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液相色谱（LC）

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主题：【原创】每周一贴谈设计——比例阀及混合【兼求职】

浏览0 回复27 电梯直达

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发表于：2013/04/28 01:28:12 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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对于一个梯度洗脱液相而言，所有性能中最重要的其实是系统能否产生精确的线性梯度。因此对系统进行足够详细的梯度验证测试是十分必要的。这是个简单的测试，你需要一瓶HPLC级的纯水放在A瓶中和含0.1%丙酮的纯水放在B瓶中。然后取下色谱柱，用一节细管子代替连接到色谱系统中，流速设置为2mL/min以产生足够的背压使单向阀能可靠地工作，最后将检测器的检测波长设置为265nm。

如果是双元泵的高压混合系统，只需做两个测试。第一，以10%增量（0%B，10%B，…，100%B）测试，每个比例保持3min，中间额外插入45%B和55%B两个比例。实际值应在理论值的1%范围内（标准可自由定义）。

第二，设置一个15min的梯度变化（0%B-100%B）。结果应是一条直线。

如果是低压混合系统，需要加上一个测试以验证各通道的性能。做法是将A、B连接至A瓶，C、D连接至B瓶。然后以50:50AB - 90:10AC - 50:50AB - 90:10AD - 50:50AB - 90:10BC -50:50AB - 90:10BD - 50:50AB走梯度，每个梯度保持2min。一个良好的四元比例阀最后应得到四个高度相近的矩形峰，每个高度相对于平均值偏差应在1%以内（这个标准是自由定义的）。

从第二个测试，即梯度线性测试，我们可以很简单地计算系统的死体积。即是找到结果中50:50AB混合比例的时间，减去整个梯度线性变化总时间的一半（7.5min），再以结果乘上流速即可知道系统的死体积。

了解了比例阀的测试方法，接下来应该对比例阀本身有一个简单的认识。

比例阀在Waters2695中称为“梯度比例阀”（Gradient Proportioning Valve，GPV），水平放置于溶剂托盘中，如下图：

在Agilent 1100中称为“多元梯度阀”（Multi-Channel Gradient Valve，MCGV），垂直放置于G1311四元泵中，位置如下：

由于垂直放置，在使用缓冲盐时，建议将水相（含缓冲盐）置于下面的两个通道中（通常为A和D通道）。其造型和内部结构如下：

AGILENT的比例阀使用红宝石配合两个弹簧用于通道的密封。在不通电时，电磁阀内的弹簧较为强劲，将红包石压在阀座上，通道关闭；当通电时，磁体被磁场往下吸，阀座下面的小弹簧则把红宝石和顶开，通道打开。

Waters的比例阀的关闭和打开则使用一体式的设计，其电磁阀阀芯、隔开电磁阀和GPV阀体的薄膜以及密封通道的堵头被固定在一起。在不通电时，电磁阀内的弹簧将堵头压在通道的小孔上，通道关闭；当通电时，堵头和阀芯一起向后运动，通道打开。

Waters和AGILENT的四元比例阀都属于常闭式设计，在不通电时通道关闭。

通过以上设计即可理解为什么AGILENT的比例阀故障率较Waters的高。

四元比例阀的比例控制方式基本都是相同的，即在一个柱塞杆的冲程内，根据方法条件分配各个通道的打开时间。比如A相和B相按60：40的比例混合，则在一个柱塞杆冲程的时间内60%的时间A通道打开，40%时间B通道打开。由于比例阀的打开和关闭都有一个最小时间间隔（5ms或者更多），所以事实上一些极低的比例（比如0.5%）是无法达到或稳定维持的。

二元泵的梯度方式并不是通过比例阀进行控制，也不是通过溶剂选择阀（Solvent Selection Valve，SSV），而是通过控制两个泵的流速来实现比例控制。在二元泵中没有比例阀，而SSV其实属于选配，SSV的作用是允许使用者从四种流动相中选取2种运行色谱条件，主要是便于序列运行多种色谱条件时流动相的切换。比如系统流速设定为1mL/min，A与B以60：40混合，则A泵将以0.6mL/min的速度输送A相，B泵将以0.4mL/min的速度输送B相。当然实际情况可能会考虑到溶剂混合和溶剂压缩性能而变化。

我们可以看到溶剂虽然是按照设计的比例被抽取的，但并不是以设计的比例混合后抽取的，所以在之后的管路中，流动相的混合是一个非常重要的，混合效果会直接影响梯度洗脱保留时间的重现性以及基线噪音。

对于Waters2695，流动相的混合主要发生在两部分，一个是比例阀到柱子之前的所有连接管道，一个是泵内高压混合。对于泵内混合，我个人认为初级泵中的“预压缩”（在泵中会解释）步骤贡献最大。试想液体在初级泵中体积被压缩至原来的5/6左右，这能带来怎样的混合效果？当然之后的管道也能带来并维持一定的混合效果。

对于AGILENT四元泵系统，流动相从MCGV到泵再到Damper（阻尼器，同时有测量系统压力的作用）再经过自动进样器再到达色谱柱。

而其二元泵系统相比四元泵，又额外多了一个混合器。无论是Damper还是混合器，其目的都是为了更好的混合效果，虽然这些都增大了系统体积。至于为什么二元泵还额外需要一个混合器，可以留在泵中讨论。当然也希望有朋友能先提出自己的见解，毕竟我的也只是一家之言。

关于混合效果的测试实验，我找到一个资料，自己没做过，希望有朋友测试一下，然后反馈过来。

实验条件如下：一根C18色谱柱，流动相A为含0.1%TFA的水，流动相B为含0.1%TFA的乙腈，B在35min内从5%变化到40% ，流速为1mL/min，样品为10uL水，在214nm波长下采集数据，查看基线波动情况。

当然理论上要求采用同样的检测器，这对仪器有一定的混搭要求，不过从该资料提供的结果上看，混合不好的话，在B比例比较低的时候基线噪音会比较大，然后慢慢好起来。

“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】》

《每周一贴谈设计——比例阀及混合【兼求职】》

《每周一贴谈设计——泵及压力》

《每周一贴谈设计——自动进样系统》

《每周一贴谈设计——光电二极管阵列检测器》

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2013/4/28 1:29:59 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

关于阀内部结构，只拆过一次，还数月以前，记不太清，还请版友指正。

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2013/4/28 7:29:49 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

求职....LZ在哪个城市

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2013/4/28 8:41:50 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

关于混合，静态混合器实际内部结构应该是多通道多截面，使流动相在静态混合器内充分混合，这样对紫外吸收敏感的溶剂而言，必然可以降低因混合不均儿造成的基线噪音问题。
楼主研究的很深入，现在的工程师中，应用出身的和机械自动化出身的比起来，应用出身的应该占更多比例。因为大部分公司的维修方法是发现问题部件直接更换，放弃了故障部件的现场维修。

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