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别觉得大牌电池就一定好,品牌也有不同品质的产物。两相溶剂系统的通用方法是什么?液-液色谱分离的建模原创2023-07-05 22:49·诺斯罗普的笔记在阅读此文前,诚邀您请点点右上方的“关注”,既方便您进行讨论与分享,还能及时阅读最新内容,感谢您的支持。LLC的最大优势之一是可以改变流动相和固定相,从而微调色谱分离的选择性。然而,用于制备两相液体系统的溶剂组合的广泛选择在LLC分离设计中既是优势又是障碍,这使得该技术非常通用,但增加了溶剂系统选择的必要努力。因此,有一个选择两相溶剂系统的通用方法和一个比较它们相对优点的清晰方法是重要和必要的。溶剂系统选择的策略取决于分离的目的,即(a)几毫克到几克的目标分离,用于结构阐明和/或生物活性测试,或者(b)一种或多种目标成分的工业生产。在这两种情况下,必须满足设定的纯度要求,但其余的规格有很大不同。在生产(工业)规模上,必须满足法规限制,并且生产成本保持尽可能低。对于少量组分的分离,通常可以采用提供满意结果的第一种溶剂系统。在这些小规模的一次性分离中,不考虑回收、生产率、溶剂消耗、毒性和重复使用等问题。这种分离构成了已出版的LLC文献的主要部分。类似分离问题的公开数据或溶剂系统系列的实验筛选有助于溶剂系统的选择。用作主要筛选参数的分配系数通过摇瓶实验确定。根据溶质极性筛选溶剂系统的一般指南可在别处找到还提供了用于分离多种化合物的溶剂系统的有用汇编。简化溶剂系统选择的几种实验策略包括结构化实验方法、使用称为GUESSmix(溶剂系统的一般有用估计值)的预定义天然化合物混合物以及相关性高通量筛选已经通过将机器人液体处理系统耦合到分析型高效液相色谱或气相色谱。筛选有限数量的两相系统可以导致快速发现合适的溶剂系统。然而,以这种方式确定所述混合物(分离)的最佳溶剂系统是极不可能的。用于分配系数预测的热力学模型可用作实验方法的替代方法基于模型的筛选方法减少了实验工作量,最重要的是,允许评估大量新的和现有的两相溶剂系统。超额吉布斯自由能模型(gE模型)和状态方程可用于计算分配系数;这些包括两个基于局部组成概念的模型。非随机双液体和通用准化学车型;基团贡献模型普适准化学官能团活度系数;基于量子力学的真实溶剂化类导体屏蔽模型;和扰动链统计缔合流体理论应该基于模型参数的可用性或用于拟合的实验数据来选择模型。完全预测模型COSMO-RS的优点是只需要溶剂和溶质的分子结构作为输入信息来计算分配系数。提出了一种为特定分离任务定制双相溶剂系统的通用设计方法。该方法适用于生产规模的要求,包括生产成本和安全性。通过使用热力学模型COSMO-RS,选择过程的不同阶段所涉及的实验努力被最小化。选择程序及其步骤的流程图如所示并在下文中简要描述。首先,根据预定义的标准(如毒性、反应性、可燃性、蒸气压、价格、环境影响)选择溶剂库,这些标准应针对每个分离问题单独定义。然后,继福柯的所谓的最佳溶剂方法,使用溶剂容量的预测值,即无限稀释时溶剂中溶质的活度系数的倒数值,来评估目标组分在所选溶剂中的溶解度。接下来,列出了包含至少一种具有高溶质溶解度的溶剂的可能的两相液体系统。潜在双相溶剂系统的液-液平衡(LLE)数据要么是预测的,要么取自文献[例如,或多特蒙德数据库下一步,筛选双相系统。目标组分的分配系数被用作筛选参数,并被预测用于不同的系统组成,即位于两相区内不同连接线上的组成。其中一种进料组分的分配系数在0.4–2.5的优选范围内或附近的系统和系统组成被指定为潜在系统,并选择用于实验评估。如果需要,可以对系统组成进行微调。几位作者已经证明了使用热力学模型来筛选和选择两相溶剂系统的潜力。在液-固色谱中,一旦填充色谱柱,与流动相接触的固定相的溶质可及表面积和相体积本身就固定了。LLC的情况并非如此,在LLC中,色谱柱中各相的体积及其接触面积取决于工艺条件,即流动相流速和转速,以及各相的物理性质(密度、粘度和界面张力)。固定相保留随着流动相流速的增加而减少,并且在一定程度上随着旋转速度(离心力)的增加而增加。如第2.1节所述,在中获得了非常不同的流型这是由于不同的设计和操作原理。将CCC色谱柱建模为恒压降泵,并提出了计算固定相保留时间的关联式。针对溶剂系统物理性质对固定相保留、相分散和相沉降行为的影响,以及使用无量纲数对其进行描述的深入研究最近已在CPC色谱柱。已经使用透明盘和照相机装置通过直接视觉观察研究了CPC柱这些研究表明,流动相和固定相之间的接触面积以及传质速率强烈依赖于池的几何形状并随着流动相流速和/或转速的增加而增加。这解释了柱效率随着流动相流速的增加而增加,这种趋势与填充有固体固定相的柱相反。然而,接触面积的增加增加了流动相在池出口聚结所需的沉降时间,导致固定相保留随着流动相流速的增加而减少。此外,流动动力学和固定相保留的视觉观察证实了发现界面张力与密度差之比可用于评估两相系统的固定相保留和传质。对于制备型LLC应用,选择的操作参数应在分离运行期间提供恒定的固定相保留。固定相损失会导致两相产物收集,并降低分离性能和可预测性。此外,每次运行后,当要进行几次相同的分离时,必须用固定相和流动相重新制备色谱柱。详细研究了进料浓度和体积对固定相保留的影响还应选择注入样品的质量,以排除溶质对溶剂系统的液-液平衡和/或两个液相的物理性质的影响,这会影响色谱柱流体动力学。固定相保留时间流体动力平衡并且还不能完全预测注射样品的可能干扰效应。在LLC中使用两种液相作为流动相和固定相为该技术提供了高度的操作通用性,正如适用于许多不同分离任务的各种操作模式的发展所证明的那样。在LLC中,流动相和固定相的角色可以在操作过程中互换,从而产生两种洗脱模式当密度较低的上相用作流动相,密度较高的下相保持静止时,洗脱模式称为上升(as)模式,或尾到头模式。在流动下相和固定上相相反的情况下,洗脱模式称为下降(Des)或头尾模式。本文通篇使用As/Des术语。这种关系,再加上在切换洗脱模式以保持固定相的保留时需要反转流动方向,导致进料溶质的相对洗脱顺序发生变化:保留程度最高且通过色谱柱最慢的溶质保留程度最低且速度最快,反之亦然。仅改变流动方向或洗脱模式而不改变另一个将导致固定相从色谱柱上移位。这种被称为挤压的相移可以在某些操作模式中被有意地利用作为有用的特征。莫利明切瓦公司提供所有LLC运行模式的全面和关键概述,其中最重要的将在以下小节中描述,以及不同运行模式应用的全面审查和为特定应用选择最合适运行模式的指南。尽管LLC用户可以使用多种操作模式,但由于其设计相对简单且易于实施,不连续批量进样在文献和行业中普遍使用。批量进样包括单次进样,然后在As或Des模式下用相应的流动相进行等度洗脱。在天然产物分离中遇到的低分离因子和制备分离中首选的大体积进样条件下,批量进样通常会导致不必要的峰重叠。目标馏分的中心切割或注射量的减少变得必要,分别对产量和通量产生负面影响。克服峰重叠的几种策略类似于在使用固体固定相的常规色谱中发现的策略,包括多次低体积进样,闭环回收,以及心脏切割部分的再注射然而,这些方法都不能同时满足短运行时间和高样品负载的要求。如前所述,对于特定的洗脱模式,当错误的相被用作流动相或者流动相被以错误的方向泵送时,在LLC中可以实现柱中一个相被另一个相取代。前者被定义为洗脱挤出,而后者被称为(萃取)反挤出。洗脱挤出从使用右相作为流动相开始(as模式中的上相)。在某一点,泵送相被切换到错误的相(固定的下相),而不改变流动方向。泵送的固定相(下部)逐渐取代色谱柱中最初的流动相(上部)。位于泵送固定相前沿之前的所有溶质带继续经历正常的色谱洗脱条件,直到被其超越,此时它们将以泵送相的速度通过色谱柱,因为溶质的相分离不再发生。在洗脱挤出运行结束时,色谱柱中没有溶质,完全充满了固定相,为下一次运行与流动相平衡做好了准备。洗脱挤出技术适用于包含各种分配系数的溶质的样品。弗里森&保利发现对于0.25的分配系数范围,用洗脱挤出可以获得足够的分离度可以显著缩短运行时间和溶剂消耗。同时保留高保留组分的高浓度和良好分离的峰形可以基于所需的目标分辨率或从柱中洗脱期间所需的处理阶段洗脱挤出对于溶剂系统筛选以及未知样品的筛选也是一种快速而有用的技术。基于挤压原理的相关操作模式是反挤压。在这种模式下,不是像在洗脱挤出中那样保持初始流动方向并改变泵送相,而是流动方向被切换到错误的方向,同时在整个运行过程中泵送与流动相相同的相。通常不建议将其作为缩短运行时间的方法或用于筛选应用,因为随着流动方向的改变会发生相分离,导致保留较少的组分作为两个单独的峰洗脱出来(回声峰效应)。相反,反挤压作为一种浓缩和/或提取在大进料体积中以稀释浓度存在的高度保留的目标化合物的技术已经得到实施。

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