HPLC实验室未来的发展及趋势

文/ Stefan Vosskötter

数字化技术没有在HPLC高效液相色谱技术面前停下自己的脚步// 对当前数字化技术在这一领域中发展状况的初步研究，就已经清楚的看到HPLC领域中的数字化明显的减少了出现错误的可能性并大幅度地提高了实验室的工作效率。但从成本费用的角度来看，即使从长远发展的角度来看还有许多地方无法完全自动化。

几十年来，HPLC高效液相色谱法一直是定量分析和鉴定未知混合物成分的成熟技术。与MS质谱等检测技术相结合可以实现更低的检测极限。同样，它也有着很强的检测能力。将HPLC高效液相色谱法视为一种慢速检测分离方法的时代已经过去了，每小时的检测能力有了大幅度的提高，硬件技术的不断发展，色谱柱使用的材料有了很大的进步。像使用的SFC CO2超临界流体色谱法等最新的研发成果也一直被视为高效液相色谱分离技术的补充和替代技术。如果统一的将HPLC视为一种液体—固体色谱技术，那么从经济性/技术的角度来看，在某些应用领域中像GPC凝胶渗透色谱法、2D-HPLC二维液相色谱法或者离子色谱法等分离技术将不能被称之为替代技术方案了。

向何方发展？

人们会想：HPLC高效液相色谱法的进一步发展是向着更高的工作压力方向发展的，就像UHPLC超高压液相色谱技术那样，但实际发展的情况却不是这样。原因有下面几个：

需要时间更短的应用场合非常少；

随着压力的提高，对所使用的材料的要求也在提高，需要更短的色谱仪维护保养时间和更高的色谱仪流量。

这与实验室4.0、智能实验室或者Futurlab NRW未来实验室等理念背道而驰。其中，数字化技术有着非常重要的意义和作用，也是色谱法技术、实验室内部流程优化、新的标准工作程序以及实验硬件发展的前提。

数字化的一个实例

数字化并不是新的发展趋势。例如制药业的实际例子就充分说明了这一点。很久以前在建立完成的实验室标准工作流程时就提出了合适的软件解决方案。支持数据库的软件系统给制药界带来了ALCOA格式的文件，同时也为建立连接和自动化流程奠定了基础。新的药物活性成分的开发流程就充分说明了这一点。

在需要筛选的物质种类繁多时就需要自动化的筛选分离了。合成物质的纯化是自动化的，并且是按照标准流程进行的。尽管这种标准化的工作流程使色谱分离的各个环节清晰可见，但大多数实验室的色谱技术解决方案都是“各有特色的”，不能1∶1的从一个实验室转移到另一个实验室。要想使实验室自动化能够继续下去，就必须让实验室自动化有足够的灵活性。而严格的监管法规也必然要求未来的检测实验室和其他研发机构想方设法保持数据的完整性。这正是整合现有不同自动化技术形式并使现有实验室工作流程更加可持续的、经济的和高效发展的好机会。

借用工业领域中的术语“工业4.0”、第四次工业革命，实验室领域中出现了以“实验室4.0”表示完全网络化、自我控制、自我调节和自我优化的概念。在不久的将来，“实验室4.0”的理念还不能全部实现，原因是很高的投资费用使一些实验室不堪重负。但实验室现有的解决方案结合使用标准的CDS色谱数据系统就有可能实现实验室自动化，对实验室自动化给予有力的支持和帮助。它提供了避免典型错误的功能，提供了可重复使用且易于评判的新算法。

我们怎么样？

仔细的观察每一个实验室后就会发现：没有两个实验室是完全一样的。当需要测试的样本量很小时，实验室通常都会使用传统的软件解决方案甚至是手动进行检测分析和评估。在中型实验室中，通常情况下基于数据库的CDS色谱数据系统已经基本到位，可以确保数据的可追溯性、处理大流量的数据。还有一些实验室已经实现了自动化。它们现有的任务就是内部开发并专注于解决特殊应用问题。

有些使用的实验分析技术已经非常陈旧了，没有时间对实验室工作流程进行优化或者开发新的实验室标准工作流程。规定了某个专用方法的技术标准或者技术规范可能是实验室技术老化的另一个原因。HPLC高效液相色谱技术分离不同组成成分的能力比以往任何分离技术都强。从拥有极微小颗粒物的固体相到分离单一特种材料直至在混合物中各种成分的分离，几乎都可以使用HPLC高效液相色谱技术，而且分离的结果也达到了当代最先进水平。而且在提供新系统时还附有色谱柱或者系统生产厂家的使用说明书。通常情况下，新开发的色谱技术方法更加稳健、可靠和经济，这也是大多数情况下优化实验室的工作流程是非常值得一做的原因了。

软件和硬件

许多CDS系统和HPLC系统已经为色谱分析过程的自动化提供了有趣的软件和硬件。在仪器设备制造商的研发过程中，他们常常关注色谱技术应用的全过程（见图1）。例如，Shimadzu分析技术公司。从样本制备开始，可以在自动进样器中完成一些简单的稀释过程。例如在氨基酸检测分析之前，可以使用较少的样本量，得到更好的重复再现性和很高的自动化程度。有些低浓度的分析物需要先富集，这时，自动化的在线SPE固相萃取可以显著提高检测的极限值。

图1 采用智能分析技术的UHPLC超高效液相色谱分析流程

检测分析过程中，辅助系统有助于避免出现典型的错误。辅助系统会自动的监测所用溶剂液位的高低，并在溶剂液位到临界值时自动的停止检测分析以避免色谱柱干涸和损坏（见图2）。在启动HPLC高效液相色谱系统时，辅助系统会自动的监测流量和压力，并根据色谱柱柱温缓慢的调整到最大值。这能有效的避免损坏色谱柱底部的压力峰值。如果探测到气泡，辅助系统会自动切断检测分析过程。在恢复检测分析之前，辅助系统会自动的冲洗流路并检查流路的状态。

图2 A）Nexera UHPLC系列流动相检测器（MPM）示意图。B) 有三种状态信号的MPM流动相检测器软件

分离技术

分离柱是HPLC高效液相色谱法系统的核心部件。因此，观察分离柱的状态、记录向分离柱进样的次数是非常重要的工作。根据设定的标准，例如进样次数、标准物质的溶解度或者背压，可以分析判断分离柱的工作状态，必要时更换分离柱。在专用接口的帮助下，色谱柱恒温器可以自动识别系统中安装了什么分离柱，并把它们的状态数据保存在数字格式的工作日志中。

数据分析评判和分析评判技术

检测分析之后就是评判数据。在有监管要求的特殊环境中有着一些很高的要求。因为这时要求自动完成色谱峰的积分和含量计算，此时已不可能再进行人工干预了。因此，现在已经有许多可重复再现的和自动化的数据评估解决方案了，包括自动的生成检测分析报告。

新的算法实现了以前只有人工操作才能解决的问题。例如使用二极管阵列检测器可以明显增大校准的线性范围。非基线分离的峰可以通过自动峰解卷积基线分离和量化（见图3）。系统性能测试、QA/QC品质保证和品质控制的检查或者基线修正都可以在测量过程中自动的进行。如果检测的结果不能满足标准要求就会自动停止色谱检测分析。

图3 A）甲基苯乙酮的位置异构体；B）o-MAP邻甲基苯乙酮、m-MAP间甲基苯乙酮和 p-MAP对甲基苯乙酮混合物部分分离的色谱峰；C) p-MAP对甲基苯乙酮中的污垢标准

维护保养

今天，借助于智能服务网络可以自动监视HPLC高效液相色谱系统的工作情况、做好它们的维护保养计划。智能服务网络跟踪HPLC系统的工作状况并预测其易损件的使用寿命，这也就能够前瞻性的做好维护保养计划。系统所出现的错误都被集中起来，事先授权售后服务人员访问智能服务网络的权利，以便他们可以根据智能服务网络汇总的错误做出初步的分析判断、给出解决问题的建议和意见或者订购维护保养所需的材料。

小结

未来的HPLC高效液相色谱实验室是什么样子的？无论工业领域如何发展，HPLC的未来似乎都将保持多元化和专业化，但比以前更加智能化。过去几年的发展历史表明：HPLC高效液相色谱技术绝不是一种过时的分离技术。这一领域中的大多数技术创新都集中在友好的用户操作体验、简单实验操作过程的自动化和新的辅助支持系统等方面。尽管像质谱技术或者新的SFC固相萃取技术层出不穷，但HPLC高效液相色谱技术仍然会在未来伴随您左右。仅从经济性角度来看，它将是小型实验室或者样本量很少时的标准解决方案。在中小型实验室中，简单实验分析流程的自动化或者辅助系统将会茁壮成长，例如它们可以使用自动化的样本制备，或者通过辅助支持系统避免出现典型的检测分析错误。 ■