CN104303038A - 分析物浓缩的替代品添加装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述一种替代品添加装置，该装置以一致的输送速率将替代化合物添加到流动样品流中。该替代品添加装置包括替代品储罐、流动室以及扩散屏障。该替代品储罐可被配置成包含替代品溶液，其中该替代品溶液包含替代化合物。该流动室包括入口端口和出口端口。该扩散屏障的至少一部分设置于该替代品储罐与该流动室之间。该扩散屏障可包括形成该替代品储罐的壁的一个内表面和形成该流动室的壁的一个外表面。该流动室可被配置成接收穿过该扩散屏障的该外表面的流动样品溶液并且还使该替代化合物从该替代品储罐扩散到该流动室。

Description

分析物浓缩的替代品添加装置和方法

背景

在使用分析技术监控环境中的化学物方面的兴趣日臻增高。例如，可以监控湖泊、河流、池塘以及水库中的除草剂，以确保水能安全饮用或者除草剂不会危及栖息地。在很多情况下，用于水的分析技术将需要相当大的液体体积(例如，100mL至1000mL液体)并且样品位置可能距离分析实验室很远。应注意，分析仪器例如像高压液相色谱(HPLC)和毛细管色谱不能被轻易运送到样品源，因为它们是相当重且精密的仪器。出于这些原因，用于对远距离水体进行取样的大部分程序需要将水样从远距离地点收集并运输到实验室。除收集、装瓶、保存以及运输水的成本和不便之外，在该过程的各个步骤中均存在交叉感染和出错的可能性。

在一个环境研究中，可持续长时间段监控水。人工操作者进行水取样过程可能并不方便或者不是成本有效的。一种可能性是使用被配置来持续一段时间以恒定流速从样品源取水并保存在容器中的泵罐(pump can)。使用泵的一个问题在于，它需要持续整个取样周期具有足够的功率和一致的流速。申请人认为需要一种可以检验样品已经适当收集的装置和方法。此外，申请人认为检验装置和方法应不需要电源，以使得将容易使用在远距离环境中的实现方式。

发明内容

描述一种替代品(surrogate)添加装置，该装置以一致的输送速率将替代化合物添加到流动样品流中。该替代品添加装置包括替代品储罐、流动室以及扩散屏障。替代品储罐可被配置成包含替代品溶液，其中该替代品溶液包含替代化合物。流动室包括入口端口和出口端口。该扩散屏障的至少一部分设置于该替代品储罐与该流动室之间。该扩散屏障可包括形成该替代品储罐的壁的一个内表面和形成该流动室的壁的一个外表面。该流动室可被配置成接收穿过该扩散屏障外表面的流动样品溶液并且还使该替代化合物从该替代品储罐扩散到该流动室中。沿着流动样品溶液穿过该入口端口的方向延伸的轴线相对于沿着流动样品溶液从该入口端口至该出口端口的方向延伸的线段形成一个角。该角的范围可以是从约100度至约170度。

在一个实施例中，该扩散屏障还可被配置成在取样周期过程中具有替代化合物到流动室中的近似一致的扩散速率，该取样周期包括其中样品溶液被泵入穿过流动室以在固相提取装置上浓缩分析物的持续时间。替代化合物从替代品储罐到流动室中的扩散速率的范围在每分钟约一毫升的流速下可以是从每分钟约4阿托摩尔(attomole)至每分钟约100皮摩尔。在取样周期过程中，近似一致的扩散速率可具有小于约5％的相对标准偏差。扩散屏障还可被配置成使得在取样周期过程中基本上没有大量的样品溶液流动穿过扩散屏障。流动室可包括由该扩散屏障外表面和该流动室的相对壁限定的高度，其中该高度的范围是从约0.6毫米至约13毫米。可以对替代品添加装置进行定向，其中该扩散屏障的外表面是近似平行于重力向量线的近似平面的表面。

描述一种用于从样品源浓缩分析物的系统。该系统包括泵、替代品添加装置以及固相提取装置。该泵可以被配置成将样品溶液从样品源泵入到固相提取装置中。该替代品添加装置可以流体地联接至该泵的出口上。替代品储罐可被配置成包含替代品溶液，其中该替代品溶液包含替代化合物。流动室包括入口端口和出口端口。该扩散屏障的至少一部分设置于该替代品储罐与该流动室之间。该扩散屏障可包括形成该替代品储罐的壁的一个内表面和形成该流动室的壁的一个外表面。流动室可被配置成接收穿过该扩散屏障外表面的流动样品溶液并且还使该替代化合物从该替代品储罐扩散到该流动室中。该固相提取装置可以流体地联接至流动室的出口端口。该固相提取装置可以被配置成从样品溶液结合替代化合物和分析物。

一种用于从样品源浓缩分析物的方法包括将样品溶液从样品源泵入到替代品添加装置中。可以使用该替代品添加装置将替代化合物添加到样品溶液中。来自替代品添加装置的样品溶液可流向固相提取装置。分析物和替代化合物可从样品溶液结合到固相提取装置中。作为下一个步骤，可以从固相提取装置洗脱分析物和替代化合物。可以使用分析仪器分析洗脱的分析物和洗脱的替代化合物，该分析仪器例如像，液相色谱仪、质谱仪、气相色谱仪、紫外-可见分光计、荧光分光计、火焰离子化检测器、电化学检测器或其组合。

附图简要说明

结合在此并构成本说明书的一部分的附图说明了本发明当前优选的实施例，并且与上文给出的一般说明和下文给出的详细说明一起用于解释本发明的特征(其中相似数字代表相似元件)。通过参考阐述利用本发明原理的说明性实施例的以下详细说明和附图将获得对本发明的特征和优点的详细理解，在附图中：

图1示出一种用于浓缩分析物的系统的示意图，该系统包括一个替代品添加装置和一个固相提取装置；

图2示出该替代品添加装置的分解侧截面平面视图；

图3示出替代品添加装置的图示流动室的那部分的仰视图；

图4示出替代品添加装置的相对于切割平面线4的一部分的截面侧平面视图，该部分中具有平面表面的扩散屏障被配置成近似垂直于重力向量线G；

图5示出扩散屏障的简化分解侧平面图，其中突出显示了替代化合物从替代品储罐到流动室的一致地输送；

图6示出替代品添加装置的一部分的截面侧平面视图，其中具有平面表面的扩散屏障被配置成近似平行于重力向量线G；

图7示出一种用于分析已预先浓缩在固相提取装置上的分析物的在线系统的示意图；

图8示出随时间而变化的吸光度单位，其中替代化合物利谷隆已从固相提取装置上洗脱；

图9是示出随时间而变化的、与替代化合物利谷隆浓度成比例的UV反应的图表，其中平面扩散屏障是近似垂直于重力向量线；

图10是示出随时间而变化的、与替代化合物利谷隆浓度成比例的UV反应的图表，其中平面扩散屏障是近似平行于重力向量线；并且

图11是示出随时间而变化的、与替代化合物利谷隆浓度成比例的UV反应的图表，其中液体流是合成的饮用水。

实施方式的详细说明

以下详细说明应参考附图来阅读，其中在不同附图中的相似元件相同地进行编号。不必按比例绘制的这些附图描绘了多个选择的实施例并且不旨在限制本发明的范围。详细说明通过举例的方式而不是限制的方式来说明本发明的原理。本说明将清楚地使得本领域技术人员能够进行并使用本发明，并且描述本发明的若干实施例、改变、变化、替代方案以及用途，包括目前被认为是执行本发明的最好模式。如在此使用的用于任何数值或范围的术语“约”或“近似”指示出于其在此所述的预期目的允许组分的部分或集合起作用的一个适合的尺寸公差。

可以从一个样品源收集一种样品以监控一种分析物。在一个实施例中，可使用一个泵来在一个时间段上收集该样品。在监控水中的化学物时，样品中的分析物浓度可能是相对低的并且因此难以测量。为了避免这个问题，可以使用固相提取装置浓缩该分析物并且同时减少样品的总体积。使该分析物与固相提取装置结合允许样品更容易地输送到实验室并且然后随后进行分析。固相提取装置典型地是相对小且轻的装置，它与一个一升的水瓶相比可以是容易运输的。

为了使用固相提取装置进行精确和准确的测量，该泵应具有一致的流速以使得流动通过固相提取装置的流体体积可以与预定方案一致。然而，在某些情况下，泵可能发生故障并且引起流速高于或低于设定的量。将描述一种可确定泵在样品收集过程中是否正确工作的装置和方法。这种装置可以是将一致量的一种替代化合物释放到流动样品流中的一种替代品添加装置，该替代化合物然后随后由固相提取装置结合。假设泵以设定的流速正确地运转，则可以计算结合至该固相提取装置的替代化合物的量。如果测量的结合至固相提取装置的替代品的量不处于预定范围内，那么可以确定发生系统错误。在一个实施例中，预定范围的下限和上限可基于替代化合物的计算量的预定百分比。预定百分比可以是约±20％，优选是约±10％，并且更优选是约±5％。

系统错误可能是样品收集过程中的泵故障。应注意，泵流量变化将以错误的方式引起结合至固相提取装置的分析物和替代化合物的量提高或降低。系统错误还可以是测量过程中的错误的结果。假设在收集过程中没有错误，则替代化合物将用作验证数据质量的内部参考。测量过程中的错误可以影响测量的替代化合物的量并且因此还将可能影响测量的分析物的量。因此，替代化合物的预测量与实际测量的量之间的充分大的差异也可以指示分析技术的过程错误或者污染。

图1示出一种用于浓缩分析物的系统100的示意图，该系统包括一个泵124、一个替代品添加装置102以及一个固相提取装置104(SPE)。系统100可以任选地包括绝热外壳136和绝热管线138，其中外部温度可以影响样品收集过程。泵124可以被配置成将样品溶液从样品源126泵入到替代品添加装置102中。替代品添加装置102的出口端口108可以流体地连接至固相提取装置104的入口。固相提取装置104的出口可以流体地连接至废物容器114中。应注意，泵124可以处于系统100的其他位置处，只要样品流动通过替代品添加装置102并且然后通过固相提取装置104二者。替代品添加装置102应处于固相提取装置104的上游，以使得替代化合物可以结合。

在一个实施例中，泵124可以是电池供电的机械泵。或者，泵124可以通过太阳能或者太阳能和电池能的组合来供电。样品源126可以是液体样品，例如像水。样品源126可以是大的水体，如湖泊、河流、池塘或水库。泵124可以被配置成以每分钟约0.1毫升至每分钟约10毫升，优选地范围是从每分钟约0.2毫升至每分钟约8毫升并且更优选地范围是从每分钟约0.5毫升至每分钟约2毫升的速率泵送液体。

图2示出该替代品添加装置102的分解侧截面平面视图。替代品添加装置102包括一个流动室区块146、一个扩散屏障116、一个熔块(frit)140、一个o形环142以及一个替代品储罐112。替代品储罐112可以被配置成包含一种替代品溶液118，该替代品溶液包含一种替代化合物。在一个实施例中，替代品储罐112可以处于具有开口端144的圆柱形腔形式。O形环142可以设置于外圆柱形表面148上。熔块140可以任选地设置于替代品储罐112的最上表面。在扩散屏障116不足够刚硬的情况下，它可能需要用于将其保持到替代品储罐112上的额外支撑。熔块140可以设置于扩散屏障116的内表面120与替代品储罐112的最上表面之间以用于提供支撑，如图2所示。或者，熔块140可以设置于扩散屏障116的外表面122上(这种安排未示出)。熔块140可以包括无孔垫圈(washer)区段140b和内部多孔区段140a。无孔垫圈区段140b可以包括聚醚醚铜或一种缩醛树脂。缩醛树脂可以在商标下出售，它可以处于聚甲醛、POM(缩醛均聚物)的形式。多孔区段140a可以包括多孔聚乙烯或聚醚醚铜材料。此外，熔块140可以是筛或网材料的形式。扩散屏障116可以设置于熔块140上以使得它基本上覆盖该一个开口端144。替代品储罐112、o形环142、熔块140以及扩散屏障116全部都可以插入到流动室区块146的腔区段150中。替代品储罐112可以使用一个螺纹组件固定到流动室区块146上以形成流动室110。

图3示出图示流动室110的椭圆形凹槽部分152的流动室区块146的仰视图。图4示出流动室区块146和扩散屏障116相对于图3的切割平面线4的简化截面侧平面视图。出于目视简明的目的，图4中没有示出熔块140、o形环142以及替代品储罐112。扩散屏障116可以包括内表面120和外表面122。一旦扩散屏障置于流动室区块146的腔区段150中，内表面120就可以形成替代品储罐112的壁以包含替代品溶液并且外表面122可以形成流动室110的壁。流动室110可以被配置成将流动样品溶液接收到入口端口106、横越扩散屏障116的外表面122、并且然后到出口端口108。扩散屏障116可以被配置成使替代化合物从替代品储罐112扩散到流动室110中。在取样周期过程中，近似一致量的替代化合物(S)可以扩散穿过扩散屏障116并且扩散到样品液体流中，如图5所示。取样周期可以包括其中样品溶液被泵送通过流动室以在固相提取装置上浓缩分析物的持续时间。取样周期可以是足够长的，以将分析物浓缩到固相提取装置上，以使得可以使用分析仪器测试分析物。例如，取样周期可以是约190个小时或以下。在一个实施例中，在取样周期内，近似一致的扩散速率可具有小于约5％的相对标准偏差。

扩散屏障116可以被配置成使得在取样周期过程中大量样品溶液基本上不会流动穿过扩散屏障。因此，扩散屏障基本上不会允许大量流穿过该屏障，但是允许替代化合物(S)输送穿过该屏障。替代化合物从替代品储罐到流动室中的扩散速率的范围在每分钟约一毫升的流速下可以是从每分钟约4阿托摩尔至每分钟约100皮摩尔，优选地范围是从每分钟约20飞摩尔至每分钟约50皮摩尔，并且更优选地范围是从每分钟约100飞摩尔至每分钟约20皮摩尔。扩散屏障的厚度范围可以是从约10微米至约500微米，并且优选地范围是从约40微米至约300微米。转移速率可以通过分子扩散来控制。转移速率可以是基于分压、浓度梯度、流速或其组合。浓度梯度可以是替代品储罐中的替代化合物浓度与流动室中的替代化合物浓度之间的差异。在扩散屏障不会降解并且扩散屏障上的压力、流速和/或浓度梯度保持近似恒定的条件下，释放速率可以是一致且稳定的。

饱和替代品溶液可以用于建立扩散层上的恒定浓度梯度。通过使用饱和替代品溶液，替代化合物浓度在替代品储罐中在内表面120处保持恒定，即使替代化合物的一部分被输送到流动室110中。此外，在外表面122的替代化合物浓度可以是约零或者一个恒定的值，因为该替代化合物在计量加入到流动液体样品溶液中时被有效地从流动室中清除。

替代化合物可以是杀虫剂、除草剂、化肥、药物治疗剂、蛋白质、其衍生物或其组合。适用作替代化合物的低分子量除草剂的一个实例可以是利谷隆，利谷隆是具有每摩尔249克的分子量的甲基脲化合物。利谷隆是中性且疏水的化合物，并且可以被称为3-(3,4-二氯苯基)-1-甲氧基-1-甲基脲。在一个实施例中，分析物的结构类似物可以用作替代化合物。替代化合物可以是可与分析物区分开的同位素标记的化合物。在另一个实施例中，替代溶液可以包括具有预定比率的同位素标记的化合物的混合物。一种替代化合物应选择为持续收集和测试时间段的持续时间是稳定的。此外，替代化合物应选择为使得不可能在环境样品中意外发现。

替代化合物是在收集过程的同时添加到样品中的化学物。理想地，替代化合物将具有与分析物相似的化学特性，但在分析测量过程中仍是可以区分的。在此，可区分是指其中分析仪器能够测量样品中的分析物和替代化合物并且替代化合物的存在不会干扰分析物的测量的一种情况。替代化合物应选择为与分析物具有相似或共有特性，以使得它们二者均可以可逆地结合至固相提取装置上。相似或共有化学特性可以是指疏水性、亲水性、氢键合、范德瓦耳斯相互作用、解离常数以及替代化合物和分析物的大小。

当使用色谱法测量分析物时，替代化合物可以基于与柱的固定相的亲和力而在柱上具有不同于分析物的保留时间。对于液相色谱法，替代化合物和分析物可以具有在共用溶剂系统中可溶的相同化学特性。对于气相色谱法，替代物和分析物可以具有在共用温度范围内挥发的相同化学特性。在分离步骤之后，替代化合物和分析物可以具有一种共有的化学特性以使得它们二者均可以使用相同检测器格式进行检测。例如，分析物和替代物二者均可以是UV-VIS活性的，具有相同数量级的消光系数和在相同波长区域内的吸收波长，以使得测量需要具有相同增益比的常规检测器和仅一个单色器部件。在另一个实例中，分析物和替代物二者在共用溶剂条件和电极材料下均可以是具有电化学活性的，以使得可以使用库伦或安培检测器。在另一个实例中，分析物和替代物二者在共用溶剂下均可以是导电的，以使得可以使用电导检测器。

当使用质谱法测量分析物时，替代化合物可以具有与分析物相似的化学特性，其中它们二者均可以使用相同离子化技术(例如像，电喷射离子化)进行离子化。此外，替代化合物和分析物可以具有完全不同的m/z值，该值可以在没有背景干扰的情况下容易地测量。

在一个实施例中，扩散屏障可以是一种材料，例如像，聚醚砜、聚砜、聚芳基醚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚哌嗪酰胺、乙酸纤维素或其组合。扩散屏障应对分析物是惰性的并且对样品液体也是惰性的。扩散屏障也可以是多孔膜形式，如微滤、超滤、纳滤、反渗透以及气体分离中使用的那些膜。某些类型的多孔膜可以被制造为具有与膜整合以提供结构支撑的纤维支撑背衬。应注意，扩散屏障的厚度、孔径和孔弯曲度可以影响替代化合物的输送速率。在一个实施例中，扩散屏障可以是分子量截止膜形式的选择渗性膜，该膜的分子量截止范围是从每摩尔约100克至每摩尔约300克范围，其中该膜具有约150微米的厚度。扩散屏障116不限于以上所述的分子量截止范围，因为较大的孔可以用于较厚的膜并且较小的孔可以用于较薄的膜。在一个实施例中，扩散屏障还可以被配置成不是装料选择性的。

在某些情况下，扩散屏障可以装有一种表面活性剂，这可引起在将扩散屏障安装到替代品添加装置上之前洗掉该表面活性剂的需要。表面活性剂的去除可以尤其是在初始时间间隔下提高替代化合物扩散的均匀性。在一个实施例中，去离子水可以每分钟约1毫升流动通过扩散屏障，持续约5小时至约24小时。

返回参考图4，流动室110包括由扩散屏障116的外表面122和流动室110的相对壁132限定的高度H。高度H的范围可以是从约0.6毫米至约13毫米，并且优选地是约1.2毫米。流动室110还包括宽度W和长度L，如图3所示。宽度W由两个侧壁134限定。长度L通过入口端口106与出口端口108之间的距离近似地限定，如图3和图4所示。宽度W和长度L可以分别是约2毫米和约12毫米。扩散屏障的内表面或外表面的面积可以具有近似矩形或椭圆形的形状并且范围可以是从约0.01mm2至约3.5mm2。在一个实施例中，流动室的体积可以是约25微升。

入口端口的成角度位置可以影响替代化合物到流动室110的均匀输送。返回参考图4，沿着一种流动样品溶液穿过入口端口106的方向延伸的轴线128相对于沿着流动样品溶液从入口端口106至出口端口108的方向延伸的线段130形成一个角α。在一个实施例中，角度α的范围可以是从约100度至约170度，优选地范围是从约115度至约145度，并且更优选地是约130度。意外地是，发现角度α在取样周期过程中在提供替代化合物的均匀输送方面有影响。

在一个替代实施例中，角度α的范围可以是从约10度至约80度，优选地范围是从约25度至约55度，并且更优选地是约40度。应注意，约90度和约180度的角度α不能引起替代化合物到流动室110的均匀地输送。此替代实施例由于将入口端口106钻入流动室区块146的角度而比100度至170度的实施例稍微更难制造。

替代品添加装置102的取向还可以影响替代化合物到流动室110的均匀输送。可以参考图4，替代品添加装置具有具有一个第一位置，其中该扩散屏障的外表面122是近似垂直于重力向量线G的近似平面的表面。应注意，重量向量线的方向平行于通过重力所引起的朝向地球中心点的力的方向。在第一位置，入口端口106和出口端口108二者均设置于替代品添加装置的顶部，如图4所示。参考图6，替代品添加装置可具有一个第二位置，其中该扩散屏障的外表面122是近似平行于重力向量线的近似平面的表面。在第二位置中，入口端口106设置于替代品添加装置的底部并且出口端口108设置于顶部，如图6所示。意外地是，发现其中扩散屏障近似平行于重力向量线的第二位置提供比第一位置更均匀的替代化合物输送。替代品添加装置可以连接至托座或外壳，以使得它可以保持在第二位置。

应注意，替代品添加装置102不需要电力来添加替代化合物的均匀通量。考虑到泵可能需要动力来使液体样品流动，替代物的无动力添加提供一种更简单的系统并且不会形成对系统100的能量预算的额外负担。

在某些情况下，温度变化可以影响替代化合物穿过扩散屏障的输送或者替代化合物和分析物与固相提取装置的结合。作为一个任选特征，绝热外壳136和绝热管线138可以用于减少可能的温度波动。绝热外壳136可以被配置成包含替代品添加装置102和/或固相提取装置104。绝热管线138可以联接在样品源126与流动室110的入口端口106之间。绝热管线138可以由一种材料制成或者用一种材料涂覆，该材料减小由环境空气温度引起的加热或冷却的速率。可以在水源具有不同于环境温度的地方实施绝热管线138的使用。例如，从深部收集的湖水可能比环境相对更冷并且因此需要绝热管线。任选地，绝热管线138可以包括加热器，以将样品溶液温度提高至恒定值。

一旦将样品泵送通过流动室并且已添加替代化合物，固相提取104就可以用于结合分析物和替代化合物二者。返回参考图1，固相提取装置104可以流体地联接至流动室的出口端口108。固相提取装置104可以被配置来从样品溶液结合替代化合物并且将耗尽的样品溶液输出到废物容器114中。固相提取可以是用于分析物和替代化合物的一种形式的容器，其中已去除大量的水。

在一个实施例中，固相提取装置可以包括包含固定相的外壳。固定相可以被配置来结合和保持分析物和替代物。固定相可以是处于整块的或基于颗粒的介质的形式。基于颗粒的介质包括无机吸收介质和有机聚合物介质。无机吸收介质的实例包括氧化硅、氧化锆、二氧化钛、以及氧化铝。固定相可以称为能够可逆地结合分析物和替代化合物的选择性吸附材料。可逆地结合可以是指来自样品溶液的分析物和替代化合物的保留和用洗脱液洗脱时分析物和替代化合物二者随后的释放。结合基团功能性可以是处于反向、正向、离子交换介质、尺寸排阻或其组合的形式。任何已知的保留机制可以用于结合分析物和替代物，该机制包括离子、亲水性、疏水性、氢键、尺寸、以及范德瓦耳斯。在随后的一个步骤中，分析物和替代物可以释放以使得可以使用分析仪器测量它们。在一个实施例中，固相提取装置可以从样品溶液定量地移出分析物和替代化合物并且然后在适当溶剂中完全释放它们。固相提取装置还可以被配置来可逆地结合一种或多种分析物种类和一种或多种替代化合物种类。

在一个实施例中，固相提取装置可以包括用聚乙烯吡咯烷酮聚合物接枝的40微米(直径)大孔树脂，该树脂可以从赛默飞世尔戴安公司(ThermoScientific Dionex)作为HRP产品号074034商购获得。

如图1所示的系统100仅使用一个替代品添加装置。在多个替代实施例中，可以实施多个替代品添加装置，以使得可以在相同时间间隔过程中多于一次重复地监控样品源。可以对这些重复一起取平均值以增加准确度或者可以使用重复之间的差值评估系统错误的可能性。此外，还可以串联地测试多个替代品添加装置，其中液体样品根据时间间隔流动穿过不同的替代品添加装置。

现在已经描述用于浓缩分析物的、具有一种替代品添加装置系统，以下将描述一种使用这种系统的方法。作为第一步骤，使用泵124将来自样品源126的样品溶液泵入到替代品添加装置102中。可以使用替代品添加装置102以近似一致的输送速率将替代化合物添加到样品溶液中。样品溶液可以在从每分钟约0.5微升至每分钟约2微升的范围的流速下泵送通过流动室110。此外，样品溶液可以在范围是从每平方英寸约5磅至每平方英寸约200磅并且优选范围是从每平方英寸约25磅至每平方英寸约100磅的压力下泵送通过流动室110。接下来，来自替代品添加装置102的样品溶液可流向固相提取装置104。固相提取装置104可以结合分析物和替代化合物。一旦泵124以一致的流速持续预定的时间量泵送样品溶液，就完成取样周期或收集阶段。固相提取装置104可以从系统中移走并且容易运送到实验室。

在实验室中，固相提取装置104可以连接至在线系统400以用于对该分析物进行分析，如图7所示。在线系统400可以包括泵402、自动取样器410、废物容器416、阀门404、保护柱412、分析柱406、电解抑制器414以及检测器408。在连接固相提取装置104之后，泵402可以通过阀门404向固相提取装置104提供洗脱剂。洗脱剂可以被配置来从固相提取装置洗脱(即，释放)分析物和替代化合物。洗脱的分析物和替代物然后可以在分析柱406上分离并且使用分析仪器进行分析。适用于分析洗脱的分析物和洗脱的替代化合物的分析仪器的实例可以是质谱仪、气相色谱仪、紫外可见分光计、荧光分光计、电化学检测器、电导检测器或其组合。

在一个替代实施例中，可以离线分析固相提取装置，其中分析物被洗脱到溶剂并且收集到样品瓶中。样品瓶中的溶剂然后可以注入到分析仪器中，以测定分析物的浓度。

实例1

通过首先将饱和利谷隆溶液倒入替代品储罐112中来组装替代品添加装置102。通过将0.1克利谷隆添加到600毫升水中来制备利谷隆的饱和溶液。然后将此替代溶液添加到替代品储罐112中。基于利谷隆在25℃下的溶解度，替代溶液具有每升约81毫克的浓度。将O形环142置于替代品储罐112的外圆柱形表面148周围。接下，将熔块140设置于替代品储罐112上。熔块140包括内部多孔区段140a，它在此情况下是处于具有约10微米标称孔径的多孔聚乙烯支撑体形式。将平坦平面膜(TS80，TriSep，戈利塔(Goleta)，加利福尼亚州(California))形式的扩散屏障116设置于熔块140上，以使得替代溶液与该膜流体接触。该平坦平面膜具有每摩尔150克的分子量截止值。将流动室区块146的腔区段150设置于替代品储罐112上并且通过螺纹安排连接在一起以形成并封闭流动室110。

将固相提取装置连接至替代品添加装置。固相提取装置是包括用聚乙烯吡咯烷酮接枝的大孔二乙烯苯树脂的40微米直径颗粒的4.6×50毫米柱。在每分钟1毫升下泵送样品溶液时，此柱产生小于每平方英寸50磅的背压。该样品溶液以每分钟1毫升流动通过替代品添加装置和固相提取装置，持续8700分钟的总时间。接下来，将固相提取装置连接至具有UV检测器的HPLC系统。洗脱剂流动通过固相提取装置，其中洗脱剂在20分钟时段内从30％乙腈和pH5.4的10mM乙酸缓冲液变为70％乙腈和和pH5.4的10mM乙酸缓冲液。洗脱剂流是在与替代化合物装载步骤相同的方向中。洗脱剂流速在25℃的温度下是每分钟约600毫升。将利谷隆从固相提取装置上洗脱并且使用紫外(UV)检测器在254纳米下进行检测，如图8所示。在色谱图上在约12分钟观察到一个峰。通过将利谷隆峰面积除以柱上浓缩的样品体积来计算释放速率。

实例2

去离子水以每分钟1毫升的流速流动通过替代品添加装置和固相提取装置，持续约145小时。根据图4，将替代品添加装置定向在第一位置，其中平面扩散屏障近似垂直于重力向量线。周期性地停止样品流以使得可以用HPLC使用UV检测器测试固相提取装置。表1示出替代化合物释放到流动去离子水中的速率。

表1

因为时间间隔并不全部相同，将UV反应相对于100毫升样品体积标准化。注意，UV反应的单位是每体积去离子水的毫吸光度单位(mAu)×分钟。毫吸光度单位×分钟代表曲线下面积(参见图8)，它与利谷隆浓度直接成比例。使用来自表1的数据，生成图9以示出随时间而变化的UV反应。基于145小时时段上的负斜率-0.07mAu/100mL×小时，观察到利谷隆通过膜的输送速率的适度减小。

实例3

根据图6，与实例2相似地进行一个实验，除了将替代品添加装置定向在第二位置之外，其中平面扩散屏障近似地平行于重力向量线。表2示出替代化合物释放到流动去离子水中的速率。对于这个实例，去离子水流动通过替代品添加装置，持续约191小时。

表2

使用来自表2的数据，生成图10以示出随时间而变化的UV反应。表2和图10示出利谷隆的输送速率在191小时时段是近似一致的，这指示对实例2的显著改进。在191小时时段上的负斜率-0.003mAu/100mL×小时的情况下，观察到利谷隆通过膜的输送速率的极小减小。因此，与近似垂直于重力向量线形成对照，当平面扩散屏障近似平行于重力向量线时，输送速率的减少是约23倍更稳定的。此外，利谷隆输送速率的相对标准偏差(RSD)是约3.5％，其中在取样周期内输送速率以约100毫升或约1升的增量进行取样。

实例4

与实例3相似地进行一个实验，除了使合成饮用水样品溶液流动通过替代品添加装置之外。合成饮用水包含每升100毫克的氯、每升100毫克的硫酸盐、每升60毫克的碳酸氢盐、以及每升12毫克的硝酸盐，各自作为钠盐存在。将替代品添加装置定向在第二位置，其中平面扩散屏障近似平行于重力向量线。表3示出替代化合物释放到流动合成饮用水中的速率。对于这个实例，合成饮用水流动通过替代品添加装置，持续约141小时。

表3

使用来自表3的数据，生成图11以示出随时间而变化的UV反应。与图10相似地，图11示出利谷隆的输送速率是一致的并且在141小时时段内不会减小。因此，除去离子水之外，替代品添加装置在使用合成饮用水时也提供一致的输送速率。

虽然在此已显示并描述本发明的多个优选实施例，但是本领域技术人员将清楚此类实施例仅通过举例的方式来提供。本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替代而不背离本发明。虽然已根据多个具体变化和说明性附图描述本发明，但是本领域普通技术人员将认识到本发明并不限于所述的这些变化或附图。另外，在以上描述的多种方法和步骤指明某些事件以特定顺序发生时，本领域普通技术人员将认识到可以修改某些步骤的排序并且此类修改是根据本发明的变化来进行的。另外，可能时可以在一个平行过程中同时进行以及如上所述地依次进行某些步骤。因此，在本发明存在处于本披露的精神内或等同于权利要求书中找到的这些发明的多种变化的程度上，意图是本专利也将覆盖那些变化。

Claims (28)

1.一种用于从样品源浓缩分析物的系统，该系统包括：

(a)被配置成将样品溶液从该样品源泵送到固相提取装置的泵；

(b)流体地联接至该泵的出口的替代品添加装置，该替代品添加装置包括：

(i)被配置成包含替代品溶液的替代品储罐，其中该替代品溶液包含替代化合物；

(ii)包括入口端口和出口端口的流动室；以及

(iii)扩散屏障，其中该扩散屏障的至少一部分设置于该替代品储罐与该流动室之间，该扩散屏障包括内表面和外表面，该内表面形成该替代品储罐的壁，该外表面形成该流动室的壁，该流动室被配置成从该泵接收穿过该扩散屏障的该外表面的流动样品溶液，该扩散屏障被配置成使该替代化合物从该替代品储罐扩散到该流动室；并且

(c)该固相提取装置流体地联接至该流动室的该出口端口，该固相提取装置被配置成从该样品溶液结合该替代化合物和该分析物。

2.如权利要求1所述的系统，其中该扩散屏障还被配置成在取样周期过程中具有该替代化合物到该流动室的近似一致的扩散速率，该取样周期包括其中该样品溶液被泵送穿过该流动室以在该固相提取装置上浓缩该分析物的持续时间。

3.如权利要求2所述的系统，其中该近似一致的扩散速率具有小于约5％的相对标准偏差。

4.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中在取样周期过程中基本上没有大量的该样品溶液流穿过该扩散屏障，该取样周期包括其中该样品溶液被泵送穿过该流动室以在该固相提取装置上浓缩该分析物的持续时间。

5.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该替代品添加装置进一步包括被配置成将该扩散屏障保持到该替代品储罐上的熔块。

6.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该扩散屏障被配置成具有该替代化合物从该替代品储罐到该流动室的、范围在从每分钟约4阿托摩尔至每分钟约100皮摩尔的扩散速率。

7.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中沿着流动样品溶液穿过该入口端口的方向延伸的轴线相对于沿着流动样品溶液从该入口端口至该出口端口的方向延伸的线段形成一个角，该角的范围是从约100度至约170度。

8.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该扩散屏障的该外表面是近似平面的表面，该扩散屏障被配置成使得该平面表面近似平行于重力向量线。

9.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该替代品储罐包含该替代化合物并且该替代化合物选自下组，该组由以下各项组成：杀虫剂、除草剂、化肥、药物治疗剂、以及其组合。

10.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该扩散屏障是选自下组的材料，该组由以下各项组成：聚醚砜、聚砜、聚芳基醚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚哌嗪酰胺、乙酸纤维素、以及其组合。

11.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该扩散屏障包括具有范围在从每摩尔约100克至每摩尔约300克的分子量截止范围的分子量截止膜。

12.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中该固相提取装置包括选择性吸附材料，该材料被配置成保持来自该样品溶液的该分析物和该替代化合物并且还在使用洗脱剂洗脱时释放该分析物和该替代化合物。

13.一种替代品添加装置，该装置包括：

(a)被配置成包含一种替代溶液的替代品储罐，其中该替代溶液包含替代化合物；

(b)包括入口端口和出口端口的流动室；以及

(c)扩散屏障，其中该扩散屏障的至少一部分设置于该替代品储罐与该流动室之间，该扩散屏障包括内表面和外表面，该内表面形成该替代品储罐的壁，该外表面形成该流动室的壁，该流动室被配置成接收穿过该扩散屏障的该外表面的流动样品溶液，该扩散屏障被配置成使该替代化合物从该替代品储罐扩散到该流动室，其中沿着流动样品溶液穿过该入口端口的方向延伸的轴线相对于沿着流动样品溶液从该入口端口至该出口端口的方向延伸的线段形成一个角，该角的范围是从约100度至约170度。

14.如权利要求13所述的替代品添加装置，其中该扩散屏障还被配置成在取样周期过程中具有该替代化合物到该流动室的近似一致的扩散速率，该取样周期包括其中该样品溶液被泵送穿过该流动室以在该固相提取装置上浓缩该分析物的持续时间。

15.如权利要求14所述的替代品添加装置，其中该近似一致的扩散速率具有小于约5％的相对标准偏差。

16.如权利要求13至15中任一项所述的替代品添加装置，其中在取样周期过程中基本上没有大量的该样品溶液流穿过该扩散屏障，该取样周期包括其中该样品溶液被泵送穿过该流动室以在该固相提取装置上浓缩该分析物的持续时间。

17.如权利要求13至16中任一项所述的替代品添加装置，其中该替代品添加装置进一步包括被配置成将该扩散屏障保持到该替代品储罐上的熔块。

18.如权利要求13至17中任一项所述的替代品添加装置，其中该扩散屏障被配置成具有该替代化合物从该替代品储罐到该流动室的、范围在从每分钟约4阿托摩尔至每分钟约100皮摩尔的扩散速率。

19.如权利要求13至18中任一项所述的替代品添加装置，其中该扩散屏障的该外表面是近似平面的表面，该扩散屏障被配置成使得该平面表面近似平行于重力向量线。

20.如权利要求13至19中任一项所述的替代品添加装置，其中该替代品储罐包含该替代化合物并且该替代化合物选自下组，该组由以下各项组成：杀虫剂、除草剂、化肥、药物治疗剂、以及其组合。

21.如权利要求13至20中任一项所述的替代品添加装置，其中该扩散屏障是选自下组的材料，该组由以下各项组成：聚醚砜、聚砜、聚芳基醚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚哌嗪酰胺、乙酸纤维素、以及其组合。

22.如权利要求13至21中任一项所述的替代品添加装置，其中该扩散屏障包括具有范围在从每摩尔约100克至每摩尔约300克的分子量截止范围的分子量截止膜。

23.如权利要求13至22中任一项所述的替代品添加装置，其中该流动室包括由该扩散屏障的该外表面和该流动室的相对壁限定的高度，该高度的范围是从约0.6毫米至约13毫米。

24.一种用于浓缩来自样品源的分析物的方法，该方法包括：

(a)将样品溶液从该样品源泵送到替代品添加装置；

(b)使用该替代品添加装置将替代化合物添加到该样品溶液中，该替代品添加装置包括：

(i)包含替代溶液的替代品储罐，其中该替代溶液包含该替代化合物；

(ii)包括入口端口和出口端口的流动室；以及

(iii)扩散屏障，其中该扩散屏障的至少一部分设置于该替代品储罐与该流动室之间；

(c)使该样品溶液从该替代品添加装置流到固相提取装置；以及

(d)将该分析物和该替代化合物从该样品溶液结合到该固相提取装置上。

25.如权利要求24所述的方法，该方法进一步包括：

(e)使该样品溶液以范围在从每分钟约0.5毫升至每分钟约2毫升的流速流动通过该流动室。

26.如权利要求25所述的方法，其中步骤(e)的该流动样品溶液具有范围在从每平方英寸约25磅至每平方英寸约100磅的压力。

27.如权利要求24至26中任一项所述的方法，该方法进一步包括：

(f)从该固相提取装置中洗脱该分析物和该替代化合物；并且

(g)使用选自下组的分析仪器分析所洗脱的分析物和所洗脱的替代化合物，该组由以下各项组成：液相色谱仪、质谱仪、气相色谱仪、紫外-可见分光计、荧光分光计、火焰离子化检测器、电化学检测器以及其组合。

28.如权利要求24至27中任一项所述的方法，其中在取样周期过程中该替代化合物到该样品溶液中的该添加是以近似一致的速率，该取样周期包括其中该样品溶液被泵送穿过该流动室以在该固相提取装置上浓缩该分析物的持续时间。