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        為啥色譜柱的內徑都是一些很零碎的數字?

        放大字體  縮小字體 發布日期:2024-02-29
        核心提示:大家做液相的時候,不知道是不是有人和我一樣在想一個問題:為啥色譜柱的內徑都是一些很零碎的數字,比如:4.6mm;2.1mm,從來沒
        大家做液相的時候,不知道是不是有人和我一樣在想一個問題:為啥色譜柱的內徑都是一些很零碎的數字,比如:4.6mm;2.1mm,從來沒有見到過5mm,10mm這種看上去讓人賞心悅目的整數...

        那么,是不是設計色譜柱的人腦子進了水,非要挑些奇怪的數字來消遣大家...看樣子,明顯不是,大家會發現,市面上大部分的色譜柱都是這些奇怪的內徑規格,反而是那些帶著整數值內徑的色譜柱好像看上去和大家格格不入成為了異類...



        到底是為什么?這一定是有什么原因的...那么原因是什么呢?



        ▉ 范德米特曲線

        在液相色譜的基礎理論中,我們總會聽到一個如雷貫耳的名字,他叫范德米特,為了簡便,我們稱呼他叫做老范,他曾經在紙上畫了一個對鉤,用來解釋色譜柱的柱效和流速的關系,后來,這個對鉤出名了,被叫做“范德米特曲線”,成為了液相色譜分離當中最經典的理論之一。



        上圖是不同粒徑的范德米特曲線,不過這里我們以5um填料色譜柱繪制的范德米特曲線為例,為啥要選5um填料?主要是因為這個規格的填料從上世紀80年代產生,90年代興盛到現在仍舊老當益壯經久不衰,堪稱經典,另外,5um填料的范德米特曲線是個非常周正的對鉤。


        那么我們來解釋一下這個經典的對鉤吧,它被畫在一個坐標軸里,橫坐標表示譜帶移動的線速度,縱坐標表示理論塔板高度。納尼?線速度,理論塔板高度,這都是嘛(四聲)?

        ▉ 流速和柱效

        這兩個詞確實生僻。所以,我們可以把它們近似地理解為:流速和柱效,對于給定的一根色譜柱(長度,填料粒徑固定)越大的流速能產生越高的分析速度,越小的板高能產生越大的柱效;所以,在老范的對鉤當中,橫坐標數值越大,分析速度越快;縱坐標數值越小,柱子的分離效果越好。


        知道了這些,我們就大概能理解老范畫的這個對鉤代表的意思了:對應一根固定的色譜柱:柱效隨著流速提升而升高,到達一個最大值以后,又開始隨流速增大而降低,這個讓色譜柱達到最大柱效的流速值,被叫做最佳流速,在最佳流速附近保證實際柱效與最佳柱效差異很小的一個區域內的流速,被叫做最佳流速范圍。所以老范的對鉤的深層意義就是:誰在最佳流速使用色譜柱,我就給誰畫個大對鉤。

        ▉ 內徑

        扯到這兒,一直在說老范和流速的事兒,還沒和內徑扯上一點關系,接下來,我們就要給老范和流速牽線搭橋了,這個牽線搭橋的人就叫內徑:

        在老范的大對鉤中,橫坐標叫做線速度,我們近似的把它認為是流速,其實,在“近似”的過程中,我們省略了內徑這個因素,或者說是色譜柱粗細的影響,

        線速度指的是色譜峰譜帶移動的速度,通常用cm/min作為單位

        而流速指的是色譜儀輸液的體積流速,通常用mL/min作為單位

        舉上一個生活化的例子,就是汽車,線速度可以理解為汽車行駛的速度;流速可以理解為汽車燒油的速度,而不同內徑的色譜柱,可以理解為不同大小的汽車,越粗的色譜柱代表著越大的汽車,要開到相同的速度,燒的油就多,所以,更粗的色譜柱需要更大的體積流速才能產生與細色譜柱相同的線速度/分析速度。



        返回頭看老范給畫的大對鉤,找個尺子一比,發現對于5um填料的色譜柱,最佳流速對應的是大概6cm/min這一點,不過,這是線速度,我們用的色譜儀都是需要設定體積流速的,剛才我們說過,體積流速和色譜柱內徑是有關的,那么問題來了:色譜柱內徑哪樣好?



        在這個問題上,設計色譜柱的人沒有隨便設計個1,2,5,10mm這種自己看了爽大家又喜聞樂見的內徑數字,在這個問題上,他們秉承了“業界良心”:



        大家想想看,自己在色譜儀上輸入流速的時候,是輸入1mL/min的感覺爽還是輸入1.18mL/min的感覺爽?我相信,只要不是自虐傾向太強的同學,一定都會覺得是1mL/min更爽些...1mL/min對應的是4.6mm內徑色譜柱的最佳流速,而1.18mL/min對應的是5mm內徑色譜柱的最佳流速(都是說5um填料的色譜柱)



        現在大家明白為啥我說色譜柱的設計者有“業界良心”了吧,為了讓大家在使用的時候爽,他們寧可讓自己在做柱子的時候“不爽”,這是怎樣的國際主義精神啊



        后來呢,隨著儀器的進步,儀器能控制的流速精度越來越高,所以,出于對流動相節省和質譜兼容性等等的需求,也開始出現了內徑更小的色譜柱,在這些柱子的設計上,仍舊秉承了一貫的業界良心,盡可能讓大家在儀器控制的時候輸入一些更“整”的數字,所以色譜柱的內徑仍舊是不太規整的,3.0mm對應0.4mL/min,2.1mm對應0.2mL/min,1.0mm對應0.05mL/min(這個貌似兩邊都挺整,簡直是強迫癥患者的福音啊~不過,其實這個規格的色譜柱遠沒有其他規格的填料種類全...)



        ▉ UPLC

        后來,UHPLC出現了,老范的對鉤明顯走形了……

        圖片

        我們能看到,UHPLC對應的最佳流速已經明顯和5um的HPLC填料不同了,按照剛才的業界良心理論,UHPLC色譜柱的內徑也應該應對變化以繼續讓大家爽,可但是,我們看到的UHPLC色譜柱的內徑規格還是那老三樣:4.6,3.0和2.1。



        難道是世風日下,業界良心一去不返了?



        別慌,回過頭再用尺子比比老范的發福版對鉤,我們會看到,對于UHPLC的最佳流速,大概是在12cm/min這個地方,而且,由于UHPLC最佳流速范圍的擴展,經典HPLC的最佳流速數值仍然在最佳流速范圍內,所以,即使我們不改變內徑和流速,UHPLC的柱效也是很好的,如果要追求最佳流速,只要把原來的流速都乘以2就差不多了,1變成2,應該也不會造成什么不爽...



        ▉ 大內徑色譜柱優勢



        我們已經了解了造成色譜柱內徑數字不是整數的原因,剛才我們稍稍提過一下,小內徑色譜柱的出現是出于溶劑節省和質譜兼容性的原因,那么大家會問,既然小內徑色譜柱有這些好處,為啥還沒有取代大內徑的色譜柱?下面來大概解釋一下吧:



        1:大內徑色譜柱可以承載更大的上樣量,利用這個特性,我們可以進行色譜制備純化,用很大內徑的色譜柱,一次進樣就可以純化很多樣品,還是用汽車做個例子,大公交比小面包可以裝更多的人。

        2:大內徑的色譜柱有更好的抗“溶劑效應”能力,通常即使溶劑兼容性不是那么好的情況下,大內徑色譜柱更容易得到更好的峰型。

        3:大內徑色譜柱對儀器的系統擴散耐受能力較強,由于使用較高流速分析,大內徑色譜柱由于儀器死體積造成的柱效損失會更小,而小內徑色譜柱對死體積格外敏感,這也是是為什么現在的窄徑柱(內徑小于等于2.1mm)都推薦使用在高性能的UHPLC儀器上的原因。

        4:大內徑色譜柱對儀器的延遲體積影響也相對不太敏感,主要也是由于使用高流速,可以盡量抵消延遲體積帶來的影響。

        5:對于某些型號的儀器以及某些特殊的方法,高流速下容易獲得更好的混合精準度,這主要是由于儀器的硬件性能限制導致的。

        所以呢,色譜柱內徑大小的選擇和使用,完全是要根據自己實際需要來選擇的,在某方面表現好,必然會有某方面的犧牲,尺有所短寸有所長,根據自己的儀器方法和實際需要選擇合適內徑的色譜柱才是正道。

        文章來源:網絡 
        編輯:songjiajie2010

         
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