高效液相色谱发展史_杨先碧

化学史

杨先碧　男,24岁,硕士,从事无机化学和化学史的研究和学习。*联系人1997-11-30收稿,1998-05-25修回

高效液相色谱发展史

杨先碧　阮慎康*

(北京大学化学与分子工程学院　100871)

关键词　高效液相色谱　发展史

摘要　以1971年为界,评述了高效液相色谱分析逐步发展和完善的历史过程。

在液相色谱中,采用颗粒十分细的高效固定相,并采用高压泵输送流动相,全部工作通过仪器来完成,这种新的仪器分析方法称为高效液相色谱法(High Perfo rmance Liquid Chro matography ,以下简称HPLC)。在过去三十多年里,HPLC 已经成为一项在化学科学中最有优势的仪器分析方法之一,1994年,HPLC 的市场销售量是14亿美元,就是一个较好的证据。现在,HPLC 几乎能够分析所有的有机、高分子及生物试样,在目前已知的有机化合物中,若事先不进行化学改性,只有20%的化合物用气相色谱可以得到较好的分离,而80%的有机化合物则需HPLC 分析。目前,HPLC 在有机化学、生化、医学、药物临床、化工、食品卫生、环保监测、商检和法检等方面都有广泛的用途,而在生物和高分子试样的分离和分析中更是独领风骚。在短短的三十多年里,HPLC 从初创一下发展成为成熟而广泛应用的分析方法,的确是化学史上一件引人注目的事情。

在化学发展中,化合物性能与结构的确定有着重要的历史地位,尤其是有机、高分子化合物结构的确定更是影响着化学发展的进程,所以说,高效液相色谱也有着同样重要的历史意义。高效液相色谱的出现、发展和完善过程直接影响着有机、高分子化合物的分离和分析,从而推动了化学学科的发展。

HPLC 发展史上的一个重要里程碑是1971年《现代液相色谱实践》一书的出版,本文将以1971年为界,对HPLC 的发展史进行一个简要的叙述。

1　1971年以前:HPLC 的前奏和萌芽

将一滴包含混合色素的溶液滴在一块布或一片纸上,随着溶液的展开可以观察到一个个同心圆环的出现,这就是最古老的液相色谱分离技术,古代罗马人就已经采用这样简单的方法来分析染料和色素。尽管色谱的使用由来已久,但色谱法的真正建立是二十世纪初期的事情了。科学史上第一次提出“色谱”名词并用来描述这种实验的人是俄国植物学家茨维特(T sw eet),他在1906年发表的关于色谱的论文中写到:将一植物色素的石油醚溶液从一根主要装有碳酸钙吸附剂的玻璃管上端加入,沿管滤下,然后用纯石油醚淋洗,结果按照不同色素的吸附顺序在管内观察到它们相应的色带,他把这些色带称之为“色谱图”(Chro mato gram )。遗憾的是,在随后的二十年内这一新的分析技术都没有得到科学界的注意和重视,直至1931年,库恩(Kohn)报道了他们关于胡萝卜素的分离方法时,色谱法才引起了科学界的广泛注意。

1941年,马丁(M atin)和辛格(Synge)用一根装满硅胶微粒的色谱柱,成功地完成了乙酰化氨基酸混合物的分离,建立了液液分配色谱方法,他们也因此获得了1952年诺贝尔化学奖。1944年,康斯坦因(Co nsden)和马丁(M atin)建立了纸色谱法。1949年,马丁建立了色谱保留值与热力学常数之间的基本关系式,奠定了物化色谱的基础。1952年,马丁和辛格创立了气液色谱法,成功地分离了脂肪酸和脂肪胺系列,并对此法的理论与实验做了精辟的论述,建立了塔板理论。1956年,斯达(Stall)建立了薄层色谱法。同年,范õ底姆特(Van Deemter)提出了色谱理论方程;后来吉丁斯(Gid-dings)对此方程作了进一步改进,并提出了折合参数的概念。这一系列色谱技术和理论的发展都为HPLC的问世打下了扎实的基础。

在1966年以前,许多科学家已经从事了经典液相色谱的研究,这种广泛的基础性研究对后来HPLC的发展有着重要影响。从现在的观点来看,当时的液相色谱分析仪器是较为简单和原始的。六十年代早期,气相色谱(GC)是当时混合物分离的一个热门研究课题,有着许多重要的进展。但当时的气相色谱遇到了一个难题:由于蛋白质和其它极性化合物难以气化,同样对高分子或极性的混合物来说,气相色谱无能为力。这时分析化学家们把目光转向了液相色谱,液相色谱也的确令人兴奋地从蛋白质中分离出了纯的化合物,但使用液相色谱又出现了一个新的问题:分离时间的问题。当时所使用的色谱柱效率非常低,具有代表性的柱子是一米来长或更长,为了获得必要的分辨率,有时还得使用多根柱,液体流动的产生靠重力,其流动速度是每小时几毫升或更少,无计算机自动操作仪器和进行数据收集,尽管这时的数据收集并不难,那也是因为产生数据的速度比较慢的缘故。当时的生物学工作者往往要经过好几年的努力才能从一个组织中把蛋白质完全分离出来。由于当时气相色谱比液相色谱完善,往往把一些高分子或大极性分子衍生成低极性的小分子进行气相色谱的分析,而不采用液相色谱进行分析。

早在1941年,马丁和辛格就预言了小微粒固定相和高压强在色谱分离中的必要性。在马丁和辛格的开创性工作之后,吉丁斯、哈伯(Huber)和其他人进一步指出:通过减少液相色谱仪中填充颗粒的直径和使用高压增强流动速度,液相色谱能够用于HPLC模式。1966年,斯尼德(Snyder)意识到柱效率和自动液相色谱分离需要进一步的检验,这使得他的实验室在HPLC方面取得了独特的进展。以吉丁斯为代表的许多研究者从气相色谱领域迈进HPLC领域,这使得许多在六十年代在气相色谱领域中所解决的问题能够迅速应用到HPLC的研究方面。

在仪器发展方面,HPLC的第一个雏形是由斯坦因(Stein)和莫尔(M oo re)于1958年发展起来的氨基酸分析仪(AAA),这种仪器能够进行自动分离和蛋白质水解产物的分析,由于这种研究的重要性,别的研究者也被吸引来进行这一方面的重要课题的研究,最终直接促成了HPLC方法的建立。在此期间,哈密顿(Hamiton)在柱效率和选择性方面的成就而使得他的工作特别有价值。在六十年代早期的相关进展是莫尔(M oo re)发展起来的凝胶渗透色谱(GPC)。不久以后,华特斯(Waters)有限公司制造了商业GPC仪,这种仪器经过微小的改进之后可用于HPLC分离。在1968～1971年间,推出了第一台普遍适用的HPLC商用系统。这种新的色谱仪是由科克兰(Kirkland)、哈伯、荷瓦斯(Horvath)、莆黑斯(Pr eiss)和里普斯克(Lipsky)等人研制发明的。

在HPLC仪发明之后,世界上许多HPLC研究小组也随之成立起来。在技术的改进上,各个研究小组能够迅速地交换信息。1969年1月,在美国拉斯韦加斯召开了第五届国际色谱进展讨论会,这是HPLC工作者第一次聚会在一起,各种有关信息的热情交流使得这次会议成为一个激动人心的事件。这次大会的大多数论文出版在当时称为《气相色谱杂志》(Jour nal of Gas Chrom ato graphy) 1969年卷上。接下来的几次会议,部分或全部内容都与HPLC有关。

在1971年前,如果问到普通HPLC使用者在仪器方面有什么最需要改进时,答案将是“开发一