萃取色譜的柱效率與分辨率
同修 / 2022-07-07
7.2.3 萃取色譜的柱效率與分辨率
萃取色譜法作為一種分離技術(shù)，其分離效果的優(yōu)劣一般有兩個(gè)常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)：柱效率與選擇性。前者以理論塔板高度(HE-TP或H)或理論塔板數(shù)(N)來衡量，后者則用分離因子(x)，或分辨率(又稱分高度)Rs來表示?，F(xiàn)就這兩個(gè)問題作一扼要的討論。
在第六章論及離子交換柱的分離效率時(shí)，曾經(jīng)介紹過“理論塔板”理論。根據(jù)該理論，離子交換柱的效率可用式(6.68)來描述。雖然有些報(bào)道認(rèn)為，萃取色譜在色譜帶擴(kuò)寬的歷程方面不同于離子交換色譜，但在大多數(shù)場(chǎng)合下，塔板理論仍適用于萃取色譜。因此，我們可以把萃取色譜柱視為一個(gè)多級(jí)精餾塔，而每個(gè)分配平衡單元?jiǎng)t可當(dāng)作一個(gè)塔板，每塊塔板就是一個(gè)萃取容器。當(dāng)金屬離子隨流動(dòng)相通過每一個(gè)塔板后，相當(dāng)于進(jìn)行了一次萃取。如果假定金屬離子在兩相間達(dá)到平衡，此時(shí)可把一塊塔板所占有的色譜柱長度稱作理論塔板高度。顯然，不同金屬離子在色譜柱中的分配特性是各不相同的，它們的理論塔板高度也是互相有差別的，對(duì)給定的分離組分而言，若其理論塔板高度越小，那么在一定長度的色譜柱內(nèi)塔板數(shù)就越多，換言之，該組分在柱內(nèi)被分配過程亦就越多，因此色譜柱對(duì)它的分離效率就越高。理論塔板數(shù)N的定義為
N=L/H
式中L為萃取色譜柱的長度，H為理論塔板高度。N通?？蓮南疵撉€中求得，它的計(jì)算方法可歸納為：
式中，Wb為洗脫峰的峰底寬底，W1/2為洗脫峰高度1/2倍處的寬度；Q為高斯曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)于對(duì)稱性良好的洗脫峰，Wb=4Q。其他符號(hào)的含義與前述相同。
從上式可見，表征柱效率的理論塔板數(shù)N主要依賴于Vmax以及洗脫峰的性質(zhì)；其中Vmax與分配系數(shù)的定量關(guān)系已由式(7.4)給出，這清楚地說明，萃取色譜柱的分離效率直接與待分離組分在固定相與流動(dòng)相之間的分配平衡密切相關(guān)，而洗脫峰的寬度則是反映了物質(zhì)在色譜柱內(nèi)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)以及兩相傳質(zhì)過程對(duì)柱效率的影響。
業(yè)已證明，影響塔板高度的因素有很多，包括支持體的性質(zhì)，顆粒大小，硅烷化的方法；支持體上固定相的負(fù)載量，體系的溫度，流動(dòng)相的流速，洗脫液的種類與濃度等等。盡管如此，目前對(duì)這方面的本質(zhì)認(rèn)識(shí)還很不深入，有關(guān)的研究工作有待繼續(xù)深入。不少文獻(xiàn)曾經(jīng)報(bào)道過有關(guān)塔板高度方面的資料，由于這些參數(shù)大多數(shù)不是在萃取分配系數(shù)恒定的條件下測(cè)得的，其可靠性值得懷疑。不過，有些數(shù)據(jù)在一些特定的萃取體系中或許是適用的，但是對(duì)于溫度，流速等具體實(shí)驗(yàn)條件必須嚴(yán)格控制，變化的范圍要小。
支持體性質(zhì)對(duì)于柱效率的影響是明顯的。經(jīng)過硅烷化處理過的硅膠或硅藻土上測(cè)得的理論塔板高度一般小于有機(jī)聚合物和纖維素支持體。而且硅烷化的方法與硅烷化試劑的用量對(duì)柱效率也有一定的影響。據(jù)報(bào)道，在用二氯二甲基硅烷處理支持體時(shí)，如果硅烷的用量過多，填充物的機(jī)械強(qiáng)度就會(huì)減弱，而且色譜帶還會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。支持體孔徑大小的影響也不可忽視。研究表明，當(dāng)硅膠的孔徑超過一定限度(～0.35埃)時(shí)，理論塔板高度與孔徑之間已無明顯聯(lián)系。據(jù)報(bào)道，硅藻土的塔板高度小于硅膠，其主要原因是兩者的平均孔徑存在差異。
理論塔板高度與支持體上萃取劑的負(fù)載量關(guān)系密切。當(dāng)支持體上固定相的負(fù)載是減小時(shí)，其相應(yīng)的再度變薄，從而加快了兩相間的平衡速度，理論塔板高度因此下降。原則上，萃取劑的負(fù)載量越小，板高就越小，柱的效率就越高。然而，萃取色譜柱中固定相的負(fù)載量大小直接關(guān)系到分離容量，過低的負(fù)載量會(huì)失去實(shí)用意義。因此，相應(yīng)于最小板高時(shí)支持體上最大的萃取劑負(fù)載量，即支持體重量與萃取劑負(fù)載量的最佳相對(duì)比值是一個(gè)很重要的參數(shù)。對(duì)于給定的支持體與萃取劑而言，這種最佳比值是存在的，而且可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。過大或過小的比值都是不適宜的。以硅膠上HDEHP的涂漬量為例，最佳的相對(duì)比值為0.6～0.8毫升HDEHP/克硅膠。支持體上HDEHP負(fù)載量對(duì)塔板高度的關(guān)系由圖7.12所示。
萃取劑的涂漬形式和方法對(duì)柱效率的關(guān)系也是值得注意的。有人發(fā)現(xiàn)，若將萃取劑溶解于易揮發(fā)的溶劑之中，由此溶液來代替純萃取劑涂于支持體上，當(dāng)溶液中萃取劑濃度達(dá)到某確定值時(shí)，理論塔板高度可降至最低值。當(dāng)然，例外的情況也是有的，同樣，萃取劑的涂漬方式也有講究。例如在疏水硅膠上涂漬HD-EHP時(shí)，若用HDEHP的氯仿溶液來涂漬，先在空氣中蒸發(fā)掉大部分溶劑，然后再用減壓蒸餾法除去殘留的氯仿。應(yīng)用這種方法制得的色譜柱，其理論塔板高度比常規(guī)滴加辦法制得的色譜柱的塔高要小得多，后者通常是將純HDEHP試劑滴加于硅烷化的硅膠上，不斷攪拌，直至溶劑完全揮發(fā)獲得干色譜粉為止。
理論塔板高度一般隨支持體顆粒的增大而增大，同時(shí)隨流動(dòng)相的流速加快而增大。支持體顆粒大小，流動(dòng)相的流速以及溫度對(duì)柱效率的關(guān)系可以用著名的VanDeemter方程來描述。
H=A+B/v+Cv (7.27）
式中A是色譜帶流動(dòng)的參數(shù)，它依賴于色譜柱的填充質(zhì)量與支持體顆粒的大小；B是縱向擴(kuò)散參數(shù)；C是傳質(zhì)參數(shù)，它決定于固定相和流動(dòng)相之間溶質(zhì)的萃取速度。
Horwitz等曾對(duì)Van Deemter公式在萃取色譜中的適用性作過驗(yàn)證。他們選用HDEHP作固定相，疏水性的硅藻土(Celite)作支持體，稀硝酸溶液為流動(dòng)相，考察了各種因素對(duì)Cm和Es洗脫效率的影響。如圖7.13所示，在25～75℃的溫度范圍內(nèi)，流速與塔板高度有良好的線性關(guān)系。這些事實(shí)表明，式(7.27)中的縱向擴(kuò)散參數(shù)的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)。同時(shí)，根據(jù)圖中直線的斜率可獲得傳質(zhì)參數(shù)C，C的數(shù)值與離子的種類和體系的溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，C隨溫度的上升而變小，因此，升溫有利于提高柱效率。若將上圖中的直線外推到流速等于零處，由截距可得流動(dòng)參數(shù)A。在上述的體系中，應(yīng)用同一支萃取色譜柱，測(cè)得Cm(Ⅲ)和Es(Ⅲ)的A值分別為0.16～0.26毫米和0.17～0.32毫米，兩個(gè)參數(shù)比較接近。這一事實(shí)說明，參數(shù)A主要決定于柱的填充質(zhì)量和支持體的顆粒大小。
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