HPLC方法設定時有一個重要的引數,那就是流速。對於不同規格(柱管內徑、填料粒徑等)的色譜柱,往往能發揮它們最佳效能的流速(即
最佳流速
)也會不一樣。
記得在讀研期間第一次接觸到有機狗必備技能“過柱子”時,指導我們的師兄給我們推薦了一篇1976年發表的JOC“神文”——“Rapid chromatographic technique for preparative separations with moderate resolution”,這篇文章的引用超過9000次(如圖1),這是一個非常驚人的資料,可見影響之廣泛深遠。
圖1 谷歌學術上的檢索結果
這篇文章的核心就是發現矽膠柱的分離效能對洗脫速度很敏感,最好是採用相對高的洗脫液流速,而文章採用給矽膠柱加壓,透過氣流控制閥來控制洗脫速度(比如文章中控制的流速為2 in。/min),從而實現快速而高效的分離。其實早在1956年,J。 J。 van Deemter就提出了van Deemter曲線及其方程式,這個方程描述了線速度與理論塔板高度(或柱效)的關係,它不僅適用於氣相色譜,也適用於液相色譜。
這個方程比較複雜,如果只關心
理論塔板高度
(HETP或H)、
流速
(線速度,u)及填料
顆粒度
(dp)的關係,van Deemter方程可以簡化為:
第一項
[a(dp)]
代表
顆粒度
和
柱床填裝的優劣程度
,第二項
(b/u)
代表
軸向擴散
,第三項
[c(dp)2u]
代表
傳質
。所擬合的理論曲線如
圖2
:
圖2 理論上的van Deemter曲線
從圖中可以看到曲線上存在一個最低點,這個點所對應的橫座標就是
最佳的流速
(
線速度
)。因此,當我們使用填料粒徑相同而柱管內徑(
i.d.
)不同的柱子時,可以由已知的一個規格色譜柱(如5μm,4。6 mm
i。d。
)的最佳流速
F
(1 ml/min)透過簡單的換算,即保持線速度不變就可以得到另一個規格的色譜柱(如5μm,2。1 mm
i。d。
)的最佳流速
F
(0。2 ml/min),即:
但是填料的顆粒度也同樣影響最佳流速。隨著填料技術的發展,越來越小粒徑的填料被用於實際分析中,
圖3
是不同顆粒度的填料的理論踏板高度與線速度關係的實測曲線:
圖3 不同粒徑填料的理論塔板高度與線速度關係的實測曲線
可以看出
顆粒度越小,其實現最佳柱效的線速度越高
;同時,
顆粒度越小,曲線後端越平緩
——即柱效隨流速升高而降低的程度越小,特別是
亞2 μm
的顆粒,這也就是為什麼
亞2 μm
的顆粒常被稱為
UPLC級別的顆粒
,因為它可以在儀器允許的範圍內不斷加大流速,在基本不降低分離度的前提下不斷提高分析效率。
對於內徑不同、顆粒度不同的色譜柱之間最佳流速的轉換有個經驗公式,即:
流速
F
與柱內徑(
i.d.
)的平方成正比,與顆粒度(
dp
)成反比。一般來說,亞2μm填料的UPLC色譜柱所需要的最佳流速通常是常規流速的1。5-2倍,因此在UPLC中有“
二倍流速
”的習慣說法,和上面介紹的公式計算出來的結果差別不大。
在這裡要說明一下,上面的流速轉換方程
只適用於同類填料之間
,比如都是全多孔的或者都是表面多孔的,否則上述公式不適用。
有了這個轉換公式,我們就可以根據一個
已知的最佳流速
很方便地得到同類填料其他規格的柱子的最佳流速了。附常用規格柱子的最佳流速表換算表(以5 μm,4。6 mm
i。d。
規格全多孔色譜柱最佳流速為1 ml/min為換算的資料基礎):
備註:這個資料僅供參考,和實際上常用的流速會有一定的差異。其實影響最佳流速的因素除了色譜柱內徑和填料顆粒度,還有
溶質擴散係數
Dm
,而
Dm
和流動相的性質、溫度和分析物的性質等因素有關,比如一般蛋白多肽類產品擴散係數
Dm
較小,其設定的流速往往比一般小分子的稍小。具體可以參考下面這個公式:
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