非线性液-液色谱中操作参数对 cannabinoids 洗脱行为影响的建模研究及其在分离优化中的应用

本研究针对液-液色谱(LLC)中操作参数对 cannabinoids 分离行为的影响机制不明问题，通过建立 Martin and Synge 平衡池模型，结合 anti-Langmuir 型分布等温线，系统研究了流速、转速、进样体积和浓度对 CBD/CBG 洗脱曲线的影响。研究发现该模型能精准预测线性和非线性范围内的洗脱行为，为 LLC 工艺参数优化提供了重要理论工具。

　　

在色谱分离技术领域，液-液色谱(LLC)因其独特的分离机制在天然产物纯化中展现出巨大潜力。然而实际操作中，离心转速、流动相流速等参数会动态影响固定相保留体积和相间接触面积，加之溶质分布平衡可能存在非线性特征，使得分离过程预测和优化变得异常复杂。传统试错法不仅耗时耗材，更难以揭示参数间的交互影响规律。针对这一技术瓶颈，Technical University of Munich 的 Mirjana Minceva 团队在《Journal of Chromatography A》发表了创新性研究成果。

研究团队选择药用价值突出的大麻素——大麻二酚(CBD)和大麻萜酚(CBG)作为模型化合物，采用 hexane/methanol/water (4/3/1) 溶剂体系，通过精巧设计的实验方案结合数学建模，揭示了 LLC 分离过程的"黑箱"机制。特别值得注意的是，该工作首次将非线性分布平衡纳入 LLC 过程模拟，突破了传统线性模型的局限。

关键技术方法包括：1) 使用 18.2 mL DE Mini Centrifuge CCC 系统进行离心分配色谱实验，考察 1600-1900 rpm 转速和 0.5-1.5 mL/min 流速下的固定相保留行为；2) 采用 Martin and Synge 平衡池模型结合 anti-Langmuir 型非线性等温线方程(c_i^SP = K_i·c_i^MP/(1-b_i·c_i^MP))进行洗脱曲线预测；3) 通过 HPLC-UV 定量分析建立浓度-洗脱曲线关系；4) 运用 MATLAB 进行模型求解和参数优化。

【模型参数确定】部分研究发现，在 1600-1900 rpm 转速范围内，固定相保留分数(S_F)从 0.55 增至 0.66，而流速从 0.5 增至 1.5 mL/min 时 S_F 从 0.67 降至 0.38。理论塔板数(N_i)保持相对稳定(CBD: 387±2, CBG: 391±3)，证实模型参数具有良好鲁棒性。这些基础数据为后续模拟提供了关键输入参数。

【进样体积和浓度影响】章节通过系列实验证明，当 CBD 进样浓度固定为 50 mg/mL 时，体积从 0.5 mL 增至 2 mL 会导致峰宽显著增加但峰形保持不变；而当总进样量恒定为 100 mg 时，高浓度-小体积组合(200 mg/mL, 0.5 mL)产生明显峰前延，符合 anti-Langmuir 型非线性等温线的特征。模型预测与实验数据的相关系数 R²>0.98，验证了分布平衡方程的有效性。

【转速和流速影响】部分针对 CBD/CBG 二元体系的研究显示，1900 rpm 时降低流速从 1.5 至 0.5 mL/min 可使 CBG 保留时间延长 40%，而 CBD 保留行为变化相反。这种"交叉效应"源于二者分布常数(K_CBG=0.46<1, K_CBD=1.17>1)的差异。值得注意的是，模型成功预测了 CBG 的线性洗脱峰(Gaussian 型)和 CBD 的非线性峰(前延型)的同步出现，展现了其对复杂体系的适用性。

该研究的核心突破在于建立了首个能同时描述 LLC 线性和非线性分离行为的普适性模型。通过将操作参数与洗脱特性定量关联，该工作不仅深化了对离心色谱分离机制的理解，更提供了替代传统试错法的数学工具。特别是在大麻素等高值天然产物分离领域，该模型可显著减少工艺开发周期和成本。研究还揭示了二元体系中组分间可能存在的固定相保留干扰现象，为后续研究指明了方向。这些发现对推动 LLC 从经验操作向预测性分离的范式转变具有里程碑意义。