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UPLC(超高效液相色譜)技術(shù)
點(diǎn)擊: 次 時(shí)間:2017-03-20 10:39
在1996年，Waters公司推出AllianceHPLC時(shí)的主要目標(biāo)是提高液相色譜的“精度”。當(dāng)時(shí)多數(shù)公司都認(rèn)為HPLC技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到極致了、而同時(shí)用戶對(duì)性能沒有更高的需求，因此HPLC的目標(biāo)應(yīng)該是降低成本、走向更低的價(jià)格以獲得更廣泛的應(yīng)用。針對(duì)這樣的觀念，Waters公司提出：HPLC的技術(shù)沒有到達(dá)極限，用戶對(duì)HPLC有更高的要求，HPLC精度的提高對(duì)更好、更可靠的結(jié)果有極大的益處，對(duì)法規(guī)的遵從也是一個(gè)極大的促進(jìn)。
站在當(dāng)今世界科技前沿的液相色譜用戶現(xiàn)在又有了新的需求。首先是改進(jìn)生產(chǎn)力的需求，因?yàn)榇罅康臉悠沸枰诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)完成，例如代謝組學(xué)分析;其次是在生化樣品及天然產(chǎn)物樣品的分析中，樣品的復(fù)雜性對(duì)分離能力提出了更高的要求;第三是在與MS及MS/MS等檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用時(shí)，對(duì)連接的質(zhì)量提出了更高的要求。簡(jiǎn)而言之，我們需要“更快地得到更好的結(jié)果”。
今天我們發(fā)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)液相色譜技術(shù)的要求也不斷提高，單從技術(shù)角度的改進(jìn)已經(jīng)不行。這就需要同時(shí)從科學(xué)與技術(shù)的角度出發(fā)，或者說(shuō)從理論高度對(duì)液相色譜重新認(rèn)識(shí)。因此UPLC(超高效液相色譜)概念的提出也就十分自然。簡(jiǎn)而言
之，UPLC是用HPLC的極限作為自己的起點(diǎn)。
理論基礎(chǔ)
早在1956年，J.JvanDeemter就發(fā)表了他著名的理論：vanDeemter曲線及其方程式。最早這個(gè)理論是用在氣相色譜上的，但是后來(lái)出現(xiàn)的液相色譜上也能應(yīng)用這個(gè)理論。Waters公司引入U(xiǎn)PLC的概念就是由研究這個(gè)著名的方程式開始。
首先顆粒度越小柱效越高;其次每個(gè)顆粒度尺寸有自己的最佳柱效的流速;最后，更小的顆粒度使最高柱效點(diǎn)向更高流速(線速度)方向移動(dòng)，而且有更寬的線速度范圍。所以降低顆粒度不但提高柱效，同時(shí)也提高速度。使用更高的流速會(huì)受到色譜柱填料耐壓及儀器耐壓的限制。反之，如果不用到最佳流速，小顆粒度填料的高柱效就無(wú)法體現(xiàn)。另外，更高的柱效需要更小的系統(tǒng)體積(死體積)、更快的檢測(cè)速度等一系列條件的支持，否則小顆粒度填料的高柱效同樣無(wú)法充分體現(xiàn)。
因此，要真正創(chuàng)建一個(gè)全新的分離科學(xué)領(lǐng)域-UPLC，必須解決以下問(wèn)題：
大幅提高色譜柱的性能;第一要解決小顆粒填料的耐壓?jiǎn)栴}，第二要解決小顆粒填料的裝填問(wèn)題，包括顆粒度的分布以及色譜柱的結(jié)構(gòu)。
高壓溶劑輸送單元(超過(guò)15000psi)。
完善的系統(tǒng)整體性設(shè)計(jì)，降低整個(gè)系統(tǒng)的體積，特別是死體積。并解決超高壓下的耐壓及滲漏問(wèn)題。
快速自動(dòng)進(jìn)樣器，降低進(jìn)樣的交叉污染。
高速檢測(cè)器;優(yōu)化流動(dòng)池以解決高速檢測(cè)及擴(kuò)散問(wèn)題。
系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)管理，解決高速數(shù)據(jù)的采集、儀器的控制問(wèn)題。
新型色譜填料及裝填技術(shù)
UPLC分離只有在新型的、耐壓而且顆粒度分布范圍很窄的1.7祄顆粒填料合成出來(lái)之后才有可能。色譜柱技術(shù)應(yīng)該涵蓋幾個(gè)方面的內(nèi)容：首先是填料的合成，以得到高質(zhì)量的填料顆粒，包括耐高壓、耐酸堿等等。其次是顆粒的篩選，選出顆粒度分布盡可能窄的填料。最后是裝填技術(shù)，以保證即堵住顆粒不使其外流，又不至于引起反壓的大幅升高。
Waters公司利用1999年發(fā)明的雜化顆粒技術(shù)(HybridParticleTechnology-HPT)，合成了第二代有機(jī)硅填料。它使用雙(三乙氧基硅)乙烷在硅膠中形成橋式乙基基團(tuán)(圖2)。這樣合成出來(lái)的填料在其內(nèi)部有了更多的“交聯(lián)”結(jié)構(gòu)，其機(jī)械強(qiáng)度有了極為顯著的提高，耐壓超過(guò)了20000psi。使用這項(xiàng)技術(shù)，Waters公司合成了低于2祄顆粒度的填料——1.7祄顆粒度的“ACQUITYUPLCTM”填料。為了得到更好的耐壓能力及傳質(zhì)作用，還優(yōu)化了該填料的孔體積及孔徑。
傳統(tǒng)色譜柱填料的裝填技術(shù)受兩個(gè)方面的影響，導(dǎo)致現(xiàn)有小顆粒填料色譜柱的性能及質(zhì)量均不能令人滿意。首先是其顆粒度分布一般較寬，例如，5祄顆粒度填料中會(huì)有大量的4祄以下及6祄以上的顆粒，因此，通常使用2祄篩板在色譜柱的出口攔截填料，阻止其外漏。其次，如果使用低于2祄的篩板，篩板的反壓升高很快，甚至超過(guò)了填料所產(chǎn)生的反壓。因此，目前大多數(shù)3.5祄、2.5祄或更低顆粒度的填料還是使用2祄的篩板，只是在柱頭裝填一小段5祄的填料。因此現(xiàn)有小顆粒度填料的色譜柱與理論或理想狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)。
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站在當(dāng)今世界科技前沿的液相色譜用戶現(xiàn)在又有了新的需求。首先是改進(jìn)生產(chǎn)力的需求，因?yàn)榇罅康臉悠沸枰诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)完成，例如代謝組學(xué)分析;其次是在生化樣品及天然產(chǎn)物樣品的分析中，樣品的復(fù)雜性對(duì)分離能力提出了更高的要求;第三是在與MS及MS/MS等檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用時(shí)，對(duì)連接的質(zhì)量提出了更高的要求。簡(jiǎn)而言之，我們需要“更快地得到更好的結(jié)果”。
今天我們發(fā)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)液相色譜技術(shù)的要求也不斷提高，單從技術(shù)角度的改進(jìn)已經(jīng)不行。這就需要同時(shí)從科學(xué)與技術(shù)的角度出發(fā)，或者說(shuō)從理論高度對(duì)液相色譜重新認(rèn)識(shí)。因此UPLC(超高效液相色譜)概念的提出也就十分自然。簡(jiǎn)而言
之，UPLC是用HPLC的極限作為自己的起點(diǎn)。
理論基礎(chǔ)
早在1956年，J.JvanDeemter就發(fā)表了他著名的理論：vanDeemter曲線及其方程式。最早這個(gè)理論是用在氣相色譜上的，但是后來(lái)出現(xiàn)的液相色譜上也能應(yīng)用這個(gè)理論。Waters公司引入U(xiǎn)PLC的概念就是由研究這個(gè)著名的方程式開始。
首先顆粒度越小柱效越高;其次每個(gè)顆粒度尺寸有自己的最佳柱效的流速;最后，更小的顆粒度使最高柱效點(diǎn)向更高流速(線速度)方向移動(dòng)，而且有更寬的線速度范圍。所以降低顆粒度不但提高柱效，同時(shí)也提高速度。使用更高的流速會(huì)受到色譜柱填料耐壓及儀器耐壓的限制。反之，如果不用到最佳流速，小顆粒度填料的高柱效就無(wú)法體現(xiàn)。另外，更高的柱效需要更小的系統(tǒng)體積(死體積)、更快的檢測(cè)速度等一系列條件的支持，否則小顆粒度填料的高柱效同樣無(wú)法充分體現(xiàn)。
因此，要真正創(chuàng)建一個(gè)全新的分離科學(xué)領(lǐng)域-UPLC，必須解決以下問(wèn)題：
大幅提高色譜柱的性能;第一要解決小顆粒填料的耐壓?jiǎn)栴}，第二要解決小顆粒填料的裝填問(wèn)題，包括顆粒度的分布以及色譜柱的結(jié)構(gòu)。
高壓溶劑輸送單元(超過(guò)15000psi)。
完善的系統(tǒng)整體性設(shè)計(jì)，降低整個(gè)系統(tǒng)的體積，特別是死體積。并解決超高壓下的耐壓及滲漏問(wèn)題。
快速自動(dòng)進(jìn)樣器，降低進(jìn)樣的交叉污染。
高速檢測(cè)器;優(yōu)化流動(dòng)池以解決高速檢測(cè)及擴(kuò)散問(wèn)題。
系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)管理，解決高速數(shù)據(jù)的采集、儀器的控制問(wèn)題。
新型色譜填料及裝填技術(shù)
UPLC分離只有在新型的、耐壓而且顆粒度分布范圍很窄的1.7祄顆粒填料合成出來(lái)之后才有可能。色譜柱技術(shù)應(yīng)該涵蓋幾個(gè)方面的內(nèi)容：首先是填料的合成，以得到高質(zhì)量的填料顆粒，包括耐高壓、耐酸堿等等。其次是顆粒的篩選，選出顆粒度分布盡可能窄的填料。最后是裝填技術(shù)，以保證即堵住顆粒不使其外流，又不至于引起反壓的大幅升高。
Waters公司利用1999年發(fā)明的雜化顆粒技術(shù)(HybridParticleTechnology-HPT)，合成了第二代有機(jī)硅填料。它使用雙(三乙氧基硅)乙烷在硅膠中形成橋式乙基基團(tuán)(圖2)。這樣合成出來(lái)的填料在其內(nèi)部有了更多的“交聯(lián)”結(jié)構(gòu)，其機(jī)械強(qiáng)度有了極為顯著的提高，耐壓超過(guò)了20000psi。使用這項(xiàng)技術(shù)，Waters公司合成了低于2祄顆粒度的填料——1.7祄顆粒度的“ACQUITYUPLCTM”填料。為了得到更好的耐壓能力及傳質(zhì)作用，還優(yōu)化了該填料的孔體積及孔徑。
傳統(tǒng)色譜柱填料的裝填技術(shù)受兩個(gè)方面的影響，導(dǎo)致現(xiàn)有小顆粒填料色譜柱的性能及質(zhì)量均不能令人滿意。首先是其顆粒度分布一般較寬，例如，5祄顆粒度填料中會(huì)有大量的4祄以下及6祄以上的顆粒，因此，通常使用2祄篩板在色譜柱的出口攔截填料，阻止其外漏。其次，如果使用低于2祄的篩板，篩板的反壓升高很快，甚至超過(guò)了填料所產(chǎn)生的反壓。因此，目前大多數(shù)3.5祄、2.5祄或更低顆粒度的填料還是使用2祄的篩板，只是在柱頭裝填一小段5祄的填料。因此現(xiàn)有小顆粒度填料的色譜柱與理論或理想狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)。
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