HPLC泵与比例阀的结构原理与常见故障

泵与比例阀的结构原理与常见故障第一部分：泵与比例阀的结构与工作原理1.单向阀单向阀一般由阀体、阀座和红宝石球组成，在压力的作用下宝石球离开阀座，流动相流过单向阀，反之，在反向力的作用下宝石球回到阀座上，此时流动相不能流过。显然宝石球与阀座之间的配合必须非常适合才能防止流动相的泄漏，为了保证单向阀不发生泄漏，Agilent1200的出口单向阀中安装了两套宝石球和阀座，入口单向阀阀芯是将宝石球用一个合适的弹簧压在阀座上，用电磁阀通过程序主动控制宝石球的位置，进而控制入口单向阀的开闭，并且为了降低成本和节省维护费用，采用了可置换式的卡套式单元件。单向阀是实现泵体功能的关键部件，平时出问题最多，使用维护起来也格外需要注意。Agilent1200的入口单向阀是主动电磁阀，配备一个阀芯。如图：从入口主动电磁阀的底部看，中间有一个带火漆的内六角螺钉，这个螺钉是出厂前校定好的，改变螺钉的位置会导致阀体内磁芯冲程的改变，进而改变泵的实际流速，或者导致磁芯上密封膜片被击穿或阀芯损坏。阀底四角有四个内六角螺钉，拆掉四个螺钉，取下阀体，阀体内是一个空腔，里边有一个磁芯压在空腔内的弹簧上，磁芯另一端有一段柱状突起，正好可以插到正方形塑料片中间的圆孔上，圆孔中间有一个黑色的垫片，取下正方形的黑色塑料板，黑色垫片下压着一个圆形的透明膜片，这个透明膜片起密封作用，膜片下是一个顶针插在孔里，顶针一直伸到电磁阀状阀芯的凹孔内。将阀芯用合适的塑料杆从阀芯上部（直径大的一端）对准金色的膜片部位用力往下慢慢顶开（尽量不要划伤金色的膜），阀芯尾部顶出来的依次为：半透明的阀座、宝石球和弹簧，留在阀芯外套里的是不透明的塑料套管，弹簧和宝石球就在套管内运动。阀芯装到阀体上去的时候顶针插在阀芯尾部阀座上的小孔里，顶在宝石球上，装好后宝石球被顶针顶着，离开阀座，阀芯里的弹簧被压缩，此时电磁阀芯处于打开的状态，流动相可以通过；通电时线圈产生磁场，将阀体内部的磁芯以及顶针吸回去，阀芯里的宝石球在弹簧的作用下落在阀座上，封闭阀座中心的流动相入口，此时电磁阀芯处于闭合状态，流动相不能通过。常见的电磁阀芯一共有两种，如图所示：图中下方左边纯白色的是普通的阀芯，阀芯外壳整体为塑料结构，主要是二元高压梯度系统和四元低压梯度系统使用；下方右边底部深色的是耐压的阀芯，阀芯尾部塑料壳改为金属结构，主要是快速液相使用，和普通的阀芯主要区别在于其阀座上有金属箍，耐压能力大大提高了，估计新出的1290也是这种阀芯或者更好的。出口单向阀如图所示：出口单向阀内部结构比入口主动阀阀芯结构稍微复杂一点，但其原理都一样，通过宝石球和阀座来达到密封的效果，只允许液体单向流动。我一共见过三种1200的出口单向阀，分别是四元梯度系统的――外边有黑色套圈，二元梯度系统的――外边有白色透明塑料套圈，快速液相用的――外边有白色不透明塑料套圈。三种出口单向阀内部结构大同小异，下图列出常见的两种：1200二元和四元系统使用的普通的出口单向阀外壳都一样，用螺纹扣紧固，快速液相的从底部直接扣压，没有螺纹。普通的出口单向阀用扳手拧开螺纹扣帽以后，露出里边的螺钉，螺钉是中空结构，螺钉孔里由外到里依次是：盖帽状的膜片、柱状金属坠、宝石球、陶瓷套管、膜片、阀座、膜片、柱状金属坠、宝石球、陶瓷套管、膜片、阀座，快速液相的单向阀是从反方向直接打开，内部的零件顺序正好相反，所以前两种拆开以后装回去的时候有一定难度，拧的太紧，阀座容易压裂，太松了可能会漏液，所以不建议大家拿好的单向阀拆开来研究，快速液相的阀座上有金属箍，且压扣上有胶垫，保证出口阀既耐压又不会因为阀座裂开漏液。1200出口单向阀采用了两套宝石球和阀座串联的结构，一个阀座配一个套管，阀座和套管之间有垫片密封，套管中有宝石球和柱状金属坠，泵在静止和吸液时，宝石球在金属坠和自身重力的作用下落到阀座上，出口单向阀处于关闭状态，流动相不能通过，泵在排液时，由于入口阀关闭，泵腔内压力将宝石球和金属坠推开，出口单向阀处于打开状态，流动相流过单向阀。两套宝石球和阀座串联，在出口单向阀密封时起到了双重保护的最用。另外宝石球上的圆柱体金属坠一端有缺口，装的时候有缺口的一端不接触宝石球，这点一定要注意，这是为了避免宝石球被顶开时柱状的金属坠被推上去以后堵住陶瓷套管上端的液体出口，第一个金属坠上是第二个阀座，第二个上边是单向阀出口。2.泵几元泵就是能控制几个流动相通路，二元泵有两个流动相通路，能同时使用两种流动相，四元泵有四个流动相通路，能同时使用四种流动相。最初的液相都是单元泵，通过柱塞杆的往复运动配合入口和出口单向阀的使用来实现流动相的定向输送，流动相只能手动配制混合，不能运行梯度。二元高压梯度系统解决了单元泵需要手动混合流动相的问题，并且能够运行梯度，调节洗脱强度，但是需要两个泵，仪器成本大大的增加了。四元低压梯度系统用一个泵配合一个四元比例阀实现了四个流动相通路运行梯度的需要，并且降低了仪器的成本和仪器使用维护的费用。常见的液相泵有凸轮和齿轮两种柱塞杆驱动方式，1200使用的是齿轮驱动，每个泵里有两个柱塞杆，一个入口主动电磁阀，一个出口单向阀。如图：柱塞杆在泵头内做前后的往复运动，完成将流动相吸入泵头然后再输出的过程，柱塞杆的典型材料是蓝宝石，泵头内的密封圈是可以防止流动相从柱塞杆的周围流走。当泵启动时，入口电磁阀由程序控制主动打开，由于柱塞杆的运动而在泵腔内形成负压，泵头外的压力显然高于泵头内，在这两种压差下出口单向阀的宝石球落回到阀座上，出口单向阀闭合，向后移动的柱塞杆将溶剂抽入第一个泵头，与此同时第二个柱塞杆向前移动，往系统里传送溶剂。柱塞杆的冲程由流速确定，移动到冲程的下限后，电机方向倒转，同时入口电磁阀由程序控制主动关闭，柱塞杆的运动使泵头内的压力增加，超过了泵头外的色谱柱的反压时，出口单向阀打开，并使第一个柱塞杆向前移动一直到冲程设定的上限，同时第二个柱塞杆向后移动，这样两个柱塞杆按顺序在两个极限点之间进行循环。在第一个柱塞杆向前移动时，泵头里的溶剂通过出口球阀压入第二个腔体中，第二个柱塞杆吸入第一个泵单元送来溶剂的一半，另外一半直接进入色谱系统，当第一个柱塞杆吸取溶剂时，第二个柱塞杆就把吸入的溶剂打到色谱系统里，这样通过两个泵的串联来降低流动相输送系统的脉冲。3.四元比例阀四元比例阀从结构上看相当于四个入口主动电磁阀拼合在一起，每个通路上的电磁阀体部分与入口主动电磁阀的阀体完全一样。仔细观察每个通道的电磁阀，中间有一个带红色火漆的内六角螺钉，红色火漆是出厂前校正好的，不能动，阀体后边四角有四个内六角的螺钉，拆掉四角的四个螺钉，小心地取下电磁阀体，阀体内是一个较大的空腔，空腔里是弹簧，弹簧上压着圆柱状的磁芯，把这些部分放到一边，主体部分拆开的部位上是一个细小透明的膜片，这个膜片起密封作用，膜片下边是宝石球座，宝石球座有一个凹槽，倒扣在宝石球上，宝石球落在阀座上，阀座中心有略比宝石球直径小的垂直小孔，孔里是一根非常细小的弹簧，宝石球落下去正好堵住阀座，关闭这个通道，但是拆开时宝石球被下边的弹簧顶着，离开阀座。其他的三个通道也一样拆开，剩下一个立方体，仔细观察不难发现，这个立方体实际上相当于一个五通阀，连成一体的四个阀座中间的竖直小孔直通四元比例阀的出口，每个阀座上的竖直小孔上方又有一个水平的直通四个入口的孔。工作时，比例阀四个通道由程序控制依次通电，第一个电磁阀通电时，其余三个电磁阀断电，电磁阀线圈产生磁场，将磁芯吸回阀的空腔，宝石球在小孔中的弹簧的作用下离开阀座，此通道处于打开的状态，此时从真空脱气机过来的流动相进入比例阀的第一个入口，流经阀座上水平的小孔，进入阀座中间竖直的小孔。第二个通道通电时，其余三个通道断电，断电通道的磁芯失去电磁场的磁力吸引，被弹簧压向下边的透明密封膜片，推动宝石球座将宝石球压向阀座，宝石球落到阀上以后，正好将阀座上的小孔堵死，此通道处于关闭的状态。工作时四个电磁阀根据控制程序依次通电，完成一个周期，在一个周期内，四个通道里的单向阀依次被打开，各通道里的流动相在泵的作用下依次通过四元比例阀，分段进入泵前的管路，而四元比例阀通过一个周期内每个电磁阀通电时间的长短来控制每个通道开关时间的长短，进而控制每个通道里液体流量的比例。4.二元高压梯度系统与四元低压梯度系统二元高压梯度系统和四元低压梯度系统的流路分别见下图：二元高压梯度系统四元低压梯度系统从图中可以直观的看出：1）二元高压梯度系统有两个泵，四元低压梯度系统有一个泵；2）二元高压梯度系统是泵后混合流动相（高压混合），四元低压梯度系统是泵前混合流动相（低压混合）；3）二元高压梯度系统的阻尼器在泵后的三通后边，四元低压梯度系统的阻尼器在泵的两个柱塞杆之间；4）二元高压梯度系统最后边有混合器，四元低压梯度系统泵前有比例阀。理论上说二元高压梯度系统的混合比例是通过改变泵的流速来获得的，其流量控制精度更高，混合室在泵后，高压下混合效率也高很多、梯度组成精确。四元低压梯度系统的混合比例是通过控制不同流路的电磁阀的开闭时间长短来控制的，理论上混合的比例也是准确的。在梯度洗脱中，梯度延迟体积非常重要，特别是复杂样品的分析，低的延迟体积具有更快的梯度响应时间，同一样品在同一色谱柱上能够获得更好的分辨率。二元高压的延迟体积是从混合器后开始计算的，而四元低压是从比例阀混合部分开始计算的，多出了泵的死体积、泵到比例阀的管线和泵到混合器的管线，所以四元低压的梯度延迟梯度较二元高压要大，梯度响应慢。流动相都会溶解一定的气体，二元高压梯度系统是泵后混合，气体的溶解度随压力的增大而增大，所以二元高压混合不会产生气泡。而四元低压梯度系统是泵前混合，在常压下进行的，两种液体混合时，会降低气体在混合溶液中的溶解度，通常会有气泡产生，所以四元低压梯度系统一定要配在线真空脱气机。二元高压梯度系统的不足就是只能同时使用两种流动相，而四元低压梯度系统同时可以使用四种流动相，但通常的样品分离，两种流动相的梯度洗脱足可以解决问题，最新的药典上的分析方法也几乎没有超过两种流动相的梯度。从价格上比较，一个泵的成本要比一个四元比例阀高很多。第二部分：泵与比例阀的常见故障Agilent仪器比较好的一点是提供在线的和离线的压力曲线数据供用户查看参考，仪器系统的很多故障都能从压力曲线上体现出来，所以出现问题时，我一般先调出压力曲线来查看。系统的压力产生于泵，和单向阀密切相关，一般常出的也都是泵和比例阀的故障。工作正常的系统至少应该能够保证：保留时间重复性好、等度洗脱时基线平稳、等度洗脱时压力波动小于系统压力的2％、梯度洗脱时基线变化缓慢平稳、梯度洗脱时压力曲线、平缓的阶段压力波动小于系统压力的2％，实际上一般的两三年内的仪器压力波动都在1bar左右，好一点的只有0.5bar多一点。当仪器运行样品出现保留时间不稳定、没有重复性，基线很差、与空白不能重合的问题时，压力曲线通常表现为压力偏低、波动变大和压力曲线上有倒峰，严重的可能会完全失压。原因可能是管路里有气泡、柱塞杆密封垫圈漏液、单向阀漏液或者比例阀漏液。管路里有气泡，气泡进入泵以后可能会停留在泵腔内，泵吸液时泵腔内压力变小，气泡体积膨胀，导致实际吸入液体比预定的要少，泵排液时泵腔内压力变大，气泡体积变小，导致实际排出液体体积比预定的也少，这样泵的实际流量比预定的要小，而且系统压力变化也不稳定，波动变大，气泡大时可能导致泵不能吸液。解决问题的方法是流动相超声或者使用在线真空脱气，开泵以后先大流速排空一段时间把气泡排出以后再工作。柱塞杆密封垫圈漏液一般由密封垫圈老化或者磨损引起，平时注意打开sealwash清洗，及时更换清洗液，定期更换密封垫圈就可以。比较严重和复杂的问题是单向阀漏液和比例阀漏液的问题。1.单向阀漏液单向阀漏液的问题最常见，也比较复杂，这个还要从单向阀的结构来说起。单向阀实现功能的最主要结构是宝石球与阀座，入口阀和出口阀都一样，通常单向阀漏液都是因为宝石球与阀座的配合出现问题，不能关闭，严重时阀座被压裂，而宝石球非常坚硬，很少出问题。单向阀上的阀座是中间有一个小孔的圆柱体，宝石球落在小孔上时关