CN101809440B - 用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的设备，其特征在于包括：生成器(2、4、6、8、40、42、10)，其用于生成不同的百分比组成的至少两种流动相的微流和纳流；n位梯度分配器(16)，其具有进口端口、出口端口和(n-2)/2对端口，所述(n-2)/2对端口用于相同数量的毛细管弯曲部分(24i)，每个毛细管弯曲部分选择性地可在一端连接到所述进口端口，并在其另一端连接到所述出口端口；流动变向装置(28)，其进口连接到所述n位梯度分配器(16)的出口，其一个出口连接到排放器(30)且另一出口连接到微流和纳流仪(32)，所述微流和纳流仪(32)自身连接到分析回路(26、36)；控制系统(38)，其配有以下装置：用于命令所述微流和纳流生成器(2、4、6、8、40、42、10)产生不同的流动相混合物组成的装置、对所述梯度分配器(16)的执行和停留时间起作用的梯度生成装置、用于根据从所述微流和纳流仪(32)接收的数据来控制所述微流和纳流生成器的吞吐量的装置以及用于控制所述流动变向装置(28)的位置的装置。

Description

用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的设备
技术领域
本发明涉及一种用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量(micro-and nanoflow)流动相梯度的设备。
背景技术
近年来，高效液相色谱(HPLC)系统尤其是所使用的流动相流量逐渐趋于小型化。这是因为流量减少尤其能够限制昂贵的有毒溶剂的消耗；其还能够减少注射体积，从而能够处理非常少的样品量。另外，如果使用浓度敏感型传感器，那么，因为溶剂在柱中稀释更少且信噪比更好，所以灵敏度提高。
最后，新型的液相色谱-质谱(LC-MS)联用技术能够在小于1μL/min的流量下工作，从而获得更高的灵敏度并限制可能的污染风险。
然而，当在非常低的流量下工作时碰到的问题之一在于缺少能够在仅具有小的延迟和溶剂的均匀混合的情况下生成可靠的流动相梯度的仪器。在小于1μL/min的流量下生成梯度必然需要适当的泵送系统，该泵送系统不仅能够仔细且均匀地混合流动相，而且能够以可再现的方式且在最小延迟下将它们输送到柱中。然而，在这些条件下，可商购得到的仪器被迫在其极限下工作，因此，性能可靠性通常是有问题的。此外，与设定相比，有效的梯度曲线呈现出令人不满意的图形。
生成微流量和纳流量流动相梯度的最普遍的方法之一是使用插在HPLC泵和注射器之间的分流器的分流技术。该方案受限于难以控制实际上输送到柱中的梯度，因而再现性差。实现纳米级梯度的最初尝试之一是将特定梯度储存在毛细管中，然后用注射泵将其输送到柱中。该系统的缺陷在于实用性差、要形成的梯度的选择有限且难以控制梯度的形状。
另一已知系统(被称为指数稀释法)包括使容纳在混合室中的流动相流体从弱洗脱液快速变为强洗脱液，从而生成凹指数曲线的梯度。
该系统的缺点是限制了能够生成的梯度类型的数目。
为了克服该缺点，已经提出用弱洗脱液来填充混合室，并使强洗脱液以程序化的方式流到动态混合器中，从而能够控制梯度随时间的变化。
该系统的缺点是可实现的梯度曲线的多样性差。
另一已知系统包括通过以下步骤生成指数纳流梯度：向两个连续的混合室首先引入弱洗脱液然后引入强洗脱液；然后每次使用一个泵将它们输送到柱中。
该已知方案的缺点除了包括一贯的梯度延迟以外，还包括梯度和曲线选择有限。
US 7,135,111描述了一种纳流量梯度洗脱设备。该设备包括用于混合不同的溶剂并输送它们的第一泵、用于输送转移溶液的第二泵、注射器、柱和检测系统。通过修改内部系统连接并因此修改流向，两个弯曲部分能够暂时储存不同的溶剂混合物，这些溶剂混合物由第一微流量泵转移，然后由第二泵输送到纳流量柱中。
该已知方案的难点在于当以纳升/分钟工作时难以以恒定流量输送流动相。
US 7,141,161描述了一种梯度泵布置，其能够以特定的时间间隔并以量级为纳升/分钟的恒定流量将洗脱液连续地转移到色谱中，同时改变两种或更多种洗脱液的组成。该梯度泵布置包括十端口多位阀、连接到恒流泵(isocratic pump)的第一弯曲部分和第二弯曲部分，通过该第一弯曲部分和第二弯曲部分转移洗脱液。
该已知方案的缺点在于泵和阀系统相当复杂，从而使得特别难于使仪器自动化。
从Cappiello A等人的“variable-Gradient generators for Microand NanoHPLC”，Anal.Chem.2003，75，1173-1179得知一种用于为液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的设备。
发明内容
本发明的目的是通过提供用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的新型布置来消除上述缺点，如在权利要求1中所描述的。
用如权利要求1所述的用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的设备实现了该目标。
附图说明
在下文中参照附图进一步阐述本发明的两个优选实施方案，其中：
图1是本发明的设备的第一实施方案的示意图，该设备具有连接到分流器设备的两个常规的HPLC泵；
图2示出了预定浓度的四种组分的混合物的色谱分离的五个副本；
图3示出了无级修整后的梯度(stepless trimmed gradient)的曲线；
图4示出了在特定色谱条件下CH3CN在H2O中从0％到100％的三条不同的梯度曲线；
图5示出了图4的三条曲线的期望的理论图形；
图6是本发明的设备的第二实施方案的示意图，该设备具有用于微流量和纳流量的两个HPLC注射泵。
具体实施方案
参照图1，本发明的设备的第一实施方案旨在生成微梯度和纳梯度。
该设备包括两种溶剂A和B的两个瓶2、4；这两个瓶经由两个传统的往复式HPLC泵6、8连接到混合器10，混合器10连接到具有0.5μm的孔的烧结过滤器12。该过滤器经由总体上由18指出的分流器回路连接到多位阀16的进口。
该分流器回路包括阀14和两个相同的PEEKsil毛细管(25μm或50μm内径)，这两个毛细管经由死容积小的回路连接到所述阀，并且还连接到排放器22。分流器回路18通过由本发明的设备提供的色谱柱26和两个毛细管20、20’提供的阻力，能够从由HPLC泵6、8生成的高流量获得期望的流量。
多位阀16具有常规的类型，例如位于德州休斯顿的Valco仪器公司的EMTCST6UW型，并配有十四个端口，其中的两个端口形成进口和出口，而其它十二个表示用于六个弯曲部分24i(其由内径为250μm的PEEK管路形成)的连接点，以储存流动相。
头五个弯曲部分241-245具有50μL的相等容积，而第六个弯曲部分具有150μL的容积。第六个弯曲部分含有最终的梯度组成，其更大的容积对于完成色谱分析并清洗柱26而言是有用的。
多位阀16的出口连接到两位阀28的进口，两位阀28的一个出口连接到排放器30，另一个出口连接到微流量和纳流量计32，微流量和纳流量计32连接到色谱柱26的注射器34，检测器36与色谱柱26相连。
每个设备组件的操作，特别是两个两位阀14和28以及多位阀16的操作，由控制系统38协调，从而提供设备的有组织的自动操作。
在操作中，第一预定的操作包括装载与多位阀16相连的六个弯曲部分24i。为了实现该装载，两个两位阀14和28被设定成阀14绕开分流器设备16且阀28连接到多位阀16的至排放器30的那个出口。
在该配置中，泵6和8能够提供约0.8-1.0mL/min的高流量以加速该程序。控制系统启动与多位阀16的执行时间的程序相关的用于泵6和8的控制程序，从而在六个弯曲部分24i内分配不同的流动相组成，以提高洗脱能力。
例如，为了生成从容纳在瓶2中的100％的溶剂A到容纳在瓶4中的100％的溶剂B的梯度，选择第一弯曲部分241，同时使泵6设计为单独泵送100％的溶剂A；流量为0.8-1.0mL/min，填充该弯曲部分的时间理论上仅是几秒钟，但实际上，建议等待几分钟以进行调理。因此，在几分钟之后，弯曲部分241完全装载有其相应的流动相组成，并且控制系统启动多位阀16，从而将第二弯曲部分242连接到阀14；同时，改变泵6和8的操作，以使泵6泵送80％的溶剂A并使泵8泵送20％的溶剂B。
再经过几分钟之后，选择第三弯曲部分243，并进一步改变泵，例如泵送60％的溶剂A和40％的溶剂B。
然后，重复该过程，直到选择了第六弯曲部分246，使泵8设计成单独输送100％的溶剂B。
在完成弯曲部分24i的装载之后，在100％的溶剂A通路的情况下再次选择第一弯曲部分241；然后减小流量，并转换那两个两位阀14和28以插入分流器回路，并将多位阀16连接到分析回路。系统对来自纳流量计32的数据进行处理，并调节泵6的流量以在柱26中获得期望的流量。
在该配置中，源自分流器回路16的溶剂A的微流或纳流利用较弱的洗脱液(通常为水)；连续地再次装填第一弯曲部分241，以调理柱26。
在引入样品并开始色谱分析之后，启动多位阀16以将装载有洗脱能力更强的流动相组成的下一个弯曲部分242的内容物输送到柱26中。对于所有的弯曲部分，顺序地重复该过程。通过改变执行和停留时间来获得将要生成的梯度的图形。溶剂A，其在无改变的情况下用来推动每个弯曲部分的内容物直至分析停止，能够输送恒定的流动相流量。
安装本发明的设备不需要修改常规的色谱。这个方面尤其重要，因为它能够使任何可商购得到的常规HPL色谱以微流量和纳流量有效地工作。
由于所使用的流量小、弯曲部分24i的直径小和以毛细管连接，所以没有湍动现象或混合发生；因此，一旦完全填充之后，六个弯曲部分24i能够根据流量提供足以用于不同分析的洗脱液。
根据所使用的梯度的类型和流量，控制系统在每次分析过程中将每个弯曲部分24i所使用的溶剂的量储存在其储存器中，这意味着：在弯曲部分24i已经完全排空相应的流动相组成之前，并因此在它们不能生成准确的梯度之前，自动开始新的装载程序。
为了评价本发明的设备的特性和性能，通过执行浓度各自为5mg/L的四种化合物灭草隆、枯莠隆、利谷隆和乙基谷硫磷的混合物的五次分析来检验一天内的重复性。
利用填充有3.5μm颗粒的相C18的Agilent Zorbax 150mm×75μm柱在以下条件下获得分离：在16分钟内使用在H2O中CH3CN为从0％到100％的线性梯度；注射体积为50nL；并利用UV在λ＝230nm下进行检测。
图2示出了五次分析的保留时间的高度重复性，相对标准偏差小于0.19％。
表1示出了与图2的色谱有关的保留时间，以便更详细地评价一天内的重复性。
表1
还为了评价一天内的重复性，在5个连续工作日内每天执行10次色谱分离。所分析的化合物为：灭多威、灭草隆、枯莠隆、利谷隆，浓度各自为197mg/L。所使用的梯度为在16分钟内100％ H2O至100％ CH3CN。流量为360nL/min；柱为Agilent Zorbax C18 3.5μm，150mm×75μm；注射体积为60nL；在λ＝230nm下进行UV检测。
下表2示出了在每个工作日内每种化合物的保留时间的平均值和与每日的平均值有关的标准偏差。对于每种化合物，能够观测到优异的各天间的重复性。
表2
Figure GSB00000944997200071
为了获得流动相组成随时间的恒定变化，通常建议使用无阶梯的梯度。在这方面，突然的流动相变化、典型的阶梯状图形对应于快速的极性改变，就分辨率和再现性而言，快速极性改变会不期望地干扰色谱分离。
利用纳流，容纳在连续弯曲部分中的不同流动相交替以在多位阀16以及连接物的空间内混合在一起，以避免溶剂组成突然改变。
图3示出了无级修整后的梯度。
图4示出了使用不同的阀操作程序在400nL/min的流量下获得的三个12分钟梯度的曲线。
用以下溶剂组合物来填充弯曲部分24i：弯曲部分241：100％ H2O-0％CH3CN；弯曲部分242：80％H2O-20％CH3CN；弯曲部分243：60％H2O-40％CH3CN；弯曲部分244：40％H2O-60％CH3CN；弯曲部分245：20％H2O-80％CH3CN；弯曲部分246：0％H2O-100％CH3CN。
操作程序如下：对于代表凹梯度的曲线a，弯曲部分242为0.30分钟，弯曲部分243为1分钟，弯曲部分244为1.30分钟，弯曲部分245为9.00分钟；对于代表线性梯度的曲线b，弯曲部分242为3分钟，弯曲部分243为3分钟，弯曲部分244为3分钟，弯曲部分245为3分钟；对于代表凸梯度的曲线c，弯曲部分242为9.00分钟，弯曲部分243为1.30分钟，弯曲部分244为1分钟，弯曲部分245为0.30分钟。
在图5中示出了期望的理论图形。与吸光度有关的迹线很好地区分开，如由所选的执行时间所示出的。考虑到极其小的操作流量，这是尤其重要的。
在不同的条件下期望的梯度图形和实际的梯度图形之间的高度一致性使得能够经由执行时间的列表并通过更加直观的图示方法来设定梯度的形状。在这方面，控制系统能够在计算机屏幕上显示作为执行时间的函数的梯度曲线：设定时间的每一变化立即被反映为所显示的曲线的相应变化。
以相同的方式，通过利用计算机指针拖曳曲线图获得的每一梯度曲线的改变确定了表中列出的执行时间的相应改变。因此，通过建立表中列出的时间参数或图示曲线能够容易地使每个梯度形状被程序化。
当需要线性梯度时，可以使用指令“线性梯度”，该指令根据为该梯度选择的持续时间，自动计算执行时间并显示该梯度曲线。
在图6所示的实施方案中，本发明的设备与图1中示出的设备的不同之处在于：用微流量和纳流量注射泵40和42代替往复泵6和8。这能够在不使用分流器回路18的情况下获得纳流。
至于其它的，设备是相似的，其中，同样的组件采用相同的附图标记。
从上述显而易见，本发明的设备是非常有利的，因为它能够自动生成微流量和纳流量，根据分析需要在梯度图形的选择上具有高灵活性，并且总是具有非常高的精度和再现性。

Claims (10)

1.用于为高效液相色谱生成微流量和纳流量流动相梯度的设备，包括：
不同的百分比组成的至少两种流动相的微流量和纳流量的生成器(2、4、6、8、40、42、10)，
n位梯度分配器(16)，其具有进口端口、出口端口和n对端口，所述n对端口用于相同数量的毛细管弯曲部分(24i)，每个毛细管弯曲部分选择性地可在一端连接到所述进口端口，并在其另一端连接到所述出口端口，所述出口端口进而连接到包括色谱柱(26)和检测器(36)的分析回路，
用于控制所述微流量和纳流量生成器(2、4、6、8、40、42、10)以产生不同的流动相混合物组成的装置(38)，
用于控制所述梯度分配器(16)的装置，其对所述梯度分配器(16)的执行和停留时间起作用，
所述设备的特征在于其还包括：
连接到所述分析回路(26、36)的微流量和纳流量计(32)，
流动变向装置(28)，其进口连接到所述梯度分配器(16)的出口，其一个出口连接到排放器(30)且另一出口连接到所述微流量和纳流量计(32)，
控制单元，其包括：所述用于控制所述微流量和纳流量生成器(2、4、6、8、40、42、10)以产生不同的流动相混合物组成的装置(38)和所述用于控制所述梯度分配器(16)的装置，以及用于控制所述流动变向装置(28)的位置的装置和用于根据从所述微流量和纳流量计(32)给出的信息来控制所述微流量和纳流量生成器的吞吐量的装置。
2.权利要求1的设备，其特征在于：所述微流量和纳流量生成器包括容纳不同溶剂的至少两个瓶(2、4)、与每个瓶相连的往复泵(6、8)、用于由所述泵产生的流体的混合器(10)，和分流器回路(18)。
3.权利要求2的设备，其特征在于：所述分流器回路(18)包括由所述控制单元(38)控制的阀(14)，从而在连接到所述分流器回路(18)的位置和绕开所述分流器回路(18)的位置之间切换。
4.权利要求3的设备，其特征在于：所述分流器回路包括连接到所述阀(14)并连接到排放器(22)的至少一个毛细管(20、20’)。
5.权利要求1的设备，其特征在于：所述微流量和纳流量生成器包括容纳不同溶剂的至少两个瓶(2、4)、与每个瓶相连的注射泵(40、42)以及用于由所述注射泵生成的微流量流体和纳流量流体的混合器。
6.权利要求2或5的设备，其特征在于：过滤器(12)介于所述混合器(10)和所述梯度分配器(16)之间。
7.权利要求6的设备，其特征在于：所述过滤器(12)由具有量级为0.5μm的孔的烧结钢制成。
8.权利要求1的设备，其特征在于：所述梯度分配器(16)的n-1个弯曲部分(241-245)具有相同的容积，而第n弯曲部分(246)具有更大的容积。
9.权利要求8的设备，其特征在于：所述梯度分配器(16)的n-1个弯曲部分(241-245)具有量级为50μL的容积，而第n弯曲部分(246)具有量级为150μL的容积。
10.权利要求1的设备，其特征在于：所述梯度分配器(16)由n位阀构成。
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