5分钟了解高效液相色谱前世今生和近期新品（上）
起源于上世纪60年代末的高效液相色谱（HPLC）技术，建立在经典液相色谱基础上，引入了气相色谱的理论，开始了高压泵、高效固定相、高灵敏度检测器各技术不断进步的旅程。解析真实世界的奥秘几乎都要用到分离技术；有机物构成了物质世界的绝大部分；而超过80%的有机物，大都采用HPLC进行分离和分析。因此，液相色谱构成了科学仪器领域极大的单品类，其市场之大让许多企业魂牵梦萦，无数企业前赴后继地进入液相色谱市场。本文将简要回顾高效液相色谱商用技术的进展，并在下篇简述近年来的新产品，希望对您下次入囊前有些许参考。
HPLC技术诞生和发展
1903年，俄国植物学家Tswett在会议上报道了应用吸附原理分离植物色素的新方法（后来文献发表于1906年），Tswett将这种方法命名为色谱（Chromatography），管内填充物被称之为固定相，冲洗剂被称之为流动相。
1941年，Martin等采用水分饱和的硅胶为固定相，以含有乙醇的氯仿为流动相分离乙酰基氨基酸，Martin和Synge一同提出著名的色谱塔板理论，两人获得了1952年的Nobel奖。色谱塔板理论提出：理论板与液体流速和颗粒直径的平方成正比，理论板越薄越好。因此，最薄的理论板应该通过使用非常小的颗粒和整个柱长度上的巨大压力差来获得。[1]
液固色谱被创立后的50多年时间里，液固色谱装置并无实质性的改进，溶剂的流速依赖于重力，液相色谱系统效率低下。直到20世纪60年代，为了分离蛋白质、核酸等不易汽化的大分子物质，人们把气相色谱中获得的系统理论与实践经验应用于液相色谱研究。
1966年，耶鲁大学的Horvath首次提出高效液相色谱（HPLC）的名称[2]，后于1967年开发了世界上第一台高效液相色谱仪，开启了HPLC的时代。1972-1974年，6000 psi泵、10µm粒径色谱柱和无隔垫进样器的引入，标志着HPLC从“高压”向“高效”的转变。HPLC用细粒径高效填充色谱柱，大大提髙了液相色谱的分离能力；采用高压泵输送流动相替代重力作用，使柱效更高，并提高液相色谱的分析速度；液相色谱与光学检测器相结合，也使HPLC不仅可以分离，还可以同时完成分析任务。HPLC本身就是一套分离分析系统。
1966年，Csaba Horváth和Seymour（Sandy）Lipsky发表了HPLC的第一篇文献，即核苷酸和甲状腺化合物的离子交换分离
1973年，第一届HPLC会议在瑞士因特拉肯举行，1982年后每年举办。
20世纪70年代末至80年代初，HPLC开发了分离肽和蛋白质的方法，为今日蛋白质组学和生物制药分析奠定了基础。
1979年至80年代初，开发了用HPLC分离对映体的方法，最初采用在流动相中加入修饰剂，后来开发了可分离对映体的固定相。
20世纪80年代中后期，John Fenn开发了ESI离子源，成功用于LC-MS。
2004年前后，引入< 2µm粒径的新系统，推动耐压15,000-20,000 psi的UHPLC的出现。
你所不知道的商用HPLC发展史
色谱柱技术
色谱柱技术是仪器开发的主要驱动因素之一。1967年，耶鲁大学的Csaba Horváth和同事们在薄层填料（现称为表面多孔填料，SPP）方面的工作代表了HPLC柱和仪器技术的突破。50微米的球形玻璃珠涂有一层薄薄的聚苯乙烯树脂聚合物层（1-3μm），衍生形成阴离子交换功能，并用于分离核苷酸。颗粒被装入不锈钢柱（内径1mm，长度3米），这会产生高背压，需要使用泵将溶剂推过柱。这代表一个开始的趋势，即较小的颗粒会提高柱效，以提供更好的分离性能，同时也会增加柱背压，使其与平均颗粒直径成反比；因此，在接下来的几年里，泵输出压力将成为一个重要因素。除此之外，流速、额外柱效应（系统死体积）、峰宽减小、洗脱速度、样品通量和检测器能力等参数都成为改善HPLC系统所有部分的驱动因素。
第一台HPLC的诞生
有案例表明，Horvath及其同事的突破性工作是HPLC的开始（当时指的是高压LC）。他们自制了梯度洗脱的系统，使用两台 Milton Roy 微型泵。梯度由一个含有弱溶剂的搅拌储液池开始形成；然后由一个泵向该储液池输送受控但不断增加的强溶剂量；第二台高压泵将越来越浓的溶剂混合物从储液池推到色谱柱上；用一个带有8μL流动池的改良分光光度计检测。
1967年，他们与当地Picker Nuclear仪器公司合作，推出LCS-1000——第一台真正的商用HPLC。该设计由工程师Emmett Watson牵头，他离开Waters成为一名顾问。LCS-1000有一个高压泵（高达4000 psi）、一个进样Loop阀、一个柱温箱、装有上述薄层填料的色谱柱，以及一个基于低压汞蒸气灯的固定波长检测器（254 nm）。该仪器不适用于Picker Nuclear的非色谱产品范围，1968年，该技术被Varian 公司收购（Varian后被安捷伦收购）。
1967年，Picker Nuclear公司推出第一台商用HPLC：LCS-1000
1961年，陶氏化学公司的J.C. Moore请Waters公司开发产品，用凝胶色谱柱分析聚合物。Waters获得MooreZL的独家许可证后，于1963年推出了世界上第一台凝胶渗透色谱仪GPC-100，采用500 psi的泵。
1963年，Waters公司推出第一台凝胶渗透色谱仪GPC-100
1967年，Waters推出首台HPLC系统ALC-100（ALC是分析液相色谱仪的首字母缩写），它改进了原有GPC-100系统，减少死体积，采用更高压力的Milton Roy泵，流通紫外检测器和（可选）和折射率（RI）检测器。1968年Pittcon会议上，Waters推出ALC-100。Waters将其品牌口号“Ther Liquid Chromatography People“注册成商标，Waters公司成为了LC的代名词。1972年，Waters的James Waters父子拜访Robert B. Woodward 及其博士后Helmut Hamberger，分离维生素B-12合成过程中中间体的异构体；从此HPLC打开了有机合成的市场。
1967年，Waters公司推出第一台HPLC系统ALC-100，1968年Pittcon展出
色谱学家倾向于将HPLC的起源推至更早期的1964年。杜邦公司的Jack Kirkland参观Eidhoven理工大学。在一间实验室里，Josef F. K. Huber已在自制粗糙的HPLC仪器，带有紫外检测器，在GC颗粒上包裹液体（和流动相不混溶）后填充了色谱柱。参观后，Kirkland说服杜邦公司的经理让他研制HPLC，进行GC无法全部胜任的农药分离。
1969年，杜邦公司推出820型集成色谱仪
1969年，杜邦公司推出820型集成色谱仪，有一个恒压泵、一个自制的UV 254 nm检测器（410型）和杜邦的ZIPAX SPP色谱柱。杜邦推出了第一批化学键合相，彻底改变了梯度HPLC的实践；他们的ZORBAX column产品仍然存在，现在由安捷伦科技制造和销售。（杜邦于1986年退出HPLC仪器市场，随后IBM仪器公司短暂进入该市场。）
日本的岛津公司，1969年开发GPC系统，1972年与杜邦签订许可合同后开始制造销售LC-1（LC-830），1978年推出自主研制的LC-3A，以CDQR方式的单柱塞型送液单元为特征。
1978年岛津推出LC-3A
进样阀的演变
幸运的是，当杜邦和Waters[3]将新的SPP填料（37-50μm粒径范围）装入标准柱（内径2.1 mm，长度50或100 cm）时，背压适中，因此第一台商用液相色谱仪采用了在线GC隔垫进样器。随着填料颗粒变小，隔垫进样器的耐压能力不足，促使停流（stop-flow）技术的出现。这种手动进样很麻烦，限制了样品的通量，因此Valco的创始人Stan Stearns调整了GC阀，使进样压力达到4500 psi。六通进样阀在生产率和重现性方面取得了真正的突破，并通过改变样品Loop定量环尺寸，使进样体积更灵活，还促进了后来进样器的自动化。
1968年Valco推出6通进样阀
Waters在其集成LC系列中使用了六通进样阀后，1973年推出了自己的U6K进样器，可进行方便、可变体积和可靠的进样，并可实现自动化。该进样器还具有一个创新的旁路通道，可在阀门循环时降低压力冲击，从而保护色谱柱在重复进样后不会损坏。在早期，色谱柱的稳定性较差，但随着色谱柱填充方法的改进，问题也就不那么严重了。
1973年Waters推出U6K进样器
后来，Rheodyne公司于1976年推出7125型进样阀，对Valco方法进行了改进，使进样器将样品注射入阀的中心，可使用单个Loop环实现可变的进样量。
1976年Rheodyne公司推出7125型进样阀
模块的崛起
早期的许多色谱用户认为，每个制造商各有优势，因而希望将最好的泵与最好的进样器、最好的检测器等结合起来，目的是构建一个具有快速可互换（或可升级）模块的高级系统。为了满足需求，一些制造商（尤其是OEM行业的制造商）决定开发可以优化性能的独立模块。这些公司中的第一家是实验室数据控制公司（Laboratory Data Control，LDC），该公司还利用Emmett Watson的服务构建价格合理的独立模块，包括254 nm紫外检测器。该检测器成为多家色谱公司的主要OEM组件。规模更大的Milton Roy公司收购了LDC，并成为许多HPLC公司和个人色谱仪的模块供应商。Valco和Rheodyne等零部件公司专门生产注射阀（进样阀）和切换阀。Schoefel、Cecil Instruments和Pye Unicam等检测器公司开发了专门的探测器。许多较小的公司开发了其他外围设备，可以根据需要快速更换。
1968年LDC/Milton Roy推出模块化组件
液相泵的发展
Waters紧随模块潮流，开发了一款名为M-6000的独立泵，这是第一款专门为HPLC开发的泵。基于单活塞设计的早期泵输送脉动流，因此需要脉冲阻尼系统，以降低流量敏感检测器中的噪声。然而，大量脉冲阻尼器延迟了梯度流动相到达色谱柱，增加了分析时间。M-6000使用了两个往复式活塞，以便更平稳地流向色谱柱。其6000 psi的额定压力足以满足20世纪70年代初引进的25 cm柱（内径4.6mm）中10微米粒径填料的要求。
1972年Waters推出M-6000液相泵
Altex（后被贝克曼收购）开发了全新概念的泵，使用可变活塞速度和快速再充满（refill），由此产生的110型泵的流量比当时大多数低成本的往复式泵都要平稳。
1976年Altex公司推出110泵
为了提供更高的压力和非脉动流量，瓦里安（后被安捷伦收购）、Isco和Nester-Faust（后被珀金埃尔默收购）选择开发注射泵。在这里，大容量（250毫升）活塞由精确的步进电机驱动。这些泵基本上没有脉冲，可以耐受高达6000 psi的高压，后来达到8500 psi。对于二元梯度，需要两个注射泵。但由于溶剂体积可压缩性，色谱柱在梯度洗脱过程中遇到问题；进入混合器的每种溶剂的实际流量与控制器上的编程不同，这会产生成分错误——尤其是当每台泵的启动体积不同时。注射器泵虽然独特新颖，但最终消失了。然而，注射泵值得一提，因为这项新技术试图在提供无脉冲高压流量时跳出框框思维。
1970年瓦里安推出4100/4200注射泵
你好，工业3.0
在20世纪60年代末和70年代初，主要的数据输出靠条形图记录仪。对于定量，通常采用手动方法，如切割和称重图纸或使用机械求积仪。但Autolab改变了这一切，Autolab后来是SpectraPhysics（后被赛默飞收购又卖出，现属Newport）的一个部门，它推出了System IV计算积分器，提供数字读数。输出可以表示为简单的面积百分比或基于方法中存储的校准因子。由于其较大的动态范围，色谱仪不再需要在调整信号衰减的同时进行多次进样，从而提高了实验室生产率。
1969年Autolab推出Autolab System IV计算积分器
由微处理器控制的惠普HP 3380A积分器更进一步，它既是记录器又是字母数字打印机绘图仪，因此所有信息都在一张图表纸上。此后，许多制造商推出了自己的数据系统来补充HPLC硬件。
1974年惠普推出HP 3380A数字积分器
1979年，Nelson Analytical开发了基于个人电脑的数据分析软件，利用新的大规模集成电路（LSI）构建模数转换器，并提供具有强大计算能力的仪器控制和数据采集。Nelson产品成为许多制造商系统中的标准。当IBM PC推出时，Nelson对其软件进行了调整，使其能够同时进行仪器控制和数据处理，这一概念很快取代了后来液相色谱仪中的独立积分器。
1979年Nelson Analytical推出用于液相色谱仪的PC软件
在20世纪70年代中期，高效液相色谱法越来越多地被用于制药和其它行业，用户每天需要分析许多样品。第一台进入市场的HPLC自动进样器来自Micromeritics公司，这是一家专门从事粒度测量的公司，他们于1974年推出708A型LC自动进样器，使用旋转托盘中的管状小瓶。将一根针放入小瓶中，刺穿瓶盖，同时一个套环将瓶盖向下推入小瓶，将样品送入进样环中。该系统可对小瓶中进行1-3次取样。到20世纪70年代末，大多数主要供应商都推出了自己的自动进样器。
1974年Micromeritics推出708AL型自动进样器
集成液相系统的回归
随着HPLC被广泛接受，仪器外围设备的中央控制更有意义；模块式LC概念正在失去支持，因为模块之间无法相互通信。用户还发现，对于分析含有多种成分的样品，梯度洗脱是必须的，这是实现中央控制的另一个驱动因素。一种设计是产生二元梯度的双泵系统（两个泵在高压侧垂直连接在一起，需要一个混合器）。
惠普的分析部门（现为安捷伦科技）改进了两年前收购的Hupe-Busch系统。HP 1084是第一款微处理器控制的LC，具有独特的流量控制功能，并配有自动进样器、紫外检测器和外部荧光检测器。1084的精确流量控制是很好的卖点，并具有高度可重复的保留时间。
1976年惠普推出惠普1084型液相色谱仪
由于两个泵产生梯度系统的成本很高，瓦里安和Spectra Physics等开发商开发了早期的产品，这些产品使用了低压侧带有溶剂比例阀的单泵。因此，使用两个或三个比例阀，可以生成二元或三元梯度，在方法开发过程中提供更大的灵活性。低压梯度最终成为许多公司的标准，后来还开发了更强大的四元泵。1978年，瓦里安推出的LC-5000是第一款集成的高效液相色谱系统，它将低压单泵梯度功能、关键功能的微处理器控制、用于设置方法的键盘和CRT显示器集成在一个单元中。主动式进样止回阀解决了止回阀粘性和注入损失的问题。1979年Spectra Physical推出的 Model 8000采用的设计与当今仪器中使用的溶剂混合设计几乎相同。
瓦里安LC-5000液相色谱仪
1975年，Dionex（后被赛默飞收购）作为Durrum Instruments的一个部门成立，以应对一个新兴的色谱市场：离子色谱（IC）。Dionex很快成为分离无机和有机离子化合物的领导者。他们的ZL由陶氏化学公司授权，包括：使用离子抑制器从流动相中去除盐，对分离的离子进行电导检测。Dionex还开发了专门的IC柱，用于严格分离如饮用水中的痕量溴酸盐和卤代氧化物，使用脉冲安培检测器进行碳水化合物分离，以及离子排斥分离。
1975年Dionex推出Model 10离子色谱仪
多种色谱检测器
HPLC的前10年，光谱检测器占主导地位，停流扫描分光光度检测器在市场上几乎不被接受。采用DAD光电二极管阵列检测器后，可进行实时光谱测量，并可以实时获得完整的紫外-可见光谱，后来成为行业标准。1977年，惠普推出了全球第一个DAD检测器8450，为此后的DAD检测器设定了黄金标准。
1977年惠普推出8450 DAD检测器
随着GC-MS的巨大成功，各种液相色谱的接口类型被开发出来，以结合两种显然不兼容的技术——一种在液体环境中，另一种在真空中。接口技术包括直接液体接口、传输设备、粒子束、连续流FAB、离子喷雾和热喷雾。
第一个获得市场成功的是传送带接口，它借鉴了R.P.W.Scott[4]和Victor Pretorius[5]的早期工作，他们使用移动的电线将部分LC柱流出物输送至火焰离子化检测器（由英国Pye Unicam公司销售）。第一个成功的LC-MS接口使用的不是移动的金属丝，而是移动的传送带，可以传输更多的样本，以获得更好的灵敏度。在进入真空区之前，溶剂被加热蒸发。1976年，Finnigan MAT（后被赛默飞收购）推出传送带接口[6]，优点是：该接口具有良好的EI光谱和良好的灵敏度；但缺点是：难以使用非挥发性不稳定分析物和LC缓冲液，以及性能不可靠。
1976年Finnigan MAT推出传送带式LC-MS接口
热喷雾是一个更可靠的软电离接口，它将色谱柱流出物通过一根非常细的加热柱，产生细液滴喷雾，液滴在大气压（API）下通过低电流放电电极电离，形成溶剂离子等离子体。有时会观察到EI型碎片，但质子化或去质子化的分子会出现明显的碎片；非挥发性分析物的灵敏度较低。1987年，Marvin Vestel[7]创办Vestec公司推出热喷雾接口。热喷雾是20世纪90年代之前使用最多的LC-MS接口。
1987年Vestec推出热喷雾LC-MS接口
诺贝尔奖获得者、耶鲁大学的约翰·芬恩（John Fenn）开发了ESI电喷雾[8]，可产生完整、高分子量、多重质子化或去质子化的离子。Jack Henion及其同事[9]开发了一种离子喷雾接口，使用雾化氮气辅助电喷雾操作；SCIEX（隶属于丹纳赫）使用了HenionZL[10]，1989年推出第一款ESI类型的LC-MS接口。ESI现在是标准的LC-MS接口。
1989年SCIEX推出ESI类型的LC-MS接口
HPLC还发展了其它通用探测器。蒸发光散射检测器（ELSD）和带电气溶胶检测器（CAD）均将LC流动相流出物雾化成液滴，蒸发后留下非挥发性分析物的小颗粒。总的来说，2005年ESA Biosciences（先被Dionex收购，现隶属于赛默飞）推出的CAD检测器比ELSD更灵敏，并更利于梯度。CAD还可以检测所有非挥发性和许多半挥发性分析物，且响应一致。
2005年ESA Biosciences推出CAD检测器
超高效时代
20世纪80-90年代的大部分时间里，液相色谱仪大都使用3-3.5μm或5μm颗粒、6000 psi泵和4.6 mm内径的色谱柱。为了满足快速分析的需要，研究者开发了亚2μm尺寸的填料，系统再次被推向更高的工作压力；而且由此产生的粘性加热效应需要更窄内径的色谱柱，因此还需要显著减少额外的色谱柱体积。2004年，Waters推出Acquity UPLC系统，满足了21世纪初新的小颗粒短柱（5-15 cm）和更窄孔径（内径2.0–2.1mm）的需求。Acquity对现有产品/技术进行了深思熟虑的组合，从而形成了一个具有合理低额外柱体积的实用系统。这项创新激励其它十几家公司推出类似的UHPLC产品。
2004年Waters推出Acquity UPLC系统
其它创新
气泡让早期HPLC用户很烦恼，流动相中的气泡会损害主泵，检测器的流动池中也会有气泡。溶剂需脱气，首先将溶剂煮沸，再通过精心设计的储层将气体挡在外面。后来SpectraPhysics发现储液罐中的氦喷射阻止了空气在溶剂中的溶解，并允许低压混合有效地用于HPLC泵。后来，膜脱气器取代了氦气喷射，成为今天所有HPLC/UHPLC的一部分。
Fittings（色谱接头）也令人头疼。通常情况下，过度拧紧配件会导致潜在泄漏，并在重新连接时表现不佳；来自不同公司的Fittings不兼容会产生死体积。Upchurch Scientific发明了手紧型接头（Fingertight fittings），易于重复使用，并耐受非常高的压力。
