CN110168336B - 用于检测色谱系统中的泄漏的系统、方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于检测色谱系统中的泄漏的系统、方法和设备。涂料被设置成符合色谱系统的至少一个部件，诸如配件或管段。所述涂料由响应性材料制成或包含响应性材料制，当暴露于色谱流体或流动相时，所述响应性材料可以经历可检测的改变。所述响应性材料的改变可以指示所述流体或流动相的存在、用于防止所述流体或流动相通过的所述涂料的至少一种物理性质的改变、或其组合。

Description

用于检测色谱系统中的泄漏的系统、方法和设备

相关申请

本申请要求2017年1月17日提交的题目为“SYSTEMS, METHODS, AND DEVICES FORDETECTING LEAKS IN A CHROMATOGRAPHY SYSTEM”的美国临时专利申请62/447,234的权益，该专利申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开整体涉及色谱系统中的流体泄漏的检测。

背景技术

色谱系统使用流经系统内的多个部件的各种流体和流动相来执行分离。例如，低压溶剂可以被输送到泵。泵可以将受控高压流动相输送到柱以实现分离。离开柱的高压流动相可以被输送到检测器以用于确定分离的组分。色谱系统还使用各种其他流体（诸如洗涤溶液和针头清洗剂）来清洁系统中保留的化合物。色谱系统还具有废物流以收集已使用的流体和流动相。

这些流量或流中的任何一个中的泄漏可能是有害的。高压流动相中的泄漏可能干扰分离结果，例如准确性和再现性。高压流动相中的泄漏也可能是危险的。暴露于溶剂可能有害。色谱系统内的每个部件都应当被密封以便防止泄漏并保持系统内的期望的压力和温度水平。应当识别并校正连接管、配件或色谱系统的其他部件中的任何泄漏。难以在色谱系统中检测泄漏，尤其是流体或流动相泄漏很小的具有低流速的色谱系统。

本公开涉及检测和/或停止色谱系统中的泄漏（包括小泄漏）的设备和方法。

发明内容

本公开整体涉及用于检测泄漏的系统、方法和设备。具体地，本公开提供了一种涂料，其可以与色谱系统的部件接触或靠近以便检测、停止、或既检测又停止色谱系统中的泄漏。

在一个实施方案中，本公开涉及一种用于检测或停止泄漏的装置，包括：涂料，该涂料被设置成符合色谱系统的部件；以及响应性材料，该响应性材料设置在涂料内并被配置成在与流体或流动相接触时通过产生物理和/或化学改变来响应。响应性材料可以被设置成改变至少一种物理或化学性质。例如，响应性材料可以是在与流体或流动相接触时改变形状的物理响应性材料。在另一个示例中，响应性材料可以是响应于被流体或流动相接触而变得更强或更硬以便停止或减少泄漏（例如，防止流体或流动相通过）的物理响应性材料。在又一个示例中，响应性材料可以是响应于被流体或流动相接触而改变化学结构或催化性质的化学反应性材料。

在另一个实施方案中，本公开涉及一种检测色谱系统中的泄漏的方法，包括将响应性材料施加到色谱系统的至少一个部件，其中响应性材料被设置成在与流体或流动相接触时改变颜色以改变至少一种物理性质或化学性质或两者。

所公开的各种泄漏检测系统、方法和设备可以提供优于已知泄漏检测系统的许多优点。例如，系统、方法和设备可以有助于识别色谱系统中的泄漏。所检测的泄漏的规模可小于通过常规泄漏检测传感器可检测到的泄漏的规模。系统、方法和设备还可以识别存在泄漏的色谱系统的一个或多个特定区域，诸如当涂料或响应性材料被施加到色谱壳体或仪器时。系统、方法和设备可以识别流体或流动相泄漏，以及流体或流动相的特性。最后，系统、方法和设备可以通过在检测到的泄漏周围形成可防止流体或流动相通过的密封剂层或屏障来停止或防止泄漏。

附图说明

本领域技术人员将理解，附图主要是出于说明性目的并且不旨在限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制，并且在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可能在附图中被夸大或放大以便于理解不同的特征。在附图中，相同的附图标记通常表示相同的特征，例如功能相似和/或结构相似的元件。通过以下结合附图所作的详细描述，将更充分地理解本发明，在附图中：

图1示出了用于检测、最小化或停止泄漏的装置上的示例性涂料；

图2示出了施加到管的一部分的响应性涂料的示例性透视图；

图3示出了施加到管的一部分的响应性涂料的两个部分的示例性横截面图；

图4示出了以线施加到管的一部分的响应性涂料的示例性透视图；并且

图5示出了图4的管的示例性透视图，其中污点显示检测到管的一部分上的泄漏。

具体实施方式

现将描述某些示例性实施方案，以能够全面理解本文所公开的系统、方法和设备的结构、功能、制造和使用的原理。附图中示出了这些实施方案中的一个或多个示例。本领域的技术人员将理解，本文具体描述且在附图中示出的系统、方法和设备为非限制性示例性实施方案，并且本技术的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案所示出或描述的特征可与其他实施方案的特征组合。此类修改和变型旨在包括在本技术的范围内。本领域技术人员将认识到，本文描述的系统、设备和方法可以在许多背景中使用，并且在色谱系统领域之外具有有用的应用。例如，泄漏检测和预防很重要的任何领域都可能受益于本文所述的技术。为了一致性，本申请的其余部分将在色谱系统的背景下描述本公开的实施方案。

色谱系统使用各种流体、溶剂、改性剂、流动相等以经由色谱柱和其他系统部件执行分离。这些系统可以使用洗涤溶液来清洁系统中保留的化合物。这些系统还可以具有废物流以在分离后收集这些各种流体、溶剂、流动相等。不同系统部件（包括柱、连接管、配件等）应当被适当密封。应当识别并停止系统中的任何泄漏以便使系统有效运行。由于流动相的低流速，在微流体色谱系统中检测泄漏可能特别困难。

色谱系统可以包括但不限于纳米级、微量级、分析级和制备级的液相色谱、气相色谱、超临界流体色谱、二氧化碳基色谱。

可以被涂覆（或以其他方式进行处理）的这些色谱系统的部件包括管线、配件、连接器和各种系统部件，例如泵、柱、柱壳、柱加热器、检测器。可以涂覆任何类型或尺寸的管线，包括10µm-100mm。可以涂覆适合于上述管线尺寸的任何类型或尺寸的配件、连接器和流体设备。

在示例性实施方案中，泄漏检测设备（例如，涂料或接触材料）可以与通常用于色谱系统的连接管、配件或流体设备结合使用。在一些实施方案中，涂料可以是包裹物、套筒、施加或喷涂到部件上的材料、至少部分接触或符合部件的材料、放置成紧邻部件的材料等。各种部件可以由金属或非金属材料制成，诸如不锈钢、钛、合金、黄铜、陶瓷、玻璃、熔融石英、硅、塑料（例如，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氯乙烯(PVC)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、HDPE、LDPE、PP、PETE、PEEK、特氟隆）、粘性液体等。

系统部件（例如泵、柱、柱壳、柱加热器、检测器）本身可以被涂覆或以其他方式进行处理。可替代地，可以涂覆部件（例如，泵）的底部、拐角或侧面，或者其中泄漏的流体或溶剂可以离开部件的任何开口。

色谱系统中的流量或流的压力有时可以低于大气压，例如，当在系统内产生真空时。压力有时可能很高。在泵之前可能会出现低压。高压可以在泵之后并通过柱。色谱系统的压力可以是0、10、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500或150000psi。这些值可以定义一个范围，诸如约100psi至约20,000psi。

在一些实施方案中，可以在具有以下流速的系统中检测和/或停止泄漏：约1nL/min、0.01µL/min、0.05µL/min、0.1µL/min、0.5µL/min、1µL/min、5µL/min、10µL/min、50µL/min、100µL/min、500µL/min、1mL/min、5mL/min、10mL/min、50mL/min、100mL/min、500mL/min或1L/min。

附加地，可能难以检测泄漏，因为流体、溶剂或流动相在积聚足以从部件可见地汇集或滴落的体积之前蒸发。先前的泄漏检测技术使用需要大量泄漏流体来操作的传感器。这些技术通常无法检测到较小规模的泄漏或蒸气泄漏。本公开的涂料可以直接放置在潜在泄漏（例如，配件、连接器）上或紧邻该潜在泄漏。涂料的直接放置或紧邻可以在显著的蒸发、汇集或滴落之前识别泄漏。涂料可以直接放置在部件（例如，配件、连接器）上，或者可以放置在距离部件或未来泄漏的地点约0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.5mm、1.5mm、1.0cm、5.0cm或约10.0cm内。这些值可以用于定义范围，诸如约0.01mm至约10mm。在一些实施方案中，涂料可以由柔性或柔韧材料制成，该材料可以符合色谱系统的一个或多个部件。

根据本公开的实施方案，公开了一种泄漏检测设备，其包含响应性材料并且可以围绕色谱系统的一个或多个部件来涂覆或包裹。在一些实施方案中，涂料是响应性材料使得涂料的整体或主体是响应性材料。在其他实施方案中，响应性材料是涂料的组分。例如，涂料可以包括约，或小于约，或大于约响应性材料或材料的1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%或约99%。这些值可用于限定范围，诸如约20%至约80%。当通过如此涂覆或包裹的色谱系统的任何部分（诸如连接管或配件）发生泄漏时，泄漏的流体可以触发泄漏检测设备中的响应性材料的响应，从而产生材料的改变，例如可以通过外部设备检测到的改变。涂料可以包含其他组分，包括粘合剂、基质、结构元素、嵌入式元素等。

在本公开的一个实施方案中，响应性材料可以取决于泄漏并与响应性材料进行接触的流体或溶剂而不同地响应。因此，响应性材料的改变也可以指示哪种类型的流体或溶剂泄漏。在色谱系统内可以使用许多不同类型的溶剂。例如，系统可能需要一个、两个或更多个流动相供应，强和弱洗涤溶液，或清洁和冲洗溶液，并且可能需要附加的流体以用于维护目的。响应性材料可以被设计成指示各种流体或溶剂之间的差异，包括pH、含水量、有机物含量、离子强度、官能团（例如，胺、醛等）、芳香性、蒸发能、极性等的差异。在一个实施方案中，响应性材料可以通过特定颜色改变来指示哪种流体正在泄漏。例如，在使用两种不同溶剂（溶剂A和溶剂B）的系统中，可以选择响应性材料，该响应性材料通过将其颜色从红色变为蓝色来响应溶剂A，但与溶剂B的相互作用没有导致这种颜色改变。

为了解决流体（例如，水性或半水性流体）的泄漏，响应性材料可以包括高吸收性材料，诸如水凝胶、硅胶、Drierite^®（硫酸钙的颜色指示变体）、硫酸镁、吸湿性化合物等。在一些实施方案中，响应性材料可以包括在暴露于泄漏的流体时可交联或聚合的材料，诸如水凝胶或其他聚合物材料。在一些实施方案中，响应性材料可以溶胀，或以其他方式改变状态、刚度、可模塑性和/或以其他方式防止流体或流动相通过，以便用作针对检测到的泄漏的密封剂。

在其他实施方案中，响应性材料可以是水溶性材料、极性溶剂可溶性颜料、或非极性溶剂可溶性颜料。用颜料印刷的任何形状或图案将随着相容流体的扩散而移动以改变外观（污点）或位置（简单移动），从而指示泄漏的存在和泄漏液体的识别。下面参考图4至图5描述此类实施方案的一个示例。在其他实施方案中，泄漏的流体将一种反应物传输到另一种反应物以引发化学反应，该化学反应可产生易于检测的产物。

为了指示其中可以指示泄漏流体或溶剂的pH的泄漏，响应性材料可以包括pH指示剂，诸如石蕊。例如，如果泄漏检测设备被涂覆包含石蕊或某种其他加酸显色材料的涂料，则具有特定pH范围的溶剂可以在泄漏点改变设备的颜色。

在一些实施方案中，响应性材料或含有该材料的涂料的颜色改变可以是永久性的。颜色改变也可以从一种颜色变为第二种颜色。取决于泄漏的严重程度，涂料/材料也可以变为第三种（或更多种）颜色作为泄漏量值的指示。颜色改变可以具有不同程度的强度。颜色改变的强度也可以指示泄漏量值。

在一些实施方案中，响应性材料的状态改变可以是可逆的。例如，响应性材料可以在暴露于特定溶剂或流体时再生。在一些实施方案中，可以通过将响应性材料冲洗或以其他方式暴露于中和化学品来逆转响应性材料的改变。可逆泄漏检测方案的一个示例可以使用干燥剂（诸如浸渍有氯化钴(II)的硫酸钙），当检测到液体时，该干燥剂在蓝色与粉红色之间改变颜色。氮气干燥可使指示剂恢复其原始颜色。可逆检测技术的另一个示例涉及使用响应于温度的改变而改变颜色的热变色材料。例如，由于溶剂蒸发，可以发生可检测的温度改变，并且在温度改变之后，热变色材料可以返回其默认颜色。可逆检测技术的又一个示例涉及使用在暴露于流体时溶胀的水凝胶形成材料。当泄漏停止时，水凝胶材料可以返回干燥状态。

颜色改变可以是可视觉上检测的，或者可以通过其他检测机制来检测。可视觉上检测的改变的示例包括颜色改变、尺寸或厚度的改变、透明度或不透明度的改变、发泡作用、溶解或崩解反应等。在一些实施方案中，响应性材料的改变可以经由在1pm至100m范围内的各种波长的电磁波（诸如伽马射线、X射线、紫外线(UV)、可见光、红外线(IR)、微波、无线电波等）来检测。其他示例检测技术可以采用可使用黑光检测的水溶性墨水或荧光墨水。此类技术允许在色谱系统的连接管或部件中检测甚至微小的泄漏，包括以蒸气形式的泄漏。在一些示例中，可以使用安装在战略位置中的一个或多个相机来使检测自动化。在此类示例中，一个或多个相机可以执行宽范围的检测，包括IR和UV检测。包括重复拍摄图像的一个或多个相机和成像处理器的系统可能以时间依赖性的方式检测物理外观的改变，诸如形状、颜色、体积、面积。随时间的改变提供了有关流体泄漏速率的信息。在已更换系统部件时，新的管线或部件可能会带有施加到其的新响应性涂料。其他传感器（包括能够测量涂料导电性的传感器、涂料的重量、涂料的厚度等的感器）也可用于检测涂料的各种响应。

材料、重量百分比、厚度等的选择可能影响涂料的敏感性和动态范围。涂料可能以各种厚度施加到部件。涂料的厚度可以是1.0nm、5.0nm、10nm、50nm、100nm、500nm、1.0µm、5.0µm、10µm、50µm、100µm、500µm、1.0mm、5.0mm、或10mm。

在其他实施方案中，本公开的涂料可用于停止或密封检测的泄漏。响应性材料可以被设计成响应于流体的接触而改变至少一个化学或物理参数，例如变得更硬。例如，刚度的增加可以执行密封功能以密封色谱系统中检测到的泄漏。

为了密封其中流体包含水溶液的泄漏，响应性材料可以包括吸收材料，诸如水凝胶、水可固化材料或其他合适的水响应性材料。

在示例性实施方案中，响应性材料可以响应水性和有机溶剂，包括水、甲醇、乙醇、乙腈、丙醇、四氢呋喃、二甲氧基乙烷、氯丁烷、二氯苯、戊酮、丙酮、氯仿、环己烷、乙醚、乙酸乙酯、戊烷、己烷、庚烷、甲苯、以及其组合或混合物。响应性材料还可以包括酸和碱，包括甲酸、乙酸、三氟乙酸、氨、胺、以及其组合或混合物。

在示例性实施方案中，涂料中的响应性材料可以基于色谱系统中使用的溶剂或冲洗溶液而不同地响应。例如，响应性材料可以被配置成响应于第一溶剂而经历第一改变并且响应于第二溶剂经历而第二改变。以此方式，泄漏检测设备提供存在泄漏的指示，并且还指示何种类型的物质正在泄漏。在其他实施方案中，响应性材料可以准备好仅响应特定化学品或特定类型的化学品。

在示例性实施方案中，泄漏检测设备可以由刚性材料制成，只要以液体或蒸气形式的泄漏溶剂可以在泄漏检测设备的表面上被吸收即可。在一些实施方案中，可以通过将响应性材料冲洗或以其他方式暴露于中和化学品来逆转响应性材料的改变。

在本公开的另一个实施方案中，泄漏检测设备可以是由柔性材料制成的套管或条带，其可以施加到色谱系统中使用的部件的一部分或围绕该部分紧密地包裹。套筒可以由响应性材料制成或者可以包含响应性材料，当暴露于流体时，该响应性材料经历可检测的改变。在另一个示例性实施方案中，泄漏检测设备是可施加到色谱系统中使用的部件的至少一部分的涂料。涂料可以由响应性材料制成或包括响应性材料，当暴露于流体时，该响应性材料经历可检测的改变。可能以各种方式将套筒、条带或涂料施加到部件上以便检测包括该部件的系统中的泄漏。例如，可以使用粘合材料将泄漏检测设备施加到部件，或者泄漏检测设备可以是像涂漆一样施加到设备的涂料。例如，涂料和/或响应性材料可以通过喷涂法来施加。

在一些实施方案中，可检测的液体可以分解成两个一般基团。这些基团包括水溶剂（酸、碱、中性）和有机溶剂（极性和非极性）。可以将包含用于检测水溶液或有机溶剂泄漏的不同指示剂材料的多个条带或涂料放置在色谱系统的部件上。在一些示例中，可以将包含被配置成检测极性溶剂、非极性溶剂和/或水溶液的存在的响应性材料的不同涂料、带或条带施加到色谱系统内的部件或区域。例如，响应性材料可以位于色谱系统的管段的外径上或者位于热缩管线套筒的内径上。响应性材料可以作为细线、条带、点或任何其他合适的配置来施加。在一些实施方案中，响应性材料可以包含在使不锈钢管绝缘的聚合物涂覆的管线中，并且响应性材料可以溶解或破裂，从而影响管的导电性。

图1示出了根据本公开的实施方案的用于检测泄漏的装置100。如在该实施方案中可以看到的，装置100包括一个或多个色谱部件103，其被包括响应性材料的涂料101覆盖。涂料101可以覆盖一个或多个部件的整体，或者涂料101可以覆盖一个或多个部件（例如103和105）的战略部分。在该特定实施方案中，响应性材料被配置成在暴露于流体时改变颜色，并且涂料覆盖物105的变深部分指示在105处或附近在色谱系统中存在泄漏。在一些实施方案中，变深部分105的尺寸和/或暗度指示泄漏的严重性或尺寸。与石蕊试纸类似，涂料101可以例如在暴露于流体时经历可由UV光源可检测的颜色或外观改变。

在各种实施方案中，装置100可以在线、离线或两者操作。对于在线操作，响应性涂料101可以响应于在常规色谱操作期间可使用的一种或多种溶剂。在此类实施方案中，任何泄漏的溶剂将响应所述响应性涂料101并指示存在泄漏。对于离线操作，响应性涂料101可以响应泄漏检测试剂。在此类实施方案中，系统可以用试剂冲洗，诸如更容易从系统中泄漏的具有较低粘度和/或表面张力的试剂，并且可以扫描响应性涂料101以用于可指示泄漏的任何改变。如上所述，响应性涂料101可以响应于暴露于流体而改变颜色。

可替代地，响应性涂料101可以在与流体接触时硬化或以其他方式物理改变。在此类情况下，响应性涂料101可以硬化等以在检测的泄漏周围形成密封剂层。

在示例性实施方案中，本公开的响应性涂料（例如101）可以使用各种技术（包括使用粘合剂、涂漆、粉末涂覆、烘焙或其他沉积方法）来施加。示例性沉积技术可以用于在各种直径的管线或部件（包括可见检测将不再适用的小部件）上施加响应性涂料（例如101）。

图2示出了根据本公开的实施方案的作为条带施加在管201的外侧部分上的响应性涂料203的透视图。如上所述，泄漏检测设备可以是响应性涂料203并且可以用于涂覆色谱系统的连接管线201的全部或部分。在该示例性实施方案中，连接管201可以被制备有沿着管201的长度的响应性涂料203的连续条带。类似于石蕊试纸，涂料203可以在被润湿或暴露于流体时经历颜色或外观改变。在示例性实施方案中，可以在视觉上或通过UV光源检测响应性涂料的改变。在一个实施方案中，施加到管线的长度的涂料可以检测沿着整个长度的任何位置触及的泄漏，包括发生泄漏的位置。在一些实施方案中，色谱系统中的所有或基本上所有管线使用具有泄漏检测能力的管线，例如条带。如果在泄漏点处仍然存在不足量的泄漏流体，则如果在最低点（泄漏可能行进到并积聚的地方）的管段被如此涂覆，则仍然可以识别泄漏。在一些实施方案中，管线可以具有不同涂料的多个条带，使得可以独立地感测不同的泄漏流体。

图3示出了根据本公开的实施方案的施加到管301的一部分的两个响应性涂料303的横截面图。如上所述，泄漏检测设备可以包括多于一个响应性涂料303并且可以用于涂覆色谱系统的连接管301的全部或一部分。在该示例性实施方案中，管301可以被制备有在管301的相对部分上沿着管301的长度的两个响应性涂料303或条带。

图4示出了根据本公开的实施方案的以线403施加到管401的一部分的响应性涂料的示例性透视图。可以理解，响应性涂料可以作为线、点或其他几何形状施加到管401，施加到连接管401的全部或一部分。在一些实施方案中，响应性涂料的线403可以长度较短或者在管的整个长度上施加。各种线403可以被配置用于一种类型的检测（溶剂、水等）或者可以逐线变化以检测酸、碱、水等的泄漏。例如，线403中的四条线可以被配置成检测水的泄漏，线403中的四条线可以被配置成检测溶剂的泄漏，并且四条线可以被配置成检测酸的泄漏。

图5示出了根据本公开的实施方案的图4的管401的示例性透视图。在该特定示例中，如上所讨论的，响应性涂料以多条线403的形式施加到管401，并且线403中的污点501示出了管401的一部分上的泄漏的检测。在该特定实施方案中，管401中的泄漏可以在泄漏位置处或附近弄污线403，从而有助于识别泄漏。

本领域的普通技术人员将会了解基于上述实施方案的本技术的另外的特征和优点。因此，本发明不受已经具体示出和描述的内容的限制，由所附权利要求书所指示的除外。本文中引用的所有出版物和参考文献均明确地全文以引用方式并入本文。

Claims (10)

1.一种用于停止泄漏的装置，包括：

涂料，所述涂料被设置成符合色谱系统的部件；和

至少一个响应性材料，所述至少一个响应性材料被设置在所述涂料内，其中第一响应性材料被设置成响应于被流体接触而增加刚度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中第二响应性材料被设置成在与流体接触时改变颜色。

3.根据权利要求1所述的装置，其中第二响应性材料被设置成响应于被流体接触而改变所述涂料的至少一种物理性质。

4.根据权利要求1所述的装置，其中第二响应性材料被设置成响应于被所述流体接触而改变外观。

5.根据权利要求1所述的装置，其中第二响应性材料被设置成响应于被所述流体接触而改变至少一种化学性质。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一响应性材料包括水凝胶。

7.一种检测色谱系统中的泄漏的方法，包括：

将响应性材料施加到所述色谱系统的至少一个部件，其中所述响应性材料被设置成在与流体接触时经历可检测的改变并且增加刚度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述响应性材料包括水凝胶。

9.一种停止色谱系统中的泄漏的方法，包括：

将响应性材料施加到所述色谱系统的至少一个部件，其中所述响应性材料被设置成响应于被流体接触而改变所述响应性材料的至少一种物理性质以增加刚度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述响应性材料包括水凝胶。

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