影响分辨率的动力学和热力学因素分辨率方程(2-5 )前两项因子,本质是热力学的;而塔板数N则主要与色谱的动力学特性有关。虽然调节热力学变数可以改善分离程度,但也只能到-定限度为止。例如只需分离二或三个溶质时,通常可由调节流动相和固定相的组成即调节k'的值而得到改善。然而,如图2-2的例子所示,这对于一个复杂的混合物,例如有10~20个组分全都需N要分离时,那就不可能解决了。这时往往只有增加N即改进柱的动力学特性才有可能改进分辨率。同样,在增加色谱分析速度的同时而又能保持所需的N值,则仅能由改善动力学因素来完成。正是因为这一理由,近年来LC方面的主要努力旨在改善色谱的动力学因素而不是热力学因素,因而,本章的目的在于,概括介绍如何由于我们加深了对色谱动力学的了解,而为柱的设计提供了实用规则。
在讨论动力学特性之前,先考虑一个LC中现存的主要问题。分辨率方程(2-5)仅当所得到的是对称的高斯峰和ω∞∠z时才是正确的。实际情况往往并非如此。高斯形峰的首要条件是k'对于任何溶质都不受浓度的影响;也即分配等温线是直线(k'和分配等温线之间的关系见45页注2)。情况往往不是这样,结果产生斜峰。非直线等温线引起的歪斜,其最坏的后果是峰宽依z的高于0.5次方增加。于是, 预期随距 离而改善的分辨率就不能实现,表观塔板高度Hb∞p=ω2/16z随迁移距离而增加。对称峰形问题在LC中比在GC中更为严重,在下一发展阶段将遇到的主要问题,无疑将是改善分配作用的热力学。图2-3表示人们经常遇到的一类问题,它是四环素类在两种改性硅胶上的分析,一种产生严重歪斜的峰,另一种产生接近对称的峰形。改性的键合固定相使之得以改善。
如何能使-一个分配体系对于任何特定的一类化合物都产生线性的分配等温线,是尚待解决的问题。仅能肯定的是,随着溶质的极性增加,尤其是当溶质分子中极性官能团的数目增加时,由于热力学效应引起的峰拖尾程度就更严重。拖尾程度也随k'而增加。能够电离的物质是这方面最难以对付的问题。
虽然如此,仍应选用高动力学性能的柱子,而且只要有可能,就应对一根新柱的动力学性能采用不产生热力学拖尾的简单参比化合物予以测量。使用测试混合物的例子见图2-4。实践中应该测量塔板数N,从而求出不保留的(k'=0),轻度的,中等的和强烈保留(比如说k'值为0.2,1和4 )的溶质的塔板高度。洗脱色谱的塔板数和板高由方程(2-6)和(2-7)求出(见图2-4):N=16(tR/ωt²)
L ωt
H=L/N=---------(----------)
16 tR
式中tR保留时间(从注样瞬间测量得的洗脱时间),ωt=峰底宽度,与tR单位相同,L是柱的长度。
以颗粒直径的倍数表示塔板高度往往更有用:即h=H/dpo参数h叫做“换算塔板高度”。对于高效柱,h在2~3左右。如果一根柱子在实际操作条件下用标准混合物给出的h比10大很多,那末,或是柱子充填不良,或测试混合物不适于这种充填材料;或者柱充填材料的质量太差。通常颗粒直径d,越大,在实际操作条件下的h就越高,其理由解释于后。
引起峰不对称或峰畸变的第二个原因是常常伴随着管璧效应的柱充填不均匀。如后文所表明的,现代液相色谱柱中溶质带的横向扩散是相当缓慢的,高效柱中实际上不存在传递柱混合作用。因此,柱截面上的沈阻均匀性对于正常的柱性能极为重要。不均匀充填所引起的影响,早期液相色谱工作者均已熟知,即谱带的馆形化和呈指状。在现代洗脱色谱图中见到的特征则是由管壁效应引起的拖尾,有时则一个单一溶质给出二个或多 个峰。充填15微米以下的小颗粒的最适方法是淤浆技术。根据我们的经验,Bristow提出的方法11可用于硅胶或氧化铝制成高质量的柱子,并有良好的重复性。这一方法可称为稀的淤浆法。在甲醇中配制成重量比1~3%的填充物淤浆,以高压灌入柱中。柱长250毫米以下者,压力14兆牛顿/米“( 2000磅/英寸”)已足够。
随后灌入同样体积的已烷或洗脱液。然后,关闭液流,先使压力降至零才能取下柱子,如果需要时可拧上帽栓。曾用此法制备了有30000理论塔板的400毫米柱子。但更典型的是用5微米硅胶填充时可使100毫米柱子有8000塔板。即塔板高度是12.5微米,这就婷于2.5倍颗粒直径。另方面也可使用体积含量30%的填充物的浓淤浆。淤浆可用丙酮或稠密的液体(例如,碘代甲烧+10%甲醇)制备,以避免充填物料的沉降。
大的颗粒例如20微米以上者,最好以旋转、振动和敲击的方法[2]干装;即缓慢而连续地向柱子加入填充物,同时柱子以100转/分旋转,并以振幅数亳米的近似(但不相同)的频率振动。面装填一面在已充填部分上端轻轻敲击。有一种机械能自动地完成这一操作,可获最好的重复结果,而这样的柱子也给出最低的h值2~3。这样充填的柱子,带角的颗粒与球形颗粒的性能之间差别一般很小,虽然有证据表明球形颗粒对流体的阻力较低;即具有低的P值(见下节)。(柱充填技术见附录II。)