DE112004002321B4

DE112004002321B4 - Vorrichtung zum Ausbilden einer Gradientenzusammensetzung in einem Kapillarsystem sowie Vorrichtung zum Messen von Flussraten einer Flüssigkeit in einem Kapillarsystem

Info

Publication number: DE112004002321B4
Application number: DE112004002321.1T
Authority: DE
Inventors: Geoff C. Gerhardt; Joseph A. Luongo; Keith Fadgen
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: GB2425070B; GB0612488D0; JP2007513338A; US7186336B2; JP4949039B2; WO2005053813A1; DE112004002321T5; US20050109698A1; GB2425070A

Abstract

Vorrichtung zum Ausbilden einer Gradientenzusammensetzung in einem Kapillarsystem (25), umfassend:einen ersten Flusspfad (10) mit einer ersten Pumpe (26) in fluider Kommunikation mit einem ersten Flussteiler (12), wobei der erste Flussteiler (12) in fluider Kommunikation mit einer ersten Drossel (29) steht, die betriebsfähig in einem ersten Drosselflusspfad (16) angeordnet ist, sowie einen ersten Sensorflusspfad mit einem ersten Sensor (18), der betriebsfähig innerhalb des Sensorflusspfads angeordnet ist, wobei der erste Sensor (18) ausgestaltet ist, Flussraten der Flüssigkeit in dem ersten Sensorflusspfad zu messen, um ein erstes Flusssignal zu erzeugen und wobei die erste Drossel (29) eine ausgewählte Permeabilität aufweist, die eine erste Flussrate erzeugt;einen zweiten Flusspfad mit einer zweiten Pumpe in fluider Kommunikation mit einem zweiten Flussteiler, wobei der zweite Flussteiler in fluider Kommunikation mit einer zweiten Drossel steht, die betriebsfähig in einem zweiten Drosselflusspfad angeordnet ist, sowie einen zweiten Sensorflusspfad mit einem zweiten Sensor, der betriebsfähig in dem zweiten Sensorflusspfad angeordnet ist, wobei der zweite Sensor ausgestaltet ist, Flussraten der Flüssigkeit in dem zweiten Sensorflusspfad zu messen, um ein zweites Flusssignal zu erzeugen und wobei die zweite Drossel eine ausgewählte Permeabilität aufweist, um eine zweite Flussrate zu erzeugen; undMittel zum Steuern des Flusses in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/851,497, die am 21. Mai 2004 angemeldet worden ist, sowie der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/723,973 in Anspruch, die am 26. November 2003 angemeldet worden ist. Auf diese Anmeldungen wird hiermit Bezug genommen.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Flusssensorverfahren bzw. ein Flussdetektionsverfahren sowie eine Vorrichtung und insbesondere ein Flusssensorverfahren sowie eine Vorrichtung, die dazu verwendet werden, um zu überwachen und eine Rückmeldung an ein Pumpensystem mit einem verzweigten Fluss zu liefern, was die Förderung eines stabilen Flusses zu einem chromatographischen System im Nanobereich unter Verwendung einer chromatographischen Pumpe im Mikrobereich oder im Normalbereich ermöglicht.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Kolben-Verdrängungspumpsysteme werden erfolgreich dazu verwendet, stabile, genaue Flüsse in der Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (high performance liquid chromatography; HPLC) im Normalbereich und im Mikrobereich zu fördern. Während die HPLC im Normalbereich mit Flussraten der mobilen Phase von etwa 0,1-5,0 ml/min durchgeführt wird und die HPLC im Mikrobereich mit Flussraten der mobilen Phase von etwa 1-100 µl/min durchgeführt wird, sind bei der HPLC im Nanobereich Flussraten der mobilen Phase im Bereich von 50-500 nl/min erforderlich. Kolben-Verdrängungspumpsysteme können HPLC-Flussraten im Nanobereich nicht verlässlich und genau fördern.
Ein Verfahren zum Bereitstellen von Flussraten im Nanobereich in einem HPLC-System besteht darin, einen Flussteiler zu verwenden, der einen Großteil des Flusses von der Pumpe zu einem Abfallstrom leitet und einen kleinen Teil des Pumpenausgangs zu dem HPLC-Arbeitsstrom (d.h. zu der Flüssigkeitschromatographiesäule) leitet. Eine Trenndrossel (split restrictor) in dem Abfallstrom und/oder dem Arbeitsstrom steuert das Trennverhältnis des Systems. HPLC-Pumpen für den Normalbereich oder den Mikrobereich können in dem Trennflussmodus verwendet werden, um HPLC-Flussraten im Nanobereich in dem Arbeitsstrom zu erzeugen.
Um ein HPLC-System in einem Trennflussmodus zu betreiben, muss der Benutzer das Trennverhältnis des Systems berechnen. Um das Trennverhältnis zu berechnen, muss der Benutzer die Permeabilitäten bzw. Durchlässigkeiten sowohl der Trenndrossel als auch des chromatographischen Systems (d.h. der gepackten Säule) kennen. Diese Permeabilitäten werden verwendet, um die Flussrate zu berechnen, die von der HPLC-Pumpe für den Normalbereich oder den Mikrobereich geliefert werden muss, um den erwünschten Fluss durch das chromatographische System zu erzeugen. Obgleich es möglich ist, die Abmessungen der Trenndrossel zu berechnen, die ein gewünschtes Trennverhältnis bereitstellen sollte, bewirken Veränderungen der Permeabilität entweder der Trenndrossel oder der chromatographischen Säule im Laufe der Zeit unvorhersehbare Änderungen des Trennverhältnisses. Derartige Veränderungen führen zu nicht akzeptablen Flussveränderungen entlang der chromatographischen Säule.
Eine mögliche Lösung des Problems sich ändernder Trennverhältnisse besteht darin, den Fluss zu der chromatographischen Säule mit einem geeigneten Flusssensor zu überwachen. Fluidflussraten können bestimmt werden, indem der Druck einer Flüssigkeit gemessen wird, die durch eine Drossel fließt. Unter der Annahme einer konstanten Viskosität skaliert der Gegendruck der Flüssigkeit, die durch eine Drossel fließt, linear mit der Flussrate der Flüssigkeit. Die Flussrate wird gemessen, indem ein Druckwandler vor eine Drossel und hinter diese „inline“ in dem Strom angeordnet wird. Signale von den Druckwandlern werden elektronisch subtrahiert und verstärkt, um ein hohes Maß von Gleichtakt-Rauschunterdrückung (commonmode noise rejection) zu erreichen.
Die Permeabilität der Drossel wird derart gewählt, dass diese einen hinreichenden Gegendruck bereitstellt, um ein messbares Druckdifferenzsignal (ΔP) in den interessanten Flussbereichen zu erzeugen, wobei diese jedoch keinen bedeutenden Gegendruck hinsichtlich der Pumpe erzeugt.
Beispielsweise erzeugt eine 10 cm lange Kapillare, die einen Innendurchmesser von 25 µm aufweist, einen Gegendruck von etwa 100 Pfund pro Quadratzoll (pounds per square inch; psi) bei Wasser, das mit einer Flussrate von 5 µl/min fließt. Diese Permeabilität ist dazu ausreichend, eine Flussmessung zu liefern, während keine große fluidische Belastung auf die Pumpe ausgeübt wird.
Druckmess-Flusssensoren müssen jedoch kalibriert werden, um die unterschiedliche Viskosität von jedem gemessenen Fluid zu kompensieren bzw. zu berücksichtigen. Dies führt zu einem großen Nachteil bei Flüssigkeitschromatographie-Anwendungen, bei denen sich die Fluidzusammensetzung im Laufe eines Chromatographielaufs dramatisch ändert.
Ein weiteres Verfahren, das verwendet werden kann, um Fluidfluss zu detektieren, ist thermale Flussdetektion. Mehrere Firmen, einschließlich der Sensirion AG, Zürich, Schweiz, und Bronkhorst Nijverheidsstraat, Ruurlo, Niederlande, haben thermale Flusssensoren bzw. Flusssensoren des Thermaltyps entwickelt, die dazu geeignet sind, Flüsse in nl/min-Bereichen zu überwachen bzw. zu verfolgen.
Der Betrieb dieser thermischen Flusssensoren wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Wärme, die in eine mit Flüssigkeit gefüllte Röhre bzw. in einen mit Flüssigkeit gefüllten Kanal eingebracht wird, verteilt sich sowohl in Richtung stromabwärts als auch stromaufwärts (und zwar aufgrund der thermischen Wärmeleitung bzw. der thermischen Diffusion). Die Röhre der Flusssensorvorrichtung besteht aus Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit (d.h. Glas, Kunststoff). Ein Temperaturprofil, das der in 1 dargestellten Kurve „A“ ähnelt, entwickelt sich, wenn ein diskreter Teil des Fluids in der Röhre kontinuierlich erwärmt wird, und zwar wenn kein Fluss vorhanden ist (zero flow condition). Die Form dieses Temperaturprofils hängt von der Menge der zu dem Fluid hinzugefügten Wärme und den Temperaturen der Flüssigkeit stromaufwärts und stromabwärts ab. Unter der Annahme identischer Fluidtemperaturen stromaufwärts und stromabwärts sind die Flüssigkeitstemperaturen, die bei P₁ und P₂ gemessen werden, in einem Zustand, in dem kein Fluss vorhanden ist, identisch, da die thermische Diffusion in beide Richtungen gleich ist.
Wenn es der Flüssigkeit in der Röhre ermöglicht wird, zu fließen, dann hängen die Fluidtemperaturen bei P₁ und P₂ von der Rate des Flüssigkeitsflusses und der resultierenden Wärmekonvektion ab. Wenn die Flüssigkeit damit beginnt, entlang der erwärmten Zone zu fließen, dann wird sich ein Temperaturprofil entwickeln, das der in 1 dargestellten Kurve B ähnelt. Zusätzlich zu der symmetrischen Diffusion der Wärme erfolgt eine asymmetrische Konvektion des erwärmten Fluids in der Richtung des Fluidflusses. Daher sind unter Fließbedingungen die Temperaturen, die bei P₁ und P₂ gemessen werden, unterschiedlich.
Temperaturmessungen, die bei P₁ und P₂ durchgeführt werden, werden gesampelt, subtrahiert und elektronisch in situ verstärkt, um ein hohes Maß an Gleichtakt-Rauschunterdrückung bereitzustellen. Dies ermöglicht die Unterscheidung von sehr kleinen Unterschieden zwischen der Temperatur stromaufwärts und stromabwärts. Durch die geeignete Anordnung von Temperaturmesssonden (d.h. P₁ und P₂) und/oder durch die Änderung der Wärmemenge, die der fließenden Flüssigkeit hinzugefügt wird, kann die Temperaturmessung bei Wendepunkten (inflection points) entlang des Temperaturprofils vorgenommen werden. Die Messung bei den Wendepunkten maximiert die ΔT-Antwort auf Flussratenänderungen stromaufwärts/ stromabwärts.
Der dynamische Bereich der thermischen Flusserfassung bzw. Flussdetektion wird durch die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Temperaturmessinstrumente beschränkt. Die Wärmeübertragung mittels Diffusion in dem Fluid und die Wärmeübertragung zu den Röhrenwänden erfolgt unter niedrigen Fluidflussbedingungen (d.h. <500 nl/min in Röhren/Kanälen mit Abmessungen <100 µm) sehr rasch. Daher ist eine genaue Messung der Temperatur nahe dem Punkt der Wärmehinzufügung erforderlich. Der obere dynamische Bereich wird durch den dynamischen Bereich der Temperatursensoren und durch die Wärmemenge beschränkt, die der fließenden Flüssigkeit hinzugefügt werden kann.
Jedoch müssen wie beim Druckmessen Flusssensoren kalibriert werden, um die unterschiedlichen Viskositäten von jedem gemessenen Fluid zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren. Thermische Flusssensoren müssen ebenso kalibriert werden. Dies führt zu einem großen Nachteil bei Flüssigkeitschromatographieanwendungen, bei denen sich die Fluidzusammensetzung im Verlauf eines Chromatographielaufs dramatisch ändert.
Die EP 1 324 033 A1 betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Volumenströmen von Fluiden in kleinen Durchflussquerschnitte aufweisenden Kanälen, respektive Kapillaren, insbesondere chromatographischen Trennsäulen, für die analytische Flüssigkeitsmesstechnik, wobei eine Vorrichtung zum Fördern eines Volumenstroms eines Fluids durch einen Arbeitskanal und durch eine Druckmessvorrichtung zum Messen des Drucks in dem Arbeitskanal vorgesehen ist.
Aus der DE 199 14 358 A1 ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Volumenströmen von Flüssigkeiten in Kapillaren bekannt, mit einer Fördervorrichtung zur Förderung eines Gesamtstroms und einem Stromteiler zur Teilung des Gesamtstroms in einen Überschussstrom in einem Überschusspfad und einem Arbeitsstrom in einem Arbeitspfad.
Die DE 691 20 386 T2 betrifft einen Mikrofluss-Prozessor für die Umwandlung herkömmlicher Flussraten von ml/min in Mikroflussraten von µl/min in Mikroseparationsverfahren, mit einer Mischvorrichtung, einer nachfolgenden Aufteilvorrichtung und einer oder mehreren Drosseln, die direkt in die Aufteilungsvorrichtung eingesetzt sein können, um Totalvolumina zu minimieren und Aufteilungsverhältnisse zu erreichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und zum Steuern der Flussrate von Fluid im Nanobereich in dem Arbeitsflusspfad eines HPLC-Systems bereit, ohne komplexe Kalibrierungsroutinen zu benötigen, um Lösungsmittel-Zusammensetzungsgradienten zu kompensieren, die üblicherweise in der HPLC verwendet werden. Ein Hauptflusssensor ist in dem Hauptflusspfad zwischen der Pumpe und einem Flussteiler angeordnet. Ein zweiter Flusssensor ist entweder in dem Abfallflusspfad stromabwärts des Teilers oder in dem Arbeitsflusspfad angeordnet. Wenn der zweite Flusssensor in dem Abfallflusspfad angeordnet ist, dann wird das Ausgangssignal des zweiten Flusssensors von dem Ausgangssignal des Hauptflusssensors in einer Differenzschaltung bzw. Differenzelektronik subtrahiert, um ein indirektes Maß für den Fluss durch den Arbeitsflusspfad zu erhalten. Wenn der zweite Flusssensor in dem Arbeitsflusspfad angeordnet ist, dann wird der Fluss durch den Arbeitsflusspfad direkt gemessen. In beiden Fällen wird der Fluss, der von dem Hauptflusssensor gemessen wird (d.h. der Eingangsfluss in das System), durch den Fluss geteilt, der in dem Arbeitsflusspfad gemessen wird (d.h. der Fluss, der indirekt durch die Messung des Flusses durch den Arbeitsflusspfad gemessen wird, oder der Fluss, der direkt durch einen Flusssensor in dem Arbeitsflusspfad gemessen wird), und zwar in einer Teilerschaltung bzw. Teilerelektronik. Der Ausgang der Teilerschaltung stellt ein empirisches Trennverhältnis des Flussteilers dar und ist unabhängig von der Zusammensetzung der Medien und der Systempermeabilität. Das Ausgangssignal der Teilerschaltung kann optional an eine Steuerschaltung zurückgeführt werden, um die Abfallstromflussrate auf einen gewünschten Wert zu verstellen, indem beispielsweise eine verstellbare Drossel in dem Abfallflusspfad gesteuert wird oder die Pumpenflussrate verstellt wird, um einen gewünschten Fluss in dem Arbeitsflusspfad zu erhalten. Die gesteuerten Flussraten basieren somit auf einem gemessenen Flussverhältnis.
Thermale Flusssensoren oder Druckmesssensoren, wie diese vorstehend beschrieben worden sind, können als Flusssensoren stromaufwärts, Abfallstromflusssensoren oder Arbeitsstromflusssensoren mit einer hohen Genauigkeit und Präzision verwendet werden. Wenn der Flusssensor in dem Arbeitspfad verwendet wird, um eine akzeptable Genauigkeit und Präzision zu erhalten, dann wird ein Sensor mit einer zu dem Hauptflusssensor unterschiedlichen Skalierung verwendet (d.h. für einen druckbasierten Flusssensor wird eine weniger permeable Drossel verwendet, um einen messbaren Druckabfall bei Flussraten im Nanobereich zu erzeugen; bei einem thermalen Flusssensor wird die thermische Masse des Sensorelements skaliert, um eine Messung von Flussraten im Nanobereich zu ermöglichen).
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Messen von Flussraten einer Flüssigkeit in einem Kapillarsystem. Ein Hauptflusspfad befördert Flüssigkeit zu einem Flussteiler. Ein Arbeitsflusspfad befördert ein en Teil der Flüssigkeit von dem Flussteiler gemäß einem Trennverhältnis des Flussteilers. Ein Abfallflusspfad befördert den übrigen Teil der Flüssigkeit von dem Flussteiler. Ein Hauptflusssensor ist betriebsfähig mit dem Hauptflusspfad angeordnet und ausgestaltet, um volumetrische Flussraten der Flüssigkeit in dem Hauptflusspfad zu messen. Ein Abfallflusssensor ist betriebsfähig in dem Abfallflusspfad angeordnet und ausgestaltet, um volumetrische Flussraten der Flüssigkeit in dem Abfallflusspfad zu messen. Eine Subtraktionseinheit empfängt ein Hauptflusssignal von dem Hauptflusssensor und ein Abflusssignal von dem Abfallflusssensor. Die Subtraktionseinheit ist ausgestaltet, ein Differenzsignal bereitzustellen, das die Differenz zwischen dem Hauptflusssignal und dem Abfallflusssignal repräsentiert. Eine Teilvorrichtung bzw. ein Teiler empfängt das Differenzsignal und das Hauptflusssignal. Der Teiler ist ausgestaltet, ein Quotientensignal bereitzustellen, das das Trennverhältnis des Flussteilers repräsentiert.
In einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Kapillarsystem um ein Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System (high pressure liquid chromatography system; HPLC-System) mit Arbeitsstromflussraten im Nanobereich. Die Subtraktionseinheit bzw. der Subtraktor ist üblicherweise als eine elektronische Subtraktionsschaltung implementiert und der Teiler ist üblicherweise als eine elektronische Teilerschaltung implementiert. Das Quotientensignal ist unabhängig von der Lösungsmittelzusammensetzung.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Hauptflusssensor und dem Abfallflusssensor um Flusssensoren des thermalen Typs. Flusssensoren des thermalen Typs umfassen Mittel zum Einbringen von Wärme in einen Flusspfad und Mittel zum Messen der Temperatur (d.h. Temperatursensoren) von Flüssigkeit in dem Flusspfad stromaufwärts und stromabwärts des Punkts, an dem die Wärme eingebracht wird. Die Flusssensoren des thermalen Typs umfassen außerdem Mittel, wie beispielsweise eine nachstehend beschriebene thermale Flussberechnungseinheit, zum Berechnen der volumetrischen Flussrate von Flüssigkeit in dem Flusspfad gemäß Unterschieden zwischen den Temperaturen stromaufwärts und stromabwärts in dem Flusspfad.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Hauptflusssensor und dem Abfallflusssensor um Flusssensoren des Drucktyps. Flusssensoren des Drucktyps umfassen Drosselmittel, die in einem Flusspfad angeordnet sind, sowie Mittel zum Messen des Fluiddrucks stromaufwärts und stromabwärts der Drosselmittel Die Flusssensoren des Drucktyps umfassen außerdem Mittel zum Berechnen der volumetrischen Flussrate von Flüssigkeit in dem Flusspfad gemäß der Differenz zwischen dem Druck, der stromaufwärts der Drossel gemessen wird, und dem Druck, der stromabwärts der Drosselmittel gemessen wird. Die Mittel zum Berechnen der volumetrischen Flussrate von Flüssigkeit können beispielsweise Subtraktionsmittel umfassen, die implementiert sind, um die Differenz hinsichtlich des Drucks (d.h. Druckabfall) zu liefern, der stromaufwärts und stromabwärts von einem Drosselmittel gemessen wird. Alternativ kann praktisch irgendein elektronisches Computermittel implementiert werden, um die Flüssigkeitsflussrate als eine Funktion des Druckabfalls entlang eines Drosselmittels zu bestimmen.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Steuereinheit, die das Quotientensignal von dem Teiler empfängt. Die Steuereinheit ist ausgestaltet, die Flüssigkeitsflussrate in dem Arbeitsflusspfad in Reaktion auf das Quotientensignal zu verstellen. In wenigstens einer Ausführungsform umfasst das System eine variable Abfallpfaddrossel, die betriebsfähig in dem Abfallflusspfad angeordnet ist. Die variable Abfallpfaddrossel reagiert auf ein Signal von der Steuereinheit, um die Flüssigkeitsflussrate in dem Arbeitsflusspfad zu verstellen, indem die Permeabilität des Abfallflusspfads geändert wird. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Hauptpfadpumpe, die betriebsfähig in dem Hauptflusspfad angeordnet ist. Die Hauptpfadpumpe 26 reagiert auf ein Signal von der Steuereinheit, um die Flüssigkeitsflussrate in dem Arbeitsflusspfad 14 zu verstellen, indem der Ausgangsfluss der Hauptpumpe geändert wird.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Verfahren zum Messen von Flussraten einer Flüssigkeit im Nanobereich in einem Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System (high pressure liquid chromatography system; HPLC-System). Das Verfahren umfasst das Messen einer Hauptflussrate in einem Hauptflusspfad zwischen einer HPLC-Pumpe und einem Flussteiler. Der Flussteiler teilt den Hauptflusspfad in einen Arbeitsflusspfad und einen Abfallflusspfad gemäß einem Trennverhältnis des Flussteilers. Das Verfahren umfasst ferner das Messen einer Abfallflussrate in dem Abfallflusspfad, das Subtrahieren der Abfallflussrate von der Hauptflussrate, um eine Flussratendifferenz zu bestimmen, sowie das Teilen der Flussratendifferenz durch die Hauptflussrate, um ein empirisches Trennverhältnis zu bestimmen. Das empirische Trennverhältnis hängt nicht von einer sich verändernden Flüssigkeitszusammensetzung ab.
Gemäß der Erfindung kann die Flüssigkeitsflussrate in dem Arbeitsflusspfad in Reaktion auf das empirische Trennverhältnis verstellt werden. In wenigstens einer Ausführungsform wird die Flüssigkeitsflussrate in dem Arbeitsflusspfad verstellt, indem die Permeabilität einer variablen Drossel verändert wird, die in dem Abfallflusspfad angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform wird der Flüssigkeitsfluss in dem Arbeitsflusspfad verstellt, indem die Ausgangsflussrate der HPLC-Pumpe geändert wird.
In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Flussraten einer Flüssigkeit im Nanobereich in einem binären bzw. zweistufigen Lösungsmittelfördersystem für die Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (high pressure liquid chromatography; HPLC). Das Verfahren und die Vorrichtung umfassen das Auswählen einer Rückführflussdrossel in jedem Flusspfad des binären Lösungsmittelfördersystems, die eine Permeabilität aufweist, die eine Ableitung von Fluid aus dem Flusspfad erlaubt, das erwünschte Flussraten übersteigt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Flussraten einer Flüssigkeit im Nanobereich in einem binären bzw. zweistufigen Lösungsmittelfördersystem für die Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (high pressure liquid chromatography; HPLC). Das Verfahren und die Vorrichtung umfassen die Verwendung eines ersten Druckwandlers in einem ersten Druckflusspfad und eines zweiten Druckwandlers in einem zweiten Druckflusspfad, wobei sich jeder Druckflusspfad in fluider Kommunikation mit einem fluidischen Kreuzstück befindet. Das fluidische Kreuzstück befindet sich in fluider Kommunikation mit einem fluidischen Kreuzstückdruckwandler. Eine Druckabfallmessung zwischen dem ersten Druckwandler und dem fluidischen Kreuzstückdruckwandler und dem zweiten Druckwandler und dem fluidischen Kreuzstückdruckwandler ist proportional zu dem Fluss, der von einer ersten Pumpe innerhalb des ersten Druckflusspfads bzw. einer zweiten Pumpe in dem zweiten Druckflusspfad gefördert wird.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zum Messen und Steuern von Flussraten im Nanobereich in einem Kapillarsystem, indem Flüssigkeitsfluss in dem Bereich hoher Flussraten gemessen wird. Bei Applikationen bzw. Anwendungen, bei denen keine Flusssensoren im Nanobereich zur Verfügung stehen oder beispielsweise übermäßig kostspielig sind, werden Sensoren, die präzise, genau und ohne weiteres zur Verfügung stehen, in dem Hochvolumenstrom konfiguriert und verwendet, die dazu in Beziehung stehende Flussrate im Nanobereich in dem Arbeitsstrom zu überwachen und zu steuern. Ein Verfahren zum genauen Messen und Steuern von kapillaren Fluidströmen in dem nl/min-Bereich (Nanobereich) wird bereitgestellt, das unabhängig von Veränderungen der Fluidzusammensetzung im Laufe der Zeit ist. Somit ist die vorliegende Erfindung insbesondere nützlich dazu, den Arbeitsstrom zu einer Flüssigkeitschromatographiesäule (liquid chromatography column; LC-Säule) in einem HPLC-System zu messen und zu steuern.
Die vorliegende Erfindung vermeidet wirksam die Notwendigkeit, Sensoren des thermalen Typs gemäß der thermischen Leitfähigkeit von jeder zu messenden Flüssigkeit zu kalibrieren. Thermale Flusssensoren des Drucktyps können ebenso innerhalb des Betriebsbereichs der Sensoren des Drucktyps verwendet werden. Die vorliegende Erfindung beseitigt im Wesentlichen die Notwendigkeit, die Sensoren des Drucktyps gemäß der Viskosität von jeder zu messenden Flüssigkeit oder gemäß der sich ändernden Permeabilität des Kapillarsystems zu kalibrieren. Vorteilhafterweise beschränkt die Erfindung außerdem die Verzögerung, die durch das große Innenvolumen von Flusssensoren des Drucktyps erzeugt wird, auf ein Mindestmaß, indem die Sensoren an einer geeigneten Stelle angeordnet werden, wie beispielsweise außerhalb des Flusspfads im Nanobereich. Bei Applikationen bzw. Anwendungen, bei denen geeignete Flusssensoren im Nanobereich nicht zur Verfügung stehen, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen bzw. Erfassen von Flussraten im Nanobereich mit thermischen Flusssensoren innerhalb des Betriebsbereichs der thermischen Flusssensoren bereit.
Figurenliste
Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich eingehender anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.

1 zeigt eine graphische Darstellung des Temperaturunterschieds zwischen Sensoren, die bei der Flussmessung des thermischen Typs gemäß dem Stand der Technik verwendet werden.
2 zeigt ein schematisches Systemdiagramm einer Vorrichtung zum Messen von volumetrischen Flussraten von Flüssigkeiten in Kapillaren gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt ein schematisches Systemdiagramm einer Vorrichtung zum Messen von Flussraten von Flüssigkeit im Nanobereich in einem Kapillarsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein schematisches Systemdiagramm einer Vorrichtung zum Messen und Steuern von Flussraten im Nanobereich in einem Kapillarsystem unter Verwendung einer variablen Drossel in dem Abfallflusspfad gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 und 6 zeigen schematische Systemdiagramme einer Vorrichtung zum Messen und Steuern von Flussraten im Nanobereich in einem Kapillarsystem unter Verwendung von Flusssensoren des Drucktyps in dem Hauptflusspfad und in dem Abfallflusspfad gemäß der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein schematisches Systemdiagramm einer Vorrichtung zum Messen und Steuern von Flussraten im Nanobereich in einem Kapillarsystem unter Verwendung von Flusssensoren des Temperaturtyps in dem Hauptflusspfad und in dem Abfallflusspfad gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt ein schematisches Systemdiagramm einer Vorrichtung zum Messen und Steuern von Flussraten im Nanobereich in einem Kapillarsystem unter Verwendung von Feedback-Signalen, um die Systempumpe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu steuern.
9 zeigt ein schematisches Systemdiagramm einer Vorrichtung zum Messen und Steuern von Flussraten im Nanobereich in einem Kapillarsystem unter Verwendung von Feedback-Signalen von einem Sensor in dem Arbeitsflusspfad gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Kapillarsystems 25 gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 3 allgemein beschrieben. Ein Hauptflusspfad 10 wird durch einen Flussteiler 12 in einen Arbeitsflusspfad 14 und einen Abfallflusspfad 16 geteilt. Ein Hauptflusssensor 18 ist betriebsfähig in dem Hauptflusspfad 10 angeordnet. Ein Abfallflusssensor 20 ist betriebsfähig in dem Abfallflusspfad 16 angeordnet. Ausgänge von sowohl dem Hauptflusssensor 18 als auch dem Abfallflusssensor 20 sind mit dem Eingang einer Subtraktionseinheit bzw. eines Subtraktors 22 für die Kommunikation von volumetrischen Flussratensignalen zu der Subtraktionseinheit 22 verbunden. Ausgänge von sowohl dem Hauptflusssensor 18 als auch der Subtraktionseinheit 22 sind mit Eingängen eines Teilers 24 verbunden, um das volumetrische Hauptflussratensignal und ein Differenzsignal zu dem Teiler 24 zu kommunizieren. Die Ausgabe bzw. das Ausgangssignal des Teilers 24 kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Flussrate in einem Arbeitsstrom zu steuern, wie dies nachstehend beschrieben wird.
In einer in 4 dargestellten beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Kapillarsystem 25 um ein Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie System (high pressure liquid chromatography system; HPLC-System). In dem HPLC-System ist eine Pumpe 26 betriebsfähig in dem Hauptflusspfad 10 angeordnet. Eine HPLC-Säule 27 ist in dem Arbeitsflusspfad 14 angeordnet. Die Pumpe 26 ist ausgestaltet, eine geeignete Flussrate der Flüssigkeit (mobile Phase) in dem Hauptflusspfad 10 bereitzustellen. Der Flussteiler 12 und eine Trenndrossel 29 sind ausgestaltet, einen geeigneten Teil der mobilen Phase zu dem Arbeitsstrom zu liefern.
In einem HPLC-System kann eine HPLC-Pumpe 26 mit normalen Abmessungen eingesetzt werden, um eine Flussrate im Bereich von etwa 0,1-5,0 ml/min der mobilen Phase in dem Hauptflusspfad 10 zu liefern. Eine HPLC-Pumpe 26 mit Abmessungen im Mikrobereich kann alternativ eingesetzt werden, um eine Flussrate im Bereich von etwa 1-100 µl/min in dem Hauptflusspfad 10 zu liefern. Der Flussteiler 12 und die Trenndrossel 29 sind ausgestaltet oder ausgewählt, ein Trennverhältnis bereitzustellen, das geeignet ist, die mobile Phase zu dem Arbeitsflusspfad 14 mit der gewünschten Flussrate im Nanobereich (nl/min) bereitzustellen. In alternativen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Flussteiler 12 ausgestaltet oder ausgewählt sein, ein Trennverhältnis aufzuweisen, um die mobile Phase zu dem Arbeitsflusspfad bei einer gewünschten Flussrate im Kapillarenbereich (1-20 µl/min) oder Mikrobohrungsbereich (20-100 µl/min) zu liefern. Der Flussteiler 12 umfasst wenigstens eine Fluiddrossel (nicht gezeigt) in dem Abfallflusspfad 16 und/oder dem Arbeitsflusspfad 14, um ein erwünschtes Trennverhältnis zu erreichen. Die resultierende Flussrate des Flusses der mobilen Phase in dem Abfallflusspfad 16 weist daher etwa denselben Bereich wie die Flussraten in dem Hauptflusspfad 10 auf. Mit anderen Worten, sowohl der Hauptflusspfad 10 als auch der Abfallflusspfad 16 führen im Vergleich zu den Flussvolumina des Nanobereichs, die von dem Arbeitsflusspfad 14 gefördert werden, große Flussvolumina.
Ein beliebiger Flusssensor einer Vielzahl von Flusssensoren, die dazu geeignet sind, genaue und akkurate Ausgangssignale in dem Mikroflussbereich zu liefern, können verwendet werden, um den Hauptflusssensor 18 und den Abfallflusssensor 20 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zu implementieren. Es ist vorstellbar, dass Flusssensoren, die präzise und genaue Ausgangssignale in dem Flussbereich normaler Bereiche bereitstellen, für die Verwendung als Hauptflusssensor 18 und/oder als Abfallflusssensor 20 in Systemen geeignet sind, die eine Pumpe 26 aufweisen, die ausgestaltet ist, einen Fluss normaler Bereiche in dem Hauptflusspfad 10 bereitzustellen. In wenigstens einer Ausführungsform ist der Abfallflusssensor zwischen dem Flussteiler 12 und der Trenndrossel 29 angeordnet. Dies ermöglicht eine Erfassung vor jeder Verzögerung, die durch den Fluss durch die Trenndrossel bewirkt wird, währenddessen sich beispielsweise die Lösungsmittelzusammensetzung ändern könnte.
Zahlreiche beispielhafte Ausführungsformen von Flusssensoren, die für die Verwendung als Hauptflusssensor 18 und/oder Abfallflusssensor 20 gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 5-7 beschrieben. Der Messdrift, der üblicherweise bei HPLC-Flussraten im Nanobereich auftritt, wird auf ein Mindestmaß beschränkt, da die Flussmessungen, die von dem Hauptflusssensor 18 und dem Abfallflusssensor 20 bereitgestellt werden, bei verhältnismäßig hohen Massenflussraten durchgeführt werden.
Der Subtraktor bzw. die Subtraktionseinheit 22 ist als eine elektronische Subtraktionsschaltung bzw. Subtraktionselektronik implementiert, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Eingangssignale in den Subtraktor 22 repräsentieren die Flussrate der mobilen Phase in dem Hauptflusspfad 10 und die Flussrate der mobilen Phase in dem Abfallflusspfad 16. Der Unterschied zwischen diesen zwei Flussraten repräsentiert die Flussrate der mobilen Phase in dem Arbeitsflusspfad 14 und wird durch das Ausgangssignal des Subtraktors 22 repräsentiert.
Der Teiler 24 ist als eine elektronische Teilerschaltung 24 implementiert, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Eingangssignale in den Teiler 24 repräsentieren die Flussrate der mobilen Phase in dem Hauptflusspfad 10 und die Flussrate der mobilen Phase in dem Arbeitsflusspfad 14. Somit gibt der Teiler 24 ein Signal aus, das das Trennverhältnis des Flussteilers 12 repräsentiert. Das Signal, das von dem Teiler 24 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgegeben wird, ist unabhängig von der Zusammensetzung der Flüssigkeit, die gemessen wird (mobile Phase). Somit ist im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen und Verfahren zum Messen von Flussraten in einem Bereich von etwa 10 nl/min bis etwa 100 ml/min, die üblicherweise für bestimmte Flüssigkeitszusammensetzungen kalibriert werden müssen, das Flussdetektionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unempfindlich gegenüber der Zusammensetzung des Fluids, das gemessen wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform gemäß der Erfindung wird das Ausgangssignal bzw. die Ausgabe des Teilers 24 verwendet, um die Flussrate in dem Arbeitsstrom zu steuern. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die Flussrate in dem Arbeitsstrom gesteuert wird, indem die Permeabilität bzw. Durchlässigkeit einer variablen Abfallpfaddrossel verstellt wird, und zwar in der Form einer variablen Drossel 29, die in dem Abfallflusspfad 16 angeordnet ist und betriebsfähig mit dem Ausgang des Teilers 24 verbunden ist. Der Fachmann wird erkennen, dass zusätzliche Steuerschaltungen (nicht gezeigt) zwischen dem Ausgang des Teilers 24 und dem Eingang der variablen Drossel notwendig sein können. Beispielsweise können zusätzliche Steuerschaltungen implementiert werden, um das Ausgangssignal des Teilers 24 für die Verwendung als ein geeignetes Steuereingangssignal für die bestimmte variable Drossel zu konditionieren, die verwendet wird. Schaltungskomponenten, wie beispielsweise Puffer, Invertierer, Verstärker und/oder Mikrokontroller, können verwendet werden, um die Steuerschaltung gemäß einer Anzahl von Verfahren zu implementieren, die dem Fachmann wohlbekannt sind.
Bei beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist ein Mikrokontroller oder ein Mikroprozessor (nicht dargestellt) zwischen dem Ausgang des Teilers 24 und dem Steuereingang der variablen Drossel implementiert. Der Mikrokontroller oder der Mikroprozessor kann programmiert und konfiguriert sein, um beispielsweise die Permeabilität der variablen Drossel und/oder die Flussrate der Pumpe 26 auf einen Wert zu verstellen, die für ein Beibehalten einer konstanten Flussrate in dem Arbeitsflusspfad 14 geeignet ist.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Kapillarsystems 25 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem Flusssensoren des Drucktyps verwendet werden, ist in Diagrammform in 5 dargestellt. Ein Drosselmittel 50, 58 ist sowohl in dem Hauptflusspfad 10 als auch in dem Abfallflusspfad 16 angeordnet. Das Drosselmittel kann praktisch irgendeine Struktur oder ein Verfahren zum Behindern des Flusses von Fluid in einem Flusspfad auf eine vorhersagbare Art und Weise umfassen, um einen vorhersagbaren Druckabfall von einer Seite der Drosselmittel zu der anderen zu erzeugen. Beispielsweise kann es sich bei einem Stück eines Kapillarrohrs, das einen genau bemessenen Innendurchmesser aufweist, um ein geeignetes Drosselmittel in einigen Ausführungsformen der Erfindung handeln. Es ist vorstellbar, dass Blenden, Filter und andere Behinderungen des Flusses ebenfalls in dem Flusspfad für die Verwendung als Drosselmittel in zahlreichen Ausführungsformen der Erfindung angeordnet werden können.
Bestimmte andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfordern variable Drosselmittel, bei denen die Behinderung bzw. Einschränkung des Fluidflusses gesteuert werden kann, wie dies wohlbekannt ist.
Druckerfassungsmittel 52, 54, 60, 62 sind betriebsfähig stromaufwärts und stromabwärts von jedem Drosselmittel 50, 58 in deren jeweiligen Flusspfad angeordnet. Druckerfassungsmittel, die für die Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können Druckwandler umfassen, die kommerziell erhältlich sind. Druckerfassungsmittel sollten einen Betriebsbereich und eine Genauigkeit aufweisen, die dazu geeignet ist, genau den Druckabfall entlang einer bestimmten Drossel zu detektieren. Druckerfassungsmittel 52, 54, 60, 62 können praktisch irgendeinen Typ eines Drucksensors umfassen, der ein elektronisches Ausgangssignal bereitstellt und eine ausreichende Genauigkeit und Präzision aufweist, um den Druck innerhalb des dynamischen Bereichs des Fluidsystems zu messen.
Übliche Druckerfassungsmittel erzeugen analoge Spannungssignale, die eine Größe aufweisen, die zu dem erfassten Druck proportional ist. Es ist vorstellbar, dass praktisch jedweder Typ eines Ausgangssignals von geeigneten Druckerfassungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass unterschiedliche Druckerfassungsmittel einen druckabhängigen elektrischen Strom, ein druckabhängiges moduliertes Signal, einen druckabhängigen variablen Widerstand, eine variable Kapazität, ein optisches Signal und dergleichen erzeugen können. Somit umfassen bestimmte Druckerfassungsmittel außerdem zahlreiche andere Komponenten, wie beispielsweise Signalverarbeitungskomponenten, um ein Ausgangssignal zu verstärken oder das Signal in eine Form zu konvertieren, die für eine Verwendung in einem bestimmten System besser geeignet ist.
Die Ausgänge der stromaufwärts und stromabwärts liegenden Druckerfassungsmittel 52, 54 in dem Hauptflusspfad 10 sind mit den Drucksubtraktionsmitteln 56 des Hauptflusspfads 10 verbunden. Subtraktionsmittel umfassen praktisch irgendeine bekannte elektronische Subtraktionsschaltung. Geeignete Subtraktionsmittel können beispielsweise eine herkömmliche Operationsverstärker-(operational amplifier; op-amp)-Subtraktionsschaltung umfassen. Alternativ kann ein Analog-DigitalWandler (analog to digital converter) implementiert werden, um ein Signal in eine digitale Form zu konvertieren, so dass digitale Subtraktionsmittel, wie beispielsweise ein Mikrokontroller oder ein PC, als Subtraktionsmittel verwendet werden können, wie dies bekannt ist. Die Ausgänge der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Druckerfassungsmittel 60, 62 in dem Abfallflusspfad 16 sind mit Drucksubtraktionsmitteln 64 in dem Abfallflusspfad 16 verbunden. Ausgänge von den Hauptstrom-Drucksubtraktionsmitteln 56 und den Abfallstrom-Drucksubtraktionsmitteln 64 entsprechen dem Ausgang des Hauptflusssensors 18 bzw. des Abfallflusssensors 20 (siehe 3 und 4) und sind mit dem Eingang des Subtraktors 22 verbunden. Die Eingänge zu dem Subtraktor 22 entsprechen den Flussraten in dem Hauptflusspfad 10 und dem Abfallflusspfad 16, da der Fluss durch jede Drossel in linearer Beziehung mit dem Druckabfall entlang dieser steht.
Eine weitere Ausführungsform eines Kapillarsystems 25 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem Flusssensoren des Drucktyps verwendet werden, ist in Diagrammfarm in 6 dargestellt. Ein Drosselmittel 52, 58 ist sowohl in dem Hauptflusspfad 10 als auch in dem Abfallflusspfad 16 angeordnet. Druckerfassungsmittel sind betriebsfähig stromaufwärts und stromabwärts von jedem Drosselmittel in deren jeweiligen Flusspfaden angeordnet. In der in 6 dargestellten Ausführungsform dient jedoch ein einzelnes Flussteiler-Druckerfassungsmittel 66 dazu, um den Fluiddruck stromabwärts der Drossel 50 in dem Hauptflusspfad 10 und stromaufwärts der Drossel 58 in dem Abfallflusspfad 16 zu messen. Das in 6 dargestellte System ähnelt im Wesentlichen dem in 5 dargestellten System, mit der Ausnahme, dass ein einzelnes Druckerfassungsmittel verwendet wird, um eine Messung von Flüssigkeitsdruck auf der stromabwärts gelegenen Seite der Hauptstromdrossel und auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Abfallstromdrossel zu liefern. Das einzelne Druckerfassungsmittel ist in dem Flussteiler 12 enthalten.
Die Ausgänge der stromaufwärts gelegenen Druckerfassungsmittel 52 und die Flussteiler-Druckerfassungsmittel 66 in dem Hauptflusspfad 10 sind mit den Drucksubtraktionsmitteln 56 des Hauptflusspfads 10 verbunden. Die Ausgänge der Flussteiler-Druckerfassungsmittel 66 und der stromabwärts gelegenen Druckerfassungsmittel 62 in dem Abfallflusspfad 16 sind mit den Drucksubtraktionsmitteln 64 des Abfallflusspfads verbunden. Ausgänge von den Hauptstrom-Drucksubtraktionsmitteln 22 und den Abfallstrom-Drucksubtraktionsmitteln 22 entsprechen dem Ausgang des Hauptflusssensors 18 bzw. des Abfallflusssensors 20 (siehe 3 und 4) und sind mit dem Eingang des Subtraktors 22 verbunden. Die Eingänge des Subtraktors 22 entsprechen den Flussraten in dem Hauptflusspfad 10 und dem Abfallflusspfad 16, da der Fluss durch jede Drossel in linearer Beziehung zu dem Druckabfall entlang dieser steht.
7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der Flusssensoren des thermalen Typs verwendet werden. In der in 7 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist ein Mittel zum Einbringen von Wärme, d.h. eine Hauptpfad-Heizeinrichtung 68, an einer bestimmten Stelle angeordnet, um Wärme in das Fluid einzubringen, das in dem Hauptflusspfad fließt. Die Mittel zum Einbringen von Wärme können irgendeine Struktur oder irgendein Verfahren zum Erwärmen bzw. Heizen eines diskreten Segments des Fluidstroms umfassen. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass eine elektrische Heizspule, die mit einer genauen Temperatursteuereinheit verbunden ist, um ein kleines Segment des Flusspfads gewickelt werden kann. Hauptpfad-Temperatursensoren 70, 72 sind stromaufwärts und stromabwärts der Hauptpfad-Heizeinrichtung 68 angeordnet. Die Ausgänge von den Hauptpfad-Temperatursensoren 70, 72 kommunizieren mit einer thermalen Flussberechnungseinheit 74 des Hauptpfads. Eine Abfallpfad-Heizeinrichtung 76, wie beispielsweise ein Wärmestopfen, ist an einer bestimmten Stelle angeordnet, um Wärme in das Fluid einzubringen, das in dem Abfallflusspfad 16 fließt. Abfallpfad-Temperatursensoren 78, 80 sind stromaufwärts und stromabwärts der Abfallpfad-Heizeinrichtung 76 angeordnet. Die Ausgänge von den Abfallpfad-Temperatursensoren 78, 80 stehen in Kommunikation mit einer thermalen Flussberechnungseinheit 88 des Abfallpfads. Die thermale Flussberechnungseinheit 74 des Hauptpfads und die thermale Flussberechnungseinheit 88 des Abfallpfads sind Komponenten der thermalen Flusssensoren, die vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben worden sind, die jeweils die Flussraten in deren entsprechenden Flusspfaden gemäß Mitteln berechnen, die wohlbekannt sind. Jede thermale Flussberechnungseinheit 74, 88 gibt ein Signal aus, das die Flussrate in dem entsprechenden Flusspfad darstellt.
Eine Anzahl von elektronischen Schaltungen, die bekannt sind, kann als thermische Flussberechnungseinheit 74, 88 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dienen. Beispielsweise sind , Mikroprozessorschaltungen, Mikrokontroller, ASICs (application specific integrated circuits) oder Analogvergleichsschaltungen wohlbekannt und diese können konfiguriert werden, um Ausgangssignale von den Temperatursensoren 70, 72, 78 und 80 zu vergleichen und Fluidflussraten in deren jeweiligen Flusspfaden zu berechnen. Alternativ können thermale Flussberechnungseinheiten 74, 88 softwaremäßig in einem PC implementiert werden, der einen Datenerfassungsanschluss aufweist, um Ausgangssignale der Temperatursensoren 70, 72, 78 und 80 zu akzeptieren.
Die Ausgangssignale von den thermalen Flussberechnungseinheiten 74, 88 werden als Flusssignale zu der Subtraktionseinrichtung 22 und dem Teiler 24 kommuniziert, wie vorstehend hinsichtlich Ausgängen von dem Hauptflusssensor 18 und dem Abfallflusssensor 20 beschrieben.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) sind Röhren, in denen der Fluss der mobilen Phase von der Pumpe 26 zu dem Flussteiler 12 befördert wird, aneinander angrenzend angeordnet. Eine gemeinsame Heizeinrichtung wird verwendet, um die Flüsse durch beide Pfade zu erwärmen. Temperatursensoren sind stromabwärts in jeder Röhre mit im Wesentlichen identischen Abständen von der Heizeinrichtung angeordnet. Da eine gemeinsame Heizeinrichtung verwendet wird, sind die Röhren und die Temperatursensoren nahe beieinander angeordnet und der Unterschied zwischen den thermischen Signalen wird elektronisch berechnet, wodurch ein hohes Maß an Gleichtakt-Rauschunterdrückung erreicht wird. Eine derartig effektive Rauschunterdrückung ermöglicht Messungen von kleinsten Unterschieden zwischen der Flussrate in dem Hauptflusspfad 10 und der Flussrate in dem Abfallflusspfad 16.
Obgleich bei den Ausführungsformen gemäß der Erfindung, die in den 4-7 dargestellt sind, eine variable Drossel 29 in dem Abfallflusspfad 16 verwendet wird, kann der Fluss in dem Arbeitsflusspfad 14 ebenso durch ein Variieren der Flusssteuerungen der Pumpe 26 gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Flussrate in dem Arbeitsstrom gesteuert werden, indem der Pumpenausgang direkt zu dem Hauptstrom verstellt wird, anstatt dass eine variable Drossel verstellt wird. 8 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die Flussrate in dem Arbeitsstrom gesteuert wird, indem die Pumpeneinstellungen der Pumpe 26 in Reaktion auf Veränderungen des gemessenen Flusses verstellt werden. In 8 (wie in den in 3 beschriebenen Ausführungsformen) wird ein Hauptflusspfad 10 durch einen Flussteiler 12 in einen Arbeitsflusspfad 14 und einen Abfallflusspfad 16 unterteilt. Ein Hauptflusssensor 18 ist betriebsfähig in dem Hauptflusspfad 10 angeordnet . Ein Abfallflusssensor 20 ist betriebsfähig in dem Abfallflusspfad 16 angeordnet. Die Ausgänge von sowohl dem Hauptflusssensor 18 als auch von dem Abfallflusssensor 20 sind mit dem Eingang einer Subtraktionseinheit 22 verbunden, um volumetrische Flussratensignale zu der Subtraktionseinheit 22 zu kommunizieren. Die Ausgänge von sowohl dem Hauptflusssensor 18 als auch der Subtraktionseinheit 22 sind mit Eingängen eines Teilers 24 verbunden, um das volumetrische Hauptflussratensignal und ein Differenzsignal zu dem Teiler 24 zu kommunizieren. Der Ausgang des Teilers 24 ist wirksam bzw. betriebsfähig mit der Pumpe 26 verbunden, um die Pumpeneinstellungen zu verstellen.
Der Fachmann wird erkennen, dass zusätzliche Steuerschaltungen (nicht dargestellt) zwischen dem Ausgang des Teilers 24 und dem Steuereingang der Pumpe 26 erforderlich sein können. Beispielsweise können zusätzliche Steuerschaltungen implementiert werden, um das Teilerausgangssignal (Quotientensignal) für die Verwendung als ein geeignetes Steuereingangssignal für die speziell verwendete Pumpe 26 zu verarbeiten. Schaltungskomponenten, wie beispielsweise Puffer, Invertierer, Verstärker und/oder Mikrokontroller, können verwendet werden, um die Steuerschaltung gemäß einer Anzahl von Verfahren zu implementieren, die wohlbekannt sind. Alternativ kann die Pumpe 26 mittels eines PC oder einer Workstation (nicht dargestellt) gesteuert werden, die Input-/Output-Schaltungen aufweist, die mit der Pumpe 26 und dem Teiler 24 verbunden sind, sowie Software aufweist, die die Pumpeneinstellungen in Reaktion auf das Quotientenausgangssignal von dem Teiler 24 verstellt.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen ersten Flussdetektor in dem Hauptflusspfad und einen zweiten Flussdetektor in dem Abfallflusspfad aufweisen, wird eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert, indem der zweite Flussdetektor in dem Arbeitsflusspfad angeordnet wird, anstatt diesen in dem Abfallflusspfad anzuordnen. Diese zusätzliche Ausführungsform stellt Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen bereit, die vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben worden sind, und zwar deshalb, weil anders als bei herkömmlichen Vorrichtungen die Ausgänge der zwei Flussdetektoren verwendet werden, um ein Quotientensignal zu erzeugen, das das Trennverhältnis darstellt, welches unabhängig von der sich ändernden Flüssigkeitszusammensetzung ist.
Die zusätzliche Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben, in der ein Hauptflusspfad 10 durch einen Flussteiler 12 in einen Arbeitsflusspfad 14 und einen Abfallfluss-pfad 16 unterteilt wird. Ein Hauptflusssensor 18 ist betriebsfähig in dem Hauptflusspfad 10 angeordnet. Ein Arbeitsflusssensor 92 ist betriebsfähig in dem Arbeitsflusspfad 14 angeordnet. Ausgänge von sowohl dem Hauptflusssensor 18 als auch dem Arbeitsflusssensor 20 sind mit Eingängen eines Teilers 24 verbunden, um das volumetrische Hauptflussratensignal und das Arbeitsflussratensignal zu dem Teiler 24 zu kommunizieren. Der Ausgang des Teilers 24 kann verwendet werden, um beispielsweise, wie nachstehend beschrieben, die Flussrate in einem Arbeitsstrom zu steuern. Die Flussrate in dem Arbeitsstrom kann gesteuert werden, indem beispielsweise die Permeabilität einer variablen Drossel im Abfallpfad in der Form einer variablen Drossel 29 verstellt wird, die in dem Abfallflusspfad 16 angeordnet ist und betriebsfähig mit dem Ausgang des Teilers 24 verbunden ist, und/oder indem die Flussratensteuerungen der Pumpe 26 verstellt werden.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungen sind in der US 2005 / 01 09 698 A1 (Anmeldenr. 851497, eine der Prioritätsschriften der Anmeldung), einer US-Patentanmeldung der Anmelderin in 10, respektive 11 gezeigt. Auf die US 2005 / 01 09 698 A1 wird insgesamt und insbesondere für die im Folgen beschriebenen Ausführungen Bezug genommen.
Eine nicht bildhaft dargestellte beispielhafte Ausführungsform eines binären bzw. zweistufigen Lösungsmittelförder-systems gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Das binäre Lösungsmittelfördersystem weist einen ersten Arbeitspfad und einen zweiten Arbeitspfad auf, was die Ausbildung eines Lösungsmittelgradienten ermöglicht. Der erste Arbeitspfad weist eine erste Pumpe auf, die ein erstes Lösungsmittelreservoir aufweist. Die erste Pumpe befindet sich in fluider Kommunikation mit einem ersten Flussteiler. Der erste Flussteiler steht in fluider Kommunikation mit einem Flusspfad eines ersten Sensors, der einen ersten Flusssensor aufweist. Der erste Flussteiler steht ferner in fluider Kommunikation mit einer ersten Flussdrossel. Die erste Flussdrossel steht in fluider Kommunikation mit dem ersten Lösungsmittelreservoir. Der erste Flusssensor steht in fluider Kommunikation mit einem fluidischen T-Stück. Der erste Flusssensor erzeugt ein Ausgangssignal, das in Kommunikation mit dem Steuersystem der ersten Pumpe steht. Die Flussrate der ersten Pumpe kann durch das Ausgangssignal des ersten Flusssensors gesteuert werden.
Der zweite Arbeitspfad weist eine zweite Pumpe auf, die ein zweites Lösungsmittelreservoir aufweist. Die zweite Pumpe steht in fluider Kommunikation mit einem zweiten Flussteiler. Der zweite Flussteiler steht in fluider Kommunikation mit einem Flusspfad des zweiten Sensors, der einen zweiten Flusssensor aufweist. Der zweite Flussteiler steht ferner in fluider Kommunikation mit einer zweiten Flussdrossel. Die zweite Flussdrossel steht in fluider Kommunikation mit dem zweiten Lösungsmittelreservoir. Der zweite Flusssensor steht in fluider Kommunikation mit dem fluidischen T-Stück. Der zweite Flusssensor erzeugt ein Ausgangssignal, das in Kommunikation mit dem Steuersystem der zweiten Pumpe steht. Die Flussrate der zweiten Pumpe kann durch das Ausgangssignal des zweiten Flusssensors gesteuert werden.
Im Betrieb wird ein Teil des Flusses von jeder Pumpe über die jeweiligen Flussteiler zu dem jeweiligen Lösungsmittelreservoir abgezweigt. Die Abzweigung von Fluss in jedes jeweilige Lösungsmittelreservoir erfolgt in Reaktion auf die Permeabilität der Flussdrosseln. Die Permeabilität von jeder Flussdrossel ist ausgewählt, um ein gewünschtes Rückführungsverhältnis zu erreichen. Wenn im Betrieb eine Flussrate von etwa 1 µl/min erforderlich ist und die optimale Flussrate einer verwendeten Pumpe etwa 100 µl/min beträgt, dann kann eine Drossel ausgewählt werden, die etwa 99% des Pumpenausgangs zurück zu dem Lösungsmittelreservoir zurückführt. Durch die Zurückführung von derartigem überschüssigem Lösungsmittelfluss von den jeweiligen Pumpen vor der Mischung kann Fluss, der nicht zu dem chromatographischen System geführt wird, zurück in das Lösungsmittelreservoir geführt werden, um somit den Lösungsmittelverbrauch zu vermindern. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch vorstellbar, dass derartiges überschüssiges Lösungsmittel entsorgt werden kann.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines binären bzw. zweistufigen Lösungsmittelfördersystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie folgt beschrieben. Das binäre Lösungsmittelfördersystem weist einen ersten Flusspfad und einen zweiten Flusspfad auf, was die Ausbildung und Förderung eines Lösungsmittel-gradienten zu einem chromatographischen System ermöglicht. Der erste Flusspfad weist eine erste Pumpe auf, die ein erstes Lösungsmittelreservoir aufweist. Die erste Pumpe steht in fluider Kommunikation mit einem ersten Flussteiler. Der erste Flussteiler steht in fluider Kommunikation mit einem ersten Druckflusspfad, der einen ersten Druckwandler und eine erste Flussdrossel aufweist. Die erste Flussdrossel steht in fluider Kommunikation mit dem ersten Lösungsmittelreservoir. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorstellbar, dass der Fluss von der ersten Flussdrossel zum Abfall geleitet werden kann. Der erste Druckwandler steht in fluider Kommunikation mit einer ersten Flusserfassungsdrossel. Die erste Flusserfassungsdrossel steht in fluider Kommunikation mit einem fluidischen T-Kreuz. Das fluidische T-Kreuz steht in fluider Kommunikation mit einem fluidischen Kreuzdruckwandler. In dieser beispielhaften Ausführungsform bilden der erste Druckwandler, der fluidische Kreuzdruckwandler und die erste Flusserfassungsdrossel einen Flusssensor des delta-P-Typs.
Der zweite Flusspfad weist eine zweite Pumpe auf, die ein zweites Lösungsmittelreservoir aufweist. Die zweite Pumpe steht in fluider Kommunikation mit einem zweiten Flussteiler. Der zweite Flussteiler steht in fluider Kommunikation mit dem zweiten Druckflusspfad, der einen zweiten Druckwandler und eine zweite Flussdrossel aufweist. Die zweite Flussdrossel steht in fluider Kommunikation mit dem zweiten Lösungsmittelreservoir. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorstellbar, dass er Fluss von der zweiten Flussdrossel zu dem Abfall abgezweigt werden kann. Der zweite Druckwandler steht in fluider Kommunikation mit einer zweiten Flusserfassungsdrossel. Die zweite Flusserfassungsdrossel steht in fluider Kommunikation mit dem fluidischen T-Kreuz. Der zweite Druckwandler erzeugt ein Ausgangssignal, das in Kommunikation mit der Systemsteuereinheit steht. In dieser beispielhaften Ausführungsform bilden der zweite Druckwandler, der fluidische Kreuzdruckwandler und die zweite Flusserfassungsdrossel einen Flusssensor des delta-P-Typs aus.
Der erste Druckwandler und der zweite Druckwandler erzeugen ein Ausgangssignal, das in Kommunikation mit einer Systemsteuereinheit steht. Der fluidische Kreuzdruckwandler erzeugt ebenso ein Ausgangssignal, das in Kommunikation mit der Systemsteuereinheit steht. Der fluidische Kreuzdruckwandler steht in fluider Kommunikation mit einem Steuerventil. Das Steuerventil befindet sich in Kommunikation mit der Systemsteuereinheit. Das Steuerventil gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform befindet sich in fluider Kommunikation mit einer Abfalldrossel.
Im Betrieb ist eine Druckabfallmessung zwischen dem ersten Druckwandler und dem fluidischen Kreuzdruckwandler und dem zweiten Druckwandler und dem fluidischen Kreuzdruckwandler proportional zu dem Fluss, der von der ersten Pumpe bzw. der zweiten Pumpe gefördert wird. Die Systemsteuereinheit weist die Fähigkeit auf, die Flussraten von der ersten Pumpe und der zweiten Pumpe unter Verwendung dieser Druckabfall Messunterschiede zusammen mit vorher abgeleiteten Flusskalibrationskonstanten zu bestimmen. Zusätzlich zu der Messung dieser Flussraten verwendet die Systemsteuereinheit einen Regelkreis-Steueralgorithmus, wie beispielsweise proportionale integrale Steuerung (proportional integral control; PI) oder proportionale integrale Ableitungssteuerung (proportional integral derivative control; PID), um die Flussförderraten d er ersten Pumpe und der zweiten Pumpe zu verstellen, um den gesamten Fluss und die Lösungsmittelzusammensetzung zu erreichen, die zu einem chromatographischen System gefördert werden.
Die Druckwandler sind in dieser beispielhaften Ausführungsform Durchflusswandler, die im Betrieb ununterbrochen von Lösungsmittel durchspült werden. Der fluidische Kreuzdruckwandler ist ebenso ein Durchflusswandler, der den Druck bei dem fluidischen Kreuz misst. Indem der fluidische Kreuzdruckwandler in dieser Position angeordnet wird, kann dieser von beiden Druckwandlern verwendet werden, um die jeweiligen Flussraten in den Druckflusspfaden zu bestimmen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch vorstellbar, dass jeder Druckflusspfad zwei Druckwandler aufweisen kann.
Um den Druck bei dem fluidischen Kreuz mit dem fluidischen Kreuzdruckwandler genau zu messen, muss dessen Flussausgang abgedeckelt bzw. mit einem Deckel versehen sein, so dass kein Fluss durch diesen hindurchtreten kann. Diese Ausgestaltung kann in mehreren Situationen zu Problemen führen. Während des Anlaufs oder der Initialisierung des Systems kann das System Luft in den fluidischen Röhren aufweisen, die die jeweiligen Flusspfade und die Druckflusspfade ausbilden. Luft, die in dem fluidischen Kreuzdruckwandler oder den Leitungen gefangen ist, die zu diesem führen, ist gefangen, wenn der Ausgang des fluidischen Kreuzdruckwandlers mit einem Deckel versehen ist. Diese gefangene Luft kann eine unbekannte fluidische Kapazität in dem System erzeugen. Da die Rohre, die zu dem fluidischen Kreuzdruckwandler führen, nicht ununterbrochen durchspült werden, kann außerdem während des Gradientenbetriebs des Systems Fluid in diesen Rohren in den fließenden Strom während Druckänderungen des Systems fließen oder aus diesen heraus fließen.
Lösungsmittelgemische eines vorhergehenden Gradientenlaufs können aufgrund entwichener Gase einen anschließenden Gradientenlauf beeinflussen, was zu unbekannten Lösungsmittel-Zusammensetzungsänderungen führt. Um diese Effekte zu lindern, werden das Abfallventil und/oder die Abfalldrossel an dem Ausgang des fluidischen Kreuzdruckwandlers verwendet, um gefangene Luft zu entlüften. Während der Initialisierung des Systems kann das Abfallventil offen bleiben, um zu ermöglichen, dass Lösungsmittel durch den fluidischen Kreuzdruckwandler gespült wird, wodurch jedwede gefangene Luft eliminiert wird. Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorstellbar, dass das Abfallventil kurz während eines Gradientenlaufs oder beim Start oder am Ende eines solchen durch die Systemsteuereinheit geöffnet wird, um Lösungsmittel zu spülen, das in dem fluidischen Kreuzdruckwandler oder den Rohren gefangen ist, die zu diesem führen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Abfalldrossel ausgewählt, um zu ermöglichen, dass eine Sollmenge von Lösungsmittel ununterbrochen durch den fluidischen Druckwandler während des Betriebs des Systems fließt. Der Fluss durch den fluidischen Druckwandler unter Verwendung der Abfalldrossel macht einen kleinen Bruchteil des Gesamtflusses zu dem chromatographischen System aus (d.h. <1%). Vorteilhafterweise ermöglicht der geringe Fluss durch die Abfalldrossel eine konstante Spülung des fluidischen Kreuzdruckwandlers und der Rohre, die diesen mit dem fluidischen Kreuz verbinden. Die Abfalldrossel kann ausgestaltet sein oder ausgewählt werden, so dass diese sicherstellt, dass dieser konstante Spülfluss die Chromatographie nicht beeinflusst.
Wenn Druckwandler als Flusssensoren des delta-P-Typs verwendet werden, um genaue Flussmessungen unter Verwendung von Unterschieden in den drei Druckwandlern zu erhalten, dann ist es wünschenswert, dass der Nullpunkt von jedem Druckwandler konstant gehalten wird. Eine übliche Quelle eines Drifts des Nullpunkts in Dehnungsmess-Druckwandlern sind Wandler-Temperaturfluktuationen. Dehnungsmess-Druckwandler messen Änderungen des Widerstands von Dehnungselementen, um Druck zu bestimmen. Der Widerstand des Dehnungselements wird sich ebenso mit der Temperatur ändern. Wenn sich einer oder mehrere der Nullpunkte der drei Druckwandler aufgrund von Temperaturfluktuationen ändert, dann werden Differenzberechnungen, die dazu verwendet werden, die Flussrate zu messen, ungenau sein. Um konsistente und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, können die drei Druckwandler gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform in einem ersten isothermischen Block enthalten sein. Darüber hinaus können die Flusserfassungsdrosseln die in Verbindung mit den Druckwandlern verwendet werden, ebenso in einem zweiten isothermischen Block gehalten werden. Die Temperatur der Flusserfassungsdrossel-Elemente muss bei etwa der Temperatur gehalten werden, bei der diese kalibriert worden sind. Veränderungen der Temperatur der Flusserfassungsdrossel-Elemente führt zu fehlerhaften Flussmessungen, da temperaturinduzierte Viskositätsänderungen des Fluids innerhalb der Flusserfassungsdrossel-Elemente den Druckunterschied entlang der Flusserfassungsdrossel-Elemente ändern. Obgleich die Druckwandler und die Flusserfassungsdrossel-Elemente bei einer isothermischen Temperatur gehalten werden können, ist es nicht notwendig, dass diese bei derselben Temperatur gehalten werden.
In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform kompensiert die Systemsteuereinheit Fluss, der aufgrund dieses konstanten Spülflusses verloren geht, indem die Spülflussrate auf der Grundlage der Parameter der Abfalldrossel und dem Systemdruck bestimmt werden und dieser zu dem Fluss addiert wird, der mittels Feedback zu den Druckwandlern gefördert wird.
Obgleich die hier beschriebenen Flusssensoren hinsichtlich besonderer Flusssensoren des thermalen Typs und Flusssensoren des Drucktyps beschrieben worden sind, sollte der Fachmann erkennen, dass irgendein Flusssensor einer Vielzahl von unterschiedlichen Flusssensortypen diese ersetzen kann, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können mehrere Typen von kommerziell erhältlichen Sensoren als Hauptstrom-Flusssensoren und/oder Abfallstrom-Flusssensoren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Obgleich zahlreiche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hinsichtlich getrennter Schaltungskomponenten für das Vergleichen von Drücken oder Temperaturen von unterschiedlichen Sensorkomponenten beschrieben werden, sollte der Fachmann erkennen, dass eine einzelne Schaltungskomponente implementiert werden kann, um mehrere Vergleichsfunktionen gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Beispielsweise kann ein einzelner Mikrokontroller, der mehrere Messeingangsanschlüsse und Steuerausgangsanschlüsse aufweist, verwendet werden, um stromabwärts und stromaufwärts Temperatur und/oder Drucksignale zu empfangen und zu verarbeiten, um Hauptpfad-Abfallpfadflussraten zu berechnen und Ausgangssignale zu erzeugen, um diese zu der Subtraktionseinheit und dem Teiler zu kommunizieren. Ein ASIC (application specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung) kann ebenso ausgestaltet sein, um beispielsweise diese Funktionen durchzuführen und die Funktionen der Subtraktionseinheit und des Teilers zu beinhalten, und zwar entweder mittels analogem oder digitalem Betrieb, ohne vom Geist und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obgleich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin beschrieben worden sind, die Flussraten in dem Arbeitsstrom indirekt steuern, indem eine variable Drossel in dem Abfallflusspfad oder dem Hauptflusspfad gesteuert wird oder indem die Pumpe oder eine variable Trennlüftung gesteuert wird, sollte der Fachmann erkennen, dass diese unterschiedlichen Steuerelemente ebenso in unterschiedlichen Kombinationen gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert werden können.
Obgleich die unterschiedlichen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung bei der Messung von Flussraten im Nanobereich in einem HPLC-System beschrieben worden sind, sollte der Fachmann erkennen, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Kapillarsystemen zu messen und zu steuern oder für die Fluidsteuerung und Analysesysteme verwendet werden kann, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obgleich die Erfindung hierin unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, sollte der Fachmann erkennen, dass die vorstehenden und zahlreiche andere Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen hinsichtlich der Form und des Details vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Ausbilden einer Gradientenzusammensetzung in einem Kapillarsystem (25), umfassend: einen ersten Flusspfad (10) mit einer ersten Pumpe (26) in fluider Kommunikation mit einem ersten Flussteiler (12), wobei der erste Flussteiler (12) in fluider Kommunikation mit einer ersten Drossel (29) steht, die betriebsfähig in einem ersten Drosselflusspfad (16) angeordnet ist, sowie einen ersten Sensorflusspfad mit einem ersten Sensor (18), der betriebsfähig innerhalb des Sensorflusspfads angeordnet ist, wobei der erste Sensor (18) ausgestaltet ist, Flussraten der Flüssigkeit in dem ersten Sensorflusspfad zu messen, um ein erstes Flusssignal zu erzeugen und wobei die erste Drossel (29) eine ausgewählte Permeabilität aufweist, die eine erste Flussrate erzeugt; einen zweiten Flusspfad mit einer zweiten Pumpe in fluider Kommunikation mit einem zweiten Flussteiler, wobei der zweite Flussteiler in fluider Kommunikation mit einer zweiten Drossel steht, die betriebsfähig in einem zweiten Drosselflusspfad angeordnet ist, sowie einen zweiten Sensorflusspfad mit einem zweiten Sensor, der betriebsfähig in dem zweiten Sensorflusspfad angeordnet ist, wobei der zweite Sensor ausgestaltet ist, Flussraten der Flüssigkeit in dem zweiten Sensorflusspfad zu messen, um ein zweites Flusssignal zu erzeugen und wobei die zweite Drossel eine ausgewählte Permeabilität aufweist, um eine zweite Flussrate zu erzeugen; und Mittel zum Steuern des Flusses in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Kapillarsystem (25) ein Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System umfasst, das Flussraten in einem Bereich von etwa 50 nl/min bis etwa 100 µl/min aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoren Flusssensoren des Thermaltyps sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Flusssensoren des Thermaltyps umfassen: Mittel (68, 76) zum Einbringen von Wärme in einen Flusspfad; Mittel (70, 72, 78, 80) zum Messen der Temperatur der Flüssigkeit in dem Flusspfad stromaufwärts und stromabwärts der Mittel zum Einbringen und Mittel (74, 88) zum Berechnen einer volumetrischen Flussrate der Flüssigkeit in dem Flusspfad gemäß Temperaturänderungen, die stromaufwärts der Mittel zum Einbringen gemessen werden, im Vergleich zu Temperaturänderungen, die stromabwärts der Mittel zum Einbringen gemessen werden, in Reaktion auf das Einbringen der Wärme.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoren Flusssensoren des Drucktyps sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Flusssensoren des Drucktyps umfassen: Drosselmittel (50, 58), die in einem Flusspfad angeordnet sind; Mittel (52, 54; 60, 62) zum Messen des Fluiddrucks stromaufwärts und stromabwärts der Drosselmittel; und Mittel (74, 88) zum Berechnen einer volumetrischen Flussrate von Flüssigkeit in dem Flusspfad gemäß einer Differenz zwischen dem Druck, der stromaufwärts der Drosselmittel gemessen wird, und dem Druck, der stromabwärts der Drosselmittel gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Steuern eine Steuereinheit umfassen, die das erste Flusssignal und das zweite Flusssignal von den Sensoren empfängt und ausgestaltet ist, die Flüssigkeitsflussrate in den Sensorflusspfaden in Reaktion auf die Flusssignale zu verstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Flussdrossel und die zweite Flussdrossel auf ein Signal von der Steuereinheit reagieren, die ausgestaltet ist, die Flüssigkeitsflussrate in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad zu verstellen, indem die Permeabilität der Drosselflusspfade verändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei erste und zweite Pumpen auf Signale von der Steuereinheit reagieren, um die Flüssigkeitsflussraten in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad zu verstellen, indem der Ausgangsdruck der ersten und der zweiten Pumpe verändert wird.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Verfahren zum Herstellen von Flussraten einer Flüssigkeit im Nanobereich in einem Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System, umfassend: Teilen eines ersten Flusspfads in einen ersten Sensorflusspfad und einen ersten Drosselflusspfad mit einem ersten Flussteiler, wobei der erste Drosselflusspfad Mittel für die Drosselung aufweist; Teilen eines zweiten Flusspfads in einen zweiten Sensorflusspfad und einen zweiten Drosselflusspfad mit einem zweiten Flussteiler, wobei der zweite Drosselflusspfad Mittel für die Drosselung aufweist; Messen einer ersten Flussrate in einem ersten Sensorflusspfad; Messen einer zweiten Flussrate in einem zweiten Sensorflusspfad; und Verstellen des Flusses in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das des Verstellen Flusses in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad ferner das Verwenden eines ausgewählten ersten und zweiten Drosselelements umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Verstellen der Flüssigkeitsflussraten in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad, indem der Ausgang einer ersten Pumpe und einer zweiten Pumpe verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren ferner das Anordnen einer variablen Drossel in dem ersten und dem zweiten Drosselflusspfad umfasst und wobei die Flüssigkeitsflussraten in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad verstellt werden, indem die Permeabilitäten der variablen Drosseln geändert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Verstellens das Verstellen des Flüssigkeitsflusses in dem ersten und dem zweiten Sensorflusspfad umfasst, indem die Ausgangsflussraten der ersten und der zweiten Pumpe geändert werden und die Permeabilitäten des ersten und des zweiten Drosselelements geändert werden.
Vorrichtung zum Messen von Flussraten einer Flüssigkeit in einem Kapillarsystem (25), umfassend: einen ersten Flussteiler (12) und einen zweiten Flussteiler, einen ersten Flusspfad (10), in dem Flüssigkeit zu dem ersten Flussteiler befördert wird; einen zweiten Flusspfad, in dem Flüssigkeit zu dem zweiten Flussteiler befördert wird; einen ersten Druckflusspfad (14), in dem ein erster Teil der Flüssigkeit von dem ersten Flussteiler befördert wird; einen zweiten Druckflusspfad, in dem ein erster Teil der Flüssigkeit von dem zweiten Flussteiler befördert wird; einen ersten Rückführflusspfad (16), in dem ein zweiter Teil der Flüssigkeit von dem ersten Flussteiler befördert wird; einen zweiten Rückführflusspfad, in dem ein zweiter Teil der Flüssigkeit von dem zweiten Flussteiler befördert wird; einen ersten Druckwandler, der betriebsfähig in dem ersten Druckflusspfad angeordnet ist und ausgestaltet ist, den Druck der Flüssigkeit in dem ersten Druckflusspfad zu messen, um ein erstes Druckflusspfadsignal zu erzeugen, wobei der erste Druckwandler in fluider Kommunikation mit einer ersten Flusserfassungsdrossel steht, einen zweiten Druckwandler, der betriebsfähig in dem zweiten Druckflusspfad angeordnet ist und ausgestaltet ist, den Druck der Flüssigkeit in dem zweiten Druckflusspfad zu messen, um ein zweites Druckflusssignal zu erzeugen, wobei der zweite Druckwandler in fluider Kommunikation mit einer zweiten Flusserfassungsdrossel steht, ein fluidisches Kreuzstück in fluider Kommunikation mit der ersten und der zweiten Flusserfassungsdrossel; einen fluidischen Kreuzdruckwandler in fluider Kommunikation mit dem fluidischen Kreuzstück, der ausgestaltet ist, den Druck an dem fluidischen Kreuzstück zu messen, um ein fluidisches Kreuzdrucksignal zu erzeugen, und eine Steuereinheit, die das erste Druckflusssignal und das zweite Druckflusssignal und das fluidische Kreuzdrucksignal aufnimmt und ein Ausgangssignal bereitstellt, das die erste Druckflussrate und die zweite Druckflussrate repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Vorrichtung ferner ein Steuerventil in fluider Kommunikation mit dem fluidischen Kreuzdruckwandler umfasst, wobei das Steuerventil ferner in fluider Kommunikation mit einer Abfalldrossel steht, wobei das Steuerventil in Kommunikation mit der Steuereinheit steht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Abfalldrossel einen ununterbrochenen Fluss durch den fluidischen Kreuzdruckwandler ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Druckwandler und die Flusserfassungsdrosseln ferner in einem isothermischen Block enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Kapillarsystem ein Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System umfasst, das Druckpfadflussraten in einem Bereich von etwa 1 nl/min bis etwa 100 µl/min aufweist.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19 in einem Verfahren zum Herstellen von Flussraten einer Flüssigkeit im Nanobereich in einem Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System, umfassend: Teilen eines ersten Flusspfads in einen ersten Druckflusspfad und einen ersten Drosselflusspfad mit einem ersten Flussteiler; Teilen eines zweiten Flusspfads in einen zweiten Druckflusspfad und einen zweiten Drosselflusspfad mit einem zweiten Flussteiler, Bereitstellen eines fluidischen Kreuzstücks mit einem fluidischen Kreuzdruckwandler; Messen eines ersten Drucks in dem ersten Druckflusspfad; Messen eines zweiten Drucks in dem zweiten Druckflusspfad; Messen eines dritten Drucks in dem fluidischen Kreuzstück; und Verstellen des Flusses in dem ersten und dem zweiten Druckflusspfad in Reaktion auf die Messungen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Verstellens das Verstellen des Flüssigkeitsflusses in dem ersten und dem zweiten Druckflusspfad im Verhältnis zu einem gemessenen Druckunterschied zwischen der ersten Druckmessung und der dritten Druckmessung und der zweiten Druckmessung und der dritten Druckmessung umfasst.