CN104508477A - 用于hplc中的进样的自限制注射组件 - Google Patents

Abstract

一种液体层析装置，其包括用于液体介质的一个或多个液体贮存器、用于待分析的样品贮存器以及与液体贮存器和样品贮存器流体连通的层析柱。该装置包括用于监控样品从样品贮存器释放至层析柱中的次数的监控机构。

Description

用于HPLC中的进样的自限制注射组件

本发明涉及一种液体层析装置。

背景技术

在M.Dong的Modern HPLC for Practising Scientists(发表于Wiley，2006年)中描述了高压液体层析的领域。简单地说，层析用于从由化合物的混合物构成的样品中分离、识别和量化化合物。样品溶解在流体运动相中，其与不动的、不互溶静止相相互作用。在高压液体层析(HPLC)中，静止相通常是由可被功能化的颗粒填充的柱。相对于其余样品，基于亲和它们的关注的被分析物选择相。随着运动相运动通过静止相，将通过静止相将单独的样品组分保持为变化的度，并且将变得分离。保持时间根据与静止相的相互作用强度、使用的溶剂成分和运动相的流量而改变。

分离功率随着静止相粒径的减小而增大。然而，这样，利用期望的高压增大了流阻。高压液体层析通过包含直径通常为5-10微米的颗粒的柱来驱动运动相。第一HPLC泵现今能够实现500psi，6000psi。超高压液体层析(UPLC)由管道设施和泵构成，管道设施和泵能够在驱动溶剂通过包含大约1微米直径的更小的颗粒的柱所需的100,000psi下工作。结果，需要将少的、受控的量的被分析物引入流动路径中，而不用拆卸，并且理想地无需为系统降压。

先前，通过包含进样环路的多位置旋转阀来满足该需求，诸如通过Rheodyne公司研发的那些(例如见美国专利4068528(1978)，Two position rotary valve for injectingsample liquids into an analysis system)。在有效和可靠的同时，考虑的是将这些组件设计为具有耐用性，通常由钢制造并且旨在持续多年。虽然该想法是用于日常实验室目的，这意味着它需要受训的操作员来防止样品带出并且潜在地在两次运行之间污染，当处理含有痕量污物的生物流体或样品时尤其如此。例如，M.C.McMaster在“LC/MS：a practical user's guide”(发表于Wiley-Blackwell，2005年，33页)中报告了“HPLC系统的最麻烦的部分是泵单向阀堵塞、注射器回路污染和柱污染”。

此外，它们是复杂、昂贵和相对大的，因此导致它们不适用于针对野外工作或重点照顾学习设计的新颖、便携式平台。通过下面公开的本发明(至少在其优选实施例中)解决了这些和其它相关问题。WO 2011/161481公开了可应用本发明的小型高压液体层析装置。WO 2011/161481的内容以引用方式并入本文中。

发明内容

根据本发明，提供了一种液体层析装置，其包括：用于液体介质的一个或多个液体贮存器、用于待分析的样品的样品贮存器；以及与液体贮存器和样品贮存器流体连通的层析柱，其中，该装置包括用于监控样品从样品贮存器释放至层析柱中的次数的监控机构。

监控机构可限制样品可从样品贮存器释放至层析柱中的次数。监控机构可将样品释放至层析柱中限制为单次。监控机构可包括用于指示样品释放至层析柱中的次数的计数器。

监控机构可为电子的。监控机构可为机械的。监控机构可包括棘齿。

所述装置可包括用于将样品从样品贮存器释放至从液体贮存器到层析柱的流动路径中的流体运送机构，其中，流体运送机构的将所述样品释放到流动路径中的运动触发了监控机构。流体运送机构可旋转。流体运送机构可包括柱塞。监控机构可包括用于在样品被释放至流动路径中之后防止去除和再使用柱塞的保持机构。

所述装置还可包括气体贮存器，其用于容纳处于压强下的一定体积的气体，以在使用时迫使液体从液体贮存器通过层析柱。

所述装置可为电池供电的。作为另外一种选择或除此之外，装置可通过USB连接来供电。所述装置可为一次性的。

液体层析装置可包括用于液体介质的一个或多个液体贮存器、用于待分析的样品的样品贮存器以及与液体贮存器和样品贮存器流体连通的层析柱。所述装置还可包括气体贮存器，其用于容纳处于压强下的一定体积的气体，以在使用中迫使液体从液体贮存器通过层析柱。气体贮存器可用于将液体推进通过层析柱，从而不必使用以电的方式或机械的方式驱动的泵。

所述装置可包括阀，以控制气体从气体贮存器的释放。气体贮存器可通过可破坏的密封件密封，该密封件在使用中被破坏以释放气体。这样，气体贮存器可为单次使用的。气体贮存器和液体贮存器可通过可变形隔膜或其它活塞头分离。这样，气体可推动液体通过层析柱，而不使气体接触液体。

层析柱可设置在宽度范围为1至5,000微米(优选地20至200微米)的通道中。层析柱可设置在长度范围为1至100厘米(优选地2至20厘米)的通道中。

所述装置可包括层析柱的下游的一个或多个检测器。检测器可为例如光学、电子、放射性的。检测器可围绕与层析柱流体连通的流体通道布置。检测器的检测路径可为横向的，例如垂直于流体的流动路径。作为另外一种选择，检测器的检测路径可与流体的流动路径基本平行。

例如，光学检测器可包括一个或多个光电二极管。光学检测器可包括作为光源的一个或多个LED。

光学检测器可包括在流体通道的相对侧上的相对的反射表面，相对的表面限定了光学腔室。所述反射表面可作为一层设置在流体通道的壁上。光学检测器可包括多个光源。

装置可包括与层析柱流体连通的流体处理贮存器，以用于保持已经通过所述柱而用于后续处理的流体。

装置可为可连接至诸如智能电话的手持数据处理装置，以处理层析的结果。作为另外一种选择，其可被插入到作为套壳的专用的数据处理单元中。

附图说明

下文中，参照附图进一步描述了本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的实施例的单用途机械注射器的实施例的示意图；

图2是根据本发明的实施例的多注射旋转阀系统的实施例的示意图；

图3是示出图2的系统的装载/注射开关内部的流动路径的示意图；并且

图4是使用本发明的HPLC装置的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及通过使用用于泵吸运动相的气体贮存器使高压液体层析的格式小型化至完全便携式和/或一次性的程度。本发明的实施例提供了一种用于HPLC的小型化和简化的样品注射器组件，其包含故意地和人为地限制其可执行的可能的注射的次数的一个或多个装置。这是限制装置用于防止装置的重复使用，例如当处理包含传染性的或危险的制剂的生物流体时。然而，其还可用于保护便携式HPLC的性能，这样，其本质上依靠有限的电源。

本发明的实施例包括：

1、样品室或回路，在不与正常溶剂流接触的情况下该样品室或回路可被从贮存器至HPLC柱过量地填充。

2、流动路径，穿过装置，通常从贮存器至分离阶段的开始。

3、运动组件，其将该样品引入流动路径，以将其装载到柱上。

4、一个或多个静态组件，其用于结构性目的，并且用作用于运动组件的引导件。

5、机械和/或电子计数器，以记录注射步骤的总数。

6、机械和/或电子致动块，其用于在达到预设总量时防止进一步注射。

7、微电子器件，其能够记录发生的该阻塞步骤，并且显示对该效果的指示。

仪器旨在是一次性的，或形成一次性平台的一部分。诸如当处理放射性材料或危险的生物流体时，其可针对单次注射构造，或者根据期望的应用，其可针对几百或几千次运行来设计。其可形成便携式HPLC平台的一体部分，或为长寿命机器中的套壳式插入物，以在注射阶段最小化污染。

样品室或回路通常可由诸如不锈钢或聚醚醚酮(PEEK)的惰性材料形成，并且可抵抗HPLC的高压。其可生产为具有任何截面轮廓并含有任何期望的容积，但是在优选实施例中，在直径为1-1000μm的情况下将含有100nl-100μl。其可包括诸如常规HPLC注射器系统中的回路，在这种情况下，回路的整个容积将装载到柱上；作为另外一种选择，其可由活塞或柱塞驱动，从而一次仅装载小的受控的容积。

运动组件可为旋转的，诸如在图2中，或可包括其它设计，诸如图1所示的柱塞。如果使用柱塞或相关设计，则可有必要在贮存器与注射器之间包含独立的流控制阀以防止泄漏。在任何一种情况下，组件在很大程度上是结构性的，因此可由大范围的材料制造。然而，湿润的表面必须为化学防腐的或衬有化学防腐材料，以保护组件不受腐蚀并且保护溶剂不受污染。许多材料可用于这种目的，包括(但不限于)不锈钢、PEEK、填充有玻璃的聚苯硫醚(PPS)或聚酰亚胺。用于优选实施例中的每一个的流动路径在它们对应的图中示出。可根据目标应用的要求来通过电动或手动来控制组件的运动。

在图中所示的优选实施例二者中，静态组件在角色上在很大程度上是结构性的，并且可由许多材料构成。如前所述，这些组件中的任何和所有湿润的表面必须是化学防腐的，以防止腐蚀和污染。流动路径可具有任何截面轮廓，并具有1-1000μm的直径。

计数器可采用多种形式中的一种。在最简单的实施例之一中，可通过使用被包含在图1中的柱塞外壳的静态组件中的开口销或其它弹簧装置来形成单次使用装置。如图1所示，样品被插入到样品室101(如箭头A的指示)中，并且废样品可退出样品室101(如箭头B的指示)。密封环102围绕运动组件103设置，以当运动组件103插入静态组件104时形成密封。通过运动组件103和静态组件104设置正常溶剂流动路径(如箭头C的指示)。夹子105设置在运动组件103中，以当运动组件103插入静态组件104中时将弹簧销106保持在静态组件104中。在该实施例中，在第一注射期间捕获销106，并且在拉出时弹起以防止后续使用。这种销可接触导电表面，从而允许电子检测和向用户指示其释放。

在更适合重复使用的实施例中，运动组件的旋转运动可导致棘齿在每次注射时转动。如图2所示，旋转运动组件103设有使得运动组件103旋转(如箭头D的指示)的装载/注射开关107。运动组件103设有注射口108和废样品出口109。阻挡组件110借助于运动组件103和阻挡组件110的周边上的互锁齿111而与运动组件103啮合。作为齿111的内部啮合的结果，阻挡组件110在运动组件103的每次注射时旋转(如箭头E的指示)。阻挡组件110上的突起112通过在物理上阻挡运动组件103的进一步旋转，在四次之后防止进一步注射。注射计数器指示器窗113设置在阻挡组件111上，以指示已发生的注射的次数。因此，通过引入阻挡件以禁用转子103的最终步骤，可用的注射的总量被棘齿的尺寸和形状控制。这种设计随着棘齿转动具有额外的益处，可直接显示数字，以示出剩余的可用注射的次数。作为另外一种选择，可通过电致动计数器替代每一种设计，并且通过TTL脉冲或相似地触发停止，这也可在HPLC运行中用于触发数据收集的开始。

图3示出了图2的装置中的流动路径。用于注射口108与废样品出口109之间的样品的流动路径通过箭头A和B指示。通过箭头C指示用于运动相至层析柱的流动路径。运动相通过溶剂口114进入装置。在图3的左边的图中，将样品装载至装置。在图3的右边的图中，转子103旋转以致动阀，从而使得运动相接触样品，并且样品在线上。

可按照多种方式传送运行总量已达到装置的预设极限的指示：机械方式，如上所述；或电信号可导致指示显示器或LED的点亮。作为另外一种选择，HPLC软件可直接用于更详细地显示关于注射器的状态的消息。可通过简单的微控制器驱动机载电子器件和与外部设备的任何通信。

图4示出了小型化的HPLC装置，其中通过将气体从预增压的贮存器中释放气体来提供使运动相运动的压强，而无需集成在装置中的常规泵。装置可为便携式和一次性的。如图4中例示的，装置包括由气体贮存器1和(螺线管)阀2构成的泵系统，气体贮存器1包含在适于运行HPLC的压强下的预增压的气体，(螺线管)阀2在打开时提供压强以驱动运动相通过HPLC柱。装置还包括运动相贮存器3和填充有适于HPLC分离的固体相的毛细管柱4。进样系统包括样品贮存器5。设置检测系统6，其能够检测通过HPLC阶段分离的被分析物部分。在示例中，示出的检测系统6包括发光二极管(LED)和光电二极管。设置微电子控制器7，使得其能够控制装置并且处理来自检测系统6的数据。

由于仪器旨在在1-1000次注射的寿命之后抛弃，因此其不具有使得现有的模型太大和笨重的相同的长寿命需求。

泵气体贮存器1可为具有塑料壁或惰性金属壁的圆筒。阀2优选地为电控的，诸如电磁阀。然而，如果装置旨在为单次使用，则可经破坏气体贮存器上的可穿孔的密封件的机构来释放气体。

小的柱容积意指在压强下存储的气体具有膨胀的有限的空间，在此前以可预测和可再生的速率驱动溶剂，假设在运行过程中温度没有大的改变。在单元的工作寿命中气体的压强不会明显地改变，这意味着重复的分析在装置中产生相同的条件，因此保持时间相同。

可使用大范围的气体。例如，氮是便宜的并且是惰性的。气体贮存器中的气体和运动相贮存器中的运动相可通过可变形隔膜或其它活塞头而分离。

气体贮存器1应该足够大，从而通过柱容积的移动运动相时压降小。对于大约表现为理想气体的气体而言，压强的部分降低等于容积的部分增加。因此，使运动相移动通过10微升的柱容积的10立方厘米的贮存器1将经历0.1％的压降。这将方便地被容纳在内径为27毫米的球形贮存器中。

该装置将在如1％或10％的大压降下工作。因为压降总是可再生的，所以当在数据处理阶段识别到峰值时其可被补偿。

对于较大的精确度或通过相同的柱容积进行多次分离，较大的贮存器可用于较大的柱容积。手持装置可容易地包含100立方厘米的贮存器。

通过泵送系统提供的压强随温度而变化。对于理想气体，预期到3开尔文的温度变化将使压强改变约1％。装置可以可选地包含温度传感器，从而任何这种变化可在数据处理阶段被校正。装置还可可选地包括用于加热或冷却的机构，诸如欧姆加热或热电冷却。

装置的工作柱容积通常在0.1-10微升的范围内，这意味着1-5ml的运动相贮存器允许几百个柱容积的层析。如果装置包括不止一个运动相贮存器，洗脱液可经阀的活动而混合，从而允许梯度洗脱轮廓的生成；仅具有一个贮存器的装置被限于恒溶剂分析(isocratic analyses)。

在装置包括单个贮存器3的情况下，恒溶剂分析将涉及首先将柱用溶剂湿润，然后通过固体相洗脱样品塞。

样品通过专用的样品线路装载到装置中。安装在样品线路和柱的结合部处的单向阀9确保装载到装置中的任何样品不返回。电子致动阀2安装在气体贮存器1与控制通过柱的运动相的流动的单向阀3之间。阀2切换为确保柱的润湿、装载和洗脱的正确顺序。在例示的实施例中，阀是通过能够经受HPLC的通常压强的机载微电子器件7控制的液压螺线管。

作为另外一种选择，样品可通过切换至柱路径的进样回路引导，如常规HPLC中那样。

装置的分离阶段包括在内径范围为1-5000微米并且长度为1-100cm的基底中的毛细管4或微加工的通道，其填充有诸如二氧化硅的颗粒材料的固体相床、填充有聚合物结构或填充有无机单块结构。这种封装可被功能化以选择性地提供特定化学或结构选择性，或者其可含有尺寸受控的孔，以通过漫布处理(diffusive process)分离混合物，如在尺寸排除层析中。通常，可使用可应用于HPLC的固体相中的任一个。

在优选实施例中，柱是封装的熔融的二氧化硅毛细管，其内径范围为20-200微米、长度范围为2-20cm，并具有适用于UV吸收测量的光学透明度。在多处记载了毛细管的封装和相容连接(E.Rapp&E.Bayer,J.Chromatography A，2000年(887)，367-378页)。

为了防止溶解的气体从柱与检测台6之间的装置中的洗脱液流中起泡，可将背压调节器12安装至溶剂路径的端部。这被构造为供应相当于或大于通过分离相所施加的压强的背压，意味着防止了洗脱液流在离开装置之前脱气。作为另外一种选择，在气体与溶剂之间使用隔膜或活塞头最小化了这种效果。

检测系统可为光、电或放射性的，其选择基于装置的期望应用。在例示实施例中，检测系统基于光学检测。光学检测系统6包括形成源的一个或一个阵列的发光二极管(LED)以及形成检测器的在紫外线、可见光或红外波长区域中工作的一个或一个阵列的光电二极管。可通过将毛细管或通道覆盖合适的电介质来形成光学腔室16。针对批量生产容易控制检测设备。在例示的实施例中，检测模式为UV-VIS吸收光谱学。光经过样品，并且通过光电二极管检测信号。信号的强度与检测路径中的吸收器的量成反比。在任何给定的波长下，对于任何给定的化合物，吸光度是特定的。

可用于吸收的短路径长度形成理想的系统，以通过提高吸收来增大敏感度。可利用多通道布置来提高吸收，并形成腔衰荡光谱(CRDS，L.Van der Sneppen等人在2009年2月的Annu.Rev.Anal.Chem的第13-35页中详细描述)的基本原理。CRDS设置通常包括用于照亮光学腔室的光源，所述光学腔室可简单地包括两个高反射镜。高反射镜或涂层设置在检测路径的任一侧上，以产生通过吸收器的多光路。

在一个实施例中，HPLC单元可连接至诸如智能电话或个人计算机的数据处理装置。这种连接可为有线或无线的，例如通过USB接口。该装置可处理从HPLC单元上传的数据，提供对层析图的访问，识别和量化被分析物。该装置还能够经用于远程处理的电信网络发送数据。

也可使用与数据处理装置的连接来例如通过USB线缆将功率递送至HPLC单元。HPLC单元的功率需求足够低，以对便携式PC或智能电话的电池寿命产生很小的影响。通过利用电池和在附接的数据处理装置中处理功率，可进一步减小HPLC单元的成本和尺寸。例如可为电池或USB连接的功率模块17示于图4中。

该数据处理装置也可经用于远程处理的电信网络发送数据。这种数据处理也可在诸如智能电话的计算足够强大的装置上局部执行。

装置的另一实施例能够实现用作现场诊断测试的整个独立操作。在这种情况下，可通过电池或小太阳能电池供应功率，而利用集成的LCD或LED显示器可以使数据读出可视化。通过最小化运动部分的使用并且通过在任何可能的位置利用低功率固态组件，装置的功耗很小，并允许完全在无法使用电力网的区或环境中无线操作。在装置的该实施例中收集的数据可存储在诸如闪速存储卡的可移动存储器单元上以供后续分析。

一旦通过装置分析了样品，样品可传送至废物收集贮存器18中。这允许编录样品以进一步分析或存储。贮存器18可根据联邦、州和地区环境控制法规来保持需要丢弃的样品。

总而言之，液体层析装置包括：用于液体介质的一个或多个液体贮存器3、用于待分析的样品的样品贮存器5和与液体贮存器3和样品贮存器5流体连通的层析柱4。装置还包括用于在压强下容纳气体的容积的气体贮存器1，以在使用中迫使液体从液体贮存器3通过层析柱4。

总而言之，液体层析装置包括用于液体介质的一个或多个液体贮存器、用于待分析的样品的样品贮存器和与液体贮存器和样品贮存器流体连通的层析柱。装置包括用于监控样品从样品贮存器释放到层析柱中的次数的监控机构。

在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”以及它们的变型形式意指“包括，但不限于”，并且它们不旨在(并且不)排除其他部分、添加件、组件、整体或步骤。在本说明书的整个描述和权利要求中，除非上下文另作要求，否则单数形式涵盖复数形式。具体地说，在使用不明确的冠词时，应该理解，除非上下文另作要求，否则说明书考虑多个以及单个。

应该理解，除非有所抵触，否则本发明的特定方面、实施例或示例结合描述的特征、整体、特征、化合物、化学组分或组可应用于本文描述的任何其它方面、实施例或示例。在本说明书(包括权利要求书、附图和摘要中的任一个)中公开的所有特征，和/或公开的任何方法或处理的所有步骤可按照任何组合形式组合，除非这种特征和/或步骤中的至少一些的组合互相排除。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至任何新颖的发明或本说明书中公开的特征的任何新颖的组合(包括权利要求书、附图和摘要中的任一个)，或者延伸至任何新颖的发明或公开的方法或处理的任何步骤的新颖的组合。

Claims (14)

1.一种液体层析装置，该装置包括：用于液体介质的一个或多个液体贮存器；用于待分析的样品的样品贮存器；以及与所述液体贮存器和所述样品贮存器流体连通的层析柱，其中，所述装置包括用于监控样品从所述样品贮存器释放至所述层析柱中的次数的监控机构。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述监控机构限制样品能从所述样品贮存器释放至所述层析柱中的次数。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述监控机构将样品释放至所述层析柱中的次数限制为单次。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述监控机构包括用于指示样品已释放至所述层析柱中的次数的计数器。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述监控机构是电子的。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述监控机构是机械的。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述监控机构包括棘齿。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置包括用于将样品从所述样品贮存器释放至从所述液体贮存器到所述层析柱的流动路径中的流体运送机构，其中，所述流体运送机构或样品流体的将所述样品释放到所述流动路径中的运动触发所述监控机构。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述流体运送机构是旋转的。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述流体运送机构包括柱塞。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述监控机构包括用于在所述样品已经被释放至所述流动路径中之后防止移除和再使用所述柱塞的保持机构。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置还包括气体贮存器，该气体贮存器用于容纳处于压强下的一定体积的气体，以在使用时迫使液体从所述液体贮存器通过所述层析柱。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述装置是电池供电的。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述装置是一次性的。