毛细管色谱柱的种类、性能特性及应用中如何选择？

（1）提出问题气相色谱分析中，毛细管色谱柱的应用最为广泛，在食品安全、环境保护、石油化工、电子电气等方面都有广泛应用。毛细管色谱柱的种类极其繁多，仅是固定相就有上千种（见问题34和35），同一固定相的色谱柱，在柱长、柱内径、液膜厚度等参数上也有各种不同的规格。在日常分析工作中应如何选择合适的毛细管色谱柱来进行分离呢？

（2）分析原因自从1957年高雷（M..E. Golay）开创了开管柱气相色谱法（Open-Tubular- Column Chromatography）之后，毛细管柱成为近年来发展极为迅速的一个领域，它的高效分离能力使它能够广泛应用于许多分析问题，是目前分离、分析复杂有机化合物的重要工具。毛细管柱的应用也在我国逐渐普及，许多新制定的国家、行业标准也都采用毛细管柱。毛细管柱是今后色谱分析的发展方向。

分析时，选择最佳的毛细管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，同样会严重影响样品的分离效果

（3）解决方案

①毛细管柱的种类一般将毛细管柱分为四种类型:壁涂开管柱（WCOT），载体涂渍开管柱（SCOT）、交联毛细管柱（CLOT）和多孔层开管柱（PLOT）。经典的毛细管柱为壁涂开管柱（Wall Coated Open Tubular ColumnWCOT），管内经预处理后将固定液直接涂渍在内壁上。因其制备难、柱子的重复性差、内表面小、涂渍量小和相比B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，已很少使用。多孔层壁涂柱（Porous Layer Open Tubular Column，pl）:内壁上仅涂一层多孔性吸附剂微粒，是毛细管气固色谱柱。载体壁涂柱（Support Coated Open Tubular Column，scoT）:内壁上先涂一层载体，载体上再涂固定液。固定液膜可以较厚，柱容量也较大。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。交联毛细管柱（Cross-Linked- Open Tubular Column，clot）: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。其中PLOT柱主要用于永久性气体和低分子量有机化合物的分离；COT柱所用固定液的量大一些，故柱容量大一些，但由于制备技术复杂，应用也不太普遍。毛细管GC中的主力军是CLOT，其柱材料大多用熔融石英，即所谓弹性石英柱。

②毛细管气相色谱柱的选择

a.固定相的选择原则和方法理论上讲，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，因为那时分离度是首先需要把握的关键因素，分不开则无办法考虑其他。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首选问题。毛细管柱具有几十万块塔板，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类高极性色柱。但是在杂质较少的情况下，选择DB1这样的非极性柱具有更高的灵活性利使用寿命。具体选择主要依据以下规则: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；

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地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DB-1301、DB1701、DB-624等这样的色谱柱就尽量不要与NPD（氮磷检测器）联用。对于超低流失的固定相如-1MS或-5MS的柱子，因为它们可以保证最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，超低流失色谱柱是最好的选择。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地被破坏，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，柱性能下降得最慢。

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-MS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-1MS和PEG色谱柱。

b.色谱柱内径的选择标准色谱柱内径（ID）尺寸为0.2、0.25、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是最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，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，减少分析时间。

载气压力或更换载气的种类（如把氮气更换成氢气/氦气）

d.色谱柱膜厚商品化色谱柱的膜厚规格一般是0.1、0.15、0.25、0.51.0、1.5、3、5pm等。实验室中最常见的色谱柱膜厚为0.25、0.5m和1m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0.1m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。0.25m×0.25mm、0.5m×0.32mm、1m或1.5m×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（B）上相比是色谱柱中气相容积和固定相容积之比，计算公式为B＝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。例如，在SLB-5S25mm×30m×0.25m（B＝250）和30m×53mm×0.5m（B＝265）上进行同一样品的分析。

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（最小检出量）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

最后要强调的一点是，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。