气相色谱之色谱柱篇

气相色谱柱

学习完本单元你应该掌握：

解释和说明气相色谱中分析物和固定相之间的相互作用力。

针对不同的分析物和应用类型选择合适的色谱固定相。

针对不同应用类型选择合适的色谱柱规格。

理解如何调整色谱柱的物理参数，从而能在合理的时间内获得高质量的分离效果

掌握在实际操作中色谱柱的存放、安装和老化原则。

比较对照气相填充柱和气相毛细管的异同。

描述气相色谱作用力与保留时间的关系及分子间基本的相互作用力。

探讨各种不同种类的色谱固定相，以及选择固定相时的关键因素；

研究气相毛细管色谱柱的重要物理参数，以及与气相色谱保留时间、分离度和柱效率之间的关系

简述色谱柱流失以及降低柱流失的方法

正确安装色谱柱和老化操作

气相毛细管色谱柱

毛细管色谱柱出现在1958年9月Golay发表的专利中，但是从那

以后并没有被广泛使用，直到19世纪70年代后期才开始越来越流行。而现在绝大多数气相色谱仪使用毛细管色谱柱。空心毛细管柱是一个长且细的二氧化硅管在其内壁涂有固定相薄膜，膜的厚度非常薄，固定相一般包括聚合物液体、树脂、微粒或沸石。因此，将这种色谱柱称为涂

壁空心柱(WCOT)，在所有气相色谱柱中分辨率及柱效率最高。这主要是由于毛细管色谱柱技术可以实现细长且均匀的固定相薄膜。

石英玻璃是生产涂壁空心毛细管色谱柱最好的材料，因为其可塑性强、化学惰性而且柱效率很高。当聚合物固定相完全“湿润”玻璃管，便在其内表面形成均匀的固定相薄膜。虽然使用的石英玻璃具有较高的抗拉强度，但是，石英管的管壁很薄，在实验室环境中也很容易被快速腐蚀或损坏。因此，在色谱柱的外表面涂有聚酰亚胺的保护层，可以使最高使用温度(硅胶柱)达到360℃左右。

在使用过程中若所需柱炉温度较高，可选用不锈钢包裹的石英柱。石英管的内表面用化学方法处理减小样品与管道之间的相互作用。所选用的试剂和涂层方法取决于管壁的固定相类型。大多数色谱柱需要进行硅烷化，即石英管表面的硅醇基(Si-OH)与一个硅烷试剂进行反应 (相关内容见钝化作用章节)。

气相色谱填充柱与毛细柱的比较

气相色谱填充柱通常用玻璃或不锈钢制成。填充柱由固定相涂层的二氧化硅颗粒(通常在30/40目到100/120目之间)填充而成，颗粒越小

柱效率越高。典型的气相色谱填充柱长为2m-4m，内径在2mm到4mm之间。

由于涂壁空心毛细管柱是空心管，整个色谱柱的压力降(反向压力)非常低，因此长度可达到60 m以上，而这对于填充柱来说是不可能的。

毛细管气相色谱柱的液相薄膜很均匀，柱效率非常高，一般为每米3000-5000块塔板。填充柱的固定相膜较厚并且不均匀，柱效率很低，一般为每米1000-2000塔板。因此，毛细管色谱柱总塔板数远远高于填充柱。

由于涡流扩散也会造成填充柱的谱带展宽，涡流扩散是范德姆特方程中的术语，最终导致柱效率降低。当然，毛细管柱不是用颗粒材料填充而成，因此没有涡流扩散的影响，也不会造成谱带展宽，这种情况Golay在他改编的范第姆特方程中进行了阐述（可以参考高效液相色谱法理论知识的谱带展宽章节）。

固定液与分析物之间的相互作用概述

在开始研究固定相的类型及其与分析物分子的相互作用之前，需要理解两个重要的概念，即分子的极性和分子间的偶极作用。这些相互作用力便是吸附机理的基础同时也是分析物能够被气相色谱保留的基本

原因。通常我们也根据气相色谱固定相的极性(无极性)进行分类，所以对分子极性的理解非常重要。

所有共价键分子内的原子之间共用电子。非极性共价键的原子之间，电子电荷均匀分布，最简单的非极性共价键分子是双原子分子，如Cl2或H2。这种类型的分子没有建立固定的电子活动区域，电子均匀分布。

相反,“极性”键的电子云分布不均匀。元素周期表中相差超过两个主族的两种非金属原子之间通常形成极性键：典型的例如HCl分子。

蓝色箭头所指方向的原子带有很高的负电荷，分子总体形成一个“偶极矩”，即它分别包含一个相对的正极和负极中心(这就是两极分化)。

下表列举了其他一些常见有机物分子的偶极矩。虽然在一个分子内有不止一个偶极子(极性键)，但是可以用总的偶极矩来指示总电荷的分布情况。

相互作用力一：电负性

电负性是某元素的原子吸引电子形成共价键能力的相对标度。从上面的图可以看出，电负性与原子半径的变化趋势相同。

通过比较形成共价键原子的电负性可以判断一个分子是否存在偶

极矩。例如，当两个原子之间的电负性之差超过0.5个单位，那么此键可能是极性键，除非分子高度对称。

C-H=2.5-2.1=0.4单位电负性，那么此键为非极性键

C-O=3.2-2.5=1.0单位电负性，此键为极性键

分析化学中常见的共价键：

C-F=4.0-2.5=1.5个单位电负性差（极性很强的共价键用来区分共价键和离子键）

C-N=3.0-2.5=0.5电负性（极性共价键）

O-H=3.5-2.1=1.4（强极性共价键）

C-S=2.5-2.5=0（非极性共价键）

相互作用力二：色散力

在气相色谱中，由于溶质分子与固定相的相互作用大于流动相，因此溶质分子被吸附保留在固定相内。气相色谱的独特之处还在于分析物与流动相之间的化学作用力非常小，因此分析物分子与固定相之间的相互作用力就非常重要。在气相色谱中分析物与固定相之间的相互作用力分为三类：

色散作用

偶极作用

氢键

色散作用最难描述和想象，因为他们是由分子中电子或原子核振动而引起电荷的波动现象。这种波动是随机的，基本上是一个统计性的效果。分子中的原子核和核外电子有偶极矩，由于波动性从而导致整个分子的总的电荷量为零。然而，在任何时刻，偶极子可以与其它分子的瞬时偶极子相互作用。色散力是普遍存在的，而且任何分子间的相互作用都能产生色散力。单个的分子也存在色散力，而且即使存在其他类型的相互作用，色散力也是一直都存在的。烃类化合物之间仅存在色散作用。低分子量的烃类化合物为液体而不是气体完全是由于烃类化合物的分

子之间的色散作用力。

相互作用力三：偶极力

分子之间的偶极-偶极作用分为两类：即两个永久偶极子分子之间的偶极-偶极作用，以及永久偶极子与可极化的分子之间的偶极-诱导偶极作用。