Насосы

Гидравлическая схема жидкостного хроматографа (хроматографический тракт) в простейшем случае состоит из резервуара для элюента, насоса, дозатора, колонки, детектора и приемника элюата, соединенными между собой капиллярными трубками. Основное назначение насосов состоит в создании стабильного установленного потока элюента в определенном диапазоне расходов и обеспечении давления, необходимого для пропускания элюента при этом расходе через колонку.

Основными характеристиками насосов являются максимальное рабочее давление, диапазон расходов, стабильность скорости потока и давления, инертность по отношению к элюенту и пробе, простота сборки и разборки.

Для работы на современных аналитических колонках длиной 50-250 мм и внутренним диаметром 2-10 мм, заполненных сорбентом с диаметром частиц 5-15 мкм, при применении растворителей средней вязкости и при комнатной температуре требуется давление элюента от 0,5 до 30 МПа. При использовании сорбентов с диаметром частиц 3 мкм и менее и колонок длиной более 300 мм может потребоваться создание более высоких давлений (до 50-70 МПа).

В зависимости от величины рабочего давления насосы можно разбить на три класса: насосы низкого давления (0.2-0.5 МПа), среднего (0.5-5 МПа) и высокого давления (5-70 МПа). Рабочее давление определяет конструктивные особенности насоса.

Точность поддержания скорости потока в колонке непосредственно влияет на погрешность и воспроизводимость результатов анализа, а также на уровень флуктуационных шумов нулевого сигнала некоторых типов детекторов. Для основных вариантов ВЭЖХ нестабильность потока не должна превышать 0.5 - 1%. В эксклюзионной хроматографии при анализе молекулярно-массового распределения полимеров требования еще выше - 0.1-0.3%. Диапазон расходов должен быть пригоден для любого метода ЖХ и составлять 0.01-100 мл/мин.

Так как насосы в жидкостной хроматографии должны работать с любыми элюентами, в том числе с кислотами, растворами солей, агрессивными органическими жидкостями, высокие требования, как правило, предъявляются к конструкционным материалам насосов. Наилучшим материалом для жидкостного тракта насоса является титан и его сплавы с палладием или цирконием. Тем не менее, самыми распространёнными и доступными материалами являются нержавеющая сталь марки SS 316 и полимерный материал PEEK (полиэфирэфиркетон), из которых изготавливаются гидравлические тракты подавляющего большинства ВЭЖХ систем в мире.

Для плунжеров и шариковых клапанов наилучшими материалами являются лейкосапфир и рубин. Сальники обычно изготавливают из тефлона или полиамида. Детали насосной системы, контактирующие с элюентом, должны соединяться переходниками (фитингами) из тех же материалов, из которых изготовлен насос. В связи с непрерывной работой в тяжелых условиях некоторые детали насоса быстро изнашиваются, коррозируют, загрязняются. При этом необходима разборка насоса и замена или чистка этих деталей. Поэтому легкость разборки насоса является одной из определяющих его характеристик.

Современные насосы для жидкостной хроматографии представляют собой прецизионные устройства, обеспечивающие постоянную подачу растворителя в колонку и способные создавать давления до нескольких десятков мегапаскалей. Производительность насосов лежит в диапазоне от 1 мкл/мин (микроколоночная и капиллярная ЖХ) до 25-100 мл/мин (препаративная ЖХ).

Имеются два принципиально различных типа насосов: постоянного давления и постоянного расхода. Насосы первого типа поддерживают установленное постоянное давление на входе в колонку, а расход определяется ее сопротивлением. Насосы второго типа поддерживают постоянный расход элюента, а давление на входе в колонку определяется ее сопротивлением.

К насосам постоянного давления относят насосы, в которых применяют сжатый газ и насосы с пневмогидравлическим усилителем. Насосы такого типа обычно используют при давлениях не выше 5 МПа, так как стандартное давление в газовых баллонах не более 15 МПа. Газовые насосы не имеют движущихся частей, работают надежно и достаточно легко перезаполняются газом. Их недостатками являются относительно невысокое давление и сложность замены растворителей, связанная с промывкой коммуникаций. В пневмогидравлическом насосе давление жидкости, создаваемое плунжером, пропорционально давлению газа на поршень и зависит от отношения сечений поршня и плунжера. Предел отклонения расхода элюента от среднего значения составляет ±5%. Расход элюента зависит от заданного входного давления воздуха и сопротивления колонки, которое в свою очередь зависит от размера частиц сорбента, степени их уплотнения и вязкости элюента. Объем элюента в рабочей камере насоса в среднем составляет от 20 до 60 см³. Регулировка потока достаточно проста. Поток можно мгновенно остановить. При повторном пуске давление быстро восстанавливается. Справедливости ради стоит отметить, что в современной ВЭЖХ практике данный тип насосов практически не используется.

К насосам постоянного расхода относят шприцевые, поршневые и мембранные насосы. В шприцевом насосе поршень движется с помощью червячной передачи от шагового двигателя в калиброванной трубке, сжимая элюент и пропуская его через трехходовой кран в колонку. При заполнении шприца кран поворачивают, элюент засасывается в шприц, при этом вращение шагового двигателя меняется на противоположное. Полный объем шприца варьирует от 2.5 до 400 см³. Максимальное давление шприцевого насоса не более 5 МПа, точность подачи элюента около 1%. Насос применяют для обеспечения работы колонок внутренним диаметром 2 мм и длиной менее 100 мм. Шаговый двигатель позволяет получать различные скорости перемещения штока. Расход элюента можно менять от 2 до 600 мкл/мин. Один шприцевой насос может быть использован для создания ступенчатого градиента путем применения специальной программы его заполнения. Два шприцевых насоса легко приспособить для получения градиента путем программируемого увеличения расхода элюента первым насосом и пропорционального уменьшения расхода другого элюента вторым насосом.

Существенным недостатком насоса является невозможность коррекции на сжимаемость растворителей. Для давлений менее 5 МПа этот недостаток не столь существен. Однако при давлении в колонке более 20 МПа сжимаемость элюентов составляет более 1%. При этом наблюдается значительная задержка в достижении установленного значения расхода потока элюента при включении насоса. Такая задержка особенно нежелательна при вводе пробы методом остановки потока.

Следующим типом является возвратно-поступательный насос с одним плунжером. Принцип его работы основан на вытеснении определенного объема жидкости из камеры с помощью плунжера. Плунжер приводится в действие с помощью эксцентрика, подсоединенного к двигателю насоса. Насос на входе и выходе имеет обратные шариковые клапаны. Шарики и седла для них обычно изготавливают из нержавеющей стали, сапфира или рубина. Для надежной работы таких клапанов необходимо полное отсутствие в элюенте твердых взвешенных частиц. Твердые частицы устраняют с помощью пористых фильтров из нержавеющей стали или титана с размером пор от 1 до 5 мкм. Наиболее слабыми местами поршневых насосов являются уплотнения плунжера и клапаны. Производительность насосов возвратно-поступательного типа зависит от длины рабочего хода плунжера. В связи с тем, что одна половина хода поршня используется для нагнетания, а другая для заполнения камеры насоса, одноплунжерный насос имеет значительную пульсацию на выходе, поэтому для таких насосов чаще всего применяют демпферы для сглаживания пульсаций. Систему узлов, состоящую из насоса, демпфера, аварийного клапана максимального давления, измерителя давления, резервуаров для растворителей и фильтров, обычно называют системой подачи элюента. В новых конструкциях одноплунжерных насосов время заполнения камеры насоса (около 20 мс) значительно меньше времени рабочего хода плунжера. Поэтому за время возврата плунжера в исходное положение падение давления незначительное. Микропроцессорный контроль над работой шагового двигателя и плунжера позволяет компенсировать колебания потока во время заполнения и эффект сжимаемости растворителей.

Для сглаживания пульсаций потока применяют двухплунжерные насосы со сдвигом работы плунжеров по фазе на 180° и трехплунжерные насосы со сдвигом на 120°. Нагнетание жидкости плунжерами не только сдвинуто по фазе, но и синхронизировано. Конструкции насосов возвратно-поступательных типов просты, обычно обеспечен свободный доступ к местам возможных течей, насосы легко разбираются и собираются с целью очистки и ремонта. Увеличение, или уменьшение размеров камер и плунжеров путем их достаточно простой замены без изменения системы привода увеличивает или уменьшает производительность насосной системы и позволяет работать с полупрепаративными и микронасадочными колонками. В большинстве насосов возвратно-поступательного типа применяют шаговые двигатели, скорость которых легко контролируется с помощью электронной схемы управления. Появляется возможность достаточно простого программирования расхода потока элюента, т. е. применения системы градиентного элюирования. Эффект создания градиента в наиболее простом случае достигается путем контролируемого смешения двух растворителей разной полярности.

Большинство современных насосов снабжено указателями и ограничителями нижнего и верхнего пределов рабочего давления. Давление в хроматографической системе является исключительно важным параметром, и его необходимо контролировать. Для этой цели обычно используют указатель давления с проточными тензодатчиками. Объем датчиков очень мал, поэтому не возникает затруднений при замене растворителя в градиентном элюировании. Ограничители давления автоматически отключают насос при выходе давления из установленного диапазона, что существенно повышает безопасность работы. Ограничитель верхнего предела также очень полезен для предотвращения порчи колонок с некоторыми сорбентами, которые могут разрушиться при превышении допустимого для них рабочего давления.