DE10393856T5

DE10393856T5 - Rückflussverhinderung für Hochdruckgradientensysteme

Info

Publication number: DE10393856T5
Application number: DE2003193856
Authority: DE
Inventors: Hal Richardson; Richard W. Andrews
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2006-02-16
Also published as: GB2428392B; US20040108273A1; GB2428392A; JP4971592B2; GB0619403D0; WO2004052494A1; GB0511308D0; US6780315B2; JP2006509214A; GB2413775A; GB2413775B; US7754075B2; US20050008516A1; US7396469B2; US20080251141A1; AU2003293262A1

Abstract

Verfahren zum Verbessern der Zusammensetzungsgenauigkeit von Hochdruckgradientenpumpen für die Hochdruckflüssigkeitschromatographie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen einer ersten Lösungsmittelleitung mit einem ersten Satz von Pumpen und einer zweiten Lösungsmittelleitung mit einem zweiten Satz von Pumpen, wobei der erste Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem ersten Lösungsmittelreservoir steht und der zweite Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem zweiten Lösungsmittelreservoir steht,
Verbinden des ersten Satzes von Pumpen mit einem ersten Pulsdämpfer und Verbinden des zweiten Satzes von Pumpen mit einem zweiten Pulsdämpfer,
wobei der erste Pulsdämpfer in fluider Kommunikation mit einer ersten Rückflussverhinderungseinrichtung steht und der zweite Pulsdämpfer in fluider Kommunikation mit einer zweiten Rückflussverhinderungseinrichtung steht, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen im Wesentlichen die fluidische Wechselwirkung zwischen den Lösungsmittelleitungen vermindern, Verbinden der Rückflussverhinderungseinrichtungen mit einem Mischungs-T-Stück, um Lösungsmittelzusammensetzung zu fördern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Instrumentierung für die Flüssigchromatographie sowie Systeme für die Lösungsmittelförderung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von chromatographischen Pumpsystemen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lösungsmittelfördersysteme werden in der Hochdruckflüssigkeitschromatographie (High-Pressure Liquid Chromatography, HPLC) verwendet, um Flüssigkeiten einzelner Komponenten oder Gemische von Flüssigkeiten (jeweils als "mobile Phase" bekannt) bei Drücken zu fördern, die im Bereich von im Wesentlichen Atmosphärendruck bis zu Drücken von der Größenordnung von 10 000 Pfund pro Quadratzoll liegen. Diese Drücke sind notwendig, um die mobile Phase durch die fluiden Durchgangswege eines Trägers für eine stationäre Phase zu zwingen, wo die Trennung von gelösten Analyten auftreten kann. Der Träger der stationären Phase kann ein gepacktes Bett von Partikeln, eine Membran oder eine Sammlung von Membranen, ein poröses monolithisches Bett oder eine offene Röhre umfassen. Oftmals machen es die analytischen Bedingungen notwendig, dass sich die Zusammensetzung der mobilen Phase im Verlauf der Analyse ändert (dieser Modus wird "Gradienteneluttion" genannt). Bei der Gradientenelution kann sich die Viskosität der mobilen Phase ändern, und der Druck, der dazu notwendig ist, die erforderliche volumetrische Flussrate beizubehalten, wird sich dementsprechend ändern.
Bei der Flüssigkeitschromatographie führt die Wahl einer geeigneten Trennstrategie (einschließlich der Hardware, der Software und der Chemie) zu der Trennung eines eingespritzten bzw. injizierten Probengemisches in seine Komponenten, die aus der Säule in einigermaßen getrennten Zonen oder "Banden" eluiert werden. Wenn diese Banden durch einen Detektor durchtreten, dann kann deren Vorhandensein verfolgt werden und ein Detektorausgabesignal (üblicherweise in der Form eines elektrischen Signals) erzeugt werden. Das Muster der Analytenkonzentration innerhalb der eluierenden Banden, die mittels eines sich zeitlich verändernden elektrischen Signals dargestellt werden können, führt zu der Nomenklatur eines "chromatographischen Peaks". Peaks können hinsichtlich ihrer "Retentionszeit" charakterisiert werden, wobei es sich dabei um den Zeitpunkt handelt, zu dem das Zentrum des Bandes den Detektor passiert, und zwar relativ zu der Zeit der Injektion (d.h. die Zeit der Injektion ist gleich Null). Bei zahlreichen Anwendungen wird die Retentionszeit eines Peaks verwendet, um die Identität des eluierenden Analyten auf der Basis verwandter Analysen mit Standard-Proben und Kalibrierungsproben abzuleiten. Die Retentionszeit für einen Peak wird stark von der Zusammensetzung der mobilen Phase sowie von dem angesammelten Volumen der mobilen Phase beeinflusst, das die stationäre Phase passiert hat.
Die Nützlichkeit der Chromatographie basiert zum Großteil auf der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von Experiment zu Experiment, sodass Standard- oder Kalibrierungsproben in einem Satz von Experimenten analysiert werden können, wonach Testproben oder unbekannte Proben analysiert werden, wonach weitere Standards analysiert werden, damit Vertrauen bezüglich der resultierenden Daten aufgebaut werden kann. Bekannte Pumpensysteme weisen einige nicht ideale Eigenschaften auf, die zu einer verschlechterten Trennleistung und zu einer verschlechterten Reproduzierbarkeit zwischen Experimenten führt. Unter den nicht idealen Pumpeneigenschaften, die bekannte Pumpensysteme aufweisen, befinden sich im Allgemeinen Fluktuationen der Lösungsmittelzusammensetzung und/oder Fluktuationen der volumetrischen Flussrate.
Volumetrische Flussfluktuationen, die in bekannten HPLC-Pumpsystemen vorhanden sind, bewirken nachteilig, dass die Retentionszeit bzw. Retentionszeiten eines gegebenen Analyten sich ändern. Mit anderen Worten: die Zeitdauer, die ein Analyt in der stationären Phase zurückgehalten wird, fluktuiert unerwünschter Weise in Abhängigkeit der unerwünschten volumetrischen Flussfluktuationen. Dies erzeugt Schwierigkeiten beim Ableiten der Identität einer Probe mittels des Retentionsverhaltens der Komponenten. Volumetrische Flussfluktuationen von einzelnen Pumpen können zu Fluktuationen der Lösungsmittelzusammensetzung führen, wenn die Auslässe mehrerer Pumpen verbunden werden, um eine Lösungsmittelzusammensetzung bereitzustellen.
Fluktuationen der Lösungsmittelzusammensetzung, die bei bekannten HPLC-Pumpsystemen auftreten, können nachteilig zu Wechselwirkungen mit dem analyti schen Detektor des Systems führen und Perturbationen erzeugen, die erfasst werden, als ob diese aufgrund des Vorhandenseins einer Probe entstünden. Tatsächlich wird ein Interferenzsignal erzeugt. Dieses Interferenzsignal wird mit dem tatsächlichen Signal summiert, das dem Analyten zugeordnet werden kann, was zu Fehlern führt, wenn die Menge einer unbekannten Probe mittels der Fläche des eluierenden Proben-Peaks berechnet wird.
Zahlreiche Techniken und Instrument-Implementierungen, die darauf gerichtet sind, die Lösungsmittelförderung zu steuern und Perturbationen in der Ausgabe von Fördersystemen für die analytische Instrumentierung zu minimieren, sind bekannt. Zahlreiche Pumpenkonfigurationen sind bekannt, die ein Fluid bei hohem Druck zur Verwendung in Anwendungen befördern, wie beispielsweise der Flüssigkeitschromatographie. Bekannte Pumpen, wie beispielsweise die Pumpe, die in der US-PS Nr. 4,883,409 ("das '409 -Patent") beschrieben wird, enthalten wenigstens einen Kolben, der innerhalb einer Pumpenkammer hin- und herbewegt wird, in die das Fluid eingebracht wird. Eine gesteuerte Bewegungsfrequenz und eine gesteuerte Hublänge des Kolbens innerhalb der Pumpenkammer bestimmen die Flussrate der Fluidausgabe von der Pumpe. Bei der Anordnung zum Steuern des Kolbens handelt es sich jedoch um eine aufwändige Kombination von Elementen, die zu einer unerwünschten Bewegung des Kolbens führen kann, wenn dieser bewegt wird, wobei diese Bewegung es erschwert, die Ausgabe des Lösungsmittelfördersystems genau zu kontrollieren, was zum sogenannten "Rauschen" oder detektierbaren Perturbationen in einem chromatographischen Grundniveau führt. Ein Großteil dieses Rauschens resultiert nicht aus zufälligen statistischen Variationen in dem System, sondern ist vielmehr abhängig von einer mechanischen "Signatur" der Pumpe. Die mechanische Signatur ist mit mechanisch im Zusammenhang stehenden Phänomenen korreliert, wie beispielsweise Anomalien der Kugel- und Spindelantriebe, der Zahnräder und/oder anderer Komponenten, die in der Pumpe verwendet werden, um die lineare Bewegung zu bewirken, die den Kolben bzw. die Kolben antreibt, oder sie steht mit Prozessen einer höheren Ordnung oder physikalischen Phänomenen im Zusammenhang, wie beispielsweise dem Einsetzen oder dem Abschluss der Lösungsmittelkompression oder dem Einsetzen der Lösungsmittelförderung von der Pumpenkammer.
Typische Systeme, die für die Förderung von Flüssigkeiten in Flüssigkeitschromatographieanwendungen bekannt sind, wie diese beispielsweise in dem '409-Patent und außerdem in der US-PS Nr. 5,393,434 beschrieben werden, implementieren Pumpen mit zwei Kolben, die zwei miteinander verbundene Pumpenköpfe aufweisen, die jeweils mit einem sich hin- und herbewegenden Kolben ausgestattet sind. Die Kolben werden mit einer vorbestimmten Phasendifferenz angetrieben, um die Flussvariationen am Ausgang zu minimieren. Die Hublänge und die Hubfrequenz des Kolbens kann unabhängig angepasst werden, wenn die Kolben unabhängig, synchron angetrieben werden. Eine Vollkompression kann in jedem Pumpenzylinder während eines beliebigen gegebenen Pumpenzyklus durchgeführt werden, um in einem Versuch einen im Wesentlichen konstanten Systemdruck und eine im Wesentlichen Flussrate am Ausgang aufrecht zu erhalten. sich veränderte Fluidkompressibilitäten zu berücksichtigen.
Es gibt zwei weitläufig verwendete Mittel, um Gradienten-HPLC-Pumpen herzustellen. Die Lösungsmittel können auf der Eingangsseite der Pumpe vermischt werden. Dies wird als Niedrigdruckgradientenmischung (low pressure gradient mixing) bezeichnet. Die Alternative dazu besteht darin, sogenannte Hochdruckgradientensysteme (high pressure gradient systems) zu verwenden, bei denen ein einzelnes Lösungsmittel von einer getrennten Pumpe gefördert wird.
Die fundamentale Größe aller Formen der Gradientenchromatographie ist das Leerraumvolumen der Trennsäule. Das Leerraumvolumen einer HPLC-Säule ist die Summe des Volumens zwischen den Partikeln der Säule und des Volumens innerhalb der Partikel der Säule, die mit mobiler Phase gefüllt sind. Das Leerraumvolumen ist das minimale Volumen, das erforderlich ist, um einen nicht zurückgehaltenen, gelösten Stoff zu eluieren. Das Gradientenverzögerungsvolumen ist das Volumen der mobilen Phase, die von dem Zeitpunkt, zu dem der Gradient begonnen wird, bis zu dem Zeitpunkt gefördert wird, zu dem die Änderung der Zusammensetzung zum ersten Mal an der Säule ankommt. Das Verzögerungsvolumen ist der volumetrische Überschuss des Gradientenlösungsmittelförderungssystems. Es trägt zu der Zeit bei, die erforderlich ist, die Trennung durchzuführen und die Säule für die nächste Injektion vorzubereiten. Das Verzögerungsvolumen sollte minimiert werden und sollte idealerweise nicht mehr als doppelt so groß wie das Leerraumvolumen der Säule sein.
Wenn zwei oder mehr Hochdruckpumpen kombiniert werden, um ein Gradientenlösungsmittelförderungssystem auszubilden, dann werden deren Ausgänge mit der resultierende Möglichkeit kombiniert, dass eine fluidische Wechselwirkung zwischen den Hochdruckpumpen während ihrer individuellen Kolbenumkehrungen bzw. Kolbenübergänge auftreten kann. Ein bekannter Ansatz, um eine fluidische Wechselwirkung zu vermeiden, besteht in der Verwendung von Pulsdämpfern innerhalb des Gradientenlösungsmittelförderungssystems, wie dies in 1 dargestellt ist.
Wenn individuelle Pulsdämpfer stromaufwärts von dem Ort angeordnet werden, wo sich die Lösungsmittel treffen, und der Gesamtfluss im Verhältnis zu dem Volumen der Pulsdämpfer verhältnismäßig klein ist, dann wird es eine bedeutende Wechselwirkung zwischen den Pumpen geben, da die zwei Pumpen bezüglich ihrer jeweiligen Kolbenübergänge nicht synchron sind. Diese Wechselwirkung tritt auf, da das Fluid, das in dem Offline-Pulsdämpfer enthalten ist, komprimiert werden kann, was diesen zum Pfad niedriger Impedanz für die Online-Pumpe macht. Somit führt diese Anordnung der Pulsdämpfer stromaufwärts zu einer Kompromisslösung bezüglich der Flussrate und der Zusammensetzung. Das Ergebnis dieser fluidischen Wechselwirkung ist in 2 dargestellt, in der die Förderung eines Gradientenmarkierungsstoffes von einem Lösungsmittelförderungssystem gezeigt ist, das wie in 1 gezeigt, mit einer niedrigen Flussrate konfiguriert ist. Wie in 2 dargestellt, sind keine zwei Gradientenförderungen identisch und keine entspricht dem programmierten Gradienten. Dies führt zu unzufriedenstellenden und unvorhersagbaren Trennungen, die nicht reproduzierbar sind.
Gemäß einem alternativen bekannten Ansatz wird ein Kapillarrestriktor bzw. Kapillardrosselung verwendet, um Gegendruck zu erzeugen, um die Pulsdämpfer mit Energie zu versorgen. Eine Kapillare feststehender Länge und Innendurchmessers stellt über einen schmalen bereich von Flussraten hinreichend Gegendruck bereit, um zwar einen Rückfluss einzuschränken, jedoch unglücklicherweise nicht um einen solchen zu verhindern.
Ein weiterer Ansatz hinsichtlich der Verwendung von Pulsdämpfern besteht darin, einen Pulsdämpfer stromabwärts von dem gemeinsamen Mischungs-T-Stück anzuordnen. Obgleich dieser Ansatz bei Gradientensystemen mit großen Volumina nützlich ist, weist er bei kleineren Volumina Probleme auf. Die Positionierung eines Pulsdämpfers nach dem gemeinsamen Mischungs-T-Stück vergrößert das Verzögerungsvolumen innerhalb des Gradientensystems bedeutend. Pulsdämpfer sind für einen spezifischen und beschränkten Flussratenbereich skaliert, da diese üblicherweise einen Flusswiderstand und ein einnehmendes kapazitives Volumen der mobilen Phase kombinieren. Die Erfordernisse einer effektiven Pulsdämpfung und einer Minimierung des Verzögerungsvolumens stehen im Widerspruch zueinander, wenn die Größe des HPLC-Systems hinsichtlich des Säulenvolumens und der volumetrischen Flussrate vermindert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Verbessern der Zusammensetzungsgenauigkeit von Hochdruckgradientenpumpen durch Annäherung eines unendlichen Hubvolumens mit einer Pulsdämpfung für die HPLC bereit, bei der der Rückfluss verhindert wird. Die Rückflussverhinderung gemäß der Erfindung fügt einen hinreichenden minimalen Flusswiderstand hinzu, um somit die Leistung der Pulsdämpfung über einen großen Bereich von Flussraten zu verstärken, was zu einer konsistenten Gradientenleistung führt.
Gemäß der Erfindung stellen Pulsdämpfer zusammen mit Rückflussverhinderungseinrichtungen, die als Rückschlagventile oder Inline-Gegendruckregulatoren ausgestaltet sein können, sicher, dass die gespeicherte mobile Phase während des Förderzyklus komprimiert wird. Wenn eine Rückflussverhinderungseinrichtung mit einem feststehenden minimalen Flusswiderstand verwendet wird, dann ist die Wirksamkeit des Pulsdämpfers im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate. Die Verwendung von Rückflussverhinderungseinrichtungen innerhalb des Gradientensystems stellt sicher, dass die gespeicherte mobile Phase komprimiert wird und mechanische Energie aufweist, um diese beim Kolbenübergang zum System zurückzuführen.
Die Rückflussverhinderungseinrichtungen stellen ferner sicher, dass die Ausgangsrückschlagventile der jeweiligen Pumpenköpfe einen hinreichenden Gegendruck erfahren, was deren korrekte Funktionsweise ermöglicht. Dieser hinreichende Gegendruck ist insbesondere bei Systemen mit niedrigen Flussraten hilfreich, wenn der von der Säule und den Rohren bzw. der Verrohrung erzeugte Gegendruck beschränkt ist. Ferner erlaubt es der Gegendruck, dass die primären Rückschlagventile von einzelnen Pumpen konsistenter funktionieren, da der resultierende Gegendruck den richtigen Sitz des Ausgangsrückschlagventil des Pumpenkopfs sicherstellt, der offline ist.
Die richtige Anordnung einer Rückflussverhinderungseinrichtung gemäß der Erfindung vermindert die fluidische Wechselwirkung, optimiert die Leistung von Inline- Pulsdämpfern und steigert die Leistung der Hochdruckpumpen, wie dies in 3 dargestellt ist, in der die Förderung eines Gradientenmarkers von einem Lösungsmittelförderungssystem dargestellt ist, das mit einer Rückflussverhinderungseinrichtung gemäß der Erfindung konfiguriert ist. Wie in 3 dargestellt, sind die Gradientenförderungen identisch und entsprechen dem programmierten Gradienten.
Vorteilhafterweise fördern individuelle Pumpen einen gleichförmigen Fluss aufgrund der Hinzufügung von geeigneten Pulsdämpfern mit der weiteren Verwendung von Rückflussverhinderungseinrichtungen, die eine fluidische Wechselwirkung zwischen den zwei mobilen Phasen verhindern. Da es sich bei einem Pulsdämpfer um das fluidische Äquivalent eines Tiefpassfilters handelt, treten, wenn ein kleines Hubvolumen mit einem Pulsdämpfer kombiniert wird, die Wechselwirkungsperturbationen bei Frequenzen auf, die stark gedämpft werden. Die Unterschiede zwischen individuellen Pumpenköpfen werden in der Tat durch die Verwendung von Pulsdämpfern gemittelt. Somit stellt die Verwendung von kleinen Hubvolumina mit einer effizienten Pulsdämpfung eine gleichmäßige Mischung von Lösungsmitteln in Hochdruckgradientensystemen bereit.
In einer alternativen illustrativen Ausführungsform wird ein Kapillarrestriktor bzw. Kapillardrosselung verwendet, um Gegendruck zu erzeugen, um die Pulsdämpfer mit Energie zu versorgen. Eine Kapillare feststehender Länge und feststehenden Durchmessers stellt über einen bestimmten Flussratenbereich einen hinreichenden Gegendruck bereit. Die Verwendung eines Kapillarrestriktors in Reihe mit einem Rückschlagventil kann bei Systemen mit konsistenten Flussraten verwendet werden.
In einer weiteren alternativen illustrativen Ausführungsform sind die Rückschlagventile in einem Mischungs-T-Stück enthalten. Diese Ausgestaltung vermindert das Volumen der mobilen Phase innerhalb des Gradientensystems und vermindert daher das Verzögerungsvolumen des Gradientensystems.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich eingehender aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Hochdruckgradientenpumpe (Stand der Technik).
2 stellt Probleme der fluidischen Wechselwirkung bei Hochdruckgradientensystemen (Stand der Technik) dar.
3 zeigt den Effekt des Pumpenübergangs auf die Lösungsmittelzusammensetzung ohne eine Rückflussverhinderung (Stand der Technik).
4 zeigt die Verwendung von Pulsdämpfern zusammen mit Inline-Rückschlagventilen gemäß der Erfindung.
5 stellt den kumulativen Effekt des Pumpenübergangs auf die Lösungsmittelzusammensetzung (Stand der Technik) dar.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Hochdruckgradientenpumpensystems gemäß der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Mischungs-T-Stücks mit integrierten Rückschlagventilen.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines Mischungs-T-Stücks mit integrierten Rückschlagventilen und Gegendruckregulatoren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Detail hinsichtlich chromatographischer Anwendungen beschrieben, wobei man versteht, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenso auf industrielle und prozessuale Steuerungsanwendungen gerichtet sein können.
In 4 wird der Einfluss des Pumpenübergangs auf die Lösungsmittelzusammensetzung dargestellt. In dieser Darstellung beträgt der gesamte Fluss 1 ml/min. Eine erste Pumpe fördert 90% des Flusses oder ungefähr 900 μl/min. Eine zweite Pumpe fördert 10% des Flusses oder ungefähr 100 μl/min. Das Hubvolumen beträgt ungefähr 100 μl bei beiden Pumpen. Es gibt neun Übergänge bzw. Umkehrungen der ersten Pumpe gegenüber einem Übergang der zweiten Pumpe, um die erwünschte Zusammensetzung bereitzustellen. Wenn die erste Pumpe umkehrt, dann gibt es ein Defizit in dem ersten Lösungsmittel von ungefähr 23% hinsichtlich der Flussrate und die Zusammensetzung wird momentan mit dem zweiten Lösungsmittel angereichert. Dieses Defizit wird durch eine erste Kurve 301 dargestellt. Eine zweite Kurve 302 zeigt den Effekt des Verminderns der Größe des Flussratendefizits von ungefähr 23% Flussverlust beim Übergang auf 10% Flussverlust mittels der Verwendung limitierter Pulsdämpfung. Die Zusammensetzungsperturbationen oder das "Rauschen" werden von ungefähr ± 3% des geförderten zweiten Lösungsmittels auf ungefähr ± 1% des geförderten zweiten Lösungsmittels vermindert. Eine weitere Pulsdämpfung gemäß der Erfindung würde das Rauschen der Zusammensetzung weiter vermindern.
Der Einfluss dieses Rauschens der Zusammensetzung auf die Retentionszeiten von Analyten-Peaks hängt stark von dem Grad der Retention des Analyten ab und wird mittels dessen k-Strich-Wert (k') ausgedrückt, wobei es sich um die Anzahl von Säulenvolumina handelt, die dazu nötig sind, um den Analyten aus der Säule zu eluieren. Der k'-Wert wird mittels der folgenden Formel berechnet: k' = (Vr – Vo)/Vo (Formel I),wobei V_r = Retentionsvolumen und V_o = Säulenleerraumvolumen.
Wenn k' klein ist, dann haben Variationen der Zusammensetzung der mobilen Phase nur einen kleinen Einfluss auf das Retentionsvolumen. Wenn k' jedoch groß ist, dann haben kleine Variationen der Zusammensetzung der mobilen Phase einen großen Effekt auf das Retentionsvolumen, da k' exponential proportional zu dem Bruchteil des geförderten zweiten Lösungsmittels ist.
Der kumulative Effekt von Pumpenübergängen auf den Bruchteil des geförderten zweiten Lösungsmittels ist in 5 dargestellt. Der kumulative Fehler in dem Bruchteil des zweiten Lösungsmittels ist stark mit der Größe des Gradientenpulse gekoppelt. Die resultierende Varianz in Retentionszeiten ist stark mit dem Grad an Pulsationen gekoppelt und das Mischerfordernis, das eine gleichförmigere Zusammensetzung sicherstellt, ist direkt mit den augenblicklichen und den kumulativen Fehlern des Bruchteils des zweiten Lösungsmittels gekoppelt. Wenn die Pulsationen gemäß der Erfindung reduziert werden, dann wird die Zusammensetzung inhärent gleichförmiger und es ist ein kleineres Volumen notwendig, um dessen Gleichförmigkeit sicherzustellen.
Wie sich 6 entnehmen lässt, handelt es sich bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um ein Hochdruckgradientensystem, bei dem jedes einzelne Lösungsmittel von einer eigenen Pumpe gefördert wird. Diese beispielhafte Ausführungsform weist eine Förderleitung 101 für ein erstes Lösungsmittel und eine Förderleitung 103 für ein zweites Lösungsmittel auf. Ein erstes Lösungsmittel wird zu einer ersten Pumpe 105 innerhalb der Förderleitung 101 des ersten Lösungsmittels über ein fluidisches T-Stück 104 gefördert. Die erste Pumpe 105 weist einen ersten Kolben 107 und einen zweiten Kolben 109 auf. In dieser beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei der ersten Pumpe 105 um eine Waters HPLC-Pumpe 515, die von der Firma Waters Corporation aus Milford Massachusetts, USA hergestellt wird, wobei es sich um eine fluidische Pumpe mit einer feststehenden Hublänge handelt. Es ist vorstellbar, dass innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung andere bekannte Pumpen verwendet werden können.
Das erste Lösungsmittel wird über die erste Pumpe 105 zu einem Ansaugventil (prime valve) 111 gefördert, wie beispielsweise Waters P/N WAT 207085, Waters Corporation, Milford, Massachusetts, das gleichfalls als ein fluidisches T-Stück wirkt, das die Ausgabe von dem ersten Kolben 107 und dem zweiten Kolben 109 empfängt. Das erste Lösungsmittel wird an einen ersten Pulsdämpfer 112 gefördert. Der erste Pulsdämpfer 112, bei dem es sich in dieser beispielhaften Ausführungsform um ein Modell Waters Hochdruckfilter P/N WAT207072, Waters Corporation, Milford, Massachusetts handelt, ist ein fluidischer Tiefpassfilter, der Flussratenperturbation innerhalb der Förderleitung des ersten Lösungsmittels minimiert. Es ist vorstellbar, dass innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung andere Pulsdämpfer verwendet werden können, die dem Fachmann bekannt sind.
Das erste Lösungsmittel wird durch den ersten Pulsdämpfer 112 gepumpt und wird an eine erste Rückflussverhinderungseinrichtung 114 gefördert. Die erste Rückflussverhinderungseinrichtung 114, bei der es sich in dieser beispielhaften Ausführungsform um ein Upchurch Modell U-609 handelt, das von der Firma Upchurch Scientific, Oak Harbor, Washington, USA vertrieben wird, hat einen bekannten Widerstand gegen Flusskräfte, der eine Belastung auf den ersten Pulsdämpfer 112 bewirkt, was eine konsistente Funktionsweise des ersten Pulsdämpfers 112 sicherstellt. Dieser Flusswiderstand kann im Bereich von ungefähr 0 bis 2000 psi liegen und in dieser ersten beispielhaften Ausführungsform beträgt der Widerstand ungefähr 250 psi.
Die erste Rückflussverhinderungseinrichtung 114 steht in fluider Kommunikation mit einem gemeinsamen Mischungs-T-Stück 116, das das erste Lösungsmittel durch einen Druckwandler 118 und in ein Lüftungsventil (vent valve) 119 lenkt, wie beispielsweise das Modell Rheodyne 7033 von der Firma Rheodyne, LP., Rohnert Park, Kalifornien, USA. Das Lüftungsventil 119 lenkt das erste Lösungsmittel zu einem Injektor und einer Chromatographiesäule 120.
Ein zweites Lösungsmittel wird zu einer zweiten Pumpe 122 innerhalb der Förderleitung 103 des zweiten Lösungsmittels über ein zweites fluidisches T-Stück 124 gefördert. Die zweite Pumpe 122 weist einen ersten Kolben 124 und einen zweiten Kolben 126 auf. In dieser beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei der zweiten Pumpe 122 um eine Waters Modell 515 HPLC-Pumpe, Waters Corporation Milford Massachusetts, USA, wobei es sich um eine fluidische Pumpe mit einer feststehenden Hublänge handelt. Es ist vorstellbar, dass innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung andere bekannte Pumpen verwendet werden können.
Das zweite Lösungsmittel wird über die zweite Pumpe 122 zu dem zweiten Ansaugventil 128 gefördert, wie beispielsweise das Modell Waters P/N WAT 207085, Waters Corporation, Milford, Massachusetts, USA, das gleichfalls als ein fluidisches T-Stück funktioniert, das den Ausgang von dem ersten Kolben 124 und dem zweiten Kolben 126 empfängt. Das zweite Lösungsmittel wird an einen zweiten Pulsdämpfer 130 gefördert. Der zweite Pulsdämpfer 130 stellt einen fluidischen Tiefpassfilter bereit, der Flussratenperturbationen innerhalb der Förderleitung des zweiten Lösungsmittels minimiert. Das zweite Lösungsmittel wird zu einer zweiten Rückflussverhinderungseinrichtung 132 gepumpt. Die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 132 weist einen bekannten Widerstand gegenüber Flusskräften auf, die eine Druckbelastung auf den zweiten Pulsdämpfer 130 bewirken, um somit eine konsistente Funktion des zweiten Pulsdämpfers 130 sicherzustellen. Dieser Flusswiderstand kann im Bereich von 0 bis 2000 psi liegen und beträgt in dieser ersten beispielhaften Ausführungsform ungefähr 250 psi.
Die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 132 steht in fluider Kommunikation mit dem gemeinsamen Mischungs-T-Stück 116, das das erste Lösungsmittel durch den Druckwandler 118 und in das Lüftungsventil 119 lenkt, sowie das zweite Lösungsmittel 102 durch den Druckwandler 118 und in das Lüftungsventil 119. Das Lüftungsventil 119, wie beispielsweise ein Modell Rheodyne 7033 der Firma Rheodyne, LP., Rohnert Park, Kalifornien, USA, lenkt das erste Lösungsmittel 101 und das zweite Lösungsmittel 102 zu der Chromatographiesäule 120.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die erste Rückflussverhinderungseinrichtung und die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung in der Struktur des Mischungs-T-Stücks enthalten, um das Systemvolumen zu minimieren. Wie sich 7 entnehmen lässt, weist das gemeinsame Mischungs-T-Stück 201 eine erste Rückflussverhinderungseinrichtung 203 und eine zweite Rückfluss verhinderungseinrichtung 205 auf, die in der Struktur des Mischungs-T-Stücks 201 enthalten sind. Das Mischungs-T-Stück 201 weist einen ersten Einlassanschluss 207 auf, in dem die erste Rückflussverhinderungseinrichtung 203 enthalten ist, einen zweiten Einlassanschluss 215, in dem die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 205 enthalten ist, sowie einen Auslassanschluss 214, in den Fluidfluss von dem ersten Einlassanschluss 207 und dem zweiten Einlassanschluss 215 gerichtet ist.
Die erste Rückflussverhinderungseinrichtung 203 weist ein erstes Kugellager 211 auf, das innerhalb eines ersten Rückschlagventilkörpers 220 untergebracht ist. Das erste Kugellager 211 sitzt in einem ersten Rückschlagventilsitz 213. Das erste Kugellager 211 ist aus Materialien hergestellt, die hinsichtlich der Lösungsmittel des Systems inert sind, wie beispielsweise Saphir und Keramik oder dergleichen. Das erste Kugellager 211 ist in einer ersten Rückschlagventilkassettengehäusekomponente 221 auf eine Art und Weise untergebracht, die lediglich einen Vorwärtsfluss des Fluids erlaubt. Die erste Rückschlagventilkassettengehäusekomponente 221 umfasst ein Deckenteil 222 und ein Bodenteil 224, wodurch der erste Rückschlagventilsitz 213 ausgebildet wird.
Die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 205 weist ein zweites Kugellager 217 auf, das innerhalb eines zweiten Rückschlagventilkörpers 223 untergebracht ist. Das zweite Kugellager 217 sitzt in einem zweiten Rückschlagventilsitz 218. Das zweite Kugellager 217 ist aus Materialien hergestellt, die hinsichtlich der Lösungsmittel des Systems inert sind, wie beispielsweise Saphir und Keramik oder dergleichen. Das zweite Kugellager 217 ist in einer zweiten Rückschlagventilkassettengehäusekomponente 227 auf eine Art und Weise untergebracht, die lediglich einen Vorwärtsfluss des Fluids erlaubt. Die zweite Rückschlagventilkassettengehäusekomponente 227 umfasst ein Deckenteil 229 und ein Bodenteil 226, wodurch der zweite Rückschlagventilsitz 218 ausgebildet wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die erste Rückflussverhinderungseinrichtung und die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung in der Struktur des Mischungs-T-Stücks enthalten, um das Systemvolumen auf ein Mindestmaß zu beschränken. Wie sich 8 entnehmen lässt, weist das gemeinsame Mischungs-T-Stück 301 eine erste Rückflussverhinderungseinrichtung 303 und eine zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 305 auf, die in der Struktur des Mischungs-T-Stücks 301 enthalten sind. Das Mischungs-T-Stück 301 weist einen ersten Einlassanschluss 307 auf, in dem die erste Rückflussverhinderungseinrichtung 303 enthalten ist, einen zweiten Einlassanschluss 315, in dem die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 305 enthalten ist, sowie einen Auslassanschluss 314, in den Fluidfluss von dem ersten Einlassanschluss 307 und dem zweiten Einlassanschluss 315 gelenkt wird.
Die erste Rückflussverhinderungseinrichtung 303 weist eine Spulenfeder 309 auf, die Druck auf einen ersten Aktuator 311 ausübt. Der erste Aktuator 311 ist in einer ersten Ventilöffnung 313 untergebracht. Die gewählte Spulenfeder 309 stellt dem Fluss einen bestimmten Widerstand entgegen, indem ein Druck gegen den ersten Aktuator aufgebracht wird, um somit die erste Ventilöffnung 313 abzudichten, bis der Flusswiderstand überschritten wird.
Die zweite Rückflussverhinderungseinrichtung 305 weist eine Spulenfeder 316 auf, die Druck auf einen zweiten Aktuator 317 ausübt. Der zweite Aktuator 317 sitzt in einer zweiten Ventilöffnung 318. Wiederum stellt die gewählte Spulenfeder 316 einen bestimmten Flusswiderstand bereit, indem Druck auf den zweiten Aktuator 317 ausgeübt wird, um somit die zweite Ventilöffnung 318 abzudichten, bis der Flusswiderstand überschritten wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind die Pulsdämpfer innerhalb der fluidischen Lösungsmittelförderleitungen aus einem Bereich von Kapillarröhren ausgestaltet, deren Länge und Durchmesser optimiert sind, um das notwendige Volumen innerhalb der Kapillarröhren bereitzustellen, um Flussratenperturbationen auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Obgleich das chromatographische Pumpensystem, das in den beispielhaften Ausführungsformen hier beschrieben wird, ausgestaltet ist, zwei getrennte Lösungsmittelquellen aufzuweisen, sollte erkannt werden, dass Lösungsmittelfördersysteme für ein Lösungsmittel oder für mehr als zwei Lösungsmittel, wie diese bekannt sind, implementiert werden können.
Obgleich das chromatographische Pumpensystem, das in der beispielhaften Ausführungsform hier beschrieben worden ist, ausgestaltet ist, herkömmliche Aktuatoren und Rückflussverhinderungseinrichtungen aus Federn aufzuweisen, sollte erkannt werden, dass andere Rückflussverhinderungseinrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden können.
Vorstehend sind spezifische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden. Die vorliegende Offenbarung ist hinsichtlich ihres Umfangs nicht durch die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, die als spezifische Illustrationen von individuellen Aspekten der Offenbarung gedacht sind. Äquivalente Verfahren und Komponenten liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung. In der Tat erlaubt die vorliegende Offenbarung zahlreiche weitere Modifikationen der beispielhaften Ausführungsformen, die sich dem Fachmann ohne Weiteres ergeben. Derartige Modifikationen liegen innerhalb des Umfangs der nachstehenden Ansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Gradientenleistung bei Hochdruckgradientenlösungsmittelfördersystemen wird durch die Annäherung an ein unendliches Hubvolumen von Hochdruckpumpen (105, 122) durch das Hinzufügen von Pulsdämpfung mit Rückflussverhinderung zu jeder Hochdruckpumpe (105, 122) optimiert. Die Rückflussverhinderung stellt einen hinreichenden minimalen Flusswiderstand bereit, um somit die Leistung der Pulsdämpfung über einen größeren Bereich von Flussraten zu verbessern, was zu einer konsistenten Gradientenleistung führt.

Claims

Verfahren zum Verbessern der Zusammensetzungsgenauigkeit von Hochdruckgradientenpumpen für die Hochdruckflüssigkeitschromatographie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer ersten Lösungsmittelleitung mit einem ersten Satz von Pumpen und einer zweiten Lösungsmittelleitung mit einem zweiten Satz von Pumpen, wobei der erste Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem ersten Lösungsmittelreservoir steht und der zweite Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem zweiten Lösungsmittelreservoir steht, Verbinden des ersten Satzes von Pumpen mit einem ersten Pulsdämpfer und Verbinden des zweiten Satzes von Pumpen mit einem zweiten Pulsdämpfer, wobei der erste Pulsdämpfer in fluider Kommunikation mit einer ersten Rückflussverhinderungseinrichtung steht und der zweite Pulsdämpfer in fluider Kommunikation mit einer zweiten Rückflussverhinderungseinrichtung steht, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen im Wesentlichen die fluidische Wechselwirkung zwischen den Lösungsmittelleitungen vermindern, Verbinden der Rückflussverhinderungseinrichtungen mit einem Mischungs-T-Stück, um Lösungsmittelzusammensetzung zu fördern.
Verfahren zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 1, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen die Zusammensetzungsgenauigkeit verbessern.
Verfahren zur Rückflussverhinderung nach Anspruch 1, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen eine genaue Zusammensetzungsförderung bei Flussraten erlauben, die wesentlich kleiner als die Volumina der Pulsdämpfer sind.
Verfahren zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 1, wobei die Rückflussregulierungseinrichtungen eine genaue Zusammensetzungsförderung bei Flussraten erlauben, die im Wesentlichen den verdrängten Volumina von jeder Pumpenkammer der Pumpen entsprechen.
Verfahren zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 1, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen in dem Mischungs-T-Stück enthalten sind, um das Verzögerungsvolumen zu vermindern.
Verfahren zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 5, wobei die enthaltenen Rückflussverhinderungseinrichtungen Rückflussregulatoren enthalten.
Verfahren zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst, Gegendruckregulatoren bereitzustellen, die einen gewählten feststehenden Widerstand aufweisen, wobei der gewählte feststehende Widerstand sicherstellt, dass die Pulsdämpfer effizient mit konsistenter Leistung der primären Rückschlagventile der Pumpen arbeiten.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung, umfassend: einen ersten Satz von Pumpen und einen zweiten Satz von Pumpen, wobei der erste Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem ersten Spülventil steht und der zweite Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem zweiten Spülventil steht, einen ersten Pulsdämpfer und einen zweiten Pulsdämpfer, wobei der erste Pulsdämpfer in fluider Kommunikation mit einer ersten Rückflussverhinderungseinrichtung steht und der zweite Pulsdämpfer in fluider Kommunikation mit einer zweiten Rückflussverhinderungseinrichtung steht, ein Mischungs-T-Stück, wobei das Mischungs-T-Stück in fluider Kommunikation mit den Rückflussverhinderungseinrichtungen steht und in fluider Kommunikation mit einem Lüftungsventil steht, wobei das Lüftungsventil in fluider Kommunikation mit einer Chromatographiesäule steht.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 8, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen Gegendruckregulatoren aufweisen, die einen gewählten feststehenden Widerstand aufweisen, wobei der gewählte feststehende Widerstand sicherstellt, dass die Pulsdämpfer effzient mit konsistenter Leistung der primären Rückschlagventile der Pumpe arbeiten.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 8, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen die Genauigkeit der Zusammensetzungsförderung verbessern.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung gemäß Anspruch 8, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen eine genaue Zusammensetzungsförderung bei Flussraten erlauben, die im Wesentlichen den verdrängten Volumina von jeder Pumpenkammer der Pumpen entsprechen.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung nach Anspruch 8, wobei die Rückflussregulatoren in dem Mischungs-T-Stück enthalten sind, um das Verzögerungsvolumen zu vermindern.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung nach Anspruch 8, wobei die enthaltenen Rückflussverhinderungseinrichtungen Gegendruckregulatoren aufweisen.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung nach Anspruch 8, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen eine genaue Zusammensetzungsförderung bei Flussraten erlauben, die im Wesentlichen kleiner als die Volumina der Pulsdämpfer sind.
Vorrichtung zur Rückflussverhinderung nach Anspruch 8, wobei die Pulsdämpfer Pumpenpulsationen reduzieren und somit das volumetrische Erfordernis für eine effektive Lösungsmittelmischung vermindern, was die Verwendung von Hochdruckgradientensystemen in Chromatographiesäulen mit kleinerem Volumen erlaubt.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung, umfassend: einen ersten Satz von Pumpen innerhalb einer ersten Lösungsmittelförderleitung und einen zweiten Satz von Pumpen innerhalb einer zweiten Lösungsmittelförderleitung, wobei der erste Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem ersten Lösungsmittelreservoir steht und der zweite Satz von Pumpen in fluider Kommunikation mit einem zweiten Lösungsmittelreservoir steht, Mittel zum Pulsdämpfen, sodass Flussratenperturbationen, die von dem ersten Satz von Pumpen und dem zweiten Satz von Pumpen erzeugt werden, reduziert werden und Mittel zur Rückflussverhinderung, sodass eine fluidische Wechselwirkung zwischen den Lösungsmittelförderleitungen eliminiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung ferner Mittel für die Gegendruckregulierung umfasst.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung, umfassend: ein Mischungs-T-Stück mit einem Auslassanschluss, einem ersten Einlassanschluss und einem zweiten Einlassanschluss und einer Rückflussverhinderungseinrichtung, die in dem ersten und dem zweiten Einlassanschluss enthalten ist, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen eine ausgewählte Federspule sowie einen Aktuator aufweisen, der innerhalb eines Ventilsitzes sitzt, wobei die ausgewählte Federspule einen ausgewählten Druck auf den Aktuator ausübt.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung nach Anspruch 18, wobei der ausgewählte Druck im Bereich von 0 bis 2000 psi liegt.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Enthaltensein das Systemvolumen vermindert.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen einen ausgewählten feststehenden Widerstand aufweisen, wobei der ausgewählte feststehende Widerstand sicherstellt, dass Pulsdämpfer innerhalb eines Chromatographiesystems effizient mit konsistenter Leistung von primären Rückschlagventilen von Systempumpen arbeiten.
Hochdruckflüssigkeitschromatographievorrichtung, umfassend: ein Mischungs-T-Stück mit einem Auslassanschluss, einem ersten Einlassanschluss und einem zweiten Einlassanschluss und Rückflussverhinderungseinrichtungen, die innerhalb des ersten und des zweiten Einlassanschlusses enthalten sind, wobei die Rückflussverhinderungseinrichtungen ein Kugellager aufweisen, das innerhalb eines Ventilsit zes sitzt, wobei das Kugellager den Fluidfluss in eine Vorwärtsrichtung beschränkt.