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走进色谱“迷宫”

走进色谱“迷宫”

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  • 发布时间:2020-09-02 11:38
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色谱是什么?

色谱(Chromatography)作为一种可以对多组分复杂样品进行高效、快速的分离分析技术,近年来已广泛应用于生物制药、食品安全、环境污染和石油化工产品检测等方面。然而,色谱是什么,色谱如何分离多组分样品等问题依然是大多数人的困惑。笔者结合实际,希望通过这篇科普文章能够帮助非专业人士加深对色谱技术的理解。

1960年俄国植物学家Tsweet用石油醚将混合的植物色素淋洗得到不同的色带,同时将这种分离方法命名为色谱。经过长时间发展,现在广义上的色谱技术是指利用混合样品各组分在固定相(色谱填料)和流动相(洗脱剂)中的分配系数不同,达到分离的目的。

色谱分离示意图

 

    这样的专业解释可能很难让大家理解。为了更好的理解色谱技术,我们从大家熟悉的迷宫比赛来类比说明。

一群人从迷宫起始点进去,经过很多复杂通道,谁先从终点出口出来,谁就赢得比赛。如果对迷宫的设计方式及比赛规则稍加改动,就可以很形象的帮助大家理解色谱技术原理。

假设有一群活泼好动的小孩去走迷宫,他们有各自的喜好和特征。如何让这群到处乱窜不怎么听话的小孩从迷宫的一个门进去,然后按年龄、性别及喜好依
次从另外一个门出来,实现自动分类呢?要达到这个目的,我们只需要在迷宫的通道加上一些能吸引不同特征小孩的场景,比如说女孩喜欢的时装店,或者男孩喜欢的运动场所和玩具店等。这样的话,我们可以预测不同喜好特征的小孩基本会按场景顺序先后走出迷宫。

迷宫图

 

而色谱分离技术原理跟这样改进过的迷宫比赛有异曲同工之处。多组分样品混合溶液中的分子在永不停息地做无规则布朗运动,科学家通过设计微观“分子迷宫”(色谱填料)使得不同分子经过这些迷宫时可以根据其本征特性按先后顺序分开。

如下图所示,色谱专家在微球上通过设计纳米级的微观通道结构来达到分离纯化的目的。微球上有无数像迷宫一样的孔洞,这些孔洞的大小在纳米尺寸范围,通常大于微观分子尺寸本身,通过设计调整微球孔径大小就可以根据目标分子的尺寸达到分离纯化的目的。

具有迷宫一样的纳米孔洞结构色谱填料微球电子扫描电镜图

 

目前,色谱分离模式主要根据分子尺寸、表面电荷差异、分子亲疏水性能以及特性吸附来设计不同用于分离的迷宫微球。通用的分离模式有正相、反相、离子、体积排阻、疏水、手性及亲和等。例如体积排阻分离模式,根据分子尺寸不同,设计不同尺寸的“微球迷宫”,从而达到不同尺寸分子分离的目的;

离子交换分离模式则是利用同性电荷相斥异性电荷相吸的原理把带不同电荷的小分子分离开来;

离子交换色谱的分离原理示意图

 

 对于反相色谱分离模式,则是利用分子的亲疏水作用力不同来进行拆分,反相填料一般是在微球表面键合上不同疏水基团;

反相色谱分离原理示意图

 

至于亲和色谱,则是在纳米微球表面键合特定基团,这些基团只与特征分子发生作用,从而达到将某种特征分子单独分离的效果。


亲和色谱分离原理示意图

 

 

不同大小的分子及生物体示意图

 

我们知道分子尺寸极小,在纳米级别,每一毫克的样品大概有万亿数目的分子。想象一下这么多分子在溶液里做永无停息且无规律的布朗运动,通过直径为4.6 mm,长度为250 mm的色谱柱就可以把不同化学性质的分子有序分开肯定不是简单的事情。而色谱技术不仅可以把上百种不同组分混合复杂样品进行分离,还可以把样品里含有极微量的杂质分子剔除掉,甚至连化学和物理性质基本一致的手性分子(对映关系的分子)也可以分开。可想而知用于微观分子分离的色谱填料也就是纳米微球,其设计和生产无疑是一个挑战。

首先,色谱填料粒径在微米尺度,肉眼观察不到。为了达到优异的分离效果,不仅需要控制微球粒径,而且还要尽量保持微球尺寸均一,从而达到更好的分离效果。其次,为了让万亿分子有足够空间和道路可走,每个微球上还要做出无数个像迷宫一样的纳米级孔洞。微球孔洞的大小和结构对分离性能起决定性影响。由于迷宫微球孔径小,孔道多,因此其比表面积大,举个例子,我们设计和生产的纳米微球每克其表面积可高达1000平米,相当于一个足球场那么大。同时,为了把不同化学性质的分子通过设计的微观“分子迷宫”时达到分离的效果,还需在迷宫孔洞的表面修饰不同化学基团,形成分子间作用力差异从而达到分离目的。除此之外,设计的纳米微球必须要能大批量生产,批次的重复性和稳定性也是商业化成熟应用的重要指标。

由此可见色谱填料的制备,尤其是批量生产技术壁垒高,难度大,全球只有少数几家公司拥有大规模设计色谱填料和生产的能力。以硅胶色谱填料为例,世界上只有瑞典的Kromasil公司和日本Daicel、Fuji公司分别具备大规模生产二氧化硅色谱填料的能力。中国用于分离和分析的高性能球形硅胶色谱填料基球基本依赖进口,而且价格昂贵。虽然二氧化硅是自然界最丰富的材料,但由其组成的进口色谱填料其价格远超金价。

为了突破微观“分子迷宫”的设计和生产难题,纳微科技历经十几年锲而不舍的潜心研究,突破了单分散色谱填料精准制备技术这一世界技术难题,成为全球可以大规模生产粒径高度均一的单分散硅胶色谱微球的公司之一。不仅填补了中国色谱填料生产的空白,打破了国内色谱填料长期依赖进口的局面,也为世界色谱填料精准设计和生产技术的发展做出了突出贡献,开创了世界上以第三代单分散硅胶色谱填料制备技术为领导的重大创新局面。

小小微球,迷宫一样的世界,是生物制药、食品安全检测和环境监测等不可或缺的工具,而且其应用领域目前也越来越广。如果您想成为微观“分子迷宫”的设计师,使得这些具有特殊作用的分子可以更好地为人类服务,解决生命领域重大的科技难题,保护食品安全,维护生态环境,那么欢迎您来到纳微科技,了解更加丰富多彩的色谱世界。

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