NL1033317C2

NL1033317C2 - Inrichting voor capillaire chromatografie en werkwijze voor het vervaardigen van zo een inrichting.

Info

Publication number: NL1033317C2
Application number: NL1033317A
Authority: NL
Inventors: Gert-Jan Burger; Anne Freerk De Jager; Harm Jan Van Weerden
Original assignee: C2V B V
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-08-04
Also published as: JP2010518373A; WO2008094030A1; US20080185342A1; CN101595385A; US8506801B2; EP2108122A1; EP2498090A1

Description

Inrichting voor capillaire chromatografie en werkwijze voor het vervaardigen van zo een inrichting 5 Terrein van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor capillaire chromatografie. De uitvinding betreft tevens een werkwijze voor het vervaardigen van een inrichting voor capillaire chromatografie.

10

Achtergrond van de uitvinding

Chromatografie is één van de oudste chemische analysemethoden waarbij een mengsel wordt gescheiden in afzonderlijke chemische componenten. Zo wordt het eenvoudiger om de chemische componenten in een mengsel kwalitatief en kwantitatief te bepalen. Bij 15 gaschromatografie wordt het mengsel door een kolom geleid middels een inert dragergas: de mobiele fase. De scheiding is gebaseerd op de differentiële interacties tussen de verschillende chemische componenten in de mobiele fase en een geïmmobiliseerde stationaire fase: een vloeibaar of vast materiaal waarmee de binnenwand van de kolom is bedekt of dat is aangebracht op een inert dragermateriaal in de kolom. De verblijftijd van 20 een chemische component in de kolom is een functie van de mate van interactie met de stationaire fase, het soort en de hoeveelheid stationaire fase, de lengte en diameter van de kolom, het type dragergas, de stroomsnelheid en de temperatuur. De verschillende chemische componenten zullen nu in beginsel op verschillende tijdstippen de kolom verlaten. Deze tijdstippen kunnen worden bepaald door de uitstroom van de kolom naar 25 een detector te leiden. De verschillende chemische componenten verschijnen dan als min of meer scherpe ‘pieken’ in de output van de detector: het chromatogram.

Bij gaschromatografie wordt doorgaans een capillaire kolom gebruikt, een dunne buis met een interne diameter variërend van ongeveer 0,1 tot 0,5 mm en een lengte variërend van 30 ongeveer 1 tot 150 meter. De meeste capillaire kolommen zijn gemaakt van fused silica met aan de buitenkant een beschermlaag van polyimide. Met dergelijke kolommen is een zeer goede scheiding met een hoge precisie en reproduceerbaarheid haalbaar. De capillaire 1033317 2 kolom wordt, in verband met haar grote lengte, voor gebruik ten minste deels opgerold. De kolom dient verwarmd te kunnen worden waarbij de temperatuur heel precies en bij voorkeur heel snel geregeld moet kunnen worden. Daartoe plaatst men de opgerolde kolom doorgaans in een oven waarvan de temperatuur heel nauwkeurig geregeld kan worden. Zo 5 kan men de kolom gelijkmatig en heel precies op een bepaalde gewenste temperatuur brengen. Het variëren van de temperatuur kan echter slechts relatief traag geschieden omdat de thermische massa van de oven relatief groot is.

Sinds enkele tientallen jaren zijn er ook geminiaturiseerde gaschromatografen welke 10 worden vervaardigd gebruik makend van microstructurele technologie waarbij de kolom is uitgeëtst in een geschikt materiaal, bijvoorbeeld WO 2006/042727. Door miniaturisatie en integratie van bijvoorbeeld kolom, injector en detector kunnen dode volumes geminimaliseerd worden. De kostprijs van het hele systeem kan lager zijn. Verder zijn de afmetingen, het gewicht en het energieverbruik van dergelijke microsystemen relatief klein 15 waarmee ze draagbaar kunnen worden uitgevoerd en flexibeler op locatie kunnen worden ingezet. Daarbij kunnen de benodigde verwarmingselementen geïntegreerd worden vervaardigd en kan de temperatuur van de kolom relatief snel geregeld worden vanwege de relatief kleine thermische massa’s. In de praktijk blijkt echter dat de precisie en reproduceerbaarheid van dergelijke geëtste kolommen nog veel te wensen overlaten. 20 Bovendien blijkt het lastig om de kolom gelijkmatig te verwarmen daar er geredelijk moeilijk controleerbare en ongewenste temperatuurgradiënten ontstaan.

Er bestaat derhalve behoefte aan een systeem voor capillaire chromatografie dat zoveel mogelijk zowel de voordelen van geminiaturiseerde en geïntegreerde gaschromatografen 25 kent als ook de voordelen van het gebruik van een meer gangbare fused silica capillaire kolom, waarbij de kolom gelijkmatig, snel en nauwkeurig kan worden verwarmd. Doel van de uitvinding is te voorzien in die behoefte 30 Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding verschaft daartoe een inrichting voor capillaire chromatografie omvattende ten minste één eerste opneemruimte geschikt voor het ten minste deels en ten minste in 3 hoofdzaak nauw passend opnemen van ten minste één ten minste deels opgerolde capillaire kolom. Met ‘nauw passend’ wordt hier en in het navolgende bedoeld dat de kolom ten minste aan een aantal zijden in hoofdzaak aanligt tegen, althans relatief dicht aansluit op, wanden van de eerste opneemruimte. De afmetingen van de eerste opneemruimte kunnen 5 dan minimaal zijn zodat de inrichting compact kan zijn en de betrokken thermische massa’s klein. Ook kunnen er meerdere eerste opneemruimtes zijn en meerdere kolommen, bijvoorbeeld, zoals bij een inrichting met een backflush voorziening, een analytische kolom en een backflush kolom. Daarbij omvat de inrichting bij voorkeur tevens ten minste één tweede opneemruimte voor het ten minste deels opnemen van ten minste één niet-10 opgerold deel, in het bijzonder een einddeel, van de capillaire kolom. Zo kunnen ook de niet-opgerolde uiteinden van de kolom worden opgenomen en op hun plaats gehouden.

De opneemruimtes kunnen ten minste deels zijn aangebracht in een printplaat. Onder ‘printplaat’ wordt hier en in het navolgende verstaan een ‘PCB’ (Printed Circuit Board) in 15 al zijn uitvoeringsvormen: al dan niet gelamineerd; met één of meer metaallagen; met als basismateriaal bijvoorbeeld vezelversterkte epoxyhars, polyimide of een keramisch materiaal; gebruik makend van bijvoorbeeld zeefdrukken of fotolithografie voor het realiseren van het elektrisch circuit, en ‘through-hole’ of‘surface-mount’ technieken voor het aanbrengen en aansluiten van de elektrische of elektronische componenten, MCM’s 20 (Multi-chip Modules) of Hybrids (Hybrid Integrated Circuits). Het gebruik van een printplaat heeft belangrijke voordelen. Op de printplaat kunnen met bekende technologie de benodigde elektrische of elektronische componenten, bijvoorbeeld voor voeding, communicatie, of besturing, worden aangebracht, maar ook andere componenten, bijvoorbeeld een chip met fluïdische functies of verwarmingsmiddelen om de kolom en de 25 chip te verwarmen. Tevens kan met voordeel gebruik worden gemaakt van bijvoorbeeld gangbare flip-chip technologie of het gebruik van pakkingen als afdichtingen om aldus fluïdische, elektrische en mechanische functies en verbindingen te realiseren.

De opneemruimtes kunnen worden aangebracht middels frezen. Dat is een 30 bewerkingstechniek die alom beschikbaar is en bijvoorbeeld bij de vervaardiging van printplaten veel wordt toegepast. Daarmee kunnen relatief eenvoudig holtes enzovoorts worden aangebracht in de drager of printplaat.

4

Bij voorkeur omvat de inrichting tevens een chip met een flui'dische functie aangebracht op de drager. Deze chip kan bijvoorbeeld een injector en een detector omvatten. Zo kan een hoge integratie worden bewerkstelligd. Bij voorkeur omvat de inrichting tevens eerste 5 verwarmingsmiddelen voor het verwarmen van de capillaire kolom en tweede verwarmingsmiddelen voor het verwannen van de chip. Door de verwarmingselementen aan te brengen op de drager, bijvoorbeeld direct op de printplaat, dicht in de buurt van de opneemruimtes, bijvoorbeeld aan beide zijden van de kolom, of dicht bij de chip, kunnen de kolom en chip snel en gelijkmatig worden verwarmd. Daarbij wordt bij voorkeur ten 10 minste één opneemruimte ten minste gedeeltelijk opgevuld met een thermisch geleidend materiaal. Zo kan bijvoorbeeld de temperatuur van de kolom sneller worden geregeld en kunnen ongewenste temperatuurgradiënten worden geminimaliseerd. Ook kan de inrichting uitsparingen omvatten welke dienst doen als thermische isolator, bijvoorbeeld in de vorm van gleuven of groeven gefreesd in een printplaat. Zo kunnen gewenste 15 temperatuurverschillen, bijvoorbeeld tussen de kolom en de chip met de injector en detector, sneller en beter worden gerealiseerd en in stand gehouden.

Bij voorkeur wordt de inrichting ten minste deels omhuld door een omhulsel, bijvoorbeeld door haar in te gieten in een geschikte kunststof. Het omhulsel kan naast bescherming 20 tevens als extra thermische isolatie tussen de inrichting en de omgeving dienen. Bij voorkeur wordt de inrichting voorzien van mechanische, fluïdische en/of elektrische koppelmiddelen middels welke koppelmiddelen het geheel als uitwisselbare cartridge kan worden gekoppeld met een toestel voor chemische analyse. Zo kan het, bijvoorbeeld vooraf geteste en gekalibreerde, geheel van injector(en), kolom(men), detector(en), 25 verwarmingsmiddelen en eventueel andere componenten als cartridge worden vervangen, in plaats van bijvoorbeeld alleen de kolom.

Korte beschrijving van de figuren 30 De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van niet-beperkende uitvoeringsvoorbeelden van een inrichting en een werkwijze volgens de uitvinding.

Daarin toont: 5 - figuur la een bovenaanzicht op een inrichting volgens de uitvinding; - figuur lb een onderaanzicht op de inrichting; - figuur lc een gedeeltelijke doorsnede van de inrichting langs het vlak A-A aangegeven in figuur la, 5 - figuur 2 een gedeeltelijk opengewerkt perspectivisch aanzicht op de inrichting; en - figuur 3 een perspectivisch aanzicht op de inrichting opgenomen in een behuizing.

Uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding 10 De in de figuren weergegeven inrichting (1) omvat een printplaat (2) waarop aangebracht een silicium chip (3) omvattende een injector, detector en temperatuursensor, en voorzien van elektrische aansluitingen (4). In de printplaat (2) is een eerste opneemruimte (5) uitgefreesd waarin het opgerolde deel (8) van een capillaire kolom is opgenomen. De beide niet-opgerolde uiteinden (9,10) zijn opgenomen in twee tweede opneemruimtes (6,7) welke 15 ook uitgefreesd zijn in de printplaat (2) en aan de bovenkant open zijn. Bij het vervaardigen van de inrichting (1) kan men bijvoorbeeld als volgt te werk gaan. Het eerste uiteinde (9) wordt vanuit de eerste opneemruimte (5) door een daartoe voorziene opening (11) gewerkt en van bovenaf in de eerste tweede opneemruimte (6) gelegd waar een aansluiting kan worden gemaakt bijvoorbeeld met een daartoe voorzien eerste buisdeel 20 (12). Vervolgens wordt de kolom vanuit het midden (14) in de eerste opneemruimte (5) gewerkt en daarin opgerold. Daarna wordt het tweede uiteinde (10) van bovenaf in de tweede tweede opneemruimte (7) gelegd waar een aansluiting kan worden gemaakt bijvoorbeeld met een daartoe voorzien tweede buisdeel (13).

25 Op de printplaat (2) zijn zowel aan de bovenkant (16) als aan de onderkant (17) eerste verwarmingsmiddelen (18) aangebracht, in dit voorbeeld geleidersporen voor resistieve verwarming van het opgerolde deel (8) van de kolom. De eerste opneemruimte (5) kan ten minste gedeeltelijk worden opgevuld met een thermisch geleidend materiaal (niet getoond) waardoor de temperatuur van het opgerolde deel (8) van de kolom nog sneller kan worden 30 geregeld en ongewenste temperatuurgradiënten nog verder kunnen worden geminimaliseerd. De printplaat (2) is tevens voorzien van een temperatuursensor (15) en een aantal in de printplaat (2) uitgefreesde sleuven (19) welke dienst doen als thermische 6 isolator tussen het gedeelte (20) met de silicium chip (3) en het gedeelte (21) met het opgerolde deel (8) van de kolom. De silicium chip (3) wordt verwarmd middels daartoe voorziene tweede verwarmingsmiddelen (22).

5 De inrichting (1) kan worden omhuld door een beschermend omhulsel (niet getoond) dat tevens dienst kan doen als thermische isolatie, bijvoorbeeld door de inrichting in te gieten in een daarvoor geschikte kunststof. De inrichting (1) kan een, bijvoorbeeld vooraf geteste en gekalibreerde, uitwisselbare cartridge vormen. In het gegeven uitvoeringsvoorbeeld wordt de inrichting (1) in een daartoe voorziene behuizing (23) geplaatst waarna dit geheel 10 als module kan worden ingebouwd in een toestel voor chemische analyse c.q. een gaschromatograaf.

Met een dergelijke inrichting en werkwijze kan nu zoveel mogelijk worden geprofiteerd van zowel de voordelen van geminiaturiseerde en geïntegreerde gaschromatografen 15 (minimale dode volumes; integratiemogelijkheden; kleine thermische massa’s en snelle temperatuurregeling; lage kostprijs; kleine afmetingen, gewicht en energieverbruik; draagbaar en flexibel inzetbaar) als ook van de voordelen van het gebruik van een gangbare fused silica capillaire kolom (zeer goede scheiding; hoge precisie en reproduceerbaarheid). Daarbij kan de kolom gelijkmatig, snel en nauwkeurig worden 20 verwarmd.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de gegeven uitvoeringsvoorbeelden, maar dat binnen het kader van de uitvinding allerlei varianten mogelijk zijn. Zo kan de eerste opneemruimte bijvoorbeeld ook deels worden uitgefreesd 25 in de drager c.q. printplaat en deels in een apart stuk materiaal, waarna het aparte stuk materiaal op de drager c.q. printplaat wordt bevestigd om zo een complete eerste opneemruimte te vormen.

f033317

Claims

1. Inrichting voor capillaire chromatografie omvattende ten minste één eerste opneemruimte aangebracht in een daartoe voorziene drager en geschikt voor het ten 5 minste deels en ten minste in hoofdzaak nauw passend opnemen van ten minste één ten minste deels opgerolde capillaire kolom.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting tevens ten minste één tweede opneemruimte aangebracht in de drager en geschikt voor het ten minste deels opnemen van ten minste één niet-opgerold deel, in het bijzonder een einddeel, 10 van de capillaire kolom, omvat.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de drager een printplaat omvat.

4. Inrichting volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de inrichting tevens ten minste één chip met een fluïdische functie en aangebracht op de drager, omvat.

5. Inrichting volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de inrichting tevens ten minste één elektronische component aangebracht op de drager, omvat.

6. Inrichting volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de inrichting tevens eerste verwarmingsmiddelen voor het verwarmen van ten minste een deel van de capillaire kolom en aangebracht op de drager, omvat.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de eerste verwarmingsmiddelen zijn aangebracht aan twee tegenover elkaar gelegen zijden van de eerste opneemruimte.

8. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de inrichting tevens tweede verwarmingsmiddelen voor het verwarmen van ten minste een deel van de chip en aangebracht op de drager, omvat.

9. Inrichting volgens een der conclusies 1-8, met het kenmerk, dat ten minste één opneemruimte ten minste gedeeltelijk is opgevuld met een thermisch geleidend materiaal.

10. Inrichting volgens een der conclusies 1-9, met het kenmerk, dat de inrichting ten minste één uitsparing dienst doende als thermische isolator en aangebracht in de 30 drager, omvat.

11. Inrichting volgens een der conclusies 1-10, met het kenmerk, dat de inrichting ten minste deels wordt omhuld door een omhulsel. 1033317 g

12. Inrichting volgens een der conclusies 1-11, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van ten minste één van de verzameling mechanische, fluïdische en elektrische koppelmiddelen middels welke koppelmiddelen de inrichting als uitwisselbare cartridge kan worden gekoppeld met een toestel voor chemische analyse. 5

13. Werkwijze voor het vervaardigen van een inrichting voor capillaire chromatografie omvattende het in een daartoe voorziene drager aanbrengen van ten minste één eerste opneemruimte geschikt voor het ten minste deels en ten minste in hoofdzaak nauw passend opnemen van ten minste één ten minste deels opgerolde capillaire kolom.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het in de drager aanbrengen van ten minste één tweede opneemruimte voor het ten minste deels opnemen van ten minste één niet-opgerold deel, in het bijzonder een einddeel, van de capillaire kolom, omvat

15. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk, dat voor de drager een 15 printplaat wordt genomen.

16. Werkwijze volgens een der conclusies 13-15, met het kenmerk, dat ten minste één opneemruimte ten minste deels wordt aangebracht middels frezen.

17. Werkwijze volgens een der conclusies 13-16, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het op de drager aanbrengen van ten minste één chip met een fluïdische functie, 20 omvat.

18. Werkwijze volgens een der conclusies 13-17, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het op de drager aanbrengen van ten minste één elektronische component, omvat.

19. Werkwijze volgens een der conclusies 13-18, met het kenmerk, dat de werkwijze 25 tevens het op de drager aanbrengen van eerste verwarmingsmiddelen voor het verwarmen van ten minste een deel van de capillaire kolom, omvat.

20. Werkwijze volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de verwarmingsmiddelen worden aangebracht aan twee tegenover elkaar gelegen zijden van de eerste opneemruimte.

21. Werkwijze volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het op de drager aanbrengen van tweede verwarmingsmiddelen voor het verwarmen van ten minste een deel van de chip, omvat.

22. Werkwijze volgens een der conclusies 13-21 met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het ten minste gedeeltelijk opvullen van ten minste één opneemruimte met een thermisch geleidend materiaal, omvat.

23. Werkwijze volgens een der conclusies 13-22, met het kenmerk, dat de werkwijze 5 tevens het aanbrengen in de drager van ten minste één uitsparing dienst doende als thermische isolator, omvat.

24. Werkwijze volgens een der conclusies 13-23, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het omhullen van ten minste een deel van de inrichting met een omhulsel, omvat.

25. Werkwijze volgens een der conclusies 13-24, met het kenmerk, dat de werkwijze tevens het voorzien van de inrichting van ten minste één van de verzameling mechanische, fiuïdische en elektrische koppelmiddelen, omvat middels welke koppelmiddelen de inrichting als uitwisselbare cartridge kan worden gekoppeld met een toestel voor chemische analyse. 15 1033317