高效液相色譜儀的研制與技術(shù)開發(fā)―P200II.doc

高效液相色譜儀的研制與技術(shù)開發(fā)P200II型高效液相色譜恒流泵結(jié)構(gòu)與特征李彤 梁作成 劉振波 張慶合 張維冰 張玉奎（大連依利特分析儀器有限公司，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，大連，116011）摘 要 研究開發(fā)的P200II型HPLC泵具有優(yōu)良的性能，輸液平穩(wěn)，適應(yīng)性強(qiáng)，耐高壓壽命長(zhǎng)且維修方便。特殊設(shè)計(jì)的凸輪與阻尼彈簧緩沖系統(tǒng)匹配結(jié)合，使流量精確度可以達(dá)到0.5%RSD的水平，流量范圍超過4個(gè)數(shù)量級(jí)。關(guān)鍵詞 高效液相色譜； 恒流泵； 凸輪；Research And Development Of High Performance Liquid Chromatography Instrument-Configuration And Performance Of P200II HPLC Constant Flow Pump Li Tong, Liang Zuocheng, Liu Zhengbo, Zhang Qinghe, Zhang Weibing, Zhang Yukui(Dalian Elite Analytical Instrument Co., Ltd., 116011)(Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, 116011)Abstract P200II HPLC constant Flow dual piston pump have been studied and developed. A more efficient way to provide a constant and almost pulse free flow is the use of dual-headed reciprocating pumps. The non-linear acceleration/deceleration profile was designed used to obtain eccentricity-shaped cams. As a result, the two flow-profiles overlap each other significantly reducing the pulsation downstream of the pump and smooth flow was obtained. The flow rate precision (RSD) less than 0.5%.Keyword High Performance Liquid Chromatography Instrument; Constant Flow Pump; cam 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液相色譜儀器在自動(dòng)化、智能化等方面也得到長(zhǎng)足的發(fā)展?！熬盼濉眹?guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃“高效液相色譜儀的研制與技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目研制的P200型高效液相色譜系統(tǒng)在泵系統(tǒng)、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理和流路等方面，均取得了有自主產(chǎn)權(quán)的進(jìn)展，有些方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這一成果的完成和推廣，不僅可以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，而且標(biāo)志著我國(guó)HPLC儀器的研制和開發(fā)的總體實(shí)力已達(dá)到可能與國(guó)際同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的水平。P200型高效液相色譜系統(tǒng)主要由輸液泵、色譜柱、檢測(cè)器、連接管路和控制部分構(gòu)成。高壓泵是高效液相色譜儀的重要組成部件之一，高壓泵的性能直接影響分析的穩(wěn)定性、重復(fù)性和精度。隨著高效液相色譜分析在實(shí)際應(yīng)用中的普及和分析要求的提高，對(duì)高壓液相色譜泵的輸液精度、脈動(dòng)等性能的要求也越來越高，國(guó)外各大液相色譜生產(chǎn)廠家競(jìng)相開發(fā)高精度、低脈動(dòng)產(chǎn)品，僅在19962001的五年間，在美國(guó)和歐洲申請(qǐng)的關(guān)于液相色譜泵系統(tǒng)的專利就多達(dá)近百項(xiàng)。隨著我國(guó)加入WTO，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析儀器系統(tǒng)，發(fā)展中國(guó)自己的液相色譜技術(shù)、液相色譜儀的生產(chǎn)已成為當(dāng)務(wù)之急，對(duì)促進(jìn)我國(guó)生化、環(huán)保、藥物檢測(cè)等具有重大意義。目前常用的液相色譜泵包括氣動(dòng)放大泵、往復(fù)泵、螺旋注射泵、隔膜泵等幾種1，由于氣動(dòng)放大泵和螺旋注射泵存在流量調(diào)節(jié)不便、溶劑更換困難、不利于進(jìn)行梯度洗脫等缺點(diǎn)，應(yīng)用越來越少。機(jī)械往復(fù)泵以其性能穩(wěn)定、流量調(diào)節(jié)和溶劑更換方便等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用在液相色譜儀器中。機(jī)械往復(fù)泵可分為往復(fù)式柱塞泵和往復(fù)式隔膜泵兩類，而往復(fù)式柱塞泵的應(yīng)用相對(duì)更為普遍。往復(fù)式柱塞泵采用雙柱塞或多柱塞系統(tǒng)可在一定程度上減少輸出脈沖，常見的雙柱塞泵有并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種，并聯(lián)泵一般采用兩個(gè)或一個(gè)凸輪，兩個(gè)柱塞桿并聯(lián)使用，為了減小脈沖，通常把360凸輪曲線分為勻加速、勻速和勻減速三個(gè)階段。這種泵需要4套單向閥，增加了污染和故障的機(jī)會(huì)。串聯(lián)式雙柱塞泵的第二個(gè)泵頭通常不加單向閥，需要兩個(gè)凸輪，主付柱塞輸液流量比為2：1，當(dāng)主柱塞排液時(shí)，只有50%的液體進(jìn)入色譜系統(tǒng)，另外的50%蓄積在付柱塞腔中，當(dāng)主柱塞吸液時(shí)，付柱塞將其中的液體輸送進(jìn)色譜系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)只有兩個(gè)單向閥，出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)相對(duì)較小，流量精度提高，壓力波動(dòng)也相應(yīng)減小，更換溶劑方便，適于梯度淋洗。雖然雙柱塞泵的各種改進(jìn)在很大程度上減小了脈沖，但是仍不能從根本上完全消除脈沖現(xiàn)象。所以一般柱塞泵還需要采用脈沖阻尼器或?qū)崟r(shí)壓力反饋系統(tǒng)等2-5以進(jìn)一步減小脈沖。P200型高壓恒流泵采用特殊設(shè)計(jì)的往復(fù)式雙柱塞系統(tǒng)，凸輪和緩沖器耦合緩沖技術(shù)結(jié)合直流電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，可獲得低脈沖極穩(wěn)定的液流。兩級(jí)密封圈和浮動(dòng)式泵頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也使柱塞桿和密封圈壽命延長(zhǎng)，且機(jī)械噪聲極低。1P200型高壓恒流泵的結(jié)構(gòu)與特征11 外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)P200性高壓恒流輸液泵的外觀如圖1所示，圖2為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。表1中也同時(shí)給出了相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。圖1 P200型高壓恒流泵外觀設(shè)計(jì)圖2 P200型高壓恒流泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖表1 P200型高壓恒流泵的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)流量范圍0.01mL/min4.99mL/min（以0.01mL/min為步長(zhǎng)增量調(diào)節(jié)）。流量準(zhǔn)確度10l（0.01mL/min0.1mL/min）5%（0.5mL/min4.99mL/min）流量精確度0.5%（0.5mL/min4.99mL/min）RSD壓力范圍0.1MPa40.0MPa壓力精度1.0MPa使用溫度范圍535電 源22010%VAc，5010%Hz外型尺寸402815 cm（長(zhǎng)寬高）重 量23Kg12 P200型高效液相色譜儀的性能特征1. 輸液平穩(wěn)P200型高壓恒流泵的所有機(jī)械零部件能保證相應(yīng)的加工精度；電子元件方面采用了高質(zhì)量的芯片和進(jìn)口直流電機(jī)，同時(shí)采用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的特殊緩沖技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低脈沖穩(wěn)定輸液。高精度恒定流量為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠提供了必要的保證。2. 適應(yīng)性強(qiáng)由于采用了兩級(jí)密封圈的結(jié)構(gòu)，用戶可以方便地沖洗柱塞桿，特別是在使用高濃度的緩沖溶液作流動(dòng)相時(shí)，能夠洗掉從緩沖液中結(jié)晶的鹽粒，延長(zhǎng)柱塞桿和密封圈壽命。3. 耐高壓壽命長(zhǎng)且維護(hù)方便單向閥、密封圈和柱塞桿等單元部件均選用國(guó)外專業(yè)廠家的名牌產(chǎn)品，使P200高壓恒流泵的壽命更長(zhǎng)。此外泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，由于采用了浮動(dòng)式泵頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶可極為方便地自行更換相關(guān)單元部件。2P200型高壓恒流泵的技術(shù)內(nèi)涵1. 通過理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了特定結(jié)構(gòu)的凸輪及其工作曲線（見圖3）。相差為180的凸輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下推進(jìn)柱塞桿，完成輸液過程。主付凸輪具有完全相同的基圓半徑，主凸輪升程為10，付凸輪升程為7.125；使得柱塞運(yùn)行過程中輸出液流平穩(wěn)。2. 設(shè)計(jì)了與主付凸輪匹配的特殊的阻尼彈簧緩沖系統(tǒng)（見圖4），可以得到極低脈沖輸出流型，克服了傳統(tǒng)緩沖系統(tǒng)故障率高、效果差等不足。凸輪及阻尼的特殊設(shè)計(jì)與協(xié)同作用有效減小了液流脈動(dòng)，對(duì)由于組成不同引起的壓縮系數(shù)差異而導(dǎo)致流量差異可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，避免了Waters等公司采用雙壓力傳感器的較高成本。采用雙防護(hù)閥與壓力緩沖系統(tǒng)結(jié)合，也能夠有效地防止了每次輸液過程中的回流現(xiàn)象。3. 對(duì)傳統(tǒng)的柱塞推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)6，改進(jìn)傳統(tǒng)連動(dòng)桿與柱塞桿一體結(jié)構(gòu)為分體結(jié)構(gòu)，保證了柱塞桿在更短時(shí)間內(nèi)回到原位，由于壓力差引起的脈動(dòng)現(xiàn)象減少到最小，可獲得低脈動(dòng)極穩(wěn)定的液流且機(jī)械噪聲也極低。4. 采用了進(jìn)口直流電機(jī)控制技術(shù)，改善了低頻運(yùn)行特性，減小了脈動(dòng)現(xiàn)象，擴(kuò)大了輸液泵流量范圍，其流量范圍可達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。5. 上述特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得在兩個(gè)柱塞桿交替過程中泵頭極少量的液體產(chǎn)生相應(yīng)的壓力反彈，避免了采用完全真空注入法帶來的氣泡和空穴產(chǎn)生等問題，起到了與PE公司泵專利結(jié)構(gòu)同樣的功能，而不需附加特定組件，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本，同時(shí)增加了泵的穩(wěn)定性。圖3 特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的凸輪及其工作曲線圖4與主付凸輪匹配的阻尼彈簧緩沖系統(tǒng)1. 付泵頭體; 2. 密封環(huán); 3. 密封墊片; 4. 定位套; 5. 導(dǎo)向環(huán); 6. 螺塞桿套; 7. 導(dǎo)向套; 8. 泵頭壓簧; 9. 支撐墊; 10. 柱塞桿3性能測(cè)試3.1重復(fù)性實(shí)驗(yàn)表1給出了11次進(jìn)樣分析四組分混合物的重復(fù)性數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0047,表明泵流量精度較高。表1 P200型色譜系統(tǒng)保留時(shí)間重現(xiàn)性編號(hào)尿嘧碇(min.)硝基苯(min.)萘 (min.)芴(min.)11.431.933.014.5321.411.923.004.5331.411.922.994.5141.421.933.004.5351.391.922.994.5161.401.912.994.5071.391.912.984.5081.401.912.994.5091.421.922.994.50101.431.922.994.49111.431.933.004.52121.421.922.994.51RSD(%)0.0150.0070.0080.014實(shí)驗(yàn)條件：色譜柱：1504.6mm, Hypersil ODS2 5m；流動(dòng)相：85/15甲醇/水，1ml/min; 樣品：尿嘧啶、硝基苯、萘、芴3.2 梯度運(yùn)行實(shí)驗(yàn)梯度運(yùn)行實(shí)驗(yàn)是衡量高效液相色譜恒流泵系統(tǒng)的重要指標(biāo)。圖5給出了二元梯度試驗(yàn)結(jié)果，可以看出設(shè)定值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，誤差小于3%，已達(dá)到目前世界上主要液相色譜儀器的性能指標(biāo)。與JASCO1575高壓梯度系統(tǒng)梯度性能比較，梯度滯后時(shí)間短、信號(hào)穩(wěn)定度更優(yōu)。圖5 P200II型高壓梯度（上）與JASCO1575高壓梯度系統(tǒng)（下）梯度性能比較小結(jié)P200型高效液相色譜輸液泵在泵體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)等諸多方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，申請(qǐng)專利數(shù)項(xiàng)，產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。標(biāo)志著我國(guó)HPLC儀器的研制和開發(fā)的總體實(shí)力已達(dá)到可能與國(guó)際同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的水平。對(duì)于發(fā)展中國(guó)自己的液相色譜技術(shù)、液相色