第二章 气相谱柱
第一节 气相谱柱的类型
气相谱法（gas chromatography, 简称GC）亦称气体谱法，气相层析法。其核心即为谱柱。
气相谱柱有多种类型。从不同的角度出发，可按谱柱的材料、形状、柱内径的大小和长度、固定液的化学性能等进行分类。谱柱使用的材料通常有玻璃、石英玻璃、不锈钢和聚四氟乙烯等，根据所使用的材质分别称之为玻璃柱、石英玻璃柱、不锈钢柱和聚四氟乙烯管柱等。在毛细管谱中目前普遍使用的是玻璃和石英玻璃柱，后者应用范围最广。对于填充柱谱, 大多数情况下使用不锈钢柱，其形状有U型的和螺旋型的，使用U型柱时柱效较高。按照谱柱内径的大小和长度，又可分为填充柱和毛细管柱。前者的内径在2 4mm，长度为1 10m左右；后者内径在0.2 0.5mm，长度一般在25 100m。在满足分离度的情况下，为提高分离速度，现在也有人使用高柱效、薄液膜的10m短柱。 根据固定液的化学性能，谱柱可分为非极性、极性与手性谱分离柱等。固定液的种类繁
多，极性各不相同。谱柱对混合样品的分离能力，往往取决于固定液的极性。常用的固定液有烃类、聚硅氧烷类、醇类、醚类、酯类以及腈和腈醚类等。新近发展的手性谱柱使用的是手性固定液，主要有手性氨基酸衍生物、手性金属配合物、冠醚、杯芳烃和环糊精衍生物等。其中以环糊精及其衍生物为谱固定液的手性谱柱，用于分离各种对映体十分有效，是近年来发展极为迅速且应用前景相当广阔的一种手性谱柱。
在进行气相谱分析时，谱柱的选择是至关重要的。不仅要考虑被测组分的性质，实验条件例如柱温、柱压的高低，还应注意和检测器的性能相匹配。有关内容我们将在以后章节中加以详细讨论。 第二节 填充气相谱柱
填充气相谱柱通常简称填充柱，在实际分析工作中的应用非常普遍。据资料统计，日常谱分析工作大约有80%是采用填充柱完成的。填充柱在分离效能和分析速度方面比毛细管柱差，但填充柱的制备方法比较简单，定量分析的准确度较高，特别是在某些分析领域（例如气体分析、痕量水分析）具有独特用途。从发展上看，虽然毛细管柱有逐步取代填充柱的趋势（例如已有一些日常分析使用PLOT柱代替过去常用的气固谱填充柱），但
至少在目前一段时期内，填充柱在日常分析中仍是一种十分有价值的分析分离手段。
填充柱主要有气固谱柱和气液谱填充柱两种类型。在谱柱中关键的部分是固定相。在本节我们将首先介绍柱管的选择及其处理方法，然后再分别重点讨论气固谱柱和气液谱填充柱有关固定相的内容。
一、填充柱柱管的选择与处理
用作填充谱柱柱管的材料通常有不锈钢管、铜管、铝管、铜镀镍管、玻璃管以及聚四氟乙烯管等[1-5]。铜管和铝管由于催化活性太强且易变形已不太常用。分析用的填充柱内径一般采用2~4 mm，制备用的柱内径可大些，一般使用5~10 mm。长度可选择1~5 m。柱子的形状可以是螺旋形的，也可以是Ｕ型的。使用后者较易获得较高的柱效。如果使用螺旋形的，应注意柱圈径的大小对柱效会有一定的影响[3-6], 一般柱圈径应比柱内径大15倍。
柱材料的选择应依据待分析的样品性质和实验条件而定。如果待分析的样品易分解或具有腐蚀性，应考虑使用玻璃管或聚四氟乙烯管。玻璃管柱的优点是化学惰性好，制备的柱子柱效高，便于观察柱子的填充情况，但玻璃管易碎是其缺点。聚四氟乙烯管的优点是耐腐蚀，缺点是不耐高温高压。在填充柱中目前最常使用的是不锈钢管。它的最大优点是不破碎，传热性能好，柱寿命长，能满足常见样品分析的要求。缺点是内壁较粗糙，有活性，比较难于清洗干净。
填充柱的柱管在使用前应该经过清洗处理和试漏检查。清洗的方法与柱管材料有关。对于不锈钢管，通常先用10%热氢氧化钠水溶液浸泡，抽洗除去管内壁的油污，然后用自来水洗至中性。如果用1:20的稀盐酸水溶液重复处理一次，则可显著降低柱内壁的吸附作用。玻璃柱的清洗可参照上面所述的方法，不同的是通常使用洗液浸泡。同样，为了减少玻璃内壁的活性，可以用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冲洗干净。柱子的检漏方法比较简单: 可将柱子泡在水里，堵死柱的一端，在另一端通气，若无气泡冒出即说明柱子无泄漏现象。
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二、气固谱填充柱
我们知道, 谱分离的基本原理是试样组分通过谱柱时与填料之间发生相互作用，这种相互作用大小的差异使各组分互相分离而按先后次序从谱柱流出。我们把谱柱内不移动、起分离作用的填料称为固定相。气固谱填充柱常采用固体物质作固定相。这些固体固定相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等。
（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、非极性的炭素及有特殊吸附作用的分子筛。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。但使用时应该注意: ⑴吸附剂的吸附性能与其制备、活化条件有密切关系。不同来源的同种产品或者同一来源而非同批的产品，其吸附性能可能存在较大的差异；⑵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； ⑶吸附等温线通常是非线性的，进样量较大时易出现谱峰形不对称。
(1)硅胶
硅胶是一种氢键型的强极性固体吸附剂，其化学组成为SiO2 nH2O。品种有细孔硅胶、粗孔硅胶和多孔硅球等。气相谱使用较多的是粗孔硅胶，其孔径为80~100 nm，比表面积近300 m2/g，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。用前通常需要经过处理。方法: 对市售的谱专用硅胶,可在200℃下活化处理2h后使用；如果使用市售的非谱专用硅胶, 则先将硅胶用6 mol/L盐酸浸泡2h，然后用水冲洗至无Cl－离子。晾干后置于马弗炉内，在200~500℃温度下灼烧活化2h后降温取出，贮存于干燥器中备用。
(2)氧化铝
氧化铝有五种不同的晶型，气相谱常用的主要是γ型，具有中等极性，主要用于分析C1微型直线电机~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[7]。故使用前通常需对其进行活化处理(在450~ 1350℃灼烧2h)。为保持使用过程中含水量稳定，可将载气先通过含结晶水的硫酸钠(
或硫酸铜)后再进入谱柱。经过氢氧化钠处理改性的氧化铝，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
碳素是一类非极性的固体吸附剂，主要有活性碳、石墨化碳黑和碳分子筛等品种。活性碳是无定形碳，具有微孔结构，比表面积大(800~1000 m2/g)，可用于分析永久性气体和低沸点烃类。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(2500~3000℃) 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℃通水蒸汽洗涤至无浑浊, 最后在180℃活化2h即可使用。
碳分子筛又称为炭多孔小球，是聚偏二氯乙烯小球径高温热解处理后的残留物，比表面积800~1000 m2/g，孔径约1.5~2 nm，主要用于稀有气体、空气、二氧化碳、氧化亚氮、C1~
C3烷类分析。多孔炭黑国内外都有商品出售，如由中国科学院化学所研制、天津化学试剂二厂生产的TDX-01和TDX-02，国外的产品Carbon Sieve B等即属于这类。使用前通常在180℃通氮气活化3~4h，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，其基本化学组成为MO.Al2O3.xSiO2.yH2O，其中M代表Na+、K+、Li+或Ca2+、Sr2+、Ba2+等金属阳离子。分子筛具有均匀分布的孔穴，其大小取决于M金属离子的半径和其在硅铝构架上的位置。一般认为，分子筛的性能主要取决于孔径的大小和表面特性。当试样分子经过分子筛时，比孔径小的分子可进入孔内，比孔径大的分子则被排除于孔外。气相谱分析中应用的分子筛通常有4A、5A和13X等三种类型。前面的数字表示分子筛的平均孔径，例如4A指的是该分子筛的平均孔径为0.4 nm（10-8 便当袋cm）。A、X表示类型，其化学组成稍有差异。A型中Al2O3与SiO2的比例为1∶2， 而X型的硅铝比则高一些。分子筛的表面积很大，内表面积通常有700~800 m2/g，外表面积为1~3 m2/g。在气相谱中主要用于分离H2、O2、N2、CO、CH4以及低温下分析惰性气体等。
分子筛极易因吸水而失去活性。因此，用前应在550~600℃或在减压条件下350℃活化2h，降温后贮存于干燥器内。使用过程中要对载气进行干燥处理，样品中如果存在水分也应设法除去。此外使用时还应注意，某些物质如氨、甲酸、二氧化碳等会被分子筛不可逆吸附。分子筛是否失效通常可从氮、氧的分离情况来判断。失活后的分子筛可以采用上述方法重新活化使用。常见的分子筛及其性能见表2－1。
表2－1 常用分子筛及其性能[1-3,7]
分子 筛 | 化学组成 | 比表面 (m2/g) | 孔径 (nm) | 担架车 最高使用 温度(bdav℃) | 可吸附的物质 | 产地及国外 相似品牌 |
4A | Na2O.Al2O .2SiO2.4H2O 3 | ~8000 | 0.48 | 4000 | He Ne Ar Kr Xe H2 O2 N2 CH4 CO CO2 H2O NH3 H2S CS2 N2O2 C2H4 C2H2 CH3OH CH2Cl CH3Br CH3CN | 大连红光厂 上海试剂厂 美国Davison 4A 美国Linde 4A. 俄国Zeolit NaA 法国Siliporite K-1 |
5A | 0.7CaO.0.3Na2O. Al2O32SiO2.4H2O | 750-800 | 0.55 | 400 | C3H8 C4以上正构烷烯烃 C2H5Cl C2H2OH C2H6NH2 CH2Cl2及4A分子筛可吸附者 | 大连红光厂 上海试剂厂 美国Davison 美国Linde 5A 俄国Zeolit CaA 法国Siliporite K-20 |
13X | Na2O.Al2O3 .2.5SiO2.6H2O | 1030 | 1.0 | 400 | 异构烷烯烃、异构醇类 苯类 环烷类及5A 分子筛可吸附者 | 大连红光厂 上海试剂厂 美国Davison 10A 美国Linde 13X 俄国Zeolit NaX |
| | | | | | 蓄电池恒温箱 |
（二）高分子多孔小球
高分子多孔小球（GDX）是以苯乙烯等为单体与交联剂二乙烯苯交联共聚的小球。这种聚合物在有些方面具有类似吸附剂的性能，而在另外一些方面又显示出固定液的性能[8]。因此，它本身既可以作为吸附剂在气固谱中直接使用，也可以作为载体涂上固定液后用于分离。在烷烃、芳烃、卤代烷、醇、酮、醛、醚、脂、酸、胺、腈以及各种气体的气相谱分析中已得到广泛应用。其优点主要有: ⑴吸附活性低。无论对非极性物质还是极性物质，使用这种固定相通常都可以获得对称谱峰；⑵对含羟基的化合物具有相对低的亲和力。羟基作用力越强，亲和力越弱。在非极性固定相上出峰次序基本上按分子量大小分离，故特别适合有机物中痕量水的快速测定; ⑶可选择的范围大。不仅可以依据样品性质选择合适的孔径大小和表面性质的产品直接使用，还可以涂上固定液，使亲油性化合物的保留时间缩短，极性组分的保留时间适当延长，从而增加谱柱的选择性。此外，高分子小球在高温时不流失，机械强度好，圆球均匀，较易获得重现性好的填充柱。由中国科学院化学研究所研制、天津化学试剂二厂生产的GDX-系列高分子小球产品即属于此类。
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