实验分析方法--常用固定相基质特征及常用种类
一、固定相基质的特征
由于HPLC分离过程涉及物理化学作用、流体动力カ学、热力学过程等,因而对固定相基质材料的物理化学性质有比较严格的要求。液相色谱固定相基质可分为无机氧化物、有机聚合物和无机有机杂化材料三种类型。杂化基质作为一类新型液相色谱固定相基质,近两年发展较快,但大多尚处于研究阶段。无机和有机两类基质的主要特征比较见表1。
表1 液相色谱主要固定相基质比较
项目 | 无机基质 | 有机基质 |
种类 | 氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化铈、氧化钍、氧化镁等无机氧化物及复合无极氧化物、分子筛、羟基磷灰石、石墨化碳等 | 聚羟基甲基丙烯酸丙酯(PHAM)、2-羟基甲基丙烯酸与二甲基丙烯酸酯的共聚物(HEMA)、聚乙烯醇(PVA)等亲水性聚合物;聚苯乙烯-二乙烯基苯交联共聚物(PS-DVB)、聚二乙烯基苯(DVB)、聚甲基丙烯酸酯等疏水性聚合物或烷基配体改性PS-DVB、PHAMHEMA、PVA等;葡聚糖、琼脂糖、纤维素、糊精等 |
优点 | 机械强度高,溶胀性小,耐高压、 可通过表面改性引入多种功能基 | 化学稳定性好,使用pH值范围宽;表面性质均匀,溶质和固定相之间较少发生非特征性吸附;蛋白质等生物活性物质的回收率高,具有较好的重复性和独特的选择性;易获得较高的柱容量(吸附容量、离子交换容量等) |
缺点 | 表面性质比较复杂,容易导致溶质 分子非特征性吸附和多保留机理,改性固定相稳定性和重复性不够理想 | 固定相机槭强度不高,随流动相中有机溶剂变化时会溶胀,微生物存在时易降解,耐高温性能较差,色谱柱效比较低 |
实际应用中很难得到完全理想的固定相基质,一般需要根据分离分析的具体要求,综合考虑与权衡后进行选择。
二、基质的形态
目前HPLC分析中常用的几种形态的固定相如图1所示,主要包括全多孔微球、薄売型微球、灌流色谱固定相和整体材料,其中由于全多孔微球固定相具有能够很好地兼顾柱效、样品容量、使用寿命等众多理想的性质,应用最为普遍。
图1 HPLC的微粒类型
(a)全多孔微球;(b)薄壳型微球;(c)灌流色谱固定相;(d)整体材料
综合考虑柱效、反压和寿命等方面的因素,在分析型HPLC中约5μm粒径的固定相应用最为广泛,1.5~3μm的多孔或无孔微粒在快速分离中显示出较为明显的优势。粒度分布范围越窄,填充色谱柱床的稳定性越好、柱效越高、压力降越小,一般要求粒度分布范围不超过平均值的±50%。对小分子的分离,固定相的孔径在7~12nm、表面积在150~400m2/g的范围比较适合;对分子量大于10000Da甚至更大分子的分离,需要采用孔径大于15nm的微粒,以使溶质能够进入到微孔结构内部的活性表面,达到更好的分离效果。近年来,随着超高压液相色谱仪器的商品化,亚-2μm色谱固定相得到更多的应用。表2中给出了不同性质固定相微粒的应用特性。
表2 不同性质的固定相微粒的应用特性
特性 | 用途 |
5μm全多孔微粒 | 大多数分离 |
3μm全多孔微粒 | 快速分离 |
1.5μm薄壳型微粒 | 极快速分离(尤其是大分子) |
+50%(均值的)粒度分布 | 稳定、重现、高柱效柱、柱压低 |
7~12nm孔径,150~400m2/g(小孔) | 小分子分离 |
15~100nm孔径,10~150m2/g(大孔) | 大分子分离 |
三、常用固定相基质
1.硅胶微粒
硅胶及键合硅胶是开发最早、研究深入、应用广泛的HPLC固定相。未改性硅胶表面学性质随制备和处理条件不同而変化。如图2所示,水合硅胶的表面一般存在三种类型的硅羟基,热处理温度高于800℃时,硅胶表面的硅羟基(—SiOH)表层大部分不再存在,在HPLC中已无使用价值。用于进行键合反应制备改性硅胶HPLC固定相的硅胶表面需要选行完全羟基化,硅胶表面硅羟基最大浓度约为8 μmol/m2。游离硅羟基酸性很强,能与碱性溶质产生强相互作用,因此该类硅胶固定相往往使碱性化合物保留值增加、峰变宽、拖尾。完全羟基化的硅胶基质固定相氢化硅羟基浓度较高,有时可达总数的25%~30%。氢化硅羟基的酸性比游离硅羟基弱,有利于碱性化合物的色谱分离,表3为硅胶上官能团对不同结构化合物吸附能力强弱的比较。
图2 HPLC硅胶坦体的表面结构
硅胶基质的纯度对许多极性化合物的分离极为重要,Fe、AI、Ni、Zn等金属杂质能与某些溶质络合,引起不对称或拖尾峰,甚至溶质完全被固定相吸附,不能洗脱。硅胶晶格中的其他金属(尤其是铝)能使表面硅羟基活性增强,酸性增强。因此,许多HPLC分离,尤其是碱性与强极性化合物需用高纯硅胶。表3列出了一些适用于碱性化合物分离的硅胶品牌。
表3 硅胶上官能团吸附强弱的分类
吸附强弱 | 官能团 |
无吸附 弱吸附 中等吸附 强吸附 | 脂肪烃 烯烃、硫醇、硫醚、单环和双环芳烃及卤代芳烃。 稠环芳烃、醚、腈、硝基化合物和大多数羰基化合物 醇、酚、酰胺、亚胺、酸 |
一般规律 | (1)氟化物<氯化物<溴化物<碘化物; (2)官能团之间的内氢键将使保留值减小; (3)极性基团附近有庞大烷基存在时,保留值减小; (4)顺式几何异构体比反式几何异构体的保留值大; (5)环己烷衍生物和甾体的中体基团比轴端取代基有更强的保留性 |
2.多孔聚合物
聚合物固定相在氨基酸、有机酸、多糖以及无机离子分离中应用较多。常用的反相HPLC聚合物基质固定相由二乙烯基苯交联的聚苯乙烯制成,取代异丁烯酸与聚乙烯醇基质固定相也已经商品化。由于大多数多孔聚合物在pH=1~13范围内具有良好的稳定性,可以在高pH值条件下使强碱性溶质以自由态或非电离形态存在,改善色谱峰形,得到较好分离。有些碱性化合物可以采用替代离子对色谱法,用0.1moML的氢氧化钠将强保留物质从柱中洗脱出来。采用C18、一NH2和一CN等功能团对多孔聚合物微粒表面进行改性能够得到不同选择性的正相或反相色谱固定相:采用一COOH、—SO3H、—NH2和一NR3+等改性多孔二乙烯基苯交联的聚苯乙烯聚合物可以得到离子交换色谱固定相。
与硅胶基质离子交换剂相比,聚合物基质离子交换剂存在柱效低、分离慢的缺点,并且这种担体在不同有机改性剂中的溶胀程度不同,填充床会因微粒溶胀不同而变化,在梯度洗脱中溶胀现象更加明显。但由于其可以在宽pH值范围下运行,已被广泛用于生物样品的分离、提纯,如在高pH值下清除内毒素和其他生物污染物。
大多数聚合物基质的机械强度较差,通常不能在较高的压力下使用。无机有机杂化基质通过在基质中构建硅骨架使其机械强度得到改善。同时,可以对其表面存在的不同位点进行不同的改性,制备多种分离机制复合的固定相,满足特殊的分离需求。
3.石墨化碳固定相
不经过特殊衍生处理的石墨化碳即可作为正相、反相、离子交换等不同分离模式的色谱固定相。不同于硅胶基质的烷基键合相,石墨化碳表面与溶质存在偶极作用,对极性化合物的保留一般比烷基键合硅胶或多孔聚合物强,因此可用于分离在C18键合相柱上保留较小的强亲水性化合物。
石墨化碳固定相pH稳定性好,可以在低或高pH值条件下运行,也可以在高温下运行,实现快速分离。目前商品化的 HYPERCARB固定相的比表面积约为120m2/g,平均孔径25anm,平均粒度有5μm和7μm两种规格,含碳量100%,耐压超过40MPa(400bar)。
4.化学键合固定相
化学键合固定相借助于化学反应的方法将有机分子以共价鍵连接在基质上制得,其优越性可概括为:①减弱基质表面活性位点,清除可能的催化活性;②耐溶剂冲洗,这是传统液液分配色谱(LLC)逐新被鍵合相色谱取代的根本原因;③热稳定性好;④表面改性灵活,便于工业规模制备键合固定相。
目前,高效液相色谱中80%以上的分析方法采用这种固定相,表4中列出了不同分离模式HPLC的常用固定相及其特点。
表4 HPLC中常用的固定相
固定相 | 特点 |
反相(与离子对)固定相 聚苯乙烯基 | 稳定性好,保留能力强,用途广 与C18相似,但保留能力降低 保留适中,选择性有所不同 保留值适中,正相与反相均可使用保留弱,用于烃类,稳定性不够理想 在1<pH<13的流动相中稳定,某些分离峰型号、柱寿命长 |
正相色谱固定相 硅胶 | 稳定性好,极性适中,用途广 极性大于—CN |
尺寸排阻色谱固定相 聚苯乙烯基 | 耐用性好,作吸附剂用 吸附性弱,溶剂兼容性好,适用于有机溶剂 |
离子交换色谱固定相 聚苯乙烯基 | 稳定性与重现性均不理想 柱效不高,稳定,重现性好 |
①非键合相。除另有说明,均为硅胶基质键合相。
烷基与取代烷基改性硅胶固定相一般通过单官能团二甲基氯硅烷或三氯硅烷与表面硅羟基反应得到,图3是分别采用两种单体得到的十八烷基(ODS或C18)键合固定相的表面结构示意图。二甲基氯硅烷单体的反应过程容易控制,得到的固定相的重现性好,由于溶质分子在较薄的固定相层内扩散,传质过程迅速,柱效较高。采用三氯硅烷为单体制备键合相过程中羟基之间会发生二级反应,得到交联型键合固定相。与非交联型固定相比较,制备的重现性比较难于控制,柱效也相对较低。
5.整体柱
整体柱( monolithic column),又称为连续床层固定相( continuous- bed stationary phase)作为一种整体、连续的分离介质,整体柱通常采用原位聚合的方法在色谱柱空柱管内合成或采用类似浇铸的方法制备成相应的形状。硅胶基质整体柱的制备工艺与应用如图4所示。
图3 交联型(a)和非交联型(b)ODS固定相表面结构
图4 硅胶基质整体柱的制备工艺与应用
整体柱基质主要有聚合物和硅胶基质两种,聚合物基质的整体柱应用更多,主要有聚丙烯酰胺、聚苯乙烯和聚甲基丙酸酯等类型,应用于多脉、低聚核苷酸、合成聚合物和小分子化合物的分离。
6.核壳型表面多孔层
核壳型填料就是在坚实的硅胶核心上生成一个均匀的多孔外売。由于拥有核心硅球,多孔层厚度小、孔浅,样品只需要花费少量的时间便能从硅球表面的孔中扩散出,在较短时间完成扩散和传质。具有相对死体积小、出峰迅速、柱效高、滲透性好、机械强度高、装柱容易等特点。梯度洗脱时,当流动相组成改变后,孔内外流动相可迅速达到平衡。也存在柱容量小、最大允许样品量受限等缺陷。
