高效液相色谱柱系统

2012/9/13 15:02:14

（一）柱子的连接与密封
现代的高效液相色谱柱填料，多采用细粒径以获得高分辨率。但是，细粒径填料的流体阻力往往很大，必须采用高压泵以将流动相强制输运通过柱子。所以，柱子必须能承受高压而不泄漏、不破坏才行。
现代高效液相色谱仪，一般均可在35-70MPa的压力下工作；此外，为获得高性能的柱子，往往需要以很高的压力，例如!30-100MPa，将填料的匀浆压入柱中。所以，柱子必须有良好的密封性能。除可以利用带密封垫或密封圈的螺纹连接外（例如，在柱径较大的高效制备柱上），通常使用带锥套的线密封连接方式（如图12-2-2所示）。当旋紧连接螺钉或柱头螺帽，使锥套在压力下向上方移动时，其边缘会接触位于阳螺栓上的锥面，而锥面的角度稍大于锥套的角度。由于锥套前端边缘很薄，它在挤压下受到锥面向内的压力会变形并抱紧内管，同时与锥面接触处会形成一圈环状的密封面，即形成了线密封。这种由金属在高的压力下变形而形成的密封十分紧密而可靠，在耐受很高压力的同时，又可造成很牢靠的机械连接，使其牢牢抱紧所箍套的柱管或连接管而不致滑脱。为保证可靠的连接，首先必须保证锥套的角度要小于锥面的角度。否则，锥套前缘将不会与锥面接触而变形，形成线密封。其次，锥套的前缘必须薄而有刃，否则它将难以变形。还有一点必须注意的是，与之配套的柱管的外圆应保持良好的圆柱形，与锥套的内径可以滑配，且表面应有很好的光洁度，不应有轴向划痕或沟槽。只有上述几点均注意到了，才能获得良好的密封。这种线密封方式既可用于色谱柱与柱头的密封，又可用于连接管路的连接。锥套所用的材料，主要是不锈钢。近年来，PEEK即聚醚醚酮）和聚四氟乙烯管常被用于高、低压流路的连接，特别是PEEK管，可耐受近30MPa（4000psi）的压力，且化学稳定性亦好，因此，PEEK制的锥套也常用于管路的密封连接。

在现代的高效液相色谱仪上，多采用外径)1/6in（即1.6mm）的不锈钢管为连接管，其内径自0.1-0.5mm不等。近年来，PEEK管和聚四氟乙烯管亦获得广泛应用。正如在前面所讨论的那样，对于一根填充良好的高效液相色谱柱来说，影响柱效的最大因素来源于柱外效应，特别是连接进样阀与柱子及柱子与检测器之间的管路所带来的柱外体积。因此，应当尽量缩短连接管路的死体积，采用尽量短而细的连接管，才能有效地降低柱外效应。
此外，通过理论分析可知，在圆柱形管中的谱带展宽，起源于管壁所引起的抛物线形的流型。破坏这种流型，使流体产生径向混合，就有可能降低连接管带来的柱外展宽效应。

halasz提出了使用几何变形管（紧密压缩的缠绕盘管）的方法，Katz和Scott则研究了利用蛇形管产生次级流的方案（图12-2-3）。在蛇形管中的每个拐弯处，液流均会发生方向反转，迫使流体混合。研究结果表明，蛇形管（也可以使用折成锯齿状的管子）的方案大大优于螺旋管。而且蛇形管中发生的谱带展宽，实际上与流动相线速度无关（图12-2-4）。因此，这种方式可以应用于很宽的速度范围。

    在色谱柱及其连接管线的密封与连接的问题上，有一些不规范的操作。例如，有人为了防止漏液而往螺纹上包缠聚四氟乙烯薄膜（生料带），这样既不能彻底解决泄漏问题，同时还会将聚四氟乙烯的碎屑留在孔道内造成流路的堵塞。正确的做法是仔细寻找原因，然后对症加以排除。如果是锥套或柱头上相应的锥管变形而导致的泄漏。则应将连接导管去掉一段并换上新的锥套或更换柱头；如果是部件上螺纹损坏则应以一与之相符的板牙或丝锥将该部件重新攻丝，使螺纹能滑配自如地拧紧。另外，拧紧这些连接螺丝时，切忌使用过长、过大的扳手，或
使用过大的力气，以防使螺牙变形而造成部件的损坏。
   （二）筛板及分配板
    色谱柱的另一种不可缺少的部件是筛板或称滤网，即阻挡填料从柱中流失的多孔网。它一般系用具有特定粒度的不锈钢粉末或镍粉在模型中烧结而成，颗粒的间隙即为筛板的孔，控制颗粒的大小即可得到不同的筛孔。筛孔应小于填料的直径，例如，对于粒径5μm 的填料，使用孔径1μm 或2μm的筛板已敷应用。对于制备柱，因其填料粒径较粗，可使用多孔塑料制成的筛板或滤网，如聚四氟乙烯、尼龙或聚乙烯制的筛网均可。有的厂家，以两片孔径较大的不锈钢网，中间夹上滤纸或聚四氟乙烯滤膜，亦可充当很好的滤网。目前，一些色谱零件公司可以提供不同规格的不锈钢烧结筛板，其标称孔径有0.2μm、0.45μm、1μm、5μm 等。我国北京钢铁研究院生产并销售筛板已有多年历史，质量亦足敷应用。在选用筛板时，宜选用厚度较薄者，以免引入过大的柱外体积而导致附加的峰展宽效应。此外，筛板的孔径宜与填料颗粒大小相匹配。有时，质量欠佳的色谱柱筛板孔径不均匀，会造成填料穿过筛板上的大孔而流失，造成柱床破坏，柱效下降。
    制备柱的柱径较大，一般为10mm 以上。为使样品能均匀地加至柱头，常需要在筛板前再加上一块分配板。这样，当样品溶液自连接管流至柱头时，可以通过精心设计、加工出来的沟槽和孔洞，使样品溶液均匀地分配至柱头全截面的柱床上。这些沟槽一般由若干条自圆心至外径的辐射沟和几个同心圆形沟槽，以及在沟槽底部向下连通的小孔组成。当然，分配板会引入额外的柱外体积，但是，由于制备柱柱体积较大，分配板所带来的谱带加宽并不大，一般不必加以考虑。
   （三）材料与加工

为耐受高操作压力并可方便地进行流路的连接，一般的高效填充柱，多以不锈钢为材料制成。在选材上，几乎均以316^#不锈钢制造。这种不锈钢既有很高的机械强度、很好的韧性，同时，也具有很好的耐腐蚀性。如所用不锈钢质量较差，则在含有缓冲液的流动相环境中，特别是含Cl^- 时会腐蚀生锈而造成柱子性能下降和对样品的污染。但是，在大多数色谱操作模式，如离子交换、疏水作用、亲和、亲水凝胶以及反相色谱的情况下，均需在含盐流动相中工作，因此，防锈蚀是一个必须考虑的问题。此外，在用于生化样品的分离时，还会发现不锈钢能强烈地吸附蛋白质，从而造成回收率的降低并影响分析的准确性。因此，有的厂家推出了以其他材料制造的柱子及其附件，借以减少这种非特异性吸附。例如，内壁衬玻璃不锈钢柱、钛柱及聚醚醚酮（PEEK）柱等。在进行制备性分离时，需使用中压液相色谱，其填料多以质地较软的高分子制成，因其颗粒一般较大，故不需要太高的压力。这种柱子可用玻璃或合成高分子材料（如有机玻璃、聚碳酸酯等）制成。
需要指出的是，色谱柱尤其是高效液相色谱柱的内壁应进行仔细的加工使其内表面光滑，以减少内壁附近的沟流现象与贴壁填料层的不均一性，降低柱壁引起的谱带展宽。利用特殊的涂层和径向压缩技术，也可以降低这种柱壁效应。一般情况下，柱管内壁光洁度应在△8以上或以特殊的技术抛光成镜面。

（四）柱子的结构
通过以上的叙述可知，一套完整的色谱柱，即高效液相色谱柱系统，除填有填料的柱管外，还应有柱头及配套的连接管。柱头内应有锥套和筛板，连接管应包括连接螺钉、锥套和连接管。图12-2-5 是一种典型的分析型高效液相色谱柱的结构示意图，也是目前较为流行的一种柱型。

这种结构的柱子依连接管连接方式和柱头结构的不同，还可以细分成不同的形式。如连接管的连接螺钉可用阳螺钉形也可用阴螺母形，但现在通用的还是阳螺钉形，一般为英制3/6in 的螺钉。但是，也有的厂家使用公制M6的连接螺钉。由于3/16in 的螺钉的标称直径为4.75mm，所以很容易与公制M5螺钉相混淆，如误用M5螺钉与3/16in 接头柱子配合，很容易造成柱头的损坏，宜加注意。除连接管外，柱头的结构也可以采用不同的形式。如柱头的螺帽、螺栓既可以上阴下阳，亦可采用上阳下阴形式。此外，也有的厂家在柱子的两端攻上螺纹，再将带有阴螺纹的螺帽直接与其相连而完成接头的组装。
有的厂家，如Agilent等公司为降低柱子的造价，设计、制造了可更换柱芯的卡套式柱子（cartridge column）（图12-2-6）。它由卡套和预装的可更换柱芯组成，柱芯两端面均有嵌入的筛板。更换柱芯时，只要拧开套管头上的螺栓，取出旧芯，换上新芯即可。须注意的是，这种柱芯的密封靠的是外径与柱芯外径相同的很薄的聚酰亚胺环片，当拧紧螺栓时，两端同时压紧而密封。聚酰亚胺环片很轻薄，拆卸时要防止丢失。由于柱套可反复使用，而消耗性的柱芯价格比标准的色谱柱便宜许多，故这种形式的柱子的使用成本要低得多。

    与卡套式柱子相类似，Waters公司设计、开发了径向加压式的可换柱芯柱。这种径向加压柱的柱芯，系由不同类型的填料装填于可变形的塑料，如聚乙烯制成的柱管中。使用时，将其置于特制的部件内，通过流体对柱芯从外壁均匀施以压力。这样，一方面可以消除一般不锈钢等硬质柱管壁附近填料的不均匀性和可能的沟流现象，可以有效地消除管壁效应；另一方面，径向的压力使柱床更紧密，从而可以很方便地获得更高的柱效。这种柱子与常规柱子相比成本较低，且很容易按比例放大，因而尤其适合于大规模制备分离之需。
   （五）保护柱
   柱子在使用过程中，均会受到来自样品和色谱体系中的污染而导致性能变坏、寿命缩短。这些污染包括不可溶性固体颗粒以及在柱子上造成不可逆吸附的物质。样品中的不可溶固体，如尘埃、脱落的过滤材料、输液泵柱塞密封环上磨下的碎末、操作者的头屑和衣物上的纤维、未完全溶解的样品、已溶解样品自进样器进入流动相后因溶解度的差异而产生的絮凝或沉淀等。它们均可能堆积在柱头筛板前而造成操作压力上升。样品乃至配制流动相的试剂和溶剂中，往往含有在柱子上产生不可逆吸附的物质，特别是分析生化样品、动植物中的成分以及药物等时，它们会造成柱效的降低，这是必须面对的一个问题。此外，有一些样品溶液的pH值较高或较低，它们均能引起填料的不可逆性破坏。防止这些污染与破坏的一个有效的方法是使用可拆卸性的在线滤网和保护柱（guard column，有时亦称为预柱）。在现代的液相色谱仪上，流动相的进口处、泵的进液止逆阀前，当然还有柱子的柱头均有筛板（或称滤网）。但是，流动相进口处的过滤器网孔往往较粗（如10μm），太细会造成泵吸入流体时附加的阻力；而泵上、柱前的滤网又难以拆卸下来更换或清洗，因此，加一个可拆卸、更换滤网的在线过滤器就很方便。这种在线过滤器接在进样器与柱子之间，对通过进样器引入的固体颗粒和样品的沉淀等能有效地阻留。在设计和使用在线过滤器时最重要的原则是：尽量减少死体积以降低柱外谱带展宽（图12-2-7）。

与不溶性固体颗粒物相似，更困难的是防止非特异性的、不可逆性的吸附以及pH 过高或过低对柱子造成的损坏。在进样器和柱子之间，或直接连接于柱头的保护柱，可以先于柱子承受这种损害，牺牲局部而保护了整体。早期的保护柱即是一支以相同填料、相同柱径填装的短柱（一般仅几厘米长）。进一步的研究表明、保护柱中不一定要装完全一样的填料，可以使用较粗颗粒的填料，例如制备型填料，但柱体积不宜过大。这样，由保护柱引起的柱外谱带展宽效应就不是很重要的了。根据前面对色谱基本理论的讨论可知，柱外谱带展宽效应在柱效损失5%-10%的范围内还是可以被接受的。因此，一般可以让保护柱体积占被保护柱子体积的十分之一至二十分之一即可。由于保护柱的寿命相对要短得多，所以现在多将保护柱制成可更换柱芯的套管式或卡套式（图12-2-8）。如有的卡套式保护柱，芯心仅是一片1-2mm 厚的粘结在一起的填料，使用与更换均很方便。近年，有几家公司设计、销售带有卡套式预柱的柱子，预柱芯的更换十分方便。更重要的是，预柱芯可以紧贴柱头，从而消除预柱与柱子间的死体积，不会引起柱效的降低。

近年来，用做保护柱的超短柱在快速分离上的优点重又引起了人们的兴趣。随着组合化学的发展，迫切需要进行快速且高通量的筛选。以3μm或5μm填料充填的保护柱或超短柱，尽管仅有几十厘米长，但已具有几千至近万理论塔板数。同时，当以通常的线速度淋洗时，分析一组样品仅需$1-2min。因此，很适于进行高速筛选之用。这种柱子的设计、制造与使用，与通常的柱子或保护柱相比，并没有原则的差异或不同。但对于相对仍然较贵的“快速柱”来说，给它再加一个“保护柱”，仍然具有实际应用价值。