1 历史
1903年俄国植物化学家茨维特(Tswett)首次提出“色谱法”(Chromatography)和“色谱图”(Chromatogram)的概念。茨维特使用色谱法 chromatography (来自希腊字, chroma 意思是颜色, graphy 意思是记录 - 直译为颜色记录)来描述他的彩色试验。(令人好奇的是, 俄罗斯名字茨维特意思是颜色。)他在论文中写到:
“(原文)一植物色素的石油醚溶液从一根主要装有碳酸钙吸附剂的玻璃管上端加入,沿管滤下,后用纯石油醚淋洗,结果按照不同色素的吸附顺序在管内观察到它们相应的色带,就象光谱一样,称之为色谱图。”
1930年以后,相继出现了纸色谱、离子交换色谱和薄层色谱等液相色谱技术。
1952年,英国学者Martin和Synge 基于他们在分配色谱方面的研究工作,提出了关于气-液分配色谱的比较完整的理论和方法,把色谱技术向前推进了一大步,这是气相色谱在此后的十多年间发展十分迅速的原因。
1958年,基于Moore和Stein的工作,离子交换色谱的仪器化导致了氨基酸分析仪的出现,这是近代液相色谱的一个重要尝试,但分离效率尚不理想。
1960年中后期,气相色谱理论和实践发展,以及机械、光学、电子等技术上的进步,液相色谱又开始活跃。到60年代末期把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱就出现了HPLC。
1970年中期以后,微处理机技术用于液相色谱,进一步提高了仪器的自动化水平和分析精度。
1990年以后,生物工程和生命科学在国际和国内的迅速发展,为高效液相色谱技术提出了更多、更新的分离、纯化、制备的课题,如人类基因组计划,蛋白质组学有HPLC作预分离等。
2 特点
高效液相色谱法有“四高一广”的特点:
高效液相色谱(2张)
①高压:流动相为液体,流经色谱柱时,受到的阻力较大,为了能迅速通过色谱柱,必须对载液加高压。
②高速:分析速度快、载液流速快,较经典液体色谱法速度快得多,通常分析一个样品在15~30分钟,有些样品甚至在5分钟内即可完成,一般小于1小时。
③高效:分离效能高。可选择固定相和流动相以达到最佳分离效果,比工业精馏塔和气相色谱的分离效能高出许多倍。
④高灵敏度:紫外检测器可达0.01ng,进样量在μL数量级。
⑤应用范围广:百分之七十以上的有机化合物可用高效液相色谱分析,特别是高沸点、大分子、强极性、热稳定性差化合物的分离分析,显示出优势。
⑥柱子可反复使用:用一根柱子可分离不同化合物
⑦样品量少、容易回收:样品经过色谱柱后不被破坏,可以收集单一组分或做制备。
此外高效液相色谱还有色谱柱可反复使用、样品不被破坏、易回收等优点,但也有缺点,与气相色谱相比各有所长,相互补充。高效液相色谱的缺点是有“柱外效应”。在从进样到检测器之间,除了柱子以外的任何死空间(进样器、柱接头、连接管和检测池等)中,如果流动相的流型有变化,被分离物质的任何扩散和滞留都会显著地导致色谱峰的加宽,柱效率降低。高效液相色谱检测器的灵敏度不及气相色谱。
3 类型
1.吸附色谱法(Adsorption Chromatography)
2.分配色谱法(Partition Chromatography)
3.离子色谱法(Ion Chromatography)
4.分子排阻色谱法/凝胶色谱法(Size Exclusion Chromatography)
5.键合相色谱法(bonded-phase chromatography)
6.亲和色谱法(Affinity Chromatography)
4 结构
5 分离原理
6 流程
流程
流程:如右图所示,溶剂贮器⑴中的流动相被泵⑵吸入,经〔3〕梯度控制器按一定的梯度进行混合然后输出,经⑷测其压力和流量,导入(5进样阀(器)经⑹保护柱、⑺分离柱后到⑻检测器检测,由⑽数据处理设备处理数据或⑾记录仪记录色谱图,⑿馏分收集器收集馏分,⒀为废液。7 相关术语
色谱图(chromatogram)——样品流经色谱柱和检测器,所得到的信号-时间曲线,又称色谱流出曲线(elution profile)。
基线(base line)——经流动相冲洗,柱与流动相达到平衡后,检测器测出一段时间的流出曲线。一般应平行于时间轴。
噪音(noise)——基线信号的波动。通常因电源接触不良或瞬时过载、检测器不稳定、流动相含有气泡或色谱柱被污染所致。
漂移(drift)——基线随时间的缓缓变化。主要由于操作条件如电压、温度、流动相及流量的不稳定所引起,柱内的污染物或固定相不断被洗脱下来也会产生漂移。
色谱峰(peak)——组分流经检测器时响应的连续信号产生的曲线。流出曲线上的突起部分。正常色谱峰近似于对称形正态分布曲线(高斯Gauss曲线)。不对称色谱峰有两种:
前延峰(leading peak)和拖尾峰(tailing peak)。前者少见。
峰底—基线上峰的起点至终点的距离。
峰高(peak height,h)—峰的最高点至峰底的距离。
峰宽(peak width,W)—峰两侧拐点处所作两条切线与基线的两个交点间的距离。W=4σ
半峰宽(peak width at half-height,Wh/2)—峰高一半处的峰宽。Wh/2=2.355σ
峰面积(peak area,A)—峰与峰底所包围的面积。
保留时间(retention time,tR)——从进样开始到某个组分在柱后出现浓度极大值的时间。
理论塔板数(theoretical plate number,N)——用于定量表示色谱柱的分离效率(简称柱效)。
分离度(resolution,R)——相邻两峰的保留时间之差与平均峰宽的比值。也叫分辨率,表示相邻两峰的分离程度。R≥1.5称为完全分离。
《中国药典》规定R应大于1.5。
拖尾因子(tailing factor,T)——T=,用以衡量色谱峰的对称性。也称为对称因子(symmetry factor)或不对称因子(asymmetry factor)。
《中国药典》规定T应为0.95~1.05。
T1.05为拖尾峰。
8 色谱柱
填料和流动相的组分
应按各品种项下的规定,常用的色谱柱填料有硅胶和化学键合硅胶。后者以十八烷基硅烷键合硅胶最为常用辛基键合硅胶次之,氰基或氨基键合硅胶也有使用;离子交换填料用于离子交换色谱;凝胶或玻璃微球等,用于分子排阻色谱等。注样量一般为数微升。除另有规定外,柱温为室温,检测器为紫外吸收检测器。
在用紫外吸收检测器时,所用流动相应符合紫外分光光度法项下对溶剂的要求。
正文中各品种项下规定的条件除固定相种类、流动相组分、检测器类型不得任意改变外,其余如色谱柱内径、长度、固定相牌号、载体粒度、流动相流速、混合流动相各组分的比例、柱温、进
化学键合固定相反应
样量、检测器的灵敏度等,均可适当改变。以适应具体品种并达到系统适用性试验的要求。一般色谱图约于20分钟内记录完毕。
系统适用性
按各品种项下要求对仪器进行适用性试验,即用规定的对照品对仪器进行试验和调整,应达到规定的要求;或规定分析状态下色谱柱的最小理论板数、分离度和拖尾因子.
色谱柱
在选定的条件下,注入供试品溶液或各品种项下规定的内标物质溶液,记录色谱图
化学键合固定相应用
,量出供试品主成分或内标物质峰的保留时间t(R)和半高峰宽W(h/2),按n=5.54[t(R)╱W(h/2)]^2计算色谱柱的理论板数,如果测得理论板数低于各品种项下规定的最小理论板数,应改变色谱柱的某些条件(如柱长、载体性能、色谱柱充填的优劣等),使理论板数达到要求。分离度
定量分析时,为便于准确测量,要求定量峰与其他峰或内标峰之间有较好的分离度。分离度(R)的计算公式为:R=2(tR2-tR1)/(W1+W2), 式中 t(R2)为相邻两峰中后一峰的保留时间; t(R1)为相邻两峰中前一峰的保留时间; W1及W2为此相邻两峰的峰宽。除另外有规定外,分离度应大于1.5。
拖尾因子
为保证测量精度,特别当采用峰高法测量时,应检查待测峰的拖尾因子(T)是否符合各品种项下的规定或不同浓度进样的校正因子误差是否符合要求。拖尾因子计算公式为:
T(拖尾因子)=W0.05h/2d1式中 W(0.05h)为0.05峰高处的峰宽;
d1为峰极大至峰前沿之间的距离。除另有规定外,T应在0.95~1.05间。
也可按各品种校正因子测定项下,配制相当于80%、100%和120%的对照品溶液,加入规定量的内标溶液,配成三种不同浓度的溶液,分别注样3次,计算平均校正因子,其相对标准偏差应不大于2.0%。
9 测定
定量测定时,可根据样品的具体情况采用峰面积法或峰高法。但用归一法或内标法测定杂质总量时,须采用峰面积法。
面积归一化法
测定供试品(或经衍生化处理的供试品)中各杂质及杂质的总量限度采用不加校正因子的峰面积归一法。计算各杂质峰面积及其总和,并求出占总峰面积的百分率。但溶剂峰不计算在内。色谱图的记录时间应根据各品种所含杂质的保留时间决定,除另有规定外可为该品种项下主成分保留时间的倍数。
主成分自身对照法
当杂质峰面积与成分峰面积相差悬殊时,采用主成分自身对照法。在测定前,先按各品种项下规定的杂质限度,将供试品稀释成一定浓度的溶液作为对照溶液,进样,调节检测器的灵敏度或进样量,使对照溶液中的主成分色谱峰面积满足准确测量要求。然后取供试品溶液,进样,记录时间,除另有规定外,应为主成分保留时间的倍数。根据测得的供试品溶液的各杂质峰面积及其总和并和对照溶液主成分的峰面积比较,计算杂质限度。
内标法 测定供试品中杂质的总量限度
采用不加校正因子的峰面积法。取供试品,按各品种项下规定的方法配制不含内标物质的供试品溶液,注入仪器,记录色谱图Ⅰ;再配制含有内标物质的供试品溶液,在同样的条件下注样,记录色谱图Ⅱ。记录的时间除另有规定外,应为该品种项下规定的内标峰保留时间的倍数,色谱图上内标峰高应为记录仪满标度的30%以上,否则应调整注样量或检测器灵敏度。
如果色谱图Ⅰ中没有与色谱图Ⅱ上内标峰保留时间相同的杂质峰,则色谱图Ⅱ中各杂质峰面积之和应小于内标物质峰面积(溶剂峰不计在内)。如果色谱图Ⅰ中有与色谱图Ⅱ上内标物质峰保留时间相同的杂质峰,应将色谱图Ⅱ上的内标物质峰面积减去色谱图Ⅰ中此杂质峰面积,即为内标物质峰的校正面积;色谱图Ⅱ中各杂质峰总面积加色谱图Ⅰ中此杂峰面积,即为各杂质峰的校正总面积,各杂质峰的校正总面积应小于内标物质峰的校正面积。
加校正因子测定供试品主成分含量
按各品种项下的规定,精密称(量)取对照品和内标物质,分别配成溶液,精密量取各溶液,配成校正因子测定用的对照溶液,取一定量注入仪器,记录色谱图,测量对照品和内标物质的峰面积或峰高,按下式计算校正因子:
As/ms]校正因子f=- Ar/mr 式中 As为内标物质的峰面积或峰高,Ar为对照品的峰面积或峰高; ms为加入内标物质的量mr为加入对照品的量。再取各品种项下含有内标物质的供试品溶液,注入仪器,记录色谱图,测量供试品(或其杂质)峰和内标物质的峰面积或峰高,按下式计算含量:Ax 含量(mx)=f×-As/ms 式中 Ax为供试品(或其杂质)峰面积或峰高; mx为供试品(或其杂质)的量。f、As和ms的意义同上。
当配制校正因子测定用的对照溶液和含有内标物质的供试品溶液使用同一分内标物质溶液时,则配制内标物质溶液不必精密称(量)取。
外标法 测定供试品中含量
按各品种项下的规定,精密称(量)取对照品和供试品,配制成溶液,分别精密取一定量,注入仪器,记录色谱图,测量对照品和供试品待测成分的峰面积(或峰高),按下式计算含量:
A<[x]> 含量(mx)=mr×-Ar式中各符号意义同上
由于微量注射器不易精确控制进样量,当采用外标法测定供试品中某杂质或主成分含量时,以定量环进样为好。
10 设备
11 正反色谱
正相色谱法
采用极性固定相(如聚乙二醇、氨基与腈基键合相);流动相为相对非极性的疏水性溶剂(烷烃类如正已烷、环已烷),常加入乙醇、异丙醇、四氢呋喃、三氯甲烷等以调节组分的保留时间。常用于分离中等极性和极性较强的化合物(如酚类、胺类、羰基类及氨基酸类等)。
反相色谱法
一般用非极性固定相(如C18、C8);流动相为水或缓冲液,常加入甲醇、乙腈、异丙醇、丙酮、四氢呋喃等与水互溶的有机溶剂以调节保留时间。适用于分离非极性和极性较弱的化合物。RPC在现代液相色谱中应用最为广泛,据统计,它占整个HPLC应用的80%左右。
12 实例
高效液相色谱法,只要求试样能制成溶液,而不需要气化,因此不受试样挥发性的限制。对于高沸点、热稳定性差、相对分子量大(大于400以上)的有机物(这些物质几乎占有机物总数的75%~80%)原则上都可应用高效液相色谱法来进行分离、分析。据统计,在已知化合物中,能用气相色谱分析的约占20%,而能用液相色谱分析的约占70~80%。
1、环境中有机氯农药残留量分析
固定相:薄壳型硅胶(37 ~50mm)
流动相:正己烷
流速:1.5 mL/min
色谱柱:50cm´;2.5mm(内径)
检测器:差示折光检测器
可对水果、蔬菜中的农药残留量进行分析。
2、稠环芳烃的分析
稠环芳烃多为致癌物质。
固定相:十八烷基硅烷化键合相
流动相:20%甲醇-水 ~100%甲醇;线性梯度淋洗2%/min
流速:1mL/min
柱 温:50℃
柱压:70 ´104 Pa
检测器:紫外检测器
3.阴离子分析
双柱;薄壳型阴离子交换树脂分离柱(3×250mm),
流动相:0.003mol·L-1 NaHCO3 / 0.0024 mol·L-1Na2CO3,流量138 mL/hr。
七种阴离子在20分钟内基本上得到完全分离,各组分含量在3~50 ppm。
13 液相色谱理论
发展简况
液相色谱法开始阶段是用大直径的玻璃管柱在室温和常压下用液位差输送流动相,称为经典液相色谱法,此方法柱效低、时间长(常有几个小时)。高效液相色谱法(High performance Liquid Chromatography,HPLC)是在经典液相色谱法的基础上,于60年代后期引入了气相色谱理论而迅速发展起来的。
它与经典液相色谱法的区别是填料颗粒小而均匀,小颗粒具有高柱效,但会引起高阻力,需用高压输送流动相,故又称高压液相色谱法(High Pressure Liquid Chromatography,HPLC)。又因分析速度快而称为高速液相色谱法(High Speed Liquid Chromatography,HSLP)。也称现代液相色谱
。