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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kapillareinheit, die zum Verbinden verschiedener Komponenten einer analytischen Messvorrichtung, zum Beispiel eines Flüssigkeitschromatographen miteinander geeignet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In einem Flüssigkeitschromatographiesystem (LC-System) werden häufig Verbindungskapillaren, sowie aus Kapillaren hergestellte Säulen verwendet.
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In einem Flüssigkeitschromatographiesystem ist die LC-Säule zwischen einem Injektor und einem LC-Detektor zum Trennen von einem oder mehreren interessierenden Bestandteilen von den verschiedenen störenden Stoffen in einer Probe angeordnet, damit diese interessierenden Bestandteile durch einen LC-Detektor nachgewiesen werden können.
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Die Kapillar-LC ist eine Ausführung im Mikromaßstab der herkömmlichen Flüssigkeitschromatographie und ihre Beliebtheit hat während der letzten Jahrzehnte schnell zugenommen. Kapillar-LC-Säulen weisen einen extrem kleinen Lösungsmittelverbrauch auf und erfordern für die Analyse kleine Probenvolumina. Eine weitere Miniaturisierung der Chromatographie ist unter dem Namen Nano-LC bekannt, dabei betragen die Durchflussraten typischerweise weniger als 1.000 nL/min und Säulen weisen typischerweise einen Durchmesser von ungefähr 75 μm (innerer Durchmesser) auf. Analog zur herkömmlichen Flüssigkeitschromatographie bestehen die Nano-LC und Kapillar-LC ebenfalls aus einer Mikropumpe, einer Kapillarsäule, einen Detektor und einer Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Kapillarsäule ist für das System wesentlich, weil sie der Ort ist, an dem der Trennungsprozess stattfindet.
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Eine Kapillar-LC-Säule wird durch Packen einer Kapillarsäule mit Siliziumdioxidmedien, wie zum Beispiel gebundenen Silikatteilchen, die ebenfalls als Packungsmaterial bezeichnet werden, hergestellt. Für Kapillarsäulen sind verschiedene Arten von Materialien, wie zum Beispiel Quarzglas, Edelstahl und Polymere mit hoher Zugfestigkeit verwendet worden. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sind Quarzglaskapillaren die üblichsten für die Herstellung von Kapillar-LC-Säulen. Quarzglaskapillarsäulen weisen innere Durchmesser von weniger als 1 mm und typischerweise von weniger als 0,25 mm auf. Sie sind stabil und können einen hohen Packungsdruck aushalten. Es ist einfach, ihre Säulenmaße während der Herstellung zu steuern und während des Packens verformen die Säulen nicht. Weiterhin ist die Wand einer Quarzglaskapillare glatt, was für das Packen sehr wünschenswert ist.
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Obwohl Quarzglaskapillaren unübertroffene Vorteile aufweisen, weisen sie bestimmte Einschränkungen auf. Die bedeutendste Einschränkung rührt von der spröden und zerbrechlichen Natur des Glasmaterials her, aus dem sie angefertigt sind. Die zerbrechliche Natur einer dünnen, Quarzglaskapillare macht das Packen, den Versand und die Handhabung schwierig. Zum Schutz wird im Allgemeinen eine Schicht Polyimid auf die Außenseite der Quarzglaskapillare aufgebracht. Erleidet die Polyimidschicht jedoch auch nur einen kleinen Kratzer während der Herstellung oder der Handhabung, verliert sie ihre Wirkung und die Kapillare kann auch schon mit nur einer leichten Berührung brechen.
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Zum Vermeiden einer Schädigung der gepackten Kapillar-LC-Säule wird manchmal zum Schutz eine Abschirmung aus Edelstahl bereitgestellt. Obwohl der derzeit erhältliche Stahlschutz ein Brechen der Kapillaren verhindert, sind sie starr und benötigen somit lange Verbindungskapillaren, um die Kapillarsäule zwischen den Injektor und den Detektor eines LC-Systems einzubauen. Dies erzeugt ein unnötiges zusätzliches Totvolumen der Säule, das die Trennungsleistung der Säule vermindert. Überdies ist zusätzlich zu dem Packungsprozess ein separater Montageprozess erforderlich, der zusätzliche Kosten für die Herstellung von Kapillar-LC-Säulen verursacht.
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Wird eine Quarzglassäule fest mit einer anderen Komponente verbunden, wird häufig eine Hülse zum Festziehen und Feststellen eines Endstücks an dem Ende der Kapillarsäule benötigt. Während des Packungsprozesses wird ein Ende der Kapillare typischerweise mit einer Anschlusseinheit eingefasst und das andere Ende wird mit einem Vorratsbehälter für die Aufschlämmung verbunden. Während des Packens wird in der Anschlusseinheit eine flexible Hülse verwendet, weil zum Einfassen des Endes für ein Packen unter hohem Druck ein ausreichendes Festziehen erforderlich ist. Die Hülse erleichtert das Festziehen und gleicht die Größe der Kapillare aus, die für das Anschlussstück zu eng ist. Bei unzureichendem Festziehen kann der Packungsdruck ein Öffnen der Anschlusseinheit bewirken, obwohl ein zu starkes Festziehen die Kapillare schädigen kann.
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HPLC findet besonders in dem Gebiet der Proteomik Verwendung, das heißt das Untersuchen des gesamten Proteinkomplements einer Zelle oder einer Gewebeprobe, wobei die proteolytischen Fragmente von Proteinen (zum Beispiel Peptiden) durch HPLC getrennt werden, bevor sie mittels Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Da die in Proteomexperimenten analysierten Proben typischerweise sehr komplex und nur in sehr kleinen Mengen erhältlich sind, ist es häufig eine Herausforderung, eine ausreichende Empfindlichkeit und Analysegeschwindigkeit zu erhalten. Die Empfindlichkeit wird durch Verringern der Durchflussrate der mobilen Phase in Kombination mit der Verwendung von Nanosäulen (das heißt Säulen mit kleinem Innendurchmesser) optimiert.
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Obwohl die Verwendung von Nanosäulen zum Optimieren der analytischen Empfindlichkeit erforderlich ist, ruft sie eine Reihe von Komplikationen hervor, insofern als ein absolut zuverlässiges Verbinden von Röhren mit kleinem Innendurchmesser schwierig ist; Röhren mit dem erforderlichen Innendurchmesser nur aus einer bestimmten kleinen Auswahl zerbrechlicher Materialien hergestellt werden können; und die verwendeten kleinen Durchmesser einen sehr hohen chromatographischen Druck erfordern, um die Flüssigkeit durch die Röhre mit der benötigten Durchflussrate zu treiben.
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Die
WO2009/147001 A1 offenbart eine integrierte Trennungssäule mit verschiedenen Anschlussstücken.
1 jenes Dokuments zeigt zum Beispiel eine Ausführungsform, bei der die integrierte Säule (einschließlich Anschlussstücken und Elektrospraynadel) in einem Kunststoffmaterial eingebettet ist. Indes gibt es keine Offenbarung von Hülsen, die leicht mit anderen Mitteln, wie zum Beispiel Pumpen, Ventilen, analytischen Vorrichtungen usw. verbunden werden können. Die in der
WO2009/147001 verwendeten Anschlussstücke umfassen Hülsen (oder Röhren), auf die die Klemmhülsen gesetzt werden und angezogen werden können. Derartige Hülsen oder Metallröhren werden üblicherweise in der analytischen Chemie verwendet. Jedoch ist in der
WO2009/147001 A1 die gesamte Anordnung, umfassend die Säule, die Hülsen und Klemmhülsen mit einem Kunststoffmaterial überzogen und daher können die Hülsen nicht mit anderen Mittel verbunden werden, ohne dass das die Klemmhülsen bedeckende Kunststoffmaterial entfernt wird. Da aber das in der
WO2009/147001 A1 beschriebene Ziel der Erfindung genau darin besteht, eine integrierte Trennsäule, einschließlich Anschlussstücken zur Verfügung zu stellen, wobei der Verbraucher keinen Zugang zu den Anschlussstücken (die von einem Kunststoffmaterial überzogen sind) hat, stellt die
WO2009/147001A1 keine allgemeine Kapillare bereit.
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Druckschrift
US 2003/0 235 373 A1 betrifft eine Multi-Core-Hülse für die Montage von zwei oder mehreren optischen Faserkerne, wobei eine Vielzahl von Bohrungsteilen definiert ist, die in zueinander parallelen und aneinandergrenzenden Beziehung angeordnet sind.
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Druckschrift
US 2005/0 077 222 A1 offenbart ein Flüssigkeitschromatographiesystem (
10) mit einer Säule (
12), die eine Innenbohrung (
13) und eine an einer Extremität der Säule (
10) monierte Anschlussanordnung (
16,
18,
20) aufweist. Außerdem bedeckt eine Hülse (
14) die Säule (
12).
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Druckschrift
US 2010/0 000 927 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bereitstellung einer Leitung (
5,
7) zum Leiten eines Mediums, wobei die Leitung mit einem Funktionselement ausgestattet ist, das zum Beispiel zum Kuppeln, Verbinden, Abdichten, Befestigen, oder Positionieren der Leitung angepasst ist.
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Druckschrift
DE 11 2005 000 696 T5 offenbart eine Kapillarsäule, die eine Säule, eine erste Kapillare und eine zweite Kapillare aufweist, wobei die zweite Kapillare teilweise innerhalb der ersten Kapillare angeordnet ist, wobei die zweite Kapillare innerhalb der ersten Kapillare unter Verwendung eines Haftmittels fixiert ist und wobei ein Abschnitt der zweiten Kapillare aus der ersten Kapillare vorsteht.
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Druckschrift
DE 40 14 605 A1 betrifft einen mehrteiligen Chromatographiesäulenanschluß, bestehend aus einer am Wulst eines Säulenkörpers oder einem Gewinde einer Metallsäule oder einem diesen umgebenden Mantel verankerten zweiteiligen Verschraubung mit Oberteil und Unterteil.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem Mittel zum Vereinfachen der Verwendung zerbrechlicher Säulenmaterialien.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kapillareinheit für die analytische Messtechnik bereitzustellen, wobei die Kapillareinheit einen kleinen und im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser, eine glatte Innenwand aufweist und die mit Anschlussstücken auf einfache Art ausgestattet werden kann und die nicht die vorher erwähnten Nachteile aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gelöst wird die Aufgabe mit einer Kapillareinheit in Verbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die vorliegende Erfindung löst die vorstehenden Aufgaben, indem sie ein Mittel zum Vereinfachen der Verwendung zerbrechlicher Säulenmaterialien bereitstellt. Dies umfasst das Verstärken der zerbrechlichen Röhre durch Hinzufügen von Stahl- oder PEEK-Hülsen und/oder das Einbetten der zerbrechlichen Röhre in ein spritzgegossenes Harz, so dass die zerbrechliche Röhre nicht direkt der Handhabung und Bedienung des Anwenders ausgesetzt ist. Eine weitere funktionelle Verbesserung wird durch Einbeziehen zusätzlicher Bestandteile innerhalb des Harzes erhalten. Dadurch wird eine vielseitige und stabile Kapillareinheit erhalten.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, verwendet die erfindungsgemäße Kapillareinheit Hülsen, vorzugsweise Stahl- oder PEEK-Hülsen, mit denen nur die Endbereiche der Kapillare versehen werden. In den Bereichen der Kapillare, in denen es keine Hülsen gibt, ist die Kapillare mit einer flexiblen Kunststoffschicht überzogen, die in direktem Kontakt mit der Kapillare ist. Auf diese Weise wird ein zusätzlicher Schutz gegen Kratzer erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Glaskapillare eine Quarzglaskapillare; jedoch können ebenfalls andere Materialien verwendet werden, wie zum Beispiel Borosilikatglas und dünnwandige Polymer- und Metallröhren.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf eine Kapillarsäule, wie zum Beispiel eine Silikatglaskapillarsäule, oder verbindende Kapillarröhren, die zusammen mit den beigefügten Endhülsen zum Verbinden über ein Anschlussstück mit angrenzenden Flüssigkeitsleitern in einer Polymermatrix eingebettet ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Kapillareinheit bereit, umfassend:
- • eine Kapillare, vorzugsweise eine Quarzglaskapillare mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende;
- • Hülsen, die die Enden der Kapillare bedecken, wobei die Hülsen so angepasst sind, dass sie fest an dem Außendurchmesser der Kapillare sitzen, und
- • eine ausgeformte Kunststoffbeschichtung, vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoffmaterial, das die Kapillare und einen Teil der Hülsen bedeckt, wobei ein Bereich der Hülsen zum Verbinden mit anderen Mitteln nicht beschichtet bleibt.
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Es ist wichtig zu betonen, dass ein ausgeformter Kunststoffüberzug ausschließlich die Kapillare und einen Teil der Hülsen überzieht und nicht zum Beispiel die Klemmhülsen oder andere Anschlussstücke wie in der
WO2009/147001 A1 . Dementsprechend kann die Kapillareinheit der vorliegenden Erfindung leicht von den Mitteln, mit denen sie verbunden ist, abgetrennt werden, welches im Gegensatz zu der integrierten Vorrichtung in der
WO2009/147001 A1 ist, bei der die Verbindung auf das spezifische Anschlussstück begrenzt ist, das aus dem Beschichtungsmaterial hervorsteht.
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Das Plastifizieren des Teils kann auf verschiedene Weise erreicht werden, vorzugsweise durch Erhitzen des Kunststoffmaterials über die Erweichungstemperatur hinaus, um es in seinen Erweichungsbereich zu bringen und weich zu machen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gesamte Säule und die Anschlussstücke von dem Kunststoffmaterial umgeben. Das geformte Teil kann ein vorgeformtes Teil sein, das an die Form der Silikatkapillare und des Formwerkzeugs angepasst ist.
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Das Ausformen des Formteils kann durch Schließen des Formwerkzeugs und Ausüben von Druck auf das vorgeformte Teil erreicht werden. Alternativ dazu wird dies durch Schließen des Formwerkzeugs und Erwärmen des Formwerkzeugs zusammen mit dem Kunststoffmaterial erreicht.
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Es kann das Formen des ausgeformten Teils durch Einspritzen eines geschmolzenen Kunststoffmaterials in eine Form erreicht werden, in der die Kapillare mit Hülsen angeordnet ist, so dass es ermöglicht wird, dass der geschmolzene Kunststoff diese Teile einbettet und dabei abkühlen und härten kann, damit er fest wird. Alternativ dazu kann das geformte Teil gestaltet werden, indem Druck auf das Kunststoffmaterial ausgeübt wird, der aufgrund der thermischen Ausdehnung des Kunststoffmaterials durch Erhitzen des geschlossenen Formwerkzeugs, das das Kunststoffmaterial umfasst, ausgeübt wird. Alternativ dazu kann Druck auf das Kunststoffmaterial ausgeübt werden, indem das Formwerkzeugs geschlossen wird, oder das Kunststoffmaterial und/oder das Formwerkzeug aktiv abgekühlt wird. Eine weitere alternative Ausführungsform kann noch erreicht werden, indem Chemikalien vermischt werden, die nacheinander in einer Form polymerisieren, wobei sie die Kapillare mit Hülsen und anderen zugehörigen Komponenten einbetten.
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Die Kunststoffmaterialien der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise auf Polyamid oder Polyurethan basierende thermoplastische Heißschmelzkunststoffe, wie zum Beispiel die, die unter dem Markennamen MacroMelt (Henkel Kommanditgesellschaft) vertrieben werden.
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Diese umfassen wenigstens eine bei Raumtemperatur fließfähige polymerisierbare Verbindung in Kombination mit einer Polymermatrix, die in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, um die Zusammensetzung bei Temperaturen von wenigstens über 49°C nicht fließfähig zu machen. Der polymerisierbare Stoff oder Zusammensetzung kann aus einer großen Gruppe von Materialien, umfassend anaerobe Stoffe, Epoxide, Acryle, Polyurethane, olefinische Verbindungen und Kombinationen davon, ausgewählt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Quarzglaskapillareinheit der vorliegenden Erfindung mit PEEK-Hülsen an jedem Ende, wobei Harz den Mittelteil der Kapillare, einschließlich näherungsweise einem Drittel des mittleren Endes von jeder Hülse bedeckt.
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2 zeigt ein Formwerkzeug (40), das zum Herstellen der Kapillareinheit von 1 verwendet wird.
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3 stellt ein Vorformungsverfahren eines gewickelten Stücks Quarzglas dar.
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4 zeigt das aus dem in 3 dargestellten Verfahren erhaltene Produkt.
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5 stellt ein kontinuierliches Formungsverfahren dar, wobei eine Form, die eine kleinere Länge als die erwünschte der eingebetteten Röhre aufweist, mit offenem Ende hergestellt werden kann.
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6 zeigt eine Säule, die aus einer Quarzglasröhre hergestellt ist und mit einer Elektrospray-Quelle verbunden ist und entlang eines Heizdrahts und scheibenförmigen Elements aufgewickelt ist, die das Formen der Rolle erleichtern.
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7 zeigt das aus dem in 6 dargestellten Verfahren erhaltene Produkt.
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8 zeigt das Formen, wobei das Harz auf und in eine Klemmhülse hinein geht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die in den 1 und 2 gezeigte Anordnung umfasst eine Silikatkapillare mit Hülsen. Der Formstoff umfasst ein Kunststoffmaterial, zum Beispiel ein thermoplastisches Material, wie zum Beispiel das auf Polyamid und Polyurethan basierende MacroMeltTM. Das Kunststoffmaterial wird so ausgewählt, dass es mit einem eine Form umfassenden Formwerkzeug geformt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann das Kunststoffmaterial vollständig geschmolzen und danach auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Daher kann das Kunststoffmaterial eine chemische Bindung mit den Außenflächen der Kapillare und Hülsen eingehen.
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Insbesondere zeigt 1 eine Kapillare (10) insbesondere eine Quarzglaskapillare ~360 μm OD mit PEEK- oder Stahlhülsen (20) an jedem Ende und Harz (30), das den Mittelteil der Kapillare (10), einschließlich näherungsweise einem Drittel des mittleren Endes jeder Hülse (20) bedeckt. Detail A von 1 zeigt die Überlappung von Harz auf der Hülse. Unabhängig von dem für die Hülse verwendeten Material würden typische Hülsenmaße einen Innendurchmesser von ~375 μm, eine Länge von näherungsweise 3 cm und einen Außendurchmesser von 1/16'' aufweisen, das eine weit verbreitete Standardgröße für HPLC-Röhren und Anschlusssysteme ist.
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2 zeigt ein Formwerkzeug zur Herstellung einer Kapillareinheit von 1, wobei die PEEK-(oder Stahl-)Hülsen (20) von dem Formwerkzeug (40) an jedem Ende fest gehalten werden und dadurch ein gut definierter Endpunkt für den von Harz (30) bedeckten Abschnitt erzeugt wird.
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3 zeigt das Vorformen eines aufgewickelten Stücks Quarzglas (100) mit Hülsen (200). Die Form (400) und ihr erzeugtes Produkt zeigen beispielhaft, wie ein kleiner Abschnitt eines Quarzglasröhrenstücks in einem ersten Formgebungsverfahren eingebettet werden kann, damit eine besonders erwünschten Form des Endprodukts erhalten wird, das seine endgültige Form durch nur zwei oder mehrere aufeinanderfolgende Formungsschritte erhält. Ein Beispiel für ein solches Produkt, das durch ein zweistufiges Formgebungsverfahren erhalten wird, ist in 4 gezeigt, wobei das Kunststoffmaterial zum Beschichten (300) einen Teil der Hülsen (200) bedeckt.
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5 zeigt ein „kontinuierliches” Formgebungsverfahren, wobei eine Form, die eine kleinere als die erwünschte Länge der eingebetteten Röhre (1000) aufweist, mit offenen Enden durch zeitweises Einfügen eines zylindrischen Stücks hergestellt werden kann, das sobald das Harz gehärtet ist, entfernt werden kann, worauf die Form ausgetauscht wird und ein weiteres Mal Harz eingespritzt wird, bis eine Hülse (2000) erzielt ist. Die Form (4000) kann so geformt sein, dass das Harz (3000) von zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen (konzentrisch) über einen kleinen Abschnitt hinweg für zusätzliche Festigkeit überlappt.
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In 6 ist eine aus einer Quarzglasröhre hergestellte Säule gezeigt, die mit einer Elektrospray-Quelle an einem Ende verbunden ist und entlang eines Heizdrahts und scheibenförmigen Elements aufgewickelt ist, die das Formen der Rolle erleichtern. Der Schnitt B-B zeigt einen Querschnitt der Einheit, wobei Teil (2) die eigentliche Säule und Teil (3) das Ende des Heizdrahts ist. Detail B stellt einen Querschnitt des scheibenförmigen Elements (1) und fünf Windungen der Säule (2) ganz in der Nähe der fünf Windungen des Heizelements dar. Der Rand des Harzes wird gezeigt (4). 7 zeigt das Äußere der eingebetteten Säule und des Heizdrahts; die Elektrospray-Quelle ist die Komponente auf der entfernten rechten Seite der Einheit. In diesem Fall ist die Säule mit einem Durchmesser von ungefähr 5 cm aufgewickelt und in einem Harz mit ringähnlicher Form eingebettet. Es können ebenfalls andere Durchmesser und nicht kreisförmige Bahnen und andere Formen gewählt werden. Die Anzahl von Windungen einer Säule und des Heizdrahts kann im Bereich von 1 bis zu mehreren hundert liegen und die zwei Materialien können eine ganz unterschiedliche Anzahl von Windungen aufweisen.
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In 8 ist gezeigt, wie das Formen ausgeführt werden kann, wobei das Harz (30) auf und in die Klemmhülse (50) hinein geht und somit diese Komponente auf einer gut definierten Position bezüglich des Endes der Hülsen-/Röhren-Einheit während des Spritzgussverfahrens festsetzt. Die Bezugszahlen sind die gleichen wie diejenigen in 2.
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Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Teile umfassen: ein eine HPLC-Säule umgebendes Teil mit Anschlussstücken, die in einem Formwerkzeug zum Bilden und Formen der Form der integrierten Säule und zum Anbringen von Hülsen (und eventuell Anschlussstücken) plastifiziert und geformt sind. Das Formwerkzeug umfasst ein Kunststoffmaterial. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Technik das Versiegeln und Positionieren von Hülsen und Säule. Das Formwerkzeug kann vorteilhaft die Säule in eine gewünschte Form mit guter Formstabilität und hoher Reproduzierbarkeit formen. Zusätzlich können enge Toleranzen, beispielsweise durch genaues Einstellen der Verfahrensparameter, wie die Temperatur und die Aufenthaltszeit innerhalb des Formwerkzeugs, eingehalten und beibehalten werden.
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Das Formteil kann als ein vorgeformtes Teil ausgeführt werden, wobei die Gestalt des vorgeformten Teils an die Gestalt der Säule/Kapillare und Hülsen/Anschlussstücke und das Formwerkzeug angepasst ist. Das vorgeformte Formteil kann weich gemacht werden, indem das Kunststoffmaterial über die Erweichungstemperatur oder über diese hinaus erhitzt wird und es in seinen Erweichungsbereich gebracht wird, um es weich und nachgiebig zu machen. Vorteilhafterweise kann das weichgemachte Kunststoffmaterial gleichmäßig auf die Außenflächen der Säule und Anschlussstücke geformt werden. Dies ermöglicht eine homogene Kraftverteilung über die Flächen. Abgesehen davon kann die mechanische Belastung nach dem Formen verringert werden.
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In einigen Ausführungsformen kann das vorgeformte Formteil zwei oder mehrere Einzelteile umfassen, wobei die Einzelteile miteinander verbunden sind.
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Besonders vorteilhaft kann das Formteil durch Einspritzen eines geschmolzenen Kunststoffmaterials in eine Form und Abkühlen auf eine Temperatur verwirklicht werden, bei der der Kunststoff einen stabilen Feststoff bildet, der flexibel oder vollständig starr in Abhängigkeit von der gewählten chemischen Zusammensetzung des Kunststoffmaterials ist.
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BEISPIEL, DAS DEN STAND DER TECHNIK MIT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG VERGLEICHT
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Stand der Technik
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Im Vergleich zu Standard-HPLC-Ausführungen sind UHPLCs (HPLCs im Ultrahochdruckbereich) so ausgeführt, dass ein höheres Vorvakuum unter Verwendung von beispielsweise stärkeren Motoren bei den Pumpen und verstärkten Ventilen und Verbundmaterialien innerhalb der Ventile und anderen wirksamen Bestandteilen erzeugt wird. Obwohl diese Komponenten mit der erforderlichen Sorgfalt und Überlegung aus derzeitigen Materialien hergestellt werden können, ist das derzeit am meisten beschränkende Bauteil die Röhre, die das Lösungsmittel mit Drücken von über 5.000 psi befördert. Für Chromatographiesysteme mit niedriger Durchflussrate, das heißt Durchflussraten unter 5 mL/min, weist der Außendurchmesser der Standard-LC-Röhre normalerweise einen der drei Standardgrößen auf: 360 μm, 1/32'' und 1/16''. Die Innendurchmesser liegen tendenziell in einem Bereich von 5 μm bis 300 μm, aber jede Größenkombination von 360 μm OD und mehr als 200 μm ID wird eine sehr kleine Wandstärke aufweisen und zu zerbrechlich für eine normale Verwendung und Handhabung sein.
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Das für die LC-Röhre verwendete Material ist typischerweise eines aus: Stahl (316), Quarzglas oder PEEK. Neuere Arten von Röhren kombinieren zwei dieser Materialien, um ausgewählte Vorteile zu erhalten, die mit jedem der Materialien verbunden sind. Bedauerlicherweise weist jede Art von Röhre auf dem Markt, unabhängig davon, ob Materialien einzeln oder gemischt verwendet werden, schwerwiegende Nachteile auf, die ihre stabile Verwendung in der Nanodurchfluss-LC mit äußerst hohen Drücken verhindern.
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Zum Beispiel:
- – Die PEEK-Röhre mit einem Außendurchmesser von 1/16'' und sehr kleinem ID (bis beinahe 10 μm) kann in der Lage sein, Drücken bis zu 10.000 psi jedoch normalerweise nicht mit organischen Lösungsmitteln standzuhalten. Zum Beispiel wird häufig Acetonitril in der Chromatographie verwendet und dies bewirkt einen großen Schaden an der PEEK-Röhre bei Drücken von mehr als ungefähr 3.000 psi.
- – Die PEEKsil-Röhre besteht aus einem inneren Kern aus Quarzglas (im Wesentlichen eine Beschichtung) mit einer äußeren Schicht aus PEEK. Die PEEKsil-Röhre weist eine Druckauslegung von bis zu 12.500 psi auf, das ungefähr 50% mehr als für eine einfache PEEK-Röhre ist, und PEEKsil kann besser einem großen Bereich organischer Lösungsmittel standhalten, die zu einer Zerstörung des PEEK neigen. Jedoch kann PEEKsil nicht mit Innendurchmessern unterhalb von 25 μm hergestellt werden und es scheint, dass der Innendurchmesser der PEEKsil im Allgemeinen eine ziemlich signifikante Veränderung über die Länge der Röhre aufweist. Das heißt, ein Röhrenstück, das einen nominalen ID von 25 μm aufweisen sollte, kann von 50 μm bis 10 μm an unterschiedlichen Stellen der Röhre variieren. Diese ungleichmäßige Größe führt zu erheblich größerer Beschränkung für den Durchfluss im Vergleich zu einer Röhre mit einheitlichem Innendurchmesser, und ebenfalls nimmt das Risiko einer Blockierung, die durch die Partikel in der mobilen Phase der LC verursacht wird, um ein Vielfaches zu. Eine weitere Erschwerung bei der Verwendung der PEEKsil besteht darin, dass die innere Glasbeschichtung brechen und in kleinen Schuppen an oder in der Nähe der Stellen, an denen die Klemmhülsen in Zusammenschlüssen und Anschlussstücken festgezogen werden, abfallen kann. Derartige Schuppen können nacheinander die Durchflussströmung durch die Röhre blockieren oder Ventile und andere wirksame Komponenten durch Zerkratzen ihrer Oberflächen schädigen. Es gibt auf dem Markt viele Klemmhülsen, die so ausgelegt sind, dass sie dieses Problem des Schädigens der Röhrenenden beseitigen können, jedoch hat keine vollständig das Problem gelöst.
- – Edelstahl ist in Bezug auf Drücke, die es aushalten kann, extrem stabil und es ist normalerweise unkompliziert dichte Verbindungen mit Zusammenschlüssen und anderen Anschlussstücken unter Verwendung einer Vielzahl von Klemmhülsen und Mutter zu erhalten. Eine Stahlröhre ist ebenfalls in der Lage organischen Lösungsmitteln von nahezu jeder Art standzuhalten. Jedoch kann die Stahlröhre nicht mit einem Innendurchmesser von weniger als 125 μm hergestellt werden und normalerweise ist die untere Grenze tatsächlich 250 μm, wenn der OD einer der beiden Standardwerte 1/32'' oder 1/16'' beträgt. Wird eine Röhre mit kleinerem ID benötigt, muss ebenfalls der OD verringert werden, wodurch die Röhre zerbrechlich wird. Eine weitere Erschwerung bei der Verwendung einer Stahlröhre ist, dass angesäuerte wässrige Puffer dazu neigen, Korrosion und Salzbildung in der Stahlröhre hervorzurufen. Und eine zusätzliche Erschwerung ist, dass einige Analyte, zum Beispiel Phosphopeptide, dazu tendieren, mit Eisenionen der Stahloberfläche zu reagieren und zu adsorbieren, abgebaut zu werden oder anderweitig aus der Probe zu verschwinden.
- – Eine Edelstahlröhre kann mit einer Glasbeschichtung (zum Beispiel Katalognummer 24951 von www.SigmaAldrich.com) hergestellt werden, die die Probleme der chemischen Reaktivität von Stahl verringert, jedoch kann diese Röhre nicht mit einem Innendurchmesser von weniger als 250 μm erhalten werden.
- – Eine Quarzglasröhre für die Chromatographie ist aus Glas hergestellt, wobei die Außenseite mit einer Polyimidschicht beschichtet ist, die eine Dicke von normalerweise zwischen 8 μm und 20 μm aufweist. Eine Quarzglasröhre ohne Polymerbeschichtung ist äußerst zerbrechlich und bricht selbst unter sorgfältiger Handhabung und auch, wenn sie nur mäßigem Druck ausgesetzt wird. Daher kann sie für Hochdruckdurchflusslinien nicht brauchbar verwendet werden. Andererseits ist die beschichtete Quarzglasröhre sehr flexibel und kann ein beträchtliches Biegen aushalten (zum Beispiel kann eine Röhre mit einem OD von 360 μm, ohne zu brechen, in Windungen mit einem Durchmesser von 4 cm aufgewickelt werden). Untersuchungen haben berichtet, dass Polyimid-beschichtete Quarzglasröhren zum Überführen von Flüssigkeit mit bis zu 200.000 psi verwendet wurden, das heißt, das Zehnfache des oberen erzielbaren Druckgrenzwerts einer derzeitigen UHPLC-Vorrichtung. Anders gesagt, neigt beschichtetes Quarzglas dazu, sowohl flexibel als auch stabil zu sein. Dies ist jedoch nur für Röhren der Fall, bei denen die Beschichtung absolut intakt ist, und häufig kann beobachtet werden, dass selbst leichte Kratzer in der Polyimidbeschichtung zu einem Brechen der Quarzglasröhre selbst bei mäßigen Drücken oder Belastungen führen.
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Obwohl vielfältige Arten von Röhren für Kapillaren und die Nanodurchfluss-Chromatographie existieren, stellt keines der vorhandenen Materialien oder Materialkombinationen eine zufriedenstellende Lösung in Bezug auf mechanische und physikalische Stabilität, chemische Inertheit oder die Auswahl eines Innendurchmessers dar.
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Vorliegende Erfindung
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Mit einer an sich bekannten Vorrichtung können die stark verbesserten Kapillarröhren- und Säulenprodukte bereitgestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die neue Röhre ein zusammengefügtes Produkt, das einen inneren Kern aus einer Quarzglasröhre enthält, die mit dem am häufigsten verwendeten Polyimid beschichtet ist. Die gewünschte Länge der Röhre wird von einer Röhrenrolle abgeschnitten und jedes Ende wird mit einer konzentrischen Polymerröhre oder einer Stahlröhre, die fest an der inneren Röhre sitzt, umhüllt (das heißt mit einer Hülse versehen). Das heißt, dass der OD der Quarzglasröhre ein paar Mikrometer kleiner ist als der ID der Hülse. Dann wird der Teil der Quarzglasröhre, der nicht von den Hülsen bedeckt ist, in einem Polymerharz durch Spritzguss (in einer Form) eingebettet, wobei das Polymerharz danach unter Bildung einer äußeren Schutzschicht um das Quarzglas aushärtet. Das Harz kann ebenfalls einen Teil der Hülsen an einem oder beiden Enden bedecken und es kann ebenfalls vorteilhaft sein, weitere Komponenten in das vom Harz eingebettete Volumen einzuschließen, um eine zusätzliche Funktionalität der gesamten Einheit bereitzustellen.
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Dieser Innendurchmesser der Quarzglasröhre kann in vielen Größen erhältlich sein, während der Außendurchmesser eher einer der wenigen Standardgrößen entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der OD der Quarzglasröhre näherungsweise 360 μm, eine Größe, für die Hülsen bereits erhältlich sind. Diese Hülsen weisen häufig einen Außendurchmesser von näherungsweise 1/32'' oder 1/16'' auf, der wiederum eine Standardgröße für Verbindungselemente und Anschlussstücke auf dem Gebiet der Chromatographie ist. In einer bevorzugten Ausführungsform können Hülsen aus Perfluorpolymeren, Stahl oder PEEK hergestellt sein. Normale Längen von Hülsen liegen im Bereich von ungefähr 2 cm bis 5 cm.
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Das Harz für den Spritzguss kann eine von vielen chemischen Zusammensetzungen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein auf Polyurethan basierendes Heißschmelzharz (MacroMelt von Henkel) verwendet, um ein stabiles, jedoch auch etwas flexibles Material zu ergeben, das gut an die Polyimidschicht der Quarzglasröhre bindet und ebenfalls an die Außenfläche der Hülsen bindet.
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Wird die in Harz eingebettete Quarzglasröhre gemäß den Beschreibungen hierin hergestellt, konnten mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik festgestellt werden, die Folgende umfassen:
Wird die Quarzglasröhre in Harz eingebettet, so ist sie druckfest bis zu ungefähr 20.000 psi, wenn der Innendurchmesser des Glases weniger als 150 μm beträgt. Dank der Harzschutzschicht kann die Polyimidschicht nicht zerkratzt werden und somit ist die Einheit selbst beim Handhaben und Biegen unter Druck stabil.
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Hülsen und Klemmhülsen können in Bezug auf den Flüssigkeitsdurchgang fest angebracht werden, so dass eine dichte Einheit mit Anschlussstücken und anderen wirksamen Komponenten eines HPLC-Systems bereitgestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- scheibenförmiges Element
- 2
- Säule
- 3
- Ende des Heizdrahts
- 4
- Rand des Harzes
- 10
- Kapillare
- 20
- Hülsen
- 30
- Harz
- 40
- Formwerkzeug
- 50
- Klemmhülse
- 100
- Quarzglas
- 200
- Hülsen
- 300
- Beschichten
- 400
- Form
- 1000
- Röhre
- 2000
- Hülse
- 3000
- Harz
- 4000
- Form
