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气相色谱毛细管柱选择理论

深蓝

2022/12/30

气质联用（GCMS）

摘要：GC具有的快速高效特性使他成为目前解决复杂混合物分离和定量的一种非常有效的方法。选择一款合适的毛细管柱是至关重要的。恰当的毛细管柱不但可以保证达到良好的分辨率，同时也可以节约时间，本文是基于气相毛细管柱毛细管柱的选择，供广大化学分析者共同探讨。

气相色谱法以其高超的分离能力、化学热稳定性高、分析速度快、呈化学惰性等特点而广泛应用于石油化工、环境保护、天然产品、食品等领域的复杂有机混合样品的分析。在药物分析中，气相色谱法作为各国药典收录的常规分析方法用于药品质量的控制，包括鉴别、含量测定、有关物质检查等。气相毛细管柱是担负气相分离作用的核心，是气相毛细管柱系统的心脏。能否找到合适的气相色谱毛细管柱，关系到整个分析工作的成败。掌握毛细管柱选择理论知识对于分析工作者特别是药物分析工作者是非常必要的。目前市面上的气相毛细管柱比较繁多，但针对毛细管柱的选择原则基本一致。

选择用于分析的最佳毛细管柱是一件难以确定和非常困难的任务。虽然没有有关毛细管柱选择的简易技巧、捷径、窍门或秘诀，但却有些理论来简化此过程，有四个要考虑的主要色谱参数：固定相、内径、长度和液膜厚度。

一、固定相

毛细管柱的固定相从理论上首选遵循相似性原则，即：用非极性固定相分析非极性物质，用极性固定相分析极性物质，用含芳香基团的固定相分析芳香族被分析物。

随着毛细管柱技术的不断进步，分离度并不是首要考虑的关键因素了，毛细管柱具有几十万块塔板，如此大的柱效率，以至于不再需要充分考虑分离问题了。这个时候，样品兼容性、使用温度、稳定性、柱流失情况等，都可能成为选择的主要理由。

1）固定相选择性

选择性是固定相在区分两种溶质分子在其化学或物理性质方面的差异能力。当固定相和溶质间的作用力不同时，则可达到分离。对于类似于聚硅氧烷和聚乙二醇的固定相存在三种作用力：色散力、偶极力和氢键作用力。

① 色散力：简单来说就是被分析物的挥发性越好，保留时间就更短。对于具有简单结构、官能团和同系物的被分析物时，利用被分析物的沸点进行分离是相当有效的。图1和图2是说明了被分析物洗脱顺序与沸点关系的。

② 偶极力：当被分析物的基本结构或中心结构的不同位置连接有不同的基团对于取代芳香被分析物、卤烃。氰丙基、三氟丙基和聚乙二醇类固定相都表现出良好的偶极作用性能。甲基或苯基取代基团不进行偶极相互作用。

③ 氢键：当被分析物分子和固定相之间存在氢键作用力，固定相可以不同被分析物的氢键作用力不同，而产生不同的氢键势能，从而使被分析物分离。例如无氢键作用的DB-1较有有氢键作用的DB-WAX对于有些被分析物的洗脱使用影响的。

2）固定性极性

固定性的极性有取代基团的极性及其相对量确定。虽然极性并不直接与选择性有关，但是会影响被分析物物的保留以及分离。对于挥发性相似的被分析物，与固定相极性相似的溶质具有更大的保留，极性固定相要比较弱极性固定相保留极性被分析物的能力强，反之亦然。这就是我们前面提到的相似性原则

3）固定相选择概述

① 一般来说，拿到一个未知的被分析物，可以采用盲摸的原则进行：可以从非极性柱或弱极性柱开始试用，如效果不好，再按极性渐强的顺序选用中等极性直至高极性柱逐一尝试，直到有较令人满意的分析结果即可确定适用的柱极性。

② 低流失(“ms”)毛细管柱通常更为惰性，有更高的温度上限,适用于MS检测器。

③ 能使用非极性固定相就不要使用极性固定相，非极性固定相比极性固定相耐用。

④ 可以尝试选用与被分析物极性相似的固定相。

⑤ PLOT柱用于在高于室温的柱温下来分析气体样品。

⑥ 分析二甲苯等芳烃异构体，首选Wax类强极性毛细管柱。

⑦ 在做应用方法确证时，可同时使用非极性柱和极性柱，对色谱峰鉴定或分离结果进行确证。

⑧ 通常做农药分析方法确证时，选用弱极性或中等极性毛细管柱（如5%苯基，95%苯基甲氧聚硅氧烷和7%氰甲基，7%苯基，86%甲基聚硅）；做残留溶剂分析方法确证时，选用中等极性或弱极性毛细管柱（-5MS和-624/-VMS）毛细管柱；做醇类或FAME分析方法确证时，选用PEG和含氰基固定相毛细管柱；做汽油中氧化物分析方法确证时，选用-1和PEG毛细管柱。

二、内径

毛细管柱的内径会影响到理论塔板数、分离度、保留时间、柱头压力、载气流速设置和容量。

1）理论塔板数和分离度

柱效与柱子的内径成反比，表2说明了毛细管柱的内径越小，则每米理论塔板数越高。分离度与理论板数的平方根成正比。在需要得到窄峰和高柱效时，使用内径较小的毛细管柱。图4 说明了毛细管柱内径对分离度的影响。

2）保留时间

被分析物的保留时间与毛细管柱的内径成反比。但很少根据保留时间选择毛细管柱。图4 说明了毛细管柱内径对保留时间的影响。

3）柱头压力

柱头压力大约是毛细管柱半径的负二次方函数。也很少根据柱头压力选择毛细管柱。

4）载气流速

载气流速与毛细管柱的毛细管柱的内径成正比。毛细管柱的不同内径均有推荐的最佳载气流速。该流速理论上可以使被分析物达到最佳峰形。

不过推荐的最佳载气流速并不是绝对的，需要具体问题具体分析。对于需要低载气流速的应用和硬件（气质联用），通常使用较小内径的毛细管柱。

5）毛细管柱的容量

容量与内径成正比，但容量也受其他因素一同影响。比如固定相、膜厚和被分析物性质等。

6）内径选择概述

① 0.18-0.25mm的毛细管柱具有较高的理论塔板数。0.18mm的毛细管柱很适合于泵容量低的GC/MS系统。小内径柱的容量最小而且需要最高的柱头压力。

② 当需要样品容量大时就要使用0.32mm内径的毛细管柱。与0.25mm内径柱相比，0.32mm内径柱对不分流进样或大体积(>2μL)进样时早流出的色谱峰有较高的分离度。

③ 只有配备大口径直接进样口时，才使用0.53mm内径的毛细管柱，它特别适合于高载气流速的应用，例如吹扫捕集，顶空进样。0.53mm内径毛细管柱在恒定的液膜情况下具有最高的样品容量。不过一般的药物分析实验室习惯采用这个尺寸的毛细管柱。

三、液膜厚度

液膜厚度主要影响保留特性、分离度、流失、惰性和容量。

1）保留时间和分离度

液膜厚度与保留时间成正比，对于低沸点的分析物，厚度越大保留越强。反之液膜较薄的毛细管柱用来减少保留能力强的分析物的保留时间。液膜厚度与分离度成正比。

2）流失

液膜越厚毛细管柱的流失水平越高。当液膜厚度增加时，保留时间较大的组分可能转移到毛细管柱流失较高的区域。由于流失严重，因此液膜厚度与难受温度成反比。

3）惰性

液膜越厚，毛细管柱的惰性越强，使用较厚液膜的毛细管柱可以减少或消除峰拖尾。

4）容量

液膜厚度与容量成正比，分析物的容量越大，其峰越宽，同时会减少分离度。而使用液膜较厚的毛细管柱会减少峰宽，增加分离度，保证较少的峰形对称性。表4说明了液膜厚度与载样量的关系。

5）毛细管柱液膜厚度选择概述

① 对于0.18~0.32mm 内径的毛细管柱，一般膜厚为0.18~ 0.25μm，可用于大多数分析。对于0.45~0.53mm 内径的毛细管柱，一般膜厚为0.8~1.5μm，可用于大多数分析。

② 低挥发性高沸点或热敏被分析物，往往选用0.25~0.5μm液膜厚度的毛细管柱，主要用于沸点低于300℃的被分析物。低于沸点高于300℃的被分析物来说应该选用0.1μm液膜厚度的长度较短的毛细管柱。

③ 气质联用主要选择0.1~0.2μm厚度的毛细管柱，而中等厚度的（1~1.5μm）毛细管柱主要用于分析沸点在100~200℃的被分析物。

④ 低沸点被分析物（比如乙醛）应该选用液膜较厚的毛细管柱（3~5μm）以便于在较高的柱温下分析。

四、长度

毛细管柱长度会影响柱效、分离度、保留时间、载气压力。

1）柱效、分离度和保留时间

理论塔板数与柱子长度成正比。分离度与理论板数的平方根成正比。增加柱子长度理论上是可以增加理论塔板数和分离度。要想得到窄峰和较高的柱效可以考虑使用较长的毛细管柱。保留时间与毛细管柱的长度成反比。使用较长的毛细管柱会增加被分析物的保留时间。

2）柱头压力

柱头压力与毛细管柱长度成正比。因为常规长度的毛细管柱对柱头压力影响较少，因为柱头压力一般不作为帅选毛细管柱的考虑因素。

3）毛细管柱长度选择概述

① 15m长的毛细管柱用于分离简单的被分析物。30m长的毛细管柱一般分析10~50个组分的混合物。

② 复杂的被分析物可以使用长度大于50m的毛细管柱。

③ 毛细管柱的长度并不是一个绝对重要的参数，因为增加柱子长度可以提高柱效和分离度，但同时增加了分析时间。而较短的柱长可以节约分析成本，另外由于较少的主材以屏蔽活性表面从而减少相互作用的机会。避免样品与柱材料接触造成峰拖尾。

五、其他因素

此外，还有一些参数在进行毛细管柱选择时也应该加以考虑。比如毛细管柱程序升温的最高耐受温度、毛细管柱的最低操作温度、毛细管柱与被分析物的兼容性及毛细管柱的耐用性等。

六、结语

不同的毛细管柱之间的保留行为差别很大，选择合适的毛细管柱是利用气相色谱进行药物分析工作的重点，按照被分析物的性质严格按照毛细管柱选用理论并结合毛细管柱的使用说明进行毛细管柱的筛选

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symmacros

第1楼2023/01/01

应助达人

感谢分享毛细管色谱柱的知识。有时候真难找到一根所有待测目标物都能分离的柱子。

0

俭以养德101

第2楼2023/01/02

感谢楼主分享理论知识

0

Ins_6692cff6

第3楼2023/01/04

感谢楼主的分享，很实用！

0

路漫漫修远

第4楼2023/09/14

感谢楼主的分享，有收获

0

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