薄層色譜的基本原理及流動(dòng)相/固定相選擇

發(fā)布日期：2022-06-08 10:21:40

薄層色譜的基本原理及流動(dòng)相/固定相選擇

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薄層層析（TLC）技術(shù)

薄層色譜，與其他色譜技術(shù)的原理一樣，是一種利用樣品中各組成成分的不同物理特性把它們分離開來(lái)的技術(shù)。

這些物理特性包括分子的大小、形狀、所帶電荷、揮發(fā)性、溶解性及吸附性等。

薄層色譜分離一般是由幾種分離機(jī)理綜合的結(jié)果，最多的是吸附和分配，也有離子交換或凝膠滲透。

鑒于在薄層色譜的過(guò)程中，固定相和流動(dòng)相的特性因分離原理的不同而差別較大，

因此，為了方便敘述，現(xiàn)分別將各類型的色譜基本原理以及相關(guān)固定相和流動(dòng)相的技術(shù)要求簡(jiǎn)要介紹如下。

第一節(jié) 吸附色譜

一、吸附色譜的原理

吸附色譜法溶解于一相中的混合物的單一組分在另一相界面上會(huì)呈現(xiàn)出濃度變化，另一相表面常常出現(xiàn)組分的濃縮，這種現(xiàn)象稱之為吸附。

吸附性薄層色譜法是將吸附劑在光潔的表面，如玻璃、金屬或塑料等表面上均勻地鋪成薄層，而后在上面點(diǎn)上樣品，以流動(dòng)相展開，這樣，組分不斷地被吸附劑吸附，又被流動(dòng)相溶解，解吸而向前移動(dòng)。

由于吸附劑對(duì)不同組分有不同的吸附能力，流動(dòng)相也有不同的解吸能力，與吸附劑結(jié)合較緊密的組分較難被展開劑解吸，而與吸附劑結(jié)合較松散的組分則較容易被展開劑解吸。

因此在流動(dòng)相向前流動(dòng)的過(guò)程中，不同組分移動(dòng)距離不同，原有的混合物就可以得到分離。

分離度一般用比移值Rf值來(lái)表示，其數(shù)值可以通過(guò)被分離組分斑點(diǎn)中心離原點(diǎn)的距離與展開劑前沿離原點(diǎn)的距離之比計(jì)算出來(lái)。

二、吸附色譜中對(duì)固定相的要求

吸附色譜的固定相常稱為吸附劑。

目前最常用的吸附劑是硅膠和氧化鋁，其次是聚酰胺、硅酸鎂等，還有一些物質(zhì)如氧化鈣(鎂)、氫氧化鈣(鎂)、硫酸鈣(鎂)、磷酸鈣(鎂)、淀粉、蔗糖等，但因堿性太大或吸附性太弱，致使用途有限;而活性炭的吸附性太強(qiáng)，本身又是黑色，故很少用于色譜分離。具體要求如下：

①具有大的表面積和足夠的吸附能力;

②對(duì)不同的組分有不同的吸附性，因而能較好地分離不同的化學(xué)成分;

③在所用的溶劑和展開劑中不溶解;

④不破壞或分解供試品中各組分，不與供試品中溶劑和展開劑起化學(xué)反應(yīng);

⑤顆粒大小均勻，一般要求直徑小于70u.m(小于250目)且在使用過(guò)程中不會(huì)碎裂;

⑥具有可逆的吸附性，既能吸附樣品組分，又易于解吸附;

⑦為便于觀察分離結(jié)果，最好是白色固體。

三、吸附色譜中對(duì)流動(dòng)相的要求

流動(dòng)相的選擇必須根據(jù)被分離物質(zhì)與所選用的吸附劑性質(zhì)這兩者結(jié)合起來(lái)加以考慮。

在用極性吸附劑進(jìn)行色譜分離時(shí)，當(dāng)被分離物質(zhì)為弱極性物質(zhì)時(shí)，一般選用弱極性溶劑為展開劑;被分離物質(zhì)為強(qiáng)極性成分時(shí)，則需選用極性溶劑為流動(dòng)相。

如果對(duì)某一極性物質(zhì)使用吸附性較弱的吸附劑(如以硅藻土或滑石粉代替硅膠)，則流動(dòng)相的極性亦必須相應(yīng)降低。

在薄層色譜中，當(dāng)吸附劑活度為一定值時(shí)(如Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí))，對(duì)多組分的樣品能否獲得滿意的分離，決定于展開劑的選擇。

而展開劑的選擇原則主要還是根據(jù)被分離物質(zhì)的極性選擇相應(yīng)極性的展開劑。

第二節(jié) 分配色譜

一、分配色譜的基本原理

分配色譜法是利用混合物的各個(gè)組分在兩相溶劑中的分配系數(shù)不同而達(dá)到分離的一種色譜方法。

但需將兩相溶劑中的一相，設(shè)法固定在某一固體物質(zhì)上。

這樣的固體物質(zhì)，如硅藻土、纖維素粉等，常稱為載體。

被載體吸收的溶劑，稱為固定相。

第二相緩慢地在固定相表面上流動(dòng)，故被稱為流動(dòng)相。然而，這兩相必須是平衡以后相互飽和，否則將會(huì)在色譜分離過(guò)程中出現(xiàn)所用溶劑系統(tǒng)的濃度變化。

在色譜過(guò)程中，當(dāng)展開劑流經(jīng)原點(diǎn)時(shí)，被測(cè)混合物中的不同物質(zhì)即在兩相之間進(jìn)行分配，每展開一點(diǎn)距離，被分離物質(zhì)都接連不斷地重復(fù)地進(jìn)行著分配。

溶質(zhì)在固定相中的物質(zhì)的量濃度與其在流動(dòng)相中的物質(zhì)的量濃度之比常稱為分配系數(shù)，分配系數(shù)小的物質(zhì)，即在流動(dòng)相中溶解得多的物質(zhì)，隨流動(dòng)相移動(dòng)的距離就較大，Rf值大;反之，分配系數(shù)大的物質(zhì)，移動(dòng)的距離較小，Rf值小。

所以經(jīng)過(guò)一定距離展開后，分配系數(shù)不同的物質(zhì)逐漸拉開距離，進(jìn)而達(dá)到分離的目的。一般常用于極性大的成分，如糖、氨基酸、羧酸類、酚類等。

在分配色譜法中的兩相系統(tǒng)內(nèi)，如一相含有機(jī)溶劑較多，而另一相含水較多。

水相通常固定在固體親水性載體上，例如硅膠、硅藻土、淀粉、親水性凝膠、粉狀纖維索、濾紙等。

有機(jī)相通常是流動(dòng)相，這種方法稱為正向色譜法。

如果以疏水性材料的載體用有機(jī)相浸漬飽和，而水相是流動(dòng)相的話，那么這種方法就稱之為反向色譜法。

在一些特殊的情況下，用這種方法可以獲得更好的分離效果。

二、分配色譜中對(duì)固定相的要求

分配色譜的固定相常被稱為載體，最常用的載體有纖維素和硅藻土等。

作為分配色譜的載體需要具備以下條件：

①應(yīng)為中性多孔粉末，對(duì)樣品組分無(wú)吸附性或吸附性極弱。在色譜過(guò)程中不溶于展開劑系統(tǒng)中，與展開劑和樣品組分不起化學(xué)反應(yīng)。

②能吸住一定量的固定相，對(duì)固定液是惰性的，并不改變其組成，而流動(dòng)相又能自由通過(guò)。

③表面積大，吸住的固定相應(yīng)盡量多，最好能達(dá)到載體重量的50%以上。如硅藻土作為分配色譜的載體效果很好，因?yàn)楣柙逋量晌掌渲亓康?00%的水，而幾乎無(wú)吸附性能，它們主要應(yīng)用于分離蛋白質(zhì)、核酸、酶、糖等物質(zhì)，在生化方面應(yīng)用較多。

三、分配色譜中對(duì)流動(dòng)相的要求

構(gòu)成分配色譜的溶劑系統(tǒng)種類繁多，一般針對(duì)被分離化合物的性質(zhì)進(jìn)行選擇，大多數(shù)是采用復(fù)合的溶劑系統(tǒng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)溶劑系統(tǒng)的性質(zhì)，使之與被分離的化合物性質(zhì)相適應(yīng)。

例如，一個(gè)強(qiáng)極性溶劑A與一個(gè)弱極性溶劑B混合，通過(guò)改變其組成比例，可得到一系列中極性強(qiáng)度的流動(dòng)相系統(tǒng)。

表2—1就是根據(jù)被分離化合物的性質(zhì)得到固定相與流動(dòng)相之間的關(guān)系。

第三節(jié) 離子交換色譜

一、離子交換色譜的基本原理

離子交換色譜適用于氨基酸、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)水解物以及其他離子型化合物。

以離子交換樹脂作為固定相，用水或與水混合的溶劑作為流動(dòng)相。

在流動(dòng)相中存在的離子性物質(zhì)與樹脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)而被吸附，代替了因吸附表面活性所產(chǎn)生的吸附作用。

離子交換色譜的分離原理主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

①利用樣品組分的選擇性系數(shù)不同而進(jìn)行分離;

②利用各組分解離度的差別而進(jìn)行分離;

③形成絡(luò)離子后進(jìn)行離子交換分離。

當(dāng)樹脂的種類、性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件保持一定以及流動(dòng)相的各離子強(qiáng)度保持一定時(shí)，被分離組分離子在固定相(樹脂)和流動(dòng)相(溶液)之間的濃度之比是一個(gè)常數(shù)，此常數(shù)稱為分配系數(shù)。

分配系數(shù)值的大小決定組分離子在樹脂上的保留時(shí)間，分配系數(shù)值大，則溶質(zhì)的保留時(shí)間長(zhǎng)。

二、離子交換色譜中對(duì)固定相的要求

離子交換樹脂分為兩大類，即陽(yáng)離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。

離子交換樹脂的樹脂核是由苯乙烯通過(guò)二乙烯基苯鏈聚合而成。

二乙烯基苯在離子交換樹脂中所占的重量百分比稱為“交聯(lián)度”。

交聯(lián)度可反映樹脂的網(wǎng)眼大小。

交聯(lián)度越大，樹脂內(nèi)的孔洞就越小，大分子物質(zhì)就不易進(jìn)入樹脂顆粒之內(nèi)。

例如分離氨基酸或小分子肽(二肽或三肽)，以8%交聯(lián)度的樹脂為宜;而對(duì)分子量較大的肽，則以選用2%～4%交聯(lián)度較小的樹脂為適宜。一般只要不影響分離的完成，以采用交聯(lián)度較高的樹脂比較適宜。

因?yàn)榻宦?lián)度高，網(wǎng)眼小，組成緊密，性質(zhì)較穩(wěn)定，不易破壞，壽命長(zhǎng)。

但由于網(wǎng)眼小，分子小的離子可進(jìn)去，分子大的離子進(jìn)不去，也就是交換不上，因此表現(xiàn)為交換容量小，而選擇性強(qiáng)。

一般情況下，將離子交換樹脂按交聯(lián)度的大小分為三級(jí)，根據(jù)不同需要選擇應(yīng)用。

如制造離子交換水以選用高交聯(lián)度樹脂較好，分離大分子物質(zhì)則需應(yīng)用低交聯(lián)度的樹脂

三、離子交換色譜中對(duì)流動(dòng)相的要求

離子交換色譜展開劑的選擇要依據(jù)被分離化合物的酸堿性，可用各種類型的緩沖液或鹽溶液作為展開劑。

選擇展開劑的前提是根據(jù)被分離化合物是酸還是堿，是陰離子還是陽(yáng)離子來(lái)選擇。

為了使這些離子型化合物得到較好的分離，點(diǎn)樣前必須用水或0.1mol/L氯化鈉溶液對(duì)薄層板展開一次，即可使離子交換薄層得到再生或活化。

由于水是優(yōu)良的溶劑并具有電離性，因此大多數(shù)用離子交換樹脂進(jìn)行色譜分離時(shí)，都是在水溶液中進(jìn)行的。

有時(shí)亦采用水/甲醇混合溶劑，因?yàn)樵谒嗾归_劑中加入少量能與水混溶的有機(jī)溶劑可以增加樣品組分的溶解度并且改變?nèi)軇┑姆蛛x選擇性，還可以減少某些組分的拖尾現(xiàn)象。

緩沖液用來(lái)控制展開劑的pH值，如在陽(yáng)離子交換樹脂中，經(jīng)常采用醋酸、枸櫞酸、磷酸緩沖液 ;在陰離子交換樹脂中，則采用氨水、吡啶等緩沖液。另外也可通過(guò)加入某些鹽類溶液來(lái)調(diào)節(jié)展開劑的離子濃度。

常用的離子交換色譜展開劑有四種類型：

①pH=3.0～8.0的各種離子強(qiáng)度的緩沖溶液，如pH8.0的0.005mol/L磷酸緩沖液或pH3.4的2mol/L氯化鉀或氯化鈉溶液;

②鹽溶液，如0.1～2.0mol/L氯化鉀或氯化鈉溶液;

③蒸餾水;

④在上述各種展開劑中加入少量有機(jī)溶劑如甲醇、四氫呋喃、乙腈等。

第四節(jié) 凝膠色譜

一、凝膠色譜的基本原理

以凝膠為固定相的色譜，稱為凝膠色譜。

葡聚糖凝膠的分離原理是葡聚糖凝膠在吸水后形成凝膠粒子，在其交聯(lián)鍵的骨架中有許多一定大小的網(wǎng)眼。

網(wǎng)眼大，大分子物質(zhì)能進(jìn)入網(wǎng)眼內(nèi);網(wǎng)眼小，只有小分子物質(zhì)才能進(jìn)入網(wǎng)眼;而超過(guò)一定限度的大分子物質(zhì)，就被排阻在凝膠粒子的外部而不能進(jìn)入網(wǎng)眼。

這就使得能進(jìn)入凝膠內(nèi)部與不能進(jìn)入凝膠內(nèi)部的分子，如同按照分子大小過(guò)篩一樣，所以稱為分子篩。

操作時(shí)首先將凝膠在適宜的溶劑中浸泡，使其充分膨脹，然后再鋪成薄層，加入樣品后，再以同一溶劑洗脫，則樣品中大分子化合物不能進(jìn)入凝膠顆粒內(nèi)部，只在凝膠顆粒間移動(dòng)，因此阻力小，行動(dòng)快，走在前面;而小分子化合物能自由擴(kuò)散進(jìn)入到凝膠內(nèi)部，因此在色譜時(shí)受到的阻力較大，行動(dòng)慢，走在后面。如此經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的洗脫，混合物中各組分就會(huì)按照分子的大小而獲得分離。

二、凝膠色譜中對(duì)固定相的要求

凝膠色譜常用的凝膠是葡聚糖凝膠。葡聚糖凝膠常被分為親水性葡聚糖凝膠、親脂性葡聚糖凝膠和葡聚糖凝膠離子交換劑三大類。

親水性葡聚糖凝膠是由一定分子量的葡聚糖(右旋糖酐，dextran)懸浮于有機(jī)相中，加入交聯(lián)劑表氯醇使葡聚糖交聯(lián)聚合而成，其商品名為Sepha—dex。

加入交聯(lián)劑量不同可制成不同交聯(lián)度的凝膠，因此其應(yīng)用范圍也有所不同。

不同交聯(lián)度商品凝膠的吸水程度及應(yīng)用范圍等情況見表2-3。

制備凝膠薄層時(shí)與一般薄層有所不同，首先用于薄層色譜的凝膠顆粒要細(xì)(小于40um)，交聯(lián)度要低(G-50以下)。

因交聯(lián)度大的凝膠不易制板。此外，在制備凝膠薄層時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

①凝膠預(yù)先必須用水或緩沖液浸泡，使之充分膨脹后，經(jīng)放置沉降，再傾去上層浸泡液即可鋪制薄層，不需黏合劑，但玻璃板必須潔凈，否則鋪不好。

②鋪好的濕薄層需置于特制的展開槽中，薄層的上、下兩端連上厚濾紙條，以下行法(薄層與水平約成20°角)從薄層上端將展開劑引到薄層上，使薄層飽和或達(dá)到平衡(約需12h)，然后洗脫液由薄層下端流人儲(chǔ)液槽內(nèi)。

③薄層達(dá)到平衡后，需通過(guò)展開槽蓋上的小孔點(diǎn)樣品溶液。

④由于凝膠薄層一直為潮濕狀態(tài)，所以展開劑的前緣不容易察見。

⑤展開速度很慢，一般不超過(guò)4cm/h。

葡聚糖凝膠只能用于水溶性物質(zhì)，但在葡聚糖分子上引入有機(jī)基團(tuán)，則可使之成為親脂性葡聚糖凝膠。

如在G-25凝膠上引入羥丙基基團(tuán)，與糖分子以醚鍵相連，使之成為既有親水性又有親脂性的LH-20葡聚糖凝膠，適用于有機(jī)物，如黃酮、蒽醌、色素等成分的分離。

葡聚糖凝膠離子交換劑在G-25或G-50葡聚糖凝膠上引入羧甲基、磺乙基、磺丙基(SP，一C3H7SO3H)、二乙基氨乙基及季銨乙基等制成的既具有凝膠的優(yōu)點(diǎn)又具離子交換性質(zhì)的載體，在生化及天然化合物方面得到廣泛應(yīng)用。

這些離子交換劑在水、鹽溶液、弱堿溶液、弱酸溶液及有機(jī)溶液中較穩(wěn)定，但在強(qiáng)酸溶液中易水解，所以應(yīng)避免在pH值小于2的溶液中操作。

三、凝膠色譜中對(duì)流動(dòng)相的要求

凝膠薄層常用于高分子的非離子化合物的分離，如蛋白質(zhì)及核酸等，用此法可以分離不同分子量的混合樣品，常用的展開劑是水或鹽類的水溶液、緩沖液等。

在凝膠薄層展開劑中常加入適量的鹽類，以保持其離子強(qiáng)度，避免在離子型樣品通過(guò)凝膠薄層時(shí)導(dǎo)致凝膠收縮及滲透率減低。

第五節(jié) 其他薄層色譜

一、微乳薄層色譜法

與一般常用的薄層色譜法不同，微乳薄層色譜法是以微乳液為流動(dòng)相的薄層色譜法。

微乳液是將不同配比的表面活性劑、助表面活性劑、油、水等組分組合在一起，使其自發(fā)生成一種無(wú)色透明、各向同性、低黏度的溶液，屬于締合膠體溶液。

微乳體系的組成與膠束體系相似，但比膠束體系具有更大的增溶量。

微乳液具有更大的增溶量和更低的界面張力，更有利于提高色譜效率。

在微乳薄層層析過(guò)程中，溶質(zhì)在固定相、微乳液的水連續(xù)相及油核和界面膜數(shù)相之間產(chǎn)生不同比率的分配，由于微乳液的增溶作用，極性大的分子分配于微乳水連續(xù)相中，極性小的分子分配于微乳油核或穿插排列于表面活性劑與助表面活性劑組成的膜柵欄中，加上吸附、靜電、疏水、立體等其他多種綜合的效應(yīng)，使混合組分在微乳液中展開時(shí)遷移速度不同，使其具有獨(dú)特的選擇性，可同時(shí)分離親水物質(zhì)和疏水物質(zhì)。此外，本法對(duì)帶電成分和非帶電成分亦有較好的分離選擇，適用于分離差別很小的物質(zhì)。

二、膠束薄層色譜法

膠束色譜是一類應(yīng)用一定濃度的表面活性劑溶液所形成的膠束溶液作為流動(dòng)相的色譜。

自1979年美國(guó)科學(xué)家Armstrong首次采用膠束薄層色譜法成功地分離測(cè)定農(nóng)藥后，膠束色譜法在理論和實(shí)踐上均取得了顯著進(jìn)展。

表面活性劑分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)包括親水基和疏水基，如十二烷基硫酸鈉。

在極性溶劑如水中，由于和極性親水基(硫酸基)之間有排斥作用，非極性疏水基(烷基長(zhǎng)鏈)之間有締合作用，故幾十個(gè)表面活性劑分子聚合成團(tuán)，形成親水基向外、疏水基向內(nèi)的正膠束;而在非極性溶劑中情況則相反，極性基團(tuán)聚集成親水性內(nèi)核，而親脂性的非極性基團(tuán)向著外部的有機(jī)溶劑，形成逆膠束。

正膠束溶液對(duì)于原來(lái)不溶或微溶于水的有機(jī)化合物有增溶作用。

對(duì)于苯、甲苯這類非極性分子，由于分子溶解在膠束的親脂性內(nèi)核中，故溶解度增加;對(duì)于水楊酸、酚類等稍帶極性的分子，分子的非極性部分插入膠束內(nèi)核，極性部分伸在外層親水基團(tuán)中間，結(jié)果同樣造成增溶;而羧基苯甲酸這種強(qiáng)極性分子，則可吸附在膠束的親水基表面而得到增溶。

由于膠束的增溶作用，用膠束溶液作為色譜流動(dòng)相時(shí)，原來(lái)組分在液固兩相間的分配變成了組分在膠束、水相和固定相三相問(wèn)的分配平衡。

各組分之間因分配系數(shù)不同，而達(dá)到分離。

膠束薄層色譜根據(jù)所用膠柬溶液的不同又可分為正膠束薄層和逆膠束薄層。

正膠束薄層一般采用聚酰胺、氧化鋁、硅膠作固定劑，表面活性劑的水溶液，如十二烷基硫酸鈉水溶液等作展開劑，而逆膠束薄層一般采用硅烷化的硅膠作固定相，表面活性劑的有機(jī)溶液加入少量水，如丁二酸二辛酯磺酸鈉的環(huán)己烷溶液中加入少量水后作展開劑，可解決其分離效率不高或斑點(diǎn)略有拖尾等問(wèn)題。

采用正膠束薄層色譜，可以用膠束溶液代替有機(jī)溶液展開分離許多原來(lái)在水中不溶或微溶的藥物，既可避免使用揮發(fā)性大、對(duì)人體有害的有機(jī)溶劑，又能降低成本。

膠束色譜還可用于薄層掃描，又稱為膠束薄層色譜掃描法;類似的還有膠束高效液相色譜和膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜。

膠束高效液相色譜大多采用反相色譜柱LC-18、LC-CN等，流動(dòng)相多用SDS水溶液或用其他表面活性劑水溶液。

用膠束高效液相色譜分析血漿樣品時(shí)，因血漿蛋白大分子不能像脂溶性藥物小分子一樣進(jìn)入膠束內(nèi)部，故會(huì)首先洗脫出峰。

因此采用膠束色譜能使體液樣品不經(jīng)前處理直接進(jìn)樣。

膠束色譜的這種特點(diǎn)已在生物樣品中的藥物及代謝物測(cè)定上得到了廣泛應(yīng)用。

膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜是一種基于膠束增溶和電泳移動(dòng)的新型色譜。

當(dāng)樣品進(jìn)入毛細(xì)管后，在水相和膠束相中進(jìn)行分配，在水相中分配較多的組分移動(dòng)速度快，在膠束相中分配較多的組分移動(dòng)速度慢。

因此，各種組分可以根據(jù)它們?cè)趦上嘀蟹峙洳煌玫椒蛛x。

膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜的特點(diǎn)在于它彌補(bǔ)了普通電泳法不能分離中性化合物的不足，可用于許多電中性藥物的分離測(cè)定。

三、反相薄層色譜法

反相薄層色譜是利用化學(xué)鍵合反應(yīng)，將烴基硅烷鍵合到硅膠表面，制成非極性固定相，用極性較大的液體作流動(dòng)相進(jìn)行分離分析的方法，可克服疏水板對(duì)溶劑、系統(tǒng)的限制，其流動(dòng)相含水量根據(jù)鍵合相不同可達(dá)20%～80%不等。