1前言

多孔石墨化碳（PGC）作为液相色谱填料的应用已有30多年的历史。与硅胶基质固定相不同，固定相可在强酸强碱环境中使用，并可耐受超过500℃的高温而不溶解。同时，与高分子材料基质固定相也不同，在不同流动相体系中并不会膨胀或缩小。这些特性弥补了硅胶基质固定相和高分子材料固定相的缺点。目前PGC商品化的色谱柱主要是Thermo-Fisher公司的Hypercarb柱，具有稳定性的机械性能，宽pH耐受范围，耐纯水相，低柱流失，是理想型的LC-MS联用的色谱柱，可用于极性化合物、顺反异构体、非对映异构体、糖类以及多氯联苯的分离。

2Hypercarb柱的制备及结构特点

2.1 PGC的制备

粒径50nm硅胶→饱和浸润硅胶基体与四氮六甲圜和苯酷（聚合物改性）→1000℃灼烧高温碳化→溶解残余硅胶，硅胶解离→2500℃灼烧石墨化一多孔石墨化碳（PGC）。

2.2 PGC柱结构特点

碳的结构形式有三种，它们有着确定的晶型。如图1-A所示，Bernal晶型有着完美的碳原子组成的层状三维结构，六边形的形状按照ABABAB……的规律进行排列，这是正六边形碳；这其中还有一种可能就是形成Lipson与Stokes结构，按照ABCABC……的规律进行排列，这是斜方六边形碳。这两种层之间间距为3.354Å，碳原子之间间距为1.42Å。对大多数合成碳而言，当加热温度超过时3000℃时，会变为图1-B所示Warren晶型，这是一种二维结构的碳，碳层之间的排列随机组合，称为无定形碳。相比较三维结构，其层间距变为3.40-3.43Å，碳原子之间间距有轻微减小。

经过硅胶—聚合物改性—1000℃高温剥离硅胶—2500℃高温石墨化等复杂步骤后才可生成，最终它有着150㎡/g的柱表面积，其可以看做是由二维六边形连接而成，连接紧密稳定，呈层状结构，具有非常稳定的物理化学性质。

2.3 PGC柱与普通硅胶基质的C18相比(见图2）

A优势：

① 化学稳定性好，柱寿命长。PGC柱在pH 0~14条件下均不会被破坏，而且在正反相模式均耐用；而硅胶C18柱在低pH时键合相烷基碳链会水解脱落，在pH大于9时硅胶会与碱反应进而破坏柱床。

② 对酸性和碱性化合物有更好的峰型。PGC柱没有硅醇基的干扰，且流动相pH耐受范围宽，尤其对碱性化合物可获得好的峰型。

③ 对极性化合物保留强。PGC柱表面石墨的电荷诱导作用，对极性分子具有电荷吸引作用从而增强保留，而极性化合物在常规C18柱几乎没有保留。

B劣势：

① 制备成本较高，市售价格高。

② PGC柱分离机制是非典型的反相色谱，兼有正相和反相色谱的机理，当前研究不够充分，还不能完全替代C18。

③ PGC基质可设计的空间小，不如硅胶基质可设计改造的空间大，这可能是其商品化率低的原因之一。

2.4 PGC柱分离原理

以 Hypercarb 色谱柱为典型，其分离原理总体是以下两个机制的综合：

① 分子形状（空间选择）：对于硅胶基质C18柱表面就像一个刷子，布满了硅醇基和烷基长链，而 Hypercarb是由碳原子排布成6角形的平整表面，就像芳环一样。这个平整的表面就是石墨化碳用来分离结构相似化合物的一个重要基础。分析物分子与 Hypercarb 相互作用的强度取决于与石墨表面接触面的大小和方向。图3显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，越可以贴近石墨化碳表面, 其作用的机会也就越多，因此保留作用就越强；反之，保留作用就越弱。

图3 分析物与Hypercarb 表面相互作用的平面和非平面分子的分子面积示意图

②  分子极性：极性分子永久带电（比如：碳水化合物，或者有羟基，羧基和氨基的化合物），因此可以引起石墨化碳表面的极性化，这样可以加强分子和石墨化碳之间的作用。石墨化碳是良好的导电材料，当带正电荷的分子（比如碱性化合物）或带负电荷的分子（比如酸性化合物）接近Hypercarb 表面时，如图4所示，石墨化碳表面电子迁移形成与分析物相反的电荷，形成静电作用。极性越强，静电作用力越强，因此保留越强。

图4 极性分析物接近Hypercarb 表面的点电荷示意图

3案例分析

3.1 非极性化合物的分离

表1 在不同类型固定相上α（CH3）和α（CH2）选择性

从上表可知，常规C18柱对甲基和亚甲基基团没有区分力，而PGC柱对甲基和亚甲基基团有很好的选择性。结合PGC柱对分子形状的分离机制，其对同分异构体（比如正丁基与异丁基）和同系物（比如多环芳烃类）有更好的选择性。

3.2 极性化合物的分离

由图5可知，多种苯胺类化合物在Hypercarb柱上可得到有效分离，出峰顺序是碱性越强保留时间越长；多种苯氧基酸在Hypercarb柱上可得到有效分离，出峰顺序是酸性越强保留时间越长。

3.3 不同取代位异构体的分离

如图6所示，在Hypercarb柱上，氨基苯甲酸（邻、间、对）三个异构体可得到有效分离，出峰顺序依次是间位、对位和邻位。

3.4 顺反式异构体及非对映异构体的分离

头孢呋辛酯含3个手性中心，1个顺反异构。如图7所示，在Hypercarb柱上，头孢呋辛酯分子中两对非对映异构体和顺反异构体均能得到有效分离，而在Hypersil SAS柱上非对映异构体的分离效果较差。Hypercarb柱对分子形状的分离机制在酯类抗生素异构体分离有较优的效果。

3.5 糖类化合物分离

如图8所示，在Hypercarb柱上，吗啡和吗啡的代谢产物均能得到有效分离，尤其图中2和3分别为不同取代位的葡萄糖醛酸吗啡能基线分离。Hypercarb柱对含糖类化合物有较好的选择性。

4总结

多孔石墨化碳（PGC）具有独特的石墨环结构和稳定的理化性质，作为新型色谱填料，以Thermo-Fisher公司的Hypercarb柱为代表，兼有普通C18的疏水性能，又具备独特的选择性，对极性化合物、顺反异构体、非对映异构体以及糖类化合物有卓越的分离效果，可以填补传统反相色谱的短板。PGC柱是惰性材质，耐受强酸强碱条件，柱流失低，不需要离子对试剂和复杂缓冲盐作流动相，是LC-MS分析理想的色谱柱类型。

参考文献

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.马浩. 动态涂覆的多孔石墨碳柱在离子色谱中的研究与应用.《华东理工大学硕士学位论文》.2014.14-15