高温液相色谱的原理及研究进展

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

第３３卷第３期

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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