DE4303275C2

DE4303275C2 - Method and device for fractionating liquids

Info

Publication number: DE4303275C2
Application number: DE19934303275
Authority: DE
Inventors: Anton Horn; Klaus Schilling; Wolfgang Kraemer; Guenther Ditze; Eva Hoffmann-Blume; Thomas Moore
Original assignee: OPAL JENA GES fur OPTISCHE AN
Current assignee: OPAL JENA GESELLSCHAFT FUER OPTISCHE ANALYTIK UND
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2013-02-06
Also published as: DE4303275A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Fraktionieren von Flüssigkeiten, die vorzugsweise in Fraktionssammlern zur Sammlung von Proben nach analytischer oder präparativer Stofftrennung zur Anwendung kommen, aber auch zur dis kontinuierlichen Prozeßkontrolle, beispielsweise in Bioreaktoren eingesetzt werden können. Die Erfindung wird vorteilhaft in Verbindung mit verschiedenen säulenchromatographi schen Verfahren, einschließlich der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC) ein gesetzt.The invention relates to a method and devices for fractionating Liquids preferably used in fraction collectors to collect samples analytical or preparative material separation are used, but also for dis continuous process control, for example, can be used in bioreactors. The invention is advantageous in connection with various column chromatography procedures, including high performance liquid chromatography (HPLC) set.

Chromatografische Verfahren finden in der Chemie, Biologie, Biochemie, Biotechnologie, Medizin und vergleichbaren Gebieten wegen ihrer Praktikabilität und hohen Auflösung weite Verbreitung für die Analytik und Präparation einer nahezu unübersehbaren Zahl von Substanzen.Chromatographic processes are used in chemistry, biology, biochemistry, biotechnology, Medicine and comparable fields because of its practicality and high resolution widespread use for analysis and preparation of an almost unmistakable number of Substances.

Um das Ergebnis einer Trennung beurteilen zu können, wird das Säuleneluat gewöhnlich durch einen Durchfluß-Detektor geleitet, so daß simultan mit der Durchführung der Stoff trennung das analytische Ergebnis vorliegt.The column eluate is usually used to assess the result of a separation passed through a flow detector so that simultaneous with the implementation of the substance the analytical result is available.

Die Grenzen dieser Detektionstechnik werden dann erreicht, wenn die zu analysierende Substanz in Lösungen vorkommt, in denen ihr analytisches Signal durch das anderer Substanzen überlagert wird. Die Auflösung durch den Detektor ist insbesondere dann unmöglich, wenn die Substanz nur in so geringen Konzentrationen vorkommt, daß sie nur mit Hilfe hochempfindlicher, meist indirekter Methoden, wie Nutzung der katalytischen Aktivität von Enzymen, Enzymimmunassays oder Radiommunassays nachgewiesen werden kann.The limits of this detection technique are reached when the one to be analyzed Substance occurs in solutions in which their analytical signal is different from that of others Substances is superimposed. The resolution by the detector is particularly then impossible if the substance only exists in such low concentrations that it only with the help of highly sensitive, mostly indirect methods, such as the use of catalytic Activity of enzymes, enzyme immunoassays or radio munassays can be detected can.

In diesen Fällen muß das Eluat fraktioniert aufgefangen und anschließend mit den Methoden der diskreten Analytik bezüglich eines oder mehrerer Parameter untersucht werden. Da sich mit zunehmender Anzahl von Fraktionen die Auflösung des analytischen Trennganges bzw. die Reinheit der präparativ gewonnenen Fraktionen erhöht, handelt es sich dann oft um Hunderte von Analysen, die zeit- und kostensparend durchgeführt werden müssen.In these cases, the eluate must be collected in fractions and then with the methods the discrete analytics are examined with regard to one or more parameters. That I with increasing number of fractions the resolution of the analytical separation or the purity of the preparatively obtained fractions is often increased Hundreds of analyzes that need to be done in a time and cost saving way.

Dann bieten sich auf der Verwendung von Mikrotitrationsplatten beruhende Analysen verfahren an, denn neben den bekannten leistungsfähigen Mehrkanalvertikalphotometern gibt es ein großes Spektrum von Geräten zur Probenvorbereitung einschließlich spezieller Dosiertechnik zum simultanen Übertragen von 96 Proben. Then analyzes based on the use of microtitration plates are available proceed, because in addition to the well-known powerful multi-channel vertical photometers there is a wide range of sample preparation equipment including special ones Dosing technology for the simultaneous transfer of 96 samples.

Es ist deshalb vorteilhaft, Mikrotitrationsplatten bereits als Primärgefäße in Fraktionssamm lern einzusetzen, zumal das Fassungsvermögen der einzelnen Kavitäten von normalerweise max. 250-300 µl durch Einstellen spezieller Probengefäße leicht auf bis zu 1 ml erhöht werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von im 8×12 Raster magazinierten Probengefäßen. Speziell bei analytischen Trennungen mit Fraktionsvolumen kleiner 300 µl ergeben sich bei zeitgesteuerten Fraktionssammlern Diskretisierungsfehler durch die Tropfenbildung am Schlauchende.It is therefore advantageous to use microtitration plates as primary vessels in the fraction collection learn to use, especially since the capacity of the individual cavities from normal Max. 250-300 µl slightly increased to 1 ml by setting special sample vessels can be. Another possibility is to use 8 × 12 grid magazined sample vessels. Especially for analytical separations with fraction volume Smaller than 300 µl results in discretization errors in time-controlled fraction collectors through the formation of drops at the end of the hose.

Die JP-A 2 4-2547 58 (A) schlägt zur exakten Volumenabgabe eine Kapillare am Schlauchende vor, über die entsprechend kleine Tröpfchen abgegeben werden. Dies setzt jedoch einen hohen Druck und ein schnelles elektromagnetisches Ventil, welches kontaminiert wird, oder aber ein "tintenstrahldruckerähnliches" Gebilde, welches ebenfalls kontaminiert wird, voraus.JP-A 2 4-2547 58 (A) suggests a capillary for exact volume delivery End of the hose through which small droplets are released. This sets however, high pressure and a fast electromagnetic valve that contaminates is, or an "inkjet printer-like" structure that is also contaminated, ahead.

Beide Vorrichtungen bedürfen aufwendiger Reinigungsschritte, sind empfindlich bzgl. der Partikelgrößen und verstopfen leicht, wenn Flüssigkeitsreste eintrocknen.Both devices require complex cleaning steps and are sensitive to the Particle sizes and clog easily when liquid residue dries up.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine sehr genaue Fraktionierung insbesondere von Mikrotitrationsplatten ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide a method and a device which is a very precise fractionation, in particular of microtitration plates enable.

Die Anforderungen, die hier beispielhaft für die analytische Trennung und Präparation mit chromatografischen Techniken ausgeführt worden sind, gelten in gleicher Weise für die Prozeßkontrolle unterschiedlichster Reaktoren.The requirements here are exemplary for the analytical separation and preparation with chromatographic techniques have been applied in the same way to the Process control of different reactors.

Erfindungsgemäß wird die Abtropfeinrichtung eines Fraktionssammlers nach Ablauf der von der Steuereinheit vorgegebenen Sammelzeit durch einen mit der Abtropfein richtung verbundenen Tropfentrenner kurzzeitig abgesenkt. Durch abruptes Abbremsen der abwärtigen Bewegung oder durch Oberflächenkontakt des sich bildenden Tropfens mit der in der Fraktion befindlichen Flüssigkeit löst sich der Tropfen von der Abtropf einrichtung. Ein Steuersignal zum sofortigen Anheben der Abtropfeinrichtung und Anfahren der nächsten Fraktion verhindert ein zufälliges Abtropfen während des Transports und sichert somit eine gleichmäßige Füllung aller Fraktionen.According to the invention, the drip-off device of a fraction collector becomes expired the collection time specified by the control unit by one with the drip drop separator connected to the direction briefly lowered. By abrupt braking the downward movement or through surface contact of the drop forming With the liquid in the fraction, the drop detaches from the drip Facility. A control signal to immediately raise the drip and start up the next fraction prevents accidental dripping during transport and thus ensures an even filling of all fractions.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is based on the following Description and the embodiments shown in the drawings explained.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 shows a block diagram of an inventive apparatus for performing the method according to the invention,

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tropfentrenners, Fig. 2 shows an embodiment of the droplet separator according to the invention,

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tropfentrenners. Fig. 3 shows another embodiment of the droplet separator according to the invention.

Entsprechend Fig. 1 besteht der erfindungsgemäße Fraktionssammler zur Beschickung von Sammeleinheiten, das sind insbesondere 96 im 8×12 Raster mit 9 mm Rasterabstand ange ordnete Probengefäße aus einem Probentisch (9), der neben den Sammeleinheiten (16) noch großvolumige Auffanggefäße (31) für die nicht zur Fraktionierung bestimmte Flüssig keit trägt; einem x-y-Antrieb (5, 6) für die mit dem Tropfentrenner (7) verbundene Abtropfeinrichtung (8), eine Tastatur (1), einem Display (3) und einem Steuerrechner (2). Des weiteren enthält der Fraktionssammler einen Vorratsbehälter (11), eine Förderein richtung (10), Positionsgeber (14, 15), Stromversorgung (13) sowie den mit dem Steuer rechner (2) verbundenen Hauptrechner (12).According to Fig. 1, the fraction collector according to the invention for loading collecting units, that is in particular 96 sample containers arranged in 8 × 12 grid with 9 mm grid spacing from a sample table ( 9 ) which, in addition to the collecting units ( 16 ), also has large-volume collecting containers ( 31 ) for the liquid not intended for fractionation; an xy drive ( 5 , 6 ) for the drip device ( 8 ) connected to the drop separator ( 7 ), a keyboard ( 1 ), a display ( 3 ) and a control computer ( 2 ). Furthermore, the fraction collector contains a storage container ( 11 ), a conveying device ( 10 ), position transmitter ( 14 , 15 ), power supply ( 13 ) and the main computer ( 12 ) connected to the control computer ( 2 ).

Zu Beginn der Fraktionierung befindet sich die Abtropfeinrichtung (8) über einem Auffang gefäß (31). Unmittelbar vor dem Anfahren einer neuen Position, unabhängig davon, ob es sich um eine der 96 Positionen der Sammeleinheiten (16) oder eines der Auffanggefäße (31) handelt, wird der Tropfentrenner (7) in Betrieb gesetzt und der sich bildende Tropfen abge trennt. Dadurch wird einerseits die bereits erwähnte Konstanz des Fraktionsvolumens garantiert und anderenseits das zufällige Abtropfen während des Transports verhindert.At the beginning of the fractionation, the draining device ( 8 ) is located above a collecting vessel ( 31 ). Immediately before moving to a new position, regardless of whether it is one of the 96 positions of the collecting units ( 16 ) or one of the collecting vessels ( 31 ), the drop separator ( 7 ) is put into operation and the drop that forms is separated. This guarantees, on the one hand, the constancy of the fraction volume already mentioned and, on the other hand, prevents accidental dripping during transport.

Es ist natürlich auch ein Verfahren zur Fraktionierung möglich, bei dem die Abtropfeinrichtung (8) und der Tropfentrenner (7) fest angeordnet werden und die Positionierung der Sammeleinheiten (16) auf einem beweglich angeordneten Probentisch (9) erfolgt.A fractionation process is of course also possible, in which the drip-off device ( 8 ) and the drop separator ( 7 ) are fixedly arranged and the positioning of the collecting units ( 16 ) takes place on a movably arranged sample table ( 9 ).

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abtrennung sich bildender Tropfen. Die Abtropfeinrichtung (8) wird hierbei aus Schlauch (18), Handgriff (17) und Spanneinrichtung (19) gebildet. Der Tropfentrenner (7) setzt sich aus Hebel (24), Lagerung (20), Feder (21), Gegenlager (22) und Zugmagnet (23) zusammen. Die über den Fördermechanismus (10) aus dem Vorratsbehälter (11) bereitgestellte Flüssigkeit wird von der Abtropfeinrichtung (8) an die darunter befindliche Fraktion weitergegeben. Nach Erhalt des entsprechenden Steuersignals zieht der Zugmagnet (23) den Hebel (24) magnetseitig nach oben. Fig. 2 shows an embodiment of the inventive apparatus for separating itself forming droplets. The draining device ( 8 ) is formed from a hose ( 18 ), handle ( 17 ) and tensioning device ( 19 ). The drop separator ( 7 ) is composed of a lever ( 24 ), bearing ( 20 ), spring ( 21 ), counter bearing ( 22 ) and pull magnet ( 23 ). The liquid made available from the storage container ( 11 ) via the conveying mechanism ( 10 ) is passed on by the drip-off device ( 8 ) to the fraction located below. After receiving the corresponding control signal, the pull magnet ( 23 ) pulls the lever ( 24 ) upwards on the magnet side.

Im Moment des Anschlages des Zugmagneten (23) wird die parallel stattfindende Abwärtsbewegung der Abtropfeinrichtung (8) abrupt gestoppt und der dort eventuell vorhandene Tropfen abgetrennt. Nach Freigabe des Zugmagneten durch die Steuereinheit stellt die Feder (29) die Ausgangslage wieder her. At the moment the pull magnet ( 23 ) stops, the parallel downward movement of the drip device ( 8 ) is stopped abruptly and any drops present there are separated. After the control unit has released the pull magnet, the spring ( 29 ) restores the starting position.

Die in der Fig. 2 dargestellte Einheit erlaubt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung. Dabei wird der Zugmagnet (23) so angesteuert, daß er kurz vor Beendigung des Abtropfens die Abtropfeinrichtung (8) so in die untere Endlage fährt, daß ein Kontakt des sich bildenden Tropfens mit der bereits gesammelten Flüssigkeit entsteht. Beim Abschalten des Zugmagneten (23) schnellt die Abtropfeinrichtung (8) nach oben.The unit shown in FIG. 2 allows a further embodiment according to the invention. The pull magnet ( 23 ) is actuated such that shortly before the dripping ends, the dripping device ( 8 ) moves into the lower end position in such a way that the droplet which forms forms a contact with the liquid which has already been collected. When the pull magnet ( 23 ) is switched off, the drip device ( 8 ) shoots up.

Der Resttropfen wird durch die Kohäsionskraft der Flüssigkeit von der Abtropfeinrichtung (8) getrennt.The residual drop is separated from the draining device ( 8 ) by the cohesive force of the liquid.

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung. Hierbei wird die Abtropfeinrichtung aus dem Schlauch (18), dem Handgriff (17), der Befestigungsschraube (25) mit dem Rastmechanismus (26) und der Spanneinrichtung (19) gebildet. Der Tropfentrenner (7) besteht aus dem Zugmagnet (23), dem Anker (27) und der Platte (30). Fig. 3 shows a further embodiment according to the invention. The draining device is formed from the hose ( 18 ), the handle ( 17 ), the fastening screw ( 25 ) with the locking mechanism ( 26 ) and the tensioning device ( 19 ). The drop separator ( 7 ) consists of the pull magnet ( 23 ), the armature ( 27 ) and the plate ( 30 ).

Hier wird das Abtrennen des sich bildenden Tropfens dadurch erreicht, daß der Anker (27) des Zugmagneten (23) die federnd gelagerte Platte (30) nach unten drückt. Das Abtrennen des sich bildenden Tropfens erfolgt beim Anschlag der federnden Platte (30) an dem Po sitionierwagen (28). Die Federn (29) drücken die Abtropfeinrichtung (8) nach dem Abschalten des Zugmagneten (23) sofort in die Ausgangslage zurück.Here the separation of the drop that is formed is achieved in that the armature ( 27 ) of the pull magnet ( 23 ) presses the spring-loaded plate ( 30 ) downward. The droplet that forms is separated when the resilient plate ( 30 ) stops on the po sitioning carriage ( 28 ). The springs ( 29 ) press the drip device ( 8 ) back into the starting position after the pulling magnet ( 23 ) has been switched off.

Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet ebenfalls die bereits in den Erläuterungen zu Fig. 2 beschriebene Tropfentrennung durch Kontakt mit der gesam melten Flüssigkeit.The device according to the invention shown in Fig. 3 also allows the drop separation by contact with the whole liquid already described in the explanations for Fig. 2.

Erfindungsgemäß läßt sich mit Hilfe der Befestigungsschraube (25) die Höhe der Abtropfeinrichtung (8) den genutzten Sammeleinheiten (16) und dem vorgesehenen Füll stand leicht anpassen. Mittels des Rastmechanismus (26) lassen sich Vorzugshöhen einstellen. Die zur Abtrennung der sich bildenden Tropfen notwendige Auf- und Abwärtsbewegung der Abtropfeinrichtung (8) läßt sich erfindungsgemäß auch durch einen Exenterantrieb realisieren.According to the invention, the height of the draining device ( 8 ), the collecting units ( 16 ) and the intended filling level can be easily adjusted using the fastening screw ( 25 ). Preferred heights can be set using the locking mechanism ( 26 ). The upward and downward movement of the drip device ( 8 ) necessary for separating the droplets that are formed can also be realized according to the invention by an eccentric drive.

Anstelle der in den Ausführungsbeispielen vorgesehenen Zugmagneten sind auch andere Stellelemente, wie z. B. piezoelektrische Elemente denkbar.Instead of the pull magnets provided in the exemplary embodiments, there are also others Controls such. B. piezoelectric elements conceivable.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die offenbarte Vorrichtung sind vorteilhaft zur genauen Fraktionierung einsetzbar. Dieser Vorteil kommt besonders dann zum Tragen, wenn kleinste Volumina zu fraktionieren sind, wie dies z. B. bei Mikrotitrationsplatten notwendig ist.The method according to the invention and the device disclosed are advantageous for exact fractionation can be used. This advantage comes into play especially when if the smallest volumes are to be fractionated, such as B. in microtitration plates necessary is.

BezugszeichenlisteReference list

1 Tastatur
2 Steuerrechner
3 Display
4 Steuereinheit
5 x-Antrieb
6 y-Antrieb
7 Tropfentrenner
8 Abtropfeinrichtung
9 Probentisch
10 Fördermechanismus
11 Vorratsbehälter
12 Hauptrechner
13 Stromversorgung
14 Positionsgeber y-Richtung
15 Positionsgeber x-Richtung
16 Sammeleinheit
17 Handgriff
18 Schlauch
19 Spanneinrichtung
20 Lagerung
21 Feder
22 Gegenlager
23 Zugmagnet
24 Hebel
25 Befestigungsschraube
26 Rastmechanismus
27 Anker
28 Positionierwagen
29 Federn
30 Platte
31 Auffanggefäß 1 keyboard
2 control computers
3 display
4 control unit
5 x drive
6 y drive
7 drop separators
8 drainer
9 sample table
10 conveyor mechanism
11 storage containers
12 main computer
13 Power supply
14 position encoder y-direction
15 position encoder x-direction
16 collection unit
17 handle
18 hose
19 tensioning device
20 storage
21 spring
22 counter bearing
23 pull magnet
24 levers
25 fastening screw
26 locking mechanism
27 anchors
28 positioning carriages
29 springs
30 plate
31 collecting vessel

Claims

1. A method for fractionating liquids, in which a liquid is fed via a conveying mechanism ( 10 ) to a positionable drip device ( 8 ) and, after a signal from a control unit ( 4 ), a quantity of liquid to at least one collecting unit ( 16 ) located on a sample table ( 9 ) ) is discharged, characterized in that at the end of the collection time provided for the formation of a fraction, a drop separator ( 7 ) realizes a vertical relative movement between the draining device ( 8 ) and the vessels located underneath and separates out forming drops.

2. The method according to claim 1, characterized in that the delivery of the drop formed by sudden braking of the downward movement of the drip device ( 8 ) and the drip device ( 8 ) is then moved back to the starting position.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the drip device ( 8 ) by the control unit ( 4 ) driven droplet separator ( 7 ) is moved down, thereby forming drops of surface contact with those in the collecting unit ( 16 ) Produces liquid and remains in the collecting unit ( 16 ) when the draining device ( 8 ) is lifted.

4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that microtitration plates are used as collecting units ( 16 ).

5. Device for fractionating liquids, preferably comprising a storage container ( 11 ) and a conveyor mechanism ( 10 ), a Abtropfein device ( 8 ), an at least one collecting unit ( 16 ) containing sample table ( 9 ) and a control unit ( 4 ) with a timer which determines the metered quantity, characterized in that a drop separator ( 7 ) is attached to the vertically guided drip device ( 8 ) in such a way that the drip device ( 8 ) is moved vertically by the drop separator ( 7 ) and the control unit ( 4th ) is connected to the drop separator ( 7 ).

6. The device according to claim 5, characterized in that the drop separator ( 7 ) with the positioning carriage ( 28 ) is fixedly connected, the drip device ( 8 ) with the plate ( 30 ) of the drop separator, the plate ( 30 ) by springs ( 29 ) is kept at a distance from a positioning carriage ( 28 ) and a pull magnet ( 23 ) moves the plate ( 30 ) and thus the drip device ( 8 ) when it is activated.

7. The device according to claim 5, characterized in that the drop separator ( 7 ) is designed as a lever, one side of which is connected to the draining device ( 8 ) and on the second side of which a tension magnet ( 23 ) working against a spring ( 21 ). is arranged, the draining device ( 8 ) moves vertically.

8. The device according to claim 5, characterized in that the drop separator ( 7 ) is constructed in the manner of a cam gear.

9. Apparatus according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the draining device ( 8 ) has a fixed stop which abruptly stops the downward movement of the draining device ( 8 ) and thus leads to the droplet separation.

10. The device according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the draining device ( 8 ) realizes a surface contact between the droplets forming and the collecting unit ( 16 ), which leads to the droplet separation.

11. The device according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the lowered drip device ( 8 ) realizes an upper surface contact between forming drops and in the collecting unit ( 16 ) be sensitive liquid, which leads to the drop separation.

12. The device according to at least one of claims 5 to 10, characterized in that the draining device ( 8 ) has a height adjustment relative to the sample table ( 9 ).

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the height adjustment is equipped with a latching device ( 26 ).