填充柱的应用

填充柱在气相色谱中应用

色谱柱又称分离柱，是填充了色谱填料的内部抛光不锈钢柱管或塑料柱管。色谱柱是实现分离的核心部件，要求色谱柱的柱效高、柱容量大和性能稳定。分析型色谱柱的内径通常在4~8mm，柱长通常在50~250mm。液相色谱填充柱内径通常在3~5mm，典型的柱内径是4mm。气相色谱中所用毛细管柱的内径一般小于1mm。微型柱是内径在1mm左右的填充型色谱柱，通常用于高灵敏的微量成分分离。因为气相色谱的载气种类少，分离选择性主要依靠选择固定相。色谱峰能否分离，首先取决于固定相，迄今已有数百上千种气相色谱固定相，常用的不过十几种。第一节气-固色谱固定相-固体固定相

气—固色谱法广泛应用于永久气体和低沸点烃类的分析。常用的固定相种类有非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，极性的分子筛，氢键型硅胶等。

气-固色谱与气-液色谱相比，有许多特点及不同之处，见表5-1。气固色谱适合于分析永久气体，气态烃；热稳定性好，柱温上限高；一般情况下，吸附等温线不成线性，峰不对称；由于固定相表面结构不均匀，所以重现性不好。

表5-1 气-固色谱与气-液色谱的比较

气-液色谱气—固色谱

1 分配系数小，保留时间短吸附系数大，保留时间长

2 色谱峰对称色谱峰常常不对称

3 保留值重现性好，吸附剂间差异大，保留值及分离性能不稳定

4 固定液一般无催化性高温下吸附剂有催化性

5 可用于高沸点化合物的分离适用于永久气体和低沸点烃类的分离

6 品种多，选择余地大品种少，选择余地不大

7 高温下固定液易流失较高柱温下不易流失

一、吸附剂

虽然吸附剂的种类很多，但是在气固色谱中作为固定相的却不多，一般仅限于活性炭、石墨化炭黑、碳多孔小球、硅胶、氧化铝，分子筛等。由于吸附剂的性能与制备、活化条件等有很大关系，所以，不同来源的同种吸附剂，甚至于同一来源的非同批产品，其色谱分离效能均不重复。

（一）活性炭－－非极性。有较大的比表面积，吸附性较强。可用于惰性气体、

永久气体，气态烃的分析等分析。由于活性炭表面活性大而不均匀，会造成色谱峰拖尾，现在很少使用权了。

（二）石墨化炭黑(Cabopack系列)：非极性。为克服活性炭的缺点，把炭黑进行高温处理，如加热到3000℃，表面均匀、使活性点大为减少。所以大大改善了色谱峰形，提高了分析重现性。据有关研究认为石墨化炭黑的表面没有官能团，没有π键，它的吸附性主要靠色散力起作用，因而石墨化炭黑的极性比角鲨烷还小。

（三）碳分子筛（碳多孔小球；TDX系列)－－非极性。是用偏聚氯乙稀小球进行热裂解，得到固体多孔状的炭。碳多孔小球的国外商品名为Carbosieve，国内叫TDX，具体牌号有TDX-01、TDX-02。碳多孔小球特点是非极性很强，表面活性点少，疏水性强，可使水峰在甲烷前或后洗脱出；柱效高；耐腐蚀、耐辐射；寿命长。TDX可用于分析H2、、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、以及C3的烃类和SO2等气体的分析；氮肥厂的半水煤气分析；金属热处理气氛的分析；低碳烃中水分的分析等。

图5-1是碳分子筛分离含硫化合物的色谱图。图中各峰的组分依次是1.空气；

2.硫化氢；

3.氧硫化碳；

4.三氧化硫；

5.甲基硫醇；

6.二硫化碳。

图5-2碳分子筛分离含硫化合物

（四）活性氧化铝－－有较大的极性。热稳定性好，机械强度高，适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附，因此不能用这种固定相进行分析。

（五）硅胶SiO2 xH2O (Porasil系列等)－－强极性。分离能力决定于孔径大小及含水量，一般用来分离C2—C4烃类及某些含硫气体:H2S、CO2、N2O、NO、NO2、、N2O、SO2，有与活性氧化铝大致相同的分离性能，且能够分离臭氧。（六）分子筛－－有特殊吸附活性。碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。人工合成的泡沸石，化学组成为MOAl2O3 xSiO2yH2O其中Ｍ是金属离子Na+、K+、 Ca2+等，合成的泡沸石加热时，结构水就从空隙中逸出，留下一定大小均匀的孔穴。当样品分子经过分子筛时，比孔径小的分子被吸进去，比孔径大的分子通过分子筛出来，故分子筛实际是个反筛子。分子筛的种类很多，分析用的有4A、5A、13X等，其中前面的数字代表孔径，A、X表示类型，A、X化学组成不

同。用于分析气样中N2和O2有特效。分子筛可用来分离永久气体、H2、H2S、O2、CH4、CO气态烃分析等。特点是能在高温下使用，但重复性好的吸附剂很难制备，往往使峰拖尾。图5-3表示活性炭吸附剂（13X分子筛）分离永久气体的色谱图，柱温22℃，He气流速20ml/min。

图5-3 活性炭吸附剂（13X分子筛）分离永久气体的色谱图

二、分子多孔微球(Porapak， Chropmosorb等)

高分子多孔微球是新型的有机合成固定相，是用苯乙烯与二乙烯苯共聚所得到的交联多孔共聚物。既可做固定相，又可做载体。Hollis所研究的PorapakQ 是一种色谱分离性能很好的气-固色谱固定相。我国天津化学试剂二厂的GDX系列分为非极性，弱极性，中等极性的相当于美国的Parapak，chromosorb系列，型号有GDX-101、GDX-102、GDX-103、GDX-104、GDX-105、GDX-201、GDX-301、GDX-501等。适用于水、气体及低级醇的分析。

高分子多孔微球的特点是：

（一）表面积大，机械强度好。

（二）疏水性很强，可快速测定有机物中的微量水分。如顺丁橡胶合成中要求单体丁二稀含水量在3×10-5 g/mL 以下，可用1M×4㎜的GDX-105色谱柱，120℃柱温下，载气流速33mL/min很好分离测定。

（三）耐腐性好。可分析HCI、NH3、HCN、Cl2、SO2等活性气体。有机溶剂和氯化氢中的微量水分可用GDX-104色谱柱测定。[见文献]。

（四）不存在固定液流失问题。

图5-4是Porapak Q(150-200目)填充柱、TC=220℃、载气He 37ml/min、TCD

检测器测定溶剂中水分的色谱图。

图5-4 Poropak Q 测定溶剂中水

三、化学键合相

化学键合相的优点是防止固定液流失，提高柱效。将在以后章节中讨论。

第二节气液色谱固定相

气液色谱固定相是固定液均匀地涂在载体上，载体是化学惰性的固体微粒，用来支持固定液的，气液色谱固定相中的固定液大多数是高沸点的有机化合物，在气相色谱工作条件下呈液态，所以叫固定液。在气—液色谱柱内，被测物质中

各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同。当载气携带被测物质进入色谱柱，和固定液接触时，气相中的被测组分就溶解到固定液中去。载气连续进入色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中去。随着载气的流动，挥发到气相中的被测组分分子又会溶解到固定液中。这样反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同。溶解度大的组分就较难挥发，停留在柱中的时间长些，往前移动得就慢些。而溶解度小的组分，往前移动得快些，停留在柱中的时间就短些。经过一定时间后，各组分就彼此分离。

固定液配比一般是3-25%，配比指固定液在固定相中所占重量，色谱柱起分离决定作用的是固定液。载体作用是提供一个大的惰性表面，以便涂上固定液。

一、气液色谱载体

载体是一种化学惰性、多孔性的颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。

（一）对载体的要求

1．载体表面应是化学惰性的，即表面没有吸附性或和吸附性很弱，更不能与被测物质起化学反应。

2．足够大的表面积。多孔性，即表面积较大，使固定液与试样的接触面较大。3．热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎。

4．形状规则、大小均匀。对担体粒度的要求，一般希望均匀、细小，这样有利于提高柱效。

（二）载体的分类

气—液色谱中所用担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两大类。

1．硅藻土类载体：

由天然硅藻土煅烧而成的。常用此类担体，主要成分无机盐。根据制造工艺和助剂不同，又可分为红色担体和白色担体两种。

（１）红色载体：孔径较小，表面孔穴密集，比表面积较大(4 m2/g)，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性化合物。缺点是表面存有活性吸附中心点。常见的有201、202系列、6201系列等

（２）白色载体：白色担体是在煅烧时加Na2CO3之类的助熔剂，使氧化铁转化

为白色的铁硅酸钠。白色载体颗粒疏松，孔径较大。表面积较小(1 m2/g)，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性化合物。常见的有101、102系列。２．非硅藻土载体

（１）玻璃微球：是小玻璃珠，颗粒规则，涂渍困难。

（２）聚四氟乙烯：吸附性小，耐腐蚀，分析SO2、Cl2、HCl等气体。

（３）高分子多孔微球 GDX既可做G S C固定相，又可做G L C载体GDX-101、102、103、104、105－－201、202－－301－－401－－501（GDX系列产品）。前面的数字表示极性，后面的数字是不同的稀释剂（汽油、甲苯等）用量。（三）硅藻土类载体的表面处理

普通硅藻土类载体表面并非惰性，含有≡Si-OH，Si-O-Si，=Al-O-，=Fe-O-等基团，故既有吸附活性又有催化活性。若涂渍上极性固定液，会造成固定液分布不均匀；分析极性试样时，由于活性中心的存在，会造成色谱峰拖尾，甚至发生化学反应。因此，载体使用前应进行钝化处理，方法如下：会造成色谱峰拖尾，甚至发生化学反应。因此，使用前应进行钝化处理，钝化处理方法如下：

1．酸洗、碱洗（除去酸性基团）：用浓HCl、KOH的甲醇溶液分别浸泡，以除去铁等金属氧化物及表面的氧化铝等酸性作用点。

2．硅烷化：（消除氢键结合力）用硅烷化试剂(二甲基二氯硅烷等)与载体表面的硅醇、硅醚基团反应，以消除担体表面的氢键结合力。处理后，性能好，但试剂昂贵。

3．釉化（表面玻璃化、堵微孔）：以碳酸钠，碳酸钾等处理后，在担体表面形成一层玻璃化釉质。

（四）载体的选择

1．红色硅藻土载体用于烷烃、芳烃等非极性、弱极性物的分析。

2．白色硅藻土载体用于醇、胺、酮等极性物的分析。

3．固定液含量大于5%，一般选用的红色、白色载体。

4．固定液含量小于5%，一般选用处理过的载体。

5．高沸点化合物的分析要选玻璃微球；强腐蚀的物质的分析选氟载体。

二、气液色谱固定液

（一）特点

气液色谱固定液的特点是可得较对称的色谱峰；可供选择的固定液很多；谱图重现性好；可在一定范围内调节液膜厚度。

（二）对固定液的要求

1．选择性好（对填充柱要求α1.2>1.15，或α1.2>1.08）；

2．化学稳定性好，热稳定性好热稳定，化学稳定性好（每种固定液都有一个“最高使用温度”），固定液的蒸汽压要低，固定液流失要少；

3．对组分要有一定的溶解度，即对组分有一定的滞留性；

4．凝固点低，粘度适当（因为凝固点以下，固定液凝固，只起吸附作用，所以凝固点就是固定液的“最低使用温度”）。

（三）固定液与组份分子间作用力

固定液为什么能固定在载体表面，而不被载气带走？组分分子为什么能溶解在固定液里，而且有不同的溶解度？这都是由于固定液、组分分子间的相互作用结果。组分之所以能够分离，是由于组分在色谱柱中容量因子k就是组分与固定液分子间的作用力不同。固定液与组分分子间作用力从tR反映出来。分子间作用力包括定向力、诱导力、色散力、氢键作用力。不同，在固定液中的溶解力不同，也

图5-5 固定液、组分分子间的相互作用力

1．定向力（静电力）——极性分子和极性分子间的作用力E

（5-1）

5-1式中，μA、种极性分子的永久偶极矩；r为分子间距离；k为波兹曼常数；T为温度。μS为两

极性固定液分离极性样品组分时，定向力起主导作用，分子间距离越小，相互作用越强，偶极矩越大，作用力越大。该组分滞留时间就越长。图5-6表明用极性固定液甘油分离极性组分乙醇时，定向力起主导作用，乙醇的保留时间长。

图5-6 用极性固定液分离极性组分乙醇

2．诱导力ED

一个具有永久偶极的极性分子，永久偶极对非极性分子会产生诱导作用，产生偶极，此时两分子间相互吸引而产生诱导力。

（5-2）

5-2式中，αSαS为组分和固定液的分子极化率。

诱导力通常是很小的，但在分离非极性和可极化分子的混合物时，极性固定液的诱导力就突出表现出来，例如图5-7表达了苯(沸点：80.10℃)与环己烷(沸点80.81℃)在不同极性固定液中的分离情形。苯的环己烷的两种组分都是非极性分子，无永久偶极，沸点接近。若用非极性固定液很难分开，但苯比环己烷易极化。若用强极性的ββ′氧二丙腈固定液，使苯产生诱导偶极矩，很易分离。tR苯=6.3tR环己烷。

图5-7苯(沸点：80.10℃)与环己烷(沸点80.81℃)在不同极性固定液中的分离3．色散力EL——非极性分子间唯一的相互作用力.

（5-3）

式中，IA、IS为组分和固定液分子的电离能，有机物分子电离能接近。

非极性分子间没有静电力与诱导力，由于分子电中心瞬间位移产生瞬间偶极矩，能使周围分子极化，被极化的分子又反过来加剧瞬间偶极矩变化幅度产生所谓色散力。例如用非极性角鲨烷固定液，分离非极性C1～C4正构烷烃，因为色散力与沸点成正比，所以按沸点顺序出峰。

4．氢键作用力－－一个氢原子与一个电负性大的原子构成共价键，又能与另外一个电负性大的原子形成一种有方向性的静电吸附力，叫氢键力。假如固定液分子中含—OH —COOH —NH2官能团，分析组分含F、O、N化合物时，常有显著氢键作用，使保留值增大。

氢键强弱顺序为： F—H……F＞O—H……O＞O—H……N＞N—H……N＞

N≡CH……N

（四）固定液的分类——如何评价固定液？

目前约有700多种可供使用的固定液，如何对众多的固定液有规律的排列，以利于选择，方法有如下几种:

1．五级分类法

用（5-4）式计算时要选择一物质对，常用苯与环己烷。分别在非极性、极性、被测固定液柱上测出物质对的相对保留值，并取对数。这种分类法的优点是直观、简单。缺点是粗分，有时P出现负值。

（5-4）

五级分类法规定了ββ’氧二丙腈的相对极性P=100；角鲨烷（异30烷）相对极性P=0；其它固定液按下式计算：

（5-5）

根据（5-5）式算出各种固定液的PX，然后把极性分为五级，每20为1级，共粗分为五级。所有固定液相对极性都在0—100之间。所有固定液分成为强极性，极性，中等极性，弱极性，非极性五类。

这样最强极性固定液β，β’—氧二丙晴极性为100；非极性固定液角鲨烷极性为0；其余，0－－100之间。见表5-2。

如果 0 －－－－－－－－－－-20 +1

如果 21－－－－－－－－－－-40 +2

如果 41－－－－－－－－－－-60 +3

如果 61－－－－－－－－－－-80 +4

如果 81－－－－－－－－－－-100 +5

表5-2 固定液的相对极性、分级、最高使用温度和分析对象

固定液名称固定液的相对极性级别最高使用温度℃ 分析对象

异烷（角鲨烷） 0 C8前烷烃

阿皮松N 高沸点有机物

SE—30 高沸点有机物

邻苯二甲酸二壬酯（DNP）有机物

PEG600 74 4 120 含D，N有机物

ββ′氧二丙腈脂肪烃、芳香烃、氧化物、等极性化合物

这种表示固定液极性方法的缺点是未能反映出固定液与组分间的全部作用力，主要反映分子间的诱导力，所以不完善，为此提出下列的特征常数分类法。2．罗什那德常数(特征常数法)

按相对极性分类只反映分子间的诱导力，而实际上，组分与固定液分子间除诱导力外，还尚有定向力、色散力、氢键作用力等。因此相对极性不能反映分子间的全部作用力。

4．按化学类型分类

（1）烃类极性最弱，有角鲨烷、石蜡油、聚乙烯等。适用于非极性物分析。基

本上按沸点顺序出峰。

（2）聚硅氧烷类应用最广，使用温度范围宽（50－－-350℃），固定液的种类日益增多，引入不同的取代基，使极性不同，如甲基聚硅氧烷，苯基聚硅氧烷等。中、英文名称对照：methyl silicone－－甲基硅酮

methyl polysiloxane－－甲基聚硅氧烷、硅醚结构，见图5-8。根据分子量不同，状态分别为油、橡胶等。

（3）醇、醚类易形成氢键，选择性取决于氢键作用力。

聚乙二醇固定液应用最多。种类有PEG-200、300、400、1000、1500、6000、20M。PEG-后面的数字代表平均分子量。

（4）酯类为中等极性，含有极性和非极性集团。例如邻苯二甲酸二壬酯（DNP）、丁二酸二乙二醇聚酯（DEGS）。

（5）其它固定液还有有机皂土；液晶；手性固定相等固定液。

（五）固定液的选择

固定液的选择没有严格的规律可循，一般规则是根据样品来选固定液。

固定液的分离特征是选择固定液的基础。固定液的选择，一般根据“相似相溶”原则进行。在GC中，常用“极性”来说明固定液和被测组分的性质。如果组分与固定液分子性质 ( 极性 ) 相似，固定液和被测组分两种分子间的作用力就强，被测组分在固定液中的溶解度就大，K就大，也就是说，被测组分在固定液中溶解度或K的大小与被测组分和固定液两种分子之间相互作用的大小有关。1．已知样品

分离非极性物质，一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序先后流出色谱柱，沸点低的组分先出峰，沸点高的组分后出峰。

分离极性物质，选用极性固定液，这时试样中各组分主要按极性顺序分离，极性小的先流出色谱柱，极性大的后流出色谱柱。

分离非极性和极性混合物时，一般选用极性固定液，这时非极性组分先出峰，极性组分 ( 或易被极化的组分 ) 后出峰。

对于能形成氢键的试样，如醇、酚、胺和水等的分离。一般选择极性的或是氢键型的固定液，这时试样中各组分按与固定液分子形成氢键的能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。

（1）相似相溶原则：按极性选择固定液；按化学官能团选择固定液。

（2）按组分之间的沸点差别或极性差别选择：如果主要差别是沸点差别，选非极性固定液；如果主要差别是极性差别，则选极性固定液。

（3）按麦氏常数选择固定液，对于不同类组分的分离可按麦氏常数选择固定液。（4）特殊样品选特殊固定液：例如分离醇、水可选GDX；分离N2、O2可选分子筛。

（5）选择混合固定液：对于复杂的样品的分离，单一固定液分不开，可选混合固定液。

2．未知样品时

（1）用毛细管柱初分离

实验室中可常备中等极性，极性和非极性三根毛细柱。由于毛细管柱具有很高的分离效能，一般的组分未知样品大都可以得到良好的分离，使用不同极性的毛细管柱，进行定性分离，可以确定样品中组分的峰数、极性范围等。

（2）几种常用的固定液

就目前来说，被优选的次数最多，性能好、有代表性的固定液见表5-4。

表5-4最常用的气液色谱固定液

名称商品代号毛细柱使用情况% 填充柱使用情况%

1 聚二甲基硅氧烷 OV-101，SE-30，SP2100 55 50

2 聚苯基二甲基硅氧烷 OV-17，SP2250

3 聚乙二醇 PEG-20M 27 44

4 聚酯 DEGS

5 全氰基聚硅氧烷 SP2340

6 三氟丙基聚硅氧烷 OV-201，SP2401 4 9

固定液SE—30、OV—17、QF—1（丙酮会使其分解）、PEG—20M、DEGS的极性依次增大，未知样品可以先在QF—1上分离，而后换成OV—17，若有所改善，再减小到SE—30。若由QF—1到OV—17分离度变坏，可增加极性。然后再细分。第三节气液色谱填充柱的制备

一、根据样品选择固定液、载体

二、根据固定液选择溶剂

三、根据配比和所需固定相的量，计算所需固定液的量、载体的量

例如：固定相20克，固定液DNP含量为10%，用101白色载体制备气液色谱填充柱。

计算：所需DNP固定液是2克，101白色载体是18克

四、涂渍

将称好的固定液放在一个烧杯中，加入适量的溶剂溶解。将称好的载体，倒入溶解好固定液的烧杯中，在适当的温度下，轻轻摇动烧杯，让溶剂均匀挥发。如果溶剂沸点高，可在红外灯泡下烘干，直至载体呈颗粒状、没有溶剂气味-为止。

五、柱的填充

（一）柱的清洗：依次用自来水－－5%NOH－－蒸馏水－－丙酮－－馏水清洗，然后烘干。

（二）柱的填充：用玻璃棉将柱的一端（接检测器的一端）塞牢，经缓冲瓶与真空抽气机连接，柱的另一端接一漏斗，徐徐倒入涂有固定液的载体，边抽真空边轻敲柱管，直至装满为止。用玻璃棉塞紧柱的另一端口。

六、柱的老化

（一）目的：彻底除去填充物中的残留溶剂和某些挥发性的物质；也促使固定液均匀牢固地分布在载体的表面上。

（二）方法

在常温下使用的柱子，可直接装在色谱仪上，接通载气，冲至基线平稳即可使用；如果新装填好的色谱柱要在高温操作条件下应用，则要将装填好的色谱柱接入色谱仪中，但柱出口不与检测器相连，以防止加热时从柱内挥发出的杂质污染检测器。在操作温度低于最高使用温度下，通入载气，将柱加热几小时至几十小时，这一过程为老化。老化时，升温要缓慢，老化后，将色谱柱与检测器连接上，待基线平直后就可进样分析。