CN117580636A - 用于液相色谱法的被动溶剂混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于液相色谱系统的混合器。该混合器(58)包括入口(42)、出口(50)、第一流动通道(44B)和第二流动通道(44A)。该入口接收待混合的流体流并且该出口提供该已混合的流体流。该两个流动通道中的每一者联接在该入口和该出口之间。该第二流动通道包括使通过该第二流动通道的流体传播相对于该第一流动通道延迟的偏移体积。该偏移体积包括盘绕通道(64)，该盘绕通道增加流过该偏移体积的流体的径向分散并减少其轴向分散，由此与用于液相色谱系统的已知分流混合器相比，实现了检测器基线信号中的周期性噪声的进一步减小。

Description

用于液相色谱法的被动溶剂混合器
相关申请
本申请是要求2021年6月23日提交的名称为“用于液相色谱法的被动溶剂混合器(Passive Solvent Mixer for Liquid Chromatography)”的美国临时专利申请63/213,890号的优先权的非临时专利申请，该专利申请以引用的方式并入本文。
技术领域
所公开的技术整体涉及溶剂混合器。更具体地说，本技术涉及减小周期性组成溶剂噪声的被动溶剂混合器。
背景技术
典型的液相色谱系统包括用于以受控的流速和组成递送流体(“移动相”)的一个或多个泵、用于将样品溶液引入流动的移动相中的注射器、包含填充材料或吸附剂(“固定相”)的色谱柱、以及用于检测离开柱的移动相中的样品组分的存在和量的检测器。一些液相色谱系统可能要求在将样品注射到流动到色谱柱的移动相之前稀释样品。当移动相穿过固定相时，样品的每种组分通常在不同时间从柱中出来，因为样品中的不同组分通常对填充材料具有不同亲和力。可通过测量洗脱液的物理或化学性质的变化来检测离开柱的移动相中的特定组分的存在。通过将检测器信号绘制为时间的函数，可观察到对应于样品组分的存在和数量的响应“峰值”。
在梯度洗脱色谱法中，当在低压下执行混合时，典型地通过混合两种或更多种单独控制的溶剂包体积来生成移动相。溶剂包的体积通常是往复泵的泵冲程体积的分数。这些溶剂包在到达泵系统之前在低压(例如，大气压)下级联以形成不同组成的一系列串联溶剂塞。另选地，溶剂流在高压下在泵系统下游的三通接合部中合并。通常使用混合器来确保色谱柱入口处的移动相的按时间编程的组成是准确的，并且在色谱分离的整个持续时间内具有低组成噪声水平以最大化检测灵敏度。
液相色谱系统可表现出显著的周期性基线噪声。当通过各种液相色谱技术分离复杂混合物时，这种噪声可显著增加检测器的检测下限(例如，光学检测器的最小吸收单位)并且减小所识别的化合物的数量。该问题对于使用三氟乙酸(TFA)作为添加剂的反相液相色谱(RPLC)梯度法为特别显著的，该添加剂存在于纯溶剂(例如，水和乙腈)中以便在梯度期间混合用于肽作图。所观察到的循环噪声的来源是往复泵系统。例如，泵送系统可以是四元溶剂管理器(QSM)的一部分，该四元溶剂管理器与溶剂的低压(例如，环境压力)混合一起使用以便递送编程的洗脱液混合物。另选地，泵送系统可以是与溶剂的高压混合一起使用的二元溶剂管理器(BSM)的一部分。往复泵的机械和循环操作导致在色谱运行期间的溶剂组成的期望浓度分布的变化。低压和高压混合泵均引起与泵冲程体积和所施加的流速相关的周期性噪声。当前的泵后混合器(诸如200μm填充珠柱)在减小该周期性基线噪声方面基本上是低效的。
双路径分流混合器有时用于减小周期性基线噪声。此类混合器的性能通常限于将周期性噪声减小到通过混合器观察到的噪声的约一半。这种减小水平可能不足以满足许多液相色谱系统用户的要求(例如，噪声幅度小于0.1毫吸收单位(mAU))。
发明内容
在一个方面中，用于液相色谱法的混合器包括入口、出口、第一流动通道和第二流动通道。该入口被配置为接收流体流并且该出口被配置为提供该流体流。该第一流动通道和该第二流动通道中的每一者联接在该入口和该出口之间。该第二流动通道包括被配置为使通过该第二流动通道的流体传播相对于该第一流动通道延迟的偏移体积。该偏移体积包括盘绕通道，其中通过该盘绕通道的流体流的径向分散增加。
该入口可被配置为在该第一流动通道和该第二流动通道之间均等地划分该流体流。
该盘绕通道可以是盘绕管。该盘绕管可被形成为螺旋盘绕管或扁平盘管。
该盘绕通道可包括多个串联联接的盘绕通道。该串联联接的盘绕通道可在单个平面中形成。
该盘绕通道可在基底的表面中或表面上形成。
该盘绕通道可以是第一盘绕通道，并且该混合器还可包括流体地联接到该混合器的该出口的第二盘绕通道，其中该第二盘绕通道增加来自该混合器的该出口的该流体流的径向分散。
在另一个方面，液相色谱系统包括混合器、注射器和色谱柱。该混合器包括入口、出口、第一流动通道和第二流动通道。该入口被配置为接收流体流并且该出口被配置为提供该流体流。该第一流动通道和该第二流动通道中的每一者联接在该入口和该出口之间。该第二流动通道包括被配置为使通过该第二流动通道的流体传播相对于该第一流动通道延迟的偏移体积。该偏移体积包括盘绕通道，其中通过该盘绕通道的流体流的径向分散增加。该注射器被配置为从该混合器接收该溶剂流并且将样品注射到该溶剂流中。该色谱柱与该注射器流体连通以用于执行该样品的分离。
该液相色谱系统可包括泵，该泵与该混合器的该入口流体连通以向该混合器提供该溶剂流。该液相色谱系统还可包括梯度比例阀，以向该泵提供该溶剂流。
该液相色谱系统可包括：第一泵，该第一泵用于提供第一溶剂流；第二泵，该第二泵用于提供第二溶剂流；和流体三通。该流体三通具有与该第一泵流体连通的第一入口、与该第二泵流体连通的第二入口和与该混合器的该入口流体连通的出口以向该混合器提供该溶剂流。
附图说明
通过结合附图参考下面的描述，可以更好地理解本发明的以上和另外的优点，其中在各个附图中，类似的附图标记指示类似的结构元件和特征。为了清楚起见，不是每个元件都可在每个图中标出。附图未必按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。
图1是液相色谱系统的框图。
图2示出了根据图1的液相色谱系统的具有周期性噪声的基线检测器信号的示例。
图3是另一个液相色谱系统的框图。
图4示出了根据图3的液相色谱系统的具有周期性噪声的基线检测器信号的示例。
图5是在噪声频率下减小或消除噪声的分流混合器的示意性描绘。
图6是实验数据的图形表示，其示出了当盘绕通道的盘管直径减少时，轴向分散如何减少以及径向分散如何增大。
图7图形地描绘了具有相同内径的盘绕管和直管对水中的咖啡因的脉冲注射的响应。
图8是分流混合器的一个实施方案的示意性表示，其中偏移体积是盘绕通道。
图9A示出了具有直管偏移体积的分流混合器的目标频率下的周期性噪声的示例。
图9B示出了使用盘绕管偏移体积的分流混合器的目标频率下的周期性噪声的示例。
图10是针对三种不同混合器配置的液相色谱系统的检测器信号的图形表示。
图11是具有盘绕通道偏移体积的分流混合器的另一个实施方案的示意性表示。
图12是与图10相关联的液相色谱系统的针对相同三种配置的检测器信号的图形表示，不同之处在于组合溶剂流的组成的差异。
图13A示出了形成为单个螺旋通道的盘绕通道。
图13B示出了形成为两个螺旋通道的串联布置的盘绕通道。
图13C示出了形成为四个螺旋通道的串联布置的盘绕通道。
图14是可在差示扫描量热计中使用以提高测量灵敏度的流动通道的配置的图示。
具体实施方式
本说明书中对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在教导内容的至少一个实施方案中。对本说明书内的特定实施方案的引用不一定都指同一实施方案。
现在将参考如附图中所示的本教导的示例性实施方案详细描述本教导。尽管结合各种实施方案和示例描述了本教导，但本教导并不旨在限于此类实施方案和示例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代、修改和等同物。例如，本文所述的各种实施方案涉及溶剂，但应当认识到可使用其他流体。获得本文中的教导的普通技术人员将认识到在如本文中所描述的本发明的范围内的附加具体实施、修改和实施方案以及其他使用领域。
在简要概述中，本文公开的实施方案涉及用于液相色谱系统的混合器。混合器包括入口、出口、第一流动通道和第二流动通道。入口接收流体流并且出口提供离开混合器的流体流。两个流动通道中的每一者联接在入口和出口之间。第二流动通道包括使通过第二流动通道的流体传播相对于第一流动通道延迟的偏移体积。偏移体积包括增加流过偏移体积的流体的径向分散的盘绕通道。
本文所公开的混合器可提供液相色谱系统的周期性噪声的显著减小。一些实施方案使得能够几乎完全消除周期性噪声，由此显著增加检测灵敏度。例如，光学检测器的最小吸收单位的值可显著减小。因此，在分离复杂混合物时检测到的化合物的数量可增加。
图1是具有混合器100的液相色谱系统10的框图。液相色谱系统10可以是高压液相色谱(HPLC)系统、超性能液相色谱()系统等。液相色谱系统10包括溶剂递送系统以提供移动相。溶剂递送系统包括多个溶剂储存器18A、18B、18C和18D(一般为18)。溶剂储存器18连接到梯度比例阀(GPV)16，该梯度比例阀将待组合的溶剂的离散流体塞提供至四元泵12。
泵12可具有一对泵头并且可递送包括多至四种不同溶剂(如图所示，来自储存器18中的一者或多者的溶剂)的溶剂混合物的高压流。因为一次仅将一种溶剂从GPV 16递送到泵12，因此出现组分噪声。GPV 16在溶剂之间快速交替以实现移动相的命令溶剂组成；然而，溶剂可能在泵头中不完全混合。另外，在设定组成随时间推移而改变的移动相梯度期间，每个泵冲程具有不同的溶剂组成。来自四元泵12的溶剂流的特征在于可能需要混合的不期望的阶梯状溶剂组成分布。此外，与泵冲程的体积相关的噪音可向溶剂组成添加噪音。因此，通常需要混合以允许将合适的移动相溶剂组成提供至色谱柱22。
混合器100设置在四元泵12的下游。根据本文所述的实施方案，混合器100可被配置为被动地混合所泵送的溶剂混合物。虽然混合器100的一个实施方案的具体特征在图5中示出并且在下面描述，但是液相色谱系统10可包括根据下面描述的原理的任何混合器。
再次参照图1，注射器14设置在混合器100的下游。可包括注射器14作为样品管理器或其他组件或子系统的特征，其被配置为将样品注射到离开混合器100的移动相中。注射器14可包括具有样品回路的注射器阀。样品管理器可控制注射器阀并且可在两种状态中的一种状态下操作：加载状态和注射状态。在加载状态下，注射器阀被配置成使得溶剂管理器能够将样品加载到样品回路中。在注射状态下，注射器阀被配置成使得溶剂管理器能够将样品回路中的样品注射到由混合器100提供的连续流动的移动相中。
色谱柱22接收承载所注射的样品的移动相，并且样品中的分析物在离开柱22的洗脱液中分离。柱22的输出端口流体联接到检测器24(例如，质谱仪或紫外(UV)检测器)。检测器24产生输出，根据该输出可确定样品中的分析物的身份和数量。检测器输出中的噪声可影响检测下限、峰值分辨率和化合物识别。
在一个示例中，使用包含梯度比例阀16和溶剂储存器18的四元溶剂管理器来生成溶剂混合物。混合物被形成为95％水体积和5％乙腈(ACN)体积。两种组分都包括为0.1％的三氟乙酸(TFA)的添加剂。泵12以132μL泵冲程体积进行操作并且递送一mL/分钟的流量。使用675μL柱床作为混合器100并且使用反相液相色谱(RPLC)柱。在图2中示出了基线检测器信号，其中所显示的噪声峰谷为约0.5毫吸收单位(mAU)。与当ACN流过柱22时相比，当水流过柱22时，更多的TFA保留在柱22上。检测器24可以是UV检测器，对于该检测器，被分析的溶剂流中的TFA的存在可产生强吸收响应。检测器信号中表现出的噪音证明水和ACN的组合流没有完全混合。可看到在约0.126Hz处的显著频噪声分量，并且该显著频噪声分量与132μL泵冲程体积相关联。因此，可采用解决该频率的混合器，由此显著减小基线检测器输出中的噪声。
图3是另一个液相色谱系统30的框图。代替使用单个泵来生成来自梯度比例阀的离散流体塞的高压溶剂流，使用两个泵12A和12B，其中每个泵联接到两个溶剂储存器18A和18B中的相应一者。来自两个泵12的溶剂流在高压下在流体管线中(例如，在流体三通处)合并，并且组合的溶剂流在到达柱22之前穿过混合器100。尽管这种组合溶剂的技术不包括单独溶剂的离散流体塞，但是溶剂混合物通常表现出与泵冲程的体积相关的噪音。
在一个示例中，使用包含图3的泵12和溶剂储存器18的二元溶剂管理器来生成形成为95％水体积和5％乙腈(ACN)体积的溶剂混合物，其中每个溶剂组分包括0.1％TFA的添加剂。两个泵12均以50μL泵冲程体积进行操作并且组合流以0.25mL/分钟的流速递送到50μL柱床混合器。使用用于超高性能液相色谱法(UHPLC)的反相液相色谱法(RPLC)柱。在图4中示出了基线检测器信号，其中噪声信号中的主频率具有约0.5mAU的幅度。同样，检测器信号中表现出的噪音证明水和ACN的组合流没有完全混合。可看到在约0.083Hz处的显著频噪声分量，并且该显著频噪声分量与50μL泵冲程体积相关联。对于这种配置，可使用处理频率分量的混合器，由此显著减小基线检测器噪声。
双路径分流混合器可用于减小或消除特定噪音频率。例如，美国专利申请63/081,524号(其全部内容并入本文)描述了可用于此目的的体积频率消除分流混合器。图5示出了在噪声频率下减小或消除噪声的分流混合器38的示意性描绘。
要消除的噪声信号噪声(t)具有径向频率ω。处于流速Fv的溶剂混合物在混合器入口42处被接收并且被分成两个流动通道44A和44B，使得每个流动通道具有流速Fv/2。每个流动通道44具有提供通过路径的主要流动阻力的限制器46。上流动通道44A还包括位于流量限制器46A上游的偏移体积48。如在每个流动通道44的开始处的正弦信号所指示的，噪声信号是同相的；然而，偏移体积48提供流动延迟，使得上流动通道44A的端部处的噪声信号S偏移(t)与下流动通道44B的端部处的噪声信号S限制(t)异相π弧度。因此，混合器出口50处的组合信号S偏移(t)+S限制(t)导致频率ω处的噪声信号的消除。
在具体实施中，仅发生部分消除。例如，频率ω处的噪声的减小可能仅为约55％。在另一个示例中，对两路径分流混合器的评估表现出不完全的消除，该两路径分流混合器具有33μL的偏移体积，其形成为具有0.020英寸的内径的6.4英寸长的管。包括偏移体积(即，偏移路径)的分流混合器的流动通道44A响应于脉冲注射而产生非高斯峰值和非对称峰值，而另一流动通道44B具有窄的且基本上对称的对脉冲注射的响应。实际上，偏移流动通道44A提供了显著限制性能的大分散。更具体地，流动路径44B的窄脉冲响应和正弦噪声函数的卷积在两个流组合的混合器出口50处产生基本上正弦的信号。相比之下，偏移流动通道44A的较宽且不对称的脉冲响应与正弦噪声函数的卷积产生示出对于噪声函数的正弦性质的显著失真的信号。因此，两个信号的组合(即总和)仅提供部分消除。
两个流动通道44A和44B的卷积的幅度的差异理想地为零以用于在噪声频率处的完全消除；然而，幅度的小差异对于许多应用来说可以是可接受的。例如，不超过5％的偏移流动通道44A相对于另一流动通道44B的幅度差异可以是可接受的。
在一些应用中，期望解决两个或更多个噪声频率。美国临时专利申请63/081，524号描述了分流混合器如何串联布置以补偿两个或更多个频率处的噪声。对于具有各自被实现为通过短长度的管道串联联接的两个共面流动通道和两个混合器的两个分流混合器的具体实施，混合器平面相对于彼此的角取向影响可实现的消除程度。这种变化至少部分地是由于不充分的径向混合，使得存在于离开混合器的组合流的区域中的层流状态不利地影响性能。因此，离开第一混合器的增量体积的液体不一定具有相等的机会去穿过第二(下游)混合器中的两个流动通道中的任一者。
在以下描述的各种实施方案中，分流混合器中的流动通道的轴向分散优选保持尽可能小，而离开混合器的组合流的径向分散优选增加以确保更好的径向混合，并且因此基本上均衡或平衡组合流中的增量体积的液体将通过第二混合器中的任一流动通道的可能性。换句话说，增量体积具有约50％的机会去穿过下游分流混合器的每个流动通道。
有利地，在轴向分散和径向分散之间存在相反的关系。因此，增加径向分散有助于减少通过相同流动通道的轴向分散。在下面描述的实施方案中，在盘绕通道配置中提供偏移体积。如本文所使用，盘绕通道是指弯曲的通道的长度。例如，通道可以螺旋形状和/或以互连环序列进行缠绕、布置。在一个示例中，盘绕通道具有由围绕圆柱体或圆锥体以至少一层均匀缠绕的路径限定的形状。在其他示例中，盘绕通道是平坦的，即二维的，使得部分或全部的盘绕通道位于平面中。盘绕通道可由被成型为限定期望流体路径的管道或另一种类型的导管限定。在下面描述的各种实施方案中，盘绕通道主要被描述为盘绕管；然而，应当认识到，在一些具体实施中，管可由其他形式的通道代替。例如，盘绕通道可限定在基底的表面上或者可以是基底中的内部通道。盘绕通道中的流体层由于离心力而经历径向加速，这导致层的增加的混合。该效果与其中流体速度没有径向分量的直通道形成对比。当盘管的半径减少时，径向分散增加并且轴向分散减少。
图6是实验数据的图形表示，其示出了当盘绕通道的盘管直径减少时，轴向分散如何减少以及因此径向分散如何增大。水平轴描绘了施密特数Sc和Dn2的乘积的平方根，其中Dn是Dean数。垂直轴描绘了分析物沿着盘绕管的轴向分散，该轴向分散被标准化为相同管在非盘绕(即，直)配置中的轴向分散。
无量纲Dean数Dn是
Dn＝Re(r管/R盘绕)0.5
其中r管是开放管的内半径，R盘绕是盘绕管的半径，并且Re是雷诺数。Re由以下定义
Re＝2r管rU/h
其中r是流动流体的密度，U是流体跨管横截面积的平均线速度，并且h是流体粘度。Sc是由以下的无量纲施密特数
Sc＝h/(rDm)
其中Dm是流体相中的分析物的本体扩散系数。D盘绕的是分析物沿着盘绕管的轴向分散，而针对相同管，D直的与D盘绕的相同，除了管是直的。在管的内直径为0.0085英寸(216μm)的情况下，针对范围为0.005mL/分钟至2.00mL/分钟的流速获得了数据。
图6中显示的数据与如“通过盘绕管的层流中的轴向分散(Axial Dispersion inLaminar Flow Through Coiled Tubes)”，化学工程科学，第31卷，1976年第3期，第215-218页中所述的弯曲管的分散性质的评估一致。在处于层流状态的流体层中存在的离心力有助于增加跨管内径的径向分散，同时减小管的轴向分散。离心力由盘绕管的曲率生成。为了实现盘绕管的轴向和径向分散特性的期望变化，盘绕管的曲率半径1/R盘绕应当大于取决于所施加的流速和管的内径的值。该值对应于大于约100的Dean数Dn的平方与Schmidt数Sc的乘积的平方根(如上所讨论)(参见例如图6)。相对于直的但其他方面相同的管，在弯曲管中的轴向混合的最大相对减少和径向混合的最大相对增加分别被估计为约75％和300％。
大于100的横坐标值的数据指示轴向分散减少至直管的约25％或更小。可使用具有约250μm(0.010英寸)的内直径的盘绕管，而不会引起系统背压的不可接受的增加。通过非限制性数值示例，可使用250μm内径管和具有约1cm(0.4英寸)或更小的盘管直径的约70cm长的盘绕管来获得约33μL的偏移体积。当与类似内径的直管相比时，结果是对脉冲分量的更对称响应以及到直管的轴向分散的约25％的减少。在图7中示出了盘绕管的轴向分散相对于相同内径的直管的轴向分散，其中使用在水中的咖啡因的脉冲注射来确定分散。基本上对称的曲线52指示在传播通过盘绕管后的咖啡因，而较宽的不对称曲线54指示在传播通过直管后的咖啡因。
图8是分流混合器58的示意性表示，其中偏移体积呈盘绕通道64的形式。如上所讨论，分流混合器58实现了超过将偏移体积实施为直管或直流动路径的分流混合器的显著性能改进。
针对不同的混合器布置(包括其中存在图8的分流混合器58的布置)，评估了其中在较低压力下形成组合溶剂流的液相色谱系统，诸如图1中所示。被评估系统是购自马萨诸塞州米尔福德的Waters Corporation的AQUITY液相色谱系统。系统包括四元溶剂管理器，其中首先使用GPV 16来形成混合溶剂流，并且在具有132μL泵冲程体积的单个泵12下游的混合器100处混合组合流。系统还包括675μL柱床混合器和填充有5μm全多孔颗粒的Sunfire-C18 4.6mm×150mm反相液相色谱柱。
图9A和图9B展示了被评估系统在降噪方面的改进。分流混合器具有由呈盘绕管形式的盘绕通道限定的偏移体积。图对应于使用2mL/分钟流速的5％乙腈体积至95％水体积来执行的测量，其中两种溶剂均具有0.1％TFA。使用4.6mm×150mm C18 5μm色谱柱。图9A示出了具有直管偏移体积的分流混合器的目标频率下的高频噪声已经减小了约45％。相比之下，图9B示出了使用盘绕管偏移体积的分流混合器的目标频率下的高频噪声已经减小了约95％。所剩下的主要是低频噪声，其频率比对应于分流混合器的33μL偏移的目标频率低得多。为了解决该较低频噪声，被配置为解决较低频噪声的分流混合器可串联联接到具有33μL偏移的分流混合器。
针对不同混合器布置评估了其中溶剂流在高压下混合的液相色谱系统，诸如图3所示，其中来自两个泵12A和12B的流动路径联接在一起并且在混合器100处接收组合流。系统是购自马萨诸塞州米尔福德的Waters Corporation的I-Class液相色谱系统。系统包括使用两个泵的二元溶剂管理器，每个泵具有50μL泵冲程体积。使用2.1mm×150mm HSS-T3 1.8μm反相液相色谱柱和215nm紫外(UV)检测器。组合溶剂流是处于0.25mL/分钟的5％乙腈加0.1％TFA以及95％水加0.1％TFA。
图10示出了针对三种不同配置的系统的检测器信号的图形表示。曲线70表示其中不使用混合器的一种配置。来自两个泵的往复运动的噪音是明显的。当两个泵以不同速度操作时，所得的信号是具有两个不同主频率的两个波形的叠加。
曲线72表示第二配置，其中使用具有200μm ZrO2珠的填充床、0.147英寸的内径和0.150英寸的长度的50μL混合器，其可以型号700002911购自马萨诸塞州米尔福德的WatersCorporation。尽管实现了高频噪声的显著减小，但曲线72在对应于两个泵的冲程体积的频率处表现出显著的周期性噪声。
第三配置类似于第二配置，但也包括图11所示的附加部件。更具体地说，填充床混合器的输出流体联接到分流混合器58的入口42并且混合器出口流体联接到盘绕管80。分流混合器58类似于图8所示的分流混合器；然而盘管直径为0.250英寸的盘绕通道64的体积为12.5μL以便以与50μL泵冲程体积噪声相关联的频率为目标。盘管直径为0.370英寸的第二盘绕通道80用于通过显著增加径向混合来更好地重新组合离开分流混合器58的两个合并流(即，实现混合器输出50处存在的两个波形的更好叠加)。在图10的曲线74中示出了结果，其中实现了曲线72中明显的周期性噪声的几乎完全消除。
图12示出了针对用于与图10相关联的测量的相同三种配置和操作参数的被评估系统的检测器信号的图形表示，其中有一个差异：组合溶剂流是95％乙腈加0.1％TFA以及5％水加0.1％TFA。
曲线82指示针对没有任何混合器的配置的信号，其中观察到来自两个泵的显著噪声。曲线84表示具有与图10的曲线72中所见的噪声类似周期性噪声的第二配置。曲线86对应于第三配置并且示出了曲线84中的周期性噪声的几乎完全消除。因此，针对第二配置和第三配置实现的降噪改进似乎独立于溶剂组成。
在一些具体实施中，盘绕通道被设置为一个或多个二维盘管，即，一个或多个扁平盘管或螺旋通道。图13A示出了单个螺旋通道90，其中溶剂流在入口92处被接收并且在出口94处离开螺旋通道90。由于流动通道的曲率，溶剂流在沿逆时针方向流向螺旋中心的流动中经受离心力，其中该流然后继续沿逆时针方向远离中心流动直到在出口94处离开。
在一些情况下，期望的流动路径可能太长而不能由单个螺旋通道容纳。图13B示出了另选的螺旋通道布置96，其中两个螺旋通道串联布置。因此，与将在单个螺旋通道中实现相同流动路径的情况相比，较长总路径长度的两个螺旋通道可占据更小面积。类似地，图13C示出了另一个另选的螺旋通道布置98，其中四个螺旋通道串联布置。设想了其他螺旋通道布置，包括在多个平面中的一个或多个螺旋通道的具体实施，使得包括所有通道的复合结构以占据小体积的三维配置实现，诸如在堆叠基底中或在扩散粘结结构的不同层中。
如上所述，相对于直通道，使用弯曲通道来增加径向分散并同时减少轴向分散。在以上讨论的实施方案中，分流混合器的偏移体积被实现为盘绕通道以改进具有偏移体积的直线路径具体实施的现有分流混合器的性能。相同原理可应用于配置差示扫描量热计(DSC)的流体路径。
图14示出了流动通道的配置，其可在DSC中使用以增加针对诸如蛋白质和抗体的两种化学物质之间的结合常数的测量的灵敏度。两个平行的引入溶剂通道102和104合并以及沿着盘绕管106混合溶剂。类似地，第二对引入溶剂通道108和110合并以及在第二盘绕管112中混合。例如，盘绕管106和112可以是具有约20英寸长度和0.0025英寸的内径的1.5μL体积铜管。尽管组合流的每个路径106或112被示意性地描绘为水平的，但每一者被成型为螺旋，或者两个路径106和112可被形成为双螺旋，由此减小覆盖区并且增加每单位体积的热流。在非限制性数值示例中，流速为30μL/分钟的两种试剂(Dm＝5×10-7cm2/s)溶剂(水)生成Dn2Sc＝5,000，从而确保化学品之间的有效径向混合和反应。盘绕管106和112的特定几何形状可针对释放的热流进行优化。结果是由于减小的覆盖区而增加的热密度和测量灵敏度的增加。在单元114中，径向混合进行操作并且使反应物接触以用于为吸热的或放热的结合反应。通过热电偶或其他热检测装置来检测来自反应的热。
虽然已经示出和描述了各种示例，但是该描述旨在是示例性的而不是限制性的，并且本领域普通技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (13)

1.一种用于色谱系统的混合器，包括：
入口，所述入口被配置为接收流体流；
出口，所述出口被配置为提供所述流体流；
第一流动通道，所述第一流动通道联接在所述入口和所述出口之间；和
第二流动通道，所述第二流动通道联接在所述入口和所述出口之间，其中所述第二流动通道包括偏移体积，所述偏移体积被配置为使通过所述第二流动通道的流体传播相对于所述第一流动通道延迟，所述偏移体积包括盘绕通道，其中通过所述盘绕通道的流体流的径向分散增加。
2.根据权利要求1所述的混合器，其中所述入口被配置为在所述第一流动通道和所述第二流动通道之间均等地划分所述流体流。
3.根据权利要求1所述的混合器，其中所述盘绕通道是盘绕管。
4.根据权利要求3所述的混合器，其中所述盘绕管被形成为螺旋盘绕管。
5.根据权利要求3所述的混合器，其中所述盘绕通道被形成为扁平盘管。
6.根据权利要求1所述的混合器，其中所述盘绕通道包括多个串联联接的盘绕通道。
7.根据权利要求6所述的混合器，其中所述串联联接的盘绕通道在单个平面中形成。
8.根据权利要求1所述的混合器，其中所述盘绕通道在基底的表面中或表面上形成。
9.根据权利要求1所述的混合器，其中所述盘绕通道是第一盘绕通道，所述混合器还包括流体地联接到所述混合器的所述出口的第二盘绕通道，并且其中所述第二盘绕通道增加来自所述混合器的所述出口的所述流体流的径向分散。
10.一种液相色谱系统，包括：
混合器，所述混合器包括：
入口，所述入口被配置为接收具有至少两种溶剂的组成的溶剂流；
出口，所述出口被配置为提供所述溶剂流；
第一流动通道，所述第一流动通道联接在所述入口和所述出口之间；和
第二流动通道，所述第二流动通道联接在所述入口和所述出口之间，其中所述第二流动通道包括偏移体积，所述偏移体积被配置为使通过所述第二流动通道的溶剂传播相对于所述第一流动通道延迟，所述偏移体积包括盘绕通道，其中通过所述盘绕通道的所述溶剂流的径向分散增加；
注射器，所述注射器被配置为从所述混合器接收所述溶剂流并且将样品注射到所述溶剂流中；和
色谱柱，所述色谱柱与所述注射器流体连通以用于执行所述样品的分离。
11.根据权利要求10所述的液相色谱系统，还包括泵，所述泵与所述混合器的所述入口流体连通以向其提供所述溶剂流。
12.根据权利要求11所述的液相色谱系统，还包括梯度比例阀，以向所述泵提供所述溶剂流。
13.根据权利要求10所述的液相色谱系统，还包括：
第一泵，所述第一泵用于提供第一溶剂流；
第二泵，所述第二泵用于提供第二溶剂流；和
流体三通，所述流体三通具有与所述第一泵流体连通的第一入口、与所述第二泵流体连通的第二入口和与所述混合器的所述入口流体连通的出口以向所述混合器提供所述溶剂流。
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CN111032202A (zh) * 2017-09-06 2020-04-17 沃特世科技公司 流体混合器
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