高效液相色谱法(2)

2019-01-19 13:58

(3)真空脱气法 此时可使用微型真空泵,降压至0.05~0.07MPa即可除去溶解的气体。显然使用水泵连接抽滤瓶和G4微孔玻璃漏斗可一起完成过滤机械杂质和脱气的双重任务。由于抽真空易抽走有机相会引起混合溶剂组成的变化,故此法适用于单一溶剂体系脱气。对于多元溶剂体系,每种溶剂应预先脱气后再进行混合,以保证混合后的比例不变。

(4)超声波脱气法 将欲脱气的流动相放于超声波清洗器中,用超声波振荡10~15min。但此法的脱气效果较差。

(5)在线真空脱气法(on-1ine degasser) 以上几种方法均为离线(off-1ine)脱气操作,随着流动相存放时间的延长又会有空气重新溶解到流动相中。在线真空脱气技术是把真空脱气装置串接到贮液系统中,结合膜过滤器,实现了流动相在进入输液泵前的连续真空脱气。此法能智能控制,无需额外操作,成本低,脱气效果优于上述几种方法,并适用于多元溶剂体系。

15.2.2高压输液泵

15.2.2.1高压输液泵的特点

高压输液泵是高效液相色谱仪的重要单元部件,用于将流动相和样品输入到色谱柱和检测器中,从而使样品得以分析,其性能的好坏直接影响整个仪器和分析结果的可靠性。高压输液泵应具备以下特点:

(1)泵体材料耐化学腐蚀。通常使用普通耐酸、碱和缓冲液腐蚀的不锈钢。 (2)能在高压下连续工作。通常要求耐压40~50MPa·cm-2,能长时间连续工作。

(3)输出流量范围宽。对填充柱:0.1~10 mL·min-1(分析型);1~100 mL·min-1 (制备型)。对微孔柱:10~1000μL·min-1(分析型);1~9900μL·min-1(制备型)。

(4)输出流量稳定,重复性高。高效液相色谱使用的检测器,大多数对流量变化敏感,高压输液泵应提供无脉冲流量,这样可以降低基线噪声并获较好的检测下限。流量控制的精密度应小于1%,最好小于0.5%,重复性最好小于0.5%。其次还应具有易于清洗、易于更换溶剂、具有梯度洗脱功能等。

15.2.2.2高压输液泵的类型

高压输液泵按排液性能可分为恒流泵和恒压泵,按其结构不同又可分为螺旋注射泵、柱塞往复泵和隔膜往复泵。目前多用柱塞往复泵。

(1)恒流泵 输出恒定体积流量的流动相,在色谱分析中,柱系统中阻力总是会变的,因此恒流泵比恒压泵更具优势,使用更普遍。按工作方式恒流泵又可分为注射型泵和往复型泵。

①注射型泵 又称注射式螺杆泵,如图15.2所示。

图15.2 注射型泵工作原理图

1.步进电动机 2.变速齿轮箱 3.螺杆 4.活塞 5.载液 6.至色谱柱 7.用单向阀封闭的载液入口

工作原理:它利用步进电动机经齿轮螺杆传动、带动活塞以缓慢恒定的速度移动,使载液在高压下以恒定流量输出。当活塞达到每个输出冲程末端时,暂时停止输出流动相,然后以极快速度进入吸入冲程,再次将流动相由单向阀封闭的载液入口吸入泵中,再重新进入输出冲程的运行,如此往复交替进行。 优点:可在高输液压力下给出精确的(0.1%)无脉动、可重现的流量;可通过改变电动机的电压,控制电动机的转速,来改变活塞的移动速度,从而可调节流动相流量,使其输出流量与系统阻力无关;该泵因其流量稳定、操作方便、可与多种高灵敏度检测器联接使用。

缺点:由于泵液缸容积(约100~150mL)有限,每次流动相输完后,需重新吸入流动相,故当流动相流量大时,流动相中断频繁,不利于连续工作,使用两台泵交替工作可克服此不足之处;此泵在高压下工作,对活塞和液缸间的密封要求很高,更换溶剂不方便,且价格昂贵。注射型泵目前在高效液相色谱仪中使用较少,而在超临界流体色谱仪中使用较多。

② 往复型泵

工作原理:柱塞往复式泵,类似于具有单向阀的往复运动的小型注射器。通常由电动机带动凸轮(或偏心轮)转动,再用凸轮驱动活塞杆作往复运动,柱塞向前运动,液体输出,流向色谱柱;向后运动,将贮液器中流动相吸入缸体。前后往复运动,将流动相源源不断地输送到色谱柱中。通过单向阀的开启和关闭,定期将贮存在液缸里的液体以高压连续输出。当改变电动机转速时,通过调节活塞冲程的频率,就可调节输出液体的流量,如图15.3所示。此泵每往复一次输出的流量由柱塞的截面积和冲程决定,单位时间输出的流量由柱塞的往复次数决定。隔膜式往复泵的工作原理与柱塞式往复泵相似,只是流动相接触的不是活塞,

而是具有弹性的不锈钢或聚四氟乙烯隔膜。此隔膜经液压驱动脉冲式地排出或吸入流动相,隔膜式往复泵的优点是可避免流动相被污染。

目前已研制出双柱塞往复式串联泵,它由马达从相反方向推动两个球形螺旋传动,由于球形螺旋传动的齿轮有不同的圆周(2:1),使第一个活塞的运动速度是第二个活塞的两倍,如图15.4所示。它启动时,通过运行一个初始程序来决定两个柱塞向上移动能到达的最高位置,然后再向下移动至一个预定高度,控制器将两个活塞位置贮存在记忆中,完成初始化设定,泵I和泵Ⅱ就按设定参数操作。当驱动马达正向运转时,泵I流动相入口主动单向阀打开时,柱塞I向下移动,将流动相吸入泵I内,与此同时,泵Ⅱ柱塞Ⅱ向上移动,将流动相送入色谱系统。在完成由控制器设定的第一种柱塞运行冲程长度后,驱动马达停止,泵I入口主动单向阀门关闭,然后驱动马达反向运转,泵I流动相出口被动单向阀打开,此时柱塞I向上移动,泵Ⅱ柱塞Ⅱ向下移动,使泵I中流动相转移至泵Ⅱ,就完成控制器设定的第二种柱塞运行程序。重复进行上述过程,就使泵I吸入的流动相连续不断地进入泵Ⅱ,而泵Ⅱ每次仅排出压入流动相的一半,而实现以恒定流量连续向色谱系统输液。双杆塞往复式串联泵的主要特点是仅在泵I配有一单向阀,全部操作是用计算机进行控制的。

图15.3 柱塞式往复型泵工作原理图 图15.4 双柱塞往复式串联泵

1.偏心轮 2.柱塞 3.密封垫 1.贮液罐 2.泵Ⅰ(柱塞Ⅰ) 3.单向阀 4.流动相进口 5.单向阀 6.流动相出口 4.阻尼器 5.泵Ⅱ(柱塞Ⅱ) 6.至色谱柱

优点:可在高压下连续以恒定的流量输液;泵的液缸容积很小,其柱塞尺寸小易于密封;容易清洗及更换流动相、特别适用于梯度洗脱。

缺点:输出流动相虽然是连续的恒流量的,但存在脉冲波动,若与对流量敏感的折光指数检测器连接,就产生基线波动,难以进行准确的定量分析工作;柱塞式往复泵,柱塞直接与流动相接触造成污染(使用隔膜式往复泵可克服此缺点);长期运转后,因流动相含有的机械杂质会造成单向阀的阻塞,或因单向阀的阀球磨损而不能关闭单向阀。这些都会造成往复泵不能正常工作。

柱塞式往复泵在高效液相色谱仪中获得最广泛的应用,也是最重要的高压输液泵。

(2)恒压泵 恒压泵又称气动放大泵,是输出恒定压力的泵。

工作原理:当系统阻力不变时可保持恒定流量,当系统阻力发生变化时,输入压力虽然不变,但流量却随阻力而变。其气动放大泵的工作原理如图15.5所示。恒压泵是利用气体的压力去驱动和调节流动相的压力,通常采用压缩空气作为动力去驱动气缸中横截面积大的活塞5,再经过一个连杆去驱动液缸中横截面积小的活塞6。由于两个活塞面积有一定的比例(约50:1),则气缸压力p2传于液缸压力p1时,其压力也增加相应的倍数,而获得输出液的高压p1:

, (15.1)

式中:A1活塞面积;A2大活塞面积。当缸中的液体排出。

=50时,。此高压可将液

单液缸气动放大泵,每个输液冲程结束,气缸和液缸活塞即快速反向运行而重新吸液,结果几乎不中断流动相输出,但基线会有暂时的波动。若其具有双液缸,则可通过两个电磁阀定时切换气体压力,实现在一个液缸输液的同时,另一个液缸正在吸液,从而使流动相连续输出且不引起基线波动。使用气动放大泵时,输出流动相的流量不仅由泵的输出压力决定,还取决于流动相的粘度及色谱柱的压力降,因此在分析过程不能获得稳定的流量。

图15.5 气动放大泵

1.空气 2.连杆 3.输液 4.吸液 5.大活塞 6.小活塞

优点:能以比较简单的方式建立高压并输出无脉动的、稳定的流动相液流;可与折光指数检测器配合使用;可利用改变气源压力的方法来调节载液流速。 缺点:液缸体积大(约70mL),更换流动相不方便,如不使用两台泵无法实现梯度洗脱。不能输出恒定流量的流动相,不易测出重复的保留时间,不能获得可靠的定性结果。

在高效液相色谱仪发展初期,恒压泵使用较多,随往复式恒流泵的广泛使用,恒压泵现已基本不再使用。但在填充高效液相色谱柱时,使用的匀浆装柱机都配备气动放大泵,以快速建立所需的高压输出。

15.2.2.3输液系统的辅助设备

为了给色谱柱提供稳定、无脉动、流量准确的流动相,除具备高压输液泵外、还需配备管道过滤器和脉动阻尼器等辅助设备。

(1)管道过滤器 在高压输液泵的进口和它的出口与进样阀之间,应设置过滤器。高压输液泵的柱塞和进样阀阀芯的机械加工精密度非常高,微小的机械杂质进入流动相,会导致上述部件的损坏,同时机械杂质在接头的积累,会造成柱压升高,使色谱柱不能正常工作,因此管道过滤器的安装是十分必要的。 过滤器的滤芯是用不锈钢烧结材料制造的,孔径约2~3μm,耐有机溶剂的侵蚀。若发现过滤器堵塞(发生流量减小的现象),可将其浸入稀HNO3溶液中,在超声波清洗器中用超声波振荡10~15min,即可将堵塞的固体杂质洗出,若清洗后仍不能达到要求,则应更换滤芯。

(2)脉动阻尼器 往复式柱塞泵输出的压力脉动,会引起记录仪基线的波动,这种脉动可以通过在高压输液泵出口与色谱柱入口之间安装一个脉动阻尼器(或称缓冲器)来加以消除。图15.6为几种脉动阻尼器示意图。其中图15.6(a)为最简单、最常用的脉动阻尼器,它由一根外径约1.1~1.5mm、内径0.25mm,长约5m的螺旋状不锈钢毛细管组成,利用它的挠性来阻滞压力和流量的波动。起到缓冲作用,毛细管内径越细,其阻滞作用越大。这种阻尼器制作简单,但会引起系统中一定的压力损失。如将它改装成图15.6(b)所示的三通式,即可避免压力损失,且阻尼效果更好。图15.6(a)和(d)分别是可调弹簧式和波纹管式脉动阻尼器,它们的阻尼效果好,但其体积大,更换溶剂很不方便不适于梯度洗脱。图15.6(e)为一种新式脉冲阻尼器,它的内管壁用弹性材料制成,内、外管之间装有已脱气可压缩的液体,内管的弹性和装填液体的可压缩性,都可吸收输液系统中的压力波动。这种阻尼器死体积小,适用于梯度洗脱。

在输液系统中还应配备由压力传感器组成的压力测量、显示装置及流动相流量的测量装置。


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