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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft Mobilphasenfördervorrichtungen, Verfahren zum Fördern einer mobilen Phase für ein Probentrenngerät, sowie ein Probentrenngerät.
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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 eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Fraktionen einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Nach Durchlaufen der stationären Phase können die getrennten Fraktionen der fluidischen Probe in einem Detektor detektiert werden. Ein solches HPLC-System ist bekannt zum Beispiel aus der
EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc.
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In letzter Zeit ist ein Trend in der Trenntechnologie zu verzeichnen, demzufolge bei immer höheren Drücken immer kleinere und präzisere Flussraten von mobiler Phase gefördert werden. Gleichzeitig wird hierbei neben einer präzisen Reproduzierbarkeit einer Trennanalyse auch zunehmend ein hohes Maß an absoluter Genauigkeit gefordert. Herkömmliche HPLC-Geräte stoßen dabei zunehmend an Grenzen.
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OFFENBARUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, durch konzeptionelle oder physikalische Begrenzungen eines Fluidversorgungssystems verursachte genauigkeitsreduzierende und/oder richtigkeitsreduzierende Artefakte zu unterdrücken. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Mobilphasenfördervorrichtung zum Fördern einer mobilen Phase (das heißt einer Flüssigkeit und/oder eines Gases, optional aufweisend Festkörperpartikel) für ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe (insbesondere einer fluidischen Probe, die in die mobile Phase zu injizieren ist) bereitgestellt, wobei die Mobilphasenfördervorrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von mehreren fluidischen Komponenten für die mobile Phase, eine Mischeinrichtung zum Mischen der mehreren fluidischen Komponenten zum Erzeugen der mobilen Phase, und eine Steuereinrichtung zum Steuern einer Zusammensetzung der mobilen Phase aus den mittels der Mischeinrichtung zu mischenden (wobei insbesondere eine Kompensation noch vor dem Mischen und/oder während des Mischens erfolgen kann) oder gemischten (wobei insbesondere eine Kompensation erst nach dem Mischen und/oder während des Mischens erfolgen kann) fluidischen Komponenten derart aufweist, dass durch mindestens ein Mischphänomen verursachte Abweichungen zwischen einer vorgegebenen Soll-Zusammensetzung (insbesondere einem vorgegebenen Komponentenverhältnis, das durch die Mobilphasenfördervorrichtung geliefert werden soll) der mobilen Phase und einer Ist-Zusammensetzung (insbesondere einem tatsächlichen Komponentenverhältnis, das durch die Mobilphasenfördervorrichtung aktuell geliefert wird) der mobilen Phase zumindest teilweise kompensiert werden.
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Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Fördern einer mobilen Phase für ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe (insbesondere einer fluidischen Probe, die in die mobile Phase injiziert wird) geschaffen, wobei bei dem Verfahren mehrere fluidische Komponenten für die mobile Phase zugeführt werden, die mehreren fluidischen Komponenten zum Erzeugen der mobilen Phase gemischt werden, und eine Zusammensetzung der mobilen Phase aus den zu mischenden oder gemischten fluidischen Komponenten derart gesteuert wird, dass durch mindestens ein Mischphänomen verursachte Abweichungen zwischen einer vorgegebenen Soll-Zusammensetzung der mobilen Phase und einer Ist- Zusammensetzung der mobilen Phase zumindest teilweise kompensiert werden.
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Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist eine Mobilphasenfördervorrichtung zum Fördern einer mobilen Phase für ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe (insbesondere einer fluidischen Probe, die in die mobile Phase zu injizieren ist) bereitgestellt, wobei die Mobilphasenfördervorrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von mehreren fluidischen Komponenten für die mobile Phase, eine Mischeinrichtung zum Mischen der mehreren fluidischen Komponenten zum Erzeugen der mobilen Phase, eine Steuereinrichtung zum Steuern einer Zusammensetzung der fluidischen Komponenten der mobilen Phase, und eine Temperiereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die mobile Phase an der Mischeinrichtung auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
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Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Fördern einer mobilen Phase für ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe (insbesondere einer fluidischen Probe, die in die mobile Phase injiziert wird) geschaffen, wobei bei dem Verfahren mehrere fluidische Komponenten für die Erstellung der mobilen Phase zugeführt werden, die mehreren fluidischen Komponenten zum Erzeugen der mobilen Phase gemischt werden, eine Zusammensetzung der fluidischen Komponenten der mobilen Phase eingestellt wird, und die mobile Phase temperiert wird, um die mobile Phase während des Mischens auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
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Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe geschaffen, wobei das Probentrenngerät eine Mobilphasenfördervorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Fördern von mobiler Phase und einer in die mobile Phase injizierten fluidischen Probe, und eine Probentrenneinrichtung aufweist, die zum Trennen der in die mobile Phase injizierten fluidischen Probe in Fraktionen eingerichtet ist.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Mobilphasenfördervorrichtung bereitgestellt werden, die mindestens ein Mischphänomen an einer Mischeinrichtung, an der fluidische Komponenten einer zusammenzusetzenden mobilen Phase gemischt werden, antizipiert und eine Mischung entsprechend korrigiert, um diesen Effekten entgegenzuwirken. Die Mischung von unterschiedlichen fluidischen Komponenten miteinander führt zu Mischphänomenen, die sich insbesondere in thermischen Effekten sowie in Volumeneffekten niederschlagen können. Solche Effekte führen zu Ungenauigkeiten in der Generierung einer mobilen Phase als Zusammensetzung mehrerer miteinander zu mischender fluidischer Komponenten und beeinflussen bei einem Probentrenngerät letztlich die Trenngenauigkeit. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel antizipiert bzw. berücksichtigt eine Steuereinrichtung die genannten Mischphänomene und stellt die Zusammensetzung der mobilen Phase aus den fluidischen Komponenten so ein, dass nach Wirken der Mischphänomene eine vorgegebene Soll-Zusammensetzung erhalten wird. Dadurch werden Abweichungen zwischen einer Ist-Zusammensetzung und der vorgegebenen Soll-Zusammensetzung, welche als Zusammensetzungsunterschiede aus Mischphänomenen resultieren, ganz oder teilweise ausgeglichen.
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Die beschriebene Kompensation der Zusammensetzung der mobilen Phase aus den fluidischen Komponenten kann unmittelbar dadurch erfolgen, dass auf die Mengen der mittels der Zufuhreinrichtung zugeführten Einzelflüsse bzw. Teilflüsse bzw. Einzelportions- oder Paketvolumina der einzelnen fluidischen Komponenten in einer Weise Einfluss genommen wird, dass der Abweichung entgegengewirkt wird (insbesondere einzelne dieser Teilflüsse bzw. Einzelportions- oder Paketvolumina erhöht oder erniedrigt werden). Alternativ oder ergänzend kann die beschriebene Kompensation der Zusammensetzung der mobilen Phase aus den fluidischen Komponenten aber auch mittelbar dadurch erfolgen, dass der Ursache für die Abweichung entgegengewirkt wird. Dies kann zum Beispiel im Falle des Freiwerdens einer Mischungswärme beim Mischvorgang durch das Abführen dieser Mischungswärme (zum Beispiel durch selektives Kühlen, gesteuert durch die Steuereinrichtung) erfolgen. Dadurch kann zum Beispiel die Temperatur der fluidischen Komponenten von einer mischprozessbedingt erhöhten Temperatur auf eine Soll-Temperatur zurückgeführt werden, was zum Beispiel insbesondere im Falle unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der fluidischen Komponenten eine Auswirkung auf die fluidische Zusammensetzung hat.
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Alternativ oder ergänzend kann/können gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Mischeinrichtung und/oder die darin enthaltenden zu mischenden fluidischen Komponenten mittels einer Temperiereinrichtung zumindest während des Mischens auf einer konstanten Referenztemperatur gehalten werden, so dass die thermisch bedingte Wirkung der Mischphänomene auf die Zusammensetzung auf diese Weise unterdrückt oder sogar eliminiert werden. Wenn zum Beispiel eine Mischungswärme frei wird oder verbraucht wird, während sich zwei fluidische Komponenten miteinander mischen, so kann durch ein Thermostat oder ein sonstiges Wärme- oder Kältereservoir, das mit der Mischeinrichtung bzw. der darin befindlichen mobilen Phase thermisch gekoppelt ist, eine solche Mischungswärme oder Mischungskälte aufgenommen werden und das Gesamtsystem auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Eine thermische Ausdehnung, die für unterschiedliche fluidische Komponenten einer mobilen Phase sehr stark unterschiedlich sein kann, kann dadurch nicht zu einem Volumenfehler beim Mischen der fluidischen Komponenten führen. Beispielsweise haben organische Lösungsmittel (wie zum Beispiel Methanol oder Acetonitril, ACN) einen etwa um den Faktor vier größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Wasser, so dass es bei einer Abweichung einer Ist-Temperatur von einer Soll- Temperatur zu unterschiedlich starker thermischer Ausdehnung und somit zu einem resultierenden Fehler bei der Zusammensetzung der mobilen Phase kommen kann. Indem die Temperiereinrichtung alle fluidischen Komponenten der mobilen Phase beim Mischen zumindest annähernd auf einer Konstanttemperatur hält, können solche Effekte eliminiert werden und kann somit die absolute Genauigkeit verbessert werden.
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Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen der Mobilphasenfördervorrichtungen, der Verfahren und des Probentrenngeräts beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, das Kompensieren derart durchzuführen, dass als das mindestens eine Mischphänomen eine mischbedingte positive oder negative Volumenkontraktion (wobei eine positive Volumenkontraktion eine Volumenverringerung der gemischten mobilen Phase gegenüber einer Summe der Einzelvolumina der fluidischen Komponenten der gemischten mobilen Phase bei Mischung bezeichnet, und eine negative Volumenkontraktion, die auch als Volumenexpansion bezeichnet werden kann, eine Volumenerhöhung der gemischten mobilen Phase gegenüber einer Summe der Einzelvolumina der fluidischen Komponenten der gemischten mobilen Phase bei Mischung bezeichnet) der Zusammensetzung und/oder eine beim Mischen generierte positive oder negative Mischungswärme (wobei eine positive Mischungswärme ein Freiwerden thermischer Energie mit resultierender Temperaturerhöhung bei Mischung bezeichnet, und eine negative Mischungswärme, die auch als Mischungskälte bezeichnet werden kann, einen Verbrauch thermischer Energie mit resultierender Temperaturerniedrigung bei Mischung bezeichnet):
Als Volumenkontraktion kann ein beim Mischen von zwei fluidischen Komponenten zu einer mobilen Phase auftretender Effekt bezeichnet werden, demzufolge das Volumen der Mischung anders (insbesondere kleiner) als die Summe der Einzelvolumina der zu mischenden Komponenten ist. Dadurch kann es bei einem Prozess zum Erzeugen einer mobilen Phase als Mischung aus mehreren fluidischen Komponenten zu Ungenauigkeiten kommen, insbesondere wenn der Mischvorgang in seinem zeitlichen und räumlichen Verlauf gar nicht genau definiert ist. Zur Veranschaulichung kann man betrachten, dass ein Mischvorgang, bei dem ein Anteil der einen fluidischen Komponente und ein anderer Anteil der anderen fluidischen Komponente zusammengeführt werden, zu einem anderen Mischungsverhältnis führt als ein Mischvorgang, bei dem in ein Behältnis eine Menge der ersten fluidischen Komponente eingefüllt wird und bis zur Erreichung eines Gesamtsollvolumens mit der zweiten fluidischen Komponente aufgefüllt wird. Indem derartige und/oder andere Mischphänomene durch die Steuereinrichtung antizipiert oder berücksichtigt werden, kann die Genauigkeit der resultierenden Fluidzusammensetzung signifikant verbessert werden. Somit kann in diesem Kontext vorteilhaft zunächst eine genaue Definition erfolgen, was denn zum Beispiel die Angabe „%B“ eigentlich im Detail bedeutet. Der Steuerungsmechanismus kann dem Rechnung tragen.
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Speziell kommt die Volumenkontraktion als ein dynamischer Effekt, der die Genauigkeit und die Richtigkeit bei der Erzeugung einer Zusammensetzung beeinflussen kann, zum Tragen, wenn die Flüssigkeitskörper der Einzelkomponenten während des Dosierens, z.B. während des Ansaugens, sich im selben fluidischen Volumen mit den sich vermischenden Komponenten befinden oder mit diesem fluidisch verbunden sind. Dann wird nämlich neben dem zu dosierenden Ansaugvolumen auch noch der Betrag der Volumenänderung beim Vermischen im angekoppelten Vermischungsvolumen mit angesaugt. Dieser Betrag der Volumenänderung kann in einem solchen Fall störend sein. Dabei ist dieser Betrag in erster Linie von der Änderung des Vermischungsgrads während des Ansaugprozesses sowie von dem Mischungsvolumen abhängig.
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Auch das Bilden (d.h. Freiwerden oder Verbrauchen) einer Mischungswärme, die beim Mischen von zwei oder mehr Komponenten frei wird, kann herkömmlich zu Artefakten bei der Zusammensetzung einer mobilen Phase aus mehreren fluidischen Komponenten führen, da das Erzeugen einer positiven oder negativen Mischungswärme an Ort und Stelle der Mischung zu einer Erwärmung oder Abkühlung (je nach beteiligten Lösungsmittelkomponenten) der fluidischen Komponenten führt. Bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unterschiedlichen fluidischen Komponenten der mobilen Phase, insbesondere während der Proportionierung, bewirkt dies eine Verzerrung der Einzelvolumina und somit das Ausbilden einer resultierenden Zusammensetzung, die ein anderes Mengenverhältnis der fluidischen Komponenten hat als bei einer insbesondere statischen Temperatur ohne auftretende Mischungswärme. Auch dieses Mischungsphänomen der Mischungswärme kann durch die Steuereinrichtung antizipiert werden und/oder bei der Einstellung von Mischungsverhältnissen oder dergleichen berücksichtigt werden.
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Insbesondere kann die Berücksichtigung der genannten und/oder anderer Mischphänomene basierend auf der Steuereinrichtung bekannten oder ihr zumindest zugänglichen Informationen über die zu mischenden fluidischen Komponenten und/oder über ein gewünschtes Mischungsverhältnis (zeitlich konstant oder zeitlich variabel) erfolgen. Wenn der Steuereinrichtung die Materialien bekannt sind, aus denen die fluidischen Komponenten gebildet sind, und wenn die Steuereinrichtung ferner über (zum Beispiel experimentell ermittelbare) Daten verfügt, zu welchen Mischphänomenen und zu welchen Auslenkungen (quantitativ) es bei der Mischung entsprechender Lösungsmittelkomponenten in entsprechenden Verhältnissen/Konfigurationen kommt, so kann unter Verwendung physikalischer Modelle oder Gesetze eine quantitative Vorhersage der Beeinflussung der mobilen Phase durch die Mischphänomene erfolgen. Die Steuereinrichtung kann dann Gegenmaßnahmen treffen, um eine Kompensation solcher Effekte zu bewerkstelligen. Insbesondere kann das System mit einem zu dem Mischeffekt inversen Gegeneffekt beaufschlagt werden. Zum Beispiel kann an der Mischeinrichtung eine aktive Kühlung in einem gezielt ausgewählten Ausmaß angewendet werden, die betragsmäßig die freiwerdende Mischungswärme kompensiert. Auch ist es möglich, bei einer positiven oder negativen Volumenkontraktion die individuellen Beiträge der fluidischen Komponenten zu der mobilen Phase entsprechend anzupassen, z.B. entweder vorab entsprechend portionieren, oder nachträglich die Menge einer oder mehrerer der fluidischen Komponenten korrigieren, um diesen Effekt zu unterdrücken oder zu eliminieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, die Zusammensetzung der mobilen Phase entsprechend einem vorgegebenen Probentrennschema, insbesondere einem chromatographischen Gradientenverlauf, zeitabhängig einzustellen. Sowohl das Ausmaß der Mischungswärme als auch das Ausmaß der Volumenkontraktion hängen von den Anteilen der Einzelkomponenten der mobilen Phase ab. Insbesondere bei einem chromatographischen Probentrenngerät kann eine zeitlich abhängige Lösungsmittelzusammensetzung zum fraktionsweisen Ablösen von zuvor an einer Probentrenneinrichtung zumindest teilweise immobilisierten Fraktionen einer fluidischen Probe verwendet werden. Wenn ein entsprechendes Gradientenprofil, das heißt ein rampenartiger, zumindest monotoner Verlauf der Lösungsmittelzusammensetzung, durch die Probentrenneinrichtung durchgeführt wird, so führt dies nacheinander zum Ablösen der einzelnen Fraktionen, die dadurch optimaler getrennt werden können. Allerdings ist zu erwähnen, dass bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Steuerung auch bei zeitlich gleichbleibenden Fluidzusammensetzungen, wie zum Beispiel bei einem isokratischen Modus, angewendet werden kann, insbesondere wenn eine absolute Genauigkeit (Vorhersagbarkeit) der Zusammensetzung gefordert oder zumindest bevorzugt ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mobilphasenfördervorrichtung eingerichtet sein zum Fördern der mobilen Phase mit einem Druck von mindestens 500 bar, insbesondere mindestens 1200 bar. Insbesondere bei hohen und höchsten Drücken spielt auch die Kompressibilität der mobilen Phase eine Rolle. Bei diesen Drücken ist das Kompressionsvolumen (d.h. die Volumenminderung aufgrund von einer Druckerhöhung) beträchtlich und kann bis zu 10% des Fluidgesamtvolumens und mehr betragen, wobei dieser Effekt für unterschiedliche fluidische Komponenten einer mobilen Phase unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann. Diese Eigenkompressibilität von fluidischen Komponenten der mobilen Phase bzw. ihre Auswirkungen und Folgeeffekte auf die Zusammensetzung der mobilen Phase können bei der Steuerung der Zusammensetzung ebenfalls berücksichtigt werden, was die absolute Genauigkeit weiter erhöht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mobilphasenfördervorrichtung eingerichtet sein zum Fördern der mobilen Phase mit einer Flussrate in einem Bereich zwischen 10 µl/min und 10 ml/min. Insbesondere derart niedrige Flussraten, wie sie weiter insbesondere gerade in Kombination mit den oben genannten hohen und höchsten Drücken zum Einsatz kommen können, führen dazu, dass im Vergleich zu exakten Vorhersagen (Modellrechnungen) Abweichungen auffällig bzw. auffälliger werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, das Kompensieren basierend auf einem theoretischen Modell zum Modellieren des mindestens einen Mischphänomens durchzuführen. Gemäß dieser Ausgestaltung können die Verhältnisse im Inneren der Mischeinrichtung, bzw. allgemeiner im Inneren der Mobilphasenfördervorrichtung, modelliert werden und die Einflüsse der Mischphänomene auf die resultierende Zusammensetzung der mobilen Phase theoretisch vorausgesagt bzw. berechnet werden. Entsprechend dieses theoretischen Modells kann dann eine Kompensation durchgeführt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung alternativ oder ergänzend eingerichtet sein, das Kompensieren basierend auf experimentellen Daten hinsichtlich des mindestens einen Mischphänomens durchzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform, die alternativ oder ergänzend zum Kompensieren basierend auf theoretischen Modellen angewendet werden kann, können experimentell ermittelte Daten verwendet werden. Z.B. können die experimentell bzw. empirisch ermittelten Abweichungen der Mischungszusammensetzung in einen Zusammenhang bzw. eine Korrelation mit den Mischungsbedingungen (wie etwa die Mischungszusammensetzung, Temperatur der Mischvorrichtung bzw. der zu mischenden Fluide, Flussrate der Fluide, etc.), die für die Entstehung der Mischphänomene verantwortlich sind, gebracht werden. Solche Daten können in einer Datenbank gespeichert werden (auch in der Zuordnung oder Klassifizierung zu bestimmten Lösungsmitteln und deren Kombinationen), auf welche die Steuereinrichtung zum Bestimmen der anzuwendenden Kompensation zugreifen kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, die Zusammensetzung der mobilen Phase mit einer konstanten Flussrate einzustellen. Eine solche Flussrate kann eine Volumenflussrate (das heißt Volumenfluss pro Zeit) bezeichnen. Abhängig von der gewünschten konstanten Flussrate kann die Zusammensetzung eingestellt werden, um diese Vorgabe zu erreichen. Durch Mischphänomene bewirkte bzw. ausgelöste unerwünschte Änderungen der Flussrate (zum Beispiel Volumenkontraktion) können durch eine entsprechende Gegensteuerung zumindest teilweise kompensiert werden, um die Flussrate der mobilen Phase ungeachtet der Mischphänomene konstant zu halten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mobilphasenfördervorrichtung eine Mischregeleingabeschnittstelle zum Eingeben einer von der Steuereinrichtung anzuwendende bzw. zu berücksichtigende Mischregel durch einen Benutzer aufweisen, wobei die Mischregel für den mittels der Mischeinrichtung durchgeführten Mischvorgang indikativ ist. Unter einer „Mischregel“ kann in diesem Zusammenhang eine Vorschrift, Vorgehensweise oder Prozedur beim Mischen mehrerer fluidischer Komponenten zu einer Zusammensetzung verstanden werden, wobei je nach angewandter Mischregel unterschiedliche Zusammensetzungen erhalten werden können. Die klare Definition einer der Steuerung bzw. dem Mischvorgang zugrunde liegenden Mischregel kann die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit von zum Beispiel an unterschiedlichen Apparaturen aus fluidischen Komponenten zusammengemischten Zusammensetzungen der mobilen Phase verbessern. Durch eine Mischregeleingabeschnittstelle können Mischregeln durch einen Benutzer vorgegeben werden, um die Kompensation von Mischphänomenen auf eine gegebene Applikation bezogen präzise einstellen zu können. Anders ausgedrückt kann vorgegeben werden, bezogen auf welche Mischprozedur eine gewünschte Zusammensetzung bzw. Korrektur der Zusammensetzung der mobilen Phase aus fluidischen Komponenten vorgenommen werden soll, um Artefakte durch eine undefinierte Mischregel zu unterbinden. Die Mischregel, nach der eine Pumpe herkömmlich arbeiten kann, ergibt sich im Wesentlichen aus der Konstruktion der Pumpe und dem von der herkömmlichen Steuereinrichtung ausgeführten Steueralgorithmus. So liefert eine binär hochdruckmischende Pumpe eine Zusammensetzung als wenn vorher abgemessene Volumina zusammengebracht werden. Es fehlt also im Summenfluss der Anteil, der als Volumenkontraktion quasi verschwindet. Wohingegen eine ansaug-proportionierende quaternäre Pumpe in der Regel die Volumenkontraktion beim fördernden Dosieren hinzugewinnt. Um also nun mit der jeweiligen historischen Konstruktion kompatibel zu sein, kann eine erfindungsgemäße Ausführung eingestellt sein, genau eben eine der genannten (oder eine andere) Verhaltensweisen zu reproduzieren. Eine gewählte Mischregel kann aber auch gestaltet sein, zu einer händischen Mischung mit Labormitteln kompatibel zu sein. Je nach Vorgabe oder Konstruktion ist jede der im Folgenden genannten Mischregeln inklusive Zwischenschattierungen möglich. Gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind nun Freiräume geschaffen, sodass zum Beispiel eine binäre Pumpe gleich einer quaternären fördern kann (falls das das Ziel ist).
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die benutzerseitig vorgebbare Mischregel aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus dem Hinzufügen einer zweiten fluidischen Komponente (insbesondere mit einem vorgegebenen Volumen) zu einem Konstantvolumen einer ersten fluidischen Komponente, um dadurch insgesamt ein Sollgesamtvolumen zu erreichen, und einem Mischen eines ersten Sollvolumens einer ersten fluidischen Komponente mit einem zweiten Sollvolumen einer zweiten fluidischen Komponente der mobilen Phase. Aufgrund der Volumenkontraktion kann es bei den beiden beschriebenen Mischregeln zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, so dass die Mischung unter Bezugnahme auf eine vorgegebene der Mischregeln absolute Genauigkeitsverluste infolge einer von einer gewünschten Mischprozedur abweichenden undefinierten Mischprozedur unterdrücken kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mobilphasenfördervorrichtung eine Temperiereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die mobile Phase an der Mischeinrichtung zumindest annähernd auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Zum Beispiel kann ein Thermostat die Mischeinrichtung auf eine Konstanttemperatur (insbesondere eine definierte Referenztemperatur) bringen, und die mobile Phase vor, während und/oder nach dem Mischvorgang im Bereich der Mischeinrichtung auf oder sehr nahe dieser Konstanttemperatur halten. Durch ein ausreichend großes thermisches Reservoir können dadurch thermische Effekte des Mischens unterdrückt werden, da zum Beispiel eine auftretende Mischwärme von dem großen Wärmereservoir sofort aufgenommen werden kann und damit im Wesentlichen keine artifiziellen Effekte während des Mischvorgangs mehr hervorrufen kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mobilphasenfördervorrichtung eine Temperiereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, der mobilen Phase und/oder zumindest einer der einzelnen fluidischen Komponenten der mobilen Phase thermische Energie zuzuführen oder zu entziehen, um dadurch die durch das mindestens eine Mischphänomen verursachte Abweichung zwischen der vorgegebenen Soll-Zusammensetzung und der Ist- Zusammensetzung zumindest teilweise zu kompensieren. Führt die Mischung der fluidischen Komponenten zu einer Temperaturerhöhung infolge des Freiwerdens von thermischer Energie (positive Mischungswärme) oder zu einer Temperaturerniedrigung infolge des Konsums von thermischer Energie (Mischungskälte), so kann die freiwerdende thermischer Energie zum Beispiel durch selektives Kühlen abgeführt werden bzw. die konsumierte thermische Energie zum Beispiel durch selektives Heizen zugeführt werden. Dadurch kann der Ursache für die abweichende Zusammensetzung entgegengewirkt werden und dadurch die Mobilphasenzusammensetzung korrigiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Gemisch zumindest ein erstes Lösungsmittel, insbesondere Wasser, und ein zweites Lösungsmittel, insbesondere ein organisches Lösungsmittel, aufweisen. Insbesondere bei der Verwendung von mehreren Lösungsmitteln unterschiedlicher thermischer Eigenschaften (insbesondere unterschiedlicher thermischer Expansionskoeffizienten) kann die Berücksichtigung von Mischeffekten die Genauigkeit besonders effizient erhöhen.
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Das Probentrenngerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life Science-Gerät, ein Flüssigchromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage, ein SFC- (superkritische Flüssigchromatographie) Gerät, ein Gaschromatographiegerät oder ein Elektrophoresegerät und/oder ein Gelelektrophoresegerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Probentrenneinrichtung als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet sein. Bei einer chromatographischen Trennung kann die Chromatographietrennsäule mit einem Adsorptionsmedium, versehen sein. An diesem kann die fluidische Probe aufgehalten werden und erst nachfolgend bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.
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Das Pumpsystem kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das Fluid bzw. 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.
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Das Probentrenngerät kann einen Probeninjektor zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine mit einem Sitz koppelbare Injektionsnadel in einem entsprechenden Flüssigkeitspfad aufweisen, wobei die Nadel aus diesem Sitz herausgefahren werden kann, um Probe aufzunehmen, wobei nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz die Probe sich in einem Fluidpfad befindet, der, zum Beispiel durch das Schalten eines Ventils, in den Trennpfad des Systems hineingeschaltet werden kann, was zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad führt.
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Das Probentrenngerät kann einen Fraktionssammler zum Sammeln der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Abflussbehälter zugeführt werden.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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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.
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1 zeigt ein HPLC-System gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt ein Fluidversorgungssystem gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt ein Diagramm, das eine empirisch bestimmte Abhängigkeit der Volumenkontraktion von einer Gemischzusammensetzung beim Bilden einer Lösung aus Acetonitril und Wasser bzw. Methanol und Wasser, jeweils abhängig von einem Mischungsverhältnis veranschaulicht.
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4 zeigt eine Temperiereinrichtung einer Mobilphasenfördervorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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5 zeigt eine andere Temperiereinrichtung einer Mobilphasenfördervorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
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Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird die Volumenkontraktion beim Mischen zweier oder mehr fluidischer Komponenten zu einer mobilen Phase und/oder die Mischungswärme beim Mischen zweier oder mehr fluidischer Komponenten zu einer mobilen Phase berücksichtigt, wenn eine Zusammensetzung einer mobilen Phase mit definierten Relativanteilen dieser fluidischen Komponenten und/oder mit einer vorgegebenen Flussrate eingestellt wird, um dadurch eine verbesserte Genauigkeit hinsichtlich Fluss und Zusammensetzung zu erreichen.
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Bei der Analyse von Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Flüssigchromatographieausrüstung haben die vorliegenden Erfinder die Erkenntnis erlangt, dass herkömmlich getroffene Maßnahmen zur technischen Charakterisierung geeignet sind, dass allerdings bestimmte Aspekte derzeit noch eine geringere Bedeutung haben und weniger sichtbar bzw. ausgeprägt sind als die anderen, ebenfalls behandelten Aspekte, wobei auch die derzeit weniger drastischen Abweichungen und Einflüsse immer mehr zum Vorschein kommen werden, sobald die gröberen Einflüsse berücksichtigt und kompensiert bzw. eliminiert werden. Während für einige Jahrzehnte in der Vergangenheit der Fokus im Zusammenhang mit der Genauigkeit der Lösungsmittelzusammensetzung auf der technischen Vergleichbarkeit von Analysen basierte, das heißt der Schwerpunkt auf der Herstellung von Reproduzierbarkeit lag, ist für moderne Anwendungen mehr und mehr die absolute Genauigkeit (auch als Richtigkeit bezeichnet) unter analytischen Bedingungen wichtig.
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Es gibt zahlreiche Gründe, warum es problematisch ist, eine absolute Genauigkeit einer fluidischen Zusammensetzung aus mehreren fluidischen Komponenten einzustellen oder zu messen. Ein erster Aspekt in diesem Zusammenhang ist eine Frage der Definition. Wenn eine Mischung fluidischer Komponenten in einem Labor hergestellt wird, kann dies verschiedene Ausprägungen haben:
- – Molare Zusammensetzung bzw. Konzentration: Diese wird häufig für Lösungen in „M“ angegeben. Sie wird als Molzahl des gelösten Stoffes pro Liter einer Lösung berechnet – allerdings bei einer Temperatur, die häufig nicht explizit definiert wird.
- – Gewicht/Gewicht oder Massenzusammensetzung (zum Beispiel in mg/kg): Die Gewichtszusammensetzung wird häufig druck- und temperaturunabhängig angegeben. Allerdings wird häufig nur implizit, jedoch nicht explizit angegeben, ob etwa das Verhältnis der Masse des gelösten Stoffs zur Masse des Lösungsmittels oder zur Gesamtmasse der Lösung gemeint wird.
- – Gewicht/Volumen (zum Beispiel in g/l): Wird häufig ohne explizite Angaben zu den Temperaturbedingungen angegeben.
- – Prozentzusammensetzung insbesondere bei Gemischen mehrerer Flüssigkeiten (zum Beispiel %A oder %B einer mobilen Phase aus den fluidischen Komponenten A und B, wobei B eine organische Lösungsmittelkomponente und A eine wässrige Komponente sein kann, wobei dieses Angabenformat das weitaus gängigste in der Chromatographie-Branche ist): Diese Angabe als %B-Parameter ist äußerst unscharf bzw. mehrdeutig, wobei eine unausgesprochene Übereinstimmung dahingehend getroffen scheint, dass hiermit ein Volumenverhältnis gemeint ist (das bedeutet, dass etwa „x % organisches Lösungmittel“ bedeutet, dass eine Mischung von x ml organischen Lösungsmittels mit 100 – x ml Wasser erzeugt wurde, wobei üblicherweise kein Bezug auf die Temperatur genommen wird). Bei diesem additiven Verfahren besitzt die Mischung dann weniger Volumen als die arithmetische Summe beider Zahlenwerte.
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Von diesen Unbestimmtheiten abgesehen, ist bei einer Mischung auch zu unterscheiden, ob „B in A gemischt“ wird oder „B zu A gemischt“ wird:
Eine Mischung von 25% Acetonitril in Wasser kann bedeuten, dass zunächst 250 ml Acetonitril in einen Behälter eingefüllt werden und der Behälter dann auf 1 l mit Wasser aufgefüllt wird. Bei diesem “Auffüll-“Verfahren hat die Mischung dann das Zielvolumen, aber der Anteil des zuletzt eingefüllten ist um die Volumenkontraktion erhöht, also verzogen. Die sich ergebende Zusammensetzung ist nun abhängig von der Reihenfolge, in der die Komponenten eingefüllt werden.
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Im Unterschied dazu kann ein Verhältnis von 25% Acetonitril zu Wasser bedeuten, dass der Behälter mit 250 ml Acetonitril aufgefüllt wird und hierzu 750 ml Wasser beigefügt werden. Bei diesem “additiven” Verfahren ist die Mischung dann weniger Volumen als die arithmetische Summe beider Zahlenwerte. Aufgrund der Mischungskontraktion führt dies zu ungefähr 980 ml gemischter Lösung.
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Darüber hinaus ändert sich bei einem Mischvorgang mitunter (insbesondere je nach Lösungsmittel bzw. abhängig von der Kombination der Mischpartner) die Temperatur, falls z.B. bei dem Mischvorgang eine Mischungswärme absorbiert oder freigegeben wird. So kann beim Auffüll"-Verfahren die letzt hinzugefügte Komponente als zu klein ausfallen, wenn durch Mischungswärme die Temperatur sich erhöht hat und das Volumen der Flüssigkeit durch Wärmeausdehnung zum Zeitpunkt der Ablesung an der Skala noch erhöht war.
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Aufgrund all dieser Probleme und Begrenzungen hinsichtlich der Genauigkeit einer Zusammensetzung mobiler Phase aus mehreren fluidischen Komponenten als Konsequenz der beschriebenen Mischphänomene und als Konsequenz aus dem Fehlen definierter Mischregeln sind herkömmliche LC-Pumpen hinsichtlich ihrer absoluten Genauigkeit und Vergleichbarkeit eingeschränkt.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die obigen Probleme dadurch gelöst, dass die Dynamik von Mischprozessen während des Ansaugens von fluidischen Komponenten in bestimmten Proportionen einer mobilen Phase sowie Charakteristika des physikalischen Mischvorgangs dieser fluidischen Komponenten berücksichtigt werden, um das adäquate Ansaugen von fluidischen Komponenten in korrekten Mengen aus individuellen Zufuhrkanälen trotz der beschriebenen Mischungseffekte im mit den Zufuhrkanälen verbundenen Flüssigkeitspfad zu ermöglichen. Hierfür kann insbesondere eine temporäre thermische Ausdehnung (in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lösungsmittel mit positivem Vorzeichen, d.h. Zunahme des Fluidvolumens bei Temperaturerhöhung, oder mit negativem Vorzeichen, d.h. Abnahme des Fluidvolumens bei Temperaturerhöhung) berücksichtigt werden, um eine Auswirkung der Mischungswärme zumindest teilweise zu kompensieren. Zum Beispiel kann ein unmittelbares Kühlen (zum Beispiel unter Verwendung eines metallischen Mischers und/oder mittels mindestens einer wärmeleitfähigen Schicht) durchgeführt werden. Es ist auch möglich, einen Nettoeinfluss des Mischvorgangs zu messen, indem die Temperaturdynamik und -verteilung überwacht wird. Es ist darüber hinaus möglich, thermische Effekte von dem Ansaugen von Proportionen zu dem Inneren einer Pumpenkammer zu antizipieren. Thermische Gradienten, die aufgrund der thermischen Ausdehnung bzw. Kontraktion zu einem zusätzlichen Fluss führen können, können ebenfalls berücksichtigt werden.
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Es ist möglich, den Fortschritt eines Mischprozesses von früheren Paketen der fluidischen Komponenten bzw. Anteilen der mobilen Phase während des Ansaugens eines gegenwärtigen Pakets von fluidischen Komponenten bzw. mobiler Phase zu berücksichtigen, so dass das zusätzliche (positive oder negative) Volumen, das mit dem gegenwärtigen Paket quasi artifiziell angesaugt werden würde, zumindest teilweise kompensiert wird. Dies kann zu einem kürzeren (oder längeren) Hub eines Kolbens führen. Um weiterhin eine gewünschte Flussrate aufrechtzuerhalten, kann dann die Hubfrequenz erhöht (oder reduziert) werden. Dies impliziert, dass die Flussrate (insbesondere bezogen auf einen Massenfluss) als Fluss der Mischung bei Standardbedingungen (insbesondere Standardtemperatur, Standarddruck, etc.) präzise referenziert wird (zum Beispiel stromabwärts der Probentrenneinrichtung), wohingegen der Massenfluss als akkurat referenziert wird, wenn der Volumenflussstandard (insbesondere hinsichtlich Temperatur, Druck) präzise ist. Für binäre Pumpen impliziert dies eine Volumenkontraktionskorrektur der Flussrate (durch eine proportionale Erhöhung von beiden Partialflüssen in ihrer jeweiligen Relation).
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Das Berücksichtigen (insbesondere bei höheren Flüssen) eines Energieflusses, der auch durch Kompressionserwärmung als eine Ursache für (vorhersagbare) Pumpkopf-Übertemperaturen zustande kommt, ist ebenfalls möglich.
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Die Berücksichtigung einer voraussagbaren Temperatur im eingeschwungenen Zustand sowie von Temperaturübergängen in kritischen Teilen, vor allem in den Pumpenköpfen sowie in der Mischkammer, basierend auf der Kenntnis einer gegenwärtigen Umgebungstemperatur und eines Wärmeaustausches mit der Umgebung, sowie Energieflüsse in dem Pumpenkopf (von dem Antrieb, von einfließendem Lösungsmittel, von Kompressionswärme, etc.) kann ebenfalls erfolgen.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems als Beispiel für ein Probentrenngerät 10, wie es zum Beispiel zur Flüssigchromatographie verwendet werden kann. Eine Fluidpumpe 20, die mit Lösungsmitteln aus Lösungsmittelbehältern 26 einer Zuführeinrichtung (schematisch angedeutet mit Bezugszeichen 25) versorgt wird, treibt eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Ein optionaler Entgaser 27 kann die Lösungsmittel entgasen, bevor diese der Fluidpumpe 20 zugeführt werden. Ferner ist eine Mischeinrichtung 29 vorgesehen, an der die mehreren fluidischen Komponenten aus den Lösungsmittelbehältern 26 der Zuführeinrichtung 25 zu einer mobilen Phase gemischt werden, die dann der Fluidpumpe 20 zum Fördern in Richtung der Probentrenneinrichtung 30 bereitgestellt wird. Eine Probenaufgabeeinheit 40 ist zwischen der Fluidpumpe 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit (auch fluidische Probe genannt) in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der fluidischen Probe zu separieren. Ein Detektor 50, der mittels einer Flusszelle ausgebildet werden kann, detektiert separierte Komponenten der fluidischen Probe, und ein Fraktionierungsgerät (nicht gezeigt) kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der fluidischen Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Flüssigkeiten können in einen Abflussbehälter 60 ausgegeben werden.
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Während ein Flüssigkeitspfad zwischen der Fluidpumpe 20 und der Probentrenneinrichtung 30 typischerweise unter Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannte Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probenaufgabeeinheit 40 eingegeben, mit der dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad eingebracht wird. Während des Zuschaltens der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad wird der Inhalt der Probenschleife auf den Systemdruck des als HPLC ausgebildeten Probentrenngeräts 10 gebracht. Eine Steuereinrichtung 70 steuert zumindest einen Teil der Komponenten 20, 27, 29, 30, 40, 50, 60 des Probentrenngeräts 10.
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Ein Fluidpumpsystem stromaufwärts der Probenaufgabeeinheit 40 und der Probentrenneinrichtung 30, das auch als Mobilphasenfördervorrichtung 90 bezeichnet werden kann, enthält unter anderem die Fluidpumpe 20, die Steuereinrichtung 70, die Mischeinrichtung 29 und die Zuführeinrichtung 25, und wird im Weiteren näher beschrieben. Es ist allerdings anzumerken, dass gemäß anderen Ausführungsbeispielen die Steuereinrichtung 70 nicht zwingend Bestandteil eines Fluidpumpsystems stromaufwärts einer Probenaufgabeeinheit sein muss.
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Die Mobilphasenfördervorrichtung 90 dient zum Fördern der mobilen Phase für das Probentrenngerät 10 zum Trennen der fluidischen Probe, die mittels der Probenaufgabeeinheit 40 in die mobile Phase injiziert wird. Teil der Mobilphasenfördervorrichtung 90 sind die Zuführeinrichtung 25 zum Zuführen der mehreren fluidischen Komponenten für die Erstellung der mobilen Phase, die Mischeinrichtung 29 zum Mischen der mehreren fluidischen Komponenten zum Erzeugen der mobilen Phase, und die Steuereinrichtung 70 zum Steuern einer Zusammensetzung der mobilen Phase aus den mittels der Mischeinrichtung 29 gemischten fluidischen Komponenten derart, dass durch Mischphänomene verursachte Abweichungen zwischen einer vorgegebenen Soll-Zusammensetzung der mobilen Phase und einer Ist-Zusammensetzung der mobilen Phase zumindest teilweise kompensiert werden.
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Genauer gesagt ist die Steuereinrichtung 70 eingerichtet, das Kompensieren derart durchzuführen, dass als Mischphänomene eine mischbedingte Volumenkontraktion beim Erzeugen der Zusammensetzung der mobilen Phase und eine beim Mischen generierte Mischungswärme berücksichtigt werden. Zum Beispiel können die fluidischen Komponenten der mobilen Phase, die durch die Zuführeinrichtung 25 zugeführt werden, beim Mischen ein Mobilphasenvolumen bilden, das kleiner als die Summe der Einzelvolumina ist. Dadurch kann es quasi ein zusätzliches Ansaugen verursachen und zu Abweichungen einer Ist-Volumenflussrate der mobilen Phase aus den momentan per Mischeinrichtung 29 gewählten einzelnen fluidischen Komponenten gegenüber einer gewünschten Soll-Volumenflussrate (d.h. fließendes Fluidvolumen pro Zeit) der mobilen Phase kommen, was die Genauigkeit eines chromatografischen Trennergebnisses negativ beeinflusst. Auch kann es zu Zusammensetzungsfehlern kommen, falls die genannten Mischphänomene sich ungleichmäßig (d.h. nicht proportional zu den Mischungsanteilen) auf die Einzelvolumina bzw. -flüsse einzelner anzusaugender Komponenten der mobilen Phase auswirken. Ferner kann bedingt durch das Durchmischen der fluidischen Komponenten eine Mischungswärme erzeugt werden, welche die gerade zusammengemischte mobile Phase im Bereich der Mischeinrichtung lokal erwärmt, bzw abkühlt. Dadurch kann es zu einer unterschiedlich stark ausgeprägten thermischen Ausdehnung der Einzelkomponenten der fluidischen Probe kommen, sodass sich die Relativzusammensetzung der mobilen Phase aus den einzelnen fluidischen Komponenten parasitär ändert. Dadurch kann es zu Abweichungen einer quantitativen prozentualen Volumenzusammensetzung der mobilen Phase aus den einzelnen fluidischen Komponenten gegenüber einer gewünschten Zusammensetzung kommen, was die absolute Genauigkeit (Vorhersagbarkeit) eines chromatografischen Trennergebnisses ebenfalls negativ beeinflusst. Indem die Steuereinrichtung derartige Mischphänomene berücksichtigt, während oder nachdem sie die Zusammensetzung der mobilen Phase aus den fluidischen Komponenten einstellt, kann sowohl die gesamte Flussrate der mobilen Phase entsprechend korrigiert werden als auch die Einzelbeiträge der fluidischen Komponenten individuell angepasst werden, um die durch die Mischphänomene bedingten Effekte ganz oder teilweise auszugleichen. Dadurch kann die Trennleistung besser vorhergesagt und damit eventuell gesteigert werden.
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Die Mobilphasenfördervorrichtung 90 ist zum Fördern der mobilen Phase mit einem hohen Druck von zum Beispiel 1200 bar mit einer geringen Flussrate von zum Beispiel 100 µl/min eingerichtet. Bereits sehr kleine Abweichungen einer Ist-Zusammensetzung der mobilen Phase von deren Soll-Zusammensetzung wirken sich stark spürbar auf die Trenngenauigkeit aus, sodass durch die Berücksichtigung von Mischphänomenen eine merkliche Verbesserung der Trennauflösung erreicht werden kann.
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Die Steuereinrichtung 70 kann das Kompensieren basierend auf einem theoretischen Modell zum Modellieren der Mischphänomene und/oder basierend auf experimentellen Daten hinsichtlich der Mischphänomene durchführen. Entsprechende Informationen können in einer Datenbank enthalten sein, die der Steuereinrichtung 70 zugänglich sind. In einer solchen Datenbank kann zum Beispiel die folgende Information enthalten sein: „Wird eine fluidischen Komponente aus der Substanz A mit einer relativen Konzentration x mit einer anderen fluidischen Komponente aus der Substanz B mit einer relativen Konzentration y bei einer Temperatur T0 gemischt, so wird eine Mischungswärme W frei und erfolgt eine Volumenkontraktion K“. In der Datenbank können dann verschiedenste Konstellationen Parameterwerte für die Größen A, x, B, y, T0, W und K enthalten sein. Die Steuereinrichtung 70 kann die Zufuhr der fluidischen Komponenten dann so steuern, dass Effekte durch die Mischungswärme W und die Volumenkontraktion K gerade kompensiert werden. Die Steuereinrichtung 70 kann insbesondere eingerichtet sein, die Zusammensetzung der mobilen Phase mit einer konstanten Soll-Flussrate und mit einer vorgegebenen (konstanten oder variablen) Soll-Zusammensetzung aus den fluidischen Komponenten exakt einzustellen.
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Die Mobilphasenfördervorrichtung 90 weist ferner eine Mischregeleingabeschnittstelle 34 zum Eingeben einer Mischregel durch einen Benutzer auf, wobei die Mischregel für den mittels der Mischeinrichtung 29 durchgeführten Mischvorgang indikativ ist. Zum Beispiel kann ein Benutzer durch die als Benutzerschnittstelle ausgebildete Mischregeleingabeschnittstelle 34 festlegen, auf welche Weise die Mischeinrichtung 29 die Mischung der mobilen Phase aus den mehreren fluidischen Komponenten durchzuführen hat. Diese Mischregel kann beispielsweise folgendermaßen lauten: „Mischen eines ersten Sollvolumens einer ersten fluidischen Komponente mit einem zweiten Sollvolumen einer zweiten fluidischen Komponente der mobilen Phase“. Dadurch kann der Mischvorgang präzise definiert und schließlich exakt durchgeführt werden, sodass Ungenauigkeiten durch Abweichungen zwischen der Erwartung eines Benutzers und einer tatsächlichen Mischlogik aufgehoben werden können. Auch dadurch kann die absolute Genauigkeit der Trennanalyse verbessert werden.
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Die Mobilphasenfördervorrichtung 90 kann darüber hinaus eine Temperiereinrichtung 36 aufweisen, die eingerichtet ist, die mobile Phase an der Mischeinrichtung 29 auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Zum Beispiel kann die Temperiereinrichtung 36 als großes Wärmereservoir ausgebildet sein, das dafür sorgt, dass die mobile Phase im Bereich der Mischeinrichtung 29 ungeachtet von Mischphänomenen immer auf einer gewünschten Referenztemperatur (oder zumindest sehr nahe bei der gewünschten Referenztemperatur) bleibt. Verbleibende Diskrepanzen können dann durch die dynamische Einstellung der Zusammensetzung der mobilen Phase mittels der Steuereinrichtung 70 kompensiert werden.
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Es ist auch möglich, die Temperiereinrichtung 36 derart auszubilden bzw. durch die Steuereinrichtung 70 derart zu steuern, dass die Temperiereinrichtung 36 der bereits gemischten mobilen Phase und/oder den einzelnen fluidischen Komponenten der mobilen Phase vor oder während dem Mischen selektiv thermische Energie in einem derartigen Maße zuführt oder entzieht, dass dadurch die durch die Mischphänomene verursachte Abweichung zwischen der vorgegebenen Soll-Zusammensetzung und der Ist-Zusammensetzung ganz oder teilweise ausgeglichen wird. Eine solche dynamische Steuerung oder Regelung der thermischen Verhältnisse der mobilen Phase bzw. von fluidischen Komponenten davon kann im Bereich der Mischeinrichtung 29 erfolgen.
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1 kann entnommen werden, dass stromabwärts der Zuführeinrichtung 25 und stromaufwärts der als Hochdruckpumpe ausgebildeten Fluidpumpe 20 die Mischeinrichtung 29 das Mischen der fluidischen Komponenten aus drei Zufuhrkanälen durchführt. An einem Auslass der Mischeinrichtung 29 ist somit die fluidische Phase zur Aufnahme in die fluidische Pumpe mit nachfolgender Lieferung an den Injektor (Probenaufgabeeinheit 40) bereitgestellt. Ferner ist die Temperiereinrichtung 36 (zum Beispiel in Form eines Wärmebades) bereitgestellt, die die Mischeinrichtung 29 und die darin gemischte mobile Phase stets auf einer konstanten Referenztemperatur halten kann. Selbst wenn es also beim Mischen zu dem Freiwerden einer Mischungswärme kommt, sorgt das große thermische Bad in Form der Temperiereinrichtung 36 dafür, dass die Temperatur der mobilen Phase beim Mischen bzw. kurz nach dem Mischen unverändert bleibt. Die Mischphänomene in Form der auftretenden Mischungswärme sowie der durch das Mischen erzeugten (positiven oder negativen) Volumenkontraktion der gemischten mobilen Phase im Vergleich zu den ungemischten fluidischen Komponenten sind in der nicht gezeigten Datenbank modelliert, auf die die Steuereinrichtung 70 zugreifen kann. Die Steuereinrichtung 70 steuert den Mischvorgang und damit die Zusammensetzung der gemischten mobilen Phase derart, dass durch die Mischung verursachte Volumenveränderungen gerade kompensiert werden.
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2 zeigt ein Probentrenngerät 10 mit Mobilphasenfördervorrichtung 90 als Fluidversorgungssystem zum Bereitstellen eines Fluids an einen Fluidabnehmer (im gezeigten Beispiel die Probentrenneinrichtung 30 bzw. der Detektor 50 gemäß 1) gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Zuführeinrichtung 25 weist gemäß 2 vier Zuführleitungen 104 bis 107 auf, von denen jede mit einer jeweiligen von vier Fluidkomponentenquellen 100 bis 103 zum Bereitstellen einer jeweiligen fluidischen Komponente A bis D fluidisch gekoppelt ist. Eine gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel in ein Proportionierventil integrierte Mischeinrichtung 29 ist zwischen den Zuführleitungen 104 bis 107 und einem Einlass 189 einer primären Kolbenpumpe 111 angeordnet. Die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch proportionierende Mischeinrichtung 29 ist mittels der Steuereinrichtung 70 zum Modulieren der Zusammensetzung des Fluids aus Paketen der fluidischen Komponenten A bis D stromaufwärts der primären Kolbenpumpe 111 mittels sequenziellen Koppelns ausgewählter der Zuführleitungen 104 bis 107 mit der primären Kolbenpumpe 111 steuerbar. Dies bedeutet, dass die Steuereinrichtung 70 die proportionierend wirkende Mischeinrichtung 29 (insbesondere gemäß einem Multiplexerschema) so ansteuert, dass nacheinander Sequenzen von Fluidpaketen der Komponenten A, B, C und D durch eine Fluidleitung 109, durch ein Einlassventil 113 und durch den Einlass 189 der primären Kolbenpumpe 111 fließen. Es ist anzumerken, dass andere Proportioniereinrichtungen implementiert werden können als das Proportionierventil gemäß 2. Es ist ebenfalls möglich, eine Mischeinrichtung 29 gemeinsam mit einer Proportioniereinrichtung auszubilden, oder getrennt davon.
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Die primäre Kolbenpumpe 111 (siehe auch Bezugszeichen „I“), der mittels der Zuführeinrichtung 25 zu pumpendes Fluid mit zeitlich variierender Lösungsmittelzusammensetzung (zum Beispiel entsprechend eines Gradientenlaufs) zuführbar ist, weist einen zum Fördern des Fluids in einem primären Kolbenraum 117 reziprozierfähig angeordneten primären Kolben 115 auf. Der primäre Kolben 115 sowie ein zwischen der primären Kolbenpumpe 111 und einer sekundären Kolbenpumpe 112 (siehe auch Bezugszeichen „II“) geschaltetes Fluidventil 114 (mit einer fluidischen Verbindungsleitung 187) zum selektiven Ermöglichen oder Verunmöglichen einer Fluidkommunikation zwischen den beiden Kolbenpumpen 111, 112 sind optional ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 70 steuerbar (das Fluidventil 114 ist hier nur schematisch zwischen den Abschnitten der Verbindungsleitung 187 angeordnet. Natürlich kann es dieser auch vor- oder nachgeschaltet sein). Der sekundären Kolbenpumpe 112 ist mittels der primären Kolbenpumpe 111 gepumptes Fluid zuführbar, wenn das Fluidventil 114 in einem entsprechenden Schaltzustand befindlich ist (zum Beispiel wenn der Druck in der primären Kolbenpumpe 111 höher ist als in der sekundären Kolbenpumpe 112, wodurch das Fluidventil 114 öffnen kann). Die sekundäre Kolbenpumpe 112 weist einen zum Fördern des Fluids in einem sekundären Kolbenraum 120 reziprozierfähig angeordneten sekundären Kolben 118 auf, dessen Position und/oder Geschwindigkeit ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 70 steuerbar ist und stellt an ihrem Auslass 180 Fluid bereit, das durch eine Fluidleitung 121 und schließlich in die Probentrenneinrichtung 30 und dann in den Detektor 50 fließt. Vorzugsweise produzieren die Kolbenpumpen 111 und 112 in einer koordinierten Funktion einen kontinuierlichen und im Wesentlichen pulsationsfreien Fluss.
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In 2 ist gezeigt, dass die mittels der Steuereinrichtung 70 steuerbare Temperiereinrichtung 36 auf die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kombinierte Proportionier- und Mischeinrichtung 29 einwirkt, um so dort eine Konstanttemperatur aufrechtzuerhalten.
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Die Steuereinrichtung 70 ist ferner programmtechnisch derart eingerichtet, dass sie die Zusammensetzung zeitlich entsprechend einem vorgegebenen zeitlich veränderlichen Zusammensetzungsprofil verändert. Das vorgegebene zeitliche Zusammensetzungsprofil kann dabei insbesondere ein Gradientenprofil für eine chromatographische Trennung der fluidischen Probe sein. Parameter für ein solches Gradientenprofil bzw. für eine chromatographische Methode können in einer Datenbank 172 gespeichert sein, auf welche die Steuereinrichtung 70 zugreifen kann. Da sich während des Durchlaufens eines solchen Gradientenprofils die relativen Beiträge der fluidischen Komponenten A bis D laufend ändern, ändert sich zeitlich auch die Stärke der Mischartefakte, die auf den unterschiedlichen Beiträgen der fluidischen Komponenten A bis D zu der zusammengesetzten fluidischen Probe sowie auf unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der fluidischen Komponenten A bis D beruhen. Die Steuereinrichtung 70, welche die Mischeigenschaften sowie die Werte der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der fluidischen Komponenten A bis D der Datenbank 172 entnehmen kann, kann somit während der Ausführung eines Gradientenprofils in zeitlich veränderlicher Weise die zeitlich veränderlichen Mischartefakte kompensieren. Mit Bezugszeichen 199 ist schematisch ein solches Gradientenprofil gezeigt, bei dem der Prozentsatz %B der fluidischen Komponente B (für das Beispiel einer Mischung mit der fluidischen Komponente A) in Abhängigkeit von der Zeit t variiert.
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3 zeigt ein Diagramm 300, das eine Abszisse 302 aufweist, entlang welcher ein prozentualer Anteil eines organischen Lösungsmittels als fluidische Komponente dargestellt ist, die mit einem verbleibenden Anteil von Wasser als andere fluidische Komponente gemischt wird. Entlang einer Ordinate 304 ist die prozentuale Volumenkontraktion beim Mischen abhängig von der Zusammensetzung gemäß der Darstellung der Abszisse 302 aufgetragen. Eine erste Kurve 306 zeigt die beschriebenen Verhältnisse bei der Mischung von Wasser mit Acetonitril (ACN) als organische Lösungsmittelkomponente. Eine zweite Kurve 308 zeigt die Volumenkontraktion bei der Mischung von Methanol als organische Lösungsmittelkomponente mit Wasser als weiterer fluidischer Komponente. Es ist also zu erkennen, dass insbesondere bei mittleren bzw. annähernd gleichen Beiträgen von Wasser und der organischen Lösungsmittelkomponente eine besonders starke Volumenkontraktion erfolgt. Dies kann zu Fehlern bei der Flussrate bzw. dem Volumenfluss der mobilen Phase führen, die aus Wasser und der jeweiligen organischen Lösungsmittelkomponente gemäß 3 zusammengesetzt wird. Auch kann es zu Zusammensetzungsfehlern führen, was ein noch größeres Problem sein kann. Indem gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung das Mischphänomen der Volumenkontraktion berücksichtigt wird, um die volumenkontraktionsbedingten Artefakte zu kompensieren, kann die Richtigkeit und Vorhersagbarkeit der Lösungsmittelzusammensetzung und in der Folge des Trennergebnisses signifikant verbessert werden.
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4 zeigt eine Temperiereinrichtung 36 für eine Mobilphasenfördervorrichtung 90 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwischen einem Eingangsfitting 502 und einem Ausgangsfitting 504 verläuft eine thermisch leitfähige flüssigkeitsführende Kapillare 506, durch die mobile Phase gefördert wird. Die Kapillare 506 und somit das darin fließende Fluid ist thermisch mit einem Temperierkörper 508 (zum Beispiel eine Metallplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit) gekoppelt, der zum Beispiel mittels einer Heiz- oder Kühleinrichtung auf eine vorgegebene Temperatur gebracht werden kann. Fließt die mobile Phase durch die Kapillare 506, so nimmt diese die Temperatur an, die durch den Temperierkörper 508 vorgegeben wird.
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5 zeigt eine Temperiereinrichtung 36 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist eine Mischeinrichtung 29 vorgesehen, in bzw. mittels welcher die unterschiedlichen Komponenten der mobilen Phase vermischt werden. Anschaulich teilt die Mischvorrichtung 29 eine an einem Fluideingang 620 in Flussrichtung 622 einströmende mobile Phase in mehrere unterschiedlich lange fluidische Pfade auf und vereint diese an einem Fluidausgang 624 wieder miteinander. Über einen thermischen Koppelkörper 602 wird die mobile Phase thermisch mit einem Thermostat 604 gekoppelt, welches die mobile Phase auf oder zumindest nahe einer vorgegebenen Referenztemperatur halten kann.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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