液相色谱中溶质与流动相及固定相的相互作用

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液相色谱中溶质与流动相及固定相的相互作用

液相色谱中溶质与流动相及固定相的相互作用：色谱法可定义为由物质在流动相和固定相两相之间的分配作用所完成的一种分离方法。那些优先分配到流动相的物质，将比优先分配到固定相的物质更快地通过系统。这定义引进了流动相和固定相的重要概念;定义虽然是对的，但在“分配作用”这个词上模煳了分离过程的基本现象。溶质在两相之间的分配起因于溶质分子和各个相分子之间的作用力的平衡。这些力可以是极性的，即由于溶质和溶剂分子二者之间永久的或诱导的电场而产生，也可以是由于伦敦的弥散力(范德瓦耳力)，这种力取决于落质和溶剂分子的相对质量。在离子交换色谱中，作用于溶质分子的力实质上是离子性的，但也包括所谓的极性和非极性力。因此，色谱分离是利用每个溶质与两相之间可能存在的不同的分子力来完成的。为达到两种物质的分离所必须的这一一分子力差别的大小，与色谱仪器的效率有关，但如果流动相和固定相分子对两种溶质的作用力类型相同，则无论仪器设备的效率多高，分离也永远不能实现，即:如果两个溶质在k'为1时流出，其中一个可能与流动相和固定相都具有强的、但相等的相互作用力，另一个可能与两相之间均有弱的、但相等的相互作用，但因对于每个溶质两个相的作用力比率相同，它们就都在此同一κ′值流出。

由此，色谱法也可定义为:当溶质在流动相和固定相之间分配时，利用施加于溶质上的不同的分子间力以完成的分离过程。那些更强烈地保持在流动相中的物质，较之那些更强烈地保持在固定相中的物质，较快地通过系统。这样，各个物质以它们在固

定相中保持力的递增顺序迁移通过系统。因此可依下式来定义溶质在色谱系统两相之间的分配系数(K):

作用于固定相中溶质的力的总量

κ=-----------------------------------------------------------

作用于流动相中溶质的力的总量

溶质和固定 相之间作用力的大小×相互作用的几率

=--------------------------------------------------------------------------------------

溶质和流动相之间作用力的大小×相互作用的几率

溶质和每个相之间的作用力，主要取决于温度以及溶质和两个相的化学性质，而相互作用的几率则随每个相参与相互作用部分的浓度和温度等因素而异。

考虑液相色谱在通常实例中的情况，可能包含三种类型的分子间力，即:离子力、极性力、弥散力。于是，K的方程可取下列方式:

Fι((Pι)+Fˊp(Pˊp)+Fˊp(Pˊp)

K=---------------------------------------------

Fι(Pι) +Fp(Pp) +Fd(Pd)

式中Fι\Fˊp和Fˊd分别为溶质分子与固定相之间的离子力、极性力和弥散力;Fι、Fp,和Fd分别为溶质分子与流动相之间的离子力、极性力、弥散力; Pι、Pp，、Pˊd以及Pι、Pp，、Pd则分别为溶质分子与固定相以及流动相的离子力、极性力、弥散力部

分之间的相互作用几串。如果专门考虑液一固色谱的特定情况，此时用硅胶做吸附剂，并采用非离子型流动相，则分离中就不存在离子力的作用，K的方程就变成

Fˊp(Pˊp)+Fˊd(Pˊb)

K=-----------------------------------------

Fp(Pp)+Fd(Pd)

现在必须合理地展开上列方程的各个函数，使之包含与液相色谱有关的变数。这样做时应能定量地预测变数的量值变化所导致的K值变化。溶质与一个相之间相互作用的几串将是绝对温度的一些函数，并与该相参加相互作用部分的浓度成比例。

于是

Fˊpfι(T)Cˊp+Fˊdf₂(T)cˊd

K=-------------------------------------------

Fˊpf₃(T)Cp+Fdfι(T)Cp

式中

Cˊp、Cˊd和Cp、Cd分别为固定相和液相中极性部分和弥散部分的浓度，T是绝对温度。如果假定弥散力来自质量的相互作用，则cp将与分散介质的密度(质量/单位体积)成比例。

这样

Cd∞Ad

式中A是常数，d是分散介质的密度。

由此可得

Fˊpf₁(T)Cˊp+Fˊbf₂(T)cˊd

K=------------------------------------------

Fpf₃(T)cp+Fdf4(T)Ad

校正保留体积VˊR等于Kφs,φs可以是固定相的体积，或固体表面活性部分的总和，这取决于所用的色谱系统以及确定固定相中所含溶质浓度的方式。

这样

Fˊpfι(T)cˊp+Fˊdf₂(T)cˊd

VˊR=KφS=[------------------------------------------] φs

Fpf₃(T)cp+Fdf4(T)Ad

方程(3-1)是描述一个溶质校正保留体积的新形式，具有很大的实用价值。例如，倘能提供适当的基准数据，利用这种方程可对含特定浓度极性溶剂的流动相和具有特定密度的非极性弥散溶剂预测保留体积和分离比。这一.方程的有效性可用相当简单的方

法，用硅胶的液一固色谱法进行检验。但在提出这些数据之前，考察一下与硅胶有关的保留力的本质将是很有趣的。据以上论证，这些作用力可能是极性的或弥散性的，或两者兼而有之。Scott和Kucera对Partisil 10硅胶在一定范围内进行加热改性，并测定了不同产品的保留特性「11]。

图3-1中以硅胶保留的水分表示灼烧损失残留量对改性温度作图。该图也包括了每克硅胶的表面积和每个OH基的平均表面积对温度的曲线。可看到在200到500℃之间硅胶的含水量迅速下降;然而在500到900℃之间失水的速度变慢了，500℃以后含水

量的下降与温度的升高成线性关系。所得结果与别处报导的结果[2]一般相符。随后将可发现，硅胶的含水 量及其改性温度之间的这-线性关系与这样一个区域有关，即，该区域内硅胶的保留特性十分稳定，并与温度无关。在200到750℃之间，每克硅胶的表面积只有很小的变化。但在750到900℃之间，表面积迅速下降到其初始值的35%左右。当在200到900℃之间加热时，由于硅胶的含水量和表面积以不相同速度改变的结果，每个OH基的平均表面积在700到800℃之间增加到最大值。然后，由于硅胶表面积的迅速下降，每个OH基的平均表面积也随之减少。据这些结果看来，整个改性过程中硅胶表面积的变化及其含水量之间似乎并无明显关系。

图3-1硅胶物理性质的变化与钝化温度的关系曲线

将在不同温度下钝化的硅胶样品装入长500毫米，内径4 .6毫米的柱内，并测定-系列不同溶质的校正保留体积。各种溶质相当于每克硅胶的校正保留体积对硅胶含水量的一-组曲线示于图3-2。可以看到在含水量0.6%到3%之间，所有的曲线都显示出保留值的特征性增大，随后在含水量3到4%之间下降。由此可见，在200到400℃之间， 硅胶在保留溶质的能力方面活化了，超过400℃之后则发生钝化。也注意到含水量1.9%和0.6%分别代表着硅胶在600到900℃温度之间的钝化作用，每克硅胶的校正保留体积与含水率之间的关系是线性的。曲线的这一.部分显示高度的线性关系，而其在水轴上的截距位于含水量0到0.15%之间的某点。这就表明硅胶中还留下一些与色谱过程无关的水分，对溶质的保留不起作用。但这些仅只是有关含水量中的一小部分。也可明显地看到，含水量为零时曲线并不截于保留体积轴，因此，残余的硅氧基似乎很少或全然不影响溶质的保留值，所以既不表现极性的，也不显示弥散的保留作用。

图3-2不同溶质在硅胶上的VˊR/g对含水量的曲线图

由此可见，硅胶的保留特性完全取决于硅胶的羟基数或含水量。此外，硅胶在600℃以上钝化时，溶质的保 留值与含水量呈线性关系，因此，对于存在的OH基而言，显示为均相表面。于是，对于在600℃以上钝化的硅胶，溶质的校正保留体积可由下列方程一级近似地描述:

VˊR=Ag

式中A是常数，g是硅胶的总OH含量，以在1000℃灼烧的失重表示。硅胶在600到900℃之间的钝化显示出表面积的显着改变，注意到这点是很重要的。但表面积的这一改变并不影响硅胶的保留特性，因为含水量和保留体积之间的线性关系指出，这仅仅与硅胶的羟基含量有关。因而表面积本身对硅胶的保留特性不起作用，看来似乎只有未改性的硅胶才表现出这种作用，因共表面为羟基所饱和，所以表面积直接与羟基及含水量有关。作者从这一工作得出结论，即，，硅胶象是一个理想的极性键合相，其活性部分是简单的OH基，对于极性溶质表现出很小或完全没有弥散性相互作用。

已经指出，弥散力对于硅胶在溶质保留方面即使有作用也很不显着(当采用极性溶剂时尤其如此，因为极性力将大大超过任何可能存在的弥散力)，所以方程(3-1)可被简化[3]。这样，在硅胶上的分离使用极性或半极性流动相时，固定相的弥散力可以略去。

于是

Fˊpfι(T)Cˊp

VˊR=[-----------------------------------]φs

Fpf₃(T)cp＋Fdfι(T)Ad

为了实用上的方便，可用倒置的形式

1        1          Fpf₃(T)cp+Fdf4(T)Ad

------=-------[-------------------------------------]

Vˊ     φs             Fˊpf₁(T)cˊp

方程(3-2)的有效性可如下确定。

(1)使用含不同浓度的极性或半极性溶剂的一种分散介质如庚烷，那末，只要极性溶剂的浓度保持大于3% W/V[4\5],硅胶的活性将是恒定的，方程(3-2)即简化为

1

-----=A+Bcp

V'

此外，如果同一溶质在恒定的条件下进行色谱展开，但使用一系列的溶剂，每个溶剂采用组的Cp值，则每个溶剂的线性常数(B)可与所使用极性溶剂的物理性质相联系。同样，如果使用同种溶剂，将系列不同Cp值的一系列不同溶质进行色谱展开，则所得到的每个溶质线性常数B的值便能与每个溶质的物理性质相联系。综合溶质和溶剂二者的相关线性常数，就可决定常数Fp的形式。

(2)使一个极性溶剂在一系列不同的分散溶剂中有恒定的浓度，并保持此浓度大于3%W/V,于是硅胶的活性将保持恒定，流动相中的极性相互作用就是恒定的，这样，方程(3-2)简化为

1

-----=A+Bd

Vˊ

式中,d是分散溶剂的密度。

现在给出两组实验，它们确证方程(3-2)的真确性，并决定常数Fp的性质;然而，常数Fd的确定尚须等待进.步工作的结果.

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