色谱实用操作条件及颗粒大小和柱长度的选择
抖化学 / 2022-10-02
实践的色谱工作者要求能够在适当时间内和合理的柱压降下分析混合物。显然，要包含所有可能性的tR和⊿p的范围是很大的，因此人们必须选择某些代表性的有用数值。在讨论实用操作条件时，必须决定所要的塔板效率和保留程度。现在我们选定分离参数为
K'=4
N-5000
以及典型的溶质洗脱液的特性为
η=10﹣²克/厘米·秒(泊)(水)
Dm=10﹣5厘米/秒(小溶质在水中)
假设(h,v)曲线对于所有的dp值是相同的，如实验所表明，在以多孔颗粒良好充填的柱中情况大致如此。对此,合理的方程是
2
h=------+v0.33+4×10-²v
v
最后，取ψ=10³.
现在对不同的⊿p和各种颗粒大小求tR值和合理的柱长。这样就能确定实用的最佳条件。但无法直接进行计算，因为要利用方程(2-12)就需要知道h的操作值。
这可按下法求出。以Nhd,代人流动方程( 2-8 )的L以得出:
φηNhdPu φηNDm
⊿p=---------------------=-------------------(hv)
d²p d²p
因此
⊿d²p
hv=----------------
φηNDm
于是，从选定的操作条件中首先计算是hv而不是h。通常，多种液体的ηDm≈10~7达因，这样以φ=1000得到hv=10³﹢¹(⊿d²p/N )。用大气压表示⊿p和微米表示dp,就给出
⊿p dp
hv=100(-------------)²(----------)/N
大气压 微米
表2-2显示，当要求N=5000时，对于各种柱压和dp的hv的值。
标准(h,v)曲线给出
hv=2+v¹.³³+4×10﹣²v²
各种4p和dp的hv值
( N=5000;ηDm=10﹣7达因a;φ=10³ )
可对表2-2中给出的每个hv值解出V;然后可确定h。与表2-2中hv值相对应的h和D的成对值列于表2-3。
然后，从方程( 2-13 )和L=Nhdp计算分析时间和柱长度。结果列于表2-4。
表2-4说明对柱设计的一些有意义的特点:(1)用任何dp时，压力越大(每行自上而下)，分析时间越短，所需柱长越长。增加⊿p所赢得的分析时间对较小颗粒最为显著，而对最大的颗粒则所缩短的时间相当小:用20和50微米颗粒时，压力加大十倍而速度增加不到一倍。这是因为对于较小的颗粒，工作条件是在(h,v )曲线上较低v值区城内(表2-3)，此处h受v的影响最小。(2)如果4p保持恒定(左右横列)，较小颗粒给出较短分析时间，直到一定限度。这是因为用较小颗粒时，工作条件是在较低的v值，因而也在较低的h值。( 3 )然而，如果颗粒很小，在有限的压力降时(例如2微米颗粒用3兆牛顿/米²，20大气压)不可能得到所需的塔板数，即使在较高压力，当dp小F定数值时，分析时间也很少改善。这是因为用很小的颗粒时，人们不得不在低于h最小的v值条件下工作。事实上，标准(h,v)曲线的最小h约为2.2出现于v≈3处;在此点hv约为7。如果由方程(2-43)计算的hv比7小，则在板高曲线最小点左侧的上升部分的条件下操作，因而就丧失了效能。如果计算的hv值小于2，则用dp和⊿p就不可能进行分析。最佳条件是在hv为5~20的范围，此时h和t都较低。
用目前HPLC仪器的高压能力，采用2微米颗粒在理论上可达到最快的分析，但柱子就将短到对于注样和检测技术提出极度的要求。由此得出结论，颗粒尺寸的实用限度是在5到10微米的范围内。这样，柱子可以很短，比方说100~ 200毫米，并可产生
高的塔板效率。图2-10说明，采用较小颗粒得到有益结果。在这实验系列中，压力降固定于2.3兆牛顿/米²(330磅/英寸2 )，而要求的塔板数是4000左右。分析时间大致与颗粒大小成比例。
在各种⊿p下采用5和10微米颗粒时，行要求的塔板数对分析时间和柱长的影响示于表2-5。
对于表中方框圈内所表示的条件，我们只是简单地按塔板数增加的比例增大柱长度和压力降，因此分析时间也按比例增长。
实用上，由于峰在注入口、连结部和检测器内的扩展问题，人们不能用长度比100毫米低很多的柱进行操作，所以，如果不是追求极高的性能，就可用10微米的颗粒充填100毫米的柱，并在比方说5兆牛顿/米²(50大气压)下操作，以便在k'=4时在2分钟内得到2000塔板。另一方面，如果要求高性能，则以5微米材料充填100毫米柱在压力降20兆牛顿/米( 200大气压)及大约100秒的分析时间可产生5000塔板。
欲达到很高的塔板效率时，实际问题就出现了。对于任何给定的压力，分析时间就要长得多，要得到合理的速度就需要用最细的顺粒在最高压力下操作。于是，为在20兆牛顿/米²(3000磅/英寸2)得到20,000塔板数的分析，，最好使用5微米充填材料，这将从270毫米柱中花费大约12分钟的时间来洗脱。如果用10微米填充物，柱就需要800毫米长，25分钟。
当然，所有上述数字是以水作洗脱液(η=10﹣²泊)和φ=1000计算出来的。许多洗脱剂具有低得多的粘度(例如n(已烧)=0.3×10-²泊)，如果采取优良的淤浆充填技术，φ能降低至500。这些改进将按比例减低对压力的要求，或者使在同样的压力下得到更快的速度。
已多次谈到，使用很高的压力现已变得过时了，达到比方说7兆牛顿/米²(1000磅/英寸²)的设备已能满足大多数需要。这在短期内可能是确切的，如果人们的兴趣在塔板数方面不超过如3000，并使用非粘性洗脱液。然而如上所述已很清楚，一旦采用粘度如水的洗脱液，高压就变得必不可少，人们就会要求如10000或更多的理论塔板。因此，根据高压设备已不再需要这样的假定进行工作，就是非常不明智的了。相反，要求的性能越高，就越需要更高的压力。虽然如此，人们必须认识，对于中等效能而
言，使用大多数有机洗脱剂，10兆牛顿/米²(100大气压)的能力就能满足需要。
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