CN108614033A - 一种可移动的具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可移动的具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法和用途，所述系统包括依次连接的控制组件、注射泵组、梯度混合器和进样阀。本发明所述流动相控制系统适合作为生物材料研究中分析表征仪器的流动相系统，来模拟复杂固液界面环境，应用于界面分析表征检测领域。
Description
技术领域
本发明属于液相泵领域，涉及一种流动相控制系统及其处理方法和用途，尤其涉及一种可移动的具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法和用途，该流动相控制系统适合作为生物材料研究中分析表征仪器的流动相系统，来模拟复杂固液界面环境，应用于界面分析表征检测领域。
背景技术
近年来，界面分析检测技术不断发展，其主要的发展方向为提高扫描速率、提高检测精度以及提供更多种类的检测芯片。目前，在生物材料研究中应用比较广泛的界面分析仪器有原子力显微镜(AFM)、双偏振干涉界面分析系统(DPI)和石英晶体微天平分析仪(QCM)。AFM是典型的界面表征及力学测量工具，被广泛应用于表面成像、界面分子层力学表征、单分子力谱测量和界面电磁学表征等。在液体环境中，AFM能够保持良好的工作状态，因此可被用来研究固-液界面上生物大分子，甚至活体生物细胞以及它们之间的作用力。DPI是近年来发展的界面表征技术，依赖于特殊的检测芯片，可实时观测变化中的界面层。DPI检测原理为：两道偏振光平行穿过检测芯片中间的光学通道，在检测器上形成干涉条纹，芯片表面分子层变化会影响光路的界面波场(渐逝波场)，从而改变干涉条纹，通过比对、拟合，可推算出界面分子吸附量和吸附层厚度。DPI检测灵敏度<1pg/mm2，检测界面层厚度达100nm；除了吸附-解析行为，还可以获得吸附层的质量和厚度的数据。QCM具有同DPI类似的流动相控制系统，依赖于特殊的石英晶体片，能够实时观测变化中的界面层，能够获得界面分子层质量、厚度以及界面层粘弹性的数据。QCM的核心部件为石英晶体传感器，由石英晶体夹在两片电极中间构成。在电极两端加入交流电压，能引发传感器的微弱振动；当交流电压关闭后，振动呈指数衰减，界面分子层将改变衰减过程，通过比对、拟合，获得界面层结构信息与物理特性。相比基于光学的界面分析方法，QCM灵敏度相对较低约为20pg/mm2，但更适用于大尺度界面层的测量，并能够表征界面粘弹性等物理特性。上述界面分析仪器已被应用于研究固-液界面上生物大分子相互作用，为生物材料制备、纯化与剂型化的研究工作提供了有用的科研数据。
但面对生物材料研究领域的飞速发展，尤其是对复杂界面环境的分析表征的迫切需要，现有仪器还有很多不足。主要是在流动相控制方面，发展相对缓慢，DPI使用的是单元、双通道注射泵和六通阀进样器，无法进行流动相梯度变化；QCM使用一元蠕动泵，依靠管路切换实现进样；AFM只有液体样品池，没有泵系统，依靠手动注射器推进流动相。因此现有仪器设备的流动相控制系统均缺乏对液体环境的精确控制，无法实现对溶液组成的梯度改变，如离子强度和pH等，更无法实现对多种溶液参数的调节。而在生物材料研究领域中很多研究内容都涉及界面环境是动态变化的，如蛋白质分离纯化过程和蛋白药物制剂给药过程中，蛋白分子所处的界面环境是动态变化的，而现有的界面表征设备无法有效模拟实际体系中的固-液界面环境。
现有的一些液相控制系统如液相泵，其不仅死体积大，不能满足现有界面分析设备快速准确的进行流动相梯度变化；而且剪切力大容易造成生物大分子失活，因此不适合作为生物大分子表征设备的流动相控制系统。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可移动的具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法和用途，以实现流动相的双梯度调节。所述流动相控制系统适合作为生物材料研究中分析表征仪器的流动相系统，来模拟复杂固液界面环境，应用于界面分析表征检测领域。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统，所述系统包括依次连接的控制组件、注射泵组、梯度混合器和进样阀。
本发明所述系统通过控制组件控制注射泵组中流动相的流动，使注射泵组中流动相以一定的比例推进进入到梯度混合器中进行混合，再进入进样阀中，实现流动相梯度调节的精确性和稳定性，从而形成流动相浓度及其他参数的梯度变化。
本发明中所述控制组件采用现有技术中已有组件即可，典型但非限制性的可通过电脑进行控制，其所使用程序等采用现有技术中已有程序即可(如CN 103698428 A和CN105771037 A等中均有介绍)。通过控制组件对整个系统进行指令控制、数据采集和整理。
本发明中，所述进样阀的出口连接界面表征分析仪器的流动相入口，从而形成具有流动相梯度变化的界面表征分析实验。
本发明所述的流动相控制系统可与现有的界面分析仪器联结使用，所述界面分析仪器包括原子力显微镜(AFM)、双偏振干涉界面分析系统(DPI)和石英晶体微天平分析仪(QCM)。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述控制组件包括依次连接的控制装置和主控制器。
优选地，所述控制装置和主控制器之间通过电子线路连接，如网线等。
作为本发明优选的技术方案，所述控制装置包括电脑，但并不仅限于电脑，本领域技术人员也可以根据需要选择其他设备，只要其能实现控制的功能即可。
优选地，所述主控制器由核心控制板和IO板组成，核心控制板和IO板集成放在一起，其中所述核心控制板为ARM科研板。
本发明中，所述核心控制板用于数据处理，所述IO板用于控制进样阀开关。
作为本发明优选的技术方案，所述控制组件和注射泵组之间通过电子线路连接，通过控制组件控制注射泵组中每个注射泵中流动相的流动。
优选地，所述注射泵组、梯度混合器和进样阀之间通过液体联接管依次连接。
作为本发明优选的技术方案，所述注射泵组包括至少两组注射泵组，各组注射泵组之间并联设置。
本发明中，各组注射泵组可同时启动实现多组双梯度调节，也可单独启动某一组进行双梯度调节。
优选地，每组注射泵组配备一个梯度混合器，每个梯度混合器与一个进样阀连接。
优选地，每组注射泵组包括两个注射泵，两个注射泵分别与梯度混合器的进料口连接。
优选地，两个注射泵并联设置。
本发明中，所述梯度混合器包括两个不同的进料口，两个注射泵分别与两个不同的进料口连接，并在梯度混合器中进行混合。通过梯度混合器实现流动相均匀稳定的混合，以保证梯度调节的精确性和稳定性。
本发明中，通过设置的注射泵组及每组设置的两个注射泵和注射器实现流动相参数的双梯度调节。
作为本发明优选的技术方案，所述注射泵为单通道注射泵。
优选地，所述单通道注射泵包括分体式注射泵和/或串联推拉式注射泵。
优选地，所述注射泵中放置注射器，注射器的体积为0.5mL～200mL，例如0.5mL、1mL、10mL、30mL、50mL、70mL、100mL、130mL、150mL、170mL或200mL等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述进样阀为六通阀。
本发明中，通过进样阀的切换可以满足试样的精准进样。
第二方面，本发明提供了上述流动相控制系统的处理方法，所述方法包括以下步骤：
通过控制组件控制注射泵组中流动相的流动，使流动相以设定的比例由注射泵组进入到每组注射泵组配备的梯度混合器中，待流动相在梯度混合器中混合均匀后进入进样阀，通过进样阀的切换进行进样。
本发明中，可在控制组件上设置注射泵组的梯度、流速、进样时长和注射器直径等参数，使流动相按照设定的参数流动。
作为本发明优选的技术方案，在通过控制组件控制注射泵组中流动相的流动前，将流动相分别装入每组注射泵组中的注射器内并放置在注射泵上。
第三方面，本发明提供了上述流动相控制系统的用途，所述流动相控制系统用于界面分析仪器包括原子力显微镜、双偏振干涉界面分析系统和石英晶体微天平分析仪中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述系统通过注射泵组可实现流动相的双梯度调节，通过梯度混合器实现流动相均匀稳定的混合，进而通过进样阀的切换可以满足试样的精准进样，使流动相控制精度高，稳定性好，参考GB/T 26792-2011检测方法测得梯度误差Tci＝1％，符合标准要求；
(2)本发明所述系统的控制组件可同时控制多组注射泵组，可实现与多台界面表征仪器进行并联或设置参比通道，同时检测获取数据；或单独控制其中一组注射泵，注射泵组可根据实际需要添加或减少组数；
(3)本发明所述系统与仪器联接方便，可满足多种界面表征仪器联接接口需求；
(4)本发明所述系统可集成在一个移动样品台上，可实现随时随地与仪器相联；
(5)本发明所述系统的各个组成部分结构简单，拆卸方便，易于维护保养。
附图说明
图1是本发明实施例1中具有双梯度调节功能的流动相控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例1中具有双梯度调节功能的流动相控制系统中主控制器的结构示意图；
图3是本发明实施例1中具有双梯度调节功能的流动相控制系统的梯度误差测试结果；
图4是实施例4中所述流动相控制系统与石英晶体微天平相联通过流动相盐梯度变化观察蛋白BSA洗脱频率变化图；
图5是实施例4中所述流动相控制系统与石英晶体微天平相联通过流动相盐梯度变化观察蛋白BSA洗脱质量变化图；
其中，11-控制装置，21-主控制器，31-注射泵组，41-梯度混合器，51-进样阀，211-核心控制板，212-IO板，311-单通道注射泵，312-单通道注射泵，313-单通道注射泵，314-单通道注射泵，511-流动相出口，512-进样口。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法，所述系统包括依次连接的控制组件、注射泵组31、梯度混合器41和进样阀51。
所述处理方法包括以下步骤：
通过控制组件控制注射泵组31中流动相的流动，使流动相以设定的比例由注射泵组31进入到每组注射泵组31配备的梯度混合器41中，待流动相在梯度混合器41中混合均匀后进入进样阀51，通过进样阀51的切换进行进样。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法，所述系统如图1所示，包括依次连接的控制组件、注射泵组31、梯度混合器41和进样阀51。
其中，所述控制组件包括依次连接的控制装置11和主控制器21，控制装置11和主控制器21之间通过网线连接，控制组件和注射泵组31之间通过电子线路连接，注射泵组31、梯度混合器41和进样阀51之间通过液体联接管依次连接。
所述控制装置11选用电脑，主控制器21由核心控制板211和IO板212组成，如图2所示，核心控制板211和IO板212集成放在一起，其中所述核心控制板211为ARM科研板。
注射泵组31包括两组注射泵组，两组组注射泵组之间并联连接，每组注射泵组包括两个单通道注射泵，单通道注射泵311和单通道注射泵312组成了一组注射泵组，单通道注射泵313和单通道注射泵314组成了一组注射泵组，每组注射泵配备一个梯度混合器41，每个梯度混合器41与一个进样阀51连接。所述单通道注射泵为串联推拉式注射泵，所述单通道注射泵中放置注射器，所述注射器的体积为100mL。
每个单通道注射泵泵的参数为：每微步注射量为0.026uL(10mL注射器)，每微步注射距离为0.156um，流量范围为0.1uL/h～681.73mL/min，最大线速度为17.33mm/s，最小线速度为0.00001583mm/s，最大步速为6933步/s，最小步速为0.02533步/s，线性推力>30Kgf，控制精度为当>30％满行程时，控制误差≤0.1。
所述梯度混合器41的管径为1/16in，0.75mm孔径，材质为CTFE。
所述进样阀51为六通阀，其包括流动相出口511和进样口512，材质为PEEK。
所述液体联接管为PEEK管，内径0.25mm，外径1/16in。
所述系统的处理方法包括以下步骤：
所述系统通过控制装置11控制主控器21和注射泵组31，将流动相分别装入注射器并放置在单通道注射泵311、单通道注射泵312、单通道注射泵313和单通道注射泵314上，在控制装置11上设置注射泵组31的梯度、流速、进样时长和注射器直径等，点击运行使流动相以设定的比例由注射器通过液体联接管，进入到每个泵组配备的梯度混合器41中，流动相混合均匀后，再通过联接管进入到进样阀51中，通过进样阀51的切换，可满足待测试样的精准进样，进样阀的流动相出口511连接界面表征仪器的流动相入口，从而形成具有流动相梯度变化的界面表征分析实验。
所述系统的梯度误差Tci，参考GB/T 26792-2011检测方法进行，其测试结果如图3所示。
本实施例中，所述待测样试样的进样控制误差≤0.1。
实施例2：
本实施例提供了一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法，所述系统的结构和处理方法参照实施例1，区别在于：所述单通道注射泵为分体式注射泵，所述注射器的体积为0.5mL。
实施例3：
本实施例提供了一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统及其处理方法，所述系统的结构和处理方法参照实施例1，区别在于：所述注射器的体积为200mL。
实施例4：
本实施例提供了一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统的用途，将实施例1中所述流动相控制系统与石英晶体微天平分析仪相联，通过流动相盐梯度变化观察蛋白BSA洗脱情况。在石英晶体微天平分析仪的检测过程中，可以通过频率F的变化趋势，来计算蛋白的质量变化，频率增大，蛋白质量降低，频率减小，蛋白质量增大，其结果如图4和图5所示，其中图4横坐标为洗脱时间Time(s)，纵坐标为频率F(Hz)；图5横坐标为梯度(％)，纵坐标为质量(ng/cm2)。
其中，流动相控制系统的设置条件为：选择其中的一组注射泵组31，一个注射器装有20mM pH8.0Tris-Hcl缓冲液，另一个注射器装有1M NaCl 20mM pH8.0的Tris-Hcl缓冲溶液，在控制模块11上设置25％、50％和100％的梯度变化，流速为50μL/min，每次梯度保持时间为10min，通过控制装置11控制进样阀51先使蛋白BSA吸附在石英晶体微天平芯片上，再切换梯度混合的流动相进入石英晶体微天平，从而实时观察BSA随流动相盐浓度变化而发生的洗脱行为。BSA吸附到QCM芯片上，频率降低，质量上升，吸附平衡后，通过流动相控制系统逐渐改变盐离子的浓度，使结合在弱阴离子交换表面上的蛋白开始洗脱，随着盐离子浓度的逐渐增大，芯片上BSA质量逐渐下降，最终几乎完全从芯片脱落。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种具有双梯度调节功能的流动相控制系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的控制组件、注射泵组(31)、梯度混合器(41)和进样阀(51)。
2.根据权利要求1所述的流动相控制系统，其特征在于，所述控制组件包括依次连接的控制装置(11)和主控制器(21)；
优选地，所述控制装置(11)和主控制器(21)之间通过电子线路连接。
3.根据权利要求2所述的流动相控制系统，其特征在于，所述控制装置(11)包括电脑；
优选地，所述主控制器(21)由核心控制板(211)和IO板(212)组成，核心控制板(211)和IO板(212)集成放在一起，其中所述核心控制板(211)为ARM科研板。
4.根据权利要求1-3任一项所述的流动相控制系统，其特征在于，所述控制组件和注射泵组(31)之间通过电子线路连接；
优选地，所述注射泵组(31)、梯度混合器(41)和进样阀(51)之间通过液体联接管依次连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的流动相控制系统，其特征在于，所述注射泵组(31)包括至少两组注射泵组，各组注射泵组之间并联设置；
优选地，每组注射泵组配备一个梯度混合器(41)，每个梯度混合器(41)与一个进样阀(51)连接；
优选地，每组注射泵组包括两个注射泵，两个注射泵分别与梯度混合器(41)的进料口连接；
优选地，两个注射泵并联设置。
6.根据权利要求5所述的流动相控制系统，其特征在于，所述注射泵为单通道注射泵；
优选地，所述单通道注射泵包括分体式注射泵和/或串联推拉式注射泵；
优选地，所述注射泵中放置注射器，注射器的体积为0.5mL～200mL。
7.根据权利要求1-6任一项所述的流动相控制系统，其特征在于，所述进样阀(51)为六通阀。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的流动相控制系统的处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过控制组件控制注射泵组(31)中流动相的流动，使流动相以设定的比例由注射泵组(31)进入到每组注射泵组(31)配备的梯度混合器(41)中，待流动相在梯度混合器(41)中混合均匀后进入进样阀(51)，通过进样阀(51)的切换进行进样。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，在通过控制组件控制注射泵组(31)中流动相的流动前，将流动相分别装入每组注射泵组(31)中的注射器内并放置在注射泵上。
10.一种如权利要求1-7任一项所述的流动相控制系统的用途，其特征在于，所述流动相控制系统用于界面分析仪器包括原子力显微镜、双偏振干涉界面分析系统和石英晶体微天平分析仪中。
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