毛细管柱选择规则

1、要选择一根合适的商用毛细管柱，主要需要考虑以下几个因素：固定相、内径、柱长、膜厚。下面分别就这些因素加以讨论。1固定相色谱理论上讲，选择固定相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，同样的溶解 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首选问题。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

2、。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。具体选择主要依据以下规则：1）、因为非极性毛细管柱具有明显的稳定性、高使用温度、良好的色谱峰型等有利因素，因此易分离物质应首先选用极性小的色谱柱。2） 、分析氢键型物质用氢键型PEG柱更佳。3）、轻烃或永久气体用 Plot柱更佳。4） 、高苯基固定相对芳香族物质保留能力更强。但是分析二甲苯等芳烃异构体，首选Wax 类强极性色谱柱。2、内径毛细管柱理论塔板高度与内径成正比。

3、因此相同长度的毛细管，内径越小柱效率越高。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 内经的时候，首先考虑的是样品分析难点在于分离还是检测。对于分离困难的样品，首选较小口径的色谱 柱；对于含量过低检测困难的样品，首选较大口径的色谱柱。在没有分析难点的情况下，选择小口径毛细 管柱可以缩短柱长，减小分析时间。F面一张谱图，可以看到不同口径毛细管柱的分离效果。Rs = 0.fl7RS = L(1色谱柱： DB62取 30 mk 1.3Z氯苯2 14二氯苯053 min ID., 3 J pmnww J ft s if1 w/TJ j

4、On t.匕 dm Cm*0.32 mm L0.P 18 pmN=lD7.2&060m SPB-1 毛细柱 0.25&0.32nm内径：025i>n膜厚 0.53&0.75aw内径： 线速度：21cm/s上弓畫!以上数据均为参考值(plates/m)(He mL/mir0105-107000 125M0.180205-3050005940040,2550-1004170 4750060.32400-5003330 37ioro9；1000_20000环2.807510,000-15,0001170562 (packed)20,000200020F面一张表格，是不同

5、口径毛细管柱理论塔板数的参考数据。柱效率中的小字，是另一公司的测试数据。内径nun样品容量（ng）柱效最佳流量EI3、柱长。柱长增加一倍，理论塔板数增加一倍，但同时分析时间也增加一倍，分离度由于与柱长的平方根成正比，因此理论上就只能够得到0.414倍的增加， 但实际得到的收益要更小。 虽然如此，在分离度难以达到的时候选择更长的毛细管柱，仍然是最直接有效的方法。4、膜厚。膜厚并不能直接影响毛细管柱的理论塔板高度，但他直接影响色谱柱的相比。越大膜厚，色谱柱的柱容量就越大，组分出峰的时间就越晚。在需要更大的进样量的情况下，首选厚膜色谱柱；在需要快速分析的情况下，首选薄膜色谱柱。7.00DB-11 3

6、0 m x 0.32 mm 氨气，38 cm/sec100 °C恒温0.25 pm0 '癸正正r 2 324.59too1卩1 叽.i1A0510152025Time (min.)Vr其他讲座资料看>>>学习气相色谱跟yuen72老师入门毛细管色谱柱的一个经常被遗忘的重要参数就是膜厚。当我们选择一个毛细管柱的时候，通常都是指出固定液类型 （毛细管柱商品名称，如DB-1）、内径（如0.32mm、长度（如50m），很少顾及到膜厚。事实上，膜厚对分析的影响是巨大的。下面给出2张不同膜厚色谱柱的分析结果对比图，请朋友们比较两张图中不同膜厚谱图的差异，并试着用塔板理论

7、加以分析。DB-1, 30 m x 0.32 mm 1氨气.38 cm/sec2100 oc恒温0.25 pm.10 247.001.00 pm61癸烷 2正十一烷23.正十二烷24.591020 25仪器信息网www匕Oe. Cr>47 minR3.140,25 /R=3 607.4 mln0.50/R=4.9613 2 min13 2 min20 mmcrlesJVriJVV ¥谱图对比情况分析:从谱图可以看到：1厚液膜色谱柱出峰时间明显增加，液膜厚度增加一倍，出峰时间增加接近一倍。2、厚液膜的分离度略有增加。膜厚增加一倍，分离度没有达到增加0.414倍，只是略有增加。知识

8、回顾：塔板理论共有四个基本假设，分别是：（i ）在柱内一小段长度 H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。（ii ）流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（Vn）（iii ）所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。（iv ）分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。理论推演：根据假设，当载气脉动进入色谱柱时，组分分子中，能够跟随载气前行的只有在气相中的那一部分，而液体固定相中的组分分子，受到固定相的保护，停留在原地。思考：组分分子的平均移动速度与哪些条件相关？为什么？提示：组分分子平均移动

9、速度：V=u/（ 1+k），这里载气线速度为 u，k为组分分子在液相中的量与在气相 中的量之比。分析时间t=L/V= （ 1+k）L/u=tO + ktO，这里tO为死时间L/u。谱图情况分析：1、出峰时间延长。由于组分在固定液中溶解度较大（这就是选择固定液依据相似性原则的基础），因此膜厚增加一倍，固定液体积增加一倍，k也就随之增加了一倍。因此组分调整保留时间t'增加一倍，在死时间 tO较短的情况下，所以分析时间增加了一倍。2、分离度增加。根据塔板理论，理论塔板高度H和液膜厚度并没有关系，仅和进样宽度即 0号塔板高度h有关，因此分离度R应该保持不变。但由于毛细管柱柱容量小，因此进样状态

10、绝大多数情况下处于柱过载状态。当膜厚增加的时候，柱容量增加，由于柱过载造成的0号塔板展宽情况得到缓解，因此0号塔板高度h略有减小，理论塔板高度H也因此减小，柱效率即理论塔板数n=L/H有所增加。所以分离度 R得到了一些改善。3、深度分析：理论塔板数 n增加，应该导致色谱峰变得窄而高。但是看第一张谱图，可以发现峰变矮变宽 了。这是因为理论塔板数 n增加很少，而保留时间的增加，会导致分子纵向扩散情况加重，根据速率理论， 峰宽应该增加。其他讲座资料看>>>学习气相色谱跟yuen72老师入门不同的膜厚，带来了不同的保留时间。不同的内径，带来了不同的理论塔板数。选择内径和膜 厚，要考虑

11、分离难度和检测难度。与此同时，如何控制分析时间？事实上，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。什么是相比？在毛细管柱上:定义：色谱柱中气相容积和固定相容积;计算公式:rP 2d意义：近似相比的色谱柱在同样的色谱条件下可C 时间和化合物流出顺序。低相比的色谱柱将提供更高的样品容量和弓不同内径和膜厚毛细管柱的相比情况如下表:内径（mm）膜厚（um0L000.1845018090450.25625250125630.32800320160800531325530265128在相同的载气流速和色谱柱长度下，相同的相比，具有相同的保留时间。如下2张谱图:2500

12、ito61820211819SUPELCOWAX 1030m x 0.53mm ID x 0*50卩SUPELCOWAX 1030m x 0.20mni ID x 0.20pm dfSLB-Sms, 30 m x 0+25 025 pm (p = 250)需要注意的是：相比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SLB5ms, 30 ntx 0,53 mrn LD. 050 pm (B = 265)14020I |T因素。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。i i一1c19在色谱柱这里，决定柱容量（最小检出量）的主要因素是内径和膜厚，

13、决定柱效率的是内径,决定保留时间的是相比。在塔板理论脉冲进气的情况下，样品进样都在第 0块塔板上。如此，第0块塔板体积应该等于进样体积。但是，在毛细管柱的进样上，明显并不如此。以0.32mm色谱柱正常柱效为3300块塔板每米来看，每块塔板高度应为0.3mm如果考虑进样 量为0.2ml，分流比为50倍，则进入色谱柱的样品体积是为0.004ml，如此应该占有50mm的色谱柱，按照塔板理论假设，理论塔板高度应为 50mm为什么会出现这样的差异呢？显然问 题来自与理论假设中的脉动进样。通常，我们把实际进样体积占色谱柱高度与理论塔板高度之比称为进样宽度，这里即50mm/0.3mm=1（块塔板。在样品逐渐

14、进入色谱柱的时候，溶解和解析的过程是不断进行的，实际的样品进样过程中，已经形成了色谱峰的形状。如下图，上面的是进样宽度为 100块塔板高度情况下，进样完毕 时组分浓度的柱内分布。当包括进样在内共有 200块塔板体积载气进入色谱柱后，形成的色 谱峰成为下面的形状。注意，图中横坐标为色谱柱头 0至 n块塔板。120理论塔板高度事实上是与进样无关的，只与载气流速、纵向扩散速度和传质速度有关，即速 率理论：H = B/u + Cu。因此在相同线速度（纵向扩散相同）和相比（液膜厚度与内径成 正比）的情况下，存在理论塔板高度与毛细管色谱柱内径成正比的关系，因为此时传质距离 正好与内径成正比。因此，厚液膜的

15、色谱柱，因为增加了液相厚度而增加了液相传质阻力，因此并不能提供更好的理论塔板数。相反的，厚液膜色谱柱理论塔板数（即柱效率）要略低一些。这与我们实际工作似乎略有出入，事实上，实验室中经常发现厚液膜的柱子具有更好的分离度R。但这与理论并不冲突，发生这样情形的原因在于进样量。我们知道，毛细管柱的主要特点之一就是柱容量小。因此毛细管柱极易超载。毛细管柱超载可以分为两个情况：1进样体积超载。2、组分总量超载。下面我们分别对此加以描述。1进样体积超载。如上面的图，即当进样宽度达到100块塔板（进入色谱柱的样品体积达到理想塔板气相体积100倍），分配比=5情况下的进样状态图。 此时，色谱柱已经出现了进样体积

16、超载，柱头的1-10块塔板已经呈现进样平台，这一平台必然造成了色谱峰的柱外展宽-进样展宽。进样展宽不属于塔板理论和速率理论下正常峰展宽，因此属于柱外展宽， 与此相似的还有检测器响应时间带来的峰展宽等。当没有出现这样的进样平台时，可近似认为满足塔板理论第4假设：进样时所有组分都位于第0号塔板，色谱峰具有最细宽度和最好的分离度。要消除这个平台，只能减小进样体积，或者增加柱容量。液膜厚度增加一倍，分配比k增加一倍，进样平台将明显缩小。例如,上图当分配比k=10,增加一倍后，柱头组分浓度分配情况如下：虽然进样体积超载会带来色谱峰展宽，减小分离度，但这种展宽不影响色谱峰流出的形状，通常是可以接受的。而且

17、，这种超载是难以克服的，如果定量管或者汽化室玻璃衬管体积已经确定，无法通过降低样品浓度，或减小注射器进样体积来解决。但它可以通过增加分流比、增加色谱柱膜厚来减小。这种平台峰只出现在色谱柱头，当组分到达色谱柱末端已经呈现为良好的色谱峰型了。这里提供一个低分配比k=2, 200塔板体积的柱头平台峰供参考.冋样在分配比k=2的情况下，进样宽度为10的时候，色谱峰型如下：1009080706050403020100/J114 27 40 S3 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 1%因此，在发生进样体积超载的情况下，厚液膜色谱柱（更小的相比）由于减小了进样展宽,通

18、常具有更好的分离度。2、组分总量超载。当进样体积一定，样品组分浓度过大时，塔板理论第 4假设：组分在两相的分配系数K为常数,将不成立。此时由于组分浓度过大，固定相无法快速溶解组分，组分将蔓延在非常宽的色谱柱 上，形成大平台。同时由于在固定相中过多溶解，固定相中浓度过大，将和固定相载体（毛细管石英壁）发生二次吸附解析，由于二次吸附解析为慢过程，将形成峰拖尾。这种情况发生时，可以看到平台峰或峰拖尾，分离度大大下降，因此在分析中一般无法接受, 应该调整进样量。当然，有些时候我们也能认可，例如分析微量组分，溶剂的过量峰；或者本身吸附较强或强极 性色谱柱分析常量组分略有拖尾等情况。事实上，Plot色谱柱

19、吸附较强，柱容量较小，拖尾经常发生。用AI2O3色谱柱分析混合碳四,常量烯烃和炔烃基本都有拖尾，并不影响分析。但细心的人可以发现，当这些组分含量很低时， 峰型都是非常好的 其他讲座资料看 >>>学习气相色谱跟yuen72老师入门毛细管色谱柱的一个经常被遗忘的重要参数就是膜厚。当我们选择一个毛细管柱的时候，通常都是指出固定液类型（毛细管柱商品名称，如DB-1）内径（如0.32mm、长度（如500），很少顾及到膜厚。事实上，膜厚对分析的影响是巨大的。下面给出2张不同膜厚色谱柱的分析结果对比图，请朋友们比较两张图中不同膜厚谱图的差异, 并试着用塔板理论加以分析。DB-1 ±

20、; 30 m x 0.32 mm 1孰气，38cm/sec3川loo °c恒温 li3012i42Gr癸烷2正十一烷3正十二烷324.591 too11Mm i A05ib152Q25Time (min.)JIJI0积(厶vm从谱图可以看到:i厚液膜色谱柱出峰时间明显增加，液膜厚度增加一倍，出峰时间增加接近一倍。2、厚液膜的分离度略有增加。膜厚增加一倍，分离度没有达到增加0.414倍，只是略有增加。知识回顾:塔板理论共有四个基本假设，分别是:(i )在柱内一小段长度 H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度Ho(ii )流动相(如载气)进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体R=3 60谱图对比情况分析:20 minutes13 2伽R»4-96Fl3.t4了-4 min（iii ）所有组分开始时存在于第0号塔板上，