HPLC输液泵的工作原理与使用要点 |
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HPLC输液泵的工作原理与使用要点
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首先，我们要知道输液泵分为几类。根据泵的工作原理又可以分为隔膜泵和往复活塞泵，而现在在高效液相色谱里面使用的基本都是
往复活塞泵。
以安捷伦的高效液相色谱为例，泵分为：单元泵，二元泵和四元泵，其中二元泵又分为：无溶剂选择阀（两通道）和有溶剂选择阀（四通道）这两种。
单元泵 单元泵包括一个泵组件和一个阻尼器。 泵组件包括一个泵头和一个入口主动阀，在此阀上装有可更换的滤芯和一个出口阀。带有 PTFE 滤芯的冲洗阀装在泵的出样口处，便于启动泵头。阻尼器连接两个泵腔。
图2 单元泵原理图
二元泵 二元泵包含两个相同的泵，这两个泵集成在一个腔体内，它通过高压混合来产生梯度。每个通道由一个泵组件组成，包括泵驱动器、泵头、带有可更换滤芯的主动输入阀和输出阀。两个通道在一个低容积混合腔中连接，混合腔通过毛细管连接到缓冲单元（阻尼器）和混合器上。带有 PTFE 过滤芯的冲洗阀装在泵的出口处，便于向泵头灌注流体。 在本文的一开始我们就讲到二元泵又分为：无溶剂选择阀（两通道）和有溶剂选择阀（四通道）这两种情况，具体可以参见图三和图四。虽然配有溶剂选择阀的泵有四个通道（A1，A2，B1，B2）但是最多也只能同时使用两个通道且不能是相同属性的通道。 
图3 二元泵无溶剂选择阀（两通道）流路图
图4 二元泵有溶剂选择阀（四通道）流路图
二元泵是如何运行的？ 对于二元泵来说，它的两个泵的工作原理与单元泵基本上是相同的，这里就不重复了。从下面两幅图中可以看出，二元泵与单元泵的不同之处主要体现在： 1、第一个活塞泵的出口直接与第二个活塞泵的入口相连 2、分别由两个泵输出的液体经过混合腔、阻尼器、静态混合器混合后才进入下一个色谱系统。需要注意的是：这里的阻尼器在泵后，而在单元泵中阻尼器在两个活塞泵之间。
图5 二元泵其中一个泵的原理图
图6 二元泵原理图 这里二元泵是通过控制两个泵的流速，来准确控制两种流动相的比例。比如在1mL/min的流速下，要达到A:B两种流动相40：60的混合比例，那就设置A泵流速0.4mL/min，B泵流速0.6mL/min就可以了。四元泵 单元泵配置一个泵头，二元泵配置两个泵头，那样的话四元泵是不是应该是配置了四个泵头呢？？？答案当然是错误的，四元泵其实也只配置了一个泵头。 四元泵包括一个真空脱气机和一个四通道梯度泵。四通道的梯度泵包括一个高速配量阀(也称为：多通道梯度阀，英文为MCGV)和一个泵组件。这里需要注意的是：四元泵是通过低压混合来产生梯度，脱气是低压梯度系统必需的，因此 Agilent 1200 系列的真空脱气机是四元泵系统的一部分。 
图7 四元泵流路图
因为四元泵也是单泵，所以泵的工作原理与单元泵基本是一样的这里就不多说了（自己返回到前面去看），不同之处在于流入泵的液体首先需要经过脱气机脱气。
图8 四元泵原理图
四元泵中我们需要讲一下多通道梯度阀(MCGV),MCGV的作用是控制溶剂的比例，当所需的溶剂比例改变时，改变的并不是阀开的大小而是在某个通道上开启的时间。比如说：现需要的溶剂比例为40%的A和60%的B，四元泵就会在A和B之间按照40:60的比例来分配时间，在A通道上阀门打开4ms后切换到B通道上阀门打开6ms，这样一直来回切换比例阀，所以四元泵中进入泵的流动相是一段一段的。但是通过MCGV可以同时输入四种溶剂进入色谱系统。
在使用四元泵是需要注意的是：当盐溶液和有机溶剂混合时，盐溶液可能与有机溶剂完全混溶，而不会出现沉淀。但是在梯度阀的混合点、在两种溶剂的边界处，可能出现微量沉淀。重力作用使盐颗粒沉淀下来。通常，阀的A通道用于含水/盐溶液，而泵的B通道用于有机溶剂。如果使用的是这样的配置，盐将落回到盐溶液中并被溶解。当泵使用的不同配置（例如，D -盐溶液，A -有机溶剂）时，盐可能会落到有机溶剂的端口中，从而导致性能问题。
在Agilent 1200系列四元泵中使用盐溶液和有机溶剂时，建议将盐溶液接到下面的口上（A，D通道使用水/盐溶液），有机溶剂接到上面的梯度阀口上（B，C通道使用有机相）。有机通道最好紧挨在盐溶液通道的上面（即AB或CD组合使用，不可AC或BD组合使用）。建议用水定期冲洗所有 MCGV 通道，以除去可能在阀口析出的盐结晶。
接下我们主要讲讲二元泵与四元泵的区别（单元泵不涉及溶剂的混合）。
1、泵的个数不同（最直观的差别）
对于二元高压梯度系统它有两个泵，而四元低压梯度系统只有一个泵；
2、溶剂的混合点不同
对于二元高压梯度系统来说溶剂是泵后混合，在混合腔中混合流动相（高压混合），而四元低压梯度系统是泵前混合，在比例阀处混合流动相（低压混合）；
3、阻尼器的位置不同
其中二元高压梯度系统的阻尼器在泵后的混合腔后边，而四元低压梯度系统的阻尼器在泵的两个柱塞杆之间；
4、溶剂的混合方式不同
二元泵通过分别控制两个泵的流速从而来达到对流动相比例的控制，而四元泵是通过多通道梯度阀的间隔开启实现对流动相比例的控制。
细心地同学可能已经注意到了，称呼二元泵时会带上高压梯度，而在称呼四元泵时会带上低压梯度，那是因为二元泵是泵后混合，通过泵输出的液体是高压液体，在混合的时候不容易产生气泡，压力更稳定；四元泵是泵前混合，混合时的液体属于常压液体（相对于二元泵混合时的压力它属于低压），低压时流动相对气体的溶解度较低，在混合时就可能有小气泡形成，导致压力波动等种种问题。气泡永远是液相色谱的天敌。所以说，四元泵一定要配脱气机，先对流动相进行在线脱气，才能用比例阀进行混合，要不然很容易产生气泡。而二元泵可以不用配脱气机就能在线混合，运行梯度方法。
延迟体积 基于二元泵和四元泵的不同，我们引入一个新的概念：延迟体积。 一般来说，我们把流动相从混合开始，最后到达柱头这段体积叫延迟体积。流动相梯度的变化要到色谱柱头，才能够对分离产生影响，所以有一定的延迟。在梯度洗脱中，梯度延迟体积非常重要，特别是复杂样品的分析，低的延迟体积具有更快的梯度响应时间，同一样品在同一色谱柱上能够获得更好的分辨率。延迟体积越大，梯度的变化到达柱头的时间越长，直接导致分析时间越长。 二元高压的延迟体积是从混合器后开始计算的，经过混合腔，阻尼器，混合器，冲洗阀，然后进入进样器。而四元低压是从比例阀混合部分开始计算的，要经过整个泵头(包括主动入口阀、两个泵腔、出口阀、管路等等)，才能到达进样器，多出了泵的死体积、泵到比例阀的管线和泵到混合器的管线，所以四元低压的梯度延迟梯度较二元高压要大，梯度响应慢。 最后，我们基本可以得到二元泵优于四元泵的结论这样一个理论。但四元泵依然纯在一定有它的道理，比如说： 1、一不小心配到一个需要同时进行三相或四相混合的变态方法； 2、四元泵比二元泵便宜。 好了，泵的基本原理都讲完了，下面说一说使用要点。 使用要点 将装有溶剂瓶的溶剂箱放在泵上面或较高处。当在四元泵上使用盐溶液或有机溶剂时，建议将盐溶液接在下面的梯度阀口上，将有机溶剂接在上面的梯度阀口上，有机溶剂通道最好在水或盐溶液通道的正上面。建议用水定期冲洗所有MCGV通道除去可能在阀口析出的盐结晶。 操作泵之前，用至少两个体积（标准脱气机30mL，对微脱气机10mL）冲洗真空脱气机,特别是当泵关闭了一段时间后(例如，过夜)，以及在通道中使用挥发性混合溶剂时，防止溶剂瓶内的玻璃滤头(过滤器)堵塞及长菌，当滤头表面有黑色或黄色污染层说明发生了堵塞，应立即清洗或更换。 定期检查排液阀的过滤白头。检查方法：拧开排液阀，以水作流动相。 -对于标准脱气机(G1322A),流速5ml/min水，若压力大于10bar，则建议更换。 -对于微量脱气机(G1379A),流速2ml/min水，若压力大于5bar，则建议更换当使用低流速时，检查所有1/16英寸接头有无渗漏（用压力测试或漏液测试。每当更换泵密封垫时排液阀虑芯也应更换。 更换活塞密封垫时检查活塞杆上是否有划痕。有划痕的活塞将导致轻度渗漏，并降低密封垫的使用寿命。应尽早更换有划痕的活塞。 使用缓冲溶液时，关泵前先用水冲洗系统。当需要长时间使 用0.1摩尔或更高浓度的缓冲液时，最好选用密封垫清洗附件，以减少对密封垫及活塞杆的磨损。 如果使用了高浓度的缓冲盐，可以考虑用热水（50－60℃）来冲洗盐通道来确保没有缓冲盐残留在系统中。 更换活塞密封垫后应按照密封垫安装步骤对其进行磨合，但磨合不适用于正相密封垫。 当泵头安装有柱塞清洗附件时，由于该附件中也有密封垫，这样就会增加活塞杆运动时的阻力。所以开泵前一定要用10％异丙醇，并将其流速调至约2－3滴/分钟使溶液流过冲洗装置。(对于二元泵SL，如果不使用盐溶液可以不开)10％异丙醇有助于降低水的表面张力，并有抑菌作用。不要用其它溶剂代替。 当泵头安装有冲洗附件而不开启10％异丙醇，会使密封垫及活塞杆的寿命减短(二元泵SL除外)，泵头如果发出“吱吱”声不影响使用和泵的精度如果有必要，可以改变压缩因子（compressibility）来达到更好的效果。 |
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