PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69424332T2 14.12.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0615126
Titel Lösungsmittelpumpsystem
Anmelder Waters Investments Ltd., Wilmington, Del., US
Erfinder Dourdeville, Theodore A., Marian, US;
Carson, William W., Hopkinton, US
Vertreter Henkel, Feiler & Hänzel, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69424332
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.03.1994
EP-Aktenzeichen 941033003
EP-Offenlegungsdatum 14.09.1994
EP date of grant 10.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2000
IPC-Hauptklasse G01N 30/36
IPC-Nebenklasse F04B 49/00   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Pumpsysteme, insbesondere auf Systeme, die bei Flüssigchromatographie-Trennungen und -Analysen verwendet werden. Diese Erfindung betrifft speziell das Bereitstellen von Flüssigchromatographiesystemen mit einer Lösemittel- Aufspürfähigkeit (solvent sourcing capability) hoher Zuverlässigkeit und hoher Genauigkeit, und mit der Fähigkeit, zeitlich variierende Zusammensetzungen von Lösemitteln mit hoher Wiedergabetreue der vom Benutzer angeforderten Werte, mit minimaler Förderverzögerungszeit und minimalem Verzögerungsvolumen selbst bei Strömungsraten von einem Mikroliter pro Minute oder weniger bereitzustellen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Praxis der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (high-performance liquid chromatography HPLC) erfordert im allgemeinen, daß die Molekularart, die zu trennen oder zu analysieren ist, in einer Flüssigkeit (der mobilen Phase) gelöst wird und von dieser Flüssigkeit durch ein stationäres Säulenbett gefördert wird, welches dicht gepackte Partikel oder eine Membran oder einen anderen Matrixträger umfaßt, der stationäre Phase genannt wird. Die stationäre Phase präsentiert einen großen Oberflächenbereich, der in engem Kontakt mit der mobilen Phase ist. In der mobilen Phase gelöste Mischungen von Analytverbindungen können während des Durchgangs durch die Säule durch Adsorptions- oder Retentionsprozesse getrennt werden, welche differentiell auf die verschiedenen zu analysierenden Spezien wirken. Die differentielle Retention bewirkt, daß die zu analysierenden Stoffe von der Säule in einer sowohl zeitlich aufgelösten als auch im Volumen aufgelösten Art und Weise eluieren. Die eluierenden Analytstoffe werden typischerweise durch einen On-line-Detektor geschickt, wo eine quantitative und/oder qualitative Prüfung der zu analysierenden Stoffe vorgenommen wird. Zusätzlich können bei einer vorbereitenden Chromatographie die zeitlich und volumenmäßig aufgelösten Proben als unterschiedliche Fraktionen gesammelt werden und einem nachfolgenden Prozeß zur weiteren Nutzung übergeben werden.

Das Eluierungsverhalten von Analytmolekülen ist eine Funktion der Charakteristika sowohl der stationären als auch der mobilen Phase. Bis zu dem Grad, daß die Eigenschaften der stationären Phase im wesentlichen über die gesamte Analyse hinweg fest bleiben, ist dabei eine Variation im Eluierungsverhalten in erster Linie das Ergebnis einer Variation bei den Eigenschaften der mobilen Phase. Bei dem isokratischen Modus der Chromotographie bleibt die Lösemittelzusammensetzung im wesentlichen konstant als eine Funktion der Zeit, und die Analyte in der Probe neigen zum Eluieren, wenn ein vorgeschriebenes Volumen der mobilen Phase in die Säule übergetreten ist. Bei dem Chromatographie- Gradientenmodus wird gefordert, daß die Lösemittelzusammensetzung sich als eine Funktion der Zeit ändert, wobei ein vom Benutzer definiertes Profil verfolgt wird; in diesem Modus eluieren die zu analysierenden Stoffe sowohl in Reaktion auf die Zusammensetzung des geförderten Lösungsmittels als auch auf das gesamte oder integrierte Volumen des geförderten Lösungsmittels. Es versteht sich ferner, daß das oben präsentierte Modell ein stark vereinfachtes ist, und daß komplexere Modi einschließlich Mehrfachmodi an Interaktion zwischen der Analyt-Spezies und den stationären und mobilen Phasen geben kann, die ein Verhalten zur Folge haben, das von diesem einfachen Modell abweicht.

Angesichts der obigen Ausführungen sind die Anforderungen, die an HPLC-Lösemittelfördersysteme gestellt werden, streng. HPLC-Pumpen sind typischerweise erforderlich, um Lösemittel unter Drücken zu fördern, die von mehreren Pounds pro Square-Inch bis zu 10.000 Pounds pro Square-Inch reichen können. Über diesen Bereich von Förderdrücken hinweg wird von HPLC-Pumpen erwartet, daß sie das Lösemittel der mobilen Phase mit genau gesteuerten Strömungsraten in einer reibungslosen und gleichmäßigen Art und Weise austragen. Im Fall der Gradienten-Chromatographie oder im Fall isokratischer Chromatographie, bei der eine feststehende Lösemittelzusammensetzung in Realzeit während der Trennung gemischt wird, besteht die zusätzliche Anforderung, daß die Zusammensetzung der mobilen Phase ebenso wie die Strömungsrate während der Förderung präzise und genau gesteuert werden, trotz der Tatsache, daß sich der System- Betriebsdruck während der Trennung sehr stark ändern kann und daß die Komprimierbarkeiten der konstituierenden Lösemittel für die mobile Phase sehr unterschiedlich sein können.

Brownlee lehrt im US-Patent Nr. 4 347 131 die Verwendung einer Pumpe mit einer einzelnen Spritze für jede Lösemittelzusammensetzung, wobei jede Spritze ein Volumen aufweist, das groß genug ist (typischerweise 10 bis 40 Milliliter Innenvolumen), damit eine gesamte Analyse in einer Zylinder-Fördereinheit ausgeführt werden kann. Das gesamte Volumen wird gleichzeitig druckbeaufschlagt und für die Dauer der Trennung On-line gehalten, wobei Vielkomponenten- Lösemittel an der Hochdruck- oder Auslaßseite zweier oder mehrerer solcher Pumpen gemischt werden. Die bei Brownlee offenbarte Implementierung leidet jedoch unter den Wirkungen differentieller hydraulischer Kapazität, denen das System zur Laufzeit ausgesetzt ist, ebenso wie unter Übergangswirkungen, die mit dem diskontinuierlichen oder Stop-/Start- Betriebsmodus dieser Spritzen zu tun haben.

Die unerwünschten Wirkungen hydraulischer Kapazität leiten sich von der Tatsache ab, daß während der Gradienten- Chromatographie, wenn sich die Zusammensetzung der Lösemittel ändert, sich die Lösemittelviskosität typischerweise ebenfalls ändert. Damit die Strömungsrate der Säule konstant bleibt, muß der System-Betriebsdruck in Reaktion auf die sich verändernde Viskosität geändert werden.

Die verschiedenen zur Ausführung der Gradienten- Chromatographie verwendeten Lösemittel unterscheiden sich stark in ihren Komprimierbarkeiten. Wenn zwei oder mehrere größere eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen mit unterschiedlichen Komprimierbarkeiten einem sich ändernden Hydraulikdruck unterworfen sind, komprimieren oder entspannen sie sich in verschiedenem Maße. Brownlee offenbart keine Einrichtung zum Sicherstellen, daß das Lösemittelvolumen, das dem HPLC-System unter Gradientenbedingungen zugeführt wird, genau der Spritzenverschiebung folgt; stattdessen wird das bei Brownlee offenbarte System um einen Fehler um den Kompressions- bzw. Entspannungsbetrag, der in den jeweiligen kaptiven Flüssigkeitsvolumen auftritt, behaftet sein. Darüber hinaus gibt es keine Garantie, daß das Flüssigkeitsvolumen in der Brownlee-Spritze ausreicht, um die Trennung durchzuführen.

Das Dokument US 4 681 513 offenbart eine genau steuerbare, zweistufige Pumpenanordnung mit zwei in Reihe verbundenen Kolbenpumpen. Eine konstante Strömungsrate wird durch Variieren der Geschwindigkeit des Pumpensystems unter Verwendung ausgeklügelter Hubperiodengleichungen erzielt. Diese Vorrichtung erfordert jedoch ein sehr kompliziertes Pumpensteuer-Motorsystem.

Das Dokument US 5 108 264 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur merklichen Verbesserung der Leistung einer Reziprokbewegungspumpe durch Fördern des Pumpfluids mit einem gewünschten Druck und einer Strömungsrate mit minimalen Strömungsfluktuationen. Die Komprimierbarkeit des Pumpfluids beeinflußt direkt die volumetrische Strömungsrate und die Massenströmungsrate. Das Verfahren umfaßt den Schritt des Abfühlens verschiedener Pumpenparameter, die mit der Komprimierbarkeit zu tun haben, und das Einstellen der Pumpgeschwindigkeit, um geeignete Vorkehrungen zu treffen. Insbesondere ist die Komprimierbarkeit des Pumpfluids durch die adiabatische Erwärmung des Pumpfluids während der Komprimierung, Variationen in der Pumpfluiddichte, Leckstellen in den Steuerventilen der Zylinder- /Kolbendichtungen und die primären und sekundären Schaltverluste in der Fluidströmung, die auftreten, wenn die primären und sekundären Kolben ihre Richtung umkehren, beeinflußt.

Die Steuerung der Pumpengeschwindigkeit bei dieser Vorrichtung ist daher noch komplizierter als bei dem vorhergehenden Dokument.

Trisciani et al. (US-Patent Nr. 4 980 296) lehren die Verwendung eines "Kühlbahnzyklus" ("learing cycle"), der die hydraulische Kapazität vor der Laufzeit festlegt und die Daten in einem Speicher abspeichert, um zu versuchen, diese Auswirkungen bei Spritzenpumpen zu versetzen. Die Schwäche dieses Ansatzes liegt darin, daß eine Volumenkorrektur nur "im Nachhinein" ("after the fact") als Reaktion auf eine Änderung des Systemdrucks ausgeführt werden kann, was in der Praxis bedeutet, daß die Korrektur immer die der Säule zugeführte, beabsichtigte Zusammensetzung verzögert.

Die großen Fehler, die mit der Komprimierung oder Entspannung großer Fluidvolumen zusammenhängen, können durch die Verwendung kleinvolumiger Spritzenpumpen, welche mehrere Spritzenhübe anwenden, um Lösemittel im Verlauf einer chromatographischen Trennung zu fördern, minimiert werden. Diese Pumpen leiden jedoch unter Strömungsstörungen im Zusammenhang mit dem Übergang der Fluidförderung von einem Spritzenzyklus zum nächsten, wobei dieses Übergangsintervall Spritzen- oder Kolbenüberkreuzung (syringe or piston crossover) genannt wird.

Likuski et al. (US-Patent 4 919 595) verwenden ebenfalls eine einzelne Spritze mit einem Hochgeschwindigkeits- Nachfüllzyklus, um den Zeitraum, in dem kein Fluid gefördert wird, zu minimieren. Likuski et al. lehren die Verwendung des des internen Druckanstiegsgradienten der Spritze, um das Einsetzen des nächsten Fluidförderzyklus zu detektieren. Der Controller fördert danach mehr, um in etwa das Strömungsdefizit auszugleichen, wonach die Spritzengeschwindigkeit auf den Normalwert zurückkehrt. Dieser Ansatz minimiert zwar die Zeitspanne, in der kein Fluid von der Spritze geliefert wird, und reduziert den durchschnittlichen Strömungsratenfehler, es kommt jedoch nach wie vor an der Überkreuzung zu erheblichen Systemströmungs- und Druckstörungen.

Barlow et al. (US-Patent Nr. 4 980 059) lehren die Verwendung eines einzelnen Motors, um mehrere Spritzpumpen mit sich überlappenden Förderhüben anzutreiben, um eine diskontinuierliche Strömung zu vermeiden. Wenn eine im wesentlichen konstante Förderrate durch eine einzelne Spritze aufrechterhalten wird, kommt es zu einer signifikanten Zunahme in der Strömung, wenn eine zusätzliche Spritze ihre Förderung beginnt. Barlow lehrt eine Reduktion der Spritzenantriebsgeschwindigkeit, während eine zusätzliche Spritze fördert. Die Steueranordnung überwacht die Förderdruckstörung und stellt den Augenblick der Änderung der Spritzen-Antriebsgeschwindigkeit beim nachfolgenden Hub vor oder zurück. Dies resultiert immer noch darin, daß vor einer korrektiven Antwort Systemströmung und -druck gestört werden.

Ein aufstrebender Bereich der chromatographischen Trennung und Analyse ist die Entwicklung hinsichtlich der Verwendung von Trennsäulen mit extrem enger Bohrung. Solche Säulen sind Kapillarsäulen genannt worden, wobei dieser Name sich von dem Innendurchmesser der Trennsäule ableitet, die typischerweise im Bereich von 0,005 mm bis 0,500 mm Innendurchmesser liegt. Solche Säulen können mit einem speziellen Packungsmaterial gepackt sein, oder es wird im Bereich des kleinsten Durchmessers die Säulenwand selbst oder eine auf diese Wand aufgebrachte Beschichtung als stationäre Phase verwendet. Strömungsraten der mobilen Phase für mit Teilchen gepackte Kapillarsäulen mit Innendurchmessern von 0,0925 mm bis 0,500 mm können sich typischerweise von 1 Nanoliter pro Minute bis 10 oder mehr Mikroliter pro Minute erstrecken. Diese Zahlen stellen eine etwa tausendfache Verringerung in der Strömungsrate (und daher im Volumen der Trennung) gegenüber den augenblicklich praktizierten dar, beispielsweise den derzeit im Handel weit verbreiteten Säulen mit 4 mm Innendurchmesser. HPLC-Systeme, die um Kapillarsäulen herum gestaltet sind, weisen eine besondere Nützlichkeit auf, wenn die HPLC-Trennung mit einem nachgeschalteten Prozeß gekoppelt werden soll, der nicht ohne weiteres große Beträge der mobilen HPLC-Phase toleriert. Beispiele solcher Prozesse sind: (1) Massenspektrometrie, welche erfordert, daß die Probe in der Gasphase vor der Massenanalyse unter Hochvakuumbedingungen verbleibt, (2) Infrarot-Spektroskopie, bei der für HPLC verwendete organische Lösemittel eliminiert werden müssen, da sie eine Störung bei der Analyterfassung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums darstellen, und (3) Mikrofraktionsabscheidung (micro-fraction collection), die erfordert, daß der Analyt in einem kleinen Volumen auf ein Abscheidesubstrat aufgebracht wird, mit einer minimalen begleitenden Hintergrundkontamination von der mobilen HPLC- Phase.

Für die Präzision und Genauigkeit der Lösemittelzusammensetzung und der geförderten Strömungsrate bestehen im wesentlichen dieselben Anforderungen wie bei einer Chromatographie größeren Ausmaßes, aber die Mechanismen zur Steuerung der Förderung müssen nun auf einem Tausendstel des Volumenmaßes funktionieren. Insbesondere die nicht idealen Bedingungen einer gegebenen Implementierung, die bei einem viel größeren volumetrischen Maß ausgeschaltet werden könnten, geben Anlaß zu übermäßig starken Störungen bei einem System auf dem Maßstab kapillarer HPLC. Bisher hat der Stand der Technik die Probleme einer kontinuierlichen, reibungslosen Strömung in den Maßstäben eines Kapillarsystems ungenügend aufgegriffen.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, die oben dargestellten Einschränkungen und Probleme zu überwinden, indem dafür gesorgt wird, daß die Lösemittel- Kompressionsphase der HPLC-Pumpenförderung voll von der Lösemittel-Förderphase isoliert wird, so daß eine Komprimierung des Lösemittels von im wesentlichen atmosphärischem Druck auf einen System-Betriebsdruck oder auf einen Wert, der eine Funktion des System-Betriebsdrucks ist, keine Druck- oder Strömungsfehler in das chromatographische Verfahren einführt. Die Aufspaltung dieser Phasen des Pumpenbetriebs in eine Offline-Lösemittelkomprimierung und eine Online-Lösemittelförderung wird erzielt durch Anwendung einer Mehrkolbenpumpe mit vollkommen unabhängigen Betätigungsmitteln für jeden Kolben, und durch die Verwendung einer Druck-Erfassungseinrichtung, welche den Kompressionsvorgang überwachen und der Steuereinrichtung anzeigen kann, wann genau der Systemdruck (oder ein Wert, der eine Funktion davon ist) erreicht worden ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, während des Übergangs von der Offline-Lösemitteldruckphase zur Online- Lösemittelförderphase auftretende volumetrische Fehler durch Verwendung einer Zylinder-Ventileinrichtung zu vermeiden, deren Betätigung das Systemvolumen nicht wesentlich ändert.

Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, bei dem Chromatographieprozeß infolge einer Fehlanpassung des Drucks zwischen dem Offline- und dem Online-Zylinder zur Zeit des Überkreuzungsübergangs auftretende volumetrische Fehler, die sich aus einer Relativverschiebung bei den Zylinderdrucksensor-Ausgabewerten ergeben, durch die Anwendung eines Inter-Kalibrierungsprozesses während des Intervalls, in dem sich die zwei oder mehreren Zylinderdrucksensoren in hydraulischer Kontinuität befinden, zu vermeiden.

Die vorstehenden Aufgaben werden durch ein Fluid- Pumpsystem zum Fördern von Fluid von einem Lösemittelreservoir zu einem Aufnahmesystem mit einer gewählten Strömungsrate gelöst, mit:

einem eine erste Pumpeinheit und eine zweite Pumpeinheit aufweisenden Pumpmechanismus, wobei die erste Pumpeinheit und die zweite Pumpeinheit so angeordnet sind, daß sie das Fluid kontinuierlich von dem Lösemittelreservoir zu dem Aufnahmesystem fördern, und sowohl die erste Pumpeinheit als auch die zweite Pumpeinheit umfassen:

eine Spritze mit einer Eingangsöffnung, einer Ausgangsöffnung und einem Zylinder, einem zur Betätigung in dem Zylinder dimensionierten Kolben und einem in Verbindung mit dem Kolben stehenden Kolbenbetätiger zum Ausführen der Betätigung des Kolbens,

ein positiv bzw. direkt betätigtes Nullschaltvolumenventil (zero switching volume valve) und einen zugeordneten Ventilbetätiger, der selektiv betätigbar ist, um eine Fluidverbindung zwischen dem Lösemittelreservoir und der Eingangsöffnung zu ermöglichen, um eine Fluidverbindung zwischen der Ausgangsöffnung und dem Aufnahmesystem und zu ermöglichen, und um die Spritze zu isolieren, und

einen Fluiddrucksensor, der so positioniert ist, daß er in direkter Fluidverbindung mit dem Zylinder steht und eine kontinuierliche Überwachung des Zylinderdrucks ermöglicht, wobei der Fluiddrucksensor eine Ausgabe liefert, die den Zylinderdruck unabhängig von dem Zustand des direkt betätigten Nullschaltvolumenventils angibt, sowie

eine Steuereinrichtung, die zum Empfang der den Zylinderdruck angebenden Ausgabe von dem Fluiddrucksensor der ersten Pumpeinheit und von dem Fluiddrucksensor der zweiten Pumpeinheit betätigbar ist und die anspricht, um entweder die erste oder die zweite Pumpeinheit als Förderpumpeinheit zu steuern, damit die gewählte Strömungsrate zu dem Aufnahmesystem aufrechterhalten wird, und um die andere der beiden Pumpeinheiten so zu steuern, daß sie als isolierte Pumpeinheit, die gerade wiederbefüllt wird, off-line bzw. abgetrennt ist, und um die Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der isolierten Pumpeinheit nach dem Wiederbefüllen und dem Aufnahmesystem sowie die Isolierung der Förderpumpeinheit nach dem Fördern auf eine Art und Weise zu koordinieren, die System-Strömungsfehler im wesentlichen vermeidet.

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer einzelnen Pumpeinheit mit einem Zylinder, einem Kolben, einem Kolbenbetätiger, einer Ventilvorrichtung, einem Ventilbetätiger und einem Drucksensor,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Systems mit kontinuierlicher Förderung, mit zwei Pumpeinheiten des in Fig. 1 dargestellten Typs, und

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Darstellung von Mehrfachsystemen des in Fig. 2 dargestellten Typs, die in einer zur Verwendung bei

Flüssigchromatographie mit Hochtemperaturgradienten geeigneten Weise verbunden sind.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt die Anordnung mechanischer Komponenten, die einen Zylinder eines mehrzylindrigen Pumpsystems mit kontinuierlicher Förderung umfassen. Ein einzelner Zylinder mit seinem/seiner zugeordneten Kolben, Kolbendichtung, Ventilanordnung, Ventilbetätiger und Drucksensor bildet eine Pumpeinheit. Der Begriff Spritze wird hier als ein einzelner Zylinder mit seinem/seiner zugeordneten Kolben und Kolbendichtung definiert.

Der Pumpvorgang der Einheit ist eine durch einen Kolben 1a bewerkstelligte positive Verschiebung, dessen Linearbewegung ein Volumen innerhalb des Zylinders 3a verdrängt. Die hydraulische Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder erfolgt durch eine selbsttätige Dichtung 5a, die in einer Ausnehmung innerhalb des Zylinders sitzt und eine Schnittstelle mit dem Außendurchmeser des Kolbens bildet. Die Antriebskraft des Kolbens leitet sich von einem Schrittschaltmotor 7a ab, dessen Drehbewegung durch eine Anordnung mit einer Leitschraubenspindel 9a und einer Mutter 11a in eine Linearbewegung umgewandelt wird. Der Schrittschaltmotor wird optimal im Mikroschrittmodus angetrieben und kann ein Untersetzungsgetriebemodul 13a aufweisen, um die Größe bzw. den Umfang des kleinsten erzielbaren Schritts an Motorbewegung weiter zu reduzieren. Der Schrittschaltmotor dreht die Mutter, die durch Lager 15a und 17a getragen ist, welche sowohl für eine radiale als auch axiale Lagerung der Mutter sorgen und dadurch die hydraulischen Kräfte, die axial auf die Leitschraubenspindel und die Mutter aufgebracht werden, vom Schrittschaltmotor entkoppeln. Die Leitspindel kann sich über einen definierten Bereich axial frei bewegen, wird jedoch an einer Drehung durch ein Anti-Rotationselement 19a gehindert, wobei eine solche Technik Fachleuten allgemein bekannt ist. Die Leitspindel ist mittels eines Linearlagers 21a, welches die Axialkraft überträgt, während es eine relativ genaue axiale Ausrichtung des angetriebenen Endes des Kolbens beibehält, mit dem Kolben gekoppelt.

Am gegenüberliegenden Ende des Zylinders befindet sich ein Drucksensor 23a, wie z. B. das Modell 80 50005 von IC Sensors, Milpitas, CA. Der Zylinder ist ferner mit Öffnungen versehen, zu denen Hochdruckrohrverbindungen 25a, 27a hergestellt werden können, welche den Zylinder mit der Ventilanordnung 29a koppeln. Das schematisch in Fig. 1 dargestellte Ventil ist von einem als Drehspulenventil bekannten Typ und umfaßt vorzugsweise zwei hydraulisch unterschiedliche Strömungskanäle 31a, 33a an einem gemeinsamen Rotor. Eine ähnliche Geometrie kann auch an einem Flächendichtungs-Drehventil erstellt werden. Die Art der Ventilgestaltung ist derart, daß sich die umschaltenden Teile des Fluidkreislaufs immer in Kontinuität mit dem Pumpzylinder befinden und deshalb immer auf Zylinderdruck gehalten werden. Ein zusätzliches Merkmal dieser Ventilart besteht darin, daß es im wesentlichen keine Nettoverdrängung von Fluidvolumen in das/die oder aus dem/der Aufnahmesystem bzw. Spritze gibt. Diese Null-Schaltvolumenverhalten schafft störungsfreie Übergänge während der Kolbenüberkreuzung. Charakteristisch für diese Art Ventil ist auch, daß gegenüber den bei vielen chromatographischen Pumpen verwendeten, herkömmlicheren Kugelsitz-Sperrventilen extrem niedrige Leckraten erzielt werden können. Die geringe Leckeigenschaft sorgt für die bevorzugte Anwendung dieser Ventilart für HPLC im kapillaren Maßstab.

Die Systemöffnung 35a steht in Verbindung mit einer oder mehreren Systemöffnungen von im wesentlichen identischen Pumpeinheiten, um das Verhalten kontinuierlicher Förderung herbeizuführen. Der Ventilbetätiger 36a kann so angetrieben werden, daß er durch den Pumpen-Controller irgendeine von drei Positionen einnehmen kann. Bei der folgenden Erläuterung des Systembetriebs ist die für die drei Ventilpositionen verwendete Bezeichnungsart wie folgt: FILL, NC (Füllen, NC; um keine Verbindung anzuzeigen, äquivalent mit Totpunkt), und DELIVER (Fördern). Im FILL-Stadium ermöglichen es die Strömungskanäle des Ventilrotors dem Pumpenzylinder, ausschließlich auf ein Lösemittelreservoir 37a zuzugreifen, wobei der Fluidweg zum System blockiert ist. Im DELIVER- Stadium sorgen die Strömungskanäle für hydraulische Kontinuität vom Zylinder ausschließlich zu der Systemöffnung 35a, wobei der Kanal zum Reservoir blockiert ist. Im NC- Stadium sind die Fluidverbindungen sowohl zum Reservoir als auch zu der Systemöffnung vollkommen blockiert. Die Anwendung eines Ventils mit zwei getrennten Umschalt-Strömungswegen sowie die Anwendung zweier unabhängiger Hochdruck- Rohrverbindungen vom Ventilkörper in den Zylinder ermöglicht eine wirksame Durchspülung des Zylinders während des Lösemittelwechsels, da eine Lösemittelbewegung durch diese Anordnung im wesentlichen unidirektional vom Reservoir zum Aufnahmesystem ist. Ein Drehspulenventil oder ein Flächendichtungs-Drehventil mit nur einem Umschalt-Fluidweg zur alternierenden Verbindung einer einzelnen Spritzen- Zylinderöffnung mit dem Lösemittelreservoir oder der Systemöffnung kann auf Kosten eines reduzierten Wirkungsgrads beim Durchspülen ebenfalls angewendet werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zweier im wesentlichen identischer Pumpeinheiten, die so konfiguriert sind, daß beide Pumpeinheiten aus demselben Reservoir 37a Fluid entnehmen, und so, daß beide Einheiten einen Flüssig- Chromatographen über ein gemeinsames Verbindungs-T-Stück 39 mit Fluid versorgen. Die Pumpeinheiten sind unter der Steuerung des gemeinsamen Controllers 49 dargestellt. Der Controller ist erforderlich, um eine Folgesteuerung der einzelnen Einheiten durch eine Reihe von Basisaktionen vorzunehmen, die in der TABELLE 1 zusammengefaßt sind, welche die Betriebszustände bzw. stadien des Pumpsystems darstellt. Der Beginn oder Abschluß der Basisaktionen durch die dieses bildenden Pumpeinheiten ermöglicht dem Controller die Folgesteuerung durch die Zustandstabelle, um die kontinuierliche System-Ausgangsströmung zu erzeugen. In der TABELLE 1 besteht die getroffene Vorzeichen-Übereinkunft darin, daß positive Kolbengeschwindigkeiten den Zylinderinhalt komprimieren und/oder den Zylinderinhalt zum Aufnahmesystem fördern. Negative Fördergeschwindigkeiten dekomprimieren den Zylinderinhalt und/oaer extrahieren Fluid aus dem System. In der Kommentarspalte der Tabelle werden (L) bzw. (R) benutzt, um LINKS bzw. RECHTS zu bezeichnen. Der Begriff ARMED (ARMIERT) wird zur Bezeichnung eines Zylinders verwendet, dessen Fluidinhalt bereits auf den nötigen Druck komprimiert ist, so daß eine Fluidförderung zum Aufnahmesystem bei einer Steuer(daten)eingabe von dem Pumpsystem-Controller ohne weiteren Verlust an Kolbenbewegung zum Komprimieren von Fluid beginnen kann.

Mit Bezug auf TABELLE 1 detailliert der folgende Text den Betrieb bzw. die Arbeitsweise des System mit kontinuierlicher Förderung; in diesem Beispiel beginnt die Beobachtung des Systembetriebs beim Stadium bzw. Zustand 0, wobei die Förderung zum System durch den LINKEN Kolben erfolgt. Der RECHTE Kolben befindet sich im Ruhezustand oder auf Null-Geschwindigkeit, da er seine Förderung gerade beendet hat. Der RECHTE Kolben wird durch den Controller in die FILL-Position versetzt, was das Stadium bzw. den Zustand 1 ergibt. An den RECHTEN Schrittschaltmotor wird eine Schrittschaltfrequenz angelegt, was eine Nicht-Null- Kolbengeschwindigkeit bzw. ein negatives Vorzeichen erzeugt und den Zylinder mit Fluid aus dem Reservoir füllt. Wenn der Controller mittels Digitalzählern, welche die am Motor vorgenommene Schrittzählung nachvollziehen, erfaßt, daß der RECHTE Kolben am Ende des Hubs angelangt ist, setzt er die Geschwindigkeit des RECHTEN Kolbens auf Null, was Stadium 3 ergibt. Der Controller signalisiert dann dem RECHTEN Ventil, zu NC überzugehen, um die Lösemittel-Vorkomprimierungssequenz zu beginnen, was zu Stadium 4 führt. An den RECHTEN Schrittschaltmotor wird eine Schrittschaltfrequenz angelegt, um eine Nicht-Null-Geschwindigkeit des RECHTEN Kolbens in der positiven Richtung zu erzeugen, wobei der Zylinderinhalt komprimiert wird (Stadium 5).

Wenn wiederum gemäß TABELLE 1 der Drucksensor innerhalb des RECHTEN Zylinders einen dem Systemdruck äquivalenten Druck angibt, setzt der Controller die RECHTE Kolbengeschwindigkeit auf Null (Stadium 6). Der Controller kann den RECHTEN Zylinder für eine Ausgleichs-Zeitspanne auf einem feststehenden Druck über oder unter dem Systemdruck halten, oder der Systemdruck kann alternativ auf einen neuen Wert zunehemen oder abnehmen, während der Offline-Druck des RECHTEN Zylinders statisch ist. In jedem Fall können ein oder mehrere Feinausgleichsschritte durch einen Kreislauf zwischen den Stadien 4 → 5 → 6 → 5a → 4 vorgenommen werden, wobei das Stadium 5a im wesentlichen zum Stadium 5 äquivalent ist und sich nur darin unterscheidet, daß es eine Dekompression des Zylinderinhalts mittels einer auf den Zylinder einwirkenden negativen Geschwindigkeit erreicht. Der Controller kann optional, während er die Stadien 4 bis 6 durchläuft, Diagnostikroutinen am RECHTEN Zylinder ausführen, und zwar zum Zwecke der Überprüfung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Lösemittel im Zylinder, der Komprimierbarkeit dieses Lösemittels oder der hydraulischen Integrität des Zylinders, während er dabei die erwünschte Strömung zum Aufnahmesystem aufrechterhält.

Wenn des weiteren gemäß TABELLE 1 der System-Controller erfaßt, daß das erforderliche Maß an Druckausgleich zwischen den Offline- und den Online-Zylindern erreicht worden ist, kann er einen Übergang für das RECHTE Ventil von NC zu DELIVER befehlen, was zum Stadium 7 führt. Während er sich im Stadium 7 befindet, kann der Controller auch befehlen, daß eine Interkalibrierung zwischen den RECHTEN und LINKEN Drucksensoren stattfindet, da beide an diesem Punkt auf den gleichen Hydraulikkreislauf gerichtet sind. Die am LINKEN Kolben anliegende Schrittschaltfrequenz wird auf Null heruntergefahren, während die am RECHTEN Kolben anliegende Schrittschaltfrequenz auf eine präzis komplementäre Weise auf die Förderströmungsrate gebracht wird, so daß die Nettoströmung zum System unverändert bleibt und Stadium 8 erreicht wird. Ausgehend davon, daß die LINKEN und RECHTEN Pumpeinheiten im wesentlichen identisch sind, ist anzumerken, daß das Stadium 8 der zum Stadium 0 symmetrische Zustand ist und sich nur darin unterscheidet, daß der RECHTE Kolben der Förderkolben ist, während im Zustand 0 der LINKE Kolben der Förderkolben ist. Eine andere Betrachtungsweise dieser Beziehung ist die, daß die Stadien 8 bis 15 direkte Abbilder der Stadien 0 bis 7 sind, und zwar einfach durch Austausch der Worte LINKS und RECHTS, wo immer sie in der Tabelle auftauchen. Der normale Systembetrieb, der ein konstante Fluidförderung unterhält, sorgt für einen Übergang aus dem Stadium 15 zum Stadium 0 und für ein wiederholtes Durchlaufen der Zustandstabelle nach obiger Beschreibung. Die Übergänge zwischen den Zuständen bzw. Stadien 7 und 8 und zwischen den Stadien 15 und 0 weisen jeweils ein Intervall auf, in dem die Zylinderdrucksensoren in Fluidverbindung stehen und eine Gelegenheit bieten, ihre Ausgänge bei Systemdruck zu interkalibrieren, während die gewünschte Strömung zum Aufnahmesystem aufrechterhalten wird.

Tabelle 1

Fig. 3 stellt drei Lösemittel-Pumpsysteme mit kontinuierlicher Förderung dar, von denen jedes wie in Fig. 2 konfiguriert ist. Durch Ausführen der in Tabelle 1 aufgeführten Betätigungen ist jedes Pumpsystem in der Lage, einen Bestandteil einer mobilen Phase beizutragen, der in der gemeinsamen Ausgangsleitung 47a summiert wird, um eine Flüssigkeitschromatographie vom Gradientenmodus zu erzeugen. Die in dieser Konfiguration gezeigten Pumpsysteme sprechen auf einen einzigen Überwachungs-Kontroller 49 an, von dem eine Funktion ist, die Proportion der Lösemittel- Zusammensetzung zu erstellen, die jedem einzelnen Pumpsystem mittels eines jedem erteilten Strömungsraten-Einstellpunkts zugeteilt wird. Da die Fluidaustragungen der einzelnen Pumpsysteme reibungslos und kontinuierlich vor sich gehen, wird in der gemeinsamen Ausgangsleitung eine präzise Lösemittelzusammenstellung produziert, welche das Erfordernis eliminieren kann, den Pumpen nachgeschaltete Mischgeräte aufzunehmen, um unerwünschte Fluktuationen in der Zusammensetzung abzumildern. Eine Eliminierung von großen Nach-Pump-Mischvolumen ist notwendig, um die extrem geringen Gradienten-Ansprechvolumen zu erzielen, die für HPLC auf kapillarem Niveau erforderlich sind, und die selbst für ein HPLC auf normalem Niveau wünschenswert sind.

Fachleuten ist es ersichtlich, daß jede der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen so konfiguriert sein kann, daß sie eine Lösemittelförderung in einem Gradientensystem liefert, bei der das Proportionieren der Lösemittelzusammensetzung auf der Niederdruck- oder Einlaßseite der Pumpe ausgeführt wird.

Fachleuten ist ersichtlich, daß andere Ausführungsformen, Verbesserungen, Details und Anwendungen mit dem Inhalt und dem Geist der vorausgehenden Offenbarung in Einklang gebracht werden können und im Schutzumfang der folgenden Ansprüche einschließlich ihrer Äquivalente liegen. Ein Beispiel ist die Anwendung dieses Systems zum Pumpen von überkritischen Fluiden.


Anspruch[de]

1. Pumpsystem zum Fördern von Fluid von einem Lösemittelreservoir zu einem Aufnahmesystem mit einer gewählten Strömungsrate, mit:

einem eine erste Pumpeinheit und eine zweite Pumpeinheit aufweisenden Pumpmechanismus, wobei die erste Pumpeinheit und die zweite Pumpeinheit so angeordnet sind, daß sie das Fluid kontinuierlich von dem Lösemittelreservoir zu dem Aufnahmesystem fördern, und sowohl die erste Pumpeinheit als auch die zweite Pumpeinheit umfassen:

eine Spritze mit einer Eingangsöffnung, einer Ausgangsöffnung und einem Zylinder (3a, b), einem zur Betätigung in dem Zylinder dimensionierten Kolben (1a, b) und einem in Verbindung mit dem Kolben stehenden Kolbenbetätiger zum Ausführen der Betätigung des Kolbens,

ein positiv bzw. direkt betätigtes Nullschaltvolumenventil (zero switching volume valve) (29a, b) und einen zugeordneten Ventilbetätiger (36a, b), der selektiv betätigbar ist, um eine Fluidverbindung zwischen dem Lösemittelreservoir und der Eingangsöffnung zu ermöglichen, um eine Fluidverbindung zwischen der Ausgangsöffnung und dem Aufnahmesystem und zu ermöglichen, und um die Spritze zu isolieren, und

einen Fluiddrucksensor (23a, b), der so positioniert ist, daß er in direkter Fluidverbindung mit dem Zylinder steht und eine kontinuierliche Überwachung des Zylinderdrucks ermöglicht, wobei der Fluiddrucksensor eine Ausgabe liefert, die den Zylinderdruck unabhängig von dem Zustand des direkt betätigten Nullschaltvolumenventils angibt, sowie

eine Steuereinrichtung, die zum Empfang der den Zylinderdruck angebenden Ausgabe von dem Fluiddrucksensor (23a) der ersten Pumpeinheit und von dem Fluiddrucksensor (23b) der zweiten Pumpeinheit betätigbar ist und die anspricht, um entweder die erste oder die zweite Pumpeinheit als Förderpumpeinheit zu steuern, damit die gewählte Strömungsrate zu dem Aufnahmesystem aufrechterhalten wird, und um die andere der beiden Pumpeinheiten so zu steuern, daß sie als isolierte Pumpeinheit, die gerade wiederbefüllt wird, off-line bzw. abgetrennt ist, und um die Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der isolierten Pumpeinheit nach dem Wiederbefüllen und dem Aufnahmesystem sowie die Isolierung der Förderpumpeinheit nach dem Fördern auf eine Art und Weise zu koordinieren, die System-Strömungsfehler im wesentlichen vermeidet.

2. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei bei jeder Pumpeinheit das direkt betätigte Nullschaltvolumenventil (29a, b) ein direkt betätigtes Drehspulenventil (rotary spool valve) ist.

3. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei bei jeder Pumpeinheit das direkt betätigte Nullschaltvolumenventil (29a, b) ferner eine Nicht-Verbindungs-Position aufweist, in der der Kolben verwendet wird, um in der Spritze Druck aufzubauen, während die Spritze von dem Aufnahmesystem isoliert ist.

4. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei das Aufnahmesystem ein Flüssigchromatograph ist.

5. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei das Aufnahmesystem ein superkritischer Flüssigchromatograph ist.

6. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei der der isolierten Pumpeinheit zugeordnete Drucksensor (23a, b) verwendet wird, um die hydraulische Integrität der isolierten Pumpeinheit anzugeben, während die Fluidförderung zu dem Aufnahmesystem durch die Förderpumpeinheit mit der gewählten Strömungsrate aufrechterhalten wird.

7. Pumpsystem nach Anspruch 1, wobei der der isolierten Pumpeinheit zugeordnete Drucksensor (23a, b) verwendet wird, um die Komprimierbarkeit von in der isolierten Pumpeinheit enthaltenem Fluid anzugeben, während die Fluidförderung zu dem Aufnahmesystem durch die Förderpumpeinheit mit der gewählten Strömungsrate aufrechterhalten wird.

8. Gradienten-Chromatographiesystem mit mindestens zwei gemäß Anspruch 1 konfigurierten Pumpsystemen zum Fördern von Fluid zu einer gemeinsamen Ausgangsleitung, um einen Fluid- Zusammensetzungsgradienten zu erzeugen, mit einer mindestens mit den zwei Pumpsystemen in elektrischer Verbindung stehenden Überwachungs-Steuereinrichtung, wobei die Überwachungs-Steuereinrichtung die Proportion der von jedem einzelnen Pumpsystem zu der gemeinsamen Ausgangsleitung zu fördernden Lösemittelzusammensetzung festsetzt.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com