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嘉峪檢測網 2022-03-28 16:21
1前言
多孔石墨化碳（PGC）作為液相色譜填料的應用已有30多年的歷史。與硅膠基質固定相不同，固定相可在強酸強堿環境中使用，并可耐受超過500℃的高溫而不溶解。同時，與高分子材料基質固定相也不同，在不同流動相體系中并不會膨脹或縮小。這些特性彌補了硅膠基質固定相和高分子材料固定相的缺點。目前PGC商品化的色譜柱主要是Thermo-Fisher公司的Hypercarb柱，具有穩定性的機械性能，寬pH耐受范圍，耐純水相，低柱流失，是理想型的LC-MS聯用的色譜柱，可用于極性化合物、順反異構體、非對映異構體、糖類以及多氯聯苯的分離。
2Hypercarb柱的制備及結構特點
2.1 PGC的制備
粒徑50nm硅膠→飽和浸潤硅膠基體與四氮六甲圜和苯酷（聚合物改性）→1000℃灼燒高溫碳化→溶解殘余硅膠，硅膠解離→2500℃灼燒石墨化一多孔石墨化碳（PGC）。
2.2 PGC柱結構特點
碳的結構形式有三種，它們有著確定的晶型。如圖1-A所示，Bernal晶型有著完美的碳原子組成的層狀三維結構，六邊形的形狀按照ABABAB……的規律進行排列，這是正六邊形碳；這其中還有一種可能就是形成Lipson與Stokes結構，按照ABCABC……的規律進行排列，這是斜方六邊形碳。這兩種層之間間距為3.354Å，碳原子之間間距為1.42Å。對大多數合成碳而言，當加熱溫度超過時3000℃時，會變為圖1-B所示Warren晶型，這是一種二維結構的碳，碳層之間的排列隨機組合，稱為無定形碳。相比較三維結構，其層間距變為3.40-3.43Å，碳原子之間間距有輕微減小。
經過硅膠—聚合物改性—1000℃高溫剝離硅膠—2500℃高溫石墨化等復雜步驟后才可生成，最終它有著150㎡/g的柱表面積，其可以看做是由二維六邊形連接而成，連接緊密穩定，呈層狀結構，具有非常穩定的物理化學性質。
2.3 PGC柱與普通硅膠基質的C18相比(見圖2）
A優勢：
① 化學穩定性好，柱壽命長。PGC柱在pH 0~14條件下均不會被破壞，而且在正反相模式均耐用；而硅膠C18柱在低pH時鍵合相烷基碳鏈會水解脫落，在pH大于9時硅膠會與堿反應進而破壞柱床。
② 對酸性和堿性化合物有更好的峰型。PGC柱沒有硅醇基的干擾，且流動相pH耐受范圍寬，尤其對堿性化合物可獲得好的峰型。
③ 對極性化合物保留強。PGC柱表面石墨的電荷誘導作用，對極性分子具有電荷吸引作用從而增強保留，而極性化合物在常規C18柱幾乎沒有保留。
B劣勢：
① 制備成本較高，市售價格高。
② PGC柱分離機制是非典型的反相色譜，兼有正相和反相色譜的機理，當前研究不夠充分，還不能完全替代C18。
③ PGC基質可設計的空間小，不如硅膠基質可設計改造的空間大，這可能是其商品化率低的原因之一。
2.4 PGC柱分離原理
以 Hypercarb 色譜柱為典型，其分離原理總體是以下兩個機制的綜合：
① 分子形狀（空間選擇）：對于硅膠基質C18柱表面就像一個刷子，布滿了硅醇基和烷基長鏈，而 Hypercarb是由碳原子排布成6角形的平整表面，就像芳環一樣。這個平整的表面就是石墨化碳用來分離結構相似化合物的一個重要基礎。分析物分子與 Hypercarb 相互作用的強度取決于與石墨表面接觸面的大小和方向。圖3顯示了平面和非平面分子向 Hypercarb 表面接近的方式。分子越平面化，越可以貼近石墨化碳表面, 其作用的機會也就越多，因此保留作用就越強；反之，保留作用就越弱。
圖3 分析物與Hypercarb 表面相互作用的平面和非平面分子的分子面積示意圖
② 分子極性：極性分子永久帶電（比如：碳水化合物，或者有羥基，羧基和氨基的化合物），因此可以引起石墨化碳表面的極性化，這樣可以加強分子和石墨化碳之間的作用。石墨化碳是良好的導電材料，當帶正電荷的分子（比如堿性化合物）或帶負電荷的分子（比如酸性化合物）接近Hypercarb 表面時，如圖4所示，石墨化碳表面電子遷移形成與分析物相反的電荷，形成靜電作用。極性越強，靜電作用力越強，因此保留越強。
圖4 極性分析物接近Hypercarb 表面的點電荷示意圖
3案例分析
3.1 非極性化合物的分離
表1 在不同類型固定相上α（CH3）和α（CH2）選擇性
從上表可知，常規C18柱對甲基和亞甲基基團沒有區分力，而PGC柱對甲基和亞甲基基團有很好的選擇性。結合PGC柱對分子形狀的分離機制，其對同分異構體（比如正丁基與異丁基）和同系物（比如多環芳烴類）有更好的選擇性。
3.2 極性化合物的分離
由圖5可知，多種苯胺類化合物在Hypercarb柱上可得到有效分離，出峰順序是堿性越強保留時間越長；多種苯氧基酸在Hypercarb柱上可得到有效分離，出峰順序是酸性越強保留時間越長。
3.3 不同取代位異構體的分離
如圖6所示，在Hypercarb柱上，氨基苯甲酸（鄰、間、對）三個異構體可得到有效分離，出峰順序依次是間位、對位和鄰位。
3.4 順反式異構體及非對映異構體的分離
頭孢呋辛酯含3個手性中心，1個順反異構。如圖7所示，在Hypercarb柱上，頭孢呋辛酯分子中兩對非對映異構體和順反異構體均能得到有效分離，而在Hypersil SAS柱上非對映異構體的分離效果較差。Hypercarb柱對分子形狀的分離機制在酯類抗生素異構體分離有較優的效果。
3.5 糖類化合物分離
如圖8所示，在Hypercarb柱上，嗎啡和嗎啡的代謝產物均能得到有效分離，尤其圖中2和3分別為不同取代位的葡萄糖醛酸嗎啡能基線分離。Hypercarb柱對含糖類化合物有較好的選擇性。
4總結
多孔石墨化碳（PGC）具有獨特的石墨環結構和穩定的理化性質，作為新型色譜填料，以Thermo-Fisher公司的Hypercarb柱為代表，兼有普通C18的疏水性能，又具備獨特的選擇性，對極性化合物、順反異構體、非對映異構體以及糖類化合物有卓越的分離效果，可以填補傳統反相色譜的短板。PGC柱是惰性材質，耐受強酸強堿條件，柱流失低，不需要離子對試劑和復雜緩沖鹽作流動相，是LC-MS分析理想的色譜柱類型。
參考文獻
1.Luisa Pereira.Porous Graphitic Carbon as a Stationary Phase in HPLC:Theory and Applications.Journal of LiquidChromatography & Related Technologies.2012,31:11-12,1678-1731.
2.https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/35003-031030?SID=srch-srp-35003-031030.
3.馬浩. 動態涂覆的多孔石墨碳柱在離子色譜中的研究與應用.《華東理工大學碩士學位論文》.2014.14-15
來源：Internet
