氣相色譜固定相研究進展

　　毛細管色譜柱自1956年發明以來，即以其快速、高效、高靈敏度等獨特優點，在各行各業得到了廣泛應用。如今，毛細管氣相色譜已成為石油化工、醫藥生物、地質勘探、天然產物、輕工食品、能源環保等各個領域對復雜混合物分離所不可缺少的分析手段。同時，由于固定相交聯固化技術的發展，使色譜柱的熱穩定性和抗溶劑沖洗能力進一步提高，柱壽命進一步延長。近來，毛細管柱超臨界流體色譜(CSFC)的發展，使毛細管色譜柱對熱不穩定物質、高分子量不揮發物質及生物樣品的分離能力得到了更大的改善。由色譜專家系統地建立和發展的雙柱系統和多柱聯用技術，為復雜樣品的分離提供了新的途徑。但要解決高沸點的復雜混合物、各種沸點相近的異構體以及性質極為相似的光學異構體的分離，必須要有新的熱穩定性好、選擇性高的固定相。因此，合成和研究各種性能優良(即耐溫性好、極性強、選擇性高、易在毛細管柱內涂漬、柱效高、便于交聯等)的色譜固定相乃是色譜工作者的重要任務，下面簡要概述近些年來氣相色譜柱固定相的研究進展。

　　1 　聚硅氧烷固定相

　　極性聚硅氧烷固定相主要由在聚硅氧烷側鏈上，引入氰丙基、氰乙基或者三氟丙基等極性基團構成，極性基團的強弱及含量對固定相的選擇性和在柱壁上的涂漬交聯程度有直接影響，例如OV-1701是一種含氰丙基7%、苯基5%的二甲基交聯聚硅氧烷，能在未經處理的玻璃及石英毛細管柱上均勻涂漬和交聯[1]。

　　其中y分別為：(1)4-OCH3　　　(4)3-NO

　　(2)4- CN(5)3，4，5-(OCH3)2

　　(3)3，4-(OCH3)2(6)五氟化基

　　OV-275和Silar10C則分別為含100%氰乙基和氰丙基的聚硅氧烷，極性很強，但在毛細管內涂漬和交聯較難。M.L.Lee及Blomberg合成了一系列易涂漬、易交聯、含強極性基團的聚硅氧烷固定相[2]，其結構為

　　其中，苯基和氰基等電負性基團的引入是考慮了固定相和溶質的作用機理，他們認為固定相對試樣分離的選擇性取決于誘導力、定向力、氫鍵力、幾何構型、π電子絡合及電荷轉移等，上述構型可使給予體和接受體之間的配位效應更明顯，選擇性更強。這類固定相中所含2%乙烯基是為了便于交聯固化，他們還在含亞芳基的聚硅氧烷上引入了氰丙基，提高了固定相的熱穩定性，增強了它們的極性結構。這類固定相適用于藥物類、脂胺類農藥及順反異構體飽和及不飽和脂肪酸的分析。

　　2　液晶固定相

　　自1963年Kelker把液晶作為GC固定相以來，使用的液晶已有200多種，它們對多芳異構體有獨特的分離效果。1982年Finkelman等人首次把聚硅氧烷作為側鏈的高分子液晶用作氣相色譜固定相，克服了由于小分子液晶涂漬毛細管液膜時穩定性差、柱效低、柱流失嚴重等缺陷。1985年，Apfel利用硅氫加成技術合成了一系列芳羧酸酯類高分子聚硅氧烷液晶，制成了分離效果良好的玻璃毛細管柱。目前用作GC固定相的高分子液晶主要是側鏈高分子液晶。

　　3　環糊精固定相

　　環糊精是由6、7 或者8個比喃葡萄糖單元組成的環狀寡糖化合物，分別為α-環糊精、β-環糊精和γ-環糊精，在CDs的環結構中，比喃葡萄糖單元以α-1，4糖苷鍵結合，互為椅式構象，這樣的結構使環糊精分子中的官能團形成特殊的排列，如圖1所示。整個環糊精分子呈一頭大一頭小的圓筒形結構，即具有一定孔徑和一定深度的籠形圓筒化合物，如圖2所示。在籠形圓筒大口一端第二羥基(在C2C3上)以順時針方向排列，而在小口一端則被第一羥基占據，在籠形圓筒內側只有氫原子和葡萄糖苷氧原子，所以在圓筒內是非極性的，而圓筒外兩端是羥基，具有親水性。而且，具有一定環腔尺寸的CDs，易與同樣大小的客體分子相匹配，正是由于 CDs的這種結構特點，使它具有良好的選擇性。目前β-CD固定相用得最多，價格便宜，適合于許多中等大小的分子特別是芳香族化合物對映體的分離。

　　3.1 　環糊精固定相

　　早在1961年，Sand和Schlenk首次把α-CD的乙酸酯、β-CD的乙酸酯及丙酸酯，用作氣相色譜的固定相，分離C10和C12～C20的脂肪酸甲酯，次年他們又系統的研究了β-CD的乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯及戊酸酯作固定相對各種化合物的分離特點。1980年，日本大坂大學Mizohuchi研究了環糊精和二異氰酸酯作氣-固色譜固定相的保留行為，研究結果表明：CD固定相對不同類型、不同結構的有機化合物有明顯的選擇性和保留特點。1984年Smolkova-Keulemansova研究組使用Casu的甲基化方法，把α-、β-CD轉化為甲基化的CDs衍生物而形成具有選擇性的GC固定相。后來Tanaka等也用甲基化的β-CD涂漬成填充柱分離了n-烷烴、n-醇和烷基苯。

　　單獨使用CDs作氣相色譜固定相具有選擇性，但把CDs溶于甲酰胺或者乙二醇中可作為手性固定相。1983年波蘭的Sybilska研究組用CDs和甲酰胺組成固定相分離了異構體，分離效果較好。也可用它分離α-，β-蒎烯的對映異構體。可是這種固定相使用溫度太低，不易推廣，因此需要把CDs轉化成低熔點、易涂漬的衍生物。近年來，科學家們致力于CD的烷基化和酰基化改性，隨著CD分子上烷基長度的增加，改性產物的熔點降低，柱效提高，可達3000塔板 /m以上。在聚硅氧烷中稀釋CD的方法可以提高柱效，但卻削弱了選擇性[3]。

　　1987年，我國閻長泰等把α-CD、β-CD的甲酰胺溶相涂漬在SCOT玻璃毛細管柱上，于50℃和65℃下分離了二甲苯等位置異構體，用β-CD甲酰胺柱分離間、對位異構體的α值可達1.30[4]。匈牙利的 Juvancz和Szejtli把全甲基化的β-CD用作毛細管柱的固定相，全甲基化的β-CD熔點為155～158℃，在300℃以上才開始分解，在此柱上于130～180℃分離了二乙苯、二甲酚、氯代酚、溴代酚、氯苯胺、硝基甲苯、溴代苯甲酯、硝基苯胺和硝基苯甲酸酯的鄰、間、對位異構體，進而他們又研究了α-CD、β-CD和γ-CD甲基化衍生物的保留行為。由于CDs的甲酰胺溶相作固定相的柱溫不能高，而全甲基化CD\-s的熔點又偏高，所以從 1988年起，Konig等對環糊精各種衍生物作手性固定相進行了系統的研究，他們合成了八-(3-o-丁酰基-26-二-o-戊基)-γ-環糊精，把它涂漬在50m玻璃毛細管色譜柱上分離了蛋白質、氨基酸、α-，β-羥基酸、二及多羥基化合物、醇、酮、四～七環的內酯、環戊烷的衍生物、環縮醛、胺和鹵代烴等光學異構體。可能因為它含有兩種取代基，具有對映異構體結構和較大的洞穴，所以是一種適應性廣泛、選擇性強的固定相。在第10次國際毛細管色譜報告會上，Konig等人綜合報道了全烷基化的α-CD、β-CD和γ-CD作毛細管色譜固定相的研究成果[5]，并提出了一個很有意義的觀點：一旦我們獲得了有關分離機理的詳細知識，就有可能把一些具有特殊功能的基團引入環糊精分子中，制備出各種CD的衍生物，以便分離各種對映異構體。因此環糊精的各種衍生物將可能成為用途極廣的選擇性固定相，只是到目前為止，其最高使用溫度只有220℃，合成使用溫度更高一些的環糊精衍生物是擺在色譜專家面前的重要任務。

　　Armstrong 制備了O-((s)-2-羥基丙基)環糊精的全甲基化衍生物(混合物)(PMHP-CD)，這種衍生物比過去用的CD衍生物的極性要強，用它涂漬的毛細管柱的最大特點是，可以使許多手性化合物倒峰(即出峰次序與在戊基化CD柱上的相反)，這一性質不僅證實了Konig的預言，而且很有實際意義。此后 Armstrong又合成了2，6-二-O-戊基-3-O-三氟乙酰基環糊精，并制成毛細管色譜柱(DP-TFAα,β,γ-CD毛細管柱)，用它對 150多種對映異構體的分離進行了研究，有120多對映異構體首次在DP-TFA-γ-CD柱上得以有效分離，且性能優于β-CD[6]，同時還研究了在 PMHP-CD柱上不同類型的乙酰基化對映體衍生物對分離的影響。

　　3.2　環糊精固定相的保留機理

　　包結作用機理：Armstrong 認為類似于LC分離機理，即溶質分子可與CD形成包結物。在全甲基化β-CD固定相上，對溶質的選擇性優于相應的α-CD。從測得的熱力學數據分析，溶質的總熵變較大，被認為是形成了包結物[7]。形成包結物的包結作用并非一定發生在CD籠穴內，也可能發生在CD的表面。選擇性的分離需要立體選擇性的包結，而溶質分子與CD之間的構象匹配及相互作用也許是實現這種包結作用的前提，相互之間的構象誘導互洽又加強了主要部位的接觸，各種相互作用為兩者之間的接觸提供了動力，所以在分離過程中主客體間的多點接觸所產生的相互作用及構象匹配所產生的協同效應，對不同的固定相和不同的溶質分子是不同的，而兩者在分離過程中卻起了重要作用。

　　締合作用機理：Armostrong等人認為，在分離過程中溶質分子與改性環糊精形成部分的或者不完全的包結結構，即形成一種締合物。在GC中雖然這種作用較少，但也能反映出溶質分子與CD作用的性質。

　　構象誘導作用機理：Venema等人把溶質在改性環糊精固定相上的分離歸結于，溶質分子在靠近環糊精時，它對固定相特定區域的基團具有誘導作用，使其構象適合該溶質分子的構象，從而增強了相互之間的作用[8]。

　　主客體相互作用機理：Venema,Konig等人對實驗結果分析后認為，環糊精分子與溶質分子之間發生相互作用主要涉及氫鍵作用，偶極-偶極相互作用及范德華力等[9]。

　　此外，溶質分子在CD表面或者底部可能發生吸附作用，或者溶質分子的非極性部位與環糊精的疏水部位發生相互作用。最近Dietrich及Bicch由實驗得出：混合固定相中的稀釋相對固定相的分離性能也有一定的影響[10]。

　　4　冠醚固定相

　　冠醚是一類具有一定大小環腔的大環聚醚化合物，這類化合物具有王冠狀結構，環外沿是親脂性一撐基(-CH2-CH2-),環內沿是富電子的雜原子O、N、S 等，由于極性集中在環內O原子上，因而可以高選擇性地配合陽離子和極性化合物，它是一類極有前途的固定相。自1967年Pederen首次利用冠醚與金屬離子形成穩定配合物后，冠醚在分析化學中得到廣泛應用，它在液相色譜中開發較早，而用作GC固定相還處于初級階段，特別是分離機理有待進一步深入探討。

　　4.1 　小分子冠醚固定相

　　1981年Uiglock和Bubachinkowa首先將18-冠-6用作GC固定相，早期的工作主要是在填充柱中將冠醚涂漬在白色硅藻土色譜載體(gas chrom Q)、耐火磚載體(firebrock support)或者白色101載體上。李如松[11]1985年利用苯并-24-冠-8等固定相的填充柱分離了酚和苯的衍生物。1989年 Kohoutoua等報道了利用三苯并吡啶21C7填充柱分離了酚和氨基化合物。N R Ayyangar[12]等于1991年報道了雙苯并18-冠-6或者二環已烷-24-冠-8涂漬在紅色硅藻土色譜載體上，直接分離硝基苯酚和硝基苯胺的各種異構體。傅若農等[13]制備了兩種飽和漆酚冠醚固定相，對醇、酚和一些芳香化合物有非常好的分離效果。1992年Andress用 60m×0.2mmSupelco24C8涂漬柱分離C2-萘異構體，卻無法使所有的異構體分離，Andress指出其原因可能是這種冠醚空腔大小與這些異構體不匹配。

　　小分子冠醚用作固定相存在高溫易流失的缺點，且因不能在柱內壁形成穩定均勻的相膜而柱效不高，將小分子冠醚高分子化可以克服上述缺點。

　　4.2　聚硅氧烷類高分子冠醚固定相

　　Fine 1985年報道了將小分子冠醚在毛細管內形成高分子層的原位共聚法，他用聚乙烯苯并-15-冠-5(PVB15C5)涂漬玻璃內壁后，先經粗糙化，再用 Carbowax-20M去活處理，在此玻璃毛細管柱上分離了醇、二醇和烷烴同系物。但Fine的涂漬柱的柱效低，使用溫度范圍小，這可能是由于冠醚高分子化不完全所致。1990年，吳采櫻[14]等報道了利用含有末端乙烯基的小分子冠醚與SE-54，通過DCUP在柱內引發以形成冠醚高分子相膜的引發交聯法，此柱不僅柱效高，而且最高使用溫度可達300℃，柱極性介于SE-54及OV-1701之間，對多種化合物的不同異構體具有較好的選擇性。1992 年，曾昭睿、吳采櫻[15]又采用引發交聯法，將羥基或者羧酸飽和漆酚冠醚與端羥基硅油按一定比例混合，采用γ-氯丙基、三乙氧硅烷或者烷基三甲氧硅烷在玻璃毛細管內壁引發交聯，形成了高分子冠醚層，分離了多種極性化合物和生物單糖樣品，圖3給出了一種可能的交聯機理，這種引發交聯方法簡便、快速，但柱內交聯機理和固定相的結構尚需進一步探明。

　　1988年，Rouse[16]等報道了將間隔基為3的乙烯基18-C- 6，通過硅氫加成接枝到聚硅氧烷上的硅氫加成法，這種涂漬在以氰丙基聚硅氧烷去活處理的石英毛細管柱內壁的固定相，對二環和三環等多環芳烴表現出良好的分離選擇性。1990年吳采櫻等將小分子ω-十-烯甲氧基18-冠-6或者15C冠5采用硅氫加成法，制得間隔基為11C的側鏈聚硅氧烷冠醚固定相，對硝基苯乙基取代及二苯酮乙基取代的多種異構體有很好的分離效果。圖4為此類方法的一個典型反應

　　采用類似方法，吳采櫻[17]、傅若農研究小組制備了一系列不同結構的高分子冠醚固定相，其中部分固定相的分子結構及色譜性能見表2。這些固定相的選擇性類似于arbowax-20M，但其使用溫度范圍寬，對極性化合物的選擇性也很好。

　　4.3　小分子開鏈冠醚固定相

　　作為一個特例，開鏈冠醚是一種具有類似冠醚 -CH2CH2O-結構單元的非環多醚化合物，Siman和Vogatle等[18]先后開展了酰胺型和醚型等開鏈冠醚的研究，開鏈冠醚容易合成，產率高，成本低，低毒或者無毒，它在氣相色譜上早已得到應用，如PEG-20M是聚醚型的開鏈冠醚，它能分離一些非極性固定相不能分離的沸點相近的極性化合物。但存在熱穩定性差，使用溫度范圍小(80-200℃)，柱壽命短等問題，載氣中如有水、氧等極易引起固定相降解，采用交聯或者鍵合PFG固定相也只能解決部分問題。而另一類線型和交聯型的多足聚醚，雖然未在色譜中得到應用，但其配合性能應與PEG相近或略低于小分子冠醚。

　　小分子開鏈冠醚也存在熱穩定性差，使用溫度范圍窄，高溫易流失等缺點，若將其接枝到聚硅氧烷鏈上可改善其不足，M.L.Lee用甘醇二甲醚取代不同基團接枝到聚硅氧烷鏈上，所得固定相與PEG-20M選擇性相近，但使用溫度范圍寬(20-280℃)。在這些固定相中，側鏈上苯基的存在會使熱穩定提高(260-270℃)，若側鏈無苯基，固定相會在240℃左右降解。

　　在這些聚硅氧烷固定相中，因苯環存在，均表現出易極化特性，固定相中引入其它不同官能團將產生不同類型的相互作用，如色散力、酸堿作用、偶極力等。因此，用這些固定相分析較寬極性范圍的樣品，如二甲基苯酚異構體、胺類異構體等，特別是八羥基喹啉基團固定相，填補了堿性固定相的空白。1993年吳采櫻、蔡凌霜等將兩種易合成的具有雙乙烯基的開鏈冠醚，通過硅氫加成法接枝到聚硅氧烷鏈上，制備出兩種開鏈冠醚聚硅氧烷固定相，最高使用溫度可達310℃，并對醇酚和多種芳烴異構體具有很好的分離能力。

　　4.4　套索冠醚固定相

　　研究表明，冠醚因其環上氧原子的高電子云密度及富電子的環腔結構，對許多物質具有特殊作用，廣泛用作毛細管色譜固定相，使一些難以分離的極性混合物得以較好的分離。這種特殊作用主要取決于溶質與冠醚環腔的匹配程度(即空間位置效應)及其影響下的范德華力和氫鍵力。為進一步揭示這些作用力對固定相選擇性和分離效果的影響，最近，南京大學化學系合成了比單環冠醚分子結構更好的套索冠醚N，N-雙(-甲基喹啉)-二氮雜-18-冠-6(AC-1)、N，N-雙(2甲基吡啶)-二氮雜-18-冠-6(AC-20和N，N-雙(乙酰芐胺)-二氮雜-18-冠-6(AC-8)。合成時在氮雜18冠6上因引入了不同的被人們稱為“臂”的基團，這些基團所構成的獨特三維立體結構有利于溶質分子的多點識別和包含作用，吳采櫻等用國際通用的方法測定了這些固定相的柱效、選擇性、表面活性、熱穩定性和溫度使用范圍等柱性能，見表1。實驗表明，三種套索冠醚色譜柱均具有柱效高、易涂漬、表面惰性好、無活性吸附點等特點。它們呈中等極性，高選擇性，具有良好的色譜性能，適用于對醇、鹵代烴、芳香烴等各類異構體的分離。提示人們可以通過改變冠醚固定相分子的“臂”結構調節其選擇性。

　　4.5　冠醚固定相保留機理

　　在氣相色譜中，固定相的選擇性源于溶質分子與固定相之間的不同作用力。冠醚固定相具有獨特的冠環結構，其環內的高電子云密度所產生的氫鍵作用力、偶極定向作用力和色散作用力等，對分離的選擇性起著重要作用。冠醚環內不同雜原子的組成和大小與質點空間的適應性，以及冠醚上的取代側基等均影響樣品的保留行為。通常固定相與溶質分子之間的選擇性是幾種作用力協同作用的結果。特別是套索冠醚的環腔和套索臂上具有高電子云密度，形成了有別于單環冠醚的三維環腔立體結構，它與被分離組分所產生的氫鍵作用力和偶極定向作用力對分離的選擇性有著重要的影響。

　　例如 Carbowax-20M是以氫鍵作用力為主的冠醚類固定相，它與冠醚有完全相同的分子片段(乙氧基)，其極性比冠醚固定相強得多，但分離正構醇、酯胺和二環、三環等芳烴的選擇性都不如冠醚類好，表明冠醚環上高電子云密度的環狀硫、氮、氧原子，比開鏈的聚醚型氧原子能產生更強的氫鍵力和偶極定向力，以及對芳烴大π鍵的誘導作用力。當環腔內的氧原子被硫、氮原子取代后，因改變了環腔內電子云的分布，導致固定相極性增加，例如環腔內含有2個硫原子的硫雜冠醚，其平均極性比氮雜和全氧冠醚都大，且對不同取代芳烴異構體的溶解自由能增大，致使分離選擇性更好。相反，由于硫原子形成氫鍵能力比氧、氮原子小，它對以氫鍵為主的正構醇和甲酚異構體的分離不如氮雜和全氧冠醚。再者，高電子云密度受環腔大小的限制，其環腔大小與溶質分子尺寸的適應性以及溶質空間位阻大小影響溶質的保留行為，在對鄰、間、對硝基甲苯的分離中因間位取代基的位阻大于對位，先流出，在α-甲基萘和β-甲基萘的分離中，也因β-甲基萘嚴重阻礙了其兩側與冠醚環側面的作用，故β-甲基萘先于α-甲基萘流出。這種環腔對溶質分子的適應性還表現在菲、蒽以及三環、四環芳烴的分離，在苯并系列冠醚對芳烴位置異構體的分離中，這種環腔大小的適應性表現更為明顯。

　　在冠醚環上引入苯環和極性的硝基苯環等基團，由于苯環上具有極化的π電子，一方面能增加固定相的極性，且能在固定相和樣品溶質間產生偶極-誘導偶極作用，從而提高對多環芳烴位置異構體、甲酚類異構體和胺類等異構體的選擇性[9]。

　　近年來吳采櫻[20～22]還全面研究了不同結構化合物在各類冠醚固定相上的熱力學參數，比較了不同化合物構型和焓、熵之間的關系，進一步論證了冠醚固定相所具有上述分離機理的正確性。