CN102803948A - 自动化流体处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种自动化流体处理系统包括壳体(20)和两个或更多个流体处理单元(26)，该两个或更多个流体处理单元(26)布置成具有外部流控区段(30)和内部非流控区段(32)的可互换的模块式构件，以及其中，壳体(20)包括具有用于接收所述可互换的模块式构件(26)的构件位置中的两个或更多个的液体处理面板(22)，使得外部流控区段(30)与非流控区段(32)被液体处理面板(22)分开。

Description

自动化流体处理系统
发明背景
本发明涉及流体处理系统的技术，并且具体而言，涉及柔性和可构造性高的自动化流体处理系统。该流体处理系统可为例如液相色谱系统、过滤系统、化学合成系统等等。
例如在实验室中存在各种各样的流体处理系统。这样的系统包括许多流体处理单元，例如不同类型的一个或多个泵、阀、混合器、传感器单元等。所述流体处理单元由呈刚性或柔性管等形式的流体管道互连。虽然可针对特定类型的应用来将一些系统设计成具有特定的流径，但是常常存在对改变或优化系统的流体流径的柔性和能力的需要。此外，升级常常限于制造商提供的特定的套件，并且升级套件常常作为布置在原始系统旁边的外部附加装备来供应，从而扩大了系统的占地面积，并且它们需要即流体地连接又电连接(即连接到系统控制总线等等上)到系统上。此外，更换有故障的流体处理单元是耗时和精密的任务。
一种类型的液体处理系统是液相色谱系统，该液相色谱系统在实验室中是标准方法，并且存在各种各样的可在市场上获得的液相色谱系统。缺乏使仪器适应于各种各样的不同的应用的柔性对大部分目前的系统来说是普遍的。
发明概述
本发明的目的在于提供一种新的流体处理系统，该系统克服了现有技术的一个或多个缺陷。这通过在独立权利要求中限定的流体处理系统来实现。
这种流体处理系统的一个优点在于，该系统可容易地升级，而不需要附加装备，以及可为新的实验安排容易地优化流径
在从属权利要求中限定了本发明的实施例。
附图简述
下面将参照附图来详细地描述本发明，其中
图1显示了根据本发明的、呈液相色谱系统的形式的流体处理系统的一个实施例。
图2是图1的流体处理系统的具有液体处理面板的壳体的示意图。
图3是移除了流体处理系统的模块式构件的、图2的具有液体处理面板的壳体的示意图。
图4a至4d是被移除的流体处理系统的构件模块的实例的示意图。
图5a和5b显示了自动化流体处理系统的一个示意性实施例。
图6是移除了流体处理系统的模块式构件的、具有模块式液体处理面板的壳体的一个实施例的示意图。
图7a和7b是移除了流体处理系统的模块式构件的、具有液体处理面板的模块式壳体的一个实施例的示意图。
图8是根据本发明的流体处理系统的一个实施例的系统架构的一个实施例的示意图。
图9是根据本发明的流体处理系统的一个实施例的主控制单元的一个实施例的示意图。
图10是用于图1的液相色谱系统的液体处理面板的模块式构件之间的流控(fluidic)互连布置的一个实施例的示意图。
发明的详细描述
根据一个实施例，提供了一种包括壳体和两个或更多个流体处理单元的自动化流体处理系统，该两个或更多个流体处理单元布置成具有外部流控区段和内部非流控区段的可互换的模块式构件，以及其中，该壳体包括具有用于接收所述可互换的模块式构件的构件位置中的两个或更多个的液体处理面板，使得外部流控区段与非流控区段被该液体处理面板分开。
根据另一个实施例，提供了一种呈液相色谱系统的形式的流体处理系统，其包括壳体、两个或更多个高压泵、至少一个传感器单元和至少两种不同构造的多个流体控制阀，其中，至少流体控制阀布置成可互换的模块式构件，并且壳体包括具有用于接收所述模块式构件的多个构件位置的液体处理面板。
图1显示了呈液相色谱系统的形式的模块式自动化流体处理系统的一个实施例，多个可互换的模块式构件布置在液体处理面板中，其中，参考标号表示：
1.喷射阀(INV)
2.具有集成式压力传感器的柱阀(CV)
3.传导性监测器
4.UV监测器
5.四元(quaternary)阀(QV)
6.具有集成式空气传感器的入口阀B(IVB)
7.系统泵
8.压力监测器、系统泵
9.具有集成式空气传感器的入口阀A(IVA)
10.系统泵
11.压力监测器、样本泵
12.样本泵
13.清洗系统
14.具有在线过滤器的混合器(MX)
15.具有集成式空气传感器的样本入口阀(SIV)
16.限流器
17.pH阀
18.出口阀(OV)
为所公开的实施例供应了高精度泵7、10、12。存在两个系统泵7、10(系统泵A10和系统泵B7)以及一个样本泵12。系统泵7、10可单独使用，或组合起来使用，以在净化方法中产生等度洗脱或梯度洗脱。样本泵12专用于将样本直接加载到柱上，或专用于填充样本环路。
泵的功能：
各个泵模块均由两个泵压头(未显示)组成。单独的压头是相同的，但是通过由微处理器控制的单独的步进马达在彼此相反的相位中促动。两个活塞和泵压头交替地工作，以提供连续的、低脉动的液体输送。两个系统泵的流率可在大约0.001毫升/分钟和25.000毫升/分钟之间变化，并且最大运行压力为大约20MPa。样本泵的流率例如可在0.01毫升/分钟和25毫升/分钟之间变化，并且根据一个实施例，最大运行压力为10MPa。
根据一个实施例，至少两种不同构造的该多个流体控制阀是旋转型的阀。这种机动式旋转阀可由具有许多被限定的孔的阀头和通往阀的入口端口和出口端口的通道组成。安装在马达上的旋转盘具有许多被限定的通道。旋转盘的通道的型式以及阀头的端口的型式和位置限定各种类型的阀的流径和功能。当旋转盘转动时，阀中的流径改变。
流体控制阀的一个实施例是用来选择在运行中使用哪个缓冲剂或样本的入口阀A和B(分别为9、6)，以及位于样本泵12前面的样本入口阀15。入口阀A91位于系统泵A10前面，入口阀B6位于系统泵B10前，并且样本入口阀15位于样本泵12前面。入口阀A和入口阀B连接到呈四元阀5的形式的流体控制阀的另一个实施例上。使用该四元阀来进行自动的缓冲剂准备，以及形成四元梯度。通过安装具有额外的入口阀的构件模块，可增加入口的数量。入口阀A和入口阀B使得能够在不同的缓冲剂和洗液之间自动地改变，并且可用来通过混合缓冲剂A和缓冲剂B而产生梯度。可使用结合在入口阀A和入口阀B中的空气传感器来防止空气被引入泵和柱中。
使用四元阀来自动地混合四种不同的溶液。四元阀一次打开一个入口端口，并且在混合器14中混合不同的溶液而形成期望的缓冲剂。切换阀的打开时间由系统控制。当流增大时，各个入口端口打开的量逐步增大。为了获得均质的缓冲剂成分，必须确保使用适于该方法的流率的混合器室体积。
四元阀可用来以任何组合同时使用四种不同的溶液来产生梯度。各种溶液的百分比由该方法中的指令控制。形成随时间的过去而线性地改变两种、三种或四种溶液的百分比的梯度是可行的。这在开发高级方法时是有用的。
当使用样本泵12来将样本直接喷射到柱上或填充样本环路时，样本入口阀15使得能够自动地加载不同的样本。样本入口阀具有专用于缓冲剂的入口。在引入样本之前，在方法中使用这个缓冲剂入口来用溶液填充样本泵。缓冲剂入口还用来在运行之间用缓冲剂清洗样本泵。例如当通过在方法的样本应用阶段中使用空气传感器来选择喷射所有样本来从容器中将样本应用到柱上时，使用结合在样本入口阀中的空气传感器。这个功能使用了缓冲剂入口，该缓冲剂入口用来完成样本喷射，以及从样本泵中移除空气。
流体控制阀的另外的另一个实施例可为喷射阀1，其用来将样本引导到柱上。该阀使得能够使用许多不同的样本应用技术。样本环路可连接到喷射阀上，并且或者通过使用样本泵来自动地或者通过使用注射器来手动地填充该样本环路。也可使用样本泵来将样本直接喷射到柱上。
流体控制阀的另外的另一个实施例可为用于将柱连接到系统上以及将流引导到柱上的柱阀2。多达五个柱可同时连接到所述阀的所公开的实施例上。阀还具有使得能够绕过被连接的柱的内置旁路毛细管。
可通过安装额外的柱阀来增加柱位置的数量。各个柱的顶部和底部两者应连接到柱阀上。柱的顶部应连接到A端口中的一个(例如1A)上，而柱的底部应连接到对应的B端口(例如1B)上。流方向可设定成或者从柱的顶部到柱的底部(下降流)，或者从柱的底部到柱的顶部(上升流)。在柱阀的默认流径中，绕过了柱。测量柱上的实际压力的压力监测器结合到柱阀的入口端口和出口端口中。
流体控制阀的另外的另一个实施例可为具有其中可安装pH电极的集成式流动池的pH阀17。这使得能够在运行期间在线地监视pH。限流器连接到pH阀上，并且可被包括在流径中，以产生足够高的背压来防止在UV流动池中形成气泡。使用pH阀来将流引导到pH电极和限流器，或者引导流绕过一个或两者。
流体控制阀的另外的另一个实施例可为用于将流引导到馏分收集器(未显示)、例如10个出口端口中的任一个或废料管的出口阀18。可通过安装额外的出口阀来增加出口的数量。
混合器14例如可位于系统泵A和系统泵B后面以及喷射阀前面。混合器的目的在于确保来自系统泵的缓冲剂被混合，以提供均质的缓冲剂成分。混合器具有防止杂质进入流径的内置过滤器。
为达到期望的目的，对于所公开的液相色谱系统，以简单和柔性的方式来调适和延伸流径是可行的。使用三个空闲的阀位置，可安装多达三个额外的流体控制阀等等。哑(dummy)模块按照输送的要求而安装在这些位置上。为了获得可选的流径，使标准流体控制阀移动到其它位置也是可行的。可存在安装在样本入口阀前面或喷射阀后面的两种类型的额外的空气传感器可用。
在图1中公开的构造中，对于各个入口阀有7个入口可有。为增加入口的数量，可安装额外的入口阀，这为阀中的一个把入口的数量增加到14。例如当将使用较大数量的样本时，这个可选构造可为方便的。也存在可用来增加例如四元阀的入口的数量的一般类型的入口阀，阀X。
在图1中公开的构造中，对于一个柱阀，有5个柱位置可用。为了将柱位置的数量增加到10，可将额外的柱阀安装在仪器中。一个应用可为在方法的优化中评价许多不同的柱。
在图1中公开的构造中，对于一个出口阀，有10个出口位置可用。为了增加出口的数量，可连接一个或两个额外的出口阀，从而合计总共21个或32个出口位置。当在馏分收集器外部收集许多大馏分时，这个可选构造是方便的。
可选模块易于安装在公开的模块式液相色谱系统中。用六角扳手移除哑模块，并且断开总线电缆。总线电缆连接到组装在仪器中的可选的流体控制阀等等上。然后在控制软件中对系统属性添加该模块。可用的可选模块例如可预先构造成提供期望的功能。但是，例如可通过改变节点ID来改变阀的功能。
图2是呈图1的模块式液相色谱系统100的形式的流体处理系统的具有液体处理面板22的壳体20的示意图。在图2中，出于清楚的原因而移除了一些构件。在公开的构造中，如上面详细地公开的那样，模块式液相色谱系统100包括呈下者的形式的多个流体控制阀：喷射阀1、柱阀2、四元阀5、入口阀B6、入口阀A9、样本入口阀15、pH阀17和出口阀18。色谱系统100进一步包括UV监测器4、系统泵B7、系统泵A10、样本泵12、混合器14和三个哑模块24。根据一个实施例，布置在液体处理面板22处的所有液体处理构件和传感器均设计成可容易地互换。可互换性提供了改进的服务和升级可能性，并且还提供了定制相应的液体处理构件(例如流体控制阀)的位置的可能性，例如以便为特定的实验安排优化流体路径。如在图2中示出的那样，存在例如用于泵模块的三个较大的构件位置、一个UV传感器位置和例如用于流体控制阀等等的9个标准构件位置。构件位置被赋予标准化大小和形状，以提供简单的可互换性。根据一个实施例，各个模块式构件通过单个螺钉而固持在配合构件位置上，并且它通过单个总线电缆来连接到主控制单元上，从而对各个构件提供通讯和系统功率两者。图3是移除了液相色谱系统的模块式构件的、图2的具有液体处理面板的壳体的示意图。
图4a至4d是呈被移除的流体处理系统的模块式构件的形式的流体处理单元的实例的示意图。图4a显示了标准的可互换的模块式构件26，例如流体控制阀等等。标准构件模块26包括面板部件28、外部流控区段30和内部非流控区段32。根据一个实施例，面板部件28基本使外部流控区段30中的流体与内部非流控区段32中的电子器件和控制机构分开。
图4b显示了哑模块24，其意图置于不使用的标准构件位置上。在公开的实施例中，哑模块设有用于将附件附连到系统上的安装凹槽。在公开的实施例中，哑模块显示为没有任何内部区段的面板部件28。图4c和4d分别显示了各自具有外部流控区段30和内部非流控区段32的泵模块和UV模块。
如在图4a至4d中公开的那样，可互换的模块式构件26包括布置成使流控区段与非流控区段分开以及用于附连到液体处理面板中的构件位置上的面板部件。所述面板附连部件可布置成使得所述模块式构件的所有流体连接部均布置在面板附连部件的湿侧上，从而使它们与布置在其干侧上的电气构件分开，由此在流体处理面板的外部部分处提供高的液阻度，以及使得内部区段的液阻要求可略微减轻。根据一个实施例，通过密封部件来抵靠着液体处理面板而密封可互换的模块式构件。根据另一个实施例(未显示)，模块式构件不包括任何面板部件，而是在液体处理面板的构件位置开口和可互换的模块式构件26的外表面之间提供适当的密封布置。在公开的实施例中，显示了液体处理面板的构件位置开口和可互换的模块式构件26具有基本长方形的截面形状，但是同样也可应用其它形状。根据一个实施例，提供了一般的流体处理系统，其包括壳体和布置成如在图5中示意性公开的那样的可互换的模块式构件的两个或更多个流体处理单元。如上面所论述的那样，可针对基本任何类型的自动化液体处理操作来构造这种系统，只要将适当的流体处理单元作为可互换的模块式构件提供给系统。根据一个实施例，提供了一种自动化流体处理系统，其包括至少一个流体泵、至少一个传感器单元和至少两种不同构造的两个或更多个流体控制阀，其中，至少流体控制阀布置成可互换的模块式构件。
例如可按任何适当的方式来设计流体处理系统的液体处理面板22，以允许以高效的方式来布置模块式构件。
图5a和5b显示了自动化流体处理系统的示意性实施例，其中，壳体20包括布置在液体处理面板22后面一距离处的内部气候面板29，该内部气候面板29在壳体20中限定空气入口隔室35和空气出口隔室37，气候面板29设有用于接收可互换的模块式构件26的内部非流控区段32的互补式构件位置39，以及其中，当可互换的模块式构件在构件位置上布置就位时，至少一个可互换的模块式构件的非流控区段32设有位于空气入口隔室35中的一个或多个空气入口开口31和位于空气出口隔室37中的一个或多个空气出口开口33。图5b在示意性截面图中显示了图5a的流体处理系统。如由入口通风口41和出口通风口43指示的那样，用于冷却设有空气入口31和出口开口33的可互换的模块式构件26的空气优选地布置成在距出口通风口43一距离处进入空气入口隔室35，以便避免空气再循环。系统中的空气循环可由通过该至少一个可互换的模块式构件26而将来自空气入口隔室35的空气流提供给空气出口隔室37的系统冷却单元(未显示)实现。备选地，该至少一个可互换的模块式构件26设有将来自空气入口隔室35的空气流提供给空气出口隔室37的本地冷却单元(未显示)。如所指示的那样，互补式构件位置39布置成相对于可互换的模块式构件26的内部非流控区段32提供相对有气流密闭性的装配，并且根据一个实施例，这可由密封布置实现。在图5b中，显示了用于相对于液体处理面板22来密封可互换的模块式构件26的密封部件45，如上面所论述的那样。本领域技术人员可设想到其它密封部件布置。根据一个实施例，流体严格地限制于可互换的模块式构件26的流控区段30，但是在备选实施例中，仅流体连接限制于流控区段30，从而允许流体在可互换的模块式构件26的非流控区段30内部“穿过”流体处理面板。
在图5b中进一步显示了主控制单元40和用于将可互换的模块式构件26连接到主控制单元40上的总线连接器42。根据一个实施例，包括总线连接器42和可互换的模块式构件26的构件位置相对于彼此是即插即用构造。
图6是移除了液相色谱系统的模块式构件的、具有模块式液体处理面板22的壳体20的一个实施例的示意图。在公开的实施例中，液体处理面板22的布局也可借助于两个可互换的面板区段34来进行构造，可根据系统和期望布局来选择该两个可互换的面板区段34。在图6中，公开了可互换的面板区段的两个不同的布局，但是该布局可包括任何适当的构造。
图7a和7b是移除了液相色谱系统的模块式构件的、具有液体处理面板的模块式壳体的一个实施例的示意图。在公开的实施例中，模块式壳体由包括包含用于整个壳体的功率供应和气候控制的主控制单元的主壳体36、两个扩展壳体模块38和侧部部件40组成。这个方法为色谱系统提供了非常柔性的扩展可能性，同时保持了包括功率供应和气候控制的单个主控制单元的益处。
图8是根据本发明的模块式液相色谱系统的一个实施例的系统架构的一个实施例的示意图。如上面所提到的那样，色谱系统可包括布置成在系统总线42(例如CAN总线等等)上与所有模块式构件(例如1-26)通讯的主控制单元40。在一个实施例中，各个模块式构件设有专用的CPU单元，从而允许构件响应于总线42上的指令而独立地执行操作。为了最大程度地减少附连到各个模块式构件上的连接器的数量，总线42进一步包括用于模块式构件的功率供给。总线42可连接到布置在壳体20中的任何适当数量的模块式构件上，但是也可连接到壳体20外部的一个或多个模块式构件44上等等。如在上面简要地提到的那样，主控制单元可进一步布置成控制壳体中的气候。除了公开的模块式构件之外，色谱系统的其它构件(例如馏分收集器等等)可布置在壳体和其中受控的气候中。
根据一个实施例，不同的构件模块由主控制单元自动识别，借此它们可在不同的位置之间基本自由地移动。此外，主控制单元可布置成将所述信息提供给色谱控制软件，借此可执行实验安排和计划。在一个实施例中，控制系统可布置成关于液体处理面板的当前布局的构件模块和对特定的实验设置可用的构件模块提供优化布局。
根据一个实施例，图5的可互换的面板区段34和图6a和6b的扩展壳体模块38可设有用于它们的自动检测的机构，以允许由主控制单元40进行系统的自动构造。在一个实施例中，各个可互换的面板区段34和扩展壳体模块38包括用于连接到系统总线42上的集线器(未显示)，以便使系统总线42网络扩展到各个可互换的面板区段34或扩展壳体模块38中的构件模块的数量。
图9是根据本发明的模块式液相色谱系统的一个实施例的主控制单元的一个实施例的示意图。主控制单元40包括用于与内部构件和外部构件以及控制计算机(未显示)等通讯的系统控制器46。根据一个实施例，系统控制器包括适当的CPU 48、总线控制器52、外部通讯控制器50(例如LAN单元)和存储装置54。总线控制器52提供了与构件模块的通讯。主控制单元可进一步包括功率供应56和布置成将壳体20中的内部气候保持在预定水平处的气候控制器58，如上面所论述的那样。
图10是液体处理面板的模块式构件之间的流控互连布置的一个实施例的示意图。考虑到公开的互连布置的复杂性，优化系统的备选构造中的流体路径的益处变得明显。例如可执行优化流体路径的任务来减小布置成互连系统中的不同的构件模块的流体路径/管路的总长度/体积。备选地，可执行优化来最大程度地减小一个或多个特定的流体路径(例如从柱到馏分收集器的样本输出路径)的长度/体积，以便最大程度地降低经分馏的样本的消散。

Claims (14)

1.一种自动化流体处理系统，包括壳体和两个或更多个流体处理单元，所述两个或更多个流体处理单元布置成具有外部流控区段和内部非流控区段的可互换的模块式构件，以及其中，所述壳体包括具有用于接收所述可互换的模块式构件的构件位置中的两个或更多个的液体处理面板，使得所述外部流控区段与所述非流控区段被所述液体处理面板分开。
2.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述可互换的模块式构件包括布置成使所述流控区段与所述非流控区段分开以及用于附连到所述液体处理面板中的构件位置上的面板部件。
3.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，通过密封部件来抵靠着所述液体处理面板而密封所述可互换的模块式构件。
4.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述流体处理系统包括主控制单元，其中，所述可互换的模块式构件通过系统总线来连接到所述主控制单元上，以及其中，所述构件位置和所述可互换的模块式构件相对于彼此是即插即用构造。
5.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所有可互换的模块式构件均为同样的大小。
6.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述可互换的模块式构件有两种或更多种大小。
7.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述流体处理系统包括至少一个流体泵、至少一个传感器单元和至少两种不同构造的两个或更多个流体控制阀，其中，至少所述流体控制阀布置成可互换的模块式构件。
8.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述主控制单元包括用于控制所述壳体和所述可互换的模块式构件中的气候的系统气候控制器。
9.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述壳体包括布置在所述液体处理面板后面一距离处的、在所述壳体中限定空气入口隔室和空气出口隔室的内部气候面板，所述气候面板设有用于接收所述可互换的模块式构件的所述内部非流控区段的互补式构件位置，以及其中，当所述可互换的模块式构件在所述构件位置上布置就位时，至少一个可互换的模块式构件的所述非流控区段设有位于所述空气入口隔室中的一个或多个空气入口开口和位于所述空气出口隔室中的一个或多个空气出口开口。
10.根据权利要求9所述的流体处理系统，其特征在于，所述流体处理系统包括通过所述至少一个可互换的模块式构件而将来自所述空气入口隔室的空气流提供给所述空气出口隔室的系统冷却单元。
11.根据权利要求9所述的流体处理系统，其特征在于，所述至少一个可互换的模块式构件设有将来自所述空气入口隔室的空气流提供给所述空气出口隔室的本地冷却单元。
12.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述系统是布置成提供通过色谱柱的受控的流体流的液相色谱系统。
13.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述系统是液体过滤系统。
14.根据权利要求1所述的流体处理系统，其特征在于，所述系统是化学合成系统。
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