DE102014200931B4

DE102014200931B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Drucksprüngen

Info

Publication number: DE102014200931B4
Application number: DE102014200931.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: DE102014200931A1

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen von periodisch wiederholten Drucksprüngen innerhalb eines Probenvolumens, wobei die Vorrichtung umfasst:• ein das Probenvolumen umfassendes Probengefäß (S) zur Aufnahme einer flüssigen Probe, wobei die Vorrichtung als Hochdruckanlage ausgebildet ist zur Beaufschlagung des Probengefäßes (S) mit Drücken von bis zu mehreren hundert MPa,• mindestens eine Druckerzeugungseinrichtung (P),• eine erste Druckleitung (1) mit einem ersten Druckreservoir (R1), einem ersten Einlassventil (V1), das in seiner geöffneten Stellung das erste Druckreservoir (R1) mit einer der mindestens einen Druckerzeugungseinrichtung (P) fluiddicht verbindet und einem ersten Auslassventil (V6), das in seiner geöffneten Stellung das erste Druckreservoir (R1) mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet,• eine zweite Druckleitung (2), und• eine Steuervorrichtung (C) zum Steuern der Ventilstellung der Einlass- und Auslassventile (V1, V2, V5, V6), dadurch gekennzeichnet, dassdie zweite Druckleitung (2) ein zweites Druckreservoir (R2), ein zweites Einlassventil (V2), das in seiner geöffneten Stellung das zweite Druckreservoir (R2) mit der Druckerzeugungseinrichtung (P) fluiddicht verbindet und ein zweites Auslassventil (V5), das in seiner geöffneten Stellung das zweite Druckreservoir (R2) mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet, umfasst,wobei das erste Druckreservoir (R1) und das zweite Druckreservoir (R2) unabhängig voneinander ladbar sind, undwobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Einlassventile (V1, V2) und Auslassventile (V5, V6) gemäß einem vorgewählten Druckprofil periodisch zu öffnen und zu schließen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von periodisch wiederholten Drucksprüngen innerhalb eines Probevolumens, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten aufweist:

• ein das Probenvolumen umfassendes Probengefäß zur Aufnahme einer flüssigen Probe, wobei die Vorrichtung als Hochdruckanlage ausgebildet ist zur Beaufschlagung des Probengefäßes mit Drücken von bis zu mehreren hundert MPa
• mindestens eine Druckerzeugungseinrichtung,
• eine erste Druckleitung mit einem ersten Druckreservoir, einem ersten Einlassventil, das in seiner geöffneten Stellung das erste Druckreservoir mit einer der mindestens einen Druckerzeugungseinrichtung fluiddicht verbindet und einem ersten Auslassventil, das in seiner geöffneten Stellung das erste Druckreservoir mit dem Probengefäß fluiddicht verbindet,
• eine zweite Druckleitung, und
• eine Steuervorrichtung zum Steuern der Ventilstellung der Einlass- und Auslassventile. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen von Drucksprüngen innerhalb eines Probevolumens mit einer solchen Vorrichtung.

Eine oben beschriebene Drucksprungvorrichtung ist bekannt aus J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, S. 13646-13651.
Bei der Untersuchung von flüssigen Medien oder in Flüssigkeit gelösten Stoffen ermöglicht die Anregung mit einem Sprungsignal (Drucksprung) zwischen zwei oder mehreren Druckniveaus Einblicke in Aufbau, Funktion und Wirkungsweise des Stoffes. Eine typische Anwendung ist beispielsweise die Untersuchung von in einem Lösungsmittel gelösten Proteinen in der NMR-Spektroskopie. Hierbei lassen sich Informationen bezüglich der biochemischen Funktionsabläufe gewinnen. Entscheidend für diese Anwendung ist die Erzeugung von sehr schnellen Drucksprüngen im unteren Millisekundenbereich bei relativ hohen Druckdifferenzen in der Größenordnung von mehreren zehn bis wenige hundert MPa.
Aufgrund der Zeitforderung kommt eine direkte Erzeugung des Sprungs am Generator (z.B. Kolbenpumpe o.ä.) nur bedingt in Betracht.
DE 10 2010 017 279 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen schneller Druckänderungen in Probenbehältern mittels eines steuerbaren magnetischen Generators.
DE 198 34 766 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Überprüfen von gasförmigen und flüssigen Proben mit einer Probenaufnahme und zwei Erkennungseinrichtungen, welche über ein Rohrleitungssystem miteinander verbunden sind. Dabei werden verschiedene Rohr-leitungsabschnitte sowie die Erkennungseinrichtungen durch 3-Wegeventile begrenzt. In dem Rohrleitungssystem ist eine Umwälzeinrichtung angeordnet, das von einer Steuereinheit angesteuert werden kann. Die Ventile könne über die Steuereinheit einzeln geschlossen oder geöffnet werden. Je nach Stellung der Ventile kann die Probe einer oder beiden Erkennungseinrichtungen zugeleitet werden. Mittels der Umwälzeinrichtung können verschiedenen Leitungsabschnitte des Rohrleitungssystems mit Druck beaufschlagt werden. Mit dieser Vorrichtung ist es nicht möglich, schnelle Drucksprünge in der Erkennungseinrichtung zu realisieren.
EP 0 637 741 A1 offenbart ein Verfahren zur Vitrifizierung von Proben, bei welchem die Probenkammer mit einem Fluidum gefüllt wird, ohne die Probe auf Gefriertemperatur abzukühlen. Um die Probe zu vitrifizieren wird die Probenkammer dann mit einem kryogenen Fluidum beschickt, welches unter hohem Druck steht. Dazu werden verschiedene Fuidströme über ein Ventil auf verschiedenen Wegen zu einer Probenkammer geleitet. Über die Stellung eines Ventils kann festgelegt werden, ob der entsprechende Fluidstrom über den Bypass (temperierter Fluidstrom) und einem Überdruckventil oder direkt über die Kanäle (kryogener Fluidstrom) in die Probenkammer geleitet wird. Das Öffnen des Ventils kann jedoch nicht von der Steuervor-richtung gesteuert werden abgeschaltet werden.
In J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, S. 13646-13651 wird eine Drucksprunganlage beschrieben mit einer Hochdruck- und einer Atmosphärendruckleitung. Die Hochdruckleitung umfasst ein Druckreservoir, das über eine Pumpe auf den gewünschten Druck gebracht wird. Die Druckleitung ist über ein Hochdruckventil mit einem Probengefäß verbunden, das durch Öffnen des Ventils mit Druck beaufschlagt werden kann. Durch Öffnen eines weiteren Ventils in der Atmosphärendruckleitung kann die Probe wieder auf Atmosphärendruck gebracht werden. Diese Vorrichtung ermöglicht jedoch nur einen Sprung zwischen Umgebungsdruck und einem Hochdruckniveau. Um verschieden große Drucksprünge zu realisieren, kann die Öffnungszeit des Hochdruckventils variiert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Drücke auf diese Weise nicht genau genug eingestellt werden können.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Drucksprüngen zwischen beliebig gewählten Druckniveaus vorzuschlagen, welche die Untersuchung von sensitiven Proben, insbesondere von Proteinen, innerhalb eines variablen Druckbereichs erlaubt, ohne die Probe zu zerstören.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst die zweite Druckleitung ein zweites Druckreservoir, ein zweites Einlassventil, das in seiner geöffneten Stellung das zweite Druckreservoir mit der Druckerzeugungseinrichtung fluiddicht verbindet und ein zweites Auslassventil, das in seiner geöffneten Stellung das zweite Druckreservoir mit dem Probengefäß fluiddicht verbindet.
Die Druckleitungen bilden fluiddichte Verbindungsleitungen für ein Druckfluid, welches zwischen Probengefäß und Druckerzeugungsvorrichtung komprimiert werden soll. Durch das Vorsehen zweier Druckleitungen, deren Druckreservoirs unabhängig voneinander geladen werden können, besteht die Möglichkeit, unterschiedlich große Drücke abweichend vom Atmosphärendruck zur Verfügung zu stellen, wodurch verschiedene, druckabhängige Prozesse und deren Zeitabhängigkeit (z. B. Konformationsänderungen von Proteinen, Aggregation oder Dissoziation Molekülen, Kinetik der Bindung/Freisetzung von Wirkstoffen) untersucht werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, z.B. innerhalb einer NMR-Einzelmessung mehrere Drucksprünge durchzuführen. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, über einen großen Druckbereich eine Vielzahl an kleinen Drucksprüngen durchzuführen, so dass einerseits die Probe im gesamten Druckbereich genau vermessen werden kann und andererseits das System aufgrund der kleinen Drucksprünge nur gering belastet wird (im Gegensatz zu Messungen, bei denen stets auf Atmosphärendruck zurückgesprungen wird). Dies ermöglicht insbesondere die Untersuchung von Proteinen bei großen Drücken, ohne diese zu zerstören.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein schnelles Umschalten zwischen beliebigen, lediglich durch die Leistung der Druckerzeugungseinrichtung und die Ausführung der Druckleitungen und Druckreservoire limitierten Drücken realisiert werden. Durch das schnelle Umschalten können die auf einer sehr kleinen Zeitskala (Millisekundenbereich) ablaufenden biochemischen Funktionsabläufe beobachtet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird als Hochdruckanlage betrieben, mit deren Hilfe das Probengefäß mit Drücken von bis zu mehreren hundert MPa beaufschlagt werden kann. Die verwendeten Komponenten müssen entsprechend für Hochdruckanwendungen geeignet sein: Als Druckleitungen können handelsübliche Edelstahl-Hochdruck-Leitungen verwendet werden. Die Ventile sind vorzugsweise alle als Hochdruck-Nadelventile mit elektropneumatischem Trieb oder piezoelektrische Ventile ausgeführt, welche über das Steuergerät aktiviert werden können. Als Druckerzeugungsvorrichtung können handelsübliche Gasdruck-zu-Flüssigkeitsdruck-Verstärker eingesetzt werden, welche mittels eines festen Übersetzungsverhältnisses aus bis zu 0,8 MPa Gasdruck typischerweise bis zu 600 MPa Flüssigkeitsdruck generieren. Der eingesetzte Luftdruck kann wiederum elektronisch geregelt werden. Ein Druckreservoir gemäß der Erfindung wird durch einen druckdichten Behälter gebildet, der sich im Betrieb auf einem Druck ungleich Atmosphärendruck befindet und ein Volumen aufweist, welches mindestens eine Größenordnung größer ist als das Probenvolumen, insbesondere als das Volumen des Probengefäßes.
Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Sicherheitsventil (Endventil) vorgesehen sein, durch welches das Probengefäß von der Druckanlage abgekoppelt werden kann.
Vorzugsweise ist mindestens eine weitere Druckleitung vorgesehen mit einem weiteren Druckreservoir, einem weiteren Einlassventil, das in seiner geöffneten Stellung das weitere Druckreservoir mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet, und mit einem weiteren Auslassventil, das in seiner geöffneten Stellung das weitere Druckreservoir mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine beliebige Anzahl von Druckniveaus auszuwählen, die Anzahl n dieser Druckniveaus ist durch die Anzahl n der Druckreservoire vorgegeben. Auf diese Weise können n Druckniveaus parallel zur Verfügung gestellt werden, welche nur begrenzt durch die Öffnungszeiten der Ventile abgerufen werden können. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit n Druckreservoirs können daher Experimente mit n Drucksprüngen mit bis zu n verschiedenen Druckniveaus durchgeführt werden, ohne eine Nachladezeit, die das Umschalten zwischen den Druckniveaus einschränkt, berücksichtigen zu müssen.
Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eines der Druckreservoire als Druckleitung ausgebildet, deren Länge mindestens so groß ist, dass das Volumen des als Druckleitung ausgebildeten Druckreservoirs eine Größenordnung größer ist als das Probenvolumen, insbesondere als das Volumen des Probengefäßes. Voraussetzung für den Einsatz einer Druckleitung als Druckreservoir ist, dass das Volumen der Druckleitungen, welche die Druckreservoire bildet, und die Volumina der probenseitigen Leitungsabschnitte der Druckleitungen, sowie das Volumen des Probengefäßes so aufeinander abgestimmt sind, dass das Probenvolumen der zu vermessenden Probe ohne signifikanten Druckverlust komprimiert werden kann (bei wässriger Lösung ca. 10 % bei 200 MPa). Die Druckleitungen, welche die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung verbinden, sind vorzugsweise als handelsübliche Edelstahl-Hochdruck-Leitungen mit einem Innendurchmesser von wenigen Millimeter ausgeführt. Die als Druckreservoir dienenden Druckleitungen können ebenfalls als Edelstahl-Hochdruck-Leitungen ausgeführt sein, allerdings mit einem größeren Innendurchmesser, vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser der Verbindungsdruckleitungen. So können bspw. für die Verbindungsleitungen gängige Hochdruckleitungen mit einem Durchmesser von 0,083" (0,21 cm) und als Druckreservoire Hochdruckleitungen mit einem Durchmesser von 0,1875" (0,48 cm) verwendet werden.
Vorzugsweise ist dieselbe Druckerzeugungseinrichtung sowohl mit der ersten Druckleitung als auch mit der zweiten Druckleitung fluiddicht verbunden. Beide Druckreservoire können (bei entsprechend geöffneten Einlassventilen) also durch dieselbe Druckerzeugungseinrichtung geladen werden. Bei Verwendung von mehr als zwei Druckleitungen können alle Druckleitungen (und somit alle Druckreservoire) mit einer einzigen Druckerzeugungseinrichtung fluiddicht verbunden sein. Der Druck in den verschiedenen Druckreservoiren wird also von einer gemeinsamen Druckerzeugungseinrichtung aufgebaut. Dazu kann die Leistung der Druckerzeugungseinrichtung oder die Öffnungszeit der entsprechenden Einlassventile variiert werden. Durch das Vorsehen einer einzigen Druckerzeugungseinrichtung kann die Vorrichtung kostengünstig gestaltet werden.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist zwischen der Druckerzeugungseinrichtung und mindestens einem der Einlassventile ein Zwischenventil vorgesehen. Durch alternierendes Öffnen und Schließen des Zwischenventils und des entsprechenden Einlassventils kann der Druck im entsprechenden Druckreservoir stufenweise erhöht werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Druckerzeugungseinrichtungen vorgesehen sind, insbesondere dass jede Druckleitung mit einer separaten Druckerzeugungseinrichtung fluiddicht verbunden ist, so dass jedes Druckreservoir von einer separaten Druckerzeugungsvorrichtung geladen wird. Auf diese Weise ist es möglich, in verschiedenen Druckreservoiren gleichzeitig Druck aufzubauen. Dies wiederum erlaubt eine schnellere und flexiblere Druckbeaufschlagung der Probe mit unterschiedlichen Drücken.
Die Steuereinrichtung steuert die Zeitpunkte und Dauer des Öffnens und des Schließens der Ventile, sowie die Leistung der Druckerzeugungseinrichtung. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Einlassventile und Auslassventile gemäß eines vorgewählten Druckprofils periodisch zu öffnen und zu schließen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung Teil einer Kernspinresonanzapparatur, insbesondere eines NMR-Spektrometers. Das Probengefäß befindet sich dann innerhalb des Untersuchungsvolumens des im Kryostaten angeordneten Hauptmagneten der Kernspinresonanzapparatur, während die Druckerzeugungseinrichtung(en) außerhalb des Kryostaten angeordnet und vorzugsweise gegenüber dem Kryostaten schwingungsisoliert ist/sind. Als Probengefäß kommen beispielsweise druckstabile Keramik-NMR-Röhrchen zum Einsatz.
Um Drucksprünge während eines Kernspinresonanzexperiments durchzuführen, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, das Öffnen und Schließen der Einlassventile und Auslassventile mit einer MR-Pulssequenz zu synchronisieren. Dazu ist die Steuervorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Steuerrechner der MR-Apparatur gekoppelt. Die Synchronisation kann z.B. derart erfolgen, dass eine Druckerhöhung gleichzeitig mit dem Einstrahlen bestimmter vorgegebener Pulse der Pulssequenz (z.B. NOESY-Sequenz) erfolgt. Die Zeitpunkte innerhalb der Pulssequenz, zu denen ein Drucksprung ausgeführt wird, sind von der Sequenz und den zu messenden Parametern abhängig.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:

• Aufbau eines ersten vom Atmosphärendruck verschiedenen vorgegebenen Drucks im ersten Druckreservoir, wobei das erste Einlassventil geöffnet und das erste Auslassventil geschlossen ist;
• Aufbau eines vom Atmosphärendruck und vom ersten Druck verschiedenen vorgegebenen zweiten Drucks im zweiten Druckreservoir, wobei das zweite Einlassventil geöffnet und das zweite Auslassventil geschlossen ist.
• Ausführen eines ersten Drucksprungs innerhalb der Probe durch Beaufschlagung der Probe mit einem ersten Arbeitsdruck, indem das erste Auslassventil geöffnet wird, während das zweite Auslassventil geschlossen ist;
• Ausführen eines zweiten Drucksprungs innerhalb der Probe durch Beaufschlagung der Probe mit einem zweiten Arbeitsdruck durch Öffnen des zweiten Auslassventils, während das erste Auslassventil geschlossen ist.

Die Auslassventile werden also nacheinander geöffnet, wobei im Normalfall zu jedem Zeitpunkt maximal eines der Auslassventile geöffnet ist. Die Druckerzeugungseinrichtung kann abgeschaltet werden, sobald sämtliche Einlassventile derjenigen Druckleitungen geschlossen sind, die mit dieser Druckerzeugungsvorrichtung verbunden sind, und der gewählte Solldruck erreicht ist. Das Druckerzeugungsmittel muss also nicht permanent betrieben werden, sondern lediglich wenn ein Einlassventil geöffnet ist. Der Drucksprung selbst kann sowohl zu höheren Werten als auch zu niederen Werten erfolgen, d. h. der Solldruck P1 des ersten Druckreservoirs R1 kann größer oder kleiner als der Solldruck P2 des zweiten Druckreservoirs R2 sein.
Entsprechendes gilt auch für n > 2 Druckreservoire zur Erzeugung von n Druckniveaus. Für das Beladen der n Druckreservoire (Aufbau des vom Atmosphärendruck verschiedenen vorgegebenen Drucks im entsprechenden Druckreservoir) muss das Auslassventil desjenigen Druckreservoirs, welches gerade beladen werden soll, geschlossen sein. Dabei ist es jedoch möglich, während des Beladens eines Druckreservoirs, das Auslassventil eines anderen Druckreservoirs zu öffnen und somit gleichzeitig die Probe mit dem Druck des anderen Druckreservoirs zu beaufschlagen.
Vorzugsweise werden die Ventile periodisch geöffnet und geschlossen, wobei zu jedem Zeitpunkt im Regelfall nur eines der Auslassventile geöffnet ist.
Vorzugsweise erfolgen der Aufbau des ersten Drucks im ersten Druckreservoir und der Aufbau des zweiten Drucks im zweiten Druckreservoir abwechselnd, insbesondere mittels derselben Druckerzeugungseinrichtung.
Der Aufbau des Drucks in dem zweiten Druckreservoir kann gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung der Probe mit dem ersten Arbeitsdruck erfolgen. Das zweite Einlassventil ist dann gleichzeitig mit dem ersten Auslassventil geöffnet.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Öffnen und Schließen der Ventile mit einer Pulssequenz eines Kernspinresonanzexperiments synchronisiert. Dazu generiert eine NMR-Vorrichtung (z.B. ein NMR-Spektrometer) während der MR-Messung zu definierten Zeitpunkten Triggersignale. Die Triggersignale werden der Steuervorrichtung zugeführt und lösen das Öffnen der Ausgangsventile der Druckreservoire in einer vorgegebenen Reihenfolge aus. Die Ausgangsventile werden also in der vorgegebenen Reihenfolge nacheinander geöffnet. Damit werden an der Probe schnelle Druckänderungen (Drucksprünge im Millisekundenbereich) erzielt. Die maximale Druckdifferenz wird nur durch die Möglichkeiten von Pumpe, Druckleitungen, Ventilen und Druckreservoiren begrenzt. Durch Verwendung von schnellen Ventilen lassen sich Drucksprünge zwischen 200 MPa in einer Größenordnung von etwa 5-10 ms erreichen. Ein MR-Experiment umfasst i.A. eine Vielzahl an Einzelmessungen, bei welchen jeweils eine Pulssequenz eingestrahlt wird. Bei einem 2D Experiment werden mehrere 1D Messungen (Einzelmessungen) mit unterschiedliche Evolutionszeiten durchgeführt. Die Drucksprünge müssen für jede Einzelmessung erneut durchgeführt werden.
Figurenliste

1a zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Druckleitungen, einer gemeinsamen Druckerzeugungseinrichtung mit Konrolleinheit.
1b zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Druckleitungen und einer gemeinsamen Druckerzeugungseinrichtung.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Druckleitungen und separaten Druckerzeugungseinrichtungen.
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ventilgesteuerter Druckdefinition.

1a zeigt eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine erste Druckleitung 1 umfasst ein erstes Druckreservoir R1, das zwischen einem pumpenseitigen Leitungsabschnitt 1a der ersten Druckleitung 1 und einem probenseitigen Leitungsabschnitt 1b der ersten Druckleitung 1 angeordnet ist. Das erste Druckreservoir R1 ist über ein erstes Einlassventil V1 mit einer Druckerzeugungseinrichtung P (z.B. eine Kolbenpumpe) derart verbunden, dass die Druckerzeugungseinrichtung P bei geöffnetem ersten Einlassventil V1 das erste Druckreservoir R1 mit Druck beaufschlagen kann, d.h. das erste Einlassventil V1 ist im pumpenseitigen Leitungsabschnitt 1a der ersten Druckleitung 1 zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung P und dem ersten Druckreservoir R1 angeordnet. Darüber hinaus ist das erste Druckreservoir R1 über ein erstes Auslassventil V6 (und in der gezeigten Ausführungsform zusätzlich noch über ein optionales Endventil V7) mit einem Probengefäß S derart verbunden, dass bei geöffnetem ersten Auslassventil V6 (und geöffnetem Endventil V7) ein Druckausgleich zwischen dem Probengefäß S und dem ersten Druckreservoir R1 stattfinden kann, d.h. das erste Auslassventil V6 ist im probenseitigen Leitungsabschnitt 1b der ersten Druckleitung 1 zwischen dem Probengefäß S und dem ersten Druckreservoir R1 angeordnet. Das Endventil V7 kann als Sicherheitsventil dienen, das automatisch geschlossen wird, wenn im Probengefäß S ein zu starker Druckabfall, bspw. durch Platzen des Probengefäßes S, stattfindet. Eine zweite Druckleitung 2 umfasst ein zweites Druckreservoir R2, einen pumpenseitigen Leitungsabschnitt 2a sowie einen probenseitigen Leitungsabschnitt 2b. Analog zur ersten Druckleitung 1 verbindet die zweite Druckleitung 2 das zweite Druckreservoir R2 über ein zweites Einlassventil V2 im pumpenseitigen Leitungsabschnitt 2a mit der (hier gemeinsamen) Druckerzeugungseinrichtung P und über ein zweites Auslassventil V5 im probenseitigen Leitungsabschnitt 2b mit dem Probengefäß S. Die Druckleitungen 1, 2 sind mit einem Fluid, vorzugsweise mit einer Flüssigkeit, gefüllt. Die erste Druckleitung 1 und die zweite Druckleitung 2 werden in der gezeigten Ausführungsform nach den Auslassventilen (probenseitig) in eine Auslassleitung 3 zusammengeführt und über das Endventil V7 mit dem Probengefäß S verbunden. Ebenso werden die erste Druckleitung 1 und die zweite Druckleitung 2 vor den Einlassventilen V1, V2 (pumpenseitig) in einer Einlassleitung 4 zusammengefasst, um einen gemeinsamen Zugang zur Druckerzeugungseinrichtung P bereitzustellen. Es ist jedoch auch möglich, die Druckleitungen 1, 2 separat mit der Druckerzeugungseinrichtung und/ oder dem Probengefäß S zu verbinden. Die erste und zweite Druckleitung 1, 2 sind als Hochdruckleitungen HPL ausgebildet.
Im Ladezyklus werden beide Druckreservoire R1, R2 durch Öffnen und Schließen der Einlassventile V1, V2 auf unterschiedliche vorgegebene Drücke P1' bzw. P2' (Solldrücke) geladen. Immer wenn ein Druckreservoir R1, R2 den Solldruck P1' P2' erreicht hat, wird das Eingangsventil V1, V2 (Ladeventil) des entsprechenden Druckreservoirs R1, R2 geschlossen. Das Druckreservoir R1, R2 ist dann mit dem entsprechenden Solldruck P1' P2' geladen. Nach erfolgtem Laden des ersten Druckreservoirs R1 wird die Pumpe P auf den zweiten Solldruckwert P2' umgestellt, um das zweite Druckreservoir R2 zu laden
Zum Messen der jeweiligen Druckwerte innerhalb der Vorrichtung (hier: im ersten Druckreservoir R1, im zweiten Druckreservoir R2, in der Auslassleitung 3 und in der Einlassleitung 4) sind Sensoren T1, T2, T3, T4, insbesondere stromgesteuerte Sensoren mit Dehnungsmessstreifen oder Piezo-Sensoren, vorgesehen.
Die Ventilstellungen aller Ventile V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 werden über eine Steuervorrichtung C ( mit einem Steuerrechner gesteuert. Die Steuervorrichtung C kann mit einer MR-Steuervorrichtung zur Steuerung einer MR-Messung an einer im Probengefäß S befindlichen Probe synchronisiert sein und erlaubt die Verbindung der Hochdruckanlage mit beispielsweise einem NMR-Spektrometer.
Ein Ausgang der MR-Steuervorrichtung ist zur Synchronisierung mit einem Interrupt Steuervorrichtung C (Mikrokontrollsteuerung) verbunden. Ein kurzer Puls mit High-Pegel kennzeichnet als Synchronisierungspuls den Beginn des Druckprogramms und startet den automatischen Ablauf. Hierbei werden im Wesentlichen die Ventile V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 über ein definiertes Ablaufprotokoll geschaltet und einstellbare Wartezeiten (Delays) ausgeführt. Zum Zeitpunkt des Druckprogramms meldet die Mikrokontrollsteuerung diesen an das Spektrometer über die MR-Steuervorrichtung. Durch die Abfrage der MR-Steuervorrichtung im Pulsprogramm lässt sich so die Messung zum richtigen Zeitpunkt starten.
Mit der Mikrocontrollersteuerung lässt sich zudem der Druck der Hochdruckpumpe einstellen, so dass im Druckprogramm automatisch die Druckreservoirs R1, R2 geladen werden können. Die Druckeinstellung erfolgt hierbei über einen Digital-/Analogwandler (0-10V) welcher ein Niederdruckluftregler ansteuert. Der Fluid-Hochdruck ist aufgrund der Kolbenpumpe proportional zum Niederluftdruck.
Durch Öffnen des ersten Auslassventils V6 stellt sich (bei geöffnetem Endventil 7) im Probengefäß ein erster Arbeitsdruck P1 ein. Nach Einstellung des ersten Arbeitsdrucks P1 im Probengefäß S kann das erste Auslassventil V6 wieder geschlossen werden. Die Vorrichtung ist dann bereit zur Messung und die Steuerrechner der Hochdruckanlagen-Steuervorrichtung C und der MR-Steuervorrichtung werden synchronisiert. Das NMR-Spektrometer generiert während der MR-Messung zu definierten Zeitpunkten Triggersignale; die Steuereinheit öffnet dann zu vorgegebenen Zeitpunkten die Ausgangsventile V5, V6 der Druckreservoire R1, R2 nacheinander. Mögliche Schaltzeiten der Ventile (Zeit zwischen dem Ansteuersignal und dem Öffnen des entsprechenden Ventils) werden durch die Steuereinheit nach einem Lernprozess kompensiert. Beim Öffnen des Endventils 7 stellt sich im Probengefäß S ein erster Arbeitsdruck P1 ein, bei anschließendem Öffnen des zweiten Auslassventils V5 ein zweiter Arbeitsdruck P2. Auf diese Weise können im Probengefäß S schnelle Druckänderungen (Drucksprünge) im Millisekundenbereich realisiert werden. Das Verhältnis P1'/P1 bzw. P2'/P2 des Drucks P1' bzw. P2' innerhalb des Druckreservoirs R1 bzw. R2 und dem Arbeitsdruck P1 bzw. P2 im Probengefäß S ergibt sich aus dem Verhältnis des Volumens des entsprechenden Druckreservoirs R1 bzw. R2 und der Summe der Volumina des entsprechenden Druckreservoirs und dem probenseitigen Leitungsabschnitts (inkl. Volumen des Probengefäßes S) und sind mittels eines Anlernprozesses vom System selbst kalibrierbar. Um bei einem MR-Drucksprungexperiment das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern, kann das Experiment wiederholt werden. Der zuvor durchgeführte Ladezyklus (Laden/Entladen der Druckreservoire) wird dann für jeden Messzyklus (Pulssequenz) gleich wiederholt.
Der Druckaufbau im ersten Druckreservoir R1 kann erfolgen, sofort nachdem das erste Auslassventil V6 geschlossen wurde. Über Ablassventile V3, V4 kann, falls nötig, Druck aus den Druckleitungen 1, 2 über eine Rückführleitung 5 direkt abgelassen werden. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn der zweite Arbeitsdruck P2 kleiner ist als der erste Arbeitsdruck P1 (P2 < P1). In diesem Fall würde nach Beaufschlagung des Probengefäßes mit dem ersten Arbeitsdruck P1 beim Öffnen des zweiten Auslassventils V5 der Druck im repetitiven Betrieb im zweiten Druckreservoir R2 immer weiter ansteigen. Um dies zu vermeiden, kann der Druck vor Öffnen des zweiten Auslassventils V5 über das Ablassventil V4 reduziert werden.
Die Rückführleitung 5 kann als Niederdruckleitung LPL ausgebildet sein, bspw. als PVC-Schlauch. Der Druck in den pumpenseitigen Leitungsabschnitten 1a, 2a kann mittels Sensoren T4, T5 gemessen werden. Als Ventile können beispielsweise Hochdruck-Nadelventile mit elektro-pneumatischem Trieb, welcher über das Steuergerät zu aktivieren ist, oder piezoelektrische Ventile eingesetzt werden.
In einer allgemeineren Anwendung können die Ventile mehrfach innerhalb eines Messzyklus geschaltet werden, um komplexere Druckprofile zu erhalten. Hierzu gehört zum Beispiel ein Rechteckprofil bei dem der Druck am Probengefäß S von einem Wert P1 für eine kurze Zeit auf den Wert P2 geschaltet wird, eine kurze Zeit auf diesem Wert bleibt, um dann auf den Anfangswert P1 zurückzugehen.
1b zeigt eine Ausführungsform mit einer weiteren Druckleitung 3, die analog zu den beiden anderen Druckleitungen 1, 2 ein weiteres Druckreservoir R3 umfasst, das zwischen einem pumpenseitigen Leitungsabschnitt 3a und einem probenseitigen Leitungsabschnitt 3b der weiteren Druckleitung 3 angeordnet ist und über ein weiteres Einlassventil V10 mit der Druckerzeugungsvorrichtung und über ein weiteres Auslassventil V11 mit dem Probengefäß verbunden ist. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit n Druckreservoirs R1, R2, R3 entspricht der zuvor beschriebenen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckanlage, bei der für jede Druckleitung 1, 2 eine separate Druckerzeugungseinrichtung P vorgesehen ist. Über ein Verbindungsventil V8 welches zwischen den pumpenseitigen Druckleitungsabschnitten 1a, 2a angeordnet ist und diese miteinander verbindet, lassen sich beide Druckerzeugungseinrichtungen P ausbalancieren, was bspw. für den Anlernprozess genutzt werden kann Die restliche Funktionalität der in 2 dargestellten Ausführungsform entspricht der zu 1a beschriebenen.
Durch das Vorsehen von separaten Druckerzeugungseinrichtungen P kann ein wesentlich kürzerer Ladezyklus realisiert werden, da auf die Ladedruckänderung innerhalb der Druckerzeugungseinrichtung P verzichtet werden kann. Insbesondere bei den für die MR-Messungen nötigen hohen Wiederholungsraten einer Messung kann die Gesamtzeit somit erheblich verkürzt werden.
In 3 ist eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der die unterschiedlichen Ladedrücke P1' P2' der Druckreservoire R1, R2 nicht über elektronisch regelbare Pumpen erzeugt werden, sondern mittels eines definierten Zusammenspiels der Einlassventile V1, V2 und des Verbindungsventils V8, welches zwischen der Druckerzeugungseinrichtung P und dem zweiten Einlassventil V2 angeordnet ist. Dazu versorgt die Druckerzeugungseinrichtung P das erste Druckreservoir R1 mit dem zuvor eingestellten ersten Druck P1'.
Nach Schließen des ersten Einlassventils V1 kann durch alternierendes Öffnen und wieder Schließen des zweiten Einlassventils V2 und des Verbindungsventils V8 stufenweise der Druck im zweiten Druckreservoir R2 erhöht werden. Dabei ist die Höhe der Druckstufen sowohl vom Druckunterschied zwischen Druckerzeugungsvorrichtung P und zweitem Druckreservoir R2 als auch vom Volumen des Leitungsabschnitts 6 (Abschnitt der zweiten Druckleitung 2 zwischen dem zweiten Einlassventil V2 und dem Verbindungsventil V8) abhängig. Völlig analog hierzu kann bei geschlossenem Verbindungsventil V8 durch alternierendes Öffnen und wieder Schließen des zweiten Einlassventils V2 und Ablassventil V3 der Druck im zweiten Druckreservoir R2 wieder stufenweise abgebaut werden. Hierbei ist aber nicht der Pumpendruck P_pump , sondern der Umgebungsdruck Pamb für die Höhe der Druckstufe ausschlaggebend. Das Diagramm aus 3 zeigt den zeitlichen Verlauf einer solchen stufenweisen Druckänderung des Drucks P_T2 im zweiten Druckreservoir R2, wobei im Bereich I (geschlossenes Ablassventil V3 und abwechselnd geöffnete Ventile V8 und V2) eine stufenförmige Erhöhung und im Bereich II (geschlossenes Verbindungsventil V8 und abwechselnd geöffnete Ventile V3 und V2) ein stufenweiser Abbau des Drucks P_T2 im zweiten Druckreservoir R2 dargestellt ist.
Der Vorteil der in 3 gezeigten Ausführungsform liegt in den geringeren Kosten für die Druckerzeugungseinrichtung P, sowie in der geringeren Komplexität der elektronischen Steuerung der Gesamtanlage.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Untersuchung der Dynamik von sensitiven Proben nach einer schnellen Störung des druckabhängigen thermodynamischen Gleichgewichts, insbesondere von Proteinen, innerhalb eines variablen Druckbereichs, um charakteristische zeitabhängige Eigenschaften des Systems aufzuklären.
Bezugszeichenliste

1: erste Druckleitung
1a: pumpenseitiger Leitungsabschnitt der ersten Druckleitung
1b: probenseitiger Leitungsabschnitt der ersten Druckleitung
2: zweite Druckleitung
2a: pumpenseitiger Leitungsabschnitt der zweiten Druckleitung
2b: probenseitiger Leitungsabschnitt der zweiten Druckleitung
3: weitere Druckleitung
3a: pumpenseitiger Leitungsabschnitt der weiteren Druckleitung
3b: probenseitiger Leitungsabschnitt der weiteren Druckleitung
4: Einlassleitung
5: Rückführleitung
6: Leitungsabschnitt der zweiten Druckleitung zwischen zweitem Einlassventils und weiterem Ventil
7: Auslassleitung
C: Steuervorrichtung
HPL: Hochdruckleitung
LPL: Niederdruckleitung
P: Druckerzeugungseinrichtung
P1: erster Arbeitsdruck im Probengefäß
P1': Solldruck im ersten Druckreservoir
P2: zweiter Arbeitsdruck im Probengefäß
P2': Solldruck im zweiten Druckreservoir
Pamb: Umgebungsdruck
P_pump: Pumpendruck
R1: erstes Druckreservoir
R2: zweites Druckreservoir
R3: weiteres Druckreservoir
S: Probengefäß
T1 - T5: Drucksensoren
V1: erstes Einlassventil (in erster Druckleitung)
V2: zweites Einlassventil (in zweiter Druckleitung)
V3, V4: Ablassventile
V5: zweites Auslassventil (in zweiter Druckleitung)
V6: erstes Auslassventil (in erster Druckleitung)
V7: Endventil
V8: Verbindungsventil (in zweiter Druckleitung)
V9: Verbindungsventil zwischen erster und zweiter Druckleitung
V10: weiteres Einlassventil (in weiterer Druckleitung)
V11: weiteres Auslassventil (in weiterer Druckleitung)

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von periodisch wiederholten Drucksprüngen innerhalb eines Probenvolumens, wobei die Vorrichtung umfasst: • ein das Probenvolumen umfassendes Probengefäß (S) zur Aufnahme einer flüssigen Probe, wobei die Vorrichtung als Hochdruckanlage ausgebildet ist zur Beaufschlagung des Probengefäßes (S) mit Drücken von bis zu mehreren hundert MPa, • mindestens eine Druckerzeugungseinrichtung (P), • eine erste Druckleitung (1) mit einem ersten Druckreservoir (R1), einem ersten Einlassventil (V1), das in seiner geöffneten Stellung das erste Druckreservoir (R1) mit einer der mindestens einen Druckerzeugungseinrichtung (P) fluiddicht verbindet und einem ersten Auslassventil (V6), das in seiner geöffneten Stellung das erste Druckreservoir (R1) mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet, • eine zweite Druckleitung (2), und • eine Steuervorrichtung (C) zum Steuern der Ventilstellung der Einlass- und Auslassventile (V1, V2, V5, V6), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Druckleitung (2) ein zweites Druckreservoir (R2), ein zweites Einlassventil (V2), das in seiner geöffneten Stellung das zweite Druckreservoir (R2) mit der Druckerzeugungseinrichtung (P) fluiddicht verbindet und ein zweites Auslassventil (V5), das in seiner geöffneten Stellung das zweite Druckreservoir (R2) mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet, umfasst, wobei das erste Druckreservoir (R1) und das zweite Druckreservoir (R2) unabhängig voneinander ladbar sind, und wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Einlassventile (V1, V2) und Auslassventile (V5, V6) gemäß einem vorgewählten Druckprofil periodisch zu öffnen und zu schließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Druckleitung vorgesehen ist mit einem weiteren Druckreservoir, einem weiteren Einlassventil, das in seiner geöffneten Stellung das weitere Druckreservoir mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet, und mit einem weiteren Auslassventil, das in seiner geöffneten Stellung das weitere Druckreservoir mit dem Probengefäß (S) fluiddicht verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Druckreservoire (R1, R2) als Druckleitung ausgebildet ist, deren Länge mindestens so groß ist, dass das Volumen des als Druckleitung ausgebildeten Druckreservoirs (R1, R2) eine Größenordnung größer ist als das Probenvolumen, insbesondere als das Volumen des Probengefäßes (S).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe Druckerzeugungseinrichtung (P) sowohl mit der ersten Druckleitung (1) als auch mit der zweiten Druckleitung (2) fluiddicht verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Druckleitung (2) zwischen der Druckerzeugungseinrichtung (P) und dem zweiten Einlassventil (V2) ein weiteres Ventil (V8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Teil einer Kernspinresonanzapparatur, insbesondere eines NMR-Spektrometers ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Öffnen und Schließen der Einlassventile (V1, V2) und Auslassventile (V5, V6) mit einer MR-Pulssequenz zu synchronisieren.
Verfahren zum Erzeugen von Drucksprüngen innerhalb eines Probevolumens mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten: • Aufbau eines ersten vom Atmosphärendruck verschiedenen vorgegebenen Drucks (P1') im ersten Druckreservoir (R1), wobei das erste Einlassventil (V1) geöffnet und das erste Auslassventil (V6) geschlossen ist; • Aufbau eines vom Atmosphärendruck und vom ersten Druck (P1') verschiedenen vorgegebenen zweiten Drucks (P2') im zweiten Druckreservoir (R2), wobei das zweite Einlassventil (V2) geöffnet und das zweite Auslassventil (V5) geschlossen ist; • Ausführen eines ersten Drucksprungs innerhalb der Probe durch Beaufschlagung der Probe mit einem ersten Arbeitsdruck (P1), indem das erste Auslassventils (V6) geöffnet wird, während das zweite Auslassventil (V5) geschlossen ist; • Ausführen eines zweiten Drucksprungs innerhalb der Probe durch Beaufschlagung der Probe mit einem zweiten Arbeitsdruck (P2) durch Öffnen des zweiten Auslassventils (V5), während das erste Auslassventil (V6) geschlossen ist, wobei die Ventile mittels der Steuervorrichtung (C) periodisch geöffnet und geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen der Ventile (V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9) mit einer Pulssequenz eines Kernspinresonanzexperiments synchronisiert wird.