非水毛細管電泳溶劑系統的選擇與優化

[摘要]在非水毛細管電泳中選擇合適的溶劑可以改變分離的選擇性,提高分離度和分離效率,因此對溶劑系統的選擇和優化是非常必要的。就此對非水毛細管電泳溶劑系統的選擇與優化進行綜述。

[關鍵詞]非水毛細管 電泳 溶劑綜述

中圖分類號:O65文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920003-01

作為毛細管電泳的分支——非水毛細管電泳(nonaqueous capillary electrophoresis,NACE)歷經了飛速地發展,研究的范圍不斷地擴大,主要包括基礎研究和分析運用兩個方面,在理論、研究方法、技術等方面都引起了人們的重視,在實際應用方面,非水毛細管電泳法所做出的成績更加突出。由于非水毛細管電泳是一個相對較新的領域,至今一些非水溶液的物理化學性質還沒搞清楚,加上有機試劑的種類太多,所以給試劑的選擇增加了一些難度[1],因此對溶劑系統選擇的規律和優化方法的研究是今后一段時間研究的重點。

一、非水毛細管電泳中有機溶劑的使用條件

非水毛細管電泳中選擇的有機溶劑需要滿足以下條件:(1)能分離溶解所用的分析物和電解質。(2)無毒性、無反應活性和非易燃的。(3)價格廉價,純溶劑的。(4)在室溫時是液態。(5)粘度低、蒸汽壓低、相對介電常數高。介電常數是非水毛細管電泳的重要參數,它描述溶劑中離子間的相互作用強度。要讓電解質全部或部分分離,非水毛細管電泳中所用的溶劑的介電常數應大于或等于30。只有有機溶劑的動力學粘度低,才能確保分析物具有較高的遷移率,有一個較為合適的分離時間。(6)兼容檢測技術。有機溶劑一般在紫外區有強的吸收,這與水介質不一樣。若用UV檢測的話,則要保證所用的有機溶劑在紫外區無吸收。介電常數小于10的有機溶劑的離解度小,在CE中的應用就很少,不過它們能夠增加疏水性溶質在電解質溶液中的溶解度,由于與介電常數高的溶劑的混合。(7)電滲流(EOF)是由于背景電解質溶液與毛細管內壁之間的電動現象形成的。具有導電性是對背景電解質的基本要求之一,而且能夠產生的電滲流足夠強。背景電解質的組成能控制電滲流的大小和方向。酸及其銨鹽是非水毛細管電泳在有機溶劑中應用最普遍的緩沖體系,其中最為普遍的是乙酸-乙酸銨的應用。

二、有機溶劑的選擇

粘度、介電常數、揮發性、偶極矩和質子離解等多種因素的綜合影響是非水毛細管電泳中有機溶劑選擇時需要考慮的。乙腈、甲醇、甲酰胺和N-甲基甲酰胺是非水毛細管電泳中最常用的有機介質,二甲亞砜、二氧六環、碳酸丙烯、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺等也被人使用過。

(一)溶劑的揮發性。NACE中有機溶劑選擇的重要指標之一是溶劑的揮發性。揮發性大時,在使用甲醇等揮發性較強的溶劑時,必須注意樣品池的分析時間和密封性,這是因為溶劑的揮發會導致溶液組成的改變,導致重現性降低。使用何種有機溶劑在實際分離時很大程度上決定了分離的成敗。有機溶劑的質子常數與水相比可以在更大范圍內調節,因為它通常情況下比水大。在水中同系列溶質之間物理化學性質的微小差別在有機溶劑中能更明顯地表現出來,能得到更好的分離,水中的所謂拉平效應在大多數有機溶劑中非常弱甚至不存在。酸和堿的離解常數pKa值在甲醇中和在水中是有變化的。理化性質接近的化合物在非水溶劑中更有利于分離,因為它們的微小差別在非水溶劑中比在水中表現得更明顯。在溶劑的影響下,很多在水相溶劑中難以分離的化合物的pKa的差別在非水溶劑中被放大數倍,因此能比較容易分離。溶劑的自身離解影響溶質在介質中的溶解性,影響溶質在溶劑中的化學平衡和離子對的形成。溶劑親疏質子的性質會影響氫鍵的形成和溶劑化效應,進一步影響電滲流。通過改變電泳介質的性質可改變溶質的遷移順序和提高分離的選擇性,因為有機溶劑中被分析物的pKa值與溶劑化性質和溶劑的類型有關。

(二)溶劑對分離效率的影響。選擇合適的有機溶劑可以提高分離效率。一個重要的參數就是相對介電常數ε,這個參數能夠反映溶劑中離子間相互作用的強度。正丙醇和乙醇的介電常數(10≤ε≥30)離子配對還是占主要優勢,但是部分離解。粘度隨溫度變化很大,粘度(η)是指半流體和流體流動的難易程度。毛細管電泳中需要有一個較低的粘度,分析物離子才會有較高的淌度,才會有一個較合適范圍的分離時間。較低的相對粘度、蒸汽壓和較高的相對介電常數對分析物的分離有利。Jansson等[2]證明在一定條件下分離系統的ε2/η值與單位時間的理論塔板數成正比。Valkó[3]獲得了每米500000的理論塔板數,他是以N-甲基甲酰胺為介質分離丹酰氨基酸時獲得的。

(三)溶劑對分離選擇性的影響。選擇合適的有機溶劑還可以改變分離的選擇性。要改變電滲流的大小和方向,只要改變背景介質的組成即可。在非水毛細管電泳中優化分離效率的一個重要參數就是電滲流淌度。測定了幾種有機溶劑的電滲流是在沒有帶電離子存在的條件下采用未涂層硅膠毛細管進行的。也有一些未用緩沖試劑的成功分離實例,有人就在微芯片裝置上配上電噴霧離子質譜檢測完成,但這并不影響實際分析中合適的緩沖液對重現性和分離效率的重要性。毛細管壁的表面的吸附和硅羥基解離決定管壁ζ電位的大小。管壁雙電層電位的大小、毛細管內壁的硅羥基的解離和管壁對溶液組分的吸附都直接取決于溶劑的性質。

由體系pH值決定的因管壁氫解離帶上不同電量Q同樣會影響電位ζ的大小,多數有機溶劑能降低雙電層厚度,比水有較小的介電常數。ζ電位隨Q呈指數變化,Q在非水介質中是呈指數級降低的。加入有機相,在一定程度上會增大pKa值。在水中硅羥基的pKa值是5.3,加入高組分有機相之后,使pKa值增大最多的是二甲基亞砜,高達3個單位,導致酸度減到1/1000,大大地抑制了管壁氫的離解,這樣表面帶的電荷Q就很快減小,總體上的結果是降低了ζ電位。使pKa值增幅最小的是乙腈,乙腈也能使氫離解能力減到1/10以下。所以在非水介質中管壁ζ電位通常很小。

三、結論

NACE能夠解決分離分析中的一些難題,是對CE的有效補充,充分體現了它的優點,但當今的理論研究還不夠深入,實際應用還不夠成熟,為了拓展其應用,發揮其特點,必須深入研究非水溶劑的分離機理和遷移行為。CE要成為常用的有效分析手段,就必須做好理論和應用兩方面的工作。

參考文獻:

[1]王榮英、辛慧君、吳明嘉,非水溶液毛細管電泳[J].分析化學,1997,25:1228-1231.

[2]Jansson M,Roeraade J.N-methylformamide as a separation medium in capillary electrophoresis[J].Chromatographia,1995,40:163-169.

[3]ValkóI E,Sirén H,Riekkola M-L.Chiral separation of dansyl amino acids by capillary electrophoresis;Comparison of formamide and N-Methylform-mide as background electrolytes[J].Chromatographia,1996,

43(5-6):242-246.

作者簡介:

王延寶(1980-),男,山東省濟寧學院化學與化工系助教,主要研究方向:毛細管電泳。