性能改善带来的结果

对系统压力的说明

在上面的章节中,对减小色谱颗粒的好处和减小的谱带展宽[包括色谱仪和色谱柱]进行了说明。UPLC技术通过减小的谱带展宽,在较短的时间内实现较高效的分离,便于色谱性能的提高,由此获得了更佳的数据质量。但是,除带展宽不是决定性能的关键因素。色谱仪的有效压力也起到巨大的作用。

当流动相流过泵到进样器的连接管路,进样器到色谱柱、色谱柱自身、柱后管路以及检测器池将产生压力。系统压力的测量是所有这些组件[色谱仪和色谱柱]的累计效应。当流速增加时,流动相流经的连接管路自身产生的压力将增加。另外,管的内径、长度以及流速也将影响系统所产生的压力。如果色谱仪自身产生的压力,从总系统压力中扣除[色谱仪+色谱柱],那么两色谱柱之间的压力差异能够与理论预测相比较。

当颗粒大小减小,反压按一定比率增加,与颗粒直径的平方成反比。同时,流动相最佳速度[线速度]随颗粒直径的减小而增加。因此,对于指定颗粒大小,最佳线速度的压力,按一定比率增加,而反比于颗粒直径的立方[图44]。

图44:恒定柱长时,最佳压力[ΔPopt] 和颗粒大小[dp]之间的关系。如果颗粒大小减少3倍,那么压力将增加 27x。

当试图在常规HPLC色谱仪上,使用较小颗粒色谱柱,提高色谱分离度[保持色谱长度恒定,同时减少颗粒大小],或提高分析的速度,同时维持分离度不变[保持L/dp比值恒定],这很显著。因为常规HPLC色谱仪的压力限制。

[350–400 bar;5000–6000 psi],使用较小颗粒时,通常受到柱长,或在最佳线速度[流速]以下运行的限制。

对于柱长恒定的色谱柱,如果颗粒大小从5.0 μm减小到1.7 μm[颗粒大小减小3x],理论预测反压增加27x。与理论预测接近,当同长色谱柱,从5.0 μm色谱柱变为1.7 μm色谱柱,系统压力增加22x。由实测可见,1.7 μm色谱柱在常规HPLC色谱仪的压力上限,能正常的工作[图45]。

在ACQUITY UPLC系统出现之前,减小颗粒大小,反压大幅增加,是亚2 μm颗粒色谱柱[相应的LC色谱仪]没能成为商业化的一个主要原因。

图45:颗粒大小和最佳流速对柱压的影响[从总系统压力中扣除]。柱长恒定为:2.1 x 50 mm 色谱柱;流速 = 0.6 mL/min [1.7 μm] ,0.2 mL/min [5 μm]。

如果分离目标是维持分离度,同时降低分析时间[保持L/dp比值恒定],压力的增加要远小于,保持柱长恒定,同时减小颗粒大小的情形。因为柱长按比率减少,因此压力的变化反比于颗粒大小的平方[而不是颗粒大小的立方]。

图46:对不同柱长,最佳压力[ΔPopt]和颗粒大小[dp]之间的关系。如果颗粒大小和柱长减小3倍,压力将增加9x。

在这个示例中,柱长和颗粒大小都减小3x[图47]。这意味着反压预计增加9x。实测的数据与理论预测接近。保持L/dp恒定,当从5.0 μm,150 mm长色谱柱 ,转变为 1.7 μm,50 mm 长的色谱柱,反压增加了11x。

图47:颗粒大小、柱长和最佳流速对柱压的影响[扣除总系统压力]。L/dp比的比值恒定。注意分析时间的显著不同[UPLC分离加快7x]。

当以最佳流速运行时,较小颗粒产生的压力将超过常规HPLC系统的压力限制。设计的ACQUITY UPLC系统[压力上限为1030 bar,15000 psi]能够耐受这种压力,保证亚2 μm颗粒色谱柱,在最佳流速正常成功运行。

提高温度

一种弥补使用小颗粒填料产生较高压力的方法是提高柱温。当柱温提高时,流动相粘度减小,反压降低[如果流速保持恒定]。但是,被测物分子进出固定相小孔的速度也增大,结果需要增大流速来维持性能。

当柱温从30°C增大到90°C,必须增大流速来维持效率[图48]。当在任一温度下,比较最高的塔板数,没有实现效率的增加,这与色谱理论一致。

图48:柱温对效率的影响。在ACQUITY UPLC BEH C18 2.1 x 100 mm,1.7 μm 柱上,等度条件下戊基苯的保留。

将塔板数与系统压力制图,进行一项有意思的比较[图49]。按这种方式将数据绘图,可清楚地发现,在大约相同的系统压力下,不依赖分离温度,能实现理想的色谱柱效率。这意味着,提高温度不能避免由于使用小颗粒填料而带来的压力。换句话说,常规HPLC色谱仪不适合非常小颗粒色谱柱的高效使用。

图49:不依赖于柱温,在类似的压力条件下,实现了更大的效率。在ACQUITY UPLC BEH C18 2.1 x 100 mm,1.7 μm 色谱柱上,等度条件下戊基苯的保留。

 

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