故障排查: 色谱柱使用寿命

问: 我的色谱柱仅进样约100次就出问题了,之后出峰畸变,塔板数也极低,问题出在哪里?

答: 色谱柱仅进样100次就出问题,使用寿命确实过短,正常情况下色谱柱的使用时长会远久于此。要排查问题根源,首先需确认在该检测方法中,色谱柱寿命短是个例还是普遍现象。

主要分两种情况:

  1. 1. 此前用于同一检测方法的色谱柱,使用寿命远长于此柱;
  2. 2. 所有用于该检测方法的色谱柱,使用次数相近后均会失效。

若是第一种情况,需排查检测方法是否保持完全一致:样品组成是否发生改变?样品中强吸附性杂质会严重破坏色谱柱性能;仪器流路的密封件是否完好?密封件脱落的碎屑会堵塞色谱柱筛板和填料顶层,进而影响样品的分布。

若能确认色谱条件无任何变化,则可确定问题源于色谱柱填料床的机械损伤。该问题可能是实验室操作中对色谱柱的粗暴处理(如是否掉落过?)、或运输过程中的磕碰所致,也可能是色谱柱的生产缺陷。这类缺陷无法通过色谱柱常规的质量检测检出,往往在使用一段时间后才会显现。此种情况,色谱柱生产商会免费为您更换新品。

问: 厂商愿意免费更换固然是好事,但这并不能解决我的问题。我所用的色谱柱向来使用寿命都偏短,有时100次进样就出问题,有时能到200次。200次的话我还能接受,但100次实在太差,耗材成本也实在居高不下。我该怎么解决?

答: 我完全认同你的说法。我们需要共同找出问题根源,再针对性解决。

该问题最可能的原因,是样品中的组分吸附在色谱柱前端。这些组分要么因在流动相中溶解度较低而析出,要么本身具有强吸附性。随着进样次数增加,这类杂质会在柱前端不断累积,阻碍样品的正常吸附与分布,最终导致峰形畸变,且该问题通常还会伴随色谱柱背压升高。

问: 好的,大概率是这个原因了。那我该如何解决?

答: 有多种方法可预防该问题发生,第一种是采用合适的样品前处理技术对样品进行净化。选用与分析柱填料化学性质相近的固相萃取小柱开展固相萃取处理,能有效解决该问题。

另一种更有效的方法是使用保护柱。保护柱可作为分析柱柱顶的“牺牲层”,出现污染问题时直接更换即可。为保证最佳分离效果,保护柱的填料需与分析柱完全一致,且采用与分析柱相同的高性能填料装填工艺。

若保护柱采用其他品牌的填料装填,则其分离能力和对分析柱的保护效果均无法达到最佳。同时,切勿使用粒径更大的填料,填料粒径偏大或装填工艺不佳的保护柱,会因柱内谱带展宽导致整体分离效果变差。

问: 使用保护柱听起来可行,还有其他解决办法吗?

答: 其实并没有其他更优的解决方案,虽有几种备选方法,但均存在明显的弊端。

我并不建议用溶剂对色谱柱进行冲洗,以期溶解柱顶的杂质。多数情况下,这种方法根本无法起效。例如,若柱前端析出的是蛋白质类杂质,等到尝试冲洗时,蛋白质早已发生变性,甚至发生交联反应,此时根本无法将其再次溶解。

此外,任何冲洗操作都会洗脱已水解的键合相,而这些水解的键合相原本会在水解位点形成局部平衡。因此,反复冲洗反而会加速色谱柱的老化进程。而且,冲洗后需用流动相对色谱柱重新平衡,在离子对色谱等检测方法中,这一平衡过程会十分耗时。

还有一种常被尝试的方法是对色谱柱进行反冲。若采用非流动相的溶剂进行反冲,则会出现与上述冲洗法相同的问题;若仅用流动相反冲,要么需耗费大量时间才能去除杂质,要么根本无法起效。同时,任何反冲操作都会对色谱柱造成损耗,降低其性能。尽管如今的色谱柱装填工艺已足够成熟,可耐受反冲操作,但我仍不建议将反冲作为常规操作。

问: 这么说,你最推荐的方案就是使用保护柱?

答: 毫无疑问,这是最优选择。保护柱的价格并不高,根据品牌和型号的不同,单价在10~50美元之间,却能保护价值约为其10倍的分析柱(核心耗材)。

此外,保护柱还能应对其他杂质污染问题——这类问题往往难以溯源排查,比如流动相中的灰尘、泵密封件脱落的碎屑,或是流动相中杂质的吸附污染等。这些问题部分往往难以排查,但保护柱可直接起到防护作用。

问: 还有其他导致色谱柱短寿的原因吗?

答: 有,但只要遵循厂商的使用说明,这类情况发生的概率就较低。

一种可能是,流动相的pH值超出推荐范围,进而导致色谱柱填料床塌陷;若样品溶解在强酸性或强碱性溶液中进样,也会引发该问题。

此外,部分特殊类型的色谱柱还存在其专属的失效原因:例如氨基柱,易与醛类、酮类物质发生反应;氨基柱在无缓冲盐的水溶液体系中,会形成强碱性环境,进而导致硅胶基质发生部分溶解。

色谱柱若接触到不适宜的溶剂,也会引发填料床塌陷。究其原因,色谱柱的填料床本质上是一种疏松的堆积结构,填料颗粒之间部分依靠颗粒间的吸附力相互结合。

若接触的流动相破坏了这种吸附力,填料床发生塌陷的概率就会大幅升高。氰基柱在中等极性溶剂体系中、苯基柱在四氢呋喃体系中,偶尔会出现此类塌陷问题。

这也是不建议对色谱柱进行冲洗操作的另一重要原因。