中高压制备液相色谱纯化中的流速

发布日期：2020-09-18 12:39 来源：研究小组作者：AgroIPM 浏览次数：

一、流速的分类
色谱中的流速可用体积流速和线流速表达。
　　体积流速，指单位时间内流过某截面的流体的体积，单位mL/min，实际分离过程中多用此来表示流体的速度。
　　线流速，即流体中任一质点在单位时间内沿管路方向所通过的距离，单位cm/min，该表示方式多用于理论分析。
　　分离纯化过程中应采用最佳流速以期得到最好的分离效果。在最佳线流速下，色谱柱的塔板高度最小，柱效最大，从根本上由填料粒径和形状决定。最佳体积流速可由最佳线流速与柱子内径的截面积相乘而得到，二者之间可通过色谱柱的内径互相换算。

二、Van Deemter速率理论方程
Van Deemter曲线解释色谱柱的柱效和流速的关系
　　H＝A＋Ｂ＋Cu
H：理论塔板高度，H = L/N，N为理论塔板数（代表柱效）
A：涡流扩散项，B：纵向扩散系数，C：传质阻力系数，u：线速度

在某一处流动相的最佳流速（u０）会带来最低的理论塔板高度（H）（曲线最低处），此时塔板高度受涡流扩散项和较小的传质阻力项影响，这些参数与填料的粒径有关，与流速无关。
当流速小于u0时，纵向分子扩散对塔板高度起主要作用，涡流扩散项对塔板高度起次要作用。具体表现为，流体的线速度越大，理论塔板高度越低，即柱效越高。
当流速大于u0时，传质阻力项对塔板高度起主要作用，涡流扩散项对塔板起次要作用。此时，随线速度增大，理论塔板高度也增大，柱效亦缓慢降低。而且相同的线速度，填料粒径越小，理论塔板高度也越小，表现为柱效更好。
据上可知，在其他条件不变时，理论塔板高度会随着流体线速度的增加，先剧烈下降到最小值后缓慢升高，柱效也会相应的先急速升高，然后随流速的继续增加而缓慢降低，这种特点为制备液相的快速分离奠定了基础。
通常我们所认为的理论最佳流速，是指能使色谱柱发挥出最高柱效的流速，主要取决于柱子的内径以及所用填料的参数。
　　经典的分析柱的填料粒径为5um左右，由Van Deemter理论方程可计算出此时的最佳线速度，再考虑到经典分析柱的内径为4.6mm，则可以计算得出最佳体积流速为1ml/min。因此，对于5um粒径的填料、4.6mm内径的色谱柱用于分析或纯化小试的起始流速都设定为1ml/min。

三、制备放大的最佳流速设定
在快速制备分离的方法开发中，尤其是反相制备，往往需要借鉴高效液相色谱的方法。但是从高效液相的分析方法放大到制备液相的分离方法，许多参数都要做必要的修改。从分析到制备流速的放大，为了保证色谱峰的分离度基本维持不变，线流速往往是不变的，而体积流速一般遵循如下公式：

在其他条件不变时，分析柱与制备柱最大的差异就是色谱柱的内径不同，一般来说分析柱内径为2~5mm，而制备柱的内径一般都大于10mm，此时两者流速的比值约为色谱柱内径平方的比值，若分析柱内径为5mm时的最佳流速为1mL/min，那么内径为10mm制备柱相应的最佳流速应为4mL/min。
实际制备分离中需要综合考虑各种因素，有时为了成功进行分离必须牺牲最佳柱效，因此很难达到理论上的最佳流速。
　　大致分两种情况：当分离效果不好时，降低流速，低流速会由于纵向扩散效应而降低柱效进而使峰型变差，但样品分离效果相对较好；分离效果很好时，通常会加大进样量，而且会相应地增加流速，以加快出峰时间，提升分离效率，但过快地流速会产生较强的涡流扩散效应而让柱效降低。
　　此外，制备色谱的填料颗粒一般较大，会导致装柱的效果差，而传质阻力会相应地大很多。受到这些因素的影响，实际上能达到的放大流速仅为理论值的40%~50%。

四、进样体积的确定
进样体积可以依据以下公式计算：