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技术支持

毛细管色谱柱的选择
发布时间:2016-09-26   点击次数:984次

    毛细管色谱柱是目前气相色谱中用到zui多的色谱柱,可以说是气相色谱分离的核心,    分析时,选择zui佳的毛细管色谱柱可能是一件非常困难的任务。虽然没有色谱柱选择的简易技巧、捷径、窍门或秘诀,但却有些指南和概念来简化此过程。

    一根色谱柱的规格描述包括其固定相的种类和内外部尺寸(柱内径、长度和膜厚等)。不同规格的色谱柱,对样品的分离结果影响也不尽相同,如样品分离的洗脱顺序、保留时间、分离度和峰形/峰高等。另外,在实际分析应用中,色谱柱的性能指标,如惰性、塔板数和柱流失率等,同样会严重影响到样品的分离效果。

 

1. 固定相的选择原则和方法

    理论上讲,选择固定相遵循相似性原则,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化合物。在填充柱时代,这个想法是非常正确的,因为那个时候,分离度是首先需要把握的关键因素,分不开,就没办法想其它。它的理由在于塔板理论的推论,即:组分在固定相中有越大的溶解度差异,就会产生越大的分离度。

    但是在毛细管色谱时代,分离度不再始终是分析的问题。毛细管具有几十万块塔板,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。

    例如分析甲醇乙醇丙醇等低级醇类,正常应选择wax类高极性色谱柱。但是在杂质较少的情况下,选择DB-1这样的非极性柱具有更高的灵活性和使用寿命。具体选择要依据以下规则:

    非极性毛细管柱具有明显的稳定性、高使用温度、良好的色谱峰形等有利因素,因此易分离物质应首先选用极性小的色谱柱;分析氢键型物质用氢键型PEG柱更佳;轻烃或*气体用PLOT柱更佳;高苯基固定相对芳香族物质保留能力更强;分析二甲苯等芳烃异构体,Wax类强极性色谱柱。

   在过去的几十年中,所有的GC应用中,非极性色谱柱的使用率高于中等极性柱和极性柱。一般来说,非极性柱,如HP-5MS柱,可应用与于50%以上的分析。而极性或中等极性柱,如PEG柱,大概适用于25%的分析应用中。通常,我们会先选择非极性色谱柱,而极性色谱柱会选择性的用于比较简单的样品(较少种类化合物组成的样品)。

    在选择适用的固定相时,分析设备和分析条件也是需要参考的指标。如检测器的种类、载气和进样体积等。

    如果我们不考虑对样品选择性和检测灵敏度的影响,那么就使用检测器低响应固定相的色谱柱。比如说含氰基的固定相,像1301、1701、624等这样的色谱柱就尽量不要与NPD(氮磷检测器)连用。对于超低流失的固定相,如-1MS或-5MS的柱子,因为它们可以保证zui低的检测基线和噪声水平,所以在做低或超低检测限样品时,超低流失色谱柱是的选择。如果我们使用的载气不纯,或是设备中有气体泄漏,这样的问题无法解决或无法及时解决,为了不使柱固定相过早的被破坏,高温适用固定相的色谱柱是相对好的选择。

    另外,除非方法需要,我们尽量选择键合固定相的色谱柱,对比非键合相和非交联相色谱柱,交联键合固定相色谱柱对样品种类和进样体积的耐受力更强,柱性能下降的zui慢。

    在做应用方法确证时,我们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。通常我们做农药分析方法确证时,选用-5MS和 -1701/-35色谱柱;做残留溶剂分析方法确证时,选用-5MS和-624/-VMS色谱柱;做醇类或FAME分析方法确证时,选用PEG和含氰基固定相色谱柱;做汽油中氧化物分析方法确证时,选用-1和PEG色谱柱。

 

2. 色谱柱长度

    色谱柱的长短直接影响到保留时间和分离效率。实验室应用的色谱柱长多为5m、7.5m、10m、12.5m、15m、25m、30m、50m、60m、75m、100m和105m等。zui常见的色谱柱长度是30m。

对于快速分析来说,除了选择适当的内径,柱长度也短许多(例如5~15mx 0.25mm)。只有这样,才有可能在zui短的时间内,得到zui佳的分离效果和分析结果。

    如果方法需要改进提高分辨率,较长的色谱柱,如60m或100m,是理想的选择。分辨率与柱长的平方根成正比。需要注意的是,像一根60m长的色谱柱相对于30m的柱子,其分辨率提高近40%,但分析时间会成倍增长。

    在挥发物的分析应用中,为了改善分离效果,常使用较长的柱型,如50m、60m和100m等。在气态样品和精细烃分析应用中,较长色谱柱的使用较为普遍。

    更长的色谱柱会影响柱惰性、柱流失和柱效等多个方面。同时,需要更高的载气压力或更换载气的种类(如把氮气更换成氢气/氦气)。

 

3. 色谱柱内径的选择

    标准色谱柱内径(ID)尺寸为0.2mm、0.25mm、0.32mm和0.53mm。少数方法会使用到0.1mm和0.8mm内径的柱子。0.25mm是zui常用的色谱柱内径尺寸,而0.53mm的色谱柱通常是替代填充柱用于大体积进样的方法应用。

    色谱柱内径的大小对分离效果的影响是明显的。越细的色谱柱,其塔板数就越高,柱效就越高,但同时样品承载容量越小,进样体积就需要减少。但内径越小,通常意味着柱容量的减小,在分析低含量组分时,对检测器灵敏度和进样口分流能力的要求越高。因此在选择内径的时候,首先考虑的是样品分析难点,是在于分离还是检测。对于分离困难的样品,较小口径的色谱柱;对于含量过低检测困难的样品,较大口径的色谱柱。在容易分离的情况下,一般选择小口径毛细管柱可以缩短柱长,减小分析时间。

 

4.  色谱柱膜厚

    商品化色谱柱的膜厚规格一般是0.1μm、 0.15μm、 0.25μm、 0.5μm、 1.0μm、 1.5μm、 3μm、5μm等等。实验室中zui常见的色谱柱膜厚为0.25μm、0.5μm和1μm。

膜厚主要影响两个指标:保留时间和样品负载能力。

    另外,色谱柱适用温度范围、分析时间和分析结果的准确性和可靠性等也与膜厚有关。例如一根内径为0.25mm,膜厚为0.1μm的色谱柱可以达成快速分离的效果,甚至可以改进分辨率,降低色谱柱的流失,适用于更宽泛的温度范围等。膜厚会影响到色谱柱惰性,而这个指标在有些应用中是非常重要的。同时膜厚对色谱柱样品承载能力的影响也是很明显的。

    0.25μm× 0.25mm、0.5μm × 0.32mm、1μm或1.5μm × 0.53mm规格的色谱柱在分离效果、保留性能、分辨率、惰性和柱流失等指标方面较为均衡,使用也较多。

    膜厚与柱内径的关系体现在相比(β)上。相比β是色谱柱中气相容积和固定相容积之比,计算公式为β=r/2d,其中r为色谱柱半径,d为液膜厚度。相比是决定一个固定长度色谱柱中组分流出时间的决定性因素。如果有两根相同相比和固定相的色谱柱,内径不同,在相同的温度条件下,两根色谱柱的分离效果和保留性能相同或相似。

    需要注意的是:相比只是决定保留时间的主要因素,但并不是决定理论塔板数(柱效率)的主要因素。决定柱容量(zui小检出量)的主要因素是内径和膜厚,决定柱效率的是内径,决定保留时间的是相比。在综合平衡柱容量、柱效率、分析时间三方面因素的时候,需要注意相比的影响。

        zui后要强调的一点是,选择色谱柱是必须要看具体的分析任务。如果是做法规分析,则必须按有关法规的要求选择色谱柱。如一些产品的质量检验,尽管用毛细管柱可以得到更好的分析结果,且分离效率高、分析速度快,但若国家标准或行业标准规定用填充柱,那就应该用填充柱,否则分析结果不被法规所认可。当然,作为方法开发的研究,用毛细管柱常常是有利的。

 

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