在高效液相色譜的發(fā)展歷程中，色譜柱的填充模式經(jīng)歷了從無定形顆粒到球形顆粒的演變。然而，基于顆粒填充的色譜柱在流動(dòng)相通過時(shí)始終面臨一定的阻力——顆粒之間的間隙構(gòu)成流動(dòng)相的通路，這種非連續(xù)性的結(jié)構(gòu)從根本上限制了滲透性的提升。整體柱（monolithic column）的出現(xiàn)提供了一種不同的設(shè)計(jì)思路：不是將顆粒裝入柱管，而是以連續(xù)的一體化多孔結(jié)構(gòu)作為分離介質(zhì)。GL Sciences 的 MonoTower 系列色譜柱是這一技術(shù)路線在常規(guī)液相色譜應(yīng)用中的代表性產(chǎn)品之一。本文從整體柱的結(jié)構(gòu)特征、分離機(jī)制、性能參數(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景等方面，對(duì)該類色譜柱進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

一、整體柱技術(shù)的發(fā)展背景
傳統(tǒng)的顆粒填充型色譜柱以數(shù)十億計(jì)的微米級(jí)球形顆粒堆積而成。流動(dòng)相沿顆粒間縫隙形成的曲折通道流動(dòng)，顆粒內(nèi)部的硅膠孔道則為分析物的吸附與分配提供場(chǎng)所。這種結(jié)構(gòu)的局限性在于：一方面，顆粒間隙的形態(tài)和均勻性受顆粒形狀、粒徑分布及裝填工藝的顯著影響；另一方面，色譜柱的長(zhǎng)度增加或顆粒粒徑減小雖可提高分離效率，但背壓會(huì)以二次方或更高倍數(shù)上升。

為了在分離效率和背壓之間尋求更優(yōu)的平衡，色譜學(xué)者自 20 世紀(jì) 90 年代起開始探索整體柱技術(shù)。整體柱的設(shè)想是：制備一根具有連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)的一體化柱芯，讓流動(dòng)相在其中“貫通”而非“繞過”固定相。這一思路的實(shí)現(xiàn)依賴于溶膠-凝膠化學(xué)與成型工藝的協(xié)同發(fā)展。

二、硅膠整體柱的結(jié)構(gòu)特征
MonoTower C18 色譜柱采用的分離介質(zhì)為高純度硅膠整體柱（monolithic silica gel）。其結(jié)構(gòu)特征可以較為直觀地理解為：在一個(gè)圓柱形硅膠連續(xù)體（即硅膠棒）內(nèi)部，分布著兩種尺寸的孔道——貫通孔（through-pore）和中孔（mesopore）。

貫通孔的尺寸約為 1 微米，在硅膠骨架之間形成相互連通的宏觀通道，流動(dòng)相可以相對(duì)順暢地通過這些通道流過整個(gè)色譜柱。由于整體柱的孔隙率顯著高于常規(guī)顆粒填充型硅膠，泵送流動(dòng)相時(shí)壓力不易急劇升高。中孔的尺寸約為 110 Å，位于硅膠骨架內(nèi)部，是分析物與固定相發(fā)生吸附分配作用的主要場(chǎng)所。與顆粒填充型色譜柱相比，整體柱的總比表面積并未因結(jié)構(gòu)改變而降低——MonoTower C18 的比表面積為 340 m²/g，與顆粒填充型色譜柱相當(dāng)。

從流動(dòng)相在色譜柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行為來看，整體柱的貫通孔結(jié)構(gòu)減少了流動(dòng)相的流動(dòng)路徑彎曲程度，流動(dòng)阻力較低，從而色譜柱背壓與 4–5 μm 常規(guī)顆粒色譜柱處于同一水平。

三、化學(xué)修飾與固定相性能
MonoTower C18 的表面鍵合了十八烷基（ODS，即 C18）官能團(tuán)，并進(jìn)行了端基封尾（end-capping）處理，以盡可能減少硅膠表面的殘余硅醇基對(duì)極性分析物的次級(jí)相互作用。其碳載量為 18.0%，處于 C18 色譜柱的中等偏高水平，對(duì)于反相色譜條件下非極性和中等極性化合物的保留能力較為均衡。

MonoTower C18 的推薦 pH 使用范圍為 2–7.5，低于典型全多孔顆粒 C18 色譜柱的上限（通常為 pH 8 左右），這是硅膠整體柱材料本身化學(xué)穩(wěn)定性方面需要關(guān)注的特征。最高工作溫度為 70°C，最高使用壓力為 40 MPa（約 5800 psi）。內(nèi)徑為 3.0 mm，規(guī)格尺寸包括 50 mm、100 mm 和 150 mm 三種長(zhǎng)度。色譜柱為卡套式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——柱芯（cartridge）與專用柱套（holder）分離，用戶可根據(jù)分析需求選擇不同長(zhǎng)度的柱套實(shí)現(xiàn)單柱或串聯(lián)組合使用。

四、可串聯(lián)設(shè)計(jì)與分離性能
MonoTower 整體柱在結(jié)構(gòu)上的一個(gè)特點(diǎn)在于：由于背壓在單位長(zhǎng)度上的增加值較低，可以將多個(gè)短柱套串聯(lián)成為一根長(zhǎng)色譜柱，最長(zhǎng)可達(dá) 500 mm。在常規(guī)顆粒填充型色譜柱上，增加色譜柱長(zhǎng)度意味著背壓呈線性增加。例如，將兩根 250 mm 的常規(guī)柱串聯(lián)成 500 mm 時(shí)，背壓將翻倍，可能超出常規(guī) HPLC 設(shè)備的耐壓范圍。

低背壓整體柱使長(zhǎng)柱串聯(lián)成為可能。在實(shí)際測(cè)試中，500 mm 的串聯(lián) MonoTower C18 對(duì)中藥粗提物梯度洗脫的分離效果優(yōu)于 250 mm 顆粒柱，且在與 500 mm 串聯(lián)顆粒柱的比較中，MonoTower C18 分離出的色譜峰數(shù)量明顯多于顆粒柱。從實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)看，在 500 mm 的路徑長(zhǎng)度下，MonoTower C18 的理論塔板數(shù)顯著高于常規(guī)顆粒柱。這表明，整體柱通過延長(zhǎng)色譜柱長(zhǎng)度換取更高理論塔板數(shù)的技術(shù)路徑是可行的，其前提是整體柱的低背壓特性允許用戶在常規(guī) HPLC 設(shè)備上進(jìn)行較長(zhǎng)尺寸色譜柱的串聯(lián)操作。例如，將 50 mm 和 100 mm 的色譜柱串聯(lián)為 150 mm 進(jìn)行使用時(shí)，其分離性能與單根 150 mm 色譜柱基本一致。

五、抗污染能力與壽命表現(xiàn)
對(duì)于來源于生物樣品、環(huán)境樣品或植物提取物的復(fù)雜基質(zhì)分析，色譜柱堵塞是日常操作中較為常見的困擾。顆粒填充柱的柱頭入口端篩板是過濾顆粒物的主要組件，但蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等大分子或微粒會(huì)在篩板與柱頭之間的區(qū)域逐漸聚集，導(dǎo)致背壓持續(xù)上升、峰形變差。

整體柱結(jié)構(gòu)在這些方面表現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。由于流動(dòng)相通過貫通孔流動(dòng)，柱端不存在密集填充的顆粒層，對(duì)微粒堵塞的耐受度相對(duì)較高。另外，貫通孔的尺寸為 1 微米左右，允許相對(duì)更小尺寸的懸浮微粒通過而不發(fā)生滯留。這意味著樣品前處理的環(huán)節(jié)可相應(yīng)簡(jiǎn)化——不需要去除所有微小顆粒物，也可獲得可用的分析結(jié)果，其抗污染能力較常規(guī)顆粒填充柱有一定優(yōu)勢(shì)。

一項(xiàng)針對(duì)人血漿氨基酸分析的實(shí)際測(cè)試從側(cè)面印證了 MonoTower 柱的壽命表現(xiàn)。在連續(xù)進(jìn)行 1000 次人血漿樣品進(jìn)樣分析之后，NBD-氨基酸衍生物色譜峰的峰寬僅增大了 8%。這一數(shù)據(jù)表明整體柱在復(fù)雜生物基質(zhì)的反復(fù)進(jìn)樣條件下能保持相對(duì)穩(wěn)定的分離性能。

六、典型應(yīng)用場(chǎng)景
由于 MonoTower 整體柱兼具低背壓和高分離度的特點(diǎn)，它在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中具有實(shí)用的技術(shù)價(jià)值。

中藥成分分析與天然產(chǎn)物分離。中藥材提取物成分極為復(fù)雜，常含有數(shù)百種甚至上千種化合物。常規(guī) 150–250 mm 顆粒柱的分離能力在分析如此復(fù)雜的樣品時(shí)常常遇到挑戰(zhàn)。500 mm 串聯(lián)的整體柱可將理論塔板數(shù)提升至遠(yuǎn)高于單柱的水平，用于中藥指紋圖譜分析、活性成分篩選和質(zhì)控研究等方面。

藥物雜質(zhì)分析與強(qiáng)制降解研究。藥物強(qiáng)制降解實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的降解產(chǎn)物種類較多且結(jié)構(gòu)相似，需要高柱效色譜系統(tǒng)予以分離。MonoTower C18 的整體柱結(jié)構(gòu)搭配長(zhǎng)柱串聯(lián)模式，能夠提供足夠的峰容量以滿足復(fù)雜的雜質(zhì)譜分析需求。在生物分析領(lǐng)域，血漿、尿液及動(dòng)物組織提取物中目標(biāo)分析物的色譜分析往往需要避免內(nèi)源性基質(zhì)的干擾。MonoTower 整體柱的抗污染性能和相對(duì)較長(zhǎng)的柱壽命減少了維護(hù)頻率，尤其適用于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的大樣本量分析。

氨基酸與代謝物分析。使用 MonoTower C18 柱（3.0×150mm）在 NBD-F 衍生化條件下對(duì)氨基酸進(jìn)行分離分析時(shí)，整體柱提供了與 3 μm 顆粒柱相當(dāng)?shù)姆蛛x能力。

食品與保健品分析。食品基質(zhì)中的多種農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、添加劑和非法添加物分析中，MonoTower C18 的低背壓特性允許用戶使用常規(guī) HPLC 設(shè)備獲得更高柱效，進(jìn)而在一定程度上改善分離度、分辨原本未分離的色譜峰。

七、使用維護(hù)與注意事項(xiàng)
MonoTower 整體柱在日常使用中需要注意以下幾個(gè)方面。

壓力監(jiān)控。整體柱的背壓在色譜柱的初始使用期以及長(zhǎng)期運(yùn)行之后均需予以適當(dāng)關(guān)注。雖然整體柱的通透性較高，但如果進(jìn)樣基質(zhì)中含有較多微粒或蛋白質(zhì)類物質(zhì)，貫通孔也可能隨時(shí)間累積微小堵塞物，導(dǎo)致柱壓緩慢上升。當(dāng)背壓明顯高于出廠報(bào)告標(biāo)稱值時(shí)，宜按照廠家推薦的再生清洗程序進(jìn)行處理。

溶劑兼容性。由于整體柱結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性與鍵合相穩(wěn)定性密切相關(guān)，MonoTower C18 的 pH 耐受范圍為 2–7.5，不宜在堿性條件（pH>8）下長(zhǎng)期使用，以免硅膠骨架發(fā)生溶解或鍵合相水解脫落。碳載量較高且端基封尾的鍵合相允許分析物在常規(guī)反相條件下實(shí)現(xiàn)充分保留，避免了為增加保留而采取 pH 條件的需要。

連接與操作。MonoTower 為卡套式結(jié)構(gòu)，需搭配專用柱套使用，不同長(zhǎng)度色譜柱使用對(duì)應(yīng)的柱套固定到位、確保無死體積產(chǎn)生。柱套兩端連接管路時(shí)，應(yīng)使用匹配的管線接頭并避免擰得過緊。多柱串聯(lián)操作時(shí)，連接接口的匹配性及柱間管路的長(zhǎng)度控制對(duì)峰形有一定影響。

清洗與再生。對(duì)因基質(zhì)污染導(dǎo)致柱背壓升高時(shí)，推薦使用與日常分析流動(dòng)相極性相反的溶劑體系交替沖洗，以去除疏水和親水性雜質(zhì)?？蓞⒖紡S家提供的清洗方法逐步提高流速和沖洗體積，過程中注意控制柱壓不超過其最高耐壓 40 MPa。