液相色谱的消滞留层技术

                          戴朝政（Dai Chaozheng）

    色谱分离性能的好坏很大程度决定于色谱柱的质量。长期以来人们对色谱柱柱效的追求是永无止境的。2004年Waters 公司推出的UPLC(Ultrahigh pressure liquid chromatography 或 Ultrahigh performance liquid chromatography) (使液相色谱的柱效率上升到一个新的水平，基本上达到了填充柱的极限。采用减小担体粒径提高柱效所付出的代价是提高柱前压力。UPLC柱前压力已超过1000kg/cm2.追求更高的柱效率和简便的操作是色谱工作者的重要目标。笔者认为通过对色谱理论的研究可以看到实现这一愿望的可能性。为了在通常柱前压的条件下实现高效、快速这一目标，我们首先应该对色谱过程动力学有一个深刻地了解。从而寻求出解决问题的关键。
    Horvath和Lin认为在液-固吸附色谱过程中，吸附剂与流动相接触的表面存在着一个滞流层。滞流层由几乎静止的流动相组成，而流动相中的物质在自由扩散的作用下，穿过滞流层与吸附剂表面的物质起到交换的作用。他们命名这个模型为间隙流滞流体模型（Interstitial Stagnant Fluid Model）。在这个模型中，吸附剂被视为均匀的多孔球体，流动相中的组分经过在三维空间的扩散穿过滞流层，引起固定相球粒内部物质浓度的变化。根据这个概念导出了液相色谱动力学过程方程。
    通过数学处理可获得液-固色谱塔板高度方程，即Horvath-Lin方程：

    从Horvath-Lin方程可见，第二项是流动相流场与吸附剂颗粒间隙空间分子扩散，此项也就是色谱柱系统中的涡流扩散。此项与担体粒径密切相关但与流动相的线速度关系不大。在液-固色谱过程中由于担体表面滞流层的形成，使得dp的数值在公式中充分地发挥了作用。对于多孔担体如果能使滞流层消失，流动相能穿透担体内部此项的贡献就会减小。第四项是球形吸附剂颗粒内部物质的传输过程。第五项是吸附剂颗粒与流动相界面上液膜的物质的传输过程。这二个因素的产生都是因为吸附剂颗粒表面滞流层存在而形成。在流动相线速度比较大的情况下这二个因素将是导致色谱柱效率下降的重要原因。
    通过以上分析可以得到这样的结论。吸附剂颗粒表面滞流层的形成是制约液相色谱柱效率和分析速度进一步提高的主要原因。要得到更高的色谱柱效率和更快的分析速度必需消除吸附剂颗粒表面滞流层的影响。
    在讨论消除滞流层的办法之前我们有必要了解电渗流这一现象。
    当SiO2与水溶液接触时由于硅醇基的电离使SiO2表面带电，水溶液受SiO2表面电荷的作用溶液内相反电荷离子富集于SiO2表面形成双电层结构。
    静止时双电层结构处于滞流层的底部。如果我们在色谱柱内施加一个电场，在固定相表面的溶液和担体内部的溶液就会移动起来，导致担体表面的滞流层随之消失，这就是“消滞技术”。由于滞流层消失，滞流层对塔板高度方程的贡献也随之消失。因此采用消滞技术的色谱塔板高度方程为：

    由此式可见采用消滞柱可以得到更高的柱效，也可实现更快的分析速度。
    与一般填充柱的不同是在消滞柱的中心有一根表面镀金的芯。芯与柱壁之间施加一个交流电场。这交流电场的主要作用是在担体内外表面都产生一个方向不断变换的电渗流，这个电渗流消除了围绕在担体表面的滞流层。进而强制性地让担体内部的物质与担体外部物质交换,进而加快了传质速度。从而提高色谱柱的分辨能力。由于柱内使用的是普通填料，因此消滞柱不必在超高压下就可以达到高的柱效。

    柱中心有一根镀金的芯。 芯（黄色）与柱壁之间施加一个交流电场。利用电渗流强制性地让担体内部的物质与担体外部物质交换。在消除滞流层的同时提高传质速度。
    这项技术已获得国家专利。