高温液相色谱的原理及研究进展
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第33卷第3期2007年5月中国测试技术
CHINAMEASUREMENTTECHNOLOGYVol.33No.3May.2007
高温液相色谱的原理及研究进展
富
玉1,2
,陈能武1
(1.中国测试技术研究院,四川成都610021;2.中国科学院成都有机化学研究所,四川成都610041)
摘要:高温液相色谱是色谱发展的一个新领域。
温度升高,流动相的粘度降低,分析物的扩散速度加快,则溶质及溶剂的传质阻力降低,可实现在较高的流速下分离,同时系统的压力会随着温度的升高而降低。
升高色谱柱的温度,不仅可以加快分析速度,而且还可以改善峰形,减少有机溶剂的使用。
在此基础上发展出的亚临界水色谱,更符合绿色色谱的要求,同时扩大了液相色谱的应用范围。
本文综述了高温条件下,温度对柱效、保留值、选择性、溶剂洗脱特征及色谱柱稳定性的影响,介绍了高温色谱的应用进展。
关键词:高温液相色谱;柱效;选择性;温度梯度;色谱柱稳定性中图分类号:TH833
文献标识码:A
文章编号:1672-4984(2007)03-0036-05
TheoryandresearchprogressofHightemperatureliquidchromatography
FUYu1,2
,CHENNeng-wu1
(1.NationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology,Chengdu610021,China;2.ChengduInstituteofOrganicChemistry,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)
Abstract:Hightemperatureliquidchromatography(HTLC)isanewfieldinthedevelopmentofchromatography.
Kineticandtransportpropertiescanbeparticularlyenhanced,whicharebasedonthedecreaseoftheviscosityofmobilephaseandincreaseoftheanalytediffusivityathighertemperature.Theseparationcanbeachievedwithhighflowrateandthepressureofthesystemcanbealsoreducedathightemperature.Underthehightemperature,notonlytheanalyticaltimecanbeshortened,butthepeaksymmetrycanbeimprovedandtheuseoforganicsolventcanbedecreasedaswell.DependingonHTLC,subcriticalwaterchoromatographyhasbeendeveloped,whichaccordswithGreenChromatographybest.Atthesametime,therangeofliquidchromatographyhasbeenwidened.Theeffectsoftemperatureoncolumnperformance,retention,selectivity,andcolumnstabilityarereviewedandapplicationsofHTLCareintroducedinthispaper.
Keywords:Hightemperatureliquidchromatography;Columnperformance;Selectivity;Temperatureprogram;Columnstability
收稿日期:2006-12-05;收到修改稿日期:2007-02-09基金项目:国家科技基础条件平台项目(2004DEA71180)作者简介:富玉(1979-),女,博士研究生,研究方向:有机
分析。
1引言
在高效液相色谱的发展过程中,利用较高的压力提供高效一直是仪器操作的主要手段。
与以前的在较低的压力下工作相比,高压可以在较短的时间内得到更好的分离,而温度作为色谱分离的一项重要操作参数却一直被人们所忽视[1]。
提高色谱分离温度可以提高分离效率的原理在高效液相色谱的发展初期就已经提出[2]。
但是,由于升高温度带来的色谱柱稳定性差、寿命低等难题,使得对通过调解温度来优化色谱分离条件的研究一直没有取得很大进展。
直到80年代后期,高温液相色谱(HTLC)技术才
逐渐得到许多研究者的重视[3]。
1988年,Horvath[4]等
通过HPLC分离过程中溶质输运特征的理论分析,证实升高温度是改善分离性能的有效途径。
温度升高时,溶质在液相中的扩散速度大大增加,流动相本身粘度大大降低,故溶质分子的传质阻力降低,分离速度加快。
近些年来,氧化锆[5]和聚合物[6]等热稳定性色谱填料的出现,进一步促进了HTLC的发展。
Thompson[7]等讨论了分析物的热稳定问题,提出了分析物热稳定标准。
本文讨论了温度对柱效、保留时间及峰形的影响,综述了HTLC技术的应用情况。
2高温液相色谱的主要研究成果
2.1温度对柱效的影响
与气相色谱仪的普及程度相比,液相色谱仪的应用远未达到与其实际潜力相称的水平。
除了仪器价格,使用水平等因素外,常规液相色谱仪固有的效率
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较低的缺点是一个原因。
常规液相色谱仪在室温附近操作,由于溶质分子在液相中的传质阻力比在气相中高得多,因而液相色谱中柱效较低,分析时间长。
气相色谱中分离速度可达(500~1000)理论塔板/s;而在常规液相色谱中分离速度只有(20~40)理论塔板/s左右。
对于一个需要两万理论塔板的样品分离过程,用气相色谱方法可在(20~40)s之内完成;用液相色谱方法则需要(10~20)min。
增加流动相的速度可以提高分离速度,但同时会导致分离度损失及柱效的降低。
在色谱过程动力学中,柱效通常由塔板数N表示,N与塔板高度H的关系为:N=Lcol/H,Lcol为色谱柱长度。
塔板高度H随流动相线速度u的变化由VanDeemter塔板高度方程来描述:
H=A+B
u
+Cu
A为涡流扩散项,与柱子的填充性能有直接关系,即A正比于填料的粒度,与流动相的性质无关,反映了由于涡流扩散使组分浓度产生一个分布,导致谱带展宽;B为分子的纵向扩散项系数,分子纵向扩散相是由于组分在柱内存在浓度梯度而引起的,随温度增加而增大,对H是正贡献;而C是溶质在流动相与固定相之间的传质阻力系数,随温度增加而减小,于H是负关系。
因此,塔板高度H不仅与线速度u有关,而且与柱温也相关。
当流动相的线速度较低时,分子扩散项B/u起主要影响作用,而当流动相的线速度较高时,传质阻力项Cu占支配地位[8]。
随着温度升高,溶质保留减小,柱外效应使谱带变宽变得重要,尤其是在低的流动相线速度时。
文献[3]在不同温度下,用甲醇做流动相,在空石英管分离苯乙酮。
得出柱温升高,塔板高度H不变,线速度增高,流速增加对柱效的影响大大减小。
并在设计的实验系统中,首次明确的证明了高温液相色谱法的可行性。
Yan[9]等在聚苯乙烯涂层的氧化锆色谱柱上,用纯水做流动相,在30s内分离了五种酮类化合
物。
并得出较弱保留(Acetophenone),中等强度保留(Decanophenone)及强保留(Octanophenone)三种酮类化合物的H-u关系曲线,结果如图1所示。
由图1可以看出,三种不同保留强度的酮类化合物,温度对其H-u的关系曲线的影响趋势大致相同。
随着温度的升高,曲线的最低点右移,且右侧的曲线斜率降低,其结果为随着柱温的增加,塔板高度H逐渐减小,柱效逐渐增加。
表明柱温越高,柱效受线速度变化的影响越小,曲线越平坦。
使用较高的柱温和较高的流速不但可以加快分析速度,同时可使柱效损失最小。
2.2升高温度对保留值及选择性的影响
大量的文献资料考察了温度变化对分析物保留值的影响[10,11]。
温度对保留因子k的影响可由Van’tHoff方程表示:
lnk=-ΔH
0
RT
+ΔS
0
R
+lnβ
其中,ΔH0为溶质在两相之间传递的标准焓变,ΔS0为相应的标准熵变;R为气体摩尔常数;T为溶质绝对温度;β为相率。
在绝大部分情况下,ΔH0是负值,也就是溶质在液相色谱中的保留值随柱温的下降而增加。
资料显示,柱温对大分子和小分子的保留值的影响程度不同。
因为对于小分子来说,在反相系统中,ΔH0一般为(-10~-15)kJ・mol-1,而大分子通常有较大的焓变值(负值)。
对于溶质来说,ΔH(绝对值)较大的比ΔH小的受温度变化的影响大。
Dolan[12]总结出,在反相高效液相色谱中,温度现在被认为是控制选择性的一个重要变化量。
虽然有时在高温条件下选择性降低了,但并非一定导致较低的溶解性。
通过提高温度,提高了宽峰及不对称峰的峰型,在某些情况下比改变选择性更为重要。
温度对带有碱性基团的溶质的保留值和峰形的影响较大,最近研究表明,pH和流动相组成在不同温度下对选择性的影响不同,尤其是对有碱性基团的化合物。
富玉等:
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Kephart[5]等分别用ZirChrom-Card和ZirChrom-PBD色谱柱分离六种苯系衍生物,考察了T与k的关系,得到了Van’tHoff曲线,见图2。
从图2中可以看出,随着温度的升高,所有化合物的保留值均不同程度的降低。
同时,随着温度的升高,呈现出不同的选择性。
Yang[13]等研究了极性和非极性溶质在以亚临界水为流动相的反相色谱中的保留行为,发现随着温度的升高,极性和非极性溶质的保留因子都减小。
Greibrokk[14]等以乙腈-水(70∶30)为流动相,分别在10℃和90℃条件下,用HyersilODS柱分离了六种碱性化合物,结果见图3。
随着温度的升高,峰形、分析时间和总体分离效果都得到了提高。
在10℃时,最后洗脱出来的化合物6的洗脱时间为27min,而且峰的拖尾情况比较严重,而当温度升高到90℃时,化合物6的洗脱时间变为8min,保留时间大大缩短,且峰形变窄,峰对称性更好。
2.3温度对系统压力的影响
提高柱效和分离速度是液相色谱分析工作者的主要目标,所有柱技术的发展也是朝着这个目标。
应用小颗粒填料和较高的流速可实现快速分离,但是会导致系统的压力过高[15]。
通常,系统所能承受的最大压力就是限制分析速度的上限。
增加系统温度,可降低流动相粘度和系统压力,就有可能在较高的流速下实现快速分离,同时允许应用较长的色谱柱或小颗粒填料来分离那些需要较高理论塔板高度的复杂化合物的分离。
Jerkovich[16]等在聚苯乙烯涂层的氧化锆色谱柱上,利用乙腈-水(25∶75)做流动相,考察了不同温度时系统压力变化与流速的关系,结果见图4。
在相同的流速下,在相同的压力限制下,高温时允许使用较高的流速。
Yan[9]等在研究高温快速色谱分离时,也考察了系统压力随温度和流速的变化情况,随着温度升高,系统压力逐渐降低。
2.4温度对流动相洗脱特征的影响
在HPLC分析中,流动相的选择至关重要,它直接关系到能否将溶质分离及分离的效果。
在建立HPLC的方法时,确定适宜的色谱柱后,最常规的方法就是选择优化流动相的组成。
色谱分析中常采用一定比例的甲醇、乙腈等有机溶剂作为流动相,由于常温下水的极性较强,根据相似相溶的原来,调解流动相中有机溶剂与水的比例实际上相当于调解流动相的极性,以达到更好的分离效果。
温度升高时,溶剂的极性降低,即相当于弱极性的有机溶剂的比例增加。
溶剂强度对溶质保留值的影响比温度变化的影响大。
但在高温色谱中,通过升高温度对流动相的组成的洗脱特征的影响仍然是十分明显的。
例如,Knodo和Yang[11]在ChromatorexC-18、ZorbaxRX-C-18两根C18柱和HamiltonPRP-1柱上对儿茶酚、苯胺、嘧啶进行了分析。
分别采用亚临界水、乙腈-水、甲醇-水作为流动相,通过匹配保留时间,比较了不同温度下的洗脱效果。
结果得出,在
C18柱上分离时,亚临界水的温度
每升高3℃相当于流动相中乙腈的
浓度增加1%,而每升高2℃就相
当于流动相中增加1%的甲醇。
而
对于PRP-1聚合物柱,水的温度
每升高(5~8)℃相当于增加1%的
乙腈,而水的温度每增加3.5℃就
相当于增加1%的甲醇。
Marin[17]等
用聚苯乙烯包覆的氧化锆柱在高
温状态下分离了四种三唑杀真菌
剂,流动相为乙腈-水,结果显示,
温度从100℃升高到150℃,四种
溶质的保留值均减小,温度每升高
4℃与乙腈浓度增加1%的效果相
当。
在常温常压条件下,水极性强
(介电常数ε=80),对中等极性及
弱极性化合物的溶解度非常小,其
用途有限。
在适度的压力下使水保
持液态,水的粘度、
极性会随温度38
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变化而变化,当温度为200℃时,水的ε值可降至35[18],极性与甲醇相当,可以通过升高温度使水达到与有机溶剂相当的洗脱效果。
1997年以来,出现了以亚临界水为流动相的高温色谱的研究[13,19],采用亚临界水作为流动相不仅成本低,绿色环保,而且具有截止波长低至190nm的优点,可实现对弱发色团化合物的紫外检测。
更引人注目的是水在氢火焰离子化检测器(FID)上无响应,使FID能用作液相色谱的检测器,测定无合适检测方法的有机物,扩大了液相色谱的使用范围。
2.5温度梯度与溶剂梯度
温度梯度即程序升温,是气相色谱中普遍应用的一种分离模式。
常规的液相色谱在室温附近工作,忽略了温度这一变化条件,对复杂分析物的分离通常采用一元或多元溶剂梯度洗脱。
由于流动相的粘度、极性随着温度的升高而降低,使得研究者们将温度梯度引用到高温液相色谱的研究中。
Andersen[20]认为,与溶剂梯度相比,温度梯度对同系物及大分子量的溶质的分析具有更大的优势。
但在使用温度梯度进行洗脱时,最主要的问题是要迅速达到温度平衡,防止由于色谱柱的柱壁与柱中央处温度的不匹配导致的色谱峰展宽。
色谱柱的内径越小对温度的反应越快,达到设定的温度的时间就越短,色谱峰就越不容易展宽。
因此,在采用温度梯度分析时,要采用小内径的色谱柱。
Carr[21]的研究结果表明,在使用温度梯度时,使用2mm内径的柱子,以取得较好的分析结果。
Marin[22]等在采用温度梯度条件下,考察了6种商品色谱柱的稳定性及柱效。
特别是在应用氢火焰离子化检测器的亚临界水色谱[23]中,程序升温显示出其独特的优越性。
2.6耐高温的色谱柱填料
热力学稳定的色谱固定相的出现,推动了高温液相色谱的研究发展。
硅胶基质的固定相如C18或C8是应用范围最为广泛的一类液相色谱固定相,但在高温条件下,其表面键合基团的流失使其很快丧失分离能力,因此一般只能够在较低的温度下使用。
石墨化碳的表面是溶质保留的基础,可用于保留与分离那些因亲水性太强,在C18键合相上保留较小的化合物。
由于不像其他固定相那样在表面上键合或涂敷用于可使溶质保留的有机官能团,因此可以在较高的温度下使用,甚至可以在200℃以上应用;但其机械强度较差,不适于在高压下使用。
锆或其他金属氧化物基质的固定相各有不同的最高使用温度。
氧化锆基质与硅胶基质的色谱柱相比具有更好的稳定性,在以高温水为流动相的色谱过程中表现出较为优良的性能[24~26]。
多孔聚合物固定相一般可以在较高的温度和较宽的pH范围内稳定使用,PRP1的最高使用温度可达225℃。
Yang等[27]对ZorbaxRXC8,NucleosilC18AB,HypersilBDSC18,PRP1和ZirChromPS等5种商品化液相色谱柱在以高温水为流动相条件下的稳定性进行考察。
结果表明对于3种硅胶基质的固定相而言,ZorbaxRXC8的稳定性较好,其次为NucleosilC18AB,HypersilBDSC18柱在高温水体系中不稳定。
ZirChromPS柱在100℃条件下至少可以经受7600倍柱体积流动相的冲洗而保持稳定。
相对而言,高分子基质的固定相最适合于在高温水体系下运行。
3展望
高温液相色谱是色谱分析方法中的一个新的发展领域,既达到了气相的高效率,又保持了液相选择性好的特点。
提高柱温后,对系统设计,色谱柱稳定性和检测器设计等各方面都提出了新要求,不再是一般的液相色谱。
通过升高温度,降低了流动相的粘度,可以在较高的流动相流速范围内实现快速分离,并可以得到较好的分离效果。
尽管在仪器设计,耐高温色谱柱填料及实验方法等方面还需要进一步改进。
但可以预计,随着研究工作的深入,HTLC必将很快成为广泛采用的新的色谱方法。
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