吸附色谱法的吸附剂
实验室k / 2019-07-26
吸附剂在决定不同化合物的K值上受到几个因素的影响，其中最重要的是吸附剂表面的化学组成、含水量、表面积及其表面原子或基团的几何排列。下面分成两部分讨论：决定等温线线性的因素和吸附剂对K值的作用。
决定吸附剂线性容量的因素是吸附剂的表面积、含水量。对于每克吸附剂有200～800m2的表面积，其线性容量较大；对于活化或不含水的吸附剂，其线性容量较小，吸附剂表面的最强活性位置如盖以一些强吸附物，此过程称为吸附剂的减活，吸附剂的减活有利于增加线性容量，且可减少与样品的副反应，防止样品损失，并增加柱效。
在极性吸附剂上最常用的减活剂是水，经水减活后，可增加线性容量5～100倍。其他减活剂有乙二醇、甘油或低级醇。对非极性吸附剂，例如活性炭，则可用高分子量的脂肪酸减活，后者称为饱和剂。
吸附剂的线性容量明显地受到分离条件和样品类型的影响，任何实验条件只要能降低样品K值的因素，都可导致线性容量增加。例如，提高温度和增加洗脱剂强度都能给出较低的K值，从而提高线性容量。同时，混合样品比单一成分给出较高的线性容量。
不同类型的吸附剂(例如硅胶和活性炭)对于给定的混合物常常给予不同的分离次序，称为吸附剂的选择性。吸附剂可分为极性和非极性吸附剂。极性吸附剂有酸性和碱性之分，一般为无机氧化物，它们选择性地保留极性较大的化合物。保留化合物的次序排列如下：饱和碳氢化合物＜芳香族碳氢化合物＜卤素衍生物＜醚类＜酯类～醛类～酮类＜胺类～醇类＜羧酸类。其中酸性吸附剂(例如硅胶)选择性保留胺类和其他碱性化合物；碱性吸附剂(例如氧化铝、氧化镁)选择性保留酸性化合物，例如吡咯衍生物、酚类和羧酸类。非极性吸附剂(如活性炭)选择性保留易极化的化合物。由于色散力对吸附具有重要的作用，所以大分子量化合物，如芳香族化合物，以及有—S—、—Br—、—I取代的化合物更强烈地保留在活性炭上。
在一个给定的吸附剂类型中，因为制备方法、条件而广泛地变化着吸附剂的表面积和平均表面能，且减活方法及减活程度也会影响吸附剂的活化程度，因此，吸附剂对溶质的吸附能力，也就是对溶质的保留作用，也有差别。这可用吸附过程的理论——Snyder方程式加以描述：
logK=logVa+af(S，E)
式中：Va是吸附剂的表面容积，相当于吸附单分子层溶剂所需的容积(相当于表面积的0.00035倍，单位m2/g)；α是吸附剂的活性函数，正比于吸附剂的平均表面能量；参数f(S，E)对于一个给定的样品，溶剂和吸附剂则是一个常数。
上列方程描述了溶质的吸附平衡常数K值如何随着吸附剂的表面积和表面能而变化。这个关系式对许多色谱系统包括弱或中等强度的洗脱剂是可信的，对于很强的溶剂则较少可信，因为此时溶剂与被吸附的水在吸附剂表面有一个竟争作用。Va和α值随着含水量增加而降低，因此，当吸附剂的含水量增加时，使样品的K值减小。
由此可知，吸附剂的活性可看作表面积Va和表面能α的结合，并随其含水量而改变。含水量小，活性大，吸附性能大；含水量大，活性小，吸附性能小。表14-2说明了硅胶、氧化铝的含水量与活性关系。为使吸附剂的活性标准化，需要测定其活性级别。最常用的是Brockmann活性级别测定法，应用的六种标准颜料即偶氮苯、对甲氧基偶氮苯、苏丹黄、苏丹红、对氨基偶氮苯、对羟基偶氮苯，分别配成0.04％浓度，溶剂为石油醚(b.p.60～90℃)：苯(4：1)，色谱柱1.5×15cm，内装待测活性的硅胶或氧化铝高度为5cm，分别取六种颜料溶液各10ml，分别上柱。待溶液平面与吸附剂平面相平时，即以石油醚：苯(4：1)混合溶剂20ml洗脱，控制流速为20～30滴/min。根据图14-11颜料在吸附剂柱上的位置，判断吸附剂的活性级别。
表14-2 硅胶、氧化铝的含水量与活性关系
| 硅胶含水量％ |
活性级别 |
氧化铝含水量％ |
|
0
5
15
25
38
|
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
|
0
3
6
10
15
|
常用的吸附剂有如下几种：
(1)硅胶：适用于各类样品的分离。硅胶的吸附性质决定于接在硅原子表面的羟基基团——硅醇基。硅醇基有两种形式，一种是游离羟基(Ⅰ)，另一种是键合型羟基(Ⅱ)，当硅胶加热到200℃以上时，失去水分子使表面羟基变为硅醚结构(Ⅲ)，后者为非极性，不再对极性化合物有选择性保留作用，而失去了色谱活性。一般，经活化后的硅胶如暴露于空气中，则能吸附水分使之减活，但经100～200℃加热可除去这些水分，并不改变表面羟基，使硅胶有最大活性。
硅胶表面羟基一般作为质子给予体，通过氢键的形式将溶质吸附在硅胶表面。由于硅胶具有弱酸性，所以选择性地保留胺类和其他碱性化合物。与其他吸附剂相比，硅胶还具有对样品无催化作用、有较大的线性容量和较高的柱效等优点，为首选吸附剂。
(2)氧化铝：对不同类型化合物的选择性与硅胶相似，只是氧化铝能强烈地保留酸性化合物。另一特点是用氧化铝分离芳香族异构体较优，且对芳香族碳氢化合物的保留比硅胶更为强烈。
氧化铝有多种晶形。色谱用氧化铝为不纯的γ-氧化铝，当在800℃下加热时，温度越高，活性越强，这时表面羟基虽已大部分除去，但活性却增加了，因此表面羟基可能不是氧化铝的吸附位置，而可能是暴露在表面的铝原子、Al—O键或者其他的阳离子，例如酸性化合物能保留在氧化铝上可能是与碱性位置(表面氧化物离子)相互作用的结果。
氧化铝的最佳活化温度一般在200～400℃，随之加水减活可得到一般所需级别的吸附剂。如加热到1000℃以上，则变为无活性的α-氧化铝。
(3)活性炭：目前主要用来除去植物提取液中的杀虫剂、除草剂以及植物色素。前者是相对小分子量而不保留，后者是相对大分子量而被强烈地保留。活性炭也可用来分析石油，能将芳香族化合物作为一类与分子量相近的脂肪族化合物分离。
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