CN113164833A - 色谱柱和组装其的方法 - Google Patents

Abstract

公开一种色谱分离柱组件(100)，其包括：柱筒(120)，该柱筒(120)具有筒壁(126)，该筒壁(126)包括部分地限定柱体积(50)的内壁表面(124)；以及柱构件(110/130)，该柱构件(110/130)可插入到筒(120)中，其中柱构件的至少边缘区域(113/133)意于在使用中与内壁表面(124)的一部分接触或相邻，边缘区域和内壁表面的接触或相邻部分各自由一种或多种相容的可热熔合的材料形成，且其中至少在内壁的接触或相邻部分的区域中的筒壁由以下材料形成，该材料允许透射所需要的光能以促使适配器板边缘区域到内壁表面的所述熔合。

Description

色谱柱和组装其的方法

技术领域

本发明涉及用于液体色谱分离的色谱柱的构造和用于该色谱柱的构件，以及此类柱和构件的构造的方法。

背景技术

用于液体色谱的色谱柱组件具有分离悬浮物中的分析物混合物的组分(例如液体悬浮物中的化合物、蛋白质或其它物质)的功能。已知的柱包括在使用中封闭液体的分离体积。在使用中，该体积典型地包括与诸如由改性的琼脂糖组成的树脂之类的多孔分离介质(通常称为固定相)混合的载液(通常称为流动相)。添加至体积一端的混合物中的组分在分析物混合物穿过由载液携载的多孔介质流向体积的相反端时发生显著的(substantial)分离。

在任何分离过程之前，床必须从必须引入到柱组件体积中的分离介质的悬浮物开始制备。床形成的过程称为‘填充程序’，且对于填充床是尤其关键的。填充床典型地通过固结介质颗粒的悬浮物来形成。例如，可使用称为适配器板的活塞布置来压缩床，使得去除过量的载液。该程序的目标在于提供理想均质性的床。大尺度的柱优选地通过使介质颗粒的浆料通过适配器板中的中心浆料喷嘴注射来制备。过量的液体在该程序期间在柱出口处去除，而颗粒借助于过滤材料(即，所谓的‘床支承物’)来保持。一旦色谱柱中填充床均匀地(uniformly)填充了期望的体积，该过程完成。如果填充床的均质性和稳定性允许良好且稳健的色谱性能(按照在床上一贯的停留时间分布来量化，其在柱组件的出口处提供分析物的窄带)，填充过程被认为是成功的。

常规地，适配器板可相对于柱壁移动以便调节体积，且可与柱壁分离以用于在使用之后拆卸和清洁。在此类布置中，采用机械紧固件以允许拆卸和清洁。对于客户来说，然后有可能重新填充他们的柱以用于下个程序。然而，对于一次性使用的柱存在增加的期望，该柱供应为预填充的、具有低的生物负载(例如基本无菌)并准备好使用。在该情况下，填充程序仍需要适配器板，但填充可在供应者的房屋(premise)处在受控的无菌条件下完成，且清洁的柱可在具有可追溯的质量认证的情况下运送至客户。发明人另外设想到，作为备选，客户可生产他们自己的用于一次性使用的填充柱，例如在采用不常见的尺寸或专用的分离介质的情况下。在任何情况下，仍有必要将适配器板保持在适当位置，例如借助于柱壁与适配器板之间的机械紧固件，以在填充之后将板保持在适当位置并在分离程序期间抵抗流体压力。技术人员可想到借助于比方说粘合剂来将适配器板保持在适当位置，但由于柱的内壁通常是湿的，沿先前湿的内壁向下推动板来压缩分离介质，那么粘合剂的应用被认为是不期望的。另外，塑料更常用于一次性使用的柱，且找到一种合适的无毒或低毒性的粘合剂来用于粘合至不使用强溶媒或以其它方式影响分析物的塑料也是成问题的。此外，柱筒壁内的任何操作是不方便或不可能的，尤其是对于小的柱，其中用于推动适配器板的器件通常阻塞到柱的顶部口内的通路。机械固定件常规地包括拉杆，该拉杆通过杆的张力将相反的柱组件端板保持在适当位置。继而，该张力由柱筒中的压缩来起作用，意味着柱它必须制作得足够强以不仅承受工作流体压力而且承受由拉杆等施加的压缩力。因此，以低成本且快速的方式将适配器板固定在一次性使用的柱的柱筒壁内适当位置是个问题。

为避免分离的分析物混合物组分的带的变形，已知的柱具有均匀的截面面积，因此柱筒构造通常包括具有结合入口和出口的平端的直圆筒。平端可添加至上文提到的适配器板。以该方式，组分从端到端地均匀地前进穿过床，而不经历任何截面面积的改变。即使将有可能完全由金属(诸如不锈钢)形成柱组件，优选的是，在柱组件的端部处使用一些金属构件，而使用透明材料用于柱筒：玻璃，用于小体积的分离(<1升的柱体积)；或丙烯酸塑料(聚甲基丙烯酸甲酯—PMMA)，用于中等至大体积的分离(>1升)。透明材料在采取手动程序时是重要的，且在程序自动化时提供进度的视觉确认。热塑性材料PMMA具有优异的机械强度并可制作成透明的，且因此PMMA广泛地用于柱筒。在共同未决的专利申请WO2018087399中描述一种复合物塑料柱筒，WO2018087399的公开内容通过引用来结合于本文中。热塑性材料构造很适合于一次性使用的柱组件，但一旦柱填充，将适配器板保持在适当位置仍是个问题，常规地使用上文提到类型的机械固定件来解决，例如，如WO2018087399中示出的。

发明内容

发明人在本文中提出解决上文提到的问题的实施例。

根据本发明的方面，提供一种色谱分离柱组件，其包括：柱筒，该柱筒具有筒壁，该筒壁包括部分地限定柱体积的内壁表面；以及柱构件，该柱构件可插入到筒中，其中柱构件的至少边缘区域意于在使用中与内壁表面的一部分接触或相邻，边缘区域和内壁表面的接触或相邻部分各自由一种或多种相容的可热熔合的材料形成，且其中至少在内壁的接触或相邻部分的区域中的筒壁由以下材料形成，该材料允许透射所需要的光能以促使适配器板边缘区域到内壁表面的所述熔合。

因此，如果柱构件是适配器板，或者装配到筒中且由可热熔合的材料(诸如塑料)形成的端板，那么当来自激光的能量穿过柱壁传播到内壁表面中时，可发生热熔合，例如借助于激光焊接，在该内壁表面处可通过光能的吸收将能量转变为热量，足以将构件边缘区域和内壁表面的部分熔融在一起。壁和构件在另外的位置处的另外的熔合将使构件和筒牢固地固定在一起。

在实施例中，柱壁至少在相关的透光位置处由非晶态的或以其它方式大体上透光的(例如半非晶态的)热塑性材料形成，该热塑性材料允许激光能的至少一部分穿过壁传播以用于促使所述热熔合。

在实施例中，另外的构件至少在边缘区域处由晶态的、半晶态的、有色的、填充的或涂覆的热塑性材料形成，该热塑性材料具有允许吸收至少显著比例的透射穿过壁的任何激光能的性质。

根据本发明的又一方面，提供一种用于熔合色谱柱内的色谱柱组件的构件的方法，该方法包括以下步骤：

a) 提供色谱柱筒，该色谱柱筒具有包括内表面的壁，该壁至少部分地由热塑性材料形成，该热塑性材料至少部分地透光能且可热熔合；

b) 在柱内提供具有适于与内表面的一部分接触或相邻的边缘区域的构件，该边缘区域至少由与壁的可热熔合的热塑性材料相容的可热熔合的热塑性材料形成；

c) 促使光能穿过壁的透光能的材料朝构件传播，该光能具有足够的量值来在光的传播路径与边缘区域相遇处的熔融区域处将构件的可热熔合的材料热熔合至壁的可热熔合的材料；

d) 使传播路径相对于壁和构件移动；以及

e) 在由步骤d)产生所述移动期间使步骤c)连续，或在熔融区域的另外的位置处重复步骤c)。

在实施例中，步骤e)可提供热熔合材料的连续接缝或断续熔合的材料(类似于‘缝合的’熔合区域)。由于构件可包括滑动密封件，那么没有必要提供连续的熔合接缝，替代地，熔合材料可仅需要将构件固定在适当位置，而不提供流体密封。光能可为连续供应的激光或作为脉冲(例如重复脉冲)供应的激光。在本文中，‘光’意指包括而限于可见光波长的可见光谱处或附近的电磁能。

方法可在迫使构件压缩在柱的体积内的色谱介质的同时预成型，且一旦熔合步骤完成，释放压缩力。

本发明扩展至用于执行上文提到的方法或类似方法的设备。

鉴于下文的详细描述，本发明的更多优点和益处对本领域技术人员将容易变得明显。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出根据本发明的色谱柱组件的分解视图；

图2、图3和图4示出安装于组件设备中的图1的柱组件；

图5a和图5b示出柱筒，其是图1中示出的柱筒的备选。

具体实施方式

图1示出未填充的色谱柱100组件的分解视图，该组件包括中空的热塑性材料的筒形柱120、热塑性材料的基部130和热塑性材料的适配器板110，其各自可以以下文描述的方式连接来提供色谱柱组件100。

组件包括顶部端口112和下部端口132，其各自以简化形式示出。在实践中，这些端口可包含多个入口、出口和阀，其用于打开和关闭进入和离开色谱柱体积50的流径，这里色谱柱体积50有约10-50升的容量，其限定于内壁124与适配器板110和基部130各自的内面114和134之间。如下文描述的，滑动密封件115围绕适配器板设置。适配器板110和基部130各自的边缘区域113和133通过如下文描述的热熔合来组装至柱筒壁126的内表面124。

图2示出在组件设备200中部分组装的色谱柱100。组件设备200包括支承框架210，该支承框架210包括顶上支承臂212和基部214，该基部214继而包括转台216，该转台216可围绕筒120和基部130的中心轴线Arts旋转。驱动器件218也位于基部214上，该驱动器件218用于可控地旋转转台216并用于在框架210上可滑动地上下移动激光器220。在图2中，适配器板110支承于轭222上。轭借助于促动器(在该情况下为电气控制的线性促动器224)在轴线A上可上下移动。驱动器件218、促动器224和激光器220可借助于控制器230共同控制。在使用中，在示出的构造中，激光器220由驱动器件218定位在一高度处，使得它的输出光L相对于轴线A在基部130的径向外侧。控制激光器220来产生激光L，该激光L容易穿过柱筒120的壁126传播并在基部130的边缘区域处吸收，使得基部边缘熔融并与柱120的内表面124熔合成热熔合的连续环135。该热熔合环135提供柱120与基部130之间的密封。该熔合和下文描述的柱填充步骤均发生在无菌环境中，诸如在无菌室250内。

在图3中，示出柱组件100，且示出组件设备200，为了更加清楚，省略它特征中的一些。在该图示中，轭222由促动器224在箭头D的方向上降低，使得适配器板110在柱筒120内，且色谱介质M经由上部端口112引入到体积50中。当足够的介质M引入时，柱组件100的下部端口132关闭。

图4示出柱组件100和组件设备的另外的视图。在该视图中，轭222在箭头D的方向上进一步降低，使得迫使适配器板110进入体积50以提供压缩的介质床。适配器板密封件115用来防止介质在柱120的内壁表面与适配器板110的边缘113之间逸出。在该位置中，激光器220由驱动器218提升，使得它的输出与适配器板110的边缘处于相同高度。控制激光器220来产生激光L，该激光L再穿过柱壁126传播，由适配器板110的边缘113吸收，从而在区域125处将密封件115上方的适配器板的边缘热熔合至柱120的内表面124。在该情况下，热熔合区域125可为断续的，因为密封件115提供液体密封且热熔合区域125仅需要提供足以防止适配器板由流体工作压力所迫使离开柱筒的结合强度。然后，关闭上部端口112提供完全密封的色谱柱，其可简单地通过去除在上部端口112和下部端口132上的运输密封件、连接合适的导管以及打开在关闭的系统(未示出)中的端口来使用，而不需要在使用现在预填充的柱组件100之前执行柱填充操作。

图5a中示出备选的柱120'。柱筒120'包括由聚丙烯(PP)管形成的内层123和由PMMA聚合物形成的外层127，该PMMA聚合物借助于用甲基丙烯酸甲酯液体树脂覆盖内管123并使用诸如有机过氧化物(例如溶解于邻苯二甲酸二甲酯中的过氧化甲乙酮(MEKP)、环己烷过氧化物或邻苯二甲酸二烯丙酯)之类的催化剂使其聚合来直接形成到内PP管123上。因此，形成在层之间不具有间隙或空隙的单构件双层构造。PMMA在它聚合时的轻微收缩添加内层123与外层127之间的机械结合。该复合物构造然后用于色谱柱组件(100，例如，如图1中示出的)中。

图5b示出柱组件100的热熔合材料125/135的一部分的放大的部分截面区域。在该情况下，适配器板110或基部130装配于柱筒壁126内，例如，如图4中示出的。激光L穿过柱的外PMMA层127传播，且由于内PP层123的部分透射性质，传播超过外层127几毫米到适配器板113或基部133的边缘。激光L具有足以促使区域125/135处局部加热的能量，该区域125/135与在边缘区域113/133和内表面124之间的边界重合。以该布置，有可能熔融内管123以及边缘区域113/133。连续或断续的相对旋转R与激光器2220的控制一起可产生期望的热熔合量值，且可形成连续的(如示出的)或不连续的焊接接缝。

因此可看到，上文在基部130、适配器板110或柱筒内的任何其它构件与该筒的内表面之间提供有效的机械固定件，而不需要具有到筒的内体积50的通路。

在本文中，热塑性材料被认为包含表现出塑性性质(尤其是当它们的温度升高时)且当它们的温度进一步增加时开始流动的聚合物材料。因此，有可能借助于热熔合将相邻的热塑性材料焊接在一起。典型地，此类热熔合将发生在约120-350℃的范围中。

热塑性材料还可表征为非晶态的(清亮的(clear)/玻璃状的)或半晶态的(乳白色(milky)外观)。半晶态塑料具有由非晶态材料包绕的小晶粒。晶粒使光漫射，产生乳白色外观。该性质限制激光辐射的无损耗透射。如果期望增加激光的吸收，可将诸如炭黑之类的填料添加至塑料。诸如聚乙烯(PE)；高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚醚醚酮(PEEK)；聚氯乙烯(PVC)；聚四氟乙烯(PTFE)HDPE；PA；PTFE；PET；PEEK之类的塑料大体上形成为半晶态塑料，而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚碳酸酯(PC)和聚苯乙烯(PS)可容易形成为非晶态塑料。可使用此类塑料来替代上文实施例中提到的塑料。

上文提到的激光焊接依靠以下原理：波长恰当的激光可以以很少的损耗或无损耗地穿过非晶态塑料传播，而激光快速地吸收于半晶态塑料中，使得在半晶态塑料表面处或附近，吸收足够的激光能来促使局部熔融以及所产生的该局部塑料的热熔合。激光的穿透深度非常大地取决于激光波长。因此，在上文示出和描述的实施例中，优选的是，柱筒120完全或部分地由非晶态热塑性材料(诸如上文描述的PMMA)制造。备选地，优选地，如上文提到的柱120'形成为非晶态热塑性材料的复合物127(为了强度)，以及半晶态热塑性材料(诸如上文提到的PP)的内管123(为了更好的耐化学性)。在本发明中，所采用的激光焊接技术是透射激光焊接，其中束L输送穿过柱120/120'的外壁126/127且以能量上很少的损耗传播到内表面124，在内表面124处发生加热和熔融。加热部分地由待焊接的边缘区域113、133的激光吸收性质和/或由在边缘区域处的添加剂和/或涂层所支配。

具有在750-1500 nm范围中的波长的激光提供良好的结果，且这可通过二极管、光纤和掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器来提供。所需要的激光功率小于1000 W，对于每分钟数米的适度快速的焊接速度来说，典型地约200 W。更长的波长提供更多的能量吸收，直到处于约10 μm波长的大部分能量吸收到包括非晶态塑料的任何塑料中。因此，对于该过程，需要10 μm以下的波长。该范围中的能量吸收程度还取决于塑料中添加剂的存在以及塑料是半晶态的还是非晶态的。如果热塑性材料(例如PP衬套123)中不存在填料或颜料，处于750-1500 nm波长的激光将穿透到该半晶态塑料中几毫米，且在非晶态塑料柱层127中几乎完全不衰减。吸收可设计成在边缘区域111/131处最大限度地增加，例如借助于添加剂，诸如颜料或填料，尤其是在边缘区域111/131中的炭黑颜料。

本发明不要看作是受上文描述的实施例所限制，而是可如对本领域技术人员将容易明显的那样在所附权利要求书的范围内变化。例如，可在保持实用性的同时改变所描述的热塑性材料。将明显的是，热塑性材料仅需要用于相关区域处，且不同的材料(例如金属、纤维填充的(filed)塑料、热固性塑料等)可用于不需要热熔合处。可省略单独的基板130，在该情况下，可使用杯形柱筒120，且可省略将基部焊接到柱筒的步骤。如上文提到的，任何柱组件构件可以以上文描述的方式透射焊接，且此类构件将包括而不限于：端板；内部或外部腹板或支持物，其附接到端板；流体分布板；介质保持玻璃料或多孔层；侧部或端部端口，其直接形成在柱筒材料中；和/或机械支承物，其附接到柱筒或端板。虽然圆柱筒为示出且优选的，可使用其它形状达到良好的效果，诸如三角形、方形或六边形截面。激光器220的位置可进行调节以适应非圆形筒。实施例示出激光器220是固定的且柱组件100是可旋转的，然而其它布置是可能的，例如激光器可绕固定的或可旋转的柱组件运行。备选地，可采用光学器件，使得激光器和柱两者是固定的，但光学器件促使激光束L在相对于轴线A径向向内引导的可移动束中传播。

其它的添加、省略或变型对技术人员将是明显的。其中为了法律上简明，所附从属权利要求起草成在单个权利要求中包含多个特征，且设想到此类特征可在不概括的情况下与其它权利要求组合、去除或添加。

Claims (15)

1.一种色谱分离柱组件(100)，其包括：柱筒(120)，所述柱筒(120)具有筒壁(126)，所述筒壁(126)包括部分地限定柱体积(50)的内壁表面(124)；以及柱构件(110/130)，所述柱构件(110/130)可插入到所述筒(120)中，其中所述柱构件的至少边缘区域(113/133)意于在使用中与所述内壁表面(124)的一部分接触或相邻，所述边缘区域和内壁表面的接触或相邻部分各自由一种或多种相容的可热熔合的材料形成，且其中至少在所述内壁的接触或相邻部分的区域中的所述筒壁由以下材料形成，所述材料允许透射所需要的光能以促使适配器板边缘区域到所述内壁表面的所述熔合。

2.根据权利要求1所述的柱组件，其特征在于，所述光能由激光器供应，所述激光器具有足够的功率来促使所述热熔合。

3.根据权利要求1或2所述的柱组件，其特征在于，至少在所述内壁的接触或相邻部分的区域处，所述柱壁由非晶态的或以其它方式大体上透光的热塑性材料形成，例如半非晶态的，所述热塑性材料允许光(在该权利要求从属于权利要求2时为激光)能的至少一部分穿过所述壁传播以用于促使所述热熔合。

4.根据权利要求1、2或3所述的柱组件，其特征在于，至少在所述边缘区域处，另外的构件由晶态的、半晶态的、有色的、填充的或涂覆的热塑性材料形成，所述热塑性材料具有允许吸收至少显著比例的透射穿过所述壁的任何(激光)光能的性质。

5.根据权利要求3或4所述的柱组件，其特征在于，所述柱筒的非晶态的或以其它方式大体上透光的热塑性材料是PMMA。

6.根据前述权利要求中任一项所述的柱组件，其特征在于，所述柱筒还包括内筒衬套，其可选地由与所述边缘区域类似的材料形成，例如PP。

7.一种用于熔合色谱柱内的色谱柱组件的构件的方法，所述方法包括以下步骤：

a) 提供色谱柱筒(120)，所述色谱柱筒(120)具有包括内表面(124)的壁(126)，所述壁至少部分地由热塑性材料形成，所述热塑性材料至少部分地透光能且可热熔合，且部分地限定柱体积(50)；

b) 在所述柱内提供具有适于与所述内表面的一部分接触或相邻的边缘区域(113/113)的构件(110/130)，所述边缘区域至少由与所述壁的可热熔合的热塑性材料相容的可热熔合的热塑性材料形成；

c) 促使光能穿过所述壁的透光能的材料朝所述构件传播，所述光能具有足够的量值来在所述光的传播路径与所述边缘区域相遇处的熔融区域(125/135)处将所述构件的可热熔合的材料热熔合至所述壁的可热熔合的材料；

d) 使所述传播路径相对于所述壁和构件移动；以及

e) 在由步骤d)产生所述移动期间使步骤c)连续，或在所述熔融区域的另外的位置处重复步骤c)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使步骤e)连续以围绕所述筒提供热熔合材料的连续接缝，或重复以提供断续熔合的材料。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述光能是连续供应的或作为脉冲供应的激光能，例如重复脉冲。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括至少部分地用色谱介质填充所述体积的步骤、用所述构件压缩所述介质以及在至少部分地保持所述压缩的同时预成型的步骤c)、d)和e)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，一旦熔合步骤完成，释放所述压缩。

12.一种预填充的可任意处理的色谱柱组件，其包括权利要求1至6中任一项或多项的特征，根据权利要求7至11中任一项或多项所述的方法来制造柱组件。

13.色谱柱构件熔合设备，其包括框架(210)，所述框架(210)包括色谱柱筒(120)支承台(216)和用于可插入于所述筒(120)内的所述色谱柱的构件(110/130)的支承物(216/224)，所述设备还包括激光发生器(220)，所述激光发生器(220)用于提供光能，所述光能可引导成穿过所述筒的壁(126)朝所述构件的边缘区域(113、133)传播，且具有足够的量值来促使所述边缘同接触所述边缘或与所述边缘相邻的所述筒的内壁表面的区域(125/135)热熔合。

14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述构件是适配器板，且所述设备还包括促动器(224)，所述促动器(224)用于操纵所述适配器板到所述筒中，且用于压缩设置在所述筒的体积内的色谱介质。

15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述支承物包括转台(216)，且其中所述转台(216)、所述促动器(224)和激光源(2200)由控制器230控制，以围绕所述转台的旋转轴线(A)提供所述适配器板到所述筒的内表面的连续或断续熔合。

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