剂，可用于分析N2O、SO2、H2S、SF6、CF2Cl2以及C1～C4烷烃等物质。硅胶的分离能力主要取决于孔径大小和含水量，用前需要经过处理。处理方法：对色谱专用硅胶，可在200℃下活化处理2小时后使用；如果使用的非色谱专用硅胶，则需先将硅胶用6mol/L的盐酸浸泡2小时，然后用水冲洗至无Cl-。晾干后置于马弗炉内，在200～500℃灼烧活化2小时后降温取出，储于干燥器中备用。
2、氧化铝
     色谱用的氧化铝主要为γ型，具有中等极性，主要用于分析C1～C4烃类及其异构体，在低温下也能用于分离氢的同位素。氧化铝具有很好的热稳定性和机械强度，但其活性随含水量有较大的变化，故使用前通常需对其进行活化处理（在450～1350℃下灼烧两小时）。为保持使用过程中的含水量，可将载气先通过含结晶水的硫酸钠（或硫酸铜）后再进入色谱柱。经过氢氧化钠处理改进的氧化铝，能在320～380℃柱温下分析C36以下的碳氢化合物，峰形很好。
3、碳素
     碳素是一类非极性固体吸附剂，主要是活性碳、石墨化碳黑和碳分子筛等品种。活性碳是无定性碳，具有微孔结构，比表面积大（800-1000m2/g），可用于分析永久气体和低沸点烃类。若涂少量固定液，可用来分析空气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、乙炔、乙烯等混合物。石墨化碳黑是碳黑在惰性气体保护下经高温煅烧而成的石墨状细晶，特别适用于分离空间和结构异构体，也可用于分析硫化氢、二氧化硫、低级醇类、短链脂肪酸、酚、胺类。上述两种碳素固定相用前都需要进行活化处理。方法是先用等体积的苯（或甲苯、二甲苯）冲洗2～3次，然后在350℃通水蒸气洗涤至无浑浊，最后在180℃下活化2小时即可使用。
      碳分子筛又称为碳多孔小球，是聚偏二氯乙烯经高温热解处理后的残留物，比表面积800-1000m2/g，孔径约1.5～2nm，主要用于稀有气体、空气、二氧化碳、氧化亚氮、C1～C3烷烃类分析。多孔碳黑国内外都有商品出售，如国内的TDX-01和TDX-02，国外的Carbon Sieve B等都属此类。使用前通常在180℃下通氮气活化3～4小时，降温后存于干燥器内备用。
4、分子筛
     分子筛是一类人工合成的硅铝酸盐，它具有分布均匀的孔穴。分子筛的性能主要取决于孔径的大小和它的表面特性，当试样分子经过分子筛时，比孔径小的分子可以进入孔内，比孔径大的分子则被排除在外。常用的有4A、5A、13X三种类型，前面的数字表示分子筛的平均孔径，如4A表示孔径为0.4nm。主要用于H2、O2、N2、CO、CH4以及低温下分析惰性气体。
分子筛使用中的注意事项：1、它极易因吸水而失去活性，因此用前须在550～600℃进行活化或在减压条件350℃下活化2小时，降温后储存于干燥器内。使用过程中须对载气进行干燥处理，样品中有水分也应设法除去。2、氨、甲酸、二氧化碳等会被分子筛不可逆吸附。3、可以从氧氮的分离情况来判断分子筛是否失效，失效后的分子筛可以重新活化使用。
（二）高分子多孔小球
     主要有国内的ＧＤＸ型高分子多孔微球，国外Ｐorapak系列等。主要优点有：一是吸附活性低、易获得对称峰，二是对含羟基的化合物具有相对低的亲和力，羟基作用力赿强，亲和力赿弱。在非极性固定相上的出峰顺序基本上按分子量大小分离，特别适合于有机物中痕量水的快速测定；三是可选择的范围大，不仅可以直接使用，还可以涂上固定液，从而增加色谱柱的选择性。
（三）键合固定相
     以一种表面孔径粒度可以人为控制的球形多孔硅胶为基质，利用化学反应把固定液键合于载体表面制成的键合固定相。它具有良好的热稳定性，适合于做快速分析，对极性组分和非极性组分都能获得对称峰，而且耐溶剂抽提。
三、气液色谱固定相
气液色谱填充柱中所用的填料是液体固定相。它由惰性的固体支持物（载体，又叫担体）和其表面涂渍的高沸点有机物液膜（固定液）所构成。
（一）担体
1、担体的要求
    担体是一种多孔性化学惰性固体，在气相色谱中用来支撑固定液。对担体有如下几点要求：
（1）表面积较大；
（2）具有化学惰性和热稳定性；
（3）有一定的机械强度，使涂渍和填充过程不引起粉碎；
（4）有适当的孔隙结构，利于两相间快速传质；
（5）能制成均匀的球状颗粒，利于气相渗透和填充均匀性好；
（6）有很好的浸润性，便于固定液的均匀分布。
完全满足上述要求的担体是困难的，人们在实践中只能找出性能比较优良的担体。
2、担体的分类
通常分为硅藻土和非硅藻土两大类，每一类又有几种小类。
（1）、硅藻土类型：
白色的：表面积小、疏松、质脆，但它的表面吸附作用和催化作用较小，能用于高温分析，应用于分析极性组分时易获得对称峰；
红色的：有较大的表面积和较好的机械强度，但吸附性较大。
一般常用的担体中，白色硅藻土担体有：101担体、102担体、celite545，红色硅藻土担体有：201担体、 6201担体、Ｃ－22保温砖。
（2）非硅藻土类型：
氟担体：表面惰性好，可用来分析强极性和腐蚀性物质，但表面积小，机械强度低，对极性固定液的浸润性差。
玻璃微球：表面积小，柱负荷量小，柱寿命短，其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。
多孔性高聚物小球：机械强度高，热稳定性好，吸附性低，耐腐蚀，分离效率高，是一种性能优良的新型色谱固定相。
碳分子筛：中性，表面积大，强度高，柱寿命长，在微量分析上有优越性。
活性碳：可以单独做为固定相。
沙：主要用于分离金属。
3、担体的处理
常用的担体表面并非惰性，它具有不同程度的催化作用和吸附性（特别是固定液含量低时和分离极性物质时），会造成峰拖尾和柱效下降，引起保留值改变等，因而需要预处理。一般的处理方法有：
（１）酸洗法：用浓盐酸加热处理担体20－30分钟，然后用自来水冲洗至中性，再用甲醇漂洗，烘干备用。此法主要除去担体表面的铁等无机物杂质。
（2）碱洗法：用10％氢氧化钠或5％氢氧化钾的甲醇溶液浸泡或回流担体，然后用水冲洗至中性，再用甲醇漂洗，烘干备用。碱洗的目的是除去载体表面的酸性作用点，适于胺类等碱性化合物的分析。但往往在表面上残留微量的游离碱，它能分解或吸附一些非碱性物质，使用时要注意。
（3）硅烷化：用硅烷化试剂和担体表面的硅醇、硅醚基团起反应，除去表面的氢键结合能力，使表面惰化，改进担体的性能。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、三甲基氯硅烷和六甲基二硅胺烷。
（4）釉化：把欲处理的担体在2.3％的碳酸钠－碳酸钾（1：1）水溶液中浸泡一天，烘干后先在870度下煅烧3.5小时，然后升温到980度煅烧约40分钟。经过这样处理，担体表面形成一层玻璃化的釉质，故称“釉化担体”。这种担体的吸附性能小，强度大，当固定液中加入少量的去尾剂后，能分析如醇、酸等极性较强的物质。但对非极性物质柱效能则稍有下降。此外甲醇和甲酸等物质在釉化担体上有一定的不可逆化学吸附，在定量分析时应予以注意。
（5）其他方法：凡是用化学反应来除去活性作用点或用物理覆盖以达到纯化担体表面性质的方法都可以使用。
4、担体的选择
如果在柱类型方面已选择了填充柱，那么担体的选择也会影响分离。在常用硅藻土担体中，红色担体（如6201、201）可用于分析烷烃、烯烃和芳烃等非极性化合物以及酯、酮等极性较弱的物质。白色担体（如101）可用于分析醇、胺等极性较强的化合物或碱性物质。釉化红色担体（如301）可用于中等极性物质。硅烷化白色担体可用于强极性氢键型物质的测定。有机氟担体可用于分析水、醇、酸、胺等短链极性化合物以及氯硅烷、氟化氢、氯化氢等腐蚀性物质。玻璃微球担体可用于分析沸点较高的物质。分离酸性物质，如酚类，要用酸洗处理的担体。分离碱性物质，如乙醇胺，要用碱洗处理的担体。微量分析要用硅烷化的担体。有些特殊的情况下要用特殊的担体，如氟担体分离异氰酸酯类。但是在普通的常量分析中，对担体可以不必过份讲究，甚至如耐火砖粉粒，玻璃珠砂和海沙也可以使用。
担体的粒度、担体的颗粒均匀性、担体的密度、担体的表面性质等对柱效均有影响。
（1）担体粒度：担体粒度小时，涡流扩散项减小，会使柱效提高。液相传质阻力项也减小，对柱效有利。担体粒度一般只能小到140目左右。否则会影响透气性，造成过大压差，并且装柱时也难于填充均匀，对柱效不利。
（2）担体均匀性：担体均匀性对大直径的制备柱十分重要，它对柱效影响很大。对分析柱而言对柱效影响相对较小。一般对内径3-4毫米的填充柱，常用40-60 目、60-80目、80-100目的硅藻土担体。对玻璃微珠和氟担体，因其几何形状比较规则，大小比较均一，表面比较光滑，不易破碎，又有较好的透气性，故可小至120-140目。
（3）担体密度：担体密度的不同可能会影响保留值。同时，可能由于表面性质的差别，而出现担体效应，对峰形产生影响，影响柱效。
（4）担体表面性质：担体表面性质对峰形和保留值均有影响。硅藻土担体最大问题是担体效应，即担体与组分之间产生一定作用力，造成峰的拖尾，改变保留时间，甚至对某些组分产生缩合或分解。最常见是拖尾现象，特别是对易生成氢键的化合物。
（二）固定液
固定液一般是一种高沸点的有机物液膜，对不同组份的分子间作用力不同，使组份在色谱柱中得到分离。
1、固定液的要求
对气相色谱用的固定液，一般有如下几点要求：
（1）在操作温度下蒸气压低，热稳定性好，与被分析物质或载气不产生不可逆反应；
（2）在操作温度下呈液态，而且粘度愈低愈好。物质在高粘度的固定液中传质速度慢，柱效率因而降低。这决定固定液的最低使用温度；
（3）能牢固地附着在载体上，并形成均匀和结构稳定的薄层；
（4）被分离的物质必须在其中有一定的溶解度，不然就会很快地被载气带走而不能在两相之间进行分配；
（5）对沸点相近而类型不同的物质有分离能力，即保留一种类型化合物的能力大于另一种类型。这种分离能力即是固定液的选择性。
2、固定液的选择原则
根据被分离组分和固定液分子间的相互作用关系，固定液的选择一般根据所谓的“相似性原则”，即固定液的性质与被分离组分之间的某些相似性，如官能团、化学键、极性、某些化学性质等，性质相似时，两种分子间的作用力就强，被分离组分在固定液中的溶解度就大，分配系数大，因而保留时间就长；反之溶解度小，分配系数小，因而能很快流出色谱柱。下面就不同情况进行讨论：
（1）分离极性化合物，采用极性固定液。这时样品各组分与固定液分子间作用力主要是定向力和诱导力，各组分出峰次序按极性顺序，极性小的先出峰，极性越大，出峰越慢；
（2）分离非极性化合物，应用非极性固定液，样品各组分与固定液分子间作用力是色散力，没有特殊选择性，这时各组分按沸点顺序出峰，沸点低的先出峰。对于沸点相近的异构物的分离，效率很低；
（3）分离非极性和极性化合物的混合物时，可用极性固定液，这时非极性组分先馏出，固定液极性越强，非极性组分越易流出；
（4）对于能形成氢键的样品。如醇、酚、胺和水的分离，一般选择极性或氢键型的固定液，这时依组分和固定液分子间形成氢键能力大小进行分离。
“相似相容性原则”是选择固定液的一般原则，有时利用现有的固定液不能达到满意的分离结果时，往往采用“混合固定液”，应用两种或两种以上性质各不相同的，按适合比例混合的固定液，使分离有比较满意的选择性，又不致使分析时间延长。
在实际工作中选择固定液往往是参照资料或文献介绍的实例来选用固定液的。
3、混合固定液的处理方法
混合固定液的处理方法有三种
（1）分别涂渍于担体后再混合；
（2）将固定液混合后再涂渍，注意这时所用的固定液都应溶解在同一个溶剂里；
（3）分别涂渍，分别填装入按比例长短的色谱柱，最后再将它们串接起来。
上述三种处理方法，结果基本相同，但对于特殊的分离，有些也会有差异。
4、常用的固定液涂量
由于固定液含量对分离效率的影响很大。它与担体的重量比例低比例为5%，一般用15%－25%，液体比例再大，则被分析的样品在比较厚的液膜上有扩散现象，有损于分离；液体比例太低时，则由于液膜太薄，担体表面上残余的吸附能力会显示出来，使色谱峰拖尾。由于低比例能促进平衡的建立，可以用较高的载气流速，所以用低的液体比例，再加上少量样品，能缩短分析时间。对硅藻土担体固定液含量可大些（15－30%）；由于氟担体表面积较小，所以最多只能10%；至于玻璃微球由于表面积特别小，固定液含量便只能保持在0.25%左右。
（三）气液色谱柱的制做
1、配柱时常用的固定液溶剂及选用溶剂的原则
常用的溶剂有：甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、正丁醇、正己烷、石油醚、苯、甲苯和氯仿等等。
选用的原则：１、溶解性好，２、不与固定液起化学反应，３、沸点低，４、毒性小。
2、配柱时在担体上涂渍固定液的常规方法
一般配常用的色谱柱，大都采用常规涂渍法，其简要操作为：取所需量的固定液，用适量（能浸过担体）的溶剂溶解，将担体缓缓倒入其中，随到随搅，而后用红外灯照射（或用水浴蒸发）以赶走溶剂，则固定液就附着于担体上了。
3、色谱柱的常用填充方法
固定相填充的好坏，将直接影响柱效率.通常多用泵抽填充法，即把色谱柱的一端塞上玻璃棉，接真空泵，另一端接一漏斗，在抽吸下加入固定相，边装边敲打色谱柱，至固定相不再进入为止。装好后，塞上玻璃棉。装柱要求要填充得均匀、紧密，切忌有空隙。填充好的色谱柱在使用前要老化。

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zhangpei100712

又长姿势了，感谢郎总