硅胶基质分离材料讲义

1、硅胶基质分离材料硅胶组成和结构硅胶（硅胶（Silica Gel）是一种高活性吸附材料，通常是用）是一种高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应并经老化、酸泡等一系列后处理过硅酸钠和硫酸反应并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。程而制得。硅胶属非晶态物质，其化学分子式为硅胶属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2.nH2O。硅胶的化学成分主要是硅胶的化学成分主要是SiO2，SiO键的键长为键的键长为0.162nm，低于氧分子共价半径，低于氧分子共价半径0.192nm, SiO键稳定键稳定性相对高的原因性相对高的原因.SiO24-和和SiO46-是形成硅胶三维框架结构的基本单元是形成硅胶三维框架结

2、构的基本单元.具有多孔的无定形结构不产生任何具有多孔的无定形结构不产生任何X 射线衍射。射线衍射。不溶于水和任何溶剂，无毒无昧，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸不溶于水和任何溶剂，无毒无昧，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。外不与任何物质发生反应。特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度、容易控制的孔结构比表面积和专一的表面化学反应等。度、容易控制的孔结构比表面积和专一的表面化学反应等。常用的常用的5微米粒径、微米粒径、60-100埃孔径的硅胶，可以承受埃孔径的硅胶，可以承受60-70MPa的操作的操作

3、压力，而压力，而300-1000埃孔径的硅胶可以承受埃孔径的硅胶可以承受30MPa的操作压力。的操作压力。硅胶的表面存在着硅醇基团硅胶的表面存在着硅醇基团(Si-OH)和暴露的硅氧烷键和暴露的硅氧烷键(Si-O-Si)硅醇硅醇基团是强吸附的极性基团，而硅氧烷键是疏水基团。基团是强吸附的极性基团，而硅氧烷键是疏水基团。硅氧烷键中氧原子上的孤对电子参与硅氧烷键中氧原子上的孤对电子参与作用，不能参与给体与受体间作用，不能参与给体与受体间的相互作用，不能形成氢键。的相互作用，不能形成氢键。硅胶表面含有丰富的硅羟基，是硅胶进行表面化学键合和改性的基硅胶表面含有丰富的硅羟基，是硅胶进行表面化学键合和改性的

4、基础。础。硅胶的性质硅羟基的分类：自由型、邻位型、孪位型、氢键结合水型。硅羟基的分类：自由型、邻位型、孪位型、氢键结合水型。不同类型的硅羟基具有不同的浓度，不同类型的硅羟基具有不同的浓度，硅羟基含量的测定方法有同位素交硅羟基含量的测定方法有同位素交换法滴定法光谱法和烷基铝法等。换法滴定法光谱法和烷基铝法等。根据同位素交换方法测定硅胶表面硅羟基总浓度为根据同位素交换方法测定硅胶表面硅羟基总浓度为8.08.01.01.0mol/mmol/m2 2. .照晶体点阵计算照晶体点阵计算, ,硅胶表面羟基数目是硅胶表面羟基数目是8 8个个/nm/nm2 2, , 但用化学方法测定的羟但用化学方法测定的羟基

5、数一般认为是基数一般认为是5 5个个/nm/nm2 2。不同类型的硅羟基具有不同的反应活性，不同类型的硅羟基具有不同的反应活性，对表面键合有利的是自由型和对表面键合有利的是自由型和邻位型邻位型。硅羟基的性质硅胶的孔结构多孔硅胶的孔结构是由组成硅胶的胶态多孔硅胶的孔结构是由组成硅胶的胶态SiO2质点的大小及其堆积质点的大小及其堆积方式决定的。方式决定的。孔结构归纳为不同的类型孔结构归纳为不同的类型,如如:杯形、瓶形、裂缝形等杯形、瓶形、裂缝形等,它们必须是它们必须是开放孔开放孔,闭孔对分离是没有贡献的。闭孔对分离是没有贡献的。平均孔径平均孔径,实际上是个统计的、平均的概念实际上是个统计的、平均的

6、概念,即指累积孔径分布曲线即指累积孔径分布曲线50 %处的平均孔径。处的平均孔径。平均孔径为平均孔径为6 nm 的硅胶的硅胶,其比表面积约为其比表面积约为300 m2/ g400 m2/ g ;平平均孔径为均孔径为30 nm 的硅胶的硅胶,其比表面积约为其比表面积约为100 m2/ g 。比表面积随平。比表面积随平均孔径的增大而减小。均孔径的增大而减小。硅胶固定相早期：早期：无定型硅胶颗粒无定型硅胶颗粒 100 100 umum、传质传质速度慢、速度慢、色谱柱色谱柱效率低效率低中期：中期：薄壳型硅胶薄壳型硅胶固定相固定相 玻璃珠玻璃珠涂布硅胶微粒层涂布硅胶微粒层, , 表面形成一层仅仅表面形成

7、一层仅仅1 1 3 3 m m厚的薄层厚的薄层 30-40 30-40 umum、孔径孔径均一均一渗透性好，溶质扩散快渗透性好，溶质扩散快 高效、高效、分离分离快速，但快速，但样品负载量少样品负载量少后期后期：全多孔微粒固定相：全多孔微粒固定相 10最优化的塔板数HC 项（传质）B 项（轴向扩散）HETP PLATESA 项项 + B 项项 + C项项van Deemter曲线的提示 颗粒度越小柱效越高颗粒度越小柱效越高 颗粒度控制着分离的质量颗粒度控制着分离的质量 更小的颗粒度：更小的颗粒度： 使最高柱效点向更高线速使最高柱效点向更高线速度方向移动度方向移动 有更宽的线速度范围有更宽的线速度

8、范围 降低颗粒度不但可以增加柱降低颗粒度不但可以增加柱效，同时也增加分离速度效，同时也增加分离速度van Deemter 曲线的挑战曲线的挑战如果填料的颗粒继续演变如果填料的颗粒继续演变更小的颗粒度Linear velocity(u,mm/sec)硅胶的分离机理主要是吸附色谱和分配色谱分离机理主要是吸附色谱和分配色谱分离机理吸附色谱吸附色谱, 以吸附剂作固定相，基于溶质在固定相活性表面的吸附亲和力以吸附剂作固定相，基于溶质在固定相活性表面的吸附亲和力达到分离的液相色谱方法。达到分离的液相色谱方法。分配色谱分配色谱, 基于样品组分在固定相中的溶解度的不同而产生保留和分离的基于样品组分在固定相中的

9、溶解度的不同而产生保留和分离的色谱模式。色谱模式。硅胶是一种酸性吸附剂，硅胶是一种酸性吸附剂，pKa 值是值是7.1，适用于中性或酸性成分的分离。，适用于中性或酸性成分的分离。硅胶是一种弱酸性阳离子交换剂，其表面上的硅醇基能释放弱酸性的氢离硅胶是一种弱酸性阳离子交换剂，其表面上的硅醇基能释放弱酸性的氢离子，当遇到较强的碱注化台物，则可因离子交换反应而吸附碱性化合物。子，当遇到较强的碱注化台物，则可因离子交换反应而吸附碱性化合物。构成柱层析胶体骨架的构成柱层析胶体骨架的SiO2呈硅氧四面体结合，原子间的力场是呈硅氧四面体结合，原子间的力场是平衡的。硅胶粒子内部孔隙的表面结构与形成的骨架内部结构不

10、同，表平衡的。硅胶粒子内部孔隙的表面结构与形成的骨架内部结构不同，表面的硅原子与胶体所含的结构水形成硅醇基，这种结构的不平衡性使硅面的硅原子与胶体所含的结构水形成硅醇基，这种结构的不平衡性使硅胶的表面产生自由力场，即对水分子或其他极性分子有吸附能力，被吸胶的表面产生自由力场，即对水分子或其他极性分子有吸附能力，被吸附物质因分子极性强弱不同，胶体粒子表面对其表现的吸附力大小有不附物质因分子极性强弱不同，胶体粒子表面对其表现的吸附力大小有不同程度的差别。由于这方面原因，硅胶对不同物质的混合物的吸附具有同程度的差别。由于这方面原因，硅胶对不同物质的混合物的吸附具有选择性。当分子极性较强的物质组份通过

11、硅胶表面时，与硅胶产生的吸选择性。当分子极性较强的物质组份通过硅胶表面时，与硅胶产生的吸附力也较强，该物质组份在硅胶表面的保留时间较长；相反，分子极性附力也较强，该物质组份在硅胶表面的保留时间较长；相反，分子极性较弱的组份，其保留时间较短。故不同物质的混合物因在通过硅胶过程较弱的组份，其保留时间较短。故不同物质的混合物因在通过硅胶过程中因保留时间的差别而得到分离。中因保留时间的差别而得到分离。吸附色谱分离机理分配色谱分离机理溶剂基于在两相之间的相对溶解度而分离，相似相溶溶剂基于在两相之间的相对溶解度而分离，相似相溶保留时间长的物质与固定相亲和力较强保留时间长的物质与固定相亲和力较强两种基本操作

12、模式两种基本操作模式：极性固定相、非极性流动相极性固定相、非极性流动相：非极性固定相、极性流动相非极性固定相、极性流动相硅胶中含水量硅胶中含水量17%,17%,吸附力极弱不能用作为吸附剂，但可作为分配吸附力极弱不能用作为吸附剂，但可作为分配层析中的支持剂。层析中的支持剂。 样品成分在流动相和固定相之间的分布样品成分在流动相和固定相之间的分布 样品由流动相带动通过色谱柱样品由流动相带动通过色谱柱 其成分与固定相的作用有强有弱其成分与固定相的作用有强有弱 移动速度有快有慢，造成分离移动速度有快有慢，造成分离分配系数分配系数 KD KD1 = Xs / Xm KD2 = Ys / Ym KD2 KD

13、1 ，所以所以 Y 先洗脱出来先洗脱出来正相与反相分离通用通用HPLCHPLC硅胶固定相硅胶固定相 1)基质材料 细粒度（3，5，10 m ）、 均匀、球形、高纯度的SiO2 I 硅酸钠（水玻璃）-制SiO2 凝胶 II 四乙氧基硅烷Sol-gel技术制超纯硅胶 通用HPLC固定相填料通用通用LCLC固定相固定相硅胶固定相的缺点 硅质填料一般只能在硅质填料一般只能在pH 2pH 27 7 的流动相条件下的流动相条件下使用使用. . 碱度过大碱度过大, ,特别是当季铵离子存在时特别是当季铵离子存在时, ,硅胶易于硅胶易于粉碎溶解粉碎溶解. . 酸度过大酸度过大, ,连接有机基团的化学键容易断裂连

14、接有机基团的化学键容易断裂. . 碱性化合物在固定相上拖尾比较严重，甚至产碱性化合物在固定相上拖尾比较严重，甚至产生不可逆吸附生不可逆吸附.硅胶固定相的化学修饰涂层法，附着强度不佳涂层法，附着强度不佳, ,难以耐受较长时间的反复使用难以耐受较长时间的反复使用, ,且柱效亦不高且柱效亦不高整体修饰，利用具有不同官能团的卤代硅烷或烷氧基硅整体修饰，利用具有不同官能团的卤代硅烷或烷氧基硅烷的水解、缩聚反应烷的水解、缩聚反应, ,直接制出空间交联型、含不同烷直接制出空间交联型、含不同烷基的硅胶，比通过涂层法改进硅胶的表面性质要稳定。基的硅胶，比通过涂层法改进硅胶的表面性质要稳定。表面硅羟基的化学修饰表

15、面硅羟基的化学修饰 硅烷化单分子层覆盖硅烷化单分子层覆盖 硅烷化偶联剂进一步衍生硅烷化偶联剂进一步衍生 硅氢加成反应硅氢加成反应 聚合物复盖聚合物复盖硅胶固体表面化学修饰OOSiOEtSiO2OOSiOEtNH2SiO2OOSiOEtCNSiO2OOSiOEtOSiO2OHOH通用LC固定相通用LC固定相封尾作用封尾作用SiSiSiOOSiSiOHSiOSiR1R2水平聚合作用水平聚合作用S iS iS iOOS iS iS iOS iS iOS iOS iOOOOOO通用通用LCLC固定相固定相通用通用LCLC固定相固定相聚合物涂敷聚合物涂敷SiSiSiOSiSiOOSiOOHOHPOLYM

16、 ER空间位阻作用空间位阻作用S iS iS iOS iO HS iO HOS i通用通用LCLC固定相固定相通用通用LCLC固定相固定相SiSiOSiOHSiOSiC18C18双齿键合固定相双齿键合固定相包埋极性集团反相固定相包埋极性集团反相固定相S iS iS iOS iO HS iOS iOS iN HN HC OC ON H2通用通用LCLC固定相固定相氧化物表面化学修饰氧化物表面化学修饰X1: -Cl、-OCH3、-OC2H5; X2: -Cl、-OCH3、-OC2H5、-CH3、-i-C3H7、-t-C4H9等等R可以是各种烷基（如可以是各种烷基（如C18, C8, C4, C1）

17、,-C6H5, -CH2CH2CN, -CH2CH2CH2NH2, -CH2CH2NO2, -C6H4SO-3, -C6H4N(CH3)3等。如等。如此，制得相应的烷基，苯基，氰基，氨基，硝基等离子交换键合此，制得相应的烷基，苯基，氰基，氨基，硝基等离子交换键合相。相。Si-OH + SiX2RX1X2SiRSiO1.表面硅烷化处理表面硅烷化处理 单分子层覆盖单分子层覆盖氧化物表面化学修饰2.硅胶硅胶 + 活性硅烷活性硅烷 + 偶联剂，进一步表面衍生化偶联剂，进一步表面衍生化 氨丙基三乙氧基硅胶氨丙基三乙氧基硅胶 （aminopropyltriethoxysilane,KH-550） 缩甘油氧

18、丙基三乙氧基硅胶缩甘油氧丙基三乙氧基硅胶 （3-glycidopropyltriethoxysilane,KH-560）是常用）是常用的活化硅烷的活化硅烷 氧化物表面化学修饰3.硅氢加成反应硅氢加成反应Si-O-Si-CSi-O-Si-C键型的，这仍然是个水解不稳定的结构，特别是在较强键型的，这仍然是个水解不稳定的结构，特别是在较强的酸性和碱性条件下。利用氢代硅胶（的酸性和碱性条件下。利用氢代硅胶（Si Si-H-H）与带末端双键的）与带末端双键的链烯烃易发生链烯烃易发生“氢硅化反应氢硅化反应”： 得到得到Si Si-C -C 键结构的键合相。这个结构比键结构的键合相。这个结构比Si-O-Si

19、-CSi-O-Si-C键型有更好的化学稳键型有更好的化学稳定性定性 SiHH2CCHRH2PtClbCH2CH2RSiSi氧化物表面化学修饰4.聚合物包夹固定相聚合物包夹固定相 聚合物填料几乎可耐聚合物填料几乎可耐1 11414的的pHpH范围，但机械稳定性较差。范围，但机械稳定性较差。综合两者的优点，采用聚合物包复的硅胶填料，也是一种综合两者的优点，采用聚合物包复的硅胶填料，也是一种氧化物颗粒介质表面改性的良好措施。氧化物颗粒介质表面改性的良好措施。 SiOHSiOMeSiOSin固定相分类 非极性非极性: C8,C18,苯基苯基 甲醇甲醇/水，水， 乙腈乙腈/水，四氢呋喃水，四氢呋喃/ 水水适于非极性或中等极性样品（无氢键官能团，脂肪基、芳香基占优势）适于非极性或中等极性样品（无氢键