高效液相色谱柱表征：Tanaka与Abraham方法的比较及其在保留机制解析中的应用

本刊推荐：为解决HPLC（高效液相色谱）柱选择性表征难题，研究人员系统比较了Tanaka测试与Abraham溶剂化参数模型(SPM)两种主流方法。通过对C18和CN两种固定相柱的分析，揭示了Tanaka hydrophobicity selectivity与Abraham cavity formation term的等效性，证明了Abraham模型能区分氢键给体/受体选择性并提供偶极/极化率信息。该研究为色谱柱精准筛选和保留机制解析提供了重要理论依据。

　　

在药物研发和环境监测等领域，高效液相色谱（HPLC）犹如一把精准的"分子尺子"，能够分离复杂混合物中的目标化合物。然而，选择合适的色谱柱始终是分析方法开发中的关键挑战——不同厂商生产的C18柱可能表现出截然不同的分离效果，这是因为溶质与固定相/流动相之间的相互作用机制尚未被完全解析。

目前主要存在两种表征策略：一种是基于溶质对相对保留值的Tanaka测试法，通过pentylbenzene/butylbenzene、triphenylene/o-terphenyl、caffeine/phenol等特定分子对来评估疏水性、形状选择性和氢键作用；另一种则是基于线性自由能关系（LFER）的Abraham溶剂化参数模型（SPM），通过多元线性回归获得系统常数（e, s, a, b, v）来全面量化五种分子相互作用力。虽然两种方法被广泛应用，但它们之间的关联性与差异性一直缺乏系统研究。

为破解这一难题，巴塞罗那大学的研究团队在《Journal of Chromatography A》发表了一项开创性研究，通过对比C18和CN两种典型反相色谱柱，首次揭示了两种表征方法的内在联系与本质差异。

研究人员采用多系列同系物（n-alkyl benzenes, n-alkyl phenones, n-alkyl ketones）通过Abraham模型方程精确测定死体积（hold-up volume），并测量72种特征溶质在乙腈-水（60:40, v/v）流动相中的保留因子。通过多元线性回归获得系统常数，并创新性提出将Abraham系数转化为与Tanaka测试对应的选择性系数（α_x = 10^x）的新方法。

研究结果首先通过死体积测定验证了方法的可靠性。n-烷基苯、n-烷基苯酚酮和n-烷基酮三个同系物的log k与McGowan体积V呈现优异线性关系（方程7），证明获得的死体积值（C18柱：1.51±0.06 mL；CN柱：0.692±0.07 mL）准确可靠。

在Tanaka表征方面，C18柱显示出更强的疏水性（k_{pentylbenzene} = 22.13 vs 4.38）和甲基ene选择性（α_{pentylbenzene/butylbenzene} = 1.59 vs 1.08）。两种柱均未显示明显形状选择性（α_{triphenylene/o-terphenyl} ≈ 1），但氢键选择性差异显著（C18柱：α_{caffeine/phenol} = 0.07；CN柱：0.85）。

Abraham模型分析则揭示了更丰富的相互作用信息。通过方程8和9获得的系统常数显示，C18柱的 cavity formation term（v = 1.468）远高于CN柱（v = 0.236），而氢键碱性项（b = -1.457 vs -0.271）和氢键酸性项（a = -0.515 vs -0.101）的绝对值也显著更大。标准化系数分析表明C18柱的整体选择性强度是CN柱的5.7倍，但两种柱的选择性模式相似（ unitary coefficients接近）。

最关键的发现在于两种方法的关联性解析：Tanaka疏水性选择性与Abraham空穴形成项直接等效（方程14-15），通过v系数可准确预测pentylbenzene/butylbenzene选择性（计算值：1.61 vs 1.08；实测值：1.59 vs 1.11）。然而，Tanaka形状选择性测试存在严重缺陷——triphenylene与o-terphenyl除形状外，在McGowan体积（1.8234 vs 1.9320）、氢键碱性（B: 0.42 vs 0.38）、偶极/极化率（S: 1.71 vs 1.35）和超额折射率（E: 3.000 vs 1.950）方面均有显著差异。Abraham模型预测C18柱应存在明显形状选择性（计算α = 0.49），但被其他因素抵消导致实测值接近1。

同样，Tanaka氢键测试（caffeine/phenol）混淆了溶质氢键给体（A: 0.08 vs 0.60）、受体（B: 1.25 vs 0.30）、体积（V: 1.36 vs 0.78）和极化特性（E: 1.50 vs 0.80; S: 1.82 vs 0.89）的多重差异，无法准确表征柱的真实氢键选择性。

基于这些发现，研究团队提出了基于Abraham系统常数的全新选择性系数（α_e, α_s, α_a, α_b, α_v）。数据显示，C18柱对溶质体积变化极度敏感（α_v = 29.40），而CN柱相对温和（α_v = 1.72）；对氢键碱性（α_b: 0.03 vs 0.54）和酸性（α_a: 0.31 vs 0.79）的选择性差异更为显著。

这项研究首次系统阐明了Tanaka与Abraham两种色谱柱表征方法的内在联系与本质区别。研究表明，Abraham溶剂化参数模型能提供更全面、更精准的相互作用信息，特别是能区分氢键给体与受体作用（分别对应a和b系数），并能量化偶极/极化率选择性（s系数）。而Tanaka测试中的疏水性指标与Abraham空穴形成项等效，但其形状和氢键选择性测试因溶质对的多参数变异而存在显著局限性。

该研究的重要意义在于为色谱工作者提供了更科学的柱表征策略：Abraham模型虽需更多实验数据，但能获得全面、定量的相互作用参数；而简化版的Tanaka测试仅适用于快速疏水性评估。研究者提出的新选择性系数（α_x = 10^x）首次实现了Abraham系统常数的直观化解读，使不同柱之间的选择性比较变得简单直观。

未来研究需重点开发能够量化形状选择性的新描述符，以完善Abraham模型的应用范围。这项研究不仅为色谱柱筛选提供了理论指导，更为理解分子水平上的色谱保留机制奠定了坚实基础，对制药、环境分析和生命科学领域的色谱方法开发具有重要指导价值。