CN112034083B - 一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法及系统，包括：准备两根相同直径、不同长度的的管路，分别为管路1和管路2，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，计算两管路的内腔体积；在三通阀的出口安装管路1，堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；卸下管路1替换为管路2，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂；将安装管路1和安装管路2状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算液相色谱泵流路死体积V_S。与传统的质量法与容积法相比，本发明实现了高精度的标定，可实用性和可操作性强。

Description

一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法及系统

技术领域

本发明涉及一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法及系统，属于液相技术领域。

背景技术

在液相色谱流路中，不随流动相一起流动的柱外的体积，存在死体积，可能降低柱效、拖尾，严重时甚至出现无法分离的现象，因此在液相色谱系统的开发与研制中，死体积需要进行严格控制，并进行标定。常见的标定方法有重量法与容积法，这两种方法要求在恒定温度下，对通入流动介质前后重量或压力变化进行计算得出死体积，这种方法需要拆卸与死体积测量相关的零部件，搭建测试平台进行测量，且微小死体积的测量对测量设备精度要求很高，尤其重量法测试时对天平精度要求极高，且零部件内的液体挥发也影响微小死体积的测量，因此可操作性不好，且微小质量称重条件严格，容易引入误差导致计算不够准确。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，用于实现在线、简易的超低死体积测量。

本发明的技术解决方案是：

一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，包括如下步骤：

(1)准备两根相同直径、不同长度的的管路，分别为第一管路和第二管路，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，计算第一管路和第二管路的内腔体积V₀₁和V₀₂；

(2)在三通阀阀的出口安装第一管路，第一管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；

(3)卸下第一管路，在三通阀阀的同一出口安装第二管路，第二管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂；

(4)将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算液相色谱泵流路死体积V_S。

进一步的，液相色谱泵流路包括主缸、主缸单向阀、副缸、副缸单向阀、压力传感器、三通阀以及连接管路；

主缸单向阀连接在主缸泵头处，溶剂通过管路从主缸单向阀进入主缸；主缸出口通过管路连接副缸单向阀，副缸单向阀连接在副缸泵头处，副缸出口通过管路连接压力传感器，压力传感器通过管路连接三通阀，从而构成液相色谱泵流路。

进一步的，通过压力传感器的测量值计算得到主缸和副缸运动前后流路整体的压差值ΔP₁。

进一步的，设置编码器，与主缸中的电机相配合，计算得到主缸和副缸运动前后流路整体容积变化值ΔV₁。

进一步的，在步骤(2)和步骤(3)分别将第一管路和第二管路安装在三通阀出口，进行压差测量和容积变化值测量过程中，确保压差ΔP₁＝ΔP₂或者容积变化值ΔV₁＝ΔV₂。

进一步的，将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算系统死体积，具体如下：

(4.1)计算加入第一管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₁：

(4.2)计算加入第二管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₂：

(4.3)确定联立计算约束条件；

(4.4)联立液体的压缩系数β₁计算公式、液体的压缩系数β₂计算公式以及联立计算约束条件，计算得到液相色谱泵流路死体积V_S。

进一步的，计算加入第一管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₁：

式中：β₁为加入第一管路后液体的压缩性系数；ΔV₁为加入第一管路后液体的容积变化值；ΔP₁为加入第一管路后液体的压差值；V₁为加入第一管路后流路系统内液体的体积，为流路系统死体积V_S和第一管路的容积V₀₁之和，即V₁＝V_S+V₀₁。

进一步的，计算加入第二管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₂：

式中：β₂为加入第二管路后液体的压缩性系数，ΔV₂为加入第二管路后液体的容积变化值，ΔP₂为加入第二管路后液体的压差值，V₂为加入第二管路后流路系统内液体的体积，为系统死体积V_S和第二管路的容积V₀₂之和，即V₂＝V_S+V₀₂。

进一步的，联立计算约束条件，具体为：在恒定温度、恒定起始工作压力和恒定压差下，液体的压缩性系数也恒定，即：

β₁＝β₂；

ΔP₁＝ΔP₂或ΔV₁＝ΔV₂。

进一步的，本发明还提出一种液相色谱泵流路超低死体积的标定系统，包括：

管路体积计算模块：准备两根相同直径、不同长度的的管路，分别为第一管路和第二管路，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，计算第一管路和第二管路的内腔体积V₀₁和V₀₂；

压差值及容积变化值第一计算模块：在三通阀阀的出口安装第一管路，第一管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；

压差值及容积变化值第二计算模块：卸下第一管路，在三通阀的同一出口安装第二管路，第二管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂；

死体积联立计算模块：将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算液相色谱泵流路死体积V_S。

本发明的技术效果在于：

(1)本发明方法测试精度高

与传统的质量法与容积法相比，本发明方法采取在线测量方法，更适用于超低死体积的液相色谱泵测量。能够避免在超低死体积下微小质量变化的检测，同时能够精确的控制容积和压力变化，从而实现了高精度的标定。

(2)本发明方法可实用性和可操作性强

本发明方法克服了静态容积法中充氮气要求管路内干燥无液体难点，能够适用于液相色谱泵在任何时候的死体积标定，同时也克服了质量法测量时超低死体积下微小质量的检测难题，可实用性和可操作性强。

(3)本发明方法简单可靠

本发明方法利用了液相色谱泵的控制器，仅引入两根一端堵塞不同容积的管路即可实现系统死体积的测量，标定系统搭建简单。且所引入的两根管路能够很精确的计算出内腔容积，利用液相色谱自带的压力传感器和编码器对液相色谱泵主缸和副缸进行闭环控制，能够精确的控制压力与容积变化，测试方法简单可靠。

附图说明

图1是本发明液相色谱泵流路示意图；

图2是本发明液相色谱泵控制示意图。

具体实施方式

针对现有技术中使用重量法或容积法计算死体积不够准确的问题，本发明提出一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，用于实现在线、简易的超低死体积测量，能够避免在超低死体积下微小质量变化的检测，同时能够精确的控制容积和压力变化，从而实现了高精度的标定。

如图1所示，本发明中液相色谱泵流路包括主缸、主缸单向阀、副缸、副缸单向阀、压力传感器、三通阀以及连接管路；

主缸单向阀连接在主缸泵头处，溶剂通过管路从主缸单向阀进入主缸；主缸出口通过管路连接副缸单向阀，副缸单向阀连接在副缸泵头处，副缸出口通过管路连接压力传感器，压力传感器通过管路连接三通阀，从而构成液相色谱泵流路。

具体的，针对上述液相色谱泵流路，本发明提出的标定方法步骤如下：

(1)准备两根相同直径、不同长度的的管路，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，此处简称管路1和管路2，计算管路1和管路2的内腔体积V₀₁和V₀₂；

(2)在副缸泵头出口安装管路1，确保流路系统充满液体，堵塞的一端置于流路最末端。驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力。取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；

(3)卸下管路1，在副缸泵头出口安装管路2，确保流路系统充满液体，堵塞的一端置于流路最末端。驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力。取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂，确保压差值与管路1中的相同，即ΔP₁＝ΔP₂，或者确保容积变化值相同，即ΔV₁＝ΔV₂；

上面步骤2和步骤3中，通过压力传感器的测量值计算得到主缸和副缸运动前后流路整体的压差值ΔP₁或ΔP₂。设置编码器，与主缸中的电机相配合，计算得到主缸和副缸运动前后流路整体容积变化值ΔV₁或ΔV₂。如图2所示，当液相色谱泵的柱塞发生轴向位移时，会引起液相色谱泵内部压力和容积的变化，如图2，柱塞通过机构与电机轴连接，编码器安装位于电机末端。编码器用于测量电机轴转动角度，并精确转化为柱塞的轴向位移，并在液相色谱控制系统的存储模块实时保存。副缸出口通过管路连接压力传感器，同是压力传感器内装配置压力检测模块，当柱塞发生轴向位移时，压力传感器检测到新的压力值，并将此值传送至液相泵色谱控制系统存储模块进行实时数据保存。(4)将安装管路1和安装管路2状态下的压差值和压力值分别进行关联，计算系统死体积，具体如下：

根据液体的压缩系数公式：

式中：β为液体的压缩性系数，ΔV为液体的容积变化值，ΔP为液体的压差值，V为流路系统内液体的体积。

加入管路1的流路系统，液体的压缩系数公式可表示为：

式中：β₁为液体的压缩性系数；ΔV₁为液体的容积变化值；ΔP₁为液体的压差值；V₁为流路系统内液体的体积，为系统死体积V_S和管路1的容积V₀₁之和，即V₁＝V_S+V₀₁。

加入管路2的流路系统，液体的压缩系数公式可表示为：

式中：β₂为液体的压缩性系数，ΔV₂为液体的容积变化值，ΔP₂为液体的压差值，V₂为流路系统内液体的体积，为系统死体积V_S和管路2的容积V₀₂之和，即V₂＝V_S+V₀₂。

在恒定温度、恒定起始工作压力和恒定压差下，液体的压缩性系数几乎恒定，即：

β₁＝β₂ (4)

ΔP₁＝ΔP₂或ΔV₁＝ΔV₂ (5)

V₀₁和V₀₂已知，联立式(2)～式(5)，可求出V_S。

由于压力传感器读数可能存在一定的差异，因此两种方法计算出的死体积数值会略有偏差。

进一步的，本发明还提出一种液相色谱泵流路超低死体积的标定系统，包括：

管路体积计算模块：准备两根相同直径、不同长度的的管路，分别为第一管路和第二管路，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，计算第一管路和第二管路的内腔体积V₀₁和V₀₂；

压差值及容积变化值第一计算模块：在三通阀的出口安装第一管路，第一管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；

压差值及容积变化值第二计算模块：卸下第一管路，在三通阀的同一出口安装第二管路，第二管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂；

死体积联立计算模块：将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算液相色谱泵流路死体积V_S。

本发明方法克服了静态容积法中充氮气要求管路内干燥无液体难点，能够适用于液相色谱泵在任何时候的死体积标定，同时也克服了质量法测量时超低死体积下微小质量的检测难题，可实用性和可操作性强。同时，与传统的质量法与容积法相比，本发明方法采取在线测量方法，更适用于超低死体积的液相色谱泵测量。能够避免在超低死体积下微小质量变化的检测，同时能够精确的控制容积和压力变化，从而实现了高精度的标定。

下面给出本发明实施例：

实施例一：

以流动相为甲醇为例，管路1和管路2的内径为0.762mm，管路1长度为10mm，管路2长度为20mm，运行过程确保ΔP₁＝ΔP₂。

(1)加入管路1的流路系统：

液相色谱泵初始位置：液相色谱泵副缸柱塞位于后零点，对应编码器值为-361475，压力传感器数值P₀₁＝2.13MPa。

液相色谱泵停止位置：液相色谱泵副缸柱塞前移10mm，读取编码器值为-99331，压力传感器值P₁＝61.87MPa。

计算得出管路1内流动相的容积V₀₁＝0.456X10^-9m³，ΔV₁＝3.142X10^-8m³，ΔP₁＝59.74MPa。

(2)加入管路2的流路系统：

液相色谱泵初始位置：液相色谱泵副缸柱塞位于后零点，对应编码器值为-361475，压力传感器数值P₀₂＝2.02MPa。

液相色谱泵停止位置：液相色谱泵副缸柱塞前移9.91mm，读取编码器值为-101690，压力传感器值P₂＝61.76MPa。

计算得出管路1内流动相的容积V₀₂＝0.912X10^-9m³，ΔV₂＝3.113X10^-8m³，ΔP₂＝59.74MPa。

(3)液相色谱泵在运行过程中，温度恒定，且运行压力和压力变化值相同，因此压缩性系数相同，即β₁＝β₂。

代入式(2)、式(3)和式(4)，求得死体积V_S＝48.48X0^-9m³，

实施例二：

现以流动相为甲醇为例，管路1和管路2的内径为0.762mm，管路1长度为10mm，管路2长度为20mm，运行过程确保ΔV₁＝ΔV₂。

(1)加入管路1的流路系统：

液相色谱泵初始位置：液相色谱泵副缸柱塞位于后零点，对应编码器值为-361475，压力传感器数值P₀₁＝2.13MPa。

液相色谱泵停止位置：液相色谱泵副缸柱塞前移10mm，读取编码器值为-99331，压力传感器值P₁＝61.87MPa。

计算得出管路1内流动相的容积V₀₁＝0.456X10^-9m³，ΔV₁＝3.142X10^-8m³，ΔP₁＝59.74MPa。

(2)加入管路2的流路系统：

液相色谱泵初始位置：液相色谱泵副缸柱塞位于后零点，对应编码器值为-361475，压力传感器数值P₀₂＝2.02MPa。

液相色谱泵停止位置：液相色谱泵副缸柱塞前移10mm，读取编码器值为-99331，压力传感器值P₂＝62.32MPa。

计算得出管路1内流动相的容积V₀₂＝0.912X10^-9m³，ΔV₂＝3.142X10^-8m³，ΔP₂＝60.30MPa。

(3)液相色谱泵在运行过程中，温度恒定，且运行压力和压力变化值相同，因此压缩性系数相同，即β₁＝β₂。

代入式(2)、式(3)和式(4)，求得死体积V_S＝48.19X0^-9m³。

由于压力传感器读数可能存在一定的差异，因此两种方法计算出的死体积数值会略有偏差。

与容积法相比，本发明能够随时进行超低死体积的测量，不需要进行复杂测试系统的搭建，也不需要要求液相色谱泵内部干燥无液体。由于液相色谱泵使用后，液体难以去除干净，因此容积法适应于液相色谱泵装配完成时，未进行液体测试前。

重量法需拆卸与死体积相关的零部件，对零部件内部进行液体灌装并密封，利用高精度天平进行称重。但由于液相色谱泵死体积一般都是微升级，对应重量很小，因此对天平的精度和环境要求提出了很高的精度，而且由于测试时需要先灌装液体测量，然后将液体排除测量，通过重量差值计算死体积，存在液体排出不完全，由于微量液体蒸发导致天平数值不稳定等多种影响因素，导致存在精度差值。以灌装水溶液为例，重量法仅考虑万分之一天平的测量误差计算，其测量误差为0.1mg，而本发明所采用方法准确折算误差重量为0.0393mg，与重量法相比，本发明将测量精确度提高了1.5倍以上。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)准备两根相同直径、不同长度的管路，分别为第一管路和第二管路，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，计算第一管路和第二管路的内腔体积V₀₁和V₀₂；

(2)在三通阀的出口安装第一管路，第一管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；

(3)卸下第一管路，在三通阀的同一出口安装第二管路，第二管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂；

(4)将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算液相色谱泵流路死体积V_S；

将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算系统死体积，具体如下：

(4.1)计算加入第一管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₁：

(4.2)计算加入第二管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₂：

(4.3)确定联立计算约束条件；

(4.4)联立液体的压缩系数β₁计算公式、液体的压缩系数β₂计算公式以及联立计算约束条件，计算得到液相色谱泵流路死体积V_S；

计算加入第一管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₁：

式中：β₁为加入第一管路后液体的压缩性系数；ΔV₁为加入第一管路后液体的容积变化值；ΔP₁为加入第一管路后液体的压差值；V₁为加入第一管路后流路系统内液体的体积，为流路系统死体积V_S和第一管路的容积V₀₁之和，即V₁＝V_S+V₀₁；

计算加入第二管路的液相色谱泵流路，液体的压缩系数β₂：

式中：β₂为加入第二管路后液体的压缩性系数，ΔV₂为加入第二管路后液体的容积变化值，ΔP₂为加入第二管路后液体的压差值，V₂为加入第二管路后流路系统内液体的体积，为系统死体积V_S和第二管路的容积V₀₂之和，即V₂＝V_S+V₀₂；

联立计算约束条件，具体为：在恒定温度、恒定起始工作压力和恒定压差下，液体的压缩性系数也恒定，即：

β₁＝β₂；

ΔP₁＝ΔP₂或ΔV₁＝ΔV₂。

2.根据权利要求1所述的一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，其特征在于：液相色谱泵流路包括主缸、主缸单向阀、副缸、副缸单向阀、压力传感器、三通阀以及连接管路；

主缸单向阀连接在主缸泵头处，溶剂通过管路从主缸单向阀进入主缸；主缸出口通过管路连接副缸单向阀，副缸单向阀连接在副缸泵头处，副缸出口通过管路连接压力传感器，压力传感器通过管路连接三通阀，从而构成液相色谱泵流路。

3.根据权利要求1所述的一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，其特征在于：通过压力传感器的测量值计算得到主缸和副缸运动前后流路整体的压差值ΔP₁。

4.根据权利要求1所述的一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，其特征在于：设置编码器，与主缸中的电机相配合，计算得到主缸和副缸运动前后流路整体容积变化值ΔV₁。

5.根据权利要求1所述的一种液相色谱泵流路超低死体积的标定方法，其特征在于：在步骤(2)和步骤(3)分别将第一管路和第二管路安装在三通阀出口，进行压差测量和容积变化值测量过程中，确保压差ΔP₁＝ΔP₂或者容积变化值ΔV₁＝ΔV₂。

6.一种根据权利要求1～5中任一项所述的液相色谱泵流路超低死体积的标定方法实现的死体积标定系统，其特征在于包括：

管路体积计算模块：准备两根相同直径、不同长度的管路，分别为第一管路和第二管路，增加管路堵头将两根管路的一端堵塞，计算第一管路和第二管路的内腔体积V₀₁和V₀₂；

压差值及容积变化值第一计算模块：在三通阀的出口安装第一管路，第一管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后流路整体的压差值ΔP₁和容积变化值ΔV₁；

压差值及容积变化值第二计算模块：卸下第一管路，在三通阀的同一出口安装第二管路，第二管路堵塞的一端置于流路最末端，确保液相色谱泵流路中充满液体；驱动液相色谱泵的主缸和副缸运动，改变液相色谱泵流路内流动相的容积，进而改变副缸内的压力；取运动中某一时段的压力与容积状态，计算该时段运动前后压差值ΔP₂和容积变化值ΔV₂；

死体积联立计算模块：将安装第一管路和安装第二管路状态下的压差值和容积变化值分别进行关联，计算液相色谱泵流路死体积V_S。

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