探讨填充柱和整体柱

现在所使用的大部分液相柱都是填充柱(packed column)，即将所需要的填料先做成球形或无定形的颗粒，然后用高压气泵或是高压液泵将其填充到液相钢管柱中。这就是许多人常用的液相柱子，商品化的很多，可按不同要求选购。

另一种就是我要说的整体柱。它的制备就是将预聚合液先引入到柱子当中（钢管柱或玻璃管柱），两端封好，在合适的条件下发生反应，在柱管内形成一个多孔的固态整体，直接将其用在液相柱上。从该过程中大家可以看出，其制备过程非常简单，省却了许多步骤。然而其更突出优点是与填充柱相比，它具有更好的通透性。简单的讲，在填充柱当中，所用填料越细小，得到的柱效会越高，但同时会带来通透变差柱压升高的问题。因为即便你填上了细小的填料，如果你的流动相流速达不到一定要求的话是体现不出高柱效的。而整体柱就体现了他的优势，当其骨架为2微米的时候，其通透性相当于直径5微米的填充柱。

在制备的柱子当中，有常规液相上用的和超高压液相上用的两类，主要是柱子直径上的区别。后者常用毛细管柱。有必要说一下的是超高压所用的柱子与电色谱(electrochromatography)所用的柱子是相通的，一根柱子做成之后在电色谱中可以用，在超高压液相上也可以用。

电色谱曾被认为是一种非常非常有前途的分离方式，柱效非常高，可达200,000塔板数/米以上，因为该种方法的驱动力是电渗流（electroosmotic flow），不需要压力（但在使用过程中可辅助以压力），它的流动方式是活塞式的，致使在纵向上的扩散减少。而普通的高效液相，在压力的驱动下流型是抛物线式的，所以其柱效高的也只能达到50,000塔板数/米左右。但电色谱在做了一段时间后，大家发现了一些比较难以克服的问题，特别是重现性方面的问题，因为电渗流受影响因素较多，较难以严格控制。另外在使用的过程中经常产生气泡，很烦人。现在一些仪器公司已经放弃了电色谱仪的研制，甚至有人认为电色谱已经死了(dead)。但这东西也不好说，说不定哪天也能做好，至少有一部分人还在做。这就像是做纳米材料，有人认为纳米材料没用，只能是用来发文章评奖，但这东西毕竟才做了20来年，也不好说最肯定没用，况且已经找到几个用的地方了。

到目前为此整体柱的研究及使用上主要还是毛细管柱，内径一般在25-200微米。因为在做常规液相柱时，做成后的整体常与钢管壁结合得不紧，这就导致了流动相短路，不能用来分离东西。当然也有方法对付，那就麻烦多了。另一种是在玻璃管里制备的，因其内壁的硅羟基可以先预处理，接上一些基团，在聚合时让其参与反应，这样就不会与柱壁脱离了，说白了，要做到完全不脱离还是不容易的。但在石英毛细管中，就比较容易做到不脱壁。大体趋势是柱子内径越大，越容易脱壁，当直径超过200微米时就不大容易做好了。

当然填充柱仍具有非常强的生命力，即使在整体柱的制备上取得重大突破之后也不大可能被取代掉，日前绝大部分分析还是用填充柱来实现的。不光是常规的液相柱，也包括了毛细管柱。将球形颗粒填入毛细管柱后表现出了非常高的柱效。但将5微米或更细的小球填入如75微米直径的毛细管中也不是件轻松的事。首先想到是怎么将颗粒拦截在毛细管中，这首先要在毛细管中做一个类似挡板也叫筛子的东西，而且必需结实，因为在超高压液相上如不结实一下子就被冲飞了。目前也有很多方法制备筛子，也有商品化的。另外筛子这东西做的时候也是个技巧性的活，重现性较差，常因其性质不同于所用的填料也会影响分离。该类柱子在电色谱上使用也很容易产生气泡，导致电流阻断，必需停下来，将气泡冲出后方能继续。

现在就该讲毛细管整体柱了。

现在所制备的毛细管整体柱按其原料大体可分为两类，即有机整体柱及无机整体柱，另外较新的一类就是无机－有机杂化整体柱。

先说无机的，其实无机的比有机的来得晚，大体上在1996年才出现，而有机的早在60年代就有了，不过形成一种研究热还是在1980年以后。无机整体柱中所用的原料主要是硅

烷化试剂，所制出的柱子叫硅胶整体柱（silica monolithic column）。其中的代表是一日本人田中先生Nobuo Tanaka，目前他是分析化学领域最牛杂志即AC的副主编，并在该杂志上已经表了文章20多篇。他从理论到应用上都做了非常出色而又系统的工作，他所研制的硅胶整体柱也实现了商品化，确实值得学习。当然国内也有做得好的，如大连化学物理研究所的邹汉法老师，他是国内最早从事整体制备的人之一，目前来讲也是做得最好的，在AC 上也发了十余篇文章，所发文章被引用次数也逾2000次。

已经有人回帖说做根好柱子没那么容易了，情况也确实是这样的。制备过程中有很多因素会影响到柱子的性能。硅胶整体柱的制备步骤也比较多，周期也比较长，要将方方面面都做好确实是件不容易事，但也确实有人做得不错，如上文中的Tanaka。

在硅胶整体柱的制备中，最常用的硅原试剂是四甲氧基硅烷（tetramethoxysilane，TMOS）和四乙氧基硅烷（tetraethoxysilane，TEOS）。一个典型的路线是，将TMOS、致孔剂聚乙二醇（PEG，分子量一般为10,000）加入到0.01M的醋酸溶液中，在冰水中搅拌40－60min 进行水解。然后取少量进行超声脱气，脱气后用注射器或其它工具将该预聚合液引入到毛细管中，在40摄氏度左右反应，一般24h，其实2h就已经开始成块了，但还不结实。反应完成后，用水将毛细管中的一些杂化冲出。然后将其放入氢氧化铵的水溶液中加热到120度（在一个钢制的密封容器中进行），反应3h左右。该步主要是为了使整体柱内部产生介孔（mesopore），介孔这种结构在分离中非常重要，它是参与色谱分配的场所。该步结束之后，相继用水，甲醇冲，然后在室温下自然干。待柱子干了之后，将其放入气相色谱的柱温箱中，加热到330摄氏度，保持12小时左右，该步是为了将整体柱上的有机成份去除，也就是烧掉了。这时的整体柱成分就只剩下（基本上只剩下）硅氧硅了。这个过程就是硅胶整体柱的制备过程，可能看的人都有些累了。步骤多，时间长，特别是自然干这块，一般都要2个星期以上。但为什么这么繁还要去做，原因就是这样做出来的硅胶整体柱具有非常好的孔结构，好用！在该硅胶整体柱上还可通过硅烷化反应继续键合一些功能团如C18等，以满足在不同分离场合中的应用。

毛细管在用之前要进行酸化处理，一般先用盐酸（0.1-1M）冲洗，然后水洗，再用氢氧化钠溶液（0.1-1M）冲洗后又水洗，最后用氮气吹干后备用。这步非常重要，目的就是为了让石英毛细管内壁的将硅羟基充分多的暴露出来。在聚合的过程中内壁的硅羟基要参与缩合，如处理得不充分就很容易脱壁。

Journal of Chromatography A, 965 (2002) 35–49

Journal of Chromatography A, 954 (2002) 5–32