DE102013218818A1 - HPLC pump with active mixing element - Google Patents
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Abstract
Gezeigt wird eine Pumpe (200) für die Hochleistungschromatografie, die dazu dient ein Fluid auf Druck zu bringen und/oder zu befördern. Die Pumpe (200) weist eine Pumpkammer (220) und ein – bei Betrieb der Pumpe (200) – in der Pumpkammer (220) reziprozierendes Element (230) auf. Die Pumpe (200) weist ferner ein sich in der Pumpkammer (220) befindliches aktives Mischelement (240) auf zum Durchmischen zumindest eines Teils des sich in der Pumpkammer (220) befindlichen Fluids.Shown is a pump (200) for high performance chromatography, which serves to bring a fluid to pressure and / or to convey. The pump (200) has a pumping chamber (220) and a - during operation of the pump (200) - in the pumping chamber (220) reciprocating element (230). The pump (200) further comprises an active mixing element (240) located in the pumping chamber (220) for mixing at least a portion of the fluid in the pumping chamber (220).
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe um ein Fluid auf Druck zu bringen und/oder zu befördern, insbesondere für HPLC Anwendungen. The present invention relates to a pump for pressurizing and / or conveying a fluid, in particular for HPLC applications.
Die Durchmischung von Flüssigkeiten ist ein Erfordernis in vielen technischen Gebieten und Anwendungen. Hierzu werden Mischkammern in unterschiedlichsten Ausführungsformen und zu verschiedenen Zwecken eingesetzt, wie dies beispielsweise aus
In der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (High Performance Liquid Chromatografie – HPLC) muss eine Flüssigkeit bei typischerweise sehr eng kontrollierten Flussraten (z.B. im Bereich von Nanoliter bis Milliliter pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20–100 MPa, 200–1000 bar und darüber hinaus bis derzeit etwa 200 MPa, 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar wird, gefördert werden. Zur Probentrennung in einem HPLC-System wird eine mobile Phase, die – in Betrieb – eine Probenflüssigkeit mit zu trennenden Komponenten aufweist, durch eine stationäre Phase (wie Packung bzw. Füllung einer chromatografischen Säule) getrieben, um auf diese Weise unterschiedliche Komponenten der Probe zu trennen. Die Zusammensetzung der mobilen Phase kann dabei über der Zeit konstant sein (isokratischer Modus) oder variieren (z.B. im so genannten Gradienten-Modus). In High Performance Liquid Chromatography (HPLC), a liquid typically needs to have very tightly controlled flow rates (eg, in the range of nanoliters to milliliters per minute) and at a high pressure (typically 20-100 MPa, 200-1000 bar and moreover, until now about 200 MPa, 2000 bar), in which the compressibility of the liquid is felt, be promoted. For sample separation in an HPLC system, a mobile phase having a sample liquid with components to be separated in operation is forced through a stationary phase (such as a packing or filling of a chromatographic column) to thereby add different components of the sample separate. The composition of the mobile phase can be constant over time (isocratic mode) or varied (for example in the so-called gradient mode).
Bei Chromatografie-Systemen, die mehrere Fluide (insbesondere Flüssigkeiten wie Lösungsmittel) kombinieren, auf Druck bringen und als mobile Phase ausgeben, können durch eine unzureichende Durchmischung der Eingangsfluide Artefakte in der Lösungsmittel-Zusammensetzung der mobilen Phase entstehen, die sich negativ auf die chromatografische Trennung auswirken können. Diese Artefakte können sowohl einen absoluten Charakter haben, d.h. die Mischung entspricht nicht akkurat der eingestellten Vorgabe, oder aber einen relativen Charakter, d.h. die Mischung schwankt, oszilliert mit der Pumpfrequenz oder wabert mit einer der Flüssigkeit eigenen Form. Moderne HPLC-Systeme sind für den schnellen und effizienten Betrieb unter extrem hohem Druck optimiert. Dies wiederum erfordert eine Volumenreduzierung, während gleichzeitig die Anforderungen an die Zusammensetzungsgenauigkeit steigen, so dass einfache passive Lösungen durch Vergrößerung von Mischvolumen für viele Anwendungen ausscheiden oder zumindest nachteilig sind, weil sie einen Kompromiss darstellen, der nur für eingegrenzte Anwendungen zulässig ist. Allerdings können kompositorische Störungen in der mobilen Phase, insbesondere bei kürzeren Trennvorgängen, zu so genanntem Retentionszeiten-Jitter führen, mehr noch als Flussschwankungen, wie z.B. Pumpen-Ripple. Ebenso können solche kompositorischen Störungen in der Basislinie eines nachgeschalteten Detektors "sichtbar" (z.B. in einem Chromatogramm) werden, und damit die Auswertung, wie z. B. Identifikation oder Quantifizierung, beeinträchtigen. Chromatography systems that combine, pressurize and dispense multiple fluids (especially liquids such as solvents) and deliver them as a mobile phase can cause artifacts in the mobile phase solvent composition due to insufficient mixing of the input fluids, negatively affecting chromatographic separation can affect. These artifacts can both have an absolute character, i. the mixture does not accurately match the set default, or a relative character, i. the mixture fluctuates, oscillates with the pumping frequency, or swirls with a shape of its own. Modern HPLC systems are optimized for fast and efficient operation under extremely high pressure. This, in turn, requires volume reduction while at the same time increasing composition accuracy requirements, so that simple passive solutions by increasing mixing volume are eliminated or at least detrimental to many applications because they represent a compromise acceptable only for limited applications. However, compositional disturbances in the mobile phase, especially at shorter separations, can lead to so-called retention-time jitter, even more so than flow fluctuations, e.g. Pump Ripple. Likewise, such compositional perturbations in the baseline of a downstream detector may become "visible" (e.g., in a chromatogram), and thus the evaluation, such as in a chromatogram. As identification or quantification interfere.
Pumpen für die HPLC, die verschiedene Aspekte einer verbesserten Durchmischbarkeit adressieren, sind beispielsweise beschrieben in
OFFENBARUNGEPIPHANY
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Zusammensetzungsgenauigkeit der mobilen Phase zu verbessern, insbesondere für HPLC Anwendungen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt. It is an object of the present invention to improve the compositional accuracy of the mobile phase, especially for HPLC applications. The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are given in the dependent claims.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Pumpe für die Hochleistungschromatografie dar. Die Pumpe ist dazu bestimmt und konfiguriert ein Fluid auf Druck zu bringen und/oder zu befördern. Die Pumpe weist eine Pumpkammer und ein reziprozierendes Element, das sich bei Betrieb der Pumpe in der Pumpkammer hin- und herbewegt, also reziproziert, auf. Ferner weist die Pumpe ein sich in der Pumpkammer befindliches aktives Mischelement zum Durchmischen zumindest eines Teils des sich in der Pumpkammer befindlichen Fluids auf. Durch die Integration des aktiven Mischelements direkt in die Pumpkammer ist ein wirkungsvolles Durchmischen des Fluids bereits innerhalb der Pumpkammer möglich, so dass die Pumpe ein gut durchmischtes Fluid fördern kann. Weitere, zur Pumpkammer externe Mischkammern können so vermieden oder verkleinert werden. Ein durch das Vorsehen des aktiven Mischelements eventuell in der Pumpkammer zusätzlich erforderliches Extravolumen, gegenüber einer Pumpkammer ohne aktives Mischelement, kann durch das Wegfallen anderer Mischvolumina flussauf oder -abwärts der Pumpkammer kompensiert oder zumindest relativiert werden. Auch kann ein solches aktives Mischelement in der Pumpkammer zumindest teilweise das Volumen nutzen, das durch das reziprozierende Element zumindest zeitweise „freigegeben“ wird. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass sich eine verbesserte Durchmischung des Fluids bereits in der Pumpkammer auch positiv entlang des weiteren Flusspfades flussabwärts zur Pumpkammer auswirken kann. A preferred embodiment of the present invention is a high performance chromatography pump. The pump is designed and configured to pressurize and / or convey a fluid. The pump has a pumping chamber and a reciprocating element which reciprocates in the pumping chamber during operation of the pump, that is to say reciprocated. Furthermore, the pump has an active mixing element located in the pumping chamber for mixing at least part of the fluid in the pumping chamber. By integrating the active mixing element directly into the pumping chamber, effective mixing of the fluid is already possible within the pumping chamber, so that the pump can deliver a well-mixed fluid. Further, to the pumping chamber external mixing chambers can be avoided or reduced. An additional volume which may additionally be required in the pumping chamber due to the provision of the active mixing element, compared to a pumping chamber without an active mixing element, can be compensated or at least relativised by eliminating other mixing volumes upstream or downstream of the pumping chamber. Also, such an active mixing element in the pumping chamber can at least partially utilize the volume which is at least temporarily "released" by the reciprocating element. It should also be taken into account that an improved mixing of the fluid already in the pumping chamber can also have a positive effect along the further flow path downstream of the pumping chamber.
Bei Anwendungen in der HPLC kommt es typischerweise auf eine sehr gute Durchmischung der mobilen Phase (des Fluids) an, da sich jegliche Abweichungen in der Zusammensetzung in dem Ergebnis der chromatografischen Trennung abbilden und so das Trenn- bzw. Messergebnis beeinträchtigen oder gar verfälschen können. Dies gilt insbesondere im so genannten Gradientenmodus, bei dem die Zusammensetzung der mobilen Phase über der Zeit verändert wird. Eine schlechte Durchmischung der mobilen Phase kann hier zu einer Verfälschung der chromatografischen Trennergebnisse führen, weil im Gradientenmodus typischerweise die Mischung in situ erfolgt und nicht mit vorgemischten Fluiden „aus der Flasche“ gearbeitet werden kann. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines aktiven Mischelements direkt in der Pumpkammer kann das Durchmischen des Fluids in der Pumpkammer signifikant verbessert werden, was eine deutliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit der chromatografischen Trennung und/oder der analytischen Auswertung ermöglichen kann. Applications in HPLC typically rely on very good mixing of the mobile phase (fluid), as any deviations in the composition can be reflected in the result of the chromatographic separation and thus impair or even falsify the separation or measurement result. This applies in particular in the so-called gradient mode, in which the composition of the mobile phase is changed over time. A poor mixing of the mobile phase can here lead to a falsification of the chromatographic separation results, because in the gradient mode typically the mixture is done in situ and can not be used with pre-mixed fluids "from the bottle". The inventive provision of an active mixing element directly in the pumping chamber, the mixing of the fluid in the pumping chamber can be significantly improved, which can allow a significant improvement in the reproducibility of the chromatographic separation and / or the analytical evaluation.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Pumpe ist das aktive Mischelement so konfiguriert, dass es bei Betrieb der Pumpe eine Rotationsbewegung in der Pumpkammer ausführt. Eine solche Rotationsbewegung des aktiven Mischelements kann die Durchmischung des Fluids deutlich verbessern. Dabei kann die Rotationsbewegung des aktiven Mischelements relativ zu dem reziprozierenden Element und/oder der Pumpkammer erfolgen, d.h., dass zum Beispiel das aktive Mischelement sich dreht, während das reziprozierende Element eine Longitudinalbewegung ausführt und/oder die Pumpkammer ruhig gehalten wird. In a preferred embodiment of the pump, the active mixing element is configured to perform a rotational movement in the pumping chamber during operation of the pump. Such a rotational movement of the active mixing element can significantly improve the mixing of the fluid. In this case, the rotational movement of the active mixing element can take place relative to the reciprocating element and / or the pumping chamber, that is, for example, that the active mixing element rotates while the reciprocating element performs a longitudinal movement and / or the pumping chamber is kept still.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das aktive Mischelement so konfiguriert, dass es durch ein sich veränderndes, insbesondere rotierendes, Magnetfeld in Bewegung versetzt werden kann. Dies erlaubt insbesondere, dass die Bewegung des aktiven Mischelements von außerhalb der Pumpkammer auf das aktive Mischelement übertragen werden kann, insbesondere durch Ausnutzung der magnetischen oder elektromagnetischen Induktionswirkung oder magnetischer Kräfte. Dies ermöglicht auch ein berührungsloses Antreiben und/oder Steuern der Bewegung des aktiven Mischelements von außerhalb der Pumpkammer.In a preferred embodiment, the active mixing element is configured so that it can be set in motion by a changing, in particular rotating, magnetic field. This allows in particular that the movement of the active mixing element from outside the pumping chamber can be transferred to the active mixing element, in particular by utilizing the magnetic or electromagnetic induction effect or magnetic forces. This also allows non-contact driving and / or controlling the movement of the active mixing element from outside the pumping chamber.
In einem Ausführungsbeispiel ist das aktive Mischelement mindestens teilweise aus einem magnetischen Material, vorzugsweise Eisen und/oder ein Permanentmagnet, ausgeführt und kann dadurch durch ein sich veränderndes Magnetfeld in Bewegung versetzt werden. Ausführungsformen des aktiven Mischelements können entsprechend der im Stand der Technik bekannten und hinreichend beschriebenen Magnetrührer ausgeführt werden, bei denen das Rührelement durch ein von außen angelegtes Magnetfeld in Bewegung gebracht wird. Solche Magnetrührer lassen sich entsprechend und an die speziellen Anforderungen in der HPLC angepasst anwenden. In one embodiment, the active mixing element is at least partially made of a magnetic material, preferably iron and / or a permanent magnet, and can thereby be set in motion by a changing magnetic field. Embodiments of the active mixing element may be carried out according to the magnetic stirrers known and adequately described in the prior art, in which the stirring element is set in motion by a magnetic field applied from the outside. Such magnetic stirrers can be used appropriately and adapted to the special requirements of HPLC.
In einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil des aktiven Mischelements aus einem leitfähigen Material, wie etwa Kupfer, Gold aber auch anderen Metalle ausgeführt, werden, so dass die im veränderlichen (vorzugsweise rotierenden) Magnetfeld entstehenden Induktionskräfte das aktive Mischelement antreiben. In one embodiment, at least a portion of the active mixing element may be made of a conductive material, such as copper, gold, but also other metals, such that the induction forces arising in the variable (preferably rotating) magnetic field drive the active mixing element.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das aktive Mischelement ein Flügelelement auf, das, in Bewegung, zu einer verstärkten Durchmischung des Fluids führen kann. Das Flügelelement kann insbesondere ein Propeller oder ein Impeller sein, wie dies im Stand der Technik hinreichend bekannt und beschrieben ist. Das Flügelelement kann insbesondere durch Aufspalten von Volumenpaketen und Deplatzieren derer („split and recombine“), durch Bewegung von Volumenpaketen, die dann per Trägheitskräften (Fliehkraft) zu Eigenbewegungen „animiert“ werden, und/oder durch Anregen von Sekundär-Strömungen, die dann größeren Raum einnehmen als den Bewegungsraum des Mischelementes selbst, zu einer verstärkten Durchmischung des Fluids führen. Das Flügelelement kann so ausgeführt sein, dass zumindest Teile seiner Oberfläche nicht parallel sondern normal oder schräg zu ihrer jeweiligen Bewegungsrichtung während der Rotation ausgerichtet sind. Dies kann eine Übertragung der kinetischen Energie an das Fluid begünstigen. In a preferred embodiment, the active mixing element has a wing element which, when in motion, can lead to increased mixing of the fluid. The wing element may in particular be a propeller or an impeller, as is well known and described in the prior art. In particular, the wing element can be "animated" into self-motions by splitting volume packets and displacing them ("split and recombine"), by moving volume packets, which are then "animated" by inertial forces (centrifugal force), and / or by exciting secondary flows take up more space than the movement space of the mixing element itself, lead to increased mixing of the fluid. The wing element may be designed so that at least parts of its surface are not aligned parallel but normal or oblique to their respective direction of movement during rotation. This may favor transmission of kinetic energy to the fluid.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Flügelelement ein oder mehrere Flügel auf, die aufklappbar sind. Der Begriff „aufklappbar“ kann dabei in dem Sinne verstanden werden, dass elastische oder dynamische Kräfte die Flügel aufstellen, sobald das reziprozierende Element (zum Beispiel ein Kolben innerhalb der Pumpkammer) einen hinreichenden Weg zurückgefahren hat. Dies kann ein sehr kleines „flüssiges“ Totvolumen, wenn das reziprozierende Element vorn, also z.B. dicht am rotierenden aktiven Mischelement, ist, erlauben. Die Flügel können sich aber für die Mischaufgaben aufstellen, sobald das reziprozierende Element ohnehin Hubvolumen freigibt. Dadurch stellt der „eigentliche Mischraum“ innerhalb der Pumpkammer nicht zwangsläufig ein zusätzliches Totvolumen dar, sondern nimmt das ohnehin notwendige (native) Hubvolumen des reziprozierenden Elements (z.B. des Kolbens) als Arbeitsraum. Durch das Zusammenklappen des aktiven Mischelements oder dessen Teile kann erreicht werden, dass im Aufenthaltsraum der zusammengeklappten aktiven Mischelements kaum bzw. kein Freiraum für das Fluid vorhanden ist. Dadurch kann vermieden werden, dass das aktive Mischelement z.B. durch Hohlräume, Vertiefungen, etc. zu einer Vergrößerung des Totvolumens in der Pumpkammer beiträgt. Beim Aufklappen der Teile des aktiven Mischelements wird sein Aufenthaltsraum und somit auch aktiver Arbeits- bzw. Mischraum größer sofern das vom reziprozierenden Element freigegebene Volumen es zulässt.In a preferred embodiment, the wing element on one or more wings, which are hinged. The term "hinged" can be understood in the sense that elastic or dynamic forces set up the wings as soon as the reciprocating element (for example, a piston within the pumping chamber) has traveled back a sufficient way. This can allow a very small "dead liquid" volume when the reciprocating element is at the front, eg close to the rotating active mixing element. However, the wings can set up for the mixing tasks, as soon as the reciprocating element releases stroke volume anyway. As a result, the "actual mixing chamber" within the pumping chamber does not necessarily represent an additional dead volume, but rather takes the (native) displacement of the reciprocating element (eg the piston), which is necessary anyway, as the working space. By folding the active mixing element or its parts can be achieved that in the common room of the folded active mixing element hardly or no free space for the fluid is present. This can be avoided that the active mixing element, for example by Cavities, depressions, etc. contributes to an increase in the dead volume in the pumping chamber. When unfolding the parts of the active mixing element his lounge and thus also active working or mixing space is greater if the volume released by the reciprocating element allows it.
Ebenso oder alternativ dazu kann das Flügelelement reversibel verformbar ausgeführt werden, damit es eine kompakte Form annehmen kann, so dass kein beträchtliches oder nur ein reduziertes Fluidvolumen im Aufenthaltsraum des Flügelelements vorhanden ist. Likewise or alternatively, the wing member can be made reversibly deformable so that it can take a compact form, so that no considerable or only a reduced volume of fluid in the common space of the wing member is present.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das aktive Mischelement so konfiguriert, dass es durch eine Bewegung des reziprozierenden Elements in Bewegung versetzt wird. Bevorzugt ist diese Bewegung eine reziprozierende Bewegung, also eine Hin- und Herbewegung, des reziprozierenden Elements. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Bewegung des reziprozierenden Elements eine Drehbewegung sein. Hierdurch kann eine Bewegung des reziprozierenden Elements auf das aktive Mischelement übertragen werden. Durch die direkte Übertragung der Bewegung kann die Verwendung bestimmter Materialien, wie sie z.B. für eine magnetische oder induktive Bewegung des aktiven Mischelements erforderlich sind, vermieden werden. Zudem kann entsprechend auch die Verwendung eines Magnetfelds vermieden werden. Dies kann technische Vorteile haben, wenn z.B. das Material der Pumpkammer das Magnetfeld abschirmen kann oder wenn das Anbringen der Magnetfeldquellen in der Nähe der Pumpkammer technisch problematisch ist. In a preferred embodiment, the active mixing element is configured to be set in motion by movement of the reciprocating element. Preferably, this movement is a reciprocating motion, that is, a reciprocating motion of the reciprocating element. Alternatively or additionally, the movement of the reciprocating member may be a rotational movement. As a result, a movement of the reciprocating element can be transferred to the active mixing element. By the direct transmission of the motion, the use of certain materials, e.g. are required for a magnetic or inductive movement of the active mixing element can be avoided. In addition, the use of a magnetic field can be avoided accordingly. This may have technical advantages, e.g. the material of the pumping chamber can shield the magnetic field or if the attachment of the magnetic field sources in the vicinity of the pumping chamber is technically problematic.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind/ist das reziprozierende Element und/oder die Pumpkammer so konfiguriert, dass im Betrieb eine zumindest punktuell hohe laterale Strömung erzeugt wird, die das aktive Mischelement in Bewegung versetzt. Das reziprozierende Element kann z.B. beim Ansaugen des Fluids durch solche punktuell hohen lateralen Strömungen das aktive Mischelement in Bewegung versetzen, welches dann wiederum in der Pumpkammer das Fluid durchmischt. In a preferred embodiment, the reciprocating element and / or the pumping chamber are / is configured such that, during operation, an at least occasionally high lateral flow is generated which sets the active mixing element in motion. The reciprocating element may be e.g. upon suction of the fluid through such punctiform high lateral flows to set the active mixing element in motion, which then in turn mixes the fluid in the pumping chamber.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das reziprozierende Element eine Aussparung auf, z.B. ein Innenloch, wobei die Aussparung als eine Spirale ausgeführt sein kann. Das aktive Mischelement weist einen Mitnehmer auf, der in die Aussparung eingreifen kann. Das aktive Mischelement selbst kann vorzugsweise in einer bestimmten Position gehalten werden, zum Beispiel magnetisch. Der Mitnehmer ist so konfiguriert, dass er in einem bestimmten Bereich entlang der Aussparung in diese eingreift, dann aber ab einer bestimmten Position sich von dieser löst, z.B. indem der Mitnehmer umklappt, beispielsweise wenn der Mitnehmer einen (z.B. äußersten) Punkt entlang der Aussparung erreicht hat. Während der Mitnehmer in die Aussparung eingreift, überträgt das reziprozierende Element Bewegungsenergie auf das aktive Mischelement. Mit dem Lösen des Mitnehmers von der Aussparung wird die Übertragung der Bewegungsenergie auf das aktive Mischelement beendet, und das aktive Mischelement führt die übertragene Bewegung dann weiter fort. So kann z.B. eine Drehbewegung auf das aktive Mischelement übertragen werden, mit Erreichen des Lösepunkts gibt der Mitnehmer die Drehung frei (Freilauf) und das reziprozierende Element ist zumindest in Bezug auf die Bewegungsübertragung nicht mehr mit dem aktiven Mischelement gekoppelt. Diese Entkopplung der Bewegungsübertragung kann vorzugsweise auch für einen Rückweg des reziprozierenden Elements beibehalten werden. Das aktive Mischelement bleibt in seiner Bewegungsrichtung, vorzugsweise seiner Drehrichtung, ungeändert. Entsprechend Ausführungsformen können eine relativ kurze „Anschubdauer“, der dann eine relativ lange Drehdauer des aktiven Mischelements folgt, ermöglichen. In a preferred embodiment, the reciprocating element has a recess, e.g. an inner hole, wherein the recess may be designed as a spiral. The active mixing element has a driver, which can engage in the recess. The active mixing element itself may preferably be held in a certain position, for example magnetically. The driver is configured to engage the recess in a particular area along the recess, but then disengage therefrom at a certain position, e.g. for example, when the driver has reached a point (e.g., outermost) along the recess. As the driver engages the recess, the reciprocating element transmits kinetic energy to the active mixing element. Upon release of the driver from the recess, the transmission of kinetic energy to the active mixing element is terminated, and the active mixing element then continues the transmitted motion. Thus, e.g. a rotary motion are transmitted to the active mixing element, upon reaching the release point of the driver releases the rotation (freewheel) and the reciprocating member is no longer coupled to the active mixing element at least with respect to the motion transmission. This decoupling of the motion transmission can preferably also be maintained for a return path of the reciprocating element. The active mixing element remains unchanged in its direction of movement, preferably its direction of rotation. According to embodiments, a relatively short "start-up time", which then follows a relatively long rotation period of the active mixing element, allow.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das aktive Mischelement einen vibrierenden Schwinger, vorzugsweise einen vibrierenden Schallschwinger, auf. Solch ein Schwinger kann eine Oberflächenwelle erzeugen, die wiederum das Fluid „mitzieht“ und damit einen Rühreffekt verursacht. In a preferred embodiment, the active mixing element comprises a vibrating vibrator, preferably a vibrating sonicator. Such a vibrator can produce a surface wave, which in turn "pulls" the fluid causing a stirring effect.
In bevorzugten Ausführungsformen besteht das aktive Mischelement zumindest an seiner Oberfläche aus zumindest einem der folgenden Materialien oder weist ein solches auf: Keramik, Polymer wie zum Beispiel ein Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetherketon (PEEK) etc., Metall wie zum Beispiel ein oberflächenbeschichtetes Metall, z.B. Diamond Like Carbon – DLC, Saphir, Rubin, etc. Bevorzugt können chemisch oder biologisch inerte oder lösungsmittelverträgliche Materialien verwendet werden, In preferred embodiments, the active mixing element is at least on its surface of at least one of the following materials or comprises: ceramic, polymer such as a plastic, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE), polyether ketone (PEEK), etc., metal such as a surface-coated metal, eg Diamond like carbon - DLC, sapphire, ruby, etc. Preferably, chemically or biologically inert or solvent-compatible materials may be used,
Bevorzugt ist die Pumpe dazu konfiguriert, das Fluid auf einen Druck zu bringen, bei dem die Kompressibilität des Fluids spürbar ist, vorzugsweise einen Druck größer als 500 bar oder noch weiter bevorzugt größer als 1000 bar. Insbesondere kann die Pumpe zusammen mit dem reziprozierenden Element so konfiguriert sein, dass das Fluid von im Wesentlichen Umgebungsdruck auf den Zieldruck gebracht wird. Preferably, the pump is configured to bring the fluid to a pressure at which the compressibility of the fluid is appreciable, preferably a pressure greater than 500 bar or even more preferably greater than 1000 bar. In particular, the pump may be configured together with the reciprocating member so that the fluid is brought from substantially ambient pressure to the target pressure.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das reziprozierende Element ein Kolben oder weist einen Kolben auf. Alternativ oder in Kombination dazu kann das reziprozierende Element eine Membran sein oder eine Membran aufweisen. Der Kolben selbst oder auch die Pumpkammer kann als Faltenbalg ausgeführt sein. In preferred embodiments, the reciprocating member is a piston or has a piston. Alternatively, or in combination, the reciprocating element may be a membrane or have a membrane. The piston itself or the pumping chamber can be designed as a bellows.
Das reziprozierende Element ist vorzugsweise dazu konfiguriert, das Fluid auf Druck zu bringen und/oder das Fluid zu fördern. The reciprocating member is preferably configured to pressurize the fluid and / or to deliver the fluid.
Das aktive Mischelement kann so konfiguriert und in der Pumpkammer positioniert sein, dass solche Fluide, die in die Pumpkammer ein- und ausfließen (also quasi durchfließen), und/oder solche Fluide, die sich noch von einem vorhergehenden Zyklus des reziprozierenden Elements in der Pumpkammer befinden, erfasst und durchmischt werden.The active mixing element may be configured and positioned in the pumping chamber such that fluids flowing in and out of the pumping chamber (ie, so to speak) flow through and / or such fluids still remaining from a previous cycle of the reciprocating element in the pumping chamber be located, recorded and mixed.
Die Pumpkammer weist bevorzugt einen Einlass und einen Auslass auf. Durch den Einlass können ein oder mehrere Fluide in die Pumpkammer eingeführt werden, und durch den Auslass verlässt das durchmischte Fluid die Pumpkammer. Die Pumpkammer kann so konfiguriert sein, dass sie an dem Einlass ein oder mehrere unterschiedliche Fluide erhält und an dem Auslass eine auf Druck gebrachte, möglichst homogene Mischung der erhaltenen Fluide liefert. The pumping chamber preferably has an inlet and an outlet. One or more fluids may be introduced into the pumping chamber through the inlet, and through the outlet, the mixed fluid exits the pumping chamber. The pumping chamber may be configured to receive one or more different fluids at the inlet and to provide at the outlet a pressurized, as homogeneous as possible mixture of the obtained fluids.
Die Pumpkammer kann – gegenüber einer Pumpkammer ohne aktives Mischelement – innen geometrisch erweitert sein, damit Raum gegeben ist zumindest für das sich bewegende aktive Mischelement oder auch zusätzlich für einen Wirkraum, den das aktive Mischelement „mischt“. Optimiert für bestimmte Anwendungen kann der Bewegungsraum des reziprozierenden Elements versetzt (offset, oder auch „variable stroke“) werden, so dass methoden-spezifisch ein „gewünschter“ Wirkraum gegeben ist. The pumping chamber can - compared to a pumping chamber without active mixing element - be internally expanded geometrically, so that there is room for at least the moving active mixing element or in addition for a reaction space, which "mixes" the active mixing element. Optimized for certain applications, the space of movement of the reciprocating element can be offset (offset, or "variable stroke") so that method-specific a "desired" effective space is given.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Hochleistungschromatografie-System mit einer Pumpvorrichtung zum Bewegen einer mobilen Phase und eine stationäre Phase zum Trennung von Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit. Dabei weist die Pumpvorrichtung die Pumpe nach zumindest einer der vorangegangenen Ausführungsformen auf. Das Hochleistungschromatografie-System kann ferner noch eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: ein Proportionierungsventil, das dazu konfiguriert ist ein oder mehrere unterschiedliche Fluide einem Einlass der Pumpkammer zuzuführen; einen Probeninjektor zum Einbringen einer Probenflüssigkeit in die mobile Phase; eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der der getrennten Komponenten; eine Fraktioniereinrichtung zum präparativen Sammeln getrennter Komponenten. A preferred embodiment of the present invention relates to a high performance chromatography system having a mobile phase moving pump apparatus and a stationary phase for separating components of a sample liquid introduced into the mobile phase. In this case, the pumping device has the pump according to at least one of the preceding embodiments. The high performance chromatography system may further include one or more of the following features: a proportioning valve configured to supply one or more different fluids to an inlet of the pumping chamber; a Probeninjektor for introducing a sample liquid in the mobile phase; a detection device for detecting the separated components; a fractionator for preparatively collecting discrete components.
Das Hochleistungschromatografie-System kann ein zweidimensionales Chromatografiesystem (2D-LC) sein, insbesondere für die so genannte „umfassende 2D-LC“, Englisch: Comprehensive Chromatography. Bei der 2D-LC kommt es in vielen Anwendungen im Besonderen darauf ankommt, den optimalen Kompromiss zu finden zwischen investiertem Totvolumen und erwirtschafteter Mischqualität. The high-performance chromatography system may be a two-dimensional chromatography (2D-LC) system, in particular for the so-called "comprehensive 2D-LC", English: Comprehensive Chromatography. In the case of 2D LC, in many applications, it is particularly important to find the optimum compromise between the invested dead volume and the generated mixing quality.
Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchmischung in einer Pumpe für die Hochleistungschromatografie. Dabei ist die Pumpe dazu konfiguriert ein Fluid auf Druck zu bringen. Die Pumpe weist eine Pumpkammer auf, in der sich ein reziprozierendes Element und ein aktives Mischelement befinden. Im Betriebszustand der Pumpe bewegt sich das reziprozierende Element in der Pumpkammer hin und her. Das Verfahren umfasst ein Durchmischen zumindest eines Teils des sich in der Pumpkammer befindlichen Fluids mittels des aktiven Mischelements. Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich insbesondere in einem Gradientenmodus als vorteilhaft, da hier mehrere in die Pumpe eingangsseitig einströmende Fluide zu mischen sind, wobei sich die Verhältnisse der einströmenden Fluide zueinander, d.h. deren relative Konzentrationen zueinander, über der Zeit ändert. Falls die Pumpe bauartbedingt eine serielle Verschaltung einzelner Pumpkammer aufweist, wobei zumindest eine der Pumpkammer flussabwärts von dem Mischpunkt der Eluentenanteile angeschlossen ist oder die Eluentenanteile erst in einer Pumpkammer zusammengebracht und vermischt werden, so erhält im Gradientenmodus die zumindest flussabwärts letzte Pumpkammer mit jedem Pumpzyklus eine geänderte Fluidzusammensetzung.“. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, diese neue Portion mit dem verbliebenen Inhalt (Mischung aus früheren Portionen) homogen zu durchmischen. Eine gute Durchmischung des von der Pumpe ausgangsseitig gelieferten Fluids wirkt sich dabei besonders gut auf die Reproduzierbarkeit sowie die Mess- und Trenngenauigkeit der chromatografischen Trennung aus. According to a further aspect, the invention relates to a method for mixing in a pump for high-performance chromatography. The pump is configured to pressurize a fluid. The pump has a pumping chamber in which a reciprocating element and an active mixing element are located. In the operating state of the pump, the reciprocating element moves back and forth in the pumping chamber. The method comprises mixing at least a portion of the fluid in the pumping chamber by means of the active mixing element. The method according to the invention proves to be advantageous, in particular in a gradient mode, since a plurality of fluids flowing into the pump on the inlet side are to be mixed, whereby the ratios of the inflowing fluids to one another, that is to say, are different. whose relative concentrations change with each other over time. If, due to the design, the pump has a serial interconnection of individual pumping chambers, at least one of the pumping chambers being connected downstream from the mixing point of the eluent portions or the eluent portions being brought together and mixing in a pumping chamber, the at least downstreammost pumping chamber acquires a modified one in each pumping cycle in the gradient mode fluid composition. ". Also in this case, it is advantageous to mix this new portion with the remaining content (mixture of previous portions) homogeneously. A good mixing of the fluid supplied by the pump on the output side has a particularly good effect on the reproducibility and the measurement and separation accuracy of the chromatographic separation.
Ein Hochleistungschromatografie-System gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Pumpvorrichtung zum Bewegen einer mobilen Phase, eine stationäre Phase zum Trennung von Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit und ein Ventil, das sich in einem Flusspfad der mobilen Phase befindet, auf. Die Pumpvorrichtung kann dabei eine oder mehrere Pumpen entsprechend der genannten Ausführungsbeispiele aufweisen. Das Hochleistungschromatografie-System kann ferner einen Probeninjektor zum Einbringen der Probenflüssigkeit in die mobile Phase, einen Detektor zum Detektieren separierter Komponenten der Probenflüssigkeit und/oder einen Fraktionierungsgerät zur Ausgabe getrennter Komponenten der Probenflüssigkeit aufweisen. A high performance chromatography system according to the present invention comprises a mobile phase moving pump apparatus, a stationary phase for separating components of a sample liquid introduced into the mobile phase, and a valve located in a mobile phase flow path. The pump device may have one or more pumps according to the aforementioned embodiments. The high performance chromatography system may further include a sample injector for introducing the sample liquid into the mobile phase, a detector for detecting separated components of the sample liquid, and / or a fractionating device for dispensing separate components of the sample liquid.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf Basis vieler der bekannten HPLC Systeme ausgeführt werden, wie z.B. den Agilent Infinity Serien 1290, 1260, 1220 und 1200 der Anmelderin Agilent Technologies, Inc., siehe www.agilent.com. Embodiments of the present invention may be practiced on the basis of many of the known HPLC systems, such as the Agilent Infinity Series 1290, 1260, 1220 and 1200 of the Applicant Agilent Technologies, Inc., see www.agilent.com.
Als mobile Phase (oder Eluent) kann ein reines Lösungsmittel oder eine Mischung verschiedener Lösungsmittel, welches in der Vorratsflasche vorgegeben oder auch aus verschiedenen Vorratsflaschen angesaugt wird, verwendet werden. Die mobile Phase kann so gewählt werden, um die Retention von interessierenden Komponenten und/oder die Menge der mobilen Phase zum Betreiben der Chromatografie zu optimieren oder für den Zweck zu minimieren. Die mobile Phase kann auch so gewählt werden, dass bestimmte Komponenten effektiv getrennt werden. Sie kann ein organisches Lösungsmittel, wie z.B. Methanol oder Acetonitril, aufweisen, das oft mit Wasser verdünnt wird. Für einen Gradientenbetrieb für den „reversed phase“-Modus werden oft Wasser und ein organisches Lösungsmittel (oder bzw. andere in der HPLC üblichen Lösungsmittel) in ihrem Mischverhältnis über der Zeit variiert. Gängig ist auch die IEC-Anwendung mit Salz- oder Puffer-Gradienten oder die kontrollierte Zugabe von Modifiern, wie z.B. geringe Mengen von Säuren. As a mobile phase (or eluent) can be a pure solvent or a mixture of different solvents, which is given in the storage bottle or sucked from different storage bottles, are used. The mobile phase can be chosen to optimize or minimize for the purpose the retention of components of interest and / or the amount of mobile phase for conducting the chromatography. The mobile phase can also be chosen to effectively separate certain components. It may be an organic solvent such as e.g. Methanol or acetonitrile, which is often diluted with water. For a gradient mode for the "reversed phase" mode, water and an organic solvent (or other solvents common in HPLC) are often varied in their mixing ratio over time. Also common is the IEC application with salt or buffer gradients, or the controlled addition of modifiers, e.g. small amounts of acids.
Das oder eines der vorab erläuterten Verfahren kann durch eine Software ganz oder teilweise unterstützt werden, wenn diese auf einem Datenverarbeitungssystem, wie einem Computer oder einer Workstation, abläuft. Die Software kann dabei oder dazu auf einem Datenträger gespeichert werden kann oder aus dem weltweiten Netz (z.B. dem Internet) gespeist werden. The or one of the above-described methods may be wholly or partially supported by software when running on a data processing system such as a computer or workstation. The software may or may not be stored on a data carrier or supplied from the worldwide network (e.g., the Internet).
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen. The invention will be further explained below with reference to the drawings, wherein like reference numerals refer to the same or functionally identical or similar features.
Die
Im Einzelnen zeigt
Die mobile Phase kann aus nur einem Lösungsmittel bestehen oder aus einer Mischung unterschiedlicher Lösungsmittel. Das Mischen kann bei Niederdruck und vor der Pumpvorrichtung
Eine Datenverarbeitungseinheit
Die Pumpe
Die Pumpkammer
In
Ein Rückholmechanismus
Das in
Durch das Anbringen bzw. Integrieren des aktiven Mischelements
Das Einbringen des aktiven Mischelements
In dem Ausführungsbeispiel nach
Das Flügelelement
Das Antriebselement
Die
In einer weiteren, in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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