1. 多孔石墨化碳（Porous Graphitic Carbon，PGC）要解决什么困难分离

            高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）中，十八烷基硅烷键合固定相（Octadecylsilane，C18）是最常用的反相色谱固定相。C18 的主要分离基础是疏水分配：分子疏水性越强，通常越容易被保留。这个规律适用于大量中等极性和非极性小分子，但在以下样品中常出现不足。

1）极性小分子保留不足。

            氨基酸、有机酸、核苷酸相关分子、糖磷酸和部分极性代谢物在 C18 上常保留不足，出峰时间接近未保留组分的出峰时间，峰容量低，分离窗口小。2024 年一项极性代谢组学研究指出，常规反相液相色谱对辛醇-水分配系数小于零的代谢物保留有限，极性代谢物通常需要亲水相互作用色谱（Hydrophilic Interaction Chromatography，HILIC）或衍生化气相色谱方法。

2）结构相似物难以区分。

            位置异构体、差向异构体、构型异构体、药物降解产物和糖链异构体可能具有相同分子量、相近极性和相似疏水性。C18 主要依赖疏水性差异时，容易出现共流出。

3）液相色谱-质谱联用（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry，LC-MS）方法不适合使用强离子对条件。

            离子对试剂可改善带电或高极性化合物的反相保留，但这类试剂可能吸附在液相部件、色谱柱和质谱离子源上，引起后续分析的信号抑制、柱效下降或系统残留。

            多孔石墨化碳（Porous Graphitic Carbon，PGC）的价值不是简单增强保留，而是提供一套不同于 C18 的分离逻辑。它能够利用石墨表面的 π 电子云、分子形状、极性基团位置和有效表面接触面积，对某些 C18 或 HILIC 难以处理的化合物产生新的保留和选择性。

2. PGC 为什么不是“更疏水的 C18”

            PGC 的固定相主体是多孔石墨化碳。石墨由六元碳环构成的平面层堆叠而成，单个平面可理解为石墨烯层。每个碳原子在平面内与三个相邻碳原子成键，剩余电子参与形成离域 π 电子云。PGC 由无定形碳模板经高温处理后形成交织的石墨化带状结构，表面既有较平整的石墨平面，也有石墨带之间的边缘区域。

            C18 固定相可以理解为一层疏水烷基链。分析物进入这层疏水环境后，主要根据疏水性差异分离。PGC 则更像一个具有 π 电子云的刚性石墨表面。分析物是否被保留，不只取决于疏水性，还取决于它能否靠近石墨表面，是否有可极化基团，是否能形成足够大的表面接触面积。

3. PGC 的保留来自哪些作用

            PGC 同时受分散作用、石墨极性保留效应和有效表面接触面积影响。

3.1 分散作用：PGC 具有部分反相特征

            PGC 表面由碳原子组成，对疏水分子可以产生分散作用。对于部分烷基苯、硝基烷烃等同系物，PGC 与 C18 的保留趋势存在一定相关性。

            这说明 PGC 并非完全脱离反相规律。疏水面积增加仍可能增强保留。但分散作用只能解释 PGC 与 C18 相似的一面，不能解释 PGC 对极性环状分子、共轭分子和异构体的特殊选择性。

3.2 石墨极性保留效应：极性基团可能参与电子相互作用

            石墨极性保留效应（Polar Retention Effect on Graphite，PREG）是 PGC 区别于 C18 的关键概念。它指的是分析物中的极性或可极化基团与石墨表面 π 电子云之间可能产生的电子相互作用。

            这种作用的具体机制尚未完全明确。它可能与电荷诱导、孤对电子供受作用、π-π 重叠以及分析物极性基团相对于石墨平面的位置有关。

            在 C18 上保留较弱的极性化合物，在 PGC 上不一定弱保留。在分子能够接近石墨表面、具有足够接触面积且流动相条件合适时，含有杂环、羰基、羟基、羧基、氨基、磷酸基、芳香环或共轭结构的分子，可能通过极性基团和石墨 π 电子云形成额外相互作用。

3.3 有效表面接触面积：平面贴合能力影响保留强弱

            PGC 对分子形状很敏感。分析物越能以较大面积靠近石墨表面，越可能获得较强保留。平面性好、刚性强、芳香性或共轭程度高的分子，通常更容易与石墨表面形成有效接触。

            比如尿嘧啶结构更平面，可以与石墨面形成较大的接触面积；二氢尿嘧啶因环结构饱和后更非平面，接触面积降低，因此保留明显减弱。

            从方法开发角度，可作定性理解：PGC 保留强弱 ≈ 分散作用 + 石墨极性保留效应 + 分子与石墨表面的有效接触面积。 

4. 哪些样品值得优先尝试 PGC

            PGC 适合用于“常规固定相保留不足或选择性不足”的问题。是否值得尝试 PGC，应优先看分析物结构，而不是只看极性大小。

            注意：PGC 优先适合“有结构特征的极性化合物”，而不是所有极性化合物。

            小型极性分析物即使具有羰基、平面结构或不均匀电荷分布，也可能因为分子太小、与石墨面的接触面积不足，表现出较弱保留；而尿嘧啶、胞嘧啶等极性环状化合物则可以在 PGC 上获得保留。

5. PGC 有价值的三个应用场景

5.1 极性代谢物分析

            极性代谢物涉及能量代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢、糖代谢和磷酸化中间体。它们在 C18 上常保留不足，使用 HILIC 时又可能受到高有机相起始条件和样品溶剂匹配的限制。

            PGC 可作为 C18 和 HILIC 之外的补充路线。2024 年极性代谢组学研究显示，PGC-LC-MS 方法可可靠保留 logP 低至约 -9.1 的极性代谢物，覆盖 logP 约 -9.1 至 5.6 的代谢物范围，并通过质量控制体系评估重复性、回收率和定量表现。

在极性代谢物分析中，PGC 主要用于解决以下方法开发需求：

            1)目标物在 C18 上保留不足，出峰时间接近未保留组分；

            2)HILIC 对样品溶剂、初始流动相或柱平衡条件要求较高；

            3)离子对试剂不适合共用 LC-MS 系统；

            4)希望减少衍生化步骤，直接分析水溶性代谢物；

            5)需要在同一方法中覆盖极性到中等极性代谢物。

5.2 糖类、寡糖和糖链异构体分析

            糖链分析的难点不只是极性强，更在于异构体多。组成相同的糖链可能因连接位置、分支方式、构型或唾液酸连接方式不同而具有不同生物意义。

            PGC 在糖组学中常用于糖链异构体分离。2021 年一项 N-糖链研究指出，PGC 色谱因较高分辨能力而适用于 N-糖链分离，但稳健和可重复实施并不总是容易；该研究使用自填装 PGC 柱，在卵巢癌组织样品中检测到多种结构和组成异构体。

在糖类和糖链分析中，PGC 主要用于放大以下结构差异：

            1)相同组成的糖链是否包含多个结构异构体；

            2)糖苷键连接位置是否不同；

            3)分支结构是否不同；

            4)唾液酸连接方式是否不同；

            5)不同样品组之间是否存在特定异构体比例变化。 

5.3 药物杂质、降解产物和结构相似物分析

            药物研发和质量控制中，困难分离常来自结构高度相似的杂质、降解产物、位置异构体和差向异构体。这些化合物可能在 C18 上具有非常接近的保留。

            PGC 可作为正交选择性固定相。它关注的不只是疏水性差异，还包括分子平面性、取代基空间方向、极性基团位置和与石墨表面的接触方式。2024 年 PGC 综述也将异构体分离列为 PGC 固定相的重要应用方向之一。

在药物杂质和结构相似物分析中，PGC 主要用于补充反相色谱选择性：

            1)主成分与极性杂质在 C18 上分离不足；

            2)降解产物与主峰或已知杂质共流出；

            3)位置异构体、差向异构体或构型异构体难以区分；

            4)离子对方法不适合 LC-MS 检测；

            5)更换不同 C18、苯基柱或极性嵌入型反相柱后，选择性仍不足。

6. PGC 方法常见问题与排查

            PGC 的特殊选择性也带来方法开发难点。常见的问题是保留漂移、残留、强吸附、柱平衡不足和基质影响。

            Bapiro 等人的研究提出，PGC 方法中的保留损失和变异性可能与梯度前后未能维持一致的 PGC 表面状态有关；通过调控流动相程序中的准备、洗脱和维持阶段，可以降低保留损失和变异性。

PGC 方法开发中应特别注意三点。

            ① 不要只优化洗脱梯度。柱平衡、强洗脱、再平衡和清洗程序同样重要。

            ② 不要只看标准品。复杂基质可能改变 PGC 表面状态。需要做基质空白、基质加标和连续进样实验。

            ③不要沿用 C18 的所有经验规则。尿嘧啶等在 C18 上常用于死时间判断的小分子，在 PGC 上可能被保留，不能直接作为死时间标记物。

7. PGC 给科研和实验设计带来的启发

            PGC 不只是解决保留不足的备用色谱柱，也可以作为研究分子结构差异的工具。它把分子平面性、电子分布、极性基团位置和空间构型差异转化为色谱保留差异。

7.1 用多固定相比较判断分离机制

同一组化合物可分别在 C18、HILIC 和 PGC 上测试。三种固定相的保留差异可以帮助判断：

            1) 分离主要受疏水性控制，还是受极性和形状控制；

            2) 异构体差异是否来自空间构型；

            3) 极性基团是否可能参与石墨极性保留效应；

            4) 分子是否具有适合 PGC 分离的平面接触区域。

            这种比较不是简单“试柱子”，而是通过不同固定相的保留行为推断分子相互作用特征。

7.2 用结构特征建立 PGC 方法开发假设

PGC 方法开发可以从以下结构特征建立假设：

            1) 平面性；

            2) 芳香环数量；

            3) 共轭程度；

            4) 可旋转键数量；

            5) 极性表面积；

            6) 偶极分布；

            7) 可极化性；

            8) 分子投影面积；

            9) 氢键供体和受体数量；

            10) 带电状态。

            这些参数不能单独决定保留，但能帮助实验人员判断哪些化合物值得优先用 PGC 筛查。

7.3 用 PGC 发现常规方法掩盖的异构体

            复杂样品中，一个单峰不一定代表一个单一结构。对于糖链、天然产物、代谢物和药物杂质，PGC 可能把 C18 上的单峰拆分为多个异构体峰。

适合开展的研究问题包括：

            1) C18 上的单峰在 PGC 上是否被拆分；

            2) 被拆分的峰是否具有相同精确质量；

            3) 二级质谱碎片是否提示连接方式或构型差异；

            4) 不同生物状态下异构体比例是否变化；

            5) 色谱分离差异是否能解释功能、活性或代谢路径差异。

            PGC 的科研价值在于，它不只帮助“看见峰”，也可能帮助“看见结构差异”。

8. 多孔石墨化碳色谱柱相关产品选表导航：从方法条件、保留机制到糖类与极性小分子分析

表1｜PGC 方法开发基础材料、流动相与挥发性添加剂

表2｜PGC 保留机制评价物、核碱基、核苷与核苷酸

表3｜糖类、二糖异构体与糖链相关单元

表4｜极性代谢物、高极性离子型分析物与农残代表物

            注：以上为阿拉丁代表产品，更多产品规格可用‘品名/CAS/货号’在阿拉丁官网检索。

参考文献

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