臺錐形制備液相色譜柱柱柱效的柱上可視化研究

臺錐形制備液相色譜柱柱柱效的柱上可視化研究

近年來，隨著制藥工業(yè)和生物技術(shù)的發(fā)展，溶液鉻的制備得到了廣泛應(yīng)用。在提取生物活性成分和植物中有效成分的過程中,由于樣品成分復(fù)雜,并且有效成分的含量很低,需要多次循環(huán)操作才能制備出純度較高的產(chǎn)品,導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高。制備色譜考慮的是如何用最低的生產(chǎn)成本制備出產(chǎn)品,即提高產(chǎn)率,所以提高柱效和柱的樣品負(fù)荷容量是制備色譜柱的研究重點。制備柱的內(nèi)徑遠(yuǎn)大于分析柱的內(nèi)徑,裝填技術(shù)比較復(fù)雜而且要求很高,更突出的問題是樣品在柱頭的分配很難達(dá)到均勻,因此造成表觀柱效低于分析柱。如何改善色譜柱的裝柱技術(shù),以及如何使樣品在色譜柱柱頭實現(xiàn)更均勻的分配,一直是制備色譜工作者關(guān)注的問題。近幾年有更多的學(xué)者關(guān)注制備色譜柱的研究。在制備液相色譜中,篩板用于承載填料,防止填料進(jìn)入色譜柱輸液管路中造成阻塞。此外,柱頭篩板還具有避免床層被高速液流破壞和對樣品進(jìn)行一定程度分配的功能。制備液相色譜柱直徑較大,因此柱頭篩板對樣品的分配及對柱效的影響很大,篩板的厚度、相對直徑和孔徑均對色譜柱的柱效有顯著的影響。由于篩板的影響能使色譜柱柱效相差10倍,美國橡樹嶺國家實驗室的Guiochon等用可視化研究方法考察了圓柱形制備液相色譜柱中柱頭篩板的直徑和孔徑對流型的影響?？疾熘Ц叩偷淖钪苯臃椒ㄊ怯^察樣品在色譜柱內(nèi)的譜帶流型和運動狀態(tài)。在液相色譜中獲得塞子狀的流型是人們追求的目標(biāo),因為這意味著高柱效。研究譜帶流型,對于研究制備柱的柱頭和樣品分配篩板設(shè)計、裝柱技術(shù)、柱型選擇和設(shè)計、填料和流速選擇、進(jìn)樣方式等具有重要的指導(dǎo)意義。我們根據(jù)可視化方法的原理,研究了制備級臺錐形液相色譜柱的譜帶流型,結(jié)果表明臺錐形制備柱比相同體積、相同長度的圓柱形制備柱有更高的分離柱效和更大的樣品容量。實驗過程中我們發(fā)現(xiàn),柱頭篩板材料及直徑的選取對臺錐形柱內(nèi)樣品的流型有很大影響。本文比較了使用多孔聚四氟乙烯(PTFE)篩板和多孔燒結(jié)不銹鋼篩板時樣品譜帶的流型和柱效,考察了柱頭篩板的相對直徑對臺錐形柱內(nèi)樣品譜帶流型的影響。1實驗部分1.1紫外-可見變波長檢測環(huán)己烷(分析純,遼寧省醫(yī)藥經(jīng)貿(mào)公司試劑廠)作為液相色譜流動相;碘(分析純,天津市勵特吉爾環(huán)保技術(shù)研究所)作為觀察流型用的有色試劑,用環(huán)己烷配制成碘質(zhì)量濃度為10g/L的有色溶液,經(jīng)固相萃取柱過濾后使用(固相萃取柱內(nèi)使用與色譜柱相同的填料);丙三醇(分析純,沈陽市聯(lián)邦試劑廠)作為折射率補(bǔ)償溶劑。LC-100P高流量HPLC泵(大連江申分離科學(xué)技術(shù)公司);LC-830紫外-可見可變波長檢測器,波長范圍190~600nm(SomaOptics,Ltd.,Japan);科分Win-98色譜工作站,Ver.1.08(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所);DSC-S85Cyber-shot數(shù)碼照相機(jī)(SonyCorporation,Tokyo,Japan)。1.2充填材料本構(gòu)模型自制臺錐形色譜柱尺寸50mm(柱長度)×20mm(入口內(nèi)徑)→7mm(出口內(nèi)徑),柱管材均采用有機(jī)玻璃,柱管內(nèi)壁鏡面拋光。柱內(nèi)填充40~63μm無定型C-GelC18化學(xué)鍵合硅膠(CUChemieUetikonAG,Switzerland),干法填充。篩板板厚均為2mm、孔徑均為20μm,制作材料分別為多孔燒結(jié)不銹鋼材料(北京安泰科技股份有限公司)和多孔聚四氟乙烯材料(美國Alltech公司)。進(jìn)樣器用有機(jī)玻璃加工成型,直接柱上進(jìn)樣,能清楚地觀察到樣品在色譜柱頭分配的全過程。1.3色譜柱的流型觀察為了使色譜柱呈透明狀態(tài),我們對流動相進(jìn)行了選擇,使填料與流動相的折射率相近。圖1為采用環(huán)己烷和乙醇作流動相時的色譜柱照片。由圖1可發(fā)現(xiàn),用環(huán)己烷作流動相的色譜柱床層呈透明狀態(tài)(圖1-b),這是因為填料和環(huán)己烷的折射率分別為1.46和1.42,二者相近;而乙醇的折射率為1.36,與填料的折射率相差較大,因此床層不透明(圖1-a)。為了觀察柱內(nèi)樣品譜帶的真實流型,避免由于圓柱形或圓錐形柱管產(chǎn)生的類似透鏡的效果而使觀察到的流型發(fā)生嚴(yán)重變形,我們將有機(jī)玻璃柱浸入盛有丙三醇的方形容器中。丙三醇與有機(jī)玻璃的折射率分別為1.474和1.49,二者的相近可以消除由于介質(zhì)與有機(jī)玻璃柱折射率的差異使觀察到的流型產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。1.4流速和檢測波長的選取進(jìn)樣:為了能清晰地觀察到樣品譜帶的流型,并且不使樣品譜帶的縱向?qū)挾冗^大,實驗選取有色的10g/L碘的環(huán)己烷溶液,進(jìn)樣量為80μL。流速:隨著流動相流速的增加,色譜柱所受壓力隨之增加,樣品譜帶流型的縱向?qū)挾纫苍黾??？紤]到色譜柱可以承受的壓力以及流型的可觀察性,實驗采用的流速小于12mL/min。檢測波長:碘的環(huán)己烷飽和溶液在波長520nm處有最大吸收,但由于制備液相色譜的進(jìn)樣量較大,當(dāng)使用分析型紫外檢測器時,為防止檢測信號飽和,選取吸收較弱的波長作為測量波長。本實驗選取的測量波長為460nm。2結(jié)果與討論2.1色譜柱的篩選分別采用孔徑均為20μm的多孔燒結(jié)不銹鋼和多孔PTFE作為色譜柱的篩板材料,比較了臺錐形柱在不同流速下的柱效(以理論塔板數(shù)表示)(見圖2)。結(jié)果表明,采用多孔PTFE作為柱頭篩板材料的色譜柱,其柱效比用多孔燒結(jié)不銹鋼作為篩板材料的色譜柱柱效低約40%。這是因為:多孔PTFE篩板硬度較小,流動相及樣品以一定流速流經(jīng)該篩板時,使其產(chǎn)生一定程度的變形,而篩板局部各處的變形不一定均勻,致使樣品流經(jīng)該篩板后流速在徑向各點上不相等,造成譜帶的徑向擴(kuò)散。2.2流型的使用與柱效關(guān)系由于目前市場上提供的商品篩板直徑有限,許多色譜工作者常常使用外套聚四氟乙烯環(huán)或聚醚醚酮(PEEK)環(huán)的不銹鋼篩板。我們在臺錐形色譜柱柱頭上采用兩種篩板,一種是外套PTFE環(huán)的不銹鋼篩板,即PTFE環(huán)外徑為20mm,內(nèi)部包圍直徑為14mm的多孔燒結(jié)不銹鋼(孔徑20μm);另一種是無環(huán)的多孔燒結(jié)不銹鋼篩板,篩板直徑與柱入口內(nèi)徑一致(20mm)。比較了分別使用這兩種篩板時的臺錐形柱內(nèi)樣品譜帶的流型(圖3)及其柱效(圖4)。圖3表明,使用不同直徑的篩板產(chǎn)生了截然相反的拋物線流型。這是因為樣品流經(jīng)多孔篩板與聚四氟乙烯環(huán)時受到的阻力不同。當(dāng)使用直徑與臺錐形色譜柱柱頭內(nèi)徑相同的無環(huán)多孔不銹鋼篩板時,樣品通過色譜柱柱頭篩板時各處流速相等,因此最初的流型平直(見圖3-a的第一個流型),樣品沿色譜柱向下移動后,由于錐形柱斜面的存在,受到剪切力、摩擦力及管壁支撐力在軸向分量的影響,樣品在柱管壁區(qū)流速加快,使流型呈現(xiàn)開口向下的拋物線型(見圖3-a的后幾個流型)。而使用有環(huán)篩板時,樣品先從環(huán)內(nèi)的多孔不銹鋼篩板流出,然后向徑向擴(kuò)散,造成中心區(qū)流速高于管壁區(qū),呈現(xiàn)開口向上的拋物線流型(如圖3-b所示)。由圖4可以發(fā)現(xiàn),無環(huán)篩板的柱效高于有環(huán)篩板