温度与高校液相色谱分离选择性的关系

文/ Frank Steiner Katherine Lovejoy

调整高效液相色谱仪的温度后会对分离的选择性产生影响 // 四种防腐剂的分离情况清楚地告诉我们，为什么用户关心的不仅是检测分析的速度还有分析的选择性。

虽然几乎所有的现代化和和自动化的高效色谱仪都有色谱柱温度控制功能，但在大多数情况下，高效色谱检测分析方案的设计中色谱柱温度并不是一个重要参数。在实验室的日常工作中，提高色谱柱温度的首先是一种降低流动相粘度的方法，其次是在流量恒定时降低色谱柱背压的方法，因此，提高柱温就是提高高效液相色谱检测分析的动力学性能。众所周知，温度提高之后不仅对色谱分析的速度有影响，而且对色谱柱中的物质滞留情况也有影响。原则上，范特霍夫方程描述了不同温度下某反应的平衡常数：

公式1中的保留因子k描述的就是与色谱柱的温度相关的系数；

式中△H0表示的是流动相和固定相之间分析物的焓变；△Hs表示的是相应的熵变；ß是表示相位关系的反应商。

图2 ：四种防腐剂在12个不同温度条件下的色谱分离图。

图1 根据公式1得出的四种防腐剂的范特霍夫色谱曲线图。

从公式中可以清楚的看出：lnk与时间1/T之间的关系是线性关系，也就是说可以通过两个检测点就确定它们之间的相互关系，但实际中，线性关系都有很好的相似性，尤其是高效液相色谱检测分析中，经常会出现出现偏差。因此，在要求严格的色谱分析中至少要采集三个检测点以上的数据，另外，应放弃利用外推法对测量范围以外的温度进行预测。图1所示的曲线就是非常有意思的范特霍夫方程曲线。这是邻苯二甲酸二乙酯、苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸甲酯和对羟基苯甲酸乙酯四种防腐剂在极性基团的反相色谱法分离时，利用含磷酸盐的水-甲醇洗脱液洗脱至酸碱度为PH 7时的色谱图。检测时，每5摄氏度进行一次检测，在20摄氏度至75摄氏度的范围内的检测结果显示出很好的线性度，因此，即使用很少的检测点也能够很好地描述这种相互关系。特别引人注目的是各条直线有着不同的斜率，而不同的斜率最终导致在观察温度范围内的洗脱点附近会出现直线交叉。这一点在实际工作中有着非常重要的意义，也是色谱分离成功与否的关键，必须给予高度的关注。

最佳的分析温度

在实验室日常工作中，通常都是在40摄氏度时开始HPLC高效液相色谱分离的。在这样的温度条件下不管洗脱液采用何种原理预热、色谱柱温度是如何监控的，常规的色谱柱温箱都能够可靠地进行调整。改变前例中的温度，即不是从40摄氏度开始，则注射到色谱柱中的四种物质只有一个“带肩”的色谱峰和一个乍看起来非常不起眼的色谱峰。这肯定不是适合这四种防腐剂样本的色谱检测方法，而不适合的唯一原因就是选择性对温度的依赖关系。范特霍夫曲线告诉我们：在40摄氏度（垂直线）时苯甲酸甲酯和对羟苯甲酸乙酯共洗脱，而此时邻苯二甲酸二乙酯和对羟苯甲酸甲酯之间选择性还有些不足。

在图中可以看出邻苯二甲酸酯和苯甲酸在范特霍夫曲线有着相似的斜率，这同样也适用于两个对羟基苯甲酸酯类，不同的是它们的保留时间对温度的依赖性更强一些。究其原因是因为它们的化学结构有所不同，所用固定相也有所不同，固定相中的烷基链中含有甲酰胺的功能。在它们的作用下氮的孤对电子会结合成氢键，氢氧基相当强的氢键供体功能对两种对羟基苯甲酸酯有着相当强烈的相互作用，使它们两种物质不可能相互混合在一起。在这一分离系统中，对羟基苯甲酸酯的保留机制使其有着明显更大的焓变，而这也确保了它的保留因子有着更强的温度依赖性。

特殊的温度在实验室的实际应用中有什么意义呢？在图2可以看出，在20摄氏度时，方法选择性洗脱的顺序是邻苯二甲酸二乙酯<对羟基苯甲酸甲酯<苯甲酸甲酯<对羟基苯甲酸乙酯。如果逐步的升高温度，在35摄氏度时，首先消失的是低于对羟基苯甲酸乙酯的苯甲酸甲酯色谱峰；当温度升高到45摄氏度时，对羟基苯甲酸甲酯的色谱峰也超过了邻苯二甲酸二乙酯色谱峰值，尽管在色谱柱中注入了四种物质，但在给定的塔板数内只能识别到两个色谱峰；当温度进一步升高时，苯甲酸甲酯的色谱峰会推移到对羟基苯甲酸乙酯的色谱峰之后；当温度超过60摄氏度时邻苯二甲酸二乙酯的色谱峰也会推移到对羟基苯甲酸甲酯之后；在75摄氏度时，四种物质的洗脱大致是等距洗脱，但洗脱顺序有着明显的变化。色谱图的颜色表示了色谱分离的情况。标记为绿色的色谱图表示其定量方法是可以让人接受的方法；黑色表示其方法至少是让人们看到了所有的四种物质；在红色色谱图中则最多能够识别出三种物质，而在45摄氏度时则只能识别出两种物质。

除了洗脱顺序发生了改变之外，四种物质在75摄氏度时的保留时间都明显缩短了。温度在20摄氏度时保留因子 k=2.6～k=6.6，在75摄氏度时保留因子减小到 k=1.0～2.6。由于较低的选择性和较低的保留因子，因此在温度较高时的分辨率明显下降了。另一方面，色谱分析时间也在多种因素作用下从1.3分钟左右缩短到了0.6分钟左右。原则上，一个必须注意的标准就是：第一个色谱峰的保留时间要大于k=1，最后一个色谱峰的保留时间不要大于k=10。根据这一标准， 20摄氏度的分析方法明显有着整体较高分辨率，是最好的分析方法。不到1.5分钟的分析时间也属于足够快的色谱分析了。

LP本刊提示

选择性和温度

由于化学结构的原因，温度的变化会对液相色谱分离中物质的选择性产生不同的影响。这主要是因为与固定相之间化合物的相互作用。例如本文所介绍的实例：在缺少醇基时氢氧基不与固定相相互作用，这就导致色谱分离时出现不同的保留时间。

有关温度的选择性优化

利用范特霍夫方程可以通过几次测量就能很好的预测物质不同温度下的保留因子k值。在一般情况下，在允许区域边界的两个温度条件下的检测就足够了，但建议使用三个温度、以便验证线性度。得到的曲线能够迅速地反应选择性的变化情况和洗脱顺序的变化情况。这也就可以利用图形来确定温度了：当图中所有温度点的垂直距离最大时，选择性的整体分布也是最佳的。 ■