硅胶的原理及使用方法

硅胶的原理及使用方法2011.10.23百顺硅胶：报告内容一.硅胶的组成及分类二.硅胶的性质及原理三.硅胶柱的使用过程四.使用过程中的一些小经验一.硅胶的组成及分类1.硅胶的组成硅胶(SilicaGel)的化学成分是二氧化硅。在传统的硅胶合成方面，主要是以水玻璃作为原料经过反应→胶凝→老化→洗涤→浸泡→干燥→焙烧等步骤合成出成品。用作分离介质的硅胶是人工合成的多孔二氧化硅，它的特点是其表面含有硅醇基(Silanolgroupsorsurfacehydroxylgroups)，这是硅胶可以进行表面化学键合或改性的基础。2.硅胶的分类2.1颗粒大小2.2正反相硅胶2.3重质轻质微粉硅胶2.4五级硅胶2.5制备方法2.1颗粒大小作为分离材料的硅胶，其颗粒的形状大小、孔的结构、孔径及其分布、总孔容、比表面及机械强度等，均是重要的参数。目前，通用的分析型硅胶基质的直径为5-10μm，且其化学键合相硅胶已有商品出售，而高效制备型所用的硅胶，其直径多在20-40μm之间。按目数分2.2正反相硅胶柱正相柱大多以硅胶为柱填料或是在硅胶表面键合-CN,-NH3等官能团的键合相硅胶柱。反相柱填料主要以硅胶为基质，在其表面键合非极性的十八烷基官能（ODS）称为C18柱。其它常用的反相柱还有C8,C4,C2和苯基柱等。一般的C18柱pH值范围都在2-8，流动相的pH值小于2时，会导致键合相的水解；当pH值大于7时硅胶易溶解；经常使用缓冲液固定相要降解。如果流动相pH较高或经常使用缓冲液时，建议选择pH范围大的柱子。2.3重质轻质微粉硅胶微粉硅胶是白色或乳白色的均匀粉末，比表面积大，具有极强的吸附作用用途：主要用作润滑剂、抗粘剂、助流剂。特别适宜油类、浸膏类药物的制粒，制成的颗粒具有很好的流动性和可压性。在直接压片中用作助流剂。还可作为助滤剂、澄清剂和滴泡剂，以及液体制剂的助悬剂、增稠剂。重质微粉硅胶是沉淀法的二氧化硅，通过水玻璃中和生产，平均粒径为微米级，在助流动性能方面远远落后于气相法二氧化硅。轻质微粉硅胶其实是一种气相法二氧化硅，通过四氯化硅在氢氧焰中水解而制造出来的。2.4五级硅胶硅胶分为五级是根据其吸水量而定的，对应如下：0%为一级，5%为二级，15%为三级，25%为四级，38%为五级。五级的含水量最高，此时相当于分配层析。适用于极性比较大的生物碱、酚类化合物、有机酸、糖类和氨基酸等成分。2.5硅胶的制备方法根据硅胶制备的不同技术原理，可将它们分为3类：(1)堆积硅珠法；(2)溶胶→凝胶法(S0L-GEL)；(3)喷雾干燥法。具体的制备过程以及各自的优越性二.硅胶的性质及使用原理1.硅胶的化学性质硅胶的化学性质比较稳定，可以耐受酸性介质的侵蚀。无定型硅胶常温下在纯水中的平衡溶解度约为10~(-4)，但是，当pH值升至9以上时，溶解度增大，至pH10.7以上时硅胶即会溶解。为安全计，硅胶一般只用于pH1～8范围内。2.物理性质硅胶无毒、无味，对液相和气相介质有很强的吸附性能，硬度比玻璃稍软，除氢氟酸和强碱外，不溶于水及各种化学溶剂，物性非常稳定。高机械强度是硅胶的特点之一。常用的5μm粒径、6-10nm孔径的硅胶，可以耐受60-70MPa的操作压力；随孔径和孔度的增大，可耐受的压力会降低。当使用30-100nm孔径的硅胶时，仍可耐受30MPa的操作压力而不破损。但是，对于高孔度的凝胶色谱填料，操作压力只能在10MPa甚至更低。3.硅胶的作用原理硅胶吸附剂是粉末状多孔固体，其起到吸附作用的基团是硅醇基上的羟基（吸附中心），这些羟基所处的形态不同，其吸附能力也不同。硅羟基的吸附性能排列为：活泼型（a）自由型（b）束缚型（c）游离型（d），各型结构见下图。为了增强硅胶的吸附力，应该增加吸附剂的活泼型结构单元。因此，如果将硅胶煅烧使其完全脱水，则硅胶的硅羟基完全被破坏而减少甚至没有吸附能力；如果硅胶中加入大量的水分，其吸附力也将减小，这是因为硅羟基与水形成了太多的氢键从而降低了其活泼型比例。当硅胶含水量超过70%时，硅胶就完全失去吸附能力，而产生了另外一种分离模式-分配色谱，其原理是组分在流动相溶剂和固定相的溶剂中溶解度不同（即分配系数的差异）得到分离的。三.硅胶柱的使用过程1.称量：称取硅胶，称30-70倍于上样量；如果极难分，也可以用100倍量的硅胶H。干硅胶的视密度在0.4左右，所以要称40g硅胶，用烧杯量100ml也可以。2.搅成匀浆。加入干硅胶体积一倍的溶剂用玻璃棒充分搅拌。如果洗脱剂是石油醚/乙酸乙酯/丙酮体系，就用石油醚拌；如果洗脱剂是氯仿/醇体系，就用氯仿拌。最初的洗脱剂选用样品的Rf值在0.2左右。如果不能搅成匀浆，说明溶剂中含水量太大，尤其是乙酸乙酯/丙酮，如果不与水配伍走分配色谱的话，必须预先用无水硫酸钠久置干燥。氯仿用无水氯化钙干燥，以除去1%的醇。如果样品对酸敏感，不能用氯仿体系过柱。3.装柱。将柱底用棉花塞紧，不必用海沙，加入约1/3体积石油醚（氯仿），装上蓄液球，打开柱下活塞，将匀浆一次倾入蓄液球内。随着沉降，会有一些硅胶沾在蓄液球内，用石油醚（氯仿）将其冲入柱中。干法湿法4.压实。沉降完成后，加入更多的石油醚，用双联球或气泵加压，直至流速恒定。柱床约被压缩至9/10体积。无论走常压柱或加压柱，都应进行这一步，可使分离度提高很多，且可以避免过柱时由于柱床萎缩产生开裂。柱子沉降时间：自然沉降一般一夜，如果时间紧张也可以沉降1-2小时即可。5.上样：干法湿法都可以。上样后，加入一些洗脱剂，再将一团脱脂棉塞至接近硅胶表面；或者在样品的上部加一些空白硅胶。然后就可以放心地加入大量洗脱剂，而不会冲坏硅胶表面。个人经验：加空白硅胶效果不好。一：样品容易扩散到空白硅胶上面，导致分离效率降低；二：加洗脱剂的时候容易将空白硅胶冲散。6.过柱和收集:柱层析实际上是在扩散和分离之间的权衡。太低的洗脱强度并不好，常用梯度洗脱。收集的例子：10mg上样量，1g硅胶H，0.5ml收一馏分；1-2g上样量，50g硅胶（200-300目），20-50ml收一馏分。7.检测:要更多地使用专用喷显剂，如果仅用紫外灯，会损失较多产品，紫外的灵敏度一般比喷显剂底1-2个数量级。经过TLC初步检测后的样品，可以合并那些薄层点相似的流分；然后用HPLC进一步的检测。8.送谱:收集的产品旋干，在送谱前通常需要重结晶。如果样品太少或为液体，可过一小凝胶柱，作为送谱前的最后纯化手段。可除去氢谱1.5ppm左右所谓的“硅胶”峰。四.使用过程中的一些小经验1.用棉花塞住口，在装柱前应用溶剂润湿，捣出棉花中的气泡，装柱最好一次完成且保持溶剂流出状态。2.硅胶在各常用溶剂里是有固定的溶胀比的，一般来说在2.3倍以上，也就是说，如果是湿法装柱，1g硅胶要用2ml以上的溶剂来充分溶胀，搅拌均匀，赶走气泡。3.装柱的时候，是可以得到你装的这根柱子的保留体积的，这对于决定你多少体积接产品是十分有帮助的。等到硅胶完全沉降后，将溶剂液面放至靠近硅胶液面后，称量在柱底得到的溶剂量，和原先装柱用的溶剂量的差值，就是你的保留体积。和我们常用的测量得到的柱体积有多大差别？再根据上柱子之前做的TLC，测出Rf值，就可以预计各个产品的流出位置了。根据你的保留体积，你也可以决定是多少体积一分了，做的粗些，可以1个保留体积一接，细些的可以二分之一甚至五分之一，十分之一个保留体积一接。但是硅胶柱的拖尾比较严重，尤其是主成分量比较大的时候。常常会出现主成分拖2-3个保留体积后，依然可以用TLC检出。4.样品不能粘稠。我们一般都是干法上样样品应该溶在溶剂中，再拌到硅胶里。如果样品比较粘稠，不太好溶，如把粘粘糊糊的样品直接拌到了硅胶里，溶剂挥发后，一研磨，也看不出与平常有什么不同。但上样后可就惨了，流速就会变的很慢。可能只好挖出样品，重新来过。5.洗脱时柱子断裂？一可能是洗脱剂没有脱气，换用洗脱剂时产生热量，导致气泡产生。二可能是洗脱剂的极性变化太快。三如果用了加压装置如液氮，可能是加液时放气太快，气体从下端口冲进，使硅胶分段。6.过完的硅胶柱还有颜色?很正常的，如果不是小量操作，没有回收价值，那些类似于死吸附。