如何延长液相色谱柱的使用寿命


      在高效液相色谱(HPLC)系统中,色谱柱是核心部件之一。正确使用色谱柱,不仅能保证分析高效、灵敏地进行,而且对延长色谱柱的寿命、保持长期稳定的工作状态具有重要的作用。由于色谱柱是有一定寿命的消耗性部件,价格昂贵,例如一根手性分析柱通常需要几千元,甚至上万元。因此,延长色谱柱的寿命对降低成本具有至关重要的意义。那么究竟怎样规范地使用色谱柱才能保证其寿命呢?

色谱柱的使用寿命除与使用频率相关外,还与样品、流动相的处理和柱子日常保养有关。根据本公司液相色谱的工作经验积累和参考相关文献,总结了延长色谱柱使用寿命的相关方法。简言之,就是在使用过程中尽量减少问题的发生。这就要求我们在色谱柱使用前考虑周到,使用时小心谨慎,使用后仔细清洗、妥善保存。具体可以从以下三方面(使用前准备、使用过程中的维护、使用后的清洁与保存)进行探讨。

 

一、使用前准备

1、使用前认真阅读色谱柱的说明书,了解色谱柱的种类,选用合适的色谱柱。

   在选用色谱柱时,应充分考虑所分析样品的极性大小、化合物的种类数量、结构特征。根据化合物的性质,选择合适的色谱柱和分析条件。不同类型的色谱柱使用的流动相不同,使用错误的流动相会降低柱效,损伤柱子。如分析极性较大的多糖类成分,应当采用亲水性的反相填料。对于首次使用的色谱柱,还应按照厂家的出厂说明对色谱柱进行低流速的冲洗活化,活化后的色谱填料共价键键合力增强,柱效提高,寿命延长。

2、样品的准备与预处理

   我们的经验是样品纯化得越干净,色谱柱的使用寿命越长。许多样品,尤其是生物样品,组份非常复杂,对色谱柱的损伤性较大,不经预处理的样品直接分析,会严重缩短色谱柱的使用寿命。因此,在样品的准备时需对样品进行预处理,包括准备溶剂的选择、样品过滤等。

2.1制样溶剂的选择

   制样溶剂通常需要考虑样品的溶解性、与流动相的相溶性、色谱填料的适用性等方面。这类溶剂需对样品有较大的溶解性,而且与流动相溶,洗脱强度最好低于流动相或梯度洗脱中的起始流动相,以免影响样品分离。目前许多手性色谱柱都禁止使用DMSO、四氢呋喃、氯仿等溶解样品,这些溶剂会破坏固定相的结构,从而缩短色谱柱的使用寿命。此外,制样溶剂还应与色谱系统其他部件如高压泵、进样器等相适用。

2.2制样溶剂过滤

   在进样前需过滤样品溶液,如采用0.22μm的微孔滤膜除去不溶性微粒,以免堵塞柱头滤片及柱内填充床。在条件允许的情况下,最好采用与色谱柱同种填料的固相萃取柱过滤进样溶液,可以减少在色谱柱上死吸附的物质或易堵塞的大分子样品。如生物样品中的小极性的油脂类易于沉淀死吸附在C18反相色谱柱中,导致柱效降低、柱压升高。采用SPE柱过滤后,可以有效减少在色谱柱中附着沉积的死吸附成分,保护色谱柱不被污染,保证其使用寿命。

2.3其他,如溶液浓度、进样量等

   分析物的某些性质同样能影响色谱柱的使用寿命。强酸、强碱性物质和蛋白质类生物大分子,它们能与固定相填料作用,或生成不可逆吸附层,改变填料表面特征,使色谱柱性能发生变化,最终导致分离失效。此外样品的进样量过大、超载都会影响色谱柱的分离性能和使用寿命。

 

二、使用过程中的维护

​   使用过程指的是色谱柱分析样品的过程。

1、流动相的使用和分析方法的选择

   流动相的纯度、溶剂的选择、适当分析方法的使用与色谱柱的性能和寿命密切相关。

1.1流动相的选择

   所选用的流动相应与色谱柱、待分析样品相兼容,即样品、样品溶液和流动相是互溶的。流动相能够溶解样品,避免样品沉淀析出;同时还要求流动相与样品不发生化学反应,并且要求与色谱柱不能发生溶解或化学反应。

    色谱分析应选择色谱级的流动相。通常分析纯的溶剂含有微量杂质,如有机溶剂中的聚乙二醇、无机铁离子(Fe+)等,作为流动相大量使用后会引起色谱柱性能变化。最好是使用色谱纯级或者更高纯度的试剂,尽量降低溶剂中杂质带来的损伤。

1.2流动相过滤

   使用色谱纯试剂配制流动相,使用前需经0.45μm或者更小孔径的滤膜过滤和超声脱气处理,减少灰尘、微生物等杂质堵塞色谱柱,尤其是水溶性流动相易引起微生物生长而造成色谱柱阻塞。流动相最好是现配现用,放置时间最好不要超过2天。

1.3流动相的pH和缓冲盐的选择

  极端pH的流动相会破坏填料内的共价键,“溶解”硅胶,使固定相流失,从而降低柱效,缩短使用寿命。以硅胶作基质的固定相一般要求pH在2.5~7范围内使用。长期在pH>7或pH<2使用环境中,硅胶会逐渐溶解或者表面键合的官能团会逐渐流失。如果一定要用高或低pH的流动相,最好是选用相适应的色谱填料。

1.4流速的控制

   目前粒径为1.8μm的UPLC的流速常设为0.3~0.5mL/min,粒径为5μm的HPLC分析流速不大于1.5mL/min,粒径为10μm半制备柱流速控制在3mL/min。流速过大,压力升高,会引起色谱填料冲垮、塌陷。

2、色谱仪器的操作

  每次开机使用分析仪器时,泵启动太快,流速和柱压的瞬间升高,柱床受到冲击,引起紊乱,产生空隙,影响色谱柱的使用寿命。因此,在操作实验开始时,应当将流速和柱压逐渐增加。

3、保护柱的使用

  “保护柱”是与所使用液相色谱柱相同填料的短型色谱柱,可以有效地阻拦容易损坏色谱柱的大分子和不溶性颗粒,过滤易沉着色谱柱上产生死吸附的物质,从而延长色谱柱使用寿命。

4、柱温的控制

   不同类型的色谱柱耐受的温度各有差别。通常色谱柱温维持在10~40℃之间,能够充分、最优的发挥色谱柱的性能。超出色谱柱温度范围,尤其高于柱温范围,会增加对流动相中化学物质的吸附,引起色谱柱固定相结构的改变;此外,还可能引起柱床塌陷,改变峰形,降低柱效,产生不可逆性的损伤。

 

三、使用后的清洁与保存

柱子使用一段时间后,总会有一些杂质累积在柱内,保留值较弱的物质,一般能快速从色谱柱冲洗出来,不产生干扰;中等保留强度的杂质能被缓慢冲洗出来,但对分析产生一定的干扰;强保留杂质通常聚集在柱头或色谱柱中,难以被洗脱,甚至可能与填料发生相互作用,形成新的伪固定相,改变色谱柱的分离性能。通常表现为柱压升高、基线不平、色谱双峰、分离性能降低等。这些被污染的色谱柱经清洗后,可恢复部分甚至大部分离能力。因此使用后认真、定期清洗,不仅能延长色谱柱的使用寿命,节省资源,还能大大降低分析的成本。以我们常用的硅胶基质色谱柱为例,简要阐述常用色谱柱的清洗与再生。

1色谱柱的清洗与再生

    色谱柱的使用前后都需经较强的流动相冲洗。通常情况下,在使用硅胶、氧化铝、极性键合相色谱柱时,每次用完后可先用二氯甲烷或正己烷等溶剂低流速长时间的冲洗;键合反相硅胶色谱柱、离子交换色谱柱和凝胶色谱柱可先用高比例的水(甲醇水混合溶剂)冲洗,再用100%甲醇冲洗。此外,色谱柱低流速的反相冲洗能够有效除去堵塞在柱头或筛板上的杂质,以及清洗聚集在柱头部位的较强吸附物质。有些色谱柱在许多方法处理污染失效后,反过来使用,不仅柱压降变小,柱效也可恢复如,延长了色谱柱的使用时间。

   若上述常规清洗法无法清除污染物,则有必要采用更强的洗脱剂清洗,如反相材料的冲洗顺序为:100%甲醇→100%乙腈→乙腈∶异丙醇(75∶25,V/V)→100%异丙醇。或者可以采用较低浓度的稀酸或稀碱可将有机溶剂不能洗脱的污染物除去。例如采用0.05mol/L的硫酸和流动相溶液冲洗色谱柱,可取得良好效果;或者采用1%氢氧化铵或50%二甲基甲酰胺水溶液,对聚集在柱头的污染物具有良好的清洗效果。

   如果分析时流动相中含有缓冲液(通常为盐溶液),冲洗时宜用水取代缓冲液与有机相混合冲洗色谱柱(20倍柱体积);再用100%有机溶剂冲洗。若直接用100%有机溶剂冲洗,可造成缓冲液沉积析出,从而损坏柱子品质。同样的,若流动相中加入酸、碱溶液时,也应当按照上述方法,先采用高比例的水(水:甲醇10:90)冲洗20倍柱体积,防止强酸强碱溶液导致硅胶基质填料的溶解。

  蛋白质对反相色谱柱的污染已成为常见问题,尤其在分离未经处理的动物组织等生物样品。一般情况下,纯有机溶剂如乙腈或甲醇不能很有效地清洗色谱柱,因而需要一些特殊的清洗方法。首先尝试用高比例强极性溶剂的流动相进行冲洗,如乙腈∶异丙醇(1:2,V/V);或使用0.1%的三氟乙酸水溶液或者0.1%乙酸水溶液清洗。此外,还可以采用1%十二烷基硫酸钠 (SDS),然后用5%~95%乙腈/水(含0.1%TFA)梯度冲洗,去除蛋白污染物效果也较好。

  若采用上述的条件清洗后色谱柱仍不能达到理想的效果,有必要将固定相从色谱柱内取出,进行清洗再生后重新装填。具体操作是:将色谱固定相从色谱柱内打出后,用甲醇浮选,去除其中细小的破碎颗粒;然后用二甲基甲酰胺、丙酮、甲醇超声清洗;最后干燥固定相,重新装填色谱柱。经该方法处理的色谱柱,性能可得到显著提高。

2、色谱柱的保存

   色谱柱的保存应按照使用说明书中所指明的溶剂进行填充,尽可能的贮存于100%有机溶剂。色谱柱不能贮存在水或含水量高的溶剂中,会引起微生物的滋生,影响色谱柱寿命。如反相色谱柱长期不用,最好采用90%~95%的有机溶剂混合水溶液保存,防止色谱柱因密封不严造成色谱柱两头干涸、断层引起的寿命缩短。

此外,色谱柱还应当轻拿轻放,避免剧烈碰撞引起的色谱柱填料产生塌陷、断层,缩短使用寿命。

 

       延长色谱柱的使用寿命还有很多注意事项,望同行们共同探讨总结。