谱析浅谈色谱柱老化的基本概念和主要误区剖析
2020-09-02 09:06:39来源：admin
老化色谱柱是气相色谱仪实验员常做的一个操作，色谱柱没有老化或者老化不完全会引起很多问题，因此很多人养成了遇到问题先老化再说的习惯。然而实际应用中发现很多人对老化这一问题存在诸多的误解，有时候老化不仅达不到效果，反而是情况更糟糕。为此，谱析色谱小编对老化的问题进行了一些归纳总结，逐一进行剖析如下。
老化的基本概念
“老化”一词在不同情况下有不同的含义，操作上也有极大的区别，是首先必须明确的问题。
（1）制备性质的老化：在制备色谱柱的时候，仅仅进行填充或者涂覆是远远不够的，还要涉及到赶跑固定相中残留的溶剂和其他被吸附的杂质、去除分子量低和热不稳定的组分、使固定相均匀铺展、使固定相交联固化、……等多个步骤，这些步骤是制备色谱柱必不可少的，而且一般都在较高柱温下进行，习惯上称为“老化”。这里用“老化”一词具有种植农作物生长、老熟的类似含义。从这一意义上讲，对于一根色谱柱，制备性质的老化操作只会有一次，在色谱柱的整个寿命周期中不存在再次老化的问题。同时，这种老化操作也是十分麻烦的，不同色谱柱都有特定的温度和时间要求，往往需要多阶的程序升温，进行交联固化操作对温度的控制更为严格，整个过程需要十几个小时甚至数天。
（2）净化性质的老化：色谱柱在使用和保存的过程中会因为各种原因而吸附杂质，进而导致基线不稳定、分离选择性发生改变等问题，此时往往通过升高柱温使杂质脱附。这一操作在形式上与新制备色谱柱的老化过程很相似，因此也称作“老化”，但是在目的上是显著不同的，称作“净化”似乎更加合适。根据具体情况的不同，这种净化性质的老化又分为三种：①测试复杂样品时，目标物出峰较早，但是仍然要升温到较高的柱温，使其他高沸点组分流出色谱柱；②一段时间没有使用后，色谱柱在放置过程中吸附了空气中的杂质，再次使用前需升高温度排出吸附的杂质；③色谱柱长期使用中逐渐积累了大量的污染物（来自于载气、管路、样品、固定相自身降解等），需要升高温度运行较长时间，使污染物完全排出。
在明确了上述概念上的区别后，实际应用中的很多误区就能被纠正了。首先应该知道的就是，实验人员日常提到的老化操作，实际上都是净化性质的老化，目的是除去各种污染性的杂质。然后要考虑的是根据杂质的具体情况选择最合适的老化温度条件。而制备性质的老化，目前是几乎不会用到的，因为现在基本不上都买商品柱使用，正规厂家的色谱柱在出厂前都是按最佳工艺条件老化好并经过严格测试的，不需要用户自行老化。下面收集了实践中常见的九个误区，逐一进行辨析。
误区1、新买来的色谱柱一定要老化过后才能用
这句话属于看书不仔细的以讹传讹，早期的色谱书籍里面写的都是：新制备的色谱柱必须老化后才能使用。以前商品柱不多，大部分都是使用人员自己装填填充柱，装填好之后必须自行老化，也就是前面提到的制备性质的老化。而目前普遍使用商品化的毛细管柱，出厂前都是老化并且测试过的，并不需要自行老化。我们买来新柱子打开盒子都能看到测试报告和谱图，想一想，要是没有老化好，谱图和测试结果哪来的？
那么是不是新买的柱子就能直接用呢？当然不是运输储存过程中，色谱柱会吸附空气中的杂质，直接使用必然基线不平、存在鬼峰，需要进行净化性质的老化操作，也就是把杂质赶跑。但是这种净化性质的老化是比较简单，按通常的使用情况进行连接和条件设置即可，柱温按方法要求的最高温度（或者略高10~20度），跑到基线平直就好了，通常一小时左右即可完成。
误区2、老化色谱柱一定要断开并关闭检测器
这一说法并不完全正确，要看具体情况。虽然很多教材和专著上都有这种说法，但是要注意，其所说的老化也是特指制备色谱柱时候的第一次老化，这时候会有大量固定相的杂质流出，如不断开检测器，必然造成严重的污染。而对于净化性质的老化，断开检测器不是必须的，特别是对于FID这种检测器，完全没有必要断开检测器老化。因为FID是破坏性检测器，并且可以在很高的温度下使用，只要检测器温度略高于柱温，流出物就能完全燃烧掉，不存在冷凝、残留等问题。
不过还是要注意，实际应用中一定要具体问题具体分析，不能一概而论。当色谱柱污染较为严重，并且使用TCD、MS这类检测器时，还是建议断开检测器进行老化。因为这类检测器属于非破坏性检测器，并且设置的温度往往也不能太高，流出的杂质比较容易产生冷凝和污染。另外，在断开检测器进行老化时，一定要将不用的进样口、检测器等部件在柱箱内的接头堵死，否则流出的污染物会在柱箱四周冷凝，还是有污染检测器、进样口的危险。如果有条件，与检测器断开的柱子出口，最好通过适当的管路将废气引到柱箱外。
误区3、老化色谱柱一定要升温到标称的最高使用温
这一说法同样是针对制备性质的老化操作而言的。聚合物固定相中往往含有一定量的低聚物，热稳定性低于高分子量的聚合物，如果不除去，使用时会产生严重的流失。因此对于新制备的色谱柱，必须要加热到足够高的温度并且保持足够长的时间，从而保证低聚物完全恢复除去。而对于常规使用过程中进行净化性质的老化操作，只要在方法要求的最高温度（或者略高10~20度）下跑到基线平直，就说明干扰测定的杂质已经完全除去了，没必要使用更高的老化温度。经常在极限温度下进行老化是有损色谱柱寿命的，并且有些厂家存在虚标最高使用温度的问题，切勿盲目的用标称的最高温度老化柱子。
误区4、老化色谱柱一定要程序升温，并且要多次循环、老化过夜
对于新制备的色谱柱，是必须逐渐升温老化的，因此往往设置多阶程序升温。因为新色谱柱老化涉及到溶剂挥发、交联反应、排出残余低聚物等多个步骤，每个步骤适宜的温度都不一样，如果一开始就升温到最高温度，产生的结果往往是破坏涂层，色谱柱就损坏了。而对于常规使用，色谱柱的污染只要不是很严重，通常可以直接升温到设定温度，温度稳定后一般只需20~30分钟基线就开始表现为下降的趋势，多数情况下一两个小时后就能老化到基线平直了。如果长时间基线都不降低或者波动仍然很大，就应该考虑是否存在其他问题了，例如载气是否纯净、是否泄漏、除色谱柱外是否还有其他地方污染、检测器是否正常、等等。
至于多次循化的操作，其实是完全没有必要的，因为基线降低且达到平直已经说明色谱柱中的杂质已经完全排出了。此时可以降温后空走一次升温程序，应该得到比较平直的基线，除了柱流失导致的基线少许抬升外，应没有其他杂峰。如果仍然存在明显杂峰或漂移，一般就不是色谱柱的问题了，往往更可能是进样口有污染或者隔垫有流失，应排查其他的问题，而不是继续盲目老化柱子。
但是同样要注意特殊情况，例如，当柱子污染很严重，吸附的杂质非常多的时候，老化时最好要逐渐升温。因为大量杂质在高温作用下快速溢出有可能破坏固定相的液膜；而且有些物质热稳定性比较差，快速升温时会出现还没来得及挥发就分解碳化的现象，一旦碳化就无法排出色谱柱了。对于分子筛、氧化铝、多孔聚合物等吸附型的色谱柱，高温排出杂质的速度比较慢，老化需要的时间是比较长的，例如分子筛柱往往要250~280度老化10小时以上才能完全除去吸附的水分。
误区5、老化时要降低载气流速
这一说法也是真的新制备的色谱柱进行第一次老化而言的。因为刚刚涂覆好的色谱柱，其液膜还未均匀铺展，并且还没有交联固定，此时若使用很高的载气流速可能导致液膜移动，变得厚薄不均。并且较大的载气流速还容易导致未交联的组分挥发损失。而对于常规使用中的色谱柱，进行净化性质的老化时，按正常条件设置载气流速即可，通常无需进行特别的改动。
误区6、老化柱子一定要用氮气做载气
氮气是最常用的载气，但不等于只能用氮气做载气。老化的时候也是同样的，多数情况都是可以用氢气或者其他载气的，而且往往用氢气效果会更好。因为氢气的传质阻力小、线速度较高，有利于低沸点杂质排出色谱柱。但是对于色谱柱尾端与检测器断开的情况，显然不能用氢气最为载气进行老化，因为氢气排入柱箱内部是十分危险的。对于一些特殊的柱子，载气的选择是有特定要求的，例如分子筛柱要用来测微量氧气，就一定不能用氢气作为载气进行老化，否则对氧气会产生不可逆吸附；又例如氧化铝柱表面需要吸附适当的水分才能有适中的分离选择性，因此在老化氧化铝柱时要用含有一定水分的载气才行。
误区7、老化色谱柱的时候把进样口温度也设高一点，这样就可以一起老化
从原理上来说，这种做法没有问题，有时候不失为一种偷懒的窍门。当隔垫有少量流失，或者衬管有少量污染的时候，通过提高进样口温度来烘烤是可以除去的。但实际做的时候常常会引起很多问题，因为这样进行烘烤，杂质首先进入了色谱柱，如果保留较强，有污染色谱柱的风险。即使不会永久性污染，杂质排出的速度肯定也要比直接烘烤慢得多。所以在老化色谱柱的时候，进样口温度不应该设置太高。如果进样口存在污染，最好的办法是拆开后用溶剂清洗，然后在烘箱中烘烤干。只有在污染轻微、并且短时间内无法进行清洗的时候，才用直接提高进样口温度烘烤的办法，这实属不得已而为的下策，不宜经常使用。
误区8、老化的时候打几针溶剂进去，这样可以把脏东西洗出来
注射溶剂有时候对于去除进样口的污染是有效的，但一般是拆除色谱柱进行操作，因为这样会把污染物从进样口冲洗到色谱柱里面去，而且大量溶剂进入色谱柱也是不利的。弱极性溶剂，例如甲苯、氯仿等，对于固定相有一定溶解作用；强极性溶剂，例如甲醇、乙醇等，会促进固定相的分解。即使是目前比较先进的交联键合固定相，在大量溶剂的作用下，稳定性也会有所降低，特别是在老化色谱柱时柱温很高，固定相更容易与注入的大量溶剂产生反应。曾经试验过，wax柱在柱温100度时注入0.5uL甲醇，检测到的柱流失会显著大于空白水平。可以想象，在更高的柱温下注入大量溶剂，对色谱柱的损害肯定是更大的。
误区9、老化可以恢复色谱柱的性能，效果不好的时候先老化再说
这一观点是很多实验员的经验总结，因为很多问题都是没有老化色谱柱造成的，大量问题在老化色谱柱后都能获得改善。但是切勿陷入经验主义、教条主义的误区。再次强调，日常使用中老化的作用是除去残留在色谱柱中的杂质，因此大部分由杂质残留引起的问题是可以通过老化解决的。而其他原因产生的问题却不行。例如基线漂移大、噪声大的问题有可能是载气不纯或漏气引起的，此时如果盲目进行老化，色谱柱反而会进一步损坏。色谱柱高温损坏后也会表现为噪声大，这是固定相分解造成的，此时如果还盲目高温老化，无异于雪上加霜，只会让损坏更加严重。即使是有杂质残留引起的问题，也不是所有残留物都能通过高温除去。对于无机酸、碱、盐、大分子有机物等沸点极高的残留物，一般只能通过截去柱头来解决，如果盲目高温老化，只会导致固定相进一步分解、残留物碳化等更严重的问题。总之，遇到问题一定要找到关键，认真分析原因，做到对症下药。切不可盲目听信万能偏方。
