DE102013114932A1

DE102013114932A1 - Beweglicher Aktuator zum Aufrechterhalten einer mobilen Phase im superkritischen oder verflüssigten Phasenzustand

Info

Publication number: DE102013114932A1
Application number: DE201310114932
Authority: DE
Inventors: Konstantin Choikhet; Klaus Witt; Patric Hoerth
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Probentrenngerät (10) zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder verflüssigten Zustand befindlichen mobilen Phase, wobei das Probentrenngerät (10) einen Fluidantrieb (20), insbesondere ein Pumpsystem, konfiguriert zum Antreiben der mobilen Phase durch das Probentrenngerät (10), eine Trenneinrichtung (30) zum Trennen der unterschiedlichen Fraktionen der in der mobilen Phase befindlichen Probe, einen beweglicher Aktuator (80) stromabwärts der Trenneinrichtung (30), und eine Steuereinrichtung (70) aufweist, die ausgebildet ist, den Aktuator (80) zum Einwirken auf die mobile Phase derart zu bewegen, dass infolge der Einwirkung auf die mobile Phase die mobile Phase am Ausgang (32) der Trenneinrichtung (30) in dem superkritischen oder verflüssigten Zustand verbleibt.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Probentrenngerät und ein Verfahren zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder flüssigen Zustand befindlichen mobilen Phase, ein computerlesbares Speichermedium und ein Software-Programm.
In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar sein kann, durch ein Adsorptionsmedium, eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist bekannt zum Beispiel aus der EP 0,309,596 B1 oder der GB 2490673 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc.
Bei der SFC (superkritische Flüssigkeitschromatographie) werden mobile Phasen (zum Beispiel Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltende Gemische) verwendet, die sich jenseits der stoffspezifischen kritischen Temperatur und des kritischen Druckes befinden. Viele physikalische Eigenschaften solcher Fluide liegen zwischen denen von Gasen und Flüssigkeiten. Zu nennen sind dabei die Dichte, Viskosität und der Diffusionskoeffizient. So können mit der superkritischen Fluidchromatographie analytische Probleme behandelt werden, für die Gas- oder Flüssigchromatographie nicht mehr anwendbar sind. Auch werden im allgemeinen Sprachgebrauch die Trennungen und Trennsysteme als SFC bezeichnet, bei denen die mobile Phase oder deren Komponenten mindestens in Teilen des Systems bei einer Temperatur vorliegen, die über dem Siedepunkt dieser Komponenten liegt. Charakteristisch dabei ist, dass die mobile Phase aufgrund des erhöhten Drucks im flüssigen oder ggf. superkritischen Zustand bleiben soll, sodass eine Ausbildung einer Gasphase (bei entsprechend niedrigerem Druck) nicht vor dem Austritt aus der Trennsäule möglich ist.
Bei superkritischer Flüssigkeitschromatographie soll in der Regel sichergestellt werden, dass auch stromabwärts der Trennsäule die mobile Phase in einem bestimmten Abschnitt des Systems immer noch in einem superkritischen oder flüssigen Zustand verbleibt und nicht verdampft. Herkömmlich wird dies durch ein zum Beispiel federvorgespanntes Nadelventil bewerkstelligt, das auch stromabwärts der Trennsäule einen ausreichend hohen Druck aufrechterhält, um die mobile Phase in dem superkritischen oder flüssigen Zustand zu halten. Allerdings ist diese herkömmliche Lösung fehleranfällig.
OFFENBARUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Probentrennen unter Verwendung einer superkritischen bzw. unter Druck flüssigen mobilen Phase zu ermöglichen, wobei die mobile Phase mit einfachen und zuverlässigen Mitteln in einem superkritischen oder flüssigen Zustand gehalten werden soll. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Probentrenngerät zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder flüssigen/verflüssigten Zustand befindlichen mobilen Phase geschaffen, wobei das Probentrenngerät einen Fluidantrieb, insbesondere ein Pumpsystem, konfiguriert zum Antreiben der mobilen Phase durch das Probentrenngerät, eine Trenneinrichtung zum Trennen der unterschiedlichen Fraktionen der in der mobilen Phase befindlichen Probe, einen beweglicher Aktuator stromabwärts der Trenneinrichtung und eine Steuereinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, den Aktuator zum Einwirken auf die mobile Phase derart zu bewegen, dass infolge der Einwirkung auf die mobile Phase die mobile Phase zumindest am Ausgang der Trenneinrichtung (insbesondere zumindest bis zum Ausgang der Trenneinrichtung, weiter insbesondere zumindest bis zu einer Detektoreinrichtung zum Detektieren der getrennten Probe stromabwärts der Trenneinrichtung) in dem superkritischen bzw. verflüssigten Zustand verbleibt.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Probentrenngeräts zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder flüssigen Zustand befindlichen mobilen Phase geschaffen, wobei bei dem Verfahren die mobile Phase durch das Probentrenngerät angetrieben wird, die unterschiedlichen Fraktionen der in der mobilen Phase befindlichen Probe mittels einer Trenneinrichtung getrennt werden, und ein Aktuator stromabwärts der Trenneinrichtung zum Einwirken auf die mobile Phase derart bewegt wird, dass infolge der Einwirkung auf die mobile Phase die mobile Phase zumindest am Ausgang der Trenneinrichtung (insbesondere zumindest bis zum Ausgang der Trenneinrichtung, weiter insbesondere zumindest bis zu einer Detektoreinrichtung zum Detektieren der getrennten Probe stromabwärts der Trenneinrichtung) in dem superkritischen oder flüssigen Zustand verbleibt.
In einem computerlesbaren Speichermedium gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder flüssigen Zustand befindlichen mobilen Phase gespeichert, welches Programm, wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird, die oben beschriebenen Verfahrensschritte aufweist bzw. durchführt. Ein solches computerlesbares Speichermedium kann zum Beispiel eine Festplatte oder eine CD sein. Es ist aber auch möglich, eine entsprechende Software auf einem Microcontroller, einem RAM bzw. einem ROM eines Computers, etc. zu speichern bzw. darauf oder damit aufzuführen.
Ein Software-Programm (zum Beispiel gebildet durch ein oder mehrere Computerprogramm-Elemente) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder flüssigen Zustand befindlichen mobilen Phase, weist die oben beschriebenen Verfahrensschritte auf (bzw. führt diese durch oder steuert diese), wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sowohl mittels eines Computerprogramms, das heißt einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden. Es ist auch möglich, die Erfindung mittels reiner Hardware zu realisieren, welche die beschriebenen Funktionen ganz ohne Software bzw. Computerprogramm ausführt.
Unter einem „verflüssigten Zustand“ eines Stoffes wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein flüssiger Zustand verstanden, der bei einer herrschenden Betriebstemperatur erst durch einen Überdruck aufrechterhalten wird, wodurch der Stoff an einem Übergang in einen gasförmigen Zustand gehindert wird.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Verbleiben einer superkritischen oder flüssigen mobilen Phase in dem superkritischen oder verflüssigten Zustand an einem Ausgang einer Trenneinrichtung in einem Probentrenngerät dadurch sichergestellt werden, dass ein Aktuator (d.h. ein gezielt beweglicher und dadurch auf die mobile Phase einwirkender Körper) die Druckverhältnisse der mobilen Phase zumindest an der Position des Ausgangs der Trenneinrichtung durch Abfahren eines entsprechenden Bewegungsprofils so beeinflusst, dass die mobile Phase zumindest bis zum Ausgang der Trenneinrichtung (insbesondere bis zu einem Säulenausgang) im superkritischen oder flüssigen Zustand verbleibt und dadurch die Trennperformance oder gar die Operation des Trennsystems nicht durch einen unerwünschten Übergang der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase in einen gasförmigen Zustand verschlechtert bzw. beeinträchtigt wird. Das Vorsehen eines beweglichen Aktuators zu diesem Zweck ist eine konstruktiv einfache, flexible und präzise Möglichkeit, die superkritische oder flüssige mobile Phase über denjenigen Pfad hinweg aufrechtzuerhalten, in dem das Verbleiben der mobilen Phase im superkritischen oder flüssigen Phasenzustand auf die Trennung einer Probe in Fraktionen einen Einfluss hat. Durch das Definierthalten des Phasenzustands der mobilen Phase samt Probe ist ein reproduzierbares Trennexperiment durchführbar.
Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des Probentrenngeräts, des Verfahrens, des computerlesbaren Speichermediums und des Software-Programms beschrieben.
Der bewegliche (insbesondere verfahrbare) Aktuator kann als ein Bauteil ausgebildet sein, das bei seiner Bewegung zu einer Veränderung eines (insbesondere abgeschlossenen) Volumens führt. Anders ausgedrückt kann der Aktuator (zum Beispiel selbsttätig, gesteuert oder geregelt) eine zu einer Volumenänderung führende Bewegung durchführen. Gemäß einer Ausgestaltung kann der Aktuator als Kolbenzylinder ausgebildet sein. Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann der Aktuator als Faltenbalg ausgebildet sein. Der Aktuator kann auch als eine abgeschlossene Kammer mit einer elastischen Wand ausgebildet sein, auf die eine externe Kraft einwirkt (zum Beispiel eine Art Tüte oder sonstiges Behältnis, zum Beispiel aus elastischem Plastikmaterial, in einem Öl- oder sonstigen Flüssigkeitsbad, wobei mittels des Öl- oder sonstigen Flüssigkeitsbads eine definierte Kraft auf die Tüte bzw. das Behältnis ausgeübt werden kann, um deren/dessen Innenvolumen gezielt zu verändern oder einzustellen).
Was als SFC bezeichnet wird, wird teilweise auch bei einer Temperatur unter dem kritischen Punkt ausgeführt. Dann ist die mobile Phase nur noch flüssig wegen des herrschenden hohen Drucks. Dennoch würde die mobile Phase mindestens teilweise in den Gaszustand übergehen, wenn der Druck reduziert würde. Also können Ausführungsbeispiele der Erfindung insbesondere mittels einer mobilen Phase realisiert werden, die oder deren Bestandteile im chromatographischen System bei einer Temperatur über dem jeweiligen Siedepunkt beim Atmosphärendruck vorliegt oder vorliegen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den Aktuator derart zu bewegen, dass ein Druck am Ausgang der Trenneinrichtung an einem Absinken unter einen vorgebbaren Schwellwert, insbesondere einen für einen auch nur teilweisen Übergang der mobilen Phase in einen gasförmigen Phasenzustand indikativen Druckwert, gehindert wird. Wenn eine bestimmte superkritische bzw. flüssige mobile Phase (zum Beispiel flüssiges Kohlendioxid) verwendet wird, so kann diese aufgrund thermodynamischer Überlegungen bzw. Vorkenntnisse in der superkritischen bzw. flüssigen Phase gehalten werden, wenn der Druck an einer entsprechenden Stelle des fluidischen Pfades einen bestimmten Wert (zum Beispiel ungefähr 80 bar; es kann allerdings auch vorteilhaft sein, den Druck auch deutlich höher zu halten, um etwa dem Entmischen der Komponenten der mobilen Phase wie CO₂ und Methanol vorzubeugen.) nicht unterschreitet. Der Aktuator kann derart gesteuert werden, dass dieser oder ein anderer vorgegebener Schwellwert (zum Beispiel unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve zum Phasenübergang bzw. zur Änderung des Aggregatszustand) an der Position des Ausgangs der Trenneinrichtung nie unterschritten wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann – abhängig von dem als superkritische oder flüssige mobile Phase verwendeten Medium, zum Beispiel flüssiges Kohlendioxid – der vorgebbare Schwellwert in einem Bereich zwischen ungefähr 40 bar und ungefähr 400 bar, insbesondere in einem Bereich von ungefähr 80 bar bis ungefähr 180 bar, liegen. Um einer unerwünschten Entmischung zuverlässig entgegenzuwirken, ist ein Druckbereich ab ungefähr 140 bar aufwärts häufig sehr vorteilhaft. Die genannten Werte decken häufig verwendete superkritische mobile Phasen für Chromatographieanwendungen ab. Es ist ohne weiteres möglich, mit beweglichen Aktuatoren (zum Beispiel Kolben in Kolbenräumen) mit geringem Aufwand das Aufrechterhalten der Druckwerte in dem genannten Intervall zu gewährleisten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den Aktuator derart zu bewegen, dass dadurch eine der Fließrichtung (Fluss stromabwärts) der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase am Ausgang der Trenneinrichtung entgegenwirkende Kraft (wirkend stromaufwärts) erzeugt oder aufrechterhalten wird. Anschaulich kann die Aktuatorbewegung den Fluss der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase hemmen bzw. nur so viel Fluss erlauben, dass der Druck nicht absinkt oder diese mit einem entgegengerichteten Fluss beaufschlagen, um eine Druckerhöhung zu erwirken. Anders ausgedrückt kann das freie Expandieren der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase aufgrund einer Gegenkraft des Aktuators soweit gehemmt oder unterbunden werden, dass die Phasenumwandlung verunmöglicht wird. Auf diese Weise kommt es zu einer Druckerhöhung, die ein Überführen der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase in den gasförmigen Zustand verhindert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den Aktuator in Fließrichtung der mobilen Phase kontrolliert zu bewegen, um dadurch eine Entspannung der mobilen Phase zu begrenzen, insbesondere zu unterbinden. Bewegt sich anschaulich die mobile Phase im superkritischen oder flüssigen Zustand auf den Aktuator (zum Beispiel einen Kolben) zu, so kann der Kolben der aus der Flusseinwirkung resultierenden Rückwärtsbewegung gegebenenfalls folgen, dieser aber einen gewissen Widerstand entgegensetzen. Dies allein führt zu einer Reduktion der Entspannungsfähigkeit der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Aktuator als erster Kolben ausgebildet sein, der in einer ersten Kolbenkammer des Probentrenngeräts reziprozierfähig angeordnet ist. Anders ausgedrückt kann mit einer einfachen Pumpenkammer, in welche die superkritische oder flüssige mobile Phase einfließt, das Aufrechterhalten der superkritischen oder flüssigen mobilen Phase im superkritischen oder flüssigen Zustand zumindest an der Position des Ausgangs der Trenneinrichtung sichergestellt bleiben. Bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens in der Kolbenkammer kann superkritische oder flüssige mobile Phase in der Kolbenkammer aufgenommen werden, bis das Innenvolumen der Kolbenkammer seine Kapazität erschöpft hat und der Kolben sich nicht weiter rückwärts bewegen kann. Dann muss die Kolbenkammer zunächst durch eine Vorwärtsbewegung des Kolbens (zum Beispiel nach Waste) geleert werden, und der Aktuator wieder nach vorne zurückgefahren werden, um weitere superkritische oder flüssige Phase in dem superkritischen Zustand aufzunehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probentrenngerät ferner einen weiteren Aktuator aufweisen, der ebenfalls stromabwärts der Trenneinrichtung angeordnet ist. Dieser kann zum Beispiel als zweiter Kolben ausgebildet sein, der in einer zweiten Kolbenkammer des Probentrenngeräts reziprozierfähig angeordnet ist und zum Einwirken auf die mobile Phase mittels der Steuereinrichtung bewegbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können dann der erste Kolben und der zweite Kolben derart miteinander zusammenwirkend gekoppelt sein, dass während zumindest eines Teils eines Zeitintervalls des Einwirkens von einem der Kolben auf die mobile Phase (und somit während des sukzessiven Füllens der zugehörigen Kolbenkammer mit mobiler Phase) die Kolbenkammer des jeweils anderen der Kolben entleert wird. Beim Vorsehen von zwei oder mehr Kolben kann somit sichergestellt werden, dass auch während des Zurückfahrens eines Kolbens im Falle eines vollen Kolbenraums der jeweils andere Kolben die Funktion übernehmen kann, eine Gegenkraft auf die einströmende, im superkritischen oder flüssigen Zustand befindliche mobile Phase zu übernehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probentrenngerät eine mittels der Steuereinrichtung schaltbare fluidische Schalteinrichtung aufweisen, die an einen Ausgang der Trenneinrichtung, an die erste Kolbenkammer und an die zweite Kolbenkammer fluidisch angeschlossen ist und schaltbar ist, um in unterschiedlichen Schaltzuständen zumindest zeitweise alternierend den jeweils einen der Kolben auf die von der Trenneinrichtung her einströmende mobile Phase einwirken zu lassen und die Kolbenkammer des jeweils anderen der Kolben zum Beispiel gegen Waste entleeren zu lassen, wobei die zu entleerende Kolbenkammer während des Entleerens nicht oder nur über einen großen fluidischen Widerstand mit der aufnehmenden Kolbenkammer und dem Rest des Systems verbunden ist. Während eines Teils eines Duty Cycles können aber auch zeitweise beide Kolbenkammern mittels der Schalteinrichtung zur Aufnahme von mobiler Phase an den Ausgang der Trenneinrichtung angeschlossen sein (oder auch kurzfristig davon abgekoppelt sein). Eine solche Schalteinrichtung kann als fluidisches Ventil (zum Beispiel als Rotorventil aus einem Stator mit fluidischen Ports und einem Rotor mit die Ports in verschiedenen Schaltzuständen fluidisch in variierbarer Weise koppelnden Fluidkanälen) ausgebildet sein, das jeweils einen der Kolben samt Kolbenkammer in einen aktiven und den jeweils anderen Kolben in einen inaktiven Zustand versetzt, bzw. beide Kolben in einen aktiven Zustand versetzt oder auch beide in einen inaktiven Zustand versetzt. Dadurch kann alternierend der eine oder der andere Kolben zum Aufnehmen der mobilen Phase verwendet werden. In einem Intervall zwischen diesen beiden Schaltzuständen können aber auch beide Kolbenpumpen in gleicher Weise oder auch alternierend arbeiten.
Es ist anzumerken, dass die Steuereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel als ein Prozessor ausgebildet ist, welcher andere Komponenten des Probentrenngeräts steuert, indem er ihnen entsprechende Steuersignale oder Kommandos übermittelt. Allerdings kann die Steuerfunktion der Steuereinrichtung allein auf die Kontrolle des Aktuators und/oder des Schaltventils beschränkt werden. Alternativ ist es aber auch möglich, die Steuereinrichtung als rein mechanischen Mechanismus auszubilden (der zum Beispiel ein Schalten einer Schalteinrichtung, wie zum Beispiel ein fluidisches Ventil, bewirkt). Schließlich ist eine Steuereinrichtung gemäß anderen Ausführungsbeispielen gänzlich entbehrlich, zum Beispiel kann das Verfahren auch manuell bzw. durch einen Benutzer gesteuert durchgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, die Schalteinrichtung derart zu schalten, dass beim Dazukoppeln der bereits entleerten Kolbenkammer an den Ausgang der Trenneinrichtung bzw. beim fluidischen Umkoppeln des Ausgangs der Trenneinrichtung von einer fluidischen Kopplung mit einer mit mobiler Phase gefüllten Kolbenkammer zu einer fluidischen Kopplung mit einer von mobiler Phase entleerten Kolbenkammer der Druck in beiden Kolbenkammern gleich ist oder zumindest der Druck in der bereits entleerten Kolbenkammer dem aktuellen oder mittleren Druck am Ausgang der Trenneinrichtung gleich oder hinreichend nah ist. Durch diese Maßnahme können unerwünschte Druckstöße vermieden werden, die zum Beispiel auch einen Phasenübergang der im superkritischen oder flüssigen Zustand befindlichen mobilen Phase auslösen könnten. Außerdem werden durch diesen druckstoßarmen Betriebsmodus die fluidischen Komponenten vor Zerstörung oder Verschleiß geschützt und ein unerwünschtes Rauschen des Detektorsignals wirkungsvoll reduziert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, die Kolben derart zu steuern, dass der Druck in beiden Kolbenkammern sowohl während des Einwirkens auf die mobile Phase als auch während des Entleerens konstant ist. Diese Maßnahme führt zu einer besonders hohen Lebensdauer der Komponenten der Apparatur und verbessert ihre Robustheit und reduziert die Fehleranfälligkeit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probentrenngerät mindestens einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks der mobilen Phase im Flusspfad (vorteilhaft, aber nicht zwingend am Ausgang oder stromabwärts der Trennsäule) aufweisen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine Bewegungscharakteristik des Aktuators basierend auf dem erfassten Druck anzupassen. Auf diese Weise kann unter Einsatz einer Regelschleife ein Druck an der Stelle des Säulenausgangs (und/oder an einer anderen Position im Flusspfad) erfasst werden und abhängig vom erfassten Druckwert die Bewegungscharakteristik des Aktuators modifiziert werden, um den Phasenübergang der mobilen Phase (insbesondere die Entstehung einer Gasphase) zu vermeiden. Ist der Druck zu niedrig, kann der Aktuator als Reaktion eine stärkere Gegenkraft auf die mobile Phase ausüben bzw. das zur Verfügung stehende Volumen reduzieren, und umgekehrt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, eine Bewegungscharakteristik des Aktuators fest einzustellen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Funktionsweise des fluidischen Systems zunächst modelliert werden (zum Beispiel unter Verwendung von Messergebnissen und/oder Expertenwissen). Die modellhaften Annahmen zur Funktionsweise und zu den herrschenden fluidischen Zuständen im Inneren der Anordnung können dann als Basis für die Beaufschlagung des Aktuators mit einem bestimmten Bewegungsprofil verbunden sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probentrenngerät ferner eine fluidische Restriktoreinrichtung stromabwärts des Aktuators aufweisen, die ausgebildet ist, der aus dem Aktuator austretenden mobilen Phase einen hydraulischen Widerstand entgegenzusetzen. Durch das Vorsehen einer solchen fluidischen Restriktoreinrichtung stromabwärts des Aktuators (in Fließrichtung der mobilen Phase) kann erreicht werden, dass beim Entleeren der Kolbenkammer der Aktuator (zum Beispiel ausgebildet als Kolbenpumpe) immer in der Lage ist, einen ausreichend hohen Druck aufrechtzuerhalten. Ein unzureichend hoher Druck könnte zu einem undefinierten Zustand führen, verursacht durch die teilweise oder vollständige Verdampfung der mobilen Phase aus der Kammer. Durch Vorsehen einer fluidischen Restriktoreinrichtung, zum Beispiel als fluidische Engstelle stromabwärts des Aktuators, kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt in der Kolbenkammer ein erwünschter Druck hergestellt oder wiederhergestellt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Restriktoreinrichtung, der Aktuator und der weitere Aktuator miteinander derart fluidisch gekoppelt sein, dass die jeweilige Kolbenentleerung in Richtung der Restriktoreinrichtung erfolgt. Somit kann die superkritische oder flüssige mobile Phase von dem Ausgang der Trenneinrichtung zu dem Aktuator und von dort weiter in Richtung der Restriktoreinrichtung ohne Entspannung bzw. Gasbildung propagieren, und von dort zum Beispiel gegen Waste. Es ist auch möglich, pro Aktuator eine eigene Restriktoreinrichtung vorzusehen.
Durch das Vorsehen der Restriktionsvorrichtung wird der jeweilige Kolben in die Lage versetzt, beim Entleeren ein erwünschtes Druckniveau in der Kammer aufrechtzuerhalten oder zumindest eine wesentliche Gasbildung in der Kammer beim Entleeren zu vermeiden, sodass am Ende des Entleervorgangs in der Kammer noch ausreichend mobile Phase vorhanden ist, um den erwünschten Druck (etwa den Druck am Ausgang der Trennvorrichtung) durch eine Kolbenbewegung zu erreichen. Dadurch kann der Druck in der zu entleerenden Kammer aufrechterhalten werden, um anschließend eine Wiederankoppelung der entleerten Kammer an den Ausgang der Trennvorrichtung ohne Druckstöße zu ermöglichen.
Das Probenseparationsgerät kann ein SFC-(superkritische Flüssigkeitschromatographie)Flüssigchromatographiegerät, insbesondere eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography) sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
Das Probentrenngerät kann eine Pumpe zum Bewegen der jeweiligen mobilen Phase aufweisen. Eine solche Pumpe kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die mobile Phase mit einem hohen Druck, zum Beispiel einige 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr, durch das System hindurch zu befördern.
Alternativ oder ergänzend kann das Probenseparationsgerät einen Probeninjektor zur Injektion der Probe in eine mobile Phase aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine Nadel in einem Sitz eines entsprechenden Flüssigkeitspfades aufweisen, die aus diesem Sitz herausfahren kann, um Probe aufzunehmen, und die nach dem Wiedereinführen in den Sitz die Probe in das System injiziert.
Alternativ oder ergänzend kann das Probentrenngerät einen Probenfraktionierer zum Fraktionieren der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionierer kann die verschiedenen Komponenten zum Beispiel in verschiedene Aufnahmebehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Waste-Container zugeführt werden.
Vorzugsweise kann das Probentrenngerät einen Detektor zur Detektion der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Detektor kann ein Signal erzeugen, welches beobachtet und/oder aufgezeichnet werden kann, und welches für die Anwesenheit und Menge der Probenkomponenten in dem durch das System fließenden Fluid indikativ ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein HPLC-System zum Durchführen von superkritischer Flüssigkeitschromatographie gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt einen Teil des HPLC-Systems gemäß 1 in einem Bereich stromabwärts der Trenneinrichtung, durch eine ventilgesteuerte Zweikolbenpumpe und über eine fluidische Restriktoreinrichtung gegen Waste.
3A bis 3D zeigen die ventilgesteuerte Zweikolbenpumpe gemäß 2 in unterschiedlichen Schalt- und Betriebszuständen.
Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
Bevor die Figuren eingehend beschrieben werden, werden einige allgemeinere Überlegungen der vorliegenden Erfinder zu exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird zum Betrieb einer superkritischen Probentrenneinrichtung (insbesondere einer Flüssigkohlendioxid-SFC-Trennsäule) eine präzise Drucklast zugeführt, um dadurch das Verbleiben der superkritischen mobilen Phase im superkritischen Zustand in allen für den Betrieb des Probentrenngeräts erforderlichen Bereichen sicherzustellen. Entsprechendes gilt auch bei Einsatz von unter Druck befindlicher flüssiger mobiler Phase (die also nicht zwingend in einem superkritischen Zustand sein muss), die bei Druckabfall in einen gasförmigen Zustand übergehen würde. Somit gelten die erfindungsgemäßen Überlegungen in entsprechender Weise für in einem superkritischen Zustand befindliche mobile Phase aber auch für flüssige mobile Phase, die (insbesondere unter Normalbedingungen) nur aufgrund von ausreichendem Druck in dem flüssigen Phasenzustand verbleibt. Die weitere Darstellung bezieht sich schwerpunktmäßig auf superkritische mobile Phase, gilt aufgrund dieser Überlegungen aber auch für flüssige mobile Phase.
In sub- oder superkritischen Fluidchromatographiesystemen (SFC) ist ein Druckregulator vorteilhaft, um die mobile Phase (zum Beispiel Kohlendioxid) im flüssigen Zustand zu bewahren. Bei normalen Labortemperaturen um 25°C liegt dieser Mindestdruck bei ungefähr 70 bar bis 80 bar. In manchen Fällen kann auch ein höherer Druck erforderlich sein, um die Mischfähigkeit von Kohlendioxid mit einem Modifizierer, zum Beispiel Methanol, sicherzustellen. Dieser Druck soll in dem Flusspfad auch stromabwärts der Säule bis zu einer Detektionsstelle aufrechterhalten werden, die zum Beispiel ein UV-Signal erzeugen kann. Moderne SFC-Systeme können für viele Anwendungen benutzerspezifisch verwendet werden, um zum Beispiel eine Anpassung auf höchste Leistungsfähigkeit oder maximalen Durchsatz hin vornehmen zu können.
Herkömmliche Ansätze zum Bereitstellen eines konstanten Drucks basieren auf federgelagerten Ventilen oder dergleichen, die aber den Nachteil haben, dass sie aufgrund einsetzender elektromechanischer Autooszillationen instabil werden können und außerdem aufwendig sind.
Im Gegensatz dazu beruhen exemplarische Ausführungsbeispiele auf der Verwendung einer Pumpe stromabwärts der Trenneinrichtung zum Bereitstellen eines "negativen" Flusses oder mit anderen Worten zum gezielten Steuern des Abflusses mobiler Phase.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems 10, wie es zur SFC-Flüssigchromatographie verwendet werden kann. Eine Pumpe 20, die mit Lösungsmitteln aus Lösungsmittelbehältern A, B versorgt wird, treibt eine im superkritischen Zustand befindliche mobile Phase durch ein Separationsgerät 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule) als Trenneinrichtung, das eine stationäre Phase beinhaltet. Eine Probenaufgabeeinheit 40 ist zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 angeordnet, um Proben in die mobile Phase einzubringen. Die stationäre Phase des Separationsgerätes 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probenflüssigkeit zu separieren. Ein Detektor 50 stromabwärts eines Ausgangs 32 des Separationsgerätes 30 detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probenflüssigkeit in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Waste-Flüssigkeiten können in Waste-Behälter 60 ausgegeben werden.
Während ein Flüssigkeitspfad zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 typischerweise auf Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannten Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probeneinheit 40 eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Pfad einbringt. Beim Zuschalten der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Pfad wird der Inhalt der Probenschleife schlagartig (typischerweise im Bereich von Millisekunden) auf den Systemdruck des HPLC-Systems 10 gebracht. Eine Steuereinheit 70 steuert die einzelnen Module 20, 30, 40, 50, 60 des Probentrenngeräts 10.
1 zeigt zudem zwischen dem Ausgang 32 und dem Waste-Behälter 60 eine Pumpenanordnung aus einer ersten Kolbenpumpe 91 und einer zweiten Kolbenpumpe 93 zum Einstellen eines Mindestdrucks bzw. zum Vorgeben eines vorbestimmten Drucks der mobilen Phase an diesem Ausgang 32. Durch das definierte Vorgeben der Druckverhältnisse in dem chromatographischen Trennpfad, insbesondere mindestens bis zu dem Ausgang 32 des Separationsgeräts 30 oder sogar bis zu einem Detektorausgang des Detektors 50, kann sichergestellt werden, dass der chromatographische Trennprozess nicht durch ein unerwünschtes Verdampfen bzw. Übergehen der im superkritischen Zustand befindlichen mobilen Phase in eine gasförmige Phase gestört wird.
Hierzu ist ein beweglicher (erster) Kolben 80 als Aktuator stromabwärts des Separationsgeräts 30 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 70 steuert den ersten Kolben 80 so, dass dieser kraft seiner Bewegung einen Gegendruck auf die auf ihn einströmende mobile Phase ausübt, um deren Verbleib im superkritischen Phasenzustand zu gewährleisten.
Wenn flüssiges Kohlendioxid als mobile Phase verwendet wird, so sollte der Druck der mobilen Phase etwa 80 bar nicht unterschreiten, was durch eine entsprechende Aktuatorbewegung sichergestellt wird. Anschaulich erzeugt der erste Kolben 80 kraft seiner Bewegung eine der Bewegung der mobilen Phase entgegengerichtete Kraftkomponente, welche der freien bzw. unzureichend gehinderten oder unzureichend kontrollierten Expansion der mobilen Phase innerhalb des fluidischen Pfads entgegenwirkt und diese anschaulich entschleunigen kann.
Der erste Kolben 80 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als einer von zwei Kolben einer Zweizylinder-Pumpe ausgebildet. Der erste Kolben 80 ist in einer ersten Kolbenkammer 82 des Probentrenngeräts 10 hin und her beweglich montiert. Im in 1 gezeigten Betriebszustand bewegt sich der erste Kolben 80 gerade nach oben, so dass die aus dem Separationsgerät 30 durch deren Ausgang 32 ausströmende mobile Phase (mit Probenbestandteilen) nach Durchströmen der Zone des Detektierens am Detektor 50 durch einen Port und einen Fluidkanal eines fluidischen Ventils 90 in die Kolbenkammer 82 einströmt. Die mobile Phase im superkritischen Zustand hat dabei die Tendenz, den ersten Kolben 80 in der ersten Kolbenkammer 82 zu verdrängen, um selbst zu expandieren. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel steuert die Steuereinrichtung 70 den ersten Kolben 80 in dem gezeigten Betriebsmodus so, dass der erste Kolben 80 sich zwar in Pfeilrichtung bewegt, dem Druck der im superkritischen Zustand befindlichen mobilen Phase aber einen mechanischen Widerstand entgegensetzt. Dadurch wird der Druck in der mobilen Phase erhöht bzw. aufrechterhalten und somit ein unerwünschter Übergang derselben in den gasförmigen Phasenzustand vermieden.
Die bisherige Betrachtung konzentrierte sich auf die Funktion des ersten Kolbens 80 der ersten Kolbenpumpe 91 mit der ersten Kolbenkammer 82. Gemäß 1 ist zudem ein zweiter Kolben 84 (als weiterer Aktuator) der zweiten Kolbenpumpe 93 vorgesehen, der sich in einer zweiten Kolbenkammer 86 bewegt. Das Zusammenspiel der Funktion zwischen den beiden Kolbenpumpen 91, 93 wird durch das Schalten des fluidischen Ventils 90 bewerkstelligt, das genauso wie die Bewegung der beiden Kolben 80, 84 durch die Steuereinrichtung 70 gesteuert wird. Eine derartige Pumpe als solche ist zum Beispiel in GB 2490673 beschrieben.
Vereinfacht ausgedrückt bewegt sich der erste Kolben 80 unter Aufbringung eines Gegendrucks auf die im superkritischen Zustand befindliche fluidische Phase im gezeigten Betriebszustand nach oben. Durch den Widerstand, den der erste Kolben 80 in der ersten Kolbenkammer 82 der superkritischen mobilen Phase entgegensetzt, füllt sich die erste Kolbenkammer 82 sukzessive mit mobiler Phase. Wenn der erste Kolben 80 von der mobilen Phase soweit in der ersten Kolbenkammer 82 zurückgedrängt worden ist, dass er im Bereich seiner oberen Endposition angelangt, so wird er angehalten und die Aufnahme der mobilen Phase durch die ansetzende Bewegung des zweiten Kolbens 84 nach oben übernommen (siehe Schaltzustand gemäß 3A, die unten näher beschrieben ist). Anschließend wird das fluidische Ventil 90 derart geschaltet, dass der erste Kolben 80 in der ersten Kolbenkammer 82, der nun von dem Pfad mit der mobilen Phase abgekoppelt ist, in seinen Ausgangszustand zurückfahren kann (siehe Schaltzustand gemäß 3B, die unten näher beschrieben ist). Die dort aufgenommene mobile Phase kann dann über entsprechende fluidische Kanäle durch das fluidische Ventil 90 in Richtung des Waste-Behälters 60 geführt werden.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass stromabwärts des fluidischen Ventils 90 eine fluidische Restriktoreinrichtung 95 in Form einer ausgeprägten Verengung, einer Kapillare kleineren Durchmessers oder Ähnliches vorgesehen ist. Diese fluidische Restriktoreinrichtung 95 bietet einer mobilen Phase, die durch sie hindurchfließt, einen fluidischen Widerstand. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Pumpen einer der Pumpen 80, 82 bzw. 84, 86 nicht gegen einen sehr niedrigen Druck erfolgt, was zu undefinierten Verhältnissen nach dem Entleeren führen könnte. Somit bewirkt der Widerstand der fluidischen Restriktoreinrichtung 95 einen definierten Zustand.
Der Betriebsmodus der ersten Kolbenpumpe 91 und der zweiten Kolbenpumpe 93 wird im Weiteren näher beschrieben. Wenn ein Kolbenraum, zum Beispiel die erste Kolbenkammer 82, fast vollständig mit mobiler Phase gefüllt ist (das heißt, wenn der erste Kolben 80 zu seiner oberseitigen Endstellung in der ersten Kolbenkammer 82 gemäß 1 gelangt), wird das fluidische Ventil 90 so geschaltet, dass der zweite Kolben 84 zugeschaltet wird und das Bewegungsmuster zum Halten der mobilen Phase in dem superkritischen Zustand auf die zweite Kolbenpumpe 93 umgeschaltet wird (siehe Schaltzustand gemäß 3A, die unten näher beschrieben ist). Die dann fast vollständig gefüllte erste Kolbenkammer 82 wird dann von der Zuleitung mit superkritischer mobiler Phase von dem Ausgang 32 her abgekoppelt und an den Waste-Behälter 60 angekoppelt siehe Schaltzustand gemäß 3B, die unten näher beschrieben ist. Dann kann die gefüllte Kolbenkammer 82 entleert werden.
Um eine Optimierung zum Erreichen geringstmöglicher Amplitude der Druck- bzw. Flussstörungen vorzunehmen (eigentlich eine Druckwelligkeit, die durch das Bewegungsmuster der Kolbenpumpen 91, 93 eingeführt wird), ist es vorteilhaft, wenn der Druck in der entleerten Kolbenkammer (hier die zweite Kolbenkammer 86) nach dem Entleeren (zumindest im Wesentlichen) dem Druck in der Eingangsleitung entspricht. Um dies zu erreichen, insbesondere wenn flüssiges Kohlendioxid (oder eine andere mobile Phase, die oder deren Komponenten unter Atmosphärendruck bei der Einsatztemperatur gasförmig wäre(n)) als mobile Phase verwendet wird, ist es vorteilhaft, den Druck in einer jeweiligen der Kolbenkammern 82, 86 konstant zu halten oder nahezu konstant zu halten, und zwar während des gesamten Betriebszyklus, inklusive der Entleerphase. Um dies zu erreichen, kann die Entleerleitung mit der fluidischen Restriktoreinrichtung 95 ausgestattet werden, und die Ausgangsflussrate über die fluidische Restriktoreinrichtung 95 hinweg kann so justiert werden, dass der an dem Pumpenkolben resultierende Druck nun auf dem Lastdruck des aktiven Kolbens während der Entleerphase oder zumindest in dem Moment ist, wenn das fluidische Ventil 90 schaltet, um beide Kolbenkammern 82, 86 in Eingriff zu nehmen. Es ist vorteilhaft, den Druck während der Entleerphase konstant zu halten, da dies jegliche adiabatische Temperaturveränderungen in der entleerten Kolbenkammer eliminiert. Eine finale Druckjustierung kann in einer Zwischenventilposition durchgeführt werden, nachdem eine entleerte Kolbenkammer von der Entleerleitung bereits abgekoppelt worden ist, aber vor dem Koppeln der leeren Kolbenkammer an die Eingangsleitung.
Auf diese Weise können auch vollständig unbekannte Kompressibilitäten gehandhabt werden, zumindest für einen druckgesteuerten Betriebsmodus. Wenn eine Lösungsmittelkompressibilitätstabelle über die Mischung und die Zusammensetzung verfügbar ist, können auch aufgenommene Flusswerte adaptiert werden und die Bewegungsmuster teilweise oder komplett vorausberechnet werden.
Wenn dieser Fluss aufgenommen wird, kann er sogar verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit der zuführenden Hauptpumpe unter dynamischen Bedingungen zu diagnostizieren, was zusätzliche quantitative Informationen sowie Daten hinsichtlich der Güte des fluidischen Systems insgesamt bereitstellen kann.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Druckjustierung in der entleerten Kolbenkammer zu verbessern:
Gemäß einem Ansatz kann die Entleerflussrate eingestellt werden. Die Flussrate kann basierend auf einem Ergebnis eines vorangehenden Hubs eingestellt werden, und es kann erforderlichenfalls eine Korrektur (insbesondere eine druckbasierte Volumen- bzw Positionskorrektur durch den jeweiligen Kolben) nach dem Koppeln der leeren Kolbenkammer durchgeführt werden. Wenn allerdings Änderungen in der Restriktion auftreten (zum Beispiel durch Veränderung der Viskosität der mobilen Phase, der Temperatur des hydraulischen Resistors, etc.), kann es im Moment des Wiederankoppelns zu Druckfehlern kommen. Dies kann durch eine druckbasierte Volumen- bzw Positionskorrektur korrigiert werden, wie oben beschrieben. Adiabatische Temperatureffekte können gegebenenfalls durch eine geeignete zusätzliche Kompensation berücksichtigt werden.
Ein vollständig gesteuerter (d.h. durch Vorgabe einer festen Prozedur ohne operative Korrektur gekennzeichneter) oder geregelter (d.h. durch Halten von einem oder mehreren Parametern in einem gewünschten Korridor gekennzeichneter, wobei erforderlichenfalls externe Einflüsse kompensiert werden) Setup kann vorteilhaft sein, wobei der Druck in jeder Kolbenkammer berücksichtigt werden kann. Dies kann eine echtzeitdruckgesteuerte Entleerbewegung des jeweiligen Kolbens und eine zusätzliche Druckjustierung nach dem Abkoppeln eines Kolbens von der Entleerleitung erlauben. Ein Drucksensor 85 in der Eingangsleitung kann in diesem Fall entbehrlich sein, wenn zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs zumindest ein Drucksensor an die Eingangsleitung angeschlossen ist. Drucksensoren können während jedem Betriebszyklus gegeneinander abgeglichen werden, wenn beide Kolben 80, 84 an die Eingangsleitung angeschlossen sind. Es sind mehrere Anordnungen der Drucksensoren möglich. Möglich ist zum Beispiel das Vorsehen von je einem Drucksensor permanent angeschlossen an jede Kolbenkammer 82, 86, und/oder das Vorsehen von einem Sensor am Ausgang 32 des Separationsgeräts 30 und einen am Eingang der Restriktoreinrichtung 95. Auch sind die Varianten möglich, bei denen Drucksensoren an den dedizierten Ports des fluidischen Ventils 90 angeschlossen werden.
2 zeigt noch einmal eine Großaufnahme der beiden Kolbenpumpen 91, 93 und des dazwischen angeordneten fluidischen Ventils 90.
Das fluidische Ventil 90 ist ein Rotorventil, das aus einem Statorelement mit einer Mehrzahl von fluidischen Ports 200 und einem Rotor mit mit den Ports 200 fluidisch koppelbaren Fluidkanälen 202 versehen ist. In dem Stator sind die Ports 200 und in dem Rotor sind die Fluidkanäle 202 als Nuten vorgesehen. Wird der Rotor gegenüber dem Stator rotiert, so werden unterschiedliche Schaltzustände eingestellt.
In der in 2 gezeigten Konfiguration fließt die mobile Phase im superkritischen Zustand von dem Ausgang 32 durch das den Drucksensor 85 in eine Einlassleitung 204 stromaufwärts des Fluidventils 90 ein. Über einen der Fluidkanäle 202 fließt die superkritische mobile Phase dann in die erste Kolbenkammer 82 insofern, wie es der erste Kolben 80 durch seine Bewegung zulässt (siehe Bewegungsrichtung 206 der mobilen Phase und Kolbenbewegung 208). Indem der erste Kolben 80, unter dem Einfluss der Steuereinrichtung 70, sich nur kontrolliert von der superkritischen mobilen Phase zurückdrängen lässt oder anderweitig, etwa mittels eines Motors angetrieben, bewegt wird, ist die ungehinderte Expansion der mobilen Phase behindert, so dass diese auf einem relativ hohen Druckniveau verbleibt. Über eine Zwischenleitung 210 kann mobile Phase dann wieder zum fluidischen Ventil 90 zurückfließen, wobei sie im gezeigten Zustand blockiert ist.
In bestimmten Betriebszuständen ist die zweite Kolbenpumpe 93 mit dem Ausgang 32 gekoppelt. Eine weitere Zwischenleitung 212 verbindet die zweite Kolbenkammer 86 wiederum mit dem fluidischen Ventil 90. Um in einer der Kolbenkammer 82, 86 aufgenommene mobile Phase abfließen zu lassen, kann diese über eine Ausgangsleitung 214 und durch die fluidische Restriktoreinrichtung 95 in Richtung Waste-Behälter 60 abfließen.
Der Schaltzyklus, den das fluidische Ventil 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel durchlaufen kann, kann im Detail wie folgt aussehen: zunächst kann der Schaltzustand wie in 3A gezeigt eingestellt werden, wobei der erste Kolben 80 zunächst auf Mittelhöhe oder auf einer anderen Position angeordnet sein kann. Der erste Kolben 80 fährt (gemäß dem Bild) kontrolliert nach oben und bremst ab bzw. hält an, wenn er seine obere Endposition erreicht hat. Der zweite Kolben 84 fährt dann los, vorzugsweise so mit der Bewegung des ersten Kolbens koordiniert, dass die Summengeschwindigkeit beider Kolben (insbesondere die Geschwindigkeit der Gesamtvolumenänderung der beiden Kolbenkammern) keine Unstetigkeit oder Störung erfährt. Die Steuereinrichtung 70 kann das fluidische Ventil 90 also in einen in 3A gezeigten Betriebszustand schalten, in dem die erste Kolbenkammer 82 nun fast vollständig mit mobiler Phase gefüllt ist. Das fluidische Ventil 90 wird also zunächst so geschaltet, dass neue mobile Phase von dem Ausgang 32 zeitweise in beide Kolbenkammern 82, 86 einfließen kann. Der Zustand des fluidischen Ventils 90 in der mittleren Position gemäß 3A (und 3C) ist dadurch ausgezeichnet, dass jeder der Kolben 80, 84 den Fluss aufnehmen kann, auch beide gleichzeitig. Auch kann einer stoppen und der andere anfahren. Dieser Zustand ist zeitlich im gewissen Sinne nicht limitiert. Die nachfolgende Entleerphase (siehe unten) hingegen soll zeitig beendet werden, damit nach dem Entleeren, die durch die Kolbenbewegung definiert ist, nicht noch anschließend mobile Phase aufgrund eigener Expansion unkontrolliert austritt. Auch die Geschwindigkeit des Entleerens sollte vorteilhaft in Einklang mit einem gewünschten Druck und angeschlossenen Restriktor eingestellt, gesteuert oder geregelt werden.
Ausgehend von 3A wird das Fluidventil 90 dann so geschaltet, dass der in 3B gezeigte Betriebszustand eingestellt wird. Gemäß 3B wird die erste Kolbenkammer 82 entleert, wobei die Entleercharakteristik durch den erwünschten Druck und die Restriktion bestimmt werden kann (zum Beispiel errechnet oder geregelt). In diesem Betriebszustand ist nur noch die zweite Kolbenpumpe 93 an den Versorgungspfad mit von dem Separationsgerät 30 stammender mobiler Phase angeschlossen, und die erste Kolbenpumpe 91 ist nun von diesem fluidischen Fluss abgekoppelt. Während nun superkritische fluidische Phase in die zweite Kolbenpumpe 93 einströmt und aufgrund eines Gegendrucks des zweiten Kolbens 84 an einem Verlassen des superkritischen Phasenzustands gehindert wird, bewerkstelligt das fluidische Ventil 90 simultan, dass die mit mobiler Phase voll aufgefüllte erste Kolbenkammer 82 über das Fluidventil 90 und die in 3B nicht gezeigte fluidische Restriktoreinrichtung 95 in Richtung Waste-Behälter 60 entleert wird.
Wenn nun nachfolgend die erste Kolbenkammer 82 fast völlig entleert ist, kann durch abermaliges Schalten des fluidischen Ventils 90, veranlasst durch die Steuereinrichtung 70, der in 3C gezeigte Betriebszustand eingestellt werden. Wenn der erste Kolben 80 an seiner Endposition angekommen ist (oder kurz zuvor), wird somit in den in 3C gezeigten Betriebszustand umgeschaltet. Die Begriffe Start- und Endposition beziehen sich insbesondere auf die jeweilige Aktuatorbewegung und sind nicht zwingend mit einer bestimmten geometrischen Position des Aktuators verbunden. Der erste Kolben 80 bleibt jedoch auch nach dem Umschalten im Wesentlichen so lange still, bis der zweite Kolben 84 in seiner Endposition anhält. Dann erst übernimmt der erste Kolben 80 wieder die Funktion der gesteuerten bzw. geregelten Aufnahme der mobilen Probe, indem er sich bewegt. Nun sind, ähnlich wie in 3A, beide Kolbenkammern 82, 86 mit dem Ausgang 32 gekoppelt. Anders ausgedrückt kann die mobile Phase nun wieder in beide Kolbenräume 82, 86 einströmen, kontrolliert durch die entsprechenden Bewegungen der Kolben 80, 84 ähnlich wie in 3A. In der dargestellten Ausführung bleibt der Kolben 80 nach dem Wiedereinkoppeln der ersten Kolbenkammer 82 solange im Wesentlichen stehen, bis die zweite Kolbenkammer 86 fast vollgelaufen ist.
Um den in 3D gezeigten Betriebszustand zu erhalten, wird nachfolgend das fluidische Ventil 90 ein weiteres Mal unter Steuerung der Steuereinrichtung 70 geschaltet. Der zweite Kolben 84 geht nun in seine Entleerungsphase über. Nun fließt die mobile Phase von dem Ausgang 32 nur noch in die vorhin entleerte und nun aufnahmebereite erste Kolbenkammer 82 ein, während die zweite Kolbenkammer 86 durch die fluidische Restriktoreinrichtung 95 und in den Waste-Behälter 60 entleert wird.
Ausgehend davon kann nun nachfolgend wieder der in 3A gezeigte Betriebszustand eingestellt werden. Dadurch ist ein zyklisches Betreiben der Anordnung möglich.
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0309596 B1 [0002]
GB 2490673 [0002, 0052]

Claims

Probentrenngerät (10) zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder verflüssigten Zustand befindlichen mobilen Phase, wobei das Probentrenngerät (10) aufweist: einen Fluidantrieb (20), insbesondere ein Pumpsystem, konfiguriert zum Antreiben der mobilen Phase durch das Probentrenngerät (10); eine Trenneinrichtung (30) zum Trennen der unterschiedlichen Fraktionen der in der mobilen Phase befindlichen Probe; einen beweglichen Aktuator (80) stromabwärts der Trenneinrichtung (30); eine Steuereinrichtung (70), die ausgebildet ist, den Aktuator (80) zum Einwirken auf die mobile Phase derart zu bewegen, dass infolge der Einwirkung auf die mobile Phase die mobile Phase am Ausgang der Trenneinrichtung (30) in dem superkritischen oder flüssigen Zustand verbleibt.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Aktuator (80) derart ausgebildet ist, dass er der aus dem Ausgang (32) ausströmenden mobilen Phase ein zumindest zeitweise abgeschlossenes Volumen zur Verfügung stellt, dessen Rauminhalt durch die durch die Steuereinrichtung (70) gesteuerte Bewegung des Aktuators (80) angepasst wird, um einen erwünschten Druck am Ausgang (32) aufrechtzuerhalten und/oder eine erwünschte Menge der mobilen Phase aufzunehmen.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, den Aktuator (80) derart zu bewegen, dass ein Druck am Ausgang (32) der Trenneinrichtung (30) an einem Absinken unter einen vorgebbaren Schwellwert, insbesondere einen für einen Übergang der mobilen Phase von dem superkritischen oder verflüssigten Zustand in einen davon unterschiedlichen Phasenzustand, insbesondere in einen gasförmigen Phasenzustand, indikativen Druckwert, gehindert wird.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 3, wobei der vorgebbare Schwellwert in einem Bereich zwischen 40 bar und 1200 bar, insbesondere in einem Bereich von 80 bar bis 400 bar, liegt.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, den Aktuator (80) derart zu bewegen, dass dadurch eine der Fließrichtung der superkritischen oder verflüssigten mobilen Phase am Ausgang (32) der Trenneinrichtung (30) entgegenwirkende Kraft erzeugt wird.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, den Aktuator (80) in Fließrichtung der mobilen Phase unter Reduzierung der Fließgeschwindigkeit der mobilen Phase zu bewegen, um dadurch eine Entspannung der mobilen Phase zu begrenzen, insbesondere zu unterbinden.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aktuator (80) als erster Kolben ausgebildet ist, der in einer ersten Kolbenkammer (82) des Probentrenngeräts (10) reziprozierfähig angeordnet ist.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend einen weiteren Aktuator (84), der stromabwärts der Trenneinrichtung (30) angeordnet und insbesondere als zweiter Kolben ausgebildet ist, der in einer zweiten Kolbenkammer (86) des Probentrenngeräts (10) reziprozierfähig angeordnet ist und zum Einwirken auf die mobile Phase mittels der Steuereinrichtung (70) bewegbar ist.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 8, wobei der erste Kolben (80) und der zweite Kolben (84) derart miteinander zusammenwirkend gekoppelt sind, dass zumindest zeitweise während des Einwirkens von einem der Kolben (80, 84) auf die mobile Phase die Kolbenkammer (86, 82) des jeweils anderen der Kolben (84, 80) entleert wird.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 8 oder 9, aufweisend eine mittels der Steuereinrichtung (70) schaltbare fluidische Schalteinrichtung (90), die an einen Ausgang (32) der Trenneinrichtung (30), an die erste Kolbenkammer (82) und an die zweite Kolbenkammer (86) fluidisch angeschlossen ist und schaltbar ist, um in unterschiedlichen Schaltzuständen zumindest zeitweise alternierend jeweils einen der Kolben (80, 84) auf die mobile Phase einwirken zu lassen und die Kolbenkammer (86, 82) des jeweils anderen der Kolben (84, 80) entleeren zu lassen.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, die Schalteinrichtung (80) derart zu schalten und die Bewegung der Kolben (80, 84) derart zu steuern, dass beim fluidischen Ankoppeln des Ausgangs (32) der Trenneinrichtung (30) einer von mobiler Phase entleerten Kolbenkammer (86, 82) der Druck in der anzukoppelnden Kammer (82, 86) dem Druck am Ausgang (32) der Trenneinrichtung (30) im Wesentlichen gleich ist.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, die Kolben (80, 84) derart zu steuern, dass der Druck in beiden Kolbenkammern (82, 86) sowohl während des Einwirkens auf die mobile Phase als auch während des Entleerens konstant ist.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend einen Drucksensor (85) zum Erfassen eines Drucks der mobilen Phase am Ausgang (32) oder stromabwärts der Trennsäule (30), wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, eine Bewegungscharakteristik des Aktuators (80) basierend auf dem erfassten Druck anzupassen.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Steuereinrichtung (70) ausgebildet ist, eine Bewegungscharakteristik des Aktuators (80) fest einzustellen.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner aufweisend eine fluidische Restriktoreinrichtung (95) stromabwärts des Aktuators (80), die ausgebildet ist, der aus dem Aktuator (80) austretenden mobilen Phase einen fluidischen Widerstand entgegenzusetzen.
Probentrenngerät (10) gemäß Ansprüchen 9 und 15, wobei die Restriktoreinrichtung (95), der Aktuator (80) und der weitere Aktuator (84) miteinander derart fluidisch gekoppelt sind, dass die jeweilige Kolbenentleerung in Richtung der Restriktoreinrichtung (95) erfolgt.
Probentrenngerät (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: das Probentrenngerät (10) ist zum Analysieren von zumindest einem physikalischen, chemischen und/oder biologischen Parameter von zumindest einer Fraktion der Probe konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist zumindest eines aus der Gruppe auf, die besteht aus einem Detektorgerät, einem Gerät zur chemischen, biologischen und/oder pharmazeutischen Analyse, einem Flüssigchromatografiegerät und einem HPLC-Gerät; der Fluidantrieb (20) ist zum Antreiben der mobilen Phase mit einem hohen Druck konfiguriert; der Fluidantrieb (20) ist zum Antreiben der mobilen Phase mit einem Druck von mindestens 100 bar, insbesondere von mindestens 500 bar, weiter insbesondere von mindestens 1000 bar konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als mikrofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als nanofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist einen Probeninjektor (40) zum Injizieren der Probe in die mobile Phase zwischen Fluidantrieb (20) und Trenneinrichtung (30) auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Detektor zum Detektieren der getrennten Fraktionen auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Probenfraktionierer zum Fraktionieren der getrennten Fraktionen auf.
Verfahren zum Betreiben eines Probentrenngeräts (10) zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder verflüssigten Zustand befindlichen mobilen Phase, wobei das Verfahren aufweist: Antreiben der mobilen Phase durch das Probentrenngerät (10); Trennen der unterschiedlichen Fraktionen der in der mobilen Phase befindlichen Probe mittels einer Trenneinrichtung (30); Bewegen eines Aktuators (80) stromabwärts der Trenneinrichtung (30) zum Einwirken auf die mobile Phase derart, dass infolge der Einwirkung auf die mobile Phase die mobile Phase am Ausgang (32) der Trenneinrichtung (30) in dem superkritischen oder flüssigen Zustand verbleibt.
Computerlesbares Speichermedium, in dem ein Programm zum Betreiben eines Probentrenngeräts (10) zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder verflüssigten Zustand befindlichen mobilen Phase gespeichert ist, welches Programm, wenn es von einem Prozessor (70) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 18 ausführt oder steuert.
Software-Programm zum Betreiben eines Probentrenngeräts (10) zum Trennen von Fraktionen einer Probe in einer in einem superkritischen oder verflüssigten Zustand befindlichen mobilen Phase, welches Software-Programm, wenn es von einem Prozessor (70) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 18 ausführt oder steuert.