2/2HPLC輸液泵的工作原理與使用要點

2023-03-2205:32輸液泵為液相色譜儀提供動力，是液相的核心部件。了解并熟練使用輸液泵是每一個實驗人員都應該的掌握的技能。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。首先，我們要知道輸液泵分為幾類。根據(jù)泵的工作原理又可以分為隔膜泵和往復活塞泵，而現(xiàn)在在高效液相色譜里面使用的基本都是往復活塞泵。

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

單元泵

單元泵包括一個泵組件和一個阻尼器。

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

圖1單元泵流路圖

單元泵是如何運行的？泵組件含有兩個大部分相同的活塞泵單元。兩個泵單元均由一個滾珠絲杠驅動器和一個帶有一個藍寶石活塞的泵頭組成，藍寶石活塞在里面作往復運動。用一個伺服-控制可變磁阻電機從兩個相反的方向來驅動兩個滾珠絲杠驅動器。滾珠絲杠驅動器的齒輪有不同的周長（比例為2:1），使第一個活塞運動速度為第二個活塞的兩倍。溶劑從泵頭的最底部進入，從泵頭的頂部離開。活塞的外徑比泵腔的內徑要小一些，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。液體從流動相瓶流到入口主動閥，第一個泵單元的入口和入口主動閥相連，該入口主動閥的啟閉受處理器的控制，從而允許溶劑被吸入到第一個活塞泵單元。

第一個活塞泵單元的出口通過與出口球閥和阻尼器與第二個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色譜系統(tǒng)。

啟動后，單元泵通過運行一個初始化過程，以確定第一個活塞能達到的上限終點位置。第一個活塞慢慢地移動到泵頭的機械停止點，從該點返回一個預設的路程長度，控制器在內存中存儲此活塞位置。

初始化完畢后，泵按照設定的參數(shù)開始運行。入口主動閥打開，向下移動的活塞把溶劑吸入第一個泵頭里。與此同時第二個活塞向上移動往系統(tǒng)里輸送溶劑。在一個控制器所確定的沖程長度（取決于流速）后，停止驅動器電機、關閉入口主動閥。電機方向倒轉并使第一個活塞向上移動，直到存儲設定的上極限點，同時第二個活塞向下移動。這樣兩個活塞按順序在兩個極限點之間進行循環(huán)。

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

圖2單元泵原理圖

二元泵

二元泵包含兩個相同的泵，這兩個泵集成在一個腔體內，它通過高壓混合來產生梯度。每個通道由一個泵組件組成，包括泵驅動器、泵頭、帶有可更換濾芯的主動輸入閥和輸出閥。兩個通道在一個低容積混合腔中連接，混合腔通過毛細管連接到緩沖單元（阻尼器）和混合器上。帶有PTFE過濾芯的沖洗閥裝在泵的出口處，便于向泵頭灌注流體。

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

圖3二元泵無溶劑選擇閥（兩通道）流路圖

圖4二元泵有溶劑選擇閥（四通道）流路圖

二元泵是如何運行的？

對于二元泵來說，它的兩個泵的工作原理與單元泵基本上是相同的，這里就不重復了。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、第一個活塞泵的出口直接與第二個活塞泵的入口相連

2、分別由兩個泵輸出的液體經(jīng)過混合腔、阻尼器、靜態(tài)混合器混合后才進入下一個色譜系統(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活塞泵之間。

圖5二元泵其中一個泵的原理圖

圖6二元泵原理圖這里二元泵是通過控制兩個泵的流速，來準確控制兩種流動相的比例。比如在1mL/min的流速下，要達到A:B兩種流動相40：60的混合比例，那就設置A泵流速0.4mL/min，B泵流速0.6mL/min就可以了。

四元泵

單元泵配置一個泵頭，二元泵配置兩個泵頭，那樣的話四元泵是不是應該是配置了四個泵頭呢？？？答案當然是錯誤的，四元泵其實也只配置了一個泵頭。

四元泵包括一個真空脫氣機和一個四通道梯度泵。四通道的梯度泵包括一個高速配量閥(也稱為：多通道梯度閥，英文為MCGV)和一個泵組件。這里需要注意的是：四元泵是通過低壓混合來產生梯度，脫氣是低壓梯度系統(tǒng)必需的，因此Agilent1200系列的真空脫氣機是四元泵系統(tǒng)的一部分。

圖7四元泵流路圖

因為四元泵也是單泵，所以泵的工作原理與單元泵基本是一樣的這里就不多說了（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)過脫氣機脫氣。

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，當所需的溶劑比例改變時，改變的并不是閥開的大小而是在某個通道上開啟的時間。比如說：現(xiàn)需要的溶劑比例為40%的A和60%的B，四元泵就會在A和B之間按照40:60的比例來分配時間，在A通道上閥門打開4ms后切換到B通道上閥門打開6ms，這樣一直來回切換比例閥，所以四元泵中進入泵的流動相是一段一段的。但是通過MCGV可以同時輸入四種溶劑進入色譜系統(tǒng)。

在使用四元泵是需要注意的是：當鹽溶液和有機溶劑混合時，鹽溶液可能與有機溶劑完全混溶，而不會出現(xiàn)沉淀。但是在梯度閥的混合點、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。通常，閥的A通道用于含水/鹽溶液，而泵的B通道用于有機溶劑。如果使用的是這樣的配置，鹽將落回到鹽溶液中并被溶解。當泵使用的不同配置（例如，D-鹽溶液，A-有機溶劑）時，鹽可能會落到有機溶劑的端口中，從而導致性能問題。

在Agilent1200系列四元泵中使用鹽溶液和有機溶劑時，建議將鹽溶液接到下面的口上（A，D通道使用水/鹽溶液），有機溶劑接到上面的梯度閥口上（B，C通道使用有機相）。有機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、泵的個數(shù)不同（最直觀的差別）對于二元高壓梯度系統(tǒng)它有兩個泵，而四元低壓梯度系統(tǒng)只有一個泵；2、溶劑的混合點不同對于二元高壓梯度系統(tǒng)來說溶劑是泵后混合，在混合腔中混合流動相（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柱塞桿之間；4、溶劑的混合方式不同二元泵通過分別控制兩個泵的流速從而來達到對流動相比例的控制，而四元泵是通過多通道梯度閥的間隔開啟實現(xiàn)對流動相比例的控制。

細心地同學可能已經(jīng)注意到了，稱呼二元泵時會帶上高壓梯度，而在稱呼四元泵時會帶上低壓梯度，那是因為二元泵是泵后混合，通過泵輸出的液體是高壓液體，在混合的時候不容易產生氣泡，壓力更穩(wěn)定；四元泵是泵前混合，混合時的液體屬于常壓液體（相對于二元泵混合時的壓力它屬于低壓），低壓時流動相對氣體的溶解度較低，在混合時就可能有小氣泡形成，導致壓力波動等種種問題。氣泡永遠是液相色譜的天敵。所以說，四元泵一定要配脫氣機，先對流動相進行在線脫氣，才能用比例閥進行混合，要不然很容易產生氣泡。而二元泵可以不用配脫氣機就能在線混合，運行梯度方法。

延遲體積

基于二元泵和四元泵的不同，我們引入一個新的概念：延遲體積。

一般來說，我們把流動相從混合開始，最后到達柱頭這段體積叫延遲體積。流動相梯度的變化要到色譜柱頭，才能夠對分離產生影響，所以有一定的延遲。在梯度洗脫中，梯度延遲體積非常重要，特別是復雜樣品的分析，低的延遲體積具有更快的梯度響應時間，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，梯度的變化到達柱頭的時間越長，直接導致分析時間越長。

二元高壓的延遲體積是從混合器后開始計算的，經(jīng)過混合腔，阻尼器，混合器，沖洗閥，然后進入進樣器。而四元低壓是從比例閥混合部分開始計算的，要經(jīng)過整個泵頭(包括主動入口閥、兩個泵腔、出口閥、管路等等)，才能到達進樣器，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，梯度響應慢。

最后，我們基本可以得到二元泵優(yōu)于四元泵的結論這樣一個理論。但四元泵依然純在一定有它的道理，比如說：

1、一不小心配到一個需要同時進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，下面說一說使用要點。

使用要點

將裝有溶劑瓶的溶劑箱放在泵上面或較高處。當在四元泵上使用鹽溶液或有機溶劑時，建議將鹽溶液接在下面的梯度閥口上，將有機溶劑接在上面的梯度閥口上，有機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晶。

操作泵之前，用至少兩個體積（標準脫氣機30mL，對微脫氣機10mL）沖洗真空脫氣機,特別是當泵關閉了一段時間后(例如，過夜)，以及在通道中使用揮發(fā)性混合溶劑時，防止溶劑瓶內的玻璃濾頭(過濾器)堵塞及長菌，當濾頭表面有黑色或黃色污染層說明發(fā)生了堵塞，應立即清洗或更換。

定期檢查排液閥的過濾白頭。檢查方法：擰開排液閥，以水作流動相。

-對于標準脫氣機(G1322A),流速5ml/min水，若壓力大于10bar，則建議更換。

-對于微量脫氣機(G1379A),流速2ml/min水，若壓力大于5bar，則建議更換當使用低流速時，檢查所有1/16英寸接頭有無滲漏（用壓力測試或漏液測試。每當更換泵密封墊時排液閥慮芯也應更換。

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

使用緩沖溶液時，關泵前先用水沖洗系統(tǒng)。當需要長時間使用0.1摩爾或更高濃度的緩沖液時，最好選用密封墊清洗附件，以減少對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℃）來沖洗鹽通道來確保沒有緩沖鹽殘留在系統(tǒng)中。

更換活塞密封墊后應按照密封墊安裝步驟對其進行磨合，但磨合不適用于正相密封墊。

當泵頭安裝有柱塞清洗附件時，由