表面活性剂在色谱分析中的应用

表面活性剂在色谱分析中的应用摘要：本文综述了表面活性剂在色谱分析中的应用，具体介绍了在毛细管电动色谱（MECC）、胶束电动毛细管色谱中（MEKC）、胶束液相色谱（MLC）中的应用，并对表面活性剂的应用前景进行了展望。关键词：表面活性剂；毛细管电动色谱；胶束电动毛细管色谱；胶束液相色谱Abstract：Thisreviewsurveystheapplicationofsurfactantsinthechromatographicanalysis,whicharedetailintroducedinthecapillaryelectrokineticchromatography(MECC),micellarelectrokineticchromatography(MEKC),micellarliquidchromatography(MLC).Theprospectoftheapplicationsofsurfactantsarediscussed.Keywords：surfactant；MECC；MEKC；MLC表面活性剂（SA）中有一类同时具有亲水基和亲油基，其结构中的一部分具有亲水性质，另一部分具有亲油性质（疏水性质），这种特殊结构决定了它与众不同的特性。表面活性剂包括阳、阴、非离子型及两性型四种基本类型以及混合与聚合型等表面活性剂（分别记为CAS、ASA、NSA、ZSA及MSA、PSA），它们在分析化学中已获得广泛应用。SA在色谱中的应用也取得显著成效，其中胶束色谱（MC）的诞生，标志着这一领域的日益成熟，并为众多的研究者们所重视，本文对这些成果予以系统总结，以期深入广泛地开展有关研究。1.胶束色谱机理与表面活性剂的作用自70年代末期Armstrong等[1]将SA胶束溶液作为流动相引入薄层色谱（TLC）和高效液相色谱（HPLC）以来，开辟了胶束色谱新的领域。许多分析家相继将SA或引入色谱流动相（作洗脱剂，萃取剂或离子对试剂），或用作显色剂及检测信号增敏剂，或用于浸溃及涂敷固定相等。在无机、有机、药物和生化样品等的分离与分析中获得广泛的应用。SA的共同特性是当SA浓度大于临界胶束浓度（cmc）时，形成有序排列，即胶束状分子聚集体，在极性溶剂（如水）中形成极性端基向外而碳链在内的正相胶束（normalmicelle，简称胶束）；而在非极性溶剂（如环已烷）中形成极性端基在内而碳链伸展在外的逆（反）胶束，前者为水包油型（O/W），后者为油包水型（W/O）。胶束中的SA与本体溶液中游离的SA处于动态平衡中。在cmc以上，增加SA总浓度只能增加溶液中胶束浓度而游离SA浓度几乎保持不变。MC较常规色谱有着独特的优越性及某些不足处：即①专属性或选择性好，一般只需调节流动相中所用SA浓度便能改变流动相的表观极性以改善分离效果；②应用范围广，MC既可分离亲水性物质，又可分离亲脂性物质或两亲性物质，还能同时分离亲水、亲脂性物质。特别是逆胶束色谱更扩大了应用对象，且分离效果好，在反相（RP）色谱中尤显示其优越性；③所用SA的价廉，且一般无毒，不挥发不燃烧，使用安全；④适用于各种形式的色谱，如纸色谱（PC）、TLC、HPLC、气相色谱（GC），毛细管区域电泳（CPZ，相应称胶束电泳毛细管色谱MECC）及凝胶过滤色谱等；⑤检测灵敏度高，胶束流动相及固定相可增加检测信号强度及其稳定性，特别是荧光与磷光信号。所建立的室温磷光（RTP）-HPLC分析法检测下限低、线性范围宽；⑥有利于梯度洗脱，改善操作条件，增大SA浓度主要使胶束浓度增大（而游离单体浓度不变），能实现梯度洗脱并降低损耗，缩短分析时间；⑦不足处仍是MC不适于色谱制备分离，且有时柱效较常规色谱低。胶束体系较常用的单纯或混合有机溶剂体系有很大区别，可与溶质发生下列作用：①静电相互作用（electrostaticinteraction），即离子型SA形成的荷电胶束能吸引相反电荷的溶质于其表面；②憎水相互作用（hydrophobicinteraction），非极性及不易极化的物质或通过憎水作用分配于疏水内蕊；③静电/憎水双重作用，兼具亲水亲脂基团的两亲物质（如氨基酸等）可通过憎水/静电双重作用分配于胶束的SA定向分子之间形成“栅栏”结构，非极性碳氢链插入胶束内部，而极性端基混于SA极基之间,通过偶极子或氢健作用联系起来；④亲核作用，某些含氧SA与溶质分子可形成氢键。此外尚有空阻作用等。有关MC机理研究正在不断深入。Armstrong等研究MLC中溶质分配行为时建立了固定相S，胶束相（拟似相或拟均相）M，与水相W的三相模型（图1），给出如下分配公式：Vs/(Ve-Vm)=V(KMH-1)cm/KSW+1/KSW,并能计算溶质各分配系数KSW、KMW、KSM，奠定了MC理论基础。Love等基于胶束效应及三相模型导出有关胶束流动相容量因子的计算公式，并算出平衡常数KMW；更重要的是倘若平衡常数可用独立的方法得到，便可由此准确地预期色谱容量因子。这意味着经过色谱测量可能准地预计色谱保留行为。唯混合流动相目标尚未能实现。Armstrong还依据七种染料溶质的色谱行为评价了它们与胶束的作用，并分为结合、非结合及反结合三种类型，指出胶束自身及环境的较小变化能引起溶质胶束相互作用较显著变化。Yarmchuk等发现溶质保留的递减顺序随SA浓度增大而颠倒的原因，乃是两种平衡竞争的结果所致，其容量因子的对数与SA浓度的对数成线性递减关系。对于可离子化的物种即有机弱酸、弱碱的胶束色谱机制还提出了相差分配模型。Pramaura研究发现，溶质保留对胶束浓度、缔合常数与分配系数有依赖关系。极性溶质还受到SA吸附量的影响。姬尚强依据疏水理论研究结果指出非极性分子滞留主要取决于流动相所施加的疏水作用，即体系熵值增加而非固定相则对溶质分子产生强烈的吸引。Tang以NSA为洗脱剂考察两性物质的反相色谱行为，指出SA浓度增加降低了表面张力，因而减小了保留时间。研究还发现胶束溶液能减小电位检测的基线电流漂移。Landy等考察了逆胶束LC的快速洗提能力。Kim将PVA柱MLC用于分析血清中核苦酸及碱基时考察了pH值、温度、胶束浓度的影响，提出了有关作用机理。荷电SA已广泛用作流动相，改善荷电溶质的分配特性。离子交换模型（保留机制）认为，SA疏水部分吸附于非极性键合柱上，使柱行为象一离子交换器或称该机制为“溶剂再生（动态的）离子交换色谱”并得到支持。还对离子对模型与憎溶进行了理论解释，认为流动相中荷电SA先与相反荷电溶质结合在极性溶剂中形成不带电的离子对，然后吸附在非极性固定相上。离子相互作用模型认为，SA的亲脂部分吸附在固定相中为第一层，反电荷离子占第二层，即形成一双电层结构，在SA与溶质间建立起一动态平衡，这可以解释某些现象。与此同时，还提出了一个含有4个参数的热力学平衡的亲电SA色谱行为的定量离子作用模型，对非荷电SA可予以简化。MLC不足处是柱效降低。Dorsey考察了其原因并提出解决办法，认为固定相不易被胶束水溶液相所润湿而导致低效传质，这点已被Foley所证实。他发现低浓度有机溶剂改性剂可修饰改良固定相表面，为高效传质提供了润湿的固定相。升高温度能克服胶束流动相高粘度的缺点而改善了峰形。实验表明，含3-6%丙醇的胶束流动相在40℃柱温下柱效接近常规有机溶剂。改性剂以正丙醇最佳，其他如甲醇、乙醇、乙腈等对胶束流动相增加效率甚少。实际上3%（V/V）丙醇改性剂使C18固定相90%以上的表面被覆盖，同浓度的甲醇改性剂则表面覆盖率仅50%；疏水表面以中等极性溶剂覆盖（使固相溶剂化），可起到相转移催化剂作用，有利于溶剂的胶束/固相传质转移，提高色谱效率。仅用SDS则本身将被吸附于固定相上使之不易溶剂化，因而柱效降低。Hinze对NSA作MLC流动相进行了评价，证实了MLC效率降低系因固定相低效传质所致，发现NSA比离子型SA被固定相吸附更显著,MLC效率降低与固定相吸附SA量有关，似存一线性关系。Yarmchuk根据溶质在固定相的吸附/脱附动态平衡及溶质相对流动相胶束的进/出平衡，建立了MC传质模型以解释低效的原因，指出为提高传质效率应升高温度，降低线速率与胶束浓度。Armstrong研究了胶束对分子扩散的影响，指出流动相的传质影响会被其他因素所掩盖，所以减少流动相胶束浓度以提高色谱效率未必一定有效。2.表面活性剂在毛细管电动色谱（MECC）中的应用2.1MECC的理论研究十年来，最受分析化学界瞩目的发展之一，是高效毛细管电泳（HPCE）的兴起。HPCE以其分离效率高、样品用量少、分析时间短、运行成本低等优点，获得了越来越多的生化学家和分析化学家的研究和应用，并向成熟的高效液相色谱（HPLC）技术提出了挑战。在以往的概念和应用中，电泳技术只用来分离离子化合物。1984年，Terabe等提出了HPCE的“假固定相”概念，他们将阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）加入电解质溶液中，分离了中性分子。他们的工作被称为电泳发展中的“里程碑”。自此，各种不同的表面活性剂，包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂，都被陆续用于电泳分离并获得成功。表面活性剂的应用大大提高了电泳分离氨基酸及其衍生物、肽、蛋白质、核酸及其组份、药物等生化物质的能力，同时为无机离子分析另辟新径，并在HPCE中树起一帜，成为被称为毛细管电动色谱（MECC）的重要一支。一般认为，烷基链碳数不足8的表便活性剂不能形成胶束，而MECC终表面活性剂的浓度必须大于它的临界胶束浓度。在MECC中采用最多的是阴离子表面活性剂，SDS是最常用的阴离子表面活性剂。在MECC中，被分析物质在水相和胶束相中进行分配，溶质在水相中的迁移受电渗流的支配，而在胶束相中的迁移是电渗流和胶束电迁移共同作用的结果，不同物质根据其电迁移率及分配系数的不同而被分离。近年来，有关MECC的理论研究不断深入。Burton等[2]评估过两种阴离子表面活性剂及两种阳离子表面活性剂对一些芳香化合物的分离的影响。Khaledi等[3]人描述了酸性及碱性化合物在MECC中的各种模式，讨论了迁移时间，电迁移率，pH值和表面活性剂浓度之间的关系。2.2阴离子表面活性剂的应用2.2.1SDS-MECC的改良新技术SDS作为MECC中最常见的阴离子表面活性剂，已成功地应用于许多化合物尤其是生化分子的分离。随着研究的深入，人们对SDS-MECC进行了许多改进尝试，以满足更高要求的分离的需要。以下是对近年来发展的一些改良技术的简介：2.2.1.1环糊精的应用Tarebe等[4]首次提出用环糊精（CD）作为MECC的添加剂，CD可以喝SDS同时使用，亦可完全取代SDS。被分离组分在水相、胶束相和CD的洞环中不同的迁移速率，其迁移时间取决于其迁移速率及其在不同相之间的分配情况。CD-MECC已经用于许多强疏水性化合物的分离。2.2.1.2胆汁盐类的应用胆汁盐是最常用的生化表面活性剂之一。以Tarabe为首的研究小组[5]首先将它应用于手性生化分子的分离。Nishi[6]和Cole[7]比较了胆汁盐类与SDS在MECC分离中的不同效应，提出胆汁盐较SDS可更好地分离非极性化合物，因为更多的有机溶剂可加入胆汁盐溶液中而不影响分离效率。常用的胆汁盐类有牛磺脱氢胆酸钠等。2.2.1.3生化分子旋光异构体的分离由于不同旋光异构体化合物的药理作用可能截然不同，生化学家和药物学家对旋光异构体的分离极为重视。采用α、β或γ环糊精、胆汁盐或金属离子-手性氨基酸络合物，可以实现许多氨基酸衍生物。药物的旋光异构体的分离。其中，环糊精或胆汁盐与被分析的対映体形成相应的络合物，由于络合物的空间结构。稳定常数和在胶束中的分配等的不同导致了迁移率的不同，因而使分离成为可能。金属离子如Cu与手性氨基酸可同时加入SDS溶液中以分离旋光异构体。其分离机理为络合基交换，被分离物质（通常是络合基）取代加入的手性氨基酸，与Cu中形成不同的络合物而被分离。Deyl等[8]在他们的综述中讨论了牛磺酸脱氧胆酸钠和N-十二烷基-L-缬氨酸钠在分离旋光异构体分离的