硅膠基質(zhì)分離材料講義

硅膠基質(zhì)分離材料硅膠組成和結(jié)構(gòu)硅膠（SilicaGel）是一種高活性吸附材料，通常是用硅酸鈉和硫酸反應(yīng)并經(jīng)老化、酸泡等一系列后處理過程而制得。硅膠屬非晶態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)分子式為mSiO2.nH2O。硅膠的化學(xué)成分主要是SiO2，Si－O鍵的鍵長為0.162nm，低于氧分子共價半徑0.192nm,Si－O鍵穩(wěn)定性相對高的原因.[SiO2]4-和[SiO4]6-是形成硅膠三維框架結(jié)構(gòu)的基本單元.具有多孔的無定形結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何X射線衍射。不溶于水和任何溶劑，無毒無昧，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除強堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。特點：吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機械強度、容易控制的孔結(jié)構(gòu)比表面積和專一的表面化學(xué)反應(yīng)等。常用的5微米粒徑、60-100?？讖降墓枘z，可以承受60-70MPa的操作壓力，而300-1000?？讖降墓枘z可以承受30MPa的操作壓力。硅膠的表面存在著硅醇基團(Si-OH)和暴露的硅氧烷鍵(Si-O-Si)硅醇基團是強吸附的極性基團，而硅氧烷鍵是疏水基團。硅氧烷鍵中氧原子上的孤對電子參與π作用，不能參與給體與受體間的相互作用，不能形成氫鍵。硅膠表面含有豐富的硅羥基，是硅膠進行表面化學(xué)鍵合和改性的基礎(chǔ)。硅膠的性質(zhì)硅羥基的分類：自由型、鄰位型、孿位型、氫鍵結(jié)合水型。不同類型的硅羥基具有不同的濃度，硅羥基含量的測定方法有同位素交換法滴定法光譜法和烷基鋁法等。根據(jù)同位素交換方法測定硅膠表面硅羥基總濃度為8.0±1.0μmol/m2.照晶體點陣計算,硅膠表面羥基數(shù)目是8個/nm2,但用化學(xué)方法測定的羥基數(shù)一般認為是5個/nm2。不同類型的硅羥基具有不同的反應(yīng)活性，對表面鍵合有利的是自由型和鄰位型。硅羥基的性質(zhì)硅膠的孔結(jié)構(gòu)多孔硅膠的孔結(jié)構(gòu)是由組成硅膠的膠態(tài)SiO2質(zhì)點的大小及其堆積方式?jīng)Q定的。孔結(jié)構(gòu)歸納為不同的類型,如:杯形、瓶形、裂縫形等,它們必須是開放孔,閉孔對分離是沒有貢獻的。平均孔徑,實際上是個統(tǒng)計的、平均的概念,即指累積孔徑分布曲線50%處的平均孔徑。平均孔徑為6nm的硅膠,其比表面積約為300m2/g～400m2/g;平均孔徑為30nm的硅膠,其比表面積約為100m2/g。比表面積隨平均孔徑的增大而減小。硅膠固定相早期：無定型硅膠顆粒>100um、傳質(zhì)速度慢、色譜柱效率低中期：薄殼型硅膠固定相玻璃珠涂布硅膠微粒層,表面形成一層僅僅1

3

m厚的薄層30-40um、孔徑均一滲透性好，溶質(zhì)擴散快高效、分離快速，但樣品負載量少后期：全多孔微粒固定相<10um、粒度均勻、孔徑均勻其特點是比表面大,通常在200-500m2/g,負載量大裝短柱可實現(xiàn)高效、快速分離孔隙深度通常在10

100nm。色譜用硅膠性能要求作為分離材料基質(zhì)的硅膠,需要有規(guī)則的幾何形狀，即球形，球形硅膠更有利于傳質(zhì),且使色譜柱的操作壓力較低。適宜的粒子大小。盡可能窄的粒度分布。適宜的孔徑及孔徑分布。適宜的孔度及比表面積。高純度其中均勻粒度和孔徑控制是非常棘手的問題。如果我們使用更小顆粒度的填料會發(fā)生什么情況？HPLC填料顆粒尺寸的演變10min從80年代到現(xiàn)在1.5~5μm球形微多孔填料1500~4000psi50,000~80,000塔板數(shù)/米3.9×300mm70年代末期10μm不規(guī)則微多孔填料1000~2500psi25,000塔板數(shù)/米3.9×300mm10min70年代早期40μm薄殼非多孔基質(zhì)上涂布100~500psi1000塔板數(shù)/米1m長色譜柱10minvanDeemter曲線及方程式三項加在一起最終得到的“vanDeemter曲線”A項（顆粒度和柱床填裝的優(yōu)良程度）HeightEquivalenttoTheoreticalPlate線速度U（mm/sec）

HETP最低HETP=>最優(yōu)化的塔板數(shù)HC項（傳質(zhì)）B項（軸向擴散）HETP

PLATESA項

+

B項

+

C項vanDeemter曲線的提示顆粒度越小柱效越高顆粒度控制著分離的質(zhì)量更小的顆粒度：使最高柱效點向更高線速度方向移動有更寬的線速度范圍降低顆粒度不但可以增加柱效，同時也增加分離速度vanDeemter

曲線的挑戰(zhàn)如果填料的顆粒繼續(xù)演變……更小的顆粒度……被儀器及色譜柱的耐壓的所限制Linearvelocity(u,mm/sec)硅膠的分離機理主要是吸附色譜和分配色譜分離機理吸附色譜,以吸附劑作固定相，基于溶質(zhì)在固定相活性表面的吸附親和力達到分離的液相色譜方法。分配色譜,基于樣品組分在固定相中的溶解度的不同而產(chǎn)生保留和分離的色譜模式。硅膠是一種酸性吸附劑，pKa

值是7.1，適用于中性或酸性成分的分離。硅膠是一種弱酸性陽離子交換劑，其表面上的硅醇基能釋放弱酸性的氫離子，當(dāng)遇到較強的堿注化臺物，則可因離子交換反應(yīng)而吸附堿性化合物。構(gòu)成柱層析膠體骨架的SiO2呈硅氧四面體結(jié)合，原子間的力場是平衡的。硅膠粒子內(nèi)部孔隙的表面結(jié)構(gòu)與形成的骨架內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，表面的硅原子與膠體所含的結(jié)構(gòu)水形成硅醇基，這種結(jié)構(gòu)的不平衡性使硅膠的表面產(chǎn)生自由力場，即對水分子或其他極性分子有吸附能力，被吸附物質(zhì)因分子極性強弱不同，膠體粒子表面對其表現(xiàn)的吸附力大小有不同程度的差別。由于這方面原因，硅膠對不同物質(zhì)的混合物的吸附具有選擇性。當(dāng)分子極性較強的物質(zhì)組份通過硅膠表面時，與硅膠產(chǎn)生的吸附力也較強，該物質(zhì)組份在硅膠表面的保留時間較長；相反，分子極性較弱的組份，其保留時間較短。故不同物質(zhì)的混合物因在通過硅膠過程中因保留時間的差別而得到分離。吸附色譜分離機理分配色譜分離機理溶劑基于在兩相之間的相對溶解度而分離，相似相溶保留時間長的物質(zhì)與固定相親和力較強兩種基本操作模式正相：極性固定相、非極性流動相反相：非極性固定相、極性流動相硅膠中含水量>17%,吸附力極弱不能用作為吸附劑，但可作為分配層析中的支持劑。

樣品成分在流動相和固定相之間的分布樣品由流動相帶動通過色譜柱其成分與固定相的作用有強有弱移動速度有快有慢，造成分離分配系數(shù)

KDKD1=[Xs]/[Xm]KD2=[Ys]/[Ym]KD2<KD1，所以Y先洗脫出來正相與反相分離通用HPLC硅膠固定相

1)基質(zhì)材料細粒度（3，5，10μm）、均勻、球形、高純度的SiO2I硅酸鈉（水玻璃）---制SiO2凝膠

II四乙氧基硅烷Sol-gel技術(shù)制超純硅膠

通用HPLC固定相填料通用LC固定相硅膠固定相的缺點硅質(zhì)填料一般只能在pH2～7的流動相條件下使用.堿度過大,特別是當(dāng)季銨離子存在時,硅膠易于粉碎溶解.酸度過大,連接有機基團的化學(xué)鍵容易斷裂.堿性化合物在固定相上拖尾比較嚴重，甚至產(chǎn)生不可逆吸附.硅膠固定相的化學(xué)修飾涂層法，附著強度不佳,難以耐受較長時間的反復(fù)使用,且柱效亦不高整體修飾，利用具有不同官能團的鹵代硅烷或烷氧基硅烷的水解、縮聚反應(yīng),直接制出空間交聯(lián)型、含不同烷基的硅膠，比通過涂層法改進硅膠的表面性質(zhì)要穩(wěn)定。表面硅羥基的化學(xué)修飾１．

硅烷化－單分子層覆蓋２．

硅烷化－偶聯(lián)劑－進一步衍生３．

硅氫加成反應(yīng)４．

聚合物復(fù)蓋硅膠固體表面化學(xué)修飾通用LC固定相通用LC固定相封尾作用水平聚合作用通用LC固定相通用LC固定相聚合物涂敷空間位阻作用通用LC固定相通用LC固定相雙齒鍵合固定相包埋極性集團反相固定相通用LC固定相氧化物表面化學(xué)修飾X1:-Cl、-OCH3、-OC2H5;X2:-Cl、-OCH3、-OC2H5、-CH3、-i-C3H7、-t-C4H9等R可以是各種烷基（如C18,C8,C4,C1…）,-C6H5,-CH2CH2CN,-CH2CH2CH2NH2,-CH2CH2NO2,-C6H4SO-3,-C6H4N(CH3)3等。如此，制得相應(yīng)的烷基，苯基，氰基，氨基，硝基等離子交換鍵合相。≡Si-OH+

1.表面硅烷化處理單分子層覆蓋氧化物表面化學(xué)修飾2.硅膠+活性硅烷+偶聯(lián)劑，進一步表面衍生化氨丙基三乙氧基硅膠（aminopropyltriethoxysilane,KH-550）縮甘油氧丙基三乙氧基硅膠（3-glycidopropyltriethoxysilane,KH-560）是常用的活化硅烷

氧化物表面化學(xué)修飾3.硅氫加成反應(yīng)

Si-O-Si-C鍵型的，這仍然是個水解不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，特別是在較強的酸性和堿性條件下。利用氫代硅膠（≡Si-H）與帶末端雙鍵的鏈烯烴易發(fā)生“氫硅化反應(yīng)”：

得到Si-C鍵結(jié)構(gòu)的鍵合相。這個結(jié)構(gòu)比Si-O-Si-C鍵型有更好的化學(xué)穩(wěn)定性

氧化物表面化學(xué)修飾4.聚合物包夾固定相聚合物填料幾乎可耐1～14的pH范圍，但機械穩(wěn)定性較差。綜合兩者的優(yōu)點，采用聚合物包復(fù)的硅膠填料，也是一種氧化物顆粒介質(zhì)表面改性的良好措施。

固定相分類非極性:C8,C18,苯基

甲醇/水，乙腈/水，四氫呋喃/水適于非極性或中等極性樣品（無氫鍵官能團，脂肪基、芳香基占優(yōu)勢）中等極性:CN甲醇，乙腈，四氫呋喃(一般優(yōu)于異丙醇)

正相：脂溶性維生素，香精油和極性更高的同系物。（雙鍵化合物）反相：對極性化合物保留差。

強極性:NH2

水/乙腈氫鍵作用與弱陰離子交換作用適用于極性化合物如糖類、肽類的分離。高效色譜分離填料的合成（一）硅膠選擇（二）反應(yīng)控制兩個技術(shù)關(guān)鍵反應(yīng)活性：不同類型硅羥基反應(yīng)活性不同活性基團：不同品牌所含各類型硅羥基比例不同關(guān)鍵之一：硅膠選擇微孔內(nèi)與表面的硅羥基反應(yīng)活性不同不同品牌（工藝）及規(guī)格硅膠的孔徑及分布不同關(guān)鍵之一：硅膠選擇關(guān)鍵之一：硅膠選擇日本富士5μm100?日本富士5μm300?關(guān)鍵之一：硅膠選擇美國5μm100?青島美高5μm100?關(guān)鍵之一：硅膠選擇強度低的硅膠使用后破損的情況活性控制技術(shù)：不同類型硅羥基反應(yīng)活性不同關(guān)鍵之二：反應(yīng)控制中高低中低高低催化劑選擇反應(yīng)條件選擇反應(yīng)控制(DCS)關(guān)鍵之二：反應(yīng)控制深度控制技術(shù)(定量的關(guān)鍵)：填料合成結(jié)果

——重現(xiàn)性C1840um批號 C%060210 18.20050831 20.16050816 20.78批次060210與其他兩批C%明顯不同，是人為控制反應(yīng)的結(jié)果C185um批號 C%060206 12.72060214 12.69051019 12.34051219 12.60填料合成結(jié)果

——重現(xiàn)性C840um批號 C%05