溶劑去除是制藥、化學(xué)和生物技術(shù)行業(yè)廣泛應(yīng)用中的過(guò)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(guò)程對(duì)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(guò)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(wú)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(duì)于許多 “蒸發(fā)器"來(lái)說(shuō)，發(fā)生的是沸騰而不是蒸發(fā)。冷凍干燥過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(cè)量的熱能，而溫度測(cè)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(duì)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(duì)樣品安全的較低溫度下發(fā)生液體汽化。
熱量和溫度通過(guò)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*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(cè)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^(guò)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(guò)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?jī)?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(guò)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(guò)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(duì)較慢的批處理過(guò)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(guò)在可行的情況下預(yù)冷凍樣品來(lái)減少這種情況。冷凍過(guò)程將該技術(shù)限制在水溶液或幾種容易冷凍的簡(jiǎn)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(guò)低以至于冷凝器無(wú)法有效運(yùn)行。冷凍干燥或凍干過(guò)程在圖 2。
圖 3 – 離心蒸發(fā)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)快速冷凍干燥。
圖 4 – 排污蒸發(fā)過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)便宜，從自組裝設(shè)備到簡(jiǎn)單的商業(yè)系統(tǒng)。盡管對(duì)于揮發(fā)性溶劑來(lái)說(shuō)排空蒸發(fā)相對(duì)較快，但對(duì)于沸點(diǎn)高的溶劑或水等難以蒸發(fā)的溶劑來(lái)說(shuō)，它可能會(huì)很慢。排污蒸發(fā)樣品在過(guò)程中容易升溫，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡舭l(fā)過(guò)程中處于加熱塊或浴槽的溫度，因此該技術(shù)對(duì)揮發(fā)性分析物的回收率很差。作為手動(dòng)過(guò)程，排空蒸發(fā)需要用戶持續(xù)監(jiān)控以檢測(cè)干燥過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程相對(duì)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(guò)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(guò)熱.
圖 6 – 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)過(guò)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(duì)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(duì)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。
