[摘要]在非水毛细管电泳中选择合适的溶剂可以改变分离的选择性,提高分离度和分离效率,因此对溶剂系统的选择和优化是非常必要的。就此对非水毛细管电泳溶剂系统的选择与优化进行综述。

[关键词]非水毛细管 电泳 溶剂综述

中图分类号:O65文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920003-01

作为毛细管电泳的分支——非水毛细管电泳(nonaqueous capillary electrophoresis,NACE)历经了飞速地发展,研究的范围不断地扩大,主要包括基础研究和分析运用两个方面,在理论、研究方法、技术等方面都引起了人们的重视,在实际应用方面,非水毛细管电泳法所做出的成绩更加突出。由于非水毛细管电泳是一个相对较新的领域,至今一些非水溶液的物理化学性质还没搞清楚,加上有机试剂的种类太多,所以给试剂的选择增加了一些难度[1],因此对溶剂系统选择的规律和优化方法的研究是今后一段时间研究的重点。

一、非水毛细管电泳中有机溶剂的使用条件

非水毛细管电泳中选择的有机溶剂需要满足以下条件:(1)能分离溶解所用的分析物和电解质。(2)无毒性、无反应活性和非易燃的。(3)价格廉价,纯溶剂的。(4)在室温时是液态。(5)粘度低、蒸汽压低、相对介电常数高。介电常数是非水毛细管电泳的重要参数,它描述溶剂中离子间的相互作用强度。要让电解质全部或部分分离,非水毛细管电泳中所用的溶剂的介电常数应大于或等于30。只有有机溶剂的动力学粘度低,才能确保分析物具有较高的迁移率,有一个较为合适的分离时间。(6)兼容检测技术。有机溶剂一般在紫外区有强的吸收,这与水介质不一样。若用UV检测的话,则要保证所用的有机溶剂在紫外区无吸收。介电常数小于10的有机溶剂的离解度小,在CE中的应用就很少,不过它们能够增加疏水性溶质在电解质溶液中的溶解度,由于与介电常数高的溶剂的混合。(7)电渗流(EOF)是由于背景电解质溶液与毛细管内壁之间的电动现象形成的。具有导电性是对背景电解质的基本要求之一,而且能够产生的电渗流足够强。背景电解质的组成能控制电渗流的大小和方向。酸及其铵盐是非水毛细管电泳在有机溶剂中应用最普遍的缓冲体系,其中最为普遍的是乙酸-乙酸铵的应用。

二、有机溶剂的选择

粘度、介电常数、挥发性、偶极矩和质子离解等多种因素的综合影响是非水毛细管电泳中有机溶剂选择时需要考虑的。乙腈、甲醇、甲酰胺和N-甲基甲酰胺是非水毛细管电泳中最常用的有机介质,二甲亚砜、二氧六环、碳酸丙烯、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺等也被人使用过。

(一)溶剂的挥发性。NACE中有机溶剂选择的重要指标之一是溶剂的挥发性。挥发性大时,在使用甲醇等挥发性较强的溶剂时,必须注意样品池的分析时间和密封性,这是因为溶剂的挥发会导致溶液组成的改变,导致重现性降低。使用何种有机溶剂在实际分离时很大程度上决定了分离的成败。有机溶剂的质子常数与水相比可以在更大范围内调节,因为它通常情况下比水大。在水中同系列溶质之间物理化学性质的微小差别在有机溶剂中能更明显地表现出来,能得到更好的分离,水中的所谓拉平效应在大多数有机溶剂中非常弱甚至不存在。酸和碱的离解常数pKa值在甲醇中和在水中是有变化的。理化性质接近的化合物在非水溶剂中更有利于分离,因为它们的微小差别在非水溶剂中比在水中表现得更明显。在溶剂的影响下,很多在水相溶剂中难以分离的化合物的pKa的差别在非水溶剂中被放大数倍,因此能比较容易分离。溶剂的自身离解影响溶质在介质中的溶解性,影响溶质在溶剂中的化学平衡和离子对的形成。溶剂亲疏质子的性质会影响氢键的形成和溶剂化效应,进一步影响电渗流。通过改变电泳介质的性质可改变溶质的迁移顺序和提高分离的选择性,因为有机溶剂中被分析物的pKa值与溶剂化性质和溶剂的类型有关。

(二)溶剂对分离效率的影响。选择合适的有机溶剂可以提高分离效率。一个重要的参数就是相对介电常数ε,这个参数能够反映溶剂中离子间相互作用的强度。正丙醇和乙醇的介电常数(10≤ε≥30)离子配对还是占主要优势,但是部分离解。粘度随温度变化很大,粘度(η)是指半流体和流体流动的难易程度。毛细管电泳中需要有一个较低的粘度,分析物离子才会有较高的淌度,才会有一个较合适范围的分离时间。较低的相对粘度、蒸汽压和较高的相对介电常数对分析物的分离有利。Jansson等[2]证明在一定条件下分离系统的ε2/η值与单位时间的理论塔板数成正比。Valkó[3]获得了每米500000的理论塔板数,他是以N-甲基甲酰胺为介质分离丹酰氨基酸时获得的。

(三)溶剂对分离选择性的影响。选择合适的有机溶剂还可以改变分离的选择性。要改变电渗流的大小和方向,只要改变背景介质的组成即可。在非水毛细管电泳中优化分离效率的一个重要参数就是电渗流淌度。测定了几种有机溶剂的电渗流是在没有带电离子存在的条件下采用未涂层硅胶毛细管进行的。也有一些未用缓冲试剂的成功分离实例,有人就在微芯片装置上配上电喷雾离子质谱检测完成,但这并不影响实际分析中合适的缓冲液对重现性和分离效率的重要性。毛细管壁的表面的吸附和硅羟基解离决定管壁ζ电位的大小。管壁双电层电位的大小、毛细管内壁的硅羟基的解离和管壁对溶液组分的吸附都直接取决于溶剂的性质。

由体系pH值决定的因管壁氢解离带上不同电量Q同样会影响电位ζ的大小,多数有机溶剂能降低双电层厚度,比水有较小的介电常数。ζ电位随Q呈指数变化,Q在非水介质中是呈指数级降低的。加入有机相,在一定程度上会增大pKa值。在水中硅羟基的pKa值是5.3,加入高组分有机相之后,使pKa值增大最多的是二甲基亚砜,高达3个单位,导致酸度减到1/1000,大大地抑制了管壁氢的离解,这样表面带的电荷Q就很快减小,总体上的结果是降低了ζ电位。使pKa值增幅最小的是乙腈,乙腈也能使氢离解能力减到1/10以下。所以在非水介质中管壁ζ电位通常很小。

三、结论

NACE能够解决分离分析中的一些难题,是对CE的有效补充,充分体现了它的优点,但当今的理论研究还不够深入,实际应用还不够成熟,为了拓展其应用,发挥其特点,必须深入研究非水溶剂的分离机理和迁移行为。CE要成为常用的有效分析手段,就必须做好理论和应用两方面的工作。

参考文献:

[1]王荣英、辛慧君、吴明嘉,非水溶液毛细管电泳[J].分析化学,1997,25:1228-1231.

[2]Jansson M,Roeraade J.N-methylformamide as a separation medium in capillary electrophoresis[J].Chromatographia,1995,40:163-169.

[3]ValkóI E,Sirén H,Riekkola M-L.Chiral separation of dansyl amino acids by capillary electrophoresis;Comparison of formamide and N-Methylform-mide as background electrolytes[J].Chromatographia,1996,

43(5-6):242-246.

作者简介:

王延宝(1980-),男,山东省济宁学院化学与化工系助教,主要研究方向:毛细管电泳。