CN104267138A - 新型平面色谱点样仪 - Google Patents

Abstract

本发明为一种新型平面色谱点样仪，其结构主要由控温点样平台、气流控制系统和运动控制系统组成。本仪器采用“分步重复点样”的原理，使固定相在一定面积范围内逐步吸收样品溶液，并设计多种方式促进溶剂挥发以形成符合要求的样品条带。其工作原理为：由仪器自带的微型气泵或外接气源输出的气体，经气体流量计调节进入微量喷嘴；运动控制系统中垂直运动的压片将微量点样针中的溶液均匀推出的同时，水平运动的微量喷嘴携带着微量点样针做匀速运动，且垂直方向与水平方向的运动相互配合，此时微量喷嘴喷射出的气体携带着样品溶液喷射至固定相表面，形成均匀的样品条带。该点样仪性能稳定、点样重复性好，可以满足平面色谱分析和分离制备的点样要求。

Description

新型平面色谱点样仪

技术领域

本发明为一种新型平面色谱点样仪，属于分析仪器中的平面色谱分析仪器领域。本仪器可广泛适用于化学、化工、医药、食品、环保、农业、林业等行业中使用平面色谱技术进行定性定量分析和少量化合物的分离制备等方面。

背景技术

平面色谱法是色谱技术的一种操作形式，包括薄层色谱法和纸色谱法，其中最常用的为薄层色谱法。薄层色谱法是将固定相(如硅胶、聚酰胺、氧化铝等)涂布于平面的载体(如玻璃、铝箔、涤纶板等)上对样品进行分离的一种平面色谱技术，主要用于化合物的定性鉴别、定量测定和分离制备。薄层色谱法的实验过程主要包括制版、点样、饱和、展开、显色等步骤，其中点样是影响分离效果的关键步骤之一。

平面色谱的点样步骤可通过手工或仪器来完成，根据样品原点的形状可分为点状点样和条带状点样，实际工作中多采用手工点状点样。然而手工操作的缺点是点样力度不好控制，样品原点较大，易破坏固定相表面，导致分离效果较差、分离容量较小。研究表明同样体积的样品溶液如果采用条带状点样，可大大提高平面色谱的分离能力和分离容量，改善分离效果。例如，在薄层色谱应用较多的对中药材的鉴别中，国家药典委员会出版的《中药材薄层色谱彩色图集》(2008)建议将样品点为条带状。但手工进行条带点样时由于样品溶液流出速度不同使条带的均匀性不易控制，且接触式点样也易破坏固定相表面，很难获得浓度均匀的条带，导致点样重复性较差。若使用自动化的点样仪器，采用非接触喷雾点样方式，通过程序设置合适的参数可以控制点样的过程，从而减少人为因素的干扰，能实现边缘清晰、线条均匀的条带状点样。

目前，国内市场上的点样仪主要由几家外国公司生产进口，其产品的优点是设计理念先进、效果可靠。使用国外生产的点样仪，对样品溶液的要求比较高，用于点样的样品溶液要求进行预先处理，否则专用的点样针容易被堵塞，一旦堵塞只能更换点样针，国外生产的点样仪使用的点样针也是其公司专门生产的。由于各种因素的限制，使用进口点样仪的单位并不广泛。国内也有一些单位和个人对点样仪技术进行了各个方面的努力，也都发表了各自的专利技术和主张。而我们从仪器研究过程中感到点样仪的关键技术在于如何认识喷嘴的作用、在于对点样条带边界清晰的规律的认识、以及所采取的相应的解决方法。

由于平面色谱技术操作简单、适用范围广，尤其是在药物质量控制中具有相当重要的地位。为此，我们设计了一种新型平面色谱点样仪，采用单片机控制的机电一体化技术，将控温点样平台、气流控制系统、运动控制系统有机的结合，制作了点样重复性好、可靠性高、操作简单的新型平面色谱点样仪。该点样仪配合调焦规板的使用，可用于各种厚度的薄层板和色谱滤纸的点样。本仪器的优势在于点样时所需样品量很少，样品溶液无需特殊处理，与手工点样相比更加科学、规范，点样用时少、效率高。

发明内容

本发明设计的新型平面色谱点样仪运用单片机控制的机电一体化技术，将控温点样平台、气流控制系统、运动控制系统、微量喷嘴和调焦规板的应用有机的结合，设计制造了重复性好、可靠性高、操作简单的新型平面色谱点样仪，整机的外观设计如附图1所示。该仪器的工作原理为：通过温度控制保持点样平台上点样区域恒温，使用自带的微型气泵或外接气源输出的气体，经气体流量计调节，进入微量喷嘴。运动控制系统中垂直运动的压片将微量点样针中的样品溶液均匀的推出的同时，水平运动的微量喷嘴携带着微量点样针做匀速水平运动，且垂直运动与水平运动存在着时间上的配合，此时微量喷嘴喷射出的气体携带着样品溶液喷射至点样平面上，形成均匀的样品条带。

新型平面色谱点样仪采用“分步重复点样”的原理完成条带状点样，即将需要点样的样品溶液的总体积分多次重复完成。设计“分步重复点样”方法的理论依据是：按国家药典委员会出版的《中药材薄层色谱彩色图集》(2008)的建议，使用硅胶板进行薄层色谱分析时，若采用条带状点样，宽为8～10mm(普通板)或5～8mm(高效板)、高度不超过1mm为宜。以固定相厚度为0.2mm的普通硅胶板点样为例，条带宽10mm、高1mm时，固定相所占体积为10×1×0.2＝2mm³＝2μl，若点样体积为10μl，即使忽略固定相体积，样品溶液的体积也是固定相所占体积的5倍。若一次性将10μl的样品溶液点于2mm³的固定相上且短时间内被吸收，溶剂来不及挥发会导致样品溶液的扩散，使样品条带的高度大于1mm。即使一次点样的体积4μl，其体积比仍为2倍，也会使样品溶液扩散，我们在新型平面色谱点样仪上也验证了该结论。为解决样品条带扩散的问题，我们明确提出“分步重复点样”的原理，将点样的总体积分多次均匀的点在同一条带上，再通过几种辅助方法加速溶剂挥发，使固定相充分吸收样品中的组分，从而保证了样品条带边缘清晰、高度一致。

新型平面色谱点样仪在“分步重复点样”原理的基础上，逐一解决了与条带点样效果有关的问题，如气体的流量、微量喷嘴水平移动的速度、溶剂在薄层板上的挥发速度等，通过发挥仪器各个部分的功能共同实现加速溶剂挥发的目的。按点样仪在点样过程中各部分实现的功能，将仪器主要分为三个组成部分：1控温点样平台；2气流控制系统；3运动控制系统。各部分的工作原理分述如下：

1、控温点样平台：

控制点样平台温度的目的是加速溶剂的挥发以获得尽可能窄的样品条带，点样平台的温度控制系统组成见附图2。

点样平台的结构见附图3。其中加热板镶嵌在点样平台中，其上表面与点样平台平齐，加热器件在加热板内部、微量喷嘴的正下方且平行于微量喷嘴水平运动轨迹。加热板四周与点样平台之间有一定的间隙，其相对位置见附图4。当加热板被加热器件加热时，该间隙具有热阻效应，阻止了热量向整个点样平台传递。其优点是：加热板体积小，升至一定温度所需时间短，容易恒温，且热量向周围传递慢、少，从而节省了能量。加热板与点样平台之间的间隙设计是新型平面色谱点样仪的发明之一。

由于加热板与点样平台之间有一定的间隙，不会使整个点样台面温度变化过大，我们在点样平台上选取了a～i九个温度测量点，各位置的温度测试曲线如附图5所示，显示加热板的温度显著高于点样平台的其他部分，从而避免了对使用者造成烫伤的缺陷。。

此外，在点样平台上面铺了一块2mm厚的玻璃，即美化了仪器的外观，也能够防止在使用过程中有细小的物体掉入隔热间隙(附图4)中。在玻璃上方安装了一块L形的上压靠板，见附图6，一方面用于压住玻璃以防止玻璃移动，另一方面L形上压靠板两边均标有尺寸刻度，可以方便操作者确定薄层板的位置。L形上压靠板上平行于微量喷嘴水平运动轨迹一边上的刻度便于操作者观察条带的宽度，另外一边的刻度用于确定条带与薄层板底边的距离。按国家药典委员会出版的《中药材薄层色谱彩色图集》(2008)的建议，使用硅胶板进行薄层色谱分析时，要求样品基线距底边10～15mm。根据实验要求，通过调节L形上压靠板上的固定螺丝，平行移动其位置即可调节样品条带与薄层板底边的距离，移动范围为0～5mm，即条带距底边最小为10mm、最大为15mm。一旦调整好，操作者无需再在固定相表面做任何标记。点样平台上上压靠板的设计使使用者使用起来非常方便。

2、气流控制系统

气流控制系统包括微型空气气泵、微型气泵与外接气源之间的转换开关、气体流量计和微量喷嘴，气流控制系统的设计如附图7所示。

由微型气泵或外接气源输出的气体，通过气体流量计调节流量后进入微量喷嘴，经微量喷嘴前端喷出。新型平面色谱点样仪设计了自带微型空气气泵与外接气瓶之间可以相互转换的功能。进行点样时可以根据样品溶液中组分的性质采用不同的气体，如含易氧化组分的样品溶液可采用外接氮气，不含易氧化组分的样品即可采用空气。气体通过气路时，采用气体流量计调节流量，可以方便地观察和调节气体流量的大小和气流对点样效果的影响。气体流量计调节气流的功能是新型平面色谱点样仪的创新点之一。

微量喷嘴是新型平面色谱点样仪的核心部件，其作用是将样品溶液以非接触的方式均匀、连续的喷在固定相表面。微量喷嘴的设计制作及使用上需符合新型平面色谱点样仪的特殊要求，如微量喷嘴与固定相表面距离可以调节、微量喷嘴可以更换，以及微量喷嘴与微量点样针针管之间的间隙配合能使微量进样针可以很方便地插入和拔出微量喷嘴。在点样过程中既要保证气体环绕在微量进样针针管周围从喷嘴喷出，又要保证在微量点样针进口处的气体泄漏量远远地小于气体在喷嘴前端喷出的流量。因此符合上述要求的微量喷嘴用于新型平面色谱点样仪是微量喷嘴的一个特殊应用，其设计制作可以充分保证新型平面色谱点样仪能够准确、可靠地进行点样，获得符合药典要求的均匀的样品条带，插有微量点样针的微量喷嘴示意图见附图8。微量喷嘴的设计已经申请了发明专利，专利申请号或专利号为201410131382.1，现在已经进入公布及实质审查阶段。

3、运动控制系统

运动控制系统是由水平运动控制系统和垂直运动控制系统组成，见附图9。在单片机程序控制下，水平运动控制系统可实现步进电机带动微量喷嘴进行正向、逆向、停止三种运动状态，垂直运动控制系统可实现步进电机带动压片进行下压、暂停、上升返回起始原点三种运动状态。点样时运动控制系统中垂直运动的步进电机带动压片，将微量点样针中的样品溶液均匀的推出，水平运动的步进电机带动微量喷嘴和微量点样针一起做水平方向匀速运动，且垂直方向与水平方向运动存在着时间上的配合，与此同时，从微量喷嘴喷射的气体即携带样品溶液喷射至固定相表面上，形成均匀的样品条带。

通常在平面色谱点样中要求样品条带的高度不大于1mm，而使用仪器点样时条带的高度与样品溶液中溶剂的挥发速度、每次的点样量等因素有关。若点样时溶剂来不及挥发，过多的溶剂会携带样品在固定相上扩散，使点样条带变粗，影响点样效果。若点样量过大，如5μl样品溶液一次点样完成，也会使条带变粗。因此新型平面色谱点样仪针对上述问题，设计制作时采取了如下方法加速溶剂挥发：1、采用控温点样平台，提高平台的温度使点于固定相上样品溶液里的溶剂尽快地挥发；2、利用喷嘴一次点样结束返回起点时气流的吹扫加快溶剂挥发；3利用单片机程序的参数设置，采用“分步重复点样”原理，将一定量的样品溶液分多次重复的点在同一条带上，该操作方式是本仪器的发明之一。

利用单片机程序的参数设置完成“分步重复点样”的设计原理如下：通过水平运动程序控制器(附图9)设置水平运动的正向位移量X mm、逆向位移量X mm、往返次数N、最后一次运动的正向位移量X+d mm，其中d为点样条带末端到下一条带起点的距离(即条带间隔)。水平运动位移量即微量喷嘴携带着微量点样针在水平方向上移动的距离，即条带的宽度。如选择X＝8mm的位移量，则条带的宽度为8mm。若选择X＝0mm的位移量，则条带的宽度即为0mm，此时即为点状点样。

若将Vμl的样品溶液，通过N次点样重复点于同一样品条带上，则每次垂直下压微量点样针可以均匀地推出V/Nμl的样品溶液，反复N次，便可以将Vμl的样品溶液全部喷在固定相上。此时可将Vμl的体积转换为微量点样针推杆运动的距离Y_tmm，则每次压片推动推杆下行位移量为Y_tmm/N＝Y mm，即压片下行一次的运动位移量Y mm也就是微量点样针一次释放出V/Nμl的样品溶液。根据以上数据即可通过垂直运动程序控制器(附图9)设置垂直方向上压片每次的下行位移量Y mm、运动暂停时间t、下压次数N、暂停次数N-1、压片上行返回起始位置的位移量Y_t＝Y×N mm。

完成系统设置后，用微量点样针吸取Vμl的样品溶液，插入微量喷嘴，启动操作按钮，微量喷嘴携带着微量点样针与压片在两个步进电机的带动下同时分别运动。当微量喷嘴携带着插入的微量点样针在水平方向离开原点的同时压片也离开原点。微量喷嘴携带着插入的微量点样针在水平方向上完成X mm位移量时，相同时间内压片垂直向下也完成将微量点样针推杆下压Y mm的位移量。在相同时间内分别完成这个动作后，微量喷嘴携带着插入的微量点样针执行逆向返回起始原点的程序，返回的位移量为X mm，与此同时压片执行暂停程序，等待微量喷嘴携带着插入的微量点样针返回原点后，再重新一起运动。

运动控制系统控制着这两个子系统如此重复运动，直到微量喷嘴携带着插入的微量点样针完成正向运动X+d mm的水平位移量，微量喷嘴携带着插入的微量点样针在X+d mm的位置等待第二个样品溶液的重新开始点样。d表示第二个样品溶液条带的起点与第一个已经完成的点样条带的末端有d mm的距离，即两个条带之间为d mm的间隔。在微量喷嘴携带着插入的微量点样针完成正向运动X+d mm的水平位移量的过程中，压片执行Y_t＝Y×N mm的上行返回起始原点的运动，回到压片的起始原点。此时即完成了一个样品溶液的点样过程，取下微量点样针，清洗后，吸入样品溶液，进行第二次点样。

上述过程即为“分步重复点样”的原理及其参数选择方法。值得注意的是，每一次压片执行暂停的等待时间t，亦即微量喷嘴携带着插入的微量点样针做逆向运动开始至到达起始原点之前，这t秒内没有样品溶液被喷射到固定相平面上，该时间段被新型平面色谱点样仪设计成为让溶剂充分挥发的等待时间，这是新型平面色谱点样仪的发明之一。与此同时，在水平方向上微量喷嘴在返回起点的过程中，利用没有样品溶液喷出的等待时间，持续的气流吹扫能加速溶剂挥发。这也是新型平面色谱点样仪设计的发明之一。采用该方法即便是点状点样，也可以通过程序参数设置，让垂直方向上压片的运动分几步完成，通过延长等待时间让喷射到固定相上的溶剂充分挥发，使样品斑点足够小。

综上所述，将控温点样平台、气流控制系统、运动控制系统三部分有机的融合在一起，在单片机控制下即可完成点样工作。本仪器通过同时发挥上述三部分的功能可加速样品溶液中溶剂的挥发，即：1提高点样平台上加热板的温度；2延长垂直运动的压片的暂停时间；3充分利用暂停时间内喷射气流的吹扫功能。

然而，实际点样时发现样品条带的高度还取决于微量喷嘴前端到点样平面的距离和微量点样针针尖到点样平面的距离。因此，通过大量的实验并对实验数据进行整理、总结，专门针对新型平面色谱点样仪发明了一个高度固定的用于调节和规范距离的模板，取名为调焦规板，见附图10。作为新型平面色谱点样仪的一个部件，调焦规板已经申请了发明专利，该专利目前已进入实质审查阶段，专利申请号为201410257784.6。运用调焦规板可以准确的控制微量喷嘴前端到点样平面的距离和微量点样针针尖到点样平面的距离。由于调焦规板的应用，不但简化了仪器的设计、方便了操作者使用仪器，而且使新型平面色谱点样仪可用于其他任意厚度的固定相平面上的点样，包括不同厚度的薄层板和色谱滤纸的点样。这就解决了由于固定相厚度差异造成的点样重复性不好的问题，因此本发明命名为新型平面色谱点样仪。

新型平面色谱点样仪点样时对样品溶液的要求不高，无需对样品溶液做特殊的处理，方便了操作者使用。该仪器的发明有利于将平面色谱点样技术标准化，减少人为因素的干扰，使条带状点样效果更加可靠、提高点样的重复性。

附图说明

附图1 新型平面色谱点样仪外观示意图。图中各部分的名称分别为：1 气体流量计，2 压片，3 微量点样针的位置，4 微量喷嘴，5 加热板，6 点样平台，7 程序自检开关，8 手动/自动控制转换开关，9 启动按钮，10 加热开关，11 气泵开关，12 水平方向正向/逆向开关，13 温度控制器，14 水平运动控制器，15 垂直运动控制器，16 上压靠板，17整机电源开关(位于仪器右侧)，18 气源转换开关(位于仪器后面板上)。

附图2 点样平台温度控制系统组成方框图。

附图3 控温点样平台的结构示意图。图中各部分的名称分别为：1 支撑板移动孔，2 加热板与点样平台之间的隔热间隙，3 加热棒，4 加热板，5 点样平台，6 上压靠板。

附图4 上压靠板与温度测量点在点样平台的相对位置关系图。图中各部分的名称分别为：1上压靠板，2 加热板，3 加热板与点样平台之间的间隙，4(a-i)九个温度测量点。

附图5 点样平台不同位置的温度测试曲线。

附图6 上压靠板设计图。图中各部分的名称分别为：1可调节螺孔，2刻度标尺。

附图7 气流控制系统组成方框图。

附图8 微量点样针插入微量喷嘴导向阻气管的剖面示意图。图中各组成部分分别为：1 微量点样针针管、2 微量点样针针管入口、3 壳体、4 进气管、5 集气腔、6 导向阻气管、7导向阻气腔、8 束流腔。

附图9 运动控制系统组成方框图。

附图10 调焦规板示意图。

具体实施例

按以上设计将控温点样平台、气流控制系统、运动控制系统有机的整合到一起，即成为一台完整的新型平面色谱点样仪。按国家药典委员会出版的《中药材薄层色谱彩色图集》(2008)的建议，使用硅胶预制板进行薄层色谱分析时，样品基线距底边10～15mm，样品原点之间的距离为5、8、10mm；若为条带状点样，宽为8～10mm，高度不超过1mm。本实施例以薄层色谱点样4μl为例，说明新型平面色谱点样仪的使用方法。

本仪器利用上压靠板直接控制样品基线距底边10mm。水平运动参数设置为样品条带宽度X＝8mm，条带间隔d＝5mm。点样量为4μl时，使用5μl的微量点样针其推杆移动距离为40mm，则推杆每移动10mm匀速推出的溶液为1μl，因此可通过四次重复完成一个样品的点样工作。根据以上数据，将水平运动和垂直运动的距离换算成驱动步进电机的脉冲个数。打开点样仪电源开关，在水平和垂直运动控制器上分别设置两个步进电机的脉冲个数和脉冲速度，只要保证水平移动8mm距离和垂直运动10mm距离所需的时间相等即可。将上述参数在程序控制器上重复设置4次。最后一次水平移动距离为8mm+5mm＝13mm，且垂直运动的压片回到起点。

按上述过程设置好运动参数，即可按以下步骤点样：

1、打开整机电源，设定点样平台温度，打开加热开关，预热30分钟。

2、用调焦规板固定微量喷嘴至薄层板的高度，取未吸取溶液的微量点样针插入微量喷嘴，再用调焦规板固定微量点样针针尖到薄层板的高度，若不符合要求可更换微量点样针或微调微量喷嘴的位置。

3、用选定的微量点样针吸取样品溶液，调整刻度后将其插入微量喷嘴，调整喷嘴至薄层板上合适的位置(距底边10mm，距侧边10～15mm)。

4、启动气泵，调节合适的气流量(2～5L/min)。

5、按触发按钮开始点样。

6、点样结束后取下微量点样针，清洗，准备下一个样品的点样。

按上述过程进行点样，即可获得宽度为8mm，间隔为5mm的样品条带。

Claims (8)

1.本发明为一种新型平面色谱点样仪，其特征在于其结构上主要由控温点样平台、气流控制系统和运动控制系统三部分组成，采用“分步重复点样”的原理，通过发挥各部分的功能加速溶剂的挥发以完成点样过程。

2.如权利要求1所述的平面色谱点样仪的控温点样平台，其特征在于该平台采用了以下设计方案：控温加热板仅局限于点样区域，加热板与点样平台之间存在间隙，加热板里的加热器件与微量喷嘴运动轨迹平行。加热器件包括任何形状的棒、带、片、丝以及可以被涂覆的加热材料。任何采用上述方案的设计均属于本发明的权利范围。

3.如权利要求1所述的平面色谱点样仪的控温点样平台，其特征在于点样平台上上压靠板的设计与应用。所述的上压靠板上面标有尺寸刻度，可以方便薄层板或纸的定位以及操作者观察与使用；所述的上压靠板可用于调节点样条带基线与薄层板底边的距离。

4.如权利要求1所述的平面色谱点样仪的气流控制系统，其特征在于设有自带微型气泵与外接气源的转换开关，可方便的转换气源。

5.如权利要求1所述的平面色谱点样仪的气流控制系统，其特征在于气路中加入了气体流量计，可按实验要求控制气体流量。

6.如权利要求1所述的平面色谱点样仪的气流控制系统，其特征在于微量喷嘴的应用，所述的微量喷嘴的设计与制造应满足新型平面色谱点样仪对微量喷嘴的要求。

7.如权利要求1所述的平面色谱点样仪的运动控制系统，其特征在于通过参数设置可使垂直方向上压片停止运动、等待溶剂挥发，水平方向上微量喷嘴返回起点过程中气流吹扫辅助溶剂挥发。

8.如权利要求1所述的平面色谱点样仪，其特征在于调焦规板的应用。所述的调焦规板用于统一和固定微量喷嘴到固定相表面的距离以及微量点样针针尖到固定相表面的距离范围，调焦规板的应用可使本仪器适用于不同厚度的固定相的点样。在纸色谱的点样中，调焦规板还可作为镇纸以避免色谱滤纸被气流吹动。