（分析化学专业论文）毫米内径电色谱整体柱的制备及其性能研究.pdfVIP

中国科学技术大学博士论文 中文摘要 毫米内径电色谱整体柱的制备及其性能研究 本论文在综述和分析毛细管电色谱技术和研究进展的基础上，认识到：现有 毛细管电色谱一般采用5 0 1 0 0 岬石英毛细管填充分离柱，虽然能使热效应引起 的柱效下降大大减小，获得了很高的分离效率，但细小的分离柱内径同时也带来 了一些诸如柱容小、浓度检出限差等缺点。为了保持细口径毛细管电色谱的优点， 又能弥补其不足，本论文提出了毫米内径石英管电色谱分离的设想，系统探索了 毫米量级内径的整体柱在电色谱分离分析中应用的可行性。论文主要通过采用填 充石英砂和掺混微米级二氧化硅颗粒的硅酸钾甲酰胺的溶胶凝胶方法制备了 多种毫米内径的整体柱并用于电色谱分离，初步实现了与高效液相色谱分离效率 相近，但装置简单的毫米内径电色谱分析系统。 1 ，首先探索了在柱内填充直径1 5 0 um 左右石英砂颗粒的方法来克服由于 直径增大而造成的柱内热效应增大的影响，取得了很好的效果，成功实现了在 2 7m m 内径石英管中进行电色谱分离。改进了充石英砂整体柱制备过程中的干 燥方法，采用真空干燥，提高了填充石英砂整体柱的质量。应用溶胶- 凝胶法制 备了正、反相填充石英砂电色谱整体柱，使分离的重现性和分离效率均得到了提 高。 2 ，为了提高整体柱的比表面积，提出使用亚微米至微米级的二氧化硅球形 颗粒填充整体柱方法。首先，合成粒径相对较小的s i 0 2 颗粒，然后，将体积与 第一次制备时相同的正硅酸四乙脂( t e 0 s ) 和相应量的h 2 0 快速加入溶液里合 成粒径较大的s i 0 2 颗粒。运用这种快速、多次添加法，成功获得了粒径在 2 0 0 1 2 0 0n r n 且粒径分布均匀的亚微米和微米量级s i 0 2 球形颗粒。与其他人的 制备方法相比较，该法具有合成的s i 0 2 颗粒粒径可调节范围宽、合成速度快等 优点。 3 ，将合成二氧化硅球形颗粒填充入硅酸钾- 甲酰胺溶液中制备填充s i 0 2 颗粒 型整体柱。使用蒸汽浴进行热处理，有效地解决了整体柱在石英管内的收缩、开 裂现象。优化发展出了三种不同的制备程序方法：( 1 ) 利用蒸汽浴热处理法制备 填充s i 0 2 颗粒整体柱；( 2 ) 将s i 0 2 颗粒部分溶解后的蒸汽浴热处理法制备整体 柱：( 3 ) 用少量甲酰胺一硅酸钾溶液固定的填充s i 0 2 颗粒固定相整体柱。成功合 中国科学技术大学博士论文中文摘要 成了三种结构新颖的填充型整体柱，与非填充s i 0 2 干凝胶整体柱相比，比表面 积有了较大提高，孔结构更加均匀有序。将这三种整体柱用于电色谱分离均取得 了较好的分离效率和分离重现性。 n 中国科学技术大学博士论文 英文摘要 p r e p a r a t i o n a n dc h a r a c t e r i z a t i o no f e l e c t r o c h r o m a t o g r a p h i c m o n o l i t h i cc o l u m nw i t hs e v e r a lm m i m e t e r si n n e rd i a m e t e r a b s t r a c t o nm eb a s i so ft l l e p r i n c i p l eo fc 印i 1 1 a r ye l e c t r o c l l r o m a t o g r a p h y ( c e c ) a n d 血e d e v e l o p m e n to nm i sr e s e a r c hf i e l d ，w er e c o g i l i z e dt h a tt 1 1 ec e ct e c g n i q u e sc a ng e t h i g hs e p a r a t i o ne 伍c i e n c yb yd e c r e a s i n gt l l e j o u l eh e a te 任b c to ns 锄p l eb r o a d e i l i n g u s i n g5 0t o 1 0 0u mi n n e rd i a n l e t c rp a c k e dt u b ea ss e p a r a t i o nc o l u 舢，i ta l s ob r i n g sa d i s a d v a n t a g e s s u c ha sl i m i t e d s 锄p l el o a d a b i l i t y a n dr e s t r i c t e ( ic o n c e n 仃a t i o n d e t e c t a b i l i t y e t c s ow e b r o u g h t f o r w a r da ni d e at o c a n y o u tt 1 1 e e i e c 仃o c t i r o m a t o 掣a p h ys e p a r a t i o n b yu s i n g m o n o i i t t l i cc o l u i i l i l s谢t hs e v e r a l m i l l i m e t e r si n n e rd i 锄e t e ls e v e r a lt y p e so fm i l l i m e t e r si 衄e rd i a m e t e rm o n o l i t h i c c o l u m n sw e r ep r e p a r e d 谢t h 也et e c h n i q u eo fn 1 1 i n gl5 0 蝉lg r a n i l l 撕t yq u a n zs a n d o rs i 0 2 讲l n i c l e s 谢t ht 1 1 ed i 黝e t e ff b ms u b m i c r o m e t e rt om i c r o m e t e r j n t 0 t 1 1 e f 0 h n 眦i d e d o t a s s i u ms i l i c a t es o l “o n t h e s em o n o l i m i cc o l 眦n sw e r eu s e d f o r e l e c 仃o c h m m a t o g m p h i cs e p a r a t i o na n dn e a r l yt h es 锄es e p a r a t i o ne m c i e n c ya s i 1 1 h i 曲p e r f b 衄a n c e1 i q u i dc 1 1 r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) w a so b t a i n e d b u t 恤e q u i p m e n t u s e di nt h ee x p e r i m e n 乜w a sm u c hs i m p h t h a nt h eh p l c s 1 b yu s i n gad e s i g n e dp r e p a r a t i o n m e m o do fm o n o i i 也i cc o i u m n p a c k e d w i t l ll5 0 h m 矿a n u l a r i t yq u a n zs a n d ，t h ee 舵c to f j o u l eh e a t i n gc a nb er e d u c e d m o n o l i m i c c o l u m n sh a v i n g 也ei n n e rd i a m e t e ra sl a r g ea s2 7m m h 鲫eb e e nl l s c ds u c c e s s f u l 坶i i l e l e c t r o c h r o m a t o g m p h y t h eq u a l i t y o ft h em o n o l i m i cc 0 1 u n l n s h a sb e e n 细曲c r i m p r o v e db yd r y i n gc o l u m s u n d e rv a c u 啪m e t h o d t h er e v e r s e d _ p h 够em o n o i i n l i c c o l u m n sw e r ep r e p 盯e db yu s i n g a s o l _ g e lp r o c e s s t h er e p r o d u c i b i l n ya n ds e p 删i o n e m c i e n c yw e r ea l li m p r o v e db yu s 吣t l l e s ec o l 啪n sm o 倘e d 、i t ht h i sd e v e l 叩e d t e c h n o l o g y 2 1 n0 r d e rt oi l p r o v et h ee 僚c t i v e 叫f k e a r e ao ft h em o n o l 姒cc o l u r r l r l s ，s i 0 2 d a r t i d e sw i i h 也ed i 鲫1 e t c r b ms u b m i c r o r t e rt on l i c r 伽t c l ! w e r cu s c di i l s t e a do f i n 中国科学技术大学博士论文 英文摘要 m e q u a n zs a l l dt op r e p a r ean e wt y p eo fm o n o l i 血i cc 0 1 u n l n sn 锄e ds t a t i o n a r yf i x e d m o n 0 1 i t l l i cc o l u m n r e l a 虹v es m a l ls i l i c ap a n i c l e sw e r e p r e p a r e df i r s t l yt h e nt h et e o s a 1 1 d h 2 0h a v i n g s a m ev 0 1 u m ea sb e f o r ew e r ea d d e di m ot 1 1 e s 0 1 u t i o n t h u s 、 m o n o d i s p e r s e s i l i c a p 硎c l e s 、v i m 2 0 0 12 0 0n n ld i a m e t e rw e r ep r c p a r c d b ya m e t h o do fr e p e a tr a p i da d d i n g t h es u c c e s s f u lp r e p a r i s o no fm o n o - d i s p e r s es i l i c a p a n i c l e sh a v i n g d i 丘b r e md i 锄e t e rw a sa c h i e v e dw i t hm u c hl e s s c o m p l i c a t e d p r o c e s s e si nc o m p a r i s o n 、 r i t h o t l l e rf a b r i c a t i n gm e t l l o d s 3 m o n o l i t h i cc 0 1 u n l n sf i l l e dw i t ht h e s e m o n o d i 印e r s e s i l i c a p a n i c l e s w e r e p r e p a r e db ya d d i n g t l l e s es i l i c ap a n i c l e si n t op o t a s s i ms i l i c a t 卜f o m l a n l i d es o l u t i o n as t e 锄b a t l lp r e p a r a t i o nm e t h o dw a sa d o p t e dt oa v o i ds m l l k a g ea n dc r a c k b y v a r y i n gt l l ep r o c e d u r em r e et y p e s o fm o l l o l i 也i cc 0 1 u m n sw e r em a d eb yo p t i m a l p m c e d l l r e s ：t l l ef i r s t ，u s i n gas u s p e n d i n gs o l u t i o n a i l dt 1 1 ec o l u m nw a sh e a t e di ns t e 锄 b a t h ；t h es e c o n d ，u s i n gas u s p e n d i n gs o l u t i o nw i 出p a r t i a l l yd i s s 0 1 v e ds i l i c ap a n i c l e s a n dt h ec o l u m nw a sh e a t e di ns t e 锄b a m ；t h et h i r d ，p a c k i n gt h es i l i c ap a n i c l e si na s u s p e n d e ds o l u t i o ni n t ot h et u b eu s i n gv a c u u mp u m pf i f s t l ya n ds u b s e q u e n t l yh e a t e d i ns t e a mb a m c o m p a r e dt ot h em o n o l i t l l i cc 0 1 u 舢m a d eb y s i l i c ax e r o g e l 也en e 锕o r k o fi t st h f o u 酏p o r e sm a d eb yt h e s et h r e en e w m e t h o d sc h a l l g e di n t oe q u a b l ya n dm e s u r f a c ea r e ao ft l l em o n 0 1 i t h i cc o l u m nw a si m p r o v e da l s o t h er e p m d u c i b i l i t ya n d s e p a r a t i o ne 币c i e n c yw e r ea l lv e r yg o o db yu s i n gt h e s et l m e 帅e so fc 0 1 u m s a s s e d a r a t ec o l u mu 1 1 d e re l e c t m c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n m o d e ! 旦型兰垫查盔堂竖主塑! j l 苎二兰皇鱼堂墼墨查垦里墨茎堂垦 第一章电色谱的基本原理及其进展 1 1 引言 毛细管电色谱( c a p i l l a r y e 1 e c t r o c h r o m a t o g r 印h y ，c e c ) 是近年来迅速发展的 一种新兴的微分离技术。它可以在毛细管中填充色谱固定相( 成为填充柱电色谱， p a c k e dc 0 1 u m nc e c ，p c e c ) 、也可以在毛细管内壁键合或涂布色谱固定相( 成 为开管柱电色谱，o p e n t u b u l a rc o l u n m c e c ，o t - c e c ) 、还可以在毛细管内通过聚 合反应得到整体柱( 成为整体柱电色谱，m o n 0 1 i t l l i cc o l u r r mo rc o m i n u o u sb e d c o l u m nc e c ，m c e c ) 。各种毛细管电色谱均以电渗流( e l e c 的o s m o t i c 丑o w - e o f ) 为动力推动流动相通过色谱柱，使中性和带有电荷的样品分子能够根据它们在色 谱固定相和流动相间的吸附、分配平衡和电泳速率的不同而达到分离，是一种电 动分离模式 1 1 。 与毛细管区带电泳( c a p i l l a r y z o n e e l e c 们p h o r e s i sc z e ) 和胶束电动毛细管 色谱( m i c e l l a re l e c 们k i n e t i cc 印i l l a r yc h r o m a t o g r a p h ym e k c ) 等分离模式相似 之处，c e c 一般也采用内径为5 0 一1 0 0 岬的石英毛细管分离柱。与大管径柱相比 较，毛细管具有更大的面积体积比，在高电场下分离柱中产生的热量可以被及 时排出，柱内的径向温度梯度比较小，由热造成的区带展宽就小，因而具有很高 的分离效率。 与传统的高效液相色谱( h i 曲p e r f b m a l l c el i q u i dc 1 1 r o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 分离方法相比较，c e c 具有明显的优点： ( 1 )在h p l c 中，压力与填充颗粒直径的平方成正比，与柱长成反比。因 此，为了避免使用过高压力，h p l c 采用的填充颗粒，粒径最小只能为 3 5u m ，柱长也限制在2 5c m 以内。这就在很大程度上限制了h p l c 分离性能的提高。而c e c 采用电渗流驱动流动相，电渗流流速与柱中 填充颗粒的粒径无关，因而可以采用更小粒径的固定相、更长的色谱 柱进行分离分析。 ( 2 )在c e c 中电渗流流型为平面型( p l u 叫i k ef l o w ) ，与h p l c 压力流的抛 ! 旦型兰燮查兰坠鲨塞 苎二兰皇鱼堂塑苎奎墨堡墨茎堂垦 物面流型相比较，由涡流扩散引起的柱效降低大为减小。如果采用相 同粒径的色谱固定相，c e c 的柱效比h p l c 高出1 2 倍。 ( 3 ) 在c e c 的分离过程中，由于电泳和分配机理的同时作用，使得它既适 合于离子化合物分离，又适合于中性化合物的分离。 1 2 c e c 的发展历史 最早于1 9 3 9 年报导s t r a i n 在色谱分离中运用了e o f 【2 】，并初步认识到了电 泳和电色谱之问的差异。2 0 世纪5 0 年代时，m o u l d 和s y n g e 利用e o f 推动流 动相经过薄层液相色谱，成功的进行了多糖分离 3 】。 19 7 4 年，p r e t o r i u s 等人首次运用e o f 推动流动相经过1 m m 内径填充色谱柱， 显示出以e o f 代替压力流作为推动力进行分离的巨大优势【4 】。这也是首次报导 使用c e c 这一技术，然而可惜的是，他们的工作在当时并未引起注意。 到了1 9 8 1 年，j o 娼e n s o n 和l u k a c s 在1 7 0h m 内径的毛细管中填充了1 0 肚m 粒径的p a n i s i lo d s 一2 固定相，在电场作用下成功分离了9 甲基葸和芘，获得了 3 10 0 0 理论塔板数米的柱效【5 。他们的工作立即受到了人们的注意，大批原来 从事色谱工作的科技工作者迅速投入到这一领域，c e c 从此获得了快速发展。 1 9 8 2 年，t s u d a 首次实现了在内壁涂层的空管中进行毛细管电色谱分离，这 是最早的o t c e c 方面的工作 6 。 1 9 8 7 年和1 9 8 8 年，k n o x 和g r a n t 对c e c 中的一些基本理论问题进行了研 究 7 ，8 。 1 9 9 0 年，t s u d a 等人实现了c e c 的连续进样【9 】。 1 9 9 1 年，k n o x 和g r a n t 进一步从理论上讨论了填料粒径大小和流动相中电 解质浓度与e o f 流速以及柱效之间的关系【1 0 。 同年，p f b 腩r 和y e i l l l g 利用c e c 分离了电迁移行为十分相近的氨基萘磺酸 类化合物，并与h p c e 和h p l c 的分离结果进行了比较，显示出c e c 在分离方 面的巨大优势【1 l 】。 1 9 9 2 年，m a y c r 等人首次在o t c e c 上实现了抗感染类药物的对映体的拆分 【1 2 1 。 2 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 1 9 9 3 年，l i 等人利用a 酸性糖蛋白作为固定相在p c e c 中实现了手性化合 物的分离【1 3 】。 1 9 9 4 年，s m i t h 和e v a l l s 分别采用1 5 “m 和3 肛m 粒径的0 d s ( h y p e r s i lc i 8 ) 【1 4 】 及3 m 的s c x ( s t r o n gc a t i o n e x c h a n g e ) 【1 5 固定相进行了药物分离，获得了 o 9 2 及0 0 4u m 的折合塔板高度。显示出c e c 在药物产业方面应用的巨大潜力。 1 9 9 5 年，l o r d 1 6 和b a y e r 1 7 这两个研究小组分别发展了c e c 一质谱 ( m a s s s p e c t r o m e t 阱m s ) 联用技术。 在这一年，f u j i m o t o 等人首次制备了有机聚合物m - c e c 分离柱【1 8 。 1 9 9 6 年，1 ) f 孤等人利用双电源实现了电渗流驱动下的流动相梯度洗脱，成功 分离了1 6 种多环芳烃 1 9 。 从1 9 9 7 年到2 0 0 2 年，h o r v a m 等人发表了一系列文章，对c e c 的动力学进 行了系统的研究，考察了p c e c 中填充部分和空管部分不同的电导和e o f 速度 对c e c 分离过程的影响【2 2 7 】。 1 9 9 8 年，s t e a d 等人发展了c e c 柱上浓缩技术，并用于血浆中甾类化合物 的分析 2 8 】。 同样在这一年，b a y e r 研究小组首次实现了c e c 与核磁共振( n u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e ，n m r ) 的联用 2 9 。 1 3c e c 仪器装置 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc e c i n s 饥吼e n t 限印r i n t e d 疗o mr e 【3 0 】) ! 旦型兰茎查奎兰堕主垒塞 苎= 主皇鱼堂竺董查堕翌墨茎鲎星 f i g 1 1 为c e c 的仪器装置原理图。这和常见的h p c e 仪器类似，事实上， 许多c e c 仪器也就是从h p c e 仪器改装而来。这些装置主要包括：毛细管色谱 柱、压力或电动进样装置、检测器、高压电源。 1 4 1 双电层 1 4 c e c 的基本原理 o o o 置 | t 兰e o f 旨 自 ab f i g 1 2 ( a ) r e p r e s e n t a t i o no f t l l es u r f k e o ff i l s e ds i l i c ac o l 眦n ( b ) f o r m a t i o no fa 1 1 e l e c t r i c a ld o u b l e1 a y e rn e a rt h es u r f a c eo ff h s e ds i l i c ac o l 啪n ( m o d i f i e df r o mr e f 3 1 ) 双电层是浸入电解液中所有物体表面都具备的一种特性结构【3 2 】。当物体 浸入电解液时，由于表面的离子化或与液体中的离子相互作用，物体表面会获得 一定的表面电荷。对于常见的石英毛细管表面( 在以下讨论中涉及到的毛细管和 填充固定相，如无特别说明，均指以二氧化硅为基的材料) ，离子化的硅羟基会 使它的表面带上负电荷，如f i g1 2 中a 所示。在这一负电荷表面的影响下，石 英毛细管表面附近的带正电荷的离子会被吸附到其表面以保持电荷平衡。同时， 与石英毛细管表面带相同电荷的离子则被排斥到与其壁面相距较远的地方。这 4 一le亭斗显一一爵：u若叽葛mtl函 一甫譬冒暑导u g鲁pari 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 样，如f i g1 2 中b 所示的双电层就形成了。描述这一双电层模型的理论被称之 为改良的g o u y - c h a p m a i l 模型( m o d m e dv e r s i o no fg o u y c l l a p m a nm o d e l ) 。在 g o u y c h a p m a l l 模型中，吸附到石英毛细管表面的反离子形成的薄层又被分为相 连的三层。第一层为s t e m 层；在s t e m 层中阳离子及其水合层与石英毛细管表 面紧密接触，不会随电渗流流动。第二层为g o u y c h a p m a n 层；g o u y c h a p m a n 层中存在着大量阳离子，又被称之为紧密层( c o m p a c tl a y e r ) 。第三层为扩散层； 在扩散层中，过量的阳离子的数目迅速下降，直到与缓冲液中的离子达到离子平 衡为止。 在g o u y c h 印m a n 模型中，二、三层的交界面被称之为剪切面( s u 如c eo f s h e a r ) 。剪切面上的电势大小被定义为z e t a 电势( f p o t e 埘a 1 ) 。从剪切面向扩散 层去，电势大小迅速下降为o 。在扩散层中，电势降为的地方与剪切面的距 离称之为双电层厚度( 6 ) 。z e t a 电势与双电层厚度存在以下关系 3 3 】： f ：旦( 1 1 ) s 庐r 式中盯为剪切面电荷密度，氏为真空介电常数( 8 8 5 1 0 _ 1 2c 2 肌2 ) ，占，为 相对介电常数或介质介电常数。对于c 1 8 衍生的颗粒，它的z e f a 电势为0 ( p h 2 ) 6 0 m v ( p h1 0 ) 【3 4 】。 双电层的厚度则与占，和电解液的离子强度朋亨关【3 5 】： 万- ( 筹 “5 m z ， 式中r 为气体常数( 8 3 1 4 k ) ，r 为绝对温度，f 为法拉第常量( 9 6 5 0 0 c 删d ，) 。 1 4 2 电渗和电渗流 在上面所介绍的双电层中，当在石英毛细管两端施加一定电场强度的情况 下，在扩散层中的溶剂化的阳离子就会带着它们周围的任何液体一同向阴极方向 运动。这一过程就称为电渗( e l e c 虹d o s m o s i s ) ，由此产生的液体流动则称为e o f 。 e o f 流速( “。o ，) 可以表达为h e l m h o l t z _ s m o l u c h o w s k i 公式： ! 至塑兰量垄盔兰苎圭堕苎 兰二童皇鱼堂堕苎查堡望墨茎鲎星 = 警矿e ( 1 3 ) 式中叩为电解液的粘度，矿为电压，上为c e c 柱长，f 为所施加的场强，。为 电渗淌度( e o fm o b i i 耐) 。 与压力驱动形成的抛物面型压力流相比，e o f 流型是平面型的，这也正是 c e c 比h p l c 具有更高柱效的重要原因。f 唔1 3 显示出了这种流型的区别。 f i g 1 3 i m a g e so tap r e s s u r e d r i v e n ( a ) a n de i e c t r o k i n e t i c a i i yd r i v e nn o w ( b ) c o n d i t i o n s ：( a ) f l o wt h r o u g h a no p e n10 0 “mi d f u s e ds i l i c ac a p i l l a r yu s i n gac a g e d n u o r e s c e i nd e x t r 锄d y ea n dp r e s s u r ed 酶r c n c eo f5c mh 2 0p e r6 0c mc 0 1 u n l n1 e n g t h v i e w e dr e g i o n1 0 0b y2 0 0 炉；( b ) f l o wt 1 1 r o u g ha 1 1o p e n7 5 脚i d f u s e ds i l i c a c 印m a r yu s i n gac a g e dr h o d 唧i n ed y e ；a p p l i e dn e l d2 0 0v ，c m ，v i e 、v e dr e g i o n7 5b y l8 8 斗m t h e 疔a m e sa r en u h l b e r e di nm i l l i s e c o n d sa sm e 船u r e df r o mt l l eu n c a g i n g e v e n t ( r e p r i m e d 舶mr e f 【3 6 ) 6 ! 旦型兰茎查奎兰苎主塑 苎二兰皇鱼堕塑苎查堕里墨苎苎星 1 4 3 电泳 带有正或负电荷的离子在电场中会向相应的阴和阳极运动，这种离子迁移的 现象称为电泳。离子化合物的电泳迁移速率可由下式表示： 铲篇= 等碣e 。， 式中，q ，为荷电粒子所带的净电荷，为表观液体动力学半径，。为电泳淌度。 在电场作用下，e o f 和阴、阳离子在柱内的迁移方向如f i g 1 4 所示。 f i g 1 4 d i 丘e r e n t i a l s o l u t el i l i 蝉t i o ni 1 1ac o l u ml l l l d e rav o l t a g eg r a d i e m ( r e p r i n t e d 丘o mr e f 3 7 】) 1 5 影响电渗流的一些参数 7 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 e o f 是c e c 分离的驱动力，同时，e o f 速度在整个分离过程中具有良好的 稳定性才会获得好的重复性，因此e o f 是c e c 中很重要的一个参数。为了获得 较快的分离速度和良好的分离重现性，我们有必要详细讨论一下在c e c 分离中 会对e o f 大小产生影响的一些参数。 1 5 1c e c 柱中填充部分和空管部分对e o f 流速的影响 c e c 中的分离柱一般分为填充部分和空管部分。填充部分中的毛细管壁和 填充颗粒的表面都存在双电层，在一定的电场作用下，它们的表面都会有电渗流 产生，如f i 昏1 5 所示。填充部分的电渗流主要由颗粒表面产生，而不是在毛 细管壁面【3 8 4 1 】。在相同条件下，填充柱中的e o f 流速会小于开管柱中的e o f 流速，这是由填充柱中流体通道与所施加电场的非平行性和填充颗粒存在内空隙 这两种因素共同影响造成的，这两者的影响使得填充c e c 柱中的e o f 流速只有 开管柱中的4 0 6 0 【1 0 】。b a r t l e 等人研究了在c e c 柱中填充部分和空管部分长 度对e o f 的影响。他们发现，在极端的p h 条件下( p h = 2 9 和1 0 5 ) ，e o f 流速 随填充部分长度的减小而降低；在比较温和的p h 条件下( p h = 7 5 ) ，e o f 流速随 填充部分长度的改变变化不大 4 2 。 f i g 1 5 s c h e m a t i cd j a g r a mi 1 1 u s 锄t i o n o fe l e c 们c a ld o u b l e1 a y e rs u 芏t o i h l d i n g s t a t i o n a r yp h a s ep a n i c l e s 8 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 1 5 2 填充颗粒粒径对e o f 流型及流速的影响 在c e c 分离过程中，e o f 的主体流型为平面型，在双电层中则为抛物线型。 f i g 1 6 显示了在不同内径石英管与双电层厚度比下b o f 的流型。由图可见， 在流体通道内径远大于双电层厚度的情况下，e o f 流型基本为平面型。随着流 体通道内径的下降，e o f 流型逐步向抛物面形状改变，当流体通道内径等于双 电层厚度时，e o f 流型则完全转变为抛物面形状。 u v 。 1 0 0 8 o 6 0 4 0 2 0 o f i g 1 6 v e l o c i t yp r o f i l e s 矗d m t h em c ea n dw h i t e h e a d 仃e 釉e mw h e r ed o u b l el a y e r o v e r l a po c c u r s ：r 肠i st h e 矗a c t i o n a ld i s t a i l c e 丘d m t h ec o l m n c e n t e r ( ，口= oa t t t l e c e n t e r ，r a = la tt h e 啪1 1 ) t h e r a t i oo f 州占i ss h o 啪o ne a c hl i n c ( r 印r i n t e d 如m r e f 【7 】) 对于填充柱而言，流体通道应为填充颗粒之间的间隙，根据k 且o x 等人的估算， 流体通道的内径约为填充颗粒直径的l 4 【7 】。因此，基于m c e 和w h i t e h e a d 的 工作【4 3 】，只有当d = 2 0 占，即占2 0 时，填充柱中的e o f 流速才会明显下降a 9 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 在常见的电色谱分离条件下，双电层的厚度6 为1 1 0 姗。这样，为保证e o f 流速 不明显下降，填充颗粒的最小直径可为o 0 8 0 8 “m 。k n 0 x 和g r a m 系统地研究 了c e c 中填充颗粒直径( 1 5 5 0 m ) 对e o f 流速和流型的影响，结果表明，即 使使用1 5 肛m 颗粒作为填充固定相，也不会对e o f 流速和流型产生什么影响 1 0 】。a d a n l 等人研究了以直径为0 2 3 肛m 颗粒作为填充固定相对e o f 流速和流 型的影响，结果表明，当填充颗粒粒径降到惊人的o 2 “m 时，也未对e o f 的流 速和流型产生什么影响 4 4 】。这再一次验证了理论预测。 1 5 3c e c 柱两端施加的电压对e o f 流速的影响 由e q 1 3 ，“。与柱两端所施加的电压成正比。因此一般来说，电压越高， “。越大。但事实上，为了获得大的“。柱两端电压并非越高越好，因为在电色 谱中存在着自加热效应 7 1 ，过高的电压将使c e c 柱内生成过多的热量，这些 热量一方面会使e o f 的流型由平面型转变为抛物面型；另一方面也可能会造成 柱内产生大量气泡，严重时甚至电流会中断 1 0 】。因此，虽然也有人报道使用 过高达9 0k v 的电压【4 5 】，但在c e c 中所使用的分离电压一般为2 0 3 0 k v 。 1 5 4 缓冲液p h 值对e o f 流速的影响 由e q 1 3 ，“吖与颗粒表面的( 有关。e q 1 1 则表明的大小与颗粒表面 所带电荷有关。对于用s i 0 2 材料制备的固定相颗粒来说，它表面的硅羟基数目 与p h 值有着密切的联系，一般是随着p h 值的增大而增大。因此，“。0 ，一般来 说是随着p h 的增大而提高的，正如f i g 1 7 所示。 l o 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 f i g 1 7 d e p e n d e n c eo f e o f l i n e a rv e l o c i t yo n p h i nc e c u t i l i z i n go d s l ( ) a n d s i l i c a ( o ) c 0 1 u m s t h ee l e c 仃0 1 y t es 0 1 u t i o n h a st h ei o n i cs 仃e n g t l lo f1 0r n m o l l 趾d c o m a i n s7 0 a c e t o n i t r i l e ( m o d m e d 丘o mr e f _ 4 2 】) 1 5 5 缓冲液组成对e o f 流速的影响 由e q 1 3 和t a b l e1 1 ，可以预见到随着缓冲液中有机组份的增加，“。d ，将 先降将后升。f i g 1 8 证实了这一点。 t a b l e1 1 p r e d i c t e dr a t i oo fp e 肌i t t i v i t yt ov i s c o s i t y ，占，向( c p 。1 ) f o rs 0 1 v e 州啪t e r m i x t u r e sa t2 5 s 0 1 v e n t a c e t o n e a c e t o n i m l e ( a c n ) m e t h a n o l ( m e o h ) o 8 8 8 8 8 8 p r o p a n - 2 - 0 1 8 8 5 0l o o 2 36 8 7 51 0 5 3 76 0 1 57 i _ h 基t o皇鲁uo净鲁瘩ri 中国科学技术大学博士论文 第一章电色谱的基本原理及其进展 2 0 _1 8 q 一 1 b 迨1 4 “莲1 2 莲 1 d o 过e 6 5 06 07 0 o r g 鼎i c 彤 y 、) i ne l e c t 阳b 堆e f i g 1 - 8 e 虢c to f o 唱a 1 1 i c s o l v e n tc o n c e n t r a t i o no ne o fm o b i l i 哆( 一= a c e t o n e p h o s p h a t eb u 虢ra s m o b i l ep h a s e ，= a c e t o n i t r i l e 。p h o s p h a t eb u 舵ra s m o b i l ep h a s e ) ( m o d i f i e df 而mr e f 4 6 ) 1 5 6 缓冲液的离子强度对e o f 流速的影响 由e q 1 1 和e q 1 2 ，“。0 ，。cj “5 ，因此“。矿将随离子强度i 的减小而增大。 但是，对于使用表面多孔的材料作为填充固定相的c e c 柱，当i 减小到一定程 度时，小孔内将出现双电层叠加现象，这时，甜。0 ，反而会有所下降，正如f j g 1 9 - 所示。 1 2 ! 旦型堂垫查盔兰苎主笙l 苎二童塞鱼堂笪苎查堕矍墨苎望垦 ( 172 0 扎j cs r e 托g h ) o 5 f i g - 1 9 e 恐c to fi o n i cs 仃e n g t ho ne o f b y u s i n gm ec o l u m n sp a c k e d 、v i t l ld i 虢r e m p a r t i c l es i z ea n dp o r o s i t y t h ec e cc 0 1 u m ss t i l d i e dw e r e3 ( ) ，5 ( o ) a n d1 0 ( + ) 肛m 0 d s l 谢t l l8 m p o r es i z e ，a n d5 岬0 d s lw 油3 0 1 1 i i l p o r es i z e ( ) ( m o d i f i e d f r o mr e f 4 2 】) 1 6c e c 中的谱带展宽 c e c 中，多种过程会造成谱带展宽，主要包括：涡流扩散( e d d y d i f 扎s i o n ) ， 轴向分子扩散( a x i a l m o l e c u l u a r d i f m s i o n ) ，溶质在流动相与固定相之间的传质阻 力( r e s i s t a i l c et om a s st r a i l s f e ri nt 1 1 em o b i l ep h a s ea n ds 诅t i o n a r yp h 船e s ) 等。 c e c 中谱带展宽可采用色谱分离的方法表征，二者的展宽过程从原理上来 说是完全相同的【1 。在色谱中，理论塔板高度h 可按下式表达： h = 专= 等 m s ， 式中l 为色谱柱长度，n 为理论塔板数，盯，为迁移谱带展宽，t 为谱峰的迁移时 间。 在填充柱色谱分离过程中，涡流扩散，轴向分子扩散和溶质在流动相与固定 相之间的传质阻力对理论塔板高度的贡献可用以下的半经验公式表示【4 7 ，4 8 ： ! 堡型! 燮查