揭开液相色谱柱的前世今生~

来源: 仪器信息网

色谱是一种分离分析手段,分离是核心,因此担负着分离工作的色谱柱是色谱系统的心脏。目前市场上色谱柱种类和规格繁多,在制药、食品、环保、石化、农林、医疗卫生等领域有应用广泛,相关从业人数不断增长。


以往大家比较关注色谱柱的应用情况,为使大家更全面的了解色谱柱类别、相关技术及最新应用进展等内容,仪器信息网特别策划了“走近色谱的‘心脏’——色谱柱新技术新应用”专题,并邀请色谱柱主流厂商来分享对色谱柱类别、技术发展及最新应用进展的看法。


以下为岛津(上海)实验器材有限公司市场部(SGLC)相关负责人分享的对液相色谱柱现代史的看法。


“千锤万凿出深山,烈火焚烧若等闲”,于谦的《石灰吟》用来记述硅胶填料的生产、制作过程,也恰如其分。


从最初的硅酸岩原材料处理成水玻璃,进而通过溶胶-凝胶等方法制备成多孔性硅胶微球,最后在硅胶表面进行化学修饰,键合特定的基团,这其中每一道工艺的优化都凝聚了色谱柱相关从业人员数十年来不懈的努力。


◀填料基质:硅胶vs聚合物▶


在过去的五十年中,高效液相色谱(HPLC)色谱柱的开发与HPLC仪器开发并行,有时甚至超过了仪器的进步。随着色谱分离技术的发展,对固定相填料也有了更高的要求,现有HPLC填料大部分为硅胶基质,其次为聚合物基质。


硅胶因原材料经济、高机械强度、高比表面积、化学修饰简单等优点而应用广泛,但同时也存在从原材料、制作过程中继承的缺点——金属残留、硅醇基残留以及Si-O键在碱性条件下(pH>8)断裂的问题。


相较于硅胶填料,聚合物基质的优势在于无碱性吸附、无金属离子残留,pH值稳定性好,但也存在柱效低和溶胀的问题。


80年代,色谱研究人员创造性的将硅胶和有机聚合物的优势结合,通过在硅胶表面包覆一层聚合物薄膜,使内部的硅胶基体不受影响,具有高机械强度和分析效率;同时表面的聚合物层保护颗粒在碱性条件下不会溶解(耐pH=10),阻隔硅胶中残留的金属及硅醇基与化合物的相互作用(图1)(比如岛津Shim-pack GIST 系列,ACE Super系列,Capcell pak MG-III系列等)。


进入21世纪后,研究人员又开发了“杂化颗粒技术”,用烷基桥来取代连接在碱性条件下不稳定的Si-O键,使其pH耐受范围拓宽到1-12(图2,3)(比如岛津Shim-pack Scepter系列, XBridge系列等)。


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图1 聚合物包被硅胶


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图2 有机杂化硅胶


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图3 在不同的pH 流动相条件或者不同的流动相添加剂条件下, 岛津Shim-pack Scepter LC 色谱柱都表现出了优异的稳定性


◀色谱发展趋势之一:快速液相▶


快速液相体现在表面多孔硅胶的发展和小粒径短柱日益广泛的应用两个方面。20世纪60年代在高效液相发展的初期,便已出现了薄壳型硅胶固定相,使液相色谱实现了高效和快速分离。


但受低的样品负载量限制,未能推广使用。直到2007年,一种新研制的2.7um(1.7um熔融硅核和 0.5um的多孔层薄壳)表面多孔粒子的出现,总体积约75%为多孔结构,解决了早期薄壳粒子负载样品容量低的问题。


而柱性能的突破来自2013年,亚2um 表面多孔硅胶粒子的使用,实现了更高的柱效(比如岛津Shim-pack Velox系列,Poroshell系列,Cortecs系列等)。


QA-QC部门、LCMS和LCMSMS分析对高通量的需求,以及组合化学领域对提高灵敏度的需求,都在驱使向小粒径短柱和表面多孔硅胶柱的转变。但受现有仪器技术的限制,短期内不会出现小于1um填料的应用。


◀色谱发展趋势之二:丰富的固定相选择▶


以C18为代表的高效反相液相色谱柱一直被描述为药物发现、方法开发的心脏,常规HPLC方法的开发几乎总是从C18作为出发点。


C18固定相主要利用疏水性保留和分离化合物,因此当遇到在C18柱上保留弱的化合物(如:极性化合物)和疏水作用力相似的物质(如:同分异构体)的分离问题时,实在是力有未逮。


近年来色谱柱研究人员开发了键合相迵异的色谱填料以增强色谱柱的选择性,从而满足实际样品分离过程的需要。


如针对极性化合物及其杂质的分析项目而开发的五氟苯基(PFPP)色谱柱,由于含有五个氟,因此具有较强的氢键作用力和阳离子交换作用力,对芳香族化合物和含硝基、卤素的化合物,具有强大的分离能力,保留能力甚至可以达到接近HILIC模式的强度(如岛津Shim-pack Scepter PFPP系列, 岛津Shim-pack Velox PFPP系列)。


另一类无法用反相C18柱解决的分离难题就是异构体的分离。二苯基柱就是针对这一类难题而开发的色谱柱(如岛津Shim-pack Biphenyl系列,图4),键合的两个联苯具有十字交叉结构,立体选择性很强,因此对位置异构体的识别度较高,适合用来做诸如基因毒性杂质的分析项目。


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图4 二苯基柱分离维生素D3及其3种同分异构体,展现了优于普通C18固定相的空间选择性


◀色谱发展趋势之三:特定解决方案色谱柱▶


随着生物制药行业的持续增长,新兴的生物仿制药在生物制药领域也越来越受欢迎。然而,生物仿制药可在制造过程中经历各种翻译后修饰,影响产品的生物活性和稳定性。


准确表征和监测生产过程中如蛋白质聚集、电荷异构等关键质量属性(CQAs),是确保药物研发稳定性和过程一致性的重要环节。专为解决此类问题而此设计的液相色谱柱也应运而生(图5,6)。


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图5 盐梯度方法,用岛津Shim-pack Bio IEX分离贝伐单抗生物仿制药的电荷异质


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图6 岛津Shim-pack Bio Diol 分离贝伐单抗生物仿制药的单体和二聚体


从60年代第一台商品化的高压液相色谱仪器的面世,液相色谱已经历了50多年的发展历程,在这过程中,针对小分子的分离问题,衍生了全多孔颗粒和表面多孔颗粒的技术。


近年来,更多的兴趣转向了大分子的分离项目,可用于表征复杂系统的色谱技术具有广阔的应用前景。在不久的将来,可以预见,表面多孔的反相色谱柱将成为市场上的主导产品,同时,具有不同选择性的苯基柱的发展趋势也日渐明晰。


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