CN104730179A - 一种可以控制流动相混合比例的液相色谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以控制流动相混合比例的液相色谱仪，包括输液泵和控制系统，所述的输液泵包括一个N元梯度阀（N≥2）和一个串联柱塞泵，所述的N元梯度阀具有N个通道，用于将N个通道中的液体进行混合，所述的控制系统根据每个通道对应的液体比例，控制所述的每个通道的开启时间的长度，所述的控制系统根据一通道排列方式控制所述的N个通道依次向串联柱塞泵中输送液体，所述的控制系统根据第一输液通道的液体损失比例L1和最后输液通道的液体损失比例L2，调节所述N个通道的开启时间的比例。本发明所述的液相色谱仪，通过调节梯度阀每个通道的开启时间，来校准流动相的混合比例。

Description

一种可以控制流动相混合比例的液相色谱仪

技术领域

本发明涉及测试测量领域，特别涉及一种可以校准流动相混合比例的液相色谱仪。

背景技术

高效液相色谱是色谱法的一个重要分支，其是以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相连同被测样品泵入装有固定相的色谱柱，被测样品的各成分在柱内被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对样品的定性定量分析。该方法已成为化学、医学、工业、农学、商检和法检等学科领域中重要的分离分析技术。高效液相色谱仪（HPLC）是用于此分析方法的仪器。

如图1所示，高效液相色谱仪1通常由溶液组织器101、输液泵102、进样器103、色谱柱104、检测器105、信息处理系统106和控制系统107等部分组成，其中溶液组织器101中的溶液经过脱气后，作为流动相被输液泵102注入到液相色谱仪1的系统中，样品溶液经过进样器103注入流动相，并被流动相载入到色谱柱104（固定相）内，由于样品溶液中的各组分与色谱柱具有不同的极性，样品溶液在色谱柱104中作相对运行时，经过反复多次的吸附-解吸的分配过程，各组分在移动速度上产生较大的差别，最后被分离成单个组分依次从色谱柱104内析出，析出的成分经过单色光的投射，检测器105检测到光强度的变化，并把这些光信号转换成电信号传送到信息处理系统106，信息处理系统106主要用于分析接收到的数据，并最后将它们以图谱形式显示出来。控制系统107用于实现对色谱仪内各部件的控制和数据处理等操作。

如图2所示，输液泵102由四元梯度阀201和串联柱塞泵202串联连接组成，四元梯度阀201用于将一种或者多种流动相按照设定的混合比例进行混合，串联柱塞泵202用于将混合后的液体输送到液相色谱仪1的系统中。四元梯度阀201包括四个通道分别用于输入不同比例的液体，并将它们混合，控制系统107根据每个通道的液体比例，控制每个通道的开启时间，从而输出设定混合比例的液体给串联柱塞泵202。串联柱塞泵202由一个主泵头203和一个副泵头204组成，主泵头203的冲程体积约为副泵头204的二倍，当主泵头203排液时，入口单向阀205关闭，出口单向206打开，副泵头204对应的柱塞后退吸入主泵头203所排一半的液体，另一半直接进入液相色谱仪1的系统中；当主泵头203吸液时，出口单向阀206关闭，入口单向阀205打开，副泵头204对应的柱塞前进将泵腔中储存的一半液体输出到系统中，如此循环实现混合液体的传输。

参考图3，该图表示串联柱塞泵202的柱塞步数与吸液量的关系，横坐标为柱塞步数，图形面积表示吸液量，由于入口单向阀205和出口单向阀206是被动阀，都具有一定的响应时间（器件的固有参数），所以导致串联柱塞泵202在每次吸液过程的开始和结束时都会有一段时间吸不上液体，即图3中的s1和s2的面积为损失掉的液体量，因此会导致最终产生的混合液体的混合比例出现偏差。并且因为输液泵102是由步进电机驱动的，四元梯度阀201中每个通道的比例分配是以电机的步数为准的，而与液体的流速无关，假设某一个通道应该在电机步数为500的时候打开，那么无论流速是多少，该通道都是在步数为500的时候打开，但是液体流速不同，是因为电机的转速变化导致的，所以，在入口单向阀205和出口单向阀206的固定的响应时间内，在不同的流速下，就会导致串联柱塞泵202在吸液过程的两端产生不同的偏差，例如，流速为1ml/min时，该响应时间对应20步的偏差，而流速为2ml/min时，该响应时间对应40步偏差，所以在不同的流速下混合比例又会产生不同的偏差。

终上所述，现有技术中缺乏一种可以准确控制流动相混合比例的液相色谱仪。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可以准确控制流动相混合比例的液相色谱仪。

本发明所述的一种可以校准液体混合比例的液相色谱仪，包括输液泵和控制系统，所述的输液泵包括一个N元梯度阀（N不小于2）和一个串联柱塞泵，所述的N元梯度阀具有N个通道，用于将N个通道中的液体进行混合，所述的控制系统根据每个通道对应的液体比例，控制所述的每个通道的开启时间的比例，所述的控制系统根据一通道排列方式控制所述的N个通道依次向串联柱塞泵中输送液体，所述的控制系统根据第一输液通道的液体损失比例L1和最后输液通道的液体损失比例L2，调节所述Ｎ个通道的开启时间的比例。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述的通道排列方式还可以为第一输液通道和最后输液通道为同一个通道，且该通道对应的液体比例最大，且第一输液通道和最后输液通道的开启时间相等。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述的控制系统还可以通过以下步骤获得液体损失比例：

1）以某一液体流速运行液相色谱仪；

2）检测在该流速下，所述的N个通道中的一个通道中的液体的吸光度；

3）根据两种不同液体比例下吸光度的偏差，得到液体损失比例。

在本发明所述的液相色谱仪中，还可以假设调节前，第一输液通道的开启时间的比例为T1，中间输液通道的开启时间的比例为T2，最后输液通道的开启时间的比例为T3，那么调节后，第一输液通道的开启时间的比例T1’=T1*T1*(1-L1-L2)，中间输液通道的开启时间的比例T2’=T2*（1-L1-L2），最后输液通道的开启时间的比例T3’=1-T1’-T2’。

在本发明所述的液相色谱仪中，还可以假设调节前，第一输液通道的开启时间的比例为T1，中间输液通道的开启时间的比例为T2，最后输液通道的开启时间的比例为T3，那么调节后，第一输液通道的开启时间的比例T1’=(1-T2’)/2，中间输液通道的开启时间的比例T2’=T2*（1-L1），最后输液通道的开启时间的比例T3’=(1-T2’)/2。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述的控制系统还可以根据至少任意两个液体流速下的液体损失比例，得到液体流速与液体损失比例的函数关系，并根据该函数关系得到不同流速下的液体损失比例。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述的控制系统还可以在所述的N元梯度阀的第M个通道关闭后，延时一个延迟开启时间Dt，再开启第M+1个通道（1≤M<N），假设第M个通道关闭的时间为Ct，第M+1个通道开启的时间为Ot，所述的延迟开启时间Dt大于（Ct+Ot）且小于2*（Ct+Ot）。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述的控制系统还可以通过调节驱动N元梯度阀的脉冲波的过冲时间和占空比，来控制所述的延迟开启时间Dt。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述的N元梯度阀还可以为二元阀或四元阀。

本发明所述的液相色谱仪根据在串联柱塞泵吸液段的两端损失的液体比例，调节每个通道的开启时间，从而调节每个通道的输液比例，最终实现调节混合溶液的比例。

并且本发明的N元梯度阀在排液时，采用将比例最大的通道放在吸液端两端的通道排列方式，只需要计算一个通道的液体损失比例，就可以实现对液体混合比例的调节，大大简化了校准过程。

并且本发明所述的液体色谱仪，在Ｎ元梯度阀的两个通道之间设置了一个延迟开启时间，使得相邻两个通道的吸液完全分开，并且通过调整驱动梯度阀的脉冲波的过冲时间和占空比的方法，来调节延迟开启时间，将延迟开启时间调整到一个合理的数值，避免了由于延迟开启时间过长产生的问题。

并且本发明获得液体损失比例的方法简单、易于操作，并且准确度更高。

附图说明

图1是液相色谱仪1的结构示意图。

图2是输液泵102的结构示意图。

图3是串联柱塞泵202的柱塞步数与吸液量的关系示意图。

图4是实施例中，采用顺序通道排列方式时串联柱塞泵202的柱塞步数与吸液量的关系示意图。

图5是实施例中，采用将最大比例的通道放在吸液段两边的通道排列方式时串联柱塞泵202的柱塞步数与吸液量的关系示意图。

图6是实施例中，通道开启时间、关闭时间与延迟开启时间之间的关系图。

图7是是驱动梯度阀201的脉冲波的电压信号与电流信号变化的关系图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的一较佳实施例。

参照图1，本实施例中的液相色谱仪1包括溶液组织器101、输液泵102、进样器103、色谱柱104、检测器105、信息处理系统106和控制系统107等，其中溶液组织器101中的溶液经过脱气后，作为流动相被输液泵102注入到液相色谱仪1的系统中，样品溶液经过进样器103注入流动相，并被流动相载入到色谱柱104（固定相）内，由于样品溶液中的各组分与色谱柱具有不同的极性，样品溶液在色谱柱104中作相对运行时，经过反复多次的吸附-解吸的分配过程，各组分在移动速度上产生较大的差别，最后被分离成单个组分依次从色谱柱104内析出，析出的成分经过单色光的投射，检测器105检测到光强度的变化，并把这些光信号转换成电信号传送到信息处理系统106，信息处理系统106将接收到的数据进行数字分析，并最后将它们以图谱形式显示出来，控制系统107用于实现对色谱仪内各部件的控制和数据处理等操作。

作为举例说明，信息处理系统106可以通过计算机等具有信息处理能力的设备实现。

作为举例说明，控制系统107可以通过DSP、FPGA等数字处理部件实现，并且控制系统107可以嵌入检测器105的系统中。

参考图2，在本实施例中，输液泵102由四元梯度阀201（本实施例以N=4为例）和串联柱塞泵202串联组成，其中四元梯度阀201具有四个通道，用于将四个通道中的液体（流动相）进行混合，控制系统107根据每个通道的液体比例，控制每个通道的开启时间和关闭时间的长度，最终输出所设定混合比例的混合液体，然后将该混合溶液输出给串联柱塞泵202，串联柱塞泵202由一个主泵头203和一个副泵头204组成，主泵头203的冲程体积约为副泵头204的二倍，当主泵头203排液时，入口单向阀205关闭，出口单向206打开，副泵头204对应的柱塞后退吸入主泵头203所排一半的液体，另一半直接进入液相色谱仪1的系统中；当主泵头203吸液时，出口单向阀206关闭，入口单向阀205打开，副泵头204对应的柱塞前进将泵腔中储存的一半液体输出到系统中，如此循环往复，将混合液体传输到液相色谱仪1的系统中。例如要实现40:20:20:20的混合比例，那么在主泵头203吸液的这段时间内，控制系统107控制四个通道的开启时间的比例依次为40%、20%、20%和20%，如此循环往复，就可输出上述混合比例的液体。

在本实施例中，控制系统107还根据预先设定的一种通道排列方式控制上述的四个通道依次向串联柱塞泵202中输送液体，所述的通道排列方式是系统为梯度阀201的四个通道设定的排液顺序，本实施例中，参考图4，通道排列方式为顺序排列方式，即四个通道按照顺序依次排液，通道的次序可以根据需要进行调换。

由于入口单向阀205和出口单向阀206存在响应时间，导致串联柱塞泵202在吸液时，梯度阀201第一个输液的通道即第一输液通道和最后一个输液的通道即最后输液通道，在开始输液和结束输液时损失了一部分的液体，参考图4，图中两个阴影的面积分别是第一输液通道和最后输液通道所损失的液体量，L1为第一通道损失的液体量占整个梯形面积的比例值，L2是最后通道损失的液体量占整个梯形面积的比例值，控制系统107根据第一输液通道的液体损失比例L1和最后输液通道的液体损失比例L2，调节梯度阀201四个通道的开启时间的比例。如上所述，由于入口单向阀205和出口单向阀206存在响应时间，所以导致第一输液通道和最后输液通道损失了一部分液体，也就是这两个通道的输液时间变短了，即向串联柱塞泵202输送的液体变少了，而中间输液通道的输液时间和输液量并没有变化，这样必然会导致第一输液通道和最后输液通道的液体比例占整个混合溶液的比例产生偏差，最终影响混合溶液的比例。所以，本发明根据第一输液通道的液体损失比例L1和最后输液通道的液体损失比例L2，来调节梯度阀201四个通道的开启时间的比例，通过调节通道开启时间来弥补液体损失带来的偏差，最终实现输出具有准确混合比例的液体。

在本实施例中，主要是通过试验的方法得到液体损失比例。首先，控制系统107以某一流速运行输液泵102，然后使梯度阀201的四个通道中的一个通道运行一种具有吸光度的液体，其他通道运行水（没有吸光度），然后利用检测器105检测在该流速下，当设置两种不同液体比例的时候，该通道的吸光度之间的偏差，最后根据该偏差得到液体损失比例。下面举例说明，假设液体流速为1ml/min，一个通道中运行丙酮水溶液（有吸光度），其他通道运行水。首先检测在两种液体的比例为50%：50%时，丙酮溶液的吸光度，然后再检测在液体比例为49:9%：50.1%%时，丙酮溶液的吸光度，最后根据上述两个液体比例下吸光度的偏差，估计出一个液体损失比例，并将其设置到系统中，控制系统107根据该液体损失比例调整梯度阀201的每个通道的输液时间，接着重复上面的步骤，观察两个液体比例的吸光度偏差的变化，如果发现吸光度的偏差变小，但还不在合理范围内，就对液体损失比例进行调整，通常，吸光度偏差为1mAu时，将液体损失比例调整0.1%，再重复上面的步骤，观察吸光度的偏差是否变小，并根据吸光度的偏差的变化再调整液体损失比例，如何反复调整液体损失比例，直到吸光度的偏差在合理的范围内，这时就得到在该流速下准确的液体损失比例，然后将其设置到控制系统107中，控制系统107根据液体损失比例调整梯度阀201的四个通道的开启时间比例，也就是对每个通道开启时间的长短进行调整，从而弥补液体损失所带来的混合比例的偏差。

作为举例说明，在本实施例中，也可以依据上述试验原理，采用检测除吸光度以外其他物质参数的方法对液体损失比例进行校正，最终得到准确的液体损失比例。

在本实施例中，根据液体损失比例调整梯度阀201的四个通道的开启时间比例的具体方法是，假设根据上述方法得到第一输液通道的液体损失比例为L1，最后输液通道的液体损失比例为L2，且调节前，即没考虑液体损失之前，第一输液通道的开启时间的比例为T1，中间输液通道的开启时间的比例都为T2（T2为第二输液通道和第三输液通道的开启时间的比例的和），最后输液通道的开启时间的比例为T3，那么调节后，即考虑液体损失之后，第一输液通道的开启时间的比例T1’=T1*T1*(1-L1-L2)，中间输液通道的开启时间的比例都为T2’=T2*（1-L1-L2），最后输液通道的开启时间的比例T3’=1-T1’-T2’。控制系统107根据液体损失比例L1和L2,以及上述计算方法调整每个通道的开启时间，从而调整每个通道的输液量，使得输液泵102准确输出设定的混合比例的液体。

作为举例说明，参考图5，梯度阀201的通道排列方式还可以采用如图5所示的排列方式，即第一输液通道和最后输液通道为同一个通道，且该通道对应的液体比例最大，且第一输液通道和最后输液通道的开启时间相等。

可以看出，当采用如图5所示的通道排列方式的时候，第一输液通道和最后输液通道为同一个通道，它们对应的液体比例相同，开启时间相等，所以它们的液体损失比例也相同，即L1=L2，因此，当采用图5所示的通道排列方式时，根据液体损失比例调整梯度阀201的四个通道的开启时间比例的具体方法是，假设调节前，即没考虑液体损失之前，第一输液通道的开启时间的比例为T1，中间输液通道的开启时间的比例为T2（T2为第二输液通道、第三输液通道和第四通道的开启时间的比例的和），最后输液通道的开启时间的比例为T3，那么调节后，第一输液通道的开启时间的比例T1’=(1-T2’)/2，中间输液通道的开启时间的比例T2’=T2*（1-L1），最后输液通道的开启时间的比例T3’=(1-T2’)/2。控制系统107根据液体损失比例L1,以及上述计算方法调整每个通道的开启时间，从而调整每个通道的输液量，使得输液泵102准确输出设定的混合比例的液体。

作为举例说明，在本实施例中，控制系统107根据至少任意两个液体流速下的液体损失比例，得到液体流速与液体损失比例的函数关系，并根据该函数关系得到不同流速下的液体损失比例。在本实施例中，可以根据上述试验的方法，得到任意两个液体流速下的液体损失比例，例如得到流速为1ml/min和2ml/min时的液体损失比例，然后根据这两个液体损失比例得到液体流速与液体损失比例之间的函数关系曲线，并将给函数存储到控制系统107中，在液相色谱仪1运行时，根据该函数关系，调整在不同的流速时的液体损失比例，从而保证在不同的液体流速下混合比例的准确性。

作为举例说明，在本实施例中，控制系统107在四元梯度阀201的第M个通道关闭后，延时一个延迟开启时间Dt，再开启第M+1个通道（1≤M<4），假设第M个通道关闭的时间为Ct，第M+1个通道开启的时间为Ot，所述的延迟开启时间Dt大于（Ct+Ot）且小于2*（Ct+Ot）。

参考图6，在梯度阀201从第M通道切换到第M+1通道的过程中，控制系统107首先给第M通道发送关闭信号，但是由于梯度阀201的开启和关闭都有一个响应时间，因此第M通道需要时间Ct才能正式关闭，；然后控制系统107再发送一个使第M+1通道打开的信号，第M+1通道需要一个时间Ot才能正式打开。为了使两个通道完全独立的吸液，不会互相影响，在本实施例中，在第M通道关闭和第M+1通道打开之间设置一个延迟开启时间Dt，经过大量试验测试得出，延迟开启时间Dt大于（Ct+Ot）且小于2*（Ct+Ot），当延迟开启时间Dt的取值在这个范围内时，可以使两个通道的吸液完全的分隔开，并且梯度阀201的重复性较好。

作为举例说明，在本实施例中，控制系统107通过调节驱动四元梯度阀201的脉冲波的过冲时间和占空比，来控制延迟开启时间Dt。

在本实施例中，梯度阀201是用一个电磁铁驱动中间的铁芯来控制各个通道的开启和关闭。参考图7，是驱动梯度阀201的脉冲波的电压信号与梯度阀开启和关闭时间的关系图，图中上半部分表示的是驱动梯度阀的脉冲波的电压信号，下半部分表示是梯度阀的电流信号的变化，从电流信号的变化（拐点）可以得知梯度阀201的开启和关闭时间。如图7所示，在t0时刻，控制系统107控制梯度阀201某一个通道打开，用具有100%占空比的脉冲波对其快速充电，在一定的过冲时间内使其快速打开，因此可以通过调整过冲时间来调整通道的打开速度，在t1时刻，使脉冲波的占空比下降，在t2时刻，使此通道关闭。因为在t1时刻梯度阀已经打开，所以只需要很小的电流就能让它保持开启状态，而且在t2时刻，梯度阀201不可能立即关断，线圈需要一个放电过程。为了使梯度阀201既能够保持开启的状态，又能够在最短的时间关闭，可以优选在t1时刻将占空比下降到20%，此时线圈内存储的电流较小，所以放电时间较短，关闭时间较小。

作为举例说明，在本实施例中，N元梯度阀201还可以采用二元阀或其他多元梯度阀，具体的实现原理和方法相同，此处不再赘述。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明所述的液相色谱仪根据在串联柱塞泵洗液段的两端损失的液体比例，调节每个通道的开启时间，从而调节每个通道的输液比例，最终实现调节混合溶液的比例。

除此以外，本发明所述的液相色谱仪还具有以下特点：

1、本发明的N元梯度阀在排液时，采用将比例最大的通道放在吸液端两端的通道排列方式，在液体损失比例时，只需要计算一个通道的液体损失比例，就可以实现对液体混合比例的调节，大大简化了计算和校准过程。

2、本发明所述的液体色谱仪，在N元梯度阀的两个通道之间设置了一个延迟开启时间，使得相邻两个通道的吸液完全分开，并且通过调整驱动梯度阀的脉冲波的过冲时间和占空比的方法，来调节延迟开启时间，将延迟开启时间调整到一个合理的数值，避免了由于延迟开启时间过长产生的问题。

3、本发明获得液体损失比例的方法简单、易于操作，并且液体损失比例还可以根据液体流速进行调节，更具有实用性，使得测量结果更准确。

Claims (9)

1.一种可以控制流动相混合比例的液相色谱仪，包括输液泵和控制系统，

所述的输液泵包括一个N元梯度阀（N≥2）和一个串联柱塞泵，所述的N元梯度阀具有N个通道，用于将N个通道中的液体进行混合，

所述的控制系统根据每个通道对应的液体比例，控制所述的每个通道的开启时间的比例，

所述的控制系统根据一通道排列方式控制所述的N个通道依次向串联柱塞泵中输送液体，

其特征在于，

所述的控制系统根据第一输液通道的液体损失比例L1和最后输液通道的液体损失比例L2，调节所述N个通道的开启时间的比例。

2.根据权利要求1所述的液相色谱仪，其特征在于，所述的通道排列方式为第一输液通道和最后输液通道为同一个通道，且该通道对应的液体比例最大，第一输液通道和最后输液通道的开启时间相等。

3.根据权利要求1或2所述的液相色谱仪，其特征在于，所述的控制系统通过以下步骤获得液体损失比例：

1）以某一液体流速运行液相色谱仪；

2）检测在该流速下，所述的N个通道中的一个通道中的液体的吸光度；

3）根据两种不同液体混合比例下吸光度的偏差，得到液体损失比例。

4.根据权利要求1所述的液相色谱仪，其特征在于，假设调节前，第一输液通道的开启时间的比例为T1，中间输液通道的开启时间的比例为T2，最后输液通道的开启时间的比例为T3，那么调节后，第一输液通道的开启时间的比例T1’=T1*T1*(1-L1-L2)，中间输液通道的开启时间的比例T2’=T2*（1-L1-L2），最后输液通道的开启时间的比例T3’=1-T1’-T2’。

5.根据权利要求2所述的液相色谱仪，其特征在于，假设调节前，第一输液通道的开启时间的比例为T1，中间输液通道的开启时间的比例为T2，最后输液通道的开启时间的比例为T3，那么调节后，第一输液通道的开启时间的比例T1’=(1-T2’)/2，中间输液通道的开启时间的比例T2’=T2*（1-L1），最后输液通道的开启时间的比例T3’=(1-T2’)/2。

6.根据权利要求4或5所述的液相色谱仪，其特征在于，所述的控制系统根据至少任意两个液体流速下的液体损失比例，得到液体流速与液体损失比例的函数关系，并根据该函数关系得到不同流速下的液体损失比例。

7.根据权利要求1、4或5任一项所述的液相色谱仪，其特征在于，所述的控制系统在所述的N元梯度阀的第M个通道关闭后，延时一个延迟开启时间Dt，再开启第M+1个通道（1≤M<N），假设第M个通道关闭的时间为Ct，第M+1个通道开启的时间为Ot，所述的延迟开启时间Dt大于（Ct+Ot）且小于2*（Ct+Ot）。

8.根据权利要求7所述的液相色谱仪，其特征在于，所述的控制系统通过调节驱动N元梯度阀的脉冲波的过冲时间和占空比，来控制所述的延迟开启时间Dt。

9.根据权利要求1所述的液相色谱仪，其特征在于，所述的N元梯度阀为二元阀或四元阀。