有關(guān)色譜柱的內(nèi)容，我們做過毛細(xì)管色譜柱的一生：從選用到報(bào)廢的那些事兒、打開色譜柱知識(shí)“魔法口袋”、色譜柱使用中常見問題及解決方案、C18色譜柱的選用、保養(yǎng)與維修等，今天我們推送一期更為基礎(chǔ)的知識(shí)，以饗讀者。

 

今天推送的主要內(nèi)容包括：

 

1 簡(jiǎn)介

2 毛細(xì)管色譜柱的類型

3 色譜柱的選擇

4 毛細(xì)管柱的使用條件選擇

5 色譜柱的使用與保養(yǎng)

 

下面，讓我們逐一學(xué)習(xí)。

 

1 簡(jiǎn)介

 

氣相色譜毛細(xì)管柱因其高分離能力、高靈敏度、高分析速度等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。隨著彈性石英交聯(lián)毛細(xì)管柱技術(shù)的日益成熟和性能的不斷完善，已成為分離復(fù)雜多組分混合物、及多項(xiàng)目分析的主要手段，在各領(lǐng)域應(yīng)用中大有取代填充柱的趨勢(shì)。現(xiàn)在新型氣相色譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀基本上都是采用毛細(xì)管色譜柱進(jìn)行分離分析。但是，毛細(xì)管色譜柱柱內(nèi)徑較小，固定液的膜薄，用于食品中殘留物分析時(shí)，若使用不當(dāng)，色譜柱性能很快就會(huì)下降。本文旨在向初次接觸氣相色譜毛細(xì)管柱的操作者介紹不同類型的毛細(xì)管色譜柱的性質(zhì)、選擇、使用方法及注意事項(xiàng)等。

 

毛細(xì)管柱只能安裝在配有專用毛細(xì)管柱連接裝置的氣相色譜儀上。現(xiàn)在購(gòu)買儀器時(shí)最常規(guī)的配置是配毛細(xì)管分流/不分流進(jìn)樣口。

 

2 類型

 

毛細(xì)管色譜柱的類型有很多種，但目前最常用和商品化的，是開口熔融石英交聯(lián)毛細(xì)管色譜柱。本文僅介紹此類毛細(xì)管色譜柱的性能特點(diǎn)。

 

2.1 熔融石英毛細(xì)管柱

 

2.1.1 熔融石英毛細(xì)管柱材料

 

現(xiàn)在市售商品化的氣相色譜用毛細(xì)管柱幾乎都是由熔融石英制作的，簡(jiǎn)稱石英毛細(xì)管柱。制作毛細(xì)管柱用的石英純度非常高，幾乎無其它雜質(zhì)。它具有熔點(diǎn)高（近2000℃）、熱膨脹系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好和抗張強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是制備毛細(xì)管柱的理想材料。

 

毛細(xì)管柱內(nèi)壁存在有許多具有吸附活性的基團(tuán)，這些基團(tuán)的存在直接影響固定相涂漬效果，所以，在涂漬固定相之前，柱表面必須經(jīng)過適當(dāng)預(yù)處理，以期得到較高的柱效和對(duì)稱的色譜圖形。

 

2.1.2 石英毛細(xì)管柱的聚酰亞胺外涂層

 

石英毛細(xì)管柱很脆，只有在毛細(xì)管柱外涂一層聚酰亞胺保護(hù)材料后才具有很好的彈性，在使用這樣的色譜柱時(shí)應(yīng)十分小心，避免將聚酰亞胺涂層損壞，導(dǎo)致毛細(xì)管柱易折斷。

 

通常商品毛細(xì)管柱出廠時(shí)都固定在一個(gè)金屬絲制作的柱架上，柱架的直徑與毛細(xì)管柱的直徑成正比，即：毛細(xì)管柱的直徑越大，固定架的直徑也就越大。對(duì)于0.53mm內(nèi)徑的毛細(xì)管柱，過度彎曲很容易折斷，使用安裝時(shí)要格外小心。

 

石英毛細(xì)管柱外涂層還有采用鍍鋁膜的，這類柱子適用于高溫分析。但日常分析工作中使用較少，這里不作詳細(xì)介紹。

 

2.2 液體固定相

 

將固定相均勻涂漬在毛細(xì)管柱的內(nèi)壁，制成壁涂型毛細(xì)管柱，這類毛細(xì)管柱屬非交聯(lián)型毛細(xì)管柱。現(xiàn)在只有少部分的非交聯(lián)固定相的毛細(xì)管柱在使用。非交聯(lián)毛細(xì)管柱的固定相容易流失，不能清洗，因此使用壽命較短，但制作成本較低，涂漬相對(duì)較容易，往往在毛細(xì)管柱研制前期過程中采用此方法。在使用這類毛細(xì)管色譜柱時(shí)，應(yīng)注意使用溫度不要超過液體固定相的最高使用溫度。建議不要在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀上使用。

 

2.3 交聯(lián)固定相

 

現(xiàn)在市售的商品毛細(xì)管色譜柱基本上均采用交聯(lián)技術(shù)，將固定相與石英表面結(jié)合起來，在毛細(xì)管柱表面形成一層不溶的類似橡膠的非常穩(wěn)固的涂層。被交聯(lián)的固定相與涂漬的固定相相比，流失低，抗污染，熱穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)。

 

如果交聯(lián)固定相色譜柱被污染，可以用適合溶劑來清洗（見第5節(jié)）而基本不會(huì)對(duì)涂層造成損傷。而且此類毛細(xì)柱在色譜分析時(shí)可以通過柱上進(jìn)樣和不分流進(jìn)樣模式實(shí)現(xiàn)大體積進(jìn)樣，最多可注入50～250μL液體溶劑。當(dāng)然，這需要儀器上配有相應(yīng)的裝置。

 

2.4 最高操作溫度

 

可以通過不同的方法來確定一個(gè)特定的毛細(xì)管柱的最高操作溫度。作為商品化的交聯(lián)固定相毛細(xì)管色譜柱，使用時(shí)應(yīng)注意不要超過說明書或標(biāo)識(shí)牌上規(guī)定的最高溫度。如超過規(guī)定的最高溫度，特別是恒定持續(xù)的超高溫操作，會(huì)造成毛細(xì)管色譜柱不可逆的損傷，輕則使柱效下降、使用壽命減少，重則使毛細(xì)管柱損壞。

 

對(duì)于相同型號(hào)毛細(xì)管色譜柱而言，固定相涂層薄的比涂層厚的允許使用的最高溫度可以稍高一些。

 

2.5 最低操作溫度

 

色譜柱操作溫度的低限是由固定相從液體變?yōu)楣腆w的溫度所決定的。如果色譜柱在其最低溫度以下工作，就可能出現(xiàn)峰展寬并且有些被測(cè)物難于分開。

 

表1中列出各種不同固定相和膜厚的色譜柱推薦使用溫度。表中給出的溫度值可作為參考值。

 

表1　不同固定相和膜厚的色譜柱的推薦使用操作溫度

 

固定相	最高操作使用溫度℃a		最低操作溫度
	薄膜(<1.0μm)	厚膜(>1.0μm)	℃
100％二甲基聚硅氧烷	320/350	310/330b	-60
5％二苯基95％二甲基聚硅氧烷	330/360	310/330	-60
6％腈丙苯基94％二甲基聚硅氧烷	330/360	310/330	-80
35％二苯基65％二甲基聚硅氧烷	300/320	260/280	-60
14％腈丙苯基86％二甲基聚硅氧烷	300/320	240/260	-20
50％苯基50％甲基聚硅氧烷	300/320	260/280	-20
100％三氟丙甲基聚硅氧烷	320/340	240/260	40
50％腈丙甲基50％苯甲基聚硅氧烷	220/240	200/220	55
聚乙二醇	250	220/250	55
90％雙腈丙基10％苯腈丙基聚硅氧烷	260/275	­——	20

 

注：a. 前面為等溫操作最高溫度，后面為程序升溫操作最高溫度。

b. 色譜柱的操作溫度應(yīng)以公司產(chǎn)品說明書規(guī)定為準(zhǔn)，表中的值僅供參考。

 

3 選擇

 

選擇毛細(xì)管柱時(shí)需注意的柱參數(shù)包括：固定相、內(nèi)徑、膜厚度和柱長(zhǎng)。下面按毛細(xì)管柱選擇中參數(shù)的重要性進(jìn)行排列和討論。

 

3.1 固定相

 

對(duì)于一個(gè)樣品的分析，可采用帶有固定相的毛細(xì)管柱或填充柱。單一樣品分析采用填充柱，經(jīng)濟(jì)、快速、柱負(fù)載高、抗污染，適合企業(yè)生產(chǎn)時(shí)單機(jī)、單一項(xiàng)目檢測(cè)。而多殘留分析或多項(xiàng)目分析更推薦采用毛細(xì)管柱，因?yàn)槊?xì)管色譜柱適用性和分辨率更好，不像應(yīng)用填充柱分析時(shí)那么專一、嚴(yán)格，例如：多數(shù)在100％二甲基硅氧烷固定相上可以進(jìn)行分析的物質(zhì)，在5％二苯基＋95％二甲基硅氧烷固定相上同樣可以進(jìn)行分析。

 

非極性固定相具有更好的抗氧化性、更高的效率和更高的極限操作溫度（最高可達(dá)360℃），所以，在可以完成所需分離的情況下，盡可能選擇固定相極性弱的色譜柱，這樣可以延長(zhǎng)色譜柱的壽命。分析強(qiáng)極性物質(zhì)，如：酸、醛、醇、胺等，為獲得較好分離，需選用極性較強(qiáng)的固定相。有時(shí)為了縮短分析時(shí)間，也選用與被測(cè)物極性相反的固定相。

 

在一個(gè)色譜分離過程中，溶質(zhì)與固定相之間存在多種相互作用，因此，最佳固定相的選擇很大程度上取決于溶質(zhì)的性質(zhì)。

 

表2　常用商品彈性石英毛細(xì)管色譜柱一覽表

 

 

在進(jìn)行樣品分析以前，建議先閱讀相關(guān)的應(yīng)用文獻(xiàn)推薦的色譜柱型號(hào)，或者查閱各公司的色譜耗材毛細(xì)柱目錄，從中獲得不同固定相應(yīng)用分析的化合物種類的相關(guān)信息。這對(duì)被測(cè)物有效分離選擇色譜柱很有用。部分常用商品石英毛細(xì)管色譜柱生產(chǎn)公司、牌號(hào)、型號(hào)、用途見表2。

 

3.2 內(nèi)徑

 

在一系列石英毛細(xì)管色譜柱中有5種內(nèi)徑較為常用。每種都有其特定的應(yīng)用領(lǐng)域和適合的使用范圍。

 

? 0.53mm內(nèi)徑毛細(xì)管柱

0.53mm內(nèi)徑的色譜柱樣品容量很大，可與填充柱相比，進(jìn)樣理想方式是直接在高載氣流速下注入，從而減少連接體系的死體積，減少色譜峰的拖尾。0.53mm內(nèi)徑柱還可以配合特殊進(jìn)樣口裝置，如：柱上進(jìn)樣或冷柱頭進(jìn)樣裝置，使用0.47mm外徑針頭的微量注射器進(jìn)行柱頭或冷柱頭進(jìn)樣。

 

0.53mm內(nèi)徑柱的毛細(xì)管柱相當(dāng)于由填充柱到毛細(xì)管柱的簡(jiǎn)單升級(jí)，可以自己動(dòng)手對(duì)連接接頭進(jìn)行改造。相對(duì)簡(jiǎn)單的樣品在分析時(shí)可得到比填充柱要好得多的效果，而不像常規(guī)0.25mm和0.32mm內(nèi)徑毛細(xì)管柱需要專用的連接裝置。

 

? 0.32mm內(nèi)徑毛細(xì)管柱

0.32mm內(nèi)徑柱被認(rèn)為是最好的全能色譜柱，具有很好的分離能力、樣品容量(取決于膜厚度)。而且彈性較0.53mm內(nèi)徑的好，更易安裝，是色譜分析中選用最多的一種規(guī)格。這種色譜柱也可進(jìn)行柱頭進(jìn)樣，但需要特殊的注射器。

 

? 0.25mm內(nèi)徑毛細(xì)管柱

0.25mm（早期多為0.22mm）內(nèi)徑柱具有低流失量、高分辨率的特性，也是很常用的。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀多采用此規(guī)格柱，通常在規(guī)格后標(biāo)有ms字符，如表1中的DB 5 ms。

 

? 0.15mm內(nèi)徑毛細(xì)管柱

0.15mm內(nèi)徑是常規(guī)氣相色譜儀中50m柱的最小內(nèi)徑。就功效而言，它具有最高的分辨率，用于分析復(fù)雜化合物和寬沸程樣品很理想。

 

? 0.10mm內(nèi)徑毛細(xì)管柱

0.10mm內(nèi)徑柱只在更短柱長(zhǎng)及很高分析速度下進(jìn)行應(yīng)用，常用于快速色譜分析。由于柱內(nèi)徑較小，所以色譜柱的負(fù)載能力也就比較小，只能夠容納較少的樣品，使用時(shí)要注意進(jìn)樣量，以保證形成尖銳的色譜峰。

 

以上不同柱內(nèi)徑色譜柱相關(guān)參數(shù)匯總于表3。

 

表3 　柱內(nèi)徑對(duì)比參數(shù)

 

內(nèi)徑	柱有效板數(shù)Neff/M	柱理論板數(shù)NT/M	典型流速(氫)
0.10mm	7,000 -  8,200	9,500 -  12,000	0.2 -  0.5ml/min
0.15mm	4,700 -  5,500	6,400 -  8,000	0.4 -  1.0ml/min
0.25mm	3,200 -  3,800	4,300 -  5,500	0.8 -  2ml/min
0.32mm	2,200 -  2,600	3,000 -  3,700	1.7 -  4.0ml/min
0.53mm	1,300 -  1,600	1,800 -  2,200	3 - 50ml/min

 

3.3 膜厚度

 

膜的厚度對(duì)所分析化合物的溶解性有比較大影響，因此，正確選擇膜的厚度與正確選擇柱長(zhǎng)同樣重要。

 

相比率是表示色譜柱固定相多少的一種方式，相比率是指毛細(xì)管柱的內(nèi)部體積與固定相的體積比。

 

相比率(β)用公式可表示為：

         β = D／4μf

 

　　式中：D = 柱內(nèi)徑(微米)   μf = 固定相厚度

　

較高的相比率色譜柱內(nèi)固定相較少，較低的相比率則固定相較多。一般較厚的膜(低相比率)相對(duì)流失要大些，使用時(shí)注意溫度盡可能低些，而且這類色譜柱不適合用于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。較厚的膜柱容量也較大。使用較厚的膜，樣品就會(huì)在柱中停留較長(zhǎng)時(shí)間，分離度較高，特別適合分析低沸點(diǎn)或氣體化合物。若樣品中含高沸點(diǎn)組分，將這些組分洗脫將需要很高的溫度，因此此時(shí)不宜用厚膜。

 

薄膜(高相比率)適于分析高沸點(diǎn)組分，而且由于膜薄，被測(cè)物在柱內(nèi)停留的時(shí)間較短，在較低溫度下洗脫特定組分，從而延長(zhǎng)柱壽命。達(dá)到或接近最大柱溫時(shí)，流失率也會(huì)較厚膜低得多，所以更適合用于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。

 

根據(jù)實(shí)驗(yàn)多方面的效果，對(duì)樣品容量、低流失及分離度進(jìn)行權(quán)衡，標(biāo)準(zhǔn)膜厚度：0.10mm、0.25mm柱內(nèi)徑為0.25μm，0.32mm內(nèi)徑0.5μm，0.53mm內(nèi)徑1.0μm。常見柱徑單位柱長(zhǎng)相比率見表4。

 

表4　不同膜厚度及內(nèi)徑下的相比率

 

膜厚度(μm)	內(nèi)徑(mm)
	0.1	0.25	0.32	0.53
0.1	250	550	800
0.25	100	220	320
0.5		110	160	265
1		55	80	132
2			40
3				44
5			16	26

 

3.4 柱長(zhǎng)

 

大多數(shù)柱長(zhǎng)是15m、30m（過去為12m、25m）和50m的。柱長(zhǎng)選擇是由樣品復(fù)雜度或組分的屬性決定的。分析復(fù)雜的樣品或者需要分析多個(gè)項(xiàng)目，應(yīng)選用較長(zhǎng)及更高效的色譜柱。需要分離少數(shù)幾個(gè)組分時(shí)，為了提高分析效率選擇具有適宜特性及/或膜厚度的適當(dāng)短的色譜柱。柱長(zhǎng)與分離度的關(guān)系見圖1。

 

 

通過適當(dāng)選擇其它柱參數(shù)，絕大多數(shù)操作都可以在很短的色譜柱上完成。較短的色譜柱也具有優(yōu)勢(shì)，例如分析時(shí)間較短，流失較少，降低高活性溶質(zhì)的干擾，當(dāng)然，還有降低了成本。

 

4 操作條件的選擇

 

4.1 柱載氣流量的選擇

 

通過毛細(xì)管柱的載氣流量要根據(jù)毛細(xì)管柱的柱長(zhǎng)、柱徑、膜厚以及被分析物的組成等綜合因素設(shè)定。高流速雖然可以提高分析效率，但有時(shí)可能會(huì)因被測(cè)物與固定相之間交換不充分而降低柱效。因此，在實(shí)際分析中，流速的設(shè)定應(yīng)在滿足分離的前提下適當(dāng)增加，以提高分析效率。不同柱徑的推薦柱載氣流速參見表3。表3推薦的流速適用于氣相色譜儀。對(duì)于氣相色譜-質(zhì)譜儀，還要考慮質(zhì)譜真空泵的抽氣量，氣流速大還會(huì)影響到靈敏度。

 

某些檢測(cè)器，如電子捕獲檢測(cè)器，僅靠通過毛細(xì)管色譜柱的載氣流量無法滿足工作需求，因此，還需要補(bǔ)充加上尾吹氣。另外，有些廠家的儀器采用在毛細(xì)管柱的末端加上尾吹氣的設(shè)計(jì)，以減少擴(kuò)散，改善色譜峰形，提高信噪比。

 

4.2 柱溫的選擇

 

柱溫是影響色譜分離和分析效率的最重要參數(shù)，所以要根據(jù)分析目的和被測(cè)物性質(zhì)，如：被測(cè)物的沸點(diǎn)、被測(cè)物極性、被測(cè)組分的多少，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到合適的柱溫。交聯(lián)型毛細(xì)管色譜柱相對(duì)而言柱流失比較少，可以在較高溫度下工作。分析中通常采用程序升溫模式，從而提高分離度和柱效。

 

4.2.1 初始溫度的選擇

 

初溫的確定取決于譜圖上最早流出峰的分離度，一般應(yīng)低于樣品中最低沸點(diǎn)組分的溫度。

 

4.2.2 升溫速率的選擇

 

升溫速率對(duì)色譜分離度和峰形的影響最大，對(duì)于多組分分析，可以設(shè)置多階、不同升溫速率的升溫程序，以得到最好的分離效果和峰形。

      

4.2.3 終點(diǎn)溫度的選擇

 

程序升溫最終溫度的確定主要取決于固定相和被測(cè)樣品中最高沸點(diǎn)的物質(zhì)。另外，對(duì)于基質(zhì)復(fù)雜的樣品，可以考慮在固定相規(guī)定最高溫度下適當(dāng)提高溫度（但接質(zhì)譜最好不要這樣做），并且在此溫度下適當(dāng)延長(zhǎng)保持時(shí)間。

 

4.3 進(jìn)樣方式的選擇

 

對(duì)于毛細(xì)管色譜分析有多種進(jìn)樣方式可以選擇。殘留分析應(yīng)選擇不分流進(jìn)樣或柱上進(jìn)樣，純度分析則多選擇分流進(jìn)樣，分流比根據(jù)被測(cè)物含量而定。但分流進(jìn)樣對(duì)定量精度會(huì)有影響，分流比越大定量精度越差。

 

5 使用與保養(yǎng)

 

5.1 色譜柱的使用

 

毛細(xì)管色譜柱在安裝、操作時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問題：

第一，如果使用石墨密封墊圈，套石墨墊圈時(shí)毛細(xì)管柱的口要向下，并且在套好石墨圈后要用專用的毛細(xì)管柱切刀切去毛細(xì)管柱頭5~10cm。

第二，0.53mm內(nèi)徑毛細(xì)管色譜柱彈性較差，較容易折斷，所以安裝時(shí)不要過度彎曲。

第三，現(xiàn)在的商品柱出廠時(shí)已經(jīng)過老化，但是，在色譜柱初次使用時(shí)還是應(yīng)該老化一下。老化時(shí)出口端不要接檢測(cè)器。而且一定要先通入載氣。開始2、3個(gè)程序升溫循環(huán)的升溫速度不要太快，在最高溫度保持的時(shí)間不要太長(zhǎng)，5分鐘左右即可。

 

5.2 毛細(xì)管色譜柱的保養(yǎng)

 

毛細(xì)管色譜柱經(jīng)過一段時(shí)間的使用后不可避免地會(huì)被污染，最嚴(yán)重的地方是進(jìn)樣端柱頭。所以毛細(xì)管柱的保養(yǎng)是很重要的。

 

毛細(xì)管柱的日常保養(yǎng)，每天在正式做分析實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)使用程序升溫方式運(yùn)行幾個(gè)循環(huán)，升溫速率可以快些，如：10～20℃/min，最高溫度應(yīng)比正式分析程序高5～10℃，但盡量不要高于色譜柱規(guī)定的最高操作溫度。

 

用一段時(shí)間后，特別是看到色譜峰明顯展寬、分離度下降、峰形撕裂、基線升高、基線漂移、或是無規(guī)律的出現(xiàn)“鬼峰”等現(xiàn)象，這都預(yù)示色譜柱（也包括汽化室襯管）已被污染。對(duì)于交聯(lián)固定相的毛細(xì)管柱可以用溶劑進(jìn)行清洗，污染較輕的可用5～10mL正己烷清洗，污染較嚴(yán)重的可用5～10mL二氯甲烷清洗。清洗時(shí)要讓溶劑從毛細(xì)管柱出口（接檢測(cè)器一端）進(jìn)，進(jìn)口（接汽化室一端）出，溶劑全部流出毛細(xì)管柱后要用氮?dú)鈱埩粼谥鶅?nèi)的溶劑吹凈。最后根據(jù)毛細(xì)管柱的污染情況，將進(jìn)口端（接汽化室一端）截去20～50cm。將色譜柱重新裝到氣相色譜儀上，用程序升溫方式運(yùn)行幾個(gè)循環(huán)，前幾個(gè)循環(huán)升溫速率不要快，一般在5℃/min，最高溫度應(yīng)比正式分析程序高5～10℃，但一定不要高于色譜柱規(guī)定的最高操作溫度。保持時(shí)間不要長(zhǎng)，3～5min即可。最好也不要接到檢測(cè)器上，特別是質(zhì)譜檢測(cè)器、電子俘獲檢測(cè)器等。然后可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)品或樣品進(jìn)樣，檢查色譜柱是否恢復(fù)正常。如果無法恢復(fù)正常了，就該換新的了。