【应用】买一台制备色谱仪，多少次实验能回本？

简介

实验设备

试剂与材料

实验步骤

实验 1（开放玻璃柱色谱）

1. 称取 25mg 苏丹黄和 25mg 苏丹红 G，溶于 50mg 二氯甲烷中，配制染料混合溶液。

2. 将 12g 硅胶与约 60mL 二氯甲烷混合制成浆料，装填至玻璃层析柱中。

3. 取 0.5mg 染料混合溶液上样，手动添加洗脱溶剂。

4. 手动收集馏分。

实验 2（配备 Pure C-900 泵的快速色谱）

1. 称取 25mg 苏丹黄和 25mg 苏丹红 G，溶于 50mg 二氯甲烷中，配制染料混合溶液。

2. 选用 FlashPure EcoFlex 硅胶色谱柱（12g，粒径 50um）。

3. 以 100% 二氯甲烷为流动相，20ml /min 的流速平衡色谱柱 3min。

4. 平衡完成后，取 1mL 染料混合溶液上样，以 20ml /min 的流速启动洗脱程序。

5. 手动收集馏分。

实验 3（梯度洗脱快速色谱）

1. 称取 25mg 苏丹黄和 25mg 苏丹红 G，溶于 50ml 体积比为 7:3 的正庚烷 - 乙酸乙酯混合溶剂中。

2. 选用 FlashPure EcoFlex 硅胶色谱柱（12g，粒径 50μm）。

3. 以体积比为 7:3 的正庚烷 - 乙酸乙酯混合溶液为流动相，20 ml / min 的流速平衡色谱柱 3 min。

4. 平衡完成后，取 1mL染料混合溶液上样，以 20ml /min 的流速启动梯度洗脱程序：

5. 0-2 min：流动相为 70% 正庚烷 + 30% 乙酸乙酯

6. 2-3 min：乙酸乙酯比例从 30% 线性提升至 40%

7. 手动收集馏分。

实验 4（配备馏分收集器的快速色谱）

1. 称取 25mg 苏丹黄和 25mg 苏丹红 G，溶于 50mg 体积比为 7:3 的正庚烷 - 乙酸乙酯混合溶剂中。

2. 选用 FlashPure EcoFlex 硅胶色谱柱（12g，粒径 50μm）。

3. 以体积比为 7:3 的正庚烷 - 乙酸乙酯混合溶液为流动相，20ml /min 的流速平衡色谱柱 3 min。

4. 平衡完成后，取 1mL 染料混合溶液上样，以 20 ml/min 的流速启动梯度洗脱程序（洗脱程序同实验 3）。

5. 采用自动馏分收集器收集馏分。

实验 5（全配置 Pure Essential 快速色谱系统）

1. 称取 25mg 苏丹黄和 25mg苏丹红 G，溶于 50ml 体积比为 7:3 的正庚烷 - 乙酸乙酯混合溶剂中。

2. 选用 FlashPure EcoFlex 硅胶色谱柱（12g，粒径 50μm）。

3. 以体积比为 7:3 的正庚烷 - 乙酸乙酯混合溶液为流动相，20ml /min 的流速平衡色谱柱 3 min。

4. 平衡完成后，取 1 mL 染料混合溶液上样，以 20ml/min 的流速启动梯度洗脱程序（洗脱程序同实验 3）。

5. 依据紫外检测器 0.02 吸光度单位（AU）的信号阈值，触发馏分收集器自动收集馏分。

实验结果

5.1 开放柱色谱与快速色谱的对比

在相同样品、流动相及固定相条件下，对比了开放玻璃柱与预制快速色谱柱的分离效果。结果显示，两种方法均成功将染料混合物分离为苏丹黄和苏丹红 G 两个组分。

预制快速色谱柱的分离效果优于手动装填玻璃柱，收集的馏分颜色更纯净、组分分界更清晰（见图 2）。快速色谱系统的性能优势源于更均匀

针对重力柱色谱（实验 1）与快速色谱（实验 2）的耗时及溶剂用量开展详细对比（见表 1）。结果显示，快速色谱柱的装填、平衡、洗脱及清洗总耗时远低于开放玻璃柱，时间缩短约 85%。同时，快速色谱在不降低分离质量的前提下，将单次上样量从 0.5ml 提升至 1ml，溶剂消耗量减少 30%。

表 1：实验 1 与实验 2 的耗时及溶剂节约情况对比

* 注：硅胶浆料装填的玻璃柱平衡速度快于干法装填的快速色谱柱。

5.2 等度洗脱与线性梯度洗脱的对比

对比了采用二氯甲烷等度洗脱的快速色谱（实验 2）与采用正庚烷 - 乙酸乙酯梯度洗脱的快速色谱（实验 3）。梯度洗脱所用溶剂毒性更低、易燃性更弱，兼具安全性优势。与等度洗脱相比，梯度洗脱的分离时间和溶剂消耗量均减少 57%。

表 2：实验 2 与实验 3 分离阶段的耗时及溶剂节约情况对比

5.3 不同 Pure Essential 系统配置的对比

Pure Essential 系统采用模块化设计，以 C-900 泵为核心，可通过加装 C-106 馏分收集器和 C-107 紫外检测器进一步提升分离效率。

为验证模块化配置的灵活性，本研究基于实验人员手动操作时间，对比了三种系统配置的性能。加装馏分收集器可实现无人值守操作，搭配紫外检测器则无需开展薄层色谱（TLC）验证，进一步节省时间。与仅使用 C-900 泵的基础配置相比，加装馏分收集器可减少 27% 的手动操作时间，全配置系统则可减少 73% 的手动操作时间。此外，配备馏分收集器的系统可在通风橱外运行。

表 3：实验 3、4、5 的手动操作时间对比

5.4 开放柱色谱与快速色谱的投资回报率对比

基于美国市场定价，计算了开放柱色谱及三种 Pure Essential 系统配置的初始投入成本（见表 3）。

表 3：实验 1、3、4、5 的初始投入成本

随后，基于 12 g 硅胶的实验条件，计算了四种实验装置的手动操作时间。同时，结合美国市场价格分析了运营成本，溶剂价格来源于飞世尔科技，FlashPure 色谱柱价格来源于步琦公司。本研究将实验人员时薪按 23 美元计算，并纳入运营成本估算。所有数据均以每 1.0 ml 样品为标准进行归一化处理。开放柱色谱采用等度洗脱，快速色谱系统均采用线性梯度洗脱。

表 4：实验 1、3、4、5 的单次实验总成本

* 注：实验 1 总手动操作时间 = 68 min（见表 1）+ 2 次薄层色谱验证时间（每次 5 min）

尽管开放柱色谱的初始投入远低于快速色谱系统，但其单次实验成本显著更高。这主要是因为开放柱色谱手动操作时间长，导致人工成本居高不下，同时溶剂、硅胶等材料消耗量大，进一步推高了单次实验成本。

基于单次实验的运营成本和材料成本，本研究计算了各 Pure Essential 系统配置的投资回报率，结果如下：

• Pure C-900 泵：完成 123 次实验后实现投资回本

• Pure C-900 泵 + C-107 馏分收集器：完成 299 次实验后实现投资回本

• Pure C-900 泵 + C-107 馏分收集器 + C-106 紫外检测器：完成 348 次实验后实现投资回本

上述数据表明，每种系统配置均可在合理周期内实现成本回收。例如，仅配备 C-900 泵的基础快速色谱系统，每日开展 5 次实验，仅需约 1 个月即可回本；即使是全自动化的 Pure Essential 系统，按每日 2 次实验的保守工作量计算，也可在 9 个月内实现盈亏平衡，是有常规纯化需求实验室的高性价比之选。

结论

本报告通过详细对比传统开放柱色谱与现代快速色谱，揭示了二者在性能、效率及成本方面的差异。标准化分离实验结果表明，在所有关键指标上，快速色谱的性能均全面优于重力驱动色谱方法。

从开放柱色谱升级至仅配备单泵的快速色谱系统，可实现分离速度提升 6 倍、馏分纯度提高、溶剂消耗量减少 30%、样品负载量翻倍，进而提升实验通量和结果重现性。

采用梯度洗脱策略可进一步提升分离效率，与等度洗脱相比，分离时间和溶剂用量均可减少 50% 以上。

此外，Pure Essential 系统的模块化设计表明，通过加装馏分收集器和紫外检测器实现自动化操作，可使实验人员手动操作时间减少 70% 以上。

从经济角度分析，开放柱色谱虽然初始投入成本低，但因人工操作和溶剂消耗量大，长期运营成本高昂。相比之下，快速色谱系统投资回报周期短，不同配置的系统可在 123 至 348 次实验内实现盈亏平衡，是实验室提升纯化效率的理想方案。

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