气相色谱柱作为应用在气相色谱仪上的核心部件之一，是样品分离的关键所在，其主要通过目标物沸点、极性、酸碱度等不同的理化性质在载气的推动下与色谱柱固定相之间形成不同的吸附解析过程，从而使得注入分析的混合物在色谱柱上形成非均一的保留情况，按照不同的保留时间按照一定的先后顺序流出，进而达到在色谱柱上有效分离混合物的效果。
气相色谱/质谱技术以其高超的分离能力、化学热稳定性高、分析速度快、呈化学惰性等特点而在当今药物杂质分析、中药物质基础研究、石油化工成分解析等领域得到了广泛而深远的应用。
本文将从气相色谱柱类型、固定相种类、内径条件、覆膜厚度、色谱柱长度和其他因素等六个方面对气相色谱柱进行一个较为系统的介绍，以期能够为广大分析人员提供一些思路和借鉴。
一、气相色谱柱类型
气相色谱柱总体可以分为填充柱和毛细管柱，这两种类型均在分析历史上具有重要的意义，目前市面上大多接触的是毛细管柱，又有多少分析人还记得填充柱的装柱手法呢？填充柱真的就是一无是处吗？
▲图1-常见的填充柱种类（图片源自于网络，侵删）
填充柱的填料可以是多孔性粒状系缚剂或在惰性载体颗粒表面均匀的涂敷一层很薄的固定液膜。填充柱常用内径2-5mm，长0.5-10m的金属管或玻璃管，其分离原理与液相色谱柱有着一定的相似性。
随着科学技术的不断进步、色谱柱商业化发展及实验室均一性要求的不断提高，填充柱由于其先天特性等原因，在进行物质分离的过程中载气、混合物等物质需要在填充柱载体表面进行充分的相互作用，从而达到扩散、释放，进而实现物质分离，这一复杂的过程需要更加充足的时间，因此这也就导致了用填充柱进行气相色谱分析过程会时间更长。且由于填充柱往往是实验室内部自行填充，在更高分析成本的前提下，又无法使得稳定性、均一性以及重复性等分析指标得到到更好的保障。
此外，填充柱易受污染，因为分离过程中化合物进入柱时可能会与填充物发生反应，导致填充物的表面不洁净或表面积损失，造成柱效大幅度缩减，分离效果的下降。
综合上述的种种原因，当前分析市场填充柱也逐步地退出了分析人的视野。
▲图2-常见的毛细管气相色谱柱（图片源自于网络，侵删）
毛细管色谱柱是将固定相涂在管内壁的开口柱，其中没有填充物。毛细管柱的内径在0.1至0.5mm，柱长在10m到100m以上，常用的为30m，它是现在使用最多的一种柱型。毛细管柱从里到外依次是一层薄薄的固定相液体涂层、石英毛细管和一层聚酰胺外套这三层结构组成，在聚酰胺这层外套的保护下能够有效增加30m长度毛细管的韧性和抗腐蚀的能力。
随着现代工业能力的不断提高，工业化自动化生产毛细管柱的水平也在不断提升，当下各个厂家所生产的毛细管柱均有着不错的批间稳定性，能够有效的对分析方法实现重现而被多方机构广泛接受和使用。
填充柱和毛细管柱比对
1、毛细管柱柱效更高，相对于填充柱来说，毛细管柱由于其固定液厚度相较更薄且中空的特点，因此在载气流通的情况下产生的柱内阻力往往会更小，因此就不存在涡流扩散的情况，进而能够更为有效的缩小谱带展宽（半峰宽）形成更好的峰形和更高的塔板数，且客观上来说毛细管柱一般都能够达到30m往上的长度，而填充柱往往为了达到更好的柱效会选用U型不锈钢管（相较于螺旋型柱长有所缩小），总柱长往往只有3m-5m。综合而言，填充柱的柱效远小于毛细管柱，通常30m的毛细管柱柱效轻轻松松能够达到50000以上，而填充柱一般柱效仅要求在3000以上即可；
2、毛细管柱分离速度更快，毛细管柱的分析速度约为填充柱的数十倍。由于液膜极薄，分配比k很小，相比大，组分在固定相中的传质速度极快，因此有利于提高柱效和分析速度。毛细管柱能够在一小时内对数百种农药残留进行准确分离，其对复杂基质中的目标组分分离更为有利；
3、熔融二氧化硅毛细管色谱柱的出现使得毛细管色谱柱逐步取代填充柱，应用越来越广泛，易实现气相色谱-质谱联用，更好地实现微量到痕量成分的分析；
4、当然填充柱也有着不可取代的优势，毛细管柱由于其较小的内径，不可避免的降低了自身的柱容量，其最大允许进样量也相应的有所减小，因此对检测器灵敏度就提出了更高的要求；
5、填充柱的优点是柱容量大，制备方法简单，使用方便，定量分析的准确度较高，在永久性气体、低级烃类以及水分含量的测定等分析领域，填充柱依旧是较为关键的补充；
6、填充柱在装填涂布过程中需要不间断的老化，在使用过程中相较于毛细管柱对老化的要求更高（厚度一般大于5%老化能够有效解决膜厚不均的问题，而小于2%的膜厚由于液膜趋于单分子层分布，如果涂渍不均匀，老化亦不能使其均匀，就需要特殊的涂布手段来解决）。
在药品分析过程中，各国药典所收录的分析方法均少不了气相色谱法，其广泛存在于药品质量控制、杂质分析、残留测定、含量测定、有关物质检查等环节，接下来以我们平常接触最为广泛的毛细色谱柱为例详细介绍色谱柱选择过程中的特点。
选择用于分析的最佳毛细管柱是一件难以确定和非常困难的任务，掌握毛细管柱选择理论知识对于分析工作者特别是药物分析工作者是非常必要的，虽然没有有关毛细管柱选择的简易技巧、捷径、窍门或秘诀，但却有些理论来简化此过程，有四个要考虑的主要色谱参数：固定相、内径、长度和液膜厚度。
▲图3-毛细管气相色谱柱内部结构示意图（图片源自于Agilent大学教材，侵删）
二、固定相种类
在进行目标物分析过程中对毛细管柱固定相的选择总体倾向于遵循相似性原则，即：极性目标物采用极性固定相，非极性目标物采用非极性固定相，可极化物质（芳香烃类等）采用含有苯基的DB-5/HP-5/SE-52/SE-54 柱等。
非极性分子——通常仅由 C 和 H 组成并且无偶极矩，直联（正烷）是常见的非极性化合物的例子。
极性分子——主要由 C 和 H 组成同时也有其他原子，如：N、O、P、S 或卤素。样品包括有醇类、胺类、硫醇类、酮类、有机卤化物等。
可极化物质——主要由 C 和 H 组成同时包含不饱和键。通常有：炔和芳香族化合物。
随着毛细管柱技术的不断进步，分离度并不是首要考虑的关键因素了，毛细管柱具有几十万块塔板，如此大的柱效率，以至于不再需要充分考虑分离问题了。这个时候，样品兼容性、使用温度、稳定性、柱流失情况等，都可能成为选择的主要理由。
▲表1-不同固定相色谱柱比较
气相色谱柱的分离主要是由于固定相和溶质之间产生相互不同的作用力时即可达到分离的目的，其指固定相在区分两种溶质分子在其化学或物理性质方面的差异能力。固定相进行分离过程中一般存在三种作用力的共同作用，即：色散力、偶极力和氢键作用力。
色散力：在进行简单结构或同系物等类型物质分离时，通过不同沸点进行分离是相当有效的，目标物的沸点越低挥发性越好则其出峰就越快，保留时间相对则更短。图4表明正构烷烃出峰顺序，随着烷烃C数目的增加其沸点也相应的增加，出峰位点逐步后移。
▲图4-正构烷烃C7-C40标准品GC-MS出峰示意图
偶极力：当被分析物的基本结构或中心结构的不同位置连接有不同的基团，例如取代芳香烃类和卤烃类被分析物等，氰丙基、三氟丙基和聚乙二醇类固定相都表现出良好的偶极作用性能。
氢键作用力：当被分析物分子和固定相之间存在氢键作用力，固定相对于不同被分析物有着不同的氢键作用力，因此其能够产生不同的氢键势能，从而使被分析物分离。例如无氢键作用的DB-1较有氢键作用的DB-WAX对于有些被分析物分离效果就会有所降低。（图5、图6所示）
▲图5-色谱柱DB-1分析某4种成分示意图
▲图6-色谱柱DB-WAX分析某4种成分示意图
一般来说，拿到一个未知杂质等待测物质，在不了解其理化性质的情况下，我们通常可以从DB-1的固定相进行尝试，按照表1中的极性顺序，从非极性开始按极性渐强的顺序选用中等极性直至高极性柱逐一尝试，直到有较令人满意的分析结果即可确定适用的柱极性（通常已知目标物可通过文献检索支撑，或者是数据库查询到其具体的理化性质，从而对应的选择适合的色谱柱）。
三、色谱柱内径
毛细管柱内径的大小对目标物理论塔板数、分离度、保留时间、载气流速、载样量和进样口压力等参数会产生直接的影响。
▲表2-柱效与柱内径之间的关系
（表格数据源自Agilent大学教材，侵删）
我们通常所采用的色谱柱大多为0.25mm、0.32mm、0.53mm（一般不用于MS分析），载气流速与毛细管柱的内径成正比。毛细管柱的不同内径均有推荐的最佳载气流速，0.25mm（推荐0.8ml/min-1.2ml/min）、0.32mm（推荐1.5ml/min-2.5ml/min）、0.53mm（推荐3ml/min-6ml/min）该流速理论上可以使被分析物达到最佳峰形。
在同样柱流速条件下，色谱柱的内径越小进样口EPC压力也就越高，柱头压力大约是毛细管柱半径的负二次方函数，各国药典在色谱方法的规定中往往对色谱柱均有等效柱的要求，往往更加关注色谱柱的固定相，而对内径和柱流速的关注度更低，通常会由实验人员依据经验选用合适内径的色谱和匹配适当的流速（流速匹配参照推荐流速）。
0.18-0.25mm的毛细管柱具有较高的理论塔板数。0.18mm的毛细管柱很适合于泵容量低的GC/MS系统，当然选用0.18mm内径的色谱柱时需要特别关注柱体的载量，其柱容量会减少，且进样系统压力会有更高的要求，通常MS分析也是建议采用0.25mm即可。
当样品载样量有所增大时，则采用0.32mm色谱柱，其相较于0.25mm色谱柱对不分流进样或＞2μl进样体积时有着更好的柱容量，且相对短保留的目标物能够拥有更好的分离度。
0.53mm内径的色谱柱总体来说出厂几率还是比较少的，如果出现分离度不够我一般更愿意在0.32mm的基础上采用更大的膜厚来提高分离度（后文要讲的），且0.32mm的内径已经需要将近1.5ml/min的柱流速才能够有效维持了，基本已经达到了MS检测器的上限（更高的流速对MS真空会造成一定的影响，以至于调谐不通过，岛津的8050貌似实测会好一些，但总体不建议这么用，后续小伙伴们感兴趣可以出一期专门讲解色谱检测器的文章哈！），因此0.25mm和0.32mm均有着不错的检测器通用性，而0.53mm内径色谱柱大多用于高载气流速，通常配备有顶空进样器的情况下会用到0.53mm内径色谱柱，还有一些裂解塔进样，顶空捕集阱联用进样等等都需要更大的色谱柱内径。
四、色谱柱膜厚
色谱柱膜厚对我来说最为直观的影响可能就是保留时间和分离度的影响上了，同等内径和流速下，膜厚越大分离度约好，保留时间会相应的向后有所漂移。
一般来说，柱膜厚度与保留时间成正比，对于低沸点的分析物，厚度越大保留越强。反之柱膜较薄的毛细管柱用来减少保留能力强的分析物的保留时间。柱膜厚度与分离度成正比，且液膜越厚，毛细管柱的惰性越强，使用较厚液膜的毛细管柱可以减少或消除峰拖尾，液膜厚度与容量成正比，分析物的容量越大，其峰越宽，同时会减少分离度。而使用液膜较厚的毛细管柱会减少峰宽，增加分离度，保证较少的峰形对称性。
说到这不禁会有小伙伴考虑是否应该都采用厚膜色谱柱来进行实验了？当然不行！色谱柱并不是柱膜越厚越好！柱膜越厚毛细管柱的流失水平越高，其对目标物的检测相应的产生干扰也会越多，方法开发难度也会有所提升。当柱膜厚度增加时，保留时间较大的组分可能转移到毛细管柱流失较高的区域，而难以被识别到，由于流失严重，因此液膜厚度与耐受温度成反比，膜厚越大的色谱柱其程序升温最高耐受温度也会相应的有所降低。
▲表3-不同膜厚和内径色谱柱的载样量示意图
（表格数据源自Agilent大学教材，侵删）
五、色谱柱长度
一般来说日常常规检验检测过程中毛细管气相色谱柱常用长度为30m，但某些时候进行方法开发或者是特殊组分分析的时候还会采用到不同长度的色谱柱，且不同公司的色谱柱均具有着不同的偏好，就比如在脂肪酸组分分析的过程中常规少量组分的分析采用30m长度的WAX色谱柱即可胜任，而多种复杂的组分往往会选用不同品牌的专用色谱柱，例如：Thermo的TG-FAME色谱柱和迪马的DM-2560色谱柱，虽然这两根色谱柱均能够有效的进行脂肪酸甲酯的检测，但往往在选用过程中TG-FAME一般常用的是50m的，而DM-2560由于中国药典——0713 脂肪与脂肪油测定法中有所推荐“聚二氰丙基硅氧烷（或极性相近）为固定液的毛细管色谱柱（100m×0.25mm，0.2μm）”因此通常会选用100m长度的色谱柱。
在实验分析过程中选用不同长度的毛细管柱其对柱效、分离度、保留时间、载气压力亦是有着不同程度的影响。
▲图7-标准品37种脂肪酸成分示意图（TG-FAME柱）
▲图8-标准品37种脂肪酸成分示意图（DM-2560柱）
一般认为理论塔板数与柱子长度成正比，分离度与理论板数的平方根成正比，增加柱子长度理论上是可以增加理论塔板数和分离度。要想得到窄峰和较高的柱效可以考虑使用较长的毛细管柱，保留时间与毛细管柱的长度成反比，使用较长的毛细管柱会增加被分析物的保留时间。通过图7、图8的比对能够更为直观的看到DM-2560柱（100m）的色谱柱其出峰时间总体相较于TG-FAME柱（50m）略微后移，分离度总体来看长柱子的峰相较于短柱峰没有那么集中。
六、小结
在气相色谱柱的选择过程中综合考虑过上述因素后，本着精益求精的精神，我们往往还会考虑色谱柱的最高使用温度和程序升温最高耐受、最低操作温度（部分色谱柱有0℃或者-20℃）、不同品牌不同系列色谱柱的差异性（CD、TG、DB、HP、VF等）。
当下药物复杂程度在不断升级，这便给我们分析人提出了更高的基质效应的挑战！因此在目标物分析过程中如何保证准确度和精密度的可靠性便成为了核心考虑的问题，色谱柱选得好回收率没烦恼！不同的毛细管柱之间的保留行为有着极大的差异性，选择合适的毛细管柱是利用气相色谱进行药物分析工作的重点！
