液相色譜消滯留層技術

李 丹，李祖琨，林 潔，康天懌，康秋梅，徐小平

（四川大學華西藥學院，四川 成都 610041）

0 引 言

擁有更高的色譜柱效率一直是人們追求和研究的熱點。以色譜理論為基礎，根據范式方程（H=A+B/u+Cu），研究人員已經清楚地知道影響塔板高度或柱效率的因素包括渦流擴散（A項）、縱向擴散（B項）和傳質過程（C項）。換言之，在傳統的高效色譜柱的研究中，如何降低A項中的固定相顆粒粒徑和顆粒的規整性已經有效地應用到了目前的色譜柱中，最為典型的包括 2004年 Waters公司推出的 UPLC（ultrahigh performance liquid chromatography）色譜柱和近年各個儀器公司相繼推出的超高壓色譜柱（HHPLC），都是通過降低顆粒粒徑（1.6～2.6μm）實現A項的影響降低以獲得更高的柱效率。然而由此要求色譜系統必須具備超高壓輸液泵才能將流動相強行通過粒徑充分降低固定相，就目前的技術而言，這一粒徑基本達到填充柱的極限，A項的進一步改善已進入瓶頸。而方程中的B項和C項涉及物質的縱向擴散和傳質過程以及吸附-脫附過程，其中擴散相與流速的大小相關，高流速的條件下B項的影響可明顯減少，但是會同時造成C項的傳質效率降低形成矛盾，如何從B、C項出發提高柱效率是研究的又一途徑。根據色譜塔板理論[1-3]，中國科學院成都有機化學研究所戴朝政研究員發表的消除滯留層技術[4]一文中首次提出了在固定相球形吸附劑顆粒內部物質的傳輸過程和吸附劑顆粒與流動相界面上液膜的物質傳輸過程均由于吸附劑顆粒表面存在滯流層導致傳質效率低下，是影響柱效率提高的關鍵因素之一，可以采用適當的外加電場消除滯留層，使組份與固定相充分交換，從而消除C項的影響。當C項趨于0時，方程中就只存在A項和B項的影響，柱效率可得以大大提高。同時C項的消除，可使流速獲得更大的提升，降低了擴散的影響，不僅對柱效率的改善有利，而且還可以大大提高分析效率，由此，為未來研究如何提高柱效率提供了新途徑和思路。由于該理論尚處于理論階段，需要大量的實驗加以驗證，本文在消滯留技術的基礎上，探討了外加電壓與色譜效率的關系，在優化后的外加電場下流速與柱效率的關系，通過滯留層的消除前后色譜柱效率的變化規律，驗證滯留層消除對柱效率的可行性，為研究提高色譜柱效率提供一定的數據基礎。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

HPLC系統（日本島津公司），色譜3000工作站（浙江大學）；ODS色譜柱（35mm×3.5mm×5μm；帶螺絲冒塑料柱）。綠原酸對照品（Chlorogenic acid）；甲醇（色譜級，Fisher公司）；乙腈（色譜級，JHD公司）。

1.2 原理

色譜柱的二氧化硅（SiO2）與水溶液接觸時，硅醇基電離，SiO2表面帶負電荷，內相反電荷離子富集于SiO2表面形成雙電層結構[5-6]。因此，給雙電層施加橫向電場，雙電層將形成電滲流（EOF）沿SiO2表面向負極移動。靜止時，雙電層位于滯留層底部，當在色譜柱內施加一個電場，固定相表面的液體會移動，從而導致擔體表面的滯留層隨之消失[7-10]，即是“消滯留層技術”。當滯留層消失，滯留層對塔板高度的貢獻也消失，因此Horvath-Lin方程簡化為

當流動相線速度：u>>ω3（Dm/dp）時，

理論最佳線速度：

理論最低塔板高度：

可知，施加電壓，消除滯留層，能顯著提高柱效和分離速度。

1.3 方法

色譜條件如下。流動相：0.3%甲醇∶乙腈（92∶8）；檢測波長：323nm；根據在色譜柱兩端施加電壓的強度和流速變化，考察綠原酸色譜行為的變化，闡述電壓、流速與色譜行為的關系（實驗裝置見圖1）。如圖1所示，實驗裝置中在色譜柱兩端安置了變壓器，可以變換電壓，同時安置了整流器將交流電轉換為直流電，使自制色譜柱處于直流電場中。實驗中，通過變壓器，改變色譜柱兩端施加電壓的強度，考察電壓對綠原酸色譜行為的影響。

圖1 消滯留層技術實驗裝置圖

2 結果與討論

2.1 不同直流電壓對色譜行為的影響

色譜條件如下。流動相：0.3%甲醇∶乙腈（92∶8）；檢測波長：323 nm；電場產生方式：色譜柱兩端連接電源兩極。在上述條件下，重復進樣3次，考察流速一定時，施加0～120V電壓，及0～30V電壓時，不同電場強度對供試品色譜行為的影響；也考察了當電壓不變時，一定范圍內改變流速，對比得到不同電場強度、流速對供試品色譜行為的影響。

2.2 0～120V范圍電壓對色譜行為的影響

如表1所示，當流速（0.5 mL/min）一定時，施加0～120V范圍內不同大小的電壓，柱效、柱效提高百分比隨施加電壓的增大而升高，當外加電壓為0～30 V時，柱效提高百分比最大，隨后隨施加電壓的增大而逐漸降低。如圖2所示，當施加電壓超過90V時，柱效大小開始低于不施加電壓時的柱效。推測由于施加適當大小電壓消除了滯留層，柱效提高，而過大的電壓產生的焦耳熱大，柱外效應嚴重，反而使柱效降低，甚至低于不施加電壓時的柱效。

2.3 0～30V范圍電壓對色譜的影響

進一步在電壓0～30 V的小范圍考察電壓對色譜行為的影響，結果如表2所示。由表2可知，流速一定，施加電壓在0～30V時，柱效、柱效提高百分比逐漸提高，施加電壓在30 V時，柱效提高百分比達到最大值20.99%。推測由于施加此范圍內大小的電壓，很好地消除色譜柱滯留層，而此電壓產生的焦耳熱也較小，因此，柱效總體逐漸提高。

表1 不同電壓對色譜的影響（n=3）

圖2 柱效與電壓的變化關系

2.4 流速對色譜行為的影響

變化流速，分別設定流速為 0.5，1，1.5，2mL/min，對比施加30 V電壓與不施加電壓的條件下的色譜行為。由圖3可知，柱效隨流速增大而逐漸降低，施加30V電壓比不施加電壓時的柱效有所提高，柱效提高百分比在流速為0.5mL/min時最大，其隨流速加大也逐漸降低，最后趨于穩定。推測，流速加大而使色譜柱柱效降低，施加30V電壓消除了滯留層而使柱效有一定程度升高，因此在施加一定大小電壓的情況下，在一定范圍內增大流速也能保持高柱效。

3 結束語

結果表明，電場的增加可有效消除固定相表面的雙電層，有利于組分在固定相中交換，減小流速對傳質交換的影響，是進一步提高柱效率、減少分析時間的一種途徑。

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表2 小范圍大小的電場強度對色譜行為的影響（n=3）

圖3 30V電壓加載前后柱效隨流速的變化關系

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