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那么奇葩?为什么色谱柱的内径都不是整数?

点击次数:527 发布时间:2018-02-24

许多色谱柱的内径是2.1mm、4.6mm等,却不是2mm、5mm这样的整数?大家学习色谱的时候,不知道是不是想过这样一个问题:为啥色谱柱的内径通常都是一些很零碎的数字呢?

 

思路提示:流速1mL/min对应的是4.6mm内径色谱柱的zui佳流速,而1.18mL/min对应的是5mm内径色谱柱的zui佳流速(都是说5um填料的色谱柱)。

 

大家猜到原因了吧!对,就是范德米特大对勾,详细分析如下:

 

一、范德米特大对勾

 

 

这个是基于5um填料色谱柱绘制的范德米特曲线,为啥要选5um填料?主要是因为这个规格的填料从上世纪80年代产生,90年代兴盛到现在仍旧老当益壮经久不衰,堪称经典,另外,5um填料的范德米特曲线是个周正的对钩...


那么我们来解释一下这个经典的对钩吧,它被画在一个坐标轴里,横坐标表示谱带移动的线速度,纵坐标表示理论塔板高度。纳尼?线速度,理论塔板高度,这都是嘛?能吃不?


这两个词确实生僻...所以,我们得把他们近似的翻译成接地气的词汇,那么他们可以近似的理解为:流速和柱效,对于给定的一根色谱柱(长度,填料粒径固定)越大的流速能产生越高的分析速度,越小的板高能产生越大的柱效;所以,在老范的对钩当中,横坐标数值越大,分析速度越快;纵坐标数值越小,柱子的分离效果越好。


知道了这些,我们就大概能理解老范画的这个对钩代表的意思了:对应一根固定的色谱柱:柱效随着流速提升而升高,到达一个zui大值以后,又开始随流速增大而降低,这个让色谱柱达到zui大柱效的流速值,被叫做zui佳流速,在zui佳流速附近保证实际柱效与zui佳柱效差异很小的一个区域内的流速,被叫做zui佳流速范围。所以老范的对钩的深层意义就是:谁在zui佳流速使用色谱柱,我就给谁画个大对钩。

 

二、大对勾和流速的关系

扯到这儿,一直在说老范和流速的事儿,还没和内径扯上一点关系,接下来,我们就要给老范和流速牵线搭桥了,这个牵线搭桥的人就叫内径。


在老范的大对钩中,横坐标叫做线速度,我们近似的把它认为是流速,其实,在“近似”的过程中,我们省略了内径这个因素,或者说是色谱柱粗细的影响。


线速度指的是色谱峰谱带移动的速度,通常用cm/min作为单位;而流速指的是色谱仪泵输液的体积流速,通常用mL/min作为单位。


举上一个生活化的例子,就是汽车,线速度可以理解为汽车行驶的速度;流速可以理解为汽车烧油的速度,而不同内径的色谱柱,可以理解为不同大小的汽车,越粗的色谱柱代表着越大的汽车,要开到相同的速度,烧的油就多,所以,粗的色谱柱需要大的体积流速才能产生与细色谱柱相同的线速度/分析速度。

 

三、色谱柱内径哪样好?

返回头看老范给画的大对钩,找个尺子一比,发现对于5um填料的色谱柱,zui佳流速对应的是大概6cm/min这一点,不过,这是线速度,我们用的色谱仪都是需要设定体积流速的,刚才我们说过,体积流速和色谱柱内径是有关的,那么问题来了:色谱柱内径哪样好?


在这个问题上,设计色谱柱的人没有随便设计个1,2,5,10mm这种自己看了爽大家又喜闻乐见的内径数字,在这个问题上,他们秉承了“业界良心”:
大家想想看,自己在色谱仪上输入流速的时候,是输入1mL/min的感觉爽还是输入1.18mL/min的感觉爽?我相信,只要不是自虐倾向太强的同学,一定都会觉得是1mL/min爽些...1mL/min对应的是4.6mm内径色谱柱的zui佳流速,而1.18mL/min对应的是5mm内径色谱柱的zui佳流速(都是说5um填料的色谱柱)。


现在大家明白为啥我说色谱柱的设计者有“业界良心”了吧,为了让大家在使用的时候爽,他们宁可让自己在做柱子的时候“不爽”,这是怎样的国际主义精神啊~


后来呢,随着仪器的进步,仪器能控制的流速精度越来越高,所以,出于对流动相节省和质谱兼容性等等的需求,也开始出现了内径小的色谱柱,在这些柱子的设计上,仍旧秉承了一贯的业界良心,尽可能让大家在仪器控制的时候输入一些“整”的数字,所以色谱柱的内径仍旧是不太规整的,3.0mm对应0.4mL/min,2.1mm对应0.2mL/min,1.0mm对应0.05mL/min(这个貌似两边都挺整,简直是强迫症患者的福音啊~不过,其实这个规格的色谱柱远没有其他规格的填料种类全...)

 

四、UHPLC与走形的老范大对钩

后来,UHPLC出现了,老范的对钩明显走形了。

 

 

我们能看到,UHPLC对应的zui佳流速已经明显和5um的HPLC填料不同了,按照刚才的业界良心理论,UHPLC色谱柱的内径也应该应对变化以继续让大家爽,但可是,可但是,我们看到的UHPLC色谱柱的内径规格还是那老三样:4.6,3.0和2.1


难道是世风日下,业界良心一去不返了?


看官别慌,回过头再用尺子比比老范的发福版对钩,我们会看到,对于UHPLC的zui佳流速,大概是在12cm/min这个地方,而且,由于UHPLCzui佳流速范围的扩展,经典HPLC的zui佳流速数值仍然在zui佳流速范围内,所以,即使我们不改变内径和流速,UHPLC的柱效也是很好的,如果要追求zui佳流速,只要把原来的流速都乘以2就差不多了,1变成2,应该也不会造成什么不爽...

 

五、色谱柱的内径规格为啥那么多?

我们已经了解了造成色谱柱内径数字奇葩的原因,接下来还得说说为什么“奇葩”的出现还是一个系列的:色谱柱的内径规格为什么那么多?


刚才我们稍稍提过一下,小内径色谱柱的出现是出于溶剂节省和质谱兼容性的原因,那么大家会问,既然小内径色谱柱有这些好处,为啥还没有取代大内径的色谱柱?下面我来大概解释一下吧:


1. 大内径色谱柱可以承载大的上样量,利用这个特性,我们可以进行色谱制备纯化,用很大内径的色谱柱,一次进样就可以纯化很多样品,还是用汽车做个例子,大公交比小面包可以装多的人。


2. 大内径的色谱柱有好的抗“溶剂效应”能力,通常即使溶剂兼容性不是那么好的情况下,大内径色谱柱容易得到好的峰型。


3. 大内径色谱柱对仪器的系统扩散耐受能力较强,由于使用较高流速分析,大内径色谱柱由于仪器死体积造成的柱效损失会小,而小内径色谱柱对死体积格外敏感,这也是是为什么现在的窄径柱(内径小于等于2.1mm)都推荐使用在高性能的UHPLC仪器上的原因。


4. 大内径色谱柱对仪器的延迟体积影响也相对不太敏感,主要也是由于使用高流速,可以尽量抵消延迟体积带来的影响。


5. 对于某些型号的仪器以及某些特殊的方法,高流速下容易获得好的混合度,这主要是由于仪器的硬件性能限制导致的。


所以呢,色谱柱内径大小的选择和使用,完全是要根据自己实际需要来选择的,在某方面表现好,必然会有某方面的牺牲,尺有所短寸有所长,根据自己的仪器方法和实际需要选择合适内径的色谱柱才是正道。


zui后,至于UHPLC为什么会导致老范的对钩变型,这是个挺复杂的问题,光靠老范画的对钩已经无法解释了,还得把他编的公式也拿出来,这个,作为后话。

 

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