发布：液相色谱脱气创新技术

发布：液相色谱脱气创新技术

新一代技术让HPLC脱气可控

近年来，围绕着分析领域的技术和仪器优化的基本研究之外，分析实验的每个领域都需要采用现代管理和生产流程。基于QbD（质量源于设计）理念的方法越来越多，并且需要进行主动生命周期管理；实验室中的大多数仪器-例如从高端液质联用（HPLC-MS）系统到较简单的离心机、天平和泵，都集成至控制软件和实验室管理工具中。目标都集中在：可重复/可验证的性能，效率最大化，经济的运营方式，以及越来越被重视的环保意识。

这种变化的结果是，随着分析仪和实验室设备的更新，可以引入支持这一转变的分析领域的技术创新的新模型。

在本文中，我们将研究HPLC装置的重要组成部分，即脱气机，该装置迄今仍未满足当今的趋势。我们呈上多年开发过程的研究成果，以重新评估此关键部件的设计，性能和可控性，并重点介绍新型通用型平面薄膜脱气机的数据。

这项新技术通过允许用户为任何HPLC系统或方法选择和控制固定的脱气效率，从而将重点从“恒定真空”转移到“恒定性能”。

脱气技术的背景

减少HPLC流动相中的溶解空气量会对系统流速和流动相组成的稳定性产生重大影响。低压混合HPLC泵仅依靠溶剂进入泵，在从比例阀转移到入口单向阀的过程中，发生的任何气体析出都会导致多种类型的错误。首先，会发生组分错误，因为传输线中的体积包含了空气，并不完全是流动相。随着传输线中气泡的伸展扩张，混合物的精度会继续下降。最后，进入泵的气泡可能会干扰入口单向阀，从而使泵无法将全部体积的流动相输送到色谱柱，而是将一部分移回比例阀。此外，在将流动相输送到色谱柱之前，泵也会将所有气泡压缩到系统压力。

在高压混合HPLC系统中，溶解的气体会影响入口单向阀的操作，它会由于气蚀而形成微气泡。与低压混合HPLC泵一样，气泡会导致流量不正确，从而影响保留时间。根据检测器的类型和对流量的敏感性，这种波动的流量还会增加检测器中的系统噪音。因此，溶解的空气影响分离的准确性和分离度，以及可靠地鉴定色谱柱上已分离化合物的能力。所以，长期以来，基本上所有的HPLC系统都包括某种形式的脱气，从真空脱气，氦气鼓泡，超声处理到采用膜技术（包括PTFE膜和Teflon™AF）的在线方法。

当今的HPLC系统具有两种流动相混合装置之一：要么在溶剂进入泵之前就对其进行混合（低压混合）；或者，流动相混合发生在泵之后但进样阀之前（高压混合）。在这两种情况下，对流动相混合物及其组分进行有效的在线真空脱气有助于避免色谱问题。

1975年，Tokunaga发表了数据集，该数据集为HPLC溶剂混合物的脱气奠定了基础[1]。他确定了氧气在各种醇-水混合物中的溶解度的奥斯特瓦尔德系数，并演示了为防止气泡形成混合物需要脱气的程度。这篇开创性的论文为当今大多数实验室日常使用的基于管式的脱气系统的开发奠定了基础。

图1绘制了Tokunaga的数据，并以HPLC系统将流动相混合为体积百分比的方式重新计算。上方的实心红色线和奥斯特瓦尔德系数的线之间的差值的代表混合物中溶解的空气过饱和度。还展示了通过脱气减少空气量的三条示例曲线。

图1. Tokunaga 1975年论文的数据，以体积％重新计算，显示了脱气对混合物中溶解空气过饱和度的影响。

根据该数据，在大气条件下，不会析出气体的混合物中空气的实际浓度为38％，这是大多数脱气机设计要达到的目标（在特定仪表设计要求的流量和应用真空条件下）。

挑战当前的做法

今天，通常使用的在线脱气机使用管状Teflon™AF或聚四氟乙烯（PTFE）膜。根据亨利定律，道尔顿定律和拉乌尔定律，它们允许空气通过膜脱离流动相。在恒定真空度下运行时，它们在低流速下更有效地从流动相中除去空气，而在高流速下则较少。这与在管子内的驻留时间相关。

溶剂分子也可能从流动相移动到膜的真空侧。这种现象被称为渗透蒸发，在某些情况下以及某些HPLC方法学中，这可以明显改变流动相的浓度。这是因为当真空固定在低于溶剂蒸气压的压力下时，泵将持续除去溶解的空气和溶剂蒸气。只要泵处于活动状态，溶剂供应瓶就会补充系统，并将溶剂蒸气泵入大气。因此，期望使用脱气机的真空侧来控制渗透蒸发，将压力设置为尽可能高而不会达到在HPLC系统中将发生气体析出的点。

这会影响泵和入口单向阀的效率，并可能导致流动相组成和泵系统流速不准确，由于定量和鉴定问题，可能导致方法失败。

新一代脱气技术

• 流量限制比基于管式的脱气机低

• 外形小巧，没有内部管件泄漏

• 最低真空体积以限制挥发物的初始渗透蒸发

• 恒定流阻，与施加的真空无关

• 在可能的最高压力下对流动相进行脱气，而不会使流动相变得过饱和。在此称为“高压脱气”，该技术减少或消除了溶剂蒸气向实验室空气的排放。

• 脱气机已集成到HPLC系统控制软件中，可实现真空的智能控制，以确保提高脱气效率。

此外，该脱气机的普适性（视HPLC系统的类型而定，流速范围高达10 mL / min并兼容所有常见溶剂，包括六氟异丙醇）将是一个显著的优势。

现在，平面薄膜以及专用的真空泵控制算法可以实现这些目标。图2显示了新型平面薄膜脱气机的示意图。这是一个简单的设计，可直接在低压和高压混合HPLC系统中应用（图3）。该设计使产品具有最少的配件和连接。其高效膜具有足够的表面积，可用于分析型的HPLC系统中的溶剂脱气（最高10 mL / min流速）。独特的流道布局在泵的入口单向阀之前提供了较低的流体阻力。

与之配套的真空控制算法可将其集成到分离方法控制协议中，并允许为任何HPLC系统选择给定的脱气效率。真空压力可以调高或调低，以达到准确的HPLC方法规范的需求。简化的界面依据HPLC分离方法的流速和所需脱气效率，并将真空调节到高效脱气的尽可能的最高压力。该方法可防止溶解的空气过饱和，同时抑制渗透蒸发和流动相浓度变化。流阻是恒定的，与施加的真空无关。

图2.新颖的流道设计，薄液膜流过脱气膜。

图3.集成到通用低压（左）和高压（右）HPLC系统中的新型脱气机 

在实践中

对新脱气机/控制算法的初步评估已产生了一些令人鼓舞的数据，并就可用性提出了积极的报告。

为了表征脱气机，通过运行高效液相色谱分离得到了性能与应用真空度的数学模型，并将其存储在脱气机控制器或HPLC控制系统中。第一步，是使用210纳米（nm）或215 nm下的甲醇-氧气电荷转移络合物来测定不同流速和应用真空下的脱气腔的效率。

图4显示了在四个不同真空压力下效率与流速的关系。请注意，在50 mmHg下有30％的残留空气（效率为70％）时的最大流速约为2.5 mL / min。这足以对高达5 mL / min的梯度或任何等度流动相进行脱气，并且由于需要62％的效率（38％的残留空气，图1）来防止气体析出，因此配备此脱气器的HPLC系统在50 mmHg的压力下，可以预期使用高达7 mL / min流速的方法而不会出现气泡。

图4.特征曲线显示了在四个不同真空度下薄膜脱气机的效率与流速的关系

后续步骤绘制了每种流速的效率与真空度的关系曲线，并使用所需的效率和流速来求解效率-真空曲线方程式。每条曲线的公式将流速与输出真空水平联系起来，这样，一旦对脱气腔进行了表征，施加到脱气机上的真空水平就是该方法所需效率和流速的函数。然后可以使用真空控制来调节脱气性能，以覆盖HPLC系统的整个性能范围。因此，可以在任何流速下维持流动相最小的浓度变化（或渗透蒸发）始终确保目标脱气效率。

图5显示了比较平面薄膜和管式系统的脱气效率的实验数据。值得注意的是，真空水平明显不同，但是新型薄膜脱气机的性能在所需的流速（1 mL / min）和效率（70％）上与管式脱气机相匹配。

这说明任何脱气器都可以被表征，然后可以将所得数据集用于根据效率和方法流速的输入来控制真空脱气系统。

图5.在50 mmHg真空下，与标准的18英寸管式脱气机相比，在1 mL / min时的预计真空水平效率为70％。1mL/min流速下70%的效率时的预测真空度与标准18英寸管式脱气机在50毫米汞柱真空下的对比。

展望未来

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参考文献：Tokanuga J (1975) solubilities of oxygen,nitrogen and carbon dioxide in aqueous alcohol solutions, J Chem Eng Data,20(1): 41-46

关于作者

 Carl Sims 是 IDEXHealth ＆Science 的首席科学家，专注于HPLC系统的膜脱气，流体光学和UPLC阀门的研究。在仪器领域拥有47年的化学经验，他已获得52项美国专利，以及150项外国专利，主要集中在HPLC，离子色谱，Teflon AF光学以及早期职业生涯的DNA合成领域。Carl是名海军退伍军人，拥有科罗拉多州杜兰戈市Fort Lewis学院的化学学士学位和亚利桑那州弗拉格斯塔夫的北亚利桑那大学的化学硕士学位。

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