《Talanta》：AKR1C1 expression is induced by hexavalent chromium exposure and lung squamous carcinoma development for mediating lipid metabolic dysregulation
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色谱柱几何形状对分离性能的影响研究，锥形柱通过直径连续变化优化流动相速度分布，提升分离聚焦效果并降低溶剂和固定相消耗，尤其适用于梯度洗脱和制备级应用，3D打印技术推动其定制化生产。
Sonja Mavri | Alen Albreht | Mitja Kri?man
斯洛文尼亚卢布尔雅那Hajdrihova 19号，国家化学研究所
摘要
色谱柱的几何形状在决定分离效率、速度和实际可用性方面起着核心作用。尽管圆柱形色谱柱在现代色谱分析中占据主导地位，但为了克服均匀直径设计带来的特定局限性，人们提出了其他几何形状的色谱柱。其中，圆锥形色谱柱因其内径连续变化而提供了截然不同的流动环境，这直接影响了溶质的传输和色谱带的分散。本文回顾了圆锥形色谱柱的发展，并讨论了描述沿柱轴移动相速度变化的分离过程所需的理论基础。实验结果表明，在简单等度条件下，圆锥形色谱柱的优势并不明显；但在梯度洗脱和制备级应用中，它们能带来显著的优势。通过具体案例展示了圆锥形色谱柱在提高溶质聚焦度、减少峰尾效应、增加样品负载量以及降低固定相和溶剂消耗方面的效果。圆锥形色谱柱应用受限的原因包括理论复杂性和历史制造限制。增材制造和数字设计的最新进展为重新探索非圆柱形和混合几何结构的色谱柱提供了可能，为低成本、高负载的分离应用打开了新途径。
引言
色谱柱是任何色谱分离过程的核心，最终决定了分析效率、分辨率、通量和整体分离速度。过去几十年中，色谱柱技术取得了显著进步，包括新型固定相化学物质的开发、颗粒设计的创新以及制造工艺的重大突破，这些进步极大地提升了色谱分析的性能。因此，色谱柱一直是持续创新的焦点，尤其是在对可持续性、灵敏度、负载能力、稳健性以及更快分析方法的需求不断增长的情况下。
色谱柱可以根据几何形状（圆柱形、圆锥形、毛细管形等）、规模（分析级、制备级、微流控级）和柱床类型（整体型、填充型）进行分类。关于非传统几何形状色谱柱的研究已经多次开展，实验和理论研究都一致指出这些设计相比传统圆柱形色谱柱具有潜在优势。本文重点讨论圆锥形色谱柱，其内径连续变化，直接影响移动相的线速度，从而影响色谱性能。文章回顾了柱设计的历史发展，简要介绍了与柱效率相关的理论基础，总结了当前关于圆锥形色谱柱性能优势的认识，并重点介绍了几种创新的柱形状设计方法。
此外，我们还探讨了当前阻碍圆锥形色谱柱广泛应用的认知空白、技术限制和实际挑战。目前，这些非圆柱形色谱柱主要局限于分离科学的小众领域，而圆柱形色谱柱仍占据色谱分析的主导地位。然而，圆锥形色谱柱在现代色谱分离中具有巨大的潜力。随着增材制造技术的快速发展，现在可以经济高效地快速生产出非标准化的定制色谱柱外壳，科学界和色谱行业都能从中受益。
圆锥形色谱柱的历史背景与演变
液相色谱的起源可以追溯到20世纪初，Mikhail S. Tswett在1906年的开创性实验为现代色谱技术奠定了理论和实践基础。在重力驱动的经典柱色谱中，使用垂直玻璃柱来容纳各种固体吸附剂，并将样品混合物小心地加入柱顶。根据分析物与固定相之间的相互作用类型和强度，...
理论基础
传统的色谱理论主要是基于内径恒定的色谱柱建立的，在理想操作条件下，假设整个柱长度内的流动条件和分离行为是均匀的。在这种框架下，分离效率通常用板模型来描述，并通过van Deemter方程表达，该方程考虑了通过填充床的多条流动路径对峰宽的影响。
性能评估与应用案例研究
表1总结了圆锥形和圆柱形色谱柱在关键性能指标（如柱效率、分离阻抗、负载能力和峰形）上的数据，突显了圆锥形设计的实际优势。这些数值来源于多篇文献，会因柱设计、移动相和实验条件而有所不同。
圆锥形色谱柱的性能很大程度上取决于...
局限性、挑战与实际考虑
尽管圆锥形色谱柱具有某些显著优势，但与标准圆柱形色谱柱相比也存在一些固有的性能限制。在等度条件下（即移动相组成在整个分离过程中保持不变时），圆锥形色谱柱的性能通常无法与圆柱形色谱柱相媲美。这一限制源于柱内径的变化会导致沿...
增材制造在定制色谱柱外壳设计中的应用
3D打印技术在色谱领域最直接和实用的应用是生产定制的色谱柱外壳，尤其是在制备级和半制备级色谱中，这些色谱柱的直径较大且压力要求适中。传统的制备级色谱柱外壳通常由不锈钢或工程聚合物制成，这限制了快速迭代和定制的可能性。增材制造技术使得...
跨领域联系与未来研究方向
研究表明，虽然圆锥形色谱柱在等度条件下的效率低于圆柱形色谱柱，但在梯度洗脱和制备级应用中具有明显优势。其最显著的优势在于节省溶剂和固定相的成本，在制备级分离中的应用更为明显。
未来的理论工作可能会致力于开发更加全面和预测性的数值模型...
一种结合了圆锥形和圆柱形特性的混合柱设计
考虑到圆锥形色谱柱的优点，如更高的样品负载能力、更低的固定相和溶剂消耗以及更好的色谱带聚焦效果，我们提出了一种混合设计（图3），将两种几何形状的优势结合在一个柱壳中。上游的圆锥部分应填充较粗的固定相，主要发挥预浓缩功能。
结论
圆锥形色谱柱主要在分析分离领域进行了研究，重点关注其色谱性能。大多数研究集中在效率、分辨率和流动行为上，而其在减少溶剂和固定相消耗方面的潜力则较少受到关注。然而，这些实际和经济方面的优势可能是圆锥形色谱柱最重要的特点。
生成式AI的使用声明
在撰写本文过程中，作者使用了SciSpace、InstaText和ChatGPT等工具来辅助查找和总结相关文献并进行语法检查。我们支持在文献检索和综述中负责任地使用生成式AI，因为它有助于优化时间管理并快速了解新兴研究和新的写作方法。
CRediT作者贡献声明
Alen Albreht：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构建。
Sonja Mavri：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、实验研究、概念构建。
Mitja Kri?man：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、数据整理、概念构建资助
本项工作得到了斯洛文尼亚研究与创新机构（前斯洛文尼亚研究机构）的研究核心资助（项目编号P1-0005）的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能的利益冲突：Alen Albreht表示获得了斯洛文尼亚研究与创新机构的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Janez Mavri教授在本文理论部分的宝贵帮助和专业知识。
