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徑向高壓圓筒柱的研究與開發

2014-08-14查看:

本文論述了一種全新的加壓制備色譜柱:徑向高壓圓筒柱。其中主要說明了敏感化合物、天然產物的快速分離需要...
一、概述
  色譜技術是一項通過物質在兩相之間的作用力不同造成的保留時間不同而使得混合物質中的各組分相互分離的技術體系??梢哉f,色譜過程就是一個分離過程。
  高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)是一種高效的分離和分析技術,它能將各種樣品中各個不同的組分迅速分離,然后逐一加以定性和定量分析。HPLC在分離純化技術中的應用是近十幾年來才得到較大的發展。與傳統的分離純化方法相比,它的快速、高效以及自動化的操作引起了制藥業的關注。HPLC正成為藥物分離純化技術中的發展主流。
  藥物與人類的健康關系極大。許多藥品由于受到純度的影響,藥效不能充分發揮,甚至產生毒副作用。有的在使用前需要做各種試驗,帶來很多麻煩。外消旋體藥物是典型的例子之一。它由左旋和右旋兩種光學異構體組成,不同的異構體藥理與療效完全不同。以往由于分離與純化能力的限制,市場上常以混合物即外消旋體出售。美國FDA(食品和藥品管理局)和西方許多國家都已經作出了禁止外消旋體藥物在市場上銷售的決定,必須把它分離成單一的左旋或右旋體才能作為產品上市。所以,藥物產品對分離與純化提出了更高的要求。
  目前,液相色譜是分離與純化領域中處理多組分復雜體系的最有效方法。HPLC方法又是分離與純化藥物的最佳選擇。
  高效液相色譜的應用范圍廣泛。對于氣相色譜很難分析的熱不穩定化合物、高沸點不揮發化合物和離子型化合物,它都能分析。氣相色譜分析對象的分子量一般不超過幾百,而液相色譜可以處理分子量在幾百以上的各種類型化合物,即使是分子量高達幾萬、幾十萬的高聚物,液相色譜也可以完成分析工作。當然,對于小分子量非極性化合物或氣體,液相色譜是無力分析的。據估計,在已知的全部有機化合物中,能用氣相色譜分析的大體占25%,其余則主要借助于液相色譜。
  制備液相色譜是高效液相分析色譜的基礎上進行放大設計,是將分析色譜中的發現某種物質的過程變成提取或分離某種物質。它是目前在分離科學中最有效的制備性分離技術,也是很多研究領域和生產車間必不可少的分離手段。
  分離柱是制備液相色譜中重要的執行機構。制備液相色譜對分離柱的基本要求是柱效高、選擇性好、分離速度快。
  隨著科技的發展,人們發現在分離柱的柱床上面加壓在液相色譜中可以發揮下列兩方面作用(a和b)或其中之一:
(a)加快洗脫劑的流速,提高分離速度;
(b)允許在分離過程中使用顆粒度更小的吸附劑,從而獲得更高的分辨率。
  因此,有了動態軸向壓縮柱(DAC)的出現。在使用過程中,色譜柱內的活塞依靠與之相連接的液壓油缸始終產生一個相對恒定的壓力壓縮柱床填料,隨時消除洗脫過程中因為填料顆粒相對移動產生的死空間。動態軸向壓縮柱使用良好,能夠滿足很多目標產品的純化分離要求,最大的優點是適用于大規模的工業生產。但是對于實驗室研究階段的產品的工藝性分離,動態軸向壓縮柱則顯得粗大笨重,操作不方便,而且昂貴。因為在實驗室里,不同的目標物,不同的工藝方法,需要不同的填料作為固定相或固定相的載體。
  尤其是,敏感化合物在進行長時間的常壓色譜分離時,其結構可能會發生變化,被分解和色帶拖尾,這兩個問題在天然產物的分離中經常會遇到。這時,最基本的要求就是縮短分離時間,實現快速分離,以避免這種變化的發生。
  徑向高壓圓筒柱正是為了滿足這種需要而研制的。
二、徑向高壓圓筒柱的基本結構和技術特點
    徑向高壓圓筒柱單元體主要包括:高壓柱筒組件、柱外套筒、柱筒法蘭組件、裝柱口、外接口、柱內填料等幾個部分。

  其中:高壓柱筒是徑向高壓圓筒柱的關鍵部件。它包括由兩個316L材質的柱筒內壁管和柱筒外壁管套裝形成的圓筒柱主體部分,和篩板、配流板等重要輔助零件。在柱筒的內、外壁管上鑲嵌有微孔篩板,其孔徑小于柱內填料直徑。同時,在柱筒的內、外壁管上設計有強制約束液體流向和流量的配流板,以保證流入高壓柱筒的液流在圓筒展開面上的每一個微分面積上流量相等。
  柱外套筒起到總體支撐作用,同時與柱筒外壁管封閉,形成液流外腔體,即液流分配或收集腔體。在設計時,這個腔體在滿足液流分配的基礎上需要容積盡量小,目的是減小死體積,避免樣品或目標物的在試劑中的擴散。
  柱筒內壁管的管內空間形成徑向圓筒柱的內腔體,與液流外腔體容積盡量小的要求相同,為內腔體設計了填充部件,填充部件的材質為聚醚醚酮(PEEK)和316L不銹鋼兩種,供使用者選擇。
  柱筒法蘭封閉整個高壓柱筒結構。在柱筒法蘭上設計有裝柱入液口、裝柱出液口和兩個為流動相提供的外接口。
  柱內填料按照具體工藝要求選定。
三、徑向高壓圓筒柱的裝填與應用
1、裝填
  徑向高壓圓筒柱配備有專用的裝柱機。裝柱機的操作比較容易,可以參照說明書,在較短的時間里學會操作。
  裝柱前需要將填料加入勻漿液中攪勻,成稀糊狀,裝柱機能夠同時輸出稀填料和裝柱液。
  裝柱時首先關閉兩個流動相外接口,同時打開裝柱出液口。稀糊狀的填料和裝柱液被裝柱機以低速、高壓液流注入裝柱口,流到出液口位置,填料被篩板阻擋,在裝柱出液口開始不斷向上  沉積,裝柱液的高壓沖刷使得柱筒內的填料趨向均勻密實,直至充滿整個柱筒。
  繼續高壓沖洗柱筒內的填料,平衡柱內壓力,以形成穩定的柱床。
  斷開裝柱管路,并關閉裝柱口和裝柱出液口,將徑向高壓圓筒柱移開,備用。
2、應用
  在進行分離工作之前,確認裝柱口和裝柱出液口處于關閉狀態。根據不同的樣品和分離策略,徑向高壓圓筒柱可以選擇兩種不同的工作模式,即內腔入外腔出(以外接口一為進液入口)和外腔入內腔出(以外接口二為進液入口)。
  內腔入外腔出的工作模式如下圖。

四、結語
  作為一種全新的制備色譜柱模式,徑向高壓圓筒柱的最大特點是靈活、便捷,使用者可以根據自己的需要選配不同的柱筒,裝填不同的填料。
  以柱床面積60cm2,柱床厚度5cm為例,如果選用動態軸向壓縮柱,至少需要直徑20cm的柱管,即DAC200動態軸向壓縮柱。反之,如果選擇徑向高壓圓筒柱,選擇之一:柱床內壁2cm,柱床外壁12cm,高度10cm。選擇之一:柱床內壁4cm,柱床外壁14cm,高度5cm。當然也可以按照柱內填料的總體積進行選擇。
  不管是那一種選擇,對于大面積薄層色譜來說,徑向高壓圓筒柱與動態軸向壓縮柱相比,都有著使用方便,價格低廉的優勢。按照目前市場上的情況,在以上選擇中,設備的購置成本:S(動態軸向壓縮柱):S(徑向高壓圓筒柱)=3:1。
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