气相色谱仪毛细管柱的材料组成和结构

毛细管柱的材料对制备一支高质量的气相色谱仪毛细管柱是十分重要的。毛细管柱的材料应具有化学惰性，热稳定性好，内表面光滑易润湿以及操作方便等性能。自从毛细管气相色谱柱发明以来，对许多材料，如塑料、铜、镍和不锈钢等进行过研究。目前普遍使用的是玻璃和石英玻璃材料，应用最多的是后者。

玻璃和石英玻璃的化学成分都是以二氧化硅为主。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一个三维网络，这样由硅和氧原子形成一个不规则的六元环。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。石英玻璃的硅氧夹角为 150 度，是一种最简单的玻璃，通常称为石英。石英具有高度交联的三维结构，熔点高（近 2000℃），热膨胀系数低。石英的成分主要是二氧化硅，含有极少的金属氧化物，抗化学腐蚀性好，抗张强度高，可允许拉制成优质弹性薄壁毛细管柱。由它制作的毛细管柱通常称为弹性石英毛细管柱。

在玻璃生产过程中，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 键而使玻璃软化并降低粘度，增加热膨胀系数和在水中的溶解度，降低抗化学腐蚀性。加入 CaO 和 MgO 可减小溶解度，增加抗化学刻蚀性。常用于毛细管柱材料的两种玻璃是钠－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 键截断，因此这些玻璃的熔点比石英要低得多。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。

天然石英和人造石英都是作毛细管柱的好材料。天然石英在高温和真空下熔化可制成熔融石英，纯度随石英原料的来源不同而异。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 1×10^-4 g/g。经进一步提纯的熔融石英，金属杂质含量可达 5×10^-5 g/g。人造石英基本上是纯二氧化硅，金属杂质含量小于 1×10^-6 g/g。