色谱柱填料：物质分离的微观奥秘与关键要素
色谱柱填料的发展历程
- 1903年：俄国植物化学家茨维特首次提出“色谱法”和“色谱图”的概念，并使用碳酸钙作为色谱填料进行纯化。
- 1930年：相继出现了纸色谱、离子交换色谱和薄层色谱等液相色谱技术。
- 1950年代末：多糖类凝胶，包括葡聚糖、琼脂糖以及纤维素等，被首次引入作为色谱填料，因其价格便宜，容易改性，亲水性能好等特点，逐渐成为了目前最广泛使用的蛋白质分离填料。
- 1970年代：因琼脂糖等软胶填料机械强度差，无法在较高压力下操作，诸如小粒径大孔硅胶、有机树脂等材料等被陆续发明引入，机械强度大大高于软胶，但仍有不足，硅胶只能在pH2-8下操作，而有机树脂的亲水性和孔容相对较差。
- 1990年代：灌注色谱填料被发明，通过引入贯穿孔和原先的扩散孔结合，使得传质速度大大提高，缩短了色谱时间；同期，ugelstad种子法被成功用于小粒径（＜30微米）大孔径（1000埃）单分散高效聚合物色谱填料。
- 2010年左右：GE公司推出高交联的琼脂糖capto系列，改善了传统交联琼脂糖的机械性能，使得其能更大程度的满足工业生产的需求。
- 2023年，国内专业色谱填料厂商武汉蔚启科技有限公司，依托华中科技大学技术优势，基于高密度官能团键合技术和官能团化学结构设计技术，研发出高性能纳米微球为基质的纯化分离材料，色谱填料和金属吸附剂填料的产品性能和国际头部企业水平相当。
色谱柱填料的主要作用
- 分离混合物：是色谱柱的核心部分，通过与流动相之间的相互作用实现样品中各组分的分离，根据样品中各组分在固定相和流动相之间分配系数的差异，使不同组分以不同的速度通过色谱柱，从而达到分离的目的。
- 提高分离效率和分辨率：不同类型和性质的色谱填料可以针对特定的分离需求进行优化，提供更高的分离效率和分辨率，能够将复杂混合物中的各个组分更清晰地分离出来，有助于准确分析和鉴定样品中的化合物。
- 实现目标化合物的富集和纯化：在制备色谱中，可用于从大量的混合物中富集和纯化目标化合物，提高目标化合物的纯度，满足后续实验或工业生产的要求，例如在药物合成和生物制品生产中，用于去除杂质和获得高纯度的活性成分。
色谱柱填料的主要类别
- 按材质分类：
- 无机填料：通常源自天然或合成的矿物质，如硅胶、氧化铝、分子筛、碳材料等。硅胶具有良好的热稳定性、化学稳定性和机械强度，是最常用的无机填料之一，主要用于分离极性和非极性的有机化合物；氧化铝适用于分离碱性和中性化合物；分子筛可用于分离不同大小的分子；碳材料具有较高的表面积和较强的吸附能力，适用于分离气体和低沸点的有机化合物。
- 合成聚合填料：由人工合成的高分子材料制成，如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯等。克服了硅胶不耐酸碱的缺点，也克服了软胶机械强度差的弱点，又被称为“硬胶”，具有良好的化学稳定性和机械强度，能够在较宽的pH范围内使用，适用于分离各种有机化合物和生物大分子。
- 天然聚合物填料：主要从植物和微生物中提取，其主要基质包括琼脂糖、纤维素、葡萄聚糖、壳聚糖等。由于低机械稳定性，因此又被称为“软胶”，具有良好的亲水性和生物相容性，常用于生物大分子的分离和纯化，如蛋白质、核酸等。
- 按功能基团分类：
- 反相填料：如C18、C8等，适用于非极性或弱极性化合物的分离，是液相色谱中最常用的填料类型之一，在药物分析、环境监测等领域广泛应用。
- 正相填料：如硅胶、NH2、CN等，适用于极性或中等极性化合物的分离，常用于分离天然产物、药物中间体等。
- 离子交换填料：包括阴离子交换和阳离子交换填料，用于带电荷物质的分离，可用于分离无机离子、有机离子以及生物大分子中的带电基团。
- 疏水作用色谱填料：如苯基、辛基等，通过疏水相互作用分离，适用于分离具有疏水性质的生物大分子和有机化合物。
- 亲和色谱填料：如配基固定的填料，用于特定配体与目标分子之间的特异性相互作用分离等，具有高选择性，常用于生物大分子的纯化和药物筛选。
- 按填料形态分类：
- 球形填料：提供较好的柱效，减少涡流，广泛应用于HPLC，具有良好的流动性和填充性能，能够使流动相在色谱柱内均匀分布，从而提高分离效率。
- 不规则形填料：可能在某些特殊应用中提供更好的表面积，但柱效可能不如球形填料，制备成本相对较低，常用于一些对柱效要求不高的分离过程。
- 核壳结构填料：具有更高的表面积和独特的扩散特性，旨在提高分离效率，结合了内核和外壳的不同性质，可实现快速分离和高分辨率。
色谱柱填料的厂商和各自特色
- 国际厂商：
- GE Healthcare：在生物制药领域具有深厚的技术积累和广泛的产品线，其琼脂糖凝胶系列填料具有高分辨率、高载量和良好的生物相容性等特点，广泛应用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化。
- Agilent Technologies：提供多种类型的色谱填料，其硅胶基质填料以高纯度、粒径均一和良好的化学稳定性著称，适用于各种液相色谱分析，在药物分析、环境监测等领域应用广泛。
- Thermo Fisher Scientific：拥有poros系列灌注色谱填料等先进产品，通过引入贯穿孔结构，大大提高了传质速度，缩短了色谱时间，在生物制药和蛋白质组学研究等领域具有优势。
- Merck：以高品质的硅胶填料和反相填料而闻名，其填料具有优异的分离性能和稳定性，广泛应用于化学分析、药物研发等领域。
- Waters：在液相色谱领域具有领先的技术和丰富的经验，其色谱填料在分离效率、选择性和耐用性方面表现出色，提供多种不同功能和粒径的填料，满足不同用户的需求。
- 国内厂商：
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