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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein integriertes System zur Flüssigkeitstrennung, wie z.B. LC, CE, Affinitätschromatographie, und lonenaustauschchromatographie, und Elektrospray Ionisation. Eine bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf eine spezielle Schutzvorrichtung zum Schutz der empfindlichen Elektrospray Nadel wenn diese nicht in Betrieb ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf eine spezielle Vorrichtung zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Anlegen einer Spannung an die Elektrospray Nadel.
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Hintergrund der Erfindung
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Proteomics, die Untersuchung von Proteinstrukturen und -funktionen, stellt einen Forschungsschwerpunkt für kommende Jahrzehnte dar, da es dieses Gebiet erlaubt, die Grundlagen des Lebens und die molekulare Basis von Gesundheit und Krankheit zu aufzuklären. Die Analyse komplexer Protein-Gemische beinhaltet für Gewöhnlich zwei Schritte: Molekulare Auftrennung und Identifikation/Charakterisierung. Die Methode der Wahl zur Protein-Identifizierung und Charakterisierung ist die Massenspektrometrie (MS), bei der die Analyten von Interesse durch Elektrospray-Ionisation (ESI) oder Matrixunterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) ionisiert werden. Zwei Trennungsmethoden dominieren dabei das Gebiet der Proteomics: Die 2-Dimensionale Gelelektrophorese (2D-GE) und die Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC). Ein bedeutender Vorteil der HPLC gegenüber der 2D-GE ist die relativ einfache Kopplung zur MS über die ESI.
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Eine der Anforderungen des schnell wachsenden Forschungsgebiets der Proteomics ist die Miniaturisierung bioanalytischer Methoden, siehe z.B. T.Laurell und G. Marko-Varga, „Miniaturization is mandatoryunraveling the human proteome", Proteomics, (2002), Vol. 2, Seite 345-351, Lion, N.; Rohner, T.C.; Dayon, L.; Arnaud, I. L.; Damoc, E.; Yonhnovski, N.; Wu, Z. Y.; Roussel, C.; Josserand, J.; Jensen, H.; Rossier, J.S.; Przybylski, M.; Girault, H.H. Electrophoresis 2003, 24, 3533-3562. Beleg für die Miniaturisierung in der Flüssigchromatographie sind die zunehmende Verwendung kleinerer Partikelgrößen, kleinere Säulendurchmesser, und entsprechend kleinerer Flussraten. Unter Laborbedingungen hat die Miniaturisierung zu einer höheren Auflösung, einer größeren Empfindlichkeit, und einer schnelleren Trennung geführt.
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Eine weitere Anforderung ist das Eliminieren von Nutzereingriffen in den bioanalytischen Methoden um reproduzierbare Ergebnisse sicherzustellen. In dieser Beziehung integriert ein kommerziell erhältlicher mikrofluidischer Chip, der von Agilent Technologies, Inc. hergestellt wird, eine Trap-Säule, eine Trennsäule und eine Elektronenspray Quelle (z.B. ein Emitter) in einer einzigen Struktur, siehe z.B. Gottschlich, N.; Jacobson, S. C.; Culbertson, C. T.; Ramsey, J. M. Anal Chem 2001, 73, 2669-2674; Fortier, M. H.; Bonneil, E.; Goodley, P.; Thibault, P. Anal Chem 2005, 77, 1631-1640. Mittlerweile basiert dieses System auf mikrofluidischer Chip-Technologie, einer noch immer nicht komplett ausgereiften Technologie. Und obgleich diese Technologie viele benutzerfreundliche Vereinfachungen ermöglicht, ist die chromatographische Leistungsfähigkeit derzeit noch nicht in der Lage der von nicht-chipbasierten Systemen gleichzukommen.
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Während herkömmliche HPLC Säulen (d.h. Säulen mit Fittings für den Anschluss an herkömmliche Geräte) für die Verwendung mit nanoliter Flussraten (auch als nano-LC bezeichnet) überlegene Eigenschaften gegenüber der chip-basierten LC zeigen, macht das Problem eines unkorrekten Aufbaus von Fittings und fluidischen Verbindungen oft die Vorteile die mit herkömmlichen nano-LC Säulen verbunden sind wieder zunichte. In anderen Worten, können unkorrekte Verbindungen von LC Verschlauchungen zu LC Säulen zu Leckagen und folglich zu einer geringeren Sensitivität und chromatographischen Trennung führen. Ebenso können unkorrekte Verbindungen zu einem herkömmlichen Nano-elektronenspray Emitter nach der LC Säule ungewolltes Tot-volumen hervorrufen, das ebenfalls zu einer reduzierten Sensitivität und schwachen Trennleistung führt.
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Daher ist die Integration eines kompletten LC-ESI Systems, bei dem herkömmliche LC Säulen und Spray-Emitter verwendet werden, und bei dem der Endbenutzer nicht die korrekten fluidischen Verbindungen herstellen muss (korrekter Aufbau der Fittings), äußerst erstrebenswert.
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Die Säulen und Transferverbindungen, die gewöhnlicher Weise in Flüssigchromatographie-Systemen verwendet werden, die Fluss-Raten von weniger als 10 ↔L/Minute benutzen, haben sehr häufig sehr schmale Innen- wie Außendurchmesser. Folglich können solche Transferverbindungen und Säulen physikalisch anfällig sein. Dementsprechend ist es ebenfalls äußerst erstrebenswert, eine Möglichkeit zur mechanischen Entlastung von Spannung, Druck, Verbiegung, Verdrehung etc. bereitzustellen, so dass die dünnen Verbindungsteile geschützt sind und robust genug werden um dem täglichen Gebrauch in der Laborarbeit Stand zu halten.
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Die herkömmlich verwendete Verbindung zwischen Chromatographie und Massen Spektrometrie stellt die Elektronenspray lonenquelle dar. In der lonenquelle wird das Eluat von der Säule durch einen Emitter (auch als Nadel bezeichnet) geführt, der auf einem elektrischen Potential gehalten wird, welches sich gewöhnlich um ein oder mehrere Kilovolt von dem einer gegenüberliegenden Inlet-Öffnung des Massenspektrometers unterscheidet. Das versetzt das Eluat, und folglich den Analyten, in die Lage, elektrische Ladungen aufzunehmen (ionisiert zu werden) so dass die ionisierten Analyten in einem Massenspektrometer analysiert werden können. Die hohen elektrischen Potentialdifferenzen stellen ein Sicherheitsrisiko dar, wenn die geladenen Bereiche durch den Anwender berührt werden können. Deshalb ist es äußerst erstrebenswert, so viele Komponenten wie möglich effizient abzuschirmen, an denen das höhere Potential anliegt. Der Elektrospray Emitter ist eine dünne, zerbrechliche Komponente, die potentiell leicht zu beschädigen ist, wenn sie nicht vorsichtig gehandhabt wird und zudem spitzig ist, so dass durch sie Verletzungen hervorgerufen werden können. Es ist deshalb erstrebenswert, das Risiko einer Beschädigung des Elektrospray Emitters und das einer Verletzung durch den Kontakt mit diesem zu verringern.
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US 2008/0038152 A1 beschreibt ein System in dem eine Trennsäule, Verbindungs-Fittings und ein Spray Emitter in einem einzelnen Paket enthalten sind. Das Ende des Spray Emitters kann vorübergehend durch eine zurückziehbare Hülsenstruktur überdeckt werden, um das Gerät bis zur Installation und Inbetriebnahme des Systems zu schützen. Die zurückziehbare Hülse ist um den Elektronenspray Emitter verschiebbar angebracht und bis zu einer ausgefahrenen Position zum Schutz der Spray Spitze bewegbar. Die Hülse ist jedoch in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung frei verschiebbar wodurch es versehentlich dazu kommen kann dass der Emitter freiliegt.
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Die
WO 2010/102194 A1 offenbart eine Vorrichtung für chemische Trennungen, das ein mikrofluidisches Substrat mit einer Auslassöffnung zum Ausgeben eines Eluenten einer Probe umfasst, eine Sprüheinheit mit einem Einlass zum Aufnehmen des Eluenten und einen Auslass zum Ausstoßen eines Eluierungssprays und eine kraftausübende Einheit. Die Sprüheinheit weist einen verformbaren Abschnitt auf, der den Einlass definiert und einen Elastizitätsmodul aufweist, der niedriger als ein Elastizitätsmodul des Mikrofluidiksubstrats ist. Die kraftausübende Einheit, wie zum Beispiel eine Feder, ist angeordnet, um den verformbaren Abschnitt in Kontakt mit dem Substrat zu drücken, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zu bilden.
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Die nachveröffentlichte
WO 2013/063502 A2 offenbart Systeme, die in einigen Ausführungsformen Kapillarelektrophorese (CE) und CE in Verbindung mit Elektrospraylonisierung (ESI) als Eingabe in ein Massenspektrometriesystem (MS) durchführen. Einige der dort offenbarten Ausführungsformen verwenden eine hochspannungsisolierte CE-Stromversorgung, die so konfiguriert ist, dass sie auf dem Hochspannungsausgang einer ESI-MS-Stromversorgung mit einem Schutzwiderstand im ESI-MS-Pfad schwimmt, sowie eine Isolation eines DC / DC-Wandlers und eines Kommunikationssystems für die isolierte CE-Stromversorgung. Einige Ausführungsformen verwenden zusätzlich eine Kartuschenanordnung, die Trenn- und leitende Fluidkapillarenmit Flüssigkeitskühlung und schützende zurückziehbare Gehäuse für die Kapillarendabschnitte und für den ESI-Ausgang integriert. Das Schutzgehäuse kann ferner mit einem Adapter zum Verbinden mit verschiedenen MS-Systemen verwendet werden.
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Die
JP H08-236064 A offenbart eine in einer Wellenrichtung bewegbare Atomisierungskammer, die um eine Nadel herum angeordnet ist und an deren Vorderseite eine Spitze einer Entladungselektrode befestigt ist. Die ESI Anordnung, bei der eine Düse der Nadel weiter nach vorne steht als die Atomisierungskammer und die Entladungselektrode, und die APCI Anordnung, bei der die Düse innerhalb der Atomisierungskammer positioniert ist, werden einander durch einen V-Ring zu- oder abgeschaltet. In der ESI Anordnung wird die Nadel mit einer hohen Spannung beaufschlagt. In der APCI Anordnung wird die Entladungselektrode mit einer hohen Spannung beaufschlagt und eine Heizung der Atomisierungskammer wird beheizt.
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Die
WO 2009/147001 A1 offenbart ein integriertes System zur Flüssigkeitstrennung wie LC-, CE-, Affinitätschromatographie und lonenaustauschchromatographie, umfassend eine Säule und Endstücke, die in einem Kunststoffmaterial, wie einem thermoplastischen Polymer, eingebettet sind. Das System kann ferner einen Elektrospray-Emitter umfassen, der direkt mit dem Auslass der Säule verbunden ist, wobei ein wesentlicher Teil des Emitters mit dem Polymermaterial bedeckt ist. Es wird auch ein Verfahren bereitgestellt, bei dem eine Trennsäule zusammen mit den zugehörigen Endarmaturen zur Verbindung mit benachbarten Flüssigkeitsleitungen in eine Polymermatrix eingebettet wird. Diese Konfiguration z.B. stellt sicher, dass die werksseitige, korrekte Befestigung der Armaturen an der Säule erhalten bleibt.
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Die
GB 2467826 A offenbart ein Hochdruckflüssigkeitschromatographie- (HPLC) -System, das zwischen einem chromatographischen System und einem Massenspektrometer angeordnet ist, wobei das System eine HPLC-Kapillarsäulenkartuschenkassette umfasst, zum Empfangen von Daten von dem chromatographischen System die eingerichtet ist und eine Verbindung zum Aufnehmen eines Gasstroms, von Hitze und Spannung umfasst, die innerhalb einer Kapillarsäule der Kassette an eine flüssige Probe aufgebracht werden. Es ist eine Massenspektrometer-Schnittstellenvorrichtung vorgesehen, die einen Kassettenkassettenhalter zum Halten der Kassetten und zum Übertragen der flüssigen Probe in einem geladenen zerstäubten Zustand zu dem Massenspektrometer enthält. Es wird auch ein Verfahren zum Verarbeiten einer Probe aus einem Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) -System offenbart.
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Im Stand der Technik der Elektrospray lonisations -Kopplungen gibt es ein Bedürfnis nach einem besseren Schutzmechanismus für die Spitze während diese nicht in Benutzung ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung löst das Problem der versehentlichen Freilegung des Emitters dadurch, dass sie zum einen ein integriertes System für die Flüssigphasentrennung und Elektronenspray Ionisation bereitstellt, enthaltend:
eine Trennsäule; einen Elektrosprayemitter, verbunden mit der Trennsäule; und eine rückschiebbaren Schutzhülse zum Bedecken und/oder Stützen des Elektrosprayemitters entlang wenigstens einem Teil seiner Achse, wobei die Schutzhülse verschiebbar um den Elektrosprayemitter montiert ist; worin die rückschiebbare Schutzhülse in eine herausgefahrene Position bewegbar ist und worin eine Spitze des Elektrosprayemitters durch die Schutzhülse bedeckt ist und worin ein Rückstellelement bereitgestellt wird, um die Schutzhülse in die herausgefahrene Position zu bringen, wobei sie die Spitze des Elektrosprayemitters bedeckt, worin die Schutzhülse in einer äußeren Hülle eingeschlossen ist und darin beweglich ist, die äußere Hülle eine elektrisch leitende Hülle ist, die elektrisch leitende Hülle für die Insertion in einen Halter, der einen Hochspannungskontaktpunkt aufweist, ausgelegt ist, und die elektrisch leitfähige Hülle eine Nut aufweist, um den Hochspannungskontaktpunkt aufzunehmen.
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Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung eine elektrisch leitende Hülle enthalten, die den Emitter umgibt und einen elektrischen Kontakt herstellt. Ferner kann die vorliegende Erfindung Heiz/Kühl-Mittel enthalten, die um die gewickelte Trennsäule herum angebracht sind um die Temperatur der Trennsäule zu kontrollieren, wobei die Trennsäule, Elektrospray Emitter, und Heiz/Kühl-Mittel in ein Kunststoffmaterial eingebracht sind. Die Verwendung einer gewickelten Säule macht die Säule kompakt und dazu geeignet in ein kleines Volumen zu passen dessen Temperatur einfacher durch ein Heizelement kontrolliert werden kann, als wenn sie geradlinig ausgelegt wäre und eine gestreckte, typischerweise lange, Position einnehmen würde.
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In manchen Ausführungsformen ist die elektrisch leitende Hülle bevorzugt so angebracht, dass sie die Schutzhülse umschließt. Besonders bevorzugt ist die Schutzhülse innerhalb der elektrisch leitenden Hülle beweglich, wie es im Folgenden detailliert beschrieben wird Die Schutzhülse kann gegenüber dem Emitter fixiert sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Schutzhülse jedoch zurückziehbar, d.h. gegenüber dem Emitter. Ist die Hülse zurückziehbar, gewährleistet das, dass die Emitter Spitze freiliegt wenn sie in Betrieb ist, und dabei die Hülse beispielsweise nicht den Gas-Fluss und die Äquipotentiallinien um die Emitter-Spitze stört. Darüber hinaus blockiert eine zurückziehbare Hülse nicht die Sicht auf den Emitter, wenn dieser in Betrieb ist, wodurch man leicht das Spray beobachten kann. Die Schutzhülse ist bevorzugt verschiebbar auf dem Emitter positioniert. Die Schutzhülse ist bevorzugt zwischen einer ausgefahrenen (oder Schutz-) Position, in der sie den Emitter überdeckt, insbesondere dessen Spitze, und einer zurückgezogenen Position beweglich, in der der Emitter, insbesondere dessen Spitze, freiliegt. Wenn der Emitter freiliegt, kann er zur Elektronenspray Ionisation verwendet werden. Emitter Spitze meint dabei die Spitze, von der bei Betrieb die Ionen erzeugt werden. Somit bedeckt und unterstützt die Schutzhülse den Elektronenspray Emitter entlang zumindest eines Teils seiner Achse der die Emitter-Spitze einschließt.
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Bevorzugter Weise enthält die Schutzhülse einen im Wesentlichen zylindrischen Körper der den Emitter umgibt und diesem, besonders bevorzugt, als Auflage dient, d.h. wenn sie verschiebbar auf diesem angebracht ist. Der im Wesentlichen zylindrische Körper besitzt vorzugsweise eine Grundfläche mit einem größeren Durchmesser als der übrige Teil oder der Haupt Körper der Hülse.
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Erfindungsgemäß wird ein Rückstellelement bereitgestellt, bevorzugt eine Feder, z.B. in Verbindung mit der Schutzhülse, um die Hülse in Richtung ihrer ausgefahrenen Position zu schieben. Das Rückstellelement ist bevorzugter Weise in Kontakt mit einem Ende der Schutzhülse. Das Rückstellelement ist bevorzugter Weise zwischen der Trennsäule und der Schutzhülse positioniert. Auf diese Weise ist das Rückstellelement bei seiner Aktivierung in der Lage die Hülse dazu zu bringen, den Emitter abzudecken, wenn dieser geschützt werden muss. Das Rückstellelement erlaubt es auch, dass die Hülse von der Spitze des Emitters zurückgezogen wird, wenn der Emitter verwendet werden muss, z.B. wenn das integrierte System an einem Instrument zur massenspektrometrischen Analyse montiert ist. Um diese Rückführung zu ermöglichen, wird das Rückstellelement bevorzugt in einen zusammengedrückten Zustand gebracht, z.B. indem die Hülse in Richtung des Rückstellelements gedrückt wird. Das Rückstellelement schiebt die Hülse in die ausgefahrene Position so, dass die Hülse die ausgefahrene oder Schutz-Position annimmt, wenn auf die Hülse keine ausreichend große Kraft einwirkt, um sie gegen das Rückstellelement zu drücken. Das Rückstellelement oder die Feder versetzen die Schutzhülse dadurch in die Lage die Spitze des Emitters abzudecken, wenn der Emitter nicht verwendet werden muss, z.B. wenn das integrierte System von einem Instrument zur massenspektrometrischen Analyse abmontiert wird.
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Die Schutzhülse ist bevorzugt in einer äußeren Hülle enthalten, bei der es sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um die hier beschriebene elektrisch leitende Hülle handelt. Die äußere Hülle ist bevorzugt in ihrer Position fixiert in Bezug auf den Emitter. Die Schutzhülse ist bevorzugt in der Lage sich innerhalb der äußeren Hülle hin- und herzubewegen, was der Schützhülse ermöglicht in Bezug auf den Emitter zurückziehbar zu sein. In solchen Ausführungsformen wird das Rückstellelement, wie z.B. die Feder, ebenfalls vorzugsweise innerhalb der äußeren Hülle bereitgestellt um eine Kraft gegen die Hülse zu Verfügung zu stellen, besonders bevorzugt gegen das Ende der Hülse, um die Hülse in Richtung der ausgefahrenen Position zu schieben.
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Folglich wird in Ausführungsformen, in denen die Schutzhülse in Kombination mit der elektrisch leitenden Hülle verwendet wird, das Rückstellelement bevorzugt innerhalb der elektrisch leitenden Hülle zwischen der Trennsäule und Schutzhülsen-Abdeckung bereitgestellt, wobei die Feder bei Aktivierung in der Lage ist, die Hülse aus der Hülle herauszudrücken um den Emitter zu bedecken. Folglich kann die Schutzhülse in bestimmten bevorzugten Ausführungen herausgedrückt werden, sobald das System aus der Aufnahmehalterung gezogen wird (wie unten detaillierter beschrieben), d.h., die Federkraft wirkt permanent in der Weise dass sie die Hülse in die auswärts gerichtete Richtung drückt und demzufolge um den Emitter zu bedecken.
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Die Schutzhülse ist erstrebenswerter Weise aus einem robusten Material hergestellt, wie zum Beispiel einem Metall oder polymeren Material. Dadurch kann die Widerstandsfähigkeit der Hülse den empfindlichen Emitter den sie bedeckt schützen.
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Bevorzugter Weise ist die Trennsäule in einem Material aus Kunststoff eingebettet. Bevorzugter Weise ist der Elektronenspray Emitter, das heißt zumindest ein Teil dessen, in einem Material aus Kunststoff eingebettet. Beim Einbetten in das Material aus Kunststoff kann das integrierte System der vorliegenden Erfindung als Kartusche geformt werden, die zu einem Instrument für die massenspektrometrische Analyse passt.
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Bevorzugter Weise ist die Trennsäule direkt oder über eine Verbindungsleitung an den Elektrospray Emitter über ein oder mehrere End-Fittings angeschlossen. In bevorzugten Ausführungsformen sind besagte Trennsäule und End-Fittings in einem Material aus Kunststoff eingebettet. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen sind die besagte Trennsäule, die End-Fittings und der Elektrospray Emitter in einem Material aus Kunststoff eingebettet. Demzufolge ist das integrierte System bevorzugter Weise zumindest zum Teil in einem Material aus Kunststoff eingebettet. Auf diese Weise erfordert die integrierte Konstruktion dass weniger fluide Verbindungen durch einen Benutzer hergestellt werden und die Verbindungen und End-Fittings können nicht manipuliert werden, was das Risiko von Leckagen verringert. Stattdessen fallen die eingebetteten Verbindungen in den Verantwortungsbereich des Herstellers. Der Gesamtaufbau kann deshalb als komfortabler „Plug-and spray“ typ gestaltet werden, den der Benutzer lediglich in einen Aufnahme Rahmen oder eine Halterung an einem Instrument einpassen muss, z.B. für Massenspektrometrie. Geeignete Embedded-Designs und Verfahren zu deren Herstellung werden in der früheren Patentanmeldung des Anmelders
WO 2009/147001 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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Bevorzugt ist die Trennsäule eine LC Säule, z.B. eine HPLC Säule. Die LC Säule kann mit verschiedensten Flussraten verwendet werden, z.B. bis hinunter zu nano-LC Flussraten, d.h. 100nL/min oder weniger.
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Bevorzugter Weise ist die Trennsäule, das heißt zumindest ein Teil, gewickelt, d.h. in einer Schleife aufgerollt. Dieses Merkmal ermöglicht es Platz zu sparen, da es einer Säule erlaubt weniger Raum zu beanspruchen als wenn diese geradlinig ausgelegt wäre, und es ermöglicht, dass verschiedene Säulenlängen im selben Design integrierter Systeme verwendet werden, z.B. indem die Anzahl von Windungen in der Spule verändert werden. Des Weiteren macht dieses Merkmal die Säule kompakt und dazu geeignet in ein kleineres Volumen zu passen, das viel einfacher durch ein Heizelement temperiert werden kann, als wenn sie geradlinig ausgelegt wäre und einen gestreckten, typischerweise langen, Bereich einnehmen würde.
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Bevorzugt enthält der Elektrospray Emitter eine elektrisch leitende Kapillare, beispielsweise eine Metall- oder Glass-Kapillare, z.B. ein mit elektrisch leitendem Material beschichtetes Glass. Glass Kapillaren die nicht leitfähig oder beschichtet sind können jedoch nicht verwendet werden.
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Die elektrisch leitfähige Hülle stellt eine elektrische Verbindung bereit um es dem Emitter zu ermöglichen eine hohe Spannung aufzunehmen. Die Hülle kann eine elektrische Verbindung zum Emitter bereitstellen, entweder direkt oder über einen oder mehrere dazwischenliegende elektrisch leitfähige Körper, z.B. die Schutzhülse oder das Fitting das den Emitter mit der Säule verbindet, oder eine Verbindungsleitung. In einem bevorzugten Aufbau umschließt die elektrisch leitende Hülle die Schutzhülse und steht mit ihr in elektrischem Kontakt und die Hülse steht mit dem Emitter in elektrischem Kontakt. In einem weiteren bevorzugten Aufbau umschließt die elektrisch leitende Hülle die Schutzhülse und steht mit dem Fitting in elektrischem Kontakt, das den Emitter mit der vorgeschalteten Säule (oder Verbindungsleitung) verbindet und das Fitting steht mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit (Eluent) in elektrischem Kontakt wenn diese in den Emitter eintritt, wobei die Ladungsübertragung von dem Hochspannungskontakt zur Emitter-Spitze ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist die elektrisch leitende Hülle in einem Halter eingeschlossen der einen Hochspannungskontakt hat, wenn das integrierte System in Betrieb ist. Der Halter ist bevorzugt ein Halter der sich an einem Instrument befindet, z.B. zur massenspektrometrischen Analyse.
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Bevorzugt ist der Hochspannungskontakt eine elektrisch leitende Kugel die in eine Vertiefung, wie zum Beispiel einer Nut, auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle eingepasst ist. Die Nut ist vorzugsweise eine umlaufende Nut auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle. Die Kontaktstelle kann zum Beispiel ein gefedertes Kugellager sein.
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Die elektrisch leitende Hülle besitzt vorzugsweise eine Form die einen präzisen und festen Sitz in der Aufnahme-Halterung eines Laborgeräts (z.B. Massenspektrometers) ermöglicht. In einer bestimmten Ausführungsform hat die elektrisch leitende Hülle vorzugsweise eine zylindrische, d.h. kreiszylindrische äußere Form. Bevorzugter Weise hat in diesem Fall die Halterung einen zylindrischen, d.h. kreiszylindrischen Aufnahmebereich, um die elektrisch leitende Hülle des integrierten Systems aufzunehmen. Auf diese Art, mit solchen zylindrisch geformten Teilen und einer Nut (bevorzugt umlaufend) auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle zur Aufnahme der Hochspannungskontakt-Stelle, ist eine exakte winkelgerechte Ausrichtung des integrierten Systems in der Halterung nicht erforderlich. Eine axiale Ausrichtung des integrierten Systems (und dabei auch des Emitters) in der Halterung kann durch die Bereitstellung eines geeigneten Anschlags in der Halterung und/oder durch das Einpassen der Kontaktstelle in die Nut auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle bewerkstelligt werden.
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Bei der Herstellung des integrierten Systems der vorliegenden Erfindung kann die Plastifizierung des Kunststoff-Materials das verwendet wird um das integrierte System einzubetten auf verschiedene Arten erfolgen, vorzugsweise durch das Erhitzen des Kunststoff-Materials über die Erweichungstemperatur um es in seinen Erweichungsbereich zu bringen und es weich zu machen. In einer bevorzugten Ausführungsformsind die gesamte Säule und die Fittings von dem Kunststoff-Material umgeben. Das Kunststoff-Material kann als Kunststoffformteil zur Verfügung gestellt werden. Das Formteil kann ein vorgeformtes Teil sein, das an die Form der integrierten Trennsäule und der des Formwerkzeugs angepasst ist.
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Das Umformen des Formteils kann durch Schließen des Formwerkzeugs und Ausübung von Druck auf das vorgeformte Teil erreicht werden. Alternativ ist dies durch Schließen des Formwerkzeugs und Erhitzen des Formwerkzeugs zusammen mit dem Kunststoff-Material zu erreichen.
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In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Umformen des Formteils durch Einspritzen von geschmolzenem Kunststoff in eine Form erreicht werden, in der sich die LC Säule mit Fittings und anderen zugehörigen oder erforderlichen Komponenten befindet und es dem geschmolzenen Kunststoff ermöglichen diese Teile einzubetten und abzukühlen und auszuhärten um fest zu werden. Alternativ kann das Formteil durch die Ausübung von Druck auf das Kunststoffmaterial geformt werden, hervorgerufen durch die thermische Ausdehnung des Kunststoffmaterials durch das Erhitzen des das Kunststoff-Material enthaltenden geschlossenen Formwerkzeugs, alternativ durch die Ausübung von Druck auf das Kunststoffmaterial durch Schließen des Formwerkzeugs, oder aktivem Abkühlen des Kunststoffmaterials und/oder des Formwerkzeugs. Eine weitere alternative Ausführungsform kann durch Vermischen von Chemikalien erreicht werden, die in der Folge in einer Form polymerisieren und dabei die LC Säule mit den Fittings und anderen zugehörigen Komponenten wie dem Emitter einbetten.
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Das Kunststoffmaterial das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird kann ein thermoplastisches Material oder ein Duroplast sein. Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterial zumindest eines aus der Reihe der thermoplastischen Materialien, der Polyetheretherketone (PEEK), eines aus der breiten Palette der Fluoropolymere, ins Besondere der Perfluoroamine (PFA) oder flourierten Ethylen-Propylen Copolymer (FEP), duroplastischen Materialien oder Verbindungen, insbesondere Polyimide, und Flüssigkristall-Polymere (LCP).
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Bevorzugter Weise sind die Kunststoffmaterialien der vorliegenden Erfindung thermoplastische Heißschmelzverbindungen (hotmelts) die auf Polyamiden basieren, wie zum Beispiel diejenigen die unter dem Markennamen MakroMelt® (Henkel Kommanditgesellschaft) vertrieben werden. Diese schließen mindestens eine bei Raumtemperatur fließfähige, polymerisierbare Verbindung in Kombination mit einer Polymermatrix ein, die in einer Menge vorliegt, die ausreichend ist um die Verbindung bei Temperaturen von etwa mindestens 49 °C nicht fließfähig zu machen. Die polymerisierbare Verbindung oder Zusammensetzung kann aus einer breiten Gruppe von Materialien ausgewählt werden enthaltend Anaerobics, Epoxidharze, Acrylate, Polyurethane, olefinische Verbindungen und Kombinationen davon. Anaerobe Zusammensetzungen sind am meisten bevorzugt da sie einzigartige Anwendungen in vielen Schraubensicherheit und Dichtungsmittel Gebieten haben, in denen die Nachfrage nach nicht-fließfähigen Materialien besteht. Die Polymermatrix kann ausgewählt werden aus Polamiden, Polyacrylamiden, Polyimiden, Polyhydroxyalkylacrylaten und Kombinationen davon. In einer gewünschten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine anaerobe Klebstoffzusammensetzung bereitgestellt, die ein polymerisierbares (Meth) Acrylat-Monomer, einen Polymerisationsinitiator für das Monomer, und ein mischbares polymeres Matrixmaterial oder anderes, zum Monomer Kompatibles, enthält. Das Matrixmaterial liegt in einem Anteil vor, ausreichend um die Zusammensetzung nicht-fließbar bei Temperaturen von etwa mindestens 210 °C zu machen. Die Polymermatrix und die polymerisierbare Verbindung bilden leicht eine stabile Mischung oder Verbindung ohne Phasentrennung der Bestandteile.
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Um die wichtigsten Voraussetzungen bezogen auf den Betrieb der Säule zu erfüllen, sollte die integrierte Trensäule mit einem oder mehreren eingebauten Komponenten ausgestattet sein, wie: ein Heiz- und/oder Kühlelement und einem thermischen Sensor in naher Umgebung oder in Kontakt mit der Säule und bevorzugt eingebettet in das Kunststoffmaterial.
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Für eine optimale Leistung, Kanäle für den Gasfluss können ebenfalls in das Kunststoffmaterial eingebettet sein; der Austritt dieser Kanäle sollte in naher Umgebung zu dem Apex (Spitze) des Emitters sein, wobei austretendes Gas die Desolvatisierung der Sprühwolke unterstützt.
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Um die Identifizierung der integrierten Säule zu erleichtern, können die eingebauten Komponenten weiter einen Identifikations-Tag, wie ein Radio Frequenz Identifikations-Tag (RFID) eingebettet in das Kunststoffmaterial enthalten.
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Um die korrekte Positionierung des integrierten Systems sicherzustellen, von Säule und Elektrospray Emitter relativ z.B. zu dem MS-Inlet, die vorliegende Erfindung sieht daher auch einen Halter vor, um das integrierte System aufzunehmen.
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Es ist wichtig zu betonen, dass die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch auf eine integrierte Trennungssäule gerichtet ist, umfassend End Fittings eingebettet in ein Kunststoffmaterial, unabhängig von der Methode die zur Einbettung in das Kunststoffmaterial verwendet wird. Auch, in dieser allgemeinen Ausgestaltung kann die integrierte Trennungssäule weiter einen Elektrospray Emitter umfassen, direkt über ein Ende der End-Fittings mit der Trennungssäule verbunden. Darüber hinaus, wie in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Kunststoffmaterial zumindest eines davon: ein thermoplastisches Material, bevorzugt basierend auf Polyamid und/oder Polyurethan, Polyetherketon (PEEK), eines aus einem breiten Spektrum an Fluoropolymeren, insbesondere Perfluoroaminen (PFA) oder fluoriertes Ethylen-Propylen Copolymer (FEP), duroplastisches Material oder Verbindung, insbesondere Polyimide, Flüssigkristallpolymere (LCP). Abschliessend, kann die integrierte Trennungssäule in Übereinstimmung mit den anderen beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter umfassen ein oder mehrere: RFID-Tags, Heiz-/Kühlelemente, Thermischen Sensor, einen Hochspannungskontakt für den Elektrospray Emitter, Gegenelektrode(n) mit einer für die Definition der Feldlinien um den Elektrospray Emitter günstigen Geometrie, und Kanälen für den Gasfluss eingebettet in das gleiche Kunststoffmaterial.
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Das Anschließen an ein Laborgerät, zum Beispiel an ein Massen Spektrometer, wird einfacher. Zusätzlich ein exakter und wiederholbarer Positionierungs-Prozess der integrierten Säule relativ zu dem Rahmen, wird durch Formen des Kunststoffmaterials in eine Form garantiert, welche ein nahes oder enges Einpassen in einen Empfänger Halter eines Laborgerätes ermöglicht. Die Einfachheit und Präzision der Positionierung kann weiter durch die Verwendung von Formen verbessert werden, die aufgrund ihrer Gestalt die Sicherung in ihre gegebene Position unterstützen (z.B. durch konvexe/konkave Passflächen, magnetische oder Federkräfte). Das ermöglicht die exakte Positionierung der integrierten Säule in ein Laborgerät, falls der Halter präzise in dem Laborgerät positioniert ist.
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Zum Schutz der Säule, des Emitters und der Fittings vor Demontage (ob beabsichtigt oder unbeabsichtigt), bringt die Kunststoff Einbettung zusätzlich auch physikalische Stabilität für sonst eher empfindliche Bauteile, die sonst aufgrund ihrer Beschaffenheit durch den täglichen Gebrauch in der Laborumgebung zerstört werden können. Nano-LC-Säulen bestehen häufig und vorteilhafterweise aus einem Siliziumdioxid-Glasröhrchen, wobei besagtes Glasröhrchen typischerweise 10 mm bis 1000 mm lang ist, aber einen äußeren Durchmesser von ungefähr 300 ↔m hat, und daher das Röhrchen leicht brechen kann. Typischerweise hat ein solches Siliziumdioxid-Glasröhrchen eine Polymeraußenbeschichtung von einigen Mikrometern Dicke, die etwas Festigkeit bringt, jedoch bricht das Glasröhrchen dennoch sehr leicht. Ebenso der Emitter, dieser besteht aus einem sehr dünnen Metallstück oder Glasröhrchen und kann leicht durch Kontakt mit anderen Elementen zerstört werden. Das Einbetten in Kunststoff das hier beschrieben wird, macht die integrierte Säule widerstandsfähig und langlebig, so dass sie nicht einfach durch Zufall brechen können. Der Schutz der Säule und des Emitters umfasst auch den Schutz vor physischer Beanspruchung, Verdrehen, Knicken, sowie dem Flüssigkeitsdruck im Inneren des Röhrchens, dessen dünne Wände um ein Vielfaches dicker durch die Kunststoffmatrix werden, die in direktem (chemischen) Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Röhrchens steht.
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Die chromatographischen Retentionszeiten, die für jeden einzelnen Analyt beobachtet werden, sind hochgradig von der Temperatur abhängig bei der die Auftrennung durchgeführt wird. Geringfügige Schwankungen der Temperatur können zu deutlich sichtbaren Verschiebungen der Retentionszeiten führen und um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, wird häufig versucht stabile Umgebungstemperaturen für die Säule sicherzustellen. Nano-LC Säulen- aufgrund ihrer schmalen Durchmesser- können leicht Hitze mit der Umgebungsluft austauschen. Dies wird jedoch durch die Kunststoffmatrix verhindert, die eine thermische Isolierung der Säule ermöglicht und damit das konstant Halten der stabilen Säulen Temperatur unterstützt.
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Weitere Ziele und viele der dazugehörenden Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind leicht anzuerkennen und werden besser verstanden durch den Verweis auf die folgende, detailliertere Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder Funktionellen gleich oder ähnlich sind, werden mit den gleichen Referenzen bezeichnet.
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Der Vollständigkeit halber ist jedoch festzuhalten, dass die vorliegende Beschreibung zwischen der ersten (A), der zweiten (B), und der dritten (C) Ausführungsform unterscheidet, entsprechend der folgenden Schemata.
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AUSFÜHRUNGSFORM A
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- 1A. Ein integriertes System für Flüssigchromatographie-Trennung und Elektronenspray Ionisation, umfassend:
- • Eine Trennungssäule (1);
- • einen Elektrospray Emitter (2) verbunden mit der Trennungssäule (1); und
- • eine zurückschiebbare Schutzhülse (8) zur Abdeckung und Unterstützung des Elektrospray Emitters (2) in Richtung entlang mindestens eines Teils ihrer Achse.
- 2A. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 1A, wobei die zurückschiebbare Schutzhülse (8) bewegbar um den Elektrospray Emitter angebracht ist.
- 3A. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 1A oder 2A, wobei die zurückschiebbare Schutzhülse (8) ausfahrbar bis zu einer ausgefahrenen Position beweglich ist, wobei die Spitze des Elektrospray Emitters durch die Schutzhülse abgedeckt ist.
- 4A. Das integrierte System gemäß Ausführungsform 3A, wobei ein Rückstellelement (10) vorgesehen ist, um die Schutzhülse in die ausgefahrene Position zu verschieben, wobei die Spitze des Elektrospray Emitters durch die Schutzhülse abgedeckt wird.
- 5A. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen A, wobei die zurückschiebbare Schutzhülse in eine zurückgeschobene Position beweglich ist, wobei eine Spitze des Elektrospray Emitters unbedeckt ist.
- 6A. Das integrierte System gemäß einer vorstehenden Ausführungsform A, wobei die Schutzhülse eingeschlossen ist und beweglich innerhalb einer äußeren Hülle ist.
- 7A. Das integrierte System gemäß einer Ausführungsform 6A, wobei die äußere Hülle eine elektrisch leitende Hülle ist.
- 8A. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen A, wobei die Trennungssäule (1) und der Elektrospray Emitter (2) in ein Kunststoffmaterial (15) eingebettet sind.
- 9A. Das Integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen A, wobei die Trennungssäule (1) direkt oder mittels einer Verbindungsleitung mit dem Elektrospray Emitter (2) über ein oder mehrere End-Fittings (3,4) und besagte Trennungssäule, End-Fittings und Elektrospray Emitter (2) in ein Kunststoff Material eingebettet sind.
- 10A. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform A, wobei die Trennungssäule (1) eine LC Säule ist.
- 11A. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform A, wobei die Trennungssäule (1) zu einer Schleife aufgewickelt ist.
- 12A. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform A, wobei der Elektrospray Emitter (2) eine Metallkapillare oder eine Glaskapillare enthält.
- 13A. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 7A, wobei die elektrisch leitende Hülle (7) geeignet ist um in einen Halter eingesetzt zu werden, der einen Hochspannungskontaktpunkt hat.
- 14A. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 13A, wobei die elektrisch leitende Hülle eine Ausnehmung hat, um einen Hochspannungskontaktpunkt aufzunehmen.
- 15A. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 13A oder 14A, wobei der Hochspannungskontaktpunkt eine elektrisch leitende Kugel umfasst.
- 16A. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 15A, wobei die elektrisch leitende Kugel (9) in eine Nut auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle passt.
- 17A. Das integrierte System gemäße einer der Ausführungsformen 13A bis 16A, wobei der Halter an einem Massenspektrometer befestigt ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM B
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- 1B. Ein integriertes System für Flüssigchromatographie-Trennung und Elektronenspray Ionisation, umfassend:
- • eine Trennungssäule;
- • einen Elektrospray Emitter verbunden mit der Trennsäule; und
- • eine elektrisch leitende Hülle den Emitter umgebend und eine elektrische Verbindung bereitstellend.
- 2B. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 1B, wobei die elektrisch leitende Hülle aus Metall besteht.
- 3B. Das integrierte System gemäß einer Ausführungsform 1B oder 2B, wobei die elektrisch leitende Hülle zum Einsetzen in einen Halter geeignet ist, der eine Hochspannungskontakt Stelle besitzt.
- 4B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei die elektrisch leitende Hülle eine Ausnehmung zur Aufnahme der Hochspannungskontakt Stelle aufweist.
- 5B. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 4B, wobei die Hochspannungskontakt Stelle eine elektrisch leitende Kugel umfasst.
- 6B. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 5B, wobei die elektrisch leitende Kugel in eine Nut auf der äußeren Oberfläche der elektrisch leitenden Hülle passt.
- 7B. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 3B, wobei der Halter an einem Massenspektrometer befestigt ist.
- 8B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei eine zurückziehbare Schutzhülse verschiebbar am Elektrospray Emitter angebracht ist und besagte elektrisch leitende Hülle besagte zurückziehbare Schutzhülse umschließt.
- 9B. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 8B, wobei die zurückziehbare Schutzhülse bis zu einer ausgefahrenen Position beweglich ist, wobei eine Spitze des Elektrospray Emitters durch die Schutzhülse abgedeckt wird.
- 10B. Das integrierte System gemäß der Ausführungsform 8B oder 9B, wobei ein Rückstellelement vorgesehen ist, um die Schutzhülse in die ausgefahrene Position zu verschieben, wobei die Spitze des Elektrospray Emitters durch die Schutzhülse abgedeckt wird.
- 11B. Das integrierte System gemäß einer der Ausführungsformen 8B bis 10B, wobei die zurückziehbare Schutzhülse in eine zurückgezogene Position beweglich ist, wobei eine Spitze des Elektrospray Emitters unbedeckt ist.
- 12B. Das integrierte System gemäß einer der Ausführungsformen 8B bis 11B, wobei die Schutzhülse eingeschlossen ist und innerhalb der elektrisch leitenden Hülle ist.
- 13B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei die Trennungssäule und der Elektrospray Emitter in ein Kunststoff Material eingebettet sind.
- 14B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei die Trennungssäule direkt oder mittels einer Verbindungsleitung mit dem Elektrospray Emitter über ein oder mehrere End-Fittings verbunden ist, und besagte Trennungssäule, End-Fittings und Elektrospray Emitter in einem Kunststoff Material eingebettet sind.
- 15B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei die Trennungssäule eine LC Säule ist.
- 16B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei die Trennungssäule zu einer Schleife aufgewickelt ist.
- 17B. Das integrierte System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform B, wobei der Elektrospray Emitter eine Metallkapillare oder eine Glaskapillare enthält.
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AUSFÜHRUNGSFORM C
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- 1C. Ein integriertes System für Flüssigchromatographie-Trennung und Elektronenspray Ionisation, umfassend:
- • eine gewickelte Trennungssäule;
- • einen Elektrospray Emitter verbunden mit der Trennsäule;
- • Heiz-/Kühlmittel die um die gewickelte Trennungssäule herum angebracht sind, um die Temperatur der Trennungssäule zu kontrollieren;
besagte Trennungssäule, Elektrospray Emitter, und Heiz-/Kühlmittel die in einem Kunststoff Material eingebettet sind.
- 2C. Das integrierte Trennungssystem der Ausführungsform 1C, wobei der Elektrospray Emitter entweder auf einer Glaskapillare basiert, beschichtet mit einem elektronisch leitenden Material, oder einem leitenden Metall, wie zum Beispiel Edelstahl.
- 3C. Das integrierte Trennungssystem der Ausführungsform 2C, wobei die integrierte Trennungssäule und der Elektrospray Emitter im gleichen Kunststoff Material eingebettet sind.
- 4C. Das integrierte Trennungssystem der Ausführungsform 3C, das weiter ein oder mehrere davon umfasst:
- RFID-Tag, ein Hochspannungskontakt für den Elektrospray Emitter, Gegenelektrode(n) mit einer für die Definition der Feldlinien um den Elektrospray Emitter günstigen Geometrie, und Kanälen für den Gasfluss eingebettet in das gleiche Kunststoff Material.
- 5C. Das integrierte Trennungssystem einer der Ausführungsformen 1C bis 4C, wobei das Kunststoff Material zumindest eines davon ist: ein thermoplastisches Material bevorzugt basiert auf Polyamid und/oder Polyurethan, Polyetheretherketon (PEEK), eines aus einem breiten Spektrum an Fluoropolymeren, insbesondere Perfluoroaminen (PFA) oder fluoriertes Ethylen-Propylen Co-Polymer (FEP), duroplastisches Material oder Verbindung, insbesondere Polyimide, Flüssigkristallpolymere (LCP).
- 6C. Das integrierte Trennungssystem einer der Ausführungsformen 1C bis 5C, wobei die Trennungssäule in einer Schleife aufgewickelt ist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Seitenansicht des Querschnitts eines integrierten Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ansicht ist die Schutzhülse bedeckend den Elektrospray Emitter gezeigt.
- 2 zeigt die Anordnung aus 1 von außen.
- 3 zeigt eine schematische Seitenansicht des Querschnitts eines integrierten Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, montiert in einer Halterung eines Laborgerätes.
- 4 zeigt die Anordnung aus 3 von außen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Anordnung wie in
1 gezeigt, umfasst ein integriertes System (
100) umfassend eine vor-montierte HPLC-Säule (
1) verbunden mit dem Emitter (
2) mit Säulen Fittings (
3,
4,
5). Der Emitter ist typischerweise eine Metall oder Glass Nadel oder eine Kapillare bekannt aus dem Stand der Technik. Die Fittings können eines gebräuchlichen Typs sein, um eine LC Säule mit einem Elektrospray Emitter zu verbinden. Die Säule (
1) ist zu einer Schleife aufgewickelt umfassend eine Vielzahl an Säulenwindungen um den Trennungsweg zu verlängern. Die montierte aufgewickelte Säule, Fittings und Emitter sind in ein Formteil (
15) eingebettet. Das Formteil (
15) umfasst ein Kunststoff Material, zum Beispiel ein thermoplastisches Material, zum Beispiel auf Polyamid und Polyurethan basiertes MacroMelt
®. Geeignete Methoden um die Anordnung einzubetten sind in der Patentschrift
WO 2009/147001 A1 des Anmelders beschrieben. Das hintere Ende der Säule ist mit weiteren Fittings (
18) gezeigt, z.B. für einen Anschluss an einen Injektor oder andere HPLC Komponenten. Die Formgebung bringt Stabilität in das System, sowie ermöglicht eine Abschirmung gegen die absichtliche oder versehentliche Demontage durch einen Benutzer, der Fittings und Emitter.
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Eine Schutzhülse (8) einer allgemein zylindrischen Form ist verschiebbar auf dem Emitter (2) angeordnet. Die Hülse hat einen Hauptteil (12) und eine Basis (14) von größerem Durchmesser als der Hauptteil. Die Schutzhülse (8) besteht typischerweise aus Kunststoff. Um die Schutzhülse (8) herum ist eine elektrisch leitende Hülle (7) montiert, z.B. bestehend aus Metall. Die leitende Hülle (7) ist an einem Ende durch ein oder mehrere Säulen Fittings unterstützt. Falls nötig, kann die Elektrisch leitende Hülle (7) von den Säulen Fittings an diesem Ende gelöst werden. Die Elektrisch leitende Hülle (7) hat einen inneren Durchmesser um darin die Schutzhülse (8) aufzunehmen und der Schutzhülse (8) zu erlauben sich verschiebbar in der Schutzhülle zu bewegen in einer hin und hergehenden Art und Weise wie weiter unten beschrieben.
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Weiter ist eine Feder (10) in der elektrisch leitenden Hülle (7) vorgesehen, angeordnet in einem Bereich zwischen den Säulen Fittings und der Schutzhülse (8), wodurch sie auf die Basis der Schutzhülse einwirkt. Die Feder (10) setzt auf diese Weise die Hülse (8) unter Vorspannung um sie aus so der elektrisch leitenden Hülle (7) zu pressen. Die Länge der Hülse (8) und ihre Verlängerung aus der Hülle heraus reicht aus, um die Spitze des Emitters (2) zu bedecken und als Schutz gegen Schäden zu wirken. Ein Teil des Hauptteils (12) der Schutzhülse (8) steht aus der Hülle (7) heraus und bedeckt dadurch den Emitter. Das Ausmaß des Wegs der Hülse (8) aus der Hülle (7) heraus ist begrenzt durch einen Teil mit verringertem Durchmesser (20) am Ende der Hülle (7) der das Ende der Hülse mit einem größeren Durchmesser (14) aufhält. Wirkt ein Druck auf die Hülse (8) ein, um die Hülse rückwärts in die Hülle (7) zu schieben, wird die Feder (10) zusammengedrückt und die Spitze des Emitters wird freigelegt und betriebsbereit, wie weiter unten detailliert beschrieben.
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Die elektrisch leitende Hülle (7) hat eine Ausnehmung in Form einer umlaufenden Nut (16) auf ihrer äußeren Oberfläche zwecks Herstellen eines Kontakts mit einem Hochspannungskontakt, z.B. mit einer Kontakt Kugel, wie weiter unten beschrieben.
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2 zeigt die Anordnung aus 1 von außen, so dass die Kunststoff Form (15) deutlich gezeigt ist, das integrierte System abdeckend mit der elektrisch leitenden Hülle (7), die an dem vorderen Ende angebracht ist und der hervorstehenden Hülse (8) den Emitter schützend (nicht sichtbar). Es wird durch die Beschreibung gewürdigt, dass das gesamte integrierte System demnach als ein Kartuschen Typ ausgebildet als ist, zur Anwendung mit einem Instrument, z.B. einem Massenspektrometer.
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3 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt eines integrierten Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengebaut in einer Halterung eines Laborgerätes. Wie in der Figur gezeigt, ist eine Halterung (6) (oder Anschluss) abgebildet welche zu der äußeren Gestalt der elektrisch leitenden Hülle (7) passt (welche die Schutzhülse (8) einschliesst und eine elektrische Verbindung bereitstellt). Die Halterung (6) kann an einem Laborgerät fixiert sein (z.B. Massenspektrometer), wird nicht in der Figur gezeigt. Die elektrisch leitende Hülle (7) hat eine äußere Gestalt die eine nahe, bevorzugt enge Einpassung in die vorgesehene Halterung unterstützt. In dieser speziellen Ausgestaltung, hat die elektrisch leitende Hülle (7) eine kreisförmige, zylindrische äußere Gestalt und der Halter (6) weist einen kreisförmigen, zylindrischen Raum zur Aufnahme der elektrisch leitenden Hülle (7) auf.
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Weiter ist eine Kugel (9) für die Hochspannungsverbindung (HV) gezeigt, die auch eine Verbindung mit Schnappverschluss für die elektrisch leitende Hülle (7) ermöglicht. Die Kugel (9) ist bevorzugt eine gefederte Kugel, die in die Nut (16) auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle (7) passt, und dazu eine HC Verbindung ermöglicht. Die axiale Anordnung des integrierten Systems (und dadurch des Emitters) in dem Halter (6) wird durch das Einfügen der elektrisch leitenden Hülle (7) des integrierten Systems in den Halter (6) erreicht, bis der Kontakt der HV Kugel (9) in die Nut (16) auf der Außenfläche der elektrisch leitenden Hülle passt und die Anordnung im Halter (6) in der Position einschnappt oder einrastet. Die elektrisch leitende Hülle (7) umschliesst und kontaktiert elektrisch den Fitting (5), so dass, mit den Fittings (3, 4) zusammen, der Emitter (2) der Säule vorgeschaltet, kontaktiert wird. Der Fitting kontaktiert elektrisch den Emitter und/oder kontaktiert die elektrisch leitende Flüssigkeit (Eluent) an der Stelle an der sie in den Emitter eintritt, wodurch ein Austausch von Ladungen vom Hochspannungskontaktpunkt zur Spitze des Emitters ermöglicht wird.
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Das integrierte System erlaubt gleichzeitig das Zurückziehen der Schutzhülse (8) von der Emitter Spitze, als das integrierte System in den Halter (6) eingesetzt wird, um die Benutzung des Emitters z.B. im Massenspektrometer zu ermöglichen. Aus diesem Grund, passt der Emitter (2) durch eine Öffnung (30) in den Halter (6), während der Hauptteil (12) der Hülse (8) nicht passt. Die Öffnung (30) kann in eine Ionisationskammer führen, z.B. eines Massenspektrometers. Tatsächlich hat in dieser Ausführungsform die Hülse (8) einen End-Abschnitt (22) mit reduziertem Durchmesser, im Vergleich zum Hauptteil (12). Auf diese Weise passt der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser (22) der Schutzhülse durch die Öffnung (30) in den Halter (6) und kann dadurch den Emitter in diesem Bereich unterstützen. Allerdings ist die Öffnung (30) so dimensioniert, dass der Hauptteil (12) der Schutzhülse (8) nicht hindurch passt. Indem das integrierte System in den Halter (6) eingepasst wird, drückt der Hauptteil (12) der Schutzhülse (8) gegen die Wand, die die Öffnung (30) umgibt, dadurch wird die Hülse (8) rückwärts in die leitende Hülle (7) gedrückt, die Feder (10) durch diesen Vorgang zusammengedrückt, und die Spitze des Emitters zur Benutzung freigelegt.
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Es ist wünschenswert, dass wenn die integrierte Anordnung aus dem Halter (6) entfernt wird, der zurückgelegte Weg der Hülse (8) nicht mehr durch die Wand, die die Öffnung (30) umgibt, begrenzt wird, so dass die Feder (10) die Hülse (8) wieder aus der Hülle (7) presst um den Emitter (2) zu bedecken und dadurch zu schützen, wie in 1 gezeigt.
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4 zeigt den Aufbau von 3 in der Außenansicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Geräte und Methoden für HPLC Anwendungen bereitgestellt. Insbesondere wird durch die Erfindung ein integriertes Gerät zur Durchführung von Auftrennungen von Verbindungen bereitgestellt. Rein beispielhaft wurde die Erfindung in einem Hochdruckflüssigkeitschromatographie Verfahren eingesetzt.
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Ausführungsformen können ein oder mehrere des Nachstehende umfassen: ein Teil, eine HPLC Säule umgeben mit End-Fittings die plastifiziert und geformt sind und mit einem Formwerkzeug zur Formgebung oder Formänderung geformt wurden, der Form der integrierten Säule und zum fixieren der Fittings (z.B. Muttern und Bolzen).
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Das Formteil umfasst ein Plastikmaterial. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Technik das Versiegeln und das Positionieren der Fittings und der Säule. Vorteilhafterweise kann das Formwerkzeug die Gestalt ausbilden, beispielsweise die Ausrollform der integrierten Säule hin zu einer gewünschten Form mit einer guten Raumstabilität und einer hohen Reproduzierbarkeit. Außerdem können enge Toleranzen eingehalten oder beibehalten werden, beispielsweise indem genau die Prozessparameter wie Temperatur und Rückhaltezeit im Formwerkzeug eingestellt werden.
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Das Formteil kann anschließend als vorgeformtes Teil ausgebildet werden, worin die Gestalt des vorgeformten Teils zur Gestalt der Säule und der Fittings und des Formwerkzeuges angepasst ist. Das vorgeformte Formteil kann plastifiziert werden, indem das Plastikmaterial oberhalb oder jenseits der Erweichungstemperatur erwärmt wird und es in den Erweichungsbereich gebracht wird, um es weich und formbar zu machen. Vorteilhafterweise kann das plastifizierte Plastikmaterial gleichmäßig an die äußeren Oberflächen der Säule und der Fittings ausgebildet werden. Dies ermöglicht eine homogene Kraftverteilung entlang der Oberflächen. Außerdem kann die mechanische Belastung nach der Formgebung reduziert werden.
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In Ausführungsformen kann das vorgeformte Formteil zwei oder mehr Komponententeile umfassen, wobei die Komponententeile miteinander verbunden sind.
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Besonders vorteilhaft kann das Formteil durch die Injektion von geschmolzenem Plastikmaterial in eine Gussform ausgebildet werden und dieses auf eine derartige Temperatur abgekühlt werden, worin das Plastik einen stabilen Feststoff bildet, der flexibel sein kann oder vollständig starr in Abhängigkeit von der gewählten chemischen Zusammensetzung des Plastikmaterials.
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In Ausführungsformen ist das Formwerkzeug teilweise mit wenigstens einer HPLC-Säule und Fittings und wenigstens einem vorgeformten Teil ausgestattet. Das vorgeformte Teil umfasst das Plastikmaterial und ist so ausgebildet, dass es die Umhüllung um die Säule ausbilden und herstellen kann und der Fittings. Vorteilhafterweise kann das vorgeformte Teil leicht mit einer niedrigen Genauigkeit hergestellt werden, beispielsweise durch Extrudieren, Einspritzguss oder dergleichen und ist daher kosteneffizient.
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Vorteilhafterweise erfüllen die gebildeten Säulen ein vorgegebenes Set an Toleranzen. Die Raumkonsistenz ist durch das Bilden des vorgeformten Gussteils oder des geschmolzenen Plastiks durch das Formwerkzeug garantiert. Ein Formwerkzeug kann für verschiedene Innensets verwendet werden, für verschiedene Arten von Leitungen, beispielsweise Polymerschläuche, Kapillaren, Glaskapillaren, geschmolzene Siliziumdioxid-Kapillaren, Stäbe, Stäbchen, Nadeln, Spritzen oder dergleichen.
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Bevor das Formteil um die Säule und Fittings ausgebildet wird, kann eine äußere Oberfläche der Säule und der Fittings wenigstens teilweise mit dem vorgeformten Formteil umgeben sein. Nach dem Formen kann das funktionale Element an der äußeren Oberfläche der Leitung befestigt sein, beispielsweise durch Friktionskräfte, Schrumpfungskräfte und/oder einer chemischen Bindung. Zur Bildung des Formteils um die Säule und die Fittings kann das Formwerkzeug geschlossen werden, um Druck auf das erweichte vorgeformte Teil auszuüben oder beispielsweise das geschmolzene Plastik kann unter Druck eingespritzt werden.
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Das Werkzeug kann geschlossen werden und zusammen mit dem Plastikmaterial des vorgeformten Teils erhitzt werden. Eventuell kann Druck auf das Plastikmaterial durch thermische Expansion des Plastikmaterials durch Erhitzen ausgeübt werden innerhalb des geschlossenen Formwerkzeuges. Außerdem kann Druck ausgeübt werden durch einen beweglichen Stößel des Formwerkzeuges. Nach dem Formen kann das Formwerkzeug geöffnet werden. Eventuell kann das Werkzeug geöffnet werden, bevor das schon gebildete Formteil ausgekühlt ist. Dadurch kann die Produktionsmenge pro Zeiteinheit erhöht werden. Der Schritt des Abkühlens des funktionalen Elements auf Raumtemperatur kann mit dem Schritt des Bildens der nächsten Einheit parallel ausgestaltet werden. Oder, um beispielsweise einen niedrigeren und/oder genaueren Temperaturgradienten einzustellen, kann das Plastikmaterial innerhalb des Formwerkzeuges abgekühlt werden. Der Kühlschritt kann ebenfalls aktiv erzwungen werden durch an sich bekannte Verfahren wie Luftkühlung, Kühlen mithilfe eines Fluids der Teile oder der umgebenden Teile oder mit einem Thermoelement.
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Vorteilhafterweise kann das Plastikmaterial auf die äußere Oberfläche der Säule und der Fittings aufgeschrumpft werden, indem das Plastikmaterial auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
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Ausführungsformen können ein oder mehr des Nachstehenden umfassen. Das Plastikmaterial kann innerhalb des Formwerkzeugs nahe oder oberhalb der Schmelztemperatur erhitzt werden, um das Plastikmaterial in den Erweichungsbereich zu bringen oder zum Schmelzen des Plastikmaterials. Dadurch kann eine chemische Bindung zwischen der äußeren Oberfläche und dem Plastikmaterial ermöglicht werden. Zur Verhinderung einer ähnlichen chemischen Bindung des Plastikmaterials zu den Grenzpunkten der inneren Oberfläche der Gussform des Formwerkzeuges kann man ein Werkzeugmaterial wählen, das nicht mit dem Plastikmaterial oder der Form und/oder des Formwerkzeuges zusammenklebt, wobei Letztere mit einem entsprechenden Freisetzungsmittel beschichtet werden können.
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Das Plastikmaterial kann ein thermoplastisches Material oder Verbindung sein, beispielsweise Polyamid und Polyurethan, Polyether-Etherketon (PEEK), Fluoropolymere, beispielsweise Perfluoroamine (PFA) oder fluorinierte Ethylenpropylen-Copolymere (FEP), ein duroplastisches Material oder Verbindungen, z.B. Polyimide, LCP (Flüssigkristallpolymere) und/oder Perfluoroamine (PFA) umfassend vorteilhafte Materialeigenschaften, beispielsweise eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Lösungsmitteln und gute Eigenschaften zum Versiegeln.
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Vorzugsweise umfasst das Plastikmaterial Verbindungen, die thermoplastische Heißschmelzverbindungen sind, basierend auf Polyamiden. Die Produkte der MakroMelt®-Serie, die nicht nur technisch hervorragend, sondern ebenso ökologisch, da sie aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden. Es finden keine chemischen Reaktionen während des Aufbringens statt und es werden auch keine Lösungsmittel freigesetzt. MacroMelt®-Heißschmelzverbindungen werden bei Temperaturen von 130 bis 240°C verarbeitet und können bei Temperaturen von -40°C bis +140°C verwendet werden. Ihre Haftung auf PA, PWBT, PVC und ähnlichen polaren Substraten ist sehr gut.
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MacroMelt®-Heißschmelzverbindungen können von anderen Heißschmelzverbindungen durch ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften unterschieden werden. Mit einer hohen Shore-härte können sie plastikähnliche Oberflächen produzieren, die durch hohe kristalline Teile erzielt wird. MacroMelt®-Heißschmelzverbindungen haben eine extrem gute mechanische und chemische Stärke und eine hervorragende Haftung auf Materialien, die zur Herstellung von Separationssäulen verwendet werden, einschließlich PEEK, Metall und PVC.
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Weiterhin kann das Plastikmaterial nach dem Formschritt mit einem Versiegelungsmaterial, beispielsweise Silikon, Gummi, Teflon®, Epoxiharzen oder dergleichen beschichtet werden.
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen betreffen eine Zusammenstellung, um Leitungen in Verbindung zu bringen. Das Koppeln umfasst wenigstens eine Leitung, die zum Leiten eines Mediums geeignet ist, beispielsweise eine HPLC-Säule und ein Element, wie ein Fitting mit Ferrulen, geeignet, um die Leitung in Verbindung mit einer anderen Leitung zu bringen, beispielsweise einem Elektronensprayemitter oder einer Nadel.
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In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind nur die Fittings und/oder kleinere Teile der Leitungen in das Formmaterial eingebettet, um eine Desintegration der Zusammenstellung zu verhindern und dieses vom elektrischen Spannungspotenzial abzuschirmen, wobei in dieser Ausführungsform die wirklichen Leitungen, die der Säulenkörper oder eine Transferlinie sein können, so lang sein können, damit sie unpraktisch oder unmöglich das eingebettete Volumen in ihre Gesamtheit einschließen.
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Säulendimensionen
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Die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung können eine Vielfalt von Größen in Abhängigkeit von der Verwendung der Chromatographiesäule aufweisen. Beispielsweise können Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung jede beliebige Höhe aufweisen (ebenso vorliegend als Säulenlänge bezeichnet), obwohl die Säulen meistens ohne Unterschiede eine Gesamthöhe von weniger als 3 Metern (m) und üblicherweise weniger als 1 Meter und typischerweise eine Höhe von 10 cm aufweisen. In einigen Ausführungsformen haben die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung eine Höhe (oder Länge), die von ungefähr 0,50 mm bis ungefähr 1 m reicht.
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Die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung können ebenfalls eine röhrenförmige Wandstruktur mit einer Gesamtdicke aufweisen, die in Abhängigkeit der Anforderungen an die Säule variieren (beispielsweise die Druckkapazität). Typischerweise haben Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung eine röhrenförmige Wandstruktur mit einer Gesamtdicke von bis zu 50 mm. In einigen Ausführungsformen weisen die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung eine röhrenförmige Wandstruktur mit einer Gesamtdicke von 25 ↔m bis ungefähr 10 mm auf.
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Die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung können ausgehend von den zuvor erwähnten Materialien hergestellt werden, um einen internen Druck, der in Abhängigkeit von Verwendung einer bestimmten Säule abhängt, variiert. Typischerweise sind die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung so konstruiert, um eine Druckkapazität von bis zum 50.000 psig zu haben. In einigen Ausführungsformen sind die Chromatographiesäulen der vorliegenden Erfindung so konstruiert, um eine Druckkapazität, die von ungefähr 500 bis ungefähr 50.000 psig reicht, aufzuweisen.
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Fittings
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Fittings, wie sie für die vorliegende Erfindung verwendet werden, können jegliche Fittings, die für Flüssigchromatographie bekannt sind, sein. Die Fittings können aus einer großen Auswahl an Polymermaterialien hergestellt sein, wobei oftmals ein hartes und chemisch inertes Polymer wie PEEK bevorzugt ist. Alternativ können die Fittings aus einer Reihe von Metallen hergestellt sein, wobei Edelstahl und Titan üblicherweise die bevorzugten Materialien sind. Die Zwecke des Herstellens eines elektrischen Kontakts zwischen einem Elektrosprayemitter und der Stromquelle, die das Elektrospraypotenzial, wie es hier beschrieben ist, liefert, ist es vorteilhaft, dass die Fittingmaterialien leitfähig sind, was bedeutet, dass typischerweise Metall das Material der Wahl ist.
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Fittings können ebenfalls Ferrule oder Dichtungen umfassen, die eine Versiegelung zwischen dem Fittingkörper und den Leitungen, die verbunden werden müssen, bereitstellen. Der Aufbau von Tot-Volumina oder nicht durchflossenen Volumina innerhalb der Leitungen und Fittings ist am besten durch stumpfe verbindung („butt connection“) aller Leitungen vermieden, was zu der besten chromatographischen Leistung führt. Trotz des Vorgehenden können Leitungen, die innerhalb der Fittings miteinander verbunden sind, immer noch voneinander durch kleine Entfernungen entfernt gehalten werden durch die Dicke der Filterscheiben, Metallnetze oder ähnlichen Vorrichtungen ohne bemerkbare Verschlechterung der chromatographischen Auflösungskraft der Gesamteinheit.
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Elektronensprayemitter
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Der Elektronensprayemitter, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet wird, kann jegliche Konstruktion, die bekannt ist, aufweisen. Der Elektronensprayemitter kann aus einem Glasrohr hergestellt sein, das in einer scharfen oder einer abgerundeten Spitze endet. Es ist üblicherweise bevorzugt, eine scharf geformte Spitze aufzuweisen, wie sie erhalten wird, wenn man einen automatisierten Kapillarzieher (beispielsweise von Sutter Instrument Inc. Novato, CA, USA) verwendet, da derartige Emitter ein stabileres Spray als flache Emitter haben. Typischerweise weisen solche getaperten Emitter einen äußeren Durchmesser von ungefähr 360 ↔m auf und einen inneren Durchmesser von 5 ↔m bis 100 ↔m, wobei die Öffnung der getaperten Spitze üblicherweise ungefähr 1 ↔m bis 15 ↔m ist. Die Länge von derartigen Emittern bewegt sich üblicherweise zwischen 30 mm und 60 mm, aber es kann ebenfalls länger oder kürzer sein.
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Eine noch bessere Leistung ist üblicherweise von Emittern erhalten, die aus einem leitfähigen Material hergestellt sind, worunter Stahl oder bimodale Materialien wie Gold und Nickel verstanden werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Edelstahlemitter, die einen äußeren Durchmesser zwischen 100 ↔m und 500 ↔m aufweisen und einen inneren Durchmesser zwischen 5 ↔m und 100 ↔m aufweisen, verwendet.
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Eine hervorragende Leistung wird ebenfalls von Emittern erhalten, die aus geschmolzenem Siliziumdioxid-Glas hergestellt sind, das mechanisch auf der äußeren Oberfläche poliert wird, um eine scharfe Spitze zu bilden. Derartige Emitter haben keinen internen Kegel (im Gegensatz zu gezogenen Glasemittern) und blockieren daher nicht oft. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden bevorzugt polierte geschmolzene Siliziumdioxid-Glasemitter, die einen äußeren Durchmesser zwischen 100 ↔m und 500 ↔m und einen inneren Durchmesser zwischen 2 ↔m und 100 ↔m aufweisen.
