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液相色谱培训讲义(十)作者：转载自：发布日期：2007-5-22第十一章柱子的应用与维护色谱柱的液相色谱系统获得分离的中心部件，许多分离问题都归结于色谱柱。对柱注意适当的维护，则可缓解许多故障的发生。柱故障主要是由机械、色谱或者化学方面的原因引起的。维护色谱柱和排除故障，；需要懂得液相色谱的分离过程以及色谱柱本身的构造是非常重要的。色谱柱的价格昂贵，应避免人为地损坏，并尽可能延长其寿命。一、色谱柱的种类与评价一般地说，根据样品的性质决定采用何种液相色谱方法，然后再选择不同类型的柱。即不同类型的柱则代表了不同的色谱方法。不同种类色谱柱的差异在于柱结构、柱填料和柱尺寸的不同。色谱柱有不同的尺寸(长度和内径)，分制备型、常规分析型和微型。不同类型柱的硬件也不同，(包括接头、柱管等方面)，还有径向加压柱和夹套加热柱等。不同液相色谱法的尺寸根据需要可以选取，普通分析3～30cm长，内径4～8mm。常用20cm长、4.6mm内径的柱。制备型柱内径一般为8mm、25cm长。微型柱内径l～3mm，长10～20cm。不同的填料分析的效果可能不同，这是因为生产过程不同所致。同一厂商生产的同种填料因批号不同也会有差异，这种差异可能从基质就开始(表面积、杂质、特殊处理)，还有键合的化学物质(一氯或三氯硅烷反应剂)，不同厂家生产的填料还会因专利技术(预处理、键合过程、填装技术)等不同而呈现较大差异。由于种种差异、仅能假设同一批号的柱有基本相同的性质。多数柱填料基质采用多孔硅胶微粒，通常有球形和无定形两种，具有不同的粒度、孔径和表面积。多孔聚合物微粒也适用于反相色谱。聚合物柱的流动相范围广，流动相pH值可在1至13之间。而硅胶基质pH仅能在2.5和7之间。显然，聚合物柱要好一些，但目前仍是以硅胶基质的柱为主。原则上，聚合物柱可以克服硅胶基质柱的某些不足，但需要大量的实验来证实，要进一步考查聚合物基质填料的全面优越性。在实际工作中，选择性能良好的柱可得到好的结果，首先要注意柱径、长度、填料种类和填料粒度。评价柱的好坏不仅只是N数，还应考虑组分在柱上的保留、键合相表面的物性、柱压降以及峰不对称因子As等。每一根新柱都应标出详细参数，主要内容包括公司名称、柱名称(商标)、柱填料、尺寸。附一张标准参考色谱图，并标出色谱条件、样品名称、流动相组成、流速、柱温、进样体积、检测器、峰的保留时间及峰名称等。评价一根色谱柱的主要指标是：①塔板数N值；②峰不对称因子As；③柱压降；④键合相浓度。二、色谱柱预防性保护与柱寿命的延长通常，一根色谱柱在分析数千个样品之后性能仍然保持良好，但也有的柱仅分析不多的样品后几乎就报废了。影响柱寿命和其它问题的因素很多，而有些因素是操作者很难控制的，如果被分析的样品(如分析生物样品)，怎么净化样品也是“脏”的，对于色谱柱的影响是非常大的。然而采取下列措施后，在多数情况下总能够人为地减少柱上故障，达到延长寿命的目的。1、加流路过滤器和保护柱流路过滤器紧靠进样阀后面，位于分析柱前。0.5μm烧结不锈钢片夹在死体积很小的套子中，挡住来源于样品和进样阀垫圈的微粒入柱。因为每个样品都过滤既费事又带来误差，样品量少过滤更困难，因此流路上装过滤器是比较省事的办法。也可以在流路加上保护柱，放在流路过滤器和分析柱之间，或者代替流路过滤器。保护柱的使命是收集阻塞柱进口的来自样品的化学“垃圾”。这种垃圾最终降低柱效能。保护柱是消耗品，分析50～100个比较脏的样品之后就要调换新的。保护柱应该是小体积，用分析柱的同种填料填装。保护柱使用得当，对分离无影响，好像未装保护柱一样。有些厂商的商品将保护柱和流路过滤器连在一个单元内，使用起来非常方便。自己填装保护柱都是用短柱、不超过3cm长，内径2～3mm，用较大粒度的填粒(15～20μm)干法填装，会使分析柱效略微有所降低。2、避免高压冲击一般色谱柱都能经得起高压，但经不起突然变化的高压冲击。引起高压突然冲击，主要是因样品阀的缓慢转动、泵起动快、柱切换操作等。转动六通进样阀时从泵到柱的液流会瞬时切断。在阀的泵侧压力升高，在阀的柱侧压力降低(变化超过20％)。阀转到底后压力突然冲击一下恢复正常。手动进样阀的变化不大，自动进样阀比较慢，可能造成压力冲击，可用氦气代替空气驱动进样阀。因氮压缩系数小。另外泵起动不应过快，可分步操作。如用3mL／min流速，先从lmL／min到2mL／min，然后再3mL／min，每个间隔应大于20s。柱切换技术的应用也很广泛，切换过程中在色谱柱的入口处压力在零到很大数字之间变化，会很快使柱报废。3、分离条件多数色谱柱有很宽的试验条件范围，但具体应用又受到限制，主要是pH值、柱温和流动相的选择。硅胶为基质的键合相要求PH在2.5～7之间，极端pH的流动相能“溶解”硅胶，使键合相流失。结果非碱性组分的保留不断减少，碱性组分的保留增加，引起碱性组分峰变宽。如果一定要用高或低pH的流动相，可加预柱(饱和柱)。预柱装在泵和进样阀之间，用分析柱相同的填料填装，或者用普通硅胶。硅胶饱和了流动相，减少了分析柱填料的损失。预柱不要求柱效高，用价格低的一般硅胶疏松地填装，按期检查硅胶的溶解情况。用预柱也有不利的影响，即新流动相难以平衡，保留时间不稳定或稳定慢。使用了预柱一定要加流路过滤器，以防止硅胶微粒引起的麻烦。以硅胶为基质的柱和阴离子交换柱超过60℃后，会增加对流动相中化学物质的吸附。在高温下用小颗粒柱引起柱床塌陷，降低柱效，改变峰形。在40℃以上使用3μm柱，70℃以上使用5μm柱，会使值降低50％。有些流动相中的溶剂不能用于某些柱，如小颗粒的聚苯乙烯填料不能用于非水的排阻色谱。另一方面，有些柱与某些溶剂(如四氢呋喃)一旦达到平衡，不要随意改用其它溶剂。有关这些特殊填料，可以参见有关资料。水溶性流动相会引起微生物生长而造成阻塞柱。色谱柱应存放在纯有机溶剂或加了50％有机溶剂的水中。凝胶柱可存放在水溶性缓冲液中，同时加0.01％叠氮钠以防止微生物的生长。4、净化样品用溶剂溶解的样品，多数组分在一定的时间内能完全从柱中流出来，不会造成危害。有些样品可能含有微粒物质，样品中的某种组分(如蛋白质)在柱头上沉积下来，组分在固定相上保留很强，溶剂带走柱填料等，这些都会造成柱效能下降或对柱寿命的影响，有必要采取措施防止柱变坏。如在光线照射下观察样品是浑浊的或带有乳白色，进样前必须要过滤．虽然流路上装有过滤器和保护柱，但不能代替样品的前处理，样品中过多的微粒会使过滤器和保护柱超载，很快阻塞，或者微粒进入分析柱，所以在进样前必须过滤样品。若怀疑样品与流动相混合有沉淀而对色谱柱有阻塞，应先试验一下，看样品溶液加入流动相中有无变浑或乳白色出现。如果进样后压力突然增加而后又慢慢减小，表明样品中有微粒或发生沉淀。如有沉淀要设法改变分离条件，包括换样品溶剂和流动相或处理样品去掉不溶物质。应尽量用小体积的样品。有些样品能很强地吸附在柱填料上，这样会降低塔板数，改变样品的保留物质外，还要加保护柱，定期清洗色谱柱。有时因为疏忽，用对柱有害的溶剂溶解样品，比如用6mol／L的氢氧化钠溶解样品，这样的样品只要进50～100μL到硅胶基质柱中，硅胶就很快溶解而使柱报废。在这种情况下，应立即中和样品，或除去原溶剂中的有害成分。5、用强溶剂定期冲洗柱每次工作结束，用强溶剂冲洗柱是良好的习惯。可用甲醇、乙腈冲反相柱，冲去留在柱上的强吸附组分。用甲醇水为流动相时也应冲洗。冲洗的程序在以下章节中介绍。柱头的烧结不锈钢滤片，要求平整，死体积小，孔径适当(2～5μm)。过滤片选择不好会改变色谱峰形，增加阻力或起不到阻挡污染物的作用(填料很快变色)。此外，对柱硬件的保养也不可忽视．实际操作中应注意以下几点：①接头要配套，用同一厂商的组接件；②接头之间、柱压帽螺母与密封卡套之间无微粒(填料)，否则收紧时容易咬死；③密封卡套与柱管一次性卡紧后再也不能松动，所以拆开柱头再上紧时要小心，不能使卡套移动，原来柱端的不锈钢滤片和垫片的厚度和强度也不能改变(改变这些附件的性能就促使卡套移动；④接头等组接件不要拧得过紧，适当上紧后接上泵试验，分步拧紧，直到不漏为止．还有非常重要的是柱硬件的损坏往往会造成不可挽回的损失。综上所述，如何保护良好的柱性能与柱寿命：O认真阅读色谱柱使用说明书；O使用填充良好的色谱柱；O尽量减少压力波动，避免机械及热冲击；O使用保护柱及在线过滤器；O经常以强溶剂冲洗色谱柱；O充分过滤样品及流动相，尽量避免杂质微粒与强保留成分；O用稳定的固定相(C18最稳定)：O在中等pH值操作时(6～8)，用有机缓冲溶液；O色谱柱使用温度最好小于40℃；O硅胶基质的色谱柱，应保持流动相的pH值范围在3.0～8.0；O在水流动相与缓冲溶液中加200ppm的叠氮钠；O流动相中含有缓冲溶液，应注意用95：5的水及有机溶剂过滤，有机溶剂不能低于5％；O过夜或贮存时，冲洗掉盐和缓冲液，用纯有机溶剂流动相保存(乙腈最好)。三、怎样选择色谱柱现代高效液相色谱中，分离效果好坏很大程度上取决于色谱填料的选择。但是色谱填料的选择范围很宽，要做合适的选择，必须对此有一定的认识和了解。1.硅胶基质填料（1）正相色谱正相色谱用的固定相通常为硅胶(Silica)以及其他具有极性官能团，如胺基团(NH2APS)和氰基团(CN,CPS)的键合相填料。由于硅胶表面的硅羟基(SiOH)或其他极性基团极性较强，因此，分离的次序是依据样品中各组份的极性大小，即极性较弱的组份最先被冲洗出色谱柱。正相色谱使用的流动相极性相对比固定相低，如：正己烷(Hexane)、氯仿(Chloroform)、二氯甲烷(MethyleneChloride)等。（2）反相色谱反相色谱用的填料常是以硅胶为基质表面键合有极性相对较弱的官能团的键合相。反相色谱所使用的流动相极性较强，通常为水、缓冲液与甲醇、乙腈等的混合物。样品流出色谱的顺序是极性较强的组份最先被冲洗出，而极性弱的组份会在色谱柱上有更强的保留。常用的反相填料有：C18(ODS)、C8(MOS)、C4(butyl)、C6H5(Phenyl)等。2.聚合物填料聚合物填料多为聚苯乙烯-二乙烯基苯或聚甲基丙烯酸酯等，其主要优点是在pH值为1~14均可使用。相对于硅胶基质的C18填料，这类填料具有更强的疏水性；大孔的聚合物填料对蛋白质等样品的分离非常有效。现有的聚合物填料的缺点是相对硅胶基质填料，色谱柱柱效较低。3.其它无机填料其它HPLC的无机填料色谱柱也已经商品化。由于其特殊的性质，一般仅限于特殊的用途。如，石墨化碳正逐渐成为反相色谱柱填料。这种填料的分离不同于硅胶基质烷基键合相，石墨化碳的表面即是保留的基础，不再需其它的表面改性。该柱填料一般比烷基键合硅胶或多孔聚合物填料的保留能力更强。石墨化碳可用于分离某些几何异构体，又由于在HPLC流动相中不会被溶解，这类柱可在任何pH与温度下使用。氧化铝也用于HPLC，氧化铝微粒刚性强，可制成稳定色谱柱柱床，其优点是可在pH高达12的流动相中使用。但由于氧化铝与碱性化合物作用也很强，应用范围受到一定的限制，所以未能广泛应用。新型氧化锆基质色谱填料也可用于HPLC，商品化的仅有聚合物涂层的多孔氧化锆微球色谱柱，应用pH范围1~14，温度可达100℃。由于氧化铝填料是最近几年才开始研究，加之面临的实验难度，其重要用途与优势尚在进行中。四、怎样选择填料粒度目前，商品化的色谱填料粒度从1μm到超过30μm均有售，而目前分析分离主要用3、5和10μm填料，填料的粒度主要影响填充柱的两个参数，即柱效和背压。粒度越小，填充柱的柱效越高；然而粒度越小，柱压越大，柱压的增加限制了粒度小于3μm的填料应用。在相同选择性条件下，提高柱效可提高分离度，但不是唯一的因素。如果固定相选择是正确，但是分离度不够，那么选用更小粒度的填料是很有用的。3μm填料填充柱的柱效比相同条件下的5μm填料的的柱效提高近30％；然而，3μm的色谱柱的背压却是5μm的2倍。与此同时，柱效提高意味着在相同条件下可以选用更短的色谱柱，以缩短分析时间。另外，可以采用低粘度的溶