CN105408735A - 控制分析仪器中样品污染的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够减少分析仪器的测量单元中样品污染的方法和设备。样品单元被界定为密封在第一O形环内的区域。位于所述样品区域的外部是密封并界定密封件洗涤区域为第一和第二O形环之间区域的另一O形环。在流体样品被注入测量单元中之后，该密封件洗涤区域被施加压力，该压力推压第一O形环至其所在凹槽的最深处，当该单元被冲洗并为新样品和相应测量做好准备时，排出任何截留的溶剂并从测量单元的显著的死体积中移除。

Description

控制分析仪器中样品污染的方法和设备

背景技术

与液体样品分析测量仪器有关的常见问题是逐次注入的样品的污染(carryover)。每当相继地注入两种样品时，当测量第二注入的样品时经常存在一些留在所述单元(cell)的微量的第一注入的样品。任意数量的分析仪器都可能遭受此样品污染，其中有测量光散射、折射率、紫外线吸收、粘性和电泳迁移率的仪器。本发明特别感兴趣的是电泳迁移率测量的领域，例如通过引用方式并入此处的由Hsieh和Trainoff在颁发于2013年5月14日的美国专利8,441,638中探讨的电泳迁移率测量。已经使用了各种技术以减轻样品污染的问题。克服此污染问题最简单和常用的方法包括在样品注入之间用大体积的清洗液冲洗并注入大量样品以确保所述单元多次溢满以使得大多数先前注入的样品在测量新来样品之前从测量室中冲洗出。然而由于测量单元常包括有着与测量单元主体积连接不良的区域的复杂内部几何结构以致易于把样品推进这些区域但难于重新把样品冲洗出去，因此所述方法经常仅是勉强有效。这些过程也会浪费时间和贵重的样品并且频繁地产生额外的浪费。

包含在引起样品污染问题的分析仪器中的最有问题的几何结构之一是O形环凹槽。由于O形环有效、便宜、耐久和可靠，因此其常用于测量单元。此外，用O形环密封件构建的单元通常可被拆开以清洗并替换磨损和损坏的部件。然而，O形环以能够截留样品而出名。考虑如图1所示的未压缩的标准端面密封件O形环凹槽设计。在标准端面密封件设计中，在这种情况下为圆盘形窗口的顶板101直接压在包含凹槽103的歧管表面102上，压缩后在歧管表面102和顶板101之间无间隙。凹槽的垂直长度通常比O形环104的直径小15％。由于O形环104被压缩，其在凹槽103内横向地变形和延伸，凹槽103是特意地尺寸过大。凹槽103的水平延伸通常为1.5xO形环直径，然而能够针对具体应用优化宽度和压缩。在凹槽103中出现额外的体积以补偿O形环凹槽机械加工、O形环材料的化学溶胀和超出其操作温度范围的O形环材料与凹槽的差异性热膨胀的最坏情况公差。O形环的设计者被迫在凹槽103中留下大量额外间隙以便设计出的测量单元在假定最坏情况公差时不会渗漏。所述间隙担当任何进入单元中的流体的污染储存器或死体积，并且由于窗口101直接压在歧管顶面102上，一旦样品被压进此空间，就非常难于移开。当密封件被加压时，O形环拉伸并被推压至凹槽的外部边缘，这导致内部间隙装满流体。当密封件被减压时，摩擦力能保持O形环处在被拉伸的形态，并且被截留在密封件内的流体被留下。假定为静态负载，截留的样品可离开凹槽的唯一方法是通过扩散，所述扩散是缓慢的过程。本发明的目的是实现比简单扩散更快的方法以大量减少或完全地消除在测量单元从一次样品注入至下一样品注入的污染。

由于测量单元的内部相对于环境被加压，设计规则教导最有效的密封件是在O形环被压在凹槽103的外壁105上时形成的，以将拉伸和所述形成过程导致的密封压缩的相应减少最小化。尽管如此，人们可尝试通过设计O形环凹槽103以便所述环紧抱内壁106确保死体积在样品空间外来处理所述污染问题。只要恒定地伴随装满所述单元的单元内加压足够小以致O形环的抗拉强度与O形环和密封面之间的摩擦力相结合足够保持所述O形环在适当的位置，这就是可行的。然而，由于O形环通常由柔顺橡胶构成，因此这是远远不够的。此外随着O形环的老化，重复加压将引起该O形环蠕动至凹槽的外面并且摩擦力将保持其在适当的位置。紧抱O形环内壁设计的优点克服了这一点，因为我们再次在所述单元内部获得死体积，并且此外，现在我们有减少压缩的拉伸密封件。

如上所述，一些分析仪器可以经设计结合最小化凹槽宽度的优化凹槽设计，用作输入参数：O形环材料、操作的预期温度范围、材料公差和化学溶胀。在极端公差下，这些凹槽可具有零死体积。然而，虽然这些“优化”系统可减少凹槽体积，并且因此有更小的死体积，但是如果超出任何公差，那么所述系统有如渗漏或窗口破裂之类的严重故障的风险。本发明的目的是实现在包含了O形环凹槽的系统中可最小化或消除污染的装置从而允许明显的非理想因素，其包括其中O形环凹槽包含显著的死体积的系统。

发明内容

本发明在分析仪器中使用多重O形环系统。流体压力被施加于不与要分析的样品接触的仪器区域。此压力影响与样品流体接触的O形环的位置和形状，这使得O形环排出截留在O形环凹槽内部的样品。

附图说明

图1示出了标准面密封O形环凹槽设计。

图2是包含了用于从所述单元的测量区域移出样品的密封件洗涤通道和双O形环系统的本发明的一个实施例的剖视图。

图3说明了本文件的一个实施例的运转的实例和在所述过程中在不同时间下O形环的位置。

图4示出了根据图3的本发明的替代实施例，其中内部凹槽的内壁在底部是圆形的以适应O形环的形状并进一步最小化注入之间任何样品污染。

图5示出了本发明的一个实施例，其使用了被动式设计，其中相对于所述单元测量区域的高压在两O形环之间的密封件洗涤区域通过限制毛细管被维持。

图6示出了通过电泳迁移率测量仪器的测量单元在常规流中采集的传导率数据。注入初始高盐浓度并测量十次，随后冲洗一段时间并测量10次以上。多次重复该冲洗和测量工序。

图7示出了如图6中收集和展示的类似传导率数据，然而该数据是使用根据本发明的测量单元和方法产生的，其中伴随着四个交替的压力脉冲的每个冲洗阶段能够擦拭内部测量室的密封表面。

具体实施方式

加速移除截留在O形环凹槽内样品的过程的一种方法是开发当单元被加压时发生变形的O形环。重复的加压和减压将促使随后将被冲洗出测量单元的某些流体进出死体积。本发明部分地利用该过程，但增加了进一步加压步骤，其显著提高了可从测量单元移除被截留的样品的速率。

考虑在图2所示的发明性测量单元设置。在该实施例中，包括了容纳膨胀和公差的设计为死体积202的主要的密封O形环201保留不变。差别在于存在第一O形环外的第二O形环203和相应凹槽。第二O形环203不参与密封该单元。然而，如果用外部压力源加压两个O形环之间的密封件洗涤区域204，那么施加抵靠内壁205移动内部O形环201的力，以使得根据需要死体积在测量单元区域206外。

在多种情况下，维持两个O形环之间的压力是不方便、或甚至是不可能的，这是因为内部压力可在填充单元时为高以及仅在无流量时为低。在这种情况下，人们可简单地可选地向单元206内部施加压力，这将引起内部O形环201在其凹槽中滑动至凹槽的外面，并且然后施加压力至两个204之间的密封件洗涤区域以引起内部O形环推压凹槽的内壁。通过内部空间206和外部空间204之间的交替压力，内部O形环201将擦拭密封表面以排出截留的样品。在各个测量之间可应用多次这些加压，允许新鲜的溶剂或样品稀释并排出任何仍被任何死体积截留的以前样品。

虽然两个O形环204之间的空间也是死空间，但是其不与测量体积接触，并且因此截留于该空间的流体不影响测量。此外，这意味着基本上不存在对用于此区域的加压介质的限制；因此密封件洗涤加压流体可为气体或液体。然而内部O形环201与样品接触，并且因此必须是选定的高质量的以最小化与样品本身的任何相互作用，外部O形环203从不与样品接触，并且因此不必是相似质量的材料，这在某种程度上意味着与改善冲洗系统相关的总费用可为最少。进一步，虽然外面的密封装置203从始至终指的是O形环，但此密封机构可为任何数量的其他密封装置，例如垫圈、衬垫或适当的涂层表面，只要其产生的密封足以防止在加压的时候从它和内部O形环201之间的密封件洗涤区域204渗漏。图3示出了在测量和冲洗过程中在不同的时间点处内部和外部O形环的可能位置。在进行任何注入前，在t＝1时，被压缩的内部O形环将可能位于靠近内部凹槽的外壁的位置。然而，应注意的是，本发明不限制于外壁紧抱O形环的设计。本发明也改善了结合紧抱内壁(一个或更多)的O形环的设计。进一步地，由于外部O形环紧抱其相应凹槽的壁，因而内部O形环不需要紧抱在其凹槽内的相同壁，也根本不需要两个O形环紧抱壁，尽管这可有利于简化结构的装配。在时间t＝1时，外部O形环302类似地位于其凹槽处。在时间t＝2时，样本通过注入通道303被注入测量单元，因此增加了施加于内部O形环301的压力，并且进一步把内部O形环301朝其凹槽的外壁推。测量被记录后，在t＝3时通过液体或气体介质向密封件洗涤通道304施加压力。压力推动内部O形环朝向其凹槽的内壁，并迫使外部O形环进一步朝向外部凹槽的外壁。随着内部O形环被推至内壁，以前的样品被压出测量单元死体积外，并且可注入新样品或溶剂，比迄今为止可能的过程更加高效和彻底排出以前样品。

在测量单元的设计上也可能有多种变化。例如，如图4所示，当在密封件洗涤步骤中内部O形环401被推压至内壁时，内部O形环401的凹槽可经设计具有圆角402以进一步限制现有的死体积。应当注意的是，每个凹槽的任何其他壁也可具有圆角。构造测量单元歧管或窗口的材料也能变化。任何容许必需的测量和足够坚硬和强固以容许单元和密封件擦拭区的加压而不能渗漏的物质可适合于实践本发明，例如用于光学测量的透明窗口。例如，PEEK、不锈钢、聚碳酸酯树脂热塑性塑料和玻璃是在材料中适于用作用于实践本发明的窗口和/或歧管。

虽然上述讨论已经涉及其中通道通常通过用阀门控制的流动加压的主动的设计，然而也可能用本发明的被动实施例提供相似的益处，如图5所示。不是直接注入该单元中，内联三通接头(inlineT-union)501与样品源管道502连接。一个通道连接至密封件洗涤503，以及第三通道504连接至随后与仪器入口506相连的限流毛细管505。以这种方式，每当有流动时，在毛细管505的两端产生压力下降，这导致密封洗涤通道具有比在仪器507内的单元的内部更高的压力。该压力将推压内部O形环至凹槽的内部。当流动停止时，所述压力下降至环境压力，并且O形环保持倚在凹槽的内壁。如果接着用加压装置对系统加压，那么内部O形环在其两端将具有极小的压力，这是因为两侧加压相等。然而可存在推压内部O形环回到凹槽外部的瞬时压力，该瞬时压力将仅用新鲜样品装满死体积，当引入下一样品时新鲜样品将被冲入废料池508。

现考虑来自不包括在图6中呈现的本发明的传统测量单元采集的数据。在此实验中，通过电泳迁移率测量仪器(WyattTechnologyCorporation，SantaBarbara，California)(加利福尼亚州，圣巴巴拉市，WyattTechnologyCorporation，)的测量单元向常规流注入500mMKCl高盐溶液的500μL样品。一旦在该单元中达到热平衡，就每个十秒连续十次通过所述仪器测量样品的传导率。所述单元借助于经由单元与流动物的出口连接的输出限制器保持压力在10巴压力以下。在最初的10次测量组之后，单元以250μL/min.的流动速率被装满约3倍单元体积的500μL的去离子水。此时泵被关闭，热平衡被建立，并且进行额外的10次测量。在这之后再次以250μL/min.的流动速率被装满500μL的去离子水，并且进一步进行十次传导率测量。重复此工序几次以生成如图6所示的数据。每组数据点代表10次测量的一个系列。注意从第二测量组(初始组是样品测量，以及第二测量是第一次冲洗后的测量)开始，恰好第一数据点表明数据组的最低传导率。继第一测量之后，在给定组中，传导率随着来自截留于单元中各种凹部的原始注入的残留样品被释放而增大，由于留在单元中的离子的浓度平衡，这导致传导率随组内的每个后续测量而随时间增大。进一步，注意其是如何直到第9次冲洗尝试才充分地冲洗单元内的最终残留样品以致传导率下降至低于原始测量值的1％。甚至在19次冲洗尝试之后，传导率也不曾达到原始值的0.1％。

现考虑在图7中所示的数据。相对照地，该数据利用穿过根据本发明改进的单元的流量采集并在与图6中所示数据相同的电泳迁移率仪器内使用。实验过程与生成图6数据所使用的过程相似，所不同的是，其在各个冲洗步骤期间向发明的单元实施例的两个O形环之间的密封件洗涤区域以30秒的间隔施加四个20巴的压力脉冲。因此，在各个冲洗阶段，内部O形环弯曲四次并且帮助排除被截流的液体，否则该液体将被保留从而用自初始样品注入的污染溶液污染单元。注意，借助于发明的单元修改和发明的方法，仅在第二次冲洗/加压系列之后，污染下降至远低于原始传导率测量值的1％。重复冲洗和加压组合后，即使在单元已经平衡之后，污染也被减少至低于0.1％。

应进一步注意的是，即使具有根据当前发明改进的单元，在上述试验中明显的剩余污染也可通过改进单元设计的几何结构被进一步减少。例如，在用于生成图7的数据的单元中使用的内部O形环凹槽具有方角，如图2所示的那些。如图4所示的凹槽中的成角的或圆形的拐角可进一步减少任何污染。包括利用具有更光滑、更少孔隙和/或光滑表面的材料或专业的O形环的其他改进可最小化在其中可截留注入的样品的任何角落或其他可用空间。

进一步，虽然上述实例和相应的图体现在电泳迁移率测量单元中取得的数据，依照先前的讨论，本发明绝不应限制于应用于电泳迁移率测量。在此公开的本发明的方法和设备可同样有益于其中压力可施加于测量单元并且其中寻求减少样品污染的其他应用，包括但不限制于光散射测量、折射率测定、UV吸收测定和粘度测量。进一步，虽然在此呈现的附图和许多上述讨论陈述所述测量室为内部O形环所对的区域，但是所述发明不限制于此类实施例。实际上，外侧区域可能包含测量单元，例如外部O形环和内部O形环之间的区域，并且内侧区域可作为密封件洗涤区域。进一步，在此结构中，在可被加压的外部O形环的外面可能存在额外的密封件洗涤区域，并且被第三O形环所包含的那个区也可作为密封件洗涤区域。

对于分析仪器领域的技术人员来说是显而易见的，我们的发明的方法和装置存在许多明显的变化，这些变化不背离我们已列出的用于其实践的基本要素；所有的这样的变化只是上文描述的本发明的明显的实施方式并且通过参考随后的权利要求被包括在内。

Claims (15)

1.一种用于控制分析仪器中样品污染的设备，其包含

A)样品测量单元，其包括能够将液体样品注入其中的测量室；

B)第一O形环，其安装于第一O形环凹槽内，所述第一O形环密封所述样品单元的所述测量室；

C)第二密封装置，其位于所述第一O形环凹槽的周围；以及

D)所述测量单元的密封件洗涤区域，其中所述密封件洗涤区域以所述第一O形环的一侧和所述第二密封装置的另一侧为边界，并且连接至流体通道；

其中所述测量单元的所述测量室和所述测量单元的所述密封件洗涤区域能够接受足够压力以将所述第一O形环从在所述第一O形环凹槽内的初始侧位移动或形变至被压缩倚着壁的位置，从而排出包含在所述第一O形环凹槽内的一些流体。

2.根据权利要求1的所述设备，其中所述测量单元进一步包含相干光束能够穿过的光学透明窗口。

3.根据权利要求1的所述设备，其中所述第一O形环凹槽内包含的一个或更多的拐角是圆形的。

4.根据权利要求1的所述设备，其中所述第二密封装置是O形环。

5.根据权利要求4的所述设备，其进一步包含安装于位于环绕所述第二O形环的第三O形环凹槽处的第三O形环。

6.根据权利要求1的所述设备，其中所述第二密封装置是衬垫。

7.根据权利要求1的所述设备，其中所述第二密封装置包含表面涂层。

8.根据权利要求1的所述设备，其中所述测量单元由不锈钢组成。

9.根据权利要求1的所述设备，其中所述测量单元由聚醚酮醚组成。

10.根据权利要求1的所述设备，其进一步包含具有三通道的三通接头，其通过管连接至

A所述样品的源；

B所述测量单元的密封件洗涤通道；以及

C连接至所述测量室的限流毛细管，这样使得当存在流动时在所述毛细管的两端产生压力下降，这导致所述密封件洗涤通道压力高于所述测量室的压力，从而推压所述第一O形环至所述第一O形环凹槽的内壁。

11.一种用于控制分析仪器中样品污染的方法，其包含的步骤为

A)向包含于所述分析仪器中的测量室注入液体样品，其中所述测量室包含于由安装于第一O形环凹槽内的第一O形环横向界定的区域内；

B)测量所注入的样品的一种或更多物理性能；

C)向密封件洗涤区域施加压力，其中所述密封件洗涤区域被界定为以所述第一O形环外缘的一侧和所述第二密封装置的另一侧为边界的区域，其中所述施加的压力足够推压所述第一O形环至所述第一O形环凹槽的内部区域；以及

D)用液体冲洗所述测量室。

12.根据权利要求11的所述方法，其包含进一步步骤为在所述测量室和所述密封件洗涤区域之间交替加压，从而导致所述第一O形环在其凹槽内重复地从所述第一O形环凹槽的一个壁移动至所述第一O形环凹槽的另一个壁。

13.根据权利要求11的所述方法，其中所述密封件洗涤区域通过经由流体通道向所述密封件洗涤区域注入流体被加压。

14.根据权利要求13的所述方法，其中所述加压流体是大量所述液体样品。

15.根据权利要求11的所述方法，其中所述液体样品在进入所述测量单元之前穿过毛细管限流管。