制备色谱的研究与应用进展

本文概述几种制备色谱的最新研究与应用进展，并且简述了气相色谱和液相色谱的制备，以及对色谱技术的总结和展望。

随着现代化工等相关行业的快速发展，化学成分的分离日益受到关注和重视，而化学成分的规模化分离制备技术成为制约现代化工行业发展的瓶颈。色谱分离技术是最主要的分离纯化技术之一，其已从分析规模发展到制备和生产规模，在药化学成分的分离纯化中发挥了重要作用，并已发展成为大规模分离制备化学成分特别是有机化学成分的重要方法。本文综述了制备气相和液相色谱的研究与应用进展。

制备色谱仪

制备色谱

制备规模的色谱这一术语对不同的人含意不同，对生物化学家来讲，制备色谱可能意味着分离几毫克试样，然后用适合的分光技术对结构加以说明；对有机化学家来说制备色谱大概味着为了随后的合成工作离析5-50g中间产品。可见制备色谱从几毫克到几十克宽范围试样的负载，甚至对几百克物质进行一次分离，以满足研究和其他用途的需要。经典柱色谱法虽可处理大量样品，但是效率低，太花费时间和消耗大量溶剂。而现代制备色谱法则具备柱效高，分离速度快等特点，是制备纯化天然产物和化学合成产物的极好手段。但长期以来，传统制备色谱都与柱子低效、不稳定、重现性差等联系在一起。甚至很多化学工作者都千方百计试图避免使用色谱作为制备手段：需要大量溶剂；回收的纯样品都呈稀释状态；对于与柱子超载相关的现象和典型分离没有理论框架；“优化”操作条件更多地依靠感觉和习惯而非科学事实等。由于世纪中期压缩柱（径向，特别是轴向压缩）技术的出现，以及人们意识到高品质柱可以大规模使用，这种情况才开始好转。这是现代高效制备液相色谱的开端，也称为PHPLC。自从其诞生，PHPLC取得了长足的发展。PHPLC的发展成为可能是由于几方面的工作：柱技术，填料（手性与非手性），理论和模型。而且，新的概念如SMB（模拟移动床色谱）、Pre-SFC（制备型超临界流体色谱）以及HSCCC（高速逆流色谱）都被引以扩展色谱作为一种工业提纯工具的应用领域。

制备色谱柱

为了减少进样次数，增大进样量，通常要把色谱柱内径加宽、填料加厚，以加大柱容量来达到缩短制备周期的目的，但是这样会严重影响柱效——用于制备的填充柱（10-50mm i.d.）的柱效往往只有分析柱（2-4mm i.d.）的一半。导致填充柱柱效过低的原因是，柱直径过大影响到气相扩散和柱温，从而影响柱效。由于载气流速在色谱柱横截面的各点不均匀，从而影响样品在色谱柱内的气相扩散。Hargrove等发现1英寸（25.4mm）直径的制备柱的气相扩散大约10倍于1/4英寸直径分析柱的气相扩散。而且，过大的柱直径使得由柱壁到固定相的传热过慢，当采取程序升温时，柱效会大打折扣；对于柱直径为1英寸的色谱柱，程序升温时柱中心的温度要比柱壁延迟1min左右，温度延迟与升温速率成正比。另外，样品对柱内热量有吸附作用，大量频繁进样会严重干扰柱温的稳定。近年pGC分离过程的数值模拟的出现，为制备柱的研究提供了一定的理论指导。传统提高制备柱柱效的方法主要是增加柱子的长度、提高固定液的含量、采用较低的柱温等，但这些方法往往会大幅度延长单次制备时间。Bayer等采用长时间连续填充并不间断振动色谱柱的方式确保色谱柱填料填充的均匀度，以提高色谱柱的分离效率。另外，Fuchs等将2根填充色谱柱串联起来分离对映体，虽然可以达到很高的产率，但是并未从根本上解决柱效低的问题。Schomburg等将第1 根色谱柱作为预备柱，选取需要进一步分离的峰组（一般是小于选定保留时间的所有组分）进入主色谱柱，其它组分则被反吹经过预备柱，进入柱前的收集器进行富集，他们将此称为“选取-反吹”装置。Golay等延续上述原理并加以改进，3根色谱柱任何时候都保持其中2根串联，经过多次循环，可以选取复杂样品中的任意1段目标峰组。该方法虽然可以收到一定的分离效果，但是操作相对比较繁琐。1979年，Roeraade等提出了具有保留时间高度重现、频繁进样对色谱柱的影响很小和毛细管柱虽然具有很高的分离能力但负载能力较低等特点的毛细管pGC，在从复杂样品中获取μg级纯化合物方面较有潜力。基于以上特点，毛细管pGC得到了长足发展，目前已经报道了大口径和超大口径毛细管pGC。另外，Eyresa等基于多维毛细管GC，开发出了二维毛细管pGC，用于从极其复杂的样品中分离制备出所需的组分。

制备型高效液相色谱

液相色谱是将分离填料填装在色谱柱内，以液体流动相进行洗脱，利用药物不同活性成分与填料相互作用力的差异进分离。在液相制备色谱分离中，一般将柱压力低于0.5MPa的称为低压制备色谱，压力0.5-2MPa的称为中压制备色谱压力>2 MPa的称为高压制备色谱。低压制备色谱通常有两种模式，一种是在柱上方加压，另一种是在柱下方减压除了加减压外，其他的与经典柱色谱法基本一致。减压一般是用真空泵来完成，加压一般用空气泵、氮气钢瓶、蠕动泵等完成。在低压制备色谱中使用的是颗粒较大的填料，因此其分辨率是有限的。中压制备色谱是利用恒流泵抽送流动相带着样品流经色谱柱，实现对样品的分离。中压制备色谱统由溶剂瓶、恒流泵、进样阀、色谱柱、检测器、记录仪和馏分收集器等部分组成。其色谱柱一般是由耐压的强化玻璃制成，填料颗粒大小比低压制备色所用填料小，分离效率更高。

现代高效制备液相色谱柱具有以下特征:（1）柱长短、内径大、呈圆饼状（pancake）。目前高效制备柱的柱长与常规分析柱相仿，一般为20—50cm ，远短于传统柱长1m甚至1m以上的制备柱，而内径为10—1000mm，因此可以在较大的流速下不致产生很高的柱压降，从而获得高的产率。（2）填料颗粒小，分布窄。采用直径为10—20μm的细颗粒，孔径及粒度分布均很窄的多孔球形或非球形填料替代传统大颗粒（40—200μm）、宽分布的无定形填料填充制备柱，因而具有高得多的柱效，通常每米的塔板数在20000以上，有的甚至可达到与分析柱相仿的柱效。（3）流速高。流动相的线速一般在5—10cmPmin，以便提高产率，降低生产成本。制备液相色谱根据待分离样品的负载量分为两类，一类为研究开发型，另一类为工业生产型。前者属于实验室规模的制备分离，样品量为微克级至克级，分离的样品一般供结构鉴定、生物活性测试以及作为合成、半合成工作的原料及标准品等，大规模工业化色谱分离与纯化条件优化的前期研发工作也属于此类色谱。这类色谱中经济效益并不是首要考虑的因素（除了大规模分离条件优化的前期研发工作外），对仪器装置要求不高，任何达到预期分离目标的仪器均可使用；而后者经济效益是其整个纯化过程考虑的核心因素，纯化样品量为千克至吨级。这两类制备色谱的区别反映在其柱设计上有很大不同，实验规模制备分离所用色谱柱的设计、填充及操作与常用分析柱基本相同，其内径一般为10—50mm，但大规模生产所用制备柱的内径通常大于50mm，为了得到高效柱，其柱型及结构与前者不同，对填料及其填充技术要求也更高。

现状总结

虽然pGC已经产生了几十年，但是GC在制备领域并没有像液相色谱那样在制药领域取得广泛应用。pGC的应用依旧只局限于实验室研究中，目前尚未有商品化的pGC仪或是将其应用于工厂大批量生产中，其主要原因是改进工作并没有很好解决pGC的分离效率与产率之间的矛盾。填充柱pGC具有很高的产率而分离效率太低，毛细管pGC分离效率很高但是其产率依旧限制在μg或mg级产物的制备上；解决色谱柱负载能力和柱效之间的问题是处理pGC产率和分离效率之间矛盾的关键；开发高效的大口径毛细管柱是pGC走向商品化的基础；发展多维毛细管pGC可以进一步加强pGC在获取痕量化合物和分离同分异构体方面的能力。另外，pGC的自动化收集装置亦是仪器改进工作的关键之一。

展望

目前，制备色谱在实际制备生产中得到了广泛的应用，但也还存在一些问题，比如填料的用量大，且价格贵，使得生产成本高，制约了其发展；由分析型色谱到制备色谱过渡的理论方面的工作还有待进一步深入研究和完善；色谱法的定性能力差，如何把分离和分析联合成为一个整体，应用于工业制备中，实行一体化的监控，也有待于深入研究。与国外相比，我国的制备色谱发展还有很大差距，着眼于上述存在问题的深入研究，制备色谱具有广阔的发展前景。