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1、2020/6/27,1,毛细管色谱分析,主讲：郭方遒,2020/6/27,2,气相色谱是比较成熟的方法，气相色谱仪使用极为普遍的仪器。1941年Martin和Synge提出用气体代替液体作流动相的可能性，11年之后James 和 Martin 发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法Gas-Liquid Chromatography)，因而获得了1952年的诺贝尔化学奖。在此基础上1957年高雷(M.J.E .Golay) 开创了开管柱气相色谱法(Open-Tubular Column Chromatography)。,2020/6/27,3,1957年高雷(Golay)发表“涂壁毛细管气液分
2、配色谱理论和实践”论文，首先提出毛细管速率方程，并第一次实现了毛细管气相色谱分离。 1958年戈雷在阿姆斯特丹的国际气相色谱会议上发表了著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。 1979年弹性石英毛细管开始应用, 将毛细管气相色谱推上高潮。,2020/6/27,4,八十年代将固定液固定化。它大大提高了色谱柱的稳定性, 延长了柱寿命, 并使液膜进一步增厚, 提高了色谱性能 (如可在高温下使用)。 1983 年 惠普公司推出 大孔径毛细管柱，可直接代替填充柱 20世纪90年代 Alltech 公司推出“集束毛细管柱”，919只内径为40um的毛细管柱 20世纪90年代后期耐高温色谱柱、手性色
3、谱柱,2020/6/27,6,高雷本来是电学和数学专家，1955年他加盟 Perkin-Elmer公司，开发红外分光光度计的检测器，这一年Perkin-Elmer公司推出了世界上第一台气相色谱仪，许多研究人员对这种新奇的分离方法进行深入的研究，也引起了高雷极大的兴趣，他用电学和数学的方法对填充柱色谱进行了大量的理论研究，发现如果使用毛细管柱可以把柱效大大提高。他在1957年美国仪器学会组织的第一届气相色谱会议上发表了第一篇毛细管气相色谱的报告，介绍了他的第一张毛细管气相色谱图，是在一支91m长的毛细管气相色谱柱上进行的，得到了12000个理论塔板数。次年他在阿姆斯特丹的国际气相色谱会议上发表了
4、著名的高雷方程，阐述了各种参数对柱性能的影响。阿姆斯特丹的会议为毛细管气相色谱的发展奠定了重要的基础。高雷的研究激发了许多色谱学家的极大兴趣,如英国的Desty，Scott 美国的Zlatkis, Lipsky, Lovelock；德国的Kaiser，Schomberg；意大利的 liberti, bruner, 都为毛细管气相色谱早期的发展做出了贡献,2020/6/27,7,毛细管气相色谱仪,2020/6/27,8,毛细管气相色谱仪,2020/6/27,9,现代的实验室用气相色谱仪大都是既可做填充柱气相色谱又可以进行毛细管气相色谱的色谱仪，在仪器设计上考虑了毛细管气相色谱仪的特殊要求。毛细管
5、气相色谱仪的进样系统和填充柱气相色谱有较大的差别, 色谱柱出口到检测器的联接和填充柱也有些区别.,2020/6/27,10,第一节 毛细管色谱柱的分类,一、毛细管色谱柱的分类 涂壁开管柱（WCOT) 开管柱 壁处理毛细管柱(WTOT) 毛细管柱 填充柱 填充毛细管柱 微型填充柱,2020/6/27,11,开管型毛细管柱,2020/6/27,12,a.壁涂毛细管柱：简称WCOT柱。目前多数为该种类型。 b.多孔层毛细管柱( Porous-Layer Open Tubular Column)简称PLOT柱，这一类使用最多的是“载体涂层毛细管柱”( Support Coated Open Tubul
6、ar Column) 简称SCOT柱。,(1)常规毛细管柱 ：内径为0.10.3mm，一般为0.25mm左右,2020/6/27,13,（2）小内径毛细管柱(Microbore Column)：内径是小于100m的弹性石英毛细管柱，多用来进行快速分析。 (3) 大内径毛细管柱(Megaobore Column)：内径为320m和530m，为了用这种色谱柱代替填充柱，常做成厚液膜柱，如液膜厚度为58m。 （4）集束毛细管柱（multicapillary column）：容量高，分析速度快，适用于工业分析。,2020/6/27,14,毛细管色谱柱的特点, 渗透性好 ：一般毛细管的比渗透率约为填充柱
7、的100倍, 在同样的柱前压下, 可使用更长的毛细管柱(如100米以上), 而载气的线速可保持不变。这就是毛细管柱高柱效的主要原因。, 相比（）大：相比大，传质快，有利于提高柱效；k值小实现有利于快速分析。毛细管柱的液膜厚度小, 柱效高，加上柱渗透性大，可采用较高线流速缩短分析时间。,2020/6/27,15, 总柱效高 从单位柱长的柱效看, 毛细管柱和填充柱处于同一数量级, 但毛细管柱的长度比填充柱可长12个数量级, 因此其总柱效远高于填充柱，这样就大大提高分离复杂混合物的能力。 总之，毛细管柱渗透性大, 可采用长柱子和高载气流速缩分析技术，使其保持高柱效和快速分离。, 柱容量小 毛细管柱允
8、许的进样量小。这样对进样和检测技术要求更高。进样量取决于柱内固定液含量，由于毛细管柱涂渍的固定液仅几十mg， 液膜厚度为0.351.5m，柱容量小， 一般进样量为103105L， 故需要采用分流进样技术。,2020/6/27,16,（二）. 填充柱和毛细管柱性能的比较,2020/6/27,17,毛细管柱与填充柱分离一些硝基化合物的比较 （a）填充柱1.5m，涂QF-1，恒温； （b）毛细管柱，21m，涂OV-101,2020/6/27,18,（三）毛细管气相色谱仪与填充柱气相色谱仪比较,2020/6/27,19,二、 毛细管柱速率理论,（一）纵向扩散项 峰展宽主要由气相分子扩散引起的。 B =
9、 2Dm （二）传质阻抗项 1.气相传质阻抗,2020/6/27,20,2. 液相传质阻抗,2020/6/27,21,2020/6/27,22,与填充柱速率理论比较： （1）毛细管柱中，A=0 （2）在毛细管柱中，因无填料，因此，阻碍因子=0 （3）在毛细管柱中，以柱半径r代替填料颗粒直径dp，且Cs一般比填充柱小，气相传质阻抗常为色谱峰展宽的重要因素。,2020/6/27,23,三、 速率方程讨论,（一）最小理论塔板高度,2020/6/27,24,（二）最佳适用载气线速度,从速率方程可知，最小板高时的最佳流速：,2020/6/27,25,例1 用内径为0.25mm的毛细管柱进行分析，样品为正
10、庚烷。载气为氮气。正庚烷在氮气中的扩散系数Dm0.038cm2/s。 当k=0时，uopt=21.0cm/s； 当k=5时，uopt=7.3cm/s； 当k=时，uopt=6.4cm/s。 载气为氢气。正庚烷在氢气中的扩散系数 Dm0.095cm2/s。 当k=0时，uopt=52.4cm/s； 当k=5时，uopt=18.2cm/s； 当k=时，uopt=16cm/s。,2020/6/27,26,当用氮气为载气时，要得到最小理论塔板高度，所需最佳流速比较小； 当用氢气为载气时，要得到最小理论塔板高度，所需最佳流速比较大。 计算出来的uopt很小，分析时间就要长，所以实际操作时，载气的流速要高
11、于uopt。 研究表明，使用比uopt更高一些的载气流速，并使用较长一些的色谱柱，以补偿因流速增加而降低了的柱效，这样就会节省分析时间。,2020/6/27,27,例2 100ft(1ft=0.3048m)长，内径0.5mm毛细管柱，H2作载气，uopt=16cm/s（正庚烷），如果线速度增加一倍，则洗脱时间减半，板高只增加25，如果柱长增加25以保持同样柱效和分离度，则分析时间可缩短5/8。,2020/6/27,28,四、 毛细管色谱操作条件的选择,（一）毛细管柱的直径 已知柱效与柱内径成反比，即柱内径越细，柱效越高。 目前，多采用细内径，短毛细管柱进行快速分析。,2020/6/27,29,
12、2020/6/27,30,（1）一般内径250m的柱，样品容量约为100ng，而30m柱，样品容量低于1ng。样品容量低，对仪器要求苛刻，检测器的敏感度要小于1011gs。 （2）整个系统的流失、污染和鬼峰都要尽量排除。 （3）检测器的死体积要小，要加尾吹气。当尾吹气为30ml/min时，对250m柱，检测器死体积大于25l，会引起1峰展宽。对30m柱，检测器死体积超过10ml，就会引起1峰展宽。,2020/6/27,31,（4）检测器时间常数，对250m柱，时间常数为50ms，就会引起1峰展宽；30m柱，时间常数为25ms就会引起1峰展宽。而且随柱内径继续减小，所需时间常数急剧下降。 （5）
13、样品容量低，采用冷柱上样比较困难，而且分流进样时，需要很大的分流比，因此必须注意分流线性及定量失真问题。 （6）载气流量小，柱口压力大（约15大气压），目前仪器难以解决。,2020/6/27,32,目前100300m、口径大于500m的毛细管柱。目的是让色谱柱能够与一些死体积大的检测器如TCD、ECD、PID、Hall电导、MS与IR等匹配，可以方便地采用柱上进样方法，还能收集一些组分作进一步鉴定用，以代替填充柱使用。,2020/6/27,33,（二）载气的选择,根据以下三个因素选择载气： （1）分离效能和分析速度； （2）检测器的适应性和灵敏度； （3）载气的物理化学性质，如柱压降、安全性、
14、纯度和价格等。 在毛细管柱色谱中，常用H2、N2和He，不同的载气对Golay曲线的影响如下图。,2020/6/27,34,2020/6/27,35,从曲线极小值和它的平坦程度可以看出：H2作载气时，它的最佳柱效和N2差不多，可是它的最佳载气线速度却比N2大4倍。所以多采用H2作载气。,2020/6/27,36,（三）液膜厚度,液膜厚度增加，会使柱效降低。液膜厚度需按分析要求来决定。 （1）分离挥发性低、热稳定性差的物质时，需用薄液膜柱。这样可以降低柱温和减少柱流失，对快速分析液膜厚度可低至0.05m。,2020/6/27,37,（2）分析高挥发性、保留值小的物质时，液膜厚度要大于1m。 （3
15、）液膜厚度还与毛细管柱的内表面性质、固定液的黏度、固定液的扩散系数和极性等有关系。 有些固定液如SE-30，液膜增厚对柱效影响不大；有些固定液如OV-225，液膜增厚对柱效影响明显。,2020/6/27,38,柱直径、液膜厚度需要与柱容量和柱效综合考虑。 为了快速分析，往往用柱内径小、薄液膜的柱。 近年来，发展了大口径和厚液膜柱，使柱效和柱容量得到合理的折中。其相互关系如下图：,2020/6/27,39,图2110柱内径、液膜厚度对柱效和柱容量的影响,2020/6/27,40,（四）温度的影响,在分离度和理论塔板数等函数的关系式中，有两项是与温度有关系的，即容量因子k和相对保留值。这是因为两者
16、都和分配系数K有关，而K取决于柱温。基本关系如下：,2020/6/27,41,2020/6/27,42,容量因子与分配系数成正比，所以在限定的范围内，容量因子与温度有下列关系：,2020/6/27,43,柱温与相对保留值的关系：,根据a数值的大小，曲线的斜率有三种情况： （1） a为负值，表示降低柱温，会使相对保留值增大； （2） a近于0，无论柱温如何变化，相对保留值保持不变； （3） a大于0，柱温降低，相对保留值也减小。,2020/6/27,44,用2，2，5三甲基戊烷/甲基环戊烷物质对试验数据如下：,2020/6/27,45,当柱温从95降至74 时，容量因子增大89，而相对保留值仅增大2.8。与此同时，达到同样的分辨率所需的理论塔板数将降低为29。 结论： 降低柱温，可增大容量因子，改善分离度，但降低柱温要适当，以保留时间合适和不脱尾为宜。对复杂的样品应采用程序升温。,2020/6
