CN102062765B - 一种台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构，包括带有进样口的上盖、密封垫圈、分配盘、多孔筛板，所述的色谱制备柱柱体的入口部分设有环形内止口，分配盘置于多孔筛板上方，分配盘和多孔筛板嵌入密封垫圈内；密封垫圈带有环形外止口，密封垫圈嵌入到柱体内止口中，密封垫圈外止口置于柱体入口处上方；圆形分配盘和多孔筛板的直径相同、且略大于锥型柱柱体的入口内径、与密封垫圈内径相匹配；上盖与制备柱柱体通过法兰连接。这种台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构适合入口直径大于35毫米的制备色谱柱，能够提高色谱柱的柱效和色谱峰的对称性。

Description

一种台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构

技术领域

本发明涉及台锥型高效液相色谱制备柱，具体地说是提供一种用于台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构，适用于入口内径＞35mm台锥型高效液相色谱制备柱，能有效提高柱效和色谱峰的对称性。

背景技术

高效制备液相色谱具有条件温和，选择性高，批处理量大和操作简便等优点。早期的制备液相色谱主要用于有机化合物和石油产品的分离提纯，对产品的纯度要求不高，人们更为关心单位时间的产量，认为柱效不是主要问题。但是，近年来制药和生物技术的发展，要求药品、蛋白质、核酸等样品具有95％以上、甚至99.9％的纯度，其制备量不仅要满足于结构、活性、物性测定和毒理实验等毫克至克级，而且要达到克至千克级工业化生产以满足临床应用的需求。因此，如何提高柱效，从而减少分离循环次数，降低生产成本成为研究的主要问题。

制备色谱柱的样品载样量、分离能力和流动相用量是使色谱分离纯化过程达到最佳经济效益的关键因素，因此色谱柱的设计极为重要。台锥型柱入口处截面积较大，可以避免溶质饱和，因此单位填料体积的上样量就比常规的高。另外，10°张角的台锥型柱的色谱带流型为平头流，可以改善谱带的抛物线流型，不仅提高了色谱柱的柱效15％～25％，而且使分离度提高20％左右。此外，台锥型柱末端为渐变的锥形结构，可以克服柱与连接管连接时截面积突然变化造成流路死角，从而减小柱外效应。因此，使用台锥型制备色谱柱技术可以将单位重量填料的上样量提高50％～100％。

制备色谱柱多采用截面进样，柱头设计的好坏在很大程度上决定了色谱柱的柱效。在制备色谱中，柱头的设计如果不合理，样品不能在柱头平均、平行分配，那么样品经过柱头后的谱带流型就不是塞子型，无论床层填充的多么均匀，由于样品进入柱床时分配的不均匀，柱效也不会高，分离度也差。一般内径大于20mm的常规制备色谱柱柱头的结构如图2所示，主要由锥形液流导向槽601、分配盘602和筛板603组成。其中分配盘要保证样品平均分配在整个柱截面，充分利用柱头截面，防止样品局部过浓，因此它的设计尤为重要，通常有专利保护。目前，大连化学物理研究所的关亚风等(专利公开号CN 1366380A)设计了一种用于台锥型制备色谱柱柱头结构，我们的进一步实验表明，对于入口内径＞40mm的台锥型制备色谱柱，这种结构并不合理，样品分配不均匀，导致柱效低而且色谱峰拖尾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于入口内径＞35mm台锥型制备色谱柱的柱头结构，使之最大限度地减少色谱柱填充床以外所存在的死体积，改善样品分配的均匀性，使样品谱带平面以垂直于色谱柱轴心线的方式进入色谱柱中，以获得更高的样品负载量、色谱柱效和分离度，同时所发明的结构还具有制作和装配简单的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

入口内径＞35mm台锥型制备色谱柱的柱头结构包括带有进样口的上盖、密封垫圈、分配盘、多孔筛板，所述的色谱制备柱柱体的入口部分设有环形内止口，如图1所示。分配盘置于多孔筛板上方，分配盘和多孔筛板嵌入密封垫圈内；密封垫圈带有环形外止口，密封垫圈嵌入到柱体内止口中，密封垫圈外止口置于柱体入口处上方，圆形分配盘和多孔筛板的直径相同、且略大于锥型柱体柱体的入口内径、与密封垫圈内径相匹配；上盖与制备柱柱体通过法兰连接。

本发明的上盖的底面为突起的圆台体结构，其直径等于或略小于分配盘直径，下压时保证分配盘不变形、多孔筛板不受应力、圆台体与分配盘完全贴合，并且与密封垫圈的轴心同轴。

本发明的上盖下方设置有锥型液流导向槽，锥型液流导向槽与进样口通过液体导入孔相连通，锥型液流导向槽的锥角为120°～175°，底部张口处直径为液体导入孔直径的2-10倍，其作用在于当大量样品经过液流导孔进入时，避免样品在狭窄的进样口内形成喷射流，而是经过分配盘迅速分散到整个多孔筛板上，经过筛板的进一步分配，使样品均匀地分配到色谱柱入口的横截面上。张口直径不能过大，以能够完全压住分配盘、不对分配盘产生上翘变形应力为好。分配盘和多孔筛板同时还分配进入的流动相，使它均匀地经过整个色谱柱截面，避免因样品局部过浓而引起柱局部超载和谱带加宽。上述组件的另一个作用是容易排除柱头气泡，避免气泡破坏样品在柱头的分配。

本发明的密封垫圈的外径与柱体内止口处的直径相同，靠上盖下压、色谱柱填料支撑和密封垫圈变形向内挤压，使分配盘、多孔筛板嵌入密封垫圈而形成一个整体部件，因此最大限度地减少了缝隙和死体积，保证了进样谱带平行并且与色谱柱轴线垂直。

本发明的密封垫圈的材料为高分子塑性材料中的橡胶、聚四氟、偏氟乙烯、或聚四氟乙烯与PEEK结合的PAT材料，以保证上盖压紧时分配盘和多孔筛板能够嵌入密封垫圈的内面，同时密封垫圈向内压缩时能够封住突起圆台体的侧面，避免样品进入突起圆台体侧面与密封垫圈之间的缝隙中。其作用还在于承载密封分配盘和筛板的边沿，防止填料进入分配盘内造成阻塞。

本发明的分配盘的厚度在0.1～0.6毫米，所用材料为硬度高、耐腐蚀的不锈钢或钛钢。其作用是使样品平均分配在整个多孔筛板上，进而均匀分配在色谱柱截面上，充分利用柱头截面，防止样品局部过浓。

本发明的柱头结构同样适用于常规制备液相色谱柱的柱头和柱尾结构。

附图说明

图1为本发明台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构示意图，其中：100-上密封盖，200-垫圈，300-分配盘，400-多孔筛板，500-台锥型色谱柱的入口部位；100中的101-上盖的下部突起圆台，102-锥形导向槽，103-液流导孔。

图2为内径大于20mm的常规制备色谱柱柱头的结构示意图，其中：601-锥形导向槽，602-分配盘，603-筛板，604-液流导孔；

图3为采用本发明台锥型色谱柱头装配的色谱柱，以萘为样品，用折合板高对流动相平均线速度作关系曲线；

图4为本发明用于分离混合样品的液相色谱图；

图5为本发明用于分离体积超载进样时混合样品的液相色谱图。

具体实施方式

将所发明的台锥型液相色谱制备柱的柱头装配到填好色谱填料的柱体上，柱入口连接进样阀和高压输液泵，柱出口连接检测器。流动相经高压输液泵输送，样品在流动相的推动下经过进样阀进入台锥型柱的入口液体导孔中，由锥形导向槽、分配盘及多孔筛板的共同作用将样品均匀分配在色谱柱柱头截面上，样品在台锥型液相色谱制备柱内经过多次分配后由柱尾流出，进入检测器。

实施例1

台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构如图1所示。包括带有进样口的上盖100、密封垫圈200、分配盘300、多孔筛板400，所述的色谱制备柱500柱体的入口部分设有环形内止口，分配盘300置于多孔筛板400上方，分配盘300和多孔筛板400嵌入密封垫圈200内；密封垫圈200带有环形外止口，密封垫圈200嵌入到柱体内止口中，密封垫圈200外止口置于柱体入口处上方，圆形分配盘300和多孔筛板400的直径相同、且略大于锥型柱体500柱体的入口内径、与密封垫圈200内径相匹配；上盖100与制备柱500柱体通过法兰连接。

应用例1

仪器：制备液相系统由LC-100P高流量HPLC泵(大连江申分离科学技术公司)、VICI六通2位进样阀(VICI公司，瑞士)和LC-830紫外-可见可变波长检测器(Smma Optics，LTP，日本)组成，应用浙大N2000色谱工作站进行数据采集。

台锥型制备柱：柱有效长度150mm，入口内径54mm，出口内径27mm(容积＝200mL，A_in(入口面积)/A_out(出口面积)＝4)，柱内干法填充球形C18化学键合硅胶(FuJi.Silysia Chemical Ltd.日本)，粒径40-60μm。

柱头材料：上密封盖100为316L不锈钢，密封垫圈200用聚四氟乙烯，分配盘300为304不锈钢板，多孔筛板400为多孔烧结不锈钢，柱体500为316L不锈钢。

操作条件：流动相：甲醇/水(80/20，v/v)，样品：0.08g/L硫脲，1.2g/L萘，进样量：360μL，检测波长：254nm，以硫脲测定死时间，室温运行。

以萘为样品考察了台锥型柱柱效随流速的变化，并绘制折合塔板高度h随流动相平均线速度u的变化曲线，实验结果如图3所示。在最佳流速(6mL/min)下，台锥型柱的折合板高为1.90，理论塔板数为1580/150mm(每米塔板数为10530)，比同长度同体积圆柱的柱效高24％以上。

应用例2

仪器和操作条件同上，柱内干法填充

球形C18化学键合硅胶(FuJi.Silysia Chemical Ltd.日本)，粒径40-75μm；流速：6mL/min，混合样品：0.08g/L硫脲，1.2g/L萘，0.16g/L对羟基苯甲酸乙酯，0.16g/L对羟基苯甲酸丁酯；进样量：360μL。

表1  检测混合样品的色谱图结果

样品	浓度g/mL	分离度R	拖尾因子
				A硫脲	8×10-5	0	1.2
B对羟基苯甲酸乙酯	1.6×10-4	1.47	0.9
				C对羟基苯甲酸丁酯	1.6×10-4	1.43	0.9
D萘	1.2×10-3	2.69	0.9

图4是用该台锥型制备柱分离混合样品的液相色谱图，用峰高1/10处的拖尾因子来评价峰形，计算各组分的分离度，结果如表1所示。表中硫脲、对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸乙酯和萘的拖尾因子分别为1.2、0.9、0.9和0.9，表明该色谱柱的峰形对称，柱外死体积小。对羟基苯甲酸乙酯与硫脲，对羟基苯甲酸丁酯与对羟基苯甲酸乙酯、萘与对羟基苯甲酸丁酯均得以完全分离。

应用例3

仪器和操作条件同应用实例2，色谱柱头内的密封圈200用偏氟乙烯材料制成。混合样品：0.08g/L硫脲，1.2g/L萘，0.16g/L对羟基苯甲酸乙酯，0.16g/L对羟基苯甲酸丁酯，进样体积：3、5、10、15和19ml，检测波长为290nm。

图5为考察台锥型柱的体积超载行为的色谱图。在进样体积超载的条件下，台锥型柱的柱效及对羟基苯甲酸乙酯与对羟基苯甲酸丁酯的分离度(Rs2)和对羟基苯甲酸丁酯与萘的分离度(Rs3)随上样体积的变化如表2所示。当上样体积由3mL增加到19mL时，台锥型柱的柱效由801降到418，Rs2由2.23降到1.28，Rs3由2.95降到2.30，色谱峰仍具有非常好的峰形，峰形高度对称，没有拖尾，有利于从基质中制备分离微量组分。

表2  台锥型柱柱效及分离度随体积超载的变化

注：Rs2为对羟基苯甲酸乙酯与对羟基苯甲酸丁酯的分离度；Rs3为对羟基苯甲酸丁酯与萘的分离度。

需要说明的是，上述实施例只是对本发明的说明而不能限制本发明，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种台锥型高效液相色谱制备柱的柱头结构，包括带有进样口的上盖(100)、密封垫圈(200)、分配盘(300)、多孔筛板(400)，所述的色谱制备柱柱体(500)的入口部分设有环形内止口，其特征在于：

分配盘(300)置于多孔筛板(400)上方，分配盘(300)和多孔筛板(400)嵌入密封垫圈(200)内；密封垫圈(200)带有环形外止口，密封垫圈(200)嵌入到色谱制备柱柱体(500)内止口中，密封垫圈(200)外止口置于色谱制备柱柱体(500)入口处上方；圆形分配盘(300)和多孔筛板(400)的直径相同、且略大于锥型色谱制备柱柱体(500)的入口内径、与密封垫圈(200)内径相匹配；上盖(100)与色谱制备柱柱体(500)通过法兰连接；

带有进样口的上盖(100)下方设置有锥型液流导向槽(102)，锥型液流导向槽(102)与进样口通过液体导入孔(103)相连通；所述锥型液流导向槽(102)的锥角为120°～175°，底部张口处直径为液体导入孔(103)直径的2-10倍。

2.根据权利要求1所述的柱头结构，其特征在于：上盖(100)的底面为突起的圆台体(101)结构，其直径等于或略小于分配盘(300)直径，下压时保证分配盘(300)不变形，多孔筛板(400)不受应力，圆台体(101)与分配盘(300)完全贴合，并且与密封垫圈(200)的轴心同轴。

3.根据权利要求1所述的柱头结构，其特征在于：密封垫圈(200)的外径与色谱制备柱柱体(500)内止口处的直径相同，靠上盖(100)下压、色谱柱填料支撑和密封垫圈(200)变形向内挤压，使分配盘(300)、多孔筛板(400)嵌入密封垫圈(200)而形成一个整体部件，因此最大限度地减少了缝隙和死体积，保证了进样谱带平行并且与色谱柱轴线垂直。

4.根据权利要求1或2所述的柱头结构，其特征在于：所述密封垫圈(200)的材料为高分子塑性材料中的橡胶、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、或聚四氟乙烯与PEEK结合的PAT材料，以保证上盖(100)压紧时分配盘(300)和多孔筛板(400)能够嵌入密封垫圈(200)的内面，同时密封垫圈(200)向内压缩时能够封住突起圆台体(101)的侧面，避免样品进入突起圆台体(101)侧面与密封垫圈(200)之间的缝隙中。

5.根据权利要求1所述的柱头结构，其特征在于：所述分配盘(300)的厚度在0.1～0.6毫米，所用材料为硬度高、耐腐蚀的不锈钢或钛钢。

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