DE112013003410T5

DE112013003410T5 - Verfahren zur Isolierung einer Flüssigkeitschromatographiesäule

Info

Publication number: DE112013003410T5
Application number: DE201311003410
Authority: DE
Inventors: Edouard S.P. Bouvier; Joseph A. Luongo; Pamela C. Iraneta; Joseph A. Jarrell
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-04-23
Also published as: GB202012193D0; WO2014008058A1; GB2586100B; GB2517373A; GB2586100A; GB2517373B; US11273390B2; US20200139265A1; US10413846B2; US20150129474A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Durchführung von Flüssigkeitschromatographie weist eine Chromatographiesäule und ein die Chromatographiesäule umgebendes isolierendes Element auf, wobei das isolierende Element aus einer die Chromatographiesäule umgebenden Vakuumkammer gebildet ist. Eine andere Vorrichtung zur Durchführung von Flüssigkeitschromatographie weist eine Chromatographiesäule und ein die Chromatographiesäule umgebendes isolierende Element auf, wobei das isolierende Element Aerogel enthält. Ebenfalls beschrieben ist ein Verfahren zur Isolierung einer Chromatographiesäule, das die Bildung eines die Chromatographiesäule umgebenden Mantels und das Erzeugen einer Vakuumkammer in einem Bereich zwischen dem Mantel und der Chromatographiesäule umfasst.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/668,560, eingereicht am 6. Juli 2012, mit dem Titel TECHNIQUES FOR THERMALLY INSULATING A LIQUID CHROMATOGRAPHIC COLUMN, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zur Verwendung in der Flüssigkeitschromatographie, und insbesondere betrifft sie die thermische Isolierung einer Chromatographiesäule.
HINTERGRUNDINFORMATIONEN
Die Chromatographie ist ein Verfahren zur Trennung von Verbindungen wie z. B. Verbindungen, die in einer Lösung gehalten werden, wobei die Verbindungen unterschiedliche Affinität zu einem in Kontakt mit der Lösung befindlichen Trennmedium aufweisen. Beim Fluss der Lösung durch ein derartiges immobiles Trennmedium trennen sich die Verbindungen voneinander. Gängige chromatographische Trenninstrumente umfassen Flüssigkeitschromatographie(LC)-Systeme. Derartige LC-Systeme sind bereits bekannt und werden zur Analyse von Probenlösungen eingesetzt, die unterschiedliche chemische Verbindungen aufweisen können. LC-Systeme können bei hohen Drücken, wie z. B. 5.000 psi oder höher agieren. Ein typisches LC-System umfasst eine Pumpe zum Pumpen einer flüssigen Lösung, einen Injektor zum Injizieren der Probe in den flüssigen Fluidstrom, eine Chromatographiesäule gepackt mit Packungsmaterial, die als Trennmedium verwendet wird, und Rohrleitungen zum Befördern der Probenlösung und des flüssigen Fluids von dem Injektor zur Chromatographiesäule. Die Rohrleitung kann anschließend zum weiteren Transport der aus der LC-Säule ausgegebenen Probenlösung zu einem Detektor zur Analyse der Probenlösung verwendet werden. Der Detektor kann ein beliebiger geeigneter Detektor sein, wie z. B. ein Massenspektrometer, ein UV-Absorptionsdetektor, ein Verdampfungs-Lichtstreudetektor und dergleichen.
Beim Betrieb des LC-Systems wird ein flüssiges Lösungsmittel bei hohem Druck in das LC-System gepumpt. Der Injektor kann verwendet werden, um entweder manuell oder automatisch kontrollierte Volumina der Probe in das System zu injizieren, wo die Probe mit dem flüssigen Lösungsmittel in einem Fluidstrom zur gepackten LC-Säule gebracht wird, wo die Probe anschließend getrennt werden kann. Da alle chemischen Zusammensetzungen in der Probenlösung jeweils auf unterschiedliche Weise mit dem Packungsmaterial der LC-Säule reagieren, fließen die verschiedenen chemischen Zusammensetzungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die gepackte LC-Säule. Die unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen in der Probenlösung trennen sich voneinander, während die Probenlösung durch die Säule fließt. Die getrennten und von der LC-Säule ausgegebenen chemischen Zusammensetzungen gelangen zum Detektor, wo sie weiter analysiert werden können, z. B., um physikalische Eigenschaften der Zusammensetzungen zum Zweck der Identifizierung und/oder Quantifizierung zu bestimmen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Durchführung der Flüssigkeitschromatographie Folgendes auf: Eine Chromatographiesäule und ein die Chromatographiesäule umgebendes isolierende Element, wobei das isolierende Element aus einer die Chromatographiesäule umgebenden Vakuumkammer gebildet ist. Die Vakuumkammer kann ein inertes Gas aufweisen. Das inerte Gas kann ein beliebiges der folgenden Gase sein: Argon, Krypton, Xenon, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid. Die Vakuumkammer kann atmosphärisches Gas aufweisen. Die Chromatographiesäule und das isolierende Element können in einer einzelnen Komponente integriert sein, die eine isolierte Chromatographiesäule bildet. Die Vorrichtung kann auch einen die Chromatographiesäule umgebenden Mantel aufweisen, wobei die Vakuumkammer in einem Bereich zwischen der Chromatographiesäule und dem Mantel ausgebildet ist. Der Mantel kann aus Stahl sein. Der Mantel kann eine Außenschicht eines Gehäuses einer Säulenheizung sein. Die das isolierende Element bildende Vakuumkammer kann thermische Isolierung für die Chromatographiesäule bereitstellen. Das isolierende Element kann im Wesentlichen verhindern, dass sich in der Chromatographiesäule ein radialer thermischer Gradient bildet. Die Vorrichtung kann auch eine Heizung aufweisen, die eine mobile Phase vor einem Eingang der Chromatographiesäule aufheizt. Die Heizung und die Chromatographiesäule können Teil einer Säulenheizung sein, und die Vakuumkammer kann in einem Bereich zwischen der Chromatographiesäule und einer Außenwand der Säulenheizung ausgebildet sein. Die thermische Leitfähigkeit des inerten Gases kann etwa gleich bzw. geringer als 0,02 W/mK sein. Die Vakuumkammer kann mit einem Druck von etwa 10^–3 atm (101,33 Pa) oder weniger beaufschlagt sein.
Gemäß einen anderen Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Durchführung der Flüssigkeitschromatographie Folgendes auf: Eine Chromatographiesäule und ein die Chromatographiesäule umgebendes isolierende Element, wobei das isolierende Element Aerogel enthält. Das isolierende Element kann aus einer die Chromatographiesäule umgebenden Kammer gebildet sein. Die Kammer kann granulare Aerogelpartikel aufweisen. Die Kammer kann unter Umgebungsdruck stehen. Die Kammer kann eine Vakuumkammer mit einem geringeren Druck als dem Umgebungsdruck sein. Das isolierende Element kann ein Formteil sein, das ein Aerogel enthält.
Gemäß einen anderen Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Isolierung einer Chromatographiesäule Folgendes auf: Ausbilden eines die Chromatographiesäule umgebenden Mantels und Erzeugen einer Vakuumkammer in einem Bereich zwischen dem Mantel und der Chromatographiesäule. Die Vakuumkammer kann atmosphärisches Gas enthalten. Die Vakuumkammer kann ein inertes Gas mit einer thermischen Leitfähigkeit von 0,02 W/mK oder weniger enthalten. Das inerte Gas kann ein beliebiges der folgenden Gase sein: Argon, Krypton, Xenon, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid. Eine Vakuumpumpe kann durch eine Durchgangsbohrung mit dem Mantel verbunden sein und verwendet werden, um den Druck in jenem Bereich unter einen atmosphärischen Druck zu senken, so dass in dem Bereich ein Vakuum erzeugt wird. Das Verfahren kann das Abdichten der Durchgangsbohrung aufweisen, so dass eine luftdichte Abdichtung gebildet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den unterschiedlichen Ansichten im Allgemeinen die gleichen Teile. Ferner sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, da die Darstellung der Grundsätze der Erfindung von vorrangiger Bedeutung ist.
1 ist ein Beispiel eines Systems, das Ausführungsformen der Chromatographiesäule gemäß der hierin beschriebenen Erfindung verwenden kam;
2–4 und 8–10 sind Beispiele verschiedener Ausführungsformen von Chromatographiesäulen gemäß der hierin beschriebenen Erfindung;
5A, 5B, 6 und 7 sind Beispiele verschiedener Ausführungsformen von Chromatographiesäulen und anderen Komponenten gemäß der hierin beschriebenen Erfindung; und
11 ist ein Beispiel mit der Darstellung von Chromatogrammen von Testresultaten, die die Erfinder gemäß Tests unterschiedlicher Umgebungen erzielt haben.
BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1 ist eine Ausführungsform eines Systems gemäß der hierin beschriebenen Erfindung gezeigt. Das System 100 kann Komponenten wie z. B. analytische Instrumente zur Durchführung von Probenanalysen aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann das System 100 ein LC-Instrumentensystem sein, das einen Flüssigkeitschromatographen (LC) 104, einen Detektor 112, einen Speicher 114 und einen Computer 116 aufweist. Entsprechend der Beschreibung in den folgenden Absätzen kann das System 100 zur Durchführung von Analysen einer Probe 102 zur Erkennung von einer oder mehreren interessierenden Verbindungen eingesetzt werden. Der LC 104 kann einen die Probe 102 aufnehmenden Injektor 106, eine Pumpe 108 und eine Säule 110 aufweisen. Die flüssige Probe 102 kann als Eingabe zum LC 104 eingeführt werden. Obwohl dies in 1 nicht dargestellt ist, kann der LC 104 auch eine optionale Säulenheizung aufweisen. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben ist, kann der Computer 116 zur Steuerung des Betriebs der Komponenten verwendet werden, und er kann in Verbindung mit Datenerfassung zum Speichern von Analysedaten im Speicher 114 eingesetzt werden. Wie im Folgenden ebenfalls detaillierter beschrieben ist, durchlaufen die Probe und die mobile Phase den Fluidpfad des Systems.
Im Betrieb wird die Probe 102 über den Injektor 106 in den LC 104 injiziert. Die Pumpe 108 pumpt die Probe durch die Säule 110, um die Probe entsprechend der Retentionszeit in der Säule 110 in Komponententeile zu trennen. Ein Hochdruckstrom aus von der Pumpe 108 und dem Injektor 106 bereitgestelltem chromatographischen Lösungsmittel zwingt die Probe 102, eine chromatographische Säule 110 im LC 104 zu durchlaufen. Die Säule 110 ist üblicherweise eine gepackte Säule mit porösen, nichtporösen oder oberflächlich porösen Partikeln, die aus Kieselerde, Polymer oder aus Organohybrid-Kieselerde hergestellt sind, deren Oberfläche chemisch modifiziert sein kann. Die Ausgabe aus der Säule 110 wird zur Analyse in den Detektor eingegeben. Der Detektor 112 kann ein beliebiger geeigneter Detektor sein, wie z. B. ein UV-Absorptions-Detektor, ein Verdampfungs-Lichtstreudetektor, ein Massenspektrometer und dergleichen.
Bei einer Ausführungsform kann das LC-System beispielsweise ein Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-(HPLC)-System oder ein „Ultra Leistung Liquid Chromatography”-(UPLC)-System sein wie beispielsweise die ”ACQUITY UPLC^®”- und „nanoACQUITY UPLC^®”-Systeme von der Waters Corporation aus Milford, US-Bundesstaat Massachusetts. Ein LC-System wie das vorstehend erwähnte System der Waters Corporation kann unter hohem Druck arbeiten, beispielsweise im Bereich von 5.000 psi (beispielhaft für einige HPLC-Systeme) bis 15.000 psi (beispielhaft für einige UPLC-Systeme).
Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) stellt Steuersignale für die verschiedenen Stromversorgungen (nicht dargestellt) bereit, die die erforderlichen Betriebspotenziale für die Komponenten des Systems 100 wie z. B. für 104 und 112 bereitstellen. Diese Steuersignale bestimmen die Betriebsparameter des Instruments. Die Steuereinrichtung wird üblicherweise durch Signale eines Computers oder Prozessors, wie z. B. des Computers 116, gesteuert.
Der Speicher 114 kann einen oder mehrere unterschiedliche Typen von Computer-Speichermedien und/oder -einrichtungen aufweisen. Wie für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich ist, kann der Speicher 114 ein beliebiger Typ eines computerlesbaren Mediums in einer beliebigen Form einer Vielzahl unterschiedlicher Formen sein und flüchtige und nichtflüchtige, wechselbare und nicht wechselbare Medien aufweisen, die mit beliebigen Verfahren oder Techniken zum Speichern von Informationen implementiert sind, wie z. B. computerlesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten. Computer-Speichermedien schließen ohne eine diesbezügliche Einschränkung Folgendes ein: RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder andere Speichertechnologien, CD-ROM, DVD oder andere optische Speicher, Magnetkassetten, Magnetband, Magnetplattenspeicher oder andere magnetische Speichereinrichtungen oder beliebige andere Medien, die zum Speichern des gewünschten Codes, der Daten und dergleichen eingesetzt werden können, auf die durch einen Computerprozessor zugegriffen werden kann.
Der Computer 116 kann ein beliebiges handelsübliches oder proprietäres Computersystem, eine Prozessorplatine, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine andere Komponente sein, die einen Prozessor aufweist, der zur Ausführung eines auf einem computerlesbaren Medium gespeicherten Codes konfiguriert ist. Der Prozessor kann bei der Ausführung des Codes den Computer 116 veranlassen, Arbeitsschritte auszuführen, wie z. B. den Abruf und die Analyse der im Speicher 114 gespeicherten Daten. Das Computersystem, die Prozessorplatine und dergleichen können allgemeiner ausgedrückt als Computereinrichtung bezeichnet werden. Die Computereinrichtung kann auch ein computerlesbares Medium, wie z. B. durch 114 dargestellt, aufweisen bzw. sonst wie für den Zugriff darauf konfiguriert sein, wobei dieses darin gespeicherten ausführbaren Code aufweist, der einen Computerprozessor zur Ausführung von Arbeitsschritten veranlasst.
Eine oder mehre molekulare Arten (species) durchlaufen die Säule 110, und jede davon entweicht bzw. eluiert aus der Säule 110 und wird vom Detektor 112 erkannt. Die Zeit, die ein Molekül benötigt, um die Säule zu durchlaufen, wird üblicherweise als Retentionszeit des Moleküls bezeichnet. Das heißt, dass ein Molekül, das zur Retentionszeit t aus einer Säule eluiert, in Wirklichkeit über einen Zeitraum eluiert, der im Wesentlichen um den Zeitpunkt t zentriert ist. Das Elutionsprofil über den Zeitraum wird als chromatischer Peak bezeichnet, wobei die Retentionszeit des Moleküls dem Apex des Profils entspricht. Das Elutionsprofil eines typischen gleichmäßigen chromatischen Peaks kann als gaußsche Normalverteilung beschrieben werden. Der Peak hat eine Breite, die üblicherweise durch ihre volle Breite bei halber Höhe oder Halbwertsbreite (FWHM) beschrieben wird.
Die Retentionszeit und das chromatische Peak-Profil eines aus einer chromatographischen Trägermatrix (z. B. Packmaterial der Säule 110 oder ein anderes Trennmedium zum Trennen von chemischen Verbindungen einer Probenlösung) eluierenden Moleküls ist eine Funktion der physikalischen und chemischen Wechselwirkung des betreffenden Moleküls zwischen der Trägermatrix und der mobilen Phase. Der Grad der Wechselwirkung, den ein Molekül zwischen der Trägermatrix und der mobilen Phase aufweist, diktiert das chromatographische Profil und die Retentionszeit für das betreffende Molekül. In einer komplexen Mischung ist jedes Molekül chemisch unterschiedlich. Demzufolge kann jedes Molekül eine unterschiedliche Affinität für die chromatographische Matrix und die mobile Phase aufweisen. Dementsprechend kann jedes Molekül ein spezifisches chromatographisches Profil aufweisen.
Wenn die Probenlösung bei hohen Drücken durch die gepackte LC-Säule fließt, wird in der Säule Reibungswärme erzeugt. Die Menge der erzeugten Reibungswärme ist eine Funktion mehrerer Faktoren, wie z. B. der Flussrate der mobilen Phase, der Partikelgröße des Packmaterials der Säule und der Abmessungen (Länge und Innendurchmesser) der Säule. Diese Reibungswärme kann zu einem Anstieg bzw. zu einer Abweichung der Temperatur in der Säulenmitte bezüglich der Außenränder oder Wände der Säule führen, wodurch ein radialer thermischer Gradient verursacht wird, der die Leistung des LC-Systems nachteilig beeinflusst. Wie nach dem Stand der Technik bereits bekannt ist, kann die LC-Leistung beispielsweise anhand der Effizienz mittels Bodenzahl, reduzierter Bodenhöhe und/oder Tailing-Faktoren gemessen werden. Nachteilig beeinflusste LC-Leistung kann beispielsweise durch Vorliegen einer breiteren als der normalen/erwarteten Peak-Breite, einer asymmetrischen Peak-Form, einer reduzierten Bodenhöhe und dergleichen beobachtet werden. Beispielsweise bewirkt der radiale thermische Gradient dort, wo die Temperatur in der Säulenmitte höher als an den Außenrändern der Säule ist, dass die das Zentrum durchlaufende mobile Phase eine geringere Viskosität hat als an den Außenrändern. Dementsprechend fließt die flüssige mobile Phase schneller durch die Säulenmitte als an den Außenrändern. Da die chromatographische Retention normalerweise mit steigender Temperatur abnimmt, migriert ein Analyt ferner in der Säulenmitte schneller. Zur Verdeutlichung lässt sich beispielsweise sagen, dass chromatographische Peaks aufgrund derartiger Änderungen der Viskosität (und damit der Flussrate) wegen der oben beschriebenen radialen thermischen Gradienten in der Säule breiter bzw. weiter sein können. Derart vergrößerte Peak-Breiten können zu überlappenden Peaks führen, die dadurch die Qualität der aus den LC-Daten erhaltenen Informationen nachteilig beeinflussen. Wegen dieser nachteiligen Auswirkungen (wobei vorstehend ein Beispiel dafür angeführt ist) ist es daher wünschenswert, radiale thermische Gradienten zu minimieren oder zu reduzieren, um die LC-Leistung zu verbessern.
Zusätzlich kann diese Reibungswärme eine Temperaturdifferenz bezüglich der Strömungsrichtung (auch als Axialrichtung mit Bezug auf die Achse der gerichteten Strömung bezeichnet) durch die LC-Säule hervorrufen. Eine derartige Temperaturdifferenz in der Axialrichtung kann als axialer thermischer Gradient bezeichnet werden und über die Bestimmung einer Temperatur T_in der flüssigen mobilen Phase beim Eintritt in die LC-Säule und einer Temperatur T_out beim Ausgang aus der LC-Säule gemessen werden. Wenn die Partikelgröße des Packmaterials in der LC-Säule z. B. ein 5-μm-Partikel ist, kann es eine kleine Differenz zwischen T_in und T_out in der Axialrichtung geben (z. B. etwa 1 oder 2 Grad Celsius). Bei kleineren Partikeln im Packmaterial der LC-Säule, wie z. B. Partikeln mit einer Größe von 1,7 μm, ist die Differenz zwischen T_in und T_out jedoch im Vergleich zum axialen thermischen Gradienten für die Partikelgröße 5 μm wesentlich größer. Der axiale thermische Gradient kann die Retention beeinflussen, aber nur einen minimalen bzw. insignifikanten nachteiligen Einfluss auf die LC-Leistung ausüben.
Im Allgemeinen kann sich jede Art eines Temperaturgradienten bezüglich der LC-Säule (z. B. bezogen auf beliebige radiale und axiale thermische Gradienten) auf die Viskosität der mobilen Phase, die Geschwindigkeit bzw. Rate der Diffusion eines Analyten in der mobilen Phase auswirken und auch die Remanenz beeinflussen (d. h., wie ein Analyt mit den Oberflächen der Partikel im Packmaterial der Säule interagiert), wodurch die chromatographische Retentionszeit beeinflusst wird. Wie vorstehend erwähnt ist, hat ein axialer thermischer Gradient im Allgemeinen keinen signifikanten negativen bzw. nachteiligen Einfluss auf die chromatographische Leistung. Das Vorliegen eines radialen thermischen Gradienten hat dagegen normalerweise eine signifikante nachteilige Auswirkung auf die LC-Leistung, d. h. einer Leistung, die im Sinne einer Säuleneffizienz gemessen wird.
Über die Modellierung und vielseitige Prüfung von Säulenumgebungen einschließlich der adiabatischen, der thermischen und der Raumumgebung wurde ermittelt, dass das Vorliegen einer adiabatischen Säulenumgebung (bzw. einer möglichst engen Annäherung an adiabatische Bedingungen) am besten geeignet ist, den kleinsten bzw. einen minimalen radialen thermischen Gradienten und die höchste Säuleneffizienz zu erlangen (z. B. wie bei der Messung anhand von USP Bodenzahlen und/oder HETP (Höhenäquivalent des theoretischen Bodens). Isotherm kann definiert werden als das Vorliegen einer konstanten Säulentemperatur an der Außenwand der Säule, wie z. B. beim Platzieren der Säule in einem Wasserbad. Adiabatisch kann definiert werden als das Bereitstellen einer externen Isolierung der Säule, um dadurch jede Zufuhr bzw. Ableitung von Wärme zu/aus der Säule zu reduzieren oder eliminieren. Raumumgebung kann als Positionieren der Säule in ruhender Luft definiert werden.
Diesbezüglich sind hierin Ausführungsformen der LC-Säule beschrieben, die derartige adiabatische Bedingungen bereitstellen und radiale thermische Gradienten minimieren, um die Effizienz und Leistung der Säule zu maximieren. Im Betrieb des LC-Systems mit einer derartigen Säule entsprechend der vorstehenden Beschreibung mit dem Ziel der Bereitstellung adiabatischer Bedingungen erwärmt sich die Säule über die Reibung, wie dies im weiteren Verlauf dieser Beschreibung beschrieben ist. An einem bestimmten Punkt erreichen die Säule und das LC-System eine stationäre Beharrungstemperatur. Ein derartiger stationärer Zustand bezüglich der Säulentemperatur kann bestimmt werden, wenn T_in, T_out und die Differenz zwischen ihnen (z. B. ein axialer thermischer Gradient) relativ bzw. im Wesentlichen konstant sind. In diesem stationären Zustand bezüglich der Säulentemperatur (der durch den Erhalt von im Wesentlichen konstanten Werten für T_in, T_out und den axialen thermischen Gradienten und bei adiabatischen Bedingungen unter Verwendung der hierin beschriebenen isolierten Säule) ist die Temperatur an der Außenwand der Säule und in der Mitte der Säule im Wesentlichen gleich, wodurch der radiale thermische Gradient minimiert oder eliminiert wird. Bei einer derartigen stationären Beharrungstemperatur unter Verwendung der hierin im Detail beschriebenen Ausführungsformen der Säule liegen ein axialer thermischer Gradient und ein minimaler radialer thermischer Gradient vor.
Für Fachleute auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass das LC-System den stationären Zustand vor dem Injizieren einer Probe in Verbindung mit der Ausführung eines LC-Experiments erreichen kann.
Mit Bezug auf 2 ist ein Beispiel einer Ausführungsform einer Chromatographiesäule gemäß der hierin beschriebenen Erfindung gezeigt. Die Ausführungsform von 2 kann als Säule 110 in denn System aus 1 Verwendung finden. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-(HPLC)-Säule 128 in einer Isolierschicht oder einem isolierende Element 130, die/das zwischen der Säule 128 und einer Außenhülle 120 ausgebildet ist. Die Eingangsleitung 10 führt Probenlösung in die HPLC-Säule 128, und die Ausgangsleitung 20 führt Probenlösung aus der HPLC-Säule 128. Das Element 30 stellt das chromatographische Trennmedium dar, wie z. B. Kügelchen oder anderes Säulenpackmaterial. Die Isolierschicht oder das isolierende Element 130 kann eine thermische Isolierung der HPLC-Säule bereitstellen, die bei Drücken über 5.000 psi arbeiten kann. Bei der Ausführungsform von 125 kann die Isolierschicht oder das isolierende Element 130 eine Vakuumkammer sein, die als thermischer Isolator wirkt und einen Druck aufweist, der unter dem lokalen atmosphärischen Druck liegt (z. B. unter dem atmosphärischen Druck außerhalb der Fläche 120 oder der Umgebung von Mantel 120). Beispiele von mehr spezifischen Drücken, die bei einer Ausführungsform in Verbindung mit dem Vakuum innerhalb des Bereichs 130, der die Säule umgibt, verwendet werden können, sind hierin an anderer Stelle wiedergegeben. Wie veranschaulicht, kann die Säule 128 in dem Mantel 120 platziert werden, der eine geeignete luftdichte Versiegelung zur Isolierung der in dem Mantel 120 befindlichen Säule 128 (zusammen mit weiteren illustrierten und daran angebrachten Komponenten) von der Umgebung außerhalb des Mantels 120 aufweist. Nach der erfolgten Platzierung der Säule 128 in dem Mantel 120 kann in dem Raum bzw. in der Kammer 130 ein Vakuum erzeugt werden, indem die darin befindliche und die Säule 128 in dem Mantel 120 umgebende Luft abgepumpt wird. Die Luft kann abgepumpt werden, indem eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) mit der Durchgangsbohrung 50 des Mantels 120 verbunden wird. Nachdem die Luft aus dem Raum 130 entfernt worden ist, kann die Durchgangsbohrung 50 abgedichtet werden, wodurch eine durch 130 angegebene Vakuumkammer bzw. ein Raum in dem die Säule 128 in dem Mantel 120 umgebenden Bereich erzeugt wird.
Als eine erste Alternative zum vorstehenden Beispiel, bei dem im Raum 130 eine Vakuumkammer erzeugt wird, kann die Luft im Raum 130 durch ein schweres inertes Gas wie z. B. Argon, Krypton oder Xenon verdrängt werden. Bei einer derartigen Ausführungsform kann eine Quelle des inerten Gases (nicht dargestellt) mit der Durchgangsbohrung 50 verbunden werden, um das atmosphärische Gas des Raums 130 durch das inerte Gas zu verdrängen. Die Durchgangsbohrung 50 kann anschließend unter Verwendung geeigneter Mittel wie oben beschrieben gesperrt werden, um eine luftdichte Versiegelung auszubilden. Bei dieser ersten Alternative kann die Isolierschicht 130 durch das darin angeordnete inerte Gas gebildet werden. Als weitere Variante des Vorstehenden kann vor dem Sperren der Durchgangsbohrung 50 und sobald das inerte Gas im Raum 130 bereitgestellt worden ist, anschließend eine Vakuumpumpe mit der Durchgangsbohrung 50 verbunden werden, um durch Abpumpen des inerten Gases ein Vakuum zu erzeugen. Nach dem Erzeugen eines ausreichenden Vakuums kann die Durchgangsbohrung 50 anschließend wie oben beschrieben gesperrt werden, um eine luftdichte Versiegelung auszubilden.
Auf der Basis der vorstehenden beispielhaften Alternativen kann somit eine Ausführungsform die die Säule umgebende Isolierschicht bilden, indem die Luft oder das atmosphärische Gas aus dem die Säule umgebenden Raum abgepumpt wird, so dass eine Vakuumkammer (mit minimalen atmosphärischem Gas) als Isolierschicht 130 erzeugt wird. Eine Ausführungsform kann auch die die Säule umgebende Isolierschicht bilden, indem die Luft bzw. das atmosphärische Gas in dem die Säule umgebenden Raum durch ein inertes Gas ersetzt wird, wodurch eine Kammer oder Schicht mit inertem Gas als Isolierschicht 130 erzeugt wird, die atmosphärischen Druck aufweist. Eine Ausführungsform kann auch die die Säule umgebende Isolierschicht bilden, indem die Luft oder das atmosphärische Gas in dem die Säule umgebenden Raum durch ein inertes Gas verdrängt und anschließend das inerte Gas aus dem die Säule umgebenden Raum abgepumpt wird, wodurch eine Vakuumkammer (mit minimalem inerten Gas) als Isolierschicht 130 erzeugt wird.
In Verbindung mit dem Vakuum, das in der Kammer der Isolierschicht 130 gebildet werden kann, ist anzumerken, dass ein echtes Vakuum die niedrigste thermische Leitfähigkeit aufweist, so dass Wärme nur durch Strahlungsheizung transportiert werden kann. Bei sehr niedrigem Druck (z. B. etwa weniger als 10^–3 atm) ist die thermische Leitfähigkeit direkt proportional zum Druck. Dieser Bereich ist Fachleuten auch als Knudsen-Domäne bekannt, wo der mittlere freie Pfad der Moleküle im Vergleich zu den Abmessungen der Kammer groß ist. Bei niedrigen Drücken wie z. B. im ungefähren Bereich von 10^–3 atm bis 10 atm ist die thermische Leitfähigkeit eine sehr schwache Funktion des Drucks mit einen Anstieg von weniger als ~1% pro Bar. Somit können einige Ausführungsformen ein Vakuum mit einem bevorzugten Druck von ungefähr gleich oder weniger als 10^–3 atm verwenden. Andere Ausführungsformen, die hierin beschriebene Techniken verwenden, können andere Drücke verwenden, wie z. B. im ungefähren Bereich von 10^–3 atm bis 10 atm, obwohl Drücke von ungefähr 10^–3 atm oder darunter bevorzugt werden.
Bezüglich des Gases, das in Verbindung mit 130 bei hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann, wie z. B. in der Vakuumkammer bei einem der hierin beschriebenen Drücke, ist anzumerken, dass schwere Gase eine bessere thermische Isolierung bereitstellen als leichtere Gase, da sie eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die thermische Leitfähigkeit nimmt im Allgemeinen mit zunehmendem Molekulargewicht ab. Eine Ausführungsform kann beispielsweise Argon, Xenon und/oder Krypton verwenden, die viel schwerer als Luft sind, und daher eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Als weiteres Beispiel kann eine Ausführungsform die Isolierschicht 130 unter Verwendung eines Gases, das Schwefelhexafluorid aufweist, bilden.
Es ist anzumerken, dass der Innendurchmesser der Säule eine beliebige geeignete Abmessung aufweisen kann, wie z. B. 1 mm oder größer, obwohl die erhöhten Vorteile bei der Verwendung einer derartigen Säule mit zunehmendem Innendurchmesser der Säule besser ersichtlich sind (z. B. bei Innendurchmessern der Säule von 2 mm oder höher). Eine Ausführungsform kann auch Säulen mit beliebiger Partikelgröße für das Packmaterial oder, allgemeiner gesagt, für das Trennmedium verwenden. Säulen, die kleinere Partikelgrößen verwenden (z. B. Partikel mit einer Größe von 2,5 μm oder kleiner) können jedoch normalerweise größere Vorteile erzielen, da mehr Reibungswärme erzeugt wird, wodurch sich größere thermische Gradienten ergeben. Die äußere Säulenwand der Säule 128 kann aus Stahl, Titanium oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein, die den HPLC-Betriebsdrücken von im Allgemeinen mehr als 5.000 psi widerstehen können. Der umgebende Mantel 120 kann aus Stahl oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein, in den eine Durchgangsbohrung 50 eingearbeitet oder sonst wie ausgebildet werden kann. Die Durchgangsbohrung 50 kann auf beliebige geeignete Weise abgedichtet werden, beispielsweise durch Bördeln, Krönen (z. B. unter Verwendung eines abnehmbaren oder permanenten Deckels) und dergleichen, um dadurch eine luftdichte Versiegelung zur Verwendung beim Erzeugen des Vakuums in dem durch 130 angegebenen Raum bereitzustellen. Beispielsweise kann die Durchgangsbohrung 50 mittels eines daran angebrachten abnehmbaren Deckels (z. B. mittels eines Gewindes) abgedichtet sein.

Bei einer Ausführungsform kann der Bereich 130 eine Isolierschicht bzw. ein Element bilden und ausreichende Isolierung bereitstellen, die eine thermische Leitfähigkeit zwischen der Säule 128 und der Umgebungstemperatur, wie z. B. der Temperatur der Umgebung außerhalb der oder um die Mantel 120 herum, verhindert. Der als 130 bezeichnete und die Isolierschicht bzw. das Element bildende Bereich kann thermische Leitfähigkeit haben, die beispielsweise bei bzw. unterhalb von 0,02 W/mK liegt. Es ist anzumerken, dass es für die durch 130 bereitgestellte thermische Leitfähigkeit Idealerweise wünschenswert ist, dass sie geringer als die von Luft ist, so dass beispielsweise eine Ausführungsform die wie im Folgenden angegebenen Gase verwenden kann, die eine geringere thermische Leitfähigkeit als Luft haben. (Z. B. Kohlendioxid, Argon, Krypton, Xenon, Schwefelhexafluorid.) Im Folgenden ist eine Tabelle thermischer Leitfähigkeiten einiger Gase bei 1 atm und 298 Grad K wiedergegeben:

Gas	Thermische Leitfähigkeit (W/mK)
Helium	0,147
Wasserstoff	0,175
Neon	0,0483
Stickstoff	0,0255
Sauerstoff	0,0263
Luft	0,0259
Kohlendioxid	0,0169
Argon	0,0174
Schwefelhexafluorid	0,0121
Krypton	0,00943
Xenon	0,00565

In Verbindung mit den oben wiedergegebenen Informationen zu den Gasen sind derartige Angaben allgemein verfügbar und im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können Daten für alle Gase bis auf Krypton, Xenon und Schwefelhexafluorid (SF6) und Luft entnommen werden aus RC Reid, JM Prausnitz, BE Poling, The Properties of Gases & Liquids, 4th Edition, McGraw Hill, 1987. Daten zu Krypton, Xenon und Schwefelhexafluorid (SF6) und Luft lassen sich aus öffentlich zugänglichen Informationen im Internet entnehmen, z. B. unter Verwendung der „Rechnenden Wissensmaschine” Wolfram Alpha^TM von Wolfram Alpha LLC, online verfügbar unter www.wolframalpha.com.
Der bei einer Ausführungsform verwendete Mantel 120 kann im Allgemeinen aus beliebigem geeigneten Material sein, das einem Vakuum widersteht und nicht ausgast. Beispielsweise kann der Mantel 120 aus einem oder mehreren der folgenden Metalle hergestellt sein: Stahl, Kupfer, Messing, Aluminium oder anderen Metallen. Die Säule kann Wände aufweisen, die beispielsweise aus Stahl oder Titanium konstruiert sind; sie können jedoch allgemeiner gesagt aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das den hohen Drücken widersteht und auch chemisch zu einer bei einer Ausführungsform verwendeten mobilen Phase und Probe inert ist. Als Alternative können bei einer Ausführungsform die Wände so gewählt sein, dass sie aus einem Material konstruiert sind, das mit der Probe chemisch interagiert (z. B. interagiert Keramik oft mit bestimmten Analyten) und dass die Innenwand der Säule (z. B. die Wand, die mit der Probe und der mobilen Phase im Fluidpfad in Kontakt kommt) mit einem inerten Material wie z. B. Quarzglas oder PEEK beschichtet/verkleidet ist. Ein bevorzugter Vakuumdruck, der verwendet werden kann, ist weiter oben beschrieben als Druck unterhalb von 10^–3 atm. Die für das Säulenmaterial verwendete Partikelgröße kann eine Größe von weniger als 2 μm aufweisen, wie z. B. im ungefähren Bereich der Partikel mit einer Größe von 1,5–2 μ. Es ist anzumerken, dass hierin beschriebene Techniken auch mit größeren Partikeln verwendet werden können, wobei jedoch thermische Auswirkungen weniger bedeutend werden bei größeren Partikeln, wie z. B. bei Partikeln, die den gewöhnlichen Größenbereich von 5–10 μm überschreiten oder größer als 5 μm sind. Somit werden thermische Auswirkungen wichtiger bei Partikeln mit kleineren Größen. LC-Säulen beliebiger geeigneter Abmessung können in Verbindung mit den hier beschriebenen Techniken eingesetzt werden. Beispielhafte Abmessungen für LC-Säulen, die bei einer Ausführungsform verwendbar sind, können eine Länge von 20 mm bis 300 mm und einen Durchmesser, der etwa gleich oder größer als von 10 μm bis etwa 50 mm, aufweisen. Wie für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich ist, können thermische Auswirkungen bei Säulen mit kleinerem Durchmesser von beispielsweise etwa weniger als 100 μm weniger signifikant sein, da die Wärmeübertragung radiale und axiale Gradienten minimiert. Bei größeren Durchmessern kann die Größe von etwa 50 mm auf praktischen Einschränkungen basieren, wie beispielsweise wegen der Druckfestigkeit der Ausrüstung. Bei zunehmendem Durchmesser wird es signifikant kostspieliger, ein Rohr herzustellen, das den erforderlichen hohen Drücken widerstehen kann.
Mit Bezug auf 3 ist ein Beispiel einer anderen Ausführungsform einer Chromatographiesäule gemäß hierin beschriebenen Techniken gezeigt. Die Ausführungsform aus 3 kann als Säule 110 in dem System aus 1 eingesetzt werden. 3 weist ähnliche Komponenten wie die der 2 auf, mit dem Unterschied, dass das isolierende Element bzw. die Schicht als 160 bezeichnet ist (statt als 130 wie in 2) und dass es hier ein Bestandteil bzw. eine Schicht der Säule ist. Im Beispiel 150 kann die Säule 128 so charakterisiert werden, dass sie einen ersten inneren Abschnitt 128 aufweist (die nicht isolierte Säule 128 entsprechend der vorstehenden Beschreibung in Zusammenhang mit 2), umgeben von einem zweiten äußeren Abschnitt, der die Isolierschicht 160 bildet. Im Beispiel 150 von 3 braucht die Isolierschicht 160 nicht über die gesamte Länge des inneren Abschnitts 128 zu verlaufen. Die Isolierschicht 160 kann wie oben beschrieben in Verbindung mit dem Element 130 aus 2 ausgebildet sein.
Mit Bezug auf 4 ist ein Beispiel einer anderen Ausführungsform einer Chromatographiesäule gemäß hierin beschriebenen Techniken gezeigt. Die Ausführungsform aus 4 kann als Säule 110 in dem System aus 1 eingesetzt werden. 4 weist ähnliche Komponenten wie die der 3 auf, wobei das isolierende Element bzw. die Schicht als 160 bezeichnet ist und hier ein Bestandteil bzw. eine Schicht der Säule ist. Im Beispiel 180 (wie auch in 3) kann die Säule 128 so charakterisiert werden, dass sie einen ersten inneren Abschnitt 128 aufweist (wie oben in Zusammenhang mit 2 beschrieben), umgeben von einem zweiten äußeren Abschnitt, der die Isolierschicht 160 bildet. Im Beispiel 180 von 4 kann die Isolierschicht 160 im Wesentlichen über die gesamte Länge des inneren Abschnitts 128 verlaufen. Die Isolierschicht 160 kann so ausgebildet sein, wie oben in Verbindung mit dem Element 130 aus 2 beschrieben.
Bei der Durchführung von Experimenten unter Verwendung von LC-Systemen kann es wünschenswert sein, die Temperatur der mobilen Phase gelegentlich so aufzuheizen bzw. zu erhöhen, dass sie größer als die Umgebungs- bzw. Lufttemperatur ist. Zu diesem Zweck sind weitere beispielhafte Ausführungsformen in Zusammenhang mit 5A und 5B dargestellt.
In 5A und 5B sind einige beispielhafte Ausführungsformen gezeigt, bei denen ein aktives Heizelement vor der Säule positioniert sein kann, um die mobile Phase gemäß den hierin beschriebenen Techniken vor dem Säuleneingang zu erwärmen.
5A veranschaulicht ein Beispiel von Komponenten 200 des LC-Systems. Das Beispiel 200 weist eine Pumpe 202, einen Injektor 204, eine Heizung 206 und eine Umhüllung bzw. ein Gehäuse 201 auf, das die LC-Säule auf ähnliche Weise umschließt, wie vorstehend in Zusammenhang mit 2 beschrieben. Das Gehäuse 201 kann eine Durchgangsbohrung 250 mit einer Außenwand 220 aufweisen, die als Mantel 120 aus 2 fungiert. Das Element 230 kann die die Isolierschicht bildende Kammer entsprechend der Beschreibung weiter oben in Zusammenhang mit dem Element 130 aus 2 sein. Die Heizung 206 kann beispielsweise die „ACQUITY Active Solvent”-Heizung von Waters Corporation sein. Die Heizung 206 kann beispielsweise auf eine gewünschte Soll-temperatur eingestellt werden, um die mobile Phase zu erwärmen, wobei ein Fluidpfad, wie durch die Pfeile angegeben, zwischen den verschiedenen Komponenten 202, 204, 206 und 201 verläuft.
5B ist eine weitere Variante von 5A. Das Beispiel 280 aus 5B ist ähnlich dem Beispiel 200 aus 5A, mit dem Unterschied, dass die Heizung 206 innerhalb des Gehäuses 201 aus 5B angeordnet ist.
Es ist anzumerken, dass das Element 201 beispielsweise ein Heizabschnitt der Säule oder ein Ofen sein kann, in dem die Säule platziert wird. Die Säulenheizung kann geeignete luftdichte Dichtungen entsprechend der Beschreibung weiter oben aufweisen, an die eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) über eine Durchgangsbohrung 250 entsprechend der Beschreibung weiter oben in Zusammenhang mit der Durchgangsbohrung 50 aus 2 angeschlossen sein kann. Bei einer derartigen Anordnung kann die Säulenheizung je nach Bedarf, zusätzlich zu dem durch 206 dargestellten aktiven Heizelement, zusätzliche Wärme beaufschlagen, um die mobile Phase vor dem Eintritt in die Säule 128 zu erwärmen. Weiter kann eine Ausführungsform eine Säulenheizung entsprechend der Beschreibung weiter oben in Zusammenhang mit 5A mit oder ohne Verwendung der Lösungsmittelheizung 206 einsetzen. Die Säulenheizung (derart, wie durch 201 in 5A und 5B angegeben) kann beispielsweise die Säulenheizung AQUITY UPLC^® von Waters sein.
In Zusammenhang mit dem vorstehenden Heizelement 206 und/oder der Ausführungsform, wo das Element 201 eine Säulenheizung ist, kann die Erwärmung in Verbindung mit dem Erreichen eines erwünschten Sollwerts unter Verwendung einer Regelsteuerung (nicht dargestellt) durchgeführt werden, wobei die tatsächliche oder beobachtete Temperatur erhalten werden kann, z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer Thermoelemente, um ein Feedback zur elektronischen Steuerung der Heizkomponenten zu leiten (z. B., um die Wärmemenge zu erhöhen/zu senken, indem die Heizung basierend darauf, ob die vom Thermoelement gemessene aktuelle Temperatur am gewünschten Temperatur-Sollwert oder innerhalb eines akzeptablen Schwellenbereichs dieses Sollwerts ist, geregelt wird). Bei einer Ausführungsform kann bei Verwendung der Säulenheizung die Säulenheizung eingesetzt werden, um eine zusätzliche Wärmequelle auf luftdichte Weise bei der in 201 umschlossenen Säule aufzubringen. Die zusätzliche Wärmequelle stellt eine Beheizung der Säule 128 über Strahlungsheizung aus der Umgebung bereit. Es ist anzumerken, dass andere geeignete Techniken verwendet werden können, um ebenfalls zusätzliche Wärme für die im Gehäuse 201 mit dem weiter oben erwähnten isolierende Element bzw. der Schicht 130 angeordnete Säule 128 bereitzustellen, wie z. B. durch die zwischen der Außenwand der Säule 128 und der Wand 220 des Gehäuses 201 ausgebildete Vakuumkammer. Beispielsweise können eine optionale Heizung oder Heizmittel das Gehäuse 201 umschließen oder umgeben, was die Möglichkeit bereitstellt, zusätzliche Strahlungswärme hinzuzufügen, und zwar zur Kompensation möglicher, nicht idealer Umstände beim Erreichen echter adiabatischer Bedingungen.
Im Folgenden werden Techniken beschrieben, die in Verbindung mit der Durchführung eines LC-Experiments während des Betriebs eines LC-Systems verwendet werden können, um die Zeitspanne zu verringern, die erforderlich ist, um den weiter oben beschriebenen, stationären Zustand mit Bezug auf den gemessenen axialen und radialen Gradienten zu erreichen, wodurch im Wesentlichen konstante Werte für die Säuleneingangstemperatur T_in, die Säulenausgangstemperatur T_out und die Differenz zwischen T_in und T_out (z. B. innerhalb eines gewissen akzeptierten Umfangs der gemessenen Schwellendifferenz) vorliegen werden.
In den folgenden Absätzen beschriebene Techniken können eine oder mehrere unabhängig gesteuerte Heizung(en) in thermischen Kontakt mit der Säule an verschiedenen Säulenpositionen verwenden. Bei einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von unabhängig gesteuerten Heizungen in thermischem Kontakt mit der Säule an verschiedenen Säulenpositionen verwendet werden. Diese unabhängig gesteuerten Heizungen können jeweils allein oder in Kombination mit anderen Wärmequellen verwendet werden, die in Verbindung mit der Steuerung der Temperatur der Säule und der dadurch strömenden mobilen Phase angewandt werden können.
Temperatur ist ein Parameter, der eine signifikante Auswirkung auf die Retention eines Analyten haben kann. Die Temperatur kann beispielsweise die Kinetik der Absorption und Desorption zwischen einem Analyten und der stationären Phase oder dem Trennmedium ändern, wodurch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Selektivität der Trennung beeinflusst werden. Bei der Durchführung von LC-Experimenten ist es wichtig, dass die LC-Säule eine stationäre Beharrungstemperatur (steady state temperature) erreicht, um reproduzierbare Resultate zu erhalten. In den folgenden Absätzen beschriebene Techniken reduzieren die Zeit, die zum Erreichen dieses stationären Zustands bezüglich der Säulentemperatur erforderlich ist. Wie hierin an anderer Stelle beschrieben ist, kann die Säulentemperatur im stationären Zustand bestimmt werden, wenn T_in und T_out und die Differenz zwischen ihnen (z. B. ein axialer thermischer Gradient) relativ bzw. im Wesentlichen konstant sind.
Mit Bezug auf 6 ist ein Beispiel einer Ausführungsform von Komponenten dargestellt, die in Verbindung mit den hierin beschriebenen Techniken zur Verringerung der erforderlichen Zeit zum Erreichen des stationären Zustands verwendet werden können, und zwar bestimmt auf der Basis im Wesentlichen konstant gemessener Werte für T_in, T_out und der Temperaturdifferenz zwischen T_in und T_out (z. B. axialer Gradient, der im Wesentlichen konstant ist). Das Beispiel 300 weist eine Pumpe 202, einen Injektor 204, eine Heizung 206 und eine nicht isolierte Säule 128 mit einem Eingang 10 und einem Ausgang 20, entsprechend der Beschreibung an anderer Stelle hierin, auf. Zusätzlich weist das Beispiel 300 eine Heizung 310 auf, die am Säulenausgang 20 mit der Säule gekoppelt und mit dieser in thermischem Kontakt ist. Die Säulenausgangs- bzw. Säulenauslasstemperatur T_out kann beispielsweise durch ein an dem oder nahe dem Säulenausgang positioniertes Thermoelement gemessen werden. Elemente P1, P2 und P3 geben beispielhafte Positionen an, an denen das Thermoelement positioniert werden kann, um die Temperaturmessung T_out zu erhalten. Die Heizung 310 kann manuell oder über automatische Steuermittel (nicht dargestellt) auf einen gewünschten Temperatur-Sollwert eingestellt werden. Die beobachtete tatsächliche Temperatur kann unter Verwendung des Thermoelements gemessen werden, und die Heizung 310 kann ein-/ausgeschaltet oder auf sonstige Weise eingestellt werden, um eine Wärmemenge von der Heizung 310 basierend darauf ob die gemessene Temperatur T_out (z. B. von einen der Elemente P1, P2 oder P3) am gewünschten Sollwert ist, zu erhöhen oder zu verringern. Wie im Stand der Technik bekannt ist, kann ein Regelverfahren (feedback technique) wie z. B. unter Verwendung einer geeigneten elektronischen Verdrahtung, Schaltung und dergleichen verwendet werden, um die Steuerung und den Betrieb der Heizung 310 zu automatisieren. Beispielsweise und mit Bezug auf 1 kann ein auf dem Computer 116 ausgeführter Code eine Benutzerschnittstelle bereitstellen, über die ein Benutzer einen gewünschten Sollwert für T_out wählen und einstellen kann. Die gemessene Temperatur T_out kann zum Computersystem übermittelt werden, wodurch ein auf dem Computersystem ausgeführter Code den Messwert T_out mit dem gewünschten Sollwert für T_in vergleichen und Steuersignale zur Heizung 310 ausgeben kann, um den Betrieb der Heizung 310 in Reaktion darauf, ob der Messwert T_out auf dem gewünschten Sollwert für T_out ist, entsprechend zu regeln.
Die weiter oben beschriebene Säuleneingangstemperatur T_in kann auf ähnliche Weise wie bei T_out gemessen werden. Beispielsweise kann ein Thermoelement verwendet werden, um T_in an einer beliebigen geeigneten Position am Säuleneingang, z. B. wie durch P4, P5 und P6 dargestellt, zu messen. Auf der Basis der beobachteten oder gemessenen Werte von T_in und T_out und der Bestimmung einer Differenz zwischen den Werten kann eine Ausführungsform bestimmen, wann der stationäre Zustand erreicht ist, der durch im Wesentlichen konstante Messwerte für T_in, T_out und den axialen thermischen Gradienten bzw. die Differenz zwischen T_in und T_out angegeben wird.
Die Messung von T_in und T_out, die Steuerung der Heizung 310 und die Auswahl des Temperatur-Sollwerts für T_out können unter Verwendung beliebiger geeigneter manueller und/oder automatischer Verfahren bestimmt werden, wie für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich ist. Beispielsweise kann eine Ausführungsform automatisierte Techniken wie die weiter oben beschriebenen Techniken unter Verwendung von Steuersignalen zur Regelung des Betriebs der Heizung 310 einsetzen. Zusätzlich kann eine Ausführungsform auch den gewünschten Temperatur-Sollwert für T_out auf automatisierte Weise bestimmen, wie z. B. unter Verwendung eines Algorithmus, der in dem auf einem Prozessor ausgeführten Code implementiert ist, der die Säulenausgangstemperatur des stationären Zustands auf der Basis eines gegebenen Werts T_in und anderer Parameter vorhersagt und diesen berechneten Wert von T_out als gewünschten Sollwert für T_out verwendet. Die Säulenausgangstemperatur des stationären Zustands kann algorithmisch auf der Basis der Einzelheiten einer Implementierung bestimmt werden. Beispielsweise kann eine vorhergesagte Säulenausgangstemperatur des stationären Zustands als Sollwert für T_out basierend auf bzw. unter Verwendung von Säulenabmessungen (z. B. Länge und Durchmesser), Partikelgröße, Zusammensetzung der mobilen Phase (z. B. Lösungsmittel), Flussrate, Säuleneingangstemperatur T_in und thermischen Eigenschaften der Säulenbaugruppe bestimmt werden. Beispielsweise kann die folgende Gleichung in Verbindung mit automatisierten Techniken verwendet werden, um einen gewünschten Wert T_out (vorhergesagte Säulenausgangstemperatur) als Sollwert für den stationären Zustand in Abhängigkeit von den verschiedenen Parametern einschließlich eines gegebenen Werts T_in automatisch vorherzusagen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform einen PID-Regler („proportional-integral-derivative”) verwenden, um die Einstelltemperatur von T_out auf der Basis eines bekannten bzw. gegebenen Werts T_in und anderer Systemparameter auf einen Wert des stationären Zustands zu fahren. Auf diese Weise können derartige Techniken verwendet werden, um den stationären Zustand des Systems zu bestimmen und zu steuern. Wie im Stand der Technik bekannt ist, kann ein PID-Regler als generischer Regelkreismechanismus (Regler) charakterisiert werden, der in verschiedenen Typen von Steuersystemen breite Anwendung findet. Der Temperaturanstieg in einer adiabatischen Säule, die über Reibungswärme erwärmt wird, lässt sich durch folgende Gleichung vorhersagen:
wobei ΔT_L die Temperaturdifferenz in Längsrichtung zwischen dem Säuleneingang und dem Ausgang (z. B. T_in-T_out) ist, α der thermische Expansionskoeffizient der mobilen Phase ist, T die mittlere Temperatur der mobilen Phase ist, ΔP ein Druckabfall über der Chromatographiesäule ist, C_p die Heizkapazität der mobilen Phase bei konstantem Druck ist, αT den Durchschnittswert einer Menge αT wiedergibt, und ρ die Dichte der mobilen Phase ist. Der Wert (1 – αT) ist in der Größenordnung von 2/3 (F. Gritti und G. Guiochon, Anal. Chem. 80 (2008) 5009). Beispielsweise kann eine Ausführungsform unter Verwendung von GLEICHUNG A automatisierte Techniken verwenden, um einen vorhergesagten Wert für L zu bestimmen, der dem stationären Zustand für einen gegebenen bzw. vorgegebenen Wert T_in zugeordnet ist. Geeignete Steuersignale können zur Heiz-/Kühleinheit 310 gesendet werden, so dass T_out seinen vorhergesagten Wert des stationären Zustands erreicht und beibehält. Da auf der Basis unterschiedlicher gegebener Werte für T_in unterschiedliche Werte für T_out erwünscht sind, können derartige automatisierte Techniken verwendet werden, um T_out zu bestimmen und eine entsprechende Einstellung vorzunehmen (z. B. über die Regelung von 310). Allgemeiner gesagt kann GLEICHUNG A verwendet werden, um bestimmte, einem stationären Zustand zugeordnete Wertepaare für T_in und T_out zu bestimmen. Wie an anderer Stelle hierin detaillierter beschrieben ist, können eine oder mehrere Heiz- und/oder Kühleinheiten verwendet werden, um T_in und/oder T_out auf gewünschte Temperaturen entsprechend der Bestimmung unter Verwendung von GLEICHUNG A zu fahren.
Ein Verfahren zur Berechnung der vorhergesagten Säulenausgangstemperatur des stationären Zustands auf der Basis der vorstehenden Beschreibung kann beispielsweise unter Verwendung von auf einem Computer, wie dem Computer 116 aus 1, ausgeführter Software implementiert werden. Wie weiter oben beschrieben, kann die Temperatursteuerung der Heizung 310 über die Einstellung bzw. Regelung der Heizung 310 über einen Regelkreis erreicht werden, der die Säulenausgangstemperatur überwacht und basierend darauf, ob ein vorhergesagter gewünschter Sollwert für T_out erreicht worden ist (z. B., wenn die gemessene Säulenausgangstemperatur T_out an dem oder nahe dem vorhergesagten Wert für T_out ist (d. h. innerhalb eines Schwellenwerts davon)), Steuersignale zur Heizung 310 sendet.
In Zusammenhang mit 6 ist darauf hinzuweisen, dass die Heizung 206 optional eingesetzt werden kann, so dass eine Ausführungsform entsprechend der hierin beschriebenen Techniken auch nur die Heizung 310, aber nicht die Heizung 206 als Lösungsmittelheizung vor denn Eintritt in die Säule 128 aufweisen kann. Zusätzlich kann in Zusammenhang mit 6 das Element 310 eine Heizung oder, allgemeiner ausgedrückt, eine Temperatursteuereinheit sein, die die Heizung und/oder Kühlung bereitstellt.
Als Variante der Ausführungsform aus 6 kann die durch 310 dargestellte Einheit so konfiguriert sein, dass sie beweglich bzw. portabel ist und entsprechend der Darstellung leicht an anderen axialen Positionen längs der Säule 128 neben dem Säulenausgang oder Auslass platziert werden kann.
Mit Bezug auf 7 ist ein Beispiel einer anderen Ausführungsform von Komponenten dargestellt, die in Verbindung mit den hierin beschriebenen Techniken zur Verringerung der erforderlichen Zeit zum Erreichen des stationären Zustands verwendet werden können, und zwar entsprechend der Bestimmung auf der Basis im Wesentlichen konstanter Werte für T_in, T_out und der Temperaturdifferenz zwischen T_in und T_out (z. B. axialer Gradient, der im Wesentlichen konstant ist). Das Beispiel 400 weist eine Pumpe 202, einen Injektor 204, eine Heizung 206, eine Heizung 310 und eine nicht isolierte Säule 128 mit einem Eingang 10 und einem Ausgang 20 entsprechend der Beschreibung in Zusammenhang mit 6 auf. Zusätzlich weist das Beispiel 400 eine zweite Heizung 410 auf, die am Säuleneingang 10 mit der Säule gekoppelt und mit ihr in thermischem Kontakt steht.
Das Element 410 kann ähnlich der durch das Element 310 dargestellten Heiz- bzw. Kühleinheit sein, mit dem Unterschied, dass 410 am Eingang der Säule 128 angeordnet ist und zur Steuerung von T_in fungiert. Somit kann T_in auf ähnliche Weise wie weiter oben mit Bezug auf T_out beschrieben auf einen gewünschten Temperatur-Sollwert eingestellt und als Sollwert für die Steuerung der Heizung 410 verwendet werden. Die Heizung 410 kann beispielsweise auf manuelle und/oder automatische Weise eingestellt werden, und die Heizung 410 kann manuell geregelt werden (z. B. kann der Benutzer die Heizung ein- und ausschalten oder sonst wie Steuerelemente der Heizung 410 auf der Basis des beobachteten Werts T_in einstellen), oder sie kann automatisch geregelt werden (z. B. unter Verwendung eines Feedback-Verfahrens mit elektronischer Temperaturüberwachung und Steuermitteln zur Einstellung der Heizung 410 auf der Basis der beobachteten oder gemessenen Säuleneingangstemperatur T_in und eines gewünschten Sollwerts T_in). Diese Temperaturüberwachung- und Steuermittel können die Verwendung eines Computers oder Prozessors mit darauf ausgeführtem Code einschließen, der beobachtete Temperaturen von Temperatursensoren erhält (z. B. von solchen mit Anordnung an beliebigen Positionen P1–P6 aus 6) und entsprechende Steuersignale bestimmt, die über eine mit entsprechenden Heiz-/Kühl- bzw. Temperatursteuereinheiten verbundene elektronische Schaltung übertragen werden, um eine gewünschte Temperatureinstellung vorzunehmen. Die beobachtete(n) Temperatur(en) kann/können verwendet werden, um zu bestimmen, welche Steuersignale gegebenenfalls an eine oder mehrere der Temperatursteuereinheiten übertragen werden, um die gewünschte(n) Sollwert-Temperatur(en), die gemäß GLEICHUNG A bestimmt werden kann/können, zu erreichen.
Das Element 410 kann eine unabhängig gesteuerte Temperatursteuereinheit sein, die für das Heizen und/oder Kühlen sorgt. Beispielsweise kann T_in als gewünschter Sollwert bestimmt werden, und die Einheit 410 kann für ein entsprechendes Heizen bzw. Kühlen sorgen, um den gewünschten Sollwert für T_in zu erreichen und beizubehalten. Unter Verwendung von T_in und der oben wiedergegebenen GLEICHUNG A kann ein vorhergesagter gewünschter Sollwert für Tour berechnet und als gewünschter Sollwert für die Einheit 310 verwendet werden. Die Einheiten 310 und 410 können unabhängig gesteuert werden, um jeweils unterschiedliche gewünschte Sollwerte für eine Verwendung in einer Ausführungsform zu erreichen und beizubehalten.
Als weiteres Beispiel einer Anwendung in Zusammenhang mit der Ausführungsform 400 aus 7 bei der Durchführung eines LC-Experiments kann die Heizung 206 auch nicht eingesetzt werden. Zusätzlich kann die Einheit 410 eine gewünschte Temperaturvorgabe T_in aufweisen, die niedriger ist als eine gewünschte Temperaturvorgabe T_out von Einheit 310. Die Einheit 410 kann als Kühleinheit fungieren, um die Temperatur der mobilen Phase auf weniger als die Umgebungstemperatur zu senken, und die Einheit 310 kann als Heizeinheit fungieren, um die Temperatur der mobilen Phase auf mehr als die Umgebungstemperatur und auch auf mehr als T_in zu erhöhen (z. B. T_in < Umgebungstemperatur; T_out > Umgebungstemperatur und T_in < T_out). Als weiteres Beispiel können die Elemente 410 und 310 Kühleinheiten mit gewünschten Sollwerten sein, die beide niedriger als die Umgebungstemperatur sind, und wo ferner der Sollwert T_in von 410 geringer ist als der Sollwert T_out von 310 (z. B. T_in < Umgebungstemperatur; T_out < Umgebungstemperatur und T_in < T_out). Als ein noch weiteres Beispiel können die Elemente 410 und 310 Heizeinheiten mit gewünschten Sollwerten sein, die beide höher als die Umgebungstemperatur sind, und wo ferner der Sollwert T_in von 410 geringer ist als der Sollwert T_out von 310 (z. B. T_in > Umgebungstemperatur; T_out > Umgebungstemperatur und T_in < T_out).
Allgemeiner gesprochen kann eine Ausführungsform gemäß den hierin beschriebenen Techniken eine Vielzahl von Heiz- und/oder Kühleinheiten wie die weiter oben mit 310, 410 angegebenen Einheiten aufweisen, die an beliebigen Stellen entlang der Säulenachse in thermischem Kontakt mit der Säule 128 angeordnet sind.
Wie für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich ist, kann GLEICHUNG A in Zusammenhang mit verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen verwendet werden, um einen gewünschten Wert für T_out im stationären Zustand bei einer bestimmten gegebenen Menge von Parametern unter Einschluss von T_in zu bestimmen und vorherzusagen. Eine Heiz-/Kühleinheit 310 kann anschließend gesteuert werden, um T_out entsprechend einzustellen, so dass der Wert eine gewünschte vorhergesagte Sollwert-Temperatur auf der Basis von GLEICHUNG A aufweist. Auf ähnliche Weise, wie in Zusammenhang mit 7 beschrieben, können derartige Verfahren eingesetzt werden, um den Betrieb von 410 zu steuern, wobei T_in gesteuert bzw. auf einen gewünschten vorhergesagten Wert eingestellt wird, z. B. auf der Basis eines bestimmten gegebenen Werts T_out. Allgemeiner gesagt gibt ΔT_L aus GLEICHUNG A die Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperaturen in Zusammenhang mit denn stationären Zustand wieder. Daher kann bei gegebener GLEICHUNG A und einer der beiden zur Berechnung von Δ_TL verwendeten Temperaturen die zweite der beiden Temperaturen vorhergesagt werden. Entsprechend der Beschreibung weiter oben kann die Temperaturdifferenz Δ_TL zwischen T_in und T_out liegen, und einer dieser Werte kann bekannt sein, der dann mit GLEICHUNG A benutzt wird, um über eine Berechnung die zweite Temperatur zu bestimmen. (Z. B. T_in fix oder bekannt und Verwenden von GLEICHUNG A zur Steuerung oder Bestimmung von T_out. Alternativ dazu kann T_out fix oder bekannt sein und benutzt werden, um mit GLEICHUNG A einen Vorhersagewert T_in zu bestimmen.) Allgemeiner gesagt können die automatisierten Techniken und die GLEICHUNG A mit zwei beliebigen Temperaturen zur Bestimmung von Δ_TL benutzt werden, wobei eine der beiden Temperaturen vorgegeben sein kann und verwendet werden kann, um die andere, zweite Temperatur in Zusammenhang mit denn Erreichen eines stationären Zustands vorherzusagen. Eine Ausführungsform kann den Betrieb von 310 und/oder 410 auf der Basis von für das Experiment gewünschten Temperaturen steuern.
8 ist ein weiteres Beispiel einer derartigen Ausführungsform. Im Beispiel 500 können die ähnlich nummerierten Komponenten entsprechend der Beschreibung weiter oben in Zusammenhang mit 7 sein. Zusätzlich kann eine dritte Einheit 510, die für ein Heizen und/oder Kühlen sorgt, entlang der Achse der Säule 128 und in thermischem Kontakt mit der Säule 128 positioniert sein. Die Einheiten 310, 410 und/oder 510 können an der Säule 128 befestigt, daran gekoppelt oder allgemeiner gesagt in thermischem Kontakt damit sein. Bei einer Ausführungsform können die Einheiten 310, 410 und/oder 510 unter Verwendung von Klemmen oder anderen geeigneten Mitteln an der Säule 128 angebracht bzw. befestigt sein. Beispielsweise können die Enden der Säule 128 bei einer Ausführungsform innerhalb von Einheiten positioniert sein, die durch Elemente 310 und 410 wiedergegeben sind.
Auf der Basis der axialen Position oder Anordnung auf der Säule 128 von dem Säuleneingang kann das Element 510 als eine Einheit zum Heizen und/oder Kühlen ähnlich wie 310 und/oder 410 betrachtet werden. Allgemeiner gesagt kann in Abhängigkeit von der axialen Anordnung bzw. Position von 510 entlang der Säule der gewünschte Sollwert für 510 gemäß GLEICHUNG A bestimmt werden. Die Temperatur T_intermediate an oder nahe an Position 510 kann unter Verwendung von Temperaturabtasteinrichtungen entsprechend der Beschreibung weiter oben in Zusammenhang mit der Messung eines beobachteten Werts für T_in und/oder T_out gemessen werden. Ähnliche Mittel können auch verwendet werden, um die Heiz/Kühleinheit 510 entsprechend der Beschreibung für 310 und/oder 410 zu steuern und einzustellen. Ein Sollwert für T_intermediate kann beispielsweise auf der Basis einer proportionalen Temperaturdifferenz zwischen T_in und T_out bestimmt werden, wobei dieses Verhältnis auf der Distanz oder Anordnung von T_intermediate mit Bezug auf Positionen von T_in und T_out in Axialrichtung entlang 128 basiert. Wenn beispielsweise 510 T_intermediate entlang 128 auf halber bzw. mittlerer Strecke zwischen T_in und T_out angeordnet ist, kann T_intermediate als ungefähr T_in + (1/2 ΔT_L) bestimmt werden (z. B. kann der Wert auch als (T_in + T_out/2) wiedergegeben werden). Die gewünschte Sollwert-Temperatur für Tintermediale kann somit als Wert zwischen T_in und/oder T_out angegeben werden, der proportional zur Anordnung oder Distanz von T_intermediate zwischen den axialen Anordnungen entlang der Säule 128 ist, an denen T_in und T_out gemessen werden (z. B. Säuleneingang und -ausgang).
Die gewünschte Ziel- oder Sollwert-Temperatur von 510 kann proportional zur axialen Anordnung von 510 an der Säule 128 variieren. Dem Element 510 kann eine Zwischentemperatur T_intermediate zugeordnet sein, und es kann auf ähnliche Weise, wie weiter oben in Zusammenhang mit T_in und/oder T_out beschrieben, verwendet werden. Beispielsweise können eine oder mehrere der Einheiten 310, 410 und/oder 510 gemäß GLEICHUNG A eingestellt werden, um den stationären Zustand zu erreichen. Beispielsweise kann T_in bekannt oder vorgegeben sein (wobei 410 auch nicht verwendet oder betrieben werden kann), und die Einheiten 510 und/oder 310 können auf der Basis von GLEICHUNG A gesteuert werden, um die gewünschten Sollwert-Temperaturen zu erreichen. T_out kann bekannt oder vorgegeben sein (wobei 310 auch nicht verwendet oder betrieben werden kann), und die Einheiten 510 und/oder 410 können auf der Basis von GLEICHUNG A gesteuert werden, um die gewünschten Sollwert-Temperaturen zu erreichen. Als weiteres Beispiel in Zusammenhang mit Bedingungen für ein bestimmtes Experiment können die Sollwerte für T_in, T_out und T_intermediate auf der Basis von GLEICHUNG A bestimmt werden, und die Einheiten 410, 510 und/oder 310 können entsprechend betrieben werden, um die gewünschten Sollwerte zu erreichen. Auf der Basis der vorstehenden Beschreibung kann ein Zwischenpunkt T_intermediate zwischen dem Eingang und dem Ausgang an der Chromatographiesäule angeordnet sein. Der Zwischenpunkt an der Chromatographiesäule kann unter Verwendung von Einheit 510 (z. B. vor der Injektion einer Probe in Verbindung mit dem Erreichen des stationären Zustands) auf eine Zwischentemperatur eingestellt werden. Die Zwischentemperatur am Zwischenpunkt kann zwischen den gewünschten Sollwerten für T_in und T_out (entsprechend der Bestimmung durch GLEICHUNG A) liegen. Gemäß einem Aspekt kann der Sollwert der gewünschten Zwischentemperatur als eine Summe von T_in und einem Näherungswert bestimmt werden, wobei der Näherungswert ein zu einer Distanz des Zwischenpunkts vom Säuleneingang proportionaler Temperatur-Offset (temperature Offset) ist. Auf ähnliche Weise kann der Sollwert der gewünschten Zwischentemperatur als ein Temperatur-Offset mit Bezug auf T_out bestimmt werden. Dieser Temperatur-Offset kann ein Näherungswert sein, der zu einer Distanz des Zwischenpunkts vom Ausgang proportional ist.
Somit gibt das Beispiel 500 aus 8 eine mögliche Implementierung von hierin beschriebenen Verfahren unter Verwendung einer Vielzahl von Einheiten wieder, die Heizung und/oder Kühlung bereitstellen. Durch das Hinzufügen von thermischer Energie zu verschiedenen Positionen entlang einer Chromatographiesäule (oder allgemeiner gesagt bei Verwendung von einer oder mehreren Hilfseinrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen entsprechend der Beschreibung hierin) kann ein thermisches Gleichgewicht schneller erreicht werden, als wenn sich die Säule auf natürliche Weise über Reibung und andere Wärme bereitstellende Artefakte des Experiments erwärmen kann, ohne die zusätzlichen Einheiten wie z. B. 210, 310, 410 und/oder 510 einzusetzen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass jede der beispielhaften Ausführungsformen von 6, 7 und 8 sowie andere Ausführungsformen entsprechend der Beschreibung weiter oben (z. B. mit zusätzlichen Heizungen in thermischem Kontakt mit der Säule und/oder der Platzierung von Heizungen an unterschiedlichen axialen Positionen entlang der Säule) einen Isoliermantel aufweisen kann, der die Säule und die Heizungen umgibt.
Entsprechend der Beschreibung weiter oben mit Bezug auf 8, kann eine Ausführungsform die Elemente 410, 510 und/oder 310 in Verbindung mit T_in, T_intermediate bzw. T_out verwenden. Als Variante hierzu kann eine Ausführungsform beispielsweise auf die Verwendung von T_out und 310 verzichten und stattdessen nur 410 und 510 mit T_in bzw. T_intermediale aufweisen und in Zusammenhang mit den hierin beschriebenen Techniken verwenden. Als noch weitere Variante kann eine Ausführungsform beispielsweise auf die Verwendung von T_in und 410 verzichten und stattdessen nur 510 und 310 mit T_intermediate bzw. T_out aufweisen und in Zusammenhang mit hierin beschriebenen Verfahren verwenden.
Als noch weitere Variante kann eine Ausführungsform, statt 510 als Heiz-/Kühleinheit einzusetzen, die gesteuert oder eingestellt werden kann, alternativ dazu als Teil der Regelkreisverarbeitung nur eine oder mehrere Zwischentemperaturen an einem oder mehreren Punkt(en) zwischen T_in und T_out entlang der Säule 128 messen bzw. überwachen. In diesem Fall können jedoch die eine oder mehreren gemessenen Zwischentemperaturen verwendet werden, um die Einheiten 410 und/oder 310 auf der Basis einer gemessenen Zwischentemperatur zu modulieren oder zu steuern. Die Zwischentemperatur(en) kann/können als überwachte oder beobachtete Temperatur(en) mit Feedback-Techniken eingesetzt werden, statt gemessene oder beobachtete Werte für T_in und/oder T_out an entsprechenden Säulenendpunkten zu verwenden. Auf diese Weise kann eine Zwischentemperatur als überwachte oder beobachtete Temperatur verwendet werden, um T_in und/oder T_out durch die Steuerung des Betriebs von 410 und/oder 310 einzustellen, bis die beobachtete Zwischentemperatur etwa an ihrem gewünschten Sollwert ist (erhalten über unter Verwendung der Einheiten 410 und/oder 310 erfolgte Einstellungen). Zur weiteren Verdeutlichung kann eine Ausführungsform T_intermediale messen, um zu bestimmen, ob die gemessene Temperatur T_intermediale am gewünschten Wert (Sollwert) ist. Dementsprechend können Einstellungen an der Einheit 410 vorgenommen werden, bis die gemessene Temperatur T_intermediate an ihrem gewünschten Sollwert ist. Damit kann T_intermediale zur Steuerung oder Anpassung von 410 eingesetzt werden, statt derartige Einstellungen an 410 auf der Basis einer bei T_in (Endpunkt von 128 an der oder nahe an der Position von 410 entsprechend der Darstellung in 6) gemessenen Temperatur vorzunehmen.
Mit Bezug auf 9 sind Beispiele der Ausführungsformen aus 6, 7 und 8 unter Hinzufügung einer thermischen Isolierschicht gezeigt. Das Element 902 kann eine thermische Isolierhülle bzw. einen thermisch isolierenden Mantel in jeden der Beispiele 900, 910 und 920 darstellen. Das Beispiel 900 ist eine Darstellung der Ausführungsform der Säule aus 6 in dem umgebenden Mantel 902. Das Beispiel 910 ist eine Darstellung der Ausführungsform der Säule aus 7 in dem umgebenden Mantel 902. Das Beispiel 920 ist eine Darstellung der Ausführungsform der Säule aus 6 in dem umgebenden Mantel 902. Der Mantel 902 kann eine thermische Isolierung über die Reduzierung von Wärmeverlust durch konvektive Luftströme bereitstellen. Bei einer Ausführungsform kann der Mantel 902 auch eine ausreichende Isolierung unter Verhinderung thermischer Leitfähigkeit zwischen der Säule (und ihrem Inhalt) und der Umgebungstemperatur, wie z. B. der Umgebung außerhalb des Mantels 902 bzw. darum herum, bereitstellen.
Der Mantel 902 kann aus Polystyrenschaum (Styrofoam^®) oder allgemeiner gesagt aus einen beliebigen, eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisenden Material hergestellt sein, um als isolierende Element zu wirken. Polymere wie Polymethacrylat, Silikon, Urethan, Polyolefine, Polyamid, Polysulfon, Polyetheramid, Polycarbonat, Kautschuk bzw. Gummi, Polyester, Polyfluorelastomere und Polyethylenterephthalat und dergleichen können ebenfalls verwendet werden, um den Mantel 902 zu bilden. Zusätzlich können Keramik (wie z. B. Aerogele), Fasermaterialen (wie z. B. Methylcellulose und Glasfaser) und dergleichen ebenfalls zur Bildung des Mantels 902 verwendet werden. Obwohl verschiedene auf diesem Gebiet bekannte thermische Isoliermaterialien in den vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen als Materialien angeführt worden sind, die zur Bildung der Mantel 902 verwendbar sind, können beliebige verschiedene auf diesem Gebiet bereits bekannte geeignete thermische Isoliermaterialien verwendet werden. Es ist ersichtlich, dass derartige Materialien so geformt sein können, dass sie den Bereich um die Chromatographiesäule isolieren, um einen kontrollierten Luftraum bzw. Luftkammer zu erzeugen, um so einen radialen thermischen Gradienten in der Säule zu verhindern oder zu minimieren. Weiter gilt, dass, obwohl derartige Materialien als die Säule unmittelbar umgebend dargestellt sein mögen, derartige Materialien auch in der Säule integriert sein können, wie z. B. bei Verwendung zur Bildung der Außenwände der Säule.
Als andere Variante kann der Mantel 902 aus Stahl oder Metall entsprechend der Beschreibung weiter oben in Zusammenhang mit 2 hergestellt sein, so dass die Isolierschicht bzw. das Element nicht der Mantel 902 selbst ist, sondern der Luftraum 903, der die nicht isolierte Säule 128 umgibt (z. B. zwischen der Säule 128 und dem umgebenden Mantel 902). In diesem Fall kann das Element 903 die Kammer bzw. der Raum sein, wie z. B. die Vakuumkammer, die die Isolierschicht bildet, und es kann unter Verwendung von beliebigen Techniken, Gasen (z. B. inertem Gas, atmosphärischen Gas) und dergleichen entsprechend der Beschreibung an anderer Stelle in Zusammenhang mit 2 gebildet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Kammer bzw. der Luftraum 903 zwischen der Säule 128 und dem Mantel 902 (der z. B. die Säule 128 umgibt) unter Umgebungsdruck stehen, und Aerogelpartikel können im Raum 903 vorliegen, um Isolierung bereitzustellen. Alternativ dazu kann der die Aerogelpartikel aufweisende Luftraum 903 eine Vakuumkammer mit einem geringeren Druck als dem Umgebungsdruck bilden. Beispiele derartiger Drücke sind an anderer Stelle hierin beschrieben. Als Variante des Aerogelpartikel aufweisenden Raums 903 kann die Säule in einer geformten (molded) Aerolgelkomponente platziert sein. Das geformte Aerogel kann die Säule umgeben und beispielsweise aus zwei getrennt geformten Hälften oder Abschnitten gebildet sein, die bei ihren Zusammenfügen einen gewünschten Hohlraum bilden, der sich an die Form der Säule angleicht. Die beiden vorgenannten geformten Aerogelabschnitte können als Teil einer Baugruppe zusammengefügt werden, wobei die Säule in den so gebildeten Hohlraum eingesetzt ist. Die vorstehenden Ausführungsformen, die geformte Aerogele oder geformte Aerogelpartikel in einer Kammer verwenden, können als eine Isoliereinrichtung in Zusammenhang mit beliebigen hierin beschriebenen Ausführungsformen der Säule eingesetzt werden, wie z. B. unter Verwendung von einer oder mehreren zusätzlichen Heiz-/Kühleinheiten.
Mit Bezug auf 10 sind Beispiele der Ausführungsformen aus 6, 7 und 8 unter Hinzufügung einer thermischen Isolierschicht 1002 gezeigt. In den Beispielen 1000, 1010 und 1020 von 10 kann die Isolierschicht 1002 ein Bestandteil der Säule 128 entsprechend der Beschreibung an anderer Stelle in Zusammenhang mit 3 und 4 sein. In den Beispielen 1000, 1010 und 1020 kann die Isolierschicht 1002 aus beliebigen Materialien des Mantels 902 entsprechend der Beschreibung weiter oben gebildet sein. Als weitere Variante kann die Isolierschicht 1002 als Schicht zwischen einer umgebenden Außenhülle 902 gebildet sein, die die Außenwände der Kombination aus Säule 128 und Isolierschicht 1002 bildet. In diesem Fall kann der Mantel 902 aus Stahl, Titanium oder anderem geeigneten Material entsprechend der vorstehenden Beschreibung in Zusammenhang mit 2 hergestellt sein, und die Isolierschicht kann die Kammer bzw. der Raum sein, wie z. B. die Vakuumkammer, die die Isolierschicht bildet, und sie kann unter Verwendung von beliebigen Techniken, Gasen (z. B. inertem Gas, atmosphärischem Gas) und dergleichen entsprechend der vorstehenden Beschreibung in Zusammenhang mit 2 (und weiter oben bei 9) gebildet werden.
In Zusammenhang mit dem Beispiel 1020 ist anzumerken, dass die Einheit 510, die das Heizen und/oder das Kühlen bewirkt, ausreichenden thermischen Kontakt mit der nicht isolierten Säule 128 haben muss. Beispielsweise ist die Isolierschicht 1002 so dargestellt, dass sie in Bereichen, die beispielsweise durch die bzw. zwischen den Einheiten 410 und 510 und durch die oder zwischen den Einheiten 510 und 310 begrenzt sind, um die Einheit 510 herum ausgebildet ist.
In Zusammenhang mit hierin beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung einer Isolierschicht und/oder eines Mantels, wie z. B. bei 9 und 10, ist es für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich, dass die Säuleneingangstemperatur T_in und die Säulenausgangstemperatur T_out gemessen werden können, indem verschiedene Thermoelemente in thermischem Kontakt mit der nicht isolierten Säule 128 platziert werden, wie z. B. zwischen einer Isolierschicht und der Säule 128.
Eine axiale Steuerung der Säulentemperatur, die sich unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungsformen, wie z. B. in Zusammenhang mit 6–10, erreichen lässt, kann zusätzliche Vorteile bereitstellen. Beispielsweise kann die axiale Steuerung der Temperatur wie z. B. durch Steuerung und Auswahl von T_in und T_out die Reproduzierbarkeit experimenteller Bedingungen und chromatographischer Methoden erleichtern. Derartige Techniken können die Reproduzierbarkeit experimenteller Bedingungen bei Verwendung von Säulen mit ähnlichen Eigenschaften wie auch mit unterschiedlichen Eigenschaften bereitstellen. Beispielsweise erzeugt eine typische HPLC-Säule mit einer mittleren Partikelgröße von 5 μm weniger Wärme als eine Säule entsprechender Abmessungen, die Partikel einer Größe von 1,7 μm verwendet. Ohne Verwendung der hierin beschriebenen Techniken kann der sich während der Experimente ergebende thermische Gradient an den beiden Säulen unterscheiden, was zu unterschiedlichen experimentellen Daten führt, die man bei der Verwendung der beiden Säulen erhält. Die hierin beschriebenen Techniken können mit den beiden Säulen – die jeweils Partikel unterschiedlicher Größe verwenden – eingesetzt werden, um für die beiden Säulen identische thermische Gradienten zu erzeugen.
Als weiteres Beispiel besteht ein Weg zur Erhöhung des Durchsatzes in der Chromatographie darin, mit höheren Flussraten zu arbeiten. Möglicherweise wird es nicht gewünscht oder erwartet, dass eine erhöhte Flussrate die chromatographische Selektivität beeinflusst. Die thermischen Gradienten über den beiden Säulen wären jedoch nicht identisch, wo die beiden Säulen die gleichen Eigenschaften haben (z. B. Dimensionen, Partikelgröße usw., die auf das Experiment Einfluss haben) und wo jede der beiden Säulen eine unterschiedliche Flussrate aufweist (z. B., da sich die erzeugte Reibungswärme mit der Flussrate der mobilen Phase ändert und dazu direkt proportional ist). In Experimenten, wo die chromatographische Selektivität (z. B. die Distanz zwischen Peaks eluierender Analyten) mit der sich ändernden Flussrate verändert wird, kann der axiale thermische Gradient verändert werden, so dass die beiden Experimente, die unterschiedliche Flussraten verwenden, eine ähnliche Selektivität bereitstellen. Wie im Stand der Technik bekannt ist, ist die chromatographische Selektivität (auch als Trennfaktor oder relatives Retentionsverhältnis bezeichnet) ein Maß für die Zeit bzw. Distanz zwischen den Maxima der beiden Peaks. Die chromatographische Selektivität kann als K2/K1 dargestellt werden, wobei K1 der Retentionsfaktor des ersten Peaks und K2 der Retentionsfaktor des zweiten Peaks ist. Wenn K2/K1 = 1 ist, weisen die Peaks die gleiche Retention auf, und sie koeluieren.
Als weiterer Vorteil kann das Hinzufügen von einer oder mehreren unabhängig gesteuerten Heizung(en) entlang des Säulenkörpers entsprechend der vorstehenden Beschreibung die Gesamtkosten, verglichen mit anderen Alternativen, wie z. B. der Verwendung einer Säulenheizung, reduzieren.
In Zusammenhang mit Ausführungsformen entsprechend der Beschreibung hierin, wie z. B. der Verwendung einer Vakuum-Isolierschicht oder -Kammer, die die LC-Säule umgibt, kann eine Annäherung an echte adiabatische Bedingungen erreicht werden, um radiale thermische Gradienten zu minimieren und konvektiven Wärmeverlust zu eliminieren oder minimieren.
In Zusammenhang mit hierin beschriebenen Verfahren führten die Erfinder Experimente durch, die im Folgenden beschrieben werden. Eine Säule 2,1 × 100 mm Waters ACQUITY BEH C18 1,7 μm wurde an ein Waters ACQUITY^TM UPLC-Instrument angeschlossen. 0,5 ml einer Probe mit den folgenden 5 Komponenten: (1) 0,046 mg/ml Thiourea, (2) 0,080 mg/ml Dodecanophenon, (3) 0,1 mg/ml Tetradecanophenon, (4) 0,10 mg/ml Hexadecanophenon, und (5) 0,483 mg/ml Di-n-decylphthalat wurden unter Verwendung einer mobilen Phase aus Acetonitril auf der Säule injiziert. Analysen erfolgten unter Verwendung der folgenden Flussraten: 0,45; 0,50; 0,55; 0,65; 0,75; 0,85; 0,95; 1,05; 1,10; 1,15; und 1,20 ml/min. Die Säule wurde zwischen Änderungen der Flussrate durch Überwachung wiederholter Injektionen der Testproben in thermisches Gleichgewicht gebracht, bis die Reproduzierbarkeit der Retentionszeit erreicht war. Die Detektion erfolgte durch UV bei 240 nm.
Das bei dem Experiment verwendete Vakuumsystem war eine Pfeiffer Vacuum TSH 071E Turbomolecular Drag Pumping Station, die die folgenden Standardkomponenten aufwies: eine Pfeiffer-Balzers TMH-071P Turbomolecular Drag Pump mit DN-63-ISO-Einlassflansch, die standardmäßig einen transistorgesteuerten Frequenzumrichter und elektronische Steuermittel aufweist. Eine Zweiphasen-Hochleistungs-Drehschieberpumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit von 2,5 m³/h von Pfeiffer (Duo 2.5 Modell PKD41707) wurde verwendet, um das Vakuum vor dem Starten der Turbopumpe rasch auf ~10^–2 Torr zu bringen. Die Vakuumkammer für die Säule und die Anschlüsse zum Vakuumsystem waren konstruiert aus 304-Edelstahl-Rohrleitungen von MDC Vacuum Products (Hayward, US-Bundesstaat Kalifornien) und Dichtungen (Viton^® oder Buna-N^® O-Ringen) mit Klassifizierung für 10^–8 Torr. Zur Vakuumablesung zwischen Atmosphäre und 10^–2 mbar/Torr wurde ein aktiver Pirani-Messzweig von Edwards (Teilenr. D02177000 APG-1-NW16 ST/ST) verwendet. Zur Vakuumablesung zwischen 10^–3 und 10^–8 mbar/Torr wurde ein aktives invertierendes Magnetron-Messsystem von Edwards (Teilenr. D14641000 AIM-S-NW25) verwendet. Die Vakuumablesungen erfolgten nahe an der Vakuumkammer der Säule (in ~4'' Entfernung).
Die chromatographische Leistung wurde für Säulen in vier unterschiedlichen Umgebungen bewertet. (A) Isotherm: Die Säule wurde in einem Umwälz-Wasserbad platziert (RTE-111, Thermo NESLAB), das bei 25°C gehalten wurde; (B) Ruhende Luft: Die Säule wurde in einem Kasten mit den ungefähren Abmessungen 20'' × 33'' × 34'' platziert, um die Konvektion der umgebenden Luft zu minimieren; (C) Isolierung mit Aerogel: Die Säule wurde in einer mit granularem Aerogel von United Nuclear Scientific (Laingsburg, MI) gefüllten Kammer platziert; (D) Die Säule war von einem Vakuum mit 3 × 10^–5 Torr unter Verwendung einer Vorvakuumpumpe und einer Diffusionspumpe umhüllt.
Mit Bezug auf 11 sind Chromatogramme der sich ergebenden Trennungen für die oben erwähnten vier Testumgebungen (A)–(D) gezeigt. Das Beispiel 1100 weist 4 Sätze chromatographischer Daten auf, die bei einer Flussrate von 1,2 ml/min erhalten wurden. Das Element 1120 gibt das Chromatogramm wieder, das für die Bedingung der Testumgebung (A) für isotherme Bedingungen erhalten wurde, wobei die Säule in einem Umwälz-Wasserbad platziert war (RTE-111, Thermo NESLAB), das bei 25°C gehalten wurde. Das Element 1140 gibt das Chromatogramm für die Bedingung der Testumgebung (B) unter Verwendung von ruhender Luft wieder, wobei die Säule in einem Kasten mit den ungefähren Abmessungen 20'' × 33'' × 34'' (51 cm × 84 cm × 86 cm) platziert war, um die Konvektion der umgebenden Luft zu minimieren. Das Element 1160 gibt das Chromatogramm wieder, das für die Bedingung der Testumgebung (C) erhalten wurde, wobei unter Verwendung von Aerogel Isolierung bereitgestellt wurde und wobei, wie oben erwähnt, die Säule in einer mit granularem Aerogel von United Nuclear Scientific (Laingsburg, MI) gefüllten Kammer platziert war. Das Element 1180 gibt das Chromatogramm wieder, das für die Bedingung der Testumgebung (D) erhalten wurde, wobei die Säule von einem Vakuum mit 3 × 10^–5 Torr unter Verwendung einer Vorvakuumpumpe und einer Diffusionspumpe umhüllt war. In Zusammenhang mit den Chromatogrammen von 1100 gibt die X-Achse jeweils die Zeit in Minuten wieder. Bei diesem Beispiel war der Detektor ein UV-Absorptionsdetektor, so dass die Detektionseinheiten an der Y-Achse die Absorption bei 240 nm (AU/Absorptionseinheiten) wiedergeben. Jedes der Chromatogramme 1120, 1140, 1160 und 1180 weist 5 als 1–5 bezeichnete Peaks auf, die jeweils den Peaks für die 5 Komponenten der Probe entsprechend der vorstehenden Beschreibung entsprechen.
Im Folgenden ist eine Tabelle gezeigt, die die Bodenzahl für den Hexanophenon entsprechenden Peak (4) bei den unterschiedlichen Flussraten wiedergibt. Die Resultate zeigen, dass bei steigender Flussrate die Bodenzahl in den Fällen am höchsten ist, wenn für die Säule nahezu adiabatische Bedingungen gelten.
Für Fachleute auf dem Gebiet ergeben sich Variationen, Abänderungen und andere Implementierungen des hierin Beschriebenen, ohne vom Schutzumfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll die Erfindung nicht durch die vorstehende beispielhafte Beschreibung definiert werden, sondern stattdessen durch den Schutzumfang der folgenden Patentansprüche.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung von Flüssigkeitschromatographie, umfassend: eine Chromatographiesäule und ein die Chromatographiesäule umgebendes isolierendes Element, wobei das isolierende Element aus einer Vakuumkammer gebildet ist, die die Chromatographiesäule umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumkammer ein inertes Gas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das inerte Gas ein beliebiges Gas der folgenden Gase ist: Argon, Krypton, Xenon, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumkammer atmosphärisches Gas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Chromatographiesäule und das isolierende Element in einer einzigen Komponente integriert sind, die eine isolierte Chromatographiesäule bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter einen Mantel aufweist, der die Chromatographiesäule umgibt, wobei die Vakuumkammer in einem Bereich zwischen der Chromatographiesäule und dem Mantel gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Mantel aus Stahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Mantel eine äußere Schicht eines Gehäuses einer Säulenheizung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumkammer, die das isolierende Element ausbildet, eine thermische Isolierung für die Chromatographiesäule bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das isolierende Element im Wesentlichen verhindert, dass sich in der Chromatographiesäule ein radialer thermischer Gradient bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter eine Heizung umfasst, die eine mobile Phase vor einem Eingang der Chromatographiesäule heizt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Heizung und die Chromatographiesäule in einer Säulenheizung enthalten sind und die Vakuumkammer in einem Bereich ausgebildet ist, der zwischen der Chromatographiesäule und einer Außenwand der Säulenheizung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die thermische Leitfähigkeit des inerten Gases etwa gleich oder kleiner als 0,02 W/mK ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vakuumkammer unter einem Druck von etwa 10^–3 atm oder weniger steht.
Vorrichtung zur Durchführung von Flüssigkeitschromatographie, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Chromatographiesäule und ein die Chromatographiesäule umgebendes isolierendes Element, wobei das isolierende Element Aerogel enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das isolierende Element aus einer Kammer gebildet ist, die die Chromatographiesäule umgibt und wobei die Kammer granulare Aerogelpartikel enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Kammer unter Umgebungsdruck steht.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Kammer eine Vakuumkammer mit einem Druck ist, der geringer als der Umgebungsdruck ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das isolierende Element eine geformte Komponente ist, die Aerogelpartikel enthält.
Verfahren zur Isolierung einer Chromatographiesäule, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Mantels der die Chromatographiesäule umgibt und Erzeugen einer Vakuumkammer in einem Bereich zwischen dem Mantel und der Chromatographiesäule.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Vakuumkammer atmosphärisches Gas enthält.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Vakuumkammer ein inertes Gas enthält, das eine thermische Leitfähigkeit von etwa 0,02 W/mK oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das inerte Gas ein beliebiges Gas der folgenden Gase ist: Argon, Krypton, Xenon, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine Vakuumpumpe mit einer Durchgangsbohrung in dem Mantel verbunden ist und verwendet wird, um Druck in jenem Bereich unter einen atmosphärischen Druck zu senken und dadurch in dem Bereich ein Vakuum zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 24, das weiter ein Abdichten der Durchgangsbohrung umfasst, so dass eine luftdichte Abdichtung gebildet wird.