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Flash梯度洗脱过程中,流速如何影响分离结果?

Biotage
2017.9.05

我们经常会被用户问及,Flash洗脱过程中的流速的大小是如何影响色谱分离的?所有人都知道,分离的流速如果过快,会使得柱效变差,分离效果大打折扣,色谱分离中,在梯度一定的条件下,有三个变量是相互牵制相互影响着分离效果,分别为:流速,纯度,产率。

实际上,这三个变量形成了一个三角形的关系,在流速增大的基础上,如果想要保持之前的纯度不变,那么就需要降低上样量,产量就会降低;如果要保持产量不变,纯度则会降低;那么如果增加上样量和产率,保持流速的条件下,纯度则会受到影响;以上则是三个变量之间相互制约的关系。

此次,我们将会讨论流速对Flash色谱分离效果的影响。

 对于有机合成或者天然产物工作者而言,Flash柱层析是他们在纯化过程中的重要组成部分,一个有机合成或者药物合成实验室而言,对于活性中间体而言,可能它的纯度只需要达到80%即可进行下一步操作,而对于天然产物最后的表征而言,纯度要求则需要95%以上。

1956年,荷兰学者范德姆特(Van Deomter)等提出了一个描述色谱柱分离过程中复杂因素使色谱峰扩宽而致柱效降低的方程,范德姆特方程(英语:Van Deemterequation)在色谱学中是综合考虑了分离过程中引起峰展宽的物理因素、动力学因素和热力学因素后得到的单位柱长的总峰展宽与流动相流速的关系式。

范德姆特方程最常用的形式如下式所示,该式直观地反映了流动相流速对于分离的影响。

对于特定的具有唯一粒径分布的固定相而言,都会有一个最优的线速度从而达到最好的分离效果,通常而言,填料粒径越细,最优线速度就会越大,最优流速范围则也会相应提高;优化流速后,往往意味着更高的纯度,更多的上样量。然而,最佳的流速往往需要更长的分离时间,流速一般都偏小。

 

那么这时候我们需要考虑一下,是需要高产出还是需要高纯度?如果您需要尽快的得到纯化后的产品,同时还要保证产出和纯度,这时候,您需要更换一个更大尺寸的Flash色谱柱;但如果纯度是您考虑的首要问题,那么就需要找到最佳线速度。

不同粒径的填料对应的线速度也会有差别,对于分析HPLC而言,5um粒径的填料,最佳线速度为1.8mm/s;而对于10um的填料,最优线速度则是0.8mm/s;对于像Flash这种使用40-63um粒径范围的填料而言,最佳的线速度则会更低;正因为如此,为了提高效率,越来越多的Flash厂家推出了25um甚至更低(Ultra / SNAP Bio)粒径的填料,毕竟Flash就是为提高实验速度而生。

对于Flash而言,50um粒径的填料,最佳线速度为0.1mm/s;而对于25um的填料,最优线速度则是0.3mm/s;就具体实验而言,我们需要将这些线速度的数值转化成流速才更加直观,以下我们用SNAP系列(10,25,50,100,340g)色谱柱将线速度转换成了流速:

Column size (g)

50 µm media

25 µm media

10

2 mL/min

6 mL/min

25

3 mL/min

12 mL/min

50

6 mL/min

21 mL/min

100

6 mL/min

21 mL/min

340

20 mL/min

70 mL/min

 

我们发现,如果使用最理想的线性流速转成出来的体积流速是非常小的,这对Flash快速高效的理念是不相符的;那么在保证上样量以及柱效的基础上,什么样的流速才是最合理和有效的呢?

目前来说,大部分的色谱柱生产厂家都已经开发出了他们认为符合他们色谱柱的最佳流速范围,基本上我们只需要厂家建议的流速范围就可解决问题了。

为了研究流速对柱效的影响,我们进行了一次分离测试,样品为苯甲酸乙酯和苯甲酸丙酯的混合物,使用反相色谱柱分别在20,30,40,50mL/min的流速下进行分离制备;另一方面,我们使用两种不同的反相色谱柱:SNAP KP-C18-HS(50um)和SNAP Ultra C18(25um);上样量:50mg;甲醇/水=50:50等度洗脱。

 

SNAP KP-C18-HS(50um)在不同流速下的测试对比

SNAP UltraC18(25um)在不同流速下的测试对比

结果显示,SNAP KP-C18-HS(50um)在20-50mL/min之间的不同流速下的分离效率差别很大,而SNAP UltraC18(25um)的分离度的差别却并不明显。

 

这样的实验结果表明,如果您使用粒径比较大的填料,其对流速的依赖性会更大,合适的流速选择显得尤为重要。而使用粒径小的填料的时候,可选择的流速范围则更大宽广一些。

关于流速对柱效的影响,您有不同见解吗?欢迎留言和我们讨论。

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