毛细管气相色谱系列讲座（31）
快速毛细管气相色谱柱（1）
快速气相色谱方法的理论基础

在今天“时间就是金钱”的市场经济形势下，尽量缩短分析时间成为人们在色谱方法学研究中的重要课题。在气相色谱分析中，近年快速气相色谱得到很快的发展，而细内径毛细管色谱柱是实现快速色谱的重要手段之一。快速气相色谱在分离复杂混合物如药物、环境样品、石油工业样品、环境分析样品等有十分重要的作用。

快速气相色谱实际上早在1961年Desty就论证过，使用2m长，70μm i.d.细内径的壁涂金属毛细管柱，为了进样时间短，用锤子冲击进样（蒸汽进样塞只有10ms）,全部分离9个庚烷异构体只要5s。有的样品甚至只有1s就可以完成分析。此后有许多研究者进行快速气相色谱的工作都是基于使用细内径毛细管柱。使用细内径毛细管柱，另外一个效果是可以提高柱效，但是要提高柱效必须尽可能地减少死体积和减少进样宽度，有关这一问题可从理论上说明，如下面的公式：




式中H是理论塔板高度（mm）,B,CG,CL分别为纵向扩散常数，气相传质阻力和液相传质阻力，u是载气流速，D是衡量死体积大小的系数。所以要实现快速气相色谱就要使用细内径、短的毛细管柱，柱温要高，色谱系统的死体积要小，进样宽度要尽可能小等等。



2．适合于快速气相色谱的操作条件

要实现快速气相色谱，可以从下面的保留时间（tR）公式得到答案：



式中L是色谱柱长，u是载气流速，k是容量因子。用最后一个色谱峰的tR值来衡量分析的速度，从（2）式可以看出色谱柱柱长减小可以缩短分析时间，所以在快速分析时毛细管柱长一般小于10m。增加载气流速u也可以加快分析速度，在使用小内径毛细管柱时，在一定的柱前压下，常常使用每秒几米的载气流速。另外一个影响因素是容量因子k，有一些色谱条件会使k减小，如提高柱温，减小固定相的液膜厚度都会使k减小。但是上述这些色谱条件，都会导致柱效的降低，特别是色谱系统的柱外效应（死体积）有很大的影响，下面的公式是描述柱外效应对峰加宽的影响。

式中σ2是柱外效应对峰加宽的方差，△t是分析系统总的死体积，在进行快速气相色谱时由于使用了短色谱柱、细内径和薄液膜厚度，因而导致分析系统总的死体积对柱效有非常大的影响。要使σ2适于快速气相色谱，分析时间在几秒甚至小于1s，△t必须大大减小，要小于10ms 。如果仪器的死体积和进样系统可以满足这一要求，就可以使用短色谱柱和高载气流速，达到快速气相色谱的目的。但是峰容量值和色谱柱柱长的平方成正比关系，所以使用短柱分离复杂的混合物就非常困难 。

色谱柱的柱效是快速气相色谱另外一个十分重要的参数，由于使用短柱，总柱效降低了，而柱效是分离好坏的重要依据，所以提高单位色谱柱柱长的柱效是快速气相色谱的必要条件。而在快速气相色谱的条件下，VanDeemter的速率理论又不完全适用，有人研究了快速气相色谱的理论塔板高度（H）和流速的关系 。早期Gaspar[23]提出用上面的公式（1）来表示H和u的关系，近来Blumberg 则用下面的公式（4）表示H和u的关系：


由（4）式可以看出，在快速气相色谱情况下（短柱、细内径和薄液膜），载气流速增加柱效的损失不大，氢气做载气更为适宜 。

毛细管气相色谱系列讲座（32）

快速毛细管气相色谱仪

快速气相色谱的方法和仪器

过去在商品仪器进行快速气相色谱时遇到几个难题：

1.进样体积和速度，2.检测器电路，3.数据采集速度，和 4. 程序升温速度。

（1）检测器 过去在快速气相色谱中多使用 FID 和微型 TCD，目前FID， TCD，ECD，PID和MS都有使用的。FID 由于它的死时间很小，一般只有几个毫秒，是快速气相色谱理想的检测器。微型 TCD 在便携式快速气相色谱仪中使用较多，特别是用在硅片上作出的微型 TCD 其池体积只有 220 nL。

（2）进样系统 快速气相色谱由于色谱柱较短、内径较细，要求进样的宽度要很小，使用像 FID 和高速静电计时，死时间很小，主要问题是进样系统。要求进样速度快，尽量缩短进样时间。有两条途径可短进样时间，一是使用机械阀和定量管进样，另一个方法是使用样品冷聚焦装置，实验室用快速气相色谱的进样系统多使用这类进样装置，而商品便携式快速气相色谱使用芯片上的微机械阀和定量样品管，并且和微机械 TCD 一起组成进样和检测系统。典型的冷聚焦装置是用一支铜（70%）—镍（30%）合金管（30cm×0.3mm i.d.）。冷聚焦、热解析的进样系统，开始处为冷聚焦装置把样品蒸气凝聚在冷聚焦管中，然后迅速热解析凝聚的样品，最后把这个样品的蒸气塞送入分离色谱柱。如果凝聚样品蒸气需要10s ,送入毛细管柱形成10ms宽的样品塞，那末样品流的长度会缩短到1/1000，样品蒸气相的浓缩也提高1000倍。用包覆在聚焦柱外的金属加热器把溶于固定相上的样品解析下来，这种加热系统有各种不同类型的设计。

(3) 程序升温和程序升压 直到目前在商品仪器上还没有足够高的程序升温速度,但制造商们正向这一方向努力。通常的程序升温系统还不能满足在几秒甚至几分之一秒的分析时间里进行程序升温。把温度降下来很慢也是一个重要的限制因素。快速程序升温最常用的方法是在毛细管柱外面包覆一层有电阻的金属，用此金属作加热器 。

毛细管气相色谱系列讲座（33）

中国的快速毛细管气相色谱仪

我国科技部在“九五”其间的分析仪器研制项目中有一项“高压快速气相色谱仪”的研究制造课题，是由北京分析仪器厂和武杰高级工程师承担的项目，最近这一研究工作进行了验收。仪器的样机如图1 所示：




图 1 高压快速气相色谱仪

这一仪器的主要技术性能为：

压力：1.2 MPa

升温速率：60 °C/min

电子压力程序：0~1.2 MPa

数据采集：80~100 次/秒

色谱柱：75 mm ~ 100 mm I.D.

用此仪器分析柴油的色谱如图 2 所示，分析茅台酒的色谱如图3所示。分析速度比一般毛细管色谱快3-5倍。



图 2 快速色谱仪分析柴油的色谱


图 3 快速色谱仪分析茅台酒的色谱

毛细管气相色谱系列讲座（34）

全二维气相色谱分析（1）

对复杂混合物的体系进行二维色谱分析，本身就是为了加快分析速度，所以在快速气相色谱中也利用两支选择性不同的色谱柱进行快速分析。近年发展了一种所谓全面的二维气相色谱（comprehensive two-dimentional GC(2DGC),克服了以往一般二维色谱不能把所有组分完全分离的弱点。他们的办法是在第一支厚液膜低极性色谱柱上以较慢的程序升温速度进行粗略的分离，出来的分离物进入一个两级热脱附柱，这一热脱附柱每隔几秒钟就把一个窄馏分送往第二支色谱柱进行快速分离。这样一来可以全面快速地分离所有的组分。例如他们用这一方法在4min内分离了15个农药（1.8～3.8pg）,RSD为6.2%～8.8%。这一研究组又对每一个进入第二支色谱柱的脉冲进行升温分离,这样就与组分的挥发性关系不大了，因而得到更好的分离。并把化学计量学的方法用于全二维色谱的快速分析。

全二维色谱有以下一些优点：

1 灵敏度高，是一维色谱的20~50倍


22 分析时间短


33 提高定性分析的可靠性


44 可一法多用


55 分离度高、峰容量大

例如分析柴油的全二维色谱如下图：



柱 1: 1m×0.1mm×3.0μm 007-1,
柱 2: 1.0m×0.1mm×0.1μm 007-1701.


调制毛细管: 0.1m×0.1mm×3.0μm 007-1,



柴油的GC×GC色谱分离 大约有2000个峰 ，用时60分钟 。

毛细管气相色谱系列讲座（35）

全二维气相色谱分析（2）



全二维气相色谱的接口 即两支色谱柱之间的连接处，或叫做“调制器”，它负责把第一支色谱柱分离开的一组混合馏分进入调制器，进行聚焦后再以脉冲方式送到第二支色谱柱进行进一步的分离，所有组分从第二支色谱柱进入检测器，信号经数据处理系统处理，得到以柱1保留时间为第一横坐标，柱2保留时间为第二横坐标，信号强度为纵坐标的三维色谱图或二维轮廓图。常用的调制器是一支毛细管柱和一个槽型加热器如下图所示：




这个技术自90年代初萌芽以来，在1999年由美国Zoex公司实现了仪器商品化。将在复杂样品分离中发挥积极作用，是一种十分诱人的分离分析工具。由于这项技术非常新，目前全世界只有二十台左右的仪器，且只有Zoex公司有定型产品。该仪器有如下特点：
1． 分辨率高、峰容量大。其峰容量为组成它的二根柱子各自峰容量的乘积。美国Southern Illinois大学已成功地用此技术一次进样从煤油中分出一万多个峰。
2． 灵敏度高。经第一支色谱柱分离后，馏分在调制器聚焦，再以脉冲形式进样。因此，灵敏度可比通常的一维色谱提高20~50倍。
3． 分析时间短。由于用了二根不同极性的柱子，因此样品更容易分开，总分析时间反而比一维色谱短。也由于高分辨率的原因，定性可靠性可大大增强。一个方法可覆盖原来要几个ASTM方法才能做的任务

中科院大连化学物理研究所的许国旺博士及时地参与了GC×GC新技术的发展历程。2000年2月Zoex公司总裁专门来连与许国旺研究员商谈共同开发GC×GC技术的合作事宜。该项技术将广泛地应用于含100个组分以上的复杂样品分析，如石油样品、环境样品、中药、香精香料、酒类、油脂等. 样品越复杂，优势越明显。一些长期分不开的样品，将会随着此技术的应用得以分开。

不错不错，值得学习！