CN203630098U - 流体传输装置,流体单元和样品分离装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及流体传输装置,流体单元和样品分离装置。流体传输装置(100),其用于将流体从在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102)传输进在入口侧具有第二横截面积(602)的第二流体通道(104),所述第二横截面积(602)大于所述第一横截面积(600),其中所述流体传输装置(100)包括:流体入口接口(604);与所述流体入口接口(604)流体连接的入口分支(606);与所述入口分支通道(608)流体连接的多个出口分支(610);和与所述出口分支通道(612)流体连接的流体出口接口(614);其中所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)设置成使得所述流体以穿过所述第二横截面(602)以二维方式分布的方式从流体出口接口(614)离开。
Description
技术领域
本发明涉及流体传输装置,流体单元,样品分离装置和方法。
背景技术
在HPLC中,流体(流动相)通常以高度精确受控的流速(例如为微升/分钟或毫升/分钟的量级)和在高压(通常为20巴至1000巴和更高,通常为至多2000巴)移动通过固定相(例如色谱分离柱),在所述流速和压力下流体的压缩性是明显可察觉的,以便于将引入到流动相的样品液体的单独组分彼此分离。然后样品的分离部分的检测在液相色谱装置的流体单元中进行。针对该目的,将流体样品从分离柱下游的毛细管传输到流体单元的容器中。在流体样品流动通过流体单元时,可以进行样品的荧光测量,其中使用荧光测量可以确定或定量化样品的单独部分。
这样的HPLC系统可由例如相同申请人,Agilent Technologies,Inc的EP0,309,596B1得知。
在从分离柱下游的毛细管传输至流体单元的过程中,必须使流体从具有小横截面的毛细管传输进具有大得多的横截面积的流体单元容器。由于流体管线直径的突然变宽,在该流体接口通常会发生不期望的影响,例如样品的紊流(发生紊流流动)或形成样品无法流动通过的死体积。两者都可引起人为缺陷(artifact)并由此降低液相色谱装置的检测精确性。类似的和其它问题也可能出现于其它应用,其中必须将流体从具有较小直径的流体管线传输至具有较大直径的流体管线。
在流体处理装置中,仍难以实现具有流体在不同横截面的流体管线之间的无人为缺陷和无死体积的传输。
发明内容
本发明的目的是使流体能够在具有不同直径的流体通道之间传输,其中存在小的死体积并且对流体的检测没有不期望的影响。
根据本发明一种示例性实施方式,创造了流体传输装置,其用于将流体(即液体和/或气体,其任选地包括固体粒子,例如流体样品)从在(在流体的流动方向)出口侧具有第一横截面积(即,垂直于流体流动方向,流体流动通过的第一流体通道的面积)的第一流体通道传输进入在(在流体的流动方向)入口侧具有第二横截面(即垂直于流体流动方向,流体流动通过的第二流体通道的面积)的第二流体通道,所述第二横截面积大于所述第一横截面积(例如,第二横截面和第一横截面积之间的比率可以为至少2,特别是至少5),其中流体传输装置包括流体入口接口(即流动的流体可以流入流体传输装置的入口),在该流体入口接口可以将流体传输出第一流体通道,并进入流体传输装置;与流体入口接口流体连接的入口分支(特别是流体分流器,例如具有三通管或Y形管的特征),所述入口分支将来自第一流体通道的流体分流进多个入口分支通道;与入口分支通道流体连接(特别是通过至少一个其它分支和/或通过至少一个其它分支通道间接连接,或直接连接)的多个出口分支(特别是流体分流器,例如各自具有三通管或Y形管的特征),其中出口分支各自在每种情况下将来自所述入口分支通道中具体一个的流体分流进入多个出口分支通道;和与出口分支通道流体连接的流体出口接口(即流动的流体可以流出流体传输装置的出口),在所述流体出口可以将接口流体传输出流体传输装置进入第二流体通道,其中分支(即入口分支,出口分支,任选的一个或多个具有中间分支通道的平面)和分支通道(即入口分支通道,出口分支通道,任选的一个或多个具有中间分支通道的平面)设置成使得在所述流体以在第二横截面上二维方式分布(特别是在二维区域上基本上均匀分布)的方式从流体出口接口离开。
根据另一种示例性实施方式,提供流体单元用于检测可从在出口侧具有第一横截面积的第一流体通道进料的流体,其中流体单元包括在入口侧具有第二横截面积的第二流体通道,该第二横截面积大于第一横截面积,具有上述特征的流体传输装置用于将流体从第一流体通道传输进入第二流体通道,和检测装置,其适用于通过与沿第二流体通道流动的流体相互作用检测指示流体的性质(特别是,用于定性或定量检测流体的部分)的信息。
根据实施方式的进一步示例性实例,配置样品分离装置用于分离流体的部分,其中样品分离装置包括用于分离流体的不同级分的分离装置,其中可将分离的流体进料到在出口侧具有第一横截面积的第一流体通道,和具有上 述特征的流体单元,其用于检测可从第一流体通道进料的流体。
根据进一步的示例性实施方式,提供了用于将流体从在出口侧具有第一横截面积的第一流体通道传输进入在入口侧具有第二横截面积的第二流体通道的方法,所述第二横截面积大于第一横截面积,其中,在该方法中,将流体传输出第一流体通道,并进入流体传输装置的流体入口接口,将流体传输至与流体入口接口流体连接的流体传输装置的入口分支,所述入口分支将来自第一流体通道的流体分流进多个入口分支通道,将流体传输至与入口分支通道流体连接的流体传输装置的多个出口分支,其中出口分支各自在每种情况下将来自所述入口分支通道中相应一个的流体分流进多个出口分支通道,并将流体传输至与出口分支通道流体连接的流体传输装置的流体出口接口,在该流体出口接口将流体传输出流体传输装置,并进入第二流体通道,其中分支和分支通道排布的方式使得流体穿过第二横截面积以二维方式分布的方式从流体出口接口离开。
根据本发明实施方式的示例性实例,流体传输装置可作为流体组件产生,该流体组件可以插在具有较小直径的第一通道和可与第一通道流体连接的具有较大直径的第二通道之间。在该流体传输装置的入口接口,将待运输流体进料到入口分支,在该入口分支首次将流体分流进各个入口分支通道。然后在各入口分支通道之后直接或间接为至少一个出口分支,其中将分流的流体进一步分流成子流。这些单独的子流然后在每种情况下以明确限定的量和方向并沿限定的流体路径流动通过出口分支通道,在其末端(例如,位于共同的平面)流体出口接口的一部分分流流体在每种情况下变得可得。单独限定的子流可以离开在整个较大横截面上分布的接口用于进一步加工。由于分解成多个分支水平的流体流的该限定的分等级结构的倍增作用,以及同时减少通过单独分支通道的子流,可以得到在区域上基本上均匀分布的具有局部流速的分层流(laminar flow)。关于射流、紊流或死体积的问题可被抑制或完全消除,因为在每种情况下在整个分流过程中以明确限定的方式将多级分支强制力(multi-stage branching logic)施加于流体,由于这样可以按目标方式控制散开的流体。
特别是在样品分离路径的流体单元中,其中通常使已经在上游布置的分离装置中分流成多个部分的样品经受具有小横截面的毛细管和具有大得多(通常为几何形状不同)的横截面的流体单元容器之间的急剧转变,可以通过 引入流体传输装置以确保以无人为缺陷和低死体积的方式使流体分离进入流体单元。这增加了各样品分离装置的分离能力。
以下描述流体传输装置,流体单元,样品分离装置和方法的实施方式。
根据一种实施方式,流体传输装置可以包括平面结构(可以作为例如小片或类似物形成),其中分支和分支通道是一体化的。这样的平面结构可以是片状结构,其厚度小于它的其它横向尺寸。流体的多级级联状分流通过沿其厚度延伸的平面流体连接结构确保,其中向极大横截面积的传输也可以源于平面结构的大的主表面。而且,这样的平面结构是非常强健的并且可无任何问题地经受高压,该高压发生于例如液相色谱应用(其在流体单元可总计为至多100巴)。
但是,根据本发明的其它实施方式,作为平面结构的替代物,可以通过排布分支的毛细管或类似物构造流体传输装置。
根据实施方式的一个实例,平面结构可以包括多个结合的层(例如胶合或以其它方式彼此固定),这些是通过以下述方式形成凹进处(例如通孔或凹槽,透孔或盲孔)构造的,所述方式使得彼此流体连通的分支或分支通道由彼此流体连接的各邻接层的凹进处形成。彼此固定(例如通过胶合)的层的这种层合排布可以通过粘合连接以形成流体通道和分支的一体化网络,根据本发明这些一体化网络使得可以将流体分等级分流进更多单独的通道,其中所述层各自包含空腔结构或孔结构。这在低费用和高的设计自由度的情况下是可行的。此外,由于该平面结构,将在入口侧受限于窄内腔的流分流成在出口侧显著二维变宽的流可以便利和可靠地进行。
根据一种实施方式,流体传输装置可以包括第一流体通道,其可以直接附接或连接于流体入口接口(即无需置于其间的其它组件)。因此,根据该实施方式,第一流体通道(即入口侧上的单一通道)可以无死体积地连接于入口接口,由此在入口侧抑制紊流。
根据一种实施方式,第一流体通道可以是毛细管(即空心柱状流体管线),特别是具有圆形第一横截面的那些。这样的毛细管可以连接于样品分离柱的流体出口,由此可以将分流的样品运送通过毛细管并引入流体传输装置。
根据一种实施方式,流体传输装置可以包括第二流体通道,其可以直接连接于流体出口接口(即无需置于其间的其它组件)。第二流体通道可以是流体单元容器的内腔,其中可以基于样品和电磁辐射之间的相互作用检测流体 样品的单独部分。
根据一种实施方式,第二流体通道因此可以是流体单元容器,特别是具有矩形(但是也可具有任何其它形状)第二横截面的流体单元容器。因为流体单元容器通常具有矩形内横截面,根据本发明的流体传输装置特别适用于这样的应用,因为根据本发明,不仅实现了在流入流体的小横截面积和流出流体的较大横截面积之间无死体积和至少低紊流的转变,而且实现了例如圆形入口横截面和例如矩形出口横截面之间的几何转变。通过对出口分支通道的排布的适宜设计,可以实现对第二流体通道的任意几何形状的适应。
根据一种实施方式,流体传输装置可以包括与入口分支通道流体连接的多个中间分支,其中中间分支各自将来自所述入口分支通道中相应一个的流体分别分流进多个中间分支通道,其中设置中间分支通道以与多个出口分支流体连接,由此出口分支各自将来自所述中间分支通道中相应一个的流体分别分流进多个出口分支通道,并且其中中间分支和中间分支通道位于入口分支和入口分支通道的下游(在流体的流动方向)和出口分支和出口分支通道的上游(在流体的流动方向)。根据所述实施方式,一个或多个流体中间平面可以插入在一方面入口分支和入口分支通道的平面和另一方面出口分支和出口分支通道的平面之间。在这些中间平面的每一个,明确地发生流体的流级分另外分流进其它多个通道。因此也可通过选择给定数目的流体分支平面,将入口流任意缩放比例至极大目标横截面积。
根据一种实施方式,流体传输装置因此可以包括至少一个其它排布,该排布包括多个其它中间分支和多个其它中间分支通道,其中所述其它中间分支和其它中间分支通道位于中间分支和中间分支通道的下游和出口分支和出口分支通道的上游。根据该实施方式,流体分布阶段的数目也可以大于3,即至少为4,特别是4,5,6,7,8,9或10。
根据一种实施方式,分支和分支通道设置成使得流体以在第二横截面上均匀分布的方式从流体出口接口(即特别是在平面结构的出口区域)离开。流体在整个横截面积上的均匀分布可以通过以下事实实现,即通道的密度和它们的横截面积由此在整个第二横截面积上分布。出口分支通道的密度和出口分支通道在流体出口接口的横截面优选为在整个第二横截面积上相等。
根据一种实施方式,出口分支通道设置的方式可以使得流体从具有彼此平行的流动方向(其也可以与流体在出口接口的流动方向平行)的出口分支通 道离开。如果流体出口方向(即流体级分离开出口分支通道所沿的方向)彼此平行,那么这使得能够相当大程度地抑制流体在出口侧的不期望的紊流。相反,流体将在出口侧以基本上薄层的形式且在未形成紊流或漩涡的情况下变为缓慢混合,并且将按所需方向向前流动。
根据一种实施方式,出口分支通道设置的方式可以使得流体以相同的流速(即单位时间间隔的离开的流体体积)从出口分支通道离开。由于事实上提供的单独出口分支通道的流速是相等的,这些流体级分的流速是相等的,这导致第二流体通道中单独流体部分的无紊流混合。关于人为缺陷的形成,这是极其有利的。
根据一种实施方式,在入口分支和在各出口分支,特别是也在各任选的中间分支,每种情况下存在的流体的部分可以在每种情况下精确地分流进在下游连接的两个分支通道。根据该实施方式,产生二元分支强制力,其中在各分支将流体分流成两个组分(特别是具有相同量级)。在分支平面或分支阶段的数目n的情况下,这些n个分支平面或分支阶段在第一流体通道和第二流体通道之间在流体的流动方向上一个接一个,将单个入口流分流成2n个出口子流。因此能够实现导致流体进一步加工的均匀的、明确限定的流体分流。
可替换地,也可以在一个或多个分支实现三个或更多个子流的分流。
根据实施方式的一个实例,在入口分支和在各出口分支,特别是也在各任选的中间分支,可以将在每种情况下待分流成相等部分(特别是分流成相等体积份或质量份)的流体部分分别分流进在下游连接的分支通道。根据该实施方式,流体部分在每种情况下置于下游的所连接分支通道的分等级阶段的分流进行的方式使得,将流体量分流成相等的子体积或流速。这也抑制在分支通道中或在出口接口形成人为缺陷。
所述实施方式可以特别有利地与另一种进展组合,其中单独流动路径(流体部分各自覆盖在出口接口和出口分支通道的相应一个出口接口侧端之间)的总长度相等。特别是当所有这些通道由相同横截面积构成时,这导致流体的所有部分流动通过流体传输装置的时间相等,由此避免了不同流体部分的不期望的与时间有关的分流或与时间有关的迁移。
应该强调的是,有待从第一流体通道传输至第二流体通道的流体的流体流动方向在本申请的描述方式涉及流体从第一横截面积到第二横截面积的 加宽。但是,本领域技术人员理解,根据本发明要求保护的流体传输装置也可以按流体的反向流动方向操作,即可经在出口接口的第二横截面得到流体。由于流体从出口接口流至出口接口,则不会出现分支,而是连续一致的单独流体流动。根据本发明实施方式的一个实例,因此流体传输装置的使用方式使得流体浓缩或从大的第二横截面集中至小的第一横截面积。仅针对该目的倒转流体流动方向。
根据一种实施方式,可以设置流体单元的检测装置用于检测流体的分离部分。因此可将流体按已经分离的形式进料到检测装置。这种实际的分离可以通过分离元件例如色谱分离柱在流体单元的上游完成。如果将流体或流体样品(例如生物或化学样品)的单独部分进料到检测装置,那么后者可以在流体流动通过第二流体通道的过程中进行检测。
根据一种实施方式,检测装置可以是光学检测装置,荧光检测装置,吸收检测装置,折射率检测器或电阻检测装置。检测优选地通过以下事实进行,即,使主要电磁辐射(例如在UV区域或在可见光区域)辐射到已经分离的流体样品上,并且次要电磁辐射(这通过主要电磁辐射与流体样品的相互作用产生)通过检测装置的辐射检测装置检测且随后被评价。因为流体样品的不同部分与电磁辐射的相互作用特征(特别是荧光性质)不同,因此可以定性和定量确定流体样品的每一单独部分。其它检测方法当然也是可行的。当使用电磁辐射时,特别优选的是,当流体样品在流体单元容器内部的第二流体通道中流动时,流体单元容器由透明材料(例如石英玻璃)制备。流体单元因此应该由透明材料组成。可以特别有利地使用石英玻璃,因为其在UV区域仍是透明的。
根据实施方式的一个实例,样品分离装置可以包括热交换器,其包括导热热交换主体,该主体包括用于流体流通的第一流体通道和用于流体在其从流体单元离开之后流通的第三流体通道,其中第一流体通道和第三流体通道在热交换主体中的排布方式使得,在流体的第一部分通过第一流体通道的过程中和在流体的第二部分通过第二流体通道的过程中,可以将第一部分和第二部分一起引入热交换器。热交换器可以有利地包括多个冷却元件(例如冷却肋或Peltier冷却元件)和/或加热元件(例如Peltier加热元件),它们单独地设置并在流体的第一和第二部分至少之一的流动方向上彼此热间隔,且与热交换主体热连接的方式使得由第一部分和/或第二部分放出的热量可以由冷 却元件运走或者释放给第一部分和/或第二部分的热量可以由加热元件提供。第一流体通道运送进料到流体单元的流体,第二流体通道运送流体单元内的流体,第三流体通道运送离开流体单元的流体。提供这样的逆流热交换器(其使流体单元上游的热流体与流体单元下游的冷流体进行热交换)可以抑制沿流体路径的过大温差。后者是分离性能退化的原因。
根据一种实施方式,热交换主体可以是整体结构或者与流体传输装置的平面结构(特别是上述平面结构)一体化。分支和分支通道可以在平面结构中一体化。根据该实施方式,其中引入各种分支和分支通道的平面结构和热交换器可以有利地在单一共同结构中构成,即在共同主体中为整体结构。这得到具有一体化的流体变宽和热交换能力的液相色谱装置的小型化排布。样品分离装置可因此按紧密方式构成。
样品分离装置可以是微流体测量装置,生命科学装置,液相色谱装置,HPLC(高效液相色谱),气相色谱装置,电泳装置和/或凝胶电泳装置。但是很多其它应用是可行的。
样品分离装置可以包括用于移动流动相的泵。可以装备例如这样的泵以将流动相在高压泵送通过系统,所述压力为例如几百巴且至多1000巴及更高。可替换地或另外,样品分离装置可以包括用于将样品注射进流动相的样品注射器。这样的样品注射器可以包括坐落于相应液体路径的针,该针可以离开该位置以便于采集样品并在再次引入该位置之后将样品注射进系统。可替换地或另外,样品分离装置可以包括用于使分离的样品分配的样品分配器。这样的分配器可以例如将不同组分运输进不同的液体容器。但是也可以将分析过的样品放入废料容器。
本实用新型包括以下实施方式:
实施方式1、一种流体传输装置(100),其用于将流体从在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102)传输进在入口侧具有第二横截面积(602)的第二流体通道(104),所述第二横截面积(602)大于所述第一横截面积(600),其中所述流体传输装置(100)包括:
流体入口接口(604),在该流体入口接口(604)处所述流体可被传输出离开所述第一流体通道(102),并进入所述流体传输装置(100);
与所述流体入口接口(604)流体连接的入口分支(606),所述入口分支将 来自所述第一流体通道(102)的流体分流进多个入口分支通道(608);
与所述入口分支通道(608)流体连接的多个出口分支(610),其中所述出口分支(610)各自在每种情况下将来自所述入口分支通道(608)中相应一个的流体分流进相应的多个出口分支通道(612);
与所述出口分支通道(612)流体连接的流体出口接口(614),在所述流体出口接口处,所述流体可被传输出离开所述流体传输装置(100),并进入所述第二流体通道(104);
其中所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)设置成使得所述流体穿过所述第二横截面(602)以二维方式分布的方式从流体出口接口(614)离开。
实施方式2、根据实施方式1的流体传输装置(100),包括平面结构(626a至626g),其中所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)集成为一体。
实施方式3、根据实施方式2的流体传输装置(100),其中所述平面结构包括多个结合的层(626a至626g),在形成凹进处时,所述多个结合的层构建成使得所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)由彼此流体连接的相应邻接层(626a至626g)的凹进处形成。
实施方式4、根据实施方式1至3中任一项的流体传输装置(100),包括直接连接于所述流体入口接口(604)的所述第一流体通道(102)。
实施方式5、根据实施方式4的流体传输装置(100),其中所述第一流体通道(102)采用毛细管,特别是具有圆形第一横截面(600)的毛细管。
实施方式6、根据实施方式1至5中任一项的流体传输装置(100),包括直接连接于所述流体出口接口(614)的所述第二流体通道(104)。
实施方式7、根据实施方式6的流体传输装置(100),其中所述第二流体通道(104)是流体单元容器,特别是具有矩形第二横截面(602)的流体单元容器。
实施方式8、根据实施方式1至7中任一项的流体传输装置(100),
包括流体连接至所述入口分支通道(608)的多个中间分支(620),其中所述中间分支(620)各自在每种情况下将来自所述入口分支通道(608)中相应一个的流体分流进多个中间分支通道(622);
其中将所述中间分支通道(622)设置为流体连接至多个出口分支(610),由此所述出口分支(610)各自在每种情况下将来自所述中间分支通道(622)中 相应一个的流体分流进多个出口分支通道(612);
其中所述中间分支(620)和所述中间分支通道(622)设置在所述入口分支(606)和所述入口分支通道(608)的下游且在所述出口分支(610)和所述出口分支通道(612)的上游。
实施方式9、根据实施方式8的流体传输装置(100),包括由多个其它中间分支和多个其它中间分支通道形成的至少一个其它布置,其中所述其它中间分支和所述其它中间分支通道设置在所述中间分支(620)和所述中间分支通道(622)的下游且在所述出口分支(610)和所述出口分支通道(612)的上游。
实施方式10、根据实施方式1至9中任一项的流体传输装置(100),还包括一个或多个以下特征:
所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)设置成使得所述流体穿过所述第二横截面积(602)以基本上均匀的方式从流体出口接口(614)离开;
所述出口分支通道(612)设置成使得所述流体以彼此平行的流动方向从所述出口分支通道(612)离开;
所述出口分支通道(612)设置成使得所述流体以相同的流速从所述出口分支通道(612)离开;
在所述入口分支(606)处和在各出口分支(608)处,特别是也在各中间分支(620)处,将在每种情况下待分流的流体的那部分在每种情况下精确地分流进入在每种情况下在下游连接的两个分支通道(608,612,622);
在所述入口分支(606)处和在各出口分支(608)处,特别是也在各中间分支(620)处,将在每种情况下待分流的流体的那部分分流成相等的部分进入在每种情况下在下游连接的分支通道(608,612,622)。
实施方式11、一种流体单元(50),其用于检测可从在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102)进料的流体,其中所述流体单元(15)包括:
在入口侧具有第二横截面积(602)的第二流体通道(104),其大于第一横截面积(600);
根据实施方式1至10任一项的流体传输装置(100),其用于将所述流体从所述第一流体通道(102)传输进入所述第二流体通道(104);
检测装置(106,108),该检测装置(106,108)布置成用于通过与沿所述第二流体通道(104)流动的流体相互作用而检测指示该流体性质的信息。
实施方式12、根据实施方式11的流体单元(50),其中设置所述检测装 置(106,108)用于检测所述流体的分离部分。
实施方式13、根据实施方式12的流体单元(50),其中所述检测装置(106,108)选自包括光学检测装置,荧光检测装置,吸收检测装置,折射率检测器和电阻检测装置的组。
实施方式14、一种用于分离流体的部分的样品分离装置(10),其中所述样品分离装置(10)包括:
分离装置(30),用于分离流体的不同部分,其中分离的流体进料到在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102);
根据实施方式11至13任一项的流体单元(50),用于检测可从所述第一流体通道(102)进料的流体。
实施方式15、根据实施方式14的样品分离装置(10),包括热交换器,该热交换器包括导热热交换主体(80),所述导热热交换主体(80)包括用于所述流体流通的第一流体通道(102)和用于所述流体在从所述流体单元(50)离开之后流通的第三流体通道(84),其中所述第一流体通道(102)和所述第三流体通道(84)配合在所述导热热交换主体(80)中和/或上,使得流体在第一流体通道(102)中的相应第一部分和流体在第二流体通道(102)中的相应第二部分一起引入热交换器。
实施方式16、根据实施方式15的样品分离装置(10),其中所述热交换器包括多个冷却和/或加热元件(86),它们单独地设置并且在所述流体的第一和第二部分中至少之一的流动方向上彼此热间隔开,并且与所述热交换主体(80)的热连接,使得由第一部分和/或第二部分放出的热量由所述冷却元件(86)运走,或者释放给第一部分和/或第二部分的热量可由所述加热元件供给。
实施方式17、根据实施方式15或16的样品分离装置(10),其中所述热交换主体(80)构建成一体或者与所述流体传输装置(100)的平面结构(626a至626g)一体化,其中平面结构(626a至626g)、所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)是一体化的。
实施方式18、根据实施方式14至17中任一项的样品分离装置(10),包括以下特征的至少一种:
所述样品分离装置(10)选自包括微流体测量装置,生命科学装置,液相色谱装置,HPLC,气相色谱装置,电泳装置和凝胶电泳装置的组;
所述样品分离装置(10)包括泵(20),用于使流动相移动,其中所述流体注射到流动相中;
所述样品分离装置(10)包括注射器(40),用于将所述流体注射到流动相中;
所述分离装置(30)包括分离柱,用于分离所述流体的不同部分;
所述样品分离装置(10)包括样品分配器(60),其用于使分离的部分分成各个部分。
实施方式19、将流体从在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102)传输进入在入口侧具有第二横截面积(602)的第二流体通道(104)的方法,所述第二横截面积(602)大于所述第一横截面积(600),其中所述方法包括:
将所述流体传输离开所述第一流体通道(102),并进入流体传输装置(100)的流体入口接口(604);
将所述流体传输到所述流体传输装置(100)的入口分支(606),所述入口分支(606)与所述流体入口接口(604)流体连接并将来自所述第一流体通道(102)的流体分流进入多个入口分支通道(608);
将所述流体传输至所述流体传输装置(100)的多个出口分支(610),所述多个出口分支与所述入口分支通道(608)流体连接,其中出口分支(610)各自在每种情况下将来自所述入口分支通道(608)中相应一个的流体分流进入多个出口分支通道(612);
将所述流体传输至所述流体传输装置(100)的流体出口接口(614),所述流体出口接口与所述出口分支通道(612)流体连接,并且在所述出口分支通道(612)处所述流体被传输离开所述流体传输装置(100),并进入所述第二流体通道(104);
其中所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)设置成使得所述流体穿过所述第二横截面积(602)以二维方式分布的方式从流体出口接口(614)离开。
附图说明
通过参照实施方式的以下详述连同附图,可以容易看出并更好地理解其它目标和很多本发明实施方式的有关优点。本质上或功能上相同或相似的特 征用相同的参考数字表示。
图1显示根据本发明示例性实施方式的HPLC系统。
图2显示在根据本发明示例性实施方式的流体传输装置分支流体部分分流成两个流体子部分。
图3显示在根据本发明实施方式的示例性实例的流体传输装置中流体部分的分等级多阶段分支。
图4显示在将流体分等级多阶段分支成子流的情况下,如何实现在基本上二维区域上的均匀分布。
图5清楚地显示多个流体子流如何从根据本发明示例性实施方式的流体传输装置的流体出口接口彼此平行地离开。
图6显示根据本发明实施方式的示例性实例包括结合层的平面结构的横截面视图,其中彼此流体连接的凹进处形成分支和分支通道的分等级多阶段排布。
图7至图11显示根据本发明实施方式的示例性实例的流体传输装置的多层平面结构单独层的顶视图。
图12显示根据本发明示例性实施方式的HPLC系统的一部分,其中热交换器和平面流体传输装置以一体化形式配置。
具体实施方式
附图中的表示是示意性的。
图1显示HPLC系统10(例如可以用于例如液相色谱的HPLC系统)的基本结构。泵20驱使流动相通过包含固定相的分离装置30(例如色谱柱)。样品传输装置40置于泵20和分离装置30之间以便于将样品液体引入流动相。配置分离装置30的固定相以分离样品液体的各组分。参见流体单元50,检测器检测样品的分离组分,可以配置分配装置60以递送样品液体的分离组分例如到针对该目的的容器或递送至排液管。
尽管泵20和分离装置30之间的液体路径通常处于高压,但是首先将在常压下的样品液体馈送到与液体路径(所谓的样品环路)间隔的样品装置40的区域,然后由此将样品液体引入到处于高压的液体路径。当将最初在常压下在样品环路中的样品液体变换为在高压下的液体路径时,突然(通常为毫秒级)将样品环路的内容物带到HPLC系统10的系统压力。
将流体单元50设置在分离柱30的下游和分配器60的上游,在该流体单元50检测通过分离柱30分离的流体样品的部分。针对该目的,已经分离的流体经毛细管102引入,该流体从分离柱30引流到流体单元50,进入根据本发明示例性实施方式的流体传输装置100。流体传输装置100将流体从作为第一流体通道的毛细管102传输进流体单元容器112的内部,其中流体样品沿第二流体通道104流动。配置在第二流体通道104的末端的是流体单元容器112中的流体出口150,在该出口流体流入作为第三流体通道的另一毛细管110。分配器60然后配置在第三流体通道110的下游。在流体单元容器112的内部,已经分离成单个部分的流体与UV光152相互作用,该UV光152由紫外光源52产生。UV光在流体单元容器112中与分流的流体的单独部分相互作用,由此二级光154在UV吸收检测器54检测。UV吸收检测器54的输出量表示单独部分的性质和浓度。
荧光测量作为使用吸收检测器54的所述吸收测量的替代物也是可行的。在该情况下,二级光154’作为当照射初始光152时由样品的荧光产生的那些测量。正如所示,相应荧光检测器54’可以设置在适当的角度-这里是在相反方向上-以便于检测二级光154’形式的荧光辐射。使用这种荧光测量,任选地可以使用参照检测器,例如在检测器54的位置,以便于评价其信号连同荧光信号(例如,以便于补偿光源52的发射强度的波动)。
根据本发明实施方式的所示实例,流体传输装置100的构造使得可将流体从具有圆形的小横截面的窄毛细管102传输进具有矩形的大得多的横截面的第二流体通道104。
在以更多细节描述流体传输装置100的示例性实施方式之前,展示了发明人的几个基本考量,基于这些可以看到本发明的示例性实施方式。
在HPLC系统10的流体单元50中,将会将流体流从具有较小横截面的毛细管102传输进具有大内径的流体单元的第二流体通道104。与此有关的挑战对于荧光检测是特别大的,因为涉及了特别大的流体单元体积。
根据这种流体接口的常规解决方案概念,具有锥形变宽内腔的过渡件插在毛细管和流体单元内腔之间。在这样的锥形中间部分,进行在具有小内径(例如12μm至18μm)的毛细管和流体单元主体的较大横截面(其可以具有矩形形状)之间的传输。但是,高的死体积可以在这样的锥形过渡部分中形成,其不期望地保持不存在于任何液体流。然后将液体注射进流体单元主体,其 中内部体积仅部分用于液体的运输并且部分保持不存在于液体。这通常导致流体单元中流体样品的单独部分的差的检测。
另一常规方法包括将多孔板引入到毛细管和流体单元主体之间的锥形过渡部分,但是使用该多孔板仅可稍微抑制射流。而且,该措施导致紊流,这也可导致流体单元中流体样品的单独部分的差的检测。
与这些常规方法相比,本发明的实施方式基于以下事实,即,通过逐渐分支的流体网络将液体从具有小横截面的毛细管102传输至具有较大横截面的流体单元主体112,通过这样可以实现极小的死体积和仅极小的峰值加宽。由于小的死体积,色谱分离能力可以增加。抑制射流可以使得能够利用基本上整个池体积用于检测。而且,这样的溶液可以有利地与热交换器在相同平面结构上组合,在该平面结构上也形成流体传输装置100。这得到特别紧密的排布。
图2显示流动分支200,其可以作为根据本发明示例性实施方式的流体传输装置100中的基本组件实施。流动分支200将流体(液体和/或气体,其中固体组分也可以包含在其中)在三通管202的入口流从进料内腔204按相等的部分分流进两个排放内腔206,208。换言之,通过流动分支200将入口流分流成两个相等的出口流。
图3显示分支网络300,其由多个流分支200构成。具有n个(这里:n=3)分等级配置的分支平面的分支网络300使得可以将可在单个流体入口302得到的流体在2n个流体出口304分流成均匀的部分。换言之,通过重复根据图2的流体分支图,2n个相等的液体流从单个入口侧液体流在出口侧产生且然后可以流入流体单元体积。
图4显示,对于n=4的分支平面或分支阶段的实例,子流如何可以在24个流体出口304从在流体入口302的单个流体流产生,其中出口304配置的方式使得子流在流体单元主体的流体出口接口的整个二维区域上均等分布。
图5显示24个流体出口304,其在通向第二流体通道104的入口具有根据图4的平行流动的16个子流。通过根据本发明的流体传输装置(这可以基于图2至图5的基本原理构成),因此可以传输液体流,而又不会形成从窄的第一毛细管102进入具有较大横截面积的流体单元的死体积。
以下通过参照图6描述根据本发明示例性实施方式的板状流体传输装 置100。流体传输装置100表示在图6的横截面视图中。因为其中使用毛细管的分支排布形成的很多流动分支的形成较复杂,在该实施方式中有利地在平面结构中形成分支的排布。与包括毛细管的排布相比,这进一步确保了小型化,因为微结构化技术可以用于在平面结构的层中产生流体通道。
图6因此显示了根据本发明示例性实施方式的流体传输装置100,其用于将流体从在出口侧具有第一圆形横截面600的第一流体通道102传输进在入口侧具有第二矩形横截面602的第二流体通道104。如在横截面积600,602的两个顶视图中所示,第一横截面600不仅在其尺寸方面不同于第二横截面602,而且在其几何形状方面不同于第二横截面602。如下描述,流体传输装置100不仅能够实现具有不同尺寸的横截面积之间的传输,而且能够实现具有不同横截面形状之间的传输。
参照图1,应该认为第一流体通道102是毛细管,其中将液体从分离柱30传输至流体传输装置100。具有矩形横截面的第二流体通道104是流体单元容器112中的内腔。
流体传输装置100具有流体入口接口604,在该流体入口接口将液体从第一流体通道102传输至流体传输装置100。流体传输装置100还具有入口分支606,其与流体入口接口604流体连接并且将来自第一流体通道102的液体均匀地分流进连接的入口分支通道608。从图6也可以看出,各入口分支通道608与相关的中间分支620流体连接。在各中间分支620,之前已经分流的流体再次均匀地分流进连接的中间分支通道622,每一个这样的通道同向相关的出口分支610。在各出口分支610,将可用的流体量再次分流成相同的部分进入连接的出口分支通道612。以所述方式,将流体在多个阶段连续地重复分流成子流,其中通过在整个逐渐增加的横截面积上流体流的分流,同时完成分流成子流。最后,可将流体在第二流体通道104的整个横截面积上分流,结果在第一流体通道102和第二流体通道104之间的传输可无死体积和无不期望紊流效应地进行。
从图6可以看出,流体传输装置100构建为紧密平面结构。通过彼此结合的层626a至626g中的凹进处,配置了具有一体化流动路径的板状排布,其也经受2000巴及更高的高压,流体传输装置100可以在液相色谱装置中经受该高压。由于下述事实,避免了在这两个过渡处的死体积:毛细管102在入口侧直接连接于流体入口接口604,第二流体通道104在出口侧直接连 接于流体出口接口614。尽管仅单个中间阶段和因此在总共的三个分支阶段(入口、中间和出口阶段)提供于图6,本领域技术人员将会理解,较大或较小数目的分支和平面也是可以的。在根据图6的流体传输装置100中,流动路径的流体横截面积和的长度相等,通过该路径单独的流体部分在流体入口接口604和流体出口接口614之间流动。这导致流体均匀地分流进这些路径的每一个,其中单独的流体级分在流体出口接口614以相同速度和在相同流动方向离开。因此可避免不期望的紊流,并由此可促进单独的流体流在出口侧的薄层状和无人为缺陷的混合。可替换地,当然也可以配置在给定分支具有不同长度、不同的流体横截面和/或或多或少的分支通道的流动路径。
图7至图11显示例如可以与五层平面结构(参见根据图6的五个平面的底部)一起使用的单独的平面层626a至626e的顶视图。
在图7中所示的入口层626a,配置了单一中心凹进处702,其连接于第一流体通道102。
在根据图8的第一中间层626b中,配置了较大的中心凹进处802,使其与凹进处702流体连通,当将第一中间层626b结合于入口层626a时。
具有四个对称设置的矩形凹进处902的第二中间层626c如图9所示。使凹进处902与凹进处802流体连通,由此层626a、626b和626c共同提供进入四个中间通道的入口通道的分支。
图10显示具有四个对称设置的矩形凹进处的第三中间层626d,这些凹进处大于根据图9的那些。在中间层626c和626d的适当结合之后,使凹进处1002与凹进处902流体连通。
图11显示具有16个以基底形式配置的矩形凹进处1102的出口层626e,使矩形凹进处1102与凹进处1002流体连通。因而,在各凹进处1002,发生给定相应流体流分流进入四个通道(其对应于相应四个有关凹进处1102)。
通过来自图7至图11的层626a至626e的重叠和结合,可以获得五层平面排布,其可以用作根据示例性实施方式的流体传输装置。
图12以放大形式显示来自图1的HPLC系统10的一部分,其中具有强制空气冷却的逆流热交换装置也描述于图12。
在根据图12的构造中,热交换器配置在分离柱30的出口和分配装置60的入口之间,如以下更详细地叙述。热交换器产生在分离柱30的出口的热样品和在检测器50的出口的较冷样品之间的温度均衡。
热交换器包含由良好导热材料制成的热交换主体80,其包括用于第一流体离开分离柱30所通过的第一内腔102和用于第二流体离开检测器50所通过的第二内腔84。通过导热热交换主体80使第一内腔102和第二内腔84进行逆流热交换,其方式使得,当第一流体穿过第一内腔102和第二流体穿过第二内腔84时,第一流体和第二流体可以彼此交换热能。外部连接于导热热交换主体80的是多个平行的冷却翅片86,它们单独配置并沿第一和第二流体的流动方向(参见箭头)彼此热隔离,且与热交换主体80的热连接方式使得由第一流体和第二流体放出的热量可以通过冷却元件86运向外部。从图12中两个箭头的相对方向可以看出,热交换主体80构建为逆流热交换主体,即两个流体通过内腔102和84的流动方向是相对的。
因此,根据本发明,可以提供低成本小体积的冷却机制,其在检测池50之前直接冷却流体,由此流动路径总体上保持较短。因此通过热交换器80,102,84,86可产生被动冷却,这使得在来自柱30的热液体和在检测器50之后的较冷液体之间产生温度均衡。而且,存在以冷却翅片86形式配置的装置用于有效地将产生的热能运走给冷却翅片86,由此能够产生热量损失的选择性增加。由于其中配置热交换装置的空间有限,冷却翅片86可以配置成手指形状。冷却肋86配置在热交换主体80的整个长度上,所述长度根据图1是垂直的。大量热量在与热流体的热交换中通过冷却肋86运走。另一方面,在冷出口的冷却肋86的目的是确保流体的整体低温,由此可以有利地使用热交换器原理。
图12表明,如以下更详述,通过逆流热交换器原理将来自分离柱30的温度为例如95℃的热液体总体上冷却至70℃,这发生在将其在废料60的方向上运送之前。在检测器50区域的温度为30℃。通过经冷却肋或冷却翅片86的被动冷却,冷却整体上例如在95℃至70℃的范围内进行。由于逆流热交换器原理,检测器50的区域中的温度较低(例如在30℃)。
进一步如图12所示,所述实施方式中的检测装置通过光源52和光检测器54形成,所述检测器54检测源自光源52并且未由液体吸收或发荧光的光。由于根据图12的热流动机制,避免了检测器50的热故障。单独翅片86的热隔绝确保不同冷却翅片86的不同热耗散特征不同,参见图12中的箭头。这里需要区分一方面在内腔102中的热液体和内腔84中较冷液体之间的热传输以及另一方面向环境的热量耗散。前者经由热交换主体80,通 过存在于内腔102,84中的液体以逆流交换模式的热交换完成,同时后者由冷却翅片86以及它们彼此的热去除(thermal decoupling)或热连接(thermal coupling)。
图12也显示其它有利的装置,即气流产生装置92,其产生气流94,该气流将来自翅片86的热量运走并使热量耗散于外部。因此有利地沿冷却翅片86运送气流94。HPLC10中的电子器件(附图中未显示)或检测器50的灯52可以有利地通过相同气流94冷却,通过该气流也可以使冷却肋86冷却。这允许小的和节能的排布。
图12清楚地表明,热交换器和流体传输装置100都在共同的平面结构中一体化。这得到根据图12的排布的紧密设计和成本有效的生产。
测量装置如图12所示,其中检测器50测量通过样品的在发射中的光的吸收。可替换地,荧光测量在此也是可行的,如参照图1所描述。
应该注意,术语“包括”不排除其它要素,且“a/an”不排除多个。也可以将关于不同实施方式描述的要素组合。也应该注意,不应该认为权利要求中的标号会限制权利要求的保护范围。
Claims (19)
1.一种流体传输装置(100),其用于将流体从在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102)传输进在入口侧具有第二横截面积(602)的第二流体通道(104),所述第二横截面积(602)大于所述第一横截面积(600),其特征在于,所述流体传输装置(100)包括:
流体入口接口(604),在该流体入口接口(604)处所述流体可被传输出离开所述第一流体通道(102),并进入所述流体传输装置(100);
与所述流体入口接口(604)流体连接的入口分支(606),所述入口分支将来自所述第一流体通道(102)的流体分流进多个入口分支通道(608);
与所述入口分支通道(608)流体连接的多个出口分支(610),其中所述出口分支(610)各自在每种情况下将来自所述入口分支通道(608)中相应一个的流体分流进相应的多个出口分支通道(612);
与所述出口分支通道(612)流体连接的流体出口接口(614),在所述流体出口接口处,所述流体可被传输出离开所述流体传输装置(100),并进入所述第二流体通道(104);
其中所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)设置成使得所述流体穿过所述第二横截面(602)以二维方式分布的方式从流体出口接口(614)离开。
2.根据权利要求1的流体传输装置(100),其特征在于,所述流体传输装置(100)包括平面结构(626a至626g),其中所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)集成为一体。
3.根据权利要求2的流体传输装置(100),其特征在于,所述平面结构包括多个结合的层(626a至626g),在形成凹进处时,所述多个结合的层构建成使得所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)由彼此流体连接的相应邻接层(626a至626g)的凹进处形成。
4.根据权利要求1至3中任一项的流体传输装置(100),其特征在于,所述流体传输装置(100)包括直接连接于所述流体入口接口(604)的所述第一流体通道(102)。
5.根据权利要求4的流体传输装置(100),其特征在于,所述第一流体通道(102)采用毛细管,特别是具有圆形第一横截面(600)的毛细管。
6.根据权利要求1至3中任一项的流体传输装置(100),其特征在于,所述流体传输装置(100)包括直接连接于所述流体出口接口(614)的所述第二流体通道(104)。
7.根据权利要求6的流体传输装置(100),其特征在于,所述第二流体通道(104)是流体单元容器,特别是具有矩形第二横截面(602)的流体单元容器。
8.根据权利要求1至3中任一项的流体传输装置(100),其特征在于,
所述流体传输装置(100)包括流体连接至所述入口分支通道(608)的多个中间分支(620),其中所述中间分支(620)各自在每种情况下将来自所述入口分支通道(608)中相应一个的流体分流进多个中间分支通道(622);
其中将所述中间分支通道(622)设置为流体连接至多个出口分支(610),由此所述出口分支(610)各自在每种情况下将来自所述中间分支通道(622)中相应一个的流体分流进多个出口分支通道(612);
其中所述中间分支(620)和所述中间分支通道(622)设置在所述入口分支(606)和所述入口分支通道(608)的下游且在所述出口分支(610)和所述出口分支通道(612)的上游。
9.根据权利要求8的流体传输装置(100),其特征在于,所述流体传输装置(100)包括由多个其它中间分支和多个其它中间分支通道形成的至少一个其它布置,其中所述其它中间分支和所述其它中间分支通道设置在所述中间分支(620)和所述中间分支通道(622)的下游且在所述出口分支(610)和所述出口分支通道(612)的上游。
10.根据权利要求1至3中任一项的流体传输装置(100),其特征在于,所述流体传输装置(100)还包括一个或多个以下特征:
所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)设置成使得所述流体穿过所述第二横截面积(602)以基本上均匀的方式从流体出口接口(614)离开;
所述出口分支通道(612)设置成使得所述流体以彼此平行的流动方向从所述出口分支通道(612)离开;
所述出口分支通道(612)设置成使得所述流体以相同的流速从所述出口分支通道(612)离开;
在所述入口分支(606)处和在各出口分支(608)处,特别是也在各中间分支(620)处,将在每种情况下待分流的流体的那部分在每种情况下精确地分 流进入在每种情况下在下游连接的两个分支通道(608,612,622);
在所述入口分支(606)处和在各出口分支(608)处,特别是也在各中间分支(620)处,将在每种情况下待分流的流体的那部分分流成相等的部分进入在每种情况下在下游连接的分支通道(608,612,622)。
11.一种流体单元(50),其用于检测可从在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102)进料的流体,其特征在于,所述流体单元(15)包括:
在入口侧具有第二横截面积(602)的第二流体通道(104),其大于第一横截面积(600);
根据权利要求1至10任一项的流体传输装置(100),其用于将所述流体从所述第一流体通道(102)传输进入所述第二流体通道(104);
检测装置(106,108),该检测装置(106,108)布置成用于通过与沿所述第二流体通道(104)流动的流体相互作用而检测指示该流体性质的信息。
12.根据权利要求11的流体单元(50),其特征在于,设置所述检测装置(106,108)用于检测所述流体的分离部分。
13.根据权利要求12的流体单元(50),其特征在于,所述检测装置(106,108)选自包括光学检测装置,荧光检测装置,吸收检测装置,折射率检测器和电阻检测装置的组。
14.一种用于分离流体的部分的样品分离装置(10),其特征在于,所述样品分离装置(10)包括:
分离装置(30),用于分离流体的不同部分,其中分离的流体进料到在出口侧具有第一横截面积(600)的第一流体通道(102);
根据权利要求11至13任一项的流体单元(50),用于检测可从所述第一流体通道(102)进料的流体。
15.根据权利要求14的样品分离装置(10),其特征在于,所述样品分离装置(10)包括热交换器,该热交换器包括导热热交换主体(80),所述导热热交换主体(80)包括用于所述流体流通的第一流体通道(102)和用于所述流体在从所述流体单元(50)离开之后流通的第三流体通道(84),其中所述第一流体通道(102)和所述第三流体通道(84)配合在所述导热热交换主体(80)中和/或上,使得流体在第一流体通道(102)中的相应第一部分和流体在第二流体通道(102)中的相应第二部分一起引入热交换器。
16.根据权利要求15的样品分离装置(10),其特征在于,所述热交换器 包括多个冷却和/或加热元件(86),它们单独地设置并且在所述流体的第一和第二部分中至少之一的流动方向上彼此热间隔开,并且与所述热交换主体(80)的热连接,使得由第一部分和/或第二部分放出的热量由所述冷却元件(86)运走,或者释放给第一部分和/或第二部分的热量可由所述加热元件供给。
17.根据权利要求15的样品分离装置(10),其特征在于,所述热交换主体(80)构建成一体或者与所述流体传输装置(100)的平面结构(626a至626g)一体化,其中平面结构(626a至626g)、所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)是一体化的。
18.根据权利要求16的样品分离装置(10),其特征在于,所述热交换主体(80)构建成一体或者与所述流体传输装置(100)的平面结构(626a至626g)一体化,其中平面结构(626a至626g)、所述分支(606,610)和所述分支通道(608,612)是一体化的。
19.根据权利要求14至18中任一项的样品分离装置(10),其特征在于,所述样品分离装置(10)包括以下特征的至少一种:
所述样品分离装置(10)选自包括微流体测量装置,生命科学装置,液相色谱装置,HPLC,气相色谱装置,电泳装置和凝胶电泳装置的组;
所述样品分离装置(10)包括泵(20),用于使流动相移动,其中所述流体注射到流动相中;
所述样品分离装置(10)包括注射器(40),用于将所述流体注射到流动相中;
所述分离装置(30)包括分离柱,用于分离所述流体的不同部分;
所述样品分离装置(10)包括样品分配器(60),其用于使分离的部分分成各个部分。
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