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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lösungsmittel-Zuführsystem
sowie ein Separationssystem. Des weiteren betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Betrieb eines Lösungsmittel-Zuführsystems.
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Die
europäische Patentanmeldung
EP 1707958 beschreibt
ein Lösungsmittelzuführsystem mit einem Lösungsmittelflusspfad
zum Fördern eines Lösungsmittels, welcher eine
Dosiervorrichtung mit einem Kolben umfasst. Eine Variation eines
im Lösungsmittelflusspfad (oder Teilen davon) befindlichen Lösungsmittelvolumens
kann beispielsweise durch eine Variation des Lösungsmitteldrucks
hervorgerufen werden. Das Lösungsmittelzuführsystem
umfasst eine Steuereinheit zur Steuerung der Kolbenbewegung der
Dosiervorrichtung, wobei die Variation des Lösungsmittelvolumens
durch eine entsprechende Korrekturbewegung des Kolbens ausgeglichen
wird.
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Die
internationale Patentanmeldung
WO 2006103133 bezieht
sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Kolbenbewegung in einer
Dosiervorrichtung. Entsprechend dem Verfahren wird ein Fluid gefördert,
indem der Kolben einer Dosiervorrichtung bewegt wird. Dabei wird
durch eine Kompression oder Expansion des Fluids eine entsprechende
Temperaturvariation hervorgerufen. Entsprechend dem Verfahren wird
der Kolbenbewegung eine Korrekturbewegung überlagert, welche
eine durch die Temperaturvariationen hervorgerufene thermische Expansion und/oder
Kontraktion des Fluids zumindest teilweise ausgleicht.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE
10 2007 000 518 , welche am 17. Oktober 2007 eingereicht wurde,
beschreibt eine Reduzierung von Störungen in einem chromatografischen
System. Zur Trennung von Komponenten einer in eine mobile Phase
eingebrachten Probenflüssigkeit wird die mobile Phase durch
eine stationäre Phase durchgeführt. Dabei erfolgt
die Reduzierung von Störungen durch Auskoppeln einer in
der mobilen Phase laufenden lokalen Störung, bevor diese
die stationäre Phase erreicht.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Lösungsmittel-Zuführsystem
zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen
ausgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Lösungsmittel-Zuführsystem
umfasst einen ersten Lösungsmittel-Flusspfad, welcher eine
erste Dosiervorrichtung mit einem Kolben aufweist, wobei der erste
Lösungsmittel-Flusspfad dazu ausgelegt ist, einen Fluss
von erstem Lösungsmittel zu liefern. Außerdem
umfasst das Lösungsmittel-Zuführsystem eine Probeninjektionseinheit,
die dem ersten Lösungsmittel-Flusspfad nachgeordnet ist
und die dazu ausgelegt ist, ein Probenvolumen in den Fluss von erstem
Lösungsmittel oder einen davon abgeleiteten Fluss einzukoppeln. Dabei
tritt eine Volumeneinbuße des Probenvolumens ein, sobald
das Probenvolumen beim Einkoppeln einem Systemdruck des jeweiligen
Flusses in der Probeninjektionseinheit ausgesetzt ist. Das Lösungsmittel-Zuführsystem
umfasst darüber hinaus eine Kontrolleinheit, die dazu ausgelegt
ist, einer Kolbenbewegung der ersten Dosiervorrichtung einen Korrekturvorschub
zum Ausgleich der Volumeneinbuße aufzuprägen.
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Insbesondere
bei hohen Systemdrücken führt das Einkoppeln des
Probenvolumens zu Störungen, weil das Probenvolumen beim
Einkoppeln plötzlich dem Systemdruck ausgesetzt wird, der
sich beispielsweise im Bereich von mehreren hundert bis mehreren
tausend bar bewegen kann. Durch die mit dem Einkoppeln einhergehende
starke Kompression des Probenvolumens kommt es zu einer schlagartigen
Expansion des unter Druck stehenden Systemvolumens. Beispielsweise
werden besonders hohe Drücke bevorzugt eingesetzt in schnellen
Analysesystemen, welche zur schnellen Durchführung von Analysen
auf geringe Volumina und dadurch reduzierte hydraulische Kapazitäten
optimiert sind. Die Amplitude einer Druckstörung durch
Expansion auf ein gegebenes Volumen aber ist invers proportional zur
hydraulischen Kapazität. Moderne Systeme sind deshalb systematisch
geneigt, in Reaktion auf die notwendige starke Kompression des Probenvolumens
mit großen Störungen im Systemdruck zu antworten.
Beispielsweise kann die Volumeneinbuße eines relativ zur
Kapazität gesehen großen Probenvolumens zu einem
kurzfristigen Einbruch des Systemdrucks im gesamten fluidischen
System führen. Falls Lösungsmittelgemische verwendet
werden, können beispielsweise auch signifikante Störungen
der geförderten Lösungsmittelzusammensetzung auftreten.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung werden diese
Probleme beim Einkoppeln eines Probenvolumens vermieden, indem der
Kolbenbewegung der ersten Dosiervorrichtung beim Einkoppeln oder
kurz nach dem Einkoppeln des Probenvolumens in den Lösungsmittelfluss
eine zusätzliche Vorwärtsverschiebung überlagert
wird, die der zu erwartenden Volumeneinbuße entspricht.
Dabei kann der Korrekturvorschub beispielsweise erzeugt werden durch
einen absoluten Weg (Positionsdifferenz) oder durch das zeitliche
Integral einer Korrekturgeschwindigkeit (mit beliebiger Kurvenform).
Dadurch wird die Volumeneinbuße kompensiert, und das Probenvolumen kann
ohne Druckdiskontinuitäten oder mit stark reduzierten Druckdiskontinuitäten
eingekoppelt werden. Die durch das Einkoppeln der Probe verursachten Störungen
beispielsweise des Drucks und der Lösungsmittelzusammensetzung,
können so vermieden oder zumindest stark reduziert werden.
Als Folge davon wird die Lösungsmittelzufuhr stabilisiert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist der Korrekturvorschub
dazu ausgelegt, einen durch die Volumeneinbuße des Probenvolumens
verursachten Druckabfall des Systemdrucks im Lösungsmittel-Zuführsystem
zu verringern oder zu vermeiden. Dadurch ist es möglich,
auch beim Einkoppeln der Probe einen konstanten Druck am Ausgang des
Lösungsmittel-Zuführsystems aufrechterhalten.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird der Korrekturvorschub
basierend auf der Volumeneinbuße bestimmt. Dabei ist es
insbesondere von Vorteil, wenn die Volumeneinbuße des in
den Fluss von Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch eingekoppelten
Probenvolumens in Abhängigkeit vom Probenvolumen, von der
Kompressibilität des Probenvolumens und der Druckdifferenz
zwischen dem anfänglichen Druck auf das Probenvolumen und dem
Systemdruck ermittelt wird. Die Kompressibilität des Probenvolumens
ist bekannt bzw. kann vorab ermittelt werden. Gleichfalls kann beispielsweise
auch die mechanische Elastizität jener Komponenten berücksichtigt
werden, die beim Einkoppeln des Probenvolumens eine Druckänderung
erfahren.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist der erste Lösungsmittel-Flusspfad
dazu ausgelegt, das erste Lösungsmittel an eine Mischereinheit zu
liefern.
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Darüber
hinaus umfasst das Lösungsmittel-Zuführsystem
einen zweiten Lösungsmittel-Flusspfad, der eine zweite
Dosiervorrichtung mit einem Kolben aufweist und dazu ausgelegt ist,
ein zweites Lösungsmittel an die Mischereinheit zu liefern.
Die Mischereinheit ist dazu ausgelegt, das erste und das zweite
Lösungsmittel zu mischen und einen Fluss dieses Lösungsmittelgemischs
an die Probeninjektionseinheit zu liefern. Die Probeninjektionseinheit
ist der Mischereinheit nachgeordnet und dazu ausgelegt, ein Probenvolumen
in den Fluss des Lösungsmittelgemischs einzukoppeln. Die
Kontrolleinheit ist dazu ausgelegt, der Kolbenbewegung der ersten
Dosiervorrichtung einen ersten Korrekturvorschub aufzuprägen
und einer Kolbenbewegung der zweiten Dosiervorrichtung einen zweiten
Korrekturvorschub aufzuprägen.
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Bei
dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst das Lösungsmittel-Zuführsystem
einen ersten Lösungsmittel-Flusspfad, einen zweiten Lösungsmittel-Flusspfad
sowie eine Mischereinheit zum Mischen des ersten und des zweiten
Lösungsmittels und zum Erzeugen eines Lösungsmittelgemischs.
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Bei
dieser Ausführungsform der Erfindung wurde die beim Einkoppeln
des Probenvolumens auftretende Volumeneinbuße bisher durch
eine Expansion der in den Lösungsmittel-Flusspfaden befindlichen
Lösungsmittelvolumina aufgefüllt, was zu einer
Entlastung und damit zum Druckeinbruch führte. Dadurch
kam es zu einer Störung der Lösungsmittelzusammensetzung
in der Mischereinheit, weil in Reaktion auf die Druckdynamik die
Volumeneinbuße quasi aufgefüllt wurde aus Einzelvoluminas,
welche sich verteilen auf die einzelnen Lösungsmittel-Flusspfade
entsprechend der Kapazitäten, sprich Kompressibilitäten,
in eben diesen Flusspfaden. Beispielsweise sind bei Lösungsmittelgemischen
aus Wasser und organischem Lösungsmittel kurzfristige Zusammensetzungsfehler
signifikanter Größenordung beim Einkoppeln des
Probenvolumens aufgetreten, sodass selbst nach der Mischeinheit
noch Zusammensetzungsfehler von bis zu 1% auftreten. Insbesondere
zum Beispiel bei Verwendung im Bereich der Probenanalyse beeinträchtigen
derartige Störungen die Genauigkeit der Resultate.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird die Volumeneinbuße
beim Einkoppeln des Probenvolumens durch Aufprägen eines
ersten Korrekturvorschubs auf den Kolben der ersten Dosiervorrichtung
und eines zweiten Korrekturvorschubs auf den Kolben der zweiten
Dosiervorrichtung dergestalt kompensiert, dass beide Korrekturvorschübe
genau die geforderte Zusammensetzung ergeben. Dadurch wird insbesondere
auch verhindert, dass eine Zusammensetzungsstörung des
Lösungsmittelgemischs auftritt. Durch die zusätzlichen
Korrekturvorschübe beim Einkoppeln der Probe wird die Genauigkeit
der gelieferten Lösungsmittelzusammensetzung verbessert.
Die hierzu notwendigen Korrekturvorschübe können
beispielsweise erzeugt werden durch einen absoluten Weg (Positionierdifferenz) oder
durch das zeitliche Integral von Korrekturgeschwindigkeiten (mit
beliebiger Kurvenform).
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Korrekturvorschub
und der zweite Korrekturvorschub dazu ausgelegt, einer Zusammensetzungsstörung
des am Ausgang der Mischereinheit erhaltenen Lösungsmittelgemischs
entgegenzuwirken, wobei die ansonsten auftretende Zusammensetzungsstörung
verursacht ist durch ein vom ersten Lösungsmittel-Flusspfad
zur Verfügung gestelltes zusätzliches erstes Volumen
und ein vom zweiten Lösungsmittel-Flusspfad zur Verfügung
gestelltes zusätzliches zweites Volumen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist die Kontrolleinheit dazu
ausgelegt, die Kolbenbewegungen der ersten und der zweiten Dosiervorrichtung
dergestalt zu steuern, dass eine Zusammensetzungsstörung
des Lösungsmittelgemischs vermieden wird. Wenn der erste
und der zweite Korrekturvorschub zeitgleich oder annähernd
zeitgleich mit dem Einkoppeln der Probe erfolgen, kann das Entstehen
der Zusammensetzungsstörung an der Ursache bekämpft
und vermieden werden. Aber auch beispielsweise eine zeitnahe Korrektur
ist noch hilfreich und wertvoll, weil Störung und Korrektur
dann in einem geringen Volumen enthalten sind und deshalb eine kleine
Mischeinheit oder gar nur das Volumen der Verbindung zum Restsystem
ausreicht, um die Störung mit der Korrektur zu vermischen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform werden der erste Korrekturvorschub
der ersten Dosiervorrichtung und der zweite Korrekturvorschub der zweiten
Dosiervorrichtung bestimmt in Abhängigkeit von der Volumeneinbuße
und dem aktuell geforderten Mischungsverhältnis des ersten
und des zweiten Lösungsmittels am Ausgang der Mischereinheit.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis eines
durch den ersten Korrekturvorschub verdrängten Volumens
von erstem Lösungsmittel und eines durch den zweiten Korrekturvorschub
verdrängten Volumens von zweitem Lösungsmittel
im Wesentlichen gleich ist zu einem aktuellen Mischungsverhältnis des
ersten und des zweiten Lösungsmittels am Ausgang der Mischereinheit.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist das erste Lösungsmittel
Wasser, und das zweite Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel,
vorzugsweise Methanol oder Acetonitril. Bei Verwendung eines Gemischs
aus Wasser und organischem Lösungsmittel wird die Elutionskraft
im Wesentlichen vom Anteil an organischem Lösungsmittel
bestimmt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kontrolleinheit
dazu ausgelegt, das Mischungsverhältnis von erstem und
zweitem Lösungsmittel in dem Lösungsmittelgemisch
entsprechend einem Gradienten zu variieren. Hierzu wird beispielsweise
der Gradient auf das geforderte Korrekturvolumen umgerechnet und
entsprechend während der Ausführung der Korrektur
auf die beiden Dosiervorrichtungen verteilt. Entsprechend einer
alternativen Ausführungsform ist die Kontrolleinheit dazu
ausgelegt, das Mischungsverhältnis von erstem und zweitem
Lösungsmittel in dem Lösungsmittelgemisch im Wesentlichen konstant
zu halten als Funktion der Zeit.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Dosiervorrichtung
als dual-serielle Pumpvorrichtung ausgebildet, welche eine primäre
Kolbenpumpe und eine sekundäre Kolbenpumpe umfasst, wobei
die primäre Kolbenpumpe und die sekundäre Kolbenpumpe
in Serie fluidisch verbunden sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird während einer
Förderphase der primären Kolbenpumpe ein Korrekturvorschub
auf den Kolben der primären Kolbenpumpe aufgeprägt.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform wird während
einer Förderphase der sekundären Kolbenpumpe ein Korrekturvorschub
auf den Kolben der sekundären Kolbenpumpe aufgeprägt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist der Systemdruck im Bereich
zwischen 200 bar und 1500 bar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Lösungsmittel-Zuführsystem
mindestens einen Aktuator, der dazu ausgelegt ist, einen Korrekturvorschub
auf die Kolbenbewegung von mindestens einer Dosiervorrichtung aufzuprägen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
handelt es sich bei dem Aktuator um ein Piezoelement. Das Piezoelement
kann beispielsweise in oder an der Dosiervorrichtung angeordnet
sein. Durch Anlegen eines Spannungspulses an das Piezoelement kann beispielsweise
ein Korrekturvorschub auf die Kolbenbewegung aufgeprägt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist das Lösungsmittel-Zuführsystem
dazu ausgelegt, einem Separationsgerät einen Fluss eines
Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemischs zu liefern,
wobei das Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch
als mobile Phase zum Trennen von Komponenten einer Probe verwendet
wird. Eine exakte und reproduzierbare Zusammensetzung des Lösungsmittelgemischs ist
Voraussetzung für eine Analyse der Komponenten einer Probe.
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Ein
Separationssystem gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Lösungsmittel-Zuführsystem
wie weiter oben beschrieben sowie ein Separationsgerät,
wobei das Lösungsmittel-Zuführsystem mit dem Separationsgerät fluidisch
gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, dem Separationsgerät
einen Fluss eines Lösungsmittels oder eines Lösungsmittelgemischs
zu liefern, und wobei das Separationsgerät dazu ausgelegt
ist, Komponenten einer Probe zu trennen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist das Separationssystem
eines von: ein Flüssigkeitschromatografiesystem, ein Elektrophoresesystem,
ein Elektrochromatografiesystem.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Lösungsmittel-Zuführsystems
umfasst das Fördern eines ersten Lösungsmittels
mittels einer ersten Dosiervorrichtung, die Teil eines ersten Lösungsmittel-Flusspfads
ist, das Erzeugen eines Flusses von erstem Lösungsmittel,
und das Einkoppeln eines Probenvolumens in den Fluss von erstem
Lösungsmittel oder einen davon abgeleiteten Fluss. Dabei
tritt eine Volumeneinbuße des Probenvolumens ein, sobald
das Probenvolumen einem Systemdruck des jeweiligen Flusses ausgesetzt
ist. Außerdem umfasst das Verfahren das Ausgleichen der
Volumeneinbuße durch Aufprägen eines Korrekturvorschubs auf
eine Kolbenbewegung der ersten Dosiervorrichtung. Dies kann geschehen
dergestalt, dass eine erwartete Volumeneinbuße durch einen
vorher bestimmten Vorschub ausgeglichen wird. Bei einem gradientenbildenden
Lösungsmittel-Zuführsystems wird der korrigierende
Vorschub der Einzel-Flusspfade beispielsweise dergestalt aufgeteilt,
dass sich in der Folge nach dem Mischpunkt die erwartete Lösungsmittel-Zusammensetzung
ergibt.
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Die
Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens kann ganz
oder teilweise mit Hilfe einer Software erfolgen, die auf einem
Datenträger gespeichert ist oder anderweitig zur Verfügung
gestellt wird und die durch eine geeignete Datenverarbeitungseinheit
ausgeführt werden kann. Softwareprogramme werden vorzugsweise
eingesetzt zur Steuerung der Kolbenbewegung von mindestens einer
Dosiervorrichtung.
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Die
Erfindung wird im folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnung
erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche
oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.
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1 zeigt
ein Separationssystem zur Auftrennung einer Probe;
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2 zeigt
ein Lösungsmittelzuführsystem mit einem ersten
Lösungsmittelflusspfad und einem zweiten Lösungsmittelflusspfad;
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3 stellt dar, wie ein Probenvolumen in den
Separationsflusspfad eingekoppelt wird;
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4 zeigt
den Systemdruck als Funktion der Zeit für ein Separationssystem
des Standes der Technik;
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5 zeigt die Entstehung einer Zusammensetzungsstörung
beim Einkoppeln eines Probenvolumens in den Separationsflusspfad;
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6 stellt
den Systemdruck und die Lösungsmittelzusammensetzung als
Funktion der Zeit dar;
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7 zeigt,
wie die Zusammensetzungsstörung die Retentionszeiten der
Probenbestandteile beeinflusst;
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8 zeigt
ein Chromatographiespektrum mit einer Vielzahl von Peaks; und
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9 stellt die jeweiligen Kolbenpositionen der
primären Kolbenpumpen als Funktion der Zeit dar.
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In 1 ist
ein Separationssystem zum Auftrennen der Komponenten einer Probe
gezeigt. Das Separationssystem umfasst einen ersten Lösungsmittelflusspfad 100 mit
einer ersten Pumpvorrichtung 101, welche einen Strom von
Lösungsmittel A an eine Mischereinheit 104 liefert.
Des Weiteren umfasst das Separationssystem einen zweiten Lösungsmittelflusspfad 102 mit
einer zweiten Pumpvorrichtung 103, welcher der Mischereinheit 104 einen
Strom von Lösungsmittel B liefert. In der Mischereinheit 104 wird das
Lösungsmittel A mit dem Lösungsmittel B gemischt,
so dass am Ausgang der Mischereinheit 104 ein Strom eines
Lösungsmittelgeschmischs erhalten wird. Dieses Lösungsmittelgemisch
wird über die Probeninjektionseinheit 105 der
Trennsäule 106 als mobile Phase zugeführt.
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In
der Probeninjektionseinheit 105 kann ein Volumen einer
Probenflüssigkeit in den Strom des Lösungsmittelgemischs
eingekoppelt werden. Dabei wird eine Zone von Probenflüssigkeit,
ein sogenannter „Plug", gebildet. Der Probenplug wird durch
die mobile Phase zur Trennsäule 106 transportiert.
Beim Durchlaufen der Trennsäule 106 werden die
verschiedenen Komponenten der Probe infolge ihrer Wechselwirkung
mit der stationären Phase unterschiedlich stark verzögert,
so dass die Probe in ihre verschiedenen Komponenten aufgetrennt
wird. Die nacheinander am Ausgang der Trennsäule 106 erscheinenden
Komponenten der Probe werden einer Detektionseinheit 107 zugeführt,
welche die verschiedenen Komponenten als Funktion der Zeit detektiert.
Bei der Detektionseinheit 107 kann es sich beispielsweise
um einen Fluoreszenzdetektor, einen UV-Absorptionsdetektor oder
einen Brechungsindex-Detektor handeln. Wenn eine Bande mit einer bestimmten
Probenkomponente die Detektionseinheit 107 passiert, kommt
es zur Ausbildung eines entsprechenden Peaks im Ausgangssignal der
Detektionseinheit 107. Aus dem Zeitpunkt, zu dem ein jeweiliger
Peak auftritt, kann unmittelbar die Retentionszeit der jeweiligen
Komponente erhalten werden.
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Das
Separationssystem kann beispielsweise in einem isokratischen Betriebsmodus
eingesetzt werden. Beim isokratischen Betriebsmodus wird der Trennsäule 106 ein
Strom eines Lösungsmittelgemischs zugeführt, wobei
die relativen Anteile von Lösungsmittel A und Lösungsmittel
B im Lösungsmittelgemisch als Funktion der Zeit konstant
bleiben. Im isokratischen Betriebsmodus kann zwar die Lösungsmittelzusammensetzung
beliebig gewählt werden, die einmal festgelegte Zusammensetzung
kann allerdings nicht als Funktion der Zeit variieren.
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Alternativ
dazu kann das Separationssystem beispielsweise in einem Gradientenmodus
betrieben werden. Im Gradientenmodus wird dann z. B. die Zusammensetzung
des Lösungsmittelgemischs, also die relativen Anteile von
Lösungsmittel A und Lösungsmittel B im Lösungsmittelgemisch,
kontinuierlich als Funktion der Zeit variiert. Bei dem Lösungsmittel
A kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, während
als Lösungsmittel B ein organisches Lösungsmittel
wie beispielsweise Methanol oder Acetonitril verwendet werden kann.
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Zur
Analyse einer Probe wird die zu untersuchende Probe in den Separationsflusspfad
eingekoppelt und somit mit dem strömenden Lösungsmittelgemisch
zur Trennsäule 106 transportiert. Ein Großteil der
Probenkomponenten wird zunächst am oberen Ende der Trennsäule 106 getrappt.
Anschließend wird der Trennsäule 106 ein
Lösungsmittelgradient zugeführt. Zu Beginn des
Lösungsmittelgradienten ist der relative Anteil von Wasser
relativ hoch. Anschließend wird während eines
vorher festgelegten (programmierten) Zeitintervalls der prozentuale
Anteil von organischem Lösungsmittel im Lösungsmittelgemisch
kontinuierlich erhöht. Infolge des steigenden Anteils von
organischem Lösungsmittel im Lösungsmittelgemisch
steigt die Elutionskraft des Lösungsmittelgemischs kontinuierlich
an. Dadurch werden die verschiedenen Komponenten der Probe nacheinander
zum Ausgang der Trennsäule 106 gespült.
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2 zeigt
eine detailliertere Darstellung eines Lösungsmittel-Zuführsystems
für ein Separationssystem. Der erste Lösungsmittelflusspfad
für Lösungsmittel A umfasst ein Reservoir 200 für
Lösungsmittel A, eine erste Pumpeneinheit 201 und
eine erste Zuführleitung 202. Der zweite Lösungsmittelflusspfad für
Lösungsmittel B umfasst ein Reservoir 203 für
Lösungsmittel B, eine zweite Pumpeneinheit 204 und eine
zweite Zuführleitung 205. Sowohl die erste Zuführleitung 202 als
auch die zweite Zuführleitung 205 sind mit einer
Mischereinheit 206 fluidisch verbunden.
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Entsprechend
den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die
Pumpeneinheiten 201, 204 als periodisch arbeitende
Pumpeneinheiten ausgebildet. Vorzugsweise umfasst jede der Pumpeneinheiten 201, 204 mindestens
eine Kolbenpumpe. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform ist beispielsweise jede der Pumpeneinheiten 201, 204 als
dual-serielle Pumpvorrichtung realisiert, welche zwei in Serie geschaltete
Kolbenpumpen umfasst.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise einer dual-seriellen Pumpvorrichtung
am Beispiel der ersten Pumpeneinheit 201 beschrieben. Die
erste Pumpeneinheit 201 umfasst eine primäre Kolbenpumpe 207 mit
einem primären Kolben 208, einem Eingangsventil 209 und
einem Ausgangsventil 210 sowie eine sekundäre
Kolbenpumpe 211 mit einem sekundären Kolben 212.
Bei der sekundären Kolbenpumpe 211 sind Eingangs-
oder Ausgangsventile nicht zwingend erforderlich. Die primäre
Kolbenpumpe 207 ist mit der sekundären Kolbenpumpe 211 in Serie
fluidisch verbunden. Etwas vereinfacht dargestellt, werden der primäre
Kolben 208 und der sekundäre Kolben 212 im
Wesentlichen um 180° phasenverschoben angetrieben, wobei
der sekundäre Kolben 212 im Vergleich zum primären
Kolben 208 mit halber Geschwindigkeit bewegt wird. Daher
ist die Förderrate der primären Kolbenpumpe 207 etwa doppelt
so groß wie die Förderrate der sekundären Kolbenpumpe 211.
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Während
der Ansaugphase des primären Kolbens 208 ist das
Eingangsventil 209 geöffnet, während
das Ausgangsventil 210 geschlossen ist. Der primäre
Kolben 208 bewegt sich nach unten, wie durch Pfeil 213 dargestellt,
und aus dem Reservoir 200 wird Lösungsmittel A
in die primäre Kolbenpumpe 207 mit einer Rate
eingesaugt, die dem Doppelten der nominalen Flussrate der ersten
Pumpeneinheit 201 entspricht. Währenddessen bewegt
sich der sekundäre Kolben 212 der sekundären
Kolbenpumpe 211 nach oben, wie durch Pfeil 214 veranschaulicht ist.
Der sekundäre Kolben 212 liefert Lösungsmittel
A an das System, und zwar mit der nominalen Flussrate. Dadurch wird
während der Ansaugphase des primären Kolbens 208 am
Ausgang der sekundären Kolbenpumpe 211 ein Lösungsmittelfluss
mit der nominalen Flussrate erzeugt.
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Sobald
die primäre Kolbenpumpe 207 mit Lösungsmittel
gefüllt ist, wird das Eingangsventil 209 geschlossen.
Der primäre Kolben 208 beginnt sich nach oben
zu bewegen, wie durch den Pfeil 215 veranschaulicht ist,
während sich der sekundäre Kolben 212 entsprechend
dem Pfeil 216 nach unten bewegt. Zuerst komprimiert der
primäre Kolben 208 das im Pumpenraum befindliche
Lösungsmittel A, bis der benötigte Systemdruck
erreicht ist, welcher sich beispielsweise im Bereich von mehreren
100 bar bis hin zu mehreren 1000 bar bewegen kann. Sobald der Systemdruck
erreicht ist, öffnet sich das Ausgangsventil 210,
und die primäre Kolbenpumpe 207 liefert der sekundären
Kolbenpumpe 211 einen Lösungsmittelstrom mit der
zweifachen nominalen Flussrate der ersten Pumpeneinheit 201.
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Während
der Förderphase fördert der primäre Kolben 208 Lösungsmittel
mit der zweifachen nominalen Flussrate. Allerdings bewegt sich der
sekundäre Kolben 212 während der Förderphase
nach unten, so dass die Hälfte des von der primären
Kolbenpumpe 207 geförderten Flusses von der sekundären Kolbenpumpe 211 aufgenommen
wird. Auf diese Weise wird die Pumpenkammer der sekundären
Kolbenpumpe aufgefüllt. Die verbleibende Hälfte
des von der primären Kolbenpumpe 207 geförderten Flusses
erscheint am Ausgang der sekundären Kolbenpumpe 211.
Am Ausgang der sekundären Kolbenpumpe 211 erhält
man daher einen Strom von Lösungsmittel A mit der nominalen
Flussrate.
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Die
zweite Pumpeneinheit 204 ist ebenfalls als dual-serielle
Pumpvorrichtung ausgebildet und umfasst eine primäre Kolbenpumpe 217 mit
einem primären Kolben 218, ein Einlassventil 219,
ein Auslassventil 220 sowie eine sekundäre Kolbenpumpe 221 mit
einem sekundären Kolben 222. Der primäre Kolben 218 und
der sekundäre Kolben 222 werden in etwa mit einer
relativen Phasenverschiebung von 180° zueinander angetrieben,
wobei der sekundäre Kolben 222 mit der halben
Geschwindigkeit des primären Kolbens 218 bewegt
wird.
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In
der Mischereinheit 206 wird der von der Zuführleitung 202 bereitgestellte Fluss
von Lösungsmittel A mit dem von der Zuführleitung 205 bereitgestellten
Fluss von Lösungsmittel B gemischt. Am Ausgang 223 der
Mischereinheit 206 erhält man ein Lösungsmittelgemisch
mit einem bestimmten prozentualen Anteil von Lösungsmittel
A und einem bestimmten prozentualen Anteil von Lösungsmittel
B. Wie bereits beschrieben, kann es sich bei Lösungsmittel
A beispielsweise um Wasser handeln, wohingegen als Lösungsmittel
B beispielsweise ein organisches Lösungsmittel wie z. B.
Acetonitril oder Methanol verwendet werden kann.
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In
den 3A und 3B ist
dargestellt, wie ein Probenvolumen in den Separationsflusspfad eingekoppelt
werden kann. Das in den 3A und 3B dargestellte
Separationssystem umfasst einen ersten Lösungsmittelflusspfad 300 für
Lösungsmittel A, beispielsweise Wasser, mit einer ersten
Dosiervorrichtung 301, sowie einen zweiten Lösungsmittelflusspfad 302 für
Lösungsmittel B, beispielsweise ein organisches Lösungsmittel,
mit einer zweiten Dosiervorrichtung 303. An einem T-Stück 304 werden
der vom ersten Lösungsmittelflusspfad 300 gelieferte
Fluss von Lösungsmittel A und der vom zweiten Lösungsmittelflusspfad 302 gelieferte
Fluss von Lösungsmittel B zusammengeführt, um
ein Lösungsmittelgemisch mit einem bestimmten Verhältnis
von Lösungsmittel A zu Lösungsmittel B zu erzeugen. Das
Lösungsmittelgemisch wird über eine Verbindungsleitung 305 zu
einem Schaltventil 306 geführt. Dabei kann die
Flussrate des Lösungsmittelgemischs beispielsweise im Bereich
zwischen 100 μl/min und 25 ml/min liegen.
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Das
in den Separationsflusspfad einzukoppelnde Probenvolumen 307 ist
in einer Probenschleife gespeichert, welche zwischen zwei Anschlussports
des Schaltventils 306 geschaltet ist. Das Probenvolumen 307 kann
beispielsweise einige 100 μl, weiter vorzugsweise 300 μl
betragen.
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Das
Probenvolumen 307 kann entweder komplett aus Probenflüssigkeit
bestehen oder aber eine Zone mit Probenflüssigkeit enthalten.
Eine derartige Zone mit Probenflüssigkeit wird als „Probenplug"
bezeichnet. Zusätzlich zu dem Probenplug kann das Probenvolumen 307 ein
Lösungsmittel enthalten, beispielsweise das Lösungsmittel,
das vor dem Einsaugen der Probenflüssigkeit zum Spülen der
Probenschleife verwendet wurde.
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In 3A ist
das Schaltventil 306 in seiner ersten Position gezeigt.
In dieser ersten Position des Schaltventils 306 ist das
in der Probenschleife gespeicherte Probenvolumen 307 vom
Separationsflusspfad entkoppelt. Die Zuführleitung 305 ist über einen
Schaltkanal 308 und eine Verbindungsleitung 309 direkt
mit einer Trennsäule 310 und einer Detektionseinheit 311 verbunden.
Solange das Probenvolumen 307 vom Separationsflusspfad
entkoppelt ist, wirkt nur der Atmosphärendruck auf das
Probenvolumen 307 ein.
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3B zeigt
das Separationssystem, nachdem das Schaltventil 307 in
seine zweite Position geschaltet wurde. In dieser zweiten Position
ist das Probenvolumen 307 über die Schaltkanäle 312 und 313 in
den Separationsflusspfad eingeschleift. Dies bedeutet, dass das
Probenvolumen 307 dem Systemdruck des Separationssystems
ausgesetzt ist, welcher sich beispielsweise im Bereich zwischen
200 bar und mehr als 1000 bar bewegen kann, und welcher im beschriebenen
Beispielsystem bei ca. 550 bar liegt. Wenn der auf das Probenvolumen 307 einwirkende
Druck von anfangs Atmosphärendruck auf einen Systemdruck
von ungefähr 550 bar erhöht wird, dann wird das
Probenvolumen 307 komprimiert, und es kommt zu einer Volumeneinbuße 314,
die in 3B kenntlich gemacht ist. Für
diese Volumeneinbuße 314, die im Folgenden mit
gekennzeichnet wird, gilt folgender Zusammenhang: ΔVVerlust = κProbenvolumen·(pSystem – PAtmosphäre)·VProbenvolumen,
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wobei κProbenvolumen die Kompressibilität
des in der Probenschleife gespeicherten Probenvolumens bezeichnet,
wobei VProbenvolumen das Volumen der in
der Probenschleife gespeicherten Flüssigkeit bezeichnet,
und wobei (pSystem – pAtmosphäre)
die Druckdifferenz zwischen dem Systemdruck des Separationssystems
und dem Atmosphärendruck angibt. Beispielsweise ergibt
sich bei einem Probenvolumen 307 von ungefähr
300 μl die Volumeneinbuße ΔVVerlust zu
ungefähr 10 μl bis 15 μl.
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Die
beim Umschalten des Schaltventils 306 von seiner ersten
Position in seine zweite Position und beim Einkoppeln des Probenvolumens 307 in den
Separationsflusspfad auftretende Volumeneinbuße 314 führt
bei den Systemen des Stands der Technik zu einem Druckabfall Δp
im Separationssystem, der in seinem Ausmaß abhängig
ist von der hydraulischen Kapazität im Separationssystem.
Bei modernen Systemen, die auf schnelle Analytik gezüchtet
sind, wird auf Dämpfungsglieder und auch auf hydraulisches
Volumen verzichtet. Hieraus ergibt sich, dass in modernen Systemen
der Druckabfall Δp stärker ausgeprägt
ist und gut 100–300 bar erreichen kann.
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4 zeigt
den Systemdruck als Funktion der Zeit für ein Separationssystem
des Stands der Technik. Das Lösungsmittelgemisch im Separationssystem
befindet sich anfangs bei einem Systemdruck pSystem von
beispielsweise 550 bar. Zum Zeitpunkt tSchalt wird
das Schaltventil 306 von seiner ersten Position in seine
zweite Position geschaltet. Dadurch wird das Probenvolumen 307 in
den Separationsflusspfad eingekoppelt, wo es dem Systemdruck ausgesetzt
ist. Die dadurch verursachte Volumeneinbuße 314 bewirkt
eine Druckentspannung, und dementsprechend kommt es im Separationsflusspfad
zum Zeitpunkt tSchalt zu einem Druckabfall 400 von
mehreren hundert bar. Auf den Druckabfall 400 folgt ein
relativ langsamer Anstieg 401 des Systemdrucks, bis der
ursprüngliche Systemdruck von ca. 550 bar wieder erreicht
wird.
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In 3B ist
schematisch (anschaulich) dargestellt, wie die Volumeneinbuße 314 in
der Probenschleife wieder aufgefüllt wird. Zunächst
fließt das in der Zuführleitung 305 befindliche
Lösungsmittelgemisch 315 zur Probenschleife und
gleicht dort die Volumeneinbuße 314 aus. Das dann
noch fehlende Volumen 316 wird folgendermaßen
ersetzt: Als Folge des Druckabfalls 400 expandiert das
im ersten Lösungsmittelflusspfad 300 befindliche
Lösungsmittel A, und deshalb wird am T-Stück 304 ein
Extravolumen von Lösungsmittel A abgegeben. Das im zweiten
Lösungsmittelflusspfad 302 befindliche Lösungsmittel
B expandiert ebenfalls, so dass am T-Stück 304 ein
Extravolumen von Lösungsmittel B abgegeben wird. Das fehlende
Volumen 316 wird daher durch die Extravolumina von Lösungsmittel
A und Lösungsmittel B aufgefüllt, die durch die
Druckentlastung aus dem ersten Lösungsmittelflusspfad 300 und dem
zweiten Lösungsmittelflusspfad 302 zur Verfügung
gestellt werden.
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Allerdings
stimmt die Lösungsmittelzusammensetzung im Volumen 316 nicht
notwendigerweise mit der Lösungsmittelzusammensetzung im
Fluss des Lösungsmittelgemischs überein. Anders
ausgedrückt, kann die Expansion der Volumina von Lösungsmittel
A und Lösungsmittel B im ersten und zweiten Lösungsmittelflusspfad 300 und 302 zu
einer Zusammensetzungsstörung im Fluss des Lösungsmittelgemischs
führen.
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In
den 5A und 5B ist
dargestellt, warum eine derartige Zusammensetzungsstörung auftritt.
Bei dem in den 5A und 5B dargestellten
Beispiel wird das Lösungsmittel-Zuführsystem in
einem isokratischen Modus betrieben, wobei beispielsweise ein Fluss
von Lösungsmittelgemisch mit 80% Wasser und 20% organischem
Lösungsmittel zur Verfügung gestellt wird. Dementsprechend
liefert der erste Lösungsmittelflusspfad 500,
in dem sich ein Volumen 501 von Wasser befindet, einen
vergleichsweise großen Fluss von Wasser zu dem T-Stück.
Dieser Fluss von Wasser wird durch den Pfeil 502 dargestellt.
Der zweite Lösungsmittelflusspfad 503, in dem
sich ein Volumen 504 von organischem Lösungsmittel
befindet, liefert dagegen einen vergleichsweise kleinen Fluss von
organischem Lösungsmittel zu dem T-Stück. Dieser
Fluss von organischem Lösungsmittel ist durch den Pfeil 505 dargestellt.
Am T-Stück mischt sich der Fluss von Wasser mit dem Fluss
von organischem Lösungsmittel, und es entsteht ein Fluss
eines Lösungsmittelgemischs 506. Das Lösungsmittelgemisch 506 weist
einen Anteil von 80% Wasser 507 und 20% organischem Lösungsmittel 508 auf.
Das so erzeugte Lösungsmittelgemisch wird dann beispielsweise
einer Trennsäule zugeführt.
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Wenn
das in den 3A und 3B gezeigte
Schaltventil 306 von seiner ersten Position in seine zweite
Position umgeschaltet wird, wird das in der Probenschleife befindliche
Flüssigskeitsvolumen komprimiert. Dies führt zu
einem fehlenden Volumen 509 im Separationsflusspfad und
zu einem Druckabfall im Lösungsmittel-Zuführsystem.
Infolge dieses Druckabfalls dehnen sich sowohl das Volumen 501 von
Wasser im ersten Lösungsmittelflusspfad 500 als auch
das Volumen 504 von organischem Lösungsmittel
im zweiten Lösungsmittelflusspfad 503 aus und füllen
das fehlende Volumen 509. Dies ist in 5B gezeigt.
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Wenn
ein Druckabfall Δp auftritt, dann ist die dadurch bewirkte
Ausdehnung ΔV eines Flüssigkeitsvolumens direkt
proportional zur Kompressibilität der Flüssigkeit,
zum Druckabfall Δp sowie zum Flüssigkeitsvolumen
V. Es ist bekannt, dass die Kompressibilität von Wasser
deutlich kleiner ist als die Kompressibilität eines organischen
Lösungsmittels. Außerdem kann es in Abhängigkeit
von den jeweiligen Kolbenpositionen vorkommen, dass das im ersten
Lösungsmittelflusspfad 500 enthaltene Volumen 501 von
Wasser auch noch kleiner ist als das im zweiten Lösungsmittelflusspfad 503 enthaltene
Volumen 504 von organischem Lösungsmittel. Aus
diesen Gründen wird die Expansion des Volumens 504 von
organischem Lösungsmittel oft deutlich stärker ausfallen
als die Expansion des Volumens 501 von Wasser. Dementsprechend
wird das Extravolumen 510 von organischem Lösungsmittel,
das durch die Expansion des organischen Lösungsmittel bereitgestellt
wird, deutlich größer sein als das Extravolumen 511 von
Wasser, das durch die Expansion des Wassers bereitgestellt wird.
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Dies
bedeutet aber, dass die Lösungsmittelzusammensetzung in
dem fehlenden Volumen 509 eine komplett andere ist als
die momentan gewünschte Lösungsmittelzusammensetzung
in dem regulären Fluss des Lösungsmittelgemischs 506.
In dem in 5B gezeigten Beispiel weist
die Lösungsmittelzusammensetzung im fehlenden Volumen 509 einen
75%igen Anteil von organischem Lösungsmittel und einen
25%igen Anteil von Wasser auf, wohingegen in diesem Beispiel der
reguläre Fluss von organischem Lösungsmittel 506 aus
80% Wasser 507 und 20% organischem Lösungsmittel 508 bestehen sollte.
Durch das „Auffüllen" des fehlenden Volumens 509 mit
einem Extravolumen 510 von organischem Lösungsmittel
und einem Extravolumen 511 von Wasser wird daher eine signifikante
Störung der Lösungsmittelzusammensetzung des dem
Separationssystem zugeführten Lösungsmittels verursacht.
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In
der unteren rechten Ecke von 5B ist die
resultierende Zusammensetzung des Lösungsmittelgemischs
schematisch als Funktion der Zeit dargestellt. Zuerst wird ein regulärer
Fluss eines Lösungsmittelgemischs 512 mit 80%
Wasser 513 und 20% organischem Lösungsmittel 514 geliefert.
Zum Zeitpunkt 515 wird die Probenschleife in den Lösungsmittelflusspfad
eingekoppelt. Als Folge davon entsteht eine Zusammensetzungsstörung 516 mit
einem gestörten Mischungsverhältnis von Wasser
und organischem Lösungsmittel. Im Beispiel von 5B weist
die Zusammensetzungsstörung 516 75% organisches
Lösungsmittel 517 und 25% Wasser 518 auf. Nachdem
das fehlende Volumen 509 aufgefüllt ist, setzen
der erste Lösungsmittelflusspfad 500 und der zweite
Lösungsmittelflusspfad 503 die Förderung von
Wasser und organischem Lösungsmittel im ursprünglich
vorgesehenen Mischungsverhältnis fort. Auf diese Weise
wird ein Fluss eines Lösungsmittelgemischs 519 erzeugt,
welches 80% Wasser 520 und 20% organisches Lösungsmittel 521 enthält.
Dabei entspricht die Zusammensetzung des Lösungsmittelgemischs 519 der
Zusammensetzung des vor dem Einkoppeln der Probenschleife zur Verfügung gestellten
Lösungsmittelgemischs 512.
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Die
in 5B gezeigte Zusammensetzungsstörung 516 kann
auch experimentell beobachtet werden. Hierzu ist in 6 eine
Druckkurve 600 zusammen mit einer Zusammensetzungskurve 601 gezeigt.
Die Druckkurve 600 gibt den Systemdruck als Funktion der
Zeit an, wobei auf der rechten Seite von 6 eine zugehörige
Druckskala 602 dargestellt ist. Die Zusammensetzungskurve 601 zeigt
den Anteil von Acetonitril im Lösungsmittelgemisch als
Funktion der Zeit. Die zugehörige Skala 603, welche
den prozentualen Anteil von Acetonitril im Lösungsmittelgemisch
angibt, ist auf der linken Seite von 6 dargestellt.
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Anhand
der Druckkurve 600 kann erkannt werden, dass der Systemdruck
im Lösungsmittel-Zuführsystem im Wesentlichen
konstant ist. Allerdings treten kurzfristige Druckfluktuationen 604 auf,
die durch die periodische Kolbenbewegung der Kolbenpumpen des Lösungsmittel-Zuführsystems
verursacht werden.
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In 6 ist
der Zeitpunkt 605 eingezeichnet, zu dem das in den 3A und 3B gezeigte Schaltventil 306 von
der ersten in die zweite Position geschaltet wird, wodurch das in
der Probenschleife gespeicherte Probenvolumen 307 in den
Separationsflusspfad eingekoppelt wird. Als Folge davon ist zunächst
ein Druckabfall 606 und anschließend eine Erholung 607 des
Systemdrucks zu beobachten.
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Bei
dem in 6 gezeigten Beispiel weist das in der Probenschleife
gespeicherte Probenvolumen 307 einen erhöhten
Anteil an Wasser auf, während der Anteil an Acetonitril
reduziert ist. Der Grund dafür kann z. B. sein, dass das
Separationssystem vor dem eigentlichen Trennvorgang mit einem Lösungsmittelgemisch
mit hohem Wasseranteil gespült wurde. Wenn anschließend
Probenflüssigkeit in die Probenschleife gesogen wird, dann
verbleibt das zum Spülen verwendete Lösungsmittelgemisch
teilweise in der Probenschleife. Dieses Probenvolumen 307 wird
nun von der Probenschleife zur Detektionseinheit gespült, und
dort detektiert die hier verwendete Detektionseinheit einen kurzfristigen
Einbruch 608 der Acetonitril-Konzentration. Das Zeitintervall 609 zwischen
dem Zeitpunkt 605, zu dem die Probenschleife in den Flusspfad
geschaltet wird, und dem kurzfristigen Einbruch 608 der
Acetonitrilkonzentration wird durch die Reisezeit des Probenvolumens 307 von
der Probenschleife zum Detektor bestimmt, welche maßgeblich
von der Flussrate der mobilen Phase abhängt. Im Beispiel
von 6 ist das Zeitintervall 609 in der Größenordnung
von 0,25 Minuten.
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Darüber
hinaus ist in der Zusammensetzungskurve 601 ein Peak 610 mit
stark erhöhter Acetonitril-Konzentration zu erkennen. Dieser
Peak 610 entspricht der in den 5A und 5B beschriebenen
Zusammensetzungsstörung und zeigt an, dass die in den 5A und 5B beschriebene
Zusammensetzungsstörung beim Detektor angekommen ist. Die
Zusammensetzungsstörung entsteht in der Mischereinheit
an dem Mischpunkt, an dem der Lösungsmittelflusspfad für
Wasser mit dem Lösungsmittelflusspfad für Acetonitril
zusammenfließt. Die in 6 eingezeichnete
Zeitspanne 611 entspricht der Zeit, die die Zusammensetzungsstörung
benötigt, um von der in 1 gezeigten
Mischereinheit 104 zur Detektionseinheit 107 zu
gelangen. Da sich die Mischereinheit 104 stromaufwärts
von der Probeninjektionseinheit 105 befindet, benötigt
die Zusammensetzungsstörung eine längere Zeitspanne
als das Probenvolumen 307, um den Detektor zu erreichen. Auch
die Zeitspanne 611 hängt maßgeblich von
der Flussrate der mobilen Phase im Separationspfad ab, welche sich
beispielsweise im Bereich zwischen 100 μl/min und 25 ml/min
bewegen kann.
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In
den Lösungsmittel-Zuführsystemen des Standes der
Technik kann das Ausmaß der Zusammensetzungsstörung
1% Acetonitril oder sogar mehr über ein Volumen von mehreren
100 μl Lösung betragen. Insofern handelt es sich
bei der Zusammensetzungsstörung um eine signifikante Störung.
Dabei hängt das Ausmaß der auftretenden Zusammensetzungsstörung
wesentlich von der jeweiligen Phase der Kolbenbewegung ab, in der
sich die Kolbenpumpen in dem Zeitpunkt, in dem das Schaltventil
umgeschaltet wird, befinden. Aus diesem Grund weist die Zusammensetzungsstörung
bei wiederkehrendem Betrieb eine relativ hohe Varianz von bis zu ±0,2% Acetonitril über
ungefähr 200 μl Lösung auf.
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In
den 7 und 8 ist gezeigt, wie eine Zusammensetzungsstörung
der in
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6 gezeigten
Art die Peaks eines Chromatographiespektrums beeinflusst. 7 zeigt nochmals
das bereits in den 3A und 3B dargestellte
Separationssystem. Das Separationssystem umfasst einen ersten Lösungsmittelflusspfad 700 mit
einer ersten Dosiervorrichtung 701, einen zweiten Lösungsmittelflusspfad 702 mit
einer zweiten Dosiervorrichtung 703 sowie ein T-Stück 704 zum
Erzeugen eines Lösungsmittelgemischs. Über eine
Lösungsmittelleitung 705 wird dem Schaltventil 706 ein Strom
von Lösungsmittelgemisch zugeführt, wobei durch
Umschalten des Schaltventils 706 ein Probenvolumen 707 in
den Separationsflusspfad eingekoppelt werden kann. Die zu analysierende
Probe mit ihren verschiedenen Probenbestandteilen gelangt über eine
Lösungsmittelleitung 708 zur Trennsäule 709. Beim
Passieren der Trennsäule 709 Wechselwirken die
verschiedenen Probenbestandteile mit der stationären Phase
der Trennsäule 709. Als Folge dieser Wechselwirkung
werden die Probenbestandteile 710, 711, 712 gegenüber
dem Fluss des Lösungsmittelgemischs verlangsamt, wobei
jeder der Probenbestandteile 710, 711, 712 eine
charakteristische Retentionszeit für das Durchqueren der
Trennsäule 709 benötigt. Das Eintreffen
der verschiedenen Probenbestandteile wird von der Detektionseinheit 713 als Funktion
der Zeit detektiert, wobei für jeden Probenbestandteil
ein entsprechender Chromatographiepeak aufgezeichnet wird. Das so
erhaltene chromatographische Spektrum ist in 8 gezeigt.
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Während
die Probenbestandteile ihre Bewegung durch den Separationsflusspfad
beim Probenvolumen 707 beginnen, entsteht die Zusammensetzungsstörung
ein Stück stromaufwärts vom Probenvolumen 707,
nämlich am T-Stück 704. Die Probenbestandteile 710, 711, 712 werden
beim Passieren der Trennsäule 709 verlangsamt,
wohingegen die Zusammensetzungsstörung nicht mit der stationären Phase
der Trennsäule wechselwirkt und deshalb keine Retention
(Abbremsung) erfährt. Aus diesem Grund überholt
die Zusammensetzungsstörung 714 zumindest die
Probenbestandteile 710 und 711, welche eine ziemlich
lange Retentionszeit aufweisen. Dies ist in 7 schematisch
dargestellt. Dagegen werden diejenigen Probenbestandteile, die die Trennsäule 709 ziemlich
schnell durchqueren, nicht von der Zusammensetzungsstörung 714 erreicht, und
dementsprechend werden diese schnelleren Probenkomponenten auch
nicht von der Zusammensetzungsstörung 714 beeinflusst.
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Bei
der Zusammensetzungsstörung 714 handelt es sich
um ein Flüssigkeitsvolumen mit einem signifikant erhöhten
Anteil von organischem Lösungsmittel. Aus diesem Grund
ist die Zusammensetzungsstörung 714 durch eine
erhöhte Elutionskraft gekennzeichnet. Wenn die Zusammensetzungsstörung 714 die
Probenbestandteile 710 und 711 überholt,
dann erfährt der jeweilige Probenbestandteil einen zusätzlichen
Schub in Richtung des Ausgangs der Trennsäule 709.
Dadurch wird die von dem jeweiligen Probenbestandteil zum Durchqueren der
Trennsäule 709 benötigte Zeit verkürzt.
Für diejenigen Probenbestandteile, die durch relativ lange
Retentionszeiten gekennzeichnet sind, fallen die ermittelten Retentionszeiten
daher zu kurz aus.
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Dieser
Effekt wird als „Jitter der Retentionszeit" bezeichnet
und ist in 8 weiter veranschaulicht. 8 zeigt
ein Chromatographiespektrum 800 mit einer Vielzahl von
Chromatographiepeaks 801 bis 808, wobei jeder
der Chromatographiepeaks durch einen zugehörigen Probenbestandteil
verursacht wurde. Die Chromatographiepeaks 801 bis 803 gehören
zum Bereich von relativ kleinen Retentionszeiten und sind daher
gar nicht oder nicht signifikant von der Zusammensetzungsstörung
betroffen. Die Peaks 804 bis 807 im mittleren
Bereich 809 von Retentionszeiten sind dagegen stärker
von der Zusammensetzungsstörung 714 betroffen.
Dementsprechend werden die zugehörigen Retentionszeiten
infolge der Zusammensetzungsstörung verringert, und die
Peaks 804 bis 807 werden relativ zu ihrer eigentlichen
Position, welche in 8 gestrichelt eingezeichnet
ist, zu kleineren Retentionszeiten hin verschoben. Die Zusammensetzungsstörung
bewirkt also eine Verschiebung von jedem der Peaks 804 bis 807 nach
links. Dagegen wird der Peak 808, welcher einer sehr langen
Retentionszeit entspricht, von der Zusammensetzungsstörung 714 nur
geringfügig beeinflusst.
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Entsprechend
den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
beim Einkoppeln oder kurz nach dem Einkoppeln des Probenvolumens
in den Separationsflusspfad Korrekturbewegungen auf die Kolbenbewegungen
der Kolben im ersten und zweiten Lösungsmittelflusspfad
aufgeprägt, um so der beim Einkoppeln des Probenvolumens
auftretenden Volumeneinbuße entgegenzuwirken. Diese Vorgehensweise
ist in den 9A und 9B dargestellt.
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9A zeigt
die Kolbenposition X1 als Funktion der Zeit für den primären
Kolben 208 der ersten Pumpeneinheit 201. Während
einer Ansaugphase 900 bewegt sich der primäre
Kolben 208 nach unten, wobei Flüssigkeit eingesogen
wird. Am Ende der Ansaugphase 900 erreicht der primäre
Kolben 208 den unteren Totpunkt 901. Während
einer Kompressionsphase 902 wird die in der primären
Kolbenpumpe 207 befindliche Flüssigkeit auf Systemdruck
komprimiert. Am Punkt 903 ist der erforderliche Systemdruck
erreicht, und das Auslassventil 210 wird geöffnet.
Während einer Förderphase 904 setzt der
Kolben seine Aufwärtsbewegung fort, und die in der primären
Kolbenpumpe 207 befindliche Flüssigkeit wird ausgegeben.
Am Ende der Förderphase 904 erreicht der Kolben
seinen oberen Totpunkt 905. Anschließend wird die
nächste Ansaugphase 906 gestartet.
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Gemäß den
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird zu einem
Zeitpunkt 907, unmittelbar nachdem das Probenvolumen in
den Separationsflusspfad eingekoppelt wurde, ein zusätzlicher Korrekturvorschub 908 auf
die Kolbenbewegung aufgeprägt. Dann, nachdem der Korrekturvorschub 908 ausgeführt
ist, erfolgt die weitere Bewegung des Kolbens entsprechend der Kurve 909.
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9B ist
direkt unterhalb von 9A angeordnet und zeigt die
Kolbenposition X2 als Funktion der Zeit für den primären
Kolben 218 der zweiten Pumpeneinheit 204 von 2.
Wieder umfasst jeder Pumpenzyklus eine Ansaugphase 910,
eine Kompressionsphase 911 und eine Förderphase 912.
Zum Ausgleich der Volumeneinbuße des eingekoppelten Probenvolumens
wird zum Zeitpunkt 907 während der Förderphase 912 ein
zusätzlicher Korrekturvorschub 913 auf die Kolbenbewegung
aufgeprägt. Nachdem der Korrekturvorschub 913 durchgeführt wurde,
folgt die weitere Bewegung des Kolbens der Kurve 914.
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Der
Korrekturvorschub 908 verdrängt in der primären
Kolbenpumpe 207 der ersten Pumpeneinheit 201 ein
zusätzliches Volumen von Lösungsmittel A, während
der Korrekturvorschub 913 in der primären Kolbenpumpe 217 der
zweiten Pumpeneinheit 204 ein zusätzliches Volumen
von Lösungsmittel B verdrängt. Durch die zusätzlich
verdrängten Volumina wird das in 3B gezeigte
fehlende Volumen 316 aufgefüllt.
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Vorzugsweise
erfolgt die Durchführung des Korrekturvorschubs 908 und
des Korrekturvorschubs 913 zu einem Zeitpunkt 907 unmittelbar
nach dem Zeitpunkt tSchalt, zu dem das Schaltventil
von seiner ersten Position (in 3A gezeigt)
in seine zweite Position (in 3B gezeigt)
geschaltet wird. Zur Vermeidung von Druckspitzen kann zwischen dem
Umschalten des Schaltventils 306 und der Durchführung des
Korrekturvorschubs 908 und des Korrekturvorschubs 913 ein
kleiner Zeitversatz von beispielsweise 2 ms bis 5 ms vorgesehen
sein.
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Durch
das Aufprägen des Korrekturvorschubs 908 und des
Korrekturvorschubs 913 auf die Kolbenbewegungen wird das
in 3B gezeigte fehlende Volumen 316 durch
die von den Kolben zusätzlich verdrängten Volumina
von Lösungsmittel A und Lösungsmittel B kompensiert.
Darüber hinaus wirken die zusätzlich verdrängten
Volumina dem in 4 gezeigten Druckabfall 400 entgegen,
welcher immer dann auftritt, wenn ein in der Speicherschleife befindliches
Probenvolumen in den Separationsflusspfad eingekoppelt wird. Durch
das Aufprägen von zusätzlichen Korrekturvorschüben 908 und 913 auf
die Kolbenbewegungen kann der Druckabfall deutlich reduziert oder
sogar vermieden werden.
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Das
Verhältnis des vom Korrekturvorschub 908 verdrängten
Wasservolumens zu dem vom Korrekturvorschub 913 verdrängten
Volumen von organischem Lösungsmittel sollte vorzugsweise
dem momentanen Verhältnis von Wasser und organischem Lösungsmittel
am Mischpunkt zu dem Zeitpunkt, zu dem das Probenvolumen in den
Separationsflusspfad eingekoppelt wird, in etwa entsprechen.
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Der
Korrekturvorschub 908 und der Korrekturvorschub 913 können
beispielsweise durch eine entsprechende Steuerung der Kolbenbewegungen des
primären Kolbens 208 der ersten Pumpeneinheit 201 sowie
des primären Kolbens 218 der zweiten Pumpeneinheit 204 realisiert
werden. Zur Steuerung der Kolbenbewegungen kann beispielsweise eine Steuereinheit 224 vorgesehen
sein, welche dazu ausgelegt ist, geeignete Steuersignale für
die Kolbenpumpen der ersten Pumpeneinheit 201 und der zweiten
Pumpeneinheit 204 zu erzeugen. Eine derartige Kontrolleinheit 224 ist
in 2 eingezeichnet.
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Alternativ
dazu können zusätzliche Aktuatoren zur Erzeugung
der Korrekturvorschübe vorgesehen sein. Beispielsweise
können die primären Kolbenpumpen 207 und 217 und/oder
die sekundären Kolbenpumpen 211 und 221 mit zusätzlichen
Aktuatoren ausgestattet sein, die dazu dienen, den zusätzlichen
Vorschub 908 und den zusätzlichen Vorschub 913 auf
die jeweiligen Kolben der primären Kolbenpumpen 207 und 217 oder
der sekundären Kolbenpumpen 211 und 221 aufzuprägen.
Beispielsweise könnte jede der primären Kolbenpumpen 207 und 217 ein
Piezoelement umfassen, das mit Hilfe eines geeigneten Spannungspulses
zum Zeitpunkt 907 eine zusätzliche Vorwärtsverschiebung
auf den entsprechenden Kolben aufprägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1707958 [0002]
- - WO 2006103133 [0003]
- - DE 102007000518 [0004]