[科普中国]-吸附色谱

简介

吸附色谱 又称“液一固相色谱”。流动相是液体，固定相是化学性质不太活泼、表面积大的吸附剂(如活性碳、硅胶等)。当多成分的溶液渗过装有细粉多孔吸附剂的柱体时，由于吸附剂对各成分的吸附力不同，产生选择吸附。以适当淋洗液淋洗时，各成分在各层吸附剂与淋洗液之间不断重复吸附与解吸过程，使各成分逐步分离。分段收集溶液，就可以测定各成分的含量。此法可分离有机物和无机物。

原理固体内部的分子所受的分子间作用力是对称的，而固体表面的分子所受的力是不对称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而向外的一面所受的作用力较小，因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。吸附剂与被吸附物分子之间的相互作用是由可逆的范德华力所引起的，故在一定的条件下，被吸附物可以离开吸附剂表面，这称为解吸作用。吸附色谱就是通过连续的吸附和解吸附完成的。

吸附色谱分离方法的建立吸附色谱在色谱分离中占有非常重要的地位，只要吸附剂和流动相选择得当，几乎可以用来分离所有类型的化合物。目前大多数液一固色谱分离都是以全多孔硅胶为固定相。考虑到柱子的耐久性和可靠性，在常规工厂生产控制和不太困难的分离中，用薄壳型硅胶柱往往是更好的选择，因为薄壳填料柱易于制备、不容易堵塞，并且容易平衡和再生。对于大量样品的制备分离，通常采用50μm粒径的多孔硅胶柱。

若各种流动相使用无效或样品在硅胶柱中发生反应或损失时，可更换为氧化铝柱，以改变选择性。如分析碱性样品时，一般用氧化铝柱。

在吸附色谱分离中，需要选择的第二个条件是流动相。在确定了具有适当强度和选择性的溶剂之后，就可以使用吸附色谱来分离样品。对于ε0>0.1值（ε0是溶剂的强度参数，它的物理意义是在特定吸附剂上单位面积溶剂的吸附能）的非水溶性溶剂，可使用50%水饱和的流动相。对于较弱的流动相，可加入0.02～0.1体积的乙腈代替水。而对于水溶性流动相，可加人0.05～0.2体积的水。

关于样品量，在使用全多孔硅胶柱时，每g吸附剂可注人多达1 mg的样品。但对于高效柱来说，当样品量大于50 μg/g时。就可能对分离造成影响。对于容量较小的高效柱(15x0.5 cm，5μm)，进样量一般为25～50μL，而对于较长和较粗的柱子进样量为50～400μL。除此之外，还要考虑温度的影响，如果保留时间必须控制在严格的范围之内，柱子应恒温在室温附近1。

影响因素吸附色谱的分离效果，决定于吸附剂、溶剂和被分离化合物的性质这三个因素。

(1)吸附剂

凡能够将其他物质聚集到自己表面上的物质，都称为吸附剂。能聚集于吸附剂表面的物质称为被吸附物。在吸附色谱中应用的吸附剂一般为固体。常用的吸附剂有硅胶、氧化铝、活性炭、硅酸镁、聚酰胺、硅藻土等。

①硅胶

色谱用硅胶为一多孔性物质，分子中具有硅氧烷的交联结构，同时在颗粒表面又有很多硅醇基，硅胶吸附作用的强弱与硅醇基的含量多少有关。硅胶是一种酸性吸附剂，适用于中性或酸性成分的色谱分离。

②氧化铝

多孔Al2O3的聚合物，吸附性能也可通过改变其含水量加以控制。分酸性、碱性和中性三种，酸性氧化铝(pH4～5)适合于分离酸性化合物，碱性氧化铝(pH9～10)适合于分离碱性化合物，中性氧化铝(pH7)适合于分生物碱、挥发油、萜类、甾体及在酸、碱中不稳定的苷类、酯类等化合物。

③活性炭

是使用较多的一种非极性吸附剂。色谱用中选用颗粒活性炭。目前，多用于在纯化过程中进行脱色和脱臭等操作中的简单吸附过程。

(2)溶剂

色谱过程中溶剂的选择，与组分分离关系极大。在柱色谱时所用的溶剂(单一剂或混合溶剂)习惯上称洗脱剂，用于薄层色谱或纸色谱时常称展开剂。洗脱剂的选择，须根据被分离物质与所选用的吸附剂性质这两者结合起来加以考虑，在用极性吸附剂进行色谱分离时，当被分离物质为弱极性物质，一般选用弱极性溶剂为洗脱剂；被分离物质为强极性成分，则须选用极性溶剂为洗脱剂。如果对某一极性物质用吸附性较弱的吸附剂(如以硅藻土或滑石粉代替硅胶)，则洗脱剂的极性亦须相应降低。

(3)被分离物质的性质

被分离的物质与吸附剂、洗脱剂共同构成吸附色谱中的三个要素，彼此紧密相关。在指定吸附剂与洗脱剂的条件下，各个成分的分离情况直接与被分离物质的结构与性质有关。

固定相吸附色谱中目前最常用的固定相是硅胶，其次是氧化铝，为了某些样品的分离，也使用苯乙烯一二乙烯苯等聚合物作为吸附剂。硅胶表面的Si—OH是最主要的吸附点，氧化铝中Al3+是显著的吸附中心。选择吸附剂的原则是样品的性质和吸附剂本身具有的品质。这些品质包括颗粒形状、颗粒直径、表面积、孔径以及吸附剂表面的酸碱性等。

硅胶吸附剂有两大类：表面多孔型和全多孔型。全多孔微粒硅胶按形状又分为球形和非球形，后者又称为无定形。非球形硅胶制造工艺简单，价格比较便宜。‘球形硅胶机械强度好，颗粒度均一，是比较好的高效液相色谱填充物。颗粒度一般为5～10μm，常选5μm。

固定相承受样品量的能力是有限的，它以单位重量的硅胶上能够负载的样品量来表示，称为线性容量。线性容量依赖于固定相的比表面积和表面的均匀程度。微粒硅胶的表面积一般为10～500 m2/g(通常大于200 m2/g)，它们的线性容量为10-3～10-4/g。固定相的孔径从6到几十nm，甚至上百nm。选择孔径主要根据溶质分子的大小。小分子选用7～12 nm孔径的，大分子选用30 nm左右，一般来说孔的直径要比被分析样品分子的直径大3倍。

硅胶表面的pH值大约为5，碱性氧化铝的pH值为12。由于硅胶表面的pH值对大多数样品没有催化和强的保留现象，因此常常使用硅胶柱。对于碱性化合物，例如吡啶和胺类选择硅胶可能不合适，可选用键合固定相实现分离与分析，氧化铝已很少使用。

流动相在吸附色谱中，固定相是极性吸附剂，因此流动相多以非极性溶剂为主。可作为流动相的溶剂很多，这些溶剂大致可分为3类：一类是非极性的，如正己烷等烃类；一类是中等极性的，主要是卤代烷、酯类；一类是极性的，醇和乙腈；等等。水虽然是极性很强的溶剂，但水分子会永久地吸附在吸附剂的表面，导致活性降低而失去分离作用。但有时也充分利用水的被吸附的特性，如分析甾类化合物，在流动相中添加少量高极性的物质，例如水，使其占据部分活性中心，达到吸附剂降活的目的，从而能得到很好的分离。为此目的往往采用水。

溶剂选择有两个原则：一是溶剂强度；二是溶剂的选择性。溶剂强度决定了溶质保留时间。为了改善组分的分离，可延长分析时间。但溶质对的分离最终取决于溶剂的选择性。在液相色谱中使用单一溶剂的情况很少，多数情况下都采用混合溶剂。混合溶剂指流动相由两种或多种溶剂按一定比例组合而成的，每一种溶剂称为一元。一般使用二元、三元溶剂的较多，超过三元的混合溶剂很少采用。在吸附色谱中，混合溶剂的溶剂强度和二元混合物(A/B)中B的体积百分比不呈线性。对于占ε0值（ε0是溶剂的强度参数，它的物理意义是在特定吸附剂上单位面积溶剂的吸附能）差别较大的A和B两种溶剂(如四氢呋喃/正己烷)，混合后，若日的浓度减少2倍，则样品的保留时间将增加2—4倍。图1列出了等强度时若干二元溶剂的配比。类似的图示，在其他文献中都可以找到。

混合溶剂有两种情况，一是大比例混合；二是在主要溶剂中添加少量的极性化合物。后者也称为改性剂。溶质的保留在这两种情况下不一样，前者依赖于各种溶剂的选择性，后者主要依赖于所添加的少量极性溶剂2。

吸附色谱的应用吸附色谱在生物技术领域有比较广泛的应用，主要体现在对生物小分子物质的分离。生物小分子物质相对分子质量小，结构和性质比较稳定，操作条件要求不太苛刻，其中生物碱、萜类、苷类、色素等次生代谢小分子物质常采用吸附色谱或反相色谱进行分离。吸附色谱在天然药物的分离制备中也占有很大的比例3。