氣相色譜柱作為應用在氣相色譜儀上的核心部件之一，是樣品分離的關鍵所在，其主要通過目標物沸點、極性、酸堿度等不同的理化性質在載氣的推動下與色譜柱固定相之間形成不同的吸附解析過程，從而使得注入分析的混合物在色譜柱上形成非均一的保留情況，按照不同的保留時間按照一定的先后順序流出，進而達到在色譜柱上有效分離混合物的效果。
氣相色譜/質譜技術以其高超的分離能力、化學熱穩定性高、分析速度快、呈化學惰性等特點而在當今藥物雜質分析、中藥物質基礎研究、石油化工成分解析等領域得到了廣泛而深遠的應用。
本文將從氣相色譜柱類型、固定相種類、內徑條件、覆膜厚度、色譜柱長度和其他因素等六個方面對氣相色譜柱進行一個較為系統的介紹，以期能夠為廣大分析人員提供一些思路和借鑒。
一、氣相色譜柱類型
氣相色譜柱總體可以分為填充柱和毛細管柱，這兩種類型均在分析歷史上具有重要的意義，目前市面上大多接觸的是毛細管柱，又有多少分析人還記得填充柱的裝柱手法呢？填充柱真的就是一無是處嗎？
▲圖1-常見的填充柱種類（圖片源自于網絡，侵刪）
填充柱的填料可以是多孔性粒狀系縛劑或在惰性載體顆粒表面均勻的涂敷一層很薄的固定液膜。填充柱常用內徑2-5mm，長0.5-10m的金屬管或玻璃管，其分離原理與液相色譜柱有著一定的相似性。
隨著科學技術的不斷進步、色譜柱商業化發展及實驗室均一性要求的不斷提高，填充柱由于其先天特性等原因，在進行物質分離的過程中載氣、混合物等物質需要在填充柱載體表面進行充分的相互作用，從而達到擴散、釋放，進而實現物質分離，這一復雜的過程需要更加充足的時間，因此這也就導致了用填充柱進行氣相色譜分析過程會時間更長。且由于填充柱往往是實驗室內部自行填充，在更高分析成本的前提下，又無法使得穩定性、均一性以及重復性等分析指標得到到更好的保障。
此外，填充柱易受污染，因為分離過程中化合物進入柱時可能會與填充物發生反應，導致填充物的表面不潔凈或表面積損失，造成柱效大幅度縮減，分離效果的下降。
綜合上述的種種原因，當前分析市場填充柱也逐步地退出了分析人的視野。
▲圖2-常見的毛細管氣相色譜柱（圖片源自于網絡，侵刪）
毛細管色譜柱是將固定相涂在管內壁的開口柱，其中沒有填充物。毛細管柱的內徑在0.1至0.5mm，柱長在10m到100m以上，常用的為30m，它是現在使用最多的一種柱型。毛細管柱從里到外依次是一層薄薄的固定相液體涂層、石英毛細管和一層聚酰胺外套這三層結構組成，在聚酰胺這層外套的保護下能夠有效增加30m長度毛細管的韌性和抗腐蝕的能力。
隨著現代工業能力的不斷提高，工業化自動化生產毛細管柱的水平也在不斷提升，當下各個廠家所生產的毛細管柱均有著不錯的批間穩定性，能夠有效的對分析方法實現重現而被多方機構廣泛接受和使用。
填充柱和毛細管柱比對
1、毛細管柱柱效更高，相對于填充柱來說，毛細管柱由于其固定液厚度相較更薄且中空的特點，因此在載氣流通的情況下產生的柱內阻力往往會更小，因此就不存在渦流擴散的情況，進而能夠更為有效的縮小譜帶展寬（半峰寬）形成更好的峰形和更高的塔板數，且客觀上來說毛細管柱一般都能夠達到30m往上的長度，而填充柱往往為了達到更好的柱效會選用U型不銹鋼管（相較于螺旋型柱長有所縮小），總柱長往往只有3m-5m。綜合而言，填充柱的柱效遠小于毛細管柱，通常30m的毛細管柱柱效輕輕松松能夠達到50000以上，而填充柱一般柱效僅要求在3000以上即可；
2、毛細管柱分離速度更快，毛細管柱的分析速度約為填充柱的數十倍。由于液膜極薄，分配比k很小，相比大，組分在固定相中的傳質速度極快，因此有利于提高柱效和分析速度。毛細管柱能夠在一小時內對數百種農藥殘留進行準確分離，其對復雜基質中的目標組分分離更為有利；
3、熔融二氧化硅毛細管色譜柱的出現使得毛細管色譜柱逐步取代填充柱，應用越來越廣泛，易實現氣相色譜-質譜聯用，更好地實現微量到痕量成分的分析；
4、當然填充柱也有著不可取代的優勢，毛細管柱由于其較小的內徑，不可避免的降低了自身的柱容量，其最大允許進樣量也相應的有所減小，因此對檢測器靈敏度就提出了更高的要求；
5、填充柱的優點是柱容量大，制備方法簡單，使用方便，定量分析的準確度較高，在永久性氣體、低級烴類以及水分含量的測定等分析領域，填充柱依舊是較為關鍵的補充；
6、填充柱在裝填涂布過程中需要不間斷的老化，在使用過程中相較于毛細管柱對老化的要求更高（厚度一般大于5%老化能夠有效解決膜厚不均的問題，而小于2%的膜厚由于液膜趨于單分子層分布，如果涂漬不均勻，老化亦不能使其均勻，就需要特殊的涂布手段來解決）。
在藥品分析過程中，各國藥典所收錄的分析方法均少不了氣相色譜法，其廣泛存在于藥品質量控制、雜質分析、殘留測定、含量測定、有關物質檢查等環節，接下來以我們平常接觸最為廣泛的毛細色譜柱為例詳細介紹色譜柱選擇過程中的特點。
選擇用于分析的最佳毛細管柱是一件難以確定和非常困難的任務，掌握毛細管柱選擇理論知識對于分析工作者特別是藥物分析工作者是非常必要的，雖然沒有有關毛細管柱選擇的簡易技巧、捷徑、竅門或秘訣，但卻有些理論來簡化此過程，有四個要考慮的主要色譜參數：固定相、內徑、長度和液膜厚度。
▲圖3-毛細管氣相色譜柱內部結構示意圖（圖片源自于Agilent大學教材，侵刪）
二、固定相種類
在進行目標物分析過程中對毛細管柱固定相的選擇總體傾向于遵循相似性原則，即：極性目標物采用極性固定相，非極性目標物采用非極性固定相，可極化物質（芳香烴類等）采用含有苯基的DB-5/HP-5/SE-52/SE-54 柱等。
非極性分子——通常僅由 C 和 H 組成并且無偶極矩，直聯（正烷）是常見的非極性化合物的例子。
極性分子——主要由 C 和 H 組成同時也有其他原子，如：N、O、P、S 或鹵素。樣品包括有醇類、胺類、硫醇類、酮類、有機鹵化物等。
可極化物質——主要由 C 和 H 組成同時包含不飽和鍵。通常有：炔和芳香族化合物。
隨著毛細管柱技術的不斷進步，分離度并不是首要考慮的關鍵因素了，毛細管柱具有幾十萬塊塔板，如此大的柱效率，以至于不再需要充分考慮分離問題了。這個時候，樣品兼容性、使用溫度、穩定性、柱流失情況等，都可能成為選擇的主要理由。
▲表1-不同固定相色譜柱比較
氣相色譜柱的分離主要是由于固定相和溶質之間產生相互不同的作用力時即可達到分離的目的，其指固定相在區分兩種溶質分子在其化學或物理性質方面的差異能力。固定相進行分離過程中一般存在三種作用力的共同作用，即：色散力、偶極力和氫鍵作用力。
色散力：在進行簡單結構或同系物等類型物質分離時，通過不同沸點進行分離是相當有效的，目標物的沸點越低揮發性越好則其出峰就越快，保留時間相對則更短。圖4表明正構烷烴出峰順序，隨著烷烴C數目的增加其沸點也相應的增加，出峰位點逐步后移。
▲圖4-正構烷烴C7-C40標準品GC-MS出峰示意圖
偶極力：當被分析物的基本結構或中心結構的不同位置連接有不同的基團，例如取代芳香烴類和鹵烴類被分析物等，氰丙基、三氟丙基和聚乙二醇類固定相都表現出良好的偶極作用性能。
氫鍵作用力：當被分析物分子和固定相之間存在氫鍵作用力，固定相對于不同被分析物有著不同的氫鍵作用力，因此其能夠產生不同的氫鍵勢能，從而使被分析物分離。例如無氫鍵作用的DB-1較有氫鍵作用的DB-WAX對于有些被分析物分離效果就會有所降低。（圖5、圖6所示）
▲圖5-色譜柱DB-1分析某4種成分示意圖
▲圖6-色譜柱DB-WAX分析某4種成分示意圖
一般來說，拿到一個未知雜質等待測物質，在不了解其理化性質的情況下，我們通常可以從DB-1的固定相進行嘗試，按照表1中的極性順序，從非極性開始按極性漸強的順序選用中等極性直至高極性柱逐一嘗試，直到有較令人滿意的分析結果即可確定適用的柱極性（通常已知目標物可通過文獻檢索支撐，或者是數據庫查詢到其具體的理化性質，從而對應的選擇適合的色譜柱）。
三、色譜柱內徑
毛細管柱內徑的大小對目標物理論塔板數、分離度、保留時間、載氣流速、載樣量和進樣口壓力等參數會產生直接的影響。
▲表2-柱效與柱內徑之間的關系
（表格數據源自Agilent大學教材，侵刪）
我們通常所采用的色譜柱大多為0.25mm、0.32mm、0.53mm（一般不用于MS分析），載氣流速與毛細管柱的內徑成正比。毛細管柱的不同內徑均有推薦的最佳載氣流速，0.25mm（推薦0.8ml/min-1.2ml/min）、0.32mm（推薦1.5ml/min-2.5ml/min）、0.53mm（推薦3ml/min-6ml/min）該流速理論上可以使被分析物達到最佳峰形。
在同樣柱流速條件下，色譜柱的內徑越小進樣口EPC壓力也就越高，柱頭壓力大約是毛細管柱半徑的負二次方函數，各國藥典在色譜方法的規定中往往對色譜柱均有等效柱的要求，往往更加關注色譜柱的固定相，而對內徑和柱流速的關注度更低，通常會由實驗人員依據經驗選用合適內徑的色譜和匹配適當的流速（流速匹配參照推薦流速）。
0.18-0.25mm的毛細管柱具有較高的理論塔板數。0.18mm的毛細管柱很適合于泵容量低的GC/MS系統，當然選用0.18mm內徑的色譜柱時需要特別關注柱體的載量，其柱容量會減少，且進樣系統壓力會有更高的要求，通常MS分析也是建議采用0.25mm即可。
當樣品載樣量有所增大時，則采用0.32mm色譜柱，其相較于0.25mm色譜柱對不分流進樣或＞2μl進樣體積時有著更好的柱容量，且相對短保留的目標物能夠擁有更好的分離度。
0.53mm內徑的色譜柱總體來說出廠幾率還是比較少的，如果出現分離度不夠我一般更愿意在0.32mm的基礎上采用更大的膜厚來提高分離度（后文要講的），且0.32mm的內徑已經需要將近1.5ml/min的柱流速才能夠有效維持了，基本已經達到了MS檢測器的上限（更高的流速對MS真空會造成一定的影響，以至于調諧不通過，島津的8050貌似實測會好一些，但總體不建議這么用，后續小伙伴們感興趣可以出一期專門講解色譜檢測器的文章哈！），因此0.25mm和0.32mm均有著不錯的檢測器通用性，而0.53mm內徑色譜柱大多用于高載氣流速，通常配備有頂空進樣器的情況下會用到0.53mm內徑色譜柱，還有一些裂解塔進樣，頂空捕集阱聯用進樣等等都需要更大的色譜柱內徑。
四、色譜柱膜厚
色譜柱膜厚對我來說最為直觀的影響可能就是保留時間和分離度的影響上了，同等內徑和流速下，膜厚越大分離度約好，保留時間會相應的向后有所漂移。
一般來說，柱膜厚度與保留時間成正比，對于低沸點的分析物，厚度越大保留越強。反之柱膜較薄的毛細管柱用來減少保留能力強的分析物的保留時間。柱膜厚度與分離度成正比，且液膜越厚，毛細管柱的惰性越強，使用較厚液膜的毛細管柱可以減少或消除峰拖尾，液膜厚度與容量成正比，分析物的容量越大，其峰越寬，同時會減少分離度。而使用液膜較厚的毛細管柱會減少峰寬，增加分離度，保證較少的峰形對稱性。
說到這不禁會有小伙伴考慮是否應該都采用厚膜色譜柱來進行實驗了？當然不行！色譜柱并不是柱膜越厚越好！柱膜越厚毛細管柱的流失水平越高，其對目標物的檢測相應的產生干擾也會越多，方法開發難度也會有所提升。當柱膜厚度增加時，保留時間較大的組分可能轉移到毛細管柱流失較高的區域，而難以被識別到，由于流失嚴重，因此液膜厚度與耐受溫度成反比，膜厚越大的色譜柱其程序升溫最高耐受溫度也會相應的有所降低。
▲表3-不同膜厚和內徑色譜柱的載樣量示意圖
（表格數據源自Agilent大學教材，侵刪）
五、色譜柱長度
一般來說日常常規檢驗檢測過程中毛細管氣相色譜柱常用長度為30m，但某些時候進行方法開發或者是特殊組分分析的時候還會采用到不同長度的色譜柱，且不同公司的色譜柱均具有著不同的偏好，就比如在脂肪酸組分分析的過程中常規少量組分的分析采用30m長度的WAX色譜柱即可勝任，而多種復雜的組分往往會選用不同品牌的專用色譜柱，例如：Thermo的TG-FAME色譜柱和迪馬的DM-2560色譜柱，雖然這兩根色譜柱均能夠有效的進行脂肪酸甲酯的檢測，但往往在選用過程中TG-FAME一般常用的是50m的，而DM-2560由于中國藥典——0713 脂肪與脂肪油測定法中有所推薦“聚二氰丙基硅氧烷（或極性相近）為固定液的毛細管色譜柱（100m×0.25mm，0.2μm）”因此通常會選用100m長度的色譜柱。
在實驗分析過程中選用不同長度的毛細管柱其對柱效、分離度、保留時間、載氣壓力亦是有著不同程度的影響。
▲圖7-標準品37種脂肪酸成分示意圖（TG-FAME柱）
▲圖8-標準品37種脂肪酸成分示意圖（DM-2560柱）
一般認為理論塔板數與柱子長度成正比，分離度與理論板數的平方根成正比，增加柱子長度理論上是可以增加理論塔板數和分離度。要想得到窄峰和較高的柱效可以考慮使用較長的毛細管柱，保留時間與毛細管柱的長度成反比，使用較長的毛細管柱會增加被分析物的保留時間。通過圖7、圖8的比對能夠更為直觀的看到DM-2560柱（100m）的色譜柱其出峰時間總體相較于TG-FAME柱（50m）略微后移，分離度總體來看長柱子的峰相較于短柱峰沒有那么集中。
六、小結
在氣相色譜柱的選擇過程中綜合考慮過上述因素后，本著精益求精的精神，我們往往還會考慮色譜柱的最高使用溫度和程序升溫最高耐受、最低操作溫度（部分色譜柱有0℃或者-20℃）、不同品牌不同系列色譜柱的差異性（CD、TG、DB、HP、VF等）。
當下藥物復雜程度在不斷升級，這便給我們分析人提出了更高的基質效應的挑戰！因此在目標物分析過程中如何保證準確度和精密度的可靠性便成為了核心考慮的問題，色譜柱選得好回收率沒煩惱！不同的毛細管柱之間的保留行為有著極大的差異性，選擇合適的毛細管柱是利用氣相色譜進行藥物分析工作的重點！
