DE3407065C2 - Für Chromatographie-Vorrichtungen verwendbare Gas- oder Flüssigkeitsleitung mit niedriger Dispersion - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Gas- oder Flüssigkeitsleitung.

Ein bekanntes Merkmal von Gas- oder Flüssigkeitsströmun­ gen in einer geradlinigen Leitung ist das Ausbilden einer parabolförmigen Geschwindigkeitsfront. Dies ist eine Folge dessen, daß das Fluid an seinem äußeren Rand an seinem Grenzbereich zu der Innenfläche der Leitung abgebremst wird. Diese Strömungsverlangsamung wird zum zentralen Bereich des Fluids hin bei sich mit steigendem Abstand verringernder Wirkung übertragen. Aufgrund dieses Phänomens wird daher jedes vorgegebene zylindri­ sche Fluid-Band, das mit einer ebenen Front in eine Leitung eintritt, gedehnt. In der Chromatographie wird dies allgemein als Band-Dispersion bezeichnet.

Den Chromatographen betraf bis vor Kurzem vorherrschend die Band-Dispersion, die innerhalb der Trennsäule auf­ trat, und in geringerem Ausmaß die Banddispersion in den Anschlußleitungen außerhalb der Säule. Neuere Ent­ wicklungen bei der Säulentechnologie erfordern jedoch eine stärkere Beachtung der Wirkungen von Dispersion außerhalb der Säule und eine Verringerung dieser Effek­ te. Dispersion außerhalb der Säule kann eine unannehm­ bare Band- und nachfolgend Peak-Verbreiterung sowohl vor als auch nach den Trennsäulen einbringen.

In den Leitungen vor der Säule unterbricht die Band- Dispersion die ebene Front der zu untersuchenden Mischung und führt dazu, daß die zu prüfende Mischung in einer ungleichförmigen Konzentration der Säule zugeführt wird. Band-Dispersion in Leitungen nach der Säule, beispiels­ weise in Leitungen zwischen der Säule und dem Nachweis­ gerät, führt dazu, daß jede einzelne, separierte Komponen­ te verbreitert wird, und verursacht durch eine solche Ver­ breiterung ein Überlappen von separierten Komponenten. Dieses Überlappen führt schließlich im Grunde zu einem erneuten Vermischen der vorher separierten Komponenten des Untersuchungsgegenstandes. Demzufolge gilt bei modernen Chromatographie-Vorrichtungen mit niedriger Dispersion eine Hauptüberlegung der Band-Dispersion von Verbindungsleitungen außerhalb der Säule.

Im allgemeinen kann man sich dem Problem, die Dispersion in einer Fluid-Leitung zu verringern, dadurch nähern, daß die Leitung kurz gewählt wird und einen geringen Innendurchmesser aufweist. Solche Leitungen verstopfen jedoch sehr leicht und sind des weiteren beim Aufbau und Betrieb einer Chromatographie-Vorrichtung unnötig umständlich.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bei Chromatographie-Vorrichtungen verwendbare Fluidleitung vorzusehen, die eine sehr geringe Banddispersion ausweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Fluidleitung gemäß Anspruch 1 gelöst.

In der nachfolgenden Beschreibung wird ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel anhand der nicht-maßstäblichen Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Leitung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Segmentes der in Fig. 1 gezeigten Leitung und

Fig. 3A und 3B Vergleichsdiagramme zur Verdeutlichung der verringerten Dispersion bei der in Fig. 1 gezeigten Leitung.

Eine in den Fig. 1 und 2 insgesamt mit 10 bezeichnete und die Grundlagen der vorliegenden Erfindung ver­ wirklichende Leitung weist eine Röhre 12 mit einem un­ unterbrochenen Durchgang 14 hierdurch auf. Die Röhre 12 ist so ausgebildet, daß der Durchgang in zwei Dimensionen schlangenförmig verläuft. Der hier verwendete Begriff "schlangenförmig" soll einen kontinuierlich gekrümmten Verlauf bedeuten, der periodische Höhen und Täler von im wesentlichen gleicher Amplitude aufweist. Wie man leicht einsieht, ändert sich als Folge des schlangenför­ migen Verlaufs die Radialgeschwindigkeit eines durch den schlangenförmigen Durchgang hindurchtretenden Fluids kontinuierlich in der Größe und kehrt periodisch ihre Richtung um. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Röhre 12 innerhalb einer Leitung 16 herkömmli­ cher Größe befestigt, so daß sich die Röhre 12 bequem in einen Strömungsweg einer herkömmlichen Vorrichtung einbringen läßt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Röhre 12 aus rostfreiem Stahl gefertigt und weist einen Außen­ durchmesser von ungefähr 0,5 mm (ungefähr 0,02 inch) und einen Innendurchmesser von ungefähr 0,25 mm (unge­ fähr 0,01 inch) auf.

Die Röhre 12 ist auf eine Länge von ungefähr 42,5 cm schlangenförmig ausgebildet und weist in Längsrichtung zwischen einander benachbarten Höhen ungefähr 1,8 mm und in Querrichtung zwischen einander benachbarten Höhen ungefährt 0,5 mm Abstand auf. Ein solcher schlangenförmi­ ger Verlauf führt zu einer Gesamtlänge in Längsrichtung von ungefähr 38 cm. Das Ausbilden der Schlangenform kann durch bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise kann die Röhre 12 zwischen ein Paar von komplementär ausgebildeten Walzen auf eine ähnliche Weise eingeführt werden, wie Kleider in eine Wringvorrichtung eingeführt werden. Der schlangenförmige Durchgang 14 sollte so ausgebildet sein, daß über die Länge der Röhre 12 ein gleicher Querschnitt aufrechterhalten ist. Auf diese Weise wird die Möglichkeit, daß sich der Durchgang 14 verstopft, bei den meisten Flüssigkeitschromatographie- Anwendungen im wesentlichen völlig ausgeschaltet.

Zur Verwendung bei einer herkömmlichen Flüssigkeits­ chromatographie-Vorrichtung ist die oben beschriebene Röhre 12 innerhalb der Länge einer Leitung 16 her­ kömmlicher Größe, d. h. beispielsweise einer Leitung mit einem Innendurchmesser von ungefähr 1,3 mm und einem Außendurchmesser von ungefähr 1,6 mm, befestigt. Es kann zwar im allgemeinen jedes beliebige Mittel verwendet werden, um dies zu erzielen, vorzugsweise ist jedoch eine Scheibe 18, die eine durch sie hindurch­ gehende Öffnung 20 aufweist, an der Röhre 12 befestigt. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde ein Paar von Schei­ ben 18, von denen jede eine Dicke von ungefähr 1 mm, eine zentrale Öffnung 20 von ungefähr 0,5 mm und einen Außendurchmesser von ungefähr 1,6 mm aufweist, verwen­ det. Die Scheiben 18 wurden an jedes Ende der Röhre 12 mittels bekannter Verfahren, beispielsweise durch Löten, befestigt. Danach wurden die Scheiben 18 ebenfalls durch Löten an den Enden 22 der Leitung 16 befestigt.

Soweit sich sehen läßt, zeigt eine Fluid-Leitung 10, die gemäß dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ beispiel ausgebildet ist, nur eine unbedeutende Band- Dispersion. Der Grund hierfür liegt sicherlich darin, daß sich an keinem Punkt längs des schlangenlinienförmi­ gen Verlaufs bei dem strömenden Fluid eine parabolförmi­ ge Wellenfront-Strömung ausbilden kann. Diese Art von Strömung wird wegen der kontinuierlich gekrümmten Form des Durchgangs 14 verhindert, der das kontinuierliche Ändern und Umkehren der Richtung der Radialgeschwindig­ keit bewirkt. Ferner befindet sich die Strömung ober­ halb einer minimalen Strömungsrate, nämlich von weniger als 1 ml pro Miute, an allen Punkten innerhalb des schlangenlinienförmigen Verlaufs im Zustand einer kontinuierlichen radialen Strömung mit geringem oder keinem Anteil an laminarer Strömung.

Bei der nachfolgenden Erörterung der Fig. 3A und 3B, die Vergleichsuntersuchungen zwischen einer Leitung, bei der die Grundlagen der vorliegenden Erfindung ver­ wirklicht sind, und zwei davon unterschiedlichen, kon­ ventionellen Fluid-Verbindungsröhren darstellen, ist die Peak-Varianz (σ²) als Vergleichsgrundlage ver­ wendet.

Dieser Faktor wurde gewählt, weil ein idealer chromato­ graphischer Peak einen Gauß′schen oder glockenförmigen Verlauf aufweist, und vom mathematischen Standpunkt aus stellt nicht die Standardabweichung ((σ), sondern ihr Quadrat (σ²), die Varianz, das Grundmaß einer Normal­ verteilung dar. Um einen deutlicheren Vergleich zu er­ möglichen, wurde ferner die Varianz (σ²) in Bezug auf die Länge normalisiert. Auf der Ordinatenachse ist da­ her die Varianz pro Längeneinheit (σ²/l) abgetragen, die für chromatographische Zwecke die Einheit Mikro­ liter im Quadrat pro Zentimeter (µl²/cm) aufweist. Die andere Vergleichsvariable ist, wie längs der Abszisse abgetragen, die Strömungsrate, die in Einheiten von Milli­ litern pro Minute (ml/min) ausgedrückt ist.

In Fig. 3A zeigt die ausgedruckte gerade Linie 24 die normalisierte Peak-Varianz in Abhängigkeit von der Strömungsrate für eine gerade Röhre, die einen Innen­ durchmesser von etwa 0,18 mm (0,007 inch) aufweist. Die Kurve 26 stellt den Graph für eine Leitung dar, die ent­ sprechend den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aus­ gebildet ist und einen Innendurchmesser von ungefähr 0,25 mm (0,01 inch) aufweist.

In Fig. 3B wird der Graph 26 verglichen mit einer spu­ lenförmigen Röhre, die einen inneren Röhrendurchmesser von etwa 0,13 mm und einen Spulendurchmesser von unge­ fähr 1 mm aufweist und durch den Graph 28 dargestellt ist.

Aus diesen Vergleichen geht klar hervor, daß die Fluid- Leitung 10 deutlich besser ist als eine geradlinige Röhre, deren Varianz in dem untersuchten Strömungsbe­ reich völlig linear mit der Strömungsrate ansteigt. Man sieht deutlich, daß dieser lineare Anstieg außerhalb der Säule eine unerwünschte Wirkung oder Dispersion auf­ weist, selbst wenn der Innendurchmesser der Leitung klei­ ner ist als der, der bei der erfindungsgemäßen Fluid- Leitung 10 verwendet wird. Des weiteren wird zwar die Varianz der hier beschriebenen Leitung 10 bei hohen Strömungsraten durch die spulenförmige Röhre angenähert, diese spulenförmige Röhre weist jedoch bei Strömungs­ raten von ungefähr 1 Milliliter pro Minute eine beträcht­ lich höhere Varianz auf. Durch eine sorgfältige Analyse der Ergebnisse bislang durchgeführter Experimente er­ gibt sich, daß eine Varianz von ungefähr 0,04 µl²/cm mittels einer Leitung, bei der die Grundlagen der vor­ liegenden Erfindung verwirklicht sind, leicht erzielbar ist. Daraus wird deutlich, daß eine Fluid-Leitung, bei der die Grundlagen der vorliegenden Erfindung verwirk­ licht sind, einen bislang unerreichbaren Nutzeffekt auf­ weist.

Eine Fluid-Leitung 10, wie sie hier beschrieben ist, kann daher als eine Verbindungsröhre verwendet werden, die bei einer Flüssigkeitschromatographie-Vorrichtung eine niedrige Dispersion aufweist. Dies bedeutet, daß eine solche Leitung Anwendung findet als Verbindungs­ röhre beispielsweise zwischen einer Eintrittsröhre und einer Trennsäule oder zwischen der Säule und einer Nach­ weiskammer. Wegen der in ihr auftretenden radialen Strömung kann eine solche Leitung ferner auch vorteil­ haft sein als Vorrichtung zum Mischen.

Claims (6)

1. Fluidleitung zur Verwendung in einer Chromatographievorrichtung, gekennzeichnet durch eine in zwei Dimensionen schlangenlinienförmige Durchflußleitung.

2. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußleitung einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

3. Leitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt kreisförmig ist.

4. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein hohles, röhrenförmiges Gehäuse (16), innerhalb dessen die Durchflußleitung starr befestigt ist.

5. Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußleitung an jedem Ende an dem Gehäuse (16) mittels einer Scheibe (18) befestigt ist.

6. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußleitung aus rostfreiem Stahl gefertigt ist.