J型高速逆流色谱仪演进及未来

目录

一、综述

二、关键技术

　　2.1 分离柱

　　　　2.1.1 单分离柱

　　　　2.1.2 双分离柱

　　　　2.1.3 三分离柱

　　2.2 管路解绕

　　　　2.2.1 解绕轴

　　　　2.2.2 旋转密封

　　2.3 减震系统

　　　　2.3.1 传统减震

　　　　2.3.2 弹簧减震

　　2.4温度控制系统

　　　　2.4.1 循环水浴

　　　　2.4.2 空调制冷

三、演进过程

　　3.1单分离柱+解绕管

　　3.2三分离柱+解绕管

　　3.3多分离柱+旋转密封

四、发展趋势

　　4.1 大制备量

　　4.2 产业化

一、综述

　　J型高速逆流色谱仪采用多层缠绕分离柱通过行星式公转+自转产生的离心力以及不同物质在上下两相溶剂中的溶解度差等因素实现物质的分离。高速逆流色谱技术相比传统的分离纯化手段的优点在于较高的分离效率和较大的制备量以及溶剂使用成本的降低。

　　J型高速逆流色谱仪内部核心部件组成包括至少一个分离柱，一个公转轴和一个自转轴。运转方式为分离柱在围绕自转轴高速自转的同时，整体再围绕公转轴高速公转。为了实现较大的制备量和较高的分离效率，业界对构成高速逆流色谱仪设备的核心部件以及设备内部的机械结构，温控方式等不断的进行探索。

　　从国内第一台高速逆流色谱仪诞生至今，国内的高速逆流色谱仪技术发展经历了三个主要阶段。

　　1. 采用单分离柱、解绕管的高速逆流色谱仪

　　2. 采用三分离柱、解绕管、循环水浴实现的高速逆流色谱仪

　　3. 采用旋转密封解绕、多分离柱、压缩机空调直冷实现的高速逆流色谱仪

　　在上述三个发展阶段中，分离柱设计，解绕方式设计和温控设计的变化起到了重要的作用。

二、关键技术

　　高速逆流色谱仪的关键技术包括分离柱的设计，解绕方式的设计，减震系统、温控系统的设计等。

2.1 分离柱

　　分离柱的自转半径比公转半径的比值即称为β值。β值对分离效果有决定性影响，其大小直接影响分离效果，大β值可实现高效率的分配分离。另一方面，分离柱的大小和数目直接决定了制备量的大小，也决定了机械运行的稳定性和可靠性。

2.1.1 单分离柱

　　单分离柱结构如下图所示，采用单分离柱，系统的β值可以达到最大，甚至越过中轴轴线形成β大于1。

　　这种单分离柱机型β值范围虽然宽泛，但是需要配重块才可以稳定运行，对机械稳定性要求较高。同时，如果要增大柱体积，提高制备量则需要增大分离柱体积，以及相应的配重柱体积，从而使得机器整体的尺寸增大，降低系统运行的稳定性和可靠性。

2.1.2 双分离柱

　　将单分离柱配重块换成分离柱组成双分离柱系统，这样就解决了平衡问题，也扩展了机器容量，但是需要更多的管路来进行连接，这种机型理论最大β值为1，在实际应用中，因为分离柱加工缠绕以及机械结构稳定性等设计考虑，β值不可能实际到达1。

　　其结构示意图如下所示：

2.1.3 三分离柱

　　三分离柱同双分离柱相比，等同于增加了1个柱容积，连接管路也相应增加，理论最大β值可达到0.866，其结构侧面示意图如下所示：

　　保持公转半径不变的情况下，自转半径会随着柱子数量增加而减小，柱体积也会随之减小，理论最大β值也会相应减少，四分离柱仅为0.707，已经不能满足最低β值需求（一般试验需要β值至少达到0.8以上）。

　　综上所述，因为每增加一个分离柱，自转半径随之降低，导致柱容量也成持续减少趋势，所以从合理的机械设计角度，为了满足实验所需基本β值需求，三分离柱即为在高速逆流色谱仪设计时所能采用的最高分离柱数。

2.2 管路解绕

　　由于高速逆流色谱仪是一种连续流的分离系统，管路从头至尾贯穿始终，而其又需进行高速旋转运动，所以要采取措施解决管路缠绕及在长期使用后容易出现的管路破损和断裂等问题，这就是解绕技术。

2.2.1 解绕轴

　　传统解绕方法是采用PTFE软管加解绕轴进行连接的，基本原理如下所示：

　　如图,箭头指示为分离柱旋转方向，其搭配一个转速相同但与其反向旋转的解绕轴来完成红色管路的解绕。在运行过程中，由于转速相同但转向相反，所以红色管路不会因为转动而缠绕折损，最后解绕轴与中心轴组成最后一个解绕管路，将管路通向机器外部。

　　因为柱子有出口和进口两个管路处需要实现解绕，即可以将他们组成一个管路从柱子的一头完成解绕，又可以从柱子两头分别解绕，然后从相应的中心轴的两端通向机器外部。

2.2.2 旋转密封

　　旋转密封采用旋转密封接头连接分离柱和外部管路，其结构图如下所示，

　　采用旋转密封的分离柱在高速旋转时，旋转密封接头固定不动，连接柱子进口或出口的管路和外部管路，组成一套解绕系统。采用此系统的机器连接管路相对固定其接头静止不动，无需解绕轴，无任何损伤风险，柱子之间直接用连接管相连并通向机器外部。

　　解绕管采用PTFE软管虽然能够经受各种化学腐蚀，但是耐磨、抗拉等性能差，在机械转动作用下，很容易渗漏甚至断裂，旋转密封技术有效解决长期以来高速逆流色谱仪的管路渗漏和断裂问题，进而也为提高高速逆流色谱仪的分离性能创造了空间。

2.2.2.1 系统死体积

　　高速逆流色谱仪设备，除去有效柱容积部分，都可以称之为死体积，这些管路不参与分离过程，只作为必要连接管路存在，所以死体积越少越好。通常最常见的方法可将机器外部连接管路在压力允许的情况下通过选用更细更短的管路的简单方法来尽量减少死体积的存在，而机器内部的死体积除非在设计时加以处理，则很难在后期进行避免。

　　传统高速逆流色谱由于其解绕轴的存在，各个分离柱无法直线连接，必须通过解绕轴解绕连接，对解绕管的内外径也有范围要求，无可避免的导致了较多的死体积的存在。

　　采用了旋转密封技术后，管路之间可以采取直线连接方式，可在最大范围内降低死体积的存在，还可以根据需要更换各种材质的管路。由于此连接管路不参与解绕转动，即使更换成PEEK、不锈钢等高强度材料管路也可以轻松实现，大大提高机器使用寿命和操作便利性。

2.3 减震系统

　　由于高速逆流色谱仪在工作时需要高速旋转，必然带来一定的震动，为此，需要在仪器内部应用减震系统以减轻仪器运转时的震动。

2.3.1 传统减震

　　传统的减震方案是在固定连接处加上弹簧垫等来减小震动产生的力。这种方案无法起到较好的实际效果。高速逆流色谱仪采用传统减震方式，运行时间长后，由于激烈的震动，容易造成器件磨损，系统寿命降低，并可能影响分离效果。

2.3.2 弹簧减震

　　虽然简化的机械设计可以大大降低机器产生的震动，但是由于是动态连续流液体系统，机器内部在运转过程中对称平衡会被打破，从而产生震动以及额外噪音。为了降低这种问题，江阴逆流科技有限公司经过大量实验，独创了一套适用于高速旋转离心系统的减震结构，大大降低了由于不对称产生的动平衡问题，从而江阴逆流科技有限公司产品系列可以包含单分离柱、二分离柱、三分离柱，并且对于机器容量的大小无理论上的限制，都可以通过此系统达到最佳运行平稳度。

2.4温度控制系统

　　由于温度对一些特定的化学物质的溶解度及活性等会产生较大的影响，因此，精确高效的温度控制系统对于高速逆流色谱仪也至关重要。应用于高速逆流色谱仪系统的温控控制系统主要有两种，即循环水浴系统和压缩机空调直冷系统。

2.4.1 循环水浴

　　循环水浴的工作模式是把主机部分通过中空的壳体包裹在一个密闭空间内，然后通过外置水浴恒温装置将一定温度的水注入中空壳体，改变壳体温度，从而控制主机旋转空间内空气温度来影响分离柱内溶剂温度（请参考下面相关专利说明）。

2.4.2 压缩机空调直冷

　　压缩机空调直冷的方法是将主机部分更改为开放式结构，完全与机器内部连通；并在机器外壳挂装工业级控温空调系统，直接对机器内部空间进行控制，从而最终实现主机温度恒定。

　　主机温度的控制最后都需要空气作为介质作用于分离柱，压缩机空调直冷无论从温度改变速度上和能力上都要强于温控水浴（水浴方面制热能力强，但是逆流色谱所用试剂沸点都很低，所以工作温度一般不超过45度）；开放式结构对于检查机器运行情况和日常维护都变得简单快捷；水浴循环器作为外配部件额外增加成本和操作步骤，对日后机器移动搬运也造成不小麻烦；一体式壁挂空调与机器完全组成一个整体，并可通过机器控制系统集中控制。

三、演进过程

　　随着分离柱，解绕方式，减震系统，温控系统相关技术的发展，高速逆流色谱仪的发展也经历了从单分离柱+解绕管，三分离柱+解绕管，多分离柱+旋转密封模式的演变。

3.1单分离柱+解绕管

　　最初引进逆流色谱技术时，国内的高速逆流色谱仪生产厂家采用了单分离柱加解绕管的结构设计逆流色谱仪，这种设备的共同特点是柱体总容积较小，系统运行震动大，噪音高等。

3.2三分离柱+解绕管

　　随着用户对高速逆流色谱仪的柱体总容积需求的增大，国内的各个高速逆流色谱仪生产厂家在单分离柱系列机器后开始研究多个分离柱的逆流色谱仪。在2010年前，由于旋转密封技术尚未成熟，解绕管是唯一可行的解绕方式，在这种条件下，双分离柱加解绕管或三分离柱加解绕管的逆流色谱仪成为业界厂商的研究目标。

　　由于机械原理问题，解绕轴会得整个系统的动平衡破坏，此现象在双分离柱条件下会尤为明显。在未使用旋转密封技术的条件下，采用三分离柱加解绕轴的方案相对于双分离柱加解绕轴的方案会带来更好的系统稳定性，降低系统运行时的震动。

　　为此，虽然采用双分离柱加解绕轴相对于三分离柱加解绕轴可以一定程度上简化系统的复杂性，但是由于带来的系统不稳定问题较为突出，业界普遍采用了三分离柱加解绕轴的实现方式。

　　采用三分离柱相应的至少需要包括中轴在内的7根旋转轴和7个齿轮、至少8根连接管路连接单元，如下图所示。这种设计使得机器的可靠性大大降低，另外，如同前文所述，采用三分离柱降低了系统能达到的最大β值，从而又降低了分离效率。

　　采用三分离柱由于需要的柱子较多，占用空间体积较大，因此，实际在市面销售的三分离柱加解绕管的高速逆流色谱仪的柱体总容积通常在300ml左右。

3.3多分离柱+旋转密封

　　江阴逆流科技有限公司在2010年成功的研制独特的旋转密封解绕和弹簧减震技术，采用了旋转密封解绕技术，因为无需解绕轴，不破坏机器整体动平衡，所以双分离柱机型和三分离柱机型有同样的稳定性。

　　采用了旋转密封技术的双分离柱设计一方面可以满足系统运转稳定性和柱体总容积需求，同时又提高了系统的β值，大大提高了分离效率。

四、发展趋势

4.1 大制备量

　　由于旋转密封解绕技术的出现和减震、温控系统的进步，除了常见的300ml,500ml,1L等常规柱体总容积的逆流色谱仪外，更大的诸如10L以上的逆流色谱仪已经成为可能。

4.2 产业化

　　传统的逆流色谱仪由于受限于柱体总容积和分离效率，大部分都是在实验室内部进行使用，未来，随着大制备量的高速逆流色谱仪的成熟，逆流色谱仪及相关技术必将走出实验室，进入大规模的产业化应用中。