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色谱柱分离经验 色谱柱解决方案

时间:2020-06-03    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

柱子可以分为:加压,常压,减压。

压力可以增加淋洗剂的流动速度,减少产品收集的时间,但是会减低柱子的塔板数。所以其他条件相同的时候,常压柱是效率最高的,但是时间也最长,比如天然化合物的分离,一个柱子几个月也是有的。

  减压柱能够减少硅胶的使用量,感觉能够节省一半甚至更多,但是由于大量的空气通过硅胶会使溶剂挥发(有时在柱子外面有水汽凝结),以及有些比较易分解的东西可能得不到,而且还必须同时使用水泵抽气(很大的噪音,而且时间长)。以前曾经大量的过减压柱,对它有比较深厚的感情,但是自从尝试了加压后,就几乎再也没动过减压的念头了。

  加压柱是一种比较好的方法,与常压柱类似,只不过外加压力使淋洗剂走的快些。压力的提供可以是压缩空气,双连球或者小气泵(给鱼缸供气的就行)。特别是在容易分解的样品的分离中适用。压力不可过大,不然溶剂走的太快就会减低分离效果。个人觉得加压柱在普通的有机化合物的分离中是比较适用的。

  关于柱子的尺寸,应该是粗长的可以。柱子长了,相应的塔板数就高。柱子粗了,上样后样品的原点就小(反映在柱子上就是样品层比较薄),这样相对的减小了分离的难度。试想如果柱子十厘米,而样品就有二厘米,那么分离的难度可想而知,恐怕要用很低极性的溶剂慢慢冲了。而如果样品层只有0.5厘米,那么各组分就比较容易得到完全分离了。当然采用粗大的柱子要牺牲比较多的硅胶和溶剂了,不过这些成本相对于产品来说也许就不算什么了(有些不环保的说,不过溶剂回收重蒸后也就减小了部分浪费)。现在见到的柱子径高比一般在1:5~10,书中写硅胶量是样品量的30~40倍,具体的选择要具体分析。如果所需组分和杂质分的比较开(是指在所需组分rf在0.2~0.4,杂质相差0.1以上),就可以少用硅胶,用小柱子(例如200毫克的样品,用2cm×20cm的柱子);如果相差不到0.1,就要加大柱子,我觉得可以增加柱子的直径,比如用3cm的,也可以减小淋洗剂的极性等等。

  关于无水无氧柱,适用于对氧,水敏感,易分解的产品。可以湿柱,也可以干柱。不过在样品之前至少要用溶剂把柱子饱和一次,因为溶剂和硅胶饱和时放出的热量有可能是产品分解,毕竟要分离的是敏感的东东,小心不为过。也是因为分离的东西比较敏感,所以接收瓶一定要用可密封的,遵循schlenk操作。至于是加压、常压、减压,随需而定。因为是schlenk操作,所以点板是个问题,如果样品是显色的,恭喜了,不用点板,直接看柱子上的色带就行了。如果样品无色,只好准备几十个schlenk瓶,一瓶一瓶的点,不过几次之后就知道样品在哪,也就可以省些了。像我以前过一根无水无氧柱,需要六个schlenk,现在只一个就能把所要的全收集到。无水无氧柱中用的比较多的是用氧化铝作固定相。因为硅胶中有大量的羟基裸露在外,很容易是样品分解,特别是金属有机化合物和含磷化合物。而氧化铝可以做成碱性、中性和酸性的,选择余地比较大,但是比硅胶要贵些。听说有个方法,就是用石英做柱子,然后用HF254做固定相,这样在柱子外面用紫外灯一照就知道产品在哪里了,没有验证过。

  关于湿法、干法上样。湿法省事,一般用淋洗剂溶解样品,也可以用二氯甲烷、乙酸乙酯等,但溶剂越少越好,不然溶剂就成了淋洗剂了。很多样品在上柱前是粘乎乎的,一般没关系。可是有的上样后在硅胶上又会析出,这一般都是比较大量的样品才会出现,是因为硅胶对样品的吸附饱和,而样品本身又是比较好的固体才会发生,这就应该先重结晶,得到大部分的产品后再柱分,如果不能重结晶那就不管它了,直接过就是了,样品随着淋洗剂流动会溶解的。有些样品溶解性差,能溶解的溶剂又不能上柱(比如DMF,DMSO等,会随着溶剂一起走,显色是一个很长的脱尾),这时就必须用干法上柱了。

  样品和硅胶的量有一种说法是,我觉得是越少越好,但是要保证在旋干后,不能看到明显的固体颗粒(那说明有的样品没有吸附在硅胶上)。溶剂的选择。当然是较为便宜,最安全,最环保的了。所以大多选用石油醚,乙酸乙酯。文献中有写用正己烷的,太贵了,除非特别需要不要用不然银子哗哗的,流的比淋洗剂还快,不过因为极性很小,有时还是非它不可。乙醚也可以用,但是就是容易睡觉,注意保持清醒别让溶剂流干了,那样柱子也就不爽了。二氯甲烷也有用的,但是要知道,它和硅胶的吸附是一个放热过程,所以夏天的时候经常会在柱子里产生气泡,天气冷的时候会好一些。甲醇,据说能溶解部分的硅胶,所以产品如果想过元素分析的话要留神,应该经过后继处理,比如说重结晶等。其他的溶剂用的相对较少,要依个人的不同需要选择了。由于某些原因,用到的淋洗剂多是大包装的(便宜嘛),我们这里是用10升或25升的塑料桶装的,就要注意这些工业品的纯度是较低的。经常能够从送来的大桶底部看见有色的杂质,其他的杂质就可想而知了,所以在比较严格的柱分时就要对溶剂重蒸。当然过原料时就可以免去这一步了,反正下面还有提纯的方法。另外溶剂在过柱子后可以也回收使用,一方面环保,另一方面也能节省部分经费,缺点是要消耗一定的人工。这里要注意的是,一般在过柱同时进行的是减压旋蒸,石油醚和乙酸乙酯的比例由于挥发度的不同会导致极性的变化,一般会使得极性变大,在梯度淋洗时比较合适,正好极性越来越大了。在过完柱子后,溶剂最后回收要采用常压,因为在减压旋蒸时会有部分低沸点的杂质一起出来,常压时就会减少这种现象,如果杂质和你下面要过的样品有反应那就惨了。

关于操作问题。

1 装柱。  柱子下面的活塞一定不要涂润滑剂,会被淋洗剂带到产品中的,可以采用四氟节门的。干法和湿法装柱觉得没什么区别,只要能把柱子装实就行。装完的柱子应该要适度的紧密(太密了淋洗剂走的太慢),一定要均匀(不然样品就会从一侧斜着下来)。书中写的都是不能见到气泡,我觉得在大多数情况下有些小气泡没太大的影响,一加压气泡就全下来了。当然如果你装的柱子总是有气泡就说明需要多练习了。但是柱子更忌讳的是开裂,甭管竖的还是横的,都会影响分离效果,甚至作废!

2 加样。 用少量的溶剂溶样品加样,加完后将下面的活塞打开,待溶剂层下降至石英砂面时,再加少量的低极性溶剂,然后再打开活塞,如此两三次,一般石英砂就基本是白色的了。加入淋洗剂,一开始不要加压,等溶样品的溶剂和样品层有一段距离(2~4cm就够了),再加压,这样避免了溶剂(如二氯甲烷等)夹带样品快速下行。

3 淋洗剂的选择。  感觉上要使所需点在rf0.2~0.3左右的比较好。不要认为在板上爬高了分的比较开,过柱子就用那种极性,如果rf在0.6,即使相差0.2也不容易在柱子上分开,因为柱子是一个多次爬板的状态,可以通过公式的比较:0.6/0.8一次的分离度,肯定不如(0.2/0.3)的三次方或四次方大。

4 样品的收集。  用硅胶作固定相过柱子的原理是一个吸附与解吸的平衡。所以如果样品与硅胶的吸附比较强的话,就不容易流出。这样就会发生,后面的点先出,而前面的点后出。这时可以采用氧化铝作固定相。另外,收集的试管大小要以样品量而定,特别是小量样品,如果用大试管,可能一根就收到了三个样品,wuwu。如果都用小试管那工作量又太大。

5 最后的处理。 柱分后的产品,由于使用了大量的溶剂,其中的杂质也会累积到产品中,所以如果想送分析,可以用少量的溶剂洗涤一下,因为大部分的杂质是溶在溶剂里的,一洗基本就没了,必要时进行重结晶。 

    色谱柱在使用中常见的问题就是柱压升高,如果柱压是在长时间使用过程中缓慢增加,属于正常现象。但柱压在使用过程中突然升高(系统管路堵塞及压力传感器故障除外),以下列举了部分常见原因及解决办法:

    (1)色谱柱头的过滤筛板堵塞或污染;

    解决方法:如确定是色谱柱头的过滤筛板被污染,可以将色谱柱反方向用甲醇冲洗至正常压力,或者卸下色谱柱头,将其放在10%的稀硝酸内超声清洗10分钟,后再用纯水超声10分钟,重新装入色谱柱。

    (2)色谱柱头的填料被样品污染;

    解决方法:如确定色谱柱头的填料被污染,将柱头螺丝卸下,挖出柱内前段被污染的填料,用相同的柱填料重新填入,仔细修复后,重新安装上柱头螺丝。

    (3)色谱柱内缓冲液中的盐遇到高浓度的甲醇或其他有机溶剂,形成结晶析出;解决方法:如确定定是盐结晶,用10%的甲醇/水冲洗色谱柱使柱内盐全部溶解,再换高浓度甲醇。

    (4)流动相PH值过大或过小使固定相结构破坏或溶解。解决方法:如果因PH值使用不当,很难恢复。

  今天有人问,《色谱柱使用记录》表里样品进样针数后面为什么还有个累计进样针数?
 
  套用哲学观点,任何物质都是有寿命的,大到宇宙,小到原子,但是不同的物质寿命是不一样的。
 
  每一根色谱柱都有一个大致的进样针数寿命,理论上可以有一个规定,达到进样多少针,就强制报废。不过好像并没有这样的规定,那么也可以作为一个参考,当色谱柱的柱性能参数(就是常说的理论塔板数、分离度、拖尾因子等等)不达标时,参照进样针数判断是柱子寿命到了,属于不可逆因素,只能换柱子。还是其它原因,如流动相配制错误,或者流动相变质了,也可能稀释液强度太大,也可能是方法就是错的,也可能是样品本身问题。
 
  不过色谱柱的累积性损坏自然不是一朝一夕的事,柱性能是缓慢下降的,但是没有一个特定的标准,要看具体的分析方法,而且跟柱型号也有关系。常规的分析方法下C18柱寿命是很长的,因为C18柱是目前技术zui先进,质量可靠,使用zui广泛的色谱柱,在常规分析方法下,基本上不会损坏。但是如果流动相比较特殊,如高盐、高pH>8、低pH<1、高柱温、高比例水相、高比例有机相等等,色谱柱的损坏就会相应地加剧。
 
  这些可以算作是化学损伤,如果是操作不当,例如,流动相和样品溶液没有过滤,或者撞击色谱柱等,也会造成物理损伤,也会严重影响色谱柱寿命,甚至是“一招毙命”。
 
  前面提到了柱型号,不同型号的色谱柱寿命当然也不一样,跟前面说到的C18类似的,CN柱、苯基柱等键合硅胶柱都具有较长的使用寿命。不过所有基于硅胶基质的色谱柱都有一个天生的弱点,就是硅胶是能被水溶解的,虽然溶解度很小,但是长年累月使用,尤其在反相色谱系统中,累加了高盐、高pH、高柱温、高比例水相等方法参数后,硅胶的流失尤为明显。我做过一个项目,流动相含盐,柱温高达50度,基本上一根色谱柱半年就报废了。不过,是有一种方法可以解决这个问题的,就是在色谱柱前加一个柱芯与色谱柱类型相同的预柱,也叫保护柱,当流动相里溶解预柱里的硅胶饱和以后,就不再侵蚀色谱柱的硅胶,从而大大延长色谱柱寿命。不过不到万不得已还是不要使用特别苛刻的流动相,要知道预柱的柱芯也是很贵的,那就是一根较短的色谱柱啊,就算保住了色谱柱,经常换柱芯也是吃不消的。
 
  但是有一些类型的色谱柱,天生就是短命鬼,例如NH2柱,有时候好不容易平衡好系统,进个几十针样就OVER了,像是一次性的。就像焰火,它华丽的现身,转瞬就湮灭了。这些就留待色谱柱专家们去开发更加稳定可靠的新填料了。
 
  还有一类柱子,就是手性分离柱,这在医药行业是很大的一个应用。通常手性色谱柱是正相柱,这就要求我们在使用手性柱之前要先把系统置换干净,再接上柱子用流动相冲洗平衡进样。通常是甲醇、异丙醇、正已烷+异丙醇、流动相这样的顺序,如果忘记这个过程,会造成很大的麻烦。而且有一些手性柱是涂敷柱,例如淀粉、纤维素等大分子涂敷柱非常怕水,如果系统中原来的反相流动相没有置换干净,就会对色谱柱造成不可逆损伤,甚至报废。近年来,科学家也开发出了键合的手性柱,相比较要稳定的多,甚至也可以应用反相色谱系统。
 
  使用后对色谱柱的冲洗保存也比较重要,使用了缓冲系统的尤其要注意。这里推荐一个反相色谱系统的通用冲洗流程:将所有通道置换成含有较低有机相比例的水相中,比如10-30%乙腈或甲醇,然后冲洗1个小时,然后再梯度增加有机相比例,各冲洗一定时间,终保留在高有机相比例的冲洗液里。低有机相比例的冲洗液是为了尽可能地冲洗缓冲盐。通常低压梯度洗脱的液相色谱仪采用的是四元泵,就是单泵四通道,比例阀混合。这种混合方式有个弊端,就是混合效果差,因为各通道不同比例是通过开关各通道阀的时间来控制的。打比方乙腈:缓冲盐=50:50,如果流速是1.0mL/min,并不是说乙腈和缓冲盐以各0.5mL/min的流速来混合;而是流速一直是1.0mL/min,但是在往复泵一个来回的时间内,两个通道分别打开一半的时间,也就是说系统管道里是一段乙腈、一段缓冲盐。这样就会造成盐的析出。所以,往往是两通道混合,就算没有用缓冲盐,还是建议先按比例混合好了,然后走单通道,否则的话一样会造成盐析出,或者基线波动。走梯度洗脱的话,往往会把有机相通道(B)中加入一定比例的水,或者把水相通道(A)配成梯度洗脱的初始比例,把有机相通道(B)配成梯度洗脱终的比例。
 
  这里有两点需要说明,一,一般认为,色谱系统包括色谱柱的冲洗甚至保存,都可以使用流动相,只是不加缓冲盐、酸碱等。例如上面提到的乙腈:缓冲盐=50:50,做完样品以后,就可以用50%乙腈/水来冲洗保存。有一些品牌色谱柱,例如资生堂,建议如果不是含盐或者强酸强碱,一般不建议冲洗。不过这只适合短期保存,也就是没隔多久又要再次使用。长期不用的色谱系统包括色谱柱还是应该冲洗后保存在高比例低极性溶剂体系中。一般建议正相系统保存在正已烷:异丙醇=90:10,反相系统保存在乙腈:水=90:10或者100%乙腈中。第二,随着快速分离色谱柱的发展,很多的低粒径色谱柱得到应用,而且往往柱温也较高,通常达到50度或以上,这种色谱系统通常柱压也较高,贸然用高比例水相冲洗可能会导致系统超压。可以先用流动相冲洗,或者断开色谱柱,用高比例水相冲洗系统,再接上柱子逐步提高有机相比例冲洗,也可以先调低流速冲洗。而且,待冲洗快要结束时再降低柱温。
 
  下面说说气相色谱柱,现如今填充柱几乎退出了历史,人们说起气相色谱柱自然就是石英毛细管柱。
 
  相比较液相色谱柱,感觉气相柱要简单的多,而且,往往气相柱各型号之间的专属也不那么强,往往一个样品用多种色谱柱分析,通过调整温度程序,也可以得到相类似的分析结果。结合到本文标题,气相色谱柱的进样针数同样也仅供参考,不能作为色谱柱寿命的唯①参数,影响气相色谱柱的寿命的因素基本为高温、高温时间、样品中的高沸物(包括一些在不适合的方法中,样品的分解或聚合物)、载气纯度等。
 
  常规的气相色谱柱通常是石英管表面涂敷的液体填料,所以一般情况下,气相色谱的分离其实是气化后的样品在液体填料里的溶解再挥发的性质不同来实现的。那么既然填料是液体,自然就会挥发了,气相色谱柱的寿命zui大的影响因素就在这里。气相色谱柱都会有一个极限温度,一般使用温度会在这个极限温度下的20度左右。通常气相分析方法是程序升温的,高温的温度和保留时间决定了每一次进样对色谱柱的影响。不过不同类型的色谱柱因为其填料的性质不同,其极限温度也不同,自然zui高使用温度就不同。反过来说,在相同使用温度下,其寿命也不相同。
 
  不管什么分析方法都要尽可能的真实反应样品里的溶剂及所有物质的含量, 气相色谱分析样品的首要条件是,样品要能被气化,就是进样口温度及程序终温要大于样品的沸点(这也不是jue对的),当样品中有高沸点的物质,甚至是无机盐、机械杂质,不能被气化留在了衬管里,甚至留在了色谱柱中,就会对色谱柱有损伤。这种情况是要处理一下样品,萃取、蒸馏、过滤都是常用的方法。如果实在无法避免,就要经常更换隔垫、衬管玻璃毛等,过一定时间还要把色谱柱前段割一段下来,通常是1米左右。除了这些,还应注意对样品性质的了解,如果样品的热稳定性差,进样分析过程中发生了分解或者聚合,产生高沸物就会对色谱柱产生很大影响,如果这些物质不能被溶剂冲洗的话,这种损伤就是不可逆的,而且分析结果也不准确。这种情况下就要适当的降低温度,直到不发生这种反应。或者换其它的分析方法。
 
  通常我们使用的 载气是高纯氮气,原因就两个字——便宜!但是,排除经济因素,这并不是一个zui佳的选择。因为氮气的生产就是液态空气蒸发来的,但是因为氮气和氧气性质接近,一般很难杜绝高纯氮气里含有少量的氧气。氧气在高温柱对整个气相色谱系统包括色谱柱都会产生不良影响。所以一般仪器厂家还是建议使用高纯氦,尤其在进行计量、验证等高标准分析时,不过一瓶高纯氦可以换5瓶高纯氮,一般用户还是选择使用高纯氮气。其实从仪器性能来讲,也可以使用高纯氢气作为载气,低含氧量、低背景、低廉的价格都是不错的选择,当然一般考虑到氢气的泄漏以及储运的风险,往往被用户所排除。不过,带TCD检测器的气相色谱往往还是使用高纯氢气作为载气。
 
  说了这么多,zui后感性的总结一下。真正做仪器分析人,都能发现不同品牌的仪器,甚至每一台仪器的不同,只有你真正热爱仪器分析,把每一台仪器当成好
 
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