DE102006023223B3

DE102006023223B3 - Apparatur zur Analyse einer flüssigen Probe mit einer Multi-Lumen-Kapillare

Info

Publication number: DE102006023223B3
Application number: DE102006023223A
Authority: DE
Inventors: Martin Hofmann
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: US20070266779A1; GB2438313A; US7578174B2; GB2438313B; GB0709519D0

Abstract

Eine Apparatur zur Analyse einer in einem Lösungsmittel gelösten Messsubstanz, aufweisend eine Leitung (4) zum Transport der gelösten Messsubstanz von einer Einspeisungseinrichtung (3) zu einem Messort (12), wobei die Einspeisungseinrichtung (3) dazu ausgebildet ist, wahlweise ein Lösungsmittel oder gelöste Messsubstanz in die Leitung (4) einzuspeisen, wobei die Leitung (4) zumindest teilweise als Polykapillarbereich (9) ausgebildet ist, der N parallel angeschlossene Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) aufweist, so dass sich für die einzelnen Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) identische Durchflusszeiten von der Einspeisungseinrichtung (3) zum Messort (12) ergeben, wobei N > 2 ist. Mit der erfindungsgemäßen Apparatur ist ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei der Analyse erzielbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur Analyse einer in einem Lösungsmittel gelösten Messsubstanz, aufweisend eine Leitung zum Transport der gelösten Messsubstanz von einer Einspeisungseinrichtung zu einem Messort, wobei die Einspeisungseinrichtung dazu ausgebildet ist, wahlweise ein Transportlösungsmittel oder gelöste Messsubstanz in die Leitung einzuspeisen.
Eine solche Apparatur ist bekannt geworden aus der DE 10 2004 029 639 A1 .
Zur Analyse von löslichen Substanzen kann die LC-NMR (hyphenated liquid chromatography nuclear magnetic resonance) oder FI-NMR (flow injection nuclear magnetic resonance) eingesetzt werden. Dabei wird eine flüssige Probe (in der Regel ein Gemisch aus einem Lösungsmittel und der zu vermessenden Substanz) von einer Einspeisungseinrichtung durch eine Leitung, insbesondere eine Glas- oder Kunststoffkapillare, zu einem Messort in einem NMR-Spektrometer geleitet.
Die flüssige Probe wird typischerweise dabei von nachfolgend eingespeistem Transportlösungsmittel geschoben, und die flüssige Probe schiebt ihrerseits Transportlösungsmittel vor sich her. Erwünscht ist dabei ein sogenannter „plug flow", d. h. die flüssige Probe wandert durch die Leitung wie ein Pfropfen mit ebenen, senkrecht zur Transportrichtung verlaufenden Grenzflächen zum Transportlösungsmittel.
Beim Fortschritt der flüssigen Probe in der Leitung verläuft die Probe jedoch. Die Flussgeschwindigkeit ist bei laminarem Fluss im Zentrum einer Kapillare am höchsten ist und fällt zu den Rändern hin näherungsweise parabelförmig ab. Die Probenfront nimmt dann eine im Querschnitt näherungsweise parabelförmige Form an.
Infolgedessen verteilt sich die flüssige Probe mit dem Fortschritt der Probe über einen länger werdenden Abschnitt der Kapillare, d.h. die Konzentration von zu vermessender Substanz in der Leitung nimmt ab. Diese verringerte Konzentration von zu vermessender Substanz führt zu einer Verschlechterung des Signal- zu Rausch-Verhältnisses (signal to noise ratio, SNR) bei der NMR-Messung am Messort.
Ähnliche Probleme treten auch bei anderen Messverfahren an flüssigen Proben, wie bei UV(ultra violett)-Absorption oder UV-Floureszenz, auf.
Durch den "Nanotight Y Connector" von Upchurch Scientific Inc., Catalog of Chromatography & Fluid Transfer Components 2006, S. 39, ist ein Verteilerelement bekannt, mit dem ein Probenfluss von einer großen Kapillare auf zwei Einzelkapillaren aufgespalten werden kann. Dieses Verteilerelement wird dazu eingesetzt, flüssige Probe auf zwei Messeinrichtungen zu verteilen, zu denen die Einzelkapillaren führen.
Die EP 0 803 288 A2 beschreibt eine plattenartige Vorrichtung für die Analyse einer Probe. An der plattenartigen Vorrichtung ist an einem Ende eine Öffnung ausgebildet, an die sie ich Kanal anschließt. Dieser Kanal verzweigt sich auf drei unterschiedlich lange Kanäle, die jeweils zu Analysekammern führen. In den Analysekammern sind verschiedene Reagenzien, insbesondere für Farbanalysen, eingelagert.
Die DE 693 19 427 T2 beschreibt ein Modul zum Nachweis von Analyten in einer Fluidprobe. Das flach ausgebildete Modul weist Verzweigungskanäle in einem Fraktalbereich auf. An jeder Gabelung nimmt die Querschnittsfläche der Verteilungskanäle ab. Bei Anwesenheit eines Analyten in der Fluidprobe ändern sich die Strömungseigenschaften der Probe im Fraktalbereich, beispielsweise durch eine Blockierung des Flusses.
Aus der US2005/0100476 A1 ist ein chemisches Mikro-Prozesssystem bekannt geworden. Ein Einlaufkanal des Mikro-Prozesssystems wird auf mehrere gleich lange Kanäle aufgeteilt, die zu Reaktionskammern mit unterschiedlichen Reagenzien führen und anschließend auf einen Ablaufkanal des Mikro-Prozesssystems vereinigt werden. Der Ablaufkanal ist über eine Leitung mit einem Spektrometer verbunden.
Die US2006/0094119 A1 beschreibt ein Mikrofluid-System mit Mikrokanälen zur Handhabung von pfropfenartigen Flüssigkeitsproben. In einer Ausführungsform wird eine Leitung auf mehrere Speicherröhrchen verzweigt.
Die DE 103 39 452 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Strukturierung von Flüssigkeiten bestehend aus vorgegebenen Flüssigkeitsleitwegen. Die Vorrichtung kann insbesondere einen Y-förmigen Fusionator zum Zusammenführen von zwei Flüssigkeiten, oder auch einen Y-förmigen Spaltator zum Aufteilen einer Flüssigkeit auf zwei Leitungsstränge umfassen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Apparatur zur Analyse einer in einem Lösungsmittel gelösten Messsubstanz bereitzustellen, mit der ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei der Analyse erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Apparatur der eingangs vorgestellten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leitung zwischen Einspeisungseinrichtung und Messort zum größten Teil als Polykapillarbereich ausgebildet ist, der N parallel angeschlossene, rohrförmig ausgebildete Kapillaren aufweist, so dass die Probe auf die einzelnen Kapillaren aufgeteilt und am Ende des Polykapillarbereichs wieder vereint wird, wobei sich für die einzelnen Kapillaren identische Durchflusszeiten von der Einspeisungseinrichtung zum Messort ergeben, dass N > 2, und dass die Flüsse der einzelnen Kapillaren vor dem Messort vereint werden.
Das Flussprofil in einer Kapillare ist vom Innendruchmesser (ID) der Kapillare abhängig. Bei gleicher mittlerer Durchflussgeschwindigkeit (= transportiertes Flüssigkeitsvolumen pro Querschnittsfläche und pro Zeiteinheit) verläuft eine Probe in einer Kapillare mit kleinerem Durchmesser weniger stark als in einer Kapillare mit größerem Durchmesser. Somit kann durch Verwendung einer Kapillare mit geringem Durchmesser ein Verschmieren einer Probe reduziert werden. Allerdings reduziert auch ein geringerer Durchmesser den Gesamtdurchfluss an flüssiger Probe. Auch erhöht sich der Leitungswiderstand der Kapillare, was durch einen höheren Druck ausgeglichen werden muss.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den gewünschten Gesamtdurchfluss an flüssiger Probe auf mehrere, parallel zueinander verlaufende Kapillaren zu verteilen. Im Polykapillarbereich hat jede einzelne Kapillare einen relativ kleinen Innendurchmesser, verglichen mit dem Innendurchmesser einer Ersatzkapillare, deren Querschnittsfläche identisch wäre mit der Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Kapillaren des Polykapillartiereichs. In jeder Einzelkapillare, und damit auch über die gesamte Leitung, kommt es nur zu einer verringerten Verschmierung der flüssigen Probe beim Transport durch die Leitung.
Die Einzelkapillaren sind so ausgebildet, dass bei einer Einspeisung einer Probe in den Polykapillarbereich die Probenfronten in jeder Einzelkapillare eine identische Zeit benötigen, um den Polykapillarbereich zu durchlaufen. Dabei können beispielsweise die vorderen Spitzen der Probenfronten verglichen werden. Im einfachsten Fall sind die Einzelkapillaren dafür identisch ausgebildet, insbesondere mit gleicher Länge, gleichem Innendurchmesser, und gleicher Innenoberfläche.
Am Eingang eines Polykapillarbereichs wird die flüssige Probe auf die einzelnen Kapillaren aufgeteilt, und am Ende des Polykapillarbereichs wird die flüssige Probe bei geringer Verschmierung wieder vereint, typischerweise unmittelbar vor dem Messort. Eine Leitung kann einen Polykapillarbereich oder auch mehrere, in Serie aufeinanderfolgende Polykapillarbereiche aufweisen.
Die erfindungsgemäße Apparatur kann aufgrund des geringeren Verschmierens auch schneller und mit weniger Reinigungs- und Spülflüssigkeit gereinigt werden.
Soll bei einer bestehenden Apparatur eine einzelne große Kapillare bei einer Leitung durch einen Polykapillarbereich ersetzt werden, sollte die Summe der Querschnittsflächen der Einzelkapillaren des Polykapillarbereichs der Querschnittsfläche der großen Kapillare entsprechen. Dann ist auch eine Nachrüstung bestehender Apparaturen leicht möglich. Beispielsweise entsprechen vier Einzelkapillaren mit 250 μm Innenduuchmesser einer großen Kapillare mit 500 μm Durchmesser.
Die Leitung kann vollständig als Polykapillarbereich ausgebildet sein. Dann wird ein Verlaufen der Probe bestmöglich vermindert. In der Leitung können weitere Bauteile wie eine Chromatographiesäule enthalten sein, die jeweils mit Polykapillarbereichen angeschlossen sind.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform bei der die einzelnen Kapillaren identische Innendurchmesser und identische Längen aufweisen. Weiterhin haben die einzelnen Kapillaren bevorzugt auch identische Innenoberflächen, etwa eine identische Innenbeschichtung oder ein gleiches Kapillarmaterial. Innendurchmesser und Innenoberfläche bestimmen das Flussprofil bzw. Flussgeschwindigkeit in der Kapillare. Mit identischen Flussgeschwindigkeiten und identischen Längen ergeben sich identische Durchflusszeiten für die flüssige Probe. Mit dieser Ausführungsform können identischen Durchflusszeiten für flüssige Probe in den Einzelkapillaren leicht sichergestellt werden. Mit Quarzglaskapillaren können besonders enge Toleranzen von Innendruchmessern (und Aussendruchmessern) gehalten werden.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Länge einer einzelnen Kapillare angepasst ist an die Durchflussgeschwindigkeit in dieser Kapillare. Durch Fertigungstoleranzen, etwa beim Innendurchmesser, kann es vorkommen, dass die Durchflussgeschwindigkeiten in den einzelnen Kapillaren eines Polykapillarbereichs geringfügig voneinander abweichen. Dies kann durch eine Vorabvermessung der einzelnen Kapillaren leicht festgestellt werden. Beispielsweise wird die Einzelkapillare mit der höchsten Durchflussgeschwindigkeit unverändert gelassen, und die Einzelkapillaren mit geringerer Durchflussgeschwindigkeit werden erfindungsgemäß entsprechend ihrer Abweichung gekürzt. Dadurch kann ebenfalls eine identische Durchflusszeit durch alle Einzelkapillaren des Polykapillarbereichs sichergestellt werden. Die Durchflussgeschwindigkeit kann beispielsweise am Fortschritt der Spitze einer Probenfront gemessen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Leitung vor dem Polykapillarbereich eine Chromatographiesäule. Mit der Chromatographiesäule können verschiedene Bestandteile einer Probe voneinander getrennt werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Leitung am Messort in eine Messzelle mündet. Die Messzelle ist eine einzelne Kammer, wobei die eigentliche Analysemessung an flüssiger Probe in der Kammer stattfindet. Die Messzelle ist an die Analysemessung angepasst, insbesondere bezüglich ihrer Abmessungen. Die typische Wandstärke einer Messzelle beträgt 150–500 μm; die typische Wandstärke der Kapillaren beträgt 70–170 μm.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Kapillaren eine hydrophobe Innenbeschichtung aufweisen. Die hydrophobe (unpolare) Innenbeschichtung, beispielsweise aus FEP, verbessert das Flussprofil, insbesondere bei Verwendung von polaren (Transport-)Lösungsmitteln wie Wasser. Eine flüssige Probe verläuft dann weniger stark als ohne hydrophobe Innenbeschichtung. D.h. das parabolisch verlaufende Flussprofil fällt flacher aus. Unter einer Beschichtung wird auch eine Oberflächenbehandlung (Passivierung) der Innenoberfläche verstanden; dies hat sich bei Quarzglas-Kapillaren bewährt. Eine erfindungsgemäße unpolare Innenoberfläche einer Kapillare kann auch durch ein unpolares Grundmaterial der Kapillare selbst erhalten werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Anzahl N der Kapillaren im Polykapillarbereich zwischen 3 und 7 beträgt. Diese Anzahl ist gut zu handhaben, insbesondere ist ein gleichzeitiges Beschicken der einzelnen Kapillaren mit flüssiger Probe noch gut möglich.
In der Praxis bewährt hat sich auch eine Ausführungsform, bei der der Innendurchmesser der Kapillaren zwischen 50 μm und 500 μm beträgt. Damit sind gute Durchflussleistungen möglich, ohne dass der Transportdruck zu groß oder das Verlaufen der flüssigen Probe zu stark werden würde.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kunststoffummantelung vorhanden, in der die Kapillaren verlaufen. Die Kunststoffummantelung schützt gemeinsam die Kapillaren des Polykapillarbereichs vor Beschädigungen.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Kapillaren bereichsweise einzeln durch Bohrungen von Führungselementen geführt sind. Die Führungselemente können beispielsweise am Anfang und Ende eine Polykapillarbereichs eingesetzt werden, etwa als Teil eines Verteilerelements. Die Führungselemente sind bevorzugt elastisch verformbar. Durch eine leichte Quetschung können die Bohrungen gegenüber den Kapillaren abgedichtet und die einzelnen Kapillaren gehalten werden. Die Kapillaren können nötigenfalls zu Justagezwecken innerhalb der Bohrungen geringfügig verschoben werden.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der am Eingang des Polykapillarbereichs ein Verteilerelement auf die N Kapillaren vorgesehen ist. Typischerweise kommt eine große Kapillare beim Verteilerelement an und mündet in eine sich erweiternde Verteilerkammer. Gegenüber der Mündung der großen Kapillare gehen die einzelnen Kapillaren eines Polykapillarbereichs ab. Die Verteilerkammer ist bevorzugt so klein (beispielsweise ≤ 20 nL Volumen), dass die Flusswege innerhalb der Verteilerkammer klein sind gegenüber Flusswegen innerhalb der einzelnen Kapillaren des Polykapillarbereichs.
Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass in dem Verteilerelement die N Kapillaren symmetrisch um eine Mittelachse und mit identischem Abstand zur Mittelachse angeordnet sind. Bevorzugt mündet eine große Kapillare gegenüber den einzelnen Kapillaren auf der Mittelachse. Durch die Symmetrie wird eine gleichzeitige Beschickung der einzelnen Kapillaren des Polykapillarbereichs sichergestellt.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Apparatur zur Probenzuführung zu einem NMR-Spektrometer oder zu einer UV-Detektionsapparatur. Diese empfindlichen Methoden können besonders von einer höheren Konzentration der Messsubstanz bei der Analyse profitieren.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Apparatur zum Vermindern des Verlaufens einer flüssigen Probe zwischen Einspeisungseinrichtung und Messort.
Weitere Vorteile der Apparatur ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Die Apparatur ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Apparatur mit einer Leitung, die einen Polykapillarbereich aufweist;
2 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Polykapillarbereichs einer Leitung, wie sie in der Apparatur verwendet wird;
3a ein Verteilerelement in schematischer Seitenansicht;
3b das Verteilerelement von 3a mit eingeklemmten Führungselement und Kapillaren;
4a–4e schematische Querschnittsdarstellungen durch Führungselemente;
5a eine schematische Darstellung einer Einspeisungseinrichtung in einer Ventilstellung zur Befüllung eines Probenpuffers;
5b die Einspeisungseinrichtung von 5a in einer Ventilstellung zur Einspeisung Probe aus dem Probenpuffer in die Leitung zum Detektor;
6a eine schematische Darstellung eines Flussprofils bei einer großen Kapillare;
6b eine schematische Darstellung der Flussprofile von zwei Kapillaren mit in Summe gleicher Querschnittsfläche wie die große Kapillare von 6a;
6c eine schematische Darstellung des Flussprofil einer Kapillare mit gleichem Durchmesser wie die Kapillare von 6a, aber mit hydrophober Innenbeschichtung.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Apparatur zur Untersuchung einer in einem Lösungsmittel gelösten Messsubstanz mittels instrumenteller Analytik, insbesondere mittels NMR-Spektrometrie.
Aus einem Vorratsbehälter 1 für ein Transportlösungsmittel oder Laufmittel wird mittels einer Pumpe 2 Transportlösungsmittel zu einer Einspeisungseinrichtung (oder Injektor) 3 gefördert. Das Transportlösungsmittel wird entweder direkt durch die Einspeisungseinrichtung 3 in eine Leitung 4 gefördert, oder aber über einen Probenspeicher in der Einspeisungseinrichtung 3. Im letzteren Fall wird der Inhalt des Probenspeichers, angeschoben durch Transportlösungsmittel, in die Leitung 4 gefördert. Der Probenspeicher kann über einen Injektionsanschluss 5 mit einer flüssigen Probe befüllt werden. Die flüssige Probe umfasst ein Lösungsmittel, in dem die zu vermessende Substanz (= Messsubstanz) gelöst ist. Überschüssige flüssige Probe kann in einen Abfallbehälter 6 abgelassen werden.
Die Leitung 4 ist in einem ersten, kurzen Übergangsabschnitt 7a direkt hinter der Einspeisungseinrichtung 3 als eine große Kapillare ausgeführt. Der erste Übergangsabschnitt 7a mündet in eine Chromatographiesäule 11. Die geförderte Flüssigkeit wird weiter über einen zweiten Übergangsabschnitt 7b einem Verteilerelement 8 zugeführt. Ab dem Verteilerelement 8 verläuft die Leitung 4 als Polykapillarbereich 9 mit mehreren (hier drei) einzelnen Kapillaren, in denen die geförderte Flüssigkeit parallel propagiert. An einem Vereinigungselement 10, welches ähnlich dem Verteilerelement 8 aufgebaut ist, werden die Flüsse der einzelnen Kapillaren wieder vereint und in einen dritten Übergangsabschnitt 7c überführt.
Die geförderte Flüssigkeit wird über den dritten Übergangsabschnitt 7c einem Messort 12 zugeführt. Der Messort 12 ist in einem Detektor 13, hier einem NMR-Spektrometer, angeordnet. Am Messort 12 findet die eigentliche analytische Messung statt. Die geförderte Flüssigkeit gelangt schließlich in einen Abfallbehälter 14.
Die Leitung 4 verbindet die Einspeisungseinrichtung 3 mit dem Messort 12 der Apparatur. Der größte Teil der Leitung 4 verläuft dabei als Polykapillarbereich 9, um ein Verlaufen der flüssigen Probe beim Transport zu vermindern.
Die 2 zeigt einen Polykapillarbereich 9 in einer schematischen Explosionsansicht. Der Polykapillarbereich 9 umfasst drei einzelne Kapillaren 21a, 21b, 21c, die aus Quarzglas (fused silica) gefertigt sind. Die Kapillaren 21a–21c weisen eine äußere Kunststoffbeschichtung, beispielsweise aus PEEK (Polyetheretherketon) auf (nicht dargestellt), um die Flexibilität der Kapillaren 21a–21c sicherzustellen. Die Innenoberflächen der Kapillaren 21a–21c sind mit einer hydrophoben Substanz, beispielsweise FEP (Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen), beschichtet (nicht dargestellt). Alle Kapillaren 21a–21c sind gleich lang und weisen identische Innendurchmesser und identische Außendurchmesser auf. Die Fertigungstoleranz der Kapillaren bezüglich der Innendurchmesser beträgt +/– 2% oder besser über die gesamte Länge, der maximale Längenunterschied der Kapillaren sollte +/– 1% oder noch weniger betragen.
Die drei Kapillaren 21a–21c sind in einer flexiblen Kunststoffummantelung 22 angeordnet. Dadurch wird die mechanische Belastung einer vergleichsweise empfindlichen, einzelnen Kapillare 21a, 21b, 21c bei der Handhabung des Polykapillarbereichs 9 (etwa beim Verlegen der Leitung) vermindert. Zur Vereinfachung ist die Darstellung der Kunststoffummantelung 22 unterbrochen. Die Kunststoffummantelung 22 ist geringfügig kürzer als die Kapillaren 21a–21c.
Am oberen und unteren Ende des Polykapillarbereichs 9 sind jeweils kreiszylinderförmige, elastisch verformbare Führungselemente 23 vorgesehen. In den Führungselementen 23 sind drei Bohrungen 24a, 24b, 24c vorgesehen, deren Bohrungsdurchmesser jeweils geringfügig größer sind als die Außendurchmesser der Kapillaren 21a–21c (beispielsweise mit Bohrungsdurchmesser von 370 μm und Außendurchmesser der Kapillaren von 363 μm). Dadurch können die Kapillaren 21a–21c in die Bohrungen 24a–24c leicht eingeführt werden.
Zum Anschluss an die Apparatur werden die Führungselemente 23 bei eingeschobenen Kapillaren 21a–21c verklemmt, wobei die Führungselemente 23 in radialer Richtung auf einer Ringlinie (oder einen Zylindermantelbereich) zusammengedrückt werden. Dies kann beispielsweise in einem Verteilerelement erfolgen. Dabei legen sich die Innenwände der Bohrungen 24a–24c flüssigkeitsdicht an die Außenwände der Kapillaren 21a–21c an. Die Kapillaren 21a–21c selbst sind ausreichend steif, dass sie dabei nicht zusammengedrückt werden.
Der dargestellte Polykapillarbereich 9 kann auch als Multi-Lumen-Kapillare bezeichnet werden. Die Multi-Lumen-Kapillare kann über weite Strecken, insbesondere mehr als 1 m, führen, wobei sich flüssige Probe in der Multi-Lumen-Kapillare nur in geringem Ausmaß mit vor- und nachlaufendem Transportlösungsmittel vermischt (und damit verdünnt) wird.
Die 3a und 3b zeigen in einem schematischen seitlichen Querschnitt ein Verteilerelement 8, einmal allein (3a) und einmal mit eingeklemmten Kapillaren 21a, 21b, 34 und Führungselement 23 sowie Halteelement 33 (3b).
Eine erste Ausnehmung 31 ist für ein erstes Fitting 39 des Halteelements 33 mit einer einzelnen, großen Kapillare 34 vorgesehen. Eine zweite Ausnehmung 32 ist für ein zweites Fitting 39 des Führungselements 23 mit den Kapillaren 21a, 21b des Polykapillarbereichs vorgesehen. Die Befestigung von Halteelement 33 und Führungselement 23 erfolgt durch Klemmen unter Ausnutzung der elastischen Eigenschaften von Halteelement 33 und Führungselement 23. Dazu wird eine in der Chromatographie bewährte Verbindungstechnik, nämlich das Fitting 39, benutzt, welches mittels einem Gewinde 37 in das Verteilerelement 8 eingeschraubt wird. Durch den konischen Verlauf des Fittings 39 an dessen vorderem Bereich und das konische Innenprofil des Verteilerelements 8 wird eine Klemmung (d.h. Verengung des Fittings 39 und damit auch Verengung des Führungselements 23 bzw. des Halteelements 33) herbeigeführt, welche die Kapillaren. 21a, 21b bzw. 34 abdichtet und in Position hält.
Im Verteilerelement 8 sind eine Verbindungsbohrung 35 und eine trichterförmige Verteilerkammer 36 vorgesehen, durch die Flüssigkeit von der großen Kapillare 34 in die Kapillaren 21a, 21b des Polykapillarbereichs geleitet werden kann (oder umgekehrt). Im eingeklemmten Zustand liegen die große Kapillare 34 und die Verbindungsbohrung 35 zentral auf einer Mittelachse 38 des Verteilerelements 8. Die Kapillaren 21a, 21b des Polykapillarbereichs sind symmetrisch um die Mittelachse 38 gruppiert, so dass identisch lange Flusswege von der Mündung der Verbindungsbohrung 35 zu einer jeden Mündung einer Kapillare 21a, 21b in der Verteilerkammer 36 bestehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt insbesondere keine Kapillare auf der Mittelachse 38.
Falls die Abmessungen der Verteilerkammer hinreichend klein sind verglichen mit den Längen der Kapillaren 21a, 21b, kann auf eine symmetrische Anordnung der Kapillarenmündungen in der Verteilerkammer 36 verzichtet werden, ohne dass es zu merklichen Laufzeitunterschieden zwischen den Kapillaren des Polykapillarbereichs kommen würde.
Als Material für ein Verteilerelement 8 hat sich PEEK bewährt.
Die 4a bis 4e zeigen einige Führungselemente, wie sie in einer Ausnehmung in einem Verteilerelement (siehe 3a, 3b) erfindungsgemäß eingesetzt werden können, im Querschnitt entlang der Ebene A von 3b. Gezeigt sind Beispiele mit drei (4a) bis sieben (4e) Bohrungen 24a, 24d für Kapillaren.
Alle Bohrungen 24a, 24d sind symmetrisch bezüglich einer Mittelachse 38 angeordnet, um bei einer radialen Klemmung eine gleichmäßig gute Abdichtung an allen Kapillaren zu erreichen. Die Ausführungsformen von 4a, 4b weisen nur Bohrungen 24a mit identischem Abstand zur Mittelachse 38 auf, was eine sehr gleichmäßige Verteilung des Flusses auf de Kapillaren gewährleistet. Hingegen weisen die Ausführungsformen von 4c–4e jeweils auch eine Bohrung 24d auf der Mittelachse 38 auf (mit Abstand „null" von der Mittelachse). Dadurch kann der Gesamtfluss erhöht werden. Bei hinreichend langen Polykapillarbereichen (beispielsweise 1 m oder mehr) kann eine Laufwegdifferenz im Verteilerelement (von beispielsweise 500 μm) gegenüber anderen Laufwegdifferenzen unter den Kapillaren eines Polykapillarbereichs (etwa aufgrund von Fertigungstoleranzen im Innendurchmesser) vernachlässigt werden.
Die 5a und 5b zeigen die Funktionsweise einer Einspeisungseinrichtung 3, die mit der Erfindung verwendet werden kann. Die Einspeisungseinrichtung 3 besitzt insgesamt vier Anschlüsse nach außen:

– eine Zuleitung von der Pumpe 2, mit der Transportlösungsmittel eingeleitet werden kann;
– einen Ableitung über die Leitung zum Detektor 13,
– den Injektionsanschluss 5, über den flüssige Probe in den Probenspeicher 51 gefüllt werden kann; und
– eine Ableitung zu einem Abfallbehälter 6.

Weiterhin verfügt der Probenspeicher 51 über zwei Zugangsöffnungen 52a, 52b.
Die Einspeisungseinrichtung 3 verfügt über ein scheibenförmiges Drehventil 53 mit drei Verbindungskanälen 54a, 54b, 54c, die benachbarte Anschlüsse 2, 13, 52b, 6, 5, 52a miteinander verbinden können.
In der Stellung des Drehventils 53 von 5a kann gerade flüssige Probe vom Injektionsanschluss 5 über den Verbindungskanal 54a und Öffnung 52a in den Probenspeicher 51 eingefüllt werden. Der Probenspeicher 51 ist als eine spiralförmige Kapillare ausgebildet. Überschüssige flüssige Probe fließt über die Öffnung 52b und Verbindungskanal 54c in den Abfallbehälter 6 ab.
Gleichzeitig wird Transportlösungsmittel von der Pumpe 2 über den Verbindungskanal 54b zum Detektor 13 geleitet.
In der Stellung des Drehventils 53 von 5b wird Probe in das System eingespeist. Das Drehventil 53 wurde gegenüber 5a um 60° nach rechts (im Uhrzeigersinn) gedreht. Von der Pumpe 2 wird nun Transportlösungsmittel über den Verbindungskanal 54b in den Probenspeicher 51 geleitet. Die im Probenspeicher 51 zuvor eingebrachte flüssige Probe wird herausgedrückt, und zwar über Verbindungskanal 54a zum Detektor 13.
Die 6a bis 6c illustrieren das Verschmieren von flüssigen Proben während der Fortbewegung in Kapillaren unter verschiedenen Bedingungen. 6a repräsentiert eine typische große Kapillare 61, 6b repräsentiert zwei kleine Kapillaren 62a, 62b, deren Querschnittsfläche in Summe der Querschnittsfläche der großen Kapillare 61 von 6a entspricht, und 6c repräsentiert eine große Kapillare 63 wie in 6a, jedoch mit einer hydrophoben Innenoberfläche (etwa in Folge einer Beschichtung).
Eine dünne, scheibenförmige Probe (etwa erzeugt durch eine NMR-Anregung in nur einem scheibenförmigen Bereich in der Kapillare) wird von nachfolgendem Transportlösungsmittel jeweils durch die Kapillaren geschoben, in den 6a bis 6c von oben nach unten. Es wurde in 6a, 6b, 6c jeweils gleich viel Lösungsmittelvolumen über einen gleichen Zeitraum nachgeschoben, in 6b gleichmäßig verteilt auf die zwei parallelen Kapillaren 62a, 62b.
Dabei kann in allen Fällen beobachtet werden, dass die Probe verschmiert. Es stellt sich ein näherungsweise parabelförmiges Profil der flüssigen Probe ein. In der Kapillarmitte kommt die Probe schneller voran, während am Kapillarrand die Probe nur langsam vorankommt.
Die Verschmierung ist bei der unbeschichteten, großen Kapillare 61 von 6a am größten. Durch die Verwendung einer hydrophoben Innenbeschichtung kann die Verschmierung verkleinert werden (vgl. 6c), und auch durch die Verteilung des Flüssigkeitstransports auf mehrere (hier zwei) Kapillaren 62a, 62b kann die Verschmierung erfindungsgemäß vermindert werden.
Nachfolgende Tabelle gibt experimentell ermittelte, quantitative Werte für den Verschmierungsgrad in einer Einzelkapillare und einer Doppelkapillare (Dual-Lumen-Kapillare) an. Dabei wird die Position der Spitze der Probenfront verglichen mit der Position einer ebenen Probenlinie einer hypothetischen, völlig unverschmierten Probe („Plug flow") bei einer bestimmten Menge nachgeschobenen Lösungsmittels.
Durch den Ersatz einer einzelnen, großen Kapillare von 512 μm Durchmesser durch zwei kleinere Kapillaren von je 0,363 μm kann – bei gleicher gesamter Querschnittsfläche, die für den Fluss zur Verfügung steht – die Verschmierung um deutlich (um ca. 43%) reduziert werden.
Zusammenfassend beschreibt die Erfindung eine Messapparatur zur Untersuchung flüssiger Proben, wobei die flüssigen Proben mittels einer Leitung von einer Einspeisungseinrichtung zu einem Messort verbracht werden. Die Leitung ist dabei größtenteils als Polykapillarbereich ausgebildet, in dem mehrere Kapillaren parallel den Transport von flüssiger Probe und Transportlösungsmittel übernehmen. Die einzelnen Kapillaren sind so ausgebildet, dass sie von flüssiger Probe in gleicher Zeit durchflossen werden.
Im einfachsten Fall sind dazu die Kapillaren identisch ausgebildet, so dass sich in allen Kapillaren eine gleiche Fließgeschwindigkeit einstellt, und die Kapillaren haben identische Längen. Die mehreren Einzelkapillaren können mit geringerem Innendurchmesser ausgestattet werden als eine einzige Kapillare entsprechender Gesamtquerschnittsfläche. Dadurch wird ein Verlaufen der flüssigen Probe vermindert. Die höhere Probenkonzentration nach der Überführung zum Messort verbessert das SNR der Analyse.

Claims

Apparatur zur Analyse einer in einem Lösungsmittel gelösten Messsubstanz, aufweisend eine Leitung (4) zum Transport der gelösten Messsubstanz von einer Einspeisungseinrichtung (3) zu einem Messort (12), wobei die Einspeisungseinrichtung (3) dazu ausgebildet ist, wahlweise ein Transportlösungsmittel oder gelöste Messsubstanz in die Leitung (4) einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) zwischen Einspeisungseinrichtung (3) und Messort (12) zum größten Teil als Polykapillarbereich (9) ausgebildet ist, der N parallel angeschlossene, rohrförmig ausgebildete Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) aufweist, so dass die Probe auf die einzelnen Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) aufgeteilt und am Ende des Polykapillarbereichs (9) wieder vereint wird, wobei sich für die einzelnen Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) identische Durchflusszeiten von der Einspeisungseinrichtung (3) zum Messort (12) ergeben, dass N > 2, und dass die Flüsse der einzelnen Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) vor dem Messort (12) vereint werden.
Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) identische Innendurchmesser und identische Längen aufweisen.
Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge einer einzelnen Kapillare (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) angepasst ist an die Durchflussgeschwindigkeit in dieser Kapillare (21a, 21b, 21c; 62a, 62b).
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) vor dem Polykapillarbereich (9) eine Chromatographiesäule (11) enthält.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) am Messort (12) in eine Messzelle mündet.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) eine hydrophobe Innenbeschichtung aufweisen.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) im Polykapillarbereich (9) zwischen 3 und 7 beträgt.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) zwischen 50 μm und 500 μm beträgt.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kunststoffummantelung (22) vorhanden ist, in der die Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) verlaufen.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) bereichsweise einzeln durch Bohrungen (24a, 24b, 24c; 24d) von Führungselementen (23) geführt sind.
Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Polykapillarbereichs (9) ein Verteilerelement (8) auf die N Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) vorhanden ist.
Apparatur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verteilerelement (8) die N Kapillaren (21a, 21b, 21c; 62a, 62b) symmetrisch um eine Mittelachse (38) und mit identischem Abstand zur Mittelachse (38) angeordnet sind.
Verwendung einer Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Probenzuführung zu einem NMR-Spektrometer oder zu einer UV-Detektionsapparatur.
Verwendung einer Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Vermindern des Verlaufens einer flüssigen Probe zwischen Einspeisungseinrichtung (3) und Messort (12).