傅若農:PLOT氣相色譜柱的誘惑力

　　編者註：傅若農教授生於1930年，1953年畢業於北京大學化學系，而後一直在北京理工大學(原北京工業學院)從事教學與科研工作。1958年，傅若農教授開始帶領學生初步進入吸附柱色譜和氣相色譜的探索;1966到1976年文化大革命的後期，傅若農教授在幹校勞動的間隙，系統地閱讀並翻譯了兩本氣相色譜啟蒙書，從此進入其後半生一直從事的事業——色譜研究。傅若農教授是我國老一輩色譜研究專家，見證了我國氣相色譜研究的發展，為我國培養了眾多色譜研究人才。此次儀器信息網特邀傅若農教授親述氣相色譜技術發展歷史及趨勢，以饗讀者。

　　第一講：傅若農講述氣相色譜技術發展歷史及趨勢

　　第二講：傅若農：從三家公司GC產品更迭看氣相技術發展

　　第三講：傅若農：從國產氣相產品看國內氣相發展脈絡及現狀

　　第四講：傅若農：氣相色譜固定液的前世今生

　　第五講：傅若農：氣-固色譜的魅力

　　看看下面這張圖1，1 min 多一點時間就把苯到二甲苯幾個難分離的混合物分開了，而且把間位和對位二甲苯也給分開了，遺憾的是間位和鄰位二甲苯沒有分開，當然只用了15 m 長的毛細管色譜柱，這種色譜柱叫做PLOT柱，這是半個世紀前在英國「自然」雜誌(Nature)上一篇簡短論文上報導的(Halasz I,Horvath C,Nature,1963,197:71-72)。這一工作是最早使用石墨化炭黑作固定相PLOT柱完成的，這一實例對想利用氣相色譜用於石油和石化工業分析的人員來說有很大的誘惑力，為什麼?這是因為色譜柱短、固定相耐溫性好、無流失、分析時間短，可以把在氣相色譜中最難分離的間、對二甲苯基線分離。

　　再看看圖 2，這是最近雲南師範大的袁黎明研究組把手性向列結構的介孔材料製備成PLOT柱分離手性化合物，這樣的PLOT柱，柱高溫、解析度高、可作手性分離，擴展了PLOT柱的應用範圍。在新的應用領域又體現了它的誘惑力。

　　圖1 石墨化炭黑作固定相PLOT柱分離苯、甲苯、乙苯和二甲苯

　　色譜柱：15 m x 0.25mm,5.4mg 石墨化炭黑/m,柱溫：245 ℃,

　　分流比：1：1050，進樣：0.2μL

　　圖2 手性相列內消旋矽膠PLOT柱分離手性化合物

　　(Anal Chem,2014,86:9595)

　　1、什麼是PLOT柱

　　PLOT柱是多孔層開管柱(Porous Layer open tubular column)的縮寫，早在上世紀50年代末毛細管色譜柱的發明人 Golay就指出：如果把光滑的毛細管壁變成均勻多孔的細顆粒，就會大大有利於毛細管柱的效能(M J R Golay,Gas Chromatography 1957)，他在1960年又進一步詳細闡述了這一方法，這種多孔層毛細管色譜柱可以降低相比率，同時又使固定液液膜比較薄，有利於傳質阻力提高柱效，在具有多孔層毛細管內壁上塗漬一層可以增加內壁的表面積，多孔層物質可以用化學方法處理，也可以用顆粒懸浮物沉積到管壁上，於是早期的氣相色譜開拓者們就循這一思路研發，1962-1963年Horv?th等開發了這一類型的毛細管多孔層色譜柱。

　　大家知道Csaba Horv?th (1930-2004)是液相色譜的開拓者之一，他是匈牙利人，上世紀50年代在匈牙利受到化學工程方面的高等教育，1962-1963年間在德國法蘭克福大學(美音河畔的法蘭克福)Hal?sz的實驗室攻讀博士期間，研究了無機色譜固定相，使用Golay的靜態塗漬技術製備出多孔層氣-液色譜柱(在氧化鐵顆粒上塗漬聚乙二醇)，這種色譜柱叫做載體塗漬開管柱(support-coated open-tubular ，SCOT)，屬於多孔層開管柱(PLOT)的一種，同時也製備了吸附型氣-固色譜柱(見上圖1)(Nature,1963,197:71-72)。

　　PLOT柱發展早期，很多研究是針對SCOT柱，即把填充柱使用的載體用某種膠粘附在毛細管壁上，然後再在這一載體上塗漬固定液。現在商品PLOT柱則嚴格地限於把多孔吸附劑以化學或物理方法粘附在毛細管內壁上，進行氣-固色譜，所以有人也把它叫做「吸附固相開管柱」(adsorption solid-phase open-tubular column,ASPOT)。

　　2、早期的填充毛細管柱到PLOT柱

　　由於填充氣相色譜柱的分離能力有限，致使許多複雜的混合物無法分離，儘管開發了許許多多固定相，但是仍然由於填充柱柱效不高，無法滿足實際工作的需要，而壁塗毛細管柱(WCOT)，由於其液膜厚度的限制柱容量小，對低沸點物質保留作用小，對一些永久氣體不能分離，而氣-固色譜可以分離低沸點物質，但是柱效低對難分離的混合物受到限制，所以出現了填充毛細管氣-固色譜柱，1962年Halasz和 Heine就製備了氧化鋁的填充毛細管柱，他們把一根1mm直徑潔淨的鋼絲穿入直徑為2.2mm的玻璃管，在玻璃管和鋼絲的空隙中裝入吸附劑，把填充好吸附劑的玻璃管水平放在毛細管拉制機上，並小心地把鋼絲移除，把玻璃管拉製成直徑為0.3mm的毛細管。在作者的實驗中使用的吸附劑是在400℃ 加熱9h的氧化鋁，吸附劑顆粒直徑在 0.10-0.15mm之間，然後把毛細管在120℃下用氫氣吹掃24h，以除去吸附劑吸附的水分。用這種10m長的色譜柱就可以把15個C5的烴類在6min 內分離開(Nature,1962,194:971)，見下圖3。

　　圖3 填充毛細管氣-固色譜柱分離芳烴的色譜

　　色譜柱：10m 柱溫：80℃，色譜柱脫活：用晶體硫酸鈉溼潤載氣

　　載氣：氫氣，流速：2.5ml/min , 分流比：1：600，FID 檢測器

　　1— 甲烷，2—乙烷，3—乙烯，4—丙烷，5—丙烯，6—乙炔，7—異丁烷，

　　8—正丁烷，9—丁烯-1，10—反丁烯-2，11—異丁烯，12—順丁烯-2，

　　13-異戊烷，14—正戊烷，15—丁二烯(Nature,1962,194:971)

　　這種填充毛細管柱可能是由於製作麻煩未能普及，而1963年，Kirkland在開管柱中沉積氧化鋁，製備了氧化鋁PLOT柱(Anal Chem，1963,35(9):1297)，之後，人們把Kirkland作為PLOT柱得第一發明人。前面我們提到Horvath C同時在1963年製備了石墨化炭黑的PLOT柱，因為Horvath C的工作發表在Nature上，可能被人忽視。不過很有意思，後來Kirkland和Horvath二人都成為赫赫有名的液相色譜先驅。由於PLOT柱在許多領域實際工作中得到應用，直到現在有大量商品化的PLOT氣相色譜柱，得到廣泛的應用。

　　3、現代商品化PLOT柱所使用的固定相和色譜柱類型

　　按照季振華1999年的綜述(J Chromatogr. A, 1999),842:115–142),商品化PLOT柱所使用的吸附劑有：氧化鋁、石墨化炭黑、分子篩、有機多孔聚合物等，見下表1。

　　表1 商品化PLOT柱所使用的吸附劑(固定相)

　　目前世界上幾個著名的色譜柱生產廠家都有上述固定相的PLOT柱，比如安捷倫公司就有專門生產PLOT柱的生產線。這些PLOT柱可用於分析幹氣、低分子量的輕烴異構體和揮發性極性化合物(見表2)。HP家族中的PLOT柱有各種不同的規格,可滿足不同領域的使用，有適用於大容量分析的530μm柱，如果要進行快速分析或進行GC/MS分析可以選擇250μm或320μm的PLOT柱。

　　表2 HP-PLOT柱的應用

　　(1)HP-PLOT 分子篩柱

　　使用HP-PLOT 分子篩柱分析永久氣體和惰性氣體, HP-PLOT 分子篩柱是在柱內塗漬有固定化的5A分子篩，塗層厚度為12 ～50μm。這樣可以保證對氮、氧、氬、甲烷和一氧化碳的分離。

　　把吸附劑鍵合到毛細管壁上，減少顆粒脫落的機會，以免顆粒進入系統的閥或檢測器裡，這樣可以大大提高檢測器的靈敏度和整個系統的精確性。

　　分析永久氣體一般使用分子篩柱，HP-PLOT 分子篩柱有足夠的柱效和柱容量用以很好地分離氮、氧、甲烷和一氧化碳。這種色譜柱適合於多種氣體分析樣品閥所要求的時間選擇。在進行等溫40℃分析時，氧和氬只能部分分離。如果要把它們完全分離，可以不用冷凍低溫而使用厚膜HP-PLOT 分子篩柱， 可在接近環境溫度下分析環境中的惰性氣體。在35℃下可以把惰性氣體及氧和氮很好地分離，分析時間不到10min。

　　HP-PLOT 分子篩柱的柱徑規格為0.32和0.53mm, 為了能在不使用冷凍低溫下分離氧和氬氣，可以使用厚膜柱HP-PLOT MoleSieve/5A分子篩柱。薄膜HP-PLOT 分子篩柱是多種應用分析(包括常規的空氣監測)的色譜柱，分析時間小於10s。使用薄膜HP-PLOT 分子篩柱可以在低溫下分離氧和氬。

　　(2)HP-PLOT 三氧化二鋁柱

　　HP-PLOT 三氧化二鋁柱系列,包括使用三氧化二鋁顆粒和各種脫活的三氧化二鋁顆粒的塗層開管柱。所有HP-PLOT 三氧化二鋁柱都適用於烴氣流中C1-C6異構體的分離，每種類型的HP-PLOT 三氧化二鋁柱都各有其特點和優點，如表3所述。

　　HP-PLOT 三氧化二鋁柱的柱徑從0.25mm到0.53mm, 0.53mm 柱的使用更為普遍,因為它的柱容量大,適合於大體積進樣閥的應用。如使用0.53mm HP-PLOT 三氧化二鋁KCl柱可分析乙烯和丙烯氣體中的組分，用HP-PLOT 三氧化二鋁柱檢測烴類的檢測限為10ppm。對0.32mm和0.53mm內徑的所有三種色譜柱其溫度上限均為200℃，對0.25mm柱可以在250℃下短時間使用。由於0.25mm柱的柱效高並且使用溫度上限也較高，所以它可以用於高達C10的烴類 。

　　表3 HP-PLOT 三氧化二鋁柱

　　(3)HP-PLOT Q柱

　　HP-PLOT Q柱是HP公司PLOT柱中應用廣泛的色譜柱，HP-PLOT Q柱適合於以下對象的分離：

　　* 烴類(所有C1-C3異構體，一直到C14的鏈烴，天然氣，煉廠氣，乙烯，丙烯氣體)，

　　* 二氧化碳，空氣/一氧化碳，水，

　　* 極性溶劑，含氧和含硫化合物。

　　HP-PLOT Q柱具有以下的點：

　　a 具有優良的機械穩定性，很少或沒有碎片脫落，使其適合於有閥控制的分析和GC/MS的分析

　　b流失量小，減少老化時間，提高靈敏度

　　c 重複性好，節省工作時間和購置費用

　　d 最高恆溫使用溫度為270℃

　　4、近年出現新材料製備的PLOT柱

　　(1)金屬有機框架材料(MOFs)製備的PLOT柱

　　近年金屬有機框架材料(MOFs)風靡一時，趨之若鶩，嘗試在各個領域中應用的文章數不勝數，在分析化學中的應用如下圖 4 所示。

　　圖4 金屬有機框架材料(MOFs)在分析化學中的應用領域

　　何謂金屬有機框架材料(MOFs)?金屬有機框架化合物(MOFs)是由無機金屬離子和有機配體，通過共價鍵或離子共價鍵自組裝絡合形成的具有周期性網絡結構的晶體材料。其中，金屬為頂點，有機配體為橋鏈。MOFs結構中的金屬離子幾乎包含了所有過渡金屬離子。通常分為含氮雜環有機配體、含羧基有機配體、含氮雜環與羧酸混合配體三種類型。MOFs具有獨特的孔道，可設計和調控它的尺寸和幾何形狀,並在孔道內存在開放式不飽和金屬配位點，使其可用於吸附或分辨不同的氣體或離子，MOFs極適宜於辨識特定的小分子或離子，在多相催化、氣體分離和儲存等方面有著廣泛的應用(Li J, Sculley J, Zhou H,Chem Rev,2012, 112:869–932)。由於MOFs具有優異的性質，比如比表面高、熱穩定性好、納米級孔道結構均一、內孔具有功能性、外表面可修飾等，在分析化學領域有廣泛的應用前景(Gu Z,Yang C, N Chang,et al,Accounts Chem Res,2012)，MOFs在分析化學中有多種應用，也是氣相色譜固定相很好的選項。

　　2006年陳邦林等(Chen B, Liang C,Yang J,Angew Chem,Inter Ed,2006, 45:1390 –1393)首次把金屬有機框架化合物 MOF-508用作氣相色譜固定相，用以分離直鏈烴和叉鏈烴，MOF-508的分子式為 Zn(BDC)(4,4』-Bipy)0.5(MOF-508:BDC=1,4-苯羧酸， 4,4』-Bipy=4,4』-聯吡啶)，其空間結構如圖5,它據有簡單的立方體帶孔的框架，孔徑可由兩個互相穿插的情況來調節，其一維通道橫截面大約為 0.4x0.4 nm，這樣的結構對氣相色譜分離烷烴具有很好的選擇性。但是陳邦林是把金屬有機框架材料MOF-508 製備成填充柱進行研究的。

　　圖5 MOF-508 的空間結構

　　真正製備成毛細管柱，即多孔層毛細管色譜柱(PLOT柱)的研究是南開大學的嚴秀平研究組(Gu Z,Yan X, Angew Chem,In ted. 2010,47：1477)和雲南師範大學的袁黎明研究組(Xie S,Zhang Z, Wang Z,et al, JACS,2011, 133:11892–11895)的工作。嚴秀平等在2010年在德國「應用化學」上發表了使用MOF-101作固定相分離二甲苯位置異構體和乙苯混合物以及其他苯取代化合物的工作，MOF-101是鉻和對苯二甲酸的金屬框架配位化合物(Cr3O(H2O)2F(BDC)3)，具有較大的孔徑(2.9–3.4 nm)，適合於做氣-固色譜的固定相，他們用動態法把MOF-101塗漬在15m長的大內徑(0.53mm)石英毛細管柱上，所用的塗漬方法類似於1963年Horvath所用的方法:首先把MOF-101和乙醇製備成懸浮液，然後以氣體壓力灌注到毛細管(15m x 0.53mm id)中，以動態塗漬技術把固定相沉積到毛細管壁上，這一色譜柱，自然是PLOT柱了，色譜柱的橫截面圖如圖6所示。用這一色譜柱分離三個二甲苯位置易購體得到十分漂亮的基線分離圖，而且分離時間很短見圖 7。

　　圖6 MOF-101 毛細管柱的電鏡橫截面圖

　　圖7 MOF-101 毛細管柱分離二甲苯異構體的色譜

　　袁黎明研究組主要是研究MOFs的手性固定相，2011年他們合成了[{Cu(sala)}n] (H2sala = N-(2-羥苄基)-L-丙氨酸)，塗漬成毛細管色譜柱，用以分離外消旋的烴類、醇類和Grob試劑，分離效果見表5。

　　2013年他們合成了三維開放框架手性MOF，Co(D-Cam)1/2(bdc)1/2(tmdpy) (D-Cam=D-樟腦酸; bdc=1,4-苯二羧酸酯，tmdpy=4,4′-三亞甲基聯嘧啶)，製備成毛細管手性色譜柱，這種Co(D-Cam)1/2(bdc)1/2(tmdpy)化合物具有手性構架的三維結構，具備內在手性的拓撲網絡。把它製備成兩種毛細管色譜柱，柱A為30m長的530μm的大內徑柱，柱B為2m長的75μm小內徑柱，用動態法製備毛細管色譜柱，在120℃下以正十二烷測試它們的柱效，分別為1450 plate/m和3100plate/m.使用烷烴、醇類、外消旋化合物和Grob試劑測試色譜柱。用柱B和商品手性柱分離一些外消旋化合物的分離因子對比見表4。

　　表4 [{Cu(sala)}n]柱上分離一些外消旋化合物的分離因子

　　2013年華南師範大學章偉光和鄭盛潤研究組也涉足MOFs用作氣相色譜固定相的研究，他們把管狀金屬有機框架化合物 MOF-CJ3動態塗漬在毛細管柱中，研究色譜保留行為。MOF-CJ3是以1,3,5-苯三羧酸(TBC)為有機橋聯基的管狀MOFs，具有一維沿著C的方向延伸的管道，孔壁由TBC有機橋聯基組成，它可以提供苯環和羧基形成超分子作用。研究者選擇直鏈、叉鏈烴、二甲苯和乙苯以及芳香族位置異構體(如甲酚、對苯二酚和二氯苯)作分離測試物，並測定了麥氏常數見表5

　　表5 MOF-CJ3 色譜柱的麥氏常數

　　

　　表6是近年使用各種MOFs作固定相的PLOT柱。

　　表6 各種MOFs作固定相的PLOT柱(J Chromatogr A,2014,1348:1-16)

　　(2) 介孔分子篩固定相的PLOT柱

　　1992年，Kresge等首次利用烷基季銨鹽陽離子作為表面活性劑，合成了介孔分子篩如 MCM-41,此類介孔分子篩的比表面積大、孔徑均一、孔徑可調等特點，突破了微孔材料(如沸石)的孔徑限制，擴大了用作氣相色譜固定相的範圍。 1998年趙東元等(現在是復旦大學教授，院士)用親水的三嵌段共聚物聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷(即P123)製備了有序二維六方相介孔分子篩 SBA-15，其壁厚可達6.4nm,孔徑可達30nm,並且具有較高的水熱性能(100℃,50h)。SBA-15不僅彌補了MCM-41水熱性能方面的不足，而且三嵌段共聚物具有可生物降解、無毒、價廉等特點，滿足了環保要求，成為近年來的研究熱點之一，在催化、吸附、分離、納米組裝、生物醫藥和傳感等方面得到了廣泛的應用。( 趙東元等. Science ，1998，279：548)

　　以前有人利用這類介孔材料的填充柱分離烴類混合物。最近袁黎明研究組把手性向列結構的介孔材料(CNMS)製備成PLOT柱分離手性化合物，這是PLOT柱向高溫、高分辨、特殊分離型毛細管色譜方向發展(Anal. Chem. 2014, 86： 9595−9602)。下表7是CNMS柱與典型手性色譜柱分離性能的比較。

　　表7 CNMS柱與環糊精和胺基酸聚矽氧烷手性色譜柱分離性能的比較

　　(3)碳納米材料作固定相的PLOT柱

　　2005年 Mitra等首次把自組裝碳納米管使用化學蒸汽沉積(CVD)方法塗漬在長的毛細管色譜柱中，得到高的柱效，改變CVD條件會改變CNTs膜的厚度和形態，因而可調整色譜的選擇性(Anal Chim Acta，2010，675 ：207–212)。2006年 Mitra 等又利用鈷和鉬鹽進行催化的化學蒸汽沉積方法吧單壁CNTs塗漬在毛細管色譜柱中,厚度達300nm，柱效可達每米1000理論塔板數，測試其麥氏常數屬非極性固定相(Anal Chem，2006，78：2064–2070)。2003年至今發表的一些有關碳納米材料作氣相色譜固定相的研究的工作見表9

　　表8 有關CNTs作PLOT柱的研究的工作

　　小結

　　常規PLOT柱在石油和石化等領域有十分成功的應用，而各個大色譜柱生產商都供應各種類型通用和專用類型的PLOT柱。近年各種新材料的出現促使人們把它們製備成PLOT柱進行研究，有很成功的案例，但是沒有看到有深入進行色譜柱工藝優化的研究，還沒有達到商品色譜柱的性能。希望研究者自己或聯合廠家協作進行深入的柱工藝研究，完成這類PLOT柱商品化的過度。下一講和大家聊一聊「頂空進樣技術的過去和現在」。(未完待續)

　　(作者：北京理工大學傅若農教授)