第五章 色谱理论(2)

2019-06-17 11:06

连续棒,即介质单体材料在柱中直接聚合,形成多孔状网,达到吸附分离的目的。

液相色谱的固定相目前主要是颗粒状介质,但颗粒状介质存在内扩散阻力和颗粒分布不均匀的问题,近几年开始研究连续床或大孔灌柱色谱的方法来解决这个问题。这些会在后面章节中详细讨论。 目前颗粒状介质主要是考填充的方式填在柱子中。

5.2.色谱理论

5.2.1概论

色谱理论是研究色谱过程中分子运动的规律,探讨微观分子运动与色谱分离的内在联系。色谱学理论研究的三个主要问题是[1]:色谱过程的热力学研究,它是发展高选择性柱的理论基础;色谱过程的动力学研究,它是发展高效能色谱柱与高效能色谱方法的理论基础;色谱分离条件的选择和优化,它是多元混合物分离的理论基础。 5.2.2吸附平衡热力学

描述吸附平衡的模型有多种形式,早期经验模型如:亨利(Henry)模型,

6

佛罗因得利希(Freundlich)模型,兰格谬尔(Langmuir)模型和BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型。最近发展起来的吸附模型有质量作用模型,空间质量作用模型等。

溶质在吸附剂上的吸附平衡关系是指吸附达到平衡时,吸附剂的平衡吸附质浓度q与液相游离溶质浓度c之间的关系。一般q是c和温度的函数,既

q?f(c,T)(1)

但一般吸附过程是在一定的温度下进行,此时q只是c的函数,q与c的关系曲线称为吸附等温线(adsorption isotherm)。当q与c之间呈线性函数关系,

q?mc(2)

时,称为亨利(Henry)型吸附平衡,其中m是分配系数。该式一般在低浓度范围内成立。当溶质浓度较高时,吸附平衡常呈非线性,该式不再成立,经常利用佛罗因得利希(Freundlich)经验方程描述平衡行为,既:

q?kcn(3)

1其中k和n为常数,一般110,可用矩形吸附平衡关系近似。 5.2.2.1 Langmuir 模型

Langmuir模型是描述吸附过程最简单和最常用的模型,也是第一个有一定理论基础的吸附模型。它最初源于气体吸附过程,从动力学角度推导出来的,基于以下假设:(1)分子只在固体表面的固定位点吸附;(2)每个吸附位点只能吸附一个分子,吸附分子在固体表面形成单分子层;(3)所有吸附位点的能量相等;(4)吸附分子之间没有相互作用。基于 Langmuir单分子层吸附理论,可推导Langmuir型平衡方程。

q?qmc (4) kd?c7

或: q?qmKbc (5) 1?Kbc

其中,qm为饱和吸附容量,Kd为吸附平衡的解离常数,Kb为结合常数(=1/Kd)当n个溶质分子在一个活性点上发生吸附时,可得上式的一般形式:

qmKbcn(6) q?n1?Kbc对于n个组分的单分子层吸附,又变成另一种形式:

q?qmKbjci1??Kbjcjjn(7)

5.2.2.2 BET方程

如果假设在吸附剂表面吸附的单分子层分子的附着力比吸附质分子之间的内聚力大得多,并在吸附剂表面产生化学吸附形成络合物,可假定分子层在表面不能自由移动。Brunaur、Emmett和Teller提出的BET模型认为,被吸附的分子不能在吸附剂表面自由移动,吸附层是不移动的理想均匀表面。其吸附可以是多层吸附,层与层之间的作用力是范德华力,各层水平方向的分子之间不存在互相作用力,即在第一层吸附层上面,可以吸附第二层,第三层,不等到上一层吸附饱和就可以进行下一层的吸附。各吸附层之间存在着动态平衡,即每一层形成的吸附速率和解吸速率相等。单分子层可由向空的表面吸附或双层分子层解吸产生,吸附速率与吸附有效面积的大小和分子碰击表面的频率有关。恒温下基于气体动力学理论,得出多层物理吸附等温方程为[2]:

q?qmbP(8)

??P(P0?P)?1?(b?1)?P0??式中:b为与吸附热有关的常数; q表示平衡压力为P时的吸附容量; qm饱和吸附容量;

8

P0为实验温度下溶质的饱和蒸汽压。 5.2.2.3质量作用模型

生化分离中经常用色谱法分离纯化生物大分子如蛋白质、多肽。此时如果用Langmuir模型来描述吸附平衡,由于模型简单,未能考虑到溶液反离子等因素的影响,往往得不到好的结果。下面以蛋白质的离子交换为例,介绍近年来常用的质量作用模型和空间质量作用模型。

质量作用模型(Stoichiometric Displacement Model,简称为SDM)是建立在质量作用定律基础上的非机理模型[3],

常用来描述生物大分子如蛋白质在吸附剂上的吸附平衡。该模型假设离子交换是吸附过程的唯一机理,离子交换过程用满足质量作用定律的化学计量“反应”来描述,这样,在吸附过程中维持固定相电中性。蛋白质分子通过与反离子竞争吸附结合到离子交换配基上。模型假设如下:(1)系统为理想体系,各组分的活度系数为1;(2)与蛋白质分子结合的伴离子(co-ion)分成两类:当蛋白质在离子交换介质上吸附时,第一类伴离子从蛋白质释放出来,而第二类伴离子始终与蛋白质分子相结合。由此假设,蛋白质可看成中性的盐,在水溶液中电离成多价离子;(3)在恒定的PH下,蛋白质的性质,如带电荷数、电荷分布、分子结构和大小等,在整个吸附过程不发生变化;(4)固定相均一,孔道形状和尺寸均匀,且孔道直径足够大,不存在尺寸排阻作用;(5)不考虑蛋白质与离子交换剂之间的疏水作用。 离子交换平衡方程如下(以阴离子交换剂为例):

n?PBr?m?m?Yn?m?An??n?YmPBr?n?m?B? m为特征电荷,即蛋白质吸附时,能替换下来的单价反离子数。如果P是

9

碱基数小于10的寡糖核苷酸,m等于分子所带的净电荷数;但对于生物大分子,由于其复杂的三维构像是带电残基形成特殊分布,特征电荷数小于其所带的净电荷数。另外,在静电作用下,蛋白质从流动相向固定转移过程中,由于蛋白质在分子热运动下发生旋转取向,使蛋白质与固定相结合的自由能最小;在一定的操作条件下,如恒定的pH和盐离子浓度下,可能有多个蛋白质取向存在,蛋白质的取向与吸附蛋白浓度有关。因此m代表竞争吸附的平均作用,它的实验值不一定是一个整数。

[YmPBr]n[An?]m[B?]mn 吸附平衡常数定义为:K?(9) nm[PBr?m][YnA]'在吸附过程中,第一类伴离子从蛋白质上释放,即:

?PBr?m?PBm?m?B? r 上述方程的平衡常数为:

?[PBmr](10) K?[PBr?m]''

(9)式、(10)式相结合,可的离子交换的总平衡常数K?K'/(K'')n为:

[YmPBr]n[An?]m(11) K?m?nm[PBr][YnA]

离子交换剂的交换容量qY为蛋白质和反离子所占的吸附位之和,即:

qY?m[YmPBr]?n[YnA](12)

10


第五章 色谱理论(2).doc 将本文的Word文档下载到电脑 下载失败或者文档不完整,请联系客服人员解决!

下一篇:咖啡厅实习心得体会

相关阅读
本类排行
× 注册会员免费下载(下载后可以自由复制和排版)

马上注册会员

注:下载文档有可能“只有目录或者内容不全”等情况,请下载之前注意辨别,如果您已付费且无法下载或内容有问题,请联系我们协助你处理。
微信: QQ: