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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:

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