螺旋槽圆盘柱逆流色谱分离系统的研制及其应用评价

论文摘要

目前常用的J型高速逆流色谱仪（即螺旋管行星式离心分离仪）采用的是多层盘绕的聚四氟乙烯螺旋管分离柱。多种两相溶剂体系都能够在该仪器上实现有效保留,并用于样品的分离。特别是在采用有机相/水相溶剂体系分离天然产物中的小分子化合物方面,得到成功的应用。然而,该J型高速逆流色谱仪对强极性溶剂体系和高粘度、低界面张力的双水相溶剂体系的保留率极低,限制了逆流色谱在强极性物质和生物大分子分离纯化方面的应用。高速逆流色谱仪依靠螺旋管色谱柱在做行星式运动过程中产生的阿基米德旋力实现固定相的保留,可以通过扩大螺旋管的螺距来提高固定相的保留率。在传统的J型高速逆流色谱仪中,螺距的增加受到螺旋管外径的限制。近年来,一种刻有螺旋槽的圆盘被应用于高速逆流色谱分离柱的设计,可使螺旋槽的螺距进一步增加。本研究设计并制造了一种多层螺旋槽圆盘柱逆流色谱仪,通过一系列实验测评其对不同溶剂体系（包括有机相/水相体系和双水相体系）的影响,并选择了多种类实际样品,如黄酮类、酚类、多种二肽和蛋白类大分子等,进一步验证了其分离纯化效率。该新型螺旋槽圆盘柱逆流色谱仪采用一个分离柱与一个配重体相平衡的设计,公转半径为9.7cm。螺旋槽圆盘分离柱由五个刻有单螺旋槽的圆盘和六个隔板间隔叠加而成,两面通过金属法兰和螺钉挤压相互密封。在上法兰和仪器公转轴上安装同样规格相互啮合的塑料齿轮,以实现分离柱的行星式运动。圆盘由聚一氯三氟乙烯（Kel-F）材料制成,刻蚀矩形螺旋槽,β值范围为0.240.78。螺旋槽首端口设于靠近圆盘中心位置,靠近圆盘边缘的尾端口通过导流孔与圆盘背面的通道连通,并与相邻的另一圆盘的流通槽的首端口相对应。在两圆盘之间的隔板上对应位置处设有导流小孔,实现不同圆盘上的螺线型流通槽之间的串联。分离柱总容积为74mL。根据溶剂极性不同,分别选择了弱极性、中等极性、极性溶剂体系和双水相体系用于螺旋槽圆盘柱固定相保留率研究。通过改变流动相、色谱柱转向和流动相流向形成八种洗脱模式,分别测定了各溶剂体系在不同洗脱模式和不同流速下的固定相的保留率。研究结果表明,螺旋槽圆盘柱可使极性较弱的溶剂体系获得很高的固定相保留率。如氯仿-甲醇-水体系和正己烷-乙酸乙酯-甲醇-水体系,在以上相为流动相,采取由尾到头的洗脱模式,或以下相为流动相,采取由头到尾的洗脱模式可实现高流速（16mL/min）下的固定相的有效保留,这对于弱极性到中等极性小分子物质的快速高效分离非常有利。对于极性较强的正丁醇-醋酸-水体系及双水相体系（聚乙二醇1000-磷酸钾盐-水体系和聚乙二醇8000-葡聚糖-水体系）,除U-O-T洗脱模式外,以下相为流动相,采取由内到外的洗脱模式,或以上相为流动相,采取由外到内的洗脱模式有利于固定相的高效保留。在不同温度和转速下测定了各溶剂体系最佳洗脱模式下固定相保留率。结果表明,在2040℃范围内,温度对固定相保留率的影响不明显,低于20℃则不利于双水相体系的保留。固定相保留率总是随着转速的增加而提高,除氯仿-甲醇-水体系外,其它各溶剂体系固定相保留率的提高速率较慢,必须达到600800rpm的转速才能获得高的固定相保留率。选取了四类实际样品对该螺旋槽圆盘柱逆流色谱仪的分离效果进行了验证实验。对苯二酚和邻苯二酚,银杏黄酮等小分子化合物都在较高流速下得到有效分离,证明该螺旋槽圆盘柱在植物和天然产物中小分子活性成分的高效快速分离制备方面具有重要意义。采用极性较高的正丁醇-醋酸-水体系,在4.0mL/min的高流速下,在短时间（22min）内成功分离了Leu-Tyr和Val-Tyr二肽样品。细胞色素C和肌红蛋白混合物、溶菌酶和肌红蛋白混合物、鸡蛋清等蛋白样品分别在12.5% PEG1000-12.5% K2HPO4-75% wate（rpH 9）溶剂体系和16% PEG 1000-12.5% K2HPO4-71.5% wate（rpH 8）体系中得到有效分离。以上结果证明螺旋槽圆盘柱也适用于蛋白质等生物大分子样品的分离纯化。同时该仪器还需继续改进,以改善粘度较高、分子量较大的聚合物双水相体系在应用过程中的传质效率和固定相保留率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 高速逆流色谱简介
• 1.2 逆流色谱发展历程和现状
• 1.3 逆流色谱分离柱的研究进展
• 1.3.1 目前商业化的逆流色谱分离柱
• 1.3.2 新型螺线形管柱组件
• 1.3.3 螺线槽圆盘柱组件系统
• 1.4 高速逆流色谱应用基础
• 1.4.1 溶剂体系
• 1.4.2 固定相保留率
• 1.5 高速逆流色谱分离技术应用现状
• 1.5.1 天然产物的分离
• 1.5.2 食品功能性成分的制备分离和除毒去杂
• 1.5.3 抗生素的分离
• 1.5.4 蛋白质等生物大分子的分离
• 1.6 本论文研究目的及研究内容
• 第二章 螺旋槽圆盘柱逆流色谱分离系统的研制
• 2.1 仪器的设计与加工
• 2.1.1 色谱柱设计理论基础
• 2.1.2 设计方案
• 2.1.3 刻槽圆盘的设计
• 2.1.4 色谱柱整体设计
• 2.1.5 整个仪器的结构设计
• 2.1.6 配套外围设备选型
• 2.2 系统安装与调试
• 2.2.1 仪器装配
• 2.2.2 仪器机械稳定性测试
• 2.3 螺旋槽圆盘柱逆流色谱仪基本参数
• 第三章 螺旋槽圆盘柱对不同溶剂体系的保留能力
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 所考察的溶剂体系
• 3.1.3 不同的运行模式
• 3.1.4 固定相保留率的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 不同运行模式下的流速对固定相保留率的影响
• 3.2.2 温度对固定相保留率的影响
• 3.2.3 转速对固定相保留率的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 螺旋槽圆盘柱逆流色谱仪应用效果评价
• 4.1 银杏黄酮的分离
• 4.1.1 材料和方法
• 4.1.2 结果和讨论
• 4.2 对苯二酚、邻苯二酚的分离
• 4.2.1 材料和方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 二肽样品的分离
• 4.3.1 材料和方法
• 4.3.2 结果和讨论
• 4.4 蛋白样品的分离
• 4.4.1 材料和方法
• 4.4.2 结果和讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与创新点
• 参考文献
• 成果清单
• 致谢