多功能液相色谱系统的模块化设计与组合研究

发布时间：2020-10-27 14:51

　　 通过高效的分离、灵活的系统组合和智能的控制,实现不同的功能模式,是高效液相色谱近期发展的重要趋势。本论文结合“十二五”科技部“重大科学仪器设备开发专项”的研究目标,在高效液相色谱系统的输液组件、检测组件、色谱分离固定相及系统控制与接口技术等方面开展系统设计,对现有技术加以改进和完善,辅以新的模块,进行适当的组合以完成更多的功能,极大的拓宽了应用范围。1)以正十四醇为蓄能材料,设计了一种基于相变驱动的微量输液泵,压力上限可以达到83MPa;也设计了一种电机直驱方式的新型输液泵,压力上限超过100MPa,可以稳定输出0～1000nL/min的流体,连续分析标准品保留时间RSD值(n=5)优于1%。设计并考察了不同高压梯度混合器方案的效果,通过流体力学模拟、雷诺系数推算和色谱行为测试,证实滚珠式和圆柱式方案具有更好的混合效果。设计了一种基于中心切割的低压梯度分配方法,机械调试精度要求更低,即便是在凸轮定位不准的情况下,同样可以获得良好的梯度分配准确性。2)采用离轴非球面反射原理设计了一种高分辨色谱光学检测系统,并利用Zemax和Flow Simulation进行光学成像和风道模拟,光路测试1024阵列光学分辨率为0.8 nm。以260nm LED为光源设计的微型单波长检测器,体积仅为65mm ×45mm ×60 mm(W×H×D),基本性能指标达到常规检测器要求。以荧光增白剂OB作为探针,对基于365nm LED光源设计的共聚焦型LED诱导荧光检测器的性能进行评价,线性范围达到3个数量级、最小检出量达到0.14fmol。3)在多功能阀接口的基础上,利用双回路技术,设计了一种新型一体化馏分收集-自动进样器样品接口。分别采用4种含苯环的化合物、5种标准蛋白为样品,对接口的样品收集-纯度分析、样品收集-选择性再分离功能进行系统评价,显示其性能优良。采用以太网作为系统的通讯接口,在传统的UDP协议中增加端口过滤、仪器序列号过滤、协议框架和校验位过滤等属性,以保证复杂系统中数据传输的准确性。以此为基础构建了多功能液相色谱系统,通过专用色谱数据工作站实现了集成化控制,大大提高了系统的自动化程度和稳定性。4)利用“一锅法”,将十八烷基三氯硅烷和3-巯丙基三甲氧基硅烷键合到硅胶表面,进一步氧化制得C18-磺酸基双改性固定相。采用制备的固定相,在反相模式下分离了5种烷基苯化合物;在亲水模式下分离了3种核苷;对牛血清白蛋白酶解产物的分离也获得了良好的结果。说明这种固定相能够提供多种作用位点,同时具有多重分离机理。采用4步连续反应成功制备了三嗪环-酰胺复合改性固定相,对苯胺、吡啶类两组碱性化合物的分离结果表明其色谱性能优良,可有效避免常规C18色谱柱分离碱性化合物时的峰形拖尾问题。对1.9μm和2.6μm两种具有放射状孔道壳层结构的新型核壳固定相进行表征和色谱柱装填工艺考察,制备的色谱柱理论塔板数达到177,100/m。5)利用构建的多功能液相色谱系统开展中药成分、食品和环境中有毒物质检测及蛋白质组学的相关应用研究。在二极管阵列检测模式下,发展了多种中药饮片中非法添加物和有效成分的检测方法,利用光谱辅助定性功能便捷地避免了假阳性结果。在LED诱导荧光检测模式下,发展了直接提取快速检测饲料中苯并(a)芘的分析方法,与传统方法相比前处理时间缩短90%,试剂消耗减少95%。利用核壳填料快速分离模式,发展了汽车尾气中13种非甲烷有机气体的分析方法,分析时间缩短了一半以上。利用系统的AD扩展模式,联用荧光检测技术也发展了对不同基质中苯并(a)芘的分析检测方法。结合光化学衍生和柱后衍生系统,完成了中药、粮油中黄曲霉毒素和水果中的氨基甲酸酯类农残的检测方法发展。以一体化馏分收集-自动进样器为接口,构建集成化全二维液相色谱分离系统,以牛血清白蛋白酶解产物加以评价,系统峰容量达到4752。进一步利用系统的多功能一体化优势,对酵母蛋白进行全分析,依次完成了蛋白质的高效二维分离,蛋白质的在线酶解、富集、除盐,酶解肽段的微纳快速分离及质谱检测等操作,充分体现了集成化系统的功能及其在复杂生物样品分析中的强大优势。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O657.72
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 高效液相色谱系统关键组件的研究进展
        1.1.1 输液泵
        1.1.2 检测器
        1.1.3 色谱柱及其填料
        1.1.4 联用技术
    1.2 高效液相色谱系统接口技术研究进展
        1.2.1 流路接口
        1.2.2 通讯及数据接口
    1.3 高效液相色谱系统集成化与功能化
    1.4 本论文的主要工作
2 系统关键组件的研制与评价
    2.1 基于新型驱动方式的输液泵研制
        2.1.1 蓄能材料相变驱动的新型输液泵的设计与评价
        2.1.2 基于电机直驱的微纳输液泵的研制与评价
    2.2 新型高效梯度混合器的研制
        2.2.1 新型高压梯度混合器中流体输运的理论模拟与设计
        2.2.2 基于中心切割的低压四元梯度混合器设计
    2.3 高分辨率色谱光学检测系统的设计、理论模拟与评价
        2.3.1 实验部分
        2.3.2 结果与讨论
    2.4 以高亮度LED为光源的新型检测器研制
        2.4.1 LED单波长检测器的设计与初评
        2.4.2 LED诱导荧光检测器的设计与评价
    2.5 小结
3 系统集成化接口组件与一体化控制研究
    3.1 一体化馏分收集-自动进样器样品接口的设计与评价
        3.1.1 实验部分
        3.1.2 结果与讨论
    3.2 阀接口的设计与评价
        3.2.1 阀接口的设计
        3.2.2 阀接口的基本性能评价
    3.3 控制电路及软件架构设计
        3.3.1 通讯接口及通讯协议
        3.3.2 电路设计
    3.4 多功能液相色谱系统的集成
    3.5 小结
4 新型高选择性高效液相色谱用分离介质的制备
18-磺酸基双改性液相色谱固定相的制备与评价'>    4.1 C₁₈-磺酸基双改性液相色谱固定相的制备与评价
        4.1.1 实验部分
        4.1.2 结果与讨论
    4.2 三嗪环-酰胺复合改性硅胶固定相的制备与评价
        4.2.1 实验部分
        4.2.2 结果与讨论
    4.3 放射状孔道核壳型快速分离固定相的评价
        4.3.1 实验部分
        4.3.2 结果与讨论
    4.4 小结
5 系统的模块化组合与应用研究
    5.1 二极管阵列检测器（DAD）光谱辅助定性功能的开发
        5.1.1 实验部分
        5.1.2 结果与讨论
    5.2 基于LED诱导荧光检测器的快速检测应用
        5.2.1 实验部分
        5.2.2 结果与讨论
    5.3 AD扩展模块应用于苯并（a）芘的高灵敏检测方法发展
        5.3.1 模块化组合
        5.3.2 HPLC-AD-FD检测油炸食品中的苯并（a）芘
        5.3.3 HPLC-AD-FD分析化妆品中的苯并（a）芘
    5.4 核壳结构固定相应用于环境污染物的快速分离研究
        5.4.1 实验部分
        5.4.2 结果与讨论
    5.5 二维色谱分离系统的构建及其对BSA酶解产物的分离研究
        5.5.1 实验部分
        5.5.2 结果与讨论
    5.6 柱后衍生模块的构造及应用研究
        5.6.1 柱后光化学衍生液相色谱法测试黄曲霉毒素
        5.6.2 柱后衍生液相色谱法检测苹果不同部位氨基甲酸酯类农药残留
    5.7 酵母蛋白的在线分析
        5.7.1 实验部分
        5.7.2 结果与讨论
    5.8 小结
6 结论
致谢
参考文献
附录


本文编号：2858667