液相色谱的历史发展--“色谱填料的故事”

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时间 2025-02-24

       自HPLC诞生以来,它的发展一直是渐进式的演变而非革命,这也正符合其“逐步改进”的特点。尽管在硬件方面——如泵、检测器,特别是电喷雾(这项电离技术使HPLC能与质谱仪联用)——有所进步,但HPLC的历史很大一部分仍是新型色谱柱填料材料的故事。

       Horváth在他早期的色谱柱中采用了一种他称之为“薄膜颗粒”的材料,这些颗粒是不透水的球体,其表面涂覆了一层多孔的离子交换树脂。但由于化合物无法深入扩散进入这些颗粒,Horváth的色谱柱效率较低。

       随后,柯克兰与杜邦的拉尔夫·艾勒(Ralph Iler)合作,制造出一种球形颗粒:它由固体硅胶内核构成,外层包覆着一层由微小珠子组成的多孔壳。这种核—壳颗粒拥有更大的表面积,更有利于化合物的相互作用和分离,这是目前市场上广泛使用的核壳型硅胶的前身。之后,柯克兰和艾勒又开发了全孔性颗粒,这些颗粒在尺寸和孔隙度上都经过精确控制,以进一步优化分离效果。

       接着出现了键合相,这是HPLC历史上最重要的发展之一。键合相由共价连接在硅胶颗粒上的分子组成,其中最常用的是十八烷基硅烷(也称为C18),它作为固定相发挥作用。马乔斯曾在《LCGC》杂志上撰写有关色谱柱和样品前处理的文章超过30年,他估计,多年来大约推出了800种不同的C18色谱柱。

       有人可能会认为,既然有这么多种C18固定相,它们只是重复而已,但马乔斯指出情况并非如此。C18固定相既可以是单体型的,也可以是聚合型的;可以进行端封处理,即将未与C18结合的颗粒表面硅羟基团化学封闭;也可以采用混合模式,即在硅胶上还键合有除C18之外的其他分子。正如马乔斯所说,“C18有太多变体。”

       而且,各种C18色谱柱所实现的分离效果并不完全相同,因为基础硅胶的种类、颗粒的表面积以及孔径大小等因素都存在差异,从而导致与待分离化合物之间产生不同的相互作用。马乔斯估计,总体上大约有1,400种不同的固定相,但其中许多仅适用于特定领域。柯克兰认为:“尽管固定相种类繁多,但真正广泛使用的可能只有五到六种,它们能够分离当前90%到95%的样品。”

       多年来,填料颗粒逐渐变得更小且更均匀。在HPLC出现之前,色谱柱通常充填有大于100微米、形状不规则的颗粒,而Horváth的薄膜颗粒大约为40微米。整个1970和1980年代,颗粒尺寸依次减小到10微米、7微米,再到5微米。到了1980年代后期,该领域稳定在约3微米的颗粒直径和约6,000 psi的上限压力,这样的压力正是为了推动流动相通过紧密填充的色谱柱。随着颗粒变小,色谱柱变短,分离速度加快,这在一定程度上也是为了避免运行超过HPLC的压力极限。

       北卡罗来纳大学教堂山分校的色谱学家詹姆斯·W·乔根森(James W. Jorgenson)表示:“他们当时尽量保持色谱柱运行在大约2,000到3,000 psi左右。尽管设备可以承受到6,000 psi,但你不会希望让色谱柱在压力极限下运行。否则的话,开始堵塞的色谱柱能够在超过压力极限前使用多久?”到了1990年代,乔根森开始采用更小(小于2微米)的颗粒和更高(高达10,000 psi)的压力来实现分离,他说道:“我们追求的是极高效率的分离。”

       沃特斯公司也开始采用更高压力和更小颗粒的技术,不过其目标是提高分离速度。乔根森表示:“这是他们明智的选择,因为市场上相当一部分(例如从事药物分离的人)需要高通量。如果沃特斯能承诺在10分钟内分离出高度分辨的化合物,而不是30分钟,那将成为巨大的卖点。”

       向亚2微米颗粒和更高压力转变的趋势——最终被称为超高效液相色谱(UHPLC)——要求对围绕色谱柱的整个系统进行全面重新设计。明尼苏达大学双子城分校的色谱学家彼得·卡尔(Peter Carr)说道:“你不能仅仅更换泵就让大家满意,你必须重新设计系统的每个部分:泵、进样器、连接件、色谱柱本身以及检测器——全部都是全新设计。”最关键的是,这些部件的体积都必须大幅缩小。乔根森补充道:“更高效的色谱柱对进样器、连接管和检测器的体积提出了更高的要求。”

       即便到了今天,研究人员仍在不断减小颗粒尺寸,导致压力不断提高,但有些人,例如柯克兰,则质疑是否有必要一味追求更高压力。柯克兰表示,对于大多数应用来说,大约15,000 psi的压力已足够:“人们开始更好地理解压力与分辨率之间的关系。如果你有一个复杂样品,其中包含大量待分离的物质,你实际上需要使用一根非常长、采用大颗粒的色谱柱,而你需要的只是能够运行这种大颗粒长柱所需要的压力。”

       而工业界的色谱学家往往对远高于目前15,000至20,000 psi的压力持怀疑态度。杜邦的色谱学家玛丽·埃伦·麦克纳利(Mary Ellen McNally)表示:“在工业应用中,高压的安全性会受到严格评估。”她补充道,大多数公司可能会要求那些在异常高压下运行的仪器必须安置在专门的实验室中。这种对高压的顾虑也促使了核壳型硅胶的复兴。