硅胶基质分离材料讲义

硅胶基质分离材料硅胶组成和结构硅胶（SilicaGel）是一种高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。硅胶属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2.nH2O。硅胶的化学成分主要是SiO2，Si－O键的键长为0.162nm，低于氧分子共价半径0.192nm,Si－O键稳定性相对高的原因.[SiO2]4-和[SiO4]6-是形成硅胶三维框架结构的基本单元.具有多孔的无定形结构不产生任何X射线衍射。不溶于水和任何溶剂，无毒无昧，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度、容易控制的孔结构比表面积和专一的表面化学反应等。常用的5微米粒径、60-100埃孔径的硅胶，可以承受60-70MPa的操作压力，而300-1000埃孔径的硅胶可以承受30MPa的操作压力。硅胶的表面存在着硅醇基团(Si-OH)和暴露的硅氧烷键(Si-O-Si)硅醇基团是强吸附的极性基团，而硅氧烷键是疏水基团。硅氧烷键中氧原子上的孤对电子参与π作用，不能参与给体与受体间的相互作用，不能形成氢键。硅胶表面含有丰富的硅羟基，是硅胶进行表面化学键合和改性的基础。硅胶的性质硅羟基的分类：自由型、邻位型、孪位型、氢键结合水型。不同类型的硅羟基具有不同的浓度，硅羟基含量的测定方法有同位素交换法滴定法光谱法和烷基铝法等。根据同位素交换方法测定硅胶表面硅羟基总浓度为8.0±1.0μmol/m2.照晶体点阵计算,硅胶表面羟基数目是8个/nm2,但用化学方法测定的羟基数一般认为是5个/nm2。不同类型的硅羟基具有不同的反应活性，对表面键合有利的是自由型和邻位型。硅羟基的性质硅胶的孔结构多孔硅胶的孔结构是由组成硅胶的胶态SiO2质点的大小及其堆积方式决定的。孔结构归纳为不同的类型,如:杯形、瓶形、裂缝形等,它们必须是开放孔,闭孔对分离是没有贡献的。平均孔径,实际上是个统计的、平均的概念,即指累积孔径分布曲线50%处的平均孔径。平均孔径为6nm的硅胶,其比表面积约为300m2/g～400m2/g;平均孔径为30nm的硅胶,其比表面积约为100m2/g。比表面积随平均孔径的增大而减小。硅胶固定相早期：无定型硅胶颗粒>100um、传质速度慢、色谱柱效率低中期：薄壳型硅胶固定相玻璃珠涂布硅胶微粒层,表面形成一层仅仅1

3

m厚的薄层30-40um、孔径均一渗透性好，溶质扩散快高效、分离快速，但样品负载量少后期：全多孔微粒固定相<10um、粒度均匀、孔径均匀其特点是比表面大,通常在200-500m2/g,负载量大裝短柱可实现高效、快速分离孔隙深度通常在10

100nm。色谱用硅胶性能要求作为分离材料基质的硅胶,需要有规则的几何形状，即球形，球形硅胶更有利于传质,且使色谱柱的操作压力较低。适宜的粒子大小。尽可能窄的粒度分布。适宜的孔径及孔径分布。适宜的孔度及比表面积。高纯度其中均匀粒度和孔径控制是非常棘手的问题。如果我们使用更小颗粒度的填料会发生什么情况？HPLC填料颗粒尺寸的演变10min从80年代到现在1.5~5µm球形微多孔填料1500~4000psi50,000~80,000塔板数/米3.9×300mm70年代末期10µm不规则微多孔填料1000~2500psi25,000塔板数/米3.9×300mm10min70年代早期40µm薄壳非多孔基质上涂布100~500psi1000塔板数/米1m长色谱柱10minvanDeemter曲线及方程式三项加在一起最终得到的“vanDeemter曲线”A项（颗粒度和柱床填装的优良程度）HeightEquivalenttoTheoreticalPlate线速度U（mm/sec）

HETP最低HETP=>最优化的塔板数HC项（传质）B项（轴向扩散）HETP

PLATESA项

+

B项

+

C项vanDeemter曲线的提示颗粒度越小柱效越高颗粒度控制着分离的质量更小的颗粒度：使最高柱效点向更高线速度方向移动有更宽的线速度范围降低颗粒度不但可以增加柱效，同时也增加分离速度vanDeemter

曲线的挑战如果填料的颗粒继续演变……更小的颗粒度……被仪器及色谱柱的耐压的所限制Linearvelocity(u,mm/sec)硅胶的分离机理主要是吸附色谱和分配色谱分离机理吸附色谱,以吸附剂作固定相，基于溶质在固定相活性表面的吸附亲和力达到分离的液相色谱方法。分配色谱,基于样品组分在固定相中的溶解度的不同而产生保留和分离的色谱模式。硅胶是一种酸性吸附剂，pKa

值是7.1，适用于中性或酸性成分的分离。硅胶是一种弱酸性阳离子交换剂，其表面上的硅醇基能释放弱酸性的氢离子，当遇到较强的碱注化台物，则可因离子交换反应而吸附碱性化合物。构成柱层析胶体骨架的SiO2呈硅氧四面体结合，原子间的力场是平衡的。硅胶粒子内部孔隙的表面结构与形成的骨架内部结构不同，表面的硅原子与胶体所含的结构水形成硅醇基，这种结构的不平衡性使硅胶的表面产生自由力场，即对水分子或其他极性分子有吸附能力，被吸附物质因分子极性强弱不同，胶体粒子表面对其表现的吸附力大小有不同程度的差别。由于这方面原因，硅胶对不同物质的混合物的吸附具有选择性。当分子极性较强的物质组份通过硅胶表面时，与硅胶产生的吸附力也较强，该物质组份在硅胶表面的保留时间较长；相反，分子极性较弱的组份，其保留时间较短。故不同物质的混合物因在通过硅胶过程中因保留时间的差别而得到分离。吸附色谱分离机理分配色谱分离机理溶剂基于在两相之间的相对溶解度而分离，相似相溶保留时间长的物质与固定相亲和力较强两种基本操作模式正相：极性固定相、非极性流动相反相：非极性固定相、极性流动相硅胶中含水量>17%,吸附力极弱不能用作为吸附剂，但可作为分配层析中的支持剂。

样品成分在流动相和固定相之间的分布样品由流动相带动通过色谱柱其成分与固定相的作用有强有弱移动速度有快有慢，造成分离分配系数

KDKD1=[Xs]/[Xm]KD2=[Ys]/[Ym]KD2<KD1，所以Y先洗脱出来正相与反相分离通用HPLC硅胶固定相

1)基质材料细粒度（3，5，10µm）、均匀、球形、高纯度的SiO2I硅酸钠（水玻璃）---制SiO2凝胶

II四乙氧基硅烷Sol-gel技术制超纯硅胶

通用HPLC固定相填料通用LC固定相硅胶固定相的缺点硅质填料一般只能在pH2～7的流动相条件下使用.碱度过大,特别是当季铵离子存在时,硅胶易于粉碎溶解.酸度过大,连接有机基团的化学键容易断裂.碱性化合物在固定相上拖尾比较严重，甚至产生不可逆吸附.硅胶固定相的化学修饰涂层法，附着强度不佳,难以耐受较长时间的反复使用,且柱效亦不高整体修饰，利用具有不同官能团的卤代硅烷或烷氧基硅烷的水解、缩聚反应,直接制出空间交联型、含不同烷基的硅胶，比通过涂层法改进硅胶的表面性质要稳定。表面硅羟基的化学修饰１．

硅烷化－单分子层覆盖２．

硅烷化－偶联剂－进一步衍生３．

硅氢加成反应４．

聚合物复盖硅胶固体表面化学修饰通用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间位阻作用通用LC固定相通用LC固定相双齿键合固定相包埋极性集团反相固定相通用LC固定相氧化物表面化学修饰X1:-Cl、-OCH3、-OC2H5;X2:-Cl、-OCH3、-OC2H5、-CH3、-i-C3H7、-t-C4H9等R可以是各种烷基（如C18,C8,C4,C1…）,-C6H5,-CH2CH2CN,-CH2CH2CH2NH2,-CH2CH2NO2,-C6H4SO-3,-C6H4N(CH3)3等。如此，制得相应的烷基，苯基，氰基，氨基，硝基等离子交换键合相。≡Si-OH+

1.表面硅烷化处理单分子层覆盖氧化物表面化学修饰2.硅胶+活性硅烷+偶联剂，进一步表面衍生化氨丙基三乙氧基硅胶（aminopropyltriethoxysilane,KH-550）缩甘油氧丙基三乙氧基硅胶（3-glycidopropyltriethoxysilane,KH-560）是常用的活化硅烷

氧化物表面化学修饰3.硅氢加成反应

Si-O-Si-C键型的，这仍然是个水解不稳定的结构，特别是在较强的酸性和碱性条件下。利用氢代硅胶（≡Si-H）与带末端双键的链烯烃易发生“氢硅化反应”：

得到Si-C键结构的键合相。这个结构比Si-O-Si-C键型有更好的化学稳定性

氧化物表面化学修饰4.聚合物包夹固定相聚合物填料几乎可耐1～14的pH范围，但机械稳定性较差。综合两者的优点，采用聚合物包复的硅胶填料，也是一种氧化物颗粒介质表面改性的良好措施。

固定相分类非极性:C8,C18,苯基

甲醇/水，乙腈/水，四氢呋喃/水适于非极性或中等极性样品（无氢键官能团，脂肪基、芳香基占优势）中等极性:CN甲醇，乙腈，四氢呋喃(一般优于异丙醇)

正相：脂溶性维生素，香精油和极性更高的同系物。（双键化合物）反相：对极性化合物保留差。

强极性:NH2

水/乙腈氢键作用与弱阴离子交换作用适用于极性化合物如糖类、肽类的分离。高效色谱分离填料的合成（一）硅胶选择（二）反应控制两个技术关键反应活性：不同类型硅羟基反应活性不同活性基团：不同品牌所含各类型硅羟基比例不同关键之一：硅胶选择微孔内与表面的硅羟基反应活性不同不同品牌（工艺）及规格硅胶的孔径及分布不同关键之一：硅胶选择关键之一：硅胶选择日本富士5µm100Å日本富士5µm300Å关键之一：硅胶选择美国5µm100Å青岛美高5µm100Å关键之一：硅胶选择强度低的硅胶使用后破损的情况活性控制技术：不同类型硅羟基反应活性不同关键之二：反应控制中高低中低高低催化剂选择反应条件选择反应控制(DCS)关键之二：反应控制深度控制技术(定量的关键)：填料合成结果

——重现性C1840um批号 C%060210 18.20050831 20.16050816 20.78批次060210与其他两批C%明显不同，是人为控制反应的结果C185um批号 C%060206 12.72060214 12.69051019 12.34051219 12.60填料合成结果

——重现性C840um批号 C%05