CN101925812A - 用于液相色层分离法尤其是高效液相色层分离法的样本分配装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于液相色层分离法尤其是高效液相色层分离法的样本分配装置，包括可控的注射阀(3)，它具有用于排出处于低压的流体的至少一个废料端口(12)、两个样本循环端口(13，16)以及用于输入和排出处于高压的流体的两个高压端口(14，15)，其中，一个高压端口(15)与泵(40)相连，另一高压端口(14)与色层分离柱(41)相连，还包括样本环路(44，51，52)，它具有第一样本环路分段(51)，第一样本环路分段在一端与其中一个样本循环端口(16)相连并在另一端与样本输送机构(5)的泵腔室(V)相连，还具有第二样本环路分段(44，52)，第二样本环路分段在一端与其中另一个样本循环端口(13)相连并在另一端与样本输送机构(5)的泵腔室(V)相连。第二样本环路分段(44，52)被分为吸入段(44)和输送段(52)地构成。在分开状态下，可利用与泵腔室(V)相连的吸入段(44)的自由端吸入样本流体，其在连通状态下通过输送段(52)可被送往相关的样本循环端口(13)。此外，样本分配装置具有用于控制注射阀(3)和样本输送机构(5)的控制单元(60)。注射阀(3)如此构成，在加载位置上，两个高压端口(14，15)相连以及与第二样本环路分段(44，52)相连的样本循环端口(13)与废料端口(12)相连，在注射位置上，与泵(40)相连的高压端口(15)与同第一样本环路分段(51)相连的样本循环端口(16)相连，与色层分离柱(41)相连的高压端口(14)与同第二样本环路分段(51)相连的样本循环端口(13)相连。按照本发明，注射阀具有压力平衡位置，在此位置上，两个高压端口(14，15)相连并且在注射阀(3)中的闭合样本环路(44，52，51)的样本循环端口被紧密关闭。控制单元(60)如此控制注射阀和样本输送机构，即在加载位置上吸入样本流体之后将注射阀(3)切换到压力平衡位置，借助样本输送机构(5)提高样本环路(44，52，51)中的压力，直到基本到达泵(40)的工作压力，并且随后才切换到注射位置，和/或在注射位置上注入样本流体之后将注射阀(3)切换到压力平衡位置，借助样本输送机构(5)降低样本环路(44，52，51)中的压力，直到基本到达环境压力，随后才切换到加载位置。

Description

用于液相色层分离法尤其是高效液相色层分离法的样本分配装置
技术领域
本发明涉及具有权利要求1的前序部分特征的、用于液相色层分离法且尤其用于高效液相色层分离法(HPLC)的样本分配装置。
背景技术
在HPLC中，待检验的样本必须被送入高压液流中，其中高压液流应该仅尽量短暂地被中断。为此，采用了高压注射阀，它实现了几乎无中断的液流传送。这种结构例如在美国专利3,530,721中有记载。其最初申请早源于1965年。
在US专利4,939,943中公开一种包括高压注射单元的样本分配装置。该样本分配装置的按照拆分循环原理的基本原理已在HPLC中得以证明。
此外，在WO2006/083776中描述一种样本分配装置，高压阀切换时的压力冲击得以避免，这种压力冲击对色层分离柱的效率和使用寿命产生不利的影响。
在注射阀切换时，压缩流体和减压流体高速流过阀门。根据本申请人于2007年12月4日提出的、尚未公开的、涉及用于高效液相色层分离法的样本分配装置的德国专利申请DE102007059651A1，该样本分配装置具有最佳使用寿命的高压切换阀，流动使高压阀组成元件受损。
高压切换阀的使用寿命决定HPLC设备的运行成本。该成本应通过尽量减小高压切换阀组成元件的磨损被保持尽量低。
发明内容
因此，本发明基于以下任务，提供一种用于液相色层分离法尤其是高效液相色层分离法的样本分配装置，其中注射阀即便在高压下也具有延长的使用寿命。
本发明利用权利要求1的特征来完成该任务。
该任务源于以下认识，尤其是通过将用于样本分配装置的拆分循环原理用于样本环路中而在该注射阀的切换位置转换中建立了压力平衡，此时注射阀为此具有压力平衡切换位置，在压力平衡切换位置上，注射阀的与样本环路端头相连的样本循环端口在注射阀中没有与其它端口连通。
在拆分循环原理中，样本环路在例如可以呈喷射器形式的样本输送机构和注射阀的相关样本循环端口之间的连接段内被分开。样本环路的被分开的连接段的与样本输送机构相连的吸入段的端头被移动向样本容器或用于冲洗介质的容器，以便吸走所需要的样本量或吸走冲洗介质。随后，样本环路的被分开的连接段又连上，从而所吸入的样本量可以在注射阀的注射位置上借助泵被注入色层分离柱。该基本原理已经在US4,939,943中描述了。在此，这种特殊的拆分循环原理的优点是，样本输送机构在完成样本注射后被用工作介质冲洗，从而在正常情况下，要在完成样本注入后，样本输送机构、样本环路和注射阀的冲洗是不需要的。
按照本发明，注射阀当在加载位置吸入样本量后被切换到压力平衡位置，在压力平衡位置上，样本循环端口被耐压地关闭。在此切换位置上，样本输送机构的驱动机构被如此控制，在闭合样本环路中和在样本输送机构的泵腔室容积中形成一个压力，该压力基本上等于该泵在加载位置或在注射位置上以之将流体送往色层分离柱的压力。只有当样本环路中的压力在注射阀从压力平衡位置被切换到注射位置之后不等于泵压力，而是还存在较小的压差时，按照本发明，该较小的压力将被保持如此小的程度，即该压差既没有以不允许的方式不利地作用于流经色层分离柱的流体，甚至没有损伤注射阀或者色层分离柱。
同样的情况类似地出现在从注射位置到加载位置的切换过程中。在此情况下，也首先从注射位置切换到压力平衡位置，在压力平衡位置上，基本等于泵压的压力一直降低，直到基本达到环境压力。在这里，当从压力平衡位置切换到加载位置时，或许也可以保留不起干扰作用的较小压差。
按照本发明，样本环路中的压力平衡(压力增大或压力降低)将通过该样本输送机构的驱动机构的相应控制来实现。
与现有技术中的样本分配装置不同，在压力平衡时出现的流体流动为此不再流过经切换阀，因此不会再出现阀门元件因过高的流速而受伤。
当然，当压力平衡只在上述两个切换方向之一中采用时，至少部分实现了该目的。
按照本发明的优选实施方式，在注射阀的压力平衡位置，这两个高压端口连通。由此一来，保持流经色层分离柱的流体流并且在切换过程中不会在压力变化过程中出现不希望有的峰值。
按照本发明的一个实施方式，注射阀具有转子和定子，其中转子具有与定子端面配合作用的端面，在该端面中形成至少三个槽，这些槽与转子相对定子的转动位置相关地耐压地连通或耐压地关闭高压端口的、样本循环端口的和废料端口的，设于定子端面内的端口开口截面。按照如此长地构成在注射阀的加载位置上连通两个高压端口的槽，即它在定子和转子转入压力平衡位置之后还连通所述高压端口。该槽与在已知的注射阀中的相应槽相比被相应加长。
按照本发明的优选可应用方案，即在HPLC中的应用，样本输送机构以耐高压形式构成，并且可以产生用在HPLC中的压力，最好高于500至600巴的且最优选是高于1000巴的压力。
样本输送机构可以具有活动元件，它在泵腔室中被密封引导并借助样本输送机构的一个可由控制单元控制的驱动机构来移动，以输送泵腔室所盛纳的流体。尤其是，样本输送机构可以呈借助驱动机构被驱动的喷射器的形式，其中活动元件由喷射器的活塞构成。
控制单元可以在达到注射阀的压力平衡位置之后通过相应驱动机构的控制使活塞或活动元件移动一段预定路程，该路程足以产生该样本输送机构的泵腔室的因流体引导机构的弹性和流体可压缩性而必然有的变化，在这里，通过泵腔室(泵腔室容积)的增大，可以实现样本环路中的压力基本降低至环境压力，通过泵腔室(泵腔室容积)的减小，可以实现样本环路中的压力增大到泵的工作压力。活动元件的运动可以被控制或调整地完成。
为了调整在样本环路中的压力平衡期间内的压力或最终压力，可以设有一个压力传感器，该压力传感器至少在该注射阀位于压力平衡位置的期间内，测量在闭合样本环路中的或在样本输送机构的泵腔室中的流体压力。
在此变型方案中，压力传感器的信号最好被送往控制单元，在这里，控制单元将流体压力与额定压力值进行比较并且如此控制样本输送机构，即流体压力在注射阀从压力平衡位置切换到注射位置之前达到高压额定值和/或流体压力在注射阀从压力平衡位置切换到加载位置之前达到低压额定值。
由从属权利要求中给出了本发明的其它实施方式。
附图说明
以下将结合附图所示的实施例来详细说明本发明，附图所示为：
图1是HPLC系统的示意图，它包括按照本发明的样本分配装置，色层分离柱与该样本分配装置相接，其中注射阀位于加载位置并且在所示状态下可以开始样本量的吸入过程；
图2表示图1的HPLC系统，其中喷射器的活塞已移入终点位置(位置C)以便吸入样本量；
图3表示图2的HPLC系统，其中采样针已经移入注射端口；
图4表示图3的HPLC系统，其中该注射阀从加载位置被切换到压力平衡位置；
图5表示图4的HPLC系统，其中为了实现在样本环路中的压力平衡(压力增大)，活塞已进入位置B；
图6表示图5的HPLC系统，其中注射阀从压力平衡位置被切换到注射位置；
图7表示图6的HPLC系统，其中在注入所吸入的样本量后，注射阀从注射位置被切换到压力平衡位置；
图8表示图7的HPLC系统，其中为了实现压力平衡(压力降低)，活塞被移入终点位置(位置C)；
图9表示图8的HPLC系统，其中注射阀从压力平衡位置切换到加载位置。
具体实施方式
图1以示意图表示HPLC系统，它包括按照拆分循环原理工作的样本分配装置10，该样本分配装置具有样本输送机构5、注射阀3和高压泵40。此外，样本分配装置10具有样本环路，它由第一连接段51和第二连接段52、44组成。在此情况下，它可以是直径较小的耐压管路，例如呈玻璃毛细管或不锈钢毛细管形式。连接段51与注射阀3的第一样本环路端口16相连并且与样本输送机构或者说其泵腔室V相连。由吸入段44和输送段52构成的第二连接段是可分开地构成的。为此，输送段52通入注射端口45，该注射端口通过输送段52与注射阀3的第二样本环路端口13相连。以一端与样本输送机构5的泵腔室V相连的吸入段44在另一端具有采样针42，借助采样针，吸入段44可以与注射端口45相连。
不过，采样针42也可以被移向一个样本容器43并从该样本容器按照以下描述的方式将定量的样本吸入该吸入段44。另外，采样针42也可以被移向用于冲洗流体的容器(未示出)，用于从中取出冲洗流体以进行一次冲洗，样本环路51、52、44、泵腔室V和或许注射阀的端和槽或者说通道可以借此被清洗。但是，通过所示拆分循环原理的特殊拓扑方法，通常不需要冲洗样本环路51、52、44以及样本输送机构5，因为它们本来就在注射过程中被由泵40送入的工作介质冲洗。不过，可以通过浸入装有清洗液或冲洗液的容器中来清洁采样针42的外表面。
在所示的实施方式中，样本输送机构5包括喷射器50，在喷射器中，活塞53以气密方式被导向移动。活塞53将借助驱动机构55例如步进马达被驱动。驱动机构55将由一个控制单元60来控制。控制单元60也控制注射阀3的切换过程，注射阀具有未示出的可控的驱动机构。
注射阀的废料端口12与废料管路47相连，流体可以从废料管路被排出到未示出的废料容器中。
高压泵40与注射阀的高压端口15相连。一个色层分离柱41可以与其它高压端口14相连。高压泵40可以作为组成部分被整合到样本分配装置中，但也可以设置在另一个单元或独立的泵单元中。
注射阀3由一个定子1和一个转子2组成。定子1具有所述两个高压端口14，15，所述两个样本循环端口13、16和所述废料端口12。通过这些端口，注射阀3借助上述的可呈毛细连管形式的连接管路与HPLC系统的其它功能元件相连。为此所需的高压螺纹接头为简明起见而在图1中未被示出。出于简洁考虑，在定子1和转子2之间的界面示出了注射阀，其中示出了定子1端面的构造以及转子2端面的构造，以便理解工作方式。在注射阀3中，端口以开孔形式构成，它们通向定子1的另一侧。转子2具有多个弧形21、23、25，它们刚好对准输入和输出端口的开孔。
转子2以压紧面被压到定子上，从而形成转子1和定子2之间的共同界面，这两个部件在该界面上相互紧贴。此时如此确定压紧力，即该布置结构在最高预期压力下仍然是密封的。
在图1所示的阀3的第一加载位置上，多个槽21、23、25如此对准端口12-16，即这些槽23和25连通两个高压端口14、15或者废料12和样本循环端口13。在此加载位置上，高压泵40因此将流体送往色层分离柱41。此外，样本循环端口16被耐压地关闭。
在图1所示的状态下，采样针42移入样本容器43，从而可吸走一定样本量。对此，活塞53位于位置A并且可被控制单元60控制以便在位置C吸入。在此情况下，所期望的规定样本量被吸入该吸入段44，其中该样本量小于吸入段44的体积，以便在泵腔室中不会出现样本流体与由高压泵输送的流体的混合。图2表示在吸入过程结束后的HPLC系统的状态。
为了能注入本身位于吸入段44内的样本量，采样针42被移入注射端口45。注射端口密封针尖。图3示出了该状态。
在下一步骤，使样本环路中的压力等于色层分离柱41的工作压力，即等于高压泵40以之将流体送往色层分离柱41入口的压力。为此，注射阀首先被切换到压力平衡位置，在此位置，样本环路的第一连接段51和第二连接段或者说输送段52没有与接在注射阀3上的其它组成部分连通(图4)。
在压力平衡位置上，耐高压的样本输送机构的活塞移动到位置(图5)。为了在输送样本环路内部压缩所需要的流体量的过程中不中断流经色层分离柱41的流动，阀门转子2中的槽25被相应加长地构成，从而在压力平衡位置上，这两个高压端口14和15还是连通的。建立压力所需要的活塞53从位置C到位置B的输送路程可以从在样本输送机构5和样本环路中被封入的流体量的可压缩性、该结构的弹性和实际泵压力中计算出。或者，可以借助用于耐高压的样本输送机构中的压力的调整环路来获得压力平衡。为此，必须在适当地点测量压力并且活塞53在样本输送机构5中的位置通过驱动机构55来调节，从而压力对应于所需的目标压力(＝柱压)。为了测量压力，可以考虑压力传感器或者间接考虑测力。在活塞53上或在驱动机构55中测力是可想到的解决方案。在达到压力一致后，阀门被切换到注射位置，这样，被吸入的样本量被注入柱41(图6)中。
在所示的实施例中，控制单元60获知驱动机构55所必须施加以在样本环路内实现相应压缩的力。驱动机构55为此可以具有整体式的传感器(未示出)，传感器信号被输送给控制单元60(用驱动机构55和控制单元60之间的双箭头表示)。由此一来，控制单元可以确定泵腔室中的和进而样本环路中的实际压力(连接段和阀门中的压降小到可忽略不计)并将其调整到期望值。
在所吸入的样本量已通过由泵40输送的流体被完全从吸入段44送往柱41之后，阀门可以又被切换压力平衡位置以便使样本环路减压(图7)。
从图7所示的状态开始，活塞53将被移入位置C。这样，样本环路中的压力等于大气压。图8示出了HPLC系统的该状态。柱41在此减压期间内在注射阀3的压力平衡位置上已经通过加长的槽25与泵40连通，以避免压力降低。活塞53从位置B到位置C的运动路程的确定可以像在图5中的压缩过程中那样通过计算或通过测量和调整压力来完成。或者，压力也可以通过在活塞53或活塞驱动机构55上的测力来间接确定。
在完成样本环路的减压之后，阀3被控制进入加载位置(图9)。此时在注射阀内没有出现有害性流动。
耐高压的样本输送机构5的活塞53现在可以又进入初始位置A。多余的流体量将通过废料接口47被排走。无压力的针42随后可以从注射端口45的针座中移向相应的样本瓶，以取走下份样本。
减压中的位置C也可以不同于压缩之前的初始位置C。例如如果通过柱泵送出梯度(按时间控制的工作介质混合比)，则减压结束时的位置C可以另一个位置，因为或许环路内流体的可压缩性已经变了。
控制单元60可以依据上述样本分配装置的参数来存储预定位置A、B、C和/或这些位置之间的路程差，尤其依据工作介质的可压缩性、样本环路和样本输送机构的弹性等。随后可以受控制地移至这些位置(即没有调整)，或者这些位置可用作可控运动的近似值或初始值。
为了确定位置A、B、C或者说活塞的运动路程，注射阀3的切换过程可以没有压缩或减压地执行。于是，可借助一个压力传感器来测量压力降低，由此确定所需要的路程或者说当时的位置B或C。如此求出的值随后可以被存起来并且可被用在采用压缩或减压的其它切换过程中。也可以在泵40中设置相应的传感器。因为，这种用于HPLC的泵本来就总具有一个用于调整所输送的工作介质的压力传感器。介质且尤其是工作介质的可压缩性可以借助泵40求出。这种泵例如是双活塞泵的形式，在此，借助压力传感器和控制单元以适当方式来如此控制或调整从一个活塞到另一个活塞的转换，即出现了非常稳定的流速。因为在此转换过程中也必须考虑介质的可压缩性，所以可以从在从一个活塞切换到另一个活塞时对双活塞泵的适当控制中确定可压缩性并且将其作为信息传递给控制单元60。在图9中仅用虚线示出了泵40和控制单元60之间的连接。
因此在所示的自动样本分配装置中保证了，充分(高)耐压的样本输送机构在吸入段被接入通向色差分离柱的流路之前，即在注射阀切换到注射位置之前，在注射阀的特殊中间位置上即压力平衡位置上使样本环路中的压力通过压缩等于色层分离柱的实际工作压力。
另外，在样本环路分开以从样本容器吸走一份样本量之前，就是说，在注射阀切换到加载位置之前，在注射阀的相同中间位置即压力平衡位置上，样本环路中的压力通过在样本输送机构中吸收完全确定下来的附加流体量而等于环境压力(减压)。
压缩流和减压流没有流经注射阀。样本分配装置的(高压)注射阀的使用寿命因此只受到转子和定子之间不可避免的摩擦以及或许脏颗粒和样本材料的磨蚀作用的限制。

Claims (11)

1.一种用于液相色层分离法尤其是高效液相色层分离法的样本分配装置，
(a)包括可控的注射阀(3)，该注射阀具有用于排出处于低压的流体的至少一个废料端口(12)、两个样本循环端口(13，16)以及用于输入和排出处于高压的流体的两个高压端口(14，15)，其中，一个高压端口(15)可与泵(40)相连，另一个高压端口(14)可与色层分离柱(41)相连，
(b)包括样本环路(44，51，52)，它
(i)具有第一样本环路分段(51)，第一样本环路分段在一端与其中一个样本循环端口(16)相连并在另一端与样本输送机构(5)的泵腔室(V)相连，
(ii)具有第二样本环路分段(44，52)，第二样本环路分段在一端与其中另一个样本循环端口(13)相连并在另一端与样本输送机构(5)的泵腔室(V)相连，
(iii)其中第二样本环路分段(44，52)可被分开为吸入段(44)和输送段(52)地构成，
(iv)其中在分开状态下，可利用与泵腔室(V)相连的吸入段(44)的自由端吸入样本流体，该样本流体在连通状态下通过输送段(52)被送往相关的样本循环端口(13)的方向，
(c)包括用于控制注射阀(3)和样本输送机构(5)的控制单元(60)，
(d)其中该如此构成注射阀(3)，
(i)在加载位置上，两个高压端口(14，15)相连以及与第二样本环路分段(44，52)相连的样本循环端口(13)与废料端口(12)相连，
(ii)并且在注射位置上，与泵(40)相连的高压端口(15)同与第一样本环路分段(51)相连的样本循环端口(16)相连，可与色层分离柱(41)相连的高压端口(14)与同第二样本环路分段(52)相连的样本循环端口(13)相连，
其特征在于，
(e)该注射阀具有压力平衡位置，在压力平衡位置上，在注射阀(3)中的闭合样本环路(44，52，51)的样本循环端口被紧密关闭，
(f)该控制单元(60)如此控制注射阀和样本输送机构，即
(i)样本流体在加载位置中被吸入后将注射阀(3)切换到压力平衡位置，并且借助该样本输送机构(5)提高样本环路(44，52，51)中的压力，直到基本到达泵(40)的工作压力，并且随后才切换到注射位置，
(ii)和/或在注射位置上注入样本流体后将注射阀(3)切换到压力平衡位置，借助样本输送机构(5)降低样本环路(44，52，51)中的压力，直到基本到达环境压力，并且随后才切换到加载位置。
2.根据权利要求1所述的样本分配装置，其特征在于，在压力平衡位置上，注射阀(3)的两个高压端口(14，15)是连通的。
3.根据权利要求2所述的样本分配装置，其特征在于，注射阀(3)具有转子(2)和定子(1)，该转子(2)具有与定子(1)的端面配合作用的端面，在该端面中形成至少三个槽(21，23，25)，所述槽与转子(2)相对定子(1)的转动位置相关地要么按照权利要求1耐压地连通或耐压地关闭该高压端口(14，15)的、样本循环端口(13，16)的和废料端口(12)的，设于定子(1)端面中的端口开口截面，并且在注射阀(3)的加载位置连通两个高压端口(14，15)的槽(25)如此长地构成，即所述高压端口(14，15)在定子(1)和转子(2)转动至压力平衡位置之后还是连通的。
4.根据权利要求1至3之一所述的样本分配装置，其特征在于，样本输送机构(5)以耐高压形式构成并且能产生应用在高效液相色层分离法中的压力，最好是高于500至600巴、最优选是高于1000巴的压力。
5.根据权利要求1至4之一所述的样本分配装置，其特征在于，样本输送机构(5)具有活动元件(53)，该活动元件在泵腔室(V)中被密封引导并且借助样本输送机构(5)的、可由控制单元(60)控制的驱动机构(55)来移动，以输送泵腔室(V)所盛纳的流体。
6.根据权利要求5所述的样本分配装置，其特征在于，控制单元在到达注射阀(3)的压力平衡位置后通过相应控制驱动机构(55)的控制使活动元件(53)移动一段预定距离，该距离足以产生该样本输送机构(5)的泵腔室(V)因引导流体的机构的弹性和流体可压缩性而必然出现的变化，其中通过泵腔室(V)的增大，可实现样本环路(44，52，51)中的压力基本降低到环境压力，通过泵腔室(V)的减小，可实现样本环路(44，52，51)中的压力基本增大到泵(40)的工作压力。
7.根据权利要求1至6之一所述的样本分配装置，其特征在于，设有压力传感器，至少在注射阀(3)处于压力平衡位置的期间内，该压力传感器测量在闭合样本环路(44，52，51)中的或在样本输送机构(5)的泵腔室(V)中的流体压力。
8.根据权利要求1至6之一所述的样本分配装置，其特征在于，设有用于测量驱动机构施加至活动元件(53)上的力的传感器机构，至少在注射阀(3)处于压力平衡位置的期间内，传感器机构的信号被输送给控制单元，该控制单元从输送来的信号中获得在闭合样本环路(44，52，51)中或在样本输送机构(5)的泵腔室(V)中的流体压力。
9.根据权利要求7所述的样本分配装置，其特征在于，压力传感器的信号被送往控制单元(60)，控制单元(60)将流体压力与额定压力值进行比较并且如此控制样本输送机构(5)，即流体压力在注射阀(3)从压力平衡位置切换至注射位置之前达到高压额定值和/或流体压力在注射阀(3)从压力平衡位置切换至加载位置之前达到低压额定值。
10.根据权利要求1至9之一所述的样本分配装置，其特征在于，如此构成泵(40)，设于泵(40)中的泵控制单元在采用设于泵(40)中的压力传感器的情况下从一个或多个被泵控制单元控制的、运动的用于待输送介质的输送元件的运动中确定待输送介质的压缩性能并且将该信息输送给控制单元(60)以便确定位置B和C。
11.根据权利要求7至10之一所述的样本分配装置，其特征在于，控制单元(60)借助压力传感器或者设于泵(40)中的控制单元借助设于泵(4)中的压力传感器测量在从压力平衡位置切换到注射位置之后留下的压力降低，并且样本输送机构(5)的可运动元件的运动路程在考虑对应于该压力降低的压差的情况下被控制或调整。
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