CH698607B1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Probenvorbereitung für chromatographische Analysen. - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur automatischen Probenvorbereitung für die chromatographische Analyse beinhaltend einen Roboter (1) mit Dosier- und Pipettier-Funktionen für Flüssigkeiten (4), eine Waage (6) sowie eine Mahl- und Extraktionseinrichtung (3) mit zugehöriger Lagereinrichtung (2) für die Mahl- und Extraktionsgefässe (11). Die Vorrichtung (1) erlaubt eine gleichzeitige oder nacheinander ablaufende Zerkleinerung und Extraktion des Analyten in einem geschlossenen Gefäss (11), wobei die Zerkleinerung des Analyten mit einer Mahlkugel (12) in der Mahl- und Extraktionseinrichtung (3) erfolgt. Das Verfahren zur automatischen Probenvorbereitung für die chromatographische Analyse mit der erfindungsgemässen Vorrichtung erfolgt in einzelnen, von einem Roboter ausgeführten Schritten vom Einfüllen des Testsubstanz, dem Zerkleinern der Testsubstanz bis zum Abfüllen der Extraktionslösung für die chromatographische Analyse.

Description

  [0001]    Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von automatischen Probenvorbereitungen für chromatographische Analysen.

  

[0002]    Die chromatographische Analyse ist eine wichtige Analysenmethode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Substanzen, Mischungen, Formulierungen. Sie basiert auf dem Prinzip einer Stofftrennung zwischen einer stationären und einer mobilen Phase und anschliessender Erfassung der aufgetrennten Komponenten mit einem geeigneten Detektor. Bevor eine Analysenprobe chromatographisch untersucht werden kann, ist in der Regel eine Probenvorbereitung notwendig. Dabei wird die zu untersuchende Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel und entsprechender Konzentration gelöst. Dieser Vorgang kann abhängig von der Art der Probe mehrere Schritte beinhalten.

   Für pharmazeutische Formulierungen, welche als Tabletten vorliegen, beinhaltet die Probenvorbereitung in der Regel ein Zerkleinern oder Mahlen der Probe, anschliessend eine Extraktion der Wirksubstanz mit einem geeigneten Lösungsmittel und schliesslich eine Abtrennung der Lösung von ungelösten Anteilen durch Filtration oder Zentrifugieren. In vielen Fällen wird die chromatographische Probenvorbereitung manuell oder halbautomatisch von einer Fachperson, beispielsweise einem Laboranten, durchgeführt. Es sind aber bereits verschiedene Systeme entwickelt worden, welche eine automatische Probenvorbereitung ermöglichen.

  

[0003]    Beispielsweise hat die Firma Caliperls einen unter dem Namen "Prelude" vertriebenen Laborroboter zur automatisierten chromatographischen Probenvorbereitung entwickelt. Dieser Roboter basiert auf einer Extraktion der zu untersuchenden Verbindungen bzw. Wirkstoffen nach allenfalls notwendiger Nasszerkleinerung der Probe mittels eines Dispergators oder einer Ultraschallsonde. Nach erfolgter Extraktion schliesst der Roboter die Probenvorbereitung durch Filtration und Verdünnung der Lösung ab. Die notwendige Präzision und Kontrolle der einzelnen Schritte wird durch die Betriebssoftware und die Verwendung von geeigneten Dosierwerkzeugen und Waagen sichergestellt.

  

[0004]    Ein anderes automatisches Probenvorbereitungssystem wird von Zinsser-Analytik angeboten. Bei diesem Roboter kann die Extraktion in der Probenvorbereitung ebenfalls durch die Verwendung einer Ultraschallsonde oder eines Vortexers unterstützt werden. Nach der Extraktion werden verbleibende feste Bestandteile durch Filtration automatisch abgetrennt, die filtrierte Lösung falls notwendig verdünnt und die Probevorbereitung durch Füllen eines Chromatographie-Probegläschen abgeschlossen.

  

[0005]    Die Unterstützung der Extraktion mit Ultraschallsonden oder Dispergatoren hat verschiedene Nachteile. So kann die Zerkleinerung von Proben mittels Dispergatoren nur im Lösungsmittel als Nassmahlung erfolgen. Aufgrund der Komplexität der Werkzeuge müssen für verschiedene Proben jeweils die gleichen Werkzeuge verwendet werden. Auch wenn diese zwischen den einzelnen Proben jeweils an einer automatischen Waschstation gereinigt werden, besteht prinzipiell das Risiko einer Verschleppung des Analyten von einer Probe in die nachfolgende. Zudem stellen diese Werkzeuge Anforderungen an die Konsistenz der Probe. So sind beispielsweise die stationär montierten Dispergatoren und Ultraschallsonden wenig geeignet, um die Extraktion des Analyten aus eine cremigen, gelartigen oder elastischen Matrix zu unterstützen oder grosse Tabletten zu zerkleinern.

   Ein zusätzlicher Nachteil von Ultraschallsonden ist, dass sich in vielen Fällen der Analyt durch den Ultraschall zum Teil chemisch zersetzt, wodurch die Analysenergebnisse verfälscht werden können.

  

[0006]    Wesentlich geringere Anforderungen an die Beschaffenheit der Probe stellen mit Mahlkugeln arbeitende Mühlen. Bei diesen Mühlen werden Mahlkugeln in einem geeigneten Gefäss mechanisch bewegt und bewirken durch Reib- und Prallkräfte ein Zerkleinern der Probe. Solche Mühlen werden bei der manuellen Probenvorbereitung zur Durchführung der Zerkleinerung und schonenden Extraktion des Analyten verwendet, wobei die Zerkleinerung trocken, im Lösungsmittel oder gar in flüssigem Stickstoff durchgeführt werden kann. Letzteres ermöglicht die Zerkleinerung von elastischen Materialien, da diese bei tiefen Temperaturen meist spröde werden.

  

[0007]    Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur vollautomatischen Probenvorbereitung bereitzustellen, bei dem eine vorteilhafte Kugelmühle in ein vollautomatisches System integriert ist, und die oben genannten Nachteile der bisherigen automatisierten Systeme überwindet.

  

[0008]    Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur automatischen Probenvorbereitung für die chromatographische Analyse gelöst, welche einen Roboter mit Dosier- und Pipettier-Funktionen für Flüssigkeiten, eine Waage sowie eine Mahl- und Extraktionseinrichtung mit zugehöriger Lagereinrichtung für die Mahl- und Extraktionsgefässe beinhaltet.

  

[0009]    Weiter wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur automatischen Probenvorbereitung für die chromatographische Analyse mit den kennzeichnenden Verfahrensschritten des Anspruchs 7 gelöst.

  

[0010]    Weitere Vorteile der Erfindung folgen aus den abhängigen Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher die Erfindung anhand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert wird.

  

[0011]    Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>den schematischen Aufbau der Vorrichtung von oben gesehen;


  <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung des Mahl- und Extraktionsgefässes.

  

[0012]    In den Figuren sind für dieselben Elemente jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet worden und erstmalige Erklärungen betreffen alle Figuren, wenn nicht ausdrücklich anders erwähnt.

  

[0013]    Die Fig. 1 zeigt den von oben gesehenen schematischen Aufbau einer beispielsweisen Ausführung eines computergesteuerten Automaten zur Vorbereitung von Proben für die chromatographische Analyse. Diese Vorrichtung beinhaltet einen Transportroboter 1, eine Lagereinrichtung 2 für Mahl- und Extraktionsgefässe sowie für Analysengefässe, die in der Figur nicht dargestellt sind, weiter Mahl- und Extraktionsgefässe 11, eine Mahl- und Extraktionseinrichtung 3, eine Flüssigdosier-und Pipettiereinrichtung 4, eine Waage 6, eine Abfüllstation für Chromatographieprobegefässe oder ein Injektionssystem für Chromatographiesysteme 7. Als Option ist ein Dosiersystem zur kontrollierten Abgabe von festen Substanzen 8 vorgesehen. Je nach Anwendung beinhaltet die Vorrichtung auch eine zusätzliche Zentrifugier- oder Filtrationseinrichtung 5.

   Die Gefässe und Einrichtungen innerhalb der Vorrichtung sind derart angeordnet, dass sie vom Transportroboter 1 erreichbar und bedienbar, und die Vorbereitung der Proben Schritt für Schritt automatisch vom Roboter durchführbar sind.

  

[0014]    Die Fig. 2 zeigt die Mahl- und Extraktionseinrichtung 3. Diese Mahl- und Extraktionseinrichtung ist ein nach dem Prinzip einer Kugelmühle arbeitendes Kugelmahlwerk. Sie beinhaltet einen Schwingungsantrieb 13, das Mahl- und Extraktionsgefäss 11, einen Verschluss 10 für das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 und eine Anpressvorrichtung 9. Die Anpressvorrichtung 9 drückt das mit dem Verschluss 10 dicht abgeschlossene Gefäss 11 gegen den Schwingungsantrieb 13. Der Verschluss 10 beinhaltet ein Septum, durch das mit einer spitzen Nadel Flüssigkeit in das verschlossene Gefäss 11 dosiert eingebracht oder vom Gefäss 11 entnommen werden kann. Das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 ist vorteilsweise aus Stahl oder Achat gefertigt. Im Inneren befindet sich die Mahlkugel 12.

   Die mit dem Schwingungsantrieb 13 erzeugten mechanischen Rüttelbewegungen bewirken ein Zerkleinern der Testsubstanz im Mahl- und Extraktionsgefäss 11.

  

[0015]    Das Prinzip der erfindungsgemässen Vorrichtung basiert auf einer gleichzeitigen oder nacheinander ablaufenden Zerkleinerung und Extraktion des Analyten in einem geschlossenen Gefäss 11, wobei die Zerkleinerung des Analyten mit einer Mahlkugel 12 im Extraktionsgefäss 11 der Mahl- und Extraktionseinrichtung 3 trocken oder nass erfolgt.

  

[0016]    Zur Durchführung der Probenvorbereitung bei der nacheinander ablaufenden Zerkleinerung und Extraktion wird die Analysenprobe, also die zu testende Substanz manuell oder mit Hilfe der optionalen Feststoffdosierung 8 in eine Mahlkugel 12 beinhaltendes Mahl- und Extraktionsgefäss 11 gebracht. Anschliessend setzt der Transportroboter 1 den Verschluss 10 auf das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 und positioniert das verschlossene Gefäss 11 auf den Schwingungsantrieb 13 der Mahl-und Extraktionseinrichtung 3. Zur Zerkleinerung der Analysenprobe wird nun das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 zum Schwingen gebracht. Die Schwingungen werden auf die Mahlkugel 12 übertragen und die im Gefäss 11 schwingende Mahlkugel 12 zerkleinert die Analysenprobe.

   Im einfachsten Anwendungsbeispiel wird danach vom Transportroboter das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 geöffnet und eine Probe entnommen. Bei einer weiteren Anwendung transportiert nach Abschluss der Zerkleinerung der Transportroboter 1 das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 zur Flüssigdosier- und Pipettiereinrichtung 4, wo eine definierte Menge Lösungsmittel zur Extraktion der Testsubstanz zugegeben wird. Anschliessend positioniert der Transportroboter 1 das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 erneut auf dem Schwingungsantrieb 13 der Mahl- und Extraktionseinrichtung 3. Die im Mahl- und Extraktionsgefäss 11 schwingende Kugel 12 vermischt die Testsubstanz mit dem Lösungsmittel und gewährleistet so ein schonendes Herauslösen des Analyten aus der Probenmatrix.

   Nach beendeter Extraktion wird das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 wieder zur Flüssigdosier- und Pipettiereinrichtung 4 transportiert, wo ein Teil der Extraktionslösung entnommen und in ein Analysengefäss überführt wird. Dieses wird anschliessend auf die Filtration- oder Zentrifugiereinrichtung 5 transportiert, wo die Extraktionslösung von ungelösten Anteilen abgetrennt wird. Die geklärte Lösung wird, sofern notwendig, auf der Flüssigdosier- und Pipettiereinrichtung 4 verdünnt und anschliessend entweder in ein geeignetes Gefäss zur weiteren Analyse abgefüllt oder über ein Injektionssystem direkt der chromatographischen Analyse zugeführt. Das gebrauchte Mahl- und Extraktionsgefäss wird vom Transportroboter 1 zurück auf die Lagereinrichtung 2 gestellt.

  

[0017]    Für die nächste Probe wird ein neues Mahl- und Extraktionsgefäss 11 verwendet, wodurch sichergestellt ist, dass durch die Zerkleinerung und Extraktion keine Verschleppung von Analyten von einer Probe in die nachfolgende stattfinden kann. Nach Abschluss aller Probenvorbereitungen wird der in den Mahl- und Extraktionsgefässen verbleibende Teil entsorgt und die Gefässe 11 gereinigt. Die notwendige Präzision und Kontrolle der Flüssigkeitsvolumen und Probemengen wird durch automatische, softwaregesteuerte Gewichtskontrolle sichergestellt, wobei der Transportroboter 1 das Mahl- und Extraktionsgefäss 11 bzw. das Analysengefäss zwischen den einzelnen Arbeitsschritten zusätzlich auf der Waage positioniert und durch die Verwendung von präzisen Flüssigdosier- und Flüssigpipettiereinrichtungen die korrekte Dosierung der Flüssigkeiten vornimmt.

  

[0018]    Die Durchführung der Probenvorbereitung bei der gleichzeitig ablaufenden Zerkleinerung und Extraktion erfolgt analog der oben beschriebenen mit dem Unterschied, dass die Extraktionsflüssigkeit bereits vor der Probenzerkleinerung zugegeben wird.

  

[0019]    Der Ablauf der Probenvorbereitung erfolgt softwaregesteuert und läuft somit automatisch ab. Es können einzelne Verfahrensschritte nach Bedarf durch eine entsprechende Softwareanpassung hinzugefügt, in der Abfolge geändert oder auch ausgelassen werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur automatischen Probenvorbereitung für die chromatographische Analyse beinhaltend

- einen Roboter (1) mit Dosier- und Pipettier-Funktionen für Flüssigkeiten (4),

- eine Waage (6),

- eine Lagereinrichtung (2) für Mahl- und Extraktionsgefässe (11) sowie

- eine Mahl- und Extraktionseinrichtung (3) mit

- einen Schwingungsantrieb (13), einem Mahl- und Extraktionsgefäss (11),

- einen Verschluss (10) für das Mahl- und Extraktionsgefäss (11) und

- eine Anpressvorrichtung (9).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich eine Dosiereinrichtung zur kontrollierten Abgabe von festen Substanzen (8) beinhaltet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Zentrifugier- oder Filtrationseinrichtung (5) beinhaltet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahl- und Extraktionseinrichtung (3) ein auf dem Kugelmühlenprinzip arbeitendes Mahlwerk ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahl- und Extraktionsgefäss (11) aus Stahl gefertigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahl- und Extraktionsgefäss (11) aus Achat gefertigt ist.

7. Verfahren zur automatischen Probenvorbereitung für die chromatographische Analyse mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

- Einfüllen der Testsubstanz in das Mahl- und Extraktionsgefäss,

- Zugabe eines Lösungsmittels,

- Verschliessen des Mahl- und Extraktionsgefässes,

- Zerkleinern der Testsubstanz,

- Öffnen des Mahl- und Extraktionsgefässes,

- Entnahme einer Probe der Extraktionslösung,

- Abfüllen der Extraktionslösung oder chromatographische Analyse der Extraktionslösung.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschliessen des Mahl- und Extraktionsgefässes das Lösungsmittel eingefüllt wird, so dass gleichzeitig mit dem Zerkleinern der Testsubstanz der Analyt extrahiert wird, und dass nach der Entnahme der Probe der Extraktionslösung diese zur Klärung filtriert oder zentrifugiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abfüllen der Extraktionslösung die Extraktionslösung verdünnt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zerkleinern der Testsubstanz das Mahl- und Extraktionsgefäss geöffnet, ein Lösungsmittel zugegeben wird und weiter folgende Schritte der Reihe nach ausgeführt werden:

- Verschliessen des Mahl- und Extraktionsgefässes,

- Extrahieren des Analyten aus der Testsubstanz,

- Öffnen des Mahl- und Extraktionsgefässes und Entnahme der Extraktionslösung,

- Klärung der Extraktionslösung durch Filtration oder Zentrifugieren, Abfüllen der Extraktionslösung oder chromatographische Analyse der Extraktionslösung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abfüllen der Extraktionslösung die Extraktionslösung verdünnt wird.