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wangxiaoguo

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[资源] 【资源】液相色谱柱原理

液相色谱柱原理
与液相色谱柱的性能相关的因素很多，基质（matrix）或者说担体、载体的化学性质、键合相（固定液）的化学性质、填料形状大小粒度分布、碳量和键合度等等。
色谱柱填料可以由基质直接构成，如硅胶、氧化铝、高交联度的苯乙烯-二乙烯苯或者甲基丙烯酸酯等等；也可以在这些基质的基础上涂布或化学键合固定液来构成，如：最经典的各种ODS柱、氨基柱、氰基柱等。
一、我们先来看看各主要基质的特点：
1、硅胶
硅胶是陶瓷性质的无机物基质，刚性大，不易变形。化学性质较稳定，但对于水溶液尤其碱性水溶液仍然是不稳定的，即使表面经过良好的化学键合，覆盖了固定液，还是要注意水、碱性溶液、酸性溶液对硅胶的溶解作用，基质或者说是柱床（packed bed）溶解对色谱柱的影响是致命的。以硅胶为基质的填料构成了目前绝大多数的色谱柱填料。纯硅胶填料适宜分离溶于有机溶剂的极性、弱极性的非强离解型的化合物，硅胶也可以做凝胶色谱但柱效较低。硅胶基质键合固定相的高压液相填料，有其他填料无法比拟的高分离效能。
2、二氧化铝
二氧化铝和硅胶相似，但对水溶液、酸性碱性水溶液溶液更加不稳定。所以，极少用作键合固定相的基质，也是适宜分离溶于有机溶剂的极性、弱极性的非强离解型的化合物，尤其是分离芳香族碳氢化合物。酸性易离解的化合物容易在二氧化铝上形成死吸附。另外，氧化铝分离几何异构体能力优于硅胶。
3、聚合物填料
聚合物基质受压会变形，压力限度低但pH使用范围宽。苯乙烯-二乙烯苯基质疏水性强，使用任何流动相，在整个pH范围内稳定，可以用强酸、强碱来清洗色谱柱。甲基丙烯酸酯基质比苯乙烯-二乙烯苯疏水性更强，但可以通过适当的功能基修饰变成亲水性的。由于不耐压、有溶胀性，所以聚合物填料适宜用于大分子像蛋白质或合成的高聚物，另外还可以制成分子排阻、离子交换柱。近年发展迅速的大孔树脂，实际上主体就是苯乙烯-二乙烯苯聚合物或类似的合成高聚物。
由于硅胶基质的绝对地位，以下主要以硅胶为例。
二、形状大小粒度分布
基质要成为填料，首先要制成合适的形状和大小。硅胶形状有：薄壳型、无定形全多孔、球形全多孔，另外还有先做成微珠再堆积成球形全多孔的。通常只说不定形、球形。无定形全多孔的填料容易制备、价格低、粒度分布较均匀，但涡流扩散大，渗透性差，比较难填装出稳定的柱床，一般用来做制备柱。球形全多孔填料涡流扩散小，渗透性好；如果是硅胶先做成珠子再堆积而成的话，具有传质阻抗小、载样量大的优点，柱效也更高。球形填料外形对称，比较容易填出稳定的柱床。填料的大小一般不能直接测量，因为填料粒度有一定分布范围，一般给出的大小只是用一定方法测得的表观大小。填料大小与柱效、柱压的关系为：柱效与填料大小成反比，柱压与填料大小的二次方成正比。所以，快速分析柱使用3微米粒度的填料、一般做成5厘米长，就是为了降低柱压；需要注意到降低粒度所得到的柱效增加跟不上柱压的增加快。
基质做成合适的形状和大小后，可以通过各种化学修饰（modified）的手段，获得各种不同选择性的填料。有时候，我们增加柱长、降低填料粒度都无法把一个化合物分离的更好，这时候就要考虑使用选择性更好的填料。
三、碳量和键合
硅胶主要通过表面的极性硅醇基保留极性分子，属于正相分离模式。通过硅烷化技术，可以把各种不同性质的功能团（functional group）建合到硅胶表面，例如：键合十八烷基（ODS，octadecyl silane）、辛烷基、甲基、苯基增加对非极性物质分子的保留，构成反相色谱；键合带二醇基、氨基、氰基等极性基团的硅烷改善对某些极性分子的保留，构成正相色谱；键合有醚基的键合相构成中等极性的正相或反相色谱；键合强酸性磺酸型或者强碱性季铵盐型键合相，构成离子交换色谱。

对于硅胶反相键合相填料，键合的烃基，链长增加，载样量增大，k值增大，对非极性物质的保留时间延长。填料含碳量用元素分析来测量。通常，所得结果直接用来表示填料的碳量。在相同的硅胶基质上，相同的键合度，配基分子量越大，碳量越大；因此，C18固定相比C1固定相有更高碳量。相同配基，相同硅胶；覆盖率越高，碳量越大。对于相同配基，相同的表面覆盖率；填料的碳量随孔径的增加而减少，因为比表面积下降了。因此，我们可看到，只用碳量是不能衡量填料的保留性能的，所以要引入键合度概念。
键合度有时候也叫做表面覆盖率。键合度是键合相表面组成的一个非常重要的量，也是决定填料的选择性的一个重要的参数。
键合相是用有机硅烷与硅胶表面进行化学反应而产生的，目的是获得均匀的单分子层。在键合反应中可使用单功能基、双功能基和三功能基的硅烷，多功能基的硅烷可以获得更高的键合密度。填料的选择性决定于键合的密度。尤其是在分离碳水化合物时，不同键合密度表现出不同的选择性。多数商品键合柱属于单功能基的，单功能基的键合覆盖率更容易预测，因为不会有第二功能基产生复杂的副反应，用单功能基硅胶可以得到高的重现性，但是，硅胶表面键合单功能基硅烷比键合多功能基的更容易水解。三功能基硅烷在硅胶表面的键合，更难重现，折衷一下，键合二功能基，使得更耐水解。对于在高或低pH，易于水解的流动相中，最好使用耐用的多功能基键合硅胶。所有硅胶基质的离子交换填料都是三功能基的。如果氰基填料用于反相色谱，硅胶基质（低孔体积）的用三功能基硅烷较好。一些生产商会生产专门用于反相色谱的氰基键合相。
对于许多反相填料，要进行二次键合以覆盖硅胶表面未被反应的硅醇基。通常使用小分子硅烷，如三甲基氯基硅烷（TMCS），以便获得最大的覆盖率。这个步骤称为封端（end capped）。在反相色谱中，封端用于多数的键合相；用在正相或其他色谱的键合相一般不用封端。没有封端的反相色谱填料通常比封端的有复杂多样的选择性。但是，碱性物质在不封端的填料上，容易产生拖尾。三甲基硅烷基（封端基团）在酸性条件下容易水解。因此，对于不同的被分析物要按实际情况选择封端或者不封端的填料，封端的填料也不能在pH<2的条件下使用。
四、色谱分离模式：正相、反相、离子交换、离子抑制、亲水作用等。
正相色谱是色谱的经典形式，使用极性固定相和非极性流动相。洗脱物通过其极性基团和固定相上的极性基团作用被保留。这种应用，经典的是使用未键合的硅胶和氧化铝，但现在使用的极性键合相有以下优点：键合相平衡快，对流动相中微量的水不敏感，和产生不同的选择性。二醇基键合相比纯硅胶极性小，平衡速度快；氰基键合相是保留能力最小的正相吸附剂；氨基键合相适宜分离芳香族碳氢化合物
反相色谱已成为最流行的色谱分离模式。反相色谱中，固定相非极性，流动相极性。典型的流动相一般是水或水系缓冲液与甲醇、乙腈或四氢呋喃的混合物。典型的固定相是用脂肪烃硅完化的硅胶键合相，其它用于反相色谱的基质有石墨化碳和苯乙烯-二乙烯苯基质。反相色谱的性能还受残留的硅醇基的活性的影响。硅醇基与洗脱物的极性基团作用。因此，根据硅醇基的活性不同，填料显示出不同的选择性。而且，常能观察到碱性物质在硅醇基活性高的填料上产生拖尾峰。修饰硅醇基活性的一个办法是封端，即用硅烷化试剂把硅醇基转变成三甲基甲硅烷基基团。不过，即使是作了封端，基质表面的硅醇基密度还是比键合配基的密度大。硅醇基的活性也和硅胶的预处理（基质灭活）、硅胶纯度有关。碱性分析物的色谱分析推荐使用高纯度硅胶基质、充分封端的键合相。未封端的填料在许多应用中有可以获得不同选择性的优点。
使用带有离子电荷的固定相，使根据洗脱物电荷进行分离成为可能。对于硅胶基质的离子交换填料，离子基团通过标准的硅烷化技术键合到硅胶表面。对于聚合物基质的离子交换填料，离子交换基团分布于交联聚合物的整体（through the matrix）。有四种离子交换填料：强/弱阳离子交换填料和强/弱离子交换填料。弱离子交换填料的特征是电量与pH值有函数关系。以羧酸基为功能基的离子交换剂是弱阳离子交换剂的代表。弱阴离子交换剂由一级、二级、三级铵为功能基。大部分强离子交换剂的电荷与pH值无关。四级铵形成强阴离子交换剂，而磺酸基构成了强阳离子交换剂。所有这些离子交换基团都可以在聚合物基质上见到，主要用于分离生物大分子。除了弱阳离子基团外，其它功能基都可以键合到硅胶上。
离子抑制（离子对）色谱广泛用于在低pH下分析洗脱液中的有机酸。它只是反相色谱的一个分支。特殊的聚合物固定相适用于这种应用，因为耐酸碱范围大。亲水作用色谱是正相色谱扩展到水系洗脱液。用极性固定相配合水-有机流动相。与反相色谱相反，保留随有机相的增加而增加。这种应用多用胺丙基键合相作固定相。当然，硅胶本身，二醇类或其他极性固定相也可以用。通常应用胺丙基固定相来分离碳水化合物。专门设计用于这种应用的柱子称为糖柱。
五、填装
有了好的高效色谱柱填料，还要有办法把它很好的填装到优质的不锈钢管才行。装柱是把填料分散到液体中形成匀浆后，通过特殊的高压泵泵入钢管中的。使用的泵通常耐10000PSI以上的压力。至于不锈钢管完美几何形态的管腔和优质的材料也是很重要的。
六、柱子长度和内径
已经说过，填料粒度小，柱子就要做的短，因为压力太大颗粒和机器都受不了。3微米的填料一般装到10厘米就是极限了，5微米可以装到20厘米。较窄的孔径，可以增加柱效，它会影响范氏方程中的涡流扩散，但是同时它会增大柱压、减少载样量，一般的内径是2.1毫米到4.6毫米。

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