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每周一贴谈设计——泵及压力

液相色谱(LC)

  • 在查看几个仪器厂商的泵的资料时,大多会提到说能提供稳定无脉动的液流。其实对于这一点我想知道的是,“无脉动”的液流除了对高灵敏度检测能带来一些帮助外,还有什么好处?

    好了,话入正题:泵及压力

    首先来了解一下agilentWaters泵的液流设计,如下图:







    从上到下依次是AGILENT二元泵、四元泵和Waters四元泵的液路。

    AGILENT的泵工作原理如下:由一个伺服系统控制的马达从相反的方向推动两个球形螺旋传动。这两个球形螺旋传动的齿轮有不同的圆周(比率21)。在循环开始时,“主动阀”打开,第一个柱塞杆向下移动将流动相抽入第一个泵头,于此同时,第二个柱塞杆向上移动,将流动相送入系统。第一个泵头的单向阀在高压下密闭,避免溶剂回流进入第一个泵头。在这个冲程完成后,主动阀关闭,电机反转,第一个柱塞杆向上移动,冲开单向阀将流动相送入第二个泵头。而第二个柱塞杆此时是向下移动抽取液体的。在设计上,第一个柱塞杆的冲程是第二个柱塞杆冲程的2倍(齿轮圆周比率),所以在此冲程中,一半流动相用于填充第二个泵头,一半被输入系统中。等这个冲程结束,便重新开始输液循环。之前讲的各个流动相的比例调节即是根据这个冲程分配抽取时间的。

    Waters的泵工作原理如下图:



    大家可以根据AGILENT泵的原理自行理解,同时需要指出的是,Waters的泵是采用的独立的柱塞杆驱动马达,所以每个柱塞杆后有一个马达,共两个马达。

    说完输液的原理,可以看看两家在泵设计上还有一些什么区别。

    首先说说阀。可以看到AGILENT的入口阀是主动阀,Waters的则是被动单向阀。被动单向阀的原理就是通道两侧压力推动通道中的红宝石球运动,宝石球或者离开宝石座使通道打开,或者压紧在宝石座上使通道关闭。所以单向阀的液流是单向流动的,其安装是有方向性的。主动阀的原理是一个推杆在特定的时候将宝石球从球座上顶开,打开通道,然后在维持一定的时间后收回推杆,宝石球被其上面的弹簧(或者压力,或者重力)压回球座上,关闭通道。这两种设计各有好处。主动阀可以解决一些宝石球粘结于球座上的现象,弹簧也可以更好的关闭通道,用于粘性比较高的流动相和高盐情况都是不错的。被动阀也是足够的简单可靠。Waters在早期的泵上有使用主动阀,在2695上则使用被动阀,到了UPLC上又开始提供被动阀到主动阀(Intelligent Intake Valve的升级。

    再说说压力传感器。AGILENT四元泵中,压力传感器被置于第一个泵头出口球阀之后,于第二个泵头相连,明显用于测定第二个泵头的压力,并用于表示系统压力。二元泵中,由于任一泵头都无法代替系统压力,故压力传感器置于三通之后。因此这个压力传感器只能监视系统的压力,而传感器之前,如三通、泵头,压力无法监视。由于三通混合的管道设计的比较细,一旦发生堵塞,也许系统压力正常,但泵中的压力可能就比较高。

    AGILENT的压力传感器集成在阻尼器(damper)中。阻尼器的作用是减少压力和流量的脉动,以提供稳定的液路。原理是隔膜后的液体的可压缩性比流动相大,用于缓冲系统压力脉动。所以体积比较大。真正的压力传感器体积不必要那么大。

    Waters有两个压力传感器,每个泵头都有一个。系统压力传感器很好理解,基本功能和AGILENT四元泵中的相同。而主压力传感器的作用有多个。首先是“预压缩”。Waters的液流系统中“预压缩”是一个非常重要的功能,可以将主活塞室中的液体压缩至“略低于收集器活塞室压力即系统压力的水平”。这个是提供低压力波动的基本保障,也能带来非常不错的混合效果。然后是预压缩过程带来的气泡检测功能。在2695方法中允许进行气泡检测,其操作原理测量压缩掉的体积,然后计算压缩前后的体积比(C/D值,在操作面板中提供,具体忘掉了)。当这个值大于某个值(1.8?)时认为流动相中溶解了太多的气体,存在气泡。另一个气泡检测方法“可能”是发现抽液过程中压力的突然下降。

    就流速准确性而言,由于流动相在高压下体积会被压缩,从常压到高压,体积会产生变化,所以AGILENT提供一个压缩因子的参数(泵的辅助设定中)用于控制抽取体积的准确性。Waters采用的策略则是之前说过的“预压缩”,再由第二个柱塞杆的冲程和频率决定流速准确性。

    可能有人会说AGILENT中没有在线过滤器。其实是有的,集成在清洗阀里面。当系统冲洗时如果发现压力比较大(>10bar,水5ml/min),可以怀疑那个滤芯堵塞,需要更换。

    泵的测试主要有两种,一个是压力测试,一个是静态泄漏测试,用于测试泵的密封性能。WatersAGILENT均有提供自己的测试方法,Waters的在面板中,AGILENT的在化学工作站中。较新版本的化学工作站的诊断功能可能被砍掉了,不过AGILENT官方提供一个免费的LabAdviser基础版使用。

    关于柱塞杆清洗,在两者中都可以算是选件。柱塞杆清洗一般用于流动相中含有比较高的缓冲盐(>0.1mol)的情况,10%异丙醇即可。

    “每周一贴谈设计系列“汇总:

    每周一贴谈设计——液流

    每周一贴谈设计——滤头

    每周一贴谈设计——真空脱气机【安捷伦】

    每周一贴谈设计——真空脱气机【沃特世】

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  • 老多_小多

    第1楼2013/05/06

    无脉动的液流不就是为了稳定,还能有啥作用吗

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  • mamazhang

    第2楼2013/05/07

    Agilent 的延迟体积随反压变化而变化,又是怎么回事?

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  • 老多_小多

    第3楼2013/05/07

    随反压变化而变化,大概意思就是会形成反压,造成仪器系统死体积有变化吧,不过这个一般都不会太明显

    mamazhang(mamazhang) 发表:Agilent 的延迟体积随反压变化而变化,又是怎么回事?

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  • hddd

    第4楼2013/05/07

    请问高浓度的流动相如尿素(4M),会对泵头的稳定工作产生影响吗?我们现在的情况是:用了尿素作为流动相一段时间后,泵头的压力很不稳定,这是什么原因呢?不吝赐教,谢谢!

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  • temp

    第5楼2013/05/07

    不知道您说的这个延迟体积的变化是通过什么方法测出来的,不同反压测得的结果分别是多少。老多小多版主说的没有错,系统中的管道的体积通常是固定的,即使脉动阻尼器的体积变化也是不大的。还有一种可能是在高的反压下系统开始漏液或者漏液变的比较严重。

    mamazhang(mamazhang) 发表:Agilent 的延迟体积随反压变化而变化,又是怎么回事?

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  • temp

    第6楼2013/05/07

    首先应保证脱气机的正常工作,以及系统是否有哪里明显泄漏,然后怀疑进气泡或者单向阀问题,最后怀疑泵内柱塞杆密封问题。建议使用柱塞杆清洗。

    hddd(hddd) 发表:请问高浓度的流动相如尿素(4M),会对泵头的稳定工作产生影响吗?我们现在的情况是:用了尿素作为流动相一段时间后,泵头的压力很不稳定,这是什么原因呢?不吝赐教,谢谢!

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  • aune001

    第7楼2013/05/07

    非常感谢楼主的讲解!想请教下Waters的预压缩是如何做到的呢?另外,如果下周的主题还没确定,能不能讲讲两家的进样器?

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  • remioromen

    第8楼2013/05/07

    如果没有damper的话,通过单向阀后,液流就好像波浪一样,damper好比水库,通过大体积把力卸掉,使系统压力流速达到稳定的状态。

    老多_小多(emoc98311) 发表:无脉动的液流不就是为了稳定,还能有啥作用吗

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  • remioromen

    第9楼2013/05/07

    压力不同,相同体积溶剂也会稍有差别,每种溶剂的压缩补偿因子也不同,一般水相是50*e6 有机相是115*e6,压缩补偿实际上是对流速补偿,也是确保梯度精度的一种方法,毕竟每种溶剂的压缩因子不同。

    老多_小多(emoc98311) 发表:随反压变化而变化,大概意思就是会形成反压,造成仪器系统死体积有变化吧,不过这个一般都不会太明显

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  • remioromen

    第10楼2013/05/07

    能讲的再具体点吗?用的是什么机器?

    hddd(hddd) 发表:请问高浓度的流动相如尿素(4M),会对泵头的稳定工作产生影响吗?我们现在的情况是:用了尿素作为流动相一段时间后,泵头的压力很不稳定,这是什么原因呢?不吝赐教,谢谢!

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