色谱仪色谱柱概述（二）
第二节 色谱仪毛细管柱
色谱仪毛细管柱是中空的，称为开管柱。开管柱的特点是它的空心性，而不是它的细小性，但人们的习惯难以改变，多数人仍把这种色谱柱叫做毛细管柱。
一、毛细管柱类型：
1、常规毛细管柱：
常规毛细管柱内径为 0.25～0.32mm，材质为普通玻璃和石英玻璃（熔融二氧化硅）。
（1）涂壁开管柱：
将固定液直接涂敷在毛细管壁上。
柱制作相对简单，但柱制备的重现性差，寿命短。
（2）多孔层开管柱：
在毛细管壁上涂敷一层多孔性吸附剂固体微粒，不再涂固定液。
适用于分离*性气体和低沸点有机物。
（3）载体涂渍开管柱：
将非常细的载体微粒粘接在毛细管壁上，再涂上固定液。
柱容量大。
（4）化学键合开管柱：
通过化学反应将固定液分子中的功能基团键合到毛细管壁上，形成均一、牢固的液膜。
提高了柱效和柱寿命。
（5）交联开管柱：
固定液分子之间通过化学反应交联成网状结构覆盖在毛细管壁上，形成一个不可抽取的液膜。
柱效高，柱寿命长，抗溶剂抽提。
2、小内径毛细管柱：
小内径毛细管柱内径≤0.1mm，柱长＜10m，固定液膜薄，材质为石英玻璃。
多用来进行快速分析。
3、大内径毛细管柱：
大内径毛细管柱内径为053～0.75mm，多为0.53mm，材质为石英玻璃，柱效介于填充柱和常规毛细管柱之间。
（1）主要柱参数：
大内径毛细管柱内径、液膜厚度与柱效、柱容量、分配容量、分析时间有关。
1）柱内径：
由毛细管柱色谱理论可知，柱内径增加，柱效会大幅度下降。大内径毛细管柱是以牺牲柱效来增加柱容量和提高流量，以适应代替填充柱的要求。
柱内径和理论塔板数之间的关系如下：
①柱内径0.53mm：2100TP/m
②柱内径0.32mm：3400TP/m
③柱内径0.25mm：4500TP/m
④柱内径0.1mm：11000TP/m
2）液膜厚度：
液膜厚度对柱效的影响比较复杂，包括对固定相的传质阻力和容量因子的影响。
①薄液膜：
薄液膜柱的液相传质阻力小，柱效高，分析时间短。
柱容量因子小，不利于高挥发性物质的分离。
不利于痕量物质的分离。
不足以掩蔽柱壁的活化点。
膜厚小于0.2μm的毛细管柱很少使用。过去用不锈钢毛细管柱时，膜厚常为0.5～0.6μm。用普通玻璃毛细管柱时，膜厚常为0.2～0.5μm。也常用膜厚为1μm的毛细管柱分离低沸点化合物。
②厚液膜：
厚液膜柱可增加柱容量，降低活性，适用于分离低沸点化合物。
当固定相进行交联后，可进一步提高液膜厚度到5～6μm，甚至高达8μm，以适应于代替填充柱的要求。
（2）特点：
1）可代替填充柱，无需分流进样。
2）比填充柱分析速度快。
3）吸附性小。
4）柱容量比常规毛细管柱大的多。
5）在较低的载气流速下，柱效大大高于填充柱。
6）大内径毛细管柱多采用交联键合固定相，化学稳定性和热稳定性高于填充柱。
二、毛细管柱材质的选择：
毛细管柱的材料应具有化学惰性、热稳定性好、内表面光滑易润湿和操作方便等性能。自毛细管柱发明以来，对玻璃、塑料、铜、镍和不锈钢等多种材料进行过研究。上世纪70年代占统治地位的是普通玻璃；80年代占统治地位的是石英玻璃（熔融二氧化硅）；90年代以后为了制备高温毛细管柱，又有部分使用不锈钢毛细管柱（内壁涂一层惰性的二氧化硅）的趋势。目前应用最多的是石英玻璃材料。
1、普通玻璃和石英玻璃的组成及结构：
（1）普通玻璃：
普通玻璃的化学成分主要是二氧化硅。普通玻璃中的二氧化硅通常是一个硅原子和四个氧原子结合成四面体，每个二氧化硅四面体通过硅氧键形成三维结构，由硅和氧原子形成一个不规则的六元环。
在普通玻璃生产过程中，常加入各种金属氧化物以改变物理和化学性能。加入Na2O可切断Si－O－Si键使普通玻璃软化，降低粘度，增加热膨胀系数和在水中的溶解度。加入CaO和MgO可减小溶解度，增加抗化学刻蚀性。常用于制作毛细管柱的普通玻璃是钠－钙玻璃（软玻璃）和硼硅玻璃（硬玻璃），Na2O、CaO和B2O3等氧化物的加入使Si－O－Si键被切断，这些玻璃的熔点比石英要低的多。软玻璃的熔点约700℃，硬玻璃比软玻璃高100～125℃。硬玻璃强度比软玻璃好，不易脆碎，软玻璃由于含有较高的Na2O而呈碱性，硬玻璃由于含有B2O3而呈酸性。
（2）石英玻璃：
石英玻璃的化学成分主要是二氧化硅。石英玻璃由于Si－O－Si之间的角度易于变动而具有柔性，这种环状结构相对稳定，根据硅氧键角大小不同而形成不同的同分异构体。石英玻璃具有高度交联的三维结构，通常称为石英，熔点近2000℃，热膨胀系数低。石英玻璃含有极少的金属氧化物，抗化学腐蚀性好，抗张强度高，可拉制成弹性薄壁毛细管柱。
天然石英和人造石英都是制作毛细管柱的良好材料。天然石英在高温和真空下熔化可制成熔融石英，纯度随石英原料来源不同而异。如果在加工过程中注意减少污染，一般情况下金属杂质含量可低于1×10ˉ4g/g。经进一步提纯的熔融石英，金属杂质含量可达5×10ˉ5g/g。人造石英基本上是纯二氧化硅，金属杂质含量小于1×10ˉ6g/g。
2、普通玻璃和石英玻璃的表面成分对色谱性能的影响：
普通玻璃和石英玻璃的化学性质影响毛细管柱的性能。各种金属氧化物在普通玻璃的表面形成路易斯酸作用点，可对醇、酮、氨和含π健的分子（如芳香化合物和烯烃）等电子密度高的化合物产生吸附。石英玻璃因金属杂质含量极小，表面不存在或很少存在酸化点，与普通玻璃相比具有天然惰性。
普通玻璃和石英玻璃的羟基是构成氢键型吸附的主要因素。表面羟基之间氧原子的距离大于0.31nm时，不能在两个羟基之间形成氢键。这类羟基的活性最大，对一些电子云密度高的化合物会产生吸附。
氢和氧相距0.24～0.28nm时容易形成氢键，大约50%的表面羟基彼此相互作用形成氢键。这种已形成氢键的羟基活性很小，几乎不再起自由羟基的作用，吸附在表面羟基的水也能对电子云密度高的化合物产生吸附，其活性与自由表面羟基相似。加热到165℃能把物理吸附水赶走，在400℃左右会使羟基脱水而成氧桥。这时若把二氧化硅冷却并暴露于水蒸气中，可以再恢复形成硅醇基，加热到400℃以上时再冷却吸湿羟基恢复的数量要减少，加热到800℃时二氧化硅表面羟基消失不再恢复。
表面的硅氧桥是氢键结合中的质子受体，对醇类分子产生吸附并有较强的范德华力。由于在普通玻璃和石英玻璃表面不同程度存在金属氧化物、游离羟基和硅氧桥，它们以不同形式会与被分离物质产生一定吸附作用。
三、毛细管柱的拉制：
1、普通玻璃毛细管柱的拉制：
目前普通玻璃毛细管柱已很少使用，但大内径毛细管柱（0.75mm）必须用普通玻璃材料。
普通玻璃毛细管拉制机由计算机控制，外径为4～10mm、内径为2～6mm的普通玻璃原料管由普通玻璃毛细管拉制机的送料轮送入温度为650～850℃加热炉中软化，然后拉伸轮以较快的速度驱动已软化的玻璃管，使之变细成为需要的毛细管，再在弯曲电热管中加热至550～650℃而烧成盘管，最后缠绕到转鼓上。
控制送料轮和拉伸轮的转速比可以拉制不同内径的毛细管。值得注意的是，所用普通玻璃原料管内外径粗细不均，加热炉和弯管炉的温度波动，送料轮和拉伸轮的转速比过大，都会引起拉制毛细管内径不均匀。普通玻璃毛细管拉制机拉出的毛细管内径不均匀性在±3%～±5%之间。
2、石英玻璃毛细管柱的拉制：
石英玻璃比普通玻璃溶点高，不能用普通玻璃毛细管拉制机拉制，要用石英玻璃毛细管拉制机拉制。将石英原料管在石墨炉中加热到1900～2000℃才能拉制出薄壁毛细管。如果石英玻璃的表面被污染或受潮，强度会下降而易破损，所以拉出的石英玻璃毛细管必须立即通过盛有耐高温聚合物溶液（通常为聚酰亚胺）的容器，然后通过加热炉烘干，使毛细管外表敷上一层保护膜，最后将拉好的毛细管缠绕到转鼓上。
目前拉制的石英玻璃毛细管内径为0.1～0.5mm，壁厚＜0.05mm，作为毛细管外涂层材料的聚酰亚胺最高使用温度为350℃。近年来出现了铝涂层的石英玻璃毛细管，耐高温400～480℃，可用于烷烃（大于100个碳原子）和甘油三脂类的分离。
原料管拉制前依次用50%HNO3、5%HF水溶液和蒸馏水洗涤，最后用丙酮冲洗，放置干燥。
拉制后的毛细管在涂渍前用蒸馏水、丙酮和溶解固定液的溶剂冲洗，N2吹干。
四、毛细管柱内表面的改性：
普通玻璃和石英玻璃表面存在的硅醇基吸附电子密度高的化合物，硅氧桥的离子特征作为质子接受体形成氢键而吸附易给质子的化合物，普通玻璃表面存在的金属离子造成更严重的吸附和催化作用，会使高温下的固定液分解而流失，因此，在涂渍固定液前必须对毛细管柱内表面进行处理，以改变化学和物理性能提高表面对固定液的湿润性。
