HPLC輸液泵的工作原理與使用要點(diǎn)

2/2HPLC輸液泵的工作原理與使用要點(diǎn)

2023-03-2205:32輸液泵為液相色譜儀提供動(dòng)力，是液相的核心部件。了解并熟練使用輸液泵是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員都應(yīng)該的掌握的技能。今天我們就聊一聊液相色譜儀輸液泵的工作原理及使用要點(diǎn)。首先，我們要知道輸液泵分為幾類(lèi)。根據(jù)泵的工作原理又可以分為隔膜泵和往復(fù)活塞泵，而現(xiàn)在在高效液相色譜里面使用的基本都是往復(fù)活塞泵。

以安捷倫的高效液相色譜為例，泵分為：?jiǎn)卧?，二元泵和四元泵，其中二元泵又分為：無(wú)溶劑選擇閥（兩通道）和有溶劑選擇閥（四通道）這兩種。

單元泵

單元泵包括一個(gè)泵組件和一個(gè)阻尼器。

泵組件包括一個(gè)泵頭和一個(gè)入口主動(dòng)閥，在此閥上裝有可更換的濾芯和一個(gè)出口閥。帶有PTFE濾芯的沖洗閥裝在泵的出樣口處，便于啟動(dòng)泵頭。阻尼器連接兩個(gè)泵腔。

圖1單元泵流路圖

單元泵是如何運(yùn)行的？泵組件含有兩個(gè)大部分相同的活塞泵單元。兩個(gè)泵單元均由一個(gè)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)帶有一個(gè)藍(lán)寶石活塞的泵頭組成，藍(lán)寶石活塞在里面作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。用一個(gè)伺服-控制可變磁阻電機(jī)從兩個(gè)相反的方向來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器。滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器的齒輪有不同的周長(zhǎng)（比例為2:1），使第一個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)速度為第二個(gè)活塞的兩倍。溶劑從泵頭的最底部進(jìn)入，從泵頭的頂部離開(kāi)。活塞的外徑比泵腔的內(nèi)徑要小一些，這樣可以讓溶劑充滿二者之間的間隙。根據(jù)流速的不同，第一個(gè)活塞的沖程體積為20-100μL之間。微處理器可以控制所有流速在1μL-10mL/min范圍內(nèi)。液體從流動(dòng)相瓶流到入口主動(dòng)閥，第一個(gè)泵單元的入口和入口主動(dòng)閥相連，該入口主動(dòng)閥的啟閉受處理器的控制，從而允許溶劑被吸入到第一個(gè)活塞泵單元。

第一個(gè)活塞泵單元的出口通過(guò)與出口球閥和阻尼器與第二個(gè)活塞泵單元的入口相連。沖洗閥組件的出樣口連接到下一個(gè)色譜系統(tǒng)。

啟動(dòng)后，單元泵通過(guò)運(yùn)行一個(gè)初始化過(guò)程，以確定第一個(gè)活塞能達(dá)到的上限終點(diǎn)位置。第一個(gè)活塞慢慢地移動(dòng)到泵頭的機(jī)械停止點(diǎn)，從該點(diǎn)返回一個(gè)預(yù)設(shè)的路程長(zhǎng)度，控制器在內(nèi)存中存儲(chǔ)此活塞位置。

初始化完畢后，泵按照設(shè)定的參數(shù)開(kāi)始運(yùn)行。入口主動(dòng)閥打開(kāi)，向下移動(dòng)的活塞把溶劑吸入第一個(gè)泵頭里。與此同時(shí)第二個(gè)活塞向上移動(dòng)往系統(tǒng)里輸送溶劑。在一個(gè)控制器所確定的沖程長(zhǎng)度（取決于流速）后，停止驅(qū)動(dòng)器電機(jī)、關(guān)閉入口主動(dòng)閥。電機(jī)方向倒轉(zhuǎn)并使第一個(gè)活塞向上移動(dòng)，直到存儲(chǔ)設(shè)定的上極限點(diǎn)，同時(shí)第二個(gè)活塞向下移動(dòng)。這樣兩個(gè)活塞按順序在兩個(gè)極限點(diǎn)之間進(jìn)行循環(huán)。

在第一個(gè)活塞向上移動(dòng)時(shí)，泵頭通過(guò)出口球閥把溶劑輸入第二個(gè)泵單元。第二個(gè)活塞吸入第一個(gè)活塞排出體積的一半（2:1），另外一半直接輸送到系統(tǒng)。在第一個(gè)活塞的向下移動(dòng)的過(guò)程中，第二個(gè)活塞就把抽取的剩下的一半溶劑輸送到系統(tǒng)中。這樣兩個(gè)活塞互補(bǔ)的配合工作實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的液體輸出，才能夠滿足液相色譜分析的要求。這樣兩個(gè)活塞泵在一個(gè)被稱(chēng)為一個(gè)泵（頭）（見(jiàn)下圖）。

圖2單元泵原理圖

二元泵

二元泵包含兩個(gè)相同的泵，這兩個(gè)泵集成在一個(gè)腔體內(nèi)，它通過(guò)高壓混合來(lái)產(chǎn)生梯度。每個(gè)通道由一個(gè)泵組件組成，包括泵驅(qū)動(dòng)器、泵頭、帶有可更換濾芯的主動(dòng)輸入閥和輸出閥。兩個(gè)通道在一個(gè)低容積混合腔中連接，混合腔通過(guò)毛細(xì)管連接到緩沖單元（阻尼器）和混合器上。帶有PTFE過(guò)濾芯的沖洗閥裝在泵的出口處，便于向泵頭灌注流體。

在本文的一開(kāi)始我們就講到二元泵又分為：無(wú)溶劑選擇閥（兩通道）和有溶劑選擇閥（四通道）這兩種情況，具體可以參見(jiàn)圖三和圖四。雖然配有溶劑選擇閥的泵有四個(gè)通道（A1，A2，B1，B2）但是最多也只能同時(shí)使用兩個(gè)通道且不能是相同屬性的通道。

圖3二元泵無(wú)溶劑選擇閥（兩通道）流路圖

圖4二元泵有溶劑選擇閥（四通道）流路圖

二元泵是如何運(yùn)行的？

對(duì)于二元泵來(lái)說(shuō)，它的兩個(gè)泵的工作原理與單元泵基本上是相同的，這里就不重復(fù)了。從下面兩幅圖中可以看出，二元泵與單元泵的不同之處主要體現(xiàn)在：

1、第一個(gè)活塞泵的出口直接與第二個(gè)活塞泵的入口相連

2、分別由兩個(gè)泵輸出的液體經(jīng)過(guò)混合腔、阻尼器、靜態(tài)混合器混合后才進(jìn)入下一個(gè)色譜系統(tǒng)。需要注意的是：這里的阻尼器在泵后，而在單元泵中阻尼器在兩個(gè)活塞泵之間。

圖5二元泵其中一個(gè)泵的原理圖

圖6二元泵原理圖這里二元泵是通過(guò)控制兩個(gè)泵的流速，來(lái)準(zhǔn)確控制兩種流動(dòng)相的比例。比如在1mL/min的流速下，要達(dá)到A:B兩種流動(dòng)相40：60的混合比例，那就設(shè)置A泵流速0.4mL/min，B泵流速0.6mL/min就可以了。

四元泵

單元泵配置一個(gè)泵頭，二元泵配置兩個(gè)泵頭，那樣的話四元泵是不是應(yīng)該是配置了四個(gè)泵頭呢？？？答案當(dāng)然是錯(cuò)誤的，四元泵其實(shí)也只配置了一個(gè)泵頭。

四元泵包括一個(gè)真空脫氣機(jī)和一個(gè)四通道梯度泵。四通道的梯度泵包括一個(gè)高速配量閥(也稱(chēng)為：多通道梯度閥，英文為MCGV)和一個(gè)泵組件。這里需要注意的是：四元泵是通過(guò)低壓混合來(lái)產(chǎn)生梯度，脫氣是低壓梯度系統(tǒng)必需的，因此Agilent1200系列的真空脫氣機(jī)是四元泵系統(tǒng)的一部分。

圖7四元泵流路圖

因?yàn)樗脑靡彩菃伪?，所以泵的工作原理與單元泵基本是一樣的這里就不多說(shuō)了（自己返回到前面去看），不同之處在于流入泵的液體首先需要經(jīng)過(guò)脫氣機(jī)脫氣。

圖8四元泵原理圖

四元泵中我們需要講一下多通道梯度閥(MCGV),MCGV的作用是控制溶劑的比例，當(dāng)所需的溶劑比例改變時(shí)，改變的并不是閥開(kāi)的大小而是在某個(gè)通道上開(kāi)啟的時(shí)間。比如說(shuō)：現(xiàn)需要的溶劑比例為40%的A和60%的B，四元泵就會(huì)在A和B之間按照40:60的比例來(lái)分配時(shí)間，在A通道上閥門(mén)打開(kāi)4ms后切換到B通道上閥門(mén)打開(kāi)6ms，這樣一直來(lái)回切換比例閥，所以四元泵中進(jìn)入泵的流動(dòng)相是一段一段的。但是通過(guò)MCGV可以同時(shí)輸入四種溶劑進(jìn)入色譜系統(tǒng)。

在使用四元泵是需要注意的是：當(dāng)鹽溶液和有機(jī)溶劑混合時(shí)，鹽溶液可能與有機(jī)溶劑完全混溶，而不會(huì)出現(xiàn)沉淀。但是在梯度閥的混合點(diǎn)、在兩種溶劑的邊界處，可能出現(xiàn)微量沉淀。重力作用使鹽顆粒沉淀下來(lái)。通常，閥的A通道用于含水/鹽溶液，而泵的B通道用于有機(jī)溶劑。如果使用的是這樣的配置，鹽將落回到鹽溶液中并被溶解。當(dāng)泵使用的不同配置（例如，D-鹽溶液，A-有機(jī)溶劑）時(shí)，鹽可能會(huì)落到有機(jī)溶劑的端口中，從而導(dǎo)致性能問(wèn)題。

在Agilent1200系列四元泵中使用鹽溶液和有機(jī)溶劑時(shí)，建議將鹽溶液接到下面的口上（A，D通道使用水/鹽溶液），有機(jī)溶劑接到上面的梯度閥口上（B，C通道使用有機(jī)相）。有機(jī)通道最好緊挨在鹽溶液通道的上面（即AB或CD組合使用，不可AC或BD組合使用）。建議用水定期沖洗所有MCGV通道，以除去可能在閥口析出的鹽結(jié)晶。

接下我們主要講講二元泵與四元泵的區(qū)別（單元泵不涉及溶劑的混合）。1、泵的個(gè)數(shù)不同（最直觀的差別）對(duì)于二元高壓梯度系統(tǒng)它有兩個(gè)泵，而四元低壓梯度系統(tǒng)只有一個(gè)泵；2、溶劑的混合點(diǎn)不同對(duì)于二元高壓梯度系統(tǒng)來(lái)說(shuō)溶劑是泵后混合，在混合腔中混合流動(dòng)相（高壓混合），而四元低壓梯度系統(tǒng)是泵前混合，在比例閥處混合流動(dòng)相（低壓混合）；3、阻尼器的位置不同其中二元高壓梯度系統(tǒng)的阻尼器在泵后的混合腔后邊，而四元低壓梯度系統(tǒng)的阻尼器在泵的兩個(gè)柱塞桿之間；4、溶劑的混合方式不同二元泵通過(guò)分別控制兩個(gè)泵的流速?gòu)亩鴣?lái)達(dá)到對(duì)流動(dòng)相比例的控制，而四元泵是通過(guò)多通道梯度閥的間隔開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)相比例的控制。

細(xì)心地同學(xué)可能已經(jīng)注意到了，稱(chēng)呼二元泵時(shí)會(huì)帶上高壓梯度，而在稱(chēng)呼四元泵時(shí)會(huì)帶上低壓梯度，那是因?yàn)槎檬潜煤蠡旌希ㄟ^(guò)泵輸出的液體是高壓液體，在混合的時(shí)候不容易產(chǎn)生氣泡，壓力更穩(wěn)定；四元泵是泵前混合，混合時(shí)的液體屬于常壓液體（相對(duì)于二元泵混合時(shí)的壓力它屬于低壓），低壓時(shí)流動(dòng)相對(duì)氣體的溶解度較低，在混合時(shí)就可能有小氣泡形成，導(dǎo)致壓力波動(dòng)等種種問(wèn)題。氣泡永遠(yuǎn)是液相色譜的天敵。所以說(shuō)，四元泵一定要配脫氣機(jī)，先對(duì)流動(dòng)相進(jìn)行在線脫氣，才能用比例閥進(jìn)行混合，要不然很容易產(chǎn)生氣泡。而二元泵可以不用配脫氣機(jī)就能在線混合，運(yùn)行梯度方法。

延遲體積

基于二元泵和四元泵的不同，我們引入一個(gè)新的概念：延遲體積。

一般來(lái)說(shuō)，我們把流動(dòng)相從混合開(kāi)始，最后到達(dá)柱頭這段體積叫延遲體積。流動(dòng)相梯度的變化要到色譜柱頭，才能夠?qū)Ψ蛛x產(chǎn)生影響，所以有一定的延遲。在梯度洗脫中，梯度延遲體積非常重要，特別是復(fù)雜樣品的分析，低的延遲體積具有更快的梯度響應(yīng)時(shí)間，同一樣品在同一色譜柱上能夠獲得更好的分辨率。延遲體積越大，梯度的變化到達(dá)柱頭的時(shí)間越長(zhǎng)，直接導(dǎo)致分析時(shí)間越長(zhǎng)。

二元高壓的延遲體積是從混合器后開(kāi)始計(jì)算的，經(jīng)過(guò)混合腔，阻尼器，混合器，沖洗閥，然后進(jìn)入進(jìn)樣器。而四元低壓是從比例閥混合部分開(kāi)始計(jì)算的，要經(jīng)過(guò)整個(gè)泵頭(包括主動(dòng)入口閥、兩個(gè)泵腔、出口閥、管路等等)，才能到達(dá)進(jìn)樣器，多出了泵的死體積、泵到比例閥的管線和泵到混合器的管線，所以四元低壓的梯度延遲梯度較二元高壓要大，梯度響應(yīng)慢。

最后，我們基本可以得到二元泵優(yōu)于四元泵的結(jié)論這樣一個(gè)理論。但四元泵依然純?cè)谝欢ㄓ兴牡览?，比如說(shuō)：

1、一不小心配到一個(gè)需要同時(shí)進(jìn)行三相或四相混合的變態(tài)方法；

2、四元泵比二元泵便宜。

好了，泵的基本原理都講完了，下面說(shuō)一說(shuō)使用要點(diǎn)。

使用要點(diǎn)

將裝有溶劑瓶的溶劑箱放在泵上面或較高處。當(dāng)在四元泵上使用鹽溶液或有機(jī)溶劑時(shí)，建議將鹽溶液接在下面的梯度閥口上，將有機(jī)溶劑接在上面的梯度閥口上，有機(jī)溶劑通道最好在水或鹽溶液通道的正上面。建議用水定期沖洗所有MCGV通道除去可能在閥口析出的鹽結(jié)晶。

操作泵之前，用至少兩個(gè)體積（標(biāo)準(zhǔn)脫氣機(jī)30mL，對(duì)微脫氣機(jī)10mL）沖洗真空脫氣機(jī),特別是當(dāng)泵關(guān)閉了一段時(shí)間后(例如，過(guò)夜)，以及在通道中使用揮發(fā)性混合溶劑時(shí)，防止溶劑瓶?jī)?nèi)的玻璃濾頭(過(guò)濾器)堵塞及長(zhǎng)菌，當(dāng)濾頭表面有黑色或黃色污染層說(shuō)明發(fā)生了堵塞，應(yīng)立即清洗或更換。

定期檢查排液閥的過(guò)濾白頭。檢查方法：擰開(kāi)排液閥，以水作流動(dòng)相。

-對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)脫氣機(jī)(G1322A),流速5ml/min水，若壓力大于10bar，則建議更換。

-對(duì)于微量脫氣機(jī)(G1379A),流速2ml/min水，若壓力大于5bar，則建議更換當(dāng)使用低流速時(shí)，檢查所有1/16英寸接頭有無(wú)滲漏（用壓力測(cè)試或漏液測(cè)試。每當(dāng)更換泵密封墊時(shí)排液閥慮芯也應(yīng)更換。

更換活塞密封墊時(shí)檢查活塞桿上是否有劃痕。有劃痕的活塞將導(dǎo)致輕度滲漏，并降低密封墊的使用壽命。應(yīng)盡早更換有劃痕的活塞。

使用緩沖溶液時(shí)，關(guān)泵前先用水沖洗系統(tǒng)。當(dāng)需要長(zhǎng)時(shí)間使用0.1摩爾或更高濃度的緩沖液時(shí)，最好選用密封墊清洗附件，以減少對(duì)密封墊及活塞桿的磨損。

如果使用了高濃度的緩沖鹽，可以考慮用熱水（50－60℃）來(lái)沖洗鹽通道來(lái)確保沒(méi)有緩沖鹽殘留在系統(tǒng)中。

更換活塞密封墊后應(yīng)按照密封墊安裝步驟對(duì)其進(jìn)行磨合，但磨合不適用于正相密封墊。

當(dāng)泵頭安裝有柱塞清洗附件時(shí)，由