液相色譜梯度洗脫中柱溫有什么影響

許多色譜工作者在操作液相色譜時，色譜柱是在室溫環境下工作的。如果實驗室的溫度能保持不變的話，不會有什么大問題。但大多數的工作環境溫度是不斷變化的，因此若想將在某實驗室開發的一種液相色譜方法應用到其他實驗室的話，溫度的差別就會引起較復雜的問題。溫度的影響在所有的色譜分析方式中都是存在的，本文就來討論液相色譜方法中的梯度洗脫方式受溫度影響的問題。 等度保留 大多數色譜工作者知道等度洗脫時溫度會影響保留時間。圖1顯示了三個不同溫度下的分離結果。我們發現當溫度升高時所有的色譜峰都前移了，等度洗脫時一般溫度每升高一攝氏度保留時間會縮短1-3%，在圖1中，保留時間變化率約為2%/℃。 擁有溫控系統的實驗室一般都有全天候溫控設置，但這種設置可能引起室溫顯著變化，這對整夜運行的色譜系統就會有一些影響，例如我們實驗室的夜間溫度就設為4-7℃。在不同的季節，實驗室的夜間溫度可能比正常工作日的溫度高或低，這種溫度的變化就會使色譜峰離開“保留時間窗”，造成連續進樣中產生一系列的無效數據。 還有一個可能的溫度影響因素就是色譜儀器在實驗室的位置。當色譜柱正對著空調的送風口時，雖然整個實驗室的溫度非常穩定，但色譜系統的溫度就會不斷的變化。這就是我們要使用柱溫箱的原因之一。 梯度保留 溫度變化對梯度洗脫和等度洗脫的影響趨勢是一樣的。圖2是苯胺和苯酸在三個溫度條件下的色譜圖。圖1中，20℃的溫度變化引起保留因子的變化大約為兩倍，然而在圖2中，40℃的變化使保留改變了約20%。平均來說，圖2中的色譜保留變化約為0.2%/℃。由此可見，溫度變化對梯度洗脫的影響要小于對等度洗脫的影響（假定本例具有普遍代表意義）。即便如此，若梯度洗脫時不控制溫度的話，保留值一般都會有較大的變化。 選擇性的變化 25℃時第二個峰和第一個峰很接近，但當溫度升高后，第二個峰卻遠離第一個峰，接近第三個峰。從三個圖來看，對于前三個峰的最佳分離條件是35℃。值得注意的一個有趣現象是，選擇性的變化是和成分相關的。 峰位置的相對變化和溫度的變化是有規律可循的。當條件確定以后，這個規律就是可預測的。例如，在圖2中當溫度升至77℃以上時，峰3和峰4將會合并。而當溫度更高時，峰3將會移到峰4之后。溫度引起的選擇性變化的多年來一直未受重視。最近，施耐德等人發現能夠將溫度作為一個調整選擇性的有力工具。 溫度控制 從實踐出發，為了獲得一致的結果我們必須要控制柱溫，使用柱溫箱是最好的辦法。目前商業化的柱溫箱有兩種形式：直接加熱色譜柱和通過空氣傳熱，每種設計都有其優缺點，而且不同廠商設計的LC系統也有不同的限制。在直接加熱型柱溫箱中色譜柱是被夾在金屬加熱器中或被加熱器包裹起來；而在空氣傳熱型的柱溫箱和氣相色譜柱溫箱很相像，色譜柱是被懸掛在靜止或流動的空氣中，通過加熱空氣來保持柱溫。第三種設計是把色譜柱浸在液體中（比如水浴中），這在實驗室中很容易搭建，但通常這種設計也并不比其他設計省力。 如果沒有柱溫箱，最有效的辦法就是將色譜柱隔絕在一個溫度波動最小的地方。例如，可把色譜柱置于泡沫塑料套中或色譜包裝盒中，當實驗室溫度基本不變時效果很好，但這種方法必須要允許保留有一些波動。隔絕色譜柱也可以避免結果受環境溫度影響。 溫度平衡 我們知道，為了保證分離的重現性，色譜柱在梯度洗脫狀態下的必須有平衡過程。當一次梯度洗脫分離完成后，一定要用10-15倍柱體積的流動相來沖洗柱子以恢復柱子的平衡。例如，如果使用B溶劑5-100%的梯度，柱子為150mm′4.6mm(柱體積為1.5ml)，當流動相從100%的B溶劑換回到5%的B溶劑時，大概需要保持1.5ml/min的流速10分鐘來恢復系統平衡，在進行下一次梯度變換之前如果系統沒有平衡，那么保留時間的重現性就會很差。 正如柱子不能完全平衡將導致保留時間的重現性差一樣，柱溫不平衡也會導致不理想的后果，這個問題在峰寬上的影響尤其明顯。當溫度變化時除了選擇性和保留時間的變化之外，峰寬也會發生變化。升高溫度通常會使理論塔板數（N）升高，峰寬變窄，由于峰面積不變，峰越窄就會越高，因此升高溫度可以達到更小的檢測限。（這篇文章里的色譜圖不是按同一個y軸比例來畫的，所以峰高的變化沒有表示出來） 不用平衡的流動相充分的沖洗柱子會導致化學不平衡狀態，但是當柱子在程序升溫的環境中我們怎樣確定不平衡問題呢？答案取決于柱子中的流動相，如果柱子是在室溫條件下，溶劑瓶、泵和自動進樣器也在室溫下，那么整個系統中的溫度就應該是穩定的。但是，如果柱子是熱的，系統的其他部分和溶劑是室溫，柱頭將比柱尾涼。柱子里的溫度變化將會影響峰形。 進柱的溶劑為室溫（約22℃），最后一個峰有很明顯的變形。把溶劑瓶、泵、自動進樣器加熱至與柱溫相同是不現實的，所以溶劑預熱器是最好的選擇。我們用1米長，0.25mm內徑的不銹鋼管作為預熱器，把這個不銹鋼管盤成直徑大約10cm的平面緊貼在柱溫箱里的預熱器上，再讓流路垂直以便預熱器能夠位于自動進樣器和柱子之間，這樣，涼的溶劑從自動進樣器里出來到柱子之前經過這個預熱盤升高了溫度。 當流動相和柱子之間的溫差增大時，由溫度不平衡而導致的峰變形就會加劇。在77℃時后一個峰變形很大以至于會認為它是兩個成份或者認為柱子有了死體積。在上述情況下當使用了預熱盤以后峰型都變得很漂亮。 為什么會看到這些峰變形了呢？這很容易從峰展寬的角度來解釋。前段的溫度比尾部的溫度高，所以前段走的快。當前面比后面走的快的時候就會產生展寬的峰。這種現象和梯度洗脫中有種情況是相對的，就是在一開始使用弱極性溶劑小流速后用強極性大流速。雖然使用預熱器來改善峰形是一個很著名的結論但峰變形的原因仍然很復雜。在理想梯度洗脫中，每個峰都應該在相同的環境中出來而且以相同的速度通過柱子，最后得到相同的峰寬。但是很奇怪后出的峰變形問題比先出的峰要嚴重，正如圖4所示。或許讀者對這個現象會有簡單的解釋。 結論 我們發現柱溫在液相色譜梯度洗脫過程中扮演了一個重要的角色，首先，提高柱溫可以縮短保留時間，其次，我們看到柱溫還可以影響選擇性，最后，溫度的不平衡會導致峰扭曲變形。這些提醒我們，如果想得到穩定可靠的分離結果，色譜柱的溫度變化是不可忽視的。