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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Flusselement für einen
fluidischen Flusspfad. Ein solches Flusselement weist ein Flussprofil
auf mit einem Flusswiderstand für ein Fluid in dem Flusspfad.
Solche Flusselemente werden häufig in der Chromatografie
verwendet.
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In
der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (High Performance
Liquid Chromatographie – HPLC) muss eine Flüssigkeit
bei typischerweise sehr eng kontrollierten Flussraten (z. B. im
Bereich von Mikroliter bis Milliliter pro Minute) und bei einem
hohen Druck (typischerweise 20–100 MPa, 200–1000
bar und darüberhinaus bis derzeit etwa 200 MPa, 2000 bar),
bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar
wird, gefördert werden. Zur Flüssigkeitstrennung
in einem HPLC-System wird eine mobile Phase, die in Betrieb eine
Probenflüssigkeit mit zu trennenden Komponenten aufweist,
durch eine stationäre Phase (wie einer chromatografischen
Säule) getrieben, um auf diese Weise unterschiedliche Komponenten
der Probe zu trennen.
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OFFENBARUNG
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den fluidischen Flusspfad
zu verbessern, insbesondere für HPLC Anwendungen. Die Aufgabe
wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können auf Basis vieler der
bekannten HPLC Systeme ausgeführt werden, wie z. B. der
Agilent 1200 Serie Rapid Resolution LC System oder der Agilent 1100
HPLC Serie, beide von der Anmelderin Agilent Technologies, Inc.,
siehe www.agilent.com.
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Als
mobile Phase (oder Eluent) kann ein reines Lösungsmittel
oder eine Mischung verschiedener Lösungsmittel verwendet
werden. Die mobile Phase kann so gewählt werden, um die
Retention von interessierenden Komponenten und/oder die Menge der
mobilen Phase zum Betreiben der Chromatografie zu minimieren. Die
mobile Phase kann auch so gewählt werden, dass bestimmte
Komponenten effektiv getrennt werden. Sie kann ein organisches Lösungsmittel,
wie z. B. Methanol oder Acetonitril, aufweisen, das oft mit Wasser
verdünnt wird. Für einen Gradientenbetrieb werden
oft Wasser und ein organisches Lösungsmittel (oder bzw.
andere Lösungsmittel) in ihrer Komposition über
der Zeit variiert.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen
erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche
oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.
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1 zeigt
ein Flüssigkeitsseparationssystem 10 entsprechend
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie es z.
B. in der HPLC verwendet wird.
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2 zeigt
eine Ausführungsform des Separationsgerätes 30.
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3 und 5 zeigen
bevorzugte Ausführungsformen des Filters 275.
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4 illustriert
den Effekt des Strömungsprofils und ein mögliche
Ausführungsform der Kompensation.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Distributors 270.
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7 zeigt
ein Beispiel für die Variation der Zusammensetzung des
Sintermaterials für den Distributor 270.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des Distributors 270.
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Im
Einzelnen zeigt 1 eine allgemeine Darstellung
eines Flüssigkeitsseparationssystems 10. Eine
Pumpe 20 erhält eine mobile Phase von einer Lösungsmittelversorgung 25,
typischerweise über einen Entgaser 27, der die
mobile Phase entgast und auf diese Weise die Menge gelöster
Gase in der mobilen Phase reduziert. Die Pumpe 20 treibt
die mobile Phase durch ein Separationsgerät 30 (wie eine
chromatographische Säule), das eine stationäre Phase
aufweist. Ein Probengerät (oder Probeninjektor) 40 kann
zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 vorgesehen
werden, um ein Probenfluid in die mobile Phase zu bringen. Die stationäre Phase
des Separationsgerätes 30 ist dazu angepasst,
um Komponenten des Probenfluids zu trennen. Ein Detektor 50 detektiert
separierte Komponenten des Probenfluids, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann
zur Ausgabe der getrennten Komponenten vorgesehen werden.
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Die
mobile Phase kann aus nur einem Lösungsmittel bestehen
oder aus einer Mischung unterschiedlicher Lösungsmittel.
Das Mischen kann bei Niederdruck und vor der Pumpe 20 erfolgen,
so dass die Pumpe 20 bereits das gemischte Lösungsmittel als
mobile Phase befördert. Alternativ kann die Pumpe aus einzelnen
Pumpeinheiten bestehen, wobei jede Pumpeinheit jeweils ein Lösungsmittel
oder eine Lösungsmittelmischung fördert, so dass
die Mischung der mobilen Phase (wie sie dann das Separationsgerät 30 sieht)
unter hohem Druck und nach der Pumpe 20 erfolgt. Die Zusammensetzung
(Mischung) der mobilen Phase kann über der Zeit konstant
gehalten werden (isokratischer Modus) oder in einem sogenannten
Gradienten-Modus über der Zeit variiert werden.
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Eine
Datenverarbeitungseinheit 70, die ein konventioneller PC
oder eine Workstation sein kann, kann – wie durch die gepunkteten
Pfeile angedeutet – an eines oder mehrere der Geräte
in dem Flüssigkeitsseparationssystem 10 gekoppelt
werden, um Informationen zu erhalten und/oder den Betrieb des Systems
oder inzelner Komponenten darin zu steuern.
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2 zeigt
eine Ausführungsform des Separationsgerätes 30,
das hier als eine chromatographische Säule ausgeführt
ist. Die Säule 30 in 2 ist schematisch
in einer Schnittbilddarstellung gezeigt und zwar nur die Eingangsseite
der Säule 30, die die Flüssigkeit (die
mobile Phase mit evtl. darin sich befindlicher Probe) von der Pumpe 20 empfängt.
Die entgegengesetzte und in 2 nicht
dargestellte Seite der Säule 30 kann gleich oder
entsprechend zu der in 2 dargestellten Eingangsseite
ausgeführt sein, oder auch einen anderen Aufbau aufweisen. Die
Säule 30 weist ein Säulenrohr 200 auf,
das eine Säulenkammer 210 definiert und umschließt.
Die Säulenkammer 210 nimmt die stationäre
Phase auf und in ihr findet der Probentrennungsvorgang statt. An
das Ende des Säulenrohres 200 schließt
sich ein Säulenkopf 220 an, der die Aufgabe hat
die stationäre Phase in der Säulenkammer 210 zu
sichern und die mobile Phase zu der stationären Phase heranzuführen.
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Der
Säulenkopf 220 weist einen Körper 230 auf,
der an dem Säulenrohr 200 anliegt und dessen äußeres
Ende umschließt. Der Säulenkopf 220 bildet eine
Zuleitung 240 für die mobile Phase zu der stationären
Phase in der Säulenkammer 210. In der Ausführungsform
nach 2 verjüngt die Zuleitung 240 sich
konisch in einem Abschnitt 250 und bildet einen Kanal 260,
der dann auf einen Distributor 270 trifft, der wiederum
die Säulenkammer 210 in Flussrichting räumlich
abschließt. Der Distributor 270 kann aus einem
Element aufgebaut sein oder, wie in 2 dargestellt,
aus mehreren Elementen bestehen.
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In
der Ausführungsform nach 2 weist
der Distributor 270 einen Filter 275 und eine
Struktur 278 auf, die die Aufgabe hat dem Filter 275 eine
mechanische Unterstützung zu geben. Ferner kann die Struktur 278 so
aufgebaut sein, dass sie die einströmende Flüssigkeit über
die gesamte Fläche der Stirnfläche der Säulenkammer 210 und
damit der Fläche des Filters 275 verteilt, um
so eine gleichmäßige Durchströmung der
stationären Phase zu bewirken. Ferner kann der Distributor 270 noch
so ausgeprägt sein, dass eine gute Durchmischung der einströmenden
Flüssigkeit erreicht wird. Der Filter 275 in der Ausführungsform
nach 2 weist definierte Öffnungen auf, deren
Größe an das Material der stationären Phase
angepasst sind, um so die stationäre Phase in der Säulenkammer 210 zurückzuhalten
und dafür zu sorgen, dass das Material der stationären
Phase nicht durch den Distributor dringen kann.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform des Filters 275.
Der Filter 275 hat eine im Wesentlichen kreisförmige
Stirnfläche 280, die dem Säulenraum 210 entgegensteht
und abschließt (siehe 2). 3 zeigt
nur einen Ausschnitt dieser Stirnfläche 280 des
Filters 275, um dessen Prinzip darzustellen. Der Filter 275 weist
eine Vielzahl von Öffnungen auf, die sich jeweils entlang
von Kreisbahnen konzentrisch über die Oberfläche 280 erstrecken.
In dem Beispiel nach 3 sind die Öffnungen im
Wesentlichen rechteckig ausgeprägt und haben alle die gleiche
Größe und Formgebung. Die Formgebung der Öffnungen
ist vorzugsweise so gewählt, dass die rückzuhaltende
stationäre Phase durch deren Geometrie die Öffnungen
nicht oder nur so wenig wie möglich verschließen
kann.
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Durch
die Lage und Anzahl der Öffnungen 300 entlang
der Stirnseite 280 des Filters 275 kann der Flusswiderstand
entlang der Stirnseite 280 bestimmt werden, um so beispielsweise
ein gewünschtes geometrisches Profil des Flusswiderstands
zu erreichen. Beispielsweise kann über die Dichte der Öffnungen
ein gewünschter Strömungswiderstand erzielt werden.
Durch eine Variation der Dichte der Öffnungen in unterschiedlichen
Kreisbahnen kann entsprechend ein gewünschtes Profil des
Strömungswiderstand erreicht werden. Alternativ dazu kann
auch die Fläche der Öffnungen 300 variieren,
wobei zum Beispiel alle Öffnungen entlang einer jeweiligen Kreisbahn
jeweils die gleiche Fläche aufweisen, die Flächengröße
der Öffnungen 300 allerdings für unterschiedliche
Kreisbahnen unterschiedlich sein kann.
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In
einem Ausführungsbeispiel mit jeweils gleichflächigen Öffnungen 300 ist
jede Öffnung 300 etwa ein Mikrometer breit und
10 Mikrometer hoch. Die Dicke des Filters 275 in diesem
Beispiel ist etwa 0,1 mm. Ein solches Filter 275 kann im
Wesentlichen aus einer Lochplatte bestehen und/oder beispielsweise über
eine Mikroabformung oder als ein Spritzgussteil hergestellt werden
kann. Andere bekannte Herstellungsverfahren können entsprechend
angewandt werden.
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Bei
der Durchströmung einer Flüssigkeit durch einen
Körper ergibt sich insbesondere durch die Wechselwirkung
mit den Körperwandungen ein Strömungsprofil mit
unterschiedlichen Flussgeschwindigkeiten. Bei einer durchströmten
Röhre führt dies typischerweise zu einem sogenannten Poison-Profil,
so dass ein Probenpfropfen 400 (d. h. ein Flüssigkeitsvolumen
mit im Wesentlichen gleicher Mischung und/oder Eigenschaften, das
entlang des Flusspfades wandert) sich in seiner Form verändert, wie
dies schematisch in 4 dargestellt ist. Durch die
Wechselwirkung mit der Wandung 410 entlang des Flusspfades 420 wird
aus dem zunächst ebenen Profil des Probenpfropfens 400 ein
Poison-Profil 400A. Die äußeren, an die
Wandungen 410 anstoßenden Bereiche des Probenpfropfens 400A werden damit
gegenüber den mittleren Bereichen verzögert. Dies
führt bei einer Detektion entlang des Flusspfades, wie
dies z. B. bei einer Absorptionsmessung erfolgt, zu einer zwangsläufigen
Rückvermischung bereits aufgetrennter Probenbestandteile
und erweist sich hierdurch dem erwünschten Trennvorgang
gegenüber als direkt kontraproduktiv.
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Bei
geeigneter Wahl des Strömungswiderstandsprofils eines in
den Flusspfad eingebrachten Flusselements, wie z. B. den in 4 dargestellten Filter 275,
kann durch Verzögerung der mittleren gegenüber
der äußeren Bereiche eine Kompensation der Formgebung
des Flüssigkeitspfropfens 400A erreicht werden,
so dass beispielsweise der Probenpfropfen 400B nach Durchtritt
des Flusselements 275 wiederum ein ebenes Profil aufweist, wie dies
in 4 idealisiert dargestellt ist. Es ist klar, dass
es ein vollständig ebenes Profil (wie durch 400B angedeutet)
in der Realität kaum geben wird, da durch Reibung an der
Rohrwand (v = 0) gegenüber dem bewegten Medium (v <> 0) auf jeden Fall eine Verformung des
Fluss-Profils auftritt.
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Natürlich
kann durch geeignete Ausprägung des geometrischen Flusswiderstandsprofils
auch eine andere als die in 4 dargestellte
Gegenkompensation erreicht werden. So könnte beispielsweise auch
eine Art Vorverzerrung erfolgen, so dass bereits vor Eintritt in
den Flusspfad 420 die Form des Probenpfropfens 400 durch
Einfluss des Flusselements 275 entgegengesetzt der 4 dargestellten
Form 400A verändert wird, so dass sich die gewünschte ebene
Form des Probenpfropfens 400B erst nach Durchtreten des
Flusspfades 420
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Durch
entsprechende Gestaltung des Flusswiderstandprofils kann so eine
Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse des Flusspfades 420 erreicht werden.
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5 zeigt
eine Ausführungsform des Filters 275, wobei wie
in 3 die Stirnseite 280 in Draufsicht gezeigt
wird. Der Filter 275 wird hier durch gewobene Edelstahldrähte 500 ausgeführt.
Entsprechend kann auch jedes andere geeignete Material oder Herstellungsverfahren
verwendet werden. Zur Einprägung eines geometrischen Profils
für den Flusswiderstand können nun z. B. selektive
Veränderungen am Gewebe vorgesehen werden, wie dies in 5 mit
dem Bezugsziffern 510 dargestellt ist. Eine solche selektive
(lokale) Veränderung kann z. B. erreicht werden durch selektives
Bearbeiten oder Auftragen von geeigneten Stoffen an Stellen an denen hohe
Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten sind, um dort höhere
Flusswiderstände aufzubauen.
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In
einer alternativen Ausführungsform wird das gewünschte
Profil des Flusswiderstands durch lokale Deformation erzeugt, wie
ebenfalls in 5 durch die Bezugszeichen 510 schematisch
dargestellt ist. Eine solche lokale Deformation kann z. B. durch
ein Verpressen mit einem Stempel erreicht werden.
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Wie
in 4 dargestellt, kann das Flusselement 275 mit
geeigneter geometrischer Variation des Flusswiderstands an jeden
beliebigen und geeigneten Ort entlang des Flusspfades 420 angeordnet
werden. Ebenso können auch mehrere solcher oder unterschiedlicher
Flusselemente 275 entlang des Flusspfades 420 verwendet
werden. In diesem Sinne stellt die in 2 dargestellte
Anordnung des Flusselements als Filter 275 am Eingang und/oder
Ausgang einer chromatografischen Säule 30 nur
eine bevorzugte Ausführungsform dar. Im Bereich der HPLC können
solche Flusselemente 275 an jedem Ort in dem in 1 dargestellten
Flusspfad angewandt werden, bevorzugt zwischen dem Injektionspunkt des
Probeninjektors 40 und dem Detektors 50 oder bzw.
des Fraktionensammlers 60; 6 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Distributors 270.
Entsprechend 2 ist dieser zwischen der Zuleitung 260 und
der Säulenkammer 210 angeordnet. In der Ausführungsform
nach 6 ist der Distributor 270 kegelförmig
ausgestaltet und im Gegensatz zu 2 einstückig
ausgeprägt. Vorzugsweise besteht der Distributor 270 in 6 aus
einer gesinterten Fritte, d. h. z. B. kugelförmiges, feinkörniges
Metallpulver wird unter Druck und hoher Temperatur im Vakuum oder
einer inerten Atmosphäre soweit erwärmt, dass die
Metallpartikel eine feste Verbindung miteinander eingehen und dennoch
Hohlräume zwischen den Partikeln offen bleiben, um dort
durchlässig für Feststoffe, insbesondere jedoch
Flüssigkeiten oder Gase zu sein.
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Während
der Filter 275 in 2 eine geometrische
Variation des Flusswiderstands aufweist, um hierdurch ein gewünschtes
Profil zu erreichen, wird dies in 4 durch
den Distributor 270 erreicht. In einer Ausführungsform,
wie in 6 dargestellt, wird dies durch eine Variation
der Pfadlängen in dem Distributor 270 erreicht,
so dass die Flüssigkeit ausgehend von einem Eintritt bei
der Zuleitung 260 einen unterschiedlichen Strömungswiderstand
sieht je nach dem ob sie durch den Distributor 270 zur
Außenwandung 200 hin oder mittig in die Säulenkammer 210 eingeströmt
wird. Wie aus der 6 ersichtlich, ist der Distributor 270 an
seinem unteren, dem Säulenraum 210 zugeneigten
Ende 600 so geformt, dass vom Eintritt der Probe in die
Fritte bis zum Austritt hin zur festen Phase jeweils äquidistante
Pfadlängen vorliegen und somit auch konstante Flusswiderstandbedingungenvorliegen.
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Ebenfalls
denkbar sind auch Ausführungsformen, bei denen – je
nach Applikation – von einander unterscheidende Pfadlängen
Anwendung finden.
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In
einer anderen Ausführungsform wird die Variation des Strömungswiderstands
durch eine Variation der Zusammensetzung des Materials des Distributors 270 erreicht.
In dem in 6 dargestellten Beispiel ist
der Distributor 270 durch einen Sinterprozess hergestellt
worden. 7 zeigt ein Beispiel für die
Variation der Zusammensetzung des Sintermaterials für den
Distributor 270, der hier in ebener Darstellung, also z.
B. zylindrisch oder quaderförmig ausgeprägt ist,
im Gegensatz zu der kegelförmigen Formgebung in 6.
Ein erstes Sintermaterial 700 mit einem hohen Strömungswiderstand
hat ein in 7 exemplarisch dargestelltes
kegelförmiges Profil. Die Form des Distributors 270 wird
durch ein zweites Sintermaterial mit einem gegenüber dem
ersten Sintermaterial 700 niedrigeren Strömungswiderstand ergänzt.
Somit ergibt sich in Strömungsrichtung 720 ein über
die Fläche des Distributors 270 variierender Strömungswiderstand
senkrecht zu der Strömungsrichtung 720.
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Die
in 6 gezeigte Ausführungsform weist ferner
einen Mechanismus auf, um eine Vorspannung auf den Distributor 270 auszuüben,
so dass dieser kontinuierlich auf die in der Säulenkammer
eingebrachten stationären Phase mit einer Kraft einwirkt. Hierzu
ist ein Federbalk 610 vorgesehen, der über ein
Gewinde 620 mit dem Säulenrohr 200 festgeschraubt
werden kann. Daraus resultiert eine Kraftwirkung an einem Vorsprung 630,
die wiederum über ein Element 640 an die Außenwandung 650 des
konisch ausgeführten Distributors 270 ausgeprägt
wird. Diese Kraftwirkung auf die Kegelwand 650 des Distributors 270 bewirkt
wiederum die Vorspannung auf die Packung der stationären
Phase im Säulenraum 210. Ergeben sich während
des Betriebs Leerstellen in dem gepackten Material der stationären
Phase innerhalb der Säulenkammer 210, so kann
dies durch die ausgeübte Vorspannung ausgeglichen werden. Damit
kann dem Ausbilden solcher Leerstellen wirksam entgegengetreten
werden. Durch geeignete Ausbildung des Gewindes 620 kann
ein Nachstellen bzw. Einstellen der Kraftwirkung bewerkstelligt
werden.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des Distributors 270.
Flusskanäle 800 des Distributors 270 nehmen
von 810 nach 820 zu, z. B. radial angeordnet.
Dies könnte z. B. eine durch Ätzen oder mit Laser
hergestellte Struktur sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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