逆流色谱法(CCC)是一种基于样品在两种互不
混溶的
溶剂之间的分配作用的全液体色谱方法。这种方法不需要固态支撑体,而是利用溶质在两相溶剂中的分配系数差异来进行分离。根据其发展历程,可分为液滴逆流色谱(DCCC)、离心液滴逆流色谱(CPC)和高速逆流色谱(HSCCC),其中高速逆流色谱(HSCCC)因其高效的分离能力和速度而在实际应用中最为普遍。
原理
逆流色谱法的原理是基于样品在两种互不混溶的溶剂之间的分配作用,溶质中各组分在通过两溶剂相的过程中因分配系数不同而得以分离。这是一种不用固态支撑体的全液体色谱方法。
发展历程
液滴逆流色谱(DCCC)
液滴逆流色谱是在逆流分溶法基础上创建的色谱装置,可使流动相呈液滴形式在固定相间交换,促使溶质中各组分在两相之间进行分配,达到分离效果。然而,该法的缺点是流动相流速低,每小时只有十几毫升;分离过程长,通常需要几十小时才能完成一次几个组分的分离。
离心液滴逆流色谱(CPC)
离心液滴逆流色谱,也称为离心
行星色谱,采用了离心技术来加速重力分离。这套实用的仪器包含数千条直管,能够提供数百个理论塔板数的效能。尽管如此,CPC仍然面临与DCCC类似的挑战,包括低流速和离心速度的限制,以及在流动相进出口处使用的旋转
流体密封件性能不佳、价格昂贵且易损。
高速逆流色谱(HSCCC)
高速逆流色谱(HSCCC)是一种无需任何同态载体的液-液色谱技术,其原理是基于组分在旋转螺旋管内的相对移动而互不
混溶的两相
溶剂间分布不同而获得分离。HSCCC的分离效率和速度可以与高效液相色谱(HPLC)相媲美。
HSCCC发展历史
高速逆流色谱技术最早由
美国国立卫生研究院的一位教授在1982年研究和发展起来。这项技术克服了固相载体带来的样品
吸附、损失、污染和峰形拖尾等缺点,具有进样量大、无不可逆吸附等优点,已被广泛应用于医药、环境、化工等领域。
HSCCC原理详解
HSCCC原理
高速逆流色谱
分离原理结合了液液萃取和分配色谱的优点,是一种不需任何固态载体或支撑的液-液分配色谱技术。其基本分离原理是利用物质在两相间分配系数的差别进行分配。HSCCC将两
溶剂的分配体系置于高速旋转的螺旋管内,螺旋管的运动形式是在自身自转的基础上,同时绕一公转轴旋转,形成
行星运动。这种运动形式所产生的
离心力场不断变化,使两相溶剂充分混合和分配,从而达到洗脱分离的目的。由于样品中各组分在两相中分配系数不同,导致组分在螺旋柱中的移动速度不同,从而使样品组分按分配系数的大小次序被依次洗脱出来。
固定相的保留
在高速逆流色谱仪的设计中,有两个轴,一个是公转轴,另一个是自转轴,两者由一个电动机驱动。仪器的公转轴呈水平方向,圆柱形的螺旋管支持件围绕此轴进行行星式运转,同时围绕自转轴进行自转。由于螺旋管柱的
行星式运动产生了一个在强度和方向上变化的
离心力场,使在螺旋柱中互不相溶的两相不断混合从而达到稳定的流体动力学平衡,两相分离成两层,重相占据螺旋管的每一段的外部,轻相占据每一段的内部,并且两相沿螺旋管形成一个清晰的线性界面。因此,可以选择合适的模式,使其中一相作为固定相保留在螺旋管中,另一相作为流动相并带着样品进入螺旋柱并不断反复穿过固定相。这个过程频率极高,当柱心以800r/min旋转时,频率超过每秒13次。流动相从固定相流动的相反方向泵入,以阻止固定相的运动,使固定相保留在色谱柱内,高速逆流色谱法就是利用了这种现象来实现高速分离的。
溶剂系统
溶剂体系的要求及分类
HSCCC是利用溶质在不同溶剂中的分配系数不同进行分离的,因此溶剂系统的选择至关重要。对于分离的溶剂体系,应该满足以下几方面的要求:1) 不造成样品的分解与变性,且不与之发生反应;2) 对样品有足够高的
溶解度;3) 样品在溶剂体系中有合适的分配系数值(K应在0.5-2之间);4) 溶剂体系的各组分应分成体积比例适合的两相,以免浪费溶剂;5) 固定相能实现足够高的保留,且要满足一定的要求(保留值越大峰形越好)。常见的
溶剂体系按
极性分类有以下几种:1) 强极性溶剂体系;2) 中等极性溶剂体系;3) 弱极性溶剂体系;4) 极弱极性体系(
碘化钠体系);5)加酸体系等。这些溶剂体系分别可以用于分离相应性质的天然产物。
溶剂体系选择及组分分配系数的测定
选取一个合适的溶剂体系需要经过以下步骤:1) 通过TLC或者HPLC预测被分离物质的极性;2) 根据极性选择合适的分离体系;3) 如果得知与被分离物质极性相似物质的分离体系,可以借鉴。在选择
溶剂系统时,需要测定组分的分配系数,而分配系数测定常采用高效液相色谱法或薄层色谱法,这两种方法都能够较准确地测出特定组分的分配系数值。HPLC法是将适量的样品分别溶于已平衡的两相溶剂,待分配平衡后,进行HPLC的测定,通过得到的色谱峰面积可精确计算出样品在两相间的分配系数。薄层色谱法则利用样品在等体积上下相中分配平衡后用薄层色谱展开,通过薄层色谱得到的斑点判断组分的分配情况。不同的体系,有着不同的平衡时间(不同
溶剂系统中,从两相溶剂系统的上相与下相溶剂混合时,直到两相系统达到完全分层的时间),其影响着系统的分离效能,与固定相的保留率密切相关。
实验操作及影响因素
实验操作
在进行分离纯化时,首先将固定相充满于色谱柱,而后色谱柱即围绕自身轴进行自转;同时围绕设备中心轴进行高速公转(即
行星式运动),再将流动相泵入色谱柱。在此之前,首先选择预先平衡好的两相溶剂中的一相为固定相,并将其充满螺旋管柱,然后使螺旋管柱在一定的转速下高速旋转,同时以一定的流速将流动相泵入柱内。在体系达到流体动力学平衡后(即开始有流动相流出时),将待分离的样品注入体系。进样时,将样品组分溶于一定体积的的流动相之中,其组分将依据其在两相中分配系数的不同实现分离。同时,在注入固定相和流动相前,需配制
溶剂系统,充分振荡后静置过夜;分离上下层溶剂,超声排气30分钟。而测试结束后用
氮气将固定相推出,可测得保留率,有时由于固定相的流失导致流出液
乳化,一般要求固定相的保留值大于50%。
影响因素
由于高速逆流色谱是无需任何固态载体支撑的液-液色谱,其中作为固定相的液体在色谱柱中的保留程度对于高速逆流色谱的分离过程是十分重要的。首先,所选择的溶剂体系对固定相保留率有很大的影响,如两相密度差、粘度、界面
张力等。两相的密度差对固定相保留率的影响最大,固定相保留率和密度差基本呈线性关系。其次,还存在一些人为可以操控的条件会对固定相保留率产生影响,如高速逆流色谱的转速、流速、以及柱温等。其中,螺旋管柱的转速以及它产生的
离心力场对两相的混合程度具有决定性的影响。因此,对于界面张力较高的
溶剂系统,应使用较高的转速,以使两相之间能够剧烈的混合,从而促进分配和减少质点传递的阻力。对于界面张力较低的溶剂系统,应使用较低的转速,以避免过分混合引起
乳化作用,以及固定相的流失。在流动相流速方面,固定相保留率与流速平方根之间有着线性关系。流动相流速快不利于固定相的保留,且出峰时间太快会导致峰与峰间的分离度较差,而低流速虽然可以满足提高固相保留率的要求,但是分离时洗脱时间太长,且峰形变宽、耗费大量的流动相,故选择合适的流速对整个分离体系非常重要。仪器的柱温对固定相的保留同样也有着不可忽视的作用,其温度对于亲水性强的
正丁醇溶剂体系的固定相保留率影响较大。同时温度升高能改变溶剂的粘度,进而影响两相的分层时间。在选定了溶剂体系后,有时需要对三个仪器运行参数(转速,流动相流速,进样体积)进行正交试验,以确定最佳分离条件。分离是一种较为复杂的动态高速分配过程,其分离效率不仅和溶剂系统有关,还受分离温度、螺旋管转速、流动相流速、
梯度洗脱模式及进样量、进样方式等因素的影响。
应用
高速逆流色谱技术主要应用于天然药用植物活性成分的分离、标准品的制备、快速分离和重要指纹图谱分析以及天然新药的研发和筛选。