萃取色谱的柱效率与分辨率
同修 / 2022-07-07
7.2.3 萃取色谱的柱效率与分辨率
萃取色谱法作为一种分离技术，其分离效果的优劣一般有两个常用的评价指标：柱效率与选择性。前者以理论塔板高度(HE-TP或H)或理论塔板数(N)来衡量，后者则用分离因子(x)，或分辨率(又称分高度)Rs来表示。现就这两个问题作一扼要的讨论。
在第六章论及离子交换柱的分离效率时，曾经介绍过“理论塔板”理论。根据该理论，离子交换柱的效率可用式(6.68)来描述。虽然有些报道认为，萃取色谱在色谱带扩宽的历程方面不同于离子交换色谱，但在大多数场合下，塔板理论仍适用于萃取色谱。因此，我们可以把萃取色谱柱视为一个多级精馏塔，而每个分配平衡单元则可当作一个塔板，每块塔板就是一个萃取容器。当金属离子随流动相通过每一个塔板后，相当于进行了一次萃取。如果假定金属离子在两相间达到平衡，此时可把一块塔板所占有的色谱柱长度称作理论塔板高度。显然，不同金属离子在色谱柱中的分配特性是各不相同的，它们的理论塔板高度也是互相有差别的，对给定的分离组分而言，若其理论塔板高度越小，那么在一定长度的色谱柱内塔板数就越多，换言之，该组分在柱内被分配过程亦就越多，因此色谱柱对它的分离效率就越高。理论塔板数N的定义为
N=L/H
式中L为萃取色谱柱的长度，H为理论塔板高度。N通常可从洗脱曲线中求得，它的计算方法可归纳为：
式中，Wb为洗脱峰的峰底宽底，W1/2为洗脱峰高度1/2倍处的宽度；Q为高斯曲线的标准偏差，对于对称性良好的洗脱峰，Wb=4Q。其他符号的含义与前述相同。
从上式可见，表征柱效率的理论塔板数N主要依赖于Vmax以及洗脱峰的性质；其中Vmax与分配系数的定量关系已由式(7.4)给出，这清楚地说明，萃取色谱柱的分离效率直接与待分离组分在固定相与流动相之间的分配平衡密切相关，而洗脱峰的宽度则是反映了物质在色谱柱内的动力学效应以及两相传质过程对柱效率的影响。
业已证明，影响塔板高度的因素有很多，包括支持体的性质，颗粒大小，硅烷化的方法；支持体上固定相的负载量，体系的温度，流动相的流速，洗脱液的种类与浓度等等。尽管如此，目前对这方面的本质认识还很不深入，有关的研究工作有待继续深入。不少文献曾经报道过有关塔板高度方面的资料，由于这些参数大多数不是在萃取分配系数恒定的条件下测得的，其可靠性值得怀疑。不过，有些数据在一些特定的萃取体系中或许是适用的，但是对于温度，流速等具体实验条件必须严格控制，变化的范围要小。
支持体性质对于柱效率的影响是明显的。经过硅烷化处理过的硅胶或硅藻土上测得的理论塔板高度一般小于有机聚合物和纤维素支持体。而且硅烷化的方法与硅烷化试剂的用量对柱效率也有一定的影响。据报道，在用二氯二甲基硅烷处理支持体时，如果硅烷的用量过多，填充物的机械强度就会减弱，而且色谱带还会出现拖尾现象。支持体孔径大小的影响也不可忽视。研究表明，当硅胶的孔径超过一定限度(～0.35埃)时，理论塔板高度与孔径之间已无明显联系。据报道，硅藻土的塔板高度小于硅胶，其主要原因是两者的平均孔径存在差异。
理论塔板高度与支持体上萃取剂的负载量关系密切。当支持体上固定相的负载是减小时，其相应的再度变薄，从而加快了两相间的平衡速度，理论塔板高度因此下降。原则上，萃取剂的负载量越小，板高就越小，柱的效率就越高。然而，萃取色谱柱中固定相的负载量大小直接关系到分离容量，过低的负载量会失去实用意义。因此，相应于最小板高时支持体上最大的萃取剂负载量，即支持体重量与萃取剂负载量的最佳相对比值是一个很重要的参数。对于给定的支持体与萃取剂而言，这种最佳比值是存在的，而且可用实验方法测定。过大或过小的比值都是不适宜的。以硅胶上HDEHP的涂渍量为例，最佳的相对比值为0.6～0.8毫升HDEHP/克硅胶。支持体上HDEHP负载量对塔板高度的关系由图7.12所示。
萃取剂的涂渍形式和方法对柱效率的关系也是值得注意的。有人发现，若将萃取剂溶解于易挥发的溶剂之中，由此溶液来代替纯萃取剂涂于支持体上，当溶液中萃取剂浓度达到某确定值时，理论塔板高度可降至最低值。当然，例外的情况也是有的，同样，萃取剂的涂渍方式也有讲究。例如在疏水硅胶上涂渍HD-EHP时，若用HDEHP的氯仿溶液来涂渍，先在空气中蒸发掉大部分溶剂，然后再用减压蒸馏法除去残留的氯仿。应用这种方法制得的色谱柱，其理论塔板高度比常规滴加办法制得的色谱柱的塔高要小得多，后者通常是将纯HDEHP试剂滴加于硅烷化的硅胶上，不断搅拌，直至溶剂完全挥发获得干色谱粉为止。
理论塔板高度一般随支持体颗粒的增大而增大，同时随流动相的流速加快而增大。支持体颗粒大小，流动相的流速以及温度对柱效率的关系可以用著名的VanDeemter方程来描述。
H=A+B/v+Cv (7.27）
式中A是色谱带流动的参数，它依赖于色谱柱的填充质量与支持体颗粒的大小；B是纵向扩散参数；C是传质参数，它决定于固定相和流动相之间溶质的萃取速度。
Horwitz等曾对Van Deemter公式在萃取色谱中的适用性作过验证。他们选用HDEHP作固定相，疏水性的硅藻土(Celite)作支持体，稀硝酸溶液为流动相，考察了各种因素对Cm和Es洗脱效率的影响。如图7.13所示，在25～75℃的温度范围内，流速与塔板高度有良好的线性关系。这些事实表明，式(7.27)中的纵向扩散参数的贡献可忽略不计。同时，根据图中直线的斜率可获得传质参数C，C的数值与离子的种类和体系的温度有关。实验证实，C随温度的上升而变小，因此，升温有利于提高柱效率。若将上图中的直线外推到流速等于零处，由截距可得流动参数A。在上述的体系中，应用同一支萃取色谱柱，测得Cm(Ⅲ)和Es(Ⅲ)的A值分别为0.16～0.26毫米和0.17～0.32毫米，两个参数比较接近。这一事实说明，参数A主要决定于柱的填充质量和支持体的颗粒大小。
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