本次主要介紹固定相的適用溫度範圍。
固定相的適用溫度
作者：xx_dxd_xx
來源：儀器社區原創大賽
1、述溫度對固定相的影響
氣相色譜固定相起什麼作用？
在色譜分析中，柱溫是最重要的工作參數之一。我們總是需要通過調節柱溫來改善分離效果。但是溫度變化對固定相自身的影響常常被忽略。實際上，任何固定相都有一個適用的溫度範圍，我們在調節柱溫時必須要考慮這一範圍。如果超出這一範圍使用，不僅無法達到預期的效果，還可能對色譜柱造成不可逆的損壞。
高溫對固定相有哪些損害？
首先是揮發問題。固定相雖然是沸點很高的物質，但是在較高穩定性仍然具有一定的蒸氣壓，會隨載氣揮發。因此在檢測器中檢測到的信號實際上是固定相蒸汽與目標物共同產生的，只有當固定相蒸汽濃度遠低於目標物時才能實現準確定量。如果固定相蒸汽濃度太高，就會導致較高的背景信號，噪聲也隨之增大，此時樣品的微弱信號就被淹沒在固定相蒸汽產生的背景噪聲中，難以識別。
然後是分解問題。高溫下，固定相自身的化學鍵會發生斷裂，隨著溫度的上升，分解速率呈指數增長。同時樣品和載氣中的強極性雜質，如水、酸等，都容易與固定相發生反應導致分子鏈斷裂，這種反應也是隨溫度升高而呈指數增長的。分解產生的氣態小分子產物隨載氣流出，產生的影響與固定相蒸汽類似，都表現為較高的背景信號和較大的噪聲，因此統稱為「柱流失」或者「固定相流失」。有些分解產物在柱溫較低時被保留，隨著程序升溫過程逐步流出色譜柱，就形成鬼峰，也會干擾測定。
以上兩方面的問題，除了影響低濃度目標物的檢測外，同時也是色譜柱壽命損失的主要原因之一。柱流失的直接結果就是使固定相總量減少、色譜柱的容量因子降低。通常容量因子減小10%就說明色譜柱已經有明顯的損壞了，因為固定相的明顯流失意味著柱內壁塗層的破壞，會暴露出活性點從而產生吸附拖尾等問題。而且流失一旦開始，往往會加速發生，因為原有的化學鍵斷裂之後，剩餘固定相的穩定性就會越來越差。
另外，柱流失也是汙染檢測器的重要原因之一，這在氣質聯用中尤其突出，在使用其他檢測器時也時有發生，比如FID的噴嘴積碳、FID收集極沉積二氧化矽等。
低溫對固定相有哪些不利影響？
受傳質阻力的限制，固定相一般需要為液態（雖然吸附形固定相是固態的，也需要通過多孔結構來實現傳質）。如果液態的固定相在較低溫度下凝固，將導致傳質阻力顯著增加，其結果表現為保留能力顯著減弱、峰形嚴重展寬，因此固定相的使用溫度必然存在下限。這一現象在使用聚乙二醇固定相時尤其明顯，當柱溫低於聚乙二醇的熔點時，樣品變得幾乎不被保留，峰型也會異常變寬。對於一些粘稠固定相，比如分子量極大的OV-1、極性很強的氰丙基矽氧烷、丁二酸二乙二醇聚酯等，在較低溫度下即使不凝固，也會因粘度大而產生很大的傳質阻力，柱效下降很明顯，因此也不適合在較低柱溫下使用。
當然，與高溫的影響不同，低溫產生的不利影響是可逆的，重新恢復正常柱溫後，柱效可以完全恢復，不會造成損壞。因此本文後續主要討論的是最高適用溫度，最低適用溫度僅作簡要敘述。
2、固定相如何評價固定相的適用溫度
能用或者不能用，看似很簡單的問題，實際上要做出完全客觀的判斷卻不容易。目前關於固定相使用溫度的數據極為混亂，各類文獻手冊和產品資料給出的數據差別極大，究其原因就是缺少一個客觀同一的評價標準。
早期進行的固定相探索實驗中，最高使用溫度往往通過主觀感受來評價。比如有學者使用FFAP固定相測定了游離脂肪酸，柱溫最高達到250度，於是後續文獻就說FFAP固定相的最高使用溫度可達250度。但是這種固定相在250度使用的效果到底如何呢？是使用數百小時性能沒有下降，還是使用一天後就明顯變差了？使用時噪聲很大，還是小到可忽略不計？這些問題實際上都沒有體現出來，因此這個最高使用溫度可達250度的說法實際上是完全沒有意義的。
又例如最經典的SE-30固定相，有的文獻報導最高使用溫度可達350度，在350度的柱溫下用TCD檢測器測定聚氧乙烯脂肪醇醚可以獲得很好的效果。又有文獻認為其最高使用溫度不應超過300度，在300度的柱溫下用FID檢測器測定鄰苯二甲酸酯時就已經表現出比較大的流失和噪聲了。這種矛盾的報導也是標準不統一引起的，因為FID的靈敏度比TCD高得多，使用高靈敏度的檢測器時對固定相流失敏感得多。
到了毛細管柱普及的時代，這種不統一也是非常常見的。例如平時經常使用的PEG柱（wax柱），不同廠家標稱的最高適用溫度從200度到290度都有，這裡面有產品質量的差異，但是更多的是因為質量標準不同得出了不同的指標。而處於商業利益和技術保密等方面的考慮，很多廠家根本沒有公開質量標準，這使得各種商業宣傳的指標更加撲朔迷離，甚至到了信口開河的地步。
作為曾經的氣相色譜技術標杆，瓦裡安在這方面做得是比較好的，以下是截取的瓦裡安毛細管柱關於最高適用溫度的質量標準，指標能夠被客觀的量化。
上述質量標準都是根據固定相在高溫下流失的程度來定義最高適用溫度範圍的。一方面是從固定相的總量方面考慮，連續使用6個月後固定相流失一半的溫度作為普通色譜柱的最高適用溫度。也就是說該色譜柱在標稱的最高恆溫操作溫度下連續工作4千小時，固定相就會損失一半。顯然，固定相損失到這種程度是肯定無法使用的。前面已經說過，固定相損失的程度可以通過容量因子降低的程度反映出來。一般實踐表明，固定相損失10%的時候柱子的性能就已經有明顯缺陷了，需要及時更換，也就是說在標稱的最高恆溫操作溫度下，色譜柱能夠穩定工作的時間其實不到1000小時。
另一方面是從固定相流失到載氣中的濃度來考慮的。質譜、ECD等高靈敏度的檢測器對柱流失極為敏感，即使色譜柱的壽命沒有受到明顯影響，當流失的固定相蒸汽濃度增大到一定程度後，檢測器噪聲會顯著增加，這對於微量物質的分析是不能允許的。因此，這類色譜柱（主要是低流失柱或者稱作MS柱）的最高恆溫操作溫度是柱流失水平不超過某一規定值的溫度。在這一溫度下固定相流失非常微小，色譜柱的壽命很長，連續使用數千小時後固定相總量也不會有顯著的減少。柱流失水平一般是在FID上測定基流隨溫度的變化而反映出來的。因為流失的固定相是有機蒸汽，進入FID之後會使信號增加，增加的程度與流失的濃度幾乎是成正比的。對於氣質聯用分析，通常要求柱流失對應的基流在幾個pA以內。以下是不同色譜柱高溫流失產生的基流變化示意圖，摘自安捷倫應用資料。
以上所列的瓦裡安色譜柱的評價標準在行業內幾乎是最為嚴格的。其他廠家的評價標準往往要寬鬆很多，因此在使用過程中經常會遇到產品標稱適用溫度很高，但是在低於標稱溫度的時候流失就已經很明顯了。或者有時候遇到A廠產品標稱溫度比B廠產品高，但是實際使用時A的流失卻比B更加明顯。因此在比較不同色譜柱熱穩定性時不能僅僅看標稱的數值，而要在統一的標準下對比。
實際應用中應以什麼標準來判斷色譜柱的適用溫度範圍？
從以上討論可以看到，即使按瓦裡安比較嚴格的量化標準，也會出現多個不同的最高適用溫度。那麼實際應用中要按那個指標進行判斷呢？根據我的經驗和習慣，傾向於採用最嚴格的標準，也就是低流失柱（質譜柱）的最高操作溫度定義方式。因為，即使在適用FID進行普通的氣相色譜分析時，固定相流失帶來的較大的基線抬升和噪聲增加也都是非常不利的，應該儘可能避免。而且，按連續工作6個月後固定相損失50%來定義的最高操作溫度也並不適用於實際操作，因為這個溫度下固定相已經在顯著分解，色譜柱可以穩定工作的時間實際上不足1000小時（容量因子變化在10%以內），只有在比這個溫度低20度左右使用才能獲得長期穩定的使用效果。
其實日常應用中，很多人已經不自覺的在使用這個標準了，我們在詢問色譜柱最高可以多少度用的時候，經常會聽到這樣的回答：比標稱的比較低的那個數值再低20度使用。但是需要注意，前提是這個標稱的數值一定不能是虛標的。然而遺憾的是，目前各個廠家虛標的現象非常普遍，即使沒有惡意虛標，也有不少通過較為寬鬆的質量標準得到的虛高指標。因此，我在下面對一些常用固定相的適用溫度範圍進行了大致的整理，並簡要歸納了變化規律。給出的溫度數值不可能很精確，只能作為大致的參考，但是其基本規律在判斷廠家標稱的參數是否合理時可以作為佐證依據。
3、聚矽氧烷固定相的適用溫度範圍
聚矽氧烷固定相的最高適用溫度普遍比較高，其影響因素包括分子量、取代基，以及交聯情況等方面。
甲基聚矽氧烷的分子鏈是最為穩定的，因此其耐熱性一般是最好的。但是隨分子量不同，其性質有明顯差異，適用溫度也明顯不同。低分子量的是油狀液體，俗稱甲基矽油，適用溫度通常在200度左右。高分子量的是黏彈態橡膠狀固體，俗稱甲基矽酮膠，適用溫度可達300度以上，例如OV-1固定相的標稱適用溫度為350度，是常規固定相中適用溫度最高的一種，實踐也表明這種固定相確實能在350度柱溫下使用一定的時間。但是這種高分子量的固定相在接近室溫時粘度非常大，只有柱溫較高時才能獲得較高的柱效，柱溫太低時無法使用。分子量適中的表現為半流態彈性體，以SE-30固定相為代表，最高適用溫度約為280~300度，隨雜質含量不同略有差異。
對於其他取代基的聚矽氧烷，分子量變化也有類似的影響規律，但考慮到粘度的影響，除苯基取代的聚矽氧烷外，一般只使用分子量中等偏低的型號，因為其他極性取代基會導致粘度的進一步增加，分子量太高不利於使用。除少量苯基取代外，其他強極性的取代基都會使聚矽氧烷的熱穩定性減弱，適用溫度隨極性的增強而降低。5%苯基取代的聚矽氧烷，如SE-52、SE-54、OV-73等，適用溫度也可以達到280~300度，而高苯基取代度的聚矽氧烷，如OV-61、OV-17等，適用溫度降低較為明顯，通常只有250~260度左右。三氟丙基、氰丙基等強極性基團會使聚矽氧烷的熱穩定性顯著降低，取代度不太高的品種，例如OV-1301、OV-1701等，最高適用溫度約為250度，取代度高的時候，適用溫度降低更明顯。例如OV-210一般在240度以下使用才能比較保險，OV-225、OV-275等品種的最高適用溫度大約不超過220度。只有Xe-60這種分子量非常大的固定相才能在更高溫度下使用，但通常也不能超過250度。另外，氰丙基取代度高的聚矽氧烷由於極性強、粘度大，因此在低溫下柱效較低，最好在100度或者更高的柱溫下使用。
總的來說，對於聚矽氧烷這一類固定相，最高適用溫度至少應該符合兩個規律：一是分子量大的揮發弱，適用溫度應該更高；二是極性強的穩定性差，適用溫度應該更低。明顯偏離這個規律的數據肯定是值得懷疑的。
這裡必須指出，早期文獻使用填充柱研究固定相性質，填充柱中固定相總量較大，少量流失也不至於明顯損壞；而且當時的色譜儀靈敏度普遍不如現在高，因此對於固定相的流失不甚敏感；這兩個因素導致的結果就是，報導的固定相適用溫度普遍偏高，我們在查閱早期文獻和手冊需十分注意。而目前普遍使用了毛細管柱，負載的固定相總量少得多，少量流失就有損壞的可能，同時現在還普遍採用高靈敏度的檢測器進行微量分析，對固定相流失問題必須有更加嚴格的要求。
而且早期文獻年代久遠，以訛傳訛的現象層出不窮，例如著名的OV-17固定相，早期給出的最高適用溫度是275度，而之後該數據多次轉載，最後訛傳成了375度並載入了各大專著和手冊的數據表中。要知道，同類固定相的毛細管柱在近十幾年才實現了350度左右的使用溫度，難道色譜固定相技術開了幾十年的倒車？這個顯著錯誤數據在各大專著和手冊中堂而皇之的存在幾十年卻無人指出，實在令人深思。其實這一問題在Walter Jennings的《玻璃毛細管柱氣相色譜》專著中早就有所提及，作者也的指出OV-17固定相用於毛細管柱的最高使用溫度實際上約為250度，但是仍然沒有明確指出固定相表格中數據的錯誤。
還比如有的文獻中給出的OV系列各種固定相的最高適用溫度都是350度，甚至連OV-351這種聚乙二醇類的固定相也標稱最高適用溫度是350度，這顯然也是不合理的。究其原因，可能是不經思考的採納了產品宣傳資料，因為在OV公司的產品介紹中有提到OV系列固定相的最高適用溫度可達350度，其言下之意是只這一系列產品中最高的那一種可以達到350度的適用溫度，而幾經轉載就變成了所有的品種都是350度的適用溫度。
國產上試廠的固定相也出現過類似的以訛傳訛的問題。最典型的是上試產的矽油（III）固定相，其實際使用溫度上限為180度，但不知何時被弄錯成了280度。為了對這一問題進行驗證，我曾經買過數瓶不同批次的該產品進行實驗，明確證明280度這一數據是錯誤的。但是這一錯誤數據還是一直被收入在《分析化學手冊·第五分冊》和企業標準中，出廠的產品上也一直堂而皇之的寫著「最高使用溫度280℃，流失實驗合格」。
二十世紀八十年代以來，毛細管柱的一個重大技術進步是固定相的交聯鍵合技術。這一技術使傳統的直鏈聚合物固定相交聯為網狀聚合物固定相，不僅分子量成指數增加，分子鏈的錨固點也變得更多，穩定性大大增強。這一技術使原有固定相的最高適用溫度普遍提高了20~30度左右。進入二十一世紀以來，各大廠商又基於亞芳基改性、碳硼烷改性等技術生產了低流失色譜柱（MS柱），使原有同類固定相的適用溫度又進一步提高了20度以上。其中特別是含有35%亞芳基的固定相，其結構處於穩定性最佳的狀態，適用溫度提高最為明顯，達到340度以上。在瓦裡安被安捷倫收購之後，其他廠家也沒有停止開發耐高溫、低流失固定相的腳步，也紛紛推出了相應的產品，各種固定相的最高適用溫度還在繼續提高，例如Restek公司的Rxi系列，SGE公司的BPX系列，Phenomenex公司的ZB-plus系列等。
下表列出了一些常見固定相型號的最高適用溫度，溫度的判斷均以可長期連續使用、且不會檢測到明顯的柱流失這兩個條件同時滿足為標準，數據大部分來自於本人或者同行的操作實踐，可能存在一定的上下偏差，但應該沒有重大差錯，可供實踐使用中參考。
4、聚乙二醇固定相的適用溫度範圍
聚乙二醇固定相的適用溫度範圍一般來說比聚矽氧烷小得多，並且受到自身分子量大小和雜質含量的影響很大。常用的PEG-20M是分子量2萬的品種，最高適用溫度可達200度以上，少數質量好的甚至可以在220度穩定使用很久，但是有些質量較差的卻遠達不到這麼高的適用溫度。同時要注意，分子量2萬的聚乙二醇在55度時會凝固並逐漸結晶，因此其最低適用溫度通常不低於60度。分子量小一些的聚乙二醇品種具有更低的凝固溫度，但是最高適用溫度也明顯降低，因此使用不多。微量的酸性雜質和金屬離子都會催化聚乙二醇鏈的斷裂，這是純度低的產品適用溫度難以提高的主要原因，而向其中添加強鹼則是提高其熱穩定性的重要方法。
聚乙二醇與硝基對苯二甲酸發生酯化反應生成的縮聚物是針對游離脂肪酸分析的一種固定相，簡稱FFAP。由於縮聚使分子量進成倍增加，因此這種固定相的熱穩定性更好，通常能在220度長期穩定使用。與聚乙二醇一樣，FFAP固定相在較低溫度下會凝固，最低適用溫度約為60度。
交聯鍵合技術在聚乙二醇固定相的毛細管柱中同樣有廣泛應用，實現交聯後，最高適用溫度提高了20度以上，達到240度左右。雖然在更高的柱溫下也能短時間使用，但是聚乙二醇鏈斷裂的問題是難以克服的，高溫導致的壽命減少非常明顯。交聯限制了分子鏈的移動與重排，對抑制聚乙二醇在低溫下結晶有一定作用，因此交聯型的聚乙二醇固定相的最低適用溫度也有不同程度的降低，不同產品在20~50度範圍內不等。
近十幾年在低流失的聚乙二醇柱方面也取得了技術進展，能在250度甚至更高溫度下長期穩定使用的聚乙二醇柱已有好幾個不同的型號，例如瓦裡安的VF-WAXms、安捷倫的DB-HeavyWax等。還有一些廠家也聲稱開發了耐高溫低流失的聚乙二醇固定相型號，但是尚未見到詳細的流失測試和壽命測試報告，對其性能還需觀望。
5、關於固定相最高適用溫度，其他需要說明的問題
以上簡要討論的固定相的最高適用溫度，給出了各種固定相的推薦值。但是實際應用中問題還要複雜得多，不能簡單套用表中的數值。
不同廠家的產品質量差異明顯
固定相都是高分子材料，其分子量分布和微量雜質對性能影響很明顯，不同廠家的產品看似接近，實際使用中卻會顯著不同。比如前面提到的聚乙二醇固定相，同樣是分子量2萬的產品，如果用普通分析純試劑的聚乙二醇來當固定相使用，通常使用溫度只能達到160~180℃，再升溫就會很快分解殆盡，而使用專門色譜固定相級別的產品則可以在200℃穩定使用。又比如SE-30本來是一種工業矽油產品，低分子量雜質較多，後來有廠家對其進行了純化得到專用的色譜固定相級別的產品，最高使用溫度就有了顯著的提高。對於鍵合固定相和低流失固定相也有類似的問題，不同廠家的同類產品，在同樣溫度下的流失水平有顯著差異。以我自身使用的經驗為例，同屬5%苯基聚矽氧烷的MS固定相，VF-5ms、HP-5ms、RTX-5ms三者在同樣溫度下進行比較，VF-5ms的流失比另外兩種要低很多。即使同一廠家的產品，不同系列之間也有明顯差異。例如同屬安捷倫，HP-5的流失明顯比DB-5要高不少；又例如SGE公司的產品，AC系列的質量低於BP系列，最高適用溫度相應的也會低一些。
不能只看宣傳資料上的數字
浮誇風、放衛星不是中國獨有的，賣東西的人都有王婆賣瓜的習慣，因此選擇色譜柱的時候一定不能只看宣傳資料上的片面之詞。還是以我使用過的VF-5ms與RTX-5ms為例，前者標稱溫度為325/350℃、後者標稱溫度為330/350℃，看似後者的指標更高，然而實際使用中後者的流失要比前者高數倍。再例如同屬安捷倫旗下的HP-innowax和DB-wax，柱規格均為30m*0.32mm*0.25μm的情況下，前者標稱溫度為260/270℃，比後者高了10度，然而根據我實際使用的情況，二者的熱穩定性不相上下，同溫度下DB-wax的流失甚至還稍微低一些，而且實踐證明HP-innowax想要長期穩定工作且不產生顯著的基線噪聲，柱溫不宜超過230℃，比標稱數值更低VF-WAXms還要差很多。那麼這個標稱的「260/270℃」算不算虛假宣傳呢？這個確實很難判定，因為廠家只說可以用，沒說能用多久，用三天就報廢也算可以用啊（手動滑稽
要注意柱規格產生的差異
前面討論的是固定相的適用溫度，但固定相都是做成色譜柱來使用的，因此我們更加關心色譜柱的最高適用溫度。同樣的固定相，只做的色譜柱長度、內徑、膜厚不同，最高適用溫度會有不少的差異。影響最顯著的是膜厚，其他條件不變、膜厚加倍時，固定相的流失水平會增加一到二倍不等。而且膜厚太大的色譜柱製備更困難、容易出現交聯不完全的問題。因此使用厚液膜（1.0μm或者更厚）的色譜柱時，允許的最高溫度一般要降低10~20℃。柱內徑增加、柱長增加時，固定相的流失也會有一定的增加，所以在使用大口徑柱（0.53mm）、長柱（60m或者以上）時，也要注意將允許的最高溫度適當降低。
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