实验室分析仪器--气相色谱柱管的预处理
欲制得高效、惰性、热稳定性好、保留重复性好的空心柱，需在涂固定液前对管内壁表面作适当的预处理，否则多数固定液不能很好地湿润未经处理的柱内壁表面，涂布的液膜不均匀也不稳定，收缩的液珠严重影响柱效，并且柱壁的活性点使样品中的极性组分拖尾，微量组分甚至会因吸附而不流出；对某些固定液还会引起催化分解。在涂渍固定液前，将柱内表面进行处理的主要方式是提高管柱内壁表面对固定液的湿润性和除去表面活性中心。
（一）柱管内壁的湿润性
液体在固体表面上均匀分散的程度称为湿润性，它与两者的比表面自由能有关。只有液体的比表面自由能小于固体时，液体才能分散开，否则将在固体表面形成液滴。若将固体表面与正切于液滴的夹角定义为接触角，如图一所示，
图一 接触角
则可用cosθ判定湿润性:液体对固体不形成接触角时液体的表面张力定义为固体的临界表面张力rc（cosθ=1，θ=0）。固定液的表面张力一般为20~50mNm。经过清洗后的玻璃和石英柱管有很高的表面自由能，能被大部分固定液湿润；而潮湿和不纯净的管壁，自由能约为25~50mNm，不能被很好湿润。有两条途径可以提高柱管内壁的湿润性
是使柱管内表面张力变大；二是添加表面活性剂使固定液和溶剂的表面张力变小。现分述如下
1.柱管内壁改性法
可以用化学的腐蚀方法或物理的加固体方法使柱管内壁变粗糙，达到使之湿润的目的。化学腐蚀法只适用于普通玻璃毛细管柱而不适用石英毛细管柱，虽然有许多文献报道，其中以用HC处理钠钙玻璃毛细管柱使内壁生成氯化钠结晶기和用HF处理硼硅玻璃毛细管柱使生成SiO2晶须是比较好的方法。
HCl处理法是将干燥的HCI气体连续地通过置于350℃的钠钙玻璃柱管2h，或将HCl气体充满柱管，封死其两端后，在360℃加热3h。前者在内壁生成的氯化钠晶体颗粒比后者均匀，却不及后者大。此法的缺点是晶体形成情况与玻璃表面组成有关，难以重复:涂渍液会溶解少量氯化钠晶体；由于内壁有碱性物质，产生弱路易斯酸吸附和在高温催化分解固定液。
氟化氢处理法是直接将HF气体或加热后可产生HF气体的物质置于硼硅玻璃柱管内，在高温下进行腐蚀，使内壁产生SiO2须状物（其表面积可为光滑玻璃的上千倍，甚至更高）。因HF有剧毒，后来常将NH4HF2分解成HF气体及NH3，即以5g/100mLNH4HF2的甲醇饱和溶液，盛于柱管内，1h后用N2吹干，供下一步制备。此法缺点是晶须不易脱活，导致柱效不高。
将上述化学腐蚀方法处理的柱管涂渍固定液，制成的空心柱叫作处壁空心柱（ wall treatedopen tubular column， WTOT柱）
用固体使柱管内壁粗糙的物理方法有两种。一是在玻璃管内填装固体，然后拉制成空心柱管，固体则嵌在柱内壁（固体若不是吸附剂则拉制后要涂渍固定液），此空心柱就是填充毛细管柱。二是在拉制的空心柱管内壁沉渍一层多孔性物质，如石墨化炭黑、分子筛、二氧化硅、硅藻土、碳酸钡、氯化钠，然后不涂渍或涂渍固定液。这样制成的空心柱就是PLOT柱其中沉渍物是硅藻土载体的称为SCOT柱。
2.表面活性剂处理
用表面活性剂可降低固定液、溶剂的比表面自由能，使固定液与溶剂表面张力减小。表面活性剂是由憎水基和亲水基组成的化合物，能黏附于玻璃管柱内壁的硅醇基团及路易斯酸中心，形成定向的单分子层，既起脱活又起固定液分散作用。最常用的表面活性剂是苄基三苯基氯化膦（ BTPPC），其次是溴化（十八烷基）甲基溴化铵（Qas- Quat L）与四苯硼酸钠（ Kalignosl）。一种实施方法是在涂渍固定液之前，将1％表面活性剂（CH2CI2溶液）用动态法涂于管柱内壁。如用三乙醇胺脱活时，可将5％三乙醇胺的二氯甲烷溶液，按动态法以2cm/s通过柱管两次，用N2吹干，125℃加热18h，然后用甲醇、二氯甲烷洗去剩余的三乙醇胺。另一种方法是将表面活性剂加入固定液中，与固定液同时涂于管柱内壁。
（二）柱管内壁的脱活
柱管的活性是指对组分、固定相有吸附、催化性能。它是由于柱管内壁表面有硅醇基、金属氧化物及处理柱管内壁后残留的活性物而产生的。柱管内壁有活性，能增大色谱峰峰宽。在柱温高时，固定液易于从色谱柱流失，使柱寿命缩短及柱效降低，因此需对柱管内壁进行脱活处理。所以，脱活的目的有两点:第一，掩蔽柱管表面活性位点:第二，润湿管壁有效的脱活方法取决于玻璃和石英的特性、涂渍的固定液，还与被分析样品的种类等诸
多因素有关。脱活方法一般分为三类:一是除去或减少这些活性物质:二是改变这些活性基团的性质:三是把这些活性基团隐藏起来，使之不发生作用。具体包括以下三种
1.沥滤法
玻璃柱和石英柱在脱活之前都要经过酸处理，以增加毛细管内壁的硅醇基，可以消除或降低脱活过程中玻璃种类的影响，叫作毛细管内表面的羟基化。
对于玻璃空心管柱，此法是用盐酸或氯化氢将其内壁表面的金属离子除去，合适的盐酸浓度为18％。可以用动态法或静态法沥滤柱管，立即用稀盐酸洗涤以去除沥滤出来的金属离子，然后250℃通N2进行干燥。此法同时使柱管内壁表面的羟基增多，需进一步硅烷化处理，以免表面的活性有新的增加。
对于石英空心管柱，虽然其金属含量极少，但由于是在高温拉制，表面羟基含量极少，常用水热处理方法增加表面羟基量，也有人用盐酸或硝酸处理的方法，最后做硅烷化处理。
2.化学键合法
通过化学反应利用惰性基团取代管内壁表面的羟基，是最常用的脱活方法。主要包括硅烷化法和酯化法。
硅烷化法的基本原理是用硅醚基取代活性的羟基，生成Si一0一Si一C键。硅烷化试剂主要有三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷（或两者混合物）、二甲基二氯硅烷、三苯基氯硅烷八甲基环四氧硅烷等。现多采用高温硅烷化脱活法，简称HTS（ high temperature silylation），分为动态法和静态法，反应温度在300~400℃，静态法是用N2将硅烷化试剂以4~5cm/s的速度通过柱管，然后将柱管两端封死，以2~3℃/min缓慢升温加热，至300~400℃，保持4~20h，最后用甲苯和甲醇依次冲洗，N2吹干。动态法是把柱子放在高温炉中，含有试剂的蒸汽搅拌器通过干燥的氮气不断使蒸汽循环流过柱子，持续两天后将炉子冷却，移去搅拌器，用干燥氮气吹干。值得一提的是HTS中另一种常用方法是用聚硅氧烷高温降解法，高温受热分解的部分产物与柱子表面硅醇基键合形成一层高分子硅氧烷聚合层，以此达到脱活目的，经过这样的脱活之后柱子具有很好的热稳定性。 Woolley等人描述了一种简便的脱活方法，含氢硅油在260℃热解，硅氧烷基团和表面的硅醇基结合形成稳定的Si-O-Si键同时产生氢气。该方法的优点是整个反应时间不到1h，反应条件相对温和且重复性好。
酯化法利用羟基与聚酯反应生成Si-O一C键，但其热稳定性不如Si-O-Si一C键。常用的试剂为Carbowax20M。方法是在柱内壁涂渍一层 Carbowax20M溶液，然后封死柱子两端，在280℃加热24h，冷却后用二氯甲烷冲洗，N2吹干。经过 Carbowax处理的柱子能同时与极性和非极性固定液相容。其他被用于脱活的聚乙二醇试剂有 Carbowax400、Carbowax1000和 Superox-4。
3.掩蔽法
掩蔽法是用一些表面活性剂或者固定液来掩蔽管内壁的活性中心。常用的表面活性剂有苄基三苯基氯化膦、四苯基硼酸钠、三乙醇胺等。用三乙醇胺脱活时，利用动态法将5％三乙醇胺的二氯甲烷溶液，以2cm/s速度通过柱管两次，用氮气吹干，125℃加热18h，然后依次用甲醇、二氯甲烷洗去残余的三乙醇胺。
还有的方法是在柱内涂渍一层聚吡略，合成出来的柱管可作为高温色谱柱； Siltek202处理是目前技术所能达到的最高情性处理水平，利用的是气相沉积法，取代了硅氧烷和氯硅烷的液相沉积，脱活和交联固化一步完成。
此外，当极性聚合物用于脱活时可以改变固定相的极性，特别当固定相为非极性时能使其对不同极性物质都有保留。当硅氮烷、环硅氨烷作为脱活剂时，得到的是碱性柱，当氯硅烷、含氢硅烷、硅氧烷、含氢硅氧烷、聚乙二醇作为脱活剂时，得到的是酸性柱，需要根据应用和固定相来进行脱活剂的选择。最新的方法是端羟基固定相的使用，将固定脱活一步完成。
三、固定液的准备
理想的固定液应该具备以下性质：
①固定液对所分离的混合物具有选择性分离能力。
②固定液化学性质稳定，不与被分离组分、载体发生不可逆的反应
③固定液工作温度范围较宽，具有很低的蒸气压，具有热稳定性。
④理想的固定液需要具有适当的黏度和高浸渍能力，能在载体和柱管表面形成均匀的液膜。
⑤固定液还需要兼具凝固点低和成分稳定
四、固定液的涂渍与交联固化
（一）固定液的涂渍
经过预处理后的毛细管管柱即可进行涂渍。为了获得最高柱效，应将固定液均匀完全覆盖柱壁内表面，理想的厚度是0.1~8um。涂渍方法有静态法、动态法，现今最常用的是静态法。
1.动态法
根据固定液的黏度和极性不同，以二氯甲烷或丙酮作为溶剂，配成固定浓度溶液，放入适当容器内，用高压N2在严格控制流速条件下将固定液压入毛细管柱管内，当柱25％体积被充满时，将插入固定液端的毛细管提起，让N2气流以稳定流速推动液栓流过柱子，为防止液栓离开柱子时柱压突然变化，柱后连接一段内径相同、长度为1/4涂渍柱长的缓冲柱。涂后的柱子继续通N23~4h以完全去除溶剂。动态涂渍装置如图二所示。
图二 动态法涂渍空心柱装置
1-稳压阀；2-稳流阀；3-压力表；4-针形阀；5-涂渍瓶及盛涂渍溶液的玻璃试管；6-空心柱；7-接头；8-尾柱
动态法适宜涂渍黏度低、流动性好的固定液，涂渍厚度和均匀性取决于涂渍液的浓度黏度、温度、流动速度及溶剂的挥发速率。方法简便、快速，但重复性差，柱效也比静态法低，液膜厚度难以准确预測。为了提高动态法的成功率， Schomburg等提出了汞塞动态涂渍法。此法是将一小段汞插在涂渍液与推动气之间，因为汞有很高的表面张力。经汞塞滚压后可将多余的涂渍液从柱内壁表面移出柱外，从而在柱内壁形成薄而均匀的液膜，改善涂渍效率，提高柱效。
2.静态法
对于表面张力较大或黏稠的固定液应采用静态法涂渍。其优点是重现性好，柱效高，液膜厚度能准确计算，但黏度低的固定液不宜用此法。静态涂渍的操作是用抽入或压入法将用戊烷、二氯甲烷等易挥发溶剂配成的体积分数已知的固定液充满柱子，一端封死，先放置数小时，再将另一端接真空泵，在低于溶剂沸点10~15℃恒温条件下使溶剂缓慢蒸发，具体如图三所示。固定液必须没有颗粒物和灰尘，并且做好脱气，在溶剂蒸发过程中避免发生暴沸。在柱中留下的液膜厚度约为rc/200，r为柱内径，c为涂渍液浓度（体积分数），这样的好处是能精确测定相比。
图三 静态法真空抽空涂渍装置
1-机械真空泵；2-硅胶干燥管；3-玻璃真空活塞；4-玻璃缓冲瓶；5-空心主；6-恒温装置
静态法主要问题是溶剂与封口的交界面不能留下气泡，否则它会部分或全部将柱内涂渍液带出柱外，使涂柱失败。常用的封口物质有水玻璃、有机胶等
上述静态法的主要供点是比较费时。进一步发展的自由逸出静态涂演法则有了很大改进。此种方法不需要真空，一端封死另一端开口保持大气压。在远高于溶剂沸点的75℃或80℃恒温条件下，使溶剂快速蒸发。方法简便，涂波速度快，柱效高，液膜准确可测:特别对长而细的柱子涂渍尤为明显。一般丙酮/戌烷混合液适于溶解非极性和弱极性聚硅氧烷类固定液:成烷/二氯甲烷混合液适于溶解极性固定液
以上将固定液涂千毛细管生内形成的色柱被称为型空心，其优点是可用多种有机化合物作为固定液，制备操作简单；缺点是其热稳定性差，导致柱寿命较短，且不耐溶剂的损害。
（二）固定液的交联固化
为了使固定液能牢牢地附在柱管内壁，人们曾研究将固定液与毛细管柱内壁表面上的基团相互作用，制备化学键合的空心柱。例如将端羟基聚硅氧烷固定液涂渍的空心柱，在通气的情况下，程序升温至规定温度，然后恒定温度使固定液与柱内壁的羟基缩合，实现化学键合。后来人们进一步研究将固定液在柱内壁交联固化（有极少部分固定液与柱管内壁进行化学键合），取得极好的效果。现在这种交联固化空心柱已被广为应用。下面主要介绍原位自由基引发法和化学键合法。
1.原位自由基引发法
原位自由基引发法主要有以下几种：
过氧化合物或偶氮化合物引发交联:此种交联法的机理是，通过不同自由基母体产生的自由基引发交联形成Si-C-C-Si链段交联结构。过氧化合物引发剂有过氧化苯甲酰（BP）过氧化二异丙苯（DCUP）、过氧化叔丁基（TBP）等，偶氮化合物引发剂有偶氮叔丁烷（ATB）、偶氮叔辛烷（ATO）、偶氮异丁腈（ATBN）等。比较常用的是DCUP和ATB。比较而言，偶氮化合物更为理想，它不氧化固定液，副产物对柱极性和活性没有影响，适用于极性和非极性固定液交联。引发交联过程中，固定液的性质（包括取代基的种类、链长等）对交联结果影响很大。例如固定液中含乙烯基和甲苯基有利于引发交联，苯基和氰基则不利于交联，且原始链长长，所需交联剂量少，有利于交联。
臭氧引发交联:臭氧也是一种有效的交联剂，可用于非极性和中等极性固定液。固定液中含甲苯基和乙烯基同样有利于交联。不含甲苯基的氰丙基苯基聚硅氧烷极性固定液则不能被交联。此法的优点是交联条件易于控制，重复性好，设备简单，无残留副产物
辐射法:操作要点为将涂好固定液的柱子用γ射线辐照，辐射剂量为0.5MR/h，照射0.2~100h。其优点是不会引入任何杂质，结果可靠，能用于非极性和中极性固定液的交联。
2.化学键合法
其机理是通过固定液的缩合或固定液在柱壁上的硅醇基反应形成Si-O-Si键。一种方法是使用端羟基聚硅氧烷试剂在程序升温的条件下与石英玻璃表面的硅醇基发生缩合反应。这种方法可应用于各类端羟基固定液，在这个反应过程中，脱活和固化一步完成，形成的Si-O-Si键比交联反应形成的Si-C-C-Si键具有更好的热稳定性。
如今固定液的涂渍与固化已经成为一项成熟的技术。固化技术的目光更多地转向了新的领域，例如适用于GC/MS的硅砷苯树脂的固化，MS柱的制备，专用色谱柱的制备，多维色谱柱技术和手性固定相的固化技术。
五、空心柱与填充柱的比较
空心柱技术发展迅猛，1979年 Dandeneau和 Zerenner首次将弹性石英空心管柱引入气相色谱分析中，极大地推动了气相色谱法的实践，使得高分辨毛细管色谱技术成为可能。1983年内径为0.53mm的大口径毛细管柱出现后，填充柱的使用率更是逐渐降低，甚至有被取代之势。
①载气通过空气柱的阻力远小于填充柱，故可使用很长的空心柱，却不能使用长的填充柱。
②当固定相与柱温相同时，为达到相同的分辨率，空心柱所需分析时间比填充柱要短而维持相同的分析时间，则空心柱分离两组分的分辨率优于填充柱。
③当固定相相同时，使用空心柱时的柱温常稍低于填充柱
④填充柱的制备方法简单，使用方便，故气体样品、易于分离的样品分析和对高分没有要求或要求不高的样品现在仍多用填充柱。
⑤分析痕量组分时，若填充柱能将痕量组分与其他组分很好的分离，则用填充柱有利于检测，否则应该用空心柱，使之与其他组分分离，才能定量检测。
⑥分析异构体和复杂混合物样品时，空心柱优于填充柱。
⑦约20％的气相色谱分析中用的是填充色谱柱，可以预见到的是空心柱无法完全取代填充柱。
