色谱柱的使用和维护

色谱柱既是液相色谱仪的最核心部件，价格相对昂贵，请牢记它是高档仪器中的高档部件，给它以足够的尊重和关怀。如避免强烈的碰撞和震动，尽管色谱柱从1米高的实验台掉落到水泥地上不至于100%会损坏，但50%的可能损坏你也承受不起。另外不要让柱床变干，避免在严寒环境受冻等。

1. 柱头类型和不锈钢毛细管接头的匹配

色谱柱是消耗品，不是仪器原配的情况很多。上图表明柱连接的6种不同方式（数字单位是英寸），如果两者类型不匹配将会产生漏液或者死体积过大的现象。接头比柱头深度长，不易拧紧而漏液；接头比柱头深度短，柱头内留有空隙而产生死体积，使谱带展宽和峰拖尾。

2. 溶剂的匹配转换

色谱柱内保存溶剂和仪器系统内存留溶剂，如果和流动相不匹配，使用前需进行转换。特别是流动相含缓冲盐时，如保存溶剂是纯有机相或有机相比例高，直接将新柱接入使用，会导致缓冲盐在柱内结晶析出，最严重会将新柱永久不可逆地损坏。正相柱保存溶剂一般为正己烷，如果要转换成HILIC柱模式使用，由于正己烷和甲醇乙腈的互溶性不好，转换中间需用二氯甲烷或乙酸乙酯过渡。

3. 新柱使用前的平衡和老化

厂家出厂检验时一般都已进行过平衡，但色谱柱到最终用户时间不一，用户正式测定前最好对色谱柱再次平衡。最好的平衡兼老化一起进行的方法是运行几次完整的分析程序（包括进样），直到观察到峰形、保留时间和峰面积稳定为止。所谓“老化”是借用了气相的术语，目的是达到分析物在色谱柱以及整个液相系统流路中的吸附饱和。对某些特定的待测物，如分子量大于1000的，因扩散速度慢，老化时间相应要长，可采取大浓度进样或在同一个洗脱周期内连续进样多针的方式加快老化。

4. pH使用范围

一般认为硅胶基质柱子的pH使用范围是2-8，这是很粗略的。硅胶类型、使用温度、硅胶表面所键合的固定相类型以及缓冲盐的不同，对此均有影响。硅胶比孔容小、键合密度大的填料pH耐受范围要大

一些，如月旭公司的Ultimate XB-C18色谱柱，选用的是高品质硅胶，加上高密度键合和双封尾，使pH耐受范围最大提高到10。磷酸盐缓冲盐渗透力强，有加快硅胶溶解的副作用，它的存在会降低pH使用范围。有机杂化硅胶以及硅胶表面涂覆杂化层的硅胶填料，有机质的存在使pH使用范围能到12以上，月旭公司的Xtimate系列产品即属此类。

5. 色谱柱保存

短期保存(隔夜或隔周末)用所用的流动相（不含缓冲盐）保存为佳，以尽量减少下次使用的平衡时间。一般只建议在长期保存反相柱的时候用纯甲醇或乙腈，一方面纯有机相保存有最大限度减少键合相水解的作用，但纯甲醇（乙腈）又会将已水解而暂时吸附在柱内的键合相洗脱出去，使固定相流失进程加快，寿命缩短。纯有机相保存还有易挥发使柱床变干的缺点，使用80%左右有机相保存也属好的选择，且足以避免长菌。强烈建议在柱身上贴标签标明保存溶剂。 CN基柱在有机极性溶剂中柱床不稳定（会导致柱床结构坍塌），适合在水相中低温保存。低温保存要确保不发生固定相冻结而损坏柱床。离子交换柱和水性SEC柱等适合保存在水溶液中的色谱柱，可加0.05%叠氮化钠溶液防止长菌。

正相柱，无论是短期还是长期，都推荐保存在所用流动相中 二、柱压问题

）以及容量因子k'相关，和柱压无关。 但柱压（P）仍不失为 上面是基本色谱分离方程式，分离度R和柱效（N）、选择因子（ HPLC方法中的最重要参数之一，因为柱压反映了色谱柱的内部状况。 现今能承受400 bar压力的HPLC泵很常见，色谱柱如在远低于上限的压力下正常运行，不需要我们重点关注；当柱压升高接近上限或者柱压有异常升高，往往意味着色谱柱出状况了，需及时进行维护和补救，严重时色谱柱就已报废了。本节将详细考察柱压问题并提出可行的解决方案。

柱压方程

对填充色谱柱，柱压与黏度 (η)、柱长 (L)和流速 (F)成正比，与填料粒径（d p）以及柱管半径（r）的平方成反比。K0是比渗透性

系数，对填充床，其值约为0.001。通过此公式可近似计算出给定色谱条件下的理论柱压。只有当新柱实际测得的柱压和理论柱压相差很大，才能说柱压存在问题。

黏度 (η)取决于流动相溶剂的选择，为降低柱压，反相色谱中倾向于选择低黏度的乙腈，而不是高黏度的异丙醇。当然选择时还需考虑溶剂强度、极性、分析物的溶解度以及和分析物兼容性等。 柱长（L）增加可以提高分离度（R），流速（F）提高能加快分离，但都会导致柱压上升，选择确定这些运行参数时，需综合平衡和折中。

填料粒径对柱压影响极大，d p降低一倍，柱压将增加4倍。UHPLC中采用的sub-2 μm填料，柱压超过普通HPLC泵的400Bar上限很多。提高柱温因可降低黏度η，相应降低柱压。在梯度洗脱时，黏度随流动相组成的变化而改变，柱压也会处在不断变化中。对水/甲醇流动相体系，在55：45时，黏度和柱压有个极大值。

内径的影响同样很大，根据线流速相同柱压相同的原则，4.6mm内径的色谱柱流速为1ml/min，约相当于在2.1mm内径色谱柱上的0.2ml/min流速，在10mm半制备色谱柱上的5ml/min，计算公式为v＝1.0ml/min x（内径r/4.6）2。所以在换不同内径色谱柱时，请及时调整流速，以免因高柱压损伤色谱系统。

柱压下降是仪器系统的连接有泄漏，柱压不稳定一般认为是流路中有

气泡或空穴，和色谱柱相关的柱压问题是柱压上升。 色谱柱结构:

和柱压相关最大的是进口端筛板（inlet frit）以及其后面1-2cm长度的柱头填料。筛板上有比填料粒径小的小孔，筛板上的小孔或柱头填料的间隙被部分堵塞，是柱压上升的主要原因。有以下几类情况：

1. 填料破碎和使用后有填料粉末生成

填料破碎一般在装柱过程中发生，装柱压力过大或所选硅胶机械强度过低所至，设定柱压出厂标准可解决；流动相中高pH值缓冲盐使硅胶溶解并重新形成填料粉末，堵塞出口端筛板，这种情况下反冲不起

作用，只有更换后筛板，不过打开承压的后筛板，对柱床会有不好影响。

2. 颗粒物堵塞引起柱压上升和对策

可能堵塞进口端筛板（前筛板）和柱头填料间隙的颗粒物来源有：样品（制样时灰尘和滤纸等带入）、进样阀密封圈磨损、流动相（溶剂本身含有和配制过程进入）、液相仪器中泵阀密封圈的磨损、缓冲盐析出（一般在梯度运行和进样时盐的溶剂环境改变导致）。 水和缓冲盐流动相内生长的细菌，也是颗粒物来源的一种，可堵塞筛板和填料间隙。应避免将这类流动相在室温下久放，可放入冰箱存放。

1) 预防措施

样品（甚至标准品）和流动相过滤，既预防了筛板、柱头和毛细管堵塞，又能减少进样阀、活塞杆和截止阀等仪器关键部件的磨损。普通用0.45um孔径滤膜过滤样品和流动相，对使用2um以下填料的超高压柱的，可用0.20um滤膜。滤膜材质有再生纤维素、聚四氟乙烯、尼龙、纤维和醋酸纤维等，须根据和样品溶剂及分析物的适应性慎重选择。

使用保护柱或在线过滤器，具体安装位置见下图：

在线过滤器内装有可更换的滤片，滤片孔径一般有2um和0.5um两种。安装位置有两个可选择，在进样器和色谱柱之间时，对样品和流动相中的颗粒物都有效；在泵和进样器之间，则只对流动相有过滤作用。

保护柱是缩小版的色谱柱，内含带填料的可更换的柱芯，安装在进样阀和色谱柱之间，用于防止色谱柱的化学污染为主，也有过滤颗粒物的作用。

2) 故障排除

反冲色谱柱：不连接检测器，直接将堵在前筛板上的颗粒物冲出排到废液瓶中。开始时反冲压力可低于正常使用压力，待颗粒物有冲出后，逐步提高冲洗压力。有时颗粒物已非常牢固嵌入到筛板内部，反冲不一定凑效，早反冲、勤反冲相对效果更好。有的厂商为避免堵塞，使用了较大孔径（2-5um）的前筛板，这种情况反冲会将填料冲出。

换筛板：一般不建议这样做，因为换筛板会带走粘在筛板上的部分填料，使柱床的均一性受影响，导致柱效下降。不过如果反冲不能解决

问题，也只能不得已而为之，要不然就要把色谱柱报废了。 如果系统中不接色谱柱，柱压仍然高，说明泵出口到色谱柱之间的其它部位，包括进样器、在线过滤器和保护柱等有堵塞，可逐一排查。为了减少死体积，毛细管都做得尽可能的细，也可能被堵。

3. 化学污染物引起柱压上升和对策

来源同样是样品、流动相和系统，不过来源于样品的污染最普遍，特别是对复杂基体样品未经前处理或前处理不够的时候。化学污染物主要有：分子量很大的化合物、盐类、脂质、蜡类、油脂、腐殖酸、蛋白质等其它生物来源的物质。

像盐类这样的保留能力极小的污染物会在死体积处很快从柱中洗脱出去，检测器一般对此类物质响应不大，有时表现为干扰峰、基线波动、斑点甚至负峰。

保留能力中等的污染物，会被慢慢洗出色谱柱，表现为宽峰、基线馒头形波动和基线缓慢漂移。

对强保留的污染物，一般流动相强度不足以将其从柱中洗出，会逐步在柱头累积。有时，累积在柱头的污染物可作为新固定相对分析物起作用，引起保留时间改变、峰拖尾和峰分叉等。污染物在柱头累积到一定程度，如果不采取措施，会堵塞填料间隙，引起柱压上升。最好的办法是选用合适的溶剂冲洗溶解这些物质，同时又不对填料本身有损害。如聚合物柱中累积的蛋白类污染物可用pH13-14的强碱溶液洗掉，但这种方法不适合硅胶基质色谱柱。

1）预防措施：

a．制样时采用SPE固相萃取等方法，预先将色谱柱杀手类的污染物质清除掉；

b．连接保护柱。保护柱是分析柱的延伸，在填料类型和粒径上应于分析柱一致，才能最大限度起保护作用，又不影响色谱性能。一个设计和装填良好的保护柱，还可增加分析柱的分离效率。如果因某种原因需在保护柱中用不同的填料，也应选择比其所保护的分析柱保留能力弱的固定相，这时的保护柱完全用于截住强保留物质，类似于SPE小柱的功效。当保护柱柱芯保护功能用尽时，也不能说不可再清洗后复用，但价格低不值得去花这个时间。 c．经常对分析柱进行冲洗维护：

2)故障排除：

已经累积很多污染物，用甲醇或乙腈简单冲洗不奏效，推荐使用下面方法清洗反相柱

100％甲醇---100％乙晴---75％乙晴/25％异丙醇---100％异丙醇

---100％二氯甲烷---100％正己烷

用每种溶剂冲洗至少10个柱体积，对于250mm×4.6mm的分析柱，合适的冲洗流速是1～2ml/min。最后用10柱体积的异丙醇过渡，然后回到原来的流动相体系。

对受蛋白类污染的硅胶基质反相柱，纯有机溶剂如乙腈或甲醇不能溶解多肽和蛋白质。由有机溶剂、缓冲液和酸,有时还加上离子对试剂等组成的配方清洗效果极佳，譬如用三氟乙酸水溶液和三氟乙酸/丙醇溶液对柱子重复进行梯度洗来再生；Bhadwaj和Day试验了在250mm×46mm的柱子中注入100μL的三氟乙醇，再生效果良好。 清洗硅胶、CN和Diol等正相柱建议方法：先用20柱体积50：50正己烷/氯仿冲洗，然后用甲醇、二氯甲烷或者100%醋酸乙酯冲洗。对油脂类物质，可用异丙醇清洗 三、峰形问题

峰形对称性的优劣对峰面积和分离度有很大的影响，从而影响分析结果的准确性。引起峰形异常的因素很多，柱外死体积引起峰形异常有个特点：对先出的峰影响大，对后出峰影响小；柱头塌陷、柱头和筛板污染会引起所有的峰形都异常，而硅醇基次级保留只引起部分峰拖尾。相塌陷除了引起保留下降外，也会造成峰拖尾。色谱实践中，大部分的峰形问题都不是色谱柱的问题，仪器参数设定、色谱条件和方法正确与否对峰形有很大影响。 1. 峰后拖

常见的3种拖尾情况：

次级保留引起峰拖尾的机理解析：

反相色谱中，通常非极性和弱极性的化合物能获得良好的峰形，而带有－COOH、－NH2、－NHR、－NR2等极性基团的化合物则比较容易产生拖尾，原因是硅胶表面残留硅羟基对极性和碱性样品分子产生次级保留效应。

反相填料表面有残余的硅羟基，具有一定的酸性，其pKa约为4.5～4.7。根据电离规律，流动相的pH－pKa>2即pH>6.7时，99％以上的硅羟基应该是呈离子状态的，即Si－O－ ，而pKa－pH>2即pH<2.5时，酸性环境抑制了硅羟基的电离，99％以上的硅羟基应该是呈分子状态的，即Si－OH，但其极性仍然存在，即Si－Oδ－Hδ＋。Si－Oδ－Hδ＋和－Si－O－对于极性化合物之间的作用力则是一种极性的静电作用力，这种作用力比范德华力要强得多。同时，因为硅胶表面键合了C18长链，由于空间位阻作用，样品分子中能接触到残余硅羟基的机会不多，只有少部分的分子才能与残余硅羟基产生强的静电作用而被推迟洗脱出来，产生后拖。拖尾严重的程度与样品分子极性大小和残余硅羟基的多少有着直接的关系。

上图是填料表面的示意图，完全硅羟化的硅胶表面硅羟基浓度为8µmol/m2，由于空间位阻的作用，通常与C18硅烷基发生反应的仅达2～3.5µmol/m2，需要再用小分子的硅烷跟硅羟基反应，如图中的三甲基氯硅烷，使硅羟基中的氢变成了三甲基硅烷的一个惰性基团。三甲基硅烷还是比氢原子大得多，还是不能将所有的残余硅羟基的活性封闭掉。

相同的样品在不同品牌的柱子上产生拖尾的严重性不同，从填料合成的角度而言就是键合密度是否高、封尾是否彻底，高密键合和彻底的封尾能显著减少这种机会，获得良好的峰形。Welch公司Ulimate品牌的XB－C18、AQ－C18和Xtimate C18采取的就是高密键合和彻底的双峰尾工艺。

解决方案：

1）先检查样品是否过载，由于样品过载引起的峰形后拖不能通过改变色谱条件消除。如果发现过载，需降低进样量（包括进样体积或浓度），进样量越小，峰形越好，例子如头孢尼西钠的测定：

2）调节流动相pH

将流动相的pH调至比弱酸pKa小2以上，比弱碱pKa大2以上，可有效抑制易离子化待测物的电离，从而取得良好峰形。例子如二甲基苯氧乙酸的测定：

碱性化合物中，甲胺的pKa为10.，那么在pH< 8.的时候它是完全呈离子态的， 那么pH在2.5~8.时，特别是pH6.7～8.时，此时甲胺和硅羟基均以离子状态－NH3＋和Si－O－形式存在的，它们之间相互吸引的静电作用导致后拖，这就是为什么很多碱性化合物在pH 7.0的条件下容易产生拖尾的原因。而很多色谱柱生产商也因此以阿米替林（含－N(CH3)2，碱性比－NH2强）在pH 7.0的条件下来评价和比较不同色谱柱之间的优劣，该条件下的阿米替林的峰形越好说明封尾越好。而在pH<2.5的条件下，也仍然后拖，是因为－NH3＋足够强，即使硅羟基以分子状态存在也仍能够与Si－Oδ－Hδ＋中氧原子产生吸引作用，导致峰形拖尾。当pH>12.，大于pKa2以上时，甲胺完全以分子状态形式存在，不会引起拖尾。

3）增加缓冲盐或增大缓冲盐的浓度：

流动相中加入缓冲盐，增强了流动相的离子强度，在－NH3＋等极性基团和硅羟基Si－O－之间存在着许多离子的干扰，减少了样品分子与硅羟基之间相互接触的机会，有助于削弱极性基团与硅羟基之间的相互作用，改善峰形。这种适合于碱性较弱（如氨基的N原子与强吸电子基相连），或碱性很强，但在刚性结构中，比较难以接近被C18长链和封尾试剂覆盖的硅羟基，例子如高乌甲素的测定：

4）加入三乙胺、四丁基硫酸氢铵或辛烷磺酸钠等

拖尾的产生是因为－NH2、－NHR、－NR2与硅羟基发生静电作用引起的，那么阻碍它们之间静电作用的途径，应该有两种，一种是占据硅羟基这个作用位点，另一种是占据－NH2、－NHR、－NR2这个作用位点。

在流动相中加入三乙胺，能显著的改善峰形，消除拖尾，其作用是屏蔽硅羟基。三乙胺的pKa为11.09，在pH<11.09－2＝9.09的条件下是以离子状态N＋H(CH2CH3)3的形式存在的，因此pH在2.5~8. 硅羟基呈Si－O－离子态的情况下，N＋H(CH2CH3)3容易与Si－O－形成相对较强的静电吸引力。

加入三乙胺改善峰形的时候，有两点需要注意：1）三乙胺的碱性很强，加入三乙胺后流动相的pH可能超出色谱柱的使用范围，对色谱柱造成损伤。pH的改变也会导致出峰时间的显著变化，可能引起的其它问题，建议流动相中加入三乙胺后回调至未加入前的pH值。通常即使pH回调过后，由于三乙胺成为了固定相的一部分，保留时间也有较大变化；2）三乙胺在210nm处有比较强的吸收，如果液相方法中检测波长在210nm以下测定时需要谨慎使用。

四烷基季铵盐（如四丁基硫酸氢铵、四丁基溴化铵、四丁基氢氧化铵等）在水中电离后，也形成了类似N＋H(CH2CH3)3的结构N＋(CH2CH2CH2CH3)4 ，这种结构也能有效的与Si－O－产生较强的静电作用，阻止氨基与硅羟基的接触，改善峰形。而且它还有一个不同于三乙胺的显著特点是，它在低波长范围的吸收比三乙胺弱。 流动相中加入辛烷磺酸钠等烷基磺酸盐离子对试剂也能很好的改

善峰形，其作用机理与三乙胺和四丁基硫酸氢铵颇为不同，是通过与样品分子的作用来阻止样品分子与硅羟基的作用来改善峰形。 2．峰前延

峰前延发生的概率比较小，下面是三种前拖峰的表现形式：

造成前延峰的原因有多种，我们可依次逐一排查： 1）样品是否过载

降低进样浓度，看峰形是否有所改善。一般认为峰高在100mAU左右比较合适，不至于因过载影响峰形。 2) 检查是否是用流动相溶解样品

溶解样品的溶剂（如纯甲醇）洗脱能力比流动相强会发生峰前延。具体机理是：

正常的峰形应该是样品在色谱柱上均匀的前移的情况下得到的，

浓度分布在整个通过色谱柱柱床的过程中任何时候都呈正态分布。样品溶液进样后到达色谱柱时间很短，应还未被流动相充分稀释，洗脱能力更强的样品溶剂的局部存在，将使部分样品被洗脱的速度加快，导致峰前延。

3）增加流动相中缓冲盐的浓度

增加缓冲盐浓度可以增大流动相中的离子强度，减少因静电的作用（有可能存在于样品分子之间、也有可能存在于样品分子与填料表面之间）引起的前延。例如：注射用苦参碱的测定

4）流动相中加入适量的四氢呋喃

往流动相中加入少量的四氢呋喃有时可以改善峰形、增大分离度，很多色谱工作者都知道和使用，但其机理似乎少人提及。通常所加入

的量在5％以内即可，需要的时候可以加入更大的量。例子如下：

阿莫西林胶囊的测定 色

谱

柱

：

Ultimate

AQ

－

C18

，

5um

，

4.6×250mm；

检测波长：2nm； 温度：室温28度； 流 速：1.0ml/min； 进样量：20ul；

5）升高柱温

升温有助于增加流动相传质速率，减少因静电作用引起的前拖，但温度不宜太高，温度太高容易损伤色谱柱，特别是含有离子对试剂的时候，最好不要超过40度。

3．其它峰形问题 裂峰：

柱头污染和柱头塌陷都会造成裂峰，最常见的原因是筛板上颗粒

物堵塞样品进入色谱柱不均一，只需反冲色谱柱将颗粒物除掉就可解决。

四、保留时间问题

分保留时间重现性和保留时间单向漂移两类。

1. 保留时间的重现性

在色谱分析中最重要的是分离选择性，保留时间的重现性则是可简单通过用峰面积定量代替峰高定量来消除其对分析结果的影响。温度、流动相组成、pH、离子强度等的微小变化都会引起保留时间的改变。

2. 保留时间漂移

柱平衡不够：10-20柱体积流动相平衡是必须的。三乙胺等添加剂加入，平衡时间需加长。 固定相流失：

1) 在酸性条件下键合相碳链水解断裂流失；

2)碱性条件下硅胶基质溶解导致在基质上键合固定相流失； 3)p H2-8下，上述两种因素导致的流失仍会缓慢发生。多位键合比单点键合好，长链比短链键合牢固，用于封尾的键合相易流失；C18链的稳定性比CN基链大三个数量级，一个是3个月会有明显流失，一个是1小时；用有机相洗柱子会加快流动相的流失。

柱污染：污染物作为固定相的一部分起保留作用，随着污染程度的逐步增加，保留时间发生趋向性的变化。

流动相组成变化: 如甲醇等挥发引起保留时间逐步变大。 相塌陷：纯水条件下，C18柱会发生固定相塌陷，引起保留时间逐步变小甚至失去保留能力。

3. 柱与柱之间的重现性

同一批填料生产出的不同柱子，装柱密度或柱体积的不同引起保留时间不一致。同样尺寸规格柱子，填料装得越结实，柱体积越小，保留时间越快。正常情况只有百分之几的差别。

平衡程度、老化程度、使用历史及污染程度的不一样都会导致两根同品牌同批次色谱柱之间的保留时间不一致。

4. 批与批之间的重现性

由于不同批次填料之间的差异性导致。主要是表面键合度（可用载碳量指标）和羟基活性方面的差异。可调整方法提高方法的适应性，或者让厂商备存足够的同批次的适应方法的填料 五、寿命问题

色谱柱如果得到正确使用、维护和保养，寿命会很长。在使用保护柱的情况下，有寿命超过1万针的实例。如果不用保护柱，即便得到很好保养维护，一般能用到2000针左右就不错了。不过保护柱频

繁换柱芯的成本也不低，而且使用装填不好的保护柱还会影响分离质量。

对硅胶基质色谱柱，流动相p H值和样品清洁程度对寿命影响较大。个人认为高柱温对寿命有影响，但不大，即使方法要求70摄氏的柱温，也没发现有显著的寿命缩短。进针前样品处理得越干净，色谱柱寿命当然越长。但样品前处理也是需要花钱的，需要在前处理成本、色谱柱成本和数据质量之间进行权衡。

色谱柱是高档仪器中的高档部件，表面看，一支只有和筷子一样大小的色谱柱，2000-5000元价格算比较昂贵了，但色谱柱的使用成本占整个分析成本的比例却很低。 因为色谱柱是耗材中可重复试用次数算多的，按平均用2000次计算，单次使用成本仅有1-2元人民币，与制样和试剂成本相比，几乎可忽略不计。制样用的SPE萃取小柱，过滤样品和流动相的滤膜，一次性用完之后，我们眼都不眨就扔掉了。因此，尽管通过本文中提到的很多再生清洗方法能延长使用寿命，但还需要权衡是否值得花时间这样做，一是清洗色谱柱用的试剂是需要成本的，二是再生修复的柱子毕竟不能完全恢复到新柱的性能，三是继续使用性能已经下降很多的色谱柱，万一造成分析项目失败，得不偿失。

建议每支色谱柱固定做一种分析方法。尽管一开始需要备的色谱柱

多一些，但从长期来看，这样做和用一根色谱柱来回切换用于不同的样品分析相比，产生问题会更少，色谱柱花费的总体成本会更低。