分离科学与进展专题1

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1、分离科学与进展专题(二)色谱分析新技术杨俊yjun8202@ustc.edu.cn讲座内容色谱与质谱联用技术多维色谱技术亲水作用色谱技术超高压液相色谱技术8/4/2021一、超高压液相色谱技术最近10年，在液相色谱分离领域快速发展几项技术：1、超高压液相色谱技术；2、亲水作用色谱技术；3、高温液相色谱技术；4、整体柱技术。(TrendsinAnal.Chem.29:15；J.Sep.Sci.33,679)◆1964年,Giddings指出最大理论塔板数和分离速度与色谱系统的操作压力有关,并提出增高色谱柱压力改善分离度的方法。◆1

2、969年,Bidlingmeyer等第一次使用亚2μm填料填充的色谱柱进行研究,实验结果重复性较差。◆1974年,Guiochon等对使用超高压的液相色谱行为进行了理论研究,提出压力对分离的影响规律。◆1997年,MacNair使用粒径1.5μm无孔填料填充了52cm×30μm的毛细管柱,使用压力410MPa,获得最高柱效为30万块塔板/m。这一实验结果被认为对超高压液相色谱的发展具有里程碑的意义。(Anal.Chem.,1997,69:983)◆2003年,Jerkovich等填充了填料粒径为1.0μm的色谱柱,最高柱压达到7

3、00MPa,等度分离5种组分仅用了8min,分析时间大大缩短。使用37cm×30μm的色谱柱分离邻苯二酚和对苯二酚,柱效分别达到50万塔板/m和62.5万块塔板/m。◆Waters公司在2004年首先推出了AcquityUPLC系统,其采用小颗粒填料,在高压下运行。商品化的超高压液相色谱仪器的序幕由此揭开。基于同样原理,Thermo公司和Jasco公司也相继推出了耐压104MPa的液相色谱系统。而Agilent和岛津公司则通过升高温度来降低柱压,系统压力60MPa。超高压液相色谱的历史回顾◆使用亚2μm填料,色谱柱的孔隙率低,在

4、相同流速下产生的压力大,因此产生了超高压液相色谱(ultrahighpressureliquidchromatography,UHPLC)。超高压液相色谱的使用压力一般超过40MPa。有人把使用压力在100MPa以上的才称为UHPLC,而使用压力在40~100MPa之间的称之为UPLC,即超高效液相色谱。◆UPLC原理：UPLC保持了传统HPLC的基本原理，但其分离效能和分析速度得到了全面提升，这归功于其独特的小颗粒色谱填料技术。在HPLC的速率理论中，VanDeemter方程可简化为:H=A+B/v+Cv其中:H为理论塔板高度

5、;v为流动相的平均线速度;A、B、C为常数，分别代表涡流扩散项系数、分子扩散项系数和传质阻力项系数，其中各项均与固定相粒度(dp)相关，如仅考虑dp对H的影响，上式可表示为:H=a(dp)+b/v+c(dp)dp是影响色谱柱性能最重要的因素。根据Knox理论曲线，在相同线速度下，填料粒径越小，理论塔板高度越小，柱效越高。小颗粒填料的另一个重要特征是，当增加流量(线速度)时塔板高度没有明显的增大，且维持在一定范围内，即在较大流量范围内保持较高的柱效。超高压液相色谱的原理(J.Chromatogr.A,1127:60）不同粒径柱填料

6、的VanDeemter曲线(J.LiquidChromatogr.RelatedTech.2005,28:1253)UPLC的性能优势◆使用亚二微米填料为分离介质，使用UPLC获得小颗粒填料的性能优势：即速度、分离度和灵敏度优势。1）提高分析速度UPLC提高分离度2）提高分离度根据等度液相色谱分离度(R)方程,R受n(理论塔板数)、选择因子(α)和容量因子(k)的控制。随着dp的减小,n增加,则R也增加。UPLC提高检测灵敏度3）提高检测灵敏度UPLC通过减小dp,有效地降低了H,使色谱峰变得更窄,信噪比增大,灵敏度得到额外的提

7、高。UPLC提高分析效率、减少流动相用量4）分析效率、减少流动相用量UPLC通过分析时间短，减少流动相用量；分离度提高，单位时间峰容量增加，分析效率显著提高。UPLC高压力带来仪器技术的改进◆据Darcy公式,流动相通过色谱柱后其压力的升高程度(ΔP)与流动相黏度(η)、柱长(l)及流动相线速度(v)成正比,而与比渗透系数(k0)及d2p成反比。所以随着dp的减小,压力将成倍地增加,因此超高的工作压力成为UPLC的必然选择。◆进样系统：密封要良好还要有较小的死体积,同时要保证塞型进样,以减小峰展宽。◆检测器：提高采样频率之外,还

8、需要降低噪声,减小流通池体积,采用无光损耗的检测池等技术,以保持高柱效和高灵敏度。研究发现,操作压力在140MPa以下,采样频率采用10Hz;140MPa以上,采样频率采用20Hz,才能满足拟合要求。飞行时间质谱(TOF-MS)检测器的采样频率较高(100spe