-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trennkörper zur Durchführung von Chromatografieverfahren.
-
Trennkörper für die Chromatografie sind aus dem Stand der Technik als solche bekannt. Für herkömmliche Verfahren werden beispielsweise Säulen von einer mobilen Phase durchströmt, welche bestimmte aufzutrennende Komponenten enthält. Bestimmte Wechselwirkungen der Analyten mit der stationären Phase führen zu einer Auftrennung der einzelnen Komponenten, die mit unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung aus der Säule austreten. Die Leistung der räumlichen 3D-Chromatografie übertrifft bei weitem die der LC × LC × LC-Flüssigkeitschromatografie auf der Basis einer Drei-Säulen-Strategie.
-
Üblicherweise wandert die mobile Phase aufgrund eines aufgebrachten Druckgefälles durch den Trennkörper. Alternativ kann auch eine elektro-osmotische Strömung durch Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugt werden, um die mobile Phase durch den Trennkörper zu treiben. In diesem Fall müssen Oberflächenladungen an Stellen vorhanden sein, an denen die elektro-osmotische Strömung erwünscht ist.
-
Aus der
U.S. 4,469,601 ist das Prinzip der dreidimensionalen Chromatografie bekannt. Dort wird eine zweidimensionale Chromatografie auf einer Oberfläche oder in einer dünnen zweidimensionalen Schicht durchgeführt. Die Platte ist durchlässig und wird nach dem Trocknen an einen Materialwürfel angelegt. Dann wird ein Lösungsmittel durch die Platte und durch den Würfel getrieben, um den Rückhaltemechanismus zu nutzen, der in dieser dritten Dimension vorgesehen ist. Diese Vorgehensweise ist umständlich, und der Aufbau des Trennkörpers ist kompliziert.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Mittel zur einfachen dreidimensionalen Chromatografie vorzustellen.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Trennkörper nach Anspruch 1.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass innerhalb eines dreidimensionalen Trennkörpers zur besseren Auftrennung der gesuchten Komponenten unterschiedliche Rückhaltemechanismen implementierbar sind. Vorteilhafterweise muss der Körper dabei zwischen den einzelnen Phasen der dreidimensionalen Chromatografie (erste Auftrennung in Richtung X des Körpers, dann zweite Auftrennung in einer zur Richtung X vertikalen Richtung Y und schließlich dritte Auftrennung in Richtung Z senkrecht zu den beiden anderen Achsen) nicht auseinandergenommen oder zusammengesetzt werden. Stattdessen behält der Körper während des gesamten Verfahrens im Wesentlichen seine Form. Erfindungsgemäß werden zur besseren Auftrennung der Komponenten innerhalb des Trennkörpers (Block) für jede Richtung X, Y, Z geeignete Rückhaltemechanismen installiert. Dies gestattet die Durchführung einer dreidimensionalen Chromatografie in drei orthogonalen Richtungen innerhalb eines Körpers. Dies geschieht vorzugsweise sequentiell, also erst in Richtung X, dann in Richtung Y und abschließend in Richtung Z. Denkbar sind jedoch Verfahren, bei denen in zwei der drei Raumrichtungen gleichzeitig aufgetrennt wird.
-
Die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Trennkörpers sieht vor, dass eine mobile Phase, die die aufzutrennenden Komponenten trägt, entlang einer ersten Dimension in den Trennkörper eingebracht wird, vorzugsweise entlang einer Kante des beispielsweise würfelförmigen Körpers. Zweckmäßigerweise wird die Strömung der mobilen Phase für diesen ersten Schritt bestmöglich auf die zugehörige Richtung X beschränkt, so dass in X-Richtung eine Verteilung der gesuchten Komponenten in Abhängigkeit des für diese Durchströmungsrichtung gewählten bzw. vorgegebenen Rückhaltemechanismus erzielt wird. Bei der anschließend senkrecht zu der eindimensionalen Verteilung erfolgenden zweiten Stufe der Chromatografie in Y-Richtung erfahren die zuvor aufgetrennten Komponenten eine weitere Auftrennung auf Basis des in Y-Richtung vorherrschenden Rückhaltemechanismus. Gleiches gilt auch für den daran anschließenden dritten Schritt in Z-Richtung, so dass abschließend eine dreidimensionale Verteilung der Komponenten innerhalb des Trennkörpers vorliegt (anstelle einer Verteilung der Komponenten in Z-Richtung im dritten Chromatografieschritt kann hier auch eine „zeitliche” Auftrennung erfolgen, was bedeutet, dass die Komponenten mit unterschiedlicher Verzögerung in Z-Richtung an einer Grenzfläche des Körpers aus diesem austreten. In diesem Fall erfolgt die Trennung in der dritten Dimension „zeitlich”, während andernfalls die Auftrennungen in allen drei Dimensionen „räumlich” erfolgen).
-
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung für mehrdimensionale Auftrennungen ist der, dass die einzelnen Auftrennungsstufen so unterschiedlich wie möglich sein sollten. Idealerweise sind die Rückhaltemechanismen vollkommen unabhängig; in diesem Fall können die Auftrennungsstufen als orthogonal bezeichnet werden. Demzufolge richtet sich die Erfindung darauf, individuelle Rückhaltemechanismen für jede der drei Dimensionen X, Y, Z innerhalb des Trennkörpers zu schaffen. Durch die voreingestellten oder auch dynamisch veränderbaren individuellen Rückhaltemechanismen lassen sich die gesuchten Komponenten in jeder Richtung nach unterschiedlichen Kriterien und mit entsprechend unterschiedlicher räumlicher Verteilung (oder zeitlich, sofern die letzte Trennung „zeitlich” erfolgt) aus der mobilen Phase herauslösen.
-
Beim Stand der Technik wird der Trennkörper im Zuge der einzelnen Trennschritte sukzessive zusammengesetzt. Insbesondere erfolgt nach dem zweiten Trennschritt (Auftrennung der Komponenten in X-Y-Ebene) der Anbau einer dafür verwendeten Platte an einen dreidimensionalen Block, der seinerseits ein vorgegebenes Rückhaltevermögen aufzeigt. Nach dem Zusammenbau wird die mobile Phase senkrecht zur Platte durch den ganzen Körper geführt, um die Auftrennung in der dritten Dimension Z zu erreichen.
-
Im Gegensatz dazu ist der erfindungsgemäße Trennkörper von vornherein vollständig zusammengesetzt. Die zweckmäßigerweise unterschiedlichen Rückhaltemechanismen werden nach einer Ausführungsvariante der Erfindung zu diesem Zeitpunkt bereits individuell für jede Durchströmungsrichtung ermöglicht. Eine alternative Ausführungsform gestattet die dynamische Änderung der Rückhaltemechanismen mit Hilfe verschiedener physikalischer oder chemischer Effekte, wie nachstehend zu sehen sein wird. Ein solcher erfindungsgemäßer Trennkörper gestattet aufgrund der Automatisierung die Durchführung einer dreidimensionalen Chromatografie unter erheblicher Zeitersparnis sowie mit erheblich geringerem Aufwand gegenüber dem Stand der Technik. Darüber hinaus lässt sich der Trennkörper auch mit geringen Abmessungen (deutlich kleiner als beispielsweise 50 mm Kantenlänge) herstellen bzw. verwenden, was die Handhabung erheblich vereinfacht.
-
Eine besonders einfache Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Trennkörper aus mehreren Trennmedien mit unterschiedlichem Rückhaltevermögen zusammengesetzt ist, so dass in jede Richtung X, Y, Z ein definierter Rückhaltemechanismus wirkt. Dabei können grundsätzlich auch gleichartige Trennmedien für unterschiedliche Richtungen eingesetzt werden, so lange in jeder Dimension aufgrund einer geeigneten Vorbehandlung das gewünschte Rückhaltevermögen vorliegt, welches sich von den beiden anderen zweckmäßigerweise unterscheidet. Denkbar sind beispielsweise Kanäle mit Säulen, deren Oberflächen durch Ätzen oder durch Beschichtung mit porösen Schichten geeignet vorbehandelt und auf ein gewünschtes Rückhaltevermögen in einer bestimmten Richtung eingestellt sind. Alternativ oder ergänzend kann der Trennkörper durch Mikro-Materialbearbeitung erzeugte Strukturen aufweisen, etwa in Form einer Silikonscheibe, in die Mikrosäulenstrukturen eingeätzt sind. Auch ein Gel kann als geeignetes Trennmedium in dem Trennkörper vorgesehen bzw. gezielt angeordnet sein, um in einer gewünschten Richtung des Raumes ein geeignetes Rückhaltevermögen zu bewirken. Weiterhin lassen sich pseudo-stationäre Phasen, wie z. B. Mizellen, ebenso einsetzen wie Festbetten, monolithische stationäre Phasen, selbstorganisierte Mikro- und Nanostrukturen oder monolithische eingebettete Partikel. Tatsächlich kann gemäß einem Aspekt der Erfindung der gesamte Trennkörper monolithisch ausgebildet sein, während für jede Richtung X, Y, Z unterschiedliche Rückhaltemechanismen dynamisch implementiert werden können. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann jedoch der Trennkörper auch aus unterschiedlichen Elementen oder Blockteilen zusammengesetzt werden, wobei jedes Element oder Blockteil im Wesentlichen monolithisch ist und seinen eigenen Rückhaltemechanismus bietet, der außerdem noch von der räumlichen Ausrichtung des Elements innerhalb des vervollständigten Blocks abhängen kann.
-
Im Allgemeinen kann jeder geeignete Trennmechanismus verwendet werden, um den gewünschten Rückhaltemechanismus innerhalb des Trennkörpers, der vorzugsweise in einer bestimmten Richtung X, Y oder Z wirkt, zu erreichen. Während die Auftrennung auf Größenausschluss basiert, können auch andere Trennmechanismen wie hydrophobe Wechselwirkung, Ionenaustausch, Affinität oder Trennung mit Umkehrphasen mit geeigneten Trennmedien innerhalb des Blocks eingesetzt werden.
-
Wie bereits erwähnt, kann der erfindungsgemäße Körper entweder unterschiedliche Trennmedien enthalten, die jeweils einen bestimmten Trennmechanismus aufweisen. Jedoch können auch gleichartige Trennmedien innerhalb des Blocks vorgesehen sein, die entweder aufgrund der räumlichen Ausrichtung ihrer inneren Struktur und/oder aufgrund einer physikalischen oder chemischen Behandlung ein gezieltes und individuell verschiedenes Rückhaltevermögen für eine bestimmte Richtung des Raumes aufweisen. Denkbar ist beispielsweise eine im Wesentlichen eindimensionale Auftrennung entlang einer schmalen Kante eines Trennkörpers in X-Richtung. Daran könnte über die ganze Länge X eine im Wesentlichen zweidimensionale, durch Mikro-Materialbearbeitung erzeugte Struktur in Y-Richtung angrenzen. Angrenzend an diese X-Y-Ebene könnte in Z-Richtung eine weitere durch Mikro-Materialbearbeitung erzeugte Struktur oder ein anderes der vorgenannten Trennmedien oder anderer dem Fachmann geläufiger Trennmedien angeordnet sein, um einen dadurch bestimmten Rückhaltemechanismus in Z-Richtung zu bewirken.
-
Die Kombination unterschiedlicher Trennmedien innerhalb des Trennkörpers stellt nur eine Variante zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Körpers dar. Alternativ kann der Trennkörper auch im Wesentlichen homogen durch ein einziges Trennmedium gebildet sein, welches jedoch in unterschiedlichen Richtungen des Raums die angestrebten unterschiedlichen Rückhaltemechanismen aufweist. So könnte ein homogenes Medium unterschiedliche Durchlässigkeiten je nach Raumrichtung aufweisen, wodurch entsprechend unterschiedliche Rückhaltemechanismen zustande kämen.
-
Erfindungsgemäß sollen die unterschiedlichen Rückhaltevermögen in den Richtungen X, Y und Z des Raums dadurch vorgebbar sein, dass die Oberflächeneigenschaften oder die Porositäten innerhalb des Trennkörpers gezielt ausgebildet sind, was entweder dauerhaft oder dynamisch veränderbar realisiert werden kann.
-
Ein besonderer Aspekt der Erfindung betrifft die Eigenschaft des Trennkörpers, die Oberflächeneigenschaften oder Porositäten eines Trennmediums innerhalb des Körpers dynamisch verändern zu können, ohne das Trennmedium selbst dafür auszutauschen. Die dynamische Veränderung des Rückhaltevermögens in eine bestimmte Richtung X, Y oder Z gestattet vorteilhaft die zeitliche oder lokale Einstellung des Trennkörpers auf die jeweils zu erfassende Komponente, ohne dafür den Trennkörper oder dessen Bereiche physikalisch auszutauschen. Stattdessen wird das Rückhaltevermögen beeinflusst durch chemische oder physikalische Einwirkung auf den Trennkörper. So können beispielsweise unabhängige Rückhaltemechanismen durch dynamische Erzeugung unterschiedlicher stationärer Phasen (in situ) realisiert werden. Zu derartigen Verfahren zur Abstimmung der Selektivität zählen Hydrophobie und die inhärente Kationenaustauschkapazität einer C18-Phase, poröse Säulen im interaktiven Modus und Größenausschlussmodus durch Veränderung der mobilen Phase, oder thermisch bzw. elektrisch steuerbare Phasen. Diese Verfahren gestatten es, die Eigenschaften der Oberflächen innerhalb des Trennkörpers einzustellen und hierdurch die Rückhaltemechanismen zu verändern. So können beispielsweise die Oberflächeneigenschaften bestimmter Zonen innerhalb des Trennkörpers dynamisch verändert werden durch ein der mobilen Phase zugegebenes Reagens, welches in den Zonen bestimmte Wechselwirkungen hervorruft, die zu einer Veränderung der dortigen Oberflächeneigenschaften führen. Als Beispiel für Letzteres kann eine C18-Phase für Trennungen mit Umkehrphasen verwendet werden, doch sie kann auch in einen „dynamischen Anionenaustauscher” geändert werden, wenn ein positiv geladenes Ionenpaarbildungs-Reagens der mobilen Phase zugegeben wird. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von porösen Säulen im interaktiven Modus und Größenausschlussmodus durch Veränderung der mobilen Phase.
-
Eine weitere Möglichkeit, eine Veränderung des Rückhaltevermögens zu bewirken, würde darin bestehen, eine lichtinduzierte Reaktion in bestimmten Zonen des Körpers auszulösen oder bestimmte Zonen innerhalb des Körpers thermisch oder elektrisch zu steuern.
-
Jede dieser Maßnahmen erlaubt die gezielte Veränderung der Oberflächeneigenschaften bzw. des Rückhaltevermögens des Trennkörpers in der jeweils betroffenen Zone bzw. Richtung. Der besondere Vorteil liegt darin, dass der äußerlich unveränderte Trennkörper zu verschiedenen Zeiten bzw. für verschiedene Strömungsrichtungen X, Y oder Z mit jeweils einem anderen Rückhaltevermögen „programmierbar” ist. So könnte auch ein im Wesentlichen homogen bzw. monolithisch ausgebildeter Trennkörper, dessen Rückhaltevermögen zunächst in jeder Raumrichtung gleich wäre, für die einzelnen Stufen oder Dimensionen der dreidimensionalen Chromatografie jeweils ein bestimmtes unterschiedliches Rückhaltevermögen erhalten, welches für eine bestimmte Trennwirkung als vorteilhaft erachtet wird.
-
Eine derartige „Programmierung” muss dabei nicht den gesamten Trennkörper betreffen. Beispielsweise durch lichtinduzierte Reaktion könnte eine innerhalb des Trennkörpers definierte (beispielsweise würfelförmige) Zone auf ein bestimmtes Rückhaltevermögen eingestellt werden, wenn dieses Rückhaltevermögen genau in dieser Zone zweckmäßig erscheint. Dies könnte etwa dann der Fall sein, wenn bestimmte Komponenten nach erfolgter zweidimensionaler Auftrennung in der X-Y-Ebene zur weiteren Auftrennung in Z-Richtung, doch vielleicht nicht entlang der gesamten Z-Achse, des in der vorgenannten Zone programmierten Rückhaltevermögens bedürfen. Dagegen könnte für andere Komponenten in der X-Y-Ebene, welche die vorgenannte Zone bei der Durchströmung des Trennkörpers in Z-Richtung nicht durchlaufen, das außerhalb dieser Zone vorliegende Rückhaltevermögen für die weitere Auftrennung ausreichen. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Zonen neben- bzw. übereinander innerhalb des Trennkörpers eingerichtet werden, die jeweils unterschiedliche Rückhaltevermögen aufweisen.
-
Denkbar ist dabei schließlich auch, entlang einer Richtung X, Y oder Z des Trennkörpers hintereinander verschiedene Zonen mit entsprechend unterschiedlichen Rückhaltevermögen zu „programmieren”. Damit ergäbe sich bereits für diese eine Richtung eine Art mehrdimensionale Auftrennung. Bei entsprechender Vorgehensweise in die weiteren Richtungen Y bzw. Z lässt sich damit eine Vielfalt unterschiedlicher Rückhaltevermögen innerhalb eines dreidimensionalen Trennkörpers realisieren, um die jeweils aufgetrennten Komponenten noch spezifischer analysieren zu können.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Trennkörpers anhand eines in 1 dargestellten Beispiels näher erläutert.
-
Wie in 1 dargestellt, erstreckt sich ein erfindungsgemäßer räumlicher Trennkörper 1 in drei Richtungen X, Y, Z, die senkrecht zueinander verlaufen. Obwohl der Körper monolithisch aufgebaut ist, bietet er in jeder der Richtungen X, Y, Z einen bestimmten Rückhaltemechanismus.
-
Für die Durchführung der dreidimensionalen Chromatografie wird zunächst die mobile Phase durch eine begrenzte obere Kantenfläche 2, die in 1 überproportional groß dargestellt ist, in den Körper eingeleitet. Im ersten Verfahrensschritt dringt die mobile Phase vorzugsweise nur in der ersten Richtung X in den Körper 1 ein, und zwar entlang einer Oberkante des Körpers, ohne dass sich die mobile Phase in die anderen Richtungen Y und Z bewegt.
-
Bei diesem ersten Schritt erfolgt eine Auftrennung der Komponenten entlang der X-Achse des Blocks je nach dem in dieser Richtung vorgesehenen Rückhaltemechanismus. Vorzugsweise verteilen sich die Komponenten entlang dieser ersten Achse individuell („räumliche Auftrennung”).
-
Nach diesem ersten Schritt wird eine mobile Phase so in den Körper 1 eingeleitet, dass sie die Oberkante des Körpers in Y-Richtung durchdringt, und zwar senkrecht zur Verteilung des ersten Schritts und entlang der gesamten Länge X durch einen schmalen Streifen 3. Die Phase fließt in Y-Richtung, vorzugsweise ohne Änderungen in den anderen Richtungen X oder Z, und bewirkt eine weitere Auftrennung der Komponenten, die sich nach dem ersten Schritt an einer bestimmten X-Position befanden, in dieser zweiten Dimension. Folglich werden die Komponenten in einer weiteren „räumlichen Auftrennung” über einen X-Y-Bereich, der die obere Fläche des Körpers 1 gemäß 1 sein könnte, nochmals aufgetrennt.
-
Der dritte Schritt der Auftrennung umfasst das Eindringen in den Körper senkrecht zur X-Y-Fläche, die den vorherigen Schritt durchlaufen hat. Eine mobile Phase wird in Z-Richtung durch den Körper getrieben, was eine weitere Auftrennung der Komponenten bewirkt, die sich nach dem zweiten Schritt der dreidimensionalen Chromatografie an speziellen X-Y-Positionen befanden.
-
Diese Auftrennung kann erneut „räumlich” erfolgen, was schließlich zu einer charakteristischen Verteilung von Komponenten in allen drei Richtungen X, Y und Z des Körpers führt. Eine andere Art der Auftrennung („zeitlich”) liegt vor, wenn die Komponenten für diesen letzten Schritt komplett durch den Körper getrieben werden, aber aufgrund des in dieser Z-Richtung gewählten Rückhaltemechanismus zu unterschiedlichen Zeitpunkten daraus austreten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
