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(guò)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(zhǎng)為0.162nm，低于氧分子共價(jià)半徑0.192nm,Si－O鍵穩(wěn)定性相對(duì)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(wú)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(wú)毒無(wú)昧，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除強(qiáng)堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。特點(diǎn)：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(jī)械強(qiáng)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埃孔徑的硅膠可以承受30MPa的操作壓力。硅膠的表面存在著硅醇基團(tuán)(Si-OH)和暴露的硅氧烷鍵(Si-O-Si)硅醇基團(tuán)是強(qiáng)吸附的極性基團(tuán)，而硅氧烷鍵是疏水基團(tuán)。硅氧烷鍵中氧原子上的孤對(duì)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(jìn)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(cè)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(cè)定硅膠表面硅羥基總濃度為8.0±1.0μmol/m2.照晶體點(diǎn)陣計(jì)算,硅膠表面羥基數(shù)目是8個(gè)/nm2,但用化學(xué)方法測(cè)定的羥基數(shù)一般認(rèn)為是5個(gè)/nm2。不同類型的硅羥基具有不同的反應(yīng)活性，對(duì)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(diǎn)的大小及其堆積方式?jīng)Q定的?？捉Y(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(duì)分離是沒(méi)有貢獻(xiàn)的。平均孔徑,實(shí)際上是個(gè)統(tǒng)計(jì)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(wú)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(kuò)散快高效、分離快速，但樣品負(fù)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(diǎn)是比表面大,通常在200-500m2/g,負(fù)載量大裝短柱可實(shí)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(wèn)題。如果我們使用更小顆粒度的填料會(huì)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(zhǎng)色譜柱10minvanDeemter曲線及方程式三項(xiàng)加在一起最終得到的“vanDeemter曲線”A項(xiàng)（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(xiàng)（傳質(zhì)）B項(xiàng)（軸向擴(kuò)散）HETP

PLATESA項(xiàng)

+

B項(xiàng)

+

C項(xiàng)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(diǎn)向更高線速度方向移動(dòng)有更寬的線速度范圍降低顆粒度不但可以增加柱效，同時(shí)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(jī)理主要是吸附色譜和分配色譜分離機(jī)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(dá)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(yáng)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(qiáng)的堿注化臺(tái)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(chǎng)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(chǎng)，即對(duì)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(qiáng)弱不同，膠體粒子表面對(duì)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(duì)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(qiáng)的物質(zhì)組份通過(guò)硅膠表面時(shí)，與硅膠產(chǎn)生的吸附力也較強(qiáng)，該物質(zhì)組份在硅膠表面的保留時(shí)間較長(zhǎng)；相反，分子極性較弱的組份，其保留時(shí)間較短。故不同物質(zhì)的混合物因在通過(guò)硅膠過(guò)程中因保留時(shí)間的差別而得到分離。吸附色譜分離機(jī)理分配色譜分離機(jī)理溶劑基于在兩相之間的相對(duì)溶解度而分離，相似相溶保留時(shí)間長(zhǎng)的物質(zhì)與固定相親和力較強(qiáng)兩種基本操作模式正相：極性固定相、非極性流動(dòng)相反相：非極性固定相、極性流動(dòng)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(dòng)相和固定相之間的分布樣品由流動(dòng)相帶動(dòng)通過(guò)色譜柱其成分與固定相的作用有強(qiáng)有弱移動(dòng)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(lái)正相與反相分離通用HPLC硅膠固定相

1)基質(zhì)材料細(xì)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(diǎn)硅質(zhì)填料一般只能在pH2～7的流動(dòng)相條件下使用.堿度過(guò)大,特別是當(dāng)季銨離子存在時(shí),硅膠易于粉碎溶解.酸度過(guò)大,連接有機(jī)基團(tuán)的化學(xué)鍵容易斷裂.堿性化合物在固定相上拖尾比較嚴(yán)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(qiáng)度不佳,難以耐受較長(zhǎng)時(shí)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(tuán)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(guò)涂層法改進(jìn)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(jìn)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(tuán)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?！許i-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(jìn)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(gè)水解不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，特別是在較強(qiáng)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(gè)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(jī)械穩(wěn)定性較差。綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(wú)氫鍵官能團(tuán)，脂肪基、芳香基占優(yōu)勢(shì)）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(duì)極性化合物保留差。

強(qiáng)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(gè)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(tuán)：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(guó)5μm100?青島美高5μm100?關(guān)鍵之一：硅膠選擇強(qiáng)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(hào) 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(hào) C%060206 12.72060214 12.69051019 12.34051219 12.60填料合成結(jié)果

——重現(xiàn)性C840um批號(hào) C%05