真空離心濃縮(suo)儀的原理(li)和應用(yong)

 溶(rong)劑(ji)去(qu)除是制藥、化(hua)學(xue)和生(sheng)物(wu)技(ji)術(shu)行(xing)業(ye)廣泛(fan)應用(yong)中(zhong)的(de)過(guo)程(cheng)。盡管使用了(le)多(duo)種樣(yang)品(pin)形式(shi)和溶(rong)劑(ji)，但(dan)沒有壹(yi)種單(dan)壹(yi)的(de)溶(rong)劑(ji)去(qu)除技術可以提供(gong)通用(yong)的(de)解決方(fang)案。隨著冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)和離心濃縮(suo)技(ji)術的(de)不(bu)斷(duan)成(cheng)熟，結合(he) 真空泵、冷阱和加(jia)熱(re)蒸發設(she)備(bei)，所開(kai)發的(de)新壹(yi)代高功(gong)率冷阱、真空離心濃縮(suo)儀等(deng)儀器，既(ji) 提高了(le)蒸發性(xing)能(neng)又改(gai)善了(le)樣品(pin)完整(zheng)度(du)，這(zhe)類儀器還(hai)進(jin)壹(yi)步地提升(sheng)了(le)溶(rong)劑(ji)回(hui)收(shou)率(lv)，從而減(jian)少(shao)了(le)蒸發- 濃(nong)縮(suo)過(guo)程對(dui)環境的影響。 只有充分(fen)了(le)解離心濃縮(suo)儀的基本(ben)原理(li)與應用(yong)才(cai)能(neng)更好地在(zai)實驗(yan)中(zhong)發揮它(ta)的作用。

溶(rong)劑(ji)去(qu)除的原理(li)

   在溶(rong)劑(ji)去(qu)除過程中(zhong)，以熱量的形(xing)式(shi)施加能(neng)量，使(shi)液體蒸發成(cheng)氣(qi)體，氣(qi)體被去(qu)除，留下(xia)濃縮(suo)或(huo)無(wu)溶(rong)劑(ji)（幹(gan)燥(zao)）的產品(pin)。許多(duo)系(xi)統統稱為(wei)“蒸發器"。然(ran)而，真正的蒸(zheng)發是(shi)在(zai)液體表面(mian)蒸發成(cheng)氣(qi)體；對於許多(duo) “蒸發器"來(lai)說(shuo)，發生(sheng)的(de)是沸騰而不(bu)是蒸(zheng)發。冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)過程既(ji)不(bu)涉及(ji)蒸發也(ye)不(bu)涉及(ji)沸騰，而是涉及(ji)升(sheng)華，即(ji)從固(gu)相轉(zhuan)變為(wei)氣(qi)相而沒有液(ye)相(xiang)。

   物(wu)質(zhi)的(de)相由(you)兩(liang)個(ge)主要因素決定(ding)——熱(re)量和壓(ya)力——而發生(sheng)沸(fei)騰或汽化(hua)的(de)溫度(du)由(you)壓(ya)力決(jue)定。因此(ci)，真空濃縮(suo)器在(zai)系(xi)統中(zhong)施加真空以降(jiang)低溶(rong)劑(ji)的(de)沸(fei)點，以便(bian)在較低(di)溫度(du)下(xia)發生(sheng)液(ye)體蒸發，例(li)如(ru)，水在(zai) 10 mbar 壓(ya)力下(xia)的沸(fei)點為 –7.5 °C。類(lei)似地，在(zai)冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)機(ji)中(zhong)，在(zai)低(di)壓(ya)下(xia)提供(gong)給(gei)冷凍(dong)樣(yang)品(pin)的熱(re)能(neng)會傳(chuan)遞足(zu)夠的(de)能(neng)量來(lai)解凍(dong)，但(dan)壓(ya)力不(bu)足以形成液體(ti)，因(yin)此(ci)溶(rong)劑(ji)會(hui)升(sheng)華成(cheng)氣(qi)體。產生(sheng)的(de)蒸氣(qi)通過(guo)冷阱或冷凝器除(chu)去(qu)，在此(ci)回(hui)收(shou)溶(rong)劑(ji)。

熱(re)量(liang)和溫度(du)

   溶(rong)劑(ji)去(qu)除系(xi)統使用熱(re)能(neng)輸入(ru)來(lai)誘導溶(rong)劑(ji)蒸(zheng)發，並(bing)采用各(ge)種加(jia)熱(re)機(ji)制(zhi)，例(li)如(ru)電加(jia)熱塊(kuai)、燈或低溫蒸汽。熱(re)量和溫度(du)雖然(ran)聯系(xi)在壹(yi)起(qi)，但(dan)它(ta)們是不(bu)同的(de)，區(qu)分(fen)它們很重(zhong)要。熱(re)量是指以焦耳為(wei)單(dan)位測(ce)量的熱(re)能(neng)，而溫度(du)測(ce)量熱能(neng)的水(shui)平，即物(wu)體(ti)的(de)熱(re)度(du)或(huo)冷度(du)。被稱為(wei)熱敏的(de)樣(yang)品(pin)通常(chang)對(dui)溫度(du)敏(min)感，如(ru)果溫度(du)保(bao)持(chi)在(zai)規(gui)定的(de)範圍內，大多(duo)數樣(yang)品(pin)可以在不(bu)降(jiang)解的情況下(xia)加熱(re)。在(zai)系(xi)統中(zhong)施加真空會降(jiang)低溶(rong)劑(ji)的(de)沸(fei)點，以便(bian)在對樣(yang)品(pin)安(an)全的較低溫度(du)下(xia)發生(sheng)液(ye)體汽化(hua)。

   熱(re)量和溫度(du)通過(guo)方(fang)程Q = m cΔ T相(xiang)關(guan)，其(qi)中(zhong)Q是(shi)添(tian)加(jia)的(de)熱能(neng)， m是物(wu)體(ti)的(de)質(zhi)量(liang)，c 是被加(jia)熱(re)物(wu)體(ti)的(de)比(bi)熱(re)容(rong)，Δ T是溫度(du)的(de)變化(hua)。ΔT 可(ke)以用添加的(de)熱(re)量(liang)表示(shi)為ΔT = Q / mC。當所有(you)其(qi)他參(can)數保(bao)持(chi)不(bu)變時(shi)，這(zhe)些(xie)等(deng)式(shi)成立。然(ran)而，在相(xiang)變時(shi)，添加(jia)的(de)熱(re)能(neng)不(bu)會增加(jia)溫度(du)，因(yin)為狀態(tai)變化(hua)需要(yao)能(neng)量，例(li)如(ru)從液(ye)態變為(wei)氣(qi)態。因此(ci)，在(zai)真正的蒸(zheng)發系(xi)統（非(fei)沸(fei)騰）中(zhong)，樣(yang)品(pin)處(chu)於控(kong)制它(ta)的系(xi)統溫度(du)，而在主(zhu)動冷凍(dong)產品(pin)的冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)機(ji)中(zhong)，樣(yang)品(pin)處(chu)於冷凍(dong)時(shi)的溫度(du)，然(ran)後(hou)其溫度(du)為(wei)由真空度(du)控(kong)制的(de)冰(bing)升(sheng)華溫度(du)控(kong)制。

圖(tu) 1 – 壹(yi)些(xie)常見溶(rong)劑(ji)的(de)壓(ya)力和沸(fei)點之間(jian)的關(guan)系(xi)。

    相反(fan)的動態存在於(yu)使溶(rong)劑(ji)沸(fei)騰的真空濃縮(suo)器中(zhong)。當樣品(pin)潮濕(shi)和沸(fei)騰時(shi)，樣品(pin)處(chu)於液(ye)體的沸騰溫度(du)。圖(tu)1顯示(shi)了(le)壹(yi)些(xie)常見溶(rong)劑(ji)的(de)沸(fei)點和壓(ya)力之(zhi)間的關(guan)系(xi)。在這(zhe)個階(jie)段(duan)，可(ke)以將(jiang)系(xi)統加熱到高溫，直到溶(rong)劑(ji)*去(qu)除，樣品(pin)才(cai)會(hui)達到這(zhe)個溫度(du)。只(zhi)有在(zai)去(qu)除所有溶(rong)劑(ji)後(hou)，樣品(pin)才(cai)會(hui)升(sheng)溫至系(xi)統溫度(du)。因(yin)此(ci)，準(zhun)確控(kong)制和 檢(jian)測(ce)樣品(pin)溫度(du)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。樣(yang)品(pin)架溫度(du)的(de)控(kong)制通常(chang)提供(gong)有(you)效(xiao)的(de)保(bao)護，因為其(qi)中(zhong)的(de)樣(yang)品(pin)不(bu)能(neng)超過(guo)該(gai)溫度(du)，除(chu)非(fei)樣(yang)品(pin)被直接加熱(re)並且(qie)獨(du)立(li)於(yu)樣品(pin)架。這(zhe)需要(yao)使(shi)用由(you)鋁等(deng)材(cai)料制成(cheng)的固(gu)體(ti)金(jin)屬支架，這(zhe)些(xie)金屬支架可(ke)以將(jiang)最(zui)大量(liang)的(de)熱量(liang)傳遞到樣(yang)品(pin)中(zhong)，並(bing)通過(guo)蒸(zheng)發溶(rong)劑(ji)進(jin)行(xing)冷卻(que)。

幹燥(zao)方法

1.冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)

冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)機(ji)有(you)兩(liang)種基本(ben)類(lei)型(xing)：1) 主(zhu)動冷凍(dong)放置在冷藏(zang)架上(shang)的樣(yang)品(pin)的系(xi)統，類似於(yu)實驗(yan)室(shi)冷凍(dong)機(ji)。

 2) （被動）系(xi)統不(bu)主動冷凍(dong)，而是使(shi)用帶(dai)有裝有(you)樣(yang)品(pin)的燒(shao)瓶的(de)歧(qi)管直接或在(zai)小瓶內(nei)。通常(chang)使(shi)用高真空，以便(bian)樣品(pin)保持(chi)冷凍(dong)狀態(tai)，因(yin)此(ci)在(zai)溶(rong)劑(ji)升(sheng)華時(shi)保存完好，並收(shou)集(ji)在冷阱中(zhong)。

圖(tu) 2 – 凍(dong)幹(gan)過(guo)程(cheng)。

典型(xing)的(de)凍(dong)幹(gan)產品(pin)是壹(yi)種分(fen)散的(de)“蓬(peng)松(song)"粉末(mo)，具有非(fei)常(chang)高的(de)幹燥(zao)度(du)（由(you)於可(ke)用於(yu)去(qu)除溶(rong)劑(ji)的(de)表面(mian)積很大），並(bing)且(qie)易於(yu)稱重(zhong)和重(zhong)新溶(rong)解。壹(yi)些(xie)樣品(pin)，如(ru) DNA，在移(yi)動過程(cheng)中(zhong)可(ke)能(neng)需要(yao)小(xiao)心處(chu)理(li)，以避免細(xi)粉(fen)丟失。冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)是壹(yi)個(ge)相對較慢的批處(chu)理(li)過程(cheng)，盡管有壹(yi)系(xi)列配(pei)置(zhi)可以在每個循環中(zhong)容(rong)納大批量樣品(pin)。可能(neng)會發生(sheng)溶(rong)劑(ji)爆(bao)沸(fei)，但(dan)可(ke)以通過(guo)在(zai)可行(xing)的情況下(xia)預冷凍(dong)樣(yang)品(pin)來減(jian)少(shao)這(zhe)種情況。冷凍(dong)過(guo)程(cheng)將(jiang)該(gai)技術限制(zhi)在(zai)水(shui)溶(rong)液(ye)或(huo)幾(ji)種容(rong)易冷凍(dong)的(de)簡(jian)單(dan)有機(ji)溶(rong)劑(ji)中(zhong)的(de)壹(yi)種。含(han)有(you)揮發性(xing)溶(rong)劑(ji)的(de)樣(yang)品(pin)必須(xu)在較低的溫度(du)下(xia)主動冷凍(dong)，這(zhe)可能(neng)需要(yao)在(zai) 較低(di)的壓(ya)力下(xia)進行(xing)真空控(kong)制，並(bing)且溫度(du)過(guo)低以至於冷凝器無(wu)法(fa)有(you)效運行(xing)。冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)或凍(dong)幹(gan)過(guo)程(cheng)在圖 2。

圖(tu) 3 – 離心蒸發過(guo)程(cheng)。

離心濃縮(suo)

離心濃縮(suo)儀是在(zai)真空下(xia)引起(qi)溶(rong)劑(ji)沸(fei)騰，因此(ci)樣(yang)品(pin)很冷；然(ran)而，與冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)機(ji)相(xiang)比(bi)，樣(yang)品(pin)不(bu)會冷凍(dong)，因(yin)此(ci)該(gai)過程可(ke)能(neng)比(bi)冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)快。必須小(xiao)心離心蒸發容(rong)易結冰(bing)的(de)水(shui)樣(yang)。離心蒸發器使(shi)用(yong)冷阱來回(hui)收(shou)蒸(zheng)發的(de)溶(rong)劑(ji)。離心確保溶(rong)劑(ji)從(cong)樣(yang)品(pin)表面(mian)向下(xia)沸騰（見圖 3），從而減(jian)少(shao)沸騰和溶(rong)劑(ji)碰(peng)撞(zhuang)，並防止(zhi)樣(yang)品(pin)損(sun)失和交叉(cha)汙(wu)染(ran)。液(ye)體(ti)表面(mian)的溶(rong)劑(ji)處(chu)於設(she)備(bei)的壓(ya)力下(xia)，而低於(yu)該(gai)水平的(de)溶(rong)劑(ji)處(chu)於較(jiao)高的(de)壓(ya)力，因(yin)為溶(rong)劑(ji)的(de)額外(wai)重(zhong)量乘(cheng)以g離心機(ji)轉(zhuan)子施加的力。經證(zheng)明，具有高轉(zhuan)子速度(du)（產生(sheng) 500克(ke)或更多(duo)）的系(xi)統可防止(zhi)溶(rong)劑(ji)爆(bao)沸(fei)。離心蒸發技(ji)術(shu)適用於多(duo)種溶(rong)劑(ji)，可(ke)以濃縮(suo)、幹(gan)燥(zao)成薄膜或(huo)冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)樣品(pin)。部(bu)分(fen)離心蒸發系(xi)統可以通過(guo)在(zai)冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)最(zui)後(hou)幾毫升(sheng)樣品(pin)之前(qian)濃縮(suo)大部(bu)分(fen)較大體(ti)積的(de)樣(yang)品(pin)來實現(xian)快(kuai)速冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)。

圖(tu) 4 – 排汙(wu)蒸(zheng)發過(guo)程(cheng)。

排汙(wu)蒸(zheng)發-氮(dan)吹(chui)技術(shu)

在(zai)這(zhe)些(xie)蒸發器系(xi)統中(zhong)，氮(dan)氣(qi)等(deng)惰(duo)性(xing)氣(qi)體通過(guo)針(zhen)頭(tou)吹(chui)到試管、小瓶或(huo)微(wei)孔(kong)板(ban)中(zhong)的(de)樣(yang)品(pin)上，以在液體表面(mian)產生(sheng)流(liu)動（見圖 4）。這(zhe)改變了(le)氣(qi)相和液(ye)相(xiang)之間的平衡(heng)以有利於氣(qi)相。通常(chang)對(dui)樣品(pin)加熱(re)以加速蒸發，也(ye)可(ke)以使用預熱(re)的(de)氣(qi)體。氮吹(chui) 技術(shu)可(ke)以使用開(kai)放式訪問設(she)備(bei)，並且(qie)相對(dui)便(bian)宜，從自(zi)組(zu)裝設(she)備(bei)到簡(jian)單的商(shang)業系(xi)統。盡管對於揮發性(xing)溶(rong)劑(ji)來(lai)說(shuo)排空蒸發相(xiang)對(dui)較快，但(dan)對(dui)於沸點高的(de)溶(rong)劑(ji)或(huo)水(shui)等(deng)難以蒸發的(de)溶(rong)劑(ji)來(lai)說(shuo)，它可能(neng)會很慢。排汙(wu)蒸(zheng)發樣(yang)品(pin)在過(guo)程中(zhong)容(rong)易升(sheng)溫，因為它們在蒸(zheng)發過(guo)程(cheng)中(zhong)處(chu)於加(jia)熱塊或浴槽(cao)的(de)溫度(du)，因(yin)此(ci)該(gai)技術對(dui)揮發性(xing)分(fen)析物(wu)的(de)回(hui)收(shou)率(lv)很差。作為手(shou)動過程(cheng)，排空蒸發需要(yao)用(yong)戶持(chi)續(xu)監控(kong)以檢測(ce)幹燥(zao)過程的終(zhong)點。氮吹(chui)技術(shu)通常(chang)會(hui)達到較(jiao)差的幹(gan)燥(zao)度(du)，並(bing)且可(ke)能(neng)會發生(sheng)飛(fei)濺(jian)，特別是在氣(qi)體流速過高的(de)情況下(xia)，會導(dao)致(zhi)樣(yang)品(pin)交叉(cha)汙(wu)染(ran)。排(pai)汙(wu)的(de)壹(yi)個(ge)常見用途是(shi)將(jiang)大量(liang)體(ti)積濃(nong)縮(suo)到幾(ji)毫升(sheng)，以便(bian)通過(guo)其(qi)他技術(shu)進行(xing)後(hou)續(xu)處(chu)理(li)。

渦旋(xuan)蒸發和旋(xuan)轉(zhuan)蒸發

圖(tu) 5 – 渦(wo)旋蒸發過(guo)程(cheng)。

渦流蒸發器在(zai)真空下(xia)煮沸批次樣品(pin)，以在整(zheng)個(ge)汽化(hua)過(guo)程中(zhong)保(bao)持(chi)樣(yang)品(pin)低溫，同時(shi)旋轉(zhuan)樣品(pin)管以產生(sheng)渦(wo)流（參(can)見圖 5）。旋轉(zhuan)蒸發儀本(ben)質(zhi)上(shang)是相(xiang)似的(de)，但(dan)它(ta)適用於包(bao)含在(zai)燒(shao)瓶中(zhong)的(de)單(dan)個(ge)樣(yang)品(pin)（參(can)見圖 6）。產生(sheng)的(de)渦流會產生(sheng)較(jiao)大的(de)樣(yang)品(pin)表面(mian)積用(yong)於(yu)蒸發，從(cong)而使該(gai)過程相(xiang)對(dui)較(jiao)快。然(ran)而，得到的(de)幹燥(zao)產物(wu)會(hui)散(san)布(bu)在(zai)容(rong)器壁(bi)上(shang)，這(zhe)會使(shi)樣品(pin)回收(shou)更加困難。此(ci)外(wai)，與離心選礦(kuang)機(ji)相(xiang)比(bi)，旋(xuan)轉(zhuan)運動產生(sheng)的(de) g不(bu)足力(li)以防止(zhi)溶(rong)劑(ji)碰(peng)撞(zhuang)，因此(ci)渦(wo)旋(xuan)蒸(zheng)發器容(rong)易發生(sheng)樣(yang)品(pin)損(sun)失和交叉(cha)汙(wu)染(ran)。在(zai)壹(yi)些(xie)渦流(liu)系(xi)統中(zhong)，通過(guo)使(shi)用指向樣品(pin)管的加熱燈進壹(yi)步加速蒸(zheng)發，但(dan)這(zhe)些(xie)系(xi)統在樣品(pin)幹燥(zao)時(shi)容(rong)易使(shi)全部(bu)或(huo)部(bu)分(fen)樣品(pin)過熱(re).

圖 6 – 旋轉(zhuan)蒸發過(guo)程(cheng)。

影響蒸發濃(nong)縮(suo)速(su)度(du)的(de)因素

三(san)個(ge)因素影響濃縮(suo)速(su)度(du)：熱(re)能(neng)供(gong)應、蒸(zheng)汽去(qu)除和溶(rong)劑(ji)表面(mian)積。對(dui)於(yu)沸騰的溶(rong)劑(ji)，提供(gong)的(de)熱(re)能(neng)越(yue)快，溶(rong)劑(ji)沸(fei)騰的速度(du)就(jiu)越(yue)快。類(lei)似地，對(dui)於蒸發系(xi)統，多(duo)熱量等(deng)於(yu)快蒸發，盡管樣品(pin)處(chu)於設(she)定的(de)系(xi)統溫度(du)，而不(bu)是溶(rong)劑(ji)沸(fei)點控(kong)制樣(yang)品(pin)溫度(du)的(de)沸騰。熱量由燈提供(gong)；加(jia)熱(re)塊(kuai)；或(huo)者(zhe)，在(zai)新壹(yi)代的(de)離心濃縮(suo)儀 中(zhong)，采用低(di)溫低壓(ya)蒸汽。