认识气相色谱固定相（二）——固定相的适用温度

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2020/06/30

私聊

气相色谱（GC）

前面的文章已经对常见固定相的种类进行了介绍，详见https://bbs.instrument.com.cn/topic/7247165。

本次主要介绍固定相的适用温度范围。

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1、温度对固定相的影响

在色谱分析中，柱温是最重要的工作参数之一。我们总是需要通过调节柱温来改善分离效果。但是温度变化对固定相自身的影响常常被忽略。实际上，任何固定相都有一个适用的温度范围，我们在调节柱温时必须要考虑这一范围。如果超出这一范围使用，不仅无法达到预期的效果，还可能对色谱柱造成不可逆的损坏。
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高温对固定相有哪些损害？

首先是挥发问题。固定相虽然是沸点很高的物质，但是在较高稳定性仍然具有一定的蒸气压，会随载气挥发。因此在检测器中检测到的信号实际上是固定相蒸汽与目标物共同产生的，只有当固定相蒸汽浓度远低于目标物时才能实现准确定量。如果固定相蒸汽浓度太高，就会导致较高的背景信号，噪声也随之增大，此时样品的微弱信号就被淹没在固定相蒸汽产生的背景噪声中，难以识别。

然后是分解问题。高温下，固定相自身的化学键会发生断裂，随着温度的上升，分解速率呈指数增长。同时样品和载气中的强极性杂质，如水、酸等，都容易与固定相发生反应导致分子链断裂，这种反应也是随温度升高而呈指数增长的。分解产生的气态小分子产物随载气流出，产生的影响与固定相蒸汽类似，都表现为较高的背景信号和较大的噪声，因此统称为“柱流失”或者“固定相流失”。有些分解产物在柱温较低时被保留，随着程序升温过程逐步流出色谱柱，就形成鬼峰，也会干扰测定。

以上两方面的问题，除了影响低浓度目标物的检测外，同时也是色谱柱寿命损失的主要原因之一。柱流失的直接结果就是使固定相总量减少、色谱柱的容量因子降低。通常容量因子减小10%就说明色谱柱已经有明显的损坏了，因为固定相的明显流失意味着柱内壁涂层的破坏，会暴露出活性点从而产生吸附拖尾等问题。而且流失一旦开始，往往会加速发生，因为原有的化学键断裂之后，剩余固定相的稳定性就会越来越差。

另外，柱流失也是污染检测器的重要原因之一，这在气质联用中尤其突出，在使用其他检测器时也时有发生，比如FID的喷嘴积碳、FID收集极沉积二氧化硅等。

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低温对固定相有哪些不利影响？

受传质阻力的限制，固定相一般需要为液态（虽然吸附形固定相是固态的，也需要通过多孔结构来实现传质）。如果液态的固定相在较低温度下凝固，将导致传质阻力显著增加，其结果表现为保留能力显著减弱、峰形严重展宽，因此固定相的使用温度必然存在下限。这一现象在使用聚乙二醇固定相时尤其明显，当柱温低于聚乙二醇的熔点时，样品变得几乎不被保留，峰型也会异常变宽。对于一些粘稠固定相，比如分子量极大的OV-1、极性很强的氰丙基硅氧烷、丁二酸二乙二醇聚酯等，在较低温度下即使不凝固，也会因粘度大而产生很大的传质阻力，柱效下降很明显，因此也不适合在较低柱温下使用。

当然，与高温的影响不同，低温产生的不利影响是可逆的，重新恢复正常柱温后，柱效可以完全恢复，不会造成损坏。因此本文后续主要讨论的是最高适用温度，最低适用温度仅作简要叙述。

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2、如何评价固定相的适用温度

能用或者不能用，看似很简单的问题，实际上要做出完全客观的判断却不容易。目前关于固定相使用温度的数据极为混乱，各类文献手册和产品资料给出的数据差别极大，究其原因就是缺少一个客观同一的评价标准。

早期进行的固定相探索实验中，最高使用温度往往通过主观感受来评价。比如有学者使用FFAP固定相测定了游离脂肪酸，柱温最高达到250度，于是后续文献就说FFAP固定相的最高使用温度可达250度。但是这种固定相在250度使用的效果到底如何呢？是使用数百小时性能没有下降，还是使用一天后就明显变差了？使用时噪声很大，还是小到可忽略不计？这些问题实际上都没有体现出来，因此这个最高使用温度可达250度的说法实际上是完全没有意义的。

又例如最经典的SE-30固定相，有的文献报道最高使用温度可达350度，在350度的柱温下用TCD检测器测定聚氧乙烯脂肪醇醚可以获得很好的效果。又有文献认为其最高使用温度不应超过300度，在300度的柱温下用FID检测器测定邻苯二甲酸酯时就已经表现出比较大的流失和噪声了。这种矛盾的报道也是标准不统一引起的，因为FID的灵敏度比TCD高得多，使用高灵敏度的检测器时对固定相流失敏感得多。

到了毛细管柱普及的时代，这种不统一也是非常常见的。例如平时经常使用的PEG柱（wax柱），不同厂家标称的最高适用温度从200度到290度都有，这里面有产品质量的差异，但是更多的是因为质量标准不同得出了不同的指标。而处于商业利益和技术保密等方面的考虑，很多厂家根本没有公开质量标准，这使得各种商业宣传的指标更加扑朔迷离，甚至到了信口开河的地步。

作为曾经的气相色谱技术标杆，瓦里安在这方面做得是比较好的，以下是截取的瓦里安毛细管柱关于最高适用温度的质量标准，指标能够被客观的量化。

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上述质量标准都是根据固定相在高温下流失的程度来定义最高适用温度范围的。一方面是从固定相的总量方面考虑，连续使用6个月后固定相流失一半的温度作为普通色谱柱的最高适用温度。也就是说该色谱柱在标称的最高恒温操作温度下连续工作4千小时，固定相就会损失一半。显然，固定相损失到这种程度是肯定无法使用的。前面已经说过，固定相损失的程度可以通过容量因子降低的程度反映出来。一般实践表明，固定相损失10%的时候柱子的性能就已经有明显缺陷了，需要及时更换，也就是说在标称的最高恒温操作温度下，色谱柱能够稳定工作的时间其实不到1000小时。

另一方面是从固定相流失到载气中的浓度来考虑的。质谱、ECD等高灵敏度的检测器对柱流失极为敏感，即使色谱柱的寿命没有受到明显影响，当流失的固定相蒸汽浓度增大到一定程度后，检测器噪声会显著增加，这对于微量物质的分析是不能允许的。因此，这类色谱柱（主要是低流失柱或者称作MS柱）的最高恒温操作温度是柱流失水平不超过某一规定值的温度。在这一温度下固定相流失非常微小，色谱柱的寿命很长，连续使用数千小时后固定相总量也不会有显著的减少。柱流失水平一般是在FID上测定基流随温度的变化而反映出来的。因为流失的固定相是有机蒸汽，进入FID之后会使信号增加，增加的程度与流失的浓度几乎是成正比的。对于气质联用分析，通常要求柱流失对应的基流在几个pA以内。以下是不同色谱柱高温流失产生的基流变化示意图，摘自安捷伦应用资料。

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以上所列的瓦里安色谱柱的评价标准在行业内几乎是最为严格的。其他厂家的评价标准往往要宽松很多，因此在使用过程中经常会遇到产品标称适用温度很高，但是在低于标称温度的时候流失就已经很明显了。或者有时候遇到A厂产品标称温度比B厂产品高，但是实际使用时A的流失却比B更加明显。因此在比较不同色谱柱热稳定性时不能仅仅看标称的数值，而要在统一的标准下对比。

. 实际应用中应以什么标准来判断色谱柱的适用温度范围？

从以上讨论可以看到，即使按瓦里安比较严格的量化标准，也会出现多个不同的最高适用温度。那么实际应用中要按那个指标进行判断呢？根据我的经验和习惯，倾向于采用最严格的标准，也就是低流失柱（质谱柱）的最高操作温度定义方式。因为，即使在适用FID进行普通的气相色谱分析时，固定相流失带来的较大的基线抬升和噪声增加也都是非常不利的，应该尽可能避免。而且，按连续工作6个月后固定相损失50%来定义的最高操作温度也并不适用于实际操作，因为这个温度下固定相已经在显著分解，色谱柱可以稳定工作的时间实际上不足1000小时（容量因子变化在10%以内），只有在比这个温度低20度左右使用才能获得长期稳定的使用效果。

其实日常应用中，很多人已经不自觉的在使用这个标准了，我们在询问色谱柱最高可以多少度用的时候，经常会听到这样的回答：比标称的比较低的那个数值再低20度使用。但是需要注意，前提是这个标称的数值一定不能是虚标的。然而遗憾的是，目前各个厂家虚标的现象非常普遍，即使没有恶意虚标，也有不少通过较为宽松的质量标准得到的虚高指标。因此，我在下面对一些常用固定相的适用温度范围进行了大致的整理，并简要归纳了变化规律。给出的温度数值不可能很精确，只能作为大致的参考，但是其基本规律在判断厂家标称的参数是否合理时可以作为佐证依据。

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3、聚硅氧烷固定相的适用温度范围

聚硅氧烷固定相的最高适用温度普遍比较高，其影响因素包括分子量、取代基，以及交联情况等方面。

甲基聚硅氧烷的分子链是最为稳定的，因此其耐热性一般是最好的。但是随分子量不同，其性质有明显差异，适用温度也明显不同。低分子量的是油状液体，俗称甲基硅油，适用温度通常在200度左右。高分子量的是黏弹态橡胶状固体，俗称甲基硅酮胶，适用温度可达300度以上，例如OV-1固定相的标称适用温度为350度，是常规固定相中适用温度最高的一种，实践也表明这种固定相确实能在350度柱温下使用一定的时间。但是这种高分子量的固定相在接近室温时粘度非常大，只有柱温较高时才能获得较高的柱效，柱温太低时无法使用。分子量适中的表现为半流态弹性体，以SE-30固定相为代表，最高适用温度约为280~300度，随杂质含量不同略有差异。

对于其他取代基的聚硅氧烷，分子量变化也有类似的影响规律，但考虑到粘度的影响，除苯基取代的聚硅氧烷外，一般只使用分子量中等偏低的型号，因为其他极性取代基会导致粘度的进一步增加，分子量太高不利于使用。除少量苯基取代外，其他强极性的取代基都会使聚硅氧烷的热稳定性减弱，适用温度随极性的增强而降低。5%苯基取代的聚硅氧烷，如SE-52、SE-54、OV-73等，适用温度也可以达到280~300度，而高苯基取代度的聚硅氧烷，如OV-61、OV-17等，适用温度降低较为明显，通常只有250~260度左右。三氟丙基、氰丙基等强极性基团会使聚硅氧烷的热稳定性显著降低，取代度不太高的品种，例如OV-1301、OV-1701等，最高适用温度约为250度，取代度高的时候，适用温度降低更明显。例如OV-210一般在240度以下使用才能比较保险，OV-225、OV-275等品种的最高适用温度大约不超过220度。只有Xe-60这种分子量非常大的固定相才能在更高温度下使用，但通常也不能超过250度。另外，氰丙基取代度高的聚硅氧烷由于极性强、粘度大，因此在低温下柱效较低，最好在100度或者更高的柱温下使用。

总的来说，对于聚硅氧烷这一类固定相，最高适用温度至少应该符合两个规律：一是分子量大的挥发弱，适用温度应该更高；二是极性强的稳定性差，适用温度应该更低。明显偏离这个规律的数据肯定是值得怀疑的。

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这里必须指出，早期文献使用填充柱研究固定相性质，填充柱中固定相总量较大，少量流失也不至于明显损坏；而且当时的色谱仪灵敏度普遍不如现在高，因此对于固定相的流失不甚敏感；这两个因素导致的结果就是，报道的固定相适用温度普遍偏高，我们在查阅早期文献和手册需十分注意。而目前普遍使用了毛细管柱，负载的固定相总量少得多，少量流失就有损坏的可能，同时现在还普遍采用高灵敏度的检测器进行微量分析，对固定相流失问题必须有更加严格的要求。

而且早期文献年代久远，以讹传讹的现象层出不穷，例如著名的OV-17固定相，早期给出的最高适用温度是275度，而之后该数据多次转载，最后讹传成了375度并载入了各大专著和手册的数据表中。要知道，同类固定相的毛细管柱在近十几年才实现了350度左右的使用温度，难道色谱固定相技术开了几十年的倒车？这个显著错误数据在各大专著和手册中堂而皇之的存在几十年却无人指出，实在令人深思。其实这一问题在Walter Jennings的《玻璃毛细管柱气相色谱》专著中早就有所提及，作者也的指出OV-17固定相用于毛细管柱的最高使用温度实际上约为250度，但是仍然没有明确指出固定相表格中数据的错误。

还比如有的文献中给出的OV系列各种固定相的最高适用温度都是350度，甚至连OV-351这种聚乙二醇类的固定相也标称最高适用温度是350度，这显然也是不合理的。究其原因，可能是不经思考的采纳了产品宣传资料，因为在OV公司的产品介绍中有提到OV系列固定相的最高适用温度可达350度，其言下之意是只这一系列产品中最高的那一种可以达到350度的适用温度，而几经转载就变成了所有的品种都是350度的适用温度。

国产上试厂的固定相也出现过类似的以讹传讹的问题。最典型的是上试产的硅油（III）固定相，其实际使用温度上限为180度，但不知何时被弄错成了280度。为了对这一问题进行验证，我曾经买过数瓶不同批次的该产品进行实验，明确证明280度这一数据是错误的。但是这一错误数据还是一直被收入在《分析化学手册·第五分册》和企业标准中，出厂的产品上也一直堂而皇之的写着“最高使用温度280℃，流失实验合格”。

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二十世纪八十年代以来，毛细管柱的一个重大技术进步是固定相的交联键合技术。这一技术使传统的直链聚合物固定相交联为网状聚合物固定相，不仅分子量成指数增加，分子链的锚固点也变得更多，稳定性大大增强。这一技术使原有固定相的最高适用温度普遍提高了20~30度左右。进入二十一世纪以来，各大厂商又基于亚芳基改性、碳硼烷改性等技术生产了低流失色谱柱（MS柱），使原有同类固定相的适用温度又进一步提高了20度以上。其中特别是含有35%亚芳基的固定相，其结构处于稳定性最佳的状态，适用温度提高最为明显，达到340度以上。在瓦里安被安捷伦收购之后，其他厂家也没有停止开发耐高温、低流失固定相的脚步，也纷纷推出了相应的产品，各种固定相的最高适用温度还在继续提高，例如Restek公司的Rxi系列，SGE公司的BPX系列，Phenomenex公司的ZB-plus系列，等。

下表列出了一些常见固定相型号的最高适用温度，温度的判断均以可长期连续使用、且不会检测到明显的柱流失这两个条件同时满足为标准，数据大部分来自于本人或者同行的操作实践，可能存在一定的上下偏差，但应该没有重大差错，可供实践使用中参考。
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4、聚乙二醇固定相的适用温度范围

聚乙二醇固定相的适用温度范围一般来说比聚硅氧烷小得多，并且受到自身分子量大小和杂质含量的影响很大。常用的PEG-20M是分子量2万的品种，最高适用温度可达200度以上，少数质量好的甚至可以在220度稳定使用很久，但是有些质量较差的却远达不到这么高的适用温度。同时要注意，分子量2万的聚乙二醇在55度时会凝固并逐渐结晶，因此其最低适用温度通常不低于60度。分子量小一些的聚乙二醇品种具有更低的凝固温度，但是最高适用温度也明显降低，因此使用不多。微量的酸性杂质和金属离子都会催化聚乙二醇链的断裂，这是纯度低的产品适用温度难以提高的主要原因，而向其中添加强碱则是提高其热稳定性的重要方法。

聚乙二醇与硝基对苯二甲酸发生酯化反应生成的缩聚物是针对游离脂肪酸分析的一种固定相，简称FFAP。由于缩聚使分子量进成倍增加，因此这种固定相的热稳定性更好，通常能在220度长期稳定使用。与聚乙二醇一样，FFAP固定相在较低温度下会凝固，最低适用温度约为60度。

交联键合技术在聚乙二醇固定相的毛细管柱中同样有广泛应用，实现交联后，最高适用温度提高了20度以上，达到240度左右。虽然在更高的柱温下也能短时间使用，但是聚乙二醇链断裂的问题是难以克服的，高温导致的寿命减少非常明显。交联限制了分子链的移动与重排，对抑制聚乙二醇在低温下结晶有一定作用，因此交联型的聚乙二醇固定相的最低适用温度也有不同程度的降低，不同产品在20~50度范围内不等。

近十几年在低流失的聚乙二醇柱方面也取得了技术进展，能在250度甚至更高温度下长期稳定使用的聚乙二醇柱已有好几个不同的型号，例如瓦里安的VF-WAXms、安捷伦的DB-HeavyWax等。还有一些厂家也声称开发了耐高温低流失的聚乙二醇固定相型号，但是尚未见到详细的流失测试和寿命测试报告，对其性能还需观望。

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5、关于固定相最高适用温度，其他需要说明的问题

以上简要讨论的固定相的最高适用温度，给出了各种固定相的推荐值。但是实际应用中问题还要复杂得多，不能简单套用表中的数值。

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不同厂家的产品质量差异明显

固定相都是高分子材料，其分子量分布和微量杂质对性能影响很明显，不同厂家的产品看似接近，实际使用中却会显著不同。比如前面提到的聚乙二醇固定相，同样是分子量2万的产品，如果用普通分析纯试剂的聚乙二醇来当固定相使用，通常使用温度只能达到160~180℃，再升温就会很快分解殆尽，而使用专门色谱固定相级别的产品则可以在200℃稳定使用。又比如SE-30本来是一种工业硅油产品，低分子量杂质较多，后来有厂家对其进行了纯化得到专用的色谱固定相级别的产品，最高使用温度就有了显著的提高。对于键合固定相和低流失固定相也有类似的问题，不同厂家的同类产品，在同样温度下的流失水平有显著差异。以我自身使用的经验为例，同属5%苯基聚硅氧烷的MS固定相，VF-5ms、HP-5ms、RTX-5ms三者在同样温度下进行比较，VF-5ms的流失比另外两种要低很多。即使同一厂家的产品，不同系列之间也有明显差异。例如同属安捷伦，HP-5的流失明显比DB-5要高不少；又例如SGE公司的产品，AC系列的质量低于BP系列，最高适用温度相应的也会低一些。

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不能只看宣传资料上的数字

浮夸风、放卫星不是中国独有的，卖东西的人都有王婆卖瓜的习惯，因此选择色谱柱的时候一定不能只看宣传资料上的片面之词。还是以我使用过的VF-5ms与RTX-5ms为例，前者标称温度为325/350℃、后者标称温度为330/350℃，看似后者的指标更高，然而实际使用中后者的流失要比前者高数倍。再例如同属安捷伦旗下的HP-innowax和DB-wax，柱规格均为30m*0.32mm*0.25μm的情况下，前者标称温度为260/270℃，比后者高了10度，然而根据我实际使用的情况，二者的热稳定性不相上下，同温度下DB-wax的流失甚至还稍微低一些，而且实践证明HP-innowax想要长期稳定工作且不产生显著的基线噪声，柱温不宜超过230℃，比标称数值更低VF-WAXms还要差很多。那么这个标称的“260/270℃”算不算虚假宣传呢？这个确实很难判定，因为厂家只说可以用，没说能用多久，用三天就报废也算可以用啊（手动滑稽

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要注意柱规格产生的差异

前面讨论的是固定相的适用温度，但固定相都是做成色谱柱来使用的，因此我们更加关心色谱柱的最高适用温度。同样的固定相，只做的色谱柱长度、内径、膜厚不同，最高适用温度会有不少的差异。影响最显著的是膜厚，其他条件不变、膜厚加倍时，固定相的流失水平会增加一到二倍不等。而且膜厚太大的色谱柱制备更困难、容易出现交联不完全的问题。因此使用厚液膜（1.0μm或者更厚）的色谱柱时，允许的最高温度一般要降低10~20℃。柱内径增加、柱长增加时，固定相的流失也会有一定的增加，所以在使用大口径柱（0.53mm）、长柱（60m或者以上）时，也要注意将允许的最高温度适当降低。

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