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【药物分析】做好这三步,搞定色谱柱维护,有效延长色谱柱寿命!
发表于:2019-10-15 浏览:630

  写 在 前 面

  有时候你会发现好像你用了大部分的实验室经费在不停的买液相色谱柱。为什么色谱厂家不能把柱子的寿命延长一些呢?实际上,在合理的维护下,柱子可以成为液相分析花费里面很小的一部分。举一个例子,一根典型的反相柱子的花销在2500-5000元之间, 如果它能进样500-1000次,那么每一次进样的花费是几块钱。

  色谱柱的花费在总分析成本中只占1-2%,我们想方设法使柱子的寿命延长一倍,即使单根柱子的成本还是很高,实际上这样做并不能在整个分析成本上降低很多。我自己个人的感觉是如果你用一根柱子进了500针,那这样就已经很划算了。


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  什么是合理的期望值?

  首先,先看一下其他几个色谱学家的经验。Ron Majors,在他的“色谱柱观察”专栏的某期连载文章中,已经包含了针对色谱各个方面的用户调查结果。他有关色谱柱寿命的大部分专栏文章是在2012年发表的,将作为我们目前讨论的基础。图1是基于Ron Majors 2011年用户调查数据的饼型图。

  可以看到有回应的调查对象中接近四分之三的进样寿命在500针以上,而且有近二分之一达到了至少 1000次的进样寿命。这个结果对我来说是非常吃惊的,因为它包含了对所有类型的色谱柱的寿命调查,不仅仅是现代液相中的最吃苦耐劳的用得最多的主力色谱柱,4.6×150mm,5μm反相柱,相对于其它种类色谱柱,它甚至有点刀枪不入的味道。


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图1 分析柱的典型进样次数。数据基于2011 年调查


  为了看清随着时间变化情况改变的情形,笔者做了一个1997年到2011年四个调查结果的比较图,见图2。可以看到有几个明显的趋势。

  第一,笔者注意到灰柱,灰柱代表的是在柱子损坏之前进样小于1000次的百分比,从1997年的76%跌倒了2011年的53%;同时有明显对比的是代表能进样1000以上的黄柱高度增加很快。笔者把进样500次作为柱子使用寿命的一个平衡点,我们可以发现在柱子坏之前进样次数达不到500次的用户的数量明显下降,从1997年的接近一半到2011的四分之一。


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图2 在LC柱子损坏之前进样次数的比较


  最后我们可看到,有着可怕经历的用户的数量,即那些只能做到100或者更少的进样次数的用户,比例基本上没有改变,徘徊在10%附近。

  找出这种改变的原因只能是出于推测,但是我很乐意做此推断。我不认为柱子寿命有明显的提升是因为柱子工艺的改进。

  不可否认,在某个时期,柱子塌陷,或者是柱床中有空腔形成的情况非常普遍,但是在1997年开展调查的时间段,装柱工艺就已经非常成熟了,由于装柱工艺导致柱子损坏的情况很少见。我认为柱子寿命延长的主要原因是用户受到更好的培训,从而对样品前处理和柱子的物理保护更好了。

  柱子的保护方法就是我想在下文着重说明的。我同时也推断,进样次数很稳定的小于100,与其说是柱子本身的原因,还不如说是实验室操作存在问题,或者说是某些应用方法本身就是“柱子终结者”。


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  不要未处理样品就进样

  延长柱子寿命的最好方法是不要打开色谱柱的盒子,一旦你开始进样,就开始了柱子走向灭亡的道路。样品有两个主要方面可以影响色谱柱—化学性质和物理性质。我们把样品中不要的化学污染物和微型颗粒清除的越好,柱子的寿命就越长。

  使用SPE(Solide-Phase extraction),液液萃取和其他技术来除去化学污染物是LCGC中“Sample Prep Perspectives”专栏常有这样的文章,我就不在这里多说了。一言以蔽之,越多的样品前处理,越少的化学污染物进入色谱柱,柱子寿命就越长。你还得平衡一下样品前处理费用和它带来的好处。

  比如,你买了柱芯和试剂,并加上你投入时间的费用,你在每个样品上SPE的花费会很容易超过34块钱,这是可以承受500次进样量的反相柱在每个样品分析上分摊成本的5倍多,这差不多需要将色谱柱进样次数从500次延长至2500次才扯平了。

  另一方面,如果没有做过任何处理的血浆样品直接进样了,柱子可能就只能进样10次左右。你也要考虑到当更多的样品处理步骤加入的时候的数据质量。我知道,在我们的实验室中,这些措施可以让我们在低浓度的时候收集到有用的数据并得到一致的结果,而不是比较少的前处理步骤可能得到的结果。

  不论你做没做其他前处理步骤,几乎所有的样品都会从样品过滤,离心或者两者中得到好处。样品经过一个一次性的过滤膜过滤来移除可能堵住柱子进口筛板的细颗粒物。滤膜的孔径不能大于柱子进口筛板的孔径。


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  大部分>3μm填料颗粒的柱子用2μm孔径的筛板,3μm填料粒径的柱子则一般用0.5μm的筛板,填料粒径<3-μm的柱子,比如UHPLC,一般用0.2μm的进口筛板。最常用的样品过滤膜是0.45μm孔径的,这个对除了亚2μm之外的其它柱子都已经足够,亚2μm柱子,则需用0.2μm的滤膜。

  滤膜可作为预装在一次性注射器中的柱芯,也作为96孔板的过滤板。即使这些过滤装置一般是有效的,但我不是非常强烈的推荐使用。至少有4点使我不同意过滤样品。

  第一,样品过滤成本比较昂贵,上一次我比较过价格,一次性购买1000份,每份的价格都要高于3.4元,这个与柱子在每次分析中的分摊费用几乎一样。

  第二,用0.5μm滤膜过滤很慢,而0.2μm滤膜则更慢。

  第三,如果你在一个监管严格的环境中工作,每一个样品的处理步骤都必须一样,这就是说,如果你过滤了一个样品,那么其他剩余的样品也都要过滤,无论实际上需不需要。

  最后,如果你要验证你的LC方法,就需要验证所有的过滤步骤。在过滤的过程中,样品会有损失——如果50μL样品经过滤膜,得到的样品就少于50μL。

  你得证明样品不是选择性的损失,特别是在高浓度或者低浓度的时候。因此,我们可以看到,样品过滤是需要花很多功夫和金钱的。但是你要是不怕麻烦和不要求成本,样品过滤是在大部分的情况下都是能提高柱子的寿命的。

  样品过滤的一个替代方法(或者是补充)是在进样之前离心。这是一个简单又相对便宜的方法。只要把样品放进离心管,Eppendorf 离心管或者一个96孔的离心板,再放到小型台式离心机里,调整转速到其最大速度,旋转5-10min。

  这会使会引起筛板堵塞的颗粒沉积到样品瓶的底部,然后把样品转移到进样瓶或板中继续进行分析。这种技术我们在实验室中对需要沉淀蛋白质的样品中已经使用了很多年,而且极少出现颗粒物质相关的问题。

  我曾经见过这样的例子,用0.2μm的滤膜过滤之后的样品,UHPLC进样,这种样品还是有一点浑浊并且引起了柱子堵塞,但是这个些微浑浊的样品离心至澄清之后,柱子堵塞的情况就会减少很多。


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  使用在线过滤器

  我非常认同一个在线的过滤器是LC或者UHPLC中使用成本最低的附加装置,可以提供最大的投资回报。这种过滤器是一个非常简单的改装管配件,其中包含了一个特定孔径的筛板,安装在自动进样器和柱子之间。

  现在最普遍的装置是一个不锈钢配件,其中包含一个不同孔径的可替换的筛板。另外一种装置是包含相同孔径大小筛板的PEEK手紧配件。这种PEEK过滤器整体是一次性的,但是因为它比不锈钢过滤器中的一次性使用的筛板要贵,使用成本会比较昂贵。

  这种在线过滤器孔径会选择比柱子筛板孔径小一点,因此它会在柱子堵塞之前先被堵塞。当系统压力开始增加的时候,你就知道在线过滤器中筛板已经开始堵了,需要在完全堵住之前替换掉。

  在线过滤器可以起到单独的样品过滤器一样的功能,但在样品前处理时,不需要额外的人力工作。如果你样品离心了,偶尔有一些颗粒没有过滤掉,也会被下游的在线过滤器拦截住。

  在线过滤器的另一优点是它能够很便捷的更换——如果你动手能力强,在5min内你可以关掉泵、替换筛板、打开系统并继续实验。

  你可能想要重新进一针系统适应性样品来检查一下系统有没有出问题,使用在线过滤器不需要大量的调节和校准,而这些在更换保护柱时都需要重新做过。在线过滤器的最后一个好处是可以过滤掉泵密封件和进样阀因磨损产生的颗粒物。我强烈建议在每一个LC系统中都安装一个在线过滤器,即使你已经在使用保护柱了。


  使用保护柱

  保护柱是一种很短的装在分析柱上游的色谱柱。这种柱子长度一般为10-20mm,包含与分析柱一样的填料,使用不大于分析柱筛板孔径的入口筛板和出口筛板。

  保护柱有双重功能,第一,入口筛板拦截可能堵塞分析柱的颗粒物,第二,填料与分析柱相同,它可以捕抓住那些可能会强烈或者不可逆附着在分析柱填料上的物质。


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  总 结

  尽管你不能让你的分析柱寿命无限延长,但还是能用一些非常简单的方法来延长色谱柱这个系统中比较昂贵部件的寿命。

  首先,按照要求对样品进行前处理。样品前处理的最后一步必须是过滤或者离心。其次,使用在线过滤器来保护保护柱和分析柱,免于被样品中或者系统其它部分产生的颗粒物堵塞。再次,使用保护柱来保护分析柱。最后,在每批样品分析之后,使用强溶剂来冲洗柱子,除去在柱子上的任何强保留物质。


  思考与讨论

  此文章主要是针对柱子污染问题,但色谱柱寿命也取决于检测品种的方法耐用性,如果是难度很大的项目, 譬如化学药品有多个有关物质测定,或中药的指纹谱图,往往方法耐用性 (robustness)较差,柱子寿命也会受到影响。挑选不同选择性的色谱柱来改善分离度是提高方法耐用性的最佳选择。


  (内容来源:实验与分析 由小析姐整理编辑)

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