色谱学作为蕞强的现代分离分析手段,已经走过百年历史。尤其是近30年来,不仅原有的气相色谱、液相色谱、薄层色谱、凝胶渗透色谱和纸色谱等色谱学分支得到了较大的发展,而且毛细管电泳、毛细管电色谱、逆流色谱等新型色谱分离模式也不断问世,标志着这一古老又新型的学科有着强大生命力和重要的应用价值。
色谱法的发展得益于微电子、微加工等现代科学技术的发展,以及石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生,乃至空间探索等诸多领域的应用需求。色谱-质谱联用、色谱、红外光谱联用、多维色谱技术等各种联用技术的出现,更开辟了复杂混合物分析检测的新天地。目前,润扬仪器及同行认为色谱法已经成为人们认识客观世界必不可少的工具,并在不断丰富、提高和发展。
液相色谱仪发展简史
早在1903年,俄国植物学家 Tswee发表了一篇题为“一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用”的论文,提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法,并被其命名为色谱法(chromatographyTsweet将碳酸钙装入竖立的玻璃管中,并从顶端倒入植物色素的石油醚浸取液进一步采用溶剂冲洗,溶质在柱的不同部位形成色带,第壹次向人们公开展示了采用色谱法提纯的植物色素溶液以及色谱图——显示着彩色环带的柱管。
20多年后,Kuhn等为了证实蛋黄内的叶黄素系植物叶黄素与玉米黄质的混合物,参考 Tsweet的方法,以粉碎的碳酸钙装填色谱柱,成功地从蛋黄中分离出植物叶黄素。这一工作的意义不仅仅在于证明了蛋黄内叶黄素是氧化类胡萝卜素的混合物,更重要的是证实了色谱法可以用于制备分离。此后,色谱分离方法逐步为人们所认识,并被应用于不同物质的分离研究。
1941年, Martin等采用水饱和的硅胶颗粒为固定相,以含有乙醇的氯仿溶液为流动相分离乙酰基氨基酸的工作是分配色谱的首次应用。他们也在总结其研究成果的基础上提出了著铭的色谱塔板理论,为从理论上诠释色谱过程奠定了基础。
蕞初的液相色谱柱多采用碳酸钙、硅胶、氧化铝等填充的玻璃柱管,流动相加在柱管上端,靠重力作用向下迁移,而对分离组分的检测则依靠肉眼的观察或将吸附剂从柱管中取出后进一步分析。20世纪60年代,随着气相色谱相关知识的积累,人们将在气相色谱中获得的系统理论与实践经验应用于液相色谱研究,研制成功了细粒度高效填充色谱柱,极大地提高了液相色谱的分离效能,也标志着高效液相色谱(HPLC)时代的开始。采用高压泵输送流动相替代重力驱动,不仅使柱效率更高也极大地加快了液相色谱的分析速度。液相色谱与光学检测技术的结合更使得同时完成分离分析任务成为可能。
稳定高效的色谱柱是建立适用范围广、重现性理想的分离分析方法的基础,其作为HPLC分离过程的核心,在过去30年中,色谱固定相的发展主要经历了以下几个阶段:20世纪60年代,薄壳型填料被引入HPLC,结合低流速往复泵和在线检测器,使得分离效率提高了一个数量级;70年代,稳定化学键合硅胶代替传统的液液色谱固定相,同时10μm以下微球固定相高压匀浆填充技术的发展,极大地促进了HPLC方法的广泛应用,使其成为高速、高效分离分析的蕞主要手段;80年代,生物色谱填料的开发为HPLC在生命科学研究领域的地位奠定了坚实基础;随着90年代生物医药研究与开发的迅猛发展,各种类型的高通量及手性色谱柱纷纷出现,同时针对环境、化学及其他特殊问题的专用色谱柱也使得HPLC几乎能够应用于所有领域。随着高效固定相的研制以及装柱技术的不断改进,液相色谱柱效得到不断提高。近年来,为了满足复样品分离分析的需要,采用亚微米粒径固定相的超高压力的液相色谱仪(UPLC)的问世,极大地提高了分离效率,也使得液相色谱可以应用的领域进一步拓宽。
高效液相色谱仪主要由进样系统、输液系统、在线检测系统、数据处理系统等部分组成,其结构如图1所示。1975年,美国道(Dow)化学品公司研制成功采用电导检测器的新型离子交换色谱仪,用抑制柱扣除高本底电导,进而检测无机离子和有机离子,这种方法被称为离子色谱法(IC)。离子色谱法使高效液相色谱法的分析范围扩展到分析常见的大多数无机阴离子、有机阴离子及60余种金属阳离子。
20世纪80年代,许多分析仪器厂家开始投入大量的资金及技术力量研究开发高效液相色谱产品。美国的 Waters 、P−E、Varian、HP、SP、Bekman,日本的岛津、日立,法国的吉尔森等公司大量推出自己的HPLC产品,而且产品的更新换代迅速,性能不断提高,功能日益增强。以日本岛津公司为例,在不到十年中就推出了十代产品,可见其发展势头之迅猛。伴随着液相色谱仪器性能的不断改善,新型分离模式也不断出现,使液相色谱无论在技术上还是在仪器上都产生了一个又一个的飞跃。
高效液相色谱与光谱技术联用方法的研究一直是色谱学科的研究热点。20世纪80年代,可同时得到每个组分HPLC-UV三维谱图的二极管阵列检测器(DAD)问世,对紫外可见光谱的快速扫描检测,使液相色谱提供的信息量大幅度增加,也为模式识别等化学计量学中的许多手段提供了重要的应用领域。1990年以后HPLC−MS、HPLC−FTIR等色谱-光谱联用技术逐渐成熟,为解决HPLC的定性问题提供了多种实用、有效的手段。
20世纪90年代,以电驱动替代高压的毛细管电泳、毛细管电色谱技术得到较快的发展。电渗流的特殊形成机制,使得更小粒径的固定相以及整体色谱柱技术得到更好的应用。将其与微流控芯片技术结合,综合了多种现代科学技术的特点,在仪器的微型化、快速分析、现场分析等方面具有极大的发展潜力。
为适应生命科学的发展,以制备色谱为主要对象的非线性色谱获得了长足的发展,人们运用色谱法已能够制备微量而贵重的生物活性化合物。基于天然产物分离制备、生物制药等方面的需要,大规模的工业色谱技术、模拟移动床色谱技术、逆流色谱技术等得到发展,成为液相色谱法理论与应用研究的另一个重要分支。
在数据采集与处理方面,20世纪60年代初期,机械式色谱积分器的应用极大地提高了色谱峰面积测定的准确度。20世纪70年代初期带小型微处理机的色谱仪的问世,标志着色谱仪的发展进入了一个新的时代。随着计算机应用的普及,高效液相色谱专家系统被成功研发,液相色谱数据处理系统的发展已经达到除可以进行数据采集、数据处理外,还可以用来控制、优化色谱操作条件的水平。具有数据处理、仪器控制等功能的色谱工作站已经成为目前液相色谱仪的必备组件。
今天,色谱仪器、色谱技术仍在继续向前飞速发展,各种类型的自动化、智能化、专属化的液相色谱仪不断涌现;液相色谱-质谱联用、液相色谱-核磁联用等联用仪的应用与普及;多维液相色谱仪器系统的产业化,“整体柱”、亚微米固定相的应用,新型固定相基质的合成以及特异的高选择性固定相研究的不断推进,使液相色谱技术有了日新月异的变化。
科技和经济的竞争在某种意义上表现为科技条件,特别是科学仪器的装备、数量、水平及其附属条件的竞争。凡是科学技术上的重大发现、发明,重大突破和成就,皆是以全新的实验手段和方法的突破为先导。正因为科学仪器在科学研究、国民经济和社会的各领域中所发挥的巨大作用,世界各国,尤其是发达国家不惜投入大量人力、财力进行相关的研究与开发。色谱分析技术与仪器作为一种重要的科学手段,其研发与生产已经达到非常高的水平,不但仪器功能多、性能指标高,而且品种齐全、性能稳定,可极大地满足不同领域的研究与应用需求。