真空離心濃縮儀的的基本原理與影響蒸發(fā)濃縮速度的因素
更新時(shí)間：2022-05-31 15:14:11
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溶劑去除是制藥、化學(xué)和生物技術(shù)行業(yè)廣泛應(yīng)用中必不可少的過程。盡管使用了多種樣品形式和溶劑，但沒有一種單一的溶劑去除技術(shù)可以提供通用的解決方案。隨著冷凍干燥和離心濃縮技術(shù)的不斷成熟，結(jié)合 真空泵、冷阱和加熱蒸發(fā)設(shè)備，所開發(fā)的新一代高功率冷阱、真空離心濃縮儀等儀器，既提高了蒸發(fā)性能又改善了樣品完整度，這類儀器還進(jìn)一步地提升了溶劑回收率，從而減少了蒸發(fā)- 濃縮過程對環(huán)境的影響。 只有充分了解離心濃縮儀的基本原理與應(yīng)用才能更好地在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮它的作用。
溶劑去除的原理
在溶劑去除過程中，以熱量的形式施加能量，使液體蒸發(fā)成氣體，氣體被去除，留下濃縮或無溶劑（干燥）的產(chǎn)品。許多系統(tǒng)統(tǒng)稱為“蒸發(fā)器”。然而，真正的蒸發(fā)是在液體表面蒸發(fā)成氣體；對于許多 “蒸發(fā)器”來說，發(fā)生的是沸騰而不是蒸發(fā)。冷凍干燥過程既不涉及蒸發(fā)也不涉及沸騰，而是涉及升華，即從固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀喽鴽]有液相。
物質(zhì)的相由兩個(gè)主要因素決定——熱量和壓力——而發(fā)生沸騰或汽化的溫度由壓力決定。因此，真空濃縮器在系統(tǒng)中施加真空以降低溶劑的沸點(diǎn)，以便在較低溫度下發(fā)生液體蒸發(fā)，例如，水在 10 mbar 壓力下的沸點(diǎn)為 –7.5 °C。類似地，在冷凍干燥機(jī)中，在低壓下提供給冷凍樣品的熱能會(huì)傳遞足夠的能量來解凍，但壓力不足以形成液體，因此溶劑會(huì)升華成氣體。產(chǎn)生的蒸氣通過冷阱或冷凝器除去，在此回收溶劑。
熱量和溫度
溶劑去除系統(tǒng)使用熱能輸入來誘導(dǎo)溶劑蒸發(fā)，并采用各種加熱機(jī)制，例如電加熱塊、燈或低溫蒸汽。熱量和溫度雖然聯(lián)系在一起，但它們是不同的，區(qū)分它們很重要。熱量是指以焦耳為單位測量的熱能，而溫度測量熱能的水平，即物體的熱度或冷度。被稱為熱敏的樣品通常對溫度敏感，如果溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，大多數(shù)樣品可以在不降解的情況下加熱。在系統(tǒng)中施加真空會(huì)降低溶劑的沸點(diǎn)，以便在對樣品安全的較低溫度下發(fā)生液體汽化。
熱量和溫度通過方程Q = m cΔ T相關(guān)，其中Q是添加的熱能， m是物體的質(zhì)量，c 是被加熱物體的比熱容，Δ T是溫度的變化。ΔT 可以用添加的熱量表示為ΔT = Q / mC。當(dāng)所有其他參數(shù)保持不變時(shí)，這些等式成立。然而，在相變時(shí)，添加的熱能不會(huì)增加溫度，因?yàn)闋顟B(tài)變化需要能量，例如從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。因此，在真正的蒸發(fā)系統(tǒng)（非沸騰）中，樣品處于控制它的系統(tǒng)溫度，而在主動(dòng)冷凍產(chǎn)品的冷凍干燥機(jī)中，樣品處于冷凍時(shí)的溫度，然后其溫度為由真空度控制的冰升華溫度控制。
圖 1 – 一些常見溶劑的壓力和沸點(diǎn)之間的關(guān)系。
相反的動(dòng)態(tài)存在于使溶劑沸騰的真空濃縮器中。當(dāng)樣品潮濕和沸騰時(shí)，樣品處于液體的沸騰溫度。圖1顯示了一些常見溶劑的沸點(diǎn)和壓力之間的關(guān)系。在這個(gè)階段，可以將系統(tǒng)加熱到高溫，直到溶劑完全去除，樣品才會(huì)達(dá)到這個(gè)溫度。只有在去除所有溶劑后，樣品才會(huì)升溫至系統(tǒng)溫度。因此，準(zhǔn)確控制和 檢測樣品溫度至關(guān)重要。樣品架溫度的控制通常提供有效的保護(hù)，因?yàn)槠渲械臉悠凡荒艹^該溫度，除非樣品被直接加熱并且獨(dú)立于樣品架。這需要使用由鋁等材料制成的固體金屬支架，這些金屬支架可以將最大量的熱量傳遞到樣品中，并通過蒸發(fā)溶劑進(jìn)行冷卻。
干燥方法
1.冷凍干燥
冷凍干燥機(jī)有兩種基本類型：1) 主動(dòng)冷凍放置在冷藏架上的樣品的系統(tǒng)，類似于實(shí)驗(yàn)室冷凍機(jī)。
2) （被動(dòng)）系統(tǒng)不主動(dòng)冷凍，而是使用帶有裝有樣品的燒瓶的歧管直接或在小瓶內(nèi)。通常使用高真空，以便樣品保持冷凍狀態(tài)，因此在溶劑升華時(shí)保存完好，并收集在冷阱中。
典型的凍干產(chǎn)品是一種分散的“蓬松”粉末，具有非常高的干燥度（由于可用于去除溶劑的表面積很大），并且易于稱重和重新溶解。一些樣品，如 DNA，在移動(dòng)過程中可能需要小心處理，以避免細(xì)粉丟失。冷凍干燥是一個(gè)相對較慢的批處理過程，盡管有一系列配置可以在每個(gè)循環(huán)中容納大批量樣品。可能會(huì)發(fā)生溶劑爆沸，但可以通過在可行的情況下預(yù)冷凍樣品來減少這種情況。冷凍過程將該技術(shù)限制在水溶液或幾種容易冷凍的簡單有機(jī)溶劑中的一種。含有揮發(fā)性溶劑的樣品必須在較低的溫度下主動(dòng)冷凍，這可能需要在 較低的壓力下進(jìn)行真空控制，并且溫度過低以至于冷凝器無法有效運(yùn)行。冷凍干燥或凍干過程在圖 2。
圖 3 – 離心蒸發(fā)過程。
離心濃縮
離心濃縮儀是在真空下引起溶劑沸騰，因此樣品很冷；然而，與冷凍干燥機(jī)相比，樣品不會(huì)冷凍，因此該過程可能比冷凍干燥快。必須小心離心蒸發(fā)容易結(jié)冰的水樣。離心蒸發(fā)器使用冷阱來回收蒸發(fā)的溶劑。離心確保溶劑從樣品表面向下沸騰（見圖 3），從而減少沸騰和溶劑碰撞，并防止樣品損失和交叉污染。液體表面的溶劑處于設(shè)備的壓力下，而低于該水平的溶劑處于較高的壓力，因?yàn)槿軇┑念~外重量乘以g離心機(jī)轉(zhuǎn)子施加的力。經(jīng)證明，具有高轉(zhuǎn)子速度（產(chǎn)生 500克或更多）的系統(tǒng)可防止溶劑爆沸。離心蒸發(fā)技術(shù)適用于多種溶劑，可以濃縮、干燥成薄膜或冷凍干燥樣品。部分離心蒸發(fā)系統(tǒng)可以通過在冷凍干燥最后幾毫升樣品之前濃縮大部分較大體積的樣品來實(shí)現(xiàn)快速冷凍干燥。
排污蒸發(fā)-氮吹技術(shù)
在這些蒸發(fā)器系統(tǒng)中，氮?dú)獾榷栊詺怏w通過針頭吹到試管、小瓶或微孔板中的樣品上，以在液體表面產(chǎn)生流動(dòng)（見圖 4）。這改變了氣相和液相之間的平衡以有利于氣相。通常對樣品加熱以加速蒸發(fā)，也可以使用預(yù)熱的氣體。氮吹 技術(shù)可以使用開放式訪問設(shè)備，并且相對便宜，從自組裝設(shè)備到簡單的商業(yè)系統(tǒng)。盡管對于揮發(fā)性溶劑來說排空蒸發(fā)相對較快，但對于沸點(diǎn)高的溶劑或水等難以蒸發(fā)的溶劑來說，它可能會(huì)很慢。排污蒸發(fā)樣品在過程中容易升溫，因?yàn)樗鼈冊谡舭l(fā)過程中處于加熱塊或浴槽的溫度，因此該技術(shù)對揮發(fā)性分析物的回收率很差。作為手動(dòng)過程，排空蒸發(fā)需要用戶持續(xù)監(jiān)控以檢測干燥過程的終點(diǎn)。氮吹技術(shù)通常會(huì)達(dá)到較差的干燥度，并且可能會(huì)發(fā)生飛濺，特別是在氣體流速過高的情況下，會(huì)導(dǎo)致樣品交叉污染。排污的一個(gè)常見用途是將大量體積濃縮到幾毫升，以便通過其他技術(shù)進(jìn)行后續(xù)處理。
渦旋蒸發(fā)和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)
渦流蒸發(fā)器在真空下煮沸批次樣品，以在整個(gè)汽化過程中保持樣品低溫，同時(shí)旋轉(zhuǎn)樣品管以產(chǎn)生渦流（參見圖 5）。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀本質(zhì)上是相似的，但它適用于包含在燒瓶中的單個(gè)樣品（參見圖 6）。產(chǎn)生的渦流會(huì)產(chǎn)生較大的樣品表面積用于蒸發(fā)，從而使該過程相對較快。然而，得到的干燥產(chǎn)物會(huì)散布在容器壁上，這會(huì)使樣品回收更加困難。此外，與離心選礦機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 g不足力以防止溶劑碰撞，因此渦旋蒸發(fā)器容易發(fā)生樣品損失和交叉污染。在一些渦流系統(tǒng)中，通過使用指向樣品管的加熱燈進(jìn)一步加速蒸發(fā)，但這些系統(tǒng)在樣品干燥時(shí)容易使全部或部分樣品過熱.
影響蒸發(fā)濃縮速度的因素
溶劑去除的原理
在溶劑去除過程中，以熱量的形式施加能量，使液體蒸發(fā)成氣體，氣體被去除，留下濃縮或無溶劑（干燥）的產(chǎn)品。許多系統(tǒng)統(tǒng)稱為“蒸發(fā)器”。然而，真正的蒸發(fā)是在液體表面蒸發(fā)成氣體；對于許多 “蒸發(fā)器”來說，發(fā)生的是沸騰而不是蒸發(fā)。冷凍干燥過程既不涉及蒸發(fā)也不涉及沸騰，而是涉及升華，即從固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀喽鴽]有液相。
物質(zhì)的相由兩個(gè)主要因素決定——熱量和壓力——而發(fā)生沸騰或汽化的溫度由壓力決定。因此，真空濃縮器在系統(tǒng)中施加真空以降低溶劑的沸點(diǎn)，以便在較低溫度下發(fā)生液體蒸發(fā)，例如，水在 10 mbar 壓力下的沸點(diǎn)為 –7.5 °C。類似地，在冷凍干燥機(jī)中，在低壓下提供給冷凍樣品的熱能會(huì)傳遞足夠的能量來解凍，但壓力不足以形成液體，因此溶劑會(huì)升華成氣體。產(chǎn)生的蒸氣通過冷阱或冷凝器除去，在此回收溶劑。
熱量和溫度
溶劑去除系統(tǒng)使用熱能輸入來誘導(dǎo)溶劑蒸發(fā)，并采用各種加熱機(jī)制，例如電加熱塊、燈或低溫蒸汽。熱量和溫度雖然聯(lián)系在一起，但它們是不同的，區(qū)分它們很重要。熱量是指以焦耳為單位測量的熱能，而溫度測量熱能的水平，即物體的熱度或冷度。被稱為熱敏的樣品通常對溫度敏感，如果溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，大多數(shù)樣品可以在不降解的情況下加熱。在系統(tǒng)中施加真空會(huì)降低溶劑的沸點(diǎn)，以便在對樣品安全的較低溫度下發(fā)生液體汽化。
熱量和溫度通過方程Q = m cΔ T相關(guān)，其中Q是添加的熱能， m是物體的質(zhì)量，c 是被加熱物體的比熱容，Δ T是溫度的變化。ΔT 可以用添加的熱量表示為ΔT = Q / mC。當(dāng)所有其他參數(shù)保持不變時(shí)，這些等式成立。然而，在相變時(shí)，添加的熱能不會(huì)增加溫度，因?yàn)闋顟B(tài)變化需要能量，例如從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。因此，在真正的蒸發(fā)系統(tǒng)（非沸騰）中，樣品處于控制它的系統(tǒng)溫度，而在主動(dòng)冷凍產(chǎn)品的冷凍干燥機(jī)中，樣品處于冷凍時(shí)的溫度，然后其溫度為由真空度控制的冰升華溫度控制。
圖 1 – 一些常見溶劑的壓力和沸點(diǎn)之間的關(guān)系。
相反的動(dòng)態(tài)存在于使溶劑沸騰的真空濃縮器中。當(dāng)樣品潮濕和沸騰時(shí)，樣品處于液體的沸騰溫度。圖1顯示了一些常見溶劑的沸點(diǎn)和壓力之間的關(guān)系。在這個(gè)階段，可以將系統(tǒng)加熱到高溫，直到溶劑完全去除，樣品才會(huì)達(dá)到這個(gè)溫度。只有在去除所有溶劑后，樣品才會(huì)升溫至系統(tǒng)溫度。因此，準(zhǔn)確控制和 檢測樣品溫度至關(guān)重要。樣品架溫度的控制通常提供有效的保護(hù)，因?yàn)槠渲械臉悠凡荒艹^該溫度，除非樣品被直接加熱并且獨(dú)立于樣品架。這需要使用由鋁等材料制成的固體金屬支架，這些金屬支架可以將最大量的熱量傳遞到樣品中，并通過蒸發(fā)溶劑進(jìn)行冷卻。
干燥方法
1.冷凍干燥
冷凍干燥機(jī)有兩種基本類型：1) 主動(dòng)冷凍放置在冷藏架上的樣品的系統(tǒng)，類似于實(shí)驗(yàn)室冷凍機(jī)。
2) （被動(dòng)）系統(tǒng)不主動(dòng)冷凍，而是使用帶有裝有樣品的燒瓶的歧管直接或在小瓶內(nèi)。通常使用高真空，以便樣品保持冷凍狀態(tài)，因此在溶劑升華時(shí)保存完好，并收集在冷阱中。
圖 2 – 凍干過程。
典型的凍干產(chǎn)品是一種分散的“蓬松”粉末，具有非常高的干燥度（由于可用于去除溶劑的表面積很大），并且易于稱重和重新溶解。一些樣品，如 DNA，在移動(dòng)過程中可能需要小心處理，以避免細(xì)粉丟失。冷凍干燥是一個(gè)相對較慢的批處理過程，盡管有一系列配置可以在每個(gè)循環(huán)中容納大批量樣品。可能會(huì)發(fā)生溶劑爆沸，但可以通過在可行的情況下預(yù)冷凍樣品來減少這種情況。冷凍過程將該技術(shù)限制在水溶液或幾種容易冷凍的簡單有機(jī)溶劑中的一種。含有揮發(fā)性溶劑的樣品必須在較低的溫度下主動(dòng)冷凍，這可能需要在 較低的壓力下進(jìn)行真空控制，并且溫度過低以至于冷凝器無法有效運(yùn)行。冷凍干燥或凍干過程在圖 2。
圖 3 – 離心蒸發(fā)過程。
離心濃縮
離心濃縮儀是在真空下引起溶劑沸騰，因此樣品很冷；然而，與冷凍干燥機(jī)相比，樣品不會(huì)冷凍，因此該過程可能比冷凍干燥快。必須小心離心蒸發(fā)容易結(jié)冰的水樣。離心蒸發(fā)器使用冷阱來回收蒸發(fā)的溶劑。離心確保溶劑從樣品表面向下沸騰（見圖 3），從而減少沸騰和溶劑碰撞，并防止樣品損失和交叉污染。液體表面的溶劑處于設(shè)備的壓力下，而低于該水平的溶劑處于較高的壓力，因?yàn)槿軇┑念~外重量乘以g離心機(jī)轉(zhuǎn)子施加的力。經(jīng)證明，具有高轉(zhuǎn)子速度（產(chǎn)生 500克或更多）的系統(tǒng)可防止溶劑爆沸。離心蒸發(fā)技術(shù)適用于多種溶劑，可以濃縮、干燥成薄膜或冷凍干燥樣品。部分離心蒸發(fā)系統(tǒng)可以通過在冷凍干燥最后幾毫升樣品之前濃縮大部分較大體積的樣品來實(shí)現(xiàn)快速冷凍干燥。
圖 4 – 排污蒸發(fā)過程。
排污蒸發(fā)-氮吹技術(shù)
在這些蒸發(fā)器系統(tǒng)中，氮?dú)獾榷栊詺怏w通過針頭吹到試管、小瓶或微孔板中的樣品上，以在液體表面產(chǎn)生流動(dòng)（見圖 4）。這改變了氣相和液相之間的平衡以有利于氣相。通常對樣品加熱以加速蒸發(fā)，也可以使用預(yù)熱的氣體。氮吹 技術(shù)可以使用開放式訪問設(shè)備，并且相對便宜，從自組裝設(shè)備到簡單的商業(yè)系統(tǒng)。盡管對于揮發(fā)性溶劑來說排空蒸發(fā)相對較快，但對于沸點(diǎn)高的溶劑或水等難以蒸發(fā)的溶劑來說，它可能會(huì)很慢。排污蒸發(fā)樣品在過程中容易升溫，因?yàn)樗鼈冊谡舭l(fā)過程中處于加熱塊或浴槽的溫度，因此該技術(shù)對揮發(fā)性分析物的回收率很差。作為手動(dòng)過程，排空蒸發(fā)需要用戶持續(xù)監(jiān)控以檢測干燥過程的終點(diǎn)。氮吹技術(shù)通常會(huì)達(dá)到較差的干燥度，并且可能會(huì)發(fā)生飛濺，特別是在氣體流速過高的情況下，會(huì)導(dǎo)致樣品交叉污染。排污的一個(gè)常見用途是將大量體積濃縮到幾毫升，以便通過其他技術(shù)進(jìn)行后續(xù)處理。
渦旋蒸發(fā)和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)
圖 5 – 渦旋蒸發(fā)過程。
渦流蒸發(fā)器在真空下煮沸批次樣品，以在整個(gè)汽化過程中保持樣品低溫，同時(shí)旋轉(zhuǎn)樣品管以產(chǎn)生渦流（參見圖 5）。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀本質(zhì)上是相似的，但它適用于包含在燒瓶中的單個(gè)樣品（參見圖 6）。產(chǎn)生的渦流會(huì)產(chǎn)生較大的樣品表面積用于蒸發(fā)，從而使該過程相對較快。然而，得到的干燥產(chǎn)物會(huì)散布在容器壁上，這會(huì)使樣品回收更加困難。此外，與離心選礦機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 g不足力以防止溶劑碰撞，因此渦旋蒸發(fā)器容易發(fā)生樣品損失和交叉污染。在一些渦流系統(tǒng)中，通過使用指向樣品管的加熱燈進(jìn)一步加速蒸發(fā)，但這些系統(tǒng)在樣品干燥時(shí)容易使全部或部分樣品過熱.
圖 6 – 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)過程。
影響蒸發(fā)濃縮速度的因素
三個(gè)因素影響濃縮速度：熱能供應(yīng)、蒸汽去除和溶劑表面積。對于沸騰的溶劑，提供的熱能越快，溶劑沸騰的速度就越快。類似地，對于蒸發(fā)系統(tǒng)，多熱量等于快蒸發(fā)，盡管樣品處于設(shè)定的系統(tǒng)溫度，而不是溶劑沸點(diǎn)控制樣品溫度的沸騰。熱量由燈提供；加熱塊；或者，在新一代的離心濃縮儀中，采用低溫低壓蒸汽。
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