（应用化学专业论文）高速逆流色谱仪的改造设计及系统集成的基础研究.pdf

p q 川人学坝l 学位论文 高速逆流色谱仪的改造设计及系统集成的基础研究 应用化学专业 研究生：李瑞指导老师：梁冰教授 逆流色谱( c o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h y ) 是一种不用固态支撑体或载体，且 能实现有效分离的液液色谱。在逆流色谱体系中，因为不存在固态载体，所以 避免了载体对样品组分的吸附和污染，而且固定相对流动相的相比高，可进样 量大，特别适合于制备，因此在天然药物的分离制备方面的应用倍受重视。但 长期以来，国内对逆流色谱仪器系统的集成化，自动化，使用的方便化方面研 发的很少，不利于逆流色谱技术的推广应用。 本论文以为研究设计出安全，自动化程度高，使用方便的高速逆流色谱仪 ( h s c c c ) 系统打下技术基础为目的，以单向流体动力学平衡的型同向同步 行星式离心机为原型，进行了以下几方面的研究工作： 1 ) 离心机的设计。包括离心机的传动方式改进、螺旋管支持件改进、螺旋 管支持件固定方式改进、轴承固定方式改进等。初步确定了半制各型高速逆流 色谱仪的离心机支持件长度l 支、支持件法兰盘直径d 支、和框架法兰盘直径 d 。等主要部件的尺寸大小。对装置材质选择、装置散热方案及d 值改变的方案 做了讨论。 2 ) 应用计算机采集紫外分光光度计信号，实现信号自动连续检测。 3 ) 设计和加工新型简便馏分收集仪，并编写其控制模块。 4 ) 高趣逆流色谱系统的计算机管理。通过计算机a d 及d a 接口技术和软 件编程，实现：离心机转速的监测；色谱洗脱成份吸光度信号的采集、处理， 色谱曲线的直观实时显示；及时准确地判断吸收峰，并采取自动方式进行收集。 5 ) 安装调试及性能检验。i 寸论了平流泵脉动对基线噪音的影响；不同流动 高速逆流邑漕仪的改造殴计监系统集成的肇础研究 相流速、离心机转速及1 3 值对固定相保留的影响；将该系统应用f 分离制备大 豆异黄酮中的大豆苷和染料木苷，在优化条件下取得了两种苷的较好分离效果， 验证了该h s c c c 装置的分离能力。 关键词：高速逆流色谱系统集成 i i 一 竖型苎兰堡主兰堡堡苎 t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fi m p r o v e m e n t d e s i g na n d i n t e g r a t i o no fh i g h - s p e e dc o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h y m a j o r ：a p p l i e dc h e m i s t r y p o s t g r a d u a t e ：l ir u i s u p e r v i s o r ：l i a n gb i n g c o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h yi so n ek i n do fl i q u i d l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y w h i c hd o e s n tn e e ds o l i db e a t i n gm a t e r i a lo ru n d e rp r o p i ti sr e g a r d e da sau s e f u l t o o li nt h es e p a r a t i o na n dp r e p a r a t i o nf o rn a t u r a lm e d i c i n e ，f o ri tc a nn o to n l ya v o i d b e a r i n gm a t e r i a la b s o r p t i o na n dp o l l u t i o nt os a m p l e s ，b u ta l s oh a sah i g hr e t e n t i o n v o l u m ew h i c hi sa d a p t e df o rl a r g ei n p u tv o l u m ep r e p a r a t i o n b u tf o ral o n gt i m e t h e r ei sl i t t l er e s e a r c hi nt h ec c c s y s t e mi n t e g r a t i o na n da u t o m a t i o nw h i c hm a k e a g a i n s tt h i st e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o n t h i sr e s e a r c ha i mt om a k eaf u n d a m e n t a lm o d e lf o rd e s i g n i n gs a f e ，a u t oa n d c o n v e n i e n th i 曲s p e e dc o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h y ( h s c c c ) s y s t e mb a s e do n t h es i n g l e - d i r e c t i o n h y d r a u l i cd y n a m i cs y s t e me q u i v a l e n t ( h d s e ) ，t h a tt a k e p r a c t i c eo nt h ei v - t y p ec o i lp l a n e tc e n t r i f u g ef i e l d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw a s c a r r i e do u t ： 1 ) c e n t r i f u g ed e s i g n i n c l u d i n gd r i v em e t h o d ，c o i lt u b eb r a c ed e s i g n ，c o i lt u b e b r a c ef i x a t i o n ，a x l e t r e ef i x a t i o n ，e t c d e t e r m i n et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o r s e m i p r e p a r a t i o nh s c c c s u c ha sc o i lt u b eb r a c el e n g t hl c ，b r a c ef l a n g ed i a m e t e rd b ， c e n t r i f u g ef l a n g ed i a m e t e rd c e t c d i s c u s s t h ei n s t r u m e n tm a n u f a c t u r em a t e r i a l ， r a d i a t o ra n dpa l t e r a t i o nm e t h o d 2 ) u s ec o m p u t e rt oa d o p tt h es p e c t r o p h o t o m e t e rs i g n a l ，g i v ec o n t i n u o u s a b s o r p t i o ni nr e a l t i m e 3 ) d e s i g nan e wa n dh a n d ys a m p l ef r a c t i o nc o l l e c t o r , w r i t et h ec o n t r o lm o d u l e t “ 高速逆流色谱仪的改造故汁压系统集成的基础研究 c o d e 4 ) u s ec o m p u t e rt om a n a g e rh s c c cs y s t e m b ya p p l y i n ga d d ai n t e r f a c e t e c h n o l o g ya n dw r i t i n gp r o g r a m ，t h es y s t e mc a nm e a s u r eh s c c cr o t a t i o ns p e e d ， d i s p l a yt h ea b s o r p t i o nc u r v ei nr e a l t i m e ，a u t o m a t i c a l l yc o l l e c tt h ef r a c t i o n 5 ) i n s t a l l a t i o na n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n u s et h i sh s c c cs y s t e mt os e p a r a t e a n dp r e p a r ed a i d z i na n dg e n i s t i ns o y b e a ni n s o f l a v o n e s ，d i s c u s s e dp u m pi m p u l s e i n f l u e n c et ob a s e l i n e a sw e l la sm o b i l ep h a s ef l o w , c e n t r i f u g er o t a r ys p e e da n db i n f l u e n c et or e t e n t i o np h a s ev o l u m e v a l i d a t e dt h i sh s c c cs y s t e m ss e p a r a t i o n c a p a b i l i t yb yt h eg o o ds e p a r a t i o nr e s u l ti no p t i m i s mc o n d i t i o n k e y w o r d s ：h i g hs p e e dc o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h y ，s y s t e mi n t e g r a t i o n i v 四川人学倾卜学位论文 日l j磊 色谱法是一种重要的分离分析技术，由于具有高分离效能，高检测效能， 高速快捷的特点，而成为现代仪器分析中应用最多最广的一种方法。1 9 0 6 年， 俄国植物学家茨维特( m i c h a i lt s w e t t ) 用一根柱子装满细粒状的碳酸钙，用以分离 树叶色素的提取液。他将提取液注入柱子的顶端，再用石油醚冲洗柱子，经过 一段时间的冲洗，柱子上出现了不同颜色的色带，色谱法因此而得名，此后这 种方法广泛应用于无色物质的分离川。 尽管色谱法种类繁多，但都具有两个不相混溶的相在做相对运动，两相中 固定不动的相称为固定相，携带混合物流过固定相的另一相称为流动相。由于 混合物被分离组分在性质结构上有所差异，因而在两相间的分配系数( 或吸附 系数、渗透系数) 不同，表现在与固定相发生作用时也有强弱之分，导致不同 组分在固定相中滞留的时间长短不同，按先后次序从固定相中流出。由于混合 物在两相中进行反复多次连续的分配，使组分间微小的性质差异产生明显的分 离效果，因而实现混合物组分的有效分离，再通过检测器和记录仪得到色谱图 进行定性、定量分析。这种借在两相间的分配原理而使混合物中的各组分分离 的技术，称为色谱法。 色谱法按不同角度可有不同的分类方法 根据固定相和流动相的物态不同，色谱法可分为气相色谱法( 流动相为 气相) ，液相色潜法( 流动相为液相) ，超临界色谱法( 流动相为超临界流体) ， 气固色谱法( 固定相为固体吸附剂) ，气液色谱法( 固定相为涂在固体担体上或 毛细管壁上的液体) ，液固色谱法和液液色谱法等。 根据固定相使用的形式不同，色谱法可分为柱色谱法( 固定相装在色谱 柱中) ，纸色谱法( 滤纸为固定相) 和薄层色谱法( 将吸附剂粉末制成薄层作为 固定相) 等。 根据分离原理的不同，色谱法还可以分为吸附色谱法( 固定相为吸附剂， 利用吸附表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离) ，分配色谱法( 固定 相为液体，利用不同组分在两相中有不同的分配系数来进行分离) ，离子交换色 谱法( 固定相为离子交换树脂，利用固定相对各组分离子交换能力的差别来进 高速逆流色谱议的改造垃计及系统集成的基础研究 行分离) 和排阻色谱法( 固定相为分子筛或凝胶，利用多孔物质对不同大小分 子的差异而进行分离等) 。 各种分类方法的分类原则都是按色谱法的某一性征加以归纳分类的，但任 何一种色谱所发生的机理往往不是单一的，而是几种机理同时发生作用的，所 以各分类方法之间又有联系和区别。 在色谱技术的发展历史中，以物质或分子在两个互不混溶的溶剂相中的不 同溶解度作为特征依据来实现分离，已经出现了多种高选择性的分离技术和方 法，例如薄层色谱、高效液相色谱等。这些技术和方法的良好选择性是由物质 的分配系数所决定的。所谓分配系数，即物质在两个溶剂相中的溶解度的比值， 是分子间力的相互作用的最基本反映，它能够随不同的温度和溶剂相不同的配 合方式等条件在很宽的范围内进行调节。所以通过各种条件的合理选择，就能 充分利用非常好的相互作用特征，从极复杂的混合物中分离分辨出特定的组分。 分离科学的领域中，常用的分配薄层色谱、高分辨度柱色谱等，都是在液 液分配原理的基础上发展的，不过，所有的这些色谱技术和方法的实现，都需 要用某种固态的载体或支撑体，以承载或支撑住两溶剂相中的一相作为固定相。 这种固态载体的存在，往往对物质的分离提纯造成影响，如因吸附作用引起的 样品损失、样品组分的化学交性等【2 i 1 9 4 1 年，m a r t i n 和s y n g e 提出了一种级联链型萃取装置【3 】，通过对逆流萃 取的研究，开辟了分配色谱技术的发展途径【4 】。1 9 4 4 年，c r a i g 发明了非连续式 的逆流分溶装置，简称c c d ( c o u n t e rc u r r e n td i s t r i b u t i o n ) 晴l ，它适用于大量或小 量的样品的液液分配分离。这些早期的分离装置能实现上千次的分配和萃取， 很快为有机化学、生物化学等应用领域所接受。虽然，这些装置已很少在现今 的实验室里用作分离分析手段，但是，c r a i g 的设计仍被认为是在分离大极性组 分，包括天然产物、多肽和其它大分子时具有特色，它更适合于大制各量的分 离提取工作。c c d 的主要缺点是：仪器设备庞大复杂，溶剂系统容易乳化，溶剂 消耗量大和分离操作时间太长等。 二十世纪六十年代，n o 首先在日本，随后在美国国家医学研究院发现了 一种有趣的现象：即互不相溶的两相溶剂在绕成螺旋形的小孔径管子里分段割 据，并能实现两溶剂相之间的逆向对流【6 】。i t o 及其后来者在此基础上研究并设 计制造出了一系列逆流色谱装置，早期的是封闭型的螺旋管行星式离心分离仪 四川大学硕士学位论丈 c p c ( c o i lp l a n e tc e n t r i f u g e ) ，用于分离染料，蛋白质和细胞粒子。由于是封闭 的体系，所以分离量较小，操作比较复杂，只能用于实验室的科学研究。数年 后i t o 把流通机制引入到螺旋管柱体系中，使逆流色谱和现代色谱一样可以实现 连续的的洗脱、分离、检测和收集，并建立了两个基本的流通体制。其中有在 比较简单的流体静力学平衡体制h s e s 基础上开发的作为分析分离的c c c 、用 作制各分离的d c c c 以及移位腔室c c c 等。另一方面，以流体动力学平衡体制 h d e s 为基础，研制出在重力场作用下的大制备量分离仪器和在离心力场作用 下的分析型和半制备型分离仪器。图】综合了这些成果的发展情况和演变关系 1 7 1 。 在各种同步c p c 中，型仪器是实现各种有效的逆流色谱的重要机型，把 i v 型行星式运动和螺旋管结构相结合的h s c c c ，实现了在流动相快速流通的 情况下固定相的高值稳定保留8 1 。同其他液液色谱法相比较，h s c c c 具有以下 几方面的独特优点【9 】： l 聚四氟乙烯管中的固定相不需要载体，因而消除了其它液液色谱中由于使 用载体而带来的吸附现象，特别适用于分离极性物质和具有生物活性的物质 2 特别适用于制备性分离。最近的研究结果表明：一台普通的高速逆流色谱 仪一次进样可达几十毫升，一次可分离近l o g 的样品。 3 可以采用多种多样的溶剂系统。如用在机，水两相系统和聚合物双水相系 统实现物质的对流分配；用相混溶的系统( 如生理盐水和水) 和单一相的溶剂 实现大分子、粒子的沉降性分离、细胞表面脆性的测定或细胞淘析。 4 它能在一个流程中分离复杂样品中极性差异极大的各个组分，特别是能有 效地分离强极性的组分，可成为其它色谱法的补充。 高速逆流色谱仪的改造设计及系统集成的基础研究 螺 趣 重力的j 离心力的离心力的j 重力的 l c c ci id c c cll 转动d c c c | | h c c c 盘绕螺旋 管离心仪 同步行星式运动 偏心螺旋管i 同轴螺旋管 转孺硅管组合ll 转动多层螺旋管组合v 转动多层螺旋管组合l v 型jj 转动多层螺旋瞥组合v 型 非同步行星式运动 正交轴型 c p ci 型行星式ic p c i i 型 l 顺角转了 皮带轮传动 c p c 组合型流通式c p c 瓮等型褪式1 t f c p c 机i l i 型ll 1 v 型行星式 f 偏心螺旋管 齿轮传动 同轴螺旋管 非同步流通c p c v i 型 平行的i 盘绕的 单层的l 多层的 型c p c 罡 降 图1 近2 0 年c c c 技术的发展 我国是国际上最早研究开发离心式螺旋管逆流色谱技术的国家之一张天 佑等一批科学家在这个领域作了大量的工作。到目前为止，此项技术已用于生 物化学、生物工程、医学、药学、天然产物化学、有机合成、化工、环境、农 业、 食品、材料等领域。开展此项技术研究的科学家遍及美国、日本、中国、 俄罗斯、法国、英国、瑞士等地。目前逆流色谱技术已经在理论原理、仪器设 计、实验方法和应用开发等方面积累了较为丰富的经验。近几年中，随着多领 域的应用工作的快速发展，逆流色谱技术正在从实验室研究阶段走向仪器的商 4 薹 四川大学硕 学位论文 品化生产和技术的社会化推广阶段。以下是高速逆流色谱在植物有效成分分离 中的应用1 ： 1 生物碱 生物碱是植物中一类重要的化学成分，在植物中分布非常广泛，至少有5 0 多科1 2 0 属以上的植物中己证明有生物碱存在，已知的生物碱种类也至少在 2 0 0 0 种以上。到目前为止，用高速逆流色谱研究天然产物化学成分也以生物碱 的研究报道得最多。正丁醇一丙酮一水( 8 ：1 ：l o ) 曾用于从委内瑞拉的箭毒中分 离马枯素和p a n a r i n e ，样品进样达7 0 0 m g f l l , 1 2 j ；正丁醇一氯化钠( 0 1 m o l l ) ( 1 ：1 ) 的两相溶剂体系用于从s t r y c h n o su s a m b a r e n s i s ( - 马钱科) 的树干和树皮中分离l o 一 羟基一n b 甲基一柯楠醇【l ：用正己烷一乙酸乙脂一甲醇一水( 3 ：7 ：5 ：5 ) 在7 0 r a i n 内以1 8 0 0 r r a i n 的转速从粉防已干根的提取物中分离了粉防己碱、去甲粉防己碱 和轮环藤酚碱【j 4 】；从小蔓长春花植物的叶子中用正己烷一乙醇一水( 6 ：5 ：5 ) 体 系分离长春胺和长春辛1 1 5 ；分别用正己烷一乙酸乙脂一乙醇一水( 6 ：3 ：2 ：5 ) 和汇己烷一乙酸乙酯一甲醇一水( 1 ：1 ：1 ：1 ) 从红豆杉的粗提物中分离纯化了 紫杉醇、c e p h a l o m a n n i n e 、巴卡亭i i i 】；以石油醚( b p 4 0 6 5 。c 卜一乙酸乙脂一 甲醇一水( 5 0 ：7 0 ：8 0 ：6 5 ) 为两相体系从紫杉醇的混合物中分离得到了纯的紫 杉醇和c e p h a l o m a n n i n e i l 8 】。有学者对粉防己的粗提物也进行了分离1 9 】；从苦参 总碱中分离了苦参碱和氧化苦参碱，从洋金花总碱中分离了莨菪碱、东莨菪碱 及待定成分2 0 】；从峨眉千里光瓶碱中分离了金缘千里光碱、阔叶千里光碱和新 阔叶千里光碱 2 1 , 2 2 ；从三尖杉总碱中分离异三尖杉酯碱、高三尖杉酯碱和三尖 杉酯碱【2 3 】。氯仿一甲醇水( 5 ：4 ：3 ) 体系曾用于感染了枝顶孢属内部寄生菌的 睡眠草，分离得到了麦角生物碱。i t o 于1 9 9 4 年用新型的p h 区带提取c c c 技 术从c r i n u mm o o r e s 的抽取物中进样3 9 得到了3 个纯的生物碱2 4 1 ，此技术是 h s c c c 的一个较大的突破，它使植物的分离提取每次很方便地就达到了克景 级。 2 黄酮类似物 黄酮类似物是一类比较重要的植物化学成分，它包括黄酮、异黄酮、二氢 黄酮、花色苷元、儿茶精和属于黄酮异构体的橙酮，以及由它们所衍生的各式 各样的衍生物。用氯仿甲醇一水( 4 ：3 ：2 ) 体系曾从芜花总黄酮中一次进样 1 0 0 m g 分离得到了3 、一羟基芜花素、洋芹素、木犀草素雎6 j ；从山楂叶粗提物中分 高速逆流色谱仪的改造设i l - & 系统集成的基础研究 离金丝桃苷、槲皮素、芦丁、牡荆素、异牡荆素：以氯仿一甲醇一水( 3 3 ：4 0 ：2 7 ) 体系，7 0 0 r m i n 转速，在7 0 r a i n 内从黄酮混合物中分离出橙皮素，四羟基黄酮 和槲皮黄酮，并有效地利用了梯度洗脱技术【2 7 l ；v a n h a e l e n 等将h s c c c 与h p l c 相结合从5 0 0 m g 的g i n k g ob i l o b a ( 银杏属) 的叶子萃取物中一次分离出了7 个黄 酮苷，其以水为固定相，开始以乙酸乙酯为流动相。然后在流动相中逐渐添加 异丁醇，到分离结束时乙酸乙酯与异丁醇之比为( 6 ：4 ) 【2 引；o k a 等以氯仿一甲醇 一水( 4 ：3 ：2 ) 的体系在3 5 0 0 r m i n 下在8 m i n 内从s e eb u c k t h o u m 的果实萃取物 中分离得到了5 个主成分，其分离速度完全可与h p l c 相比较f ；还有学者也 从大黄羟基蒽醌总苷元中分离了大黄酸、芦荟大黄素、大黄素、大黄素甲醚、 大黄酚等【”】；用正己烷一乙酸乙酯一甲醇一水( 9 ：l ：5 ：5 ) 在1 8 0 0 r m i n 转速下 在7 0 m i n 内从掌叶大黄的根茎中分离出大黄素甲醚、芦荟大黄酸、大黄酸、大 黄酚和大黄素【3 ”；将e p i l o b i u m p a r v i f l o r u m ( 拶p 叶菜属) 的甲醇萃取物进样2 9 分 离得到了槲皮苷、杨梅苷、异杨梅苷和没食子酸，两相系统为氯仿一甲醇一水 ( 7 ：1 3 ：8 ) 。c h e n l 9 9 2 年利用氯仿甲醇一水( 4 ：3 ：2 ) 的两相系统对5 个黄 酮类化合物进行了分离并进行了定量分析【3 3 1 ；k a p a d i a1 9 9 4 年利用正己烷一乙 酸乙酯一甲醇一水( 1 ：4 ：2 5 ：2 5 ) 从g a r c i n i ak o l a ( 藤黄属) 种子中也分离出了 多个双黄酮”。 3 萜类 萜类是具有( c 5 h 8 ) n 通式的天然化合物，以及含氧及饱和程度不等的衍生 物。w a l l a c h 曾提出异戊二烯法则，根据分子中可分异戊二烯的多少分别称为单 萜、倍半萜、二萜、三萜等，植物中存在的橡胶、某些色素、挥发油、树脂、 苦味素等类型成分，大多属于萜类或含有萜类成分。有人从青蒿中纯化出了 a r t e m i s i n i n ，实验以异辛烷一乙酸乙酯( 7 ：3 ) 为固定相，甲醇一水( 6 ：4 ) 作为流 动相；以异辛烷一甲醇一水( 1 0 ：7 ：3 ) 为固定相和流动相从青蒿中分离了 p i d e o x y a r t e a n n u i n t 3 6 】：利用四氯化碳一甲醇一水( 5 ：4 ：1 ) 的溶剂系统以8 0 0 r m i n 的转速，将c o c h l o s p e r m u mt i n c t o r i u m ( 卷胚属) 的根的甲醇萃取物5 0 0 m g 溶解在 l o m l 的l ：l 的两相溶剂系统中一次进样得到纯的c o c h l o x a n - t h i n 和 d i h v d m c o c h l o x a n t h i n 【3 ”；以氯仿一甲醇一水( 9 ：1 2 ：8 ) 从龙胆的根的甲醇萃取物 中分离得到了1 个裂环烯醚萜苷，从h a l e n i ac a m p a n u l a t a 中分离得到了2 个裂 环烯醚萜苷类3 8 1 ；以氯仿一甲醇一水( 7 ：1 3 ：8 ) 从a b r u sf r u t i c u l o s u s 的叶中分离 ! ! 型叁兰竺! 兰垡堡苎； 出了4 个甜味三萜苷3 9 】：从非洲植物s e s a m u ma l a t u m 中分离出了 1 8 ，1 9 一s e c o u r s a n e c l i s a c c h a r i d e ，两相系统为氯仿一甲醇一戊醇一2 一水 ( 5 ：6 ：1 ：4 ) 4 0 1 ；用氯仿一甲醇一异j 1 醇一水( 7 ：6 ：3 ：1 ) 的系统从积雪草的抽 提物中分离了2 个结构非常相似的皂角苷，1 个是积雪草苷、1 个是 m a d e c a s s o s i d e ，它们仅在同一支链上前者是h ，后者是o h l 4 “。 4 木脂素 木脂素是一类由被子植物和裸子植物中分离出的植物成分，隐花植物中很 少存在，它一般在木部和树脂中存在得比较广泛，所以称为木脂素类。m a r r s t o n 等1 9 8 8 年以l g 的进样较大范围地分离制各了肉桂酸、阿魏酸和咖啡酸，采用 的溶剂系统为正己烷一乙酸乙酯一甲醇一水( 3 ：7 ：5 ：5 ) ，转速7 0 0 r m i n 【4 “。以 正己烷一甲醇一水( 6 ：5 ：5 ) 的两相系统以1 5 0 0 r m i n 的转速在8 0 m i n 内曾从江 花五味子果实的核的乙醇萃取物中分离了2 个结构十分相似的木脂素的成分 - - s c h i s a n h e n d 和它的乙酸化物 4 3 , 4 4 ：以氯仿一甲醇一水的溶剂系统从西伯利亚 人参的根中分离得到了纯的e l e u t h e m s i d e l 4 5 。n i t a o 等于1 9 9 1 年主张用正己烷一 乙腈一乙酸乙酯一水( 8 ：7 ：5 ：1 ) 的两相系统从m a g n o l i av i r g i n i a n 中进行 n e e l i g n a n s 的最初纯化，它比传统的柱色谱更快、更有效、更经济【舶j 。 5 香豆素类 香豆素及其衍生物广泛分布于植物界。曾用氯仿一甲醇一水( 1 3 ：2 3 ：1 6 ) 的两相系统一次进样4 4 0 m g 来自于l o m a t i u md i s s e c t u m 的样品得到了3 个香豆 素的苷和1 个黄酮苷；用氯仿一甲醇一水( 1 3 ：7 ：8 ) 的两相体系分离并分析 了香豆素混合物中甲醚散形酮、7 甲氧( 基) 香豆素、7 一羟基一6 一甲氧基香豆素和7 一 羟基香豆素【4 踟；俞维乐等1 9 9 5 年从a r t e m i s i ad a l a i l a m a ek r a s c h e n 中以氯仿一甲 醇一水( 2 ：1 ：1 ) 分离出了纯的7 一羟基一6 一甲氧基香豆素以及i s o f r a x d i n 和 t a x a x e r y l a c e t a t e f 4 ，达到了很好的分离效果。 6 其它 除了上述主要的五大类外，h s c c c 在其它植物成分的分离中也有应用，如 有学者以氯仿一甲醇一乙酸一水( 5 ：3 ：1 ：3 ) 的两相系统，以8 0 0 r m i n 的转速 从9 0 m g 的商品毛地黄皂苷中分离出了几个强心苷的化合物【50 1 ；用h s c c c 分离 鞣酸【5 ”；用正己烷一乙腈一叔丁基甲基醚( 1 0 ：1 0 ：1 ) 从香芹菜中分离f a l c a r i n d 和f a l c a r i n d i e l t 5 钠；还从香芹菜中分离得到了2 个c 2 0 化合物【5 3 】。 ! 堕垄望塑鱼堂丝盟塾些墨生墨墨竺叁垡塑垩型竺壅 综上所述，h s c c c 在天然产物中的分离制各是很成功的。既可分离又可定 量，进样量可从毫克级到克级，进样体积可从几毫升到几| j 毫升：不但适用于 f 极性化台物，而且适用于极性化合物的分离：它可用于天然产物粗提物的去 除杂质，也可用于最后产物的精制，甚至直接从粗提物一步纯化到达纯品；当 加快仪器转速如1 8 0 0 f f m i n ，其分离速度可与h p l c 媲美，用于天然产物化学成 分的分离始于1 9 8 5 年，到1 9 8 8 年、1 9 8 9 年达到一个高潮，发表了大量的文章， 目前处于平稳发展阶段。1 9 9 4 年h s c c c 创始人i t o 又发展了p h z o n e r e f i n i n g c c c 【5 ，使h s c c c 的进样量又大大地前进了一步，能方便地分离克量级的样 品，使其更加有利于天然植物的分离制备。因此，( 我们可以说，) h s c c c 已为 天然植物的分离制备丌辟了一个十分广阔的新天地。 对待这样一门正在发展的新技术，除了需要对其影响分离效果的因素进行 讨论外，还应将近年来被广泛应用的信号处理和自动控制引入系统，使它们成 为一个有机的整体，从而提高科研的自动化水平雌“。本论文正是从这个角度出 发，将系统集成的概念引入高速逆流色谱仪的设计中。 系统集成是指计算机可以通过接口电路与外界进行信息交换，将被测量信 号采集进c p u 中央处理器内进行分析处理，此外还能向外部仪器和设备发出控 制信号，使诸多分立的仪器成为一个工作整体。接口电路作用很大，它是构成 计算机和外部仪器联系的桥梁。接口电路部分包括总线输出口、a d d a 转换器、 信号调整与传感器电路。模数转换器和数模转换器是构成接口电路的重要组成 部分，是计算机所采用的数字量与外界的模拟量的互相转换。它在传感器与计 算机之间起到数据转换和信息传输的作用。本论文采用p s 2 1 0 4 a 卡作为a d d a 转接卡，采集w f z d 2 分光光度计的输出信号，收集和检测若干必需数据，并 能按系统最佳状况进行自动调节和控制。 网川夫学硕l 学位论文 第一章高速逆流色谱h s c c c 的理论介绍 1 1 逆流分溶法介绍“龇 追溯最早出现的液液分配装置，乃是现今实验室里常用的分液漏斗。把两 种互不混溶的溶剂相置入分液漏斗中，投入要萃取分离的样品，经振摇和静置， 样品溶质就按分配系数的特征在两溶剂相间实现分配。如果两种溶质分子在两 相溶剂系统中的分配系数差异明显，那么，在分液漏斗里的一次萃取过程中就 能分离开来。但是，实际遇到的问题往往是要分离性质极其相近的复杂混合物， 这就需要进行多次萃取才能实现满意的分离。 把某种溶质x 溶解于两个互不混溶的溶剂系统之中，如溶于体积相同的饱 和水的丁醇( i ) 和饱和丁醇的水( i i ) 之中，经过充分振摇混合达到分配平衡， 这时在两相( i ) 上相和( i i ) 下相中x 的浓度分别是c i 和c - - 。x 在上下 两相中的浓度的比值k = c i c 【1 即称其为分配系数( p a r t i t i o nc o e f f i c i e n t ) 。当溶 质x 同两相溶剂都不发生化学反应，且温度恒定时，分配系数在互相饱和的系 统中保持常量。按上述方法，用简单的两相分配提取操作，就能把分配系数差 异极大的溶质分离提取到某个溶剂相中。 当要分离的两种溶质的分配系数较接近时，则需要适当地选择溶剂系统， 并且反复进行多次的分配操作。下面举例说明这种分配提取的分离效果。 假定已选好一对溶剂组成的系统，以两相相同的体积来溶鳃溶质x ，当x 在两相中的溶解度相同时，其分配系数k = i 。假设有编号从o 到8 的九个试管， 每个试管中加入体积相同的下相溶剂。然后，在0 号试管中加入1 0 0 0 克溶质， 再加入同下相体积相等的上相溶剂。经过充分振摇和分配平衡之后，溶质x 在 上下两相中应各溶解0 5 0 0 克。这时，把0 号试管中的上相完全转移到l 号试管 中，使0 号试管中只留下溶有o 5 0 0 克溶质x 的下相。重复前述的操作，再对0 号试管加入相同体积的上相，同时振摇o 号和i 号两试管，使之达到分配平衡 状态，这时，0 号和1 号试管的上相内都应溶有o 2 5 0 克的溶质x 。下一步把0 号和1 号试管中的上相分别转移到1 号和2 号试管中，在0 号试管中加入新的 上相，再使0 、1 和2 三个试管同时振摇和达到分配平衡，如此反复进行，达到 多级分配的效果。表1 一l 列出了经过几次操作，在o 8 号试管中的溶质含量。 9 高速逆流色谱仪的改造鼓汁系统集成的基础珂 究 表1 1 c c d 多级分配传递的原理示意数值表 试管号 0l 2345 678 0l0 0 0 【蒺 l 0 5 0 0o 5 0 0 20 2 5 0o 5 0 00 2 5 0 30 1 2 50 3 7 50 3 7 50 1 2 5 耋 40 0 6 20 2 5 00 3 7 50 2 5 00 0 6 2 50 0 3 l0 1 5 60 3 1 30 3 1 3o 1 5 60 0 3 l 60 0 1 50 0 9 3 0 2 3 4 0 3 1 30 2 3 40 0 9 30 0 1 5 70 0 0 80 0 5 40 1 6 40 2 7 40 2 7 40 1 6 40 0 5 4o 0 0 8 80 0 0 4o 0 3 l0 1 0 90 2 1 90 2 7 4o 2 1 90 1 0 9o 0 3 l0 0 0 4 图l 一1 给出经过8 次操作后各试管中溶质分配的结果。其中曲线a 相对于 k = 1 的溶质x 的分布状态，而曲线b 和c 则分别表示k = 3 和0 3 3 的溶质y 和 z 的分布状态。由此可见，经过8 次操作，k 值相差较大的y 和z 两个溶质已 能较好地分离开来。 应用上述原理设计出的早期仪器装置称为逆流分溶装置( c o u n t e r c u r r e n t d i s t r i b u t i o nm a c t f i n e ) 。这种装置是用许多试管式的部件装置在一个能转动的台 架i 二，以半自动的方式使试管部件和其中的两相溶剂同时振摇，静置分层，转 移传递。 图1 1 ( a ) 经过8 次操作之后的a ( k ：1 ) 的分配状态 1 0 o 拍心临o 0 n 0 c ； o n 四j i i 大学硕上学位论文 图卜一1 ( b ) 经过8 次操作之后的b ( k = 3o ) 和c ( k = 0 3 3 ) 的分配状态 在上述的基本操作方式下，上下两相体积相等时，经一次转移n = l ，分配 系数是k 的溶质在上相和下相中的分配率分别是 p = k ( k + 1 ) ，q = i i ( k + 1 ) ，p + q = 1 ( 1 - t ) 当上下两相的体积不相等，且体积比是n 时，此溶质在上下两相中的分配 率应是 p = t z k i ( o r k + 1 ) ，q = 1 i ( g k + 1 ) ( 1 - 2 ) 下面，我们仅就式l l 表示的情况进行讨论。经过n 次转移操作的溶质分 配，可以用二项式展开中的一般项予以计算。因为p + q = 1 ，所以( p + q ) “= l ， 其一般项表达式是 y 。= ( n ! l ( n - r ) ! r ! ) p q ( 1 - 3 ) 假设已知k = l ，则p = q = 0 5 ，转移次数m = 4 时，r = 3 的试管内的溶质量可计 算出是 y 43 = ( 41 ，( 4 3 ) 1 31 ) 0 5 3 0 5 4 4 = 0 2 5 0 此值与图1 一l 中列出的数值相符。 用k 值代替式1 3 中的p 、q ，可得 y 。= ( n y ( n - r ) ! r ! ) ( k 7 ( k + 1 ) ”) ( 1 - 4 ) 应该指出，当n 数值较大时，上述计算十分繁杂，可以用e x c e l 中的v b a 编译环境编程计算，程序源代码见附录1 。 5 3 5 2 5 吣n 呲吼 。l l 5 0 m 帅 高速逆流色讲仪的改造设汁及系统集成的基础研究 1 2i t o 的发现”1 二十世纪六十年代未，y o i c h i r ol t o ( 伊东洋一郎) 等首先在日本，随后在美圈 l 瑚家医学研究院发现了一种有趣的现象，即互不混溶的两相溶剂在绕成螺旋形 的小管径管子里分段割据，并能实现两溶剂相之间的逆向对流。在内径约o 2 毫米的螺旋管绕组层里，两相的分段状态能在重力场的作用下形成；而当螺旋 管柱在一离心力场内转动时，会形成更强的两相分割趋势和对流趋势，这种分 割和对流的过程是连续进行的。如果把要分离的样品从螺旋管柱的引入口注入 连续的分配传递过程就会在管柱里进行，从而实现连续的液液分配分离。在这 样的体系中，不存在固态的载体，避免了载体对样品组分的吸附和污染，其分 配效果完全取决于样品各组分的分配系数值和管柱特定的效能。 1 3 粒子在转动螺旋管里的运动分析“7 1 在一根管子里注满比重是po 的液体，再把管子绕成中心轴线呈水平的、半 径是r 的螺旋圈，如果把一颗半径是a 、比重是p 的球形粒子放入管内，并让 螺直越围绕其中心轴线按角速度u 转动，就能对这颗球形粒子的运动方式进j j 研 究。 a 图1 2 在转动螺旋管里的粒子 作为初步的近似分析，我们先不考虑粒子在管内的横向运动，假设粒子是 在给定的螺旋圈内作半径是r 的垂直圆周运动，那么，粒子在各个瞬间的位置 可以用图1 2 中标出的0 角表示。这时，粒予受两个力的作用。其中一个是斯 托克斯拖曳力： 1 2 fllllli审g p uj | 1 人学帧1 学位论文 f = 一6 ，r a r l r ( d o d t c o ) ( 1 - 5 ) 式中，n 是液体的粘度。另一个力是在圆周轨道正切方向上的地心吸引力 c = 一( 4 ，r 3 ) a 3 ( p p o ) g s i n 0 ( 1 - 6 ) 式中g 是重力加速度。因此，粒子的运动方程应是 ( 4 丌3 ) a 3 p r ( d 2 0 d t 2 ) = 只+ e ( 1 - 7 ) 令螺旋管转过的角度是x = 。r ，则可写出下面的普遍式 ( d 2 目d x 2 + 1 i c o r ) ( d o d x ) 一1 + ( c o g c o ) s i n 0 ) = 0 ( 1 - 8 ) 式中，r 是松弛时间 r = 2 9 ( p a 2 ，7 ) 而式1 8 中的c o 。是临界角速度 c o e = 2 9 ( p p o ) g a 2 r l r = k r ( 1 - 9 ) 其中，眨是平均斯托克斯速度。下面，我们分别讨论q c o 1 和啡c o 1 时式1 8 中有一个在( 彩，脚) s i n0 = 1 处的奇异点。这就是说， 在0 = o = s i n ( c o 。c o ) ，o o j r 2 ：和在0 = 万一见时，液体的拖曳力j 下好同 地心吸引力平衡，因此，粒子将在这里滞留。根据实践知识可以判断，在0 e 处 的平衡是稳定的，而在万一晓处的平衡是不稳定的，更精确地在奇异点附近进行 分柝可知，石一包是一个不稳定的鞍脊点，而见在f 一 ( 1 4 ) t g o , 。时是一个稳定的螺旋点。因此，在经过t 量级的时 川之后粒子会固定地停留在晓处，它相对于管子的角速度是