长度？内径？膜厚？气相色谱柱该根据什么选？

王中泰

长度？内径？膜厚？气相色谱柱该根据什么选？

气相色谱柱的长度、内径和膜厚
对分离效果和时间有什么影响呢？
今天就跟大家分享
这三种因素具体的影响

一、柱长
● 柱长主要影响三个重要参数：柱效、保留值（分析时间）和载气压力。
1. 柱效（通常用理论塔板数N或每米塔板数N/m表示）与柱长成正比。分离度是每米塔板数的平方根函数。例如，将柱长加倍，理论上将提高分离度1.41倍。柱长通常有15m、30m、50m、60m等。

• 15m柱：用于快速筛选简单混合物或分子量极高的化合物。
• 30m柱：是最普遍的柱长。
• 50、60m柱：用于较为复杂的样品。如果希望得到较高的柱效，获得窄又尖锐的峰形时，建议使用长柱。

2. 待测物保留值与柱长成反比。恒温条件下尤为显著，即使程序升温条件下由于运行时间的差异也可能会比较明显，增加柱长确实有利于增加柱效，但分析时间也会相应增加。

3. 柱头压力几乎与柱长成正比。色谱柱流失将随着柱长的增加而增加。较长的色谱柱的固定相较多，因此会产生相对较多的降解产物，产生稍大的流失，但不会影响长柱的选择及使用。色谱柱成本与柱长直接相关，柱长加倍也几乎会使色谱柱的价格加倍。当通过增加柱长实现增加柱效时，色谱柱成本也显著增加，同时分析时间也会延长。

色谱柱柱长的选择：
1. 如果不知道最佳长度：可先使用25~30m长的色谱柱。
2. 含易分离组分的样品或含待测组分和其他组分较少的样品：可使用10~15m长的色谱柱。内径较小的色谱柱通常长度较短，以便降低柱头压力。
3. 如果通过其它方法（降低内径、改变固定相、增加膜厚、改变温度程序等）无法达到满意的分离度时：可使用50~60m长的色谱柱。这种色谱柱适用于分离含多组分的复杂样品，但分析时间较长，费用较高。

例如：GB 5009.168-2016食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定；GB 5009.257-2016 食品安全国家标准 食品中反式脂肪酸的测定。由于脂肪酸种类较多，且有不少顺反异构体，针对这些较复杂的样品，标准建议使用100米的强极性色谱柱。


二内径
● 色谱柱内径主要影响的五个参数是：柱效、保留值、压力、载气流速和柱容量。
1. 柱效（N/m）与色谱柱内径成反比。色谱柱直径越小，则每米理论塔板数就越高。分离度是理论塔板数的平方根函数。因此，如果把柱效加倍，理论上能把分离度增加约1.41倍，实际上增加的倍数或为1.2~1.3倍。在需要得到窄峰和高柱效时，建议使用内径较小的色谱柱。

2. 保留值与色谱柱内径成反比（相同长度及膜厚），内径变小会其保留值增大，不过一般不会根据保留值选择色谱柱内径。而实质上由于内径变小，柱效随之增加，改善了分离度，通过选择合适长度柱子，让同样的分离工作会在更短时间内完成。

3. 色谱柱柱头压力大约是色谱柱内半径的负二次方函数。例如，内径为0.25mm的色谱柱需要的柱头压力是相同长度（载气和温度也相同）内径为0.32mm柱头压力的1.7倍，即相同条件时更小内径的色谱柱需要的压力更高。

4. 常压下，载气流速随着色谱柱内径的增大而加快。对于需要高流速的方法或硬件，通常使用较大内径的色谱柱。为了正常运行，顶空进样系统和吹扫捕集系统需要更高的载气流速。所以通常选择内径为0.45mm或0.53mm的色谱柱与这些系统一起使用。对于需要低载气流速的方法或硬件，通常使用较小内径的色谱柱。GC-MS是需要低载气流速的典型系统，因此，通常选用内径不大于0.25mm的色谱柱用于GC-MS系统。

5. 色谱柱容量随着色谱柱内径的增大而增加。实际色谱柱容量也取决于固定相、溶质性质和膜厚。

色谱柱内径的选择：
1. 如果需要较高的柱效：可使用0.18~0.25mm内径的色谱柱。但内径较小的色谱柱容量较小，并需要较高的柱头压。
2. 如果需要较大的样品容量：可使用0.32mm内径的色谱柱。与0.25mm内径的色谱柱相比，这种色谱柱通常对不分流进样或体积(>2μL)进样时较早流出的组分有更佳的分离度。
3. 只有在仪器配备大口径直接进样器，且要求柱效较高时：才使用0.45mm及以上内径的色谱柱。尤其是高载气流速的情况，如吹扫捕集、顶空进样器和阀进样，大内径色谱柱特别适用。

三、 膜厚
● 色谱柱膜厚主要影响五个参数：保留、分离度、流失、惰性和容量。
1. 恒温条件下，待测物质的保留与膜厚成正比。程序升温的条件下，待测物质的保留是恒温条件下的1/3~1/2；对于较易挥发的物质，液膜较厚的色谱柱可以得到更强的保留。

液膜较厚的色谱柱通常用于挥发性化合物，如溶剂和一些气体的分析。液膜较薄的色谱柱用来减弱保留能力强的物质的保留，以便其可以更快或在更低的温度下流出。液膜较薄的色谱柱通常用于较难挥发、高沸点、高分子量的化合物的分析。

2. 由于色谱柱的保留不足，因此保留因子（K值）小于2的物质难以分离。由于物质保留的增强，改用液膜较厚的色谱柱会使其分离度更高。

分离度的提高幅度取决于在原来色谱柱上物质K值，更换液膜较厚的色谱柱后，若将K值调整到2-10之间，会对提高分离度比较有效。对于K值大于10的峰，增加其保留通常不会改善其分离度，有时还会损失分离度。因为此时若增加膜厚改进较早流出峰的分离度，但可能导致较晚流出峰的分离度的损失。

3. 对于给定的固定相，色谱柱的流失将随着膜厚的增加而增加。由于流失严重，因此液膜较厚的色谱柱的温度上限可能会较低。
由于物质在液膜较厚的色谱柱有更强的保留，因此增加膜厚时，在此色谱柱较晚流出峰的物质可能转移到流失较高的区域，影响其检测灵敏度，从而出现不易定量及定量不准情况，尤其在痕量分析中影响尤为明显，所以需在保证分离度，对称因子等参数满足分析要求的前提下，选择更为合适的膜厚。

4. 液膜较厚的色谱柱更具惰性。不易于和待测物质发生作用（吸附或化学反应），因为有更多固定相来保护待分析物不受色谱柱管线表面的干扰。

5. 液膜较厚的色谱柱的容量较高，也就是能耐受更高的载样量。当一种待测物含量过高时，所导致的峰展宽/峰前延/峰拖尾可能干扰邻近的峰或与其共流出，此时改用液膜较厚的色谱柱有助于解决上述问题。


色谱柱膜厚的选择：
1. 厚膜色谱柱适用于挥发性物质（如残留溶剂、气体）的分离和增强其保留。厚液膜色谱柱惰性更强，容量更大，但厚液膜色谱柱具有较高流失性，使用温度上限也有所降低。

2. 薄膜色谱柱适用于高沸点、高分子量、难挥发物质（如类固醇、甘油三酸酯），有助于尽量减小保留时间。薄膜色谱柱流失性较低，但薄液膜色谱柱惰性更弱、容量更小。
例如：SN/T 4895-2017食品接触材料纸和纸板食品模拟物中矿物油的测定，由于矿物油沸点较高，厚膜较厚的色谱柱会有较大的流失，因此建议使用0.1μm膜厚的色谱柱。


文章引用《气相色谱讲义完整版 》、《安捷伦气相色谱柱选择指南 》