CN1204402C

CN1204402C - 一种锥形高效液相色谱制备柱

Info

Publication number: CN1204402C
Application number: CN 02106928
Authority: CN
Inventors: 关亚风; 马继平; 陈令新
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2005-06-01
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: CN1366180A

Abstract

一种锥形高效液相色谱制备柱。主要由柱头、柱体及柱尾构成，是柱头入口内径(2R)大于柱尾出口内径(2r)的锥形柱体。柱头由锥形液流导向槽、分配盘及筛板构成液流分配系统。分配盘由多个辐射状液流通道、同心圆液流收集通道及渗液孔构成。柱体入口内径为2R＝10mm～2000mm、出口内径2r＝3mm～1800mm、柱长L＝5cm～100cm的均匀过渡的锥体，锥体锥角在1°～20°范围内，锥体内可填充各种类型的色谱分离介质。这种锥形制备柱可以显著地提高柱效及样品负载量，对分离组分的稀释效应低于圆柱形色谱柱。

Description

一种锥形高效液相色谱制备柱

技术领域

本发明属于一种用于制备分离的高效液相色谱柱，适用于石油化工、精细化工、生物技术、制药等需要获取纯产品的领域，尤其适用于生物大分子、天然活性成分等需要高度纯化的复杂样品的制备分离。

背景技术

色谱起源于1906年，俄国植物学家M.S.Tswett首次用色谱法分离了植物色素。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，因此，过去的观点认为在制备柱色谱中柱效并不是主要问题，人们真正关心的是单位时间的产量。但是，20世纪80年代以来，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要求，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。高效液相色谱适用范围广、快速、高效和温和的条件使其成为首选的分离手段。对高分离效率的要求，促进了新型填料的研究和新的装柱技术发展。近年来，人们更倾向于在制备色谱中使用分析级的小粒度填料，其目的就是为了提高柱效。由于某些基因工程产品和天然产物的分离纯化难度较大，需要多次循环操作才能获得一定量的纯品，使得制备成本成为产品价格的控制因素。因此，如何提高制备液相色谱的柱效和选择性，减少分离循环次数和分离过程对目标组分的稀释，降低生产成本成为研究的最重要问题。

在制备色谱分离中，人们曾考虑将一个宽内径柱与一个长的窄内径柱串联，由于前面的宽内径柱具有更大的容量，可以避免柱子过载，而后面的窄内径柱可以提供有效的分离。1968年，Joel Kwok等[Joel Kwok，L.R.Snyder，J.C.Sternberg.Anal.Chem.，1968，40(1)：118-122]研究了不同内径柱串联的问题，发现串联并不是提高柱效的好方法，因为串联柱中前面的宽内径柱的塔板高度很大，后面的窄内径柱与其相比有时可以忽略，因此并不能有效地起到提高柱效的作用。但是，1981年，Said[A.S.Said.Journal of High Resolution Chromatography & ChromatographyCommunications，1979，Febuary：63-67]通过理论计算得出锥形柱[100(柱长度)×3(入口内径)→1(出口内径)，单位：cm，下同]比固定相质量相同、总长度相同的串联圆柱形柱[41.7(粗柱长度)×3(粗柱内径)+58.3(细柱长度)×1(细柱内径)，单位：cm]有更高的效率，锥形柱柱效几乎为串联柱柱效2倍，因此具有宽入口内径的均匀过渡的锥形柱有希望用于制备色谱。

1966年，美国Philip Marris研究中心的H.M.Stahr等[H.M.Stahr，R.M.Ikeda，E.T.Oakley，B.M.Carter.Anal.Chem.，1966，38：1974]首次制作低压锥形液相色谱柱，他们采用聚乙烯塑料作为柱材料，硅胶为固定相，匀浆法填充，样品为偶氮苯，洗脱剂为正己烷。为考察锥形柱的特点，另外制作了两个与锥形柱有相同体积的色谱柱进行比较，一个为常规的圆柱形玻璃柱，另一个为内径变化的三阶圆柱形玻璃柱。比较三根柱子的谱带体积以衡量柱效率，结果表明锥形柱与三阶圆柱形柱相比，柱效基本一致，但锥形柱柱效明显优于一阶圆柱形柱，其谱带体积为一阶圆柱形柱的一半。1990年，瑞士的Moerker Theophile发明了一种入口内径小于出口内径的锥形柱[Switzerland Patent CH675212，1990]。样品在柱内流动时会逐渐向管壁扩散，在这种内径逐渐扩大的锥形柱内，由于柱型符合了样品扩散的趋势，样品谱带不会扩散到管壁，因而呈现出“无限直径效应”。这种锥形柱的最大优点是柱效高，但是由于入口内径小，因而负载样品的能力要小于同体积、同长度的圆柱型柱。此外，有关锥形液相色谱分析柱的研究也有一些报道，如斯洛维尼亚国家化学研究所报道的锥形柱(150×4→2.5mm，锥角0.6°)[A.Pecavar，I.Vovk，J.Marsel，M.Prosek.Analytical Sciences.1999，15：233-240]，美国的Nugent Kerry D.发明的锥形柱(25mm×2→0.5mm，锥角3.4°)[World Patent WO00/74808，2000]。但是，至今没有关于锥形高效液相色谱制备柱的报道。

发明内容

针对上述背景，本发明的目的是提供一种柱效高、载样量大、对样品具有更低稀释效应的液相色谱制备柱，适用于石油化工、精细化工、生物技术、制药等需要获取纯产品的领域，尤其适用于生物大分子、天然活性成分等需要高度纯化的复杂样品的制备分离。

本发明一种锥形高效液相色谱制备柱，主要由位于柱体上部的柱头、柱体和位于柱体下部的柱尾三个主要部分构成(图1、图2)。是柱头入口内径(2R)大于柱尾出口内径(2r)的锥形柱体。锥形柱体为入口内径2R＝10mm～2000mm、出口内径2r＝3mm～1800mm、柱长L＝5cm～100cm的均匀过渡的锥体，锥体锥角在1°～20°范围内，最佳锥角的角度为3°-15°。锥体内可填充各种类型的色谱填料，如正相、反相液相色谱填料，或体积排阻色谱填料及亲合色谱填料等。

对于入口内径2R＜40mm的锥形柱，柱头包括螺帽、螺纹、锥形导向槽、O形圈、分配盘和多孔筛板(图1)。入口内径2R＞40mm的锥形柱，采用法兰密封，柱头包括法兰盘、螺栓、锥形导向槽、垫圈、分配盘和多孔筛板(图2)。

对于入口内径2R＜40mm的锥形柱，柱尾包括筛板、锥形导向槽、螺纹、O形圈、螺帽(图1)。入口内径2R＞40mm的锥形柱，采用法兰密封，柱尾包括法兰盘、螺栓、锥形导向槽、垫圈和多孔筛板(图2)。柱尾为渐变的锥形结构，以减少由于柱与连接管连接时截面积突然变化而造成的流路死角。

本发明的柱头所用分配盘，其特征在于其直径与锥形柱的入口内径匹配。对于柱体入口内径2R＜40mm时，采用如图3所示分配盘，即在分配盘上部，半径的3/5有一同心圆液流收集通道，圆内有12条呈辐射状的液流通道，每隔一个通道的中心处有一个渗液孔；无渗液孔的通道与上述同心圆相交点各有一渗液孔。有渗液孔的通道在上述同心圆相交点处(无渗液孔)向外分出两通道(通道夹角为120°)，两通道的中心点分别有一个渗液孔。所有通道的尺寸为0.1～0.5mm，渗液孔孔径为0.5～0.8mm。对于柱体入口内径2R＞40mm时，可以根据需要增加渗液孔及同心圆的数目，或采用其它任何形式的分配盘。分配盘作用在于：使样品平均分配在整个柱截面上，充分利用柱头截面，防止样品局部过浓；远离柱壁的区域有更多的孔，有利于液体流入。

本发明的锥形液流导向槽结构，采用锥角为120°～180°。其作用在于：大量样品进入到柱头上时，能迅速分散到整个色谱柱的横截面上，及时被流动相冲走，避免因样品局部过浓而引起柱局部超载和谱带加宽；避免样品在狭窄的进样口内形成喷射流而对床层造成的破坏；排除柱头气泡，防止气泡的存在破坏样品在柱头的分配。

本发明的本质特征在于这种锥形制备柱可以显著地提高柱效及样品负载量，对目标组分分离的稀释效应比圆柱形色谱柱显著降低。本发明主要利用锥形柱内径逐渐减小，导致管壁区流动相线速度增加的幅度大于柱内中心区，且流动相线速度从柱内管壁区到柱内中心区是逐步减小的，因而使色谱谱带流型呈现下抛物面状。通过设计一定的均匀过渡的锥形柱的入口内径2R、出口内径2r、柱长L或锥角，可以使锥形柱在最佳流速下，谱带流型的抛物面曲率减小，获得接近塞子状流型，从而提高柱效；与相同容积、相同长度的圆柱型柱相比，采用锥体入口截面积大于出口截面积的结构，可使锥形柱的样品负载能力增加，从而提高产率；锥形柱的锥体内径逐渐减小还能够降低对样品的稀释程度(图4、图5)，这对制备色谱有重要意义，因为只需蒸发更少的溶剂就能得到同量的产品，减少溶剂消耗，降低生产成本。

附图说明

图1为螺纹密封的锥形高效液相色谱制备柱示意图；

图2为法兰密封的锥形高效液相色谱制备柱示意图；

图3为分配盘示意图；

图4为单一组分样品在流速为4mL/min时锥形制备柱的色谱图；

图5为单一组分样品在流速为4mL/min时圆柱型制备柱的色谱图。

图中：1-柱头；2-柱体；3-柱尾；4-锥形导向槽；5-分配盘；6-多孔筛板；7-螺帽；8-螺纹；9-O形圈；10-法兰盘；11-螺栓；12-垫圈；13-液流通道；14-渗液孔。

具体实施方式

锥形液相色谱制备柱的柱头与进样阀相连，样品及溶剂经高压输液泵、进样阀进入锥形柱，由锥形导向槽、分配盘及筛板的共同作用将样品均匀分配在色谱柱柱头，样品在锥形色谱柱内经过多次分配后，经柱尾筛板流出色谱柱，进入检测器。

实施例1：锥形液相色谱制备柱入口内径为20mm，出口内径为7mm，长5cm。按图1所示柱体两头是螺栓型柱头1和柱尾3，它们分别以螺纹8与螺帽7相配于柱体2的上、下两端；柱头1和柱尾3的内面凹成锥形导向槽4；柱头1下方有O形圈9，分配盘5，多孔筛板6；柱尾3上方O形圈9，多孔筛板6。按图3所示，分配盘5上部，半径的3/5处有一同心圆液流收集通道，圆内有12条呈幅射状液流通道，每隔一个通道的中心处有一个渗液孔，无渗液孔的通道，与上述同心圆相交点处分出两通道，其夹角为120°，两通道的中心点分别有一个渗液孔，所有通道尺寸为0.1-0.8mm。

圆柱型柱内径14mm，长5cm。

两种色谱柱具有相同的容积，柱内干法填充40-63μm无定形C₁₈。采用环己烷为流动相，流速为2-14mL/min，样品为碘的环己烷饱和溶液。用可见-紫外检测器在波长为470nm处检测。由于样品溶液为有色溶液，可以清楚地观察到样品的谱带流型。结果表明：锥形柱谱带流型的抛物线曲率明显小于圆柱型柱；锥形柱的柱效高于圆柱型柱；锥形柱的流出曲线峰面积大于圆柱型柱(图4、5)。

实施例2：锥形液相色谱制备柱入口内径为800mm，出口内径为280mm，长25cm。按图2所示柱体2两头分别装有法兰盘10组成的柱头1和柱尾3；法兰盘10由螺栓11紧固，其中间有密封垫圈12，柱头1和柱尾3的内面凹成锥形导向槽4；柱头1下方有分配盘5，多孔筛板6；柱尾3上方有多孔筛板6。按图3所示，对于柱体入口内径2R较大时，可以根据需要增加渗液孔及同心圆的数目，或采用其他任何形式的分配盘。分配盘的作用在于，使样品平均分配在整个柱截面上。

柱内填充10μm球形C₁₈色谱担体。采用环己烷为流动相，流速为3-22L/min，样品为碘的环己烷饱和溶液。用可见-紫外检测器在波长为440nm处检测。结果表明：锥形柱的柱效高于圆柱型柱；锥形柱的流出曲线峰面积大于圆柱型柱，证明对样品的稀释比圆柱型柱小(图4、图5)。

Claims

1.一种锥形高效液相色谱制备柱，其特征在于，色谱制备柱包括柱头、柱体及柱尾三部分，所述色谱制备柱为锥形柱体其柱头的入口内径大于柱尾的出口内径；锥形柱体的入口内径为2R＝10mm～2000mm、出口内径为2r＝3mm～1800mm、柱长为L＝5cm～100cm，其锥形柱体锥角在1°～20°范围内；

(a)对于入口内径2R＜40mm的锥形柱体，其柱头包括螺帽、螺纹、柱头内面凹成的锥形导向槽、O形圈、分配盘和多孔筛板；柱尾包括多孔筛板、柱尾内面凹成的锥形导向槽、螺纹、O形圈和螺帽；柱头和柱尾分别以螺纹与螺帽相配于柱体的上、下两端；柱头下方有O形圈、分配盘和多孔筛板；柱尾上方有O形圈、多孔筛板；

(b)对于入口内径2R＞40mm的锥形柱体，采用法兰密封，其柱头包括法兰盘、螺栓、柱头内面凹成的锥形导向槽、密封垫圈、分配盘和多孔筛板；柱尾包括法兰盘、螺栓、柱尾内面凹成的锥形导向槽、密封垫圈和多孔筛板；柱头和柱尾分别以法兰盘装配于柱体的上、下两端；柱头下方有密封垫圈、分配盘和多孔筛板；柱尾上方有密封垫圈、多孔筛板。

2、根据权利要求1所述的一种锥形高效液相色谱制备柱，其特征在于，所述锥形柱体锥角在3°～15°范围内。

3.根据权利要求1或2所述的一种锥形高效液相色谱制备柱，其特征在于，分配盘直径与锥形柱体的入口内径匹配，包括辐射状液流通道、同心圆液流收集通道及渗液孔：

(a)对于锥形柱体入口内径为2R＜40mm的锥形柱，在分配盘上半径的3/5处有一同心圆液流收集通道，圆内有12条呈辐射状的液流通道，每隔一个通道的中心处有一个渗液孔；并且中心处有渗液孔的各通道与上述同心圆相交点处向外分出夹角为120度的两通道；中心无渗液孔的各通道与上述同心圆相交点各有一渗液孔，所有通道的尺寸为0.1～0.5mm，渗液孔孔径为0.5～0.8mm；

(b)对于锥形柱体入口内径为2R＞40mm的锥形柱，根据需要增加渗液孔及同心圆的数目。

4、根据权利要求1或2所述的一种锥形高效液相色谱制备柱，其特征在于，所述锥形导向槽，其锥角为120°～180°。