基于石墨化炭黑预涂覆技术的色谱柱制备和性能评价


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	王仲来

	石恩林

	付晓海

	曾俊菱

	俞发荣

王仲来¹ , 石恩林¹ , 付晓海¹ , 曾俊菱¹ , 俞发荣²

1. 甘肃政法学院公安技术学院, 甘肃兰州 730070;
2. 甘肃政法学院, 甘肃省证据科学技术研究与应用重点实验室, 甘肃兰州 730070

收稿日期：2016-10-30

基金项目：甘肃省自然科学基金项目（1606RJZA165）；兰州市科技计划项目（2015-3-96）；甘肃政法学院科研资助重点项目（GZFXZDLW005）

通讯联系人：王仲来, Tel:(0931)7601203, E-mail:wzl7011@gsli.edu.cn

摘要：采用石墨化炭黑（GCB）预涂覆技术对白酒分析专用色谱柱（LZP-930）的制备方法进行了优化，详细考察了所制备的色谱柱（LZP-930G）的性能参数，并对LZP-930G色谱柱的保留行为进行了评价，探讨了GCB对LZP-930G色谱柱性能的影响。研究发现，LZP-930G色谱柱的柱效、惰性、稳定性和极性均得到了明显提高，从而改善了酸类和醇类组分的分离选择性和色谱峰峰形，实现了白酒中53种易挥发和半挥发性微量组分的同时分离，且各组分的保留时间和峰面积的相对标准偏差分别小于0.63%和4.51%（n=5）。表明GCB预涂覆技术能够用于高性能白酒分析色谱柱的制备方法。

关键词：气相色谱预涂覆技术石墨化炭黑白酒分析

Preparation and performance evaluation of chromatographic column precoated with graphitized carbon black

WANG Zhonglai¹, SHI Enlin¹, FU Xiaohai¹, ZENG Junling¹, YU Farong²

1. Institute of Public Security Technology, Gansu Institute of Political Science and Law, Lanzhou 730070, China;
2. Key Laboratory of Evidence of Science and Technology Research and Application of Gansu Province, Gansu Institute of Political Science and Law, Lanzhou 730070, China

Foundation item: Natural Science Foundation of Gansu Province (No. 1606RJZA165); Lanzhou Science and Technology Plan Project (No. 2015-3-96); Key Scientific Research Project of Gansu Institute of Political Science and Law (No. GZFXZDLW005)

Abstract: A preparation method of special chromatographic column (LZP-930) for liquor analysis was optimized by precoating the graphitized carbon black (GCB) on the inner wall of fused capillary column. Characteristics of the prepared chromatographic column (LZP-930G) were investigated in detail. The retention behavior was evaluated, and the effect of the precoated GCB on the performance of the LZP-930G column was discussed. Results revealed that the plate number, stability and polarity were increased obviously by using the LZP-930G column, so the separation selectivity and chromatographic peak shape of acids and alcohols were improved. All the 53 compounds in the mixed liquor standard sample could be separated simultaneously. The relative standard deviations of retention times and peak areas were less than 0.63% and 4.51% (n=5), respectively. The result showed that the GCB precoated technology can be used for the preparation of high performance chromatographic column for liquor analysis.

Key words: gas chromatography (GC) precoated technology graphitized carbon black (GCB) liquor analysis

白酒中的微量组分主要是指含量在1% ~2%之间的呈香、呈味的醇、酯、醛、酮和酸类物质, 其含量及比例关系与生产白酒使用的原料、工艺及贮存过程密切相关, 并且决定了白酒的香型和风格。不同香型的白酒所含的微量组分也不尽相同^{[1, 2]}, 因此, 对白酒中微量组分的准确分析能够为科学指导生产和制定白酒勾调方案提供可靠的数据支持, 同时也能够提供白酒香型和质量控制的标准, 为判断假冒伪劣产品提供判定依据^{[3, 4]}。

白酒中微量物质的组成复杂、沸程宽, 而且含量较低, 一般在g/L到μg/L之间。分析白酒中微量组分的构成和含量时, 所选用色谱柱的性能尤为重要。现行的国家标准 (GB/T 10345-2007)《白酒分析方法》中, 推荐使用硝基对苯二甲酸改性的聚乙二醇 (FFAP)、聚乙二醇 (PEG-20M)、LZP-930毛细管色谱柱和邻苯二甲酸二壬酯 (DNP)、PEG-1500色谱填充柱。这些色谱柱对白酒中的主要成分的分离效果良好, 但其中任何一种色谱柱都不能同时解决易挥发的主要香味成分 (如丙醛、甲酸乙酯和甲醇, 乙酸乙酯和乙缩醛) 的分离问题, 以及半挥发的醛、酮、酸、酯、醇类物质吸附而造成的色谱峰拖尾问题^[5-7]。因此, 在对白酒的组成进行分析时, 需要采用多种不同类型的色谱柱配合使用。白酒中易挥发的微量组分采用极性较强的PEG-400和Hallcomid M-18色谱填充柱能够得到较好的分析效果^[8]; 而对于半挥发性物质的分析, HP-5、FFAP色谱柱或者CP-Wax 57 CB醇类分析专用柱则表现出更好的分离性能^[8-10]。国家标准方法中规定的LZP-930色谱柱由于具有较好的分离效果和对氧、水耐受性好等特点, 得到了广泛应用。但是采用LZP-930色谱柱时，也存在易挥发组分 (如丙醛、丙酮、甲醇、甲酸乙酯、乙酸乙酯) 分离选择性低、酸和醇类物质拖尾明显等缺点, 从而影响这些物质分析的准确性。从色谱柱的制备工艺来看, LZP-930色谱柱的制备过程采用了常规的静态制备方法, 在色谱柱的前处理方面未进行更多的研究, 因此色谱柱的性能受到了分离选择性低和色谱柱惰性差等因素的影响。

石墨化炭黑 (GCB) 预涂覆技术是预先在石英管内壁沉积一层GCB微粒, 并根据要涂覆固定相的极性选择合适的钝化试剂, 对其进行表面钝化处理后再涂覆固定相的一种制备色谱柱的方法^{[11, 12]}。研究表明, 采用此技术能够提高石英毛细管内壁的润湿性和惰性, 从而能够得到均匀的固定相涂层, 色谱柱的分离性能也能够得到明显改善。因此, 本文拟采用该技术对LZP-930色谱柱的制备方法进行优化, 并对所制备色谱柱的保留性能进行考察, 以期实现对白酒中微量组分的准确分析。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

7820A气相色谱仪 (配有FID检测器)、7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪 (美国Agilent公司); DS-8510DTH超声波清洗器 (上海生析超声波仪器公司); GCB (美国Supelco公司); FFAP (德国CNW公司); LZP-930固定相 (实验室自制); 石英毛细管 (内径0.32 mm, 河北永年锐沣色谱器材公司); Grob测试试剂 (2^#测试样, 意大利Mega公司, 具体组成见表 1, 各组分的质量浓度均为100 mg/L); 53种白酒混合标准品 (兰州东立龙色谱公司)。实验所用其他试剂 (色谱纯, 上海阿拉丁试剂公司) 使用时均未作进一步处理。

表 1 Grob测试试剂的组成及缩写 Table 1 Compounds and their abbreviations of Grob test mixture

1.2 色谱柱的制备

准确称取50 mg GCB, 加入50 mL四氯化碳 (CCl₄)-二氯甲烷 (CH₂Cl₂) 混合溶液 (1 : 1, v/v), 超声处理30 min, 制备GCB悬浊液; 选取长度为50 m、内径为0.32 mm的石英毛细管, 采用动态法依次从石英管两端各涂覆一次GCB悬浊液, 每次压入3~4圈, 然后以60 cm/s的速率将其吹出, 涂覆完成后用高纯氮气将石英管吹干; 采用静态法在GCB表面涂覆一层0.2 μm的FFAP固定相 (钝化试剂)。涂制完成后将石英毛细管置于老化箱中, 于100 ℃通氮气10 min, 然后将色谱柱两端封死, 于280 ℃钝化处理10 h; 用5 mL CH₂Cl₂清洗石英毛细管, 共2次; 采用静态法在前处理过的毛细管表面涂覆1.0 μm的LZP-930固定相, 于250 ℃老化10 h。制备完成的色谱柱命名为LZP-930G色谱柱。

选取长度50 m、内径0.32 mm的石英毛细管, 用2%(v/v) 的氢氟酸 (HF) 水溶液进行酸处理; 随后用去离子水冲洗至中性, 于300 ℃通氮气脱水2 h后, 涂覆1.0 μm的LZP-930固定相, 于250 ℃老化10 h。制备完成的色谱柱命名为LZP-930色谱柱。

1.3 色谱柱性能测试条件

采用气相色谱对色谱柱的性能进行测试。进样器温度:230 ℃; 检测器温度:250 ℃; 载气:高纯氮气; 恒压分析模式; 柱前压:80 kPa；进样量:1 μ L; 分流进样；分流量：40 mL/min。具体升温程序见下文。

采用气相色谱-质谱联用对53种白酒混合标准品进行定性分析，色谱条件同上。离子源:EI源; 离子源温度:300 ℃; 四极杆温度:200 ℃; 载气:高纯氦气; 扫描模式:全扫描; 扫描范围:m/z 25~300。

53种白酒混合标准品的分离:初始温度60 ℃, 保持5 min, 以5 ℃/min升温至250 ℃, 并保持至所有组分出峰完全。Grob试剂测定:初始温度40 ℃, 保持0.1 min, 以2.5 ℃/min升温至230 ℃; 色谱柱的固定液选择性常数 (McReynold常数) 测定:在120 ℃恒温条件下进行。

色谱柱理论塔板高度 (H) 与平均流速 (u) 曲线 (H-u曲线) 测定:采用含正十二烷 (C₁₂，100 mg/L) 的异辛烷溶液，于120 ℃恒温条件下测定, 同时在最佳载气流速 (u_opt) 条件下, 对色谱柱的柱效 (N, 块/m)、保留因子 (k) 和理论柱效利用率 (UTE) 进行测定; 色谱柱的分离数 (TZ) 测定:选用Grob试剂中的十一酸甲酯 (E₁₁) 和十二酸甲酯 (E₁₂) 数据计算^[13]; 热稳定性测定:初始温度为50 ℃, 以5 ℃/min升温至250 ℃。

每分析完一次53种白酒混合标准品后, 均按照同样的升温程序进行5次不进样升温循环过程。所有组分的拖尾因子 (TF)、峰面积百分比和保留时间数据均由FL-9720色谱工作站 (浙江温岭福立仪器公司) 给出。

2 结果与讨论

2.1 色谱柱性能评价

Bruner等^[14]和Berezkin等^[15]就GCB预涂覆技术对于色谱柱极性的影响做了较为详细的讨论。他们认为随着GCB在石英毛细管内壁覆盖程度的不同, 色谱柱的极性会发生改变，因此分离机理也不同。造成色谱柱分离机理变化的原因可以归结为两方面:一方面是样品组分与GCB之间可能存在相互作用力, 使得组分的分离过程由单一的气-液分配变为气-液分配和气-固吸附机理共存, 从而使得不同物质的保留时间不同; 另一方面是作为钝化试剂的FFAP固定相也可能参与了分离过程, 这使得组分分离机理更加复杂。为了进一步说明GCB对色谱柱性能的影响, 我们进行了预沉积1~3次GCB的实验, 并对色谱柱的N、k值和McReynold常数进行了测试 (见表 2)。对比沉积1~3次GCB所制备色谱柱的极性、N和k值的变化趋势, 可以看出, 当只沉积一次GCB时, 石英管内壁存在一定的裸露表面, 固定相在石英管内壁涂覆不均匀, 样品分子会受到石英管内壁硅羟基、GCB及FFAP固定相等其他作用力的影响, 色谱柱表现为柱效较低和极性、k值较大的特点; 经过2~3次沉积后, 内壁沉积的GCB涂层会均匀覆盖在石英管内壁, 因此沉积2~3次GCB所制备色谱柱的柱效增大, 极性和k值变小, 而经过2次和3次预涂覆的色谱柱的性能并未表现出明显差别。因此本实验只涂覆2次GCB悬浊液。

表 2 色谱柱性能参数 Table 2 Characteristic parameters of chromatographic columns

由表 2可以看出, 经过2次GCB预涂覆技术所制备的LZP-930G色谱柱的柱效为2 302块/m, TZ和UTE分别为17和58%(N₂为载气), 表明该预涂覆技术适用于色谱柱的制备, 且所制备的色谱柱固定相涂层均匀, 具有良好的分离性能。

通过测得的McReynold常数值可以发现, 直接涂覆方法所制备的LZP-930色谱柱的极性约为831, 表明该色谱柱属于中等极性色谱柱; 而采用预涂覆方法制备的LZP-930G色谱柱的极性约为2 100, 与FFAP极性色谱柱的极性 (2 546) 相近。由此可以看出, 色谱柱的极性不仅仅与固定相自身的性质相关, 还与色谱柱的制备工艺相关。

采用Grob试剂对色谱柱的综合性能进行测试, 其色谱图见图 1。可以看出, LZP-930G色谱柱的惰性有了一定提高 (见图 1a), am (二环己胺) 的吸附和ol (辛醇) 的拖尾现象得到明显改善; 同时色谱柱的酸碱性也发生了变化, 呈现出一定的酸性，P (2, 6-二甲基苯酚) 与A (2, 6-二甲基苯胺) 的峰高比为0.62, 这使得采用LZP-930色谱柱时 (见图 1b) 完全被吸附的S (2-乙基己酸) 也能够出峰，但峰高很低且拖尾严重; 对于具有较强氢键结合能力的物质, 色谱柱的惰性仍然较差, 主要表现为D (2, 3-丁二醇) 被完全吸附。另外, C₁₀和C₁₂的保留时间明显变小, 而极性化合物ol、P和A的保留时间明显增大, 这表明LZP-930G色谱柱的极性变大。

图 1 采用 (a) LZP-930G和 (b) LZP-930色谱柱分析Grob试剂的色谱图 Fig. 1 Chromatograms of the Grob test mixture by (a) LZP-930G and (b) LZP-930 columns

对LZP-930G色谱柱的H-u曲线进行测定。结果表明, H随着u的增大表现为先降低后增大的变化趋势, 这与Van Deemter-Golay方程相符, 表现为双曲线函数。LZP-930G色谱柱的最小理论塔板高度 (H_min) 和u_opt分别为0.046 cm和10.3 cm/s (见表 2), 优于LZP-930色谱柱的H_min(0.049 cm) 和u_opt(8.1 cm/s); 在u_opt条件下，LZP-930G和LZP-930色谱柱的N分别为2 302块/m和2 041块/m, LZP-930G色谱柱的柱效较LZP-930色谱柱的柱效提高了约13%。

LZP-930G色谱柱和LZP-930色谱柱固定相的流失曲线见图 2。可以看出, LZP-930G色谱柱并未表现出明显的流失温度点, 而是随温度的升高流失曲线缓慢上升, 当温度达到250 ℃时, 色谱柱流失量约为14.8 pA; 而LZP-930色谱柱从150 ℃开始就出现明显的流失, 随着温度的升高流失速率明显升高, 在250 ℃时的流失量约为38.2 pA, 是LZP-930G色谱柱流失量的2.6倍。这表明在石英毛细管内壁沉积GCB微粒有助于提高其内壁的表面吸附能, 从而使固定液更容易吸附在石英管的内壁, 形成更加均匀的液膜, 在提高色谱柱分离性能的同时, 热稳定性也得到了明显提高。

图 2 (a) LZP-930G和 (b) LZP-930色谱柱柱流失测试图 Fig. 2 Column bleed test diagrams of (a) LZP-930G and (b) LZP-930 columns

2.2 白酒标准品的分离

53种白酒混合标准品所含组分的名称、含量及各组分的TF和峰面积的相对标准偏差 (RSD) 见表 3。对比各组分的TF可以看出, 采用LZP-930G色谱柱时, 酸和醇的TF明显减小, 其中酸类物质的TF由2.73~5.69变为1.09~1.34;醇类物质除甲醇 (TF=1.23) 稍大外, 其他物质的TF均在1.17~0.97之间; 酯和酮类物质中, 丙酮峰的拖尾现象 (TF由1.35变为1.08) 和高沸点的月桂酸乙酯 (TF由0.80变为0.97)、十四酸乙酯 (TF由0.83变为0.97) 的前伸现象得到了明显改善；各组分的保留时间和峰面积的RSD分别小于0.63%和4.51%(n=5), 稳定性良好。

表 3 53种白酒混合标准品的组成、拖尾因子 (TF) 和相对标准偏差 (RSD) Table 3 Compounds, tailing factors (TF) and relative standard deviations (RSDs) of the 53 liquor mixed standard compounds

No.	Compound	Mass concentration/(g/L)	LZP-930G			LZP-930
			TF	RSD (n=5)/%		TF
			TF	t_R	Peak area	TF
1	acetaldehyde	0.3861	1.31	0.21	4.51	1.12
2	propionaldehyde	0.3242	1.22	0.53	3.93	-
3	acetone	0.4506	1.08	0.41	2.19	1.35
4	ethyl benzoate	0.2982	1.08	0.27	2.75	-
5	methanol	0.3324	1.23	0.21	1.4	-
6	ethyl acetate	1.1603	1.06	0.28	3.83	1.31
7	acetal	0.3225	1.23	0.34	3.00	1.16
8	alcohol^*	/	/	/	/	/
9	ethyl propionate	0.3087	1.02	0.31	3.67	1.07
10	2, 3-butanedione	0.4121	1.01	0.28	2.89	1.31
11	ethyl isobutyrate	0.3108	0.97	0.29	3.16	1.06
12	2-pentanone	0.3660	1.02	0.31	3.13	1.11
13	2-methyl-2-butanol	0.3401	1.00	0.18	2.33	1.31
14	2-butyl alcohol	0.3584	1.07	0.23	4.51	1.32
15	1-propyl alcohol	0.3622	1.05	0.13	3.43	2.47
16	ethyl butyrate	0.3266	1.02	0.38	4.61	1.07
17	butyl acetate	0.3640	1.00	0.31	3.30	1.08
18	2-hexanone	0.3522	1.12	0.36	3.78	1.07
19	2-amyl alcohol	0.3306	1.04	0.21	4.33	1.38
20	butyl alcohol	0.3866	1.02	0.17	2.61	1.27
21	ethyl valerate	0.3741	0.94	0.43	3.30	1.00
22	amyl acetate	0.4162	0.98	0.27	2.97	1.01
23	3-methyl-1-butanol	0.3463	1.02	0.28	2.81	1.58
24	1-pentanol	0.3943	1.02	0.31	3. 43	1.00
25	ethyl hexanoate	2.2980	0.95	0.39	3.53	1.01
26	hexyl acetate	0.3840	0.98	0.42	4.09	0.99
27	2-heptanol	0.3621	0.97	0.33	3.21	1.12
28	ethyl lactate	0.9167	0.98	0.44	3.62	1.34
29	1-hexanol	0.3721	1.03	0.37	4.44	1.25
30	ethyl heptanoate	0.3683	0.97	0.31	4.12	0.99
31	2, 3, 5-trimethyl pyrazine	0.5161	1.01	0.29	3.56	-
32	acetic acid	0.4041	1.34	0.34	4.11	3.13
33	1-heptanol	0.3980	1.06	0.40	3.75	1.23
34	ethyl octanoate	0.4243	0.95	0.42	4.09	1.02
35	furfural	0.5409	1.01	0.45	4.02	1.12
36	isoamyl caproate	0.3922	0.98	0.45	3.66	0.99
37	propanoic acid	0.3884	1.25	0.35	3.73	2.73
38	isobutyric acid	0.3664	1.21	0.41	3.87	2.81
39	butyric acid	0.3861	1.18	0.57	4.09	3.44
40	furfuryl alcohol	0.4863	1.17	0.37	4.07	1.68
41	isovaleric acid	0.3727	1.09	0.32	3.23	-
42	ethyl caprate	0.4422	0.98	0.54	3.77	0.96
43	diethyl succinate	0.4486	0.98	0.47	4.19	0.96
44	pentanoic acid	0.3966	1.17	0.46	4.29	4.32
45	2-ethylbutyric acid	0.3763	1.13	0.62	4.67	4.73
46	ethyl phenylacetate	0.5524	0.99	0.46	4.10	1.00
47	hexanoic acid	0.3902	1.14	0.40	4.38	5.69
48	ethyl dodecanoate	0.4281	0.97	0.34	4.23	0.80
49	phenylethyl alcohol	0.5443	1.15	0.43	4.46	1.11
50	heptanoic acid	0.4581	1.09	0.51	3.56	4.94
51	caprylic acid	0.4620	1.17	0.53	3.77	3.64
52	ethyl myristate	0.4283	0.97	0.51	3.88	0.83
53	nonanoic acid	0.4442	1.21	0.46	4.00	2.86
54	ethyl palmitate	0.4604	0.99	0.63	4.01	-
t_R: retention time; * solvent; /: no data; -: overlapped or not detected.

分别采用LZP-930G色谱柱和LZP-930色谱柱对53种白酒混合标准品进行分析 (见图 3)。由图 3a可以看出, 采用LZP-930G色谱柱时, 53种微量组分能够全部被检出, 且具有较好的分离度; 低沸点的丙醛、甲酸乙酯和甲醇, 乙酸乙酯和乙缩醛等组分均实现了有效分离; 除甲醇和乙酸乙酯、正戊醇和己酸乙酯这两对物质分离度稍低外，其余所有组分均达到了基线分离；所有组分的出峰时间均在55 min以内。而采用LZP-930色谱柱时 (见图 3b), 丙醛和甲醇、乙醇和甲酸乙酯这两对物质发生了重叠, 三甲基吡嗪和异戊酸均未检出, 且高沸点的组分在色谱柱上的保留时间较长, 十四酸乙酯的出峰时间达到了128 min, 棕榈酸乙酯分析结束时仍未流出。

图 3 采用 (a) LZP-930G和 (b) LZP-930色谱柱时53种白酒混合标准品的色谱图 Fig. 3 Chromatograms of the 53 liquor mixed standard sample by (a) LZP-930G and (b) LZP-930 columns Peaks 1-54 are the same as in Table 3.

进一步对比图 3a和图 3b, 可以发现, 醇、酸、酯类组分的出峰顺序和保留时间均发生了明显变化。采用LZP-930色谱柱时, 醇类和脂肪酸酯类组分按沸点增大的顺序依次出峰; 而采用LZP-930G色谱柱时, 沸点接近的醇类组分, 如正丙醇 (沸点97.1 ℃)、仲丁醇 (99.5 ℃) 和叔戊醇 (102.0 ℃) 的出峰顺序并未按沸点增大的顺序出峰, 而是按照极性由小到大 (叔戊醇、仲丁醇、正丙醇) 的顺序依次出峰。另外, 采用LZP-930G色谱柱时, 酸类组分的保留时间明显增大; 而酯类组分的保留时间明显减小, 如十四酸乙酯的保留时间由128 min变成47 min。

综上所述, 采用LZP-930G色谱柱时, 白酒中各组分的色谱峰峰形得到了明显改善; 同时色谱柱极性增强使得具有不同官能团结构的物质的保留行为发生了差异性变化, 从而提高了色谱柱的分离选择性, 节约了分析时间; LZP-930G色谱柱的重复性和稳定性良好, 能够用于白酒的定性、定量分析。

3 结论

本文利用GCB预涂覆技术提高了LZP-930色谱柱的惰性、柱效、热稳定性和极性。LZP-930G色谱柱惰性和极性的明显提高, 使得白酒中53种醇、醛、酮、酸、酯等微量组分均具有良好的分离选择性和对称的色谱峰峰形, 从而实现了白酒中易挥发性和半挥发性组分的同时分离, 且各组分的重复性和稳定性良好, 表明GCB预涂覆技术能够用于高性能白酒分析色谱柱的制备方法。

参考文献

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