CN101238366B - 用于色谱柱的自动填充系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种柱填充系统，包括：具有软件的控制单元，用于监测柱内压力和/或流经柱的流量，以便计算可移动的适配器与柱床介质的压实柱床进行接触的断点。所计算的断点经由控制单元确定可移动的适配器如何在柱内作进一步移动，从而获得所需要的柱床压缩量。

Description

用于色谱柱的自动填充系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于色谱柱的介质填充系统和在色谱柱内使用的介质填充方法。更准确地说，本发明涉及将色谱介质填充入色谱柱的填充装置和方法的改进。

背景技术

用于液相色谱的柱典型地包含封装有多孔层析介质的管状主体，载液流经多孔层析介质，用于在载液与多孔介质固相之间进行分离。典型地是，多孔介质以填充床的形式封装在柱内，典型地是通过离散微粒固化形成，已知的是将料浆进行泵送或者注入或者吸入柱内，并且通常是从一端进行上述操作。

料浆固化为填充柱床是通过料浆的压缩取得的，以便使其填充的体积小于如果是仅在重力的作用下经沉积而形成的沉积柱床所占据的体积。随后色谱分离的效率强烈依赖于填充床的液相进口和出口处的液相分配和收集系统。如果压缩柱床的压缩过低，则色谱分离的进行将承受“尾部效应”。如果压缩柱床的压缩过高，则色谱分离的进行将承受“头部效应”。如果进行最优的压缩，在分离过程中的分离顶点既不会出现头部，也不会出现尾部，而基本上是平衡的。柱所需要的的最佳程度压缩是根据柱大小(宽度或者直径)、床高度和床介质，通过实验确定的。

在任何分离过程之前，柱床毫无疑问是从准备将要被引入柱内的料浆颗粒开始。柱床的形成过程被称为“填充过程”，并且恰当的填充床是影响的包含填充柱床的柱的性能的关键因素。填充过程的目标在于提供经过最优量压缩(最优的压缩系数)的压缩床。柱床经最优压缩的高度称为目标压缩柱床高度。大规模的柱优选的是经由中心料浆喷口将具有指定的介质颗粒浓度的料浆注入柱内。一旦预定用量的料浆已经注入柱内，可以通过沿纵轴朝柱的底部向下移动可移动的适配器从而进行压缩，通常压缩以等速进行，例如：1厘米/分钟。在此过程中，过多的液体从柱出口排出，而颗粒通过过滤材料得到保留，过滤材料被称为“柱床支承”，并且其孔小得致使颗粒不能穿过。一旦填充床经过最优量的压缩，填充过程就完成了。如果压缩柱床具有以分布在柱床上的驻留时间计量的良好且坚固的色谱性能，就认为填充过程获得了成功。

然而，在在实践中生产出此种经最优化压缩的柱床是不容易的。柱床的填充至今被认为是一种技艺，而非是一门科学，并且最终填充床的品质也依赖于操作者控制柱填充的技巧。此种情形的一个原因在于难以确保给入柱内的实际料浆浓度与经计算得出的应当给入柱内的指定浓度精确地保持一致。实际料浆浓度与指定料浆浓度之间的任何差异都会导致实际的柱床高度不同于目标柱床高度和/或柱床的实际压缩量不同于指定的压缩量。在给入以及随后柱的填充过程中，操作人员手动地选择和调整诸如流速、适配器移动速度和柱床压缩量之类的参数，并且必须判断适配器开始进行柱床压缩的点。此点用于计算适配器进一步需要作多少移动，从而能够获得所需要的压缩量。对于填充参数的任何错误选择都会导致色谱柱分离性能的削弱。特别困难的是，难以通过肉眼判断柱床实际压缩的开始时刻，在此点上的显著误差使得不可能获得最优的压缩柱床。

已经报道了自动进行填充压缩的系统。迄今，EP 1698895(Millipore公司)描述了一种在介质床上进行压缩的方法，包括使用测压元件和压力传感器从而计算介质床上的压力；然后将此计算值与所需要的最优的压力进行比较，并据此在柱内改变致动器/适配器的位置。

如在此处和随附的权利要求中所使用的那样：术语“流体系统”是指流体在腔室中进入或者排出的装置，在此区域大约横向上流经腔室。术语“腔室”是指包括术语“容器”和“柱”在内，以及其它任何的分离领域的人员通过将混合物与固体或液体交换介质相接触，从混合物中进行分离和/或反应和/或催化和/或提取成分，其中交换介质通称称为填充床。断面区域(或者范围，或者部分)是指腔室内由腔室的横向断面(典型的大约在普通的)流经腔室的纵向流动方向。“流体的纵向”是指在腔室内从进口朝向出口的流动方向。“纵向”始终是指在不考虑方向的情况下流经腔室的主要流动路径。“流动连接系统”是指在流体管路中连接两点的通道或者路径系统。“分配系统”是指流体通过其进入腔室的结构。“收集系统”是指从腔室集中流体的结构，也就是在各种情况下从断面区域集中流体的结构。

“沉积床高度”是指在柱中的流体和介质颗粒内的柱床介质颗粒仅在重力的影响下形成的柱床媒体介质床的高度，此时形成的柱床称为“沉积柱床”。“压实柱床高度”是指介质颗粒料浆在重力和附加的施加于柱床颗粒上的向下压力的作用下形成的介质颗粒柱床的高度，所述的附加的力是指可移动的适配器朝向柱床的移动和/或流体泵或者经过柱床抽吸而产生，此时的柱床称为“压实柱床”。

“压缩柱床高度”是指压实柱床经压缩后，例如：可移动的适配器的接触以及进一步的运动之类，或者以比柱床的压实过程中更高的速率进行泵抽，在柱内的柱床介质颗粒所形成的柱床高度，此时的柱床称为“压缩柱床”。

发明内容

本发明的目标在于提供一种用于将填料介质填充至柱内的柱填充系统和方法，该柱填充系统和方法能够克服现有技术中柱系统的缺点。

本发明的实施例在从属权利要求中进行了限定。

进一步的改进描述于权利要求中。

根据本发明的装置和方法的一个优点在于，它们所提供的柱床填充至最优的压缩系数。此种装置和方法更进一步的优点在于，它们允许以可再生的和可控制的方式填充色谱柱。

附图说明

附图1显示了根据本发明的介质填充系统实施例的示意性侧视图，

附图2显示在恒定的适配器速度下填充介质床的过程中，柱内压力与时间的曲线图。

具体实施方式.

附图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的自动化柱填充系统，为了便于描述本发明的原理，其中与本发明无关的部件进行了省略。系统1包括柱3，该柱3包括：上盖或者凸缘5a，以及下端板5b，并且由圆筒柱壁7所环绕。定位在柱3内的盖或者凸缘5a与下端板5b之间的是可移动的适配器9(可以具有样本分布系统，未显示，用于将流入的液体实质上均匀地分配在柱3的断面上，以及柱床支承，未显示，该柱床支承延伸超过柱的断面，并且具有细小的筛孔，足以阻止柱床颗粒从筛孔中通过)，可移动的适配器9连接到柱入口11，柱入口11连通供给诸如样品混合物、洗提液、缓冲液等液体(未显示)。可移动的适配器通过致动器13沿着柱的纵向移动，致动器13诸如是电机或者活塞/油缸促动器，并且支承于穿过柱壁5的上端的框架14。提供了可移动适配器的位置传感装置16，从而确定可移动的适配器相对于固定水平的位置(“x”)，例如：下端板5b的上侧，并且将与距离x相应的信号传送至控制单元15。致动器13的运行和相应的可移动的适配器9的向上或者向下的运动经由自动化控制单元15进行控制。控制单元15优选的是包括用于控制柱3运行的硬件和软件。控制单元控制阀的开启和关闭以及可移动的适配器的速度和可移动的适配器的运动量。控制单元15连接至压力传感器18，并且能够接收和记录来自于压力传感器18的信号，压力传感器18能够测量柱内的流体的压力，为了简便起见，在下文中称为柱内压力。

下端板5b支承流体收集系统17，流体收集系统17通向环纹导管19。收集系统17定位于柱床支承21和环纹导管19之间，并且用于均匀地收集柱断面之上的流体，并将其输送至环纹导管19。环纹导管19连接至流动相出口20，在流动相出口20将流动相输送至远离柱的地方，以便作进一步处理。柱床支承21用于承受柱内柱床的重量，并且阻止柱床介质从柱内流失。柱床支承21例如可以是具有孔的栅或者网，该孔小的足以阻止柱床介质从柱床支承中通过。下端板5b进一步包括中心孔23，活动喷管装置25插入并支承在中心孔23内。喷管装置包括经由管道29连接的就地清洗(CIP)喷口27，以及遥控阀31，用于系统内清洗液的再循环。再循环阀31由控制单元15进行控制。喷管27与柱床支承21构成防漏紧密结合，以及封闭中心孔23，喷管27可从关闭位置伸出至开启位置，并在开启位置伸出，穿过柱床支承21进入由柱床支承21与可移动的适配器9之间形成的柱的内腔35。中心孔23由环纹导管19围绕，环纹导管19连接至介质管39，介质管39连接至管道43，管道43连接至料浆罐阀45及料浆罐47，并且经由排水阀49至排放51。当喷管处于开启位置时，环纹导管19与柱内腔35流体连通，当喷管27缩回至关闭位置时，环纹导管19阻塞与柱内腔35的流体连通。

为了填充具有柱床介质的柱，控制单元针对相关的介质信息进行编程，相关的介质信息诸如：所需要的填充床高度(可以不同于获得的实际填充床高度)，假定的料浆浓度，或者给入柱内的料浆体积(具有在实践中假定能够获得的指定的粒子浓度)，用于生产压实床的适配器下降速度，表示压缩系数的值-所需要的具有最佳性能的压实床的压缩量。使用以下公式可以计算目标压缩床高度：目标压缩床高度等于在适配器开始压缩压实床时的压实床的高度除以压缩系数。例如：如果适配器开始进行压缩时，压实床是1m高，而压缩系数是1.15，从而压缩床高度为1m/1.15＝86.96厘米高。典型的压缩系数在1.01-2的范围内，依赖于柱的尺寸、类型和柱床介质的颗粒尺寸，以及压实床高度。预定用量的包含柱床介质颗粒的料浆被引入柱内，例如：在控制单元15的控制下，通过举升可移动的适配器将料浆吸入，此时料浆罐阀45开启，喷管27处于伸出并开启的位置，并且再循环阀31关闭，这使得料浆被从料浆罐47通过料浆阀45，沿着管道通过孔39，并且穿过环纹导管19进入内腔35。当适配器9到达能够将所需要量的料浆吸入柱内的距离x时，控制单元15停止可移动的适配器。

在填充模式中，介质阀的介质开口37通过缩回喷管27和关闭料浆罐阀45进行关闭。流动相出口20开启，从而允许过量的流体离开柱。可移动的适配器9以以等速向下移动(例如：在每分钟0.5-10厘米之间)，当其下降至压实床，并且开始对其进行轴向的压缩时-此位置称为“断点”。附图2显示了柱内压力与时间之间的曲线图，适配器在系统的柱内朝向柱的末端以等速下降。附图2显示了适配器下降的特征是，在A区域内柱内压力稳定增加，在B区域内柱内压力增加得较少或者保持恒定(压力增加相应于柱床的压实程度，以及恒压部分描述了在现有的适配器速度和流过柱内的情况下，柱床不再进一步的压实)，随后，柱内压力在C处急剧降低。适配器在柱内压力开始突然减小的位置相应于适配器开始压缩压实床的时刻，并且定义为“断点”。柱内压力在突然减少之后，接着是柱内压力的增加，此时增加的速率高于柱床在压实的过程中增加的速率。控制装置15记录并监测来自于压力传感器18的信号，还记录了可移动的适配器在压力开始下降时的位置，压力开始下降时的位置相应于断点发生的位置。控制装置15计算可移动的适配器从断点至获得需要的柱床压缩时必要的移动。控制装置15然后控制可移动的适配器9的运动，使得其向下移动必要的距离以压缩柱床，从而获得目标压缩柱床高度和所需要的柱床压缩。

在根据本发明的自动化柱填充系统的第二个实施例中，该系统具有用于测量流出柱的流速的测流装置。除了以诸如流量计53(显示于附图1中的虚线)之类的测流装置替代了压力传感器18以外，此种系统基本上与本发明的第一个实施例中所描述的系统相同，其中流量计53定位于能够精确测量流出柱的流体的位置上，例如：流动相出口20。除了控制装置15记录和监测来自于流量传感器53的信号外，该系统的操作方式近似于根据本发明的第一个实施例中所描述的系统。控制装置15记录可移动的适配器的位置，在该位置上流体开始急剧的减少。

流量减少发生在断点位置。控制装置15计算移动可移动的适配器从断点至获得所需要的柱床压缩必要的移动距离。然后，控制装置15控制可移动的适配器9进行移动，使得可移动的适配器9向下移动必要的距离，对于柱床进行压缩，从而获得所要求的柱床压缩。

根据本发明的第三实施例，自动化的柱填充系统同时具有压力传感器18和测流装置53。在本实施例中的控制装置15记录和监测柱内压力及流出柱的流量。通常情况下，柱内压力和柱内液体流的缩小的开始是由于此时发生的柱床压缩的开始，并且控制装置对于处于断点时适配器此刻的位置进行记录。然而，应当认识到：来自于压力传感器或者测流装置的一个或其它的信号存在一个延迟，使得所记录的压力或流量的减少比另外一个超前。在此种情况下，控制装置可以进行编程以记录第一个显示了相应于断点的减少的已检信号，或者进行编程以记录第二个显示了相应于断点的减少的已检信号。作为进一步的选择，例如：可以编程选取适配器位于显示断点位置减少的两个信号到达时间的中间位置。

尽管本发明已经通过实施例进行了说明，在该实施例中料浆是通过移动可移动的适配器吸入柱内的，但是还应当认识到：可以直接将料浆泵入柱内。此外，还应当认识到：在固化柱床和压缩澄清床的过程中，能够以非恒定的速度移动适配器，在柱床固化的起始阶段，适配器的速度为10厘米/分钟，在适配器估计的澄清床的高度时，降低适配器的速度，然后，在例如：0.5厘米/分钟的低速下，连续降低适配器。所述及的适配器速度仅作为说明性的例子，任何适当的适配器速度都可以采用，例如：从低于0.5厘米/分钟(例如：0.1厘米/分钟)至超过10厘米/分钟(例如：12.5厘米/分钟)。此种适配器自身速度的减少，能够导致柱内的压力或者流量的减少。

此外，柱床的压缩可以通过在泵入流体穿过柱床的同时朝向柱床移动适配器获得。泵送穿过柱床的流量的减少自身导致柱内压力或流量的减少。因此，应当对软件进行编程，使其能过区别由适配器速度减小所导致的流量和/或压力的预期和连续的减少，以及由于柱床压缩的开始所导致的断点处流量和/或压力的瞬时减少。

此外，应当认识到：根据本发明的填充系统具有手动控制，以便允许操作人员在填充过程中的某些或全部过程中控制适配器的速度，以及软件用于监测适配器的和计算。所计算的断点位置可选择的是具有用于获得所需要的压缩系数的适配器预计位置的信息，所计算的断点位置能够提供给随后对适配器的运动进行控制的操作人员，直到适配器到达与所需要的柱床压缩相应的位置时为止。

本发明已经通过实施例进行了说明，在实施例中的柱是柱状的，并具有不变的直径，使得在柱内容积与柱床高度之间具有线性关系，还可以认识到：本发明还能够应用其它的柱体形状，其柱内容积与柱床高度之间的关系是非线性的。

本领域的熟练技术人员能够从本发明前文所述的教导中获益，并对其进行多种修改。应当认为本发明的随附的权利要求中所申明的范围将这些修改包括在内。

Claims (8)

1.一种柱填充系统，包括：具有纵轴的柱，用于感测柱内压力的压力传感器和/或用于测量从所述的柱流出的液体流的测流装置，以及可移动的适配器，

所述的可移动的适配器被控制单元监测时可移动，所述的系统包括压缩装置，包括自动化的软件和硬件，并在所述的柱内沿着所述的柱的纵轴压缩柱床介质压实床，从而形成压缩预定量的压缩填充床，其中所述的控制单元具有软件，用于监测和分析来自于所述的压力传感器和/或测流装置的信号，从而确定当所述的可移动的适配器开始压缩所述的压实床时的断点，当所述的柱的内部压力减小和/或从所述的柱流出的流体的流速减小时，确定所述的断点的产生；

其中所述的软件适于计算出距离，所述的距离是所述的可移动的适配器必须从所述的断点移动，从而获得预定量的柱床压缩，以及所述的软件能够控制所述的可移动的适配器到达与所述的距离相应的位置的运动。

2.如权利要求1所述的柱填充系统，其中所述的软件适于产生与所述的断点的位置相应的操作者可读信号。

3.如权利要求1所述的柱填充系统，其中所述的软件适于计算出距离，该距离是所述的可移动的适配器必须从所述的断点移动，从而获得预定量的柱床压缩，以及所述的软件能够产生与所述的距离相应的操作者可读信号。

4.如权利要求1所述的柱填充系统，其中所述的柱是色谱柱，以及所述的柱床包括色谱介质。

5.一种柱填充的方法，包括：

提供具有自动化控制单元的柱填充系统，所述的控制单元包括自动化的软件和硬件；

提供的所述的柱填充系统具有用于感测柱内压力的压力传感器，所述的压力传感器适于产生压力信号，所述的压力信号能够由所述的自动化控制单元进行监测；和/或

提供的所述的柱填充系统具有测量从所述的柱流出的液体流的测流装置，所述的测流装置适于产生流速信号，该流速信号能够由所述的自动化控制单元进行监测，利用所述的控制单元监测可移动的适配器在包含有柱床介质的压实床的柱内的运动，以及对柱内压力和从所述的柱内流出的流体的其中之一进行检测；以及

利用所述的控制单元分析来自于所述的压力传感器的压力信号和/或来自于所述的测流装置的流速信号，当所述的可移动的适配器开始压缩所述的压实床，确定所述的断点，当所述的柱内压力信号和/或所述的流速信号减小时，确定所述的断点；

进一步包括下列步骤，在确定所述的断点后，用所述的软件计算出距离，所述的距离是所述的可移动的适配器必须从所述的断点移动，从而获得预定量的柱床压缩，以及所述的软件移动所述的可移动的适配器到达与所述的距离相应的位置。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括下列步骤，产生与所述的断点的位置相应的操作者可读信号。

7.如权利要求6所述的方法，其中还包括计算出距离，该距离是所述的可移动的适配器必须从所述的断点移动，从而获得预定量的柱床压缩，以及产生与所述的距离相应的操作者可读信号。

8.如权利要求5所述的柱填充方法，其中所述的方法运用于色谱柱中，以及所述的柱床包括色谱介质。

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