5分鐘了解高效液相色譜前世今生和近期新品（上）

起源于上世紀60年代末的高效液相色譜（HPLC）技術，建立在經典液相色譜基礎上，引入了氣相色譜的理論，開始了高壓泵、高效固定相、高靈敏度檢測器各技術不斷進步的旅程。解析真實世界的奧秘幾乎都要用到分離技術；有機物構成了物質世界的絕大部分；而超過80%的有機物，大都采用HPLC進行分離和分析。因此，液相色譜構成了科學儀器領域極大的單品類，其市場之大讓許多企業魂牽夢縈，無數企業前赴后繼地進入液相色譜市場。本文將簡要回顧高效液相色譜商用技術的進展，并在下篇簡述近年來的新產品，希望對您下次入囊前有些許參考。

HPLC技術誕生和發展

1903年，俄國植物學家Tswett在會議上報道了應用吸附原理分離植物色素的新方法（后來文獻發表于1906年），Tswett將這種方法命名為色譜（Chromatography），管內填充物被稱之為固定相，沖洗劑被稱之為流動相。

1941年，Martin等采用水分飽和的硅膠為固定相，以含有乙醇的氯仿為流動相分離乙酰基氨基酸，Martin和Synge一同提出著名的色譜塔板理論，兩人獲得了1952年的Nobel獎。色譜塔板理論提出：理論板與液體流速和顆粒直徑的平方成正比，理論板越薄越好。因此，最薄的理論板應該通過使用非常小的顆粒和整個柱長度上的巨大壓力差來獲得。^[1]

液固色譜被創立后的50多年時間里，液固色譜裝置并無實質性的改進，溶劑的流速依賴于重力，液相色譜系統效率低下。直到20世紀60年代，為了分離蛋白質、核酸等不易汽化的大分子物質，人們把氣相色譜中獲得的系統理論與實踐經驗應用于液相色譜研究。

1966年，耶魯大學的Horvath首次提出高效液相色譜（HPLC）的名稱^[2]，后于1967年開發了世界上第一臺高效液相色譜儀，開啟了HPLC的時代。1972-1974年，6000 psi泵、10μm粒徑色譜柱和無隔墊進樣器的引入，標志著HPLC從“高壓”向“高效”的轉變。HPLC用細粒徑高效填充色譜柱，大大提髙了液相色譜的分離能力；采用高壓泵輸送流動相替代重力作用，使柱效更高，并提高液相色譜的分析速度；液相色譜與光學檢測器相結合，也使HPLC不僅可以分離，還可以同時完成分析任務。HPLC本身就是一套分離分析系統。

1966年，Csaba Horváth和Seymour（Sandy）Lipsky發表了HPLC的第一篇文獻，即核苷酸和甲狀腺化合物的離子交換分離

1973年，第一屆HPLC會議在瑞士因特拉肯舉行，1982年后每年舉辦。

20世紀70年代末至80年代初，HPLC開發了分離肽和蛋白質的方法，為今日蛋白質組學和生物制藥分析奠定了基礎。

1979年至80年代初，開發了用HPLC分離對映體的方法，最初采用在流動相中加入修飾劑，后來開發了可分離對映體的固定相。

20世紀80年代中后期，John Fenn開發了ESI離子源，成功用于LC-MS。

2004年前后，引入< 2μm粒徑的新系統，推動耐壓15,000-20,000 psi的UHPLC的出現。

你所不知道的商用HPLC發展史

色譜柱技術

色譜柱技術是儀器開發的主要驅動因素之一。1967年，耶魯大學的Csaba Horváth和同事們在薄層填料（現稱為表面多孔填料，SPP）方面的工作代表了HPLC柱和儀器技術的突破。50微米的球形玻璃珠涂有一層薄薄的聚苯乙烯樹脂聚合物層（1-3μm），衍生形成陰離子交換功能，并用于分離核苷酸。顆粒被裝入不銹鋼柱（內徑1mm，長度3米），這會產生高背壓，需要使用泵將溶劑推過柱。這代表一個開始的趨勢，即較小的顆粒會提高柱效，以提供更好的分離性能，同時也會增加柱背壓，使其與平均顆粒直徑成反比；因此，在接下來的幾年里，泵輸出壓力將成為一個重要因素。除此之外，流速、額外柱效應（系統死體積）、峰寬減小、洗脫速度、樣品通量和檢測器能力等參數都成為改善HPLC系統所有部分的驅動因素。

第一臺HPLC的誕生

有案例表明，Horvath及其同事的突破性工作是HPLC的開始（當時指的是高壓LC）。他們自制了梯度洗脫的系統，使用兩臺 Milton Roy 微型泵。梯度由一個含有弱溶劑的攪拌儲液池開始形成；然后由一個泵向該儲液池輸送受控但不斷增加的強溶劑量；第二臺高壓泵將越來越濃的溶劑混合物從儲液池推到色譜柱上；用一個帶有8μL流動池的改良分光光度計檢測。

1967年，他們與當地Picker Nuclear儀器公司合作，推出LCS-1000——第一臺真正的商用HPLC。該設計由工程師Emmett Watson牽頭，他離開Waters成為一名顧問。LCS-1000有一個高壓泵（高達4000 psi）、一個進樣Loop閥、一個柱溫箱、裝有上述薄層填料的色譜柱，以及一個基于低壓汞蒸氣燈的固定波長檢測器（254 nm）。該儀器不適用于Picker Nuclear的非色譜產品范圍，1968年，該技術被Varian 公司收購（Varian后被安捷倫收購）。

1967年，Picker Nuclear公司推出第一臺商用HPLC：LCS-1000

1961年，陶氏化學公司的J.C. Moore請Waters公司開發產品，用凝膠色譜柱分析聚合物。Waters獲得MooreZL的獨家許可證后，于1963年推出了世界上第一臺凝膠滲透色譜儀GPC-100，采用500 psi的泵。

1963年，Waters公司推出第一臺凝膠滲透色譜儀GPC-100

1967年，Waters推出首臺HPLC系統ALC-100（ALC是分析液相色譜儀的首字母縮寫），它改進了原有GPC-100系統，減少死體積，采用更高壓力的Milton Roy泵，流通紫外檢測器和（可選）和折射率（RI）檢測器。1968年Pittcon會議上，Waters推出ALC-100。Waters將其品牌口號“Ther Liquid Chromatography People“注冊成商標，Waters公司成為了LC的代名詞。1972年，Waters的James Waters父子拜訪Robert B. Woodward 及其博士后Helmut Hamberger，分離維生素B-12合成過程中中間體的異構體；從此HPLC打開了有機合成的市場。

1967年，Waters公司推出第一臺HPLC系統ALC-100，1968年Pittcon展出

色譜學家傾向于將HPLC的起源推至更早期的1964年。杜邦公司的Jack Kirkland參觀Eidhoven理工大學。在一間實驗室里，Josef F. K. Huber已在自制粗糙的HPLC儀器，帶有紫外檢測器，在GC顆粒上包裹液體（和流動相不混溶）后填充了色譜柱。參觀后，Kirkland說服杜邦公司的經理讓他研制HPLC，進行GC無法全部勝任的農藥分離。

1969年，杜邦公司推出820型集成色譜儀

1969年，杜邦公司推出820型集成色譜儀，有一個恒壓泵、一個自制的UV 254 nm檢測器（410型）和杜邦的ZIPAX SPP色譜柱。杜邦推出了第一批化學鍵合相，徹底改變了梯度HPLC的實踐；他們的ZORBAX column產品仍然存在，現在由安捷倫科技制造和銷售。（杜邦于1986年退出HPLC儀器市場，隨后IBM儀器公司短暫進入該市場。）

日本的島津公司，1969年開發GPC系統，1972年與杜邦簽訂許可合同后開始制造銷售LC-1（LC-830），1978年推出自主研制的LC-3A，以CDQR方式的單柱塞型送液單元為特征。

1978年島津推出LC-3A

進樣閥的演變

幸運的是，當杜邦和Waters^[3]將新的SPP填料（37-50μm粒徑范圍）裝入標準柱（內徑2.1 mm，長度50或100 cm）時，背壓適中，因此第一臺商用液相色譜儀采用了在線GC隔墊進樣器。隨著填料顆粒變小，隔墊進樣器的耐壓能力不足，促使停流（stop-flow）技術的出現。這種手動進樣很麻煩，限制了樣品的通量，因此Valco的創始人Stan Stearns調整了GC閥，使進樣壓力達到4500 psi。六通進樣閥在生產率和重現性方面取得了真正的突破，并通過改變樣品Loop定量環尺寸，使進樣體積更靈活，還促進了后來進樣器的自動化。

1968年Valco推出6通進樣閥

Waters在其集成LC系列中使用了六通進樣閥后，1973年推出了自己的U6K進樣器，可進行方便、可變體積和可靠的進樣，并可實現自動化。該進樣器還具有一個創新的旁路通道，可在閥門循環時降低壓力沖擊，從而保護色譜柱在重復進樣后不會損壞。在早期，色譜柱的穩定性較差，但隨著色譜柱填充方法的改進，問題也就不那么嚴重了。

1973年Waters推出U6K進樣器

后來，Rheodyne公司于1976年推出7125型進樣閥，對Valco方法進行了改進，使進樣器將樣品注射入閥的中心，可使用單個Loop環實現可變的進樣量。

1976年Rheodyne公司推出7125型進樣閥

模塊的崛起

早期的許多色譜用戶認為，每個制造商各有優勢，因而希望將最好的泵與最好的進樣器、最好的檢測器等結合起來，目的是構建一個具有快速可互換（或可升級）模塊的高級系統。為了滿足需求，一些制造商（尤其是OEM行業的制造商）決定開發可以優化性能的獨立模塊。這些公司中的第一家是實驗室數據控制公司（Laboratory Data Control，LDC），該公司還利用Emmett Watson的服務構建價格合理的獨立模塊，包括254 nm紫外檢測器。該檢測器成為多家色譜公司的主要OEM組件。規模更大的Milton Roy公司收購了LDC，并成為許多HPLC公司和個人色譜儀的模塊供應商。Valco和Rheodyne等零部件公司專門生產注射閥（進樣閥）和切換閥。Schoefel、Cecil Instruments和Pye Unicam等檢測器公司開發了專門的探測器。許多較小的公司開發了其他外圍設備，可以根據需要快速更換。

1968年LDC/Milton Roy推出模塊化組件

液相泵的發展

Waters緊隨模塊潮流，開發了一款名為M-6000的獨立泵，這是第一款專門為HPLC開發的泵。基于單活塞設計的早期泵輸送脈動流，因此需要脈沖阻尼系統，以降低流量敏感檢測器中的噪聲。然而，大量脈沖阻尼器延遲了梯度流動相到達色譜柱，增加了分析時間。M-6000使用了兩個往復式活塞，以便更平穩地流向色譜柱。其6000 psi的額定壓力足以滿足20世紀70年代初引進的25 cm柱（內徑4.6mm）中10微米粒徑填料的要求。

1972年Waters推出M-6000液相泵

Altex（后被貝克曼收購）開發了全新概念的泵，使用可變活塞速度和快速再充滿（refill），由此產生的110型泵的流量比當時大多數低成本的往復式泵都要平穩。

1976年Altex公司推出110泵

為了提供更高的壓力和非脈動流量，瓦里安（后被安捷倫收購）、Isco和Nester-Faust（后被珀金埃爾默收購）選擇開發注射泵。在這里，大容量（250毫升）活塞由精確的步進電機驅動。這些泵基本上沒有脈沖，可以耐受高達6000 psi的高壓，后來達到8500 psi。對于二元梯度，需要兩個注射泵。但由于溶劑體積可壓縮性，色譜柱在梯度洗脫過程中遇到問題；進入混合器的每種溶劑的實際流量與控制器上的編程不同，這會產生成分錯誤——尤其是當每臺泵的啟動體積不同時。注射器泵雖然獨特新穎，但最終消失了。然而，注射泵值得一提，因為這項新技術試圖在提供無脈沖高壓流量時跳出框框思維。

1970年瓦里安推出4100/4200注射泵

你好，工業3.0

在20世紀60年代末和70年代初，主要的數據輸出靠條形圖記錄儀。對于定量，通常采用手動方法，如切割和稱重圖紙或使用機械求積儀。但Autolab改變了這一切，Autolab后來是SpectraPhysics（后被賽默飛收購又賣出，現屬Newport）的一個部門，它推出了System IV計算積分器，提供數字讀數。輸出可以表示為簡單的面積百分比或基于方法中存儲的校準因子。由于其較大的動態范圍，色譜儀不再需要在調整信號衰減的同時進行多次進樣，從而提高了實驗室生產率。

1969年Autolab推出Autolab System IV計算積分器

由微處理器控制的惠普HP 3380A積分器更進一步，它既是記錄器又是字母數字打印機繪圖儀，因此所有信息都在一張圖表紙上。此后，許多制造商推出了自己的數據系統來補充HPLC硬件。

1974年惠普推出HP 3380A數字積分器

1979年，Nelson Analytical開發了基于個人電腦的數據分析軟件，利用新的大規模集成電路（LSI）構建模數轉換器，并提供具有強大計算能力的儀器控制和數據采集。Nelson產品成為許多制造商系統中的標準。當IBM PC推出時，Nelson對其軟件進行了調整，使其能夠同時進行儀器控制和數據處理，這一概念很快取代了后來液相色譜儀中的獨立積分器。

1979年Nelson Analytical推出用于液相色譜儀的PC軟件

在20世紀70年代中期，高效液相色譜法越來越多地被用于制藥和其它行業，用戶每天需要分析許多樣品。第一臺進入市場的HPLC自動進樣器來自Micromeritics公司，這是一家專門從事粒度測量的公司，他們于1974年推出708A型LC自動進樣器，使用旋轉托盤中的管狀小瓶。將一根針放入小瓶中，刺穿瓶蓋，同時一個套環將瓶蓋向下推入小瓶，將樣品送入進樣環中。該系統可對小瓶中進行1-3次取樣。到20世紀70年代末，大多數主要供應商都推出了自己的自動進樣器。

1974年Micromeritics推出708AL型自動進樣器

集成液相系統的回歸

隨著HPLC被廣泛接受，儀器外圍設備的中央控制更有意義；模塊式LC概念正在失去支持，因為模塊之間無法相互通信。用戶還發現，對于分析含有多種成分的樣品，梯度洗脫是必須的，這是實現中央控制的另一個驅動因素。一種設計是產生二元梯度的雙泵系統（兩個泵在高壓側垂直連接在一起，需要一個混合器）。

惠普的分析部門（現為安捷倫科技）改進了兩年前收購的Hupe-Busch系統。HP 1084是第一款微處理器控制的LC，具有獨特的流量控制功能，并配有自動進樣器、紫外檢測器和外部熒光檢測器。1084的精確流量控制是很好的賣點，并具有高度可重復的保留時間。

1976年惠普推出惠普1084型液相色譜儀

由于兩個泵產生梯度系統的成本很高，瓦里安和Spectra Physics等開發商開發了早期的產品，這些產品使用了低壓側帶有溶劑比例閥的單泵。因此，使用兩個或三個比例閥，可以生成二元或三元梯度，在方法開發過程中提供更大的靈活性。低壓梯度最終成為許多公司的標準，后來還開發了更強大的四元泵。1978年，瓦里安推出的LC-5000是第一款集成的高效液相色譜系統，它將低壓單泵梯度功能、關鍵功能的微處理器控制、用于設置方法的鍵盤和CRT顯示器集成在一個單元中。主動式進樣止回閥解決了止回閥粘性和注入損失的問題。1979年Spectra Physical推出的 Model 8000采用的設計與當今儀器中使用的溶劑混合設計幾乎相同。

瓦里安LC-5000液相色譜儀

1975年，Dionex（后被賽默飛收購）作為Durrum Instruments的一個部門成立，以應對一個新興的色譜市場：離子色譜（IC）。Dionex很快成為分離無機和有機離子化合物的領導者。他們的ZL由陶氏化學公司授權，包括：使用離子抑制器從流動相中去除鹽，對分離的離子進行電導檢測。Dionex還開發了專門的IC柱，用于嚴格分離如飲用水中的痕量溴酸鹽和鹵代氧化物，使用脈沖安培檢測器進行碳水化合物分離，以及離子排斥分離。

1975年Dionex推出Model 10離子色譜儀

多種色譜檢測器

HPLC的前10年，光譜檢測器占主導地位，停流掃描分光光度檢測器在市場上幾乎不被接受。采用DAD光電二極管陣列檢測器后，可進行實時光譜測量，并可以實時獲得完整的紫外-可見光譜，后來成為行業標準。1977年，惠普推出了全球第一個DAD檢測器8450，為此后的DAD檢測器設定了黃金標準。       

1977年惠普推出8450 DAD檢測器

隨著GC-MS的巨大成功，各種液相色譜的接口類型被開發出來，以結合兩種顯然不兼容的技術——一種在液體環境中，另一種在真空中。接口技術包括直接液體接口、傳輸設備、粒子束、連續流FAB、離子噴霧和熱噴霧。

第一個獲得市場成功的是傳送帶接口，它借鑒了R.P.W.Scott^[4]和Victor Pretorius^[5]的早期工作，他們使用移動的電線將部分LC柱流出物輸送至火焰離子化檢測器（由英國Pye Unicam公司銷售）。第一個成功的LC-MS接口使用的不是移動的金屬絲，而是移動的傳送帶，可以傳輸更多的樣本，以獲得更好的靈敏度。在進入真空區之前，溶劑被加熱蒸發。1976年，Finnigan MAT（后被賽默飛收購）推出傳送帶接口^[6]，優點是：該接口具有良好的EI光譜和良好的靈敏度；但缺點是：難以使用非揮發性不穩定分析物和LC緩沖液，以及性能不可靠。

1976年Finnigan MAT推出傳送帶式LC-MS接口

熱噴霧是一個更可靠的軟電離接口，它將色譜柱流出物通過一根非常細的加熱柱，產生細液滴噴霧，液滴在大氣壓（API）下通過低電流放電電極電離，形成溶劑離子等離子體。有時會觀察到EI型碎片，但質子化或去質子化的分子會出現明顯的碎片；非揮發性分析物的靈敏度較低。1987年，Marvin Vestel^[7]創辦Vestec公司推出熱噴霧接口。熱噴霧是20世紀90年代之前使用最多的LC-MS接口。

1987年Vestec推出熱噴霧LC-MS接口

諾貝爾獎獲得者、耶魯大學的約翰·芬恩（John Fenn）開發了ESI電噴霧^[8]，可產生完整、高分子量、多重質子化或去質子化的離子。Jack Henion及其同事^[9]開發了一種離子噴霧接口，使用霧化氮氣輔助電噴霧操作；SCIEX（隸屬于丹納赫）使用了HenionZL^[10]，1989年推出第一款ESI類型的LC-MS接口。ESI現在是標準的LC-MS接口。

1989年SCIEX推出ESI類型的LC-MS接口

HPLC還發展了其它通用探測器。蒸發光散射檢測器（ELSD）和帶電氣溶膠檢測器（CAD）均將LC流動相流出物霧化成液滴，蒸發后留下非揮發性分析物的小顆粒。總的來說，2005年ESA Biosciences（先被Dionex收購，現隸屬于賽默飛）推出的CAD檢測器比ELSD更靈敏，并更利于梯度。CAD還可以檢測所有非揮發性和許多半揮發性分析物，且響應一致。

2005年ESA Biosciences推出CAD檢測器

超高效時代

20世紀80-90年代的大部分時間里，液相色譜儀大都使用3-3.5μm或5μm顆粒、6000 psi泵和4.6 mm內徑的色譜柱。為了滿足快速分析的需要，研究者開發了亞2μm尺寸的填料，系統再次被推向更高的工作壓力；而且由此產生的粘性加熱效應需要更窄內徑的色譜柱，因此還需要顯著減少額外的色譜柱體積。2004年，Waters推出Acquity UPLC系統，滿足了21世紀初新的小顆粒短柱（5-15 cm）和更窄孔徑（內徑2.0–2.1mm）的需求。Acquity對現有產品/技術進行了深思熟慮的組合，從而形成了一個具有合理低額外柱體積的實用系統。這項創新激勵其它十幾家公司推出類似的UHPLC產品。

2004年Waters推出Acquity UPLC系統

其它創新

氣泡讓早期HPLC用戶很煩惱，流動相中的氣泡會損害主泵，檢測器的流動池中也會有氣泡。溶劑需脫氣，首先將溶劑煮沸，再通過精心設計的儲層將氣體擋在外面。后來SpectraPhysics發現儲液罐中的氦噴射阻止了空氣在溶劑中的溶解，并允許低壓混合有效地用于HPLC泵。后來，膜脫氣器取代了氦氣噴射，成為今天所有HPLC/UHPLC的一部分。

Fittings（色譜接頭）也令人頭疼。通常情況下，過度擰緊配件會導致潛在泄漏，并在重新連接時表現不佳；來自不同公司的Fittings不兼容會產生死體積。Upchurch Scientific發明了手緊型接頭（Fingertight fittings），易于重復使用，并耐受非常高的壓力。

創新技術排名

10大革命性技術

Analytical Scientist曾評出HPLC歷史上10大改變游戲規則的技術，分別是：

1. 第一臺商用HPLC系統LCS-1000，1967年由Picker Nuclear推出。

2. 6通進樣閥，1968年由Valco推出。

它取消了隔墊進樣器和停流技術，采用高壓進樣，改善了保留時間、重現性、自動化和定量性能。

3. 模塊化組件，1968年由LDC/Milton Roy推出。

獨立的254紫外檢測器、LDC RI檢測器和Milton Roy微型泵等組件迅速應用于模塊化色譜儀。第一批儀器是集成的，所有內部部件都在一個盒子里。模塊化市場的興起使研究人員能夠獲得最佳組件（例如，泵、進樣器、柱架/柱溫箱、檢測器）。LDC是第一家提供價格合理且功能強大模塊的組件公司。

4. Autolab System IV計算積分器，1969年由Autolab推出。

第一臺色譜自動積分器用內置的機械集成取代了切割稱重、求積儀和記錄儀。該數據系統首次用于GC，并適用于LC。功能包括切線峰檢測、基線校正和峰面積歸一化，并允許使用響應因子和內標。Autolab于1969年被SpectraPhysics收購。

4. M-6000液相泵，1972年由Waters推出（與積分器排名并列）。

第一臺專為HPLC設計的泵，主要特點：雙往復式，不需要脈沖阻尼器，耐壓6000 psi，和一個低容量室。

5. 708AL型自動進樣器，1974年由Micromeritics推出。