DE2821005A1

DE2821005A1 - Verfahren zur gradientenproportionierung in einem fluessigkeitschromatographiesystem

Info

Publication number: DE2821005A1
Application number: DE19782821005
Authority: DE
Inventors: Ahmad Abu-Shumays; John Colville Helmer; Stephen James Luchetti
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1977-05-13
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1978-11-23
Also published as: FR2413702B1; DE2821005C2; FR2413702A1; JPS53141698A

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT Orthstroße 12 . D-8000 München 60 · Telefon 832024/5 Telex 5212744 ■ Telegramme Interpatent

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Varian Associates, Inc. Palo Alto, CaI., USA

Verfahren zur Gradientenproportionierung in einem Flüssigkeitschromatographiesystem

Priorität: 13. Mai 1977 - USA - Ser.No. 796,782

Zusammenfassung

In einem Hochleistungs-Hochdruck-Flüssigkeitschromatographiesystem kann eine Gradientenelution von Lösungsmittelkomponenten von mehreren Komponentenreservoirs durch eine einzige hin- und hergehende Pumpe nach einem programmierten, zeitlich veränderlichen Verhältnis durchgeführt werden. Der Pumpzyklus besteht aus mehreren Füllhüben mit dazwischen erfolgenden Pumphüben. Während eines der Füllhübe des Zyklus wird eine proportionierte Mischung von Lösungsmittelkomponenten mittels Proportionierventilen von den jeweiligen Eeservoirs zur Pumpenkammer zugelassen. Während jedes der übrigen Füllhube des Zyklus wird nur eine einzige Lösungsmittelkomponente zur Pumpenkammer

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zugelassen. Dementsprechend kann eine relativ niedrige Konzentration einer bestimmten Komponente mit hoher Präzision während eines vollständigen Pumpenzyklus durch die Pumpe geliefert werden, obwohl eine vergleichsweise höhere und deshalb genauer meßbare Konzentration dieser Komponente während irgendeines bestimmten Füllhubes zur Pumpenkammer zugelassen wird. Das öffnen und Schließen der Proportionierventile während des Komponenten-Proportionier-Füllhubes wird in der Arbeitsfolge so gesteuert, daß Abweichungen der relativen Konzentrationen vom programmierten Konzentrationsverhältnis minimiert werden. Eine geeignete Folgebildung der Proportionierventile reduziert Ungenauigkeiten, die sonst auftreten können, insbesondere an den oberen und unteren Konzentrationsgrenzen, und zwar durch Effekte, die mit der Kompressibilität des restlichen Lösungsmittels in Verbindung stehen, das am Ende jedes Pumphubes in der Pumpkammer verbleibt.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft die weitere Entwicklung der Hochleistungs-Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie, und allgemein das Lösungsmittelversorgungssystem zur Verwendung bei der Gradientenelutions-Flüssigkeitschromatographie. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung einer einzigen hin- und hergehenden Pumpe für die Gradientenelutions-Flüssigkeitschromatographie und sorgt für eine Technik, mit der Ungenauigkeiten in den relativen Konzentrationen der Lösungsmittelkomponenten minimiert werden, die von mehreren Reservoirs zum Durchlaufen durch die Chromatographensäule gepumpt werden.

Die meisten bekannten Systeme für die Gradientenelutions-Flüssigkeitschromatographie benutzten eine getrennte Pumpe für jede der Komponenten der Lösungsmittelmischung. Die

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relativen Strömungsraten, mit der die Pumpen ihre jeweiligen Komponenten in eine Mischkammer lieferten, bestimmte den relativen Anteil jeder Komponente in der Mischung. Typischerweise wurden die Pumpen-Durchflußraten für die einzelnen Komponenten so programmiert, daß sie sich nach einem gewünschten Plan zeitlich änderten. Beispielsweise bei einem Zweikomponentensystem kann die Konzentration der Komponente, die durch eine Pumpe in die Mischkammer geliefert wird, so programmiert werden, daß sie sich zeitlich von O % bis 100 % mit einer linearen Rate von 5 % pro Minute ändert. Es wurden Pumpen verschiedener Art verwendet, einschließlich hin- und hergehende Pumpen oder Pumpen mit konstanter Verdrängung vom Spritzentyp.

Kürzlich wurden Einpumpensysteme für Zweikomponenten-Gradientenelutions-Anwendungsfälle entwickelt, wobei schnell wirkende Ventile dazu dienten, die beiden Komponenten während des Füllhubes entsprechend einem gewünschten Konzentrationsverhältnis zur Pumpkammer zuzulassen. So wurde in einem Zweikomponentensystem die Dauer des Füllhubes zwischen den beiden Proportionierventilen aufgeteilt, und zwar entsprechend dem gewünschtem. Konzentrationsverhältnis der beiden Komponenten im Ausgangsstrom der Pumpe. Wenn eine 20%ige Konzentration einer Komponente in der abgegebenen Lösungsmittelmischung gewünscht war, wurde das entsprechende Ventil, das diese Komponente in die lumpkammer einließ, für 20 /> der Dauer des Füllhubes geöffnet, während das andere Proportionierventil für die restlichen SO ''-" der Füllhubdauer geöffnet wurde. Diese Arbeitsfolge von Öffnen und Schließen der Proportionierventile wurde während aufeinanderfolgender Füllhübe wiederholt. Der Ausgangsstrom von der Pumpe wurde typischerweise in eine Mischkammer geschickt, wo die Mischung homogenisiert wird.

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Einzelpumpensysteme zur Verwendung in der Gradientenelutions-Chromatographie sind aus den US-Patentschriften 3 985 019 und 3 985 021 "bekannt. Diese bekannten Flüssigkeitschromatographiesysteme weisen auf: eine Chromatographensäule, zwei Reservoirs, von denen jedes eine bestimmte Lösungsmittelkomponente enthält, die in die Lösungsmittelmischung eingeführt werden soll, die als mobile Phase dient, die durch die Chromatographensäule passiert, hin- und hergehende lumpeinrichtungen, mit denen dafür gesorgt wird, daß die mobile Phase durch die Chromatographensäule strömt, motorische Antriebseinrichtungen, mit denen die Pumpeinrichtung über aufeinanderfolgende Pumpzyklen angetrieben wird, wobei ,jeder Pumpzyklus aus einem Füllhub und einem Pumphub besteht, zwei solenoid^etätigte Proportionierventile, die am Niederdrückende der Pumpeinrichtung vorgesehen sind, so daß Komponenten von den beiden Reservoirs jeweils entsprechend einem gewünschten Verhältnis zur Pumpeinrichtung zugelassen werden, Gradienteneinstelleinrichtungen, durch die ein sich zeitlich änderndes Verhältnis für die Komponenten, die von den beiden Reservoirs in die Pumpeinrichtung eintreten, für ein gewünschtes Zeitintervall vorgewählt werden kann, und Einrichtungen, die auf die Gradienteneinstelleinrichtung ansprechen, so daß die beiden Proportionierventile in komplementärer Weise hinsichtlich ihres öffnens und Schließens betätigt werden können,so daß während eines Teils des Füllhubes das erste Ventil offen und das zweite geschlossen ist, während eines anderen Teils des gleichen Füllhubes das erste Ventil geschlossen und das zweite Ventil geöffnet ist. Es war also bekannt, den Füllhub einer hin- und hergehenden Pumpe in einen ersten Teil, in dem eine erste Lösungsmittelkomponente von einem ersten Reservoir gepumpt wird, und einen zweiten Teil, in dem eine zweite Lösungsmittelkomponente von einem zweiten Reservoir gepumpt wird, entsprechend einem vorgewählten, sich zeitlich ändernden Verhältnis aufzuteilen, was durch

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eine Gradienteneinstelleinrichtung bestimmt wurde.

Bei den "bekannten Einzelpumpen-Gradientenelutions-Systemen war es erforderlich, daß der hin- lind hergehende Kolben der Pumpeinrichtung mit relativ hoher Geschwindigkeit hin- und herläuft, um die erforderliche Durchflußrate für die Lösungsmittelmischung durch die Chromatographensäule aufrechtzuerhalten. Die zeitliche Dauer des Füllhubes war unabhängig von der Geschwindigkeit des hin- und hergehenden Kolbens während des Pumphubes und wurde typischerweise zu etwa 0,2 Sek. gewählt.

Der Einfachheit halber soll im Folgenden das Lösungsmittel in dem ersten Reservoir als "Komponente A" bezeichnet werden und das Lösungsmittel im zweiten Reservoir als "Komponente B". Zu einer Zeit während des Gradientenelutionsprogramms, zu der im wesentlichen reine Komponente A gefordert wird, d.h., wenn das Konzentrationsniveau der Komponente B in der aus der Pumpeinrichtung ausströmenden mobilen Phase im wesentlichen O % beträgt, muß das mit dem zweiten Reservoir assoziierte Proportionierventil (im Folgenden als Ventil B bezeichnet) während der 0,2 Sek. Dauer des Füllhubes geschlossen bleiben. Wenn sich die zeitlich variierende Gradientenelution ändert, so daß eine Konzentration der Komponente B von 1 % gefordert wird, muß das Ventil B etwa 0,002 Sek. während des Füllhubes geöffnet sein, während das andere Ventil (im Folgenden als Ventil A bezeichnet) für den Rest des Füllhubes offen bleibt. Eine solche präzise zeitliche Auflösung ist für die Flüssigkeitschromatographie hoher Auflösung erforderlich, jedoch mit mechanischen Proportionierventilen schwierig darzustellen. Bekannte Einzelpumpen-Gradientenelutions-Systeme neigen deshalb dazu, bei Gradientenkonzentrationen nahe bei 0 % und 100 % Konzentrationsniveau relativ große Fehler zu zeigen, und zwar wegen der Unfähigkeit mechanischer Proportionierventile, die erforderliche zeitliche Auflösung zu bieten.

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Ein weiterer Faktor, der die Betriebsleistung von bekannten Einzelpumpen-Gradientenelutions-Systemen ungünstig beeinflußte, war das Vorhandensein eines endlichen Restvolumens an Lösungsmittelflüssigkeit innerhalb der Pumpeinrichtung nach Beendigung des Pumphubes. Diese Restflüssigkeit war während des Pumphubes komprimiert, und wenn der Kolben begann, sich in Vorbereitung auf den nächsten Füllhub aus der Pumpkammer zurückzuziehen, neigte diese komprimierte Flüssigkeit dazu, in das spezielle Komponentenreservoir, für das das entsprechende Proportionierventil offen war, zurückzuspritzen. Dieser Rückspritzeffekt war auf einen niederen Druck im Komponentenreservoir als in der Pumpkammer zurückzuführen. Wegen dieses Rückspritzeffektes herrschte eine Unsicherheit hinsichtlich des exakten Zeitpunktes, an dem die Pumpkammer beginnt, sich aus dem Reservoir zu füllen. Da der ganze Füllhub in der Größenordnung von nur 0,2 Sek. lag, und da das Gradientenelutionsprogramm fordern kann, daß das Proportionierventil für das spezielle Reservoir nur für einen sehr kleinen Bruchteil (beispielsweise 1 .%) der Dauer des Füllhubes offen war, sorgte diese Unsicherheit hinsichtlich des StartZeitpunktes für das Einlassen von Lösungsmittel aus einem bestimmten Reservoir in die Pumpenkammer für beachtliche Ungenauigkeiten im Konzentrationsverhältnis der Komponenten der Lösungsmittelmischung, insbesondere nahe den Konzentrationsniveaus O % und 100 %.

Ein weiterer Faktor, der die Betriebsleistung von Einzelpumpen-Gradientenelutions-Systemen bekannter Art ungünstig beeinflußte, war die mit "Vorwärtsspritzen" bezeichnete Erscheinung, die auftrat, wenn der Druck in einem Reservoir, für das das entsprechende Proportionierventil offen war, größer war als der Druck in der Pumpkammer. In dieser Situation geschieht das Umgekehrte wie bei der Rückspritzerscheinung, d.h. die Komponente im offenen Reservoir wird in die Pumpkammer eingesaugt. Dieses Einsaugen von Eeservoir-

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flüssigkeit in die Pumpkammer vor dem Beginn der geplanten Proportionierung entsprechend der Gradienteneinstelleinrichtung ergab oft erhebliche Ungenauigkeiten im Konzentrat ionsverhältnis der Lösungsmittelkomponenten, insbesondere nahe den Konzentrationsniveaus O % und 100 %.

Zusammenfassung der Erfindung

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Hochleistungs-Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System verfügbar zu machen, bei dem eine einzelne hin- und hergehende Pumpe zur Gradientenelution von Lösungsmittelkomponenten von mehreren Reservoirs verwendet wird, wobei eine präzise Gradientenproportionierung der Komponenten,insbesondere nahe den oberen und unteren Konzentrationsgrenzen, für irgendeine spezielle Komponente erreicht werden kann.

Weiter soll durch die Erfindung ein Hochleistungs-Hochdruck-Pliissigkeitschromatographie-System verfügbar gemacht werden, bei dem eine einzelne hin- und hergehende Pumpe zur Gradientenelution von Komponenten von mehreren Reservoirs verwendet wird, wobei die zeitlichen Unsicherheiten hinsichtlich des präzisen Beginns eines Füllhubes durch Druckdifferenzen zwischen der Komponente in einem Reservoir und der Restflüssigkeit in der Pumpkammer keine erheblichen Differenzen zwischen den relativen Konzentrationen der Komponenten in der aus der Pumpe strömenden Mischung und dem programmierten Verhältnis für diese Konzentrationen ergeben.

Weiter soll durch die Erfindung ein Hochleistungs-Hochdruck-Plüssigkeitsehromatographie-System verfügbar gemacht werden, bei dem eine einzelne hin- und hergehende Pumpe zur Gradient enelut ion von Komponenten von mehreren Reservoirs

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verwendet wird, wobei Proportionierventile dazu verwendet werden, die unterschiedlichen Komponenten entsprechend einem programmierten Verhältnis von speziellen Reservoirs während eines bestimmten Füllhubes in die Pumpkammer einzulassen, wobei die Folge von öffnen und Schließen der Proportionierventile während des Füllhubes dazu dient, den Effekt von zeitlichen Unsicherheiten hinsichtlich des Beginns des Füllhubes zu minimieren.

Veiter soll durch die Erfindung ein Hochleistungs-Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-System verfügbar gemacht werden, bei dem eine einzelne hin- und hergehende Pumpe zur Gradientenelution von Komponenten von mehreren Reservoirs verwendet wird, wobei der Pumpzyklus aus mehreren Füllhut en mit zwischenliegenden Pumphuben besteht und Proporticnierventile dazu verwendet werden, die Komponenten entsprechend einem programmierten Verhältnis von speziellen Reservoirs während eines bestimmten Füllhubes in die Pumpkairmer einzulassen, während die Konzentration irgendeiner bestimmten Komponente in irgendeinem bestimmten Füllhub sich auf einem relativ hohen und genau meßbaren Wert befindet.

Weiter soll durch die Erfindung eine Technik für die Gradientenelution in einem chromatographischen System unter Verwendung einer einzelnen hin- und hergehenden Pumpe verfügbar gemacht werden, durch die eine sehr niedrige Konzentration einer bestimmten Lösungsmittelkomponente präzise von der Pumpe innerhalb eines Pumpzyklus geliefert werden kann, der aus mehreren Füllhüben besteht, wobei die Konzentration dieser speziellen Komponente in einem bestimmten Füllhub relativ höher und genauer meßbar ist als ihre mittlere Konzentration über den kompletten Pumpzyklus.

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Veiter soll durch, die Erfindung der Effekt der Kompressibilität einer Lösungsmittelflüssigkeit auf die Einführung von Unsicherheiten hinsichtlich, des Beginns eines Füllhubes in einem Gradientelutionssystem, in dem eine einzelne hin- und hergehende Pumpe verwendet wird, minimiert werden.

Gemäß dem Aspekt der Erfindung, der sich auf die Arbeitsfolge der Proportionierventile bezieht, wird die Ventilarbeitsfolge so programmiert, daß komprimiertes Lösungsmittel, das nach dem Ende eines Pumphubes in der Pumpkammer verbleibt, nur in ein anderes Reservoir zurückspritzen kann als dasjenige, das die Lösungsmittelkomponente enthält, für die eine niedrigprozentige Konzentration in der aus der Pumpe ausströmenden Mischung erwünscht ist. Wenn also Ventile A und B Komponenten A bzw. B in die Pumpenkammer einlassen können, werden in einer Situation, in der eine sehr niedrige Konzentration der Komponente B erwünscht ist, die Proportionierventile so folgegesteuert, daß das Ventil A bereits offen ist, wenn das Einlaßventil zur Pumpenkammer öffnet. Auf diese Weise kann die komprimierte Lösungsmittelmischung, die hauptsächlich aus der Komponente A besteht, nur in die A-Reservoir-Leitung zurückspritzen. Wenn eine hochprozentige Konzentration der Komponente B gepumpt werden soll, wird Ventil B in ähnlicher Weise so programmiert, daß es bereits geöffnet hat, wenn das Einlaßventil zur Pumpenkammer öffnet, so daß die komprimierte Lösungsmittelmischung, die in diesem Falle hauptsächlich aus der Komponente B bersteht, nur in die B-Reservoir-Leitung zurückspritzen kann. In den Fällen, in denen zwischenliegende Prozentsätze der Komponenten A und B erwünscht sind, wird die Arbeitsfolge der Ventile A und B zwischen Gruppen von Füllhüben so programmiert, daß die Rückspritz- und die Vorwärtsspritz-Erscheinungen, die mit der Kompressibilität der Lösungsmittelflüssigkeit assoziiert sind, ausgeglichen werden. Wenn

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"beispielsweise nahezu gleiche Prozentsätze der Komponenten A und B am Pumpenausgang erwünscht sind, kann die Folge von Öffnen und Schließen der Ventile A und B in den Proportionier-Füll-Hüben von aufeinanderfolgenden Pumpenzyklen alternieren, oder bei in anderer Weise gepaarten Füllhüben. Ein solches Alternieren der Öffnungs- und Schließ-Folge der Ventile A und B während aufeinanderfolgender Zyklen sorgt dafür, daß jeder Fehler, der sich aus der Kompressibilität des Lösungsmittels ergeben kann, in aufeinanderfolgenden Pumpzyklen alternierend positiv und negativ ist, so daß der gesamte Konzentrationsfehler über eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Zyklen minimiert wird.

Hinsichtlich des Aspekts der Erfindung, daß ein vollständiger Pumpzyklus aus mehreren Füllhüben besteht, kann das tatsächliche Proportionieren der verschiedenen Komponenten so programmiert werden, daß es nur während eines der Füllhübe des vollständigen Zyklus geschieht. Um also eine bestimmte, niedrige Konzentration für eine bestimmte Komponente im Ausgangsstrom von der Pumpe über den gesamten Pumpzyklus zu erhalten, kann die Konzentration dieser Komponente, die während eines einzelnen Füllhubes in die Pumpkammer eingelassen wird, größer sein als die Konzentration dieser Komponente im Pumpenausgangsstrom, und zwar um einen Betrag, der proportional der Gesamtzahl der Füllhübe im gesamten Pumpzyklus ist. In einer typischen Prozedur kann der vollständige Pumpzyklus vier Füllhübe umfassen, wobei die Proportionierung der Komponenten A und B nur während eines der vier Hübe erfolgen kann, wobei die Pumpkammer während der übrigen drei Füllhübe vollständig mit Komponente A oder mit Komponente B gefüllt wird.

Der allgemeine Mehrhub-Pumpzyklus besteht aus der Kombination von m Füllhüben der Art, bei der das Ventil A geöffnet

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ist, wenn das Einlaßventil zur Pumpenkammer beginnt, sich zu öffnen (im Folgenden als "Hub vom Typ A-B" bezeichnet), denen η Hübe der Art folgen, in denen "Ventil B offen ist, wenn das Einlaßventil zur Pumpkammer beginnt, sich zu öffnen (im Folgenden als "Hub vom Typ B-A" bezeichnet).

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Einpumpen-Gradientenelutions-Flüssigkeitschromatographie- Systems bekannter Art;

Fig. 2 schematisch Teile des bekannten Systems nach Fig. 1;

Fig. 3 schematisch eine bevorzugte Proportionierventilfolge für ein Zweikomponenten-Gradientenelutions-System nach der Erfindung, mit der eine Lösungsmittelmischung mit relativ niedrigprozentiger Konzentration einer bestimmten Komponente geliefert v/erden kann;

Fig. 4- ein Schema ähnlich Fig. 3 einer bevorzugten Proportionierventilfolge für das gleiche System wie in Fig. 2, wobei, ein relativ hoher Konzentrationsprozentsatz der gleichen speziellen Komponente geliefert werden kann;

Fig. 5 ^eiⁿ Schema eines verallgemeinerten Füllhubes des A-B-Ventilfolgetyps;

Fig. 6 ein Schema eines verallgemeinerten Füllhubes des B-A-Ventilfolgetyps; und

5'ig. 7 graphisch ein repräsentatives Gradientenelutions-Programm mit fünf Segmenten, das den Konzentrationsbereich O % bis 100 % überdeckt und mit einem vierhubigen Füllzyklus nach der Erfindung arbeitet.

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Das Blockschaltbild nach Fig. 1 gibt die wichtigsten Elemente eines Gradientenelutions-Flüssigkeitschromatographie-Systems 20 an. Das System 20, soweit es in Fig. 1 dargestellt ist, ist bekannt und entspricht im wesentlichen den Chromatographiesystemen, die in den bereits erwähnten US-PS 3 985 019 und 3 985 021 beschrieben sind. Das System 20, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, illustriert ein repräsentatives System, auf das sich die Verbesserung, die Gegenstand der Erfindung ist, bezieht. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung mit dem System 20 beschränkt ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sondern in jedem Flüssigkeitschromatographie-System verwendet werden kann, bei dem eine einzige hin- und hergehende Pumpe zusammen mit mehreren Reservoirs verwendet wird, von denen unterschiedliche Losungsmittelkomponenten zu einer chromatographischen Säule gepumpt werden können, und zwar entsprechend einem programmierten Gradientenelutions-Plan.

Das System 20 weist zwei Reservoirs 22 und 24 auf, die jedes eine andere Lösungsmittelkomponente enthalten, beispielsweise Wasser in Reservoir 22 und Methanol in Reservoir 24. Der Einfachheit halber soll im Folgenden das Reservoir 22 als Reservoir A bezeichnet werden, und das Reservoir 24 als Reservoir B. In gleicher Weise soll die Lösungsmittelkomponente in Reservoir 22 als Komponente A bezeichnet werden, und die Lösungsmittelkomponente in Reservoir 24 als Komponente B. Jede dieser Komponenten A und B wird mittels eines Solenoidventils einer Pumpe 26 zugeführt. Die Komponente in Reservoir 22 wird also über Ventil 28 zur Pumpe geführt, und die Komponente in Reservoir 24 wird über Ventil 30 zur Pumpe 26 geleitet. Das Ventil 28 soll im Folgenden als Ventil A bezeichnet werden und das Ventil 30 als Ventil B. Die Ventile A und B dienen dazu, die relativen

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Konzentrationen der Komponenten A und B in einer Mischkammer 32 zu proportionieren, die stromaufwärts von der Pumpe 26 angeordnet ist. Die Mischkammer 32 kann ein T-Glied sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Lösungsmittelmischung wird von der Mischkammer 32 über eine Leitung 34· zur Pumpe 26 geliefert.

Der Ausgang von der Pumpe 26 kann über eine Leitung 36 zu einem Mischer 37 passieren, wo die Lösungsmittelmischung homogenisiert werden kann. Der Ausgang vom Mischer 37 strömt über eine Leitung 38 zu einem Druckmesser oder -fühler 39· Eine Sicherheitseinrichtung, beispielsweise eine Sollbruchscheibe (in Fig. 1 nicht dargestellt), kann der Leitung 38 zugeordnet sein, um eine Beschädigung des Systems durch zu hohen Druck in der Strömungsleitung zu verhindern. Typischerweise liegen die Strömungsleitungsdrucke in der Gradientenelutions-Chromatographie in der Größenordnung von 5·ΟΟΟ psi (344,74 bar). Die Lösungsmittelmischung strömt dann weiter zu einem Impulsdämpfer 40. Der Strom vom Impulsdämpfer 4-0 passiert dann durch eine konventionelle Injektoreinrichtung 42 und tritt in eine Chromatographensäule 44 ein. Der Ausgang von der Säule 44 kann einem Detektor 46 und von dort einem Kollektor 48 zugeführt werden, entsprechend üblichen Chromatographietechniken. Der Detektor 46 kann einem geeigneten Schreiber 50 zugeordnet sein, wie in der Chromatographie bekannt. Die Pumpe 26 wird mittels eines Schrittmotors 52 angetrieben, der an sich bekannt ist. Ein Dämpfer 54 kann dem Schrittmotor 52 zugeordnet sein, beispielsweise auf ein Ende der Motorabtriebswelle montiert sein, wie bekannt. Die Winkeldrehgeschwindigkeit der Abtriebswelle des Schrittmotors 52 wird genau über einen Rotationszyklus von 360° kontrolliert, so daß die Drehgeschwindigkeit einer Kurbelwelle 56, die damit zum Antrieb der Pumpe 26 gekuppelt ist, genau kontrolliert werden kann.

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3in Wellenpositionsindikator 58 dient dazu, die Drehposition der Pumpenkurbelwelle 56 anzuzeigen. Der Wellenpositionsindikator 58 kann aus einer Codierscheibe mit Umfangsmarken, beispielsweise Schlitzen, bestehen. Die Schlitze oder anderen Markierungen können mit einem Zähler

60 während der Drehung der Pumpenkurbelwelle 56 abgelesen werden. Näheres ist den erwähnten US-Patentschriften zu entnehmen.

Ein Motortreiber 61 liefert eine Reihe von elektrischen Impulsen an den Schrittmotor 52, die dafür sorgen, daß sich die Abtriebswelle des Schrittmotors 52 schrittweise entsprechend der Rate des Pulseingangs dreht. Damit der Schrittmotor 52 mit unterschiedlichen mittleren Winkelgeschwindigkeiten Je nach der Winkelposition der Pumpenkurbelwelle 56 angetrieben werden kann, liefert der Wellenpositionsindikator 58 ein Bezugssignal an eine Impulswiederhollogik 59, sobald die Pumpenkurbelwelle 56 einen bestimmten Bezugspunkt während der Winkeldrehung erreicht. Nach Erhalt dieses Bezugssignals sorgt die Impulswiederhollogik 59 dafür, daß eine Impulswiederholraten-Einrichtung 62 die Impulseingangsrate für den Schrittmotor 52 ändert. Gleichzeitig wird ein Impulszähler/ Decoder 64· über eine Steuerleitung 66 vorbereitet und beginnt, aufeinanderfolgende Impulse zu zählen, die vom Motortreiber

61 ausgehen, und zwar über eine Leitung 68. Der Impulszähler/ Decoder 64 wandelt nach effektiver Feststellung der Winkelposition der Pumpenkurbelwelle 56 die gezählten Impulse vom Motortreiber in ein decodiertes Signal um, das der Impulswiederholraten-Einrichtung 62 die Anzahl von Impulsen pro Sekunde angibt, die für die dann festgestellte Position der Pumpenkurbelwelle 56 richtig sind.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des Systems 20 kann der Ausgangsstrom von der Pumpe 26 sich innerhalb eines großen Bereichs ändern, beispielsweise von 100 ml/hr bis zu einer

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I\ate in der Größenordnung von 1000 ml/hr. Um die gewünschte Variation der Pumpgeschwindigkeit zu erhalten, ist eine Stromrateneinstelleinrichtung 70 vorgesehen, die die Form eines einfachen Daumenschalters haben kann. Wenn eine bestimmte Stromrate eingestellt ist, liefert ein voreingestellter, programmierter Festwertspeicher 72 ein spezielles Programm für jeden Teil des Betriebszyklus der Impulswiederhollogik 59· Der Festwertspeicher 72 ist mit einem für die gewünschte Stromrate geeigneten Programm versehen und instruiert die Impulswiederhollogik 59 über eine Leitung 74-. Die Impulswiederhollogik 59 steuert daraufhin die Impulswiederholrateneinrichtung 62 entsprechend.

In einer typischen Betriebsart des Systems 20 wird eine Elution von zwei Lösungsmittelkomponenten verwendet. Das Verhältnis der Konzentrationen der beiden Komponenten kann in einigen Fällen auf einem relativ konstanten Wert gehalten werden. Meistens muß jedoch das Verhältnis der Konzentrationen der beiden Komponenten während eines Testlaufs variiert werden, entweder dadurch, daß das Verhältnis manuell neu eingestellt wird, oder durch automatisch gesteuerte Änderungen. Eine Gradienteneinstell- u^d Konversionseinrichtung ist vorgesehen, die entweder eine manuell gesteuerte Eingabe oder eine programmierte automatische Gradienteneinstelleinrichtung 80 oder beides aufweisen kann. Die Gradientenpro grammierung an sich ist konventionell und Details von Einrichtungen zur Schaffung eines Gradientenprogramms sind deshalb nicht näher beschrieben.

Der Ausgang von der Gradienteneinstell- und Konversionsei nrichtung 76 wird nach Umwandlung in eine geeignete, vr.:-n·rvulierbare Form einem Komparator 82 zugeführt. Die räuberische Zählung vom Schlitzzähler 60 wird mit einer rückstelleinrichtung 84- einmal während jedes Zyklus zurück-

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gestellt, und zwar jedes Mal, wenn ein Bezugspunkt mit dem Wellenpositionsindikator 58 während der Drehung der Pumpenkurbelwelle 56 detektiert ist.

Wenn der Ausgang vom Schlitzzähler 60, der über Leitung 86 zum Komparator 82 läuft, dem konvertierten Wert gleich ist, der von der Gradienten-Einsteil- und Konversions-Einrichtung 76 kommt, wird ein Vorbereitungssignal an eine Ventillogikeinrichtung 85 geschickt, das die Ventiltreiber 88 aktiviert. Die Ventiltreiber 88 steuern das Öffnen und Schließen der Ventile 28 und 30, die in im wesentlichen komplementärer Weise arbeiten, d.h., eins dieser Ventile ist offen, wenn das andere geschlossen ist. Durch diese Anordnung, die bekannt ist, kann eines der Ventile 28 und 30 während eines Teils des Füllhubes der Pumpe 26 offen sein, während das andere dieser Ventile geschlossen bleibt, und für den Rest des Füllhubes ist das Umgekehrte richtig, d.h., das andere dieser Ventile ist offen, während das erste Ventil geschlossen ist. Es kann also eine direkte Proportionierung der Lösungsmittelkomponenten dadurch

geschaffen werden, daß Steuersignale zum Betrieb der Ventiltreiber 88 entsprechend der Winkelposition der Pumpenkurbelwelle abgeleitet werden. Diese Steuersignale können dazu verwendet werden, die Ventile A und B in geeigneter Weise zu öffnen und zu schließen, so daß die Dauer eines bestimmten Füllhubes für die Pumpe 26 zwischen dem Eintreten der Komponente A und dem Eintreten der Komponente B in die T-Btruktur 32 aufgeteilt werden kann. Eine detailliertere Diskussion der Losungsmittelproportionierung, die durch den komplementären Betrieb der Ventile A und B während des Pumpenfüllhubes erhalten werden kann, ist in den erwähnten Patentschriften zu finden.

Fig. 2 zeigt schematisch gewisse Teile der Fig. 1, die für die Erfindung von Bedeutung sind. Die in Fig. 2 dargestellten

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Elemente, die in Fig. 1 in Blockform dargestellt sind, sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 2 ist die Pumpe als einfache hin- und hergehende Pumpe dargestellt, d.h., sie besteht aus einem Zylinder 102, in dem ein Kolben 104 mit Kolbenring 106 durch die Bewegung einer Stange 108 in durch den Doppelpfeil 109 angegebenen Richtungen hin- und hergehen kann. Die Kolbenstange 108 wird mit einem geeigneten Antrieb entsprechend der Bewegung der Pumpenkurbelwelle 56 betätigt, die mit der Abtriebswelle des Schrittmotors 52 gekuppelt ist. Ein Einlaßventil 110 ist zwischen der T-Struktur 32 und der Kammer 114 der Pumpe 26 angeordnet. Der Ausgangsstrom von der Pumpenkammer 114 läuft über eine Auslaßleitung 116 zu einer Chromatographensäule. Der Ausgangsstrom zur Leitung wird mit einem Auslaßventil 112 gesteuert. Die Darstellung in Fig. 2 ist stark schematisiert, Einzelheiten sind den erwähnten US-Patentschriften 3 985 019 und 3 985 021 zu entnehmen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung zeigen Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen von Proportionierventilfolgen zur Verwendung in Gradientenelutions-Chromatographiesystemen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art. Die Proportionierventilfolgetechnik nach der Erfindung zum Einlassen unterschiedlicher Lösungsmittelkomponenten in eine Pumpeinrichtung entsprechend einem programmierten Verhältnis wird am vorteilhaftesten dort verwendet, wo die zur Chromatographensäule vorzuschiebende Lösungsmittelmischung nur einen sehr kleinen Anteil einer bestimmten Komponente enthält.

Fig. 3 zeigt eine Proportionierventilfolge nach der Erfindung für das Zwei-Reservoir-System gemäß Fig. 2 zur Verwendung dann, wenn eine relativ niedrigprozentige Konzentration der Komponente B in der Lösungsmittelmischung erwünscht ist,

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die zur Chromatographensäule gepumpt werden soll. In Fig. sind die Zustände der Ventile A und B, d.h., ob diese Ventile geöffnet oder geschlossen sind, als Funktion der Position der Pumpenkurbelwelle 56 dargestellt. Jede Drehung der Kurbelwelle 56 resultiert in einer vollständigen hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 104 innerhalb des Zylinders 102. (Der Ventilfolgebetrieb gemäß Fig. 3 ist ähnlich dem, der durch die Zeitdiagramme in Fig. 23 der erwähnten US-PS 3 985 019 dargestellt ist. Einzelheiten der Betätigungsoperationen zum öffnen und Schließen der Ventile A und B, die in Fig. 3 angedeutet sind, d.h., die elektromechanische Betätigung der Ventile A und B sind in der US-PS 3 985 019 beschrieben, auf die insoweit Bezug genommen wird).

In der in Fig. 3 dargestellten Folge repräsentiert die Kurbelwellendrehposition 0° den Start eines Pumpenfüllhubes. Das Ventil A ist bereits offen, wenn die Kurbelwelle 56 die Drehposition 30° erreicht, an der das Einlaßventil 110 öffnet. Im Betrieb wird etwas von der komprimierten restlichen Lösungsmittelmischung, die in der Pumpenkammer 114 und den Anschlußleitungen zum Einlaßventil 110 und Auslaßventil verbleibt, die während des vorangegangenen Pumphubes nicht ausgestoßen war, und die im wesentlichen aus Komponente A besteht, in die Leitung 118 zurückgespritzt, die zum Reservoir A führt. Wenn die Kurbelwelle 56 die Wellendrehposition 45° erreicht, wird daraufhin Ventil B geöffnet und Ventil A geschlossen, um die gewünschte Proportionierung zwischen den Komponenten A und B zu bewirken.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Proportionierventilfolge nach der Erfindung, die dann geeignet ist, wenn eine relativ hochprozentige Konzentration der Komponente B in der Lösungsmittelmischung erwünscht ist, die zur Chromatographen-

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säule gepumpt werden soll. In der in Fig. 4 dargestellten Folge ist das Ventil B bereits offen, wenn die Kurbelwelle 56 die Wellendrehposition 30° erreicht, an der das Einlaßventil 110 öffnet. Dementsprechend wird die komprimierte restliche Lösungsmittelmischung, die in der Pumpenkamrner 114- und den Anschlußleitungen zum Einlaßventil 110 und zum Auslaßventil 112 vorhanden ist, und die.im wesentlichen aus Komponente B besteht, in die Leitung 120 zurückgespritzt, die zum Reservoir B führt. Anschließend wird das Ventil A geöffnet und Ventil B geschlossen, wenn die Wellendrehposition 4-5° erreicht ist, um die gewünschte Proportionierung der Lösungsmittel A und B zu bewirken.

Die Proportionierventilfolgen gemäß Fig. 3 und 4 sind vorteilhaft, wenn die Pumpe 26 wie beim Stand der Technik betrieben wird, d.h., in der Betriebsart, in der die Lösungsmittelproportionierung während jedes der aufeinanderfolgenden Füllhübe bewirkt wird. Wenn die Proportionierung während jedes Füllhubes bewirkt wird, wird die Folge nach Fig. 3 bevorzugt, wenn die Konzentration der Komponente B in der Mischung, die zur Chromatographensäule gepumpt wird, im Bereich von 0 % bis 25 % liegt. Die in Fig. 4 dargestellte Folge wird bevorzugt, wenn die Konzentration der Komponente B in der zur Chromatographensäule gepumpten Mischung im Bereich zwischen 75 % und 100 % liegt. Bei Zwischenwerten für die Konzentration der Komponente B in der zur Chromatographensäule gepumpten Mischung, d.h., wenn die Konzentration der Komponente B im Bereich von 25 % bis 75 i° liegt, werden die Ventilfolgen gemäß Fig. 3 und 4 für aufeinanderfolgende Füllhübe vorzugsweise alterniert, so daß Fehler durch die Kompressibilität irgendwelcher restlicher Lösungsmittelmischung, die in der Pumpenkammer 114 und den Leitungen zum Einlaßventil 110 und zum Auslaßventil 112 am Ende jedes Pumphubes verbleibt, alternierend positiv und negativ sind.

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Ein Hauptziel der Ventilfolgetechnik gemäß Fig. 3 und 4 ist es, jedem Rückspritzen, das auftreten kann, zu erlauben, in der Richtung des Reservoirs zu überwiegen, das die Hauptkomponente der gewünschten Lösungsmittelmischung enthält. Wenn also eine Mehrhub-Mittlungstechnik verwendet wird, brauchen die in Fig. 3 und 4 dargestellten Folgen nicht über den ganzen jeweiligen Prozentsatz Konzentrationsbereich aufrechterhalten zu werden, für den die Folgen oben als bevorzugt angegeben worden sind. Gemäß einer solchen Mehrhub-Mittlungstechnik besteht jeder komplette Pumpzyklus für ein Zwei-Reservoir-System aus mehreren Füllhüben, wobei jeweils ein Pumphub zwischen zwei aufeinanderfolgende Füllhübe geschaltet ist. Die Proportionierung der beiden Komponenten ist so programmiert, daß sie nur während eines der Füllhübe jedes kompletten Pumphubes stattfindet.

Allgemeiner gesagt, erfindungsgemäß soll die Proportionierung mehrerer Komponenten so programmiert werden, daß sie in weniger als allen Füllhüben eines Pumpzyklus geschieht. Beispielsweise würde mit einem Vierhubzyklus die in Fig. illustrierte Ventilfolge nur während eines der vier Füllhübe des Zyklus verwendet, so daß eine mittlere B-Konzentration im Bereich von O % bis 12 % über den ganzen Zyklus ermöglicht wird. Wenn eine mittlere B-Konzentration von 12 % über den '/ gesamten Zyklus erwünscht wäre, würde die Komponente B nur während eines der Füllhübe des Zyklus in die Pumpkammer eingelassen, und das Verhältnis der Menge der Komponente B zur Menge der Komponente A, die während dieses Füllhubes eingelassen würde, wäre 1:1. Mit anderen Worten, die Konzentrationsverteilung der Lösungsmittelkomponenten in der Pumpe während dieses einen Füllhubes würde sein zur Hälfte Komponente B und zur Hälfte Komponente A. Für eine kleinere mittlere B-Konzentration über den gesamten Zyklus würde die Komponente B während nur eines Füllhubes der Pumpzyklus in die Pumpenkammer 114 eingelassen, aber in

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-Ά -25

einem Anteil kleiner als 1 : 1 mit Bezug auf die Komponente A, so daß die resultierende mittlere B-Konzentration über den ganzen Zyklus den gewünschten Wert hätte.

In ähnlicher Weise würde mit einem fünfhubigen Zyklus die in Fig. 3 illustrierte Ventilfolge nur während eines der fünf Füllhübe des Zyklus verwendet, so daß eine mittlere B-Konzentration im Bereich von O % bis 10 % über den ganzen Zyklus ermöglicht würde. Wenn eine mittlere B-Konzentration von 10 % über den gesamten Zyklus erwünscht wäre, würde die Komponente B nur während eines der Füllhübe des Zyklus in die Pumpenkammer 114· eingelassen,und das Verhältnis der Menge von Komponente B zur Menge der Komponente A, die während dieses einen Füllhubes eingelassen würde, würde 1 : 1 betragen. Für kleinere mittlere B-Konzentrationen würde die Komponente B während dieses Füllhubes in einem Anteil kleiner als 1 : 1 mit Bezug auf die Komponente A in die Pumpkammer 114 eingelassen, so daß die gewünschte mittlere B-Konzentration über den ganzen Zyklus sich ergeben würde.

Die spezielle Folge der Proportionierventile, wie sie in Fig. 3 und 4· angedeutet ist, kann durch die in den erwähnten US-Patentschriften 3 985 019 und 3 985 021 beschriebenen Techniken verwirklicht werden. Die Implementierung dieser Techniken zur Verwirklichung der hier beschriebenen Proportionierventilfolgen liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung betrifft auch das Problem, das beim Stand der Technik als Folge der Tatsache anzutreffen ist, daß die Ansprechzeit für mechanische Proportionierventile sich der erforderlichen Zeitauflösung für Einzelhubproportionierung nähert, insbesondere wenn der gewünschte Konzentrationsprozentsatz für eine bestimmte Komponente der Lösungsmittelmischung nahe O % oder 100 % liegt. Infolge dieses Aspektes

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der Erfindung wurde festgestellt, daß der Fehler, der sonst durch die endliche Ansprechzeit mechanischer Proportionierventile eingeführt wird, proportional zur Anzahl der Füllhübe reduziert werden kann, die über einen vollständigen Pumpzyklus gemittelt werden können. In der bevorzugten Betriebsart für ein System nach der Erfindung besteht ein vollständiger Pumpzyklus aus einer "Vielzahl von Füllhüben mit zwischengeschalteten Pumphüben, wobei vorzugsweise nur ein einzelner Füllhub im Pumpzyklus dazu verwendet wird, den erwünschten Prozentsatz der Komponente niedriger Konzentration zu erreichen. Beispielsweise kann eine Konzentration von 3 % B dadurch erreicht werden, daß drei Füllhübe von O % B und ein Füllhub von 12 % B verwendet werden. Innerhalb eines bestimmten Füllhubes kann eine Konzentration von 12 % B mit erheblich größerer Genauigkeit erhalten werden als eine Konzentration von 3 % B. Wird die Konzentration von 12 % B für einen einzelnen Füllhub über vier aufeinanderfolgende Füllhübe gemittelt, ergibt sich eine 3%ige B-Konzentration für den Pumpzyklus, die präziser ist,als sie dadurch erreicht werden könnte, daß versucht wird, eine 3%ige B-Konzentration in jedem der vier aufeinanderfolgenden Füllhübe zu proportionieren.

Fig. 5 und 6 illustrieren verallgemeinerte Füllhübe nach der Erfindung zur Schaffung einer Gradientenelution von Komponenten A und B gemäß einem verallgemeinerten Programm. Die in Fig. 5 und 6 verwendeten Parameter werden wie folgt definiert:

ν_Λ » Kompressionsvolumen (d.h. Restvolumen in der Pumpe beim Start des Proportionierens);

V » gesamtes Hubvolumen am Ende des Proportionierens (d.h. am Beginn des Pumphubes);

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V-V » Unterteilungsvolumen (d.h. das während des Pumphubes gelieferte Volumen);

Vg = Voliimen der Komponente B, das während des

A-B-Hubes in die Pumpe eingelassen wird; und

V. = Volumen der Komponente A, das während des B-A Hubes in die Pumpe eingelassen wird.

Es ist darauf hinzuweisen, daß V - V äquivalent ist dem

S C

"!Füllvolumen" der Pumpe, d.h., dem Nettovolumen an Flüssigkeit, das tatsächlich während eines Füllhubes in die Pumpe gesaugt wird. Dieses "Füllvolumen" ist kleiner als das gesamte Hubvolumen V_, und zwar wegen der restlichen Flüssigkeit, die am Ende eines Pumphubes in der Pumpkammer verbleibt.

Bei einem Hub des A-B-Typs gemäß Fig. 5 ist Ventil A so programmiert, daß es zu dem Zeitpunkt bereits offen ist, an dem das Einlaßventil 110 geöffnet wird. In einem Hub vom B-A-Typ gemäß Fig. 6 ist das Ventil B so programmiert, daß es zu dem Zeitpunkt bereits offen ist, wenn das Einlaßventil 110 geöffnet wird.

Der allgemeinste Mehrhub-Zyklus besteht aus einer Kombination von m Hüben vom Typ A-B, und η Hüben vom Typ B-A. Zum Zwecke der Verallgemeinerung soll angenommen werden, daß Vg einen unterschiedlichen Wert für jeden der m Hübe vom Typ A-B hat. In ähnlicher Weise soll angenommen werden, daß V. für jeden der η Hübe des Typs B-A einen unterschiedlichen Wert hat. Es wird angenommen, daß der Mischer 57 die m + η Hübe mittelt, so daß eine mittlere Konzentration der Komponenten A und B zur Ghromatographensäule geliefert wird.

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Für einen kompletten Zyklus aus m + η Hüben ist das Volumen der Komponente B, das zur Pumpenkammer 114· zugelassen wird,

m
die Summe T V_p während der A-B-Hübe und (n (V - V) -

V. ) während der B-A-Hübe. Das Gesamtvolumen der

während eines kompletten Pumpzyklus in die Pumpe gelangenden Lösungsmittelmischung beträgt (m + n) (V₃ - V_c). Die mittlere

Konzentration Cg für die Komponente B, die während eines kompletten Zyklus gepumpt wird, kann wie folgt angeschrieben werden:

£ v_ß. + ^(v, - v_e) - £ v_fi.

V₄ - V_t)

c_e - _ϊ!_ι : i^_i_ (D

Indem die rechte Seite neugeordnet wird, kann Gleichung (1) angeschrieben werden als:

(V₄ - V_c)

Gleichung (2) zeigt, daß unabhängig vom Wert V_c die mittlere B-Konzentration gleich ist, wenn die Bedingung

m η

Z" γ = 5" V. erfüllt ist. Es kann also eine Reihe

1=1 1 J=I d

von Paßpunkten zwischen dem programmierten Verhältnis für die Komponenten A und B, wie es durch die Gradienten-Einstell- und Konversions-Einrichtung 76 gemäß Fig. 1 bestimmt ist, und der B-Konzentration entsprechend den

Werten —-— vorgesehen werden. Wenn ein Pumpzyklus mit m + η

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- 25 -

vier Hüben betrachtet wird, m + η = 4-, treten Paßpunkte bei Üg-Werten entsprechend = ^, 75:» 2p 7p tj; auf, d.h., Paßpunkte ergeben sich an den Konzentrationen O %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 % für die Komponente B. In ähnlicher Weise treten Paßpunkte für einen Pumpzyklus mit fünf Hüben an den Konzentrationen 0 %, 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 % für die Komponente B auf. Die Programmgenauigkeit und Präzision zwischen den Paßpunkten hängen von den Parametern ab, die im ersten Ausdruck der rechten Seite von Gleichung (2) definiert sind.

Fig. 7 illustriert ein einfaches fünfsegmentiges Füllhubprogramm auf der Basis eines vierhübigen Pumpzyklus, das den gesamten Konzentrationsbereich von 0 % bis 100 % B überdeckt. Jedes Segment des Füllhubes schließt einen Konzentrationspaßpunkt ein und überdeckt einen Konzentrationsbereich, der sich in jeder Richtung über den halben Weg bis zu den benachbarten Paßpunkten erstreckt. Alle Programm-Segmente haben ein gemeinsames Merkmal, nämlich nur einer der vier Hübe wird dazu verwendet, Konzentrationsänderungen zu erzeugen, und die übrigen drei Hübe bleiben während eines Pumpzyklus unverändert. Weiterhin sind Änderungen in dem die Konzentration kontrollierenden Füllhub im wesentlichen für alle Programmsegmente ähnlich.

Gemäß Fig. 7 überdeckt das erste Segment den Konzentratxonsbereich 0 ^ Sg £ 0.12. Die Anfangskonzentration S„ = 0 ist ein Paßpunkt. Vier A-B-Hübe und kein B-A-Hub werden in einem Pumpzyklus verwendet, für den üg = 0, d.h., m » M-

und η = 0. Das Programm startet also mit allen V^ = 0 entsprechend Ct> = 0. Nur ein einziger Hub wird dazu

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verwendet, C*_B zu erzeugen. Entsprechend Gleichung (2)

Wenn also V_ß in Schritten von 0,04 (V -V) gestuft wird, ist

das Programm in der Lage, zwölf verschiedene Konzentrationen zwischen 0 ^C ^.0,12 mit 1 %-Schritten zu ergeben. Dieses Programmsegment endet mit V_ß = 0,48 (V -V), was entspricht

C_B » 0,12.

Das zweite Segment des Programms überdeckt den Konzentrationsbereich 0,13^C έ 0,37 und arbeitet mit drei A-B-Hüben und einem B-A Hub, d.h. m = 3 und η = 1. Dieses Programm startet mit ν« = 0 und V. = 0,48 (V₀-V_n). Entsprechend Gleichung (2)

ij · An S C

gilt für das zweite Segment

r ___^Ai ^i oi^
⁰B ⁼ 4(V-V ) ⁺ 4" ⁼ °'¹⁵·
^v s c^y

Für B-Konzentrations-Schritte von 1 % verringert sich V.

^Al

in Schritten von 0,04 (V -V). Es ist ein Paßpunkt vorhanden

für V. = 0, entsprechend C_n = 0,25. An diesem Paßpunkt ist A₁ ß

der B-A-Hub 100 % B. Das Programm schreitet dadurch fort,

daß V_n in Schritten von 0,04 (V -V_rt) erhöht wird, während B₃ se

V_n = 0 für i = 2, und V, = 0 für j = 1 gehalten wird. Für diese Werte von V_n ' und V. wird Gleichung (2) zu

(J_n = ⁺ Έ · Dieses zweite Programmsegment endet * ^^vs~V ^

mit V-n - 0,48 (V₀-V_n), was entspricht U₁, = 0,37·

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- 27 -

3\

Das dritte Programmsegment überdeckt den Konzentrationsbereich 0,38 £: Cg £. 0,62 und benutzt zwei A-B-Hübe und zwei B-AHübe, d.h. m = 2 und η = 2. Die Mittelkonzentration Cg = 0,5 ist ein Paßpunkt. Das Programm startet mit Vg = 0,

V. = 0,48 (V -V ) und V. = 0. Für diese Werte von V₁₃ , A₁ s c' A₂ __v^ B₁'

V_A und V_A wird Gleichung (2) zu C_ß = ν + \ = 0,38. Für Konzentrationsschritte von 1 % B wird V. in Schritten

von 0,04(V -V) bis auf V. = 0 reduziert, und an diesem s c τ

Punkt ist Cg = 0,5· Bei dieser Mittelkonzentration sind die B-A-Hübe 100 % B. Das Programm fährt danach fort, Vg in

1 %-Konzentrationsschritten zu erhöhen, und endet mit V₇₃ = 0,48 (V -V„), und an diesem Punkt ist C₇₃ = 0,62.

JD^j SC .D

Durch eine Fortsetzung der vorangegangenen Analyse werden ein A-B-Hub und drei B-A-Hübe für das vierte Programmsegment benutzt, d.h., m = 1 und η = 3» und kein A-B-Hub und vier B-A-Hübe werden für d^s fünfte Programmsegment verwendet, d.h., m = 0 und η = 4.

Der durch Gleichung (2) gegebene Ausdruck für Cg besteht aus zwei Ausdrücken. Der zweite Ausdruck

is⁺; eine numerische Konstante, die einem bestimmten Konzentrationspaßpunkt entspricht, entsprechend den speziellen Vierten von m und n. Der erste Ausdruck

tv,. - t ν_Λ

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- ae -33

entspricht der Differenz zwischen der Skaleneinstellung, die an der Gradienteneinstell- und Konversions-Einrichtung gewählt ist, und dem nächsten Paßpunkt. Entsprechend dem zur Durchführung der Erfindung mit einem vierhubigen Pumpzyklus verwendeten Gradientenelutionsprogramm nimmt der erste Ausdruck in Gleichung (2) einen Maximalwert von 0,12 an, was den Endpunkten des speziellen Programmsegments entspricht.

Zwei Quellen tragen zu Fehlern in der Komponentenkonzentration bei, wie durch Differenzieren der Gleichung (2) erkannt werden kann

⁶ (^»».Χν - V_c) ()(VV) (V)

Der erste Ausdruck von Gleichung (3) zeigt, daß Fehler durch zeitliche Ungenauigkeiten im Betrieb der Proportionierventile A und B zu Konzentrationsfehlern beitragen. Dieser erste Ausdruck in Gleichung (3) kann dadurch reduziert werden, daß die Anzahl der Hübe pro Zyklus (m + n) erhöht wird, und weiter das tatsächliche Proportionieren auf einen einzelnen Hub beschränkt wird. Der zweite Ausdruck in Gleichung (3) repräsentiert die Unsicherheit in ^V_n, die sich aus der Dekompression und dem Rückspritzen von restlichen Lösungsmitteln am Ende eines Pumphubes ergibt. Dieser zweite Ausdruck in Gleichung 0) kann ebenfalls dadurch reduziert werden, daß die Anzahl der Hübe pro Zyklus (m + n) erhöht wird.

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809847/091 θ

Experimentelle Daten zeigen an, daß für ein Gradientenelutionschromatographiesystem nach der Erfindung die Annahme einer 5%iß^en Unsicherheit im Proportionierhubvolumen (V -V) vorsichtig ist. Wenn eine 5%ige Unsicherhext ÄV„ für das Proportionierhubvolumen (V-V,,) angenommen wird, wird der entsprechende Fehler in der mittleren B-Konzentration C^ berechnet zu

(± 0.12) (0.05)
t 0.006, d.h. + 0.6%.

Unter der Annahme einer 5%igen Unsicherheit im Proportionierhubvolumen, was erfahrungsgemäß eine sehr vorsichtige Annahme ist, beträgt der maximale Fehler in irgendeinem Programmsegment nur etwa 0,6 %, was an den Segmentenden geschehen könnte.

In der obigen Analyse ist die Reihenfolge der m Hübe vom Typ A-B und der η Hübe vom Typ B-A innerhalb irgendeines Pumpzyklus nicht spezifiziert worden. Die Reihenfolge dieser Hübe kann zweckmäßigerweise spezifiziert werden, um das Mischen der Lösungsmittel A und B während jedes kompletten Zyklus von m + η Hüben zu verbessern. Durch Alternieren von Α-reichen und B-reichen Hüben können die Anforderungen an die Mischung, die sonst den Systemkomponenten stromabwärts von der Pumpe auferlegt werden müßten,

erleichtert werden. ,_.

•••/20

8098Α7/091Θ

" 3H~

Im folgenden Beispiel ist die Hubfolge spezifiziert, um die vorteilhafteste Mischung für die Komponenten A und B zu erhalten. In diesem Beispiel besteht der Pumpzyklus aus vier Füllhüben, wobei das Proportionieren nur während eines dieser Füllhübe erfolgt. Die restlichen drei Füllhübe sind irgendeine Kombination von Hüben "alles A" und Hüben "alles B". Während eines ganzen Pumpzyklus erfolgt nur eine Proportionierventil-Betätigung während eines Füllhubes. Alle anderen Proportionierventil-Betätigungen erfolgen vor unproportionierten Füllhüben. Der Zustand der Proportionierventile A und B, d.h., offen oder geschlossen, ist in der folgenden Tabelle für jeden der vier Füllhübe angegeben.

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	TAB	Füllen Nr. 1	-Jl - 35	Füllen Nr. 3	Füllen Nr.4
	A offen	ELLE	A offen	A offen
Einstilg. % B	A offen, dann B zum Pro portionieren	Füllen Nr. 2	A offen	A offen
O %	B offen, dann A zum Pro portionieren	A offen	A offen	A offen
1% - 12%	B offen	A offen	A offen	A offen
13% - 24%	B offen	A offen	A offen, dann B zum Pro portionieren	A offen
25 %	B offen	A offen	B offen, dann A zum Pro- portionieren	A offen
26% - 37%	B offen	A offen	B offen	A offen
38% - 49%	B offen	A offen	B offen	A offen
50 %	B offen	A offen	B offen	A offen
51% - 62%	B offen	A offen, dann B zum Prο- portionieren	B offen	A offen
63% - 74 %	B offen	B offen, dann A zum Prο- portionieren	B offen	A offen, dann B zum Pro portionieren
75 %	B offen	B offen	B offen	B offen, dann A zum Pro- portionieren
76% - 87 %	B offen	B offen	B offen	B offen
88% - 99%	B offen
100 %	B offen

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" 3(o~

Eine Ventilfolgeumschaltung in dem obigen Beispiel erfolgt an den Konzentrationen 12,5 #, 37,5 %> 62,5 % und 87,5 % für die Komponente B. Für B-Konzentrationen im Bereich von O bis 12 % erfolgt das Rückspritzen immer zum A-Reservoir. Im B-Konzentrationsbereich von 13 bis 37 % erfolgt das Rückspritzen zum B-Reservoir für einen Hub und zum A-Reservoir für drei Hübe. Im B-Konzentrationsbereich von 38 bis 62 % erfolgt das Rückspritzen während zwei Hüben zum B-Reservoir und während zwei Hüben zum Α-Reservoir. Im B-Konzentrationsbereich von 63 % Ms 87 % erfolgt während drei Hüben das Rückspritzen zum B-Reservoir und während eines Hubes zum Α-Reservoir. Im B-Konzentrationsbereich von 88 % bis 100 % erfolgt das Rückspritzen immer zum B-Reservoir. Um das Mischen zu verbessern kann das Auftreten der Hübe "alles A" und alles B" alterniert werden. Beispielsweise kann das Programm bei der Konzentration 50 % B dafür sorgen, daß das Ventil B während des ersten Füllhubes offen ist, Ventil A während des zweiten Füllhübes, Ventil B während des dritten Füllhübes und Ventil A während des vierten Füllhubes.

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Claims

Vl P4-74- D Patentansprüche

1. Verfahren zur Schaffung einer Gradientenproportionierung mehrerer Lösungsmittelkomponenten in einem Flüssigkeitschromatographiesystem mit einer einzigen hin- und hergehenden Pumpeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpzyklus verwendet wird, der mehrere Füllhübe aufweist, wobei eine ausgewählte Konzentrationsverteilung von mehr als einer der Lösungsmittelkomponenten in der Pumpeinrichtung während weniger als aller Füllhübe des Pumpzyklus zugelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausgewählte Konzentrationsverteilung von mehr als einer der Lösungsmittelkomponenten in der Pumpeinrichtung nur während eines Füllhubes des Pumpzyklus zugelassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente, die den Hauptbestandteil des erwünschten Ausgangsstroms von der Pumpeinrichtung bildet, in die Pumpeinrichtung am Anfang wenigstens der Hälfte der Füllhübe des Pumpzyklus eingelassen wird.

4-. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hauptbestandteil des gewünschten Ausgangsstroms von der Pumpeinrichtung bildende Komponente wenigstens 75 % des Ausgangsstroms bildet, und daß diese Komponente am Anfang von wenigstens drei Vierteln der Füllhübe des Pumpzyklus in die Pumpeinrichtung eingelassen wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Füllhübe in dem Purapzyklus vier beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die den Hauptbestandteil des gewünschten Ausgangsstroms von der Pumpeinrichtung bildende Komponente wenigstens 88 % des Ausgangsstromes bildet und daß dieser Komponente erlaubt wird, am Anfang aller Füllhübe des Pumpzyklus in die Pumpeinrichtung einzutreten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Hauptbestandteil des gewünschten Ausgangsstroms von der Pumpeinrichtung bildende Komponente zum Eintritt in die Pumpeinrichtung bei Beginn desjenigen Füllhubes eingelassen wird, während dessen die gewählte Konzentrationsverteilung von mehr als einer der Komponenten in der Pumpeinrichtung zugelassen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Konzentrationsverteilung ein gewähltes Verhältnis von zwei Lösungsmittelkomponenten umfaßt.

9- Verfahren zur Erzielung einer Komponentenmischung in der ausströmenden Flüssigkeit von einer einzigen hin- und hergehenden Pumpeinrichtung, die eine spezifizierte Konzentrationsverteilung für deren Komponenten über einen Pumpzyklus der hin- und hergehenden Pumpeinrichtung hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpzyklus aus einer Mehrzahl von Füllhüben für die Pumpeinrichtung besteht, daß die Komponenten während der Füllhübe des Zyklus entsprechend einem Programm in die Pumpeinrichtung eingelassen

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werden, das für eine charakteristische Konzentrationsverteilung der Komponenten sorgt, die für jeden der Füllhübe besonders ist, wobei die charakteristische Konzentrationsverteilung, die speziell für wenigstens einen der Füllhübe gilt, sich von der gewählten Konzentrationsverteilung für die Ausgangsmischung über den gesamten Pumpzyklus unterscheidet und der Mittelwert der charakteristischen Konzentrationsverteilungen für alle Füllhübe des Zyklus im wesentlichen gleich der gewählten Konzentrationsverteilung für die Ausgangsmischung über den Pumpzyklus ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß

es bei einem System zur Schaffung einer Mischung von zwei Komponenten angewandt wird, die als Komponente A bzw. Komponente B im Ausgangastrom von der Pumpeinrichtung bezeichnet werden, daß die Komponente A in die Pumpeinrichtung eintreten kann, wenn ein Ventil A offen ist, und die Komponente B in die Pumpeinrichtung eintreten kann, wenn ein Ventil B offen ist, und daß die Ventile A und B in komplementärer Weise betätigbar sind, so daß eines der beiden Ventile nur dann offen sein kann, wenn das andere geschlossen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpzyklus aus m Füllhüben vom Typ A-B besteht, bei denen das Ventil A bereits bei Hubbeginn offen ist, so daß die Komponente A vor der Komponente B in die Pumpeinrichtung eintreten kann, und η Füllhüben vom Typ B-A, bei denen das Ventil B bei Hubbeginn bereits offen ist, so daß die Komponente B vor der Komponente A in die Pumpeinrichtung eintreten kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm, entsprechend dem die Komponenten A und B zu der Pumpeinrichtung zugelassen werden, dadurch bestimmt

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- Atf -

werden kann, daß m und η in der Gleichung

ganzzahlige Werte annehmen, wobei die Summe m + η der Gesamtzahl an Füllhüben im Pumpzyklus entspricht, und

Cg die mittlere Konzentration der Komponente B über einen

kompletten Pumpzyklus repräsentiert, V_ das Restvolumen an Flüssigkeit in der Pumpeinrichtung bei Beginn eines Füllhubes repräsentiert,

V_ das Hubvolumen am Beginn eines Pumphubes repräsentiert, V-Q das Volumen der Komponente B repräsentiert, das während eines A-B-Hubtyps in die Pumpeinrichtung eingelassen

wird, und
V. das Volumen der Komponente A repräsentiert, das während eines B-A-Hubtyps in die Pumpeinrichtung eingelassen wird.

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