色谱仪毛细管色谱柱的种类和选用方法

概述

自从1957年高雷(M.J.E.Golay) 开创了开管柱气相色谱法(Open-TubularColumnChromatography)之后，毛细管柱成为近年来发展极为迅速的一个领域，它的高效分离能力使它能够广泛应用于许多分析问题，是目前分离、分析复杂有机化合物的重要工具。毛细管柱的应用也在我国逐渐普及，许多新制定的国家、行业标准也都采用毛细管柱。毛细管柱是今后色谱分析的发展方向。

毛细管色谱柱是目前气相色谱中用到最多的色谱柱，可以说是气相色谱分离的核心，本文主要说明毛细管色谱柱的选用。

一、毛细管色谱柱的种类

首先说明毛细管柱的种类。一般将毛细管柱分为四种类型：壁涂开管柱（WCOT）、载体涂渍开管柱（SCOT）、交联毛细管柱(CLOT）和多孔层开管柱（PLOT）。

经典的毛细管柱为壁涂开管柱(WCOT——WallCoated OpenTubular Column)，管内经预处理后将固定液直接涂渍在内壁上。因其制备难、柱子的重复性差、内表面小、涂渍量小和相比β值大，将导致有效塔板数和实际分离能力不高，且热稳定性也较差，已很少使用。

多孔层壁涂柱（PLOT——PorousLayer OpenTubular Column）：内壁上仅涂一层多孔性吸附剂微粒，是毛细管气固色谱柱。

载体壁涂柱（SCOT——SupportCoated OpenTubular Column）：内壁上先涂一层载体，载体上再涂固定液。固定液膜可以较厚，柱容量也较大。必须注意，以上两种柱子中的载体只是涂布于毛细管柱的壁上，而非充满整根柱子。

交联毛细管柱(CLOT——Cross-LinkedOpenTubular Column)：涂好固定液后再用偶联剂交联键合，柱子性能有很大改善，能耐高温，抗水、抗溶剂。

其中PLOT柱主要用于永久气体和低分子量有机化合物的分离；SCOT柱所用固定液的量大一些，故柱容量大一些，但由于制备技术复杂，应用也不太普遍。毛细管GC中的主力军是CLOT，其柱材料大多用熔融石英，即所谓弹性石英柱。

二、毛细管气相色谱柱的选用

 分析时，选择最佳的毛细管柱可能是一件非常困难的任务。一根色谱柱的规格描述包括其固定相的种类和内外部尺寸（柱内径、长度和膜厚等）。不同规格的色谱柱，对样品的分离结果影响也不尽相同，如样品分离的洗脱顺序、保留时间、分离度和峰形/峰高等。另外，在实际分析应用中，色谱柱的性能指标，如惰性、塔板数和柱流失率等，同样会严重影响到样品的分离效果。

a. 固定相的选择原则和方法

理论上讲，选择固定相首选遵循相似性原则，即：用非极性固定相分析非极性物质，用极性固定相分析极性物质，用含芳香基团的固定相分析芳香族化合物。在填充柱时代，这个想法是非常正确的，因为那个时候，分离度是首先需要把握的关键因素，分不开，就没办法想其它。它的理由在于塔板理论的推论，即：组分在固定相中有越大的溶解度差异，就会产生越大的分离度。

但是在毛细管色谱时代，分离度不再始终是分析的首选问题。毛细管具有几十万块塔板，如此大的柱效率，以至于不再需要充分考虑分离问题了。这个时候，样品兼容性、使用温度、稳定性、柱流失情况等，都可能成为选择的主要理由。

例如分析甲醇乙醇丙醇等低级醇类，正常应选择wax类高极性色谱柱。但是在杂质较少的情况下，选择DB-1这样的非极性柱具有更高的灵活性和使用寿命。

具体选择要依据以下规则：

i.因为非极性毛细管柱具有明显的稳定性、高使用温度、良好的色谱峰形等有利因素，因此易分离物质应首先选用极性小的色谱柱。

ii.分析氢键型物质用氢键型PEG柱更佳。

iii.轻烃或永久气体用PLOT柱更佳。

iv.高苯基固定相对芳香族物质保留能力更强。但是分析二甲苯等芳烃异构体，首选Wax类强极性色谱柱。

在过去的几十年中，所有的GC应用中，非极性色谱柱的使用率高于中等极性柱和极性柱。一般来说，非极性柱，如HP-5MS柱，可应用与于50%以上的分析。而极性或中等极性柱，如PEG柱，大概适用于25%的分析应用中。通常，我们会先选择非极性色谱柱，而极性色谱柱会选择性的用于比较简单的样品（较少种类化合物组成的样品）。

在选择适用的固定相时，分析设备和分析条件也是需要参考的指标。如检测器的种类、载气和进样体积等。

如果我们不考虑对样品选择性和检测灵敏度的影响，那么就使用检测器低响应固定相的色谱柱。比如说含氰基的固定相，像1301、1701、624等这样的色谱柱就尽量不要与NPD（氮磷检测器）连用。对于超低流失的固定相，如-1MS或-5MS的柱子，因为它们可以保证最低的检测基线和噪声水平，所以在做低或超低检测限样品时，超低流失色谱柱是最好的选择。如果我们使用的载气不纯，或是设备中有气体泄漏，这样的问题无法解决或无法及时解决，为了不使柱固定相过早的被破坏，高温适用固定相的色谱柱是相对好的选择。

另外，除非方法需要，我们尽量选择键合固定相的色谱柱，对比非键合相和非交联相色谱柱，交联键合固定相色谱柱对样品种类和进样体积的耐受力更强，柱性能下降的最慢。

在做应用方法确证时，我们可同时使用非极性柱和极性柱，对色谱峰鉴定或分离结果进行确证。通常我们做农药分析方法确证时，选用-5MS和 -1701/-35色谱柱；做残留溶剂分析方法确证时，选用-5MS和-624/-VMS色谱柱；做醇类或FAME分析方法确证时，选用PEG和含氰基固定相色谱柱；做汽油中氧化物分析方法确证时，选用-1和PEG色谱柱。

b. 色谱柱内径的选择

标准色谱柱内径（ID）尺寸为0.2mm、0.25mm、0.32mm和0.53mm。少数方法会使用到0.1mm和0.8mm内径的柱子。0.25mm是最常用的色谱柱内径尺寸，而0.53mm的色谱柱通常是替代填充柱用于大体积进样的方法应用。

色谱柱内径的大小对分离效果的影响是明显的。越细的色谱柱，其塔板数就越高，柱效就越高，但同时样品承载容量越小，进样体积就需要减少。但内径越小，通常意味着柱容量的减小，在分析低含量组分时，对检测器灵敏度和进样口分流能力的要求越高。因此在选择内径的时候，首先考虑的是样品分析难点，是在于分离还是检测。对于分离困难的样品，首选较小口径的色谱柱；对于含量过低检测困难的样品，首选较大口径的色谱柱。在容易分离的情况下，一般选择小口径毛细管柱可以缩短柱长，减小分析时间。

c. 色谱柱长度

色谱柱的长短直接影响到保留时间和分离效率。实验室应用的色谱柱长多为5m、7.5m、10m、12.5m、15m、25m、30m、50m、60m、75m、100m和105m等。最常见的色谱柱长度是30m。

对于快速分析来说，除了选择适当的内径，柱长度也短许多（例如5～15mx 0.25mm）。只有这样，才有可能在最短的时间内，得到最佳的分离效果和分析结果。

如果方法需要改进提高分辨率，较长的色谱柱，如60m或100m，是理想的选择。分辨率与柱长的平方根成正比。需要注意的是，像一根60m长的色谱柱相对于30m的柱子，其分辨率提高近40%，但分析时间会成倍增长。

在挥发物的分析应用中，为了改善分离效果，常使用较长的柱型，如50m、60m和100m等。在气态样品和精细烃分析应用中，较长色谱柱的使用较为普遍。

更长的色谱柱会影响柱惰性、柱流失和柱效等多个方面。同时，需要更高的载气压力或更换载气的种类（如把氮气更换成氢气/氦气）。

d. 色谱柱膜厚

商品化色谱柱的膜厚规格一般是0.1μm、 0.15μm、 0.25μm、 0.5μm、 1.0μm、 1.5μm、 3μm、5μm等等。实验室中最常见的色谱柱膜厚为0.25μm、0.5μm和1μm。

膜厚主要影响两个指标：保留时间和样品负载能力。

另外，色谱柱适用温度范围、分析时间和分析结果的准确性和可靠性等也与膜厚有关。例如一根内径为0.25mm，膜厚为0.1μm的色谱柱可以达成快速分离的效果，甚至可以改进分辨率，降低色谱柱的流失，适用于更宽泛的温度范围等。膜厚会影响到色谱柱惰性，而这个指标在有些应用中是非常重要的。同时膜厚对色谱柱样品承载能力的影响也是很明显的。

0.25μm× 0.25mm、0.5μm × 0.32mm、1μm或1.5μm × 0.53mm规格的色谱柱在分离效果、保留性能、分辨率、惰性和柱流失等指标方面较为均衡，使用也较多。

膜厚与柱内径的关系体现在相比（β）上。相比β是色谱柱中气相容积和固定相容积之比，计算公式为β=r/2d，其中r为色谱柱半径，d为液膜厚度。相比是决定一个固定长度色谱柱中组分流出时间的决定性因素。如果有两根相同相比和固定相的色谱柱，内径不同，在相同的温度条件下，两根色谱柱的分离效果和保留性能相同或相似。

需要注意的是：相比只是决定保留时间的主要因素，但并不是决定理论塔板数（柱效率）的主要因素。决定柱容量（最小检出量）的主要因素是内径和膜厚，决定柱效率的是内径，决定保留时间的是相比。在综合平衡柱容量、柱效率、分析时间三方面因素的时候，需要注意相比的影响。

最后要强调的一点是，选择色谱柱是必须要看具体的分析任务。如果是做法规分析，则必须按有关法规的要求选择色谱柱。如一些产品的质量检验，尽管用毛细管柱可以得到更好的分析结果，且分离效率高、分析速度快，但若国家标准或行业标准规定用填充柱，那就应该用填充柱，否则分析结果不被法规所认可。当然，作为方法开发的研究，用毛细管柱常常是有利的。

（内容来源气相色谱之家）