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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ähnliche
Probleme treten auch bei anderen Messverfahren an flüssigen Proben,
wie bei UV(ultra violett)-Absorption oder UV-Floureszenz, auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Apparatur
kann aufgrund des geringeren Verschmierens auch schneller und mit
weniger Reinigungs- und Spülflüssigkeit
gereinigt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Leitung vor dem Polykapillarbereich eine Chromatographiesäule. Mit
der Chromatographiesäule
können
verschiedene Bestandteile einer Probe voneinander getrennt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist eine Kunststoffummantelung vorhanden, in der die Kapillaren
verlaufen. Die Kunststoffummantelung schützt gemeinsam die Kapillaren
des Polykapillarbereichs vor Beschädigungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ebenfalls
in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Apparatur
zum Vermindern des Verlaufens einer flüssigen Probe zwischen Einspeisungseinrichtung
und Messort.
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Weitere
Vorteile der Apparatur ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung.
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Die
Apparatur ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Apparatur mit einer Leitung, die einen Polykapillarbereich aufweist;
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2 eine
schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Polykapillarbereichs
einer Leitung, wie sie in der Apparatur verwendet wird;
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3a ein
Verteilerelement in schematischer Seitenansicht;
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3b das
Verteilerelement von 3a mit eingeklemmten Führungselement
und Kapillaren;
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4a–4e schematische
Querschnittsdarstellungen durch Führungselemente;
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5a eine
schematische Darstellung einer Einspeisungseinrichtung in einer
Ventilstellung zur Befüllung
eines Probenpuffers;
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5b die
Einspeisungseinrichtung von 5a in
einer Ventilstellung zur Einspeisung Probe aus dem Probenpuffer
in die Leitung zum Detektor;
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6a eine
schematische Darstellung eines Flussprofils bei einer großen Kapillare;
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6b eine
schematische Darstellung der Flussprofile von zwei Kapillaren mit
in Summe gleicher Querschnittsfläche
wie die große
Kapillare von 6a;
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6c eine
schematische Darstellung des Flussprofil einer Kapillare mit gleichem
Durchmesser wie die Kapillare von 6a, aber
mit hydrophober Innenbeschichtung.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Apparatur zur Untersuchung
einer in einem Lösungsmittel
gelösten
Messsubstanz mittels instrumenteller Analytik, insbesondere mittels NMR-Spektrometrie.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Als
Material für
ein Verteilerelement 8 hat sich PEEK bewährt.
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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.
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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.
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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.
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Weiterhin
verfügt
der Probenspeicher 51 über
zwei Zugangsöffnungen 52a, 52b.
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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.
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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.
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Gleichzeitig
wird Transportlösungsmittel
von der Pumpe 2 über
den Verbindungskanal 54b zum Detektor 13 geleitet.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.