色谱仪毛细管柱的制备（一）

色谱仪毛细管柱的制备包括毛细管柱材质的选择、毛细管柱的拉制、毛细管柱内表面的改性、毛细管柱固定液的涂渍和毛细管柱的老化等。

一、毛细管柱材质的选择：

色谱仪毛细管柱的材料应具有化学惰性、热稳定性好、内表面光滑易润湿和操作方便等性能。自毛细管柱发明以来，对塑料、铜、镍和不锈钢等多种材料进行过研究，目前普遍使用普通玻璃和石英玻璃，应用zui多的是石英玻璃。

1、普通玻璃和石英玻璃的组成及结构：

（1）普通玻璃：

普通玻璃的化学成分主要是二氧化硅。普通玻璃中的二氧化硅通常是一个硅原子和四个氧原子结合成四面体，每个二氧化硅四面体通过硅氧键形成三维结构，由硅和氧原子形成一个不规则的六元环。

在普通玻璃生产过程中，常加入各种金属氧化物以改变物理和化学性能。加入Na₂O可切断Si－O－Si键使普通玻璃软化，降低粘度，增加热膨胀系数和在水中的溶解度。加入CaO和MgO可减小溶解度，增加抗化学刻蚀性。常用于制作毛细管柱的普通玻璃是钠－钙玻璃（软玻璃）和硼硅玻璃（硬玻璃），Na₂O、CaO和B₂O₃等氧化物的加入使Si－O－Si键被切断，这些玻璃的熔点比石英要低的多。软玻璃的熔点约700℃，硬玻璃比软玻璃高100～125℃。硬玻璃强度比软玻璃好，不易脆碎，软玻璃由于含有较高的Na₂O而呈碱性，硬玻璃由于含有B₂O₃而呈酸性。

（2）石英玻璃：

石英玻璃的化学成分主要是二氧化硅。石英玻璃由于Si－O－Si之间的角度易于变动而具有柔性，这种环状结构相对稳定，根据硅氧键角大小不同而形成不同的同分异构体。石英玻璃具有高度交联的三维结构，通常称为石英，熔点近2000℃，热膨胀系数低。石英玻璃含有极少的金属氧化物，抗化学腐蚀性好，抗张强度高，可拉制成弹性薄壁毛细管柱。

天然石英和人造石英都是制作毛细管柱的良好材料。天然石英在高温和真空下熔化可制成熔融石英，纯度随石英原料来源不同而异。如果在加工过程中注意减少污染，一般情况下金属杂质含量可低于1×10ˉ⁴g/g。经进一步提纯的熔融石英，金属杂质含量可达5×10ˉ⁵g/g。人造石英基本上是纯二氧化硅，金属杂质含量小于1×10ˉ⁶g/g。

2、普通玻璃和石英玻璃的表面成分对色谱性能的影响：

普通玻璃和石英玻璃的化学性质影响毛细管柱的性能。各种金属氧化物在普通玻璃的表面形成路易斯酸作用点，可对醇、酮、氨和含π健的分子（如芳香化合物和烯烃）等电子密度高的化合物产生吸附。石英玻璃因金属杂质含量极小，表面不存在或很少存在酸化点，与普通玻璃相比具有天然惰性。

普通玻璃和石英玻璃的羟基是构成氢键型吸附的主要因素。表面羟基之间氧原子的距离大于0.31nm时，不能在两个羟基之间形成氢键。这类羟基的活性zui大，对一些电子云密度高的化合物会产生吸附。

氢和氧相距0.24～0.28nm时容易形成氢键，大约50%的表面羟基彼此相互作用形成氢键。这种已形成氢键的羟基活性很小，几乎不再起自由羟基的作用，吸附在表面羟基的水也能对电子云密度高的化合物产生吸附，其活性与自由表面羟基相似。加热到165℃能把物理吸附水赶走，在400℃左右会使羟基脱水而成氧桥。这时若把二氧化硅冷却并暴露于水蒸气中，可以再恢复形成硅醇基，加热到400℃以上时再冷却吸湿羟基恢复的数量要减少，加热到800℃时二氧化硅表面羟基消失不再恢复。

表面的硅氧桥是氢键结合中的质子受体，对醇类分子产生吸附并有较强的范德华力。由于在普通玻璃和石英玻璃表面不同程度存在金属氧化物、游离羟基和硅氧桥，它们以不同形式会与被分离物质产生一定吸附作用。

二、毛细管柱的拉制：

1、普通玻璃毛细管柱的拉制：

目前普通玻璃毛细管柱已很少使用，但大内径毛细管柱（0.75mm）必须用普通玻璃材料。

普通玻璃毛细管拉制机由计算机控制，外径为4～10mm、内径为2～6mm的普通玻璃原料管由普通玻璃毛细管拉制机的送料轮送入温度为650～850℃加热炉中软化，然后拉伸轮以较快的速度驱动已软化的玻璃管，使之变细成为需要的毛细管，再在弯曲电热管中加热至550～650℃而烧成盘管，zui后缠绕到转鼓上。

控制送料轮和拉伸轮的转速比可以拉制不同内径的毛细管。值得注意的是，所用普通玻璃原料管内外径粗细不均，加热炉和弯管炉的温度波动，送料轮和拉伸轮的转速比过大，都会引起拉制毛细管内径不均匀。普通玻璃毛细管拉制机拉出的毛细管内径不均匀性在±3%～±5%之间。

2、石英玻璃毛细管柱的拉制：

石英玻璃比普通玻璃溶点高，不能用普通玻璃毛细管拉制机拉制，要用石英玻璃毛细管拉制机拉制。将石英原料管在石墨炉中加热到1900～2000℃才能拉制出薄壁毛细管。如果石英玻璃的表面被污染或受潮，强度会下降而易破损，所以拉出的石英玻璃毛细管必须立即通过盛有耐高温聚合物溶液（通常为聚酰亚胺）的容器，然后通过加热炉烘干，使毛细管外表敷上一层保护膜，zui后将拉好的毛细管缠绕到转鼓上。

目前拉制的石英玻璃毛细管内径为0.1～0.5mm，壁厚＜0.05mm，作为毛细管外涂层材料的聚酰亚胺zui高使用温度为350℃。近年来出现了铝涂层的石英玻璃毛细管，耐高温400～480℃，可用于烷烃（大于100个碳原子）和甘油三脂类的分离。

原料管拉制前依次用50%HNO3、5%HF水溶液和蒸馏水洗涤，zui后用丙酮冲洗，放置干燥。

拉制后的毛细管在涂渍前用蒸馏水、丙酮和溶解固定液的溶剂冲洗，N₂吹干。

三、毛细管柱内表面的改性：

普通玻璃和石英玻璃表面存在的硅醇基吸附电子密度高的化合物，硅氧桥的离子特征作为质子接受体形成氢键而吸附易给质子的化合物，普通玻璃表面存在的金属离子造成更严重的吸附和催化作用，会使高温下的固定液分解而流失，因此，在涂渍固定液前必须对毛细管柱内表面进行处理，以改变化学和物理性能提高表面对固定液的湿润性。

湿润性是指液体浸润固体表面的能力，这种能力通过接触角来衡量。接触角是指液体界面的切线与固体表面的夹角。当接触角为零时，液体完全湿润固体表面，易于涂渍成均匀的薄膜。反之，当接触角增大时，液体覆盖固体表面的能力降低，液体能否浸润固体表面取决于液体的内聚力和固体表面的能量。液体的内聚力用其表面张力表示，固体的表面能通过表面自由能表示。当液体的表面张力大于某一固体表面的临界表面张力时，此液体在固体表面上的接触角大于零。光滑干净玻璃的临界表面张力＜3×10ˉ⁴N/cm，大多数固定液的表面张力为5×10ˉ⁴N/cm，这说明大多数固定液对玻璃表面不湿润。要制作有效的毛细管柱，必须对普通玻璃管和石英玻璃管内表面进行粗糙化、化学和物理改性，使它们的表面能增大，提高临界表面张力。