CN101898088A - 一种适用于微量样品前处理的离心超滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微量样品前处理的离心超滤装置，它包括有离心管，其特征在于离心管中设有与离心管轴心线相平行的中空纤维膜，中空纤维膜的出口端通于离心管外。本发明所述的离心超滤装置，可广泛用于微量分析样品的前处理，也可用于微量生物样品的分离、纯化、浓缩。其应用简单、快速、方便；经处理的样品干扰少、灵敏度高；同时可有效延长色谱柱的使用寿命。

Description

一种适用于微量样品前处理的离心超滤装置

技术领域：

本发明涉及离心超滤装置，尤其适用于微量样品前处理的离心超滤装置。

背景技术

样品前处理是分析化学中最重要的过程之一。通常情况下，每个样品前处理所需时间占分析全过程的三分之二，而样品前处理带来的误差占分析结果的三分之一。因此，开发研制先进的样品前处理技术以及样品前处理装置是现代分析技术中的热点和难点。

目前的样品前处理，通常包括有制样和样品分离富集。随着现代分析技术的进步，色谱、光谱、质谱的联用已成为分离富集技术的主要发展方向。与之相对应的是样品前处理体系也随之向微量化方向发展。但现有的分离富集方法，通常需要对处理的样品进行较大量的稀释，而不能对微升单位量的样品进行快速、有效处理。以膜过滤分离技术为例，研究人员为了能够快速、有效地对分析量的样品进行处理，发明了超滤离心管。该超滤离心管是在离心管的端头设置一个回收帽，在回收帽与离心管之间设有超滤膜。在使用时，将待处理的样品放入离心管中，再盖上回收帽。当离心管经离心机反甩后，样品在离心力的作用下，经超滤膜过滤流入回收帽。影响膜过滤体积通量的因素除施加压力、样品粘度、膜面积、厚度、孔径等因素外，还有一个重要的因素就是浓差极化层(即累积在膜表面的不能透过膜的物质)。而克服浓差极化通常所采用的切向流过滤方式，适用于大量样品的制备和工业生产过程中的分离和纯化，而不适用于少量或微量分析样品的制备(生物制药工艺学，中国医药科技出版社，吴梧桐主编)。因此，这种结构的超滤离心管，在离心超滤过程中，容易产生浓差极化现象，而间接导致膜渗流量下降和分离效率降低，仅适用于细胞和大分子的浓缩和制备。为了解决浓差极化的问题，研究人员将超滤膜倾斜一定角度放置，以期改善浓差极化现象，但其效果并不明显。而且在较大离心力的作用下，超滤膜的过滤性还会发生改变，甚至破裂。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种可快速、有效进行微量样品前处理的离心超滤装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所提供的离心超滤装置，包括有离心管，其设计要点是在离心管中设有与离心管轴心线相平行的中空纤维膜，中空纤维膜的出口端通于离心管外。

本发明所提供的离心超滤装置，将中空纤维膜垂直放入装有待过滤纯化或处理的样品溶液的离心管中，再放入普通离心机中进行离心处理。在离心力的作用下，样品溶液中的小分子物质通过中空纤维膜膜孔进入其内腔，大分子物质则被滤膜阻留，从而达到小分子物质和大分子物质的分离目的。同时平行于超滤膜的离心力可消除了膜面外形成的浓差极化现象，加快了超滤速度，改善了超滤效果。另外，中空纤维膜的管状结构及由外向内的过滤方式，使得其膜的过滤性能不受离心力的影响；过滤液可以方便的取出，也可以方便的制备微升量的样品。

本发明装置是通过以下原理来克服浓差极化现象的：

在离心场中，颗粒在沉降方向上受到离心力(F)，浮力(F₀)及摩擦力(f)三个力的作用F，F₀和f可以表示如下

F＝mω²r                                 (1)

F₀＝-m₀ω²r                              (2)

f＝3πdηv                               (3)

m₀为颗粒所排溶剂的质量，ω为离心机转子的角速度；悬浮液中球形颗粒的直径为d，体积为V，颗粒密度为ρ，质量为m；溶剂密度为ρ₀，溶液粘度系数为η，颗粒中心和离心机转轴中心距离为r，v为溶液中运动颗粒的速度。

在离心力场中，如颗粒以均匀速度运动，则三力之和为            mω²r

                   -m₀ω²r-3πdηv＝0

              ∵V·ρ＝m，m，ρ₀＝m₀

              ∴V(ρ-ρ₀)ω²r＝3πdηv

则颗粒在离心力场中沉降速度为

$v=\frac{d^3(\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_0)}{18\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}^{2}r---\left(4\right)$

当ρ＞ρ₀时，颗粒沿离心力方向移动；

当ρ＝ρ₀时，颗粒处于某一位置，达到平衡状态；

当ρ＜ρ₀时，颗粒沿逆离心力方向移动。

由(4)式还可看出，在特定的溶剂中，颗粒的密度越大移动速度越大。

在我们的实验中，当样品液在离心力的作用下由外向内滤过中空纤维膜壁膜时，在膜外壁有可能形成致密的大分子层，其密度与厚度成反比。

$\mathrm{\ρ}\∝\frac{k}{l}$ (5)

其中ρ为致密大分子层中某一质粒的密度，l是某一质点到致密大分子层的距离，k是一个常数。在离心力场中，每一个质点受到的离心力不同。是质点P₁受到的离心力，P₁是距离膜壁较近的一点设定其距离为l₁其受到的离心力为F₁；P₂是距离膜壁较远的一点设定其距离为l₂，其受到的离心力为F₂。据公式(5)可知

∵l₁＜l₂                           ∴ρ₁＞ρ₂

根据公式(4)v₁＞v₂

结果表明随着质点与膜壁距离的增加其受到的离心力逐渐减小，距离中空纤维膜膜壁越近质点的沉降速度越大，在离心力的作用下膜壁处的浓差极化被消除。

本发明所述的离心超滤装置，可广泛用于微量分析样品的前处理，也可用于微量生物样品的分离、纯化、浓缩。其应用简单、快速、方便；经处理的样品干扰少、灵敏度高；同时可有效延长色谱柱的使用寿命。

以下通过附图及具体的实施例对本发明作进一步的说明，但其并不对本发明进行任何限制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是四氢呋喃沉淀剂的HPLC色谱图。

其中2A代表采用四氢呋喃沉淀剂对黄原胶供试品溶液处理后，第1次注入色谱柱时的谱图；2B代表采用四氢呋喃沉淀剂对黄原胶供试品溶液处理后，第20次注入色谱柱时的谱图；2C代表采用四氢呋喃沉淀剂对黄原胶供试品溶液处理后，第100次注入色谱柱时的谱图。1代表蔗糖的峰值。

图3是经本发明装置处理后的黄原胶供试品的HPLC色谱图。

其中3A代表采用本发明装置对黄原胶供试品溶液处理后，第1次注入色谱柱时的谱图；3B代表采用本发明装置对黄原胶供试品溶液处理后，第20次注入色谱柱时的谱图；3C代表采用本发明装置对黄原胶供试品溶液处理后，第100次注入色谱柱时的谱图。

图4是生物样品中的蛋白质分析色谱图。

其中4A是空白血浆的HPLC色谱图；4B是头孢克洛及内标对照液的HPLC色谱图；4C是经本发明装置处理后的血浆样品的HPLC色谱图；4D是沉淀剂处理的血浆样品的HPLC色谱图；图4中的1代表头孢克洛的峰值；图4中的2代表内标(头孢拉定)的峰值。

图5是羟丙甲纤维素滴眼液中的苯扎溴铵的分离色谱图。

其中的5A是苯扎溴铵对照的HPLC色谱图；5B是经本发明装置处理后的羟丙甲纤维素滴眼液供试品的HPLC色谱图；图中的1代表苯扎溴铵的峰值。

图6静脉注射用人免疫球蛋白中麦芽糖的分离色谱图。

其中的6A是麦芽糖对照的HPLC色谱图；6B是经本发明装置处理后的静脉注射用人免疫球蛋白供试品的HPLC色谱图；图6中的1代表麦芽糖的峰值。

图7是本发明又一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明所述的离心超滤装置，其结构可参考图1所示，包括有离心管1、塞盖3。离心管1可采用塑料、玻璃、不锈钢等材质制成的管状容器。塞盖3可采用橡胶塞、木塞等。在离心管1中设有与离心管轴心线相平行的中空纤维膜2。在实际应用时可依据所需处理的样品特性选择适宜截留分子量的中空纤维膜2。中空纤维膜2的出口端通过塞盖3通于离心管1外。如此在使用中可将样品置于离心管1中，而中空纤维膜2浸于其中。当离心机旋转时，在离心力的作用下，大小合适的分子以及溶剂通过膜孔进入中空纤维膜的中心通道内，将积存于中心通道内样品抽出即可注入到色谱、光谱、质谱等现代分析仪器中进行分析。中空纤维膜2的出口端可直接通过塞盖3上的通孔通于离心管1外，也可以通过插接在塞盖3上的塑料管通于离心管1外，但最好是在塞盖3上设有注射针头4，该注射针头4通过塞盖3与中空纤维膜2的出口端相连接。这样更便于抽取处理后的样品。

本发明所述的离心超滤装置，其中空纤维膜2可如图1所示呈U型，其两端头中至少有一个为出口端(用于抽取处理好的样品)。这种形式的中空纤维膜2可以是单个U型中空纤维膜，也可以是数个U型中空纤维膜并排排放(如2个、4个或更多)。在离心管1中所放置的与离心管轴心线相平行的中空纤维膜2的根数越多，相对一次处理样品的量就大，反之即较小。

本发明所述的离心超滤装置，其中空纤维膜2可呈直线型，其下端封闭，上端为出口端。也就是说一端为封口型，另一端呈开放型。这种形式的中空纤维膜2可成束排放。即有数个直线型中空纤维膜2平行垂放在离心管1内。

本发明所述的离心超滤装置还可以为图2所示的结构，所说的离心管1为夹层套管，其由内管1a与外管1b构成，中空纤维膜2置于内管1a中，中空纤维膜2穿过内管1a的底部与离心管1的夹层相连通。中空纤维膜2最好是通过针头5与离心管1的夹层6相连通。这样可防止中空纤维在离心时出现变形。

这种结构的离心超滤装置，在使用时可将样品放入内管1a中，经离心处理，大小合适的分子以及溶剂通过膜孔进入中空纤维膜的中心通道后，随即流入到离心管的夹层(6)内，这样中空纤维膜的中心通道即可随时处于清空状态。由此可有效避免中空纤维膜因中心通道的滤液增多而影响过滤效果。该结构的装置还有一个优点，就是可以收集到更多的滤液，便于再处理。

实施例2

对药物制剂分析中含有高分子稳定剂的样品处理方法：

取含有高分子黄原胶的微生态制剂-“蔗糖凝胶”，精密称取0.1克蔗糖置10mL量瓶中，加入5mL去离子水溶解，涡旋3min，加水稀释至刻度。将上述溶液放入离心管，将两个注射用针头穿过橡胶塞***已处理好的截留分子量为6000的U型中空纤维膜中，并将其置入离心管中。于离心机中离心20min，3500转/分，取出中空纤维膜，用进样器抽出中空纤维膜内的供试品溶液，取10μL注入色谱柱分析。

对比试验例

取一定体积的四氢呋喃加入黄原胶供试品溶液中，于离心机中离心，取上清液进行HPLC分析。

分析结果表明供试品溶液中无高分子黄原胶的干扰，蔗糖回收率近100％，色谱柱寿命延长。如图2

实施例3

体内药物分析中的样品处理方法：

精密量取血浆225μL于细径玻璃离心管(内径约为5mm)中(见图3)，加入内标头孢拉定溶液25μL，涡旋混合1min，将水中活化好的截留分子量为6000的中空纤维膜弯成U型置于管中(使中空纤维膜两端均位于血浆的液面之上)，离心(3500转/分)30min，取出中空纤维膜，从中抽取溶液20μL进行HPLC分析，记录色谱图。

分析色谱图如图4所示。

分析结果表明，该装置能快速的将生物样品中的蛋白质等高分子物质与小分子物质分离，免去了繁杂的样品前处理过程(沉淀蛋白、离心过滤、提取吹干复溶等操作)。从中空纤维膜中获得的滤液可以直接注入液相色谱***分析，方法简单快速且由于滤液没有进一步的稀释，灵敏度较高，其回收率大于86.8％。

实施例4

羟丙甲纤维素滴眼液中的苯扎溴铵的分离测定

取羟丙甲纤维素滴眼液适量注入离心管中，将注射用针头穿过橡胶塞***已处理好的截留分子量为6000的U型中空纤维膜中，并将其置入离心管中，置离心机中，转速为4000转/分，离心15min，取出中空纤维膜，用进样器抽出中空纤维膜内的供试品溶液，取20μL注入色谱柱分析。

分析结果详见图5。

从分析色谱图的对比可以看出，经本发明装置处理的羟丙甲纤维素滴眼液供试品，其HPLC色谱图与对照品的HPLC色谱图基本相同，其回收率接近100％，。由此表明本发明装置能够快速、有效地将羟丙甲纤维素滴眼液中的苯扎溴铵的分离出来，并可有效去除其他干扰因素。

实施例5

静脉注射用人免疫球蛋白中麦芽糖的分离测定

精密量取静脉注射用人免疫球蛋白1.5mL置50mL量瓶中，加水稀释至刻度，作为样品溶液。取样品溶液适量，注入到离心容器中，另将注射用针头穿过橡胶塞***已处理好的截留分子量为6000的U型中空纤维膜中，并将其置入离心管中，置离心机中，于离心机中离心15min，转速为4000转/分，取出中空纤维膜，用进样器抽出中空纤维膜内的供试品溶液，取20μL注入色谱柱分析。典型的色谱图见图6。

结果表明，该装置能够很好的将麦芽糖与免疫球蛋白中的大分子分离，其回收率接近100％，方法准确、操作简单、色谱柱寿命高。

从分析色谱图的对比可以看出，经本发明装置处理的静脉注射用人免疫球蛋白供试品，其中的麦芽糖HPLC色谱图与对照品的HPLC色谱图基本相同，其回收率接近100％，。由此表明本发明装置能够快速、有效地将静脉注射用人免疫球蛋白中麦芽糖的分离出来，并可有效去除其他干扰因素。

Claims (9)

1.一种适用于微量样品前处理的离心超滤装置，包括有离心管(1)，其特征在于离心管(1)中设有与离心管轴心线相平行的中空纤维膜(2)，中空纤维膜的出口端通于离心管外。

2.根据权利要求1所述离心超滤装置，其特征在于所说离心管(1)上设有塞盖(3)，塞盖(3)上设有注射针头(4)，该注射针头(4)通过塞盖(3)与中空纤维膜(2)的出口端相连接。

3.根据权利要求1或2所述离心超滤装置，其特征在于所说的中空纤维膜(2)呈U型，其两端头中至少有一个为出口端。

4.根据权利要求1或2所述离心超滤装置，其特征在于所说的中空纤维膜(2)呈直线型，其下端封闭，上端为出口端。

5.根据权利要求3所述离心超滤装置，其特征在于所说的中空纤维膜(2)为单个U型中空纤维膜。

6.根据权利要求3所述离心超滤装置，其特征在于所说的中空纤维膜(2)由数个U型中空纤维膜并排排放。

7.根据权利要求4所述离心超滤装置，其特征在于所说的中空纤维膜(2)成束排放。

8.根据权利要求1所述离心超滤装置，其特征在于所说的离心管(1)为夹层套管，其由内管(1a)与外管(1b)构成，中空纤维膜(2)置于内管(1a)中，中空纤维膜(2)穿过内管(1a)的底部与离心管(1)的夹层相连通。

9.根据权利要求8所述离心超滤装置，其特征在于所说中空纤维膜(2)通过针头(5)与离心管(1)的夹层(6)相连通。

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