CN102460184B - 用于在馏分收集期间减少液体损失的装置 - Google Patents

Abstract

一种包括液体保持装置(31)的馏分收集器，其中，馏分收集器还包括流体前缘控制装置(43)，其布置成用于将流体前缘定位在分配喷嘴(5)处并控制液体保持装置(31)以将流体前缘保持在预定位置。

Description

用于在馏分收集期间减少液体损失的装置

技术领域

本发明涉及结合馏分收集器使用的装置，并且更具体地涉及用于当从一个收集容器切换至下一收集容器时防止漏出的装置。

背景技术

馏分收集器广泛用于多种应用，例如液体层析领域。馏分收集器用于将液流分配至多个容器。这些容器通常构成为安装在架台上的试管或形成在板中的凹部。对于馏分收集器而言可以两种主要工作原理予以区分：可旋转的收集器，其中容器通过旋转运动朝分配装置供送，以及X-Y收集器，其中容器通过沿一个或两个方向的直线运动朝分配装置供送。当然，对于在容器静止而同时分配装置运动的馏分收集器而言，这些原理是相同的。

不论容器的类型或馏分收集器的工作原理如何，在各单独容器之间总是存在一定距离。因此，当从一个容器切换至下一容器时，有可能发生所分配液体的漏出，尤其是在液体流基本上连续的情况下。为何不希望有这样的漏出存在很多原因：它可能包含贵重的物质，它可能为潜在的健康危害物以及工作区域会变脏。

用于避免漏出的方法是公知的。例如，在授予Gilson等人的美国专利4,077,444中描述了一种阀和阀操纵器，其用于中止穿过分配管的液体流以便防止当液体流在位置之间移动时从管中漏出。然而，在例如高精度液体层析的某些应用中，在保持时间期间中断液体流是不利的。由于在保持时间期间，在保持在分配装置附近的管路中的液体体积中发生成分扩散，故会不利地影响液体层析系统的性能。

还公知的是，在容器变换期间使用分流阀传送液体流而耗费。该方法明显存在的缺点在于，贵重物质可能存在于废弃流中，且因此造成损失。

在JP-A-01068657中描述了一种用于分配柱层析洗出液的方法及装置，以及在JP-A-59026058中描述了一种分配方法和分配装置。

US6610208公开了一种馏分收集器，其包括液体保持装置，该液体保持装置提供为用于在馏分收集期间当从馏分收集器(1)中的一个收集容器(3)切换到下一个(3′)时避免损失液体，所述液体保持装置包括可扩张腔室，该可扩张腔室在从一个容器移动至另一个期间经促动以便停止来自分配喷嘴的输出流动。

然而，在可扩张腔室经促动以在运动期间积蓄流动时的一些情形中，积蓄速率可能过高，例如由于补偿实际流动与报告流动之间的误差。这可导致空气从分配喷嘴吸入并进入腔室中。此后，当可扩张腔室经促动以分配所积蓄的流动时，腔室中的经由喷嘴推出的空气和流体的混合物可形成气泡，该气泡爆裂并沿各个方向发送小微滴。这些小微滴可能会污染附近容器中的样本，且还会积蓄在传感器上并导致故障。

此外，在分配喷嘴移动而同时容器静止的馏分收集器中，当在两个容器之间移动而同时微滴仍存在于分配喷嘴处时，分配喷嘴的加速度可导致微滴分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于避免在馏分收集期间损失液体的新型方法以及馏分收集器，该方法和馏分收集器克服了现有技术的一种或多种缺陷。这是由如在独立权利要求中所限定的方法和馏分收集器而实现的。

对于此种方法和馏分收集器的一个优点在于，其在从一个收集容器切换至下一个时有效地防止液体漏出且空气吸入到液体保持装置中。

本发明的适用性的其它范围将从下文给出的详细描述中而变得清楚。然而，应当理解的是，详细说明和特定实例在简述本发明的优选实施例的同时仅以图示的方式给出。在本发明的精神和范围内的各种修改和改变将通过以下详细说明而对于本领域的技术人员变得清楚。

具体而言，应当注意的是，本发明的方法和装置的使用是在液体层析领域内示出的。然而，它也在期望在使用当从一个收集容器切换至下一个时而没有漏出的馏分收集器的任何其它应用领域内可用。

附图说明

本发明通过本文给出的详细说明(包括附图)而得到更为全面地理解，附图仅通过图示的方式给出且因此不限制本发明，以及在附图中：

图1a和图1b为两种类型的常规馏分收集器的示意性透视图。

图2a至图2d为示出流动通路和根据本发明一个实施例的装置在四个操作位置的简图。

图3a和图3b为微滴传感器的一个实施例的简图。

图4为另一微滴传感器的一个实施例的简图。

图5为又一微滴传感器的一个实施例的简图。

图6为示出用于控制根据本发明的馏分收集器和液体保持装置的控制装置的操作的流程图。

具体实施方式

作为背景，图1a和图1b示意性地示出了典型的馏分收集器1的基本构件。图1a示出了旋转型收集器1，而图1b示出了X-Y平移型收集器1′。收集器1包括托盘2，托盘2可围绕其中心旋转(由箭头示出)。托盘2设有用于储存容器如管3的架台。延伸臂4保持分配装置5，通常为注射器针头或塑料管。分配装置与由入口管路6构成的供送管线成流体连通，待分配至馏分收集器的管的液体从任何选定设备(未示出)如液体层析柱经由该入口管路6提供。

在操作期间，托盘2旋转以将第一管3置于分配装置5下方。经由管路6供送的液体通过分配装置5排放到管中。当第一管3已接收一定馏分体积的液体时，托盘2旋转一定角度以将第二管3置于分配装置下方来接收馏分体积。这些步骤重复选定次数。

应当注意的是，具有可旋转托盘的常规馏分收集器的构件和操作步骤的这种总体描述并非意图将本发明限制于该种类型的馏分收集器。本领域的任何技术人员将容易理解到的是，本发明也可用于任何其它类型的常规馏分收集器。例如，如图1b示意性地示出的那样，其中管使用类似于图1b中的分配喷嘴直线运动而置于分配装置下方或使用除试管外的其它类型的容器如微量滴定板的馏分收集器都可结合本发明使用。

不论馏分收集器的类型如何，当第一容器离开从分配装置排出的液体流时的时刻与当下一容器就位以接收液体流时的时刻之间都存在时间间隔T。假定流速为FR(t)，其中t表示流速可随时间变化，体积V为假定没有采取措施而在容器切换期间的损失。该体积可使用以下公式计算：

$V=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{FR}\left(t\right)\·\mathrm{dt}---\left[1\right]$

避免漏出的一种常规方式是通过关闭阀的方式来停止经由分配装置的流动。由此没有液体损失，但使流动停止会影响馏分收集器上游的设备，以及总体的分离精度。

根据本发明的第一方面，通过执行以下步骤避免了漏出，同时不会发生液体损失：

1)促动可扩张腔室，以便在从第一容器切换至第二容器的时间间隔期间积蓄液体流，

2)使流体前缘(front)置于喷嘴中，

3)控制可扩张腔室的促动以将流体前缘保持在预定位置，

4)促动可扩张腔室以将所积蓄的液体分配到第二容器中。

图2a至图2d中示出了结合本发明的方法使用的装置的一个实施例，示出了包括液体保持装置31和流体前缘控制装置43的一个实施例的布置。根据所公开的实施例，流体前缘控制装置43包括流体前缘检测器40和流体前缘控制单元42。流体前缘检测器40可为能够可靠地定位流体前缘的任何适合的类型。流体前缘检测器40的实例在图3和图5中公开并在下文中更为详细地描述。在图2a至图2d中，控制单元42示意性地公开为单独的控制单元，然而它也可形成一体地结合控制收集器1的其它功能的控制器，例如，液体保持装置31。

在图2a至图2d中，液体保持装置31包括可扩张腔室34，其由中空圆柱体41的内壁、端板49和活塞部件37所限定。

端板49设有两个开口，也即连接到入口管路6上的入口开口以及连接到分配装置或喷嘴5上的出口开口。在图2a至图2d中，入口开口示为布置在可扩张腔室34的顶部区段处，而出口开口处在下方。然而，实际上出口开口优选为布置在可扩张腔室的顶部处以便抽取会进入系统的气泡。此外，提供了轴35。所述轴可控地且往复地在圆柱体41的轴向方向上可动。轴35和活塞部件37例如通过螺纹接头彼此固定，以便作为一个单元可动。

驱动单元36，例如由微处理器控制的线性步进马达，控制轴35的移位且因此控制活塞部件37的移位。

活塞部件37在其圆柱表面上设有适合的密封装置等，以便抵靠圆柱体41的内壁密封。

可扩张腔室34形成为以便在活塞部件37处于其极左位置时(也即当可扩张腔室为″充胀″时)在入口出口与出口开口之间提供流体通路，以便容许在此阶段液体穿过可扩张腔室34。

图2a示意性地示出了第一状态，在其中可扩张腔室34的活塞37处于其极左位置，表示的情形是经由入口管路6供送的液体经由分配喷嘴5排放至容器3。在此状态，流体前缘控制装置43基本上不起作用。

图2b示意性地示出了在从一个容器3切换至下一容器3′的时间间隔T的初始部分期间出现的第二状态。在该第二状态，活塞部件37通过作用在活塞轴35上的驱动单元36向后拉动。来自于输入管路6的液体因此积蓄在液体保持装置31的扩张腔室34中，同时没有液体经由分配喷嘴5排出。在该状态，流体前缘检测器40布置成将流体前缘定位在喷嘴5处，而流体前缘控制单元42布置成用以控制驱动单元36而使活塞部件37以将流体前缘基本上保持在喷嘴5的预定位置处的一定速度移动。在来自于喷嘴5的液体流为微滴形式(如图2a中示意性示出的那样)的一个实施例中，流体前缘检测器40可布置成用以检测微滴何时分配以及流体前缘控制单元42响应于其而促动液体保持装置31以基本上即时地确定预定流体前缘位置。在来自于喷嘴5的液体流为连续流形式的情况下，则流体前缘控制单元42可布置成用以促动液体保持装置31以在确定根据上文的预定流体前缘位置之前将来自于喷嘴5的流动减小为如由流体前缘检测器40所检测的适合频率的滴流。当流体前缘控制装置43已达到该状态时，如图2c中所公开那样，可执行至下一容器3′的运动。在运动期间，流体前缘控制装置43保持控制流体前缘位置。对于具有静止分配喷嘴的馏分收集器1而言，预定流体前缘位置可为确保没有空气进入液体保持装置31的扩张腔室34且没有微滴从喷嘴释放的任何适合位置。然而，对于具有移动分配喷嘴5的馏分收集器1而言，预定流体前缘位置需要定位成使得当在两个容器之间移动时一旦分配喷嘴加速，没有微滴会分离。

图2d示意性地示出了在下一容器3′处于分配喷嘴5下方时的时刻之后出现的第四状态。在这种第三状态，活塞部件37通过作用在活塞轴35上的驱动单元36而向前推动。积蓄在腔室34中的液体穿过出口开口经由分配喷嘴5压出至下一容器3′。同时，从入口管路6供送的液体也通过腔室34和分配喷嘴5排出至下一容器3′。该第四状态一直存在直到活塞元件回到其极左位置，在其中发生根据图2a的第一状态。在此状态，流体前缘控制装置43基本上不起作用。

当设计根据本发明的液体保持装置时，用于装置不同构件的措施和材料必须基于由即将发生的应用所提出的要求来选择，这对于本领域的任何技术人员而言很自然。然而，在设计根据本发明第一实施例的装置时，必须考虑某些原理。

因此，活塞部件37受控而以对应于很接近入口管路6中流速的速率拉出，也即每单位时间经由入口管路供送的液体体积(如利用例如以上等式[1]的公式所计算的那样)总是大致等于在扩张腔室34中所产生的体积。以此方式，防止了流体前缘吸入到分配喷嘴中，且同时防止了从可扩张腔室在容器3和3’之间的滴落或漏出。

此外，活塞部件37应当以与入口管路6中的压力和出口开口的流过能力相关的速率向前推动，使得来自于入口管路的流动将在腔室中先前保持的液体体积排放到分配装置的同时，将实际上不受干扰地穿过腔室34。否则，会不利地影响液体内分离物质的溶解。

图3a和图3b示意性地示出了流体前缘检测器40的一个实施例，其还包括布置成朝流体前缘检测器40引导光的光源44，该流体前缘检测器40布置成用以检测如此接收的光。如在图中可见的那样，光源44和检测器相对于喷嘴5布置在相对的位置处，由此在喷嘴端部处的微滴相比于没有微滴存在时将减少到达检测器的光的量。根据一个实施例，光源为LED而检测器为任何适合的光检测装置。根据图3b中所示的一个实施例，其中图3b为喷嘴和流体前缘传感器装置40，44的底视图，该传感器装置布置为偏轴的以便避免当传感器布置在中心轴线上时可能出现的反射问题。

图4公开了一种基于光学纤维的流体前缘传感器装置43。传感器装置利用在空气与合成熔凝硅石(SFS)纤维等的端部之间以及缓冲物(buffer)与所述端部之间的对接面处的菲涅耳反射强度差。所公开的实施例包括光源44′，例如，鲜红色LED联接到光学纤维48上，该光学纤维48通过分束器51将光导引至传感器纤维50。传感器纤维布置成在分配喷嘴5处具有终止端面52，且在所公开的实施例中，端面52突出穿过在其中将液体分配出(例如，一滴接一滴地)的喷嘴。当微滴刚好落下时，在端面52处存在空气。在该对接面处的反射强度(R)可通过菲涅耳等式来计算：

R＝(n₁-n₂)²/(n₁+n₂)²

其中n₁为SFS的折射率，等于1.55600nm，而n₂为等于1.00的空气折射率或等于1.33的缓冲物(水600nm)折射率。对于空气而言R为4.6％的入射强度，而对于缓冲物而言R为0.58％，因此在反射强度方面存在几乎为8的倍数差。反射强度在传感器纤维中向后导引至分束器51处的收集纤维46。收集纤维46将光导引至光检测器40，例如光电二极管，并测量强度。

图5公开了基于传导率检测的流体前缘传感器装置43，其中传感器40″包括用于测量分配喷嘴5处的传导率以测量液体存在与否的电极装置53。

除根据本发明的装置之外，使用本发明的方法的系统，例如包括馏分收集器的液体层析系统，也应当包括用于使操作流体前缘控制装置43、液体保持装置31和馏分收集器相关联的控制装置。该控制装置可通过任何适合的装置构成，例如结合本领域内通常公知的适合接口电路的个人计算机。

图6中示出了显示由此种控制装置执行的控制步骤的流程图。取决于应用，可使用用于启动容器切换的不同类型的标准，例如检测容器中的液面、计算输送的液体体积、监测对于在液体中输送的物质而言很重要的特性等。

不管所选标准如何，控制装置都通过定位流体前缘90并控制驱动单元以拉动活塞102来将流体前缘定位在预定位置处而开始容器切换。接下来的步骤是将切换至下一收集容器101。当下一收集容器相对于分配喷嘴5处于正确位置时，控制装置停止107驱动单元36拉动活塞元件。此时，来自于入口管路6的液体经由出口开口朝分配装置5流动。

接下来，控制装置命令驱动单元推动活塞108以压缩腔室，从而经由分配喷嘴5分配腔室的内容物。

本发明由此进行了描述，显然的是本发明可以许多方式而变化。此类变化不应视作为偏离了本发明的精神和范围，而是对于本领域普通技术人员将明显的是所有此类变型都意图包括在以下权利要求的范围内。

当然，还应当认识到的是，尽管液体层析已用作应用领域的适合实例，但本发明的方法和装置的应用不限于此领域。

Claims (7)

1.一种用于在液体流的馏分收集期间当从馏分收集器中的一个收集容器切换至下一收集容器时避免损失液体的方法，包括以下步骤：

·在从一个收集容器切换至下一容器的时间间隔期间，促动可扩张腔室以积蓄所述液体流，

·将流体前缘定位在分配喷嘴处，

·控制所述可扩张腔室的促动以将所述流体前缘保持在预定位置，其中，每单位时间经由入口管路供送的液体体积总是等于在所述扩张腔室中所产生的体积，

·促动所述可扩张腔室以将所积蓄的液体分配至第二容器中。

2.一种包括液体保持装置(31)的馏分收集器，其中所述馏分收集器还包括流体前缘控制装置(43)，所述流体前缘控制装置(43)布置成用于将流体前缘定位在分配喷嘴(5)处和控制所述液体保持装置(31)以将所述流体前缘保持在预定位置，所述液体保持装置包括可扩张腔室，其中，在将所述流体前缘保持在预定位置时，每单位时间经由入口管路供送的液体体积总是等于在所述扩张腔室中所产生的体积。

3.根据权利要求2所述的馏分收集器，其特征在于，所述流体前缘控制装置(43)包括光学流体前缘检测器(40)。

4.根据权利要求3所述的馏分收集器，其特征在于，所述光学流体前缘检测器(40)包括引导光穿过所述喷嘴(5)处的流体流动通路的光源(44)，以及布置成用以接收所述光的光学检测器。

5.根据权利要求4所述的馏分收集器，其特征在于，所述光源(44)和所述光学检测器相对于所述喷嘴(5)的中心布置成偏轴。

6.根据权利要求3所述的馏分收集器，其特征在于，所述光学流体前缘检测器(40)包括布置成用以将光耦接至光学传感器纤维(50)的光源(44')，以及光学检测器，所述光学传感器纤维(50)布置成具有位于所述分配喷嘴(5)处的流体流动通路中的终止端面(52)，所述光学检测器布置成用以记录来自于所述端面(52)的反射强度。

7.根据权利要求2所述的馏分收集器，其特征在于，所述流体前缘控制装置(43)包括传导率流体前缘检测器。