CN103638691A - 混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法。其利用物质在交变电场中受到的吸引力不同而实现混合物分离纯化的电子色谱分离工艺。其原理是：在与色谱柱中流动相的垂直方向上，施加一个正负交变的弱电场，流动相中的带电粒子无论带正电荷还是负电荷，都会在与流动相垂直方向上发生往复运动，其运动的幅度与带电粒子本身的荷质比呈正相关，结合流动相本身的流动，不同荷质比的粒子沿流动方向的线速度会有所不同，由此形成色谱效应而相互分离；不带电粒子则不受电场的影响顺着流动相继续前进。

Description

混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法

一、技术领域：

本发明涉及一种混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法。

二、背景技术：

色谱分离技术又称层析分离技术或色层分离技术，是一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。其原理是利用不同物质在由固定相和流动相构成的体系中相互具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从而使各物质达到分离。

色谱有多种分类，按色谱过程的机理可分为：

1）吸附色谱：用固体吸附剂作固定相，利用组分在吸附剂上吸附力的不同，因而吸附平衡常数不同而将组分分离；

2）分配色谱：用液体作固定相，利用组分在液相中的溶解度不同，因而分配系数不同进行分离；

3）亲和色谱：利用固定相对流动相中某类物质的特异性吸附能力进行分离；

4）离子交换色谱：利用离子交换原理；

5）排阻色谱：利用待分离物质分子大小不同，如分子筛；

6）凝胶色谱：利用带电物质在电场作用下移动速度不同进行分离，如凝胶电泳等；

7）聚焦色谱：利用待分离物质等电点的不同，用电泳方式分离物质，特别适用于生化分析技术上；

工业上最常用的是大孔吸附色谱、离子交换色谱和分子筛分离技术。吸附色谱法是指混合物随流动相通过吸附剂（固定相，如树脂等）时，由于吸附剂对不同物质具有不同的吸附力而使混合物中各组分分离的方法。此法特别适用于脂溶性成分的分离。被分离的物质与吸附剂、洗脱剂共同构成吸附层析的三要素，彼此紧密相连。离子交换色谱大量用于去离子水处理。分子筛技术在气体分离领域用途较广。

以上色谱技术可统称为传统色谱技术。

传统色谱技术除了大部分只能小规模分离各类性质不同的物质以外，由于有下列缺点和不足，严重阻碍了其应用及发展：

1）传统色谱技术依赖的材料大都是各类高分子化工原料，其最终来源为石油，是不可再生的资源，在石油资源日益枯竭和昂贵的今天，其未来发展越来越难以乐观；

2）传统色谱技术利用的吸附原理是化合物分子间的离子键、氢键或者范德华氏力的作用，由于基础理论薄弱，研发过程冗长而低效，大部分靠反复试验得到。固定相一旦固定下来很难改变，而且均匀性无法控制；

3）传统色谱技术在制备或合成过程中会用到甚至还会产生大量的有毒有害化学品严重污染环境。而且在应用过程中，需要利用强酸强碱或有机溶剂等化学品进行洗脱或者再生，对人类健康和环境造成不可逆转的伤害和污染，同时分离成本也非常高；

4）传统色谱材料存在使用寿命不长的问题，到了一定使用时间其分离能力和分离效果严重退化，不得不定期报废，这些废料很难回收加以再利用，对环境又是一次巨大的污染；

5）由于成本等因素，上述大部分色谱技术只能用于实验室分析或者小型制备领域，无法实现大规模工业化生产。而且一个定型的系统，其适应范围也受到极大限制。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法，其利用物质在交变电场中受到的吸引力不同而实现混合物分离纯化的电子色谱分离工艺。其原理是：在与色谱柱中流动相的垂直方向上，施加一个正负交变的弱电场，流动相中的带电粒子无论带正电荷还是负电荷，都会在与流动相垂直方向上发生往复运动，其运动的幅度与带电粒子本身的荷质比呈正相关，结合流动相本身的流动，不同荷质比的粒子沿流动方向的线速度会有所不同，由此形成色谱效应而相互分离；不带电粒子则不受电场的影响顺着流动相继续前进。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 ：混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法，其特征在于：包括以下步骤：在一根绝缘材料制作的色谱柱上，均匀的分布设置若干电极对，a1和b1，a2和b2，…，an和bn即电极耦，电极耦分别排列于色谱柱两边，各自连接经过整流的方波电源P1，P2，…，Pn，每个方波电源相互独立（也可视需要合并成一个单一电源），频率和波幅可分别调节的电源，波形连续方形锯齿波的形状，输出电压周期性的由正电压瞬时转为负电压，再由负电压瞬时转为正电压，循环往复，锯齿的宽度代表正或负电压保持的时间，与频率相对应，锯齿的高度代表电压高低±V，正常状态下，同一周期内正电压和负电压大小保持不变，带电粒子在电场中一直处于受作用状态，电场作用在带电粒子时，带电粒子在电场方向上做往复运动；

电场强度设定在20mV／cm～20V／cm范围内，对于荷质比较大的待分离物质，电场强度设置不超过10V／cm，以防止发生电化学反应，对于荷质比较小的大分子，采用较大的电场强度，不超过20V／cm，在体系内把小的带电粒子预先脱除后再分离大分子；

为了提高分离效能，在色谱分离柱中填充惰性填料，增加分离塔板数，将待分离体系中带电粒子受电场作用滞留的效应显著放大；为了进一步提高分离效率，色谱分离柱两端进行密封和缓冲处理后，对分离体系加压提高流速，色谱分离柱成竖直或水平放置；

为了防止过强的电场强度引起带电粒子的过大幅度的往复运动造成能耗过高，系统温度升高过快，采用细长色谱分离柱设计，分离柱直径为1mm～100mm范围；使得电极耦之间的距离较短，电压低，能耗小；对于大工业用途，采用把各细长的色谱分离柱并排做成集束状，每个横截面上每个分离柱对应的电极耦可以分别单极并联，集束色谱分离柱之间的空隙填充绝缘的传热材料；

为了进一步防止待分离体系发生电化学反应，对于分子量较小、电导率较高的分离体系，在色谱分离柱中内嵌一套比色谱分离柱略小的半透膜管将待分离体系与电极耦隔开，此半透膜只允许水分子通过；

对于每对电极耦，采用系统编程的方式提供不同时间，不同区段的电压和频率预设，以保证对不同的分离组分，都有与之相适应的电场参数从而在指定区域获得最大的滞留效果；

在完成色谱分离后，通过从出口端依次关闭相关电场，用流动相或水带动将已分离的组分依次收集，从而完成整个分离任务，设计中间段预留口，用于把指定的组分优先收集。

所述的惰性填料为石英砂、石英球或其他不与分离体系起反应的惰性材料。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：（1）电子色谱弱电场电极由惰性导电材料做成，容易获得，没有资源匮乏之忧；

（2）本技术可用于大部分的分离目的和分离领域，既可以用于实验室分析和制备，也容易实现大规模工业化；

（3）由于弱电场由许多电极配对成为电极耦而获得，各电极耦弱电场的电压和频率可以相互独立随意调节，也可以根据物料的特性设计不同的工艺参数以实现不同的分离目标，甚至可以对所有电极耦进行编程来控制分离过程，在增加了设备的灵活性的同时，也使分离效果精确可控；

（4）分离目标物后不用引人洗脱介质，分离目标物通过分别关闭对应区域电场，就可简单的分段获得，方便而经济，成本也低很多；

（5）同一个设备可以适应各种不同组成和性质迥异的物料，也可以以不同的工艺参数反复处理同一批物料，把需要的目标物逐一分离出来，其适应性和灵活性无以伦比；

（6）由于没有固定相再生的问题，整个分离过程清洁、高效而环保。设备寿命只受电极寿命的限制，甚至可以简单的通过更换电极而无限延长设备寿命；

（7）整个分离过程只有电能消耗，而且由于分离过程不能有电化学反应发生，整个系统设计成弱电系统，故此分离成本极其低廉，大大优于现有传统色谱技术。

（8）设备定型后，可以在实验数据基础上预先开发出的适应各种典型物料或分离目的的数学模型完成程序化设计后预存于数据库中供用户调用。也可建立一个提供二次开发的开放式平台，供用户开发更好的解决方案以拓展的方式扩大设备使用领域。

四、附图说明：

图1为本发明色谱分离柱结构示意图；

图2为图1的A—A剖视图；

图3为电极耦电场方波波形示意图

图4为本发明色谱分离柱设置为竖直状的带填料的结构示意图；

图5为本发明色谱分离柱设置为水平状的带填料的结构示意图；

图6为本发明色谱分离柱并排成集束状结构示意图；

图7为色谱分离柱内嵌半透膜斜剖面示意图；

图8为色谱分离柱内嵌半透膜独立示意图；

图9为色谱分离柱分离效果竖剖面示意图；

图10为色谱分离柱带横向洗脱通道示意图；

图11为图10中D处的局部放大示意图；

五、具体实施方式：

混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法，包括以下步骤：

1. 在一根典型的用绝缘材料制作的色谱柱上，均匀的分布有若干电极对，我们把它们称作电极耦。如图1所示，a1和b1，a2和b2，…，an和bn分别为配对的电极耦，它们分别排列于色谱柱两边，如图2。各自连接经过整流的方波电源P1，P2，…，Pn。每个方波电源都是相互独立（也可视需要合并成一个单一电源）、频率和波幅可分别调节的电源。其波形特征是：输出电压周期性的由正电压瞬时转为负电压，再由负电压瞬时转为正电压，如此循环往复。从示波器上看就好像“方形锯齿波”的形状。如图3。“锯齿”的宽度，代表正或负电压保持的时间，与频率相对应，“锯齿”的高度，就代表电压高低±V。正常状态下，同一周期内正电压和负电压大小保持不变。如此一来，带电粒子在电场中一直处于受作用状态。电场作用在带电粒子时，带电粒子在电场方向上做往复运动。

2.为了保证分离过程中最大限度减少电离过程，依照物料的不同，电场强度可设定在20mV／cm～20V／cm范围内。对于荷质比较大的待分离物质，如金属离子等，电场强度不宜设为过大（一般不超过10V／cm），以防止发生电化学反应。对于荷质比较小的大分子，如蛋白质等，可以采用较大的电场强度，但一般不超过20V／cm，而且在体系内把小的带电粒子预先脱除后再分离大分子。

3.为了提高分离效能，在分离柱中填充石英砂、石英球等惰性填料，增加分离塔板数，从而将待分离体系中带电粒子受电场作用滞留的效应显著放大。如如4。为了进一步提高分离效率，色谱分离柱两端进行密封和缓冲处理后，对分离体系加压提高流速。由于有压力推动，色谱分离柱可以设计成竖直或水平放置均可，如图4和图5，增加了系统灵活性。

4.为了防止过强的电场强度引起带电粒子的过大幅度的往复运动造成能耗过高，系统温度升高过快，采用细长色谱分离柱设计，色谱分离柱直径为1mm～100mm范围。使得电极耦之间的距离较短，电压不会太高，能耗也不会过大，待分离体系里的各类物质受电场影响发生不可预测的反应或变性等可能性较低。对于大工业用途，采用把各细长的色谱分离柱并排做成集束状，如图6所示，每个横截面上每个色谱分离柱对应的电极耦可以分别单极并联，这样保证了各通道电场保持一致，色谱带在各个色谱分离柱的分布也就完全保持一致。此时集束分离柱之间的空隙一般需要填充绝缘的传热材料，以利于整个体系的散热或保温。

5.为了进一步防止待分离体系发生电化学反应，对于分子量较小、电导率较高的分离体系，在色谱分离柱中内嵌一套比色谱分离柱略小的半透膜管将待分离体系与电极耦隔开，此半透膜只允许水分子通过。如图7和图8所示。

6.对于每对电极耦，采用系统编程的方式提供不同时间，不同区段的电压和频率预设，以保证对不同的分离组分，都有与之相适应的电场参数从而在指定区域获得最大的滞留效果，做到真正意义上的色谱聚焦。

7.在完成色谱分离后，通过从出口端依次关闭相关电场，用流动相或水带动就可把已分离的组分依次收集，从而完成整个分离任务。设计中间段预留口，用于把指定的组分优先收集。如图9、图10和图11所示。

Claims (2)

1.混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离方法，其特征在于：包括以下步骤：在一根绝缘材料制作的色谱柱上，均匀的分布设置若干电极对，a1和b1，a2和b2，…，an和bn即电极耦，电极耦分别排列于色谱柱两边，各自连接经过整流的方波电源P1，P2，…，Pn，每个方波电源相互独立（也可视需要合并成一个单一电源），频率和波幅可分别调节的电源，波形连续方形锯齿波的形状，输出电压周期性的由正电压瞬时转为负电压，再由负电压瞬时转为正电压，循环往复，锯齿的宽度代表正或负电压保持的时间，与频率相对应，锯齿的高度代表电压高低±V，正常状态下，同一周期内正电压和负电压大小保持不变，带电粒子在电场中一直处于受作用状态，电场作用在带电粒子时，带电粒子在电场方向上做往复运动；

电场强度设定在20mV／cm～20V／cm范围内，对于荷质比较大的待分离物质，电场强度设置不超过10V／cm，以防止发生电化学反应，对于荷质比较小的大分子，采用较大的电场强度，不超过20V／cm，在体系内把小的带电粒子预先脱除后再分离大分子；

为了提高分离效能，在色谱分离柱中填充惰性填料，增加分离塔板数，将待分离体系中带电粒子受电场作用滞留的效应显著放大；为了进一步提高分离效率，色谱分离柱两端进行密封和缓冲处理后，对分离体系加压提高流速，色谱分离柱成竖直或水平放置；

为了防止过强的电场强度引起带电粒子的过大幅度的往复运动造成能耗过高，系统温度升高过快，采用细长色谱分离柱设计，分离柱直径为1mm～100mm范围；使得电极耦之间的距离较短，电压低，能耗小；对于大工业用途，采用把各细长的色谱分离柱并排做成集束状，每个横截面上每个分离柱对应的电极耦可以分别单极并联，集束色谱分离柱之间的空隙填充绝缘的传热材料；

为了进一步防止待分离体系发生电化学反应，对于分子量较小、电导率较高的分离体系，在色谱分离柱中内嵌一套比色谱分离柱略小的半透膜管将待分离体系与电极耦隔开，此半透膜只允许水分子通过；

对于每对电极耦，采用系统编程的方式提供不同时间，不同区段的电压和频率预设，以保证对不同的分离组分，都有与之相适应的电场参数从而在指定区域获得最大的滞留效果；

在完成色谱分离后，通过从出口端依次关闭相关电场，用流动相或水带动将已分离的组分依次收集，从而完成整个分离任务，设计中间段预留口，用于把指定的组分优先收集。

2.根据权利要求1所述的一种混合物分离纯化用交变弱电场阵列电子色谱分离技术，其特征在于：所述的惰性填料为石英砂、石英球或其他不与分离体系起反应的惰性材料。

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