毛细管气相色谱
一、毛细管柱与填充柱的区别
◆ 与填充柱相比，毛细管柱的特点为：
1. 分离效能高 2. 分析速度快 3. 样品用量少
可在几十分钟内分离出包含几百种化合物的汽油馏分，然而样品用量仅有数微克 在快速分析方面，可在几秒钟内分离含十几个组份的样品。
◆ 其独特的特点在于：
◇ 渗透性大，分析速度快
◇ 传质阻力小，可用长柱，并得高的总柱效。
◇ 色谱动力学认为：填充柱可看作是一束长毛细管的组合，其内径约等于粒子粒度，因其弯曲，多径扩散严重，故理论板数少。
毛细管柱完全没有这些缺陷，故理论板数可高大106数量级。
◆ 用毛细管柱，有利于：
⊙ 提高色谱分离能力，
⊙ 加快色谱分析速度，
⊙ 促进色谱的应用都是十分必要的：
二、毛细管色谱法的相关理论
◆ 在毛细管柱，柱内只有一个流路，故多径项2λdp 为0，弯曲因子γ=1，且用其液膜厚代替了填充柱中载体的颗粒直径dp 。
2．毛细管柱的最小理论板高
◆ 毛细管柱的H —U 图也是一个双曲线，在U 值是最佳值时，H 值最小。
◆ 式中Cg 、C1的大小取决于分配系数及柱的几何性（以相比β为代表），但一般毛细管柱液膜薄，β值较大，液相传质阻力C1项不起控制作用。
◆ 当被测物质的k ﹥10时，如果每米理论板数大于1000/d时，则所用柱子的性能较好 ◆ 表中为K 值很大时最好柱效(每米板数) 值，其值由H/L = 1000 / d
◆ 一般认为直径在0.1—0.7mm 较好
小于0.1mm ，入口压力增加，柱负荷减少
大于0.7mm ，虽柱负荷增大，但柱效下降
◆ 目前流行0.53mm 的大口径管，不必分流。
3．载气线速
◆ 从速率方程可知，最小板高时的最佳线速为：
◆ 如果Cl 很小，则有：
可见，细管径，轻载气更适合于快速分析。
4．样品容量
一根色谱柱的最大允许进样量，约为一块理论板的有效体积。
◆ 可见最大允许进样量与柱半径、柱长、分配比成正比，与塔板数成反比
比较填充柱和毛细管柱的柱容量
一根长20米，内径为0.25毫米的毛细管柱，一般可涂上6 mg的固定液，柱内体积
而一根长两米，内径3毫米的不锈钢填充柱，柱内体积
按12：100的液载比，可涂上800mg 固定液。
◆可见，一根2米长的填充柱中固定液的含量是一根20米长毛细管柱中固定液含量约150倍，故允许进样量也在一百倍以上。
5、柱效能
◆ 毛细管柱每米塔片数通常在2000－5000之间，长20米的毛细管柱总柱效为4万至10万。 ◆ 填充柱每米塔片数在1000－1500之间，长2米的填充柱的柱效为2000－3000
★ 所以毛细管柱的总柱效可以比填充柱高10－100倍。
根据上式，分离度正比于总塔片数N 。即 毛细管柱色谱总效高，其分离效能也高。 如果柱效高，K 值也大是最理想的，目前流行大孔厚膜毛细管柱可望具有这两重性质。
6、分析时间
◆ 根据公式, 样品的保留时间正比于柱长，在以氮为载气时，毛细管柱的线速可达16厘米/秒，而填充柱在4厘米/秒
◆ 毛细管柱可采用很高的载气线速来缩短保留时间。且毛细管柱的K 值比填充柱小，因此保留时间小。
◆ 故：毛细管柱上可实现快速分析。
三、毛细管柱的色谱系统
◆ 与填充柱系统基本一样。
◆ 因毛细管柱内径细，柱容量小，出峰快、峰形窄，因此对色谱仪本身(如进样系统、检测器、记录器等) 有些特殊的要求。
1、进样系统
◆毛细管柱进样量必须极小（一般液样10—2～10—3微升，气样约1微升）。
◆要引进如此微量样品，可采用分流法进样。即在气化室出口分两路，绝大部分放空，极小部分进柱子，这两部分比例叫分流比。分流法又分为动态法和静态法两种。
对分流器的要求
◆ 为使分流后的样品不改变组成：
1、分流后样品混合物中各峰的相对大小应与未分流的严格一致。
2、分析不同浓度的混合物时，峰面积必须正比于浓度。
3、当柱温、分流比、流速改变时各色谱峰的相对大小要保持恒定。
A ．动态分流法
◆ 是目前毛细管柱进样系统最常用的分流方法，不同仪器上的分流有不同的形式。 对分流器设计要求：
◆ 整个分流器要保持在气化室的温度下，防止样品冷凝；
◆ 分流前要有一定的混合体积，使试样、载气完全混匀，
◆ 放空管体积至少要等于样品气化后的体积加载气体积。
A 为气化样品与载气混合部分，B 为分流点，
C 为喷嘴
◆ ，引起放空部分与进入部分在分流过程中进一步混合，确保宽沸程样品分流后不失真。然后通过放空阀调节分流比。这种分流器只是在进样时才打开开关阀，几秒钟后就关闭大部分载气，而留下一点出气，防止试样反扩散进柱中。
简易分流器
◆在一般填充柱气化室出口，并排插入两根同内径不同长度的不锈钢毛细管，垫上硅橡胶构成，其长度比即分流比。
◆注意 在分流前要有一段混合体积，内装硅烷化玻璃球，可保证分流后组成不失真。
2、尾吹
◆ 毛细管柱内流动相流速低，流量小，组分会因柱后死体积突然增加而发生严重的纵向扩散，从而导致峰形展宽，有可能使在柱中以分离的组分在柱后再次重叠，影响分离。 ◆ 也可在使用FID 时受阻于引入的H2压力而出柱困难。
◆ 增加尾吹气将改善这一状况。
3、检测器
◆ 因流速低，且内径细，只能分析小量样品，约10―5～10－6克，有的组份如占1.0%，则相当于10―7～10－8克，要求高灵敏度检测器。
◆ 快速分析时因峰宽只有几秒或少于1秒，要求检测器、记录器响应时间快，则检测器和记录
器的时间常数，应少于最早峰峰宽的流出时间的1/20。
适用的检测器有：
◆ 高灵敏度的离子化检测器，常用FID 。（灵敏度高，死体积趋近于零，响应时间快等。） ◆ 也可用氩离子化和电子捕获检测器，此时需在毛细管出口外加吹洗气以降低检测器死体积。 ◆ 也可应用特制的微型热丝检测器，微型热敏电阻检测器，但因其属于非商品化检测器，使用频率不高。
4、记录系统
◆ 因毛细管色谱峰很窄，应配备快速记录系统。
◆ 曾经用示波仪或电流计型记录器记录，其满刻度笔速0.1秒。
◆ 目前的各种色谱数据处理机和色谱工站已完全能满足记录系统的要求。
5、 毛细管柱的种类
◆ 经典的毛细管柱为壁涂开管柱(WCOT——Wall Coated Open Tubular Column)。因其制备难、柱子的重复性差、内表面小、涂渍量小和β值大，将导致有效塔板数和实际分离能力不高，且热稳定性也较差，故已几无人使用。其他的几种柱子及其性能如下。
◆ 多孔层壁涂柱（PLOT ——Porous Layer Open Tubular Column）：先涂上吸附剂或惰性固体于柱壁，再涂渍固定液。
◆ 载体壁涂柱（SCOT ——Support Coated Open Tubular Column）：把载体和固定液同时涂于壁上制备而成。
◆ 必须注意，以上两种柱子中的载体只是涂布于毛细管柱的壁上，而非充满整根柱子。 ◆ 熔融石英毛细管柱(FSOT——Fused Silica Open Tubular Column) ：其表面惰性度好，能耐高温，最主要的是有弹性，不易折断。
◆ 交联毛细管柱(CLOT——Cross-Linked Open Tubular Column)：涂好固定液后再用偶联剂交联键合，柱子性能有很大改善，能耐高温，抗水、抗溶剂。
◆ 大口径毛细管柱：一般口径在0.53毫米，液膜厚度为0.88~2.65微米，负载大，可不经分流而直接进样分析。
◆ 微型填充柱(Micro-packed Column)：制备过程和填充柱基本相似，知识所填的载体粒度很小。微填充柱宽有很高的柱效，最低板高可达0.2~0.3毫米。
毛细管气相色谱
一、毛细管柱与填充柱的区别
◆ 与填充柱相比，毛细管柱的特点为：
1. 分离效能高 2. 分析速度快 3. 样品用量少
可在几十分钟内分离出包含几百种化合物的汽油馏分，然而样品用量仅有数微克 在快速分析方面，可在几秒钟内分离含十几个组份的样品。
◆ 其独特的特点在于：
◇ 渗透性大，分析速度快
◇ 传质阻力小，可用长柱，并得高的总柱效。
◇ 色谱动力学认为：填充柱可看作是一束长毛细管的组合，其内径约等于粒子粒度，因其弯曲，多径扩散严重，故理论板数少。
毛细管柱完全没有这些缺陷，故理论板数可高大106数量级。
◆ 用毛细管柱，有利于：
⊙ 提高色谱分离能力，
⊙ 加快色谱分析速度，
⊙ 促进色谱的应用都是十分必要的：
二、毛细管色谱法的相关理论
◆ 在毛细管柱，柱内只有一个流路，故多径项2λdp 为0，弯曲因子γ=1，且用其液膜厚代替了填充柱中载体的颗粒直径dp 。
2．毛细管柱的最小理论板高
◆ 毛细管柱的H —U 图也是一个双曲线，在U 值是最佳值时，H 值最小。
◆ 式中Cg 、C1的大小取决于分配系数及柱的几何性（以相比β为代表），但一般毛细管柱液膜薄，β值较大，液相传质阻力C1项不起控制作用。
◆ 当被测物质的k ﹥10时，如果每米理论板数大于1000/d时，则所用柱子的性能较好 ◆ 表中为K 值很大时最好柱效(每米板数) 值，其值由H/L = 1000 / d
◆ 一般认为直径在0.1—0.7mm 较好
小于0.1mm ，入口压力增加，柱负荷减少
大于0.7mm ，虽柱负荷增大，但柱效下降
◆ 目前流行0.53mm 的大口径管，不必分流。
3．载气线速
◆ 从速率方程可知，最小板高时的最佳线速为：
◆ 如果Cl 很小，则有：
可见，细管径，轻载气更适合于快速分析。
4．样品容量
一根色谱柱的最大允许进样量，约为一块理论板的有效体积。
◆ 可见最大允许进样量与柱半径、柱长、分配比成正比，与塔板数成反比
比较填充柱和毛细管柱的柱容量
一根长20米，内径为0.25毫米的毛细管柱，一般可涂上6 mg的固定液，柱内体积
而一根长两米，内径3毫米的不锈钢填充柱，柱内体积
按12：100的液载比，可涂上800mg 固定液。
◆可见，一根2米长的填充柱中固定液的含量是一根20米长毛细管柱中固定液含量约150倍，故允许进样量也在一百倍以上。
5、柱效能
◆ 毛细管柱每米塔片数通常在2000－5000之间，长20米的毛细管柱总柱效为4万至10万。 ◆ 填充柱每米塔片数在1000－1500之间，长2米的填充柱的柱效为2000－3000
★ 所以毛细管柱的总柱效可以比填充柱高10－100倍。
根据上式，分离度正比于总塔片数N 。即 毛细管柱色谱总效高，其分离效能也高。 如果柱效高，K 值也大是最理想的，目前流行大孔厚膜毛细管柱可望具有这两重性质。
6、分析时间
◆ 根据公式, 样品的保留时间正比于柱长，在以氮为载气时，毛细管柱的线速可达16厘米/秒，而填充柱在4厘米/秒
◆ 毛细管柱可采用很高的载气线速来缩短保留时间。且毛细管柱的K 值比填充柱小，因此保留时间小。
◆ 故：毛细管柱上可实现快速分析。
三、毛细管柱的色谱系统
◆ 与填充柱系统基本一样。
◆ 因毛细管柱内径细，柱容量小，出峰快、峰形窄，因此对色谱仪本身(如进样系统、检测器、记录器等) 有些特殊的要求。
1、进样系统
◆毛细管柱进样量必须极小（一般液样10—2～10—3微升，气样约1微升）。
◆要引进如此微量样品，可采用分流法进样。即在气化室出口分两路，绝大部分放空，极小部分进柱子，这两部分比例叫分流比。分流法又分为动态法和静态法两种。
对分流器的要求
◆ 为使分流后的样品不改变组成：
1、分流后样品混合物中各峰的相对大小应与未分流的严格一致。
2、分析不同浓度的混合物时，峰面积必须正比于浓度。
3、当柱温、分流比、流速改变时各色谱峰的相对大小要保持恒定。
A ．动态分流法
◆ 是目前毛细管柱进样系统最常用的分流方法，不同仪器上的分流有不同的形式。 对分流器设计要求：
◆ 整个分流器要保持在气化室的温度下，防止样品冷凝；
◆ 分流前要有一定的混合体积，使试样、载气完全混匀，
◆ 放空管体积至少要等于样品气化后的体积加载气体积。
A 为气化样品与载气混合部分，B 为分流点，
C 为喷嘴
◆ ，引起放空部分与进入部分在分流过程中进一步混合，确保宽沸程样品分流后不失真。然后通过放空阀调节分流比。这种分流器只是在进样时才打开开关阀，几秒钟后就关闭大部分载气，而留下一点出气，防止试样反扩散进柱中。
简易分流器
◆在一般填充柱气化室出口，并排插入两根同内径不同长度的不锈钢毛细管，垫上硅橡胶构成，其长度比即分流比。
◆注意 在分流前要有一段混合体积，内装硅烷化玻璃球，可保证分流后组成不失真。
2、尾吹
◆ 毛细管柱内流动相流速低，流量小，组分会因柱后死体积突然增加而发生严重的纵向扩散，从而导致峰形展宽，有可能使在柱中以分离的组分在柱后再次重叠，影响分离。 ◆ 也可在使用FID 时受阻于引入的H2压力而出柱困难。
◆ 增加尾吹气将改善这一状况。
3、检测器
◆ 因流速低，且内径细，只能分析小量样品，约10―5～10－6克，有的组份如占1.0%，则相当于10―7～10－8克，要求高灵敏度检测器。
◆ 快速分析时因峰宽只有几秒或少于1秒，要求检测器、记录器响应时间快，则检测器和记录
器的时间常数，应少于最早峰峰宽的流出时间的1/20。
适用的检测器有：
◆ 高灵敏度的离子化检测器，常用FID 。（灵敏度高，死体积趋近于零，响应时间快等。） ◆ 也可用氩离子化和电子捕获检测器，此时需在毛细管出口外加吹洗气以降低检测器死体积。 ◆ 也可应用特制的微型热丝检测器，微型热敏电阻检测器，但因其属于非商品化检测器，使用频率不高。
4、记录系统
◆ 因毛细管色谱峰很窄，应配备快速记录系统。
◆ 曾经用示波仪或电流计型记录器记录，其满刻度笔速0.1秒。
◆ 目前的各种色谱数据处理机和色谱工站已完全能满足记录系统的要求。
5、 毛细管柱的种类
◆ 经典的毛细管柱为壁涂开管柱(WCOT——Wall Coated Open Tubular Column)。因其制备难、柱子的重复性差、内表面小、涂渍量小和β值大，将导致有效塔板数和实际分离能力不高，且热稳定性也较差，故已几无人使用。其他的几种柱子及其性能如下。
◆ 多孔层壁涂柱（PLOT ——Porous Layer Open Tubular Column）：先涂上吸附剂或惰性固体于柱壁，再涂渍固定液。
◆ 载体壁涂柱（SCOT ——Support Coated Open Tubular Column）：把载体和固定液同时涂于壁上制备而成。
◆ 必须注意，以上两种柱子中的载体只是涂布于毛细管柱的壁上，而非充满整根柱子。 ◆ 熔融石英毛细管柱(FSOT——Fused Silica Open Tubular Column) ：其表面惰性度好，能耐高温，最主要的是有弹性，不易折断。
◆ 交联毛细管柱(CLOT——Cross-Linked Open Tubular Column)：涂好固定液后再用偶联剂交联键合，柱子性能有很大改善，能耐高温，抗水、抗溶剂。
◆ 大口径毛细管柱：一般口径在0.53毫米，液膜厚度为0.88~2.65微米，负载大，可不经分流而直接进样分析。
◆ 微型填充柱(Micro-packed Column)：制备过程和填充柱基本相似，知识所填的载体粒度很小。微填充柱宽有很高的柱效，最低板高可达0.2~0.3毫米。