DE102015102748A1

DE102015102748A1 - Dosiernadel für einen Fraktionssammler

Info

Publication number: DE102015102748A1
Application number: DE102015102748.8A
Authority: DE
Inventors: Theodore Dourdeville; Joshua A. Burnett; James Usowicz; Marc Lemelin; Lucas O. Tiziani
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2015-09-03
Also published as: US9791423B2; GB201502563D0; GB2527169A; US10001463B2; US20150247830A1; GB2527169B; US20170363590A1

Abstract

Beschrieben wird eine Dosiernadel für einen Fraktionssammler. Die Dosiernadel umfasst eine Leitung mit einem Fluidkanal, um einen chromatographischen Fluss zu führen, eine Innenwand, die den Fluidkanal definiert, eine Außenfläche und eine Stirnfläche, durch die der chromatographische Fluss abgegeben wird. Die Dosiernadel umfasst auch eine Beschichtung aus einem Kohlenwasserstoffmaterial oder einem Fluorkohlenstoffmaterial, die an die Stirnfläche gebunden ist. Die Beschichtung ist auch an mindestens einen Abschnitt der Außenfläche, die angrenzend der Stirnfläche ist, gebunden und an mindestens einen Abschnitt der Innenwand, die angrenzend der Stirnfläche ist. Die Beschichtung dient dazu, ein Tröpfchenvolumen einer Flüssigkeit zu reduzieren, das von der Stirnseite abgegeben wird und das an der Spitze der Dosiernadel verbleiben kann. Folglich wird die Konzentrationsänderung in einer gesammelten Fraktion aufgrund eines fehlenden Tröpfchens oder eines zusätzlichen Tröpfchens reduziert.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/946,202 mit dem Anmeldetag vom 28. Februar 2014 und dem Titel "Fraction Collector for a Liquid Chromatography System" in Anspruch sowie die der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/086,320 mit dem Anmeldetag vom 2. Dezember 2014 und dem Titel "Dispensing Needle for a Fraction Collector", auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Fraktionssammler für ein Flüssigkeitschromatographiesystem. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Dosiernadel für einen Fraktionssammler, die die Fraktionen genauer dosieren kann.
HINTERGRUND
Ein Fraktionssammler bezieht sich üblicherweise auf eine Vorrichtung, die in dem Auslass eines Flussstroms eines Flüssigkeitschromatographiesystems positioniert ist und verwendet wird, um Teile des Systemflusses in getrennten Sammelbehältern, wie Probenröhrchen oder Glasfläschchen, zu sammeln. Jeder gesammelte Anteil wird als eine Fraktion bezeichnet. Jede Fraktion wird erlangt durch das Sammeln des gesamten Flüssigkeitschromatographiesystemflusses ab einem bestimmten Zeitpunkt und während eines Zeitfensters von festgelegter Dauer. Alternativ kann mit dem Sammeln jeder Fraktion mit dem Beginn der Detektion einer entsprechenden Zusammensetzung in dem Flüssigkeitschromatographiesystemfluss begonnen werden. Im Allgemeinen beginnt das Sammeln jeder Fraktion zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt, und die Zeitdauern der gesammelten Fraktionen sind typischerweise unterschiedlich.
Eine herkömmliche Hardware-Konfiguration für einen Fraktionssammler umfasst ein Umlenkventil, das in einem ersten Stadium den Fluss des Flüssigkeitschromatographiesystems zu einem Abfallkanal leitet und in einem zweiten Stadium, den Fluss des Flüssigkeitschromatographiesystems zu einem Sammelröhrchen oder einer Dosiernadel leitet. Wie hierin verwendet, werden die Begriffe "Sammelröhrchen" und "Dosiernadel" synonym gebraucht und beziehen sich auf eine Struktur, die einen Fluidkanal aufweist, durch den ein Flüssigkeitsfluss von dem Umlenkventil in einen Sammelbehälter fließt. Die Dosiernadel hat im Allgemeinen die Form eines flexiblen Röhrchens oder einer anderen Leitung, das/die sich von dem Umlenkventil erstreckt und an dem anderen Ende als eine Dosiernadelspitze endet, die Flüssigkeit in den Sammelbehälter abgibt.
Typischerweise stehen mehrere Sammelbehälter zur Verfügung, und dem Sammeln einer bestimmten Fraktion geht eine automatisierte Bewegung des Sammelröhrchens voraus, so dass die Dosiernadel an der Öffnung eines entsprechenden Sammelbehälters angeordnet ist. Um mit dem Sammeln einer Fraktion zu beginnen, wird das Umlenkventil betätigt, so dass der Systemfluss des Flüssigkeitschromatographiesystems durch die Dosiernadel in den entsprechenden Sammelbehälter umgelenkt wird, anstatt durch den Abfallkanal zu passieren. Die Größe der Tröpfchen, die von der Nadelspitze abgegeben werden, beeinflusst die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Volumina der gesammelten Fraktionen. Darüber hinaus ändert sich die Analytkonzentration typischerweise während der gesamten Dauer eines Fraktionssammelereignisses. Folglich wirkt sich eine schlechte Volumenreproduzierbarkeit, die dem Tröpfchenvolumen zuordenbar ist, negativ auf die Fraktionskonzentrationsreproduzierbarkeit aus.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem ersten Aspekt umfasst eine Dosiernadel für einen Fraktionssammler eine Leitung mit einem Fluidkanal, um einen chromatographischen Fluss zu führen, eine Innenwand, die den Fluidkanal definiert, eine Außenfläche und eine Stirnfläche, durch die der chromatographische Fluss abgegeben wird. Die Dosiernadel umfasst auch eine Beschichtung mit einem Kohlenwasserstoffmaterial, das kovalent an die Stirnfläche gebunden ist, mindestens an einen Abschnitt der Außenfläche und mindestens an einen Abschnitt der Innenwand. Die Abschnitte der Außenfläche und der Innenwand sind angrenzend der Stirnfläche angeordnet. Die Beschichtung mit Kohlenwasserstoffmaterial bewirkt eine Reduzierung des Tröpfchenvolumens einer Flüssigkeit, die von der Stirnfläche der Nadelspitze abgegeben wird.
In einem weiteren Aspekt umfasst eine Dosiernadel für einen Fraktionssammler eine Leitung mit einem Fluidkanal, um einen chromatographischen Fluss zu führen, eine Innenwand, die den Fluidkanal definiert, eine Außenfläche und eine Stirnfläche, durch die der chromatographische Fluss abgegeben wird. Die Dosiernadel umfasst auch eine Beschichtung mit einem Fluorkohlenstoffmaterial, das kovalent an die Stirnfläche gebunden ist, mindestens an einen Abschnitt der Außenfläche und mindestens an einen Abschnitt der Innenwand. Die Abschnitte der Außenfläche und der Innenwand sind angrenzend der Stirnfläche angeordnet. Die Beschichtung mit Fluorkohlenstoffmaterial bewirkt eine Reduzierung des Tröpfchenvolumens einer Flüssigkeit, die von der Stirnfläche der Nadelspitze abgegeben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weiteren Vorteile dieser Erfindung können im Licht der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente und Merkmale in den verschiedenen Figuren bezeichnen, leichter verständlich sein. Aus Gründen der Klarheit ist nicht jedes Element in jeder Figur angegeben. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr liegt die Betonung auf einer Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung.
1 ist ein Blockdiagramm eines Flüssigkeitschromatographiesystems, das verwendet werden kann, um Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
2 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Abschnitts eines herkömmlichen Fraktionssammlers für ein Flüssigkeitschromatographiesystem.
3 ist ein Chromatogramm, das vier Fraktionen zeigt, die zu unterschiedlichen Zeiten gesammelt werden sollen.
4 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Dosiernadel für einen Fraktionssammler.
5 ist eine vergrößerte Ansicht der in 4 gezeigten Dosiernadel und zeigt eine Beschichtung, die verwendet wird, um ein Tröpfchen abzustoßen.
6A zeigt eine Nadelspitze einer Dosiernadel, die evaluiert wurde, um das Volumen der abgeschiedenen Tröpfchen zu bestimmen und 6B zeigt die Nadelspitze der
6A, und zwar 90º um ihre Längsachse gedreht.
7 zeigt eine Nadelspitze für eine andere Dosiernadel, die evaluiert wurde, um das Volumen der abgegebenen Tröpfchen zu bestimmen.
8 zeigt eine Nadelspitze für eine andere Dosiernadel, die evaluiert wurde, um das Volumen der abgegebenen Tröpfchen zu bestimmen.
9 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Tröpfchenvolumen und Lösungsmittelzusammensetzung für bestimmte unbeschichtete Dosiernadeln.
10 ist eine graphische Darstellung des Tröpfchenvolumens, und zwar bestimmt als eine Funktion der Flussrate für vier verschiedene unbeschichtete Dosiernadeln.
11 ist eine graphische Darstellung des Tröpfchenvolumens, und zwar bestimmt als eine Funktion der Acetonitrilkonzentration für eine Dosiernadel mit einer diamantartigen Beschichtung.
12 ist eine graphische Darstellung des Tröpfchenvolumens, und zwar bestimmt als eine Funktion der Acetonitrilkonzentration für fünf verschiedene Dosiernadeln.
13 ist eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Tröpfchenvolumen als eine Funktion der Flussrate der in 12 evaluierten Dosiernadeln.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Bezugnahme in der Beschreibung auf "eine Ausführungsform" bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Charakteristikum, das/die/das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, mindestens in einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Bezugnahmen auf eine bestimmte Ausführungsform in der Beschreibung beziehen sich nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform.
Im Sinne eines kurzen Überblicks bezieht sich die Erfindung auf eine Dosiernadel für einen Fraktionssammler. Die Dosiernadel umfasst eine Leitung mit einem Fluidkanal, um einen chromatographischen Fluss zu führen, eine Innenwand, die den Fluidkanal definiert, eine Außenfläche und eine Stirnfläche, durch welche der chromatographische Fluss abgegeben wird. Die Dosiernadel umfasst auch eine Beschichtung mit einem Kohlenwasserstoffmaterial oder einem Fluorkohlenstoffmaterial, die an die Stirnfläche gebunden ist. Die Beschichtung ist auch an mindestens einen Abschnitt der Außenfläche gebunden, die an die Stirnfläche angrenzt, und an mindestens einen Abschnitt der Innenwand, der benachbart zu der Stirnfläche ist. Die Beschichtung dient dazu, ein Tröpfchenvolumen einer Flüssigkeit, das von der Stirnfläche abgegeben wird, zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf deren Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben wird, ist es nicht beabsichtigt, dass sie auf solche Ausführungsformen beschränkt werden soll. Im Gegenteil umfasst die vorliegende Erfindung verschiedene Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente, wie es von dem Fachmann erkannt werden wird. Durchschnittsfachleute mit Zugang zu dieser Erfindung werden zusätzliche Implementierungen, Modifizierungen und Ausführungsformen sowie andere Einsatzgebiete, die in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen, als hierin beschrieben erkennen.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Flüssigkeitschromatographiesystems 10, das mit Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann. Das System 10 umfasst einen Systemprozessor 12 (beispielsweise einen Mikroprozessor und eine Steuerung) in Kommunikation mit einer Benutzerschnittstelle 14, und zwar zum Aufnehmen von Eingabeparametern und zum Anzeigen von Systeminformationen an eine Bedienperson. Der Systemprozessor 12 kommuniziert mit einem Lösungsmittelmanager 16, der ein oder mehrere Lösungsmittel für eine mobile Phase bereitstellt. Ein Pumpensystem 18 umfasst einen oder mehrere Pumpköpfe, die in einer Vielzahl von Möglichkeiten konfiguriert sein können. Eine Probe aus einem Probenreservoir 20 oder aus einem Probenbehälter wird durch ein Einspritzventil 24 in die mobile Phase flussaufwärts vor einer chromatographischen Säule 22 injiziert. Die chromatographische Säule 22 ist an einen Detektor 26 gekoppelt, der ein Signal an den Systemprozessor 12 liefert, das auf verschiedene Komponenten, die in dem Eluat aus der Säule 22 detektiert werden, anspricht.
Nachdem der Systemfluss den Detektor 26 durchlaufen hat, endet er an einer Abfallöffnung. Wenn jedoch eine Fraktion gesammelt wird, wird der Systemfluss in einen Sammelbehälter 28 umgeleitet. Beispiele für Sammelbehälter umfassen Glasfläschchen, Probenröhrchen, die Näpfchen in Mikrotiterplatten, sowie Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) Platten und ähnliche zweidimensionale Substrate, auf denen abgeschiedene Fraktionen gesammelt werden können. Wie in dem Blockdiagramm von 2 gezeigt, wird die Umlenkung des Systemflusses durch Betätigung eines Umlenkventils 30 bewirkt, so dass der Systemfluss an einer Einlassöffnung 32 zu einer Sammelöffnung 34 anstatt zu einer Abfallöffnung 36 umgelenkt wird. Der Systemfluss fließt von der Sammelöffnung 34 durch eine Dosiernadel 38 (d.h. ein Sammelröhrchen), die typischerweise für eine Bewegung gesteuert wird, so dass verschiedene Fraktionen, die während einer einzelnen Trennung gesammelt werden, von einem Abgabeende der Dosiernadel 38 zu einer Anzahl N von Sammelbehältern 28 gelenkt werden. Die Dosiernadel 38 hat eine Nadelspitze am Abgabeende, die in einigen Fällen geometrisch und auch sonst unterschiedlich von dem Rest der Dosiernadel 38 sein kann. Typischerweise ist die Dosiernadel 38 entlang des größten Teils ihrer Länge oder über ihre gesamte Länge flexibel, so dass die Nadelspitze nahe einer Öffnung oder an einer Öffnung des entsprechenden Sammelbehälters 28 angeordnet werden kann, und zwar vor dem Start des Sammelfensters für die entsprechende Fraktion.
Im Sinne eines Beispiels ist 3 eine graphische Veranschaulichung einer chromatographischen Trennung mit vier zu unterschiedlichen Zeiten zu sammelnden Fraktionen 40A bis 40D. Jede Fraktion 40 entspricht einer unterschiedlichen Zusammensetzung in dem Systemfluss und wird in einem separaten Sammelbehälter gesammelt, nachdem die Spitze der Dosiernadel zu dem entsprechenden Sammelbehälter bewegt wurde.
Die Größe der Tröpfchen, die von der Nadelspitze abgegeben werden, beeinflusst die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Volumina der gesammelten Fraktionen. Die Konzentration eines Analyten ändert sich typischerweise während der gesamten Dauer eines Fraktionssammelereignisses, und eine schlechte Volumenreproduzierbarkeit beeinträchtigt die Fraktionskonzentrationswiederholbarkeit deshalb nachteilig und resultiert in großen relativen Standardabweichungen (RSDs) für re-injizierte Fraktionen.
Idealerweise ist die Anzahl der Tröpfchen, die in einen Sammelbehälter abgegeben werden, gleich der Anzahl für jede Fraktionssammlung eines Analyten. Für manche Fraktionssammlungen wird eine Anzahl N von Tröpfchen gesammelt, während sich in anderen Fraktionssammlungen die Anzahl der gesammelten Tröpfchen um eins unterscheidet, so dass N – 1 oder N + 1 Tröpfchen gesammelt werden. Wenn das Volumen eines einzelnen Tröpfchens ein signifikanter Teil des gesamten Sammelvolumens der Fraktion ist, wird eine Änderung von einem Tröpfchen einen signifikanten Einfluss auf die Konzentration RSD haben.
Um das oben genannte Problem zu lösen, erzielen Ausführungsformen einer Dosiernadel für einen Fraktionssammler, wie nachstehend beschrieben, ein kleineres Tröpfchenvolumen. Folglich wird die Konzentrationsänderung, die mit fehlenden oder zusätzlichen Tröpfchen verbunden ist, reduziert. Da das Volumen eines jeden Tröpfchens reduziert wird, um sich Null zu nähern, geht die abgegebene Flüssigkeit von einer Folge von Tröpfchen in einen Strom über. Somit beeinflussen die gleichen Effekte, die die Größe der Tröpfchen beeinflussen, folglich auch den Übergangspunkt zwischen Tröpfchen und einem stetigen Strom bzw. Fluss. Verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen erlauben niedrige Flussraten unter Beibehaltung eines akzeptablen Druckabfalls durch die Dosiernadel. Einige nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen umfassen eine Leitung, in der die Querschnittsfläche des Fluidkanals in einer Nadelspitze an dem Ende der Leitung kleiner ist, als die Querschnittsfläche eines Fluidkanals in der Leitung. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit der von der Nadelspitze abgegebenen Flüssigkeit relativ zu der Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Leitung. Andere Ausführungsformen einer Dosiernadel umfassen eine Beschichtung, die die Haftung der Flüssigkeit an der Nadelspitze reduziert, um dadurch das Volumen eines jeden Tröpfchens, das auf der Außenfläche der Nadelspitze bleibt, reduziert.
4 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Dosiernadel 50 für einen Fraktionssammler. Nur ein Teil der Länge der Dosiernadel 50 ist gezeigt, da die Gesamtlänge etwa 48 cm (etwa 19 Zoll) beträgt. Die Dosiernadel 50 hat die Form einer Leitung 52 mit einer Nadelspitze 54, die an deren Abgabeende definiert ist. Beispielsweise kann die Leitung 52 ein flexibles zylindrisches Metallrohr sein. Das andere Ende der Dosiernadel 50 (nicht gezeigt) ist zur Kopplung an ein Umlenkventil ausgebildet (beispielsweise das Umlenkventil 30 in 2). Wie dargestellt, sind die Leitung 52 und die Nadelspitze 54 als ein singulärer integraler Körper ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform ist die Nadelspitze 54 als separates Teil hergestellt, das dann, beispielsweise durch ein Schweißverfahren, an der Leitung 52 befestigt wird. In einer Ausführungsform sind die Leitung 52 und die Nadelspitze 54 aus einer MP35N^®-Legierung geformt, die eine biokompatible, nicht-magnetische Nickel-Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung ist. In anderen Ausführungsformen werden die Leitung 52 und die Nadelspitze 54 aus anderen Materialien geformt, wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), Quarzglas oder einem anderen Glas, Keramik, Edelstahl, Titan, einer Titanlegierung oder einem anderen Metall.
Die Leitung 52 hat eine Innenwand, die einen axialen Fluidkanal 56 mit einem Durchmesser ϕ_T über den größten Teil oder über die gesamte Länge des Fluidkanals definiert. Die Nadelspitze 54 hat einen axialen Fluidkanal 58 mit einem Durchmesser ϕ_N über eine Länge L₁. Der Fluidkanaldurchmesser ϕ_T der Leitung 52 ist größer als der Fluidkanaldurchmesser ϕ_N an der Nadelspitze 54, und die Länge des Übergangs zwischen den beiden Durchmessern ϕ_N und ϕ_T tritt über eine Distanz ungleich Null auf, beispielsweise über 10 mm (0,40 Zoll) oder weniger. Die Außenfläche der Dosiernadel 50 hat einen konstanten Durchmesser ϕ_OD entlang ihrer Länge mit Ausnahme einer kurzen Distanz L₂, bezogen auf die Stirnfläche 60 der Nadelspitze 54. Die Außenfläche der Nadelspitze 54 hat eine Kegelstumpfform über die Länge L₂, entlang derer sich der Außenflächendurchmesser verjüngt, und zwar auf einen Minimalwert ϕ_TOD an der Stirnfläche 60.
Es können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, um die Dosiernadel 50 herzustellen. Zum Beispiel kann auf ein Stück eines flexiblen Metallrohrs mit einem Innendurchmesser ϕ_T ein Gesenkschmiedeprozess (swaging process) angewendet werden. In diesem Verfahren wird ein Endabschnitt des Rohrs gleichmäßig um dessen Umfang zusammengedrückt oder gequetscht, um das Rohr dauerhaft zu verformen und um den kleineren Durchmesser ϕ_N und die Querschnittsfläche des Fluidkanals 58 in der Nadelspitze 54 zu erzeugen. Die Länge des Rohrs kann als ein Ergebnis des Gesenkschmiedeprozesses leicht zunehmen. Nach Beendigung des Gesenkschmiedeprozesses wird ein Schleifvorgang durchgeführt, um die gewünschte kegelstumpfartige Form für die Außenfläche der Nadelspitze 54 zu erreichen. Im Allgemeinen nimmt die Menge des Rohrmaterials, die in dem Schleifprozess entfernt wird, mit Abstand von der Stirnfläche 60 ab. Als eine Alternative zu dem Schleifvorgang kann ein Metallätzprozess, wie Elektroätzen, verwendet werden, um die gewünschte Form der Außenfläche zu erhalten. Vorteile von Elektroätzen oder Elektroschleifen (electrosharpening) beinhalten die Fähigkeit, feinere Nadelspitzen zu produzieren als durch ein Formen mittels mechanischer Verfahren, wie Schleifen, wo Bearbeitungsspuren und Grate auf der Oberfläche auftreten können.
Vorteilhafterweise resultiert die kleinere Querschnittsfläche des Fluidkanals 58 in der Nadelspitze 54 in einem Anstieg der Lineargeschwindigkeit der von der Stirnfläche 60 abgegeben Flüssigkeit und in einer Volumenverringerung eines jeden Tröpfchens, das sich an der Stirnfläche 60 und dem benachbarten Abschnitt der kegelstumpfförmigen Fläche ausbilden kann. Abhängig von den jeweiligen Querschnittsflächen der Fluidkanäle 56 und 58 und der Flussrate und der Zusammensetzung der Flüssigkeit kann die Bildung von Tröpfchen an der Stirnfläche 60 verhindert werden. Die begrenzte axiale Länge L₁ des kleineren Fluidkanals 58 resultiert in einer niedrigeren Flüssigkeitsdruckerhöhung, was andernfalls für eine größere Länge möglich wäre, beispielsweise dadurch, indem man einfach den kleineren Durchmesser ϕ_N für die gesamte Länge der Dosiernadel 50 verwendet. Vorteilhafterweise ist die geringe Erhöhung des Fluiddrucks, die unter Verwendung des illustrierten Ausführungsbeispiels erfolgt, gemäß der Druckbeschränkungen, denen typische Umlenkventile unterliegen und die in der Größenordnung von 1,7 MPa (d.h. einige hundert PSI) sein können, akzeptabel.
Gemäß einer speziellen und zahlenmäßig nicht-einschränkenden Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser ϕ_OD der Leitung 52 0,63 mm (0,025 Zoll) und deren Innendurchmesser ϕ_T 0,18 mm (0,007 Zoll), und der Innendurchmesser ϕ_N der Nadelspitze 54 beträgt 0,08 mm (0,003 Zoll). Der Innendurchmesser ϕ_N der Nadelspitze 54 erstreckt sich axial über eine Länge L₁ von ungefähr 2,3 mm (0,090 Zoll). Die Außenfläche der Nadelspitze 54 hat einen Konuswinkel von ungefähr 4,7º und verjüngt sich über eine axiale Länge L₂ von etwa 2,8 mm (0,110 Zoll) auf einen Durchmesser ϕ_TOD von 0,18 mm (0,007 Zoll) an der Stirnfläche 60. In diesem Beispiel resultiert ein kleinerer Wert für die Querschnittsfläche des Fluidkanals 58 in der Nadelspitze 54 in einer Flüssigkeitsabgabegeschwindigkeit, die etwa das 5,4-fache der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in dem größeren Fluidkanal 56 beträgt. Zusätzlich präsentiert die kleine Fläche der Stirnfläche 60 eine reduzierte Oberfläche, an der ein Tröpfchen haften kann.
Die Querschnittsflächen müssen nicht kreisförmig sein. Beispielsweise können die Querschnitte der Fluidkanäle rechteckig sein oder andere Formen aufweisen. Ferner ist es für die Querschnittsflächen nicht erforderlich, konstant entlang der axialen Längen der Fluidkanäle zu sein, solange die durchschnittliche Querschnittsfläche des Fluidkanals in der Nadelspitze kleiner ist als die durchschnittliche Querschnittsfläche des Fluidkanals in der Leitung.
Hydrophobe Nadelbeschichtung
Bestimmte Ausführungsformen einer Dosiernadel beinhalten eine Beschichtung, die das Anhaften der Flüssigkeit an der Außenfläche der Nadelspitze, einschließlich der Stirnfläche, verringert. Die Beschichtung kann eine einzelne Schicht aus Beschichtungsmaterial sein, oder sie kann eine Kombination von zwei oder mehreren Beschichtungsschichten aus unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien sein. Somit reduziert sich das Volumen der Flüssigkeit und einer jedweden Zusammensetzung der gesammelten Fraktion, das auf der Außenseite der Dosiernadel in einem nicht gesammelten Tröpfchen verbleibt. Das Reduzieren der Wahrscheinlichkeit und des Volumens eines anhaftenden Tröpfchens führt zu einer Reduzierung der Kreuzkontamination der nächsten gesammelten Fraktion. Einige der Zusammensetzungen, die gesammelt werden, können eine natürliche Affinität für das Material der Dosiernadel haben. Die Beschichtung kann effektiv die Affinität dieser Zusammensetzungen reduzieren. Statt auf der Außenfläche zu haften, werden alle sich formenden Tröpfchen durch die Beschichtung abgestoßen und sind daher mehr geneigt, von der Nadelspitze in den Sammelbehälter zu fallen.
Um verlässlich die Tröpfchengröße an der Nadelspitze zu steuern, sollte die Beschichtung auf der Stirnseite, auf mindestens einem Abschnitt der Innenwand, der den Fluidkanal benachbart zu der Stirnfläche umgibt, und auf mindestens einem Abschnitt, der die Außenfläche der Nadelspitze, die benachbart zu der Stirnfläche ist oder in anstoßender Beziehung zu ihr steht, sein. Beispielsweise und unter Bezugnahme auf 5, die eine vergrößerte Ansicht der Ausführungsform einer Dosiernadel 50 ist, die in 4 gezeigt ist, ist eine Beschichtung (dargestellt als fettgedruckte Linie 62) zum Abstoßen eines Tröpfchens auf der Stirnfläche 60 angeordnet sowie auf einem Abschnitt der konischen Außenfläche 64 der Nadelspitze 54, der sich über eine Länge L₁ von der Stirnfläche 60 erstreckt, und entlang der Innenwand des Fluidkanals 58 über eine kurze Länge (beispielsweise L₂), die sich von der Stirnfläche 58 erstreckt. Das Aufbringen der Beschichtung kann auf ausgewählte Außenflächenbereiche beschränkt werden, indem Außenflächen, die nicht beschichtet werden sollen, vor dem Beschichtungsprozess abgedeckt werden. Die axiale Länge der Beschichtung 62 die auf der Wand des Fluidkanals 58 verbleibt, ist in der Praxis erheblich länger als veranschaulicht, da ein Abdecken der Fluidkanäle 56, 58 in der Regel nicht möglich ist, und in einigen Ausführungsformen kann die gesamte Länge der Innenwände der Fluidkanäle 56, 58 beschichtet sein. In alternativen Ausführungsformen wird keine Abdeckung während des Beschichtungsprozesses verwendet, und die meisten oder alle der Außenflächen der Leitung 52 und der Nadelspitze 54 sind beschichtet.
In manchen Ausführungsformen umfasst die Beschichtung mindestens eine Schicht aus einem hydrophoben Material, so dass polare Lösungsmittel abgestoßen werden. Das hydrophobe Beschichtungsmaterial kann ein Kohlenwasserstoff oder ein Fluorkohlenstoff sein, der kovalent an die Oberfläche der Dosiernadel bindet und der die Oberflächenbenetzbarkeitseigenschaften modifiziert.
In einer Ausführungsform wird die Oberfläche der Dosiernadel durch Aufbringen einer einzelnen Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) passiviert, beispielsweise unter Verwendung eines chemischen Gasphasenabscheideprozesses (CVD). Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Dicke einer DLC-Beschichtung geringer als 1 µm bis mehr als 10 µm sein. In einer alternativen Ausführungsform wird die Dosiernadel mit einer Doppelschicht aus verschiedenen hydrophoben Materialien passiviert, die ausgewählt werden, um nicht nur polare Lösungsmittel abzustoßen, sondern auch, um die Anhaftung von organischen Lösungsmitteln zu verringern. Die erste aufgebrachte Schicht, oder die untere Schicht, wird auf der Außennadelfläche aufgebracht und wird verwendet, um die Haftung der zweiten aufgebrachten Schicht, oder oberen Schicht, zu fördern. Die Dicke der ersten aufgebrachten (unteren) Schicht kann ausgewählt werden, um die Oberflächeneigenschaften der Nadel von der zweiten aufgebrachten (oberen) Schicht, die mehr hydrophob ist, abzudecken. Die zweite Schicht ist vorzugsweise dünner als die erste Schicht, und kann nur wenige Moleküle dick sein.
In einem bevorzugten Verfahren wird die Beschichtung unter Verwendung eines molekularen Gasphasenabscheidungs-Beschichtungswerkzeugs (MVD^®) aufgebracht, wie beispielsweise das Beschichtungssystem Modell Nr. MVD100E von Applied Microstructures, Inc. aus San Jose, CA. Der MVD Prozess ermöglicht einem Material aus einer organischen Molekülschicht, kovalent an die Fläche der Dosiernadel gebunden zu werden. Die aufgebrachte Beschichtung kann eine selbstorganisierende Monoschicht (self-assembled Monolayer (SAM)) sein. Die SAM kann auf Molekülen basieren, die eine ausreichend lange Kohlenstoffkettenlänge (beispielsweise C6 oder größer) aufweisen, um die Fläche abzudecken, im Sinne der Fähigkeit der Fläche, mit Analyten in der Flüssigkeit zu reagieren, die durch die Nadel fließen und von ihr abgegeben werden. Gleichzeitig sollte die Kohlenstoffkettenlänge der SAM kleiner sein als die Kohlenstoffkettenlänge der Fläche der stationären Phase in der chromatographischen Säule, um sicherzustellen, dass ein Lösungsmittel, das ausreichend ist, um den Analyten aus der Chromatographiesäule freizusetzen, die Retention des Analyten verhindert, wenn er durch die Nadel passiert und von ihr abgegeben wird. Verschiedene Anliegen, wie Precursor-Stabilität, können die bevorzugte Verknüpfungschemie (z.B. monopodaler oder bipodaler Anhang (monopodal or bipodal attachment)) bestimmen, die benutzt wird, solange die SAM-Orientierung des Gesamtmolekulargrundgerüstes erreicht wird. In einer Ausführungsform ist die SAM mit Kohlenwasserstoff gebildet, der eine C10-Kettenlänge hat.
Dosiernadel-Evaluierung
Eine Reihe von Tests wurde durchgeführt, um die Größe der Tröpfchen zu bestimmen, die von verschiedenen Konfigurationen von Dosiernadeln gebildet und abgegeben werden. Die Messungen wurden durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Tröpfchenvolumen, einschließlich der Lösungsmittelzusammensetzung, Flussrate, Nadelspitzengeometrie und Nadelbeschichtungen zu evaluieren. Der Flusspfad für die Tests wurde durch einen Acquity^® Binary Solvent Manager (BSM) definiert (erhältlich von Waters Corporation, Milford, Massachusetts), der mit einer 2,1 mm × 50 mm als Flussdrossel wirkenden Chromatographiesäule gekoppelt war, die wiederum an die evaluierende Dosiernadel gekoppelt war. Die für den Test verwendeten Flussraten reichten von 0,1 ml/min bis 1,0 ml/min in Inkrementen von 0,1 ml/min. Lösungsmittelzusammensetzungen, die in Tests als mobile Phase verwendet wurden, waren von 0% bis 100% Acetonitril (ACN) in Wasser in Inkrementen von 10%.
Tabelle 1 gibt die neun verschiedenen Dosiernadeln an, die evaluiert wurden, und die entsprechenden Nadelspitzeninnendurchmesser (ID) in Zoll, Spitzenverjüngungswinkel, gemessen von der Nadelspitzenachse, und die Oberflächenbeschichtung für jede Dosiernadel. Durch ein entsprechendes Bezugszeichen wird jede Dosiernadel nachstehend durch eine entsprechende Referenz (Buchstaben A bis I) identifiziert.
Die zuerst angegebene Dosiernadel A ist aus Edelstahl gebildet und weist einen Innendurchmesser von 0,010 Zoll auf. Im Unterschied zu den anderen Dosiernadeln ist die Spitze der Dosiernadel A nicht kegelförmig oder konisch. Das Material für die Dosiernadel B ist ein Polyetheretherketon (PEEK). 6A zeigt, dass die Nadelspitze einen 15º-Konus und eine Schräge von 45° aufweist. 6B zeigt die Nadelspitze der 6A 90º um ihre Längsachse gedreht.

Die anderen Dosiernadeln C bis I sind aus einer MP35N^®-Legierung hergestellt, die eine biokompatible, nicht-magnetische Nickel-Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung ist. 7 zeigt die Nadelspitze für die Dosiernadeln C und D, und 8 zeigt die Nadelspitze für die Dosiernadeln E, F und G. Die Nadelspitzen der Dosiernadeln H und I sind unter Bezugnahme auf 4 zu ersehen.

	DOSIERNADEL BESCHREIBUNG	SPITZEN ID (Zoll)	SPITZENVERJÜNGUNGSWINKEL	BESCHICHTUNG
A	WFCIII Rohr, 0,010" ID	0,010	keine	keine
B	I-Class 10 µL PEEK-Nadel	0,007	15° (45° Schräge)	keine
C	Bio-FTN 15 µL MP35N-Nadel	0,005	6,7°	keine
D	FTN 15 µL SS-Nadel mit DLC-Beschichtung	0,005	6,7°	DLC
E	MP35N FMA-Nadel, kurze Verjüngung	0,007	9,0°	keine
F	MP35N FMA-Nadel, kurze Verjüngung mit B1-Beschichtung	0,007	9,0°	B1
G	MP35N FMA-Nadel, kurze Verjüngung mit B1/B7-Beschichtung	0,007	9,0°	B1/B7
H	Gestauchte Spitze MP35N FMA	0,003	4,7°	keine
I	Gestauchte Spitze MP35N FMA mit B1/B7-Beschichtung	0,003	4,7°	B1/B7

9 zeigt graphisch die Beziehung zwischen Tröpfchenvolumen und der Lösungsmittelzusammensetzung für die unbeschichteten Dosiernadeln A, B, C, E und H, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die Acetonitrilkonzentration hat eine beobachtbare Wirkung auf das Tröpfchenvolumen. Der Effekt ist bei niedrigeren Konzentrationen von Acetonitril am meisten ausgeprägt. Die gestauchte Nadelspitze (H) weist keine erheblich Empfindlichkeit gegenüber der Konzentration von Acetonitril auf. Die Flussrate des Lösungsmittels betrug 0,5 ml/min, bis auf die der gestauchten Nadelspitze, die mit einer Flussrate von 0,3 ml/min getestet wurde. Bei einer Flussrate von 0,5 ml/min (bei 50% Acetonitril) gab die gestauchte Nadelspitze keine Tröpfchen ab, sondern vielmehr einen Lösungsmittelstrom.
10 ist eine graphische Darstellung des Tröpfchenvolumens, und zwar bestimmt als Funktion der Flussrate für vier verschiedene unbeschichtete Dosiernadeln A, B, E und H. Alle vier Dosiernadeln zeigten mit Zunahme der Flussrate eine leichte Abnahme des Tröpfchenvolumens. Das Tröpfchenvolumen der gestauchten Nadelspitze (H) nimmt mit zunehmender Flussrate ab und ist unabhängig von der Flussrate niedriger als das Tröpfchenvolumen von jeder der drei anderen Dosiernadeln. Bei einer Flussrate von ungefähr 0,50 ml/min beobachtet man bei der gestauchten Spitze der Dosiernadel einen Übergang von Tröpfchen in einen Strom, während man bei den anderen Dosiernadeln beobachtet, dass Tröpfchen bis zur höchsten Testflussrate von 1,0 ml/min abgeschieden wurden.
Die Wirkung einer diamantartigen Beschichtung (DLC) wurde evaluiert, um ihre Wirkung auf das Tröpfchenvolumen als Funktion der Acetonitrilkonzentration zu bestimmen. Die Ergebnisse der Evaluierung für eine unbeschichtete und beschichtete Version derselben Art von Dosiernadel, C bzw. D sind in 11 gezeigt. Die DLC beschichtete Dosiernadel zeigt ein reduziertes Tröpfchenvolumen über den gesamten Bereich der Acetonitrilkonzentration, wenn auch die Verbesserung im Allgemeinen bei niedrigeren Prozentsätzen der Acetonitrilkonzentration mehr ausgeprägt ist.
12 zeigt das Tröpfchenvolumen, das entsprechend der Acetonitrilkonzentration für fünf verschiedene Dosiernadeln bestimmt wurde. Zwei der Nadeln E und H waren unbeschichtet, eine Nadel F hatte eine einzige Schicht einer moderat-hydrophoben Beschichtung B1, und zwei Nadeln G und I hatten eine zweilagige B1/B7-Beschichtung, und zwar aus einem ersten aufgebrachten hydrophoben Material B1 und einer nachfolgend aufgebrachten Schicht aus einem unterschiedlichen hydrophoben Material B7.
Sowohl die einlagige Beschichtung B1 wie auch die zweilagige Beschichtung B1/B7 wurden bei einer Prozesstemperatur von etwa 35ºC auf die Innenfläche der Dosiernadel (d.h. der Wand des Fluidkanals) und die Außenflächen aufgebracht.
Die Tröpfchenvolumina für die gestauchten Nadelspitzen H und I waren über den gesamten Bereich der Acetonitrilkonzentration immer kleiner als die Tröpfchenvolumina der unbeschichteten MP35N FMA-Nadel E ohne Beschichtung und der mit B1 beschichteten Nadel F. Die MP35N-Nadel mit der dualen B1/B7-Beschichtung hatte auch ein geringeres Tröpfchenvolumen gegenüber den E- und F-Nadeln, außer bei einer etwaigen 100% Acetonitrilkonzentration.
13 ist eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Tröpfchenvolumens als eine Funktion der Flussrate für die gleichen Dosiernadeln wie diejenigen, die gemäß 12 evaluiert wurden. Die Messungen wurden bei einer Acetonitrilkonzentration von 50% durchgeführt. Obwohl die Nadeln E und F eine Abnahme des Tröpfchenvolumens mit zunehmender Flussrate zeigen, liegen beiden Nadeln deutlich über den Tröpfchenvolumina der drei anderen Nadeln G, H und I. Die gestauchten Nadelspitzen zeigen kein Tröpfchenvolumen für die höheren Flussraten, da die Tröpfchen bei einer Flussrate von etwa 0,5 ml/min in einen Strom übergehen.
Aus den oben beschriebenen und durch die 9 bis 13 charakterisierten Messergebnissen kann man ersehen, dass die unbeschichtete gestauchte Spitze der Dosiernadel H kleinere Tröpfchen erzielte als die anderen getesteten unbeschichteten Dosiernadeln. Unter einer Vielzahl von Bedingungen betrug das Tröpfchenvolumen etwa 5 µl oder weniger. Die Beschichtung der Dosiernadel mit gestauchter Spitze mit einer zweilagigen B1/B7-Beschichtung ergab noch kleinere Tröpfchenvolumina, die für bestimmte Flussraten und Lösungsmittelzusammensetzungen Tröpfchenvolumina von weniger als 3 µl ergaben.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurde, wird es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen wiedergegeben sind.

Claims

Dosiernadel für einen Fraktionssammler, umfassend: eine Leitung mit einem Fluidkanal, um einen chromatographischen Fluss zu führen, eine Innenwand, die den Fluidkanal definiert, eine Außenfläche und eine Stirnfläche, durch die der chromatographische Fluss abgegeben wird; und eine Beschichtung aus einem Kohlenwasserstoffmaterial, das kovalent an die Stirnfläche gebunden ist, an mindestens einen Abschnitt der Außenfläche und an mindestens einen Abschnitt der Innenwand, wobei die Abschnitte der Außenfläche und der Innenwand angrenzend der Stirnfläche sind, und wobei die Beschichtung aus einem Kohlenwasserstoffmaterial dazu dient, um ein Tröpfchenvolumen einer Flüssigkeit, das von der Stirnfläche abgegeben wird, zu reduzieren.
Dosiernadel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus einem Kohlenwasserstoffmaterial eine sich selbstorganisierende Monoschicht eines Kohlenwasserstoffmaterials ist.
Dosiernadel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus einem Kohlenwasserstoffmaterial durch einen monopodalen Anhang gebunden wird.
Dosiernadel nach Anspruch 1, wobei das Kohlenwasserstoffmaterial eine Kohlenstoffkettenlänge von mindestens sechs aufweist.
Dosiernadel nach Anspruch 1, wobei das Kohlenwasserstoffmaterial eine Kohlenstoffkettenlänge aufweist, die geringer ist als die Kohlenstoffkettenlänge einer stationären Phase in dem chromatographischen Fluss.
Dosiernadel nach Anspruch 1, wobei die Leitung eine Nadelspitze umfasst, die an einem Abgabeende der Leitung ausgebildet ist, und wobei die Stirnfläche an der Nadelspitze angeordnet ist.
Dosiernadel nach Anspruch 1, die ferner eine Nadelspitze umfasst, die an einem Abgabeende der Leitung befestigt ist, und wobei die Stirnfläche auf der Nadelspitze angeordnet ist.
Dosiernadel nach Anspruch 1, wobei die Leitung aus einem Metall, einer Keramik oder einem Glas gebildet ist.
Dosiernadel nach Anspruch 8, wobei die Leitung aus Titan, einer Titanlegierung oder Quarzglas gebildet ist.
Dosiernadel für einen Fraktionssammler, umfassend: eine Leitung mit einem Fluidkanal, um einen chromatographischen Fluss zu führen, eine Innenwand, die den Fluidkanal definiert, eine Außenfläche und eine Stirnfläche, durch die der chromatographische Fluss abgegeben wird; und eine Beschichtung aus einem Fluorkohlenstoffmaterial, das kovalent an die Stirnfläche gebunden ist, an mindestens einen Abschnitt der Außenfläche und an mindestens einen Abschnitt der Innenwand, wobei die Abschnitte der Außenfläche und der Innenwand angrenzend der Stirnfläche sind, und wobei die Beschichtung aus einem Fluorkohlenstoffmaterial dazu dient, um ein Tröpfchenvolumen einer Flüssigkeit, das von der Stirnfläche abgegeben wird, zu reduzieren.
Dosiernadel nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung aus einem Fluorkohlenstoffmaterial eine sich selbstorganisierende Monoschicht aus einem Fluorkohlenstoffmaterial ist.
Dosiernadel nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung aus einem Fluorkohlenstoffmaterial durch einen monopodalen Anhang gebunden wird.
Dosiernadel nach Anspruch 10, wobei das Fluorkohlenstoffmaterial eine Kohlenstoffkettenlänge von mindestens sechs aufweist.
Dosiernadel nach Anspruch 10, wobei das Fluorkohlenstoffmaterial eine Kohlenstoffkettenlänge aufweist, die geringer ist als die Kohlenstoffkettenlänge einer stationären Phase in dem chromatographischen Fluss.
Dosiernadel nach Anspruch 10, wobei die Leitung eine Nadelspitze umfasst, die an einem Abgabeende der Leitung ausgebildet wird, und wobei die Stirnfläche auf der Nadelspitze angeordnet ist.
Dosiernadel nach Anspruch 10, die ferner eine Nadelspitze umfasst, die an einem Abgabeende der Leitung angebracht ist, und wobei die Stirnfläche auf der Nadelspitze angeordnet ist.
Dosiernadel nach Anspruch 10, wobei die Leitung aus einem Metall, einer Keramik oder einem Glas gebildet ist.
Dosiernadel nach Anspruch 17, wobei die Leitung aus Titan, einer Titanlegierung oder Quarzglas gebildet ist.