我們將要探討
為何C18是反相色譜法中
非常常用的固定相及其原理
客座作者:科學(xué)家Seyed Sadjadi————或許將C18 稱(chēng)為選擇豐富的固定相更加確切。這種固定相的種類(lèi)不斷增加,因此色譜柱供應(yīng)商顯然不會(huì)在這方面出現(xiàn)缺貨的情況。但是,在我們深入探討這一話題之前,我們先來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下C18固定相的由來(lái)。
起初,一位名叫Mikhail Tsvet的植物學(xué)家試圖分離植物組織中的天然色素(類(lèi)胡蘿卜素、葉綠素等)。有人可能已經(jīng)猜到,Tsvet用于分離試驗(yàn)的材料并不是鍵合了C18配體的有著球形和均勻尺寸的全多孔硅膠顆粒,并緊密填充到不銹鋼管當(dāng)中!他使用大自然提供給他的材料,將礦物和巖鹽(鈣鹽)作為固定相,把乙醇混合物作為流動(dòng)相。Tsvett將這種分離技術(shù)成為“色譜法",如今它已成為分析化學(xué)領(lǐng)域的重要分支之一。
反相色譜法
在早期的色譜實(shí)驗(yàn)中(Tsvet設(shè)計(jì)的試驗(yàn)),疏水性化合物首先從色譜柱中洗脫,然后是極性化合物。這一洗脫順序被稱(chēng)為正相色譜法(NP)。幾十年后,隨著越來(lái)越多的科學(xué)家涉足這一領(lǐng)域,其它一些新的分離模式也隨之誕生并用于分離和純化眾多不同基質(zhì)的各種類(lèi)別的化合物。雖然我很想一一介紹這些新的方法,但今天我們的重點(diǎn)是反相色譜法(RP)。
對(duì)于這種分離模式,離子和強(qiáng)極性分析物會(huì)先從色譜柱中洗脫,然后是更具疏水性的分析物。此時(shí),化合物的洗脫順序與 Tsvet的試驗(yàn)中的相反。因此,這一模式被成為“反相"色譜法。
反相色譜法技術(shù)的最終目的是將具備不同疏水性的分析物分離。簡(jiǎn)單地說(shuō),這項(xiàng)工作可以通過(guò)以下兩個(gè)步驟完成:
使用一個(gè)疏水性固定相來(lái)保留分析物。
通過(guò)對(duì)一個(gè)有強(qiáng)弱差異的多組分流動(dòng)相體系進(jìn)行優(yōu)化,使其成為目標(biāo)分析物的理想洗脫溶劑。這里面可同時(shí)包含有機(jī)溶劑和緩沖液。并非所有化合物都具有強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性,但它們可能都帶有極性基團(tuán),因此需要較窄的pH范圍來(lái)控制它們的電離狀態(tài)。
疏水固定相
烴類(lèi)是疏水性化合物的較好范例,實(shí)際上它們屬于油性物質(zhì)。具體而言,直鏈烷烴很適合作為固定相使用。我們應(yīng)當(dāng)注意的是,隨著化學(xué)鏈中的碳原子數(shù)量的增加,烴類(lèi)的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變—C1到C4為氣態(tài);C5-C17為液態(tài);C18及以上為固態(tài)。除了烷烴外,諸如芳香烴和環(huán)烷烴也可作為固定相使用。這些固定相將在其它文章中討論。
C18之所以那么受歡迎,原因之一可能是因?yàn)橛糜阪I合反應(yīng)的原材料在當(dāng)時(shí)就易于獲得。這一幸運(yùn)的巧合使人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)C18原來(lái)如此適合用于色譜分析??傊?,這兩個(gè)因素都讓C18成為了反相色譜法固定相的砥柱。
下一步就是將烷烴基團(tuán)(即C18或十八烷基)鍵合到合適的基質(zhì)。硅膠是理想的填料,硅膠顆粒有諸多形態(tài)(球形或不定形)、粒徑(0.9 至10 µm或更大)、孔徑(可高達(dá)到1000 ?),而且可以有全多孔和實(shí)心核兩種形態(tài)。
在鍵合過(guò)程完成之后(該過(guò)程的許多細(xì)節(jié)都保密),C18配體在分子層級(jí)上被連接至硅膠,在硅膠顆粒孔道中的一般分布狀態(tài),如下圖所示。
RPC保留機(jī)制
C18固定相的美妙和簡(jiǎn)潔之處在于它能夠帶來(lái)非常簡(jiǎn)單的疏水作用。流動(dòng)相中的溶質(zhì)在硅膠孔道中移動(dòng)的過(guò)程,它們會(huì)因?yàn)檩^弱的疏水(以及范德華力)作用而被C18碳鏈吸引和保留。圖3 給出了該相互作用的示例。
圖4 顯示C18配體與化合物的苯環(huán)結(jié)構(gòu)及其丙基部分之間有疏水作用。而由于氮上有正電荷,所以C18配體與分子另一側(cè)的氨基之間的吸引力被降到了低值。
用于指示化合物疏水程度的參數(shù)被稱(chēng)為log P。該參數(shù)與化合物在正辛醇和水中的分配系數(shù)的比值有關(guān)。log P值為正則說(shuō)明目標(biāo)化合物在正辛醇中的溶解度更高,因此疏水性更強(qiáng)。log P值為負(fù)則說(shuō)明目標(biāo)化合物在水中的溶解度更高,因此親水性更強(qiáng)。
圖4給出了各類(lèi)化合物的logP范圍。
在了解這一概念后,如何開(kāi)展工作就很明確了:要想在 C18色譜柱上保留化合物,那么化合物就必須盡可能為中性或有很高的疏水性。顯然,如果分析物已經(jīng)是中性或不可能帶有電荷的話,那么我們無(wú)法對(duì)其進(jìn)行任何操作。
但是,如果是弱酸性或弱堿性化合物,我們就可以使用緩沖液來(lái)控制它們的帶電程度。另一個(gè)需要在這里用到的化學(xué)概念是pKa(和 pKb)。 溶液中的弱酸和弱堿以兩種形態(tài)存在:一種是它們的中性形態(tài),另一種是它們的去質(zhì)子化形態(tài)(酸)或質(zhì)子化形態(tài)(堿)。在特定的pH值下,這兩種共軛形態(tài)在溶液中的濃度相同。這時(shí)的pH值等于該化合物的 pKa和pKb。
下面的圖中(圖5)給出了這兩個(gè)pK值以及化合物的疏水性增減和溶液pH變化之間的函數(shù)關(guān)系。
在一般實(shí)踐中,建議將流動(dòng)相的 pH值調(diào)至在分別高于pKb或低于pKa兩個(gè)單位,從而確?;衔锼幍男螒B(tài)能使其盡可能在反相模式被保留。當(dāng)然,任何事情和任何規(guī)律都可能有例外的情況。
到目前為止,我們只介紹了流動(dòng)相的一個(gè)組分,也就是水相部分。我們知道需要利用一些化學(xué)性質(zhì)來(lái)提高分析物在C18固定相上的保留。現(xiàn)在,我們要討論的自然就是如何從C18固定相洗脫分析物。
為了克服反相條件下的疏水作用,我們常用的是甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)和四氫呋喃(THF)這三種溶劑。從強(qiáng)度上來(lái)看,MeOH最弱,而THF強(qiáng)。這里說(shuō)的強(qiáng)度是指使用每種溶劑后分析物洗脫的速度。當(dāng)流動(dòng)相比例固定,對(duì)于單個(gè)分析物來(lái)說(shuō),使用THF相比使用其它兩種溶劑而言洗脫速度要快得多。
但是,如果有多種分析物,那么溶劑強(qiáng)度高并不代表選擇性也會(huì)成比例地提高。在以后的文章中,我們會(huì)介紹反相色譜法中溶劑選擇性的差別。
總之,C18是反相色譜法中
使用的簡(jiǎn)單又方便的固定相
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
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