專利名稱：用于色譜柱的自動填充系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于色譜柱的介質填充系統和在色譜柱內使用的介 質填充方法。更準確地說，本發明涉及將色譜介質填充入色譜柱的填充 裝置和方法的改進。
背景技術：
用于液相色譜的柱典型地包含封裝有多孔層析介質的管狀主體，載 液流經多孔層析介質，用于在載液與多孔介質固相之間進行分離。典型 地是，多孔介質以填充床的形式封裝在柱內，典型地是通過離散微粒固 化形成，已知的是將料漿進行泵送或者注入或者吸入柱內，并且通常是 從一端進行上述操作。料漿固化為填充柱床是通過料漿的壓縮取得的，以便使其填充的體 積小于如果是僅在重力的作用下經沉積而形成的沉積柱床所占據的體 積。隨后色譜分離的效率強烈依賴于填充床的液相進口和出口處的液相 分配和收集系統。如果壓縮柱床的壓縮過低，則色譜分離的進行將承受"尾部效應"。如果壓縮柱床的壓縮過高，則色譜分離的進行將承受"頭 部效應"。如果進行最優的壓縮，在分離過程中的分離頂點既不會出現頭 部，也不會出現尾部，而基本上是平衡的。柱所需要的的最佳程度壓縮 是根據柱大小(寬度或者直徑)、床高度和床介質，通過實驗確定的。在任何分離過程之前，柱床毫無疑問是從準備將要被引入柱內的料 漿顆粒開始。柱床的形成過程被稱為"填充過程"，并且恰當的填充床是 影響的包含填充柱床的柱的性能的關鍵因素。填充過程的目標在于提供 經過最優量壓縮(最優的壓縮系數)的壓縮床。柱床經最優壓縮的高度 稱為目標壓縮柱床高度。大規模的柱優選的是經由中心料漿噴口將具有 指定的介質顆粒濃度的料漿注入柱內。
一旦預定用量的料漿已經注入柱通常壓縮以等速進行，例如l厘米/分鐘。在此過程中，過多的液體從 柱出口排出，而顆粒通過過濾材料得到保留，過濾材料^f皮稱為"柱床支 承"，并且其孔小得致使顆粒不能穿過。 一旦填充床經過最優量的壓縮，填充過程就完成了 。如果壓縮柱床具有以分布在柱床上的駐留時間計量 的良好且堅固的色譜性能，就認為填充過程獲得了成功。然而，在在實踐中生產出此種經最優化壓縮的柱床是不容易的。柱床的填充至今祐:認為是一種技藝，而非是一門科學，并且最終填充床的 品質也依賴于操作者控制柱填充的技巧。此種情形的一個原因在于難以 確保給入柱內的實際料漿濃度與經計算得出的應當給入柱內的指定濃度 精確地保持一致。實際料漿濃度與指定料漿濃度之間的任何差異都會導 致實際的柱床高度不同于目標柱床高度和/或柱床的實際壓縮量不同于 指定的壓縮量。在給入以及隨后柱的填充過程中，操作人員手動地選擇 和調整諸如流速、適配器移動速度和柱床壓縮量之類的參數，并且必須 判斷適配器開始進行柱床壓縮的點。此點用于計算適配器進一步需要作 多少移動，從而能夠獲得所需要的壓縮量。對于填充參數的任何錯誤選 擇都會導致色譜柱分離性能的削弱。特別困難的是，難以通過肉眼判斷 柱床實際壓縮的開始時刻，在此點上的顯著誤差使得不可能獲得最優的 壓縮纟主床。已經報道了自動進行填充壓縮的系統。迄今，EP 1698895 (Millipore 公司)描述了一種在介質床上進行壓縮的方法，包括使用測壓元件和壓力 傳感器從而計算介質床上的壓力；然后將此計算值與所需要的最優的壓 力進行比較，并據此在柱內改變致動器/適配器的位置。如在此處和隨附的權利要求中所使用的那樣術語"流體系統，，是 指流體在腔室中進入或者排出的裝置，在此區域大約橫向上流經腔室。 術語"腔室"是指包括術語"容器"和"柱"在內，以及其它任何的分 離領域的人員通過將混合物與固體或液體交換介質相接觸，從混合物中 進行分離和/或反應和/或催化和/或提取成分，其中交換介質通稱稱為填 充床。斷面區域(或者范圍，或者部分)是指腔室內由腔室的橫向斷面(典 型的大約在普通的)流經腔室的縱向流動方向。"流體的縱向，，是指在腔 室內從進口朝向出口的流動方向。"縱向，，始終是指在不考慮方向的情況 下流經腔室的主要流動路徑。"流動連接系統"是指在流體管路中連接兩 點的通道或者路徑系統。"分配系統"是指流體通過其進入腔室的結構。 "收集系統，，是指從腔室集中流體的結構，也就是在各種情況下從斷面 區域集中流體的結構。"沉積床高度"是指在柱中的流體和介質顆粒內的柱床介質顆粒僅在重力的影響下形成的柱床媒體介質床的高度，此時形成的柱床稱為"沉 積柱床"。"壓實柱床高度"是指介質顆粒料漿在重力和附加的施加于柱 床顆粒上的向下壓力的作用下形成的介質顆粒柱床的高度，所述的附加 的力是指可移動的適配器朝向柱床的移動和/或流體泵或者經過柱床抽 吸而產生，此時的柱床稱為"壓實柱床"。"壓縮柱床高度，，是指壓實柱床經壓縮后，例如可移動的適配器 的接觸以及進一步的運動之類，或者以比柱床的壓實過程中更高的速率 進行泵抽，在柱內的柱床介質顆粒所形成的柱床高度，此時的柱床稱為 "壓縮柱床"。 發明內容本發明的目標在于提供一種用于將填料介質填充至柱內的柱填充系 統和方法，該柱填充系統和方法能夠克服現有技術中柱系統的缺點。 本發明的實施例在從屬權利要求中進行了限定。 進一步的改進描述于權利要求中。根據本發明的裝置和方法的 一個優點在于，它們所提供的柱床填充 至最優的壓縮系數。此種裝置和方法更進一步的優點在于，它們允許以 可再生的和可控制的方式填充色譜柱。


附圖1顯示了根據本發明的介質填充系統實施例的示意性側視圖， 附圖2顯示在恒定的適配器速度下填充介質床的過程中，柱內壓力 與時間的曲線圖。
具體實施方式
.附圖1示意性地顯示了4艮據本發明的一個實施例的自動化柱填充系 統，為了便于描述本發明的原理，其中與本發明無關的部件進行了省略。 系統1包括柱3，該柱3包括上蓋或者凸緣5a，以及下端板5b，并且 由圓筒柱壁7所環繞。定位在柱3內的蓋或者凸緣5a與下端板5b之間 的是可移動的適配器9(可以具有樣本分布系統，未顯示，用于將流入的 液體實質上均勻地分配在柱3的斷面上，以及柱床支承，未顯示，該柱 床支承延伸超過柱的斷面，并且具有細小的篩孔，足以阻止柱床顆粒從篩孔中通過)，可移動的適配器9連接到柱入口 11，柱入口 ll連通供給 諸如樣品混合物、洗提液、緩沖液等液體(未顯示)。可移動的適配器通 過致動器13沿著柱的縱向移動，致動器13諸如是電機或者活塞/油缸促 動器，并且支承于穿過柱壁5的上端的框架14。提供了可移動適配器的 位置傳感裝置16，從而確定可移動的適配器相對于固定水平的位置 ("x")，例如下端板5b的上側，并且將與距離x相應的信號傳送至 控制單元15。致動器13的運行和相應的可移動的適配器9的向上或者向 下的運動經由自動化控制單元15進行控制。控制單元15優選的是包括 用于控制柱3運行的硬件和軟件。控制單元控制閥的開啟和關閉以及可 移動的適配器的速度和可移動的適配器的運動量。控制單元15連接至壓 力傳感器18，并且能夠接收和記錄來自于壓力傳感器18的信號，壓力傳 感器18能夠測量柱內的流體的壓力，為了簡便起見，在下文中稱為柱內 壓力。下端板5b支承流體收集系統17,流體收集系統17通向環紋導管19。 收集系統17定位于柱床支承21和環紋導管19之間，并且用于均勻地收 集柱斷面之上的流體，并將其輸送至環紋導管19。環紋導管19連接至流 動相出口 20，在流動相出口 20將流動相輸送至遠離柱的地方，以^f更作進 一步處理。柱床支承21用于承受柱內柱床的重量，并且阻止柱床介質從 柱內流失。柱床支承21例如可以是具有孔的柵或者網，該孔小的足以阻 止柱床介質從柱床支承中通過。下端板5b進一步包括中心孔23，活動噴 管裝置25插入并支承在中心孔23內。噴管裝置包括經由管道29連接的 就地清洗(CIP )噴口 27，以及遙控閥31,用于系統內清洗液的再循環。 再循環閥31由控制單元15進行控制。噴管27與柱床支承21構成防漏 緊密結合，以及封閉中心孔23,噴管27可從關閉位置伸出至開啟位置， 并在開啟位置伸出，穿過柱床支承21進入由柱床支承21與可移動的適 配器9之間形成的柱的內腔35。中心孔23由環紋導管19圍繞，環紋導 管19連接至介質管39,介質管39連接至管道43，管道43連接至料漿 罐閥45及料漿罐47,并且經由排水閥49至排放51。當噴管處于開啟位 置時，環紋導管19與柱內腔35流體連通，當噴管27縮回至關閉位置時， 環紋導管19阻塞與柱內腔35的流體連通。為了填充具有柱床介質的柱，控制單元針對相關的介質信息進行編 程，相關的介質信息諸如所需要的填充床高度(可以不同于獲得的實際填充床高度)，假定的料漿濃度，或者給入柱內的料漿體積(具有在實踐 中假定能夠獲得的指定的粒子濃度)，用于生產壓實床的適配器下降速 度，表示壓縮系數的值-所需要的具有最佳性能的壓實床的壓縮量。使用以下公式可以計算目標壓縮床高度目標壓縮床高度等于在適配器開始 壓縮壓實床時的壓實床的高度除以壓縮系數。例如如果適配器開始進 行壓縮時，壓實床是lm高，而壓縮系數是1.15,從而壓縮床高度為lm /1. 15=86. 96厘米高。典型的壓縮系數在1. 01-2的范圍內，依賴于柱的 尺寸、類型和柱床介質的顆粒尺寸，以及壓實床高度。預定用量的包含 柱床介質顆粒的料漿被引入柱內，例如在控制單元15的控制下，通過 舉升可移動的適配器將料漿吸入，此時料漿罐閥45開啟，噴管27處于 伸出并開啟的位置，并且再循環閥31關閉，這使得料漿被從料漿罐47 通過料漿閥45，沿著管道通過孔39，并且穿過環紋導管19進入內腔35。 當適配器9到達能夠將所需要量的料漿吸入柱內的距離x時，控制單元 15停止可移動的適配器。在填充模式中，介質閥的介質開口 37通過縮回噴管27和關閉料漿 罐閥45進行關閉。流動相出口20開啟，從而允許過量的流體離開柱。 可移動的適配器9以以等速向下移動(例如在每分鐘0. 5 - 10厘米之 間)，當其下降至壓實床，并且開始對其進行軸向的壓縮時-此位置稱為 "斷點"。附圖2顯示了柱內壓力與時間之間的曲線圖，適配器在系統的 柱內朝向柱的末端以等速下降。附圖2顯示了適配器下降的特征是，在A 區域內柱內壓力穩定增加，在B區域內柱內壓力增加得較少或者保持恒 定(壓力增加相應于柱床的壓實程度，以及恒壓部分描述了在現有的適配 器速度和流過柱內的情況下，柱床不再進一步的壓實)，隨后，柱內壓力 在C處急劇降低。適配器在柱內壓力開始突然減小的位置相應于適配器 開始壓縮壓實床的時刻，并且定義為"斷點"。柱內壓力在突然減少之后， 接著是柱內壓力的增加，此時增加的速率高于柱床在壓實的過程中增加 的速率。控制裝置15記錄并監測來自于壓力傳感器18的信號，還記錄 了可移動的適配器在壓力開始下降時的位置，壓力開始下降時的位置相 應于斷點發生的位置。控制裝置15計算可移動的適配器從斷點至獲得需 要的柱床壓縮時必要的移動。控制裝置15然后控制可移動的適配器9的 運動，使得其向下移動必要的距離以壓縮柱床，從而獲得目標壓縮柱床 高度和所需要的柱床壓縮。在根據本發明的自動化柱填充系統的第二個實施例中，該系統具有用于測量流出柱的流速的測流裝置。除了以諸如流量計53(顯示于附圖1 中的虛線)之類的測流裝置替代了壓力傳感器18以外，此種系統基本上 與本發明的第一個實施例中所描述的系統相同，其中流量計53定位于能 夠精確測量流出柱的流體的位置上，例如流動相出口20。除了控制裝 置15記錄和監測來自于流量傳感器53的信號外，該系統的操作方式近 似于根據本發明的第一個實施例中所描述的系統。控制裝置15記錄可移 動的適配器的位置，在該位置上流體開始急劇的減少。流量減少發生在斷點位置。控制裝置15計算移動可移動的適配器從 斷點至獲得所需要的柱床壓縮必要的移動距離。然后，控制裝置15控制 可移動的適配器9進行移動，使得可移動的適配器9向下移動必要的距 離，對于柱床進行壓縮，從而獲得所要求的柱床壓縮。根據本發明的第三實施例，自動化的柱填充系統同時具有壓力傳感 器18和測流裝置53。在本實施例中的控制裝置15記錄和監測柱內壓力 及流出柱的流量。通常情況下，柱內壓力和柱內液體流的縮小的開始是 由于此時發生的柱床壓縮的開始，并且控制裝置對于處于斷點時適配器 此刻的位置進行記錄。然而，應當認識到來自于壓力傳感器或者測流 裝置的一個或其它的信號存在一個延遲，使得所記錄的壓力或流量的減 少比另外一個超前。在此種情況下，控制裝置可以進行編程以記錄第一 個顯示了相應于斷點的減少的已檢信號，或者進行編程以記錄第二個顯 示了相應于斷點的減少的已檢信號。作為進一步的選擇，例如可以編 程選取適配器位于顯示斷點位置減少的兩個信號到達時間的中間位置。盡管本發明已經通過實施例進行了說明，在該實施例中料漿是通過 移動可移動的適配器吸入柱內的，但是還應當認識到可以直接將料漿 泵入柱內。此外，還應當認識到在固化柱床和壓縮澄清床的過程中， 能夠以非恒定的速度移動適配器，在柱床固化的起始階段，適配器的速 度為10厘米/分鐘，在適配器估計的澄清床的高度時，降低適配器的速 度，然后，在例如0. 5厘米/分鐘的低速下，連續降低適配器。所述及的 適配器速度僅作為說明性的例子，任何適當的適配器速度都可以采用， 例如從低于0. 5厘米/分鐘(例如0， 1厘米/分鐘)至超過10厘米/ 分鐘(例如12.5厘米/分鐘)。此種適配器自身速度的減少，能夠導致 柱內的壓力或者流量的減少。此外，柱床的壓縮可以通過在泵入流體穿過柱床的同時朝向柱床移 動適配器獲得。泵送穿過柱床的流量的減少自身導致柱內壓力或流量的 減少。因此，應當對軟件進行編程，使其能過區別由適配器速度減小所 導致的流量和/或壓力的預期和連續的減少，以及由于柱床壓縮的開始所 導致的斷點處流量和/或壓力的瞬時減少。此外，應當認識到根據本發明的填充系統具有手動控制，以便允 許操作人員在填充過程中的某些或全部過程中控制適配器的速度，以及 軟件用于監測適配器的和計算。所計算的斷點位置可選擇的是具有用于 獲得所需要的壓縮系數的適配器預計位置的信息，所計算的斷點位置能 夠提供給隨后對適配器的運動進行控制的操作人員，直到適配器到達與 所需要的柱床壓縮相應的位置時為止。本發明已經通過實施例進行了說明，在實施例中的柱是柱狀的，并 具有不變的直徑，使得在柱內容積與柱床高度之間具有線性關系，還可 以認識到本發明還能夠應用其它的柱體形狀，其柱內容積與柱床高度 之間的關系是非線性的。本領域的熟練技術人員能夠從本發明前文所述的教導中獲益，并對 其進行多種修改。應當認為本發明的隨附的權利要求中所申明的范圍將 這些修改包括在內。
權利要求
1、一種柱填充系統，包括具有縱軸的柱，用于感測柱內壓力的。壓力傳感器和/或用于測量從所述的柱流出的液體流的測流裝置，以及可移動的適配器，所述的可移動的適配器被控制單元監測時可移動，所述的系統包括壓縮裝置，包括自動化的軟件和硬件，并在所述的柱內沿著所述的柱的縱軸壓縮柱床介質壓實床，從而形成壓縮預定量的壓縮填充床，其中所述的控制單元具有軟件，用于監測和分析來自于所述的壓力傳感器和/或測流裝置的信號，從而確定當所述的可移動的適配器開始壓縮所述的壓實床時的斷點，當所述的柱的內部壓力減小和/或從所述的柱流出的流體的流速減小時，確定所述的斷點的產生。
2. 如權利要求1所述的柱填充系統，其中所述的軟件適于計算出。 距離，所述的距離是所述的可移動的適配器必須從所述的斷點移動，從 而獲得預定量的柱床壓縮，以及所述的軟件能夠控制所述的可移動的適 配器到達與所述的距離相應的位置的運動。
3. 如權利要求1所述的柱填充系統，其中所述的軟件適于產生與所述 的斷點的位置相應的操作者可讀信號。
4. 如權利要求1所述的柱填充系統，其中所述的軟件適于計算出距 離，該距離是所述的可移動的適配器必須從所述的斷點移動，從而獲得 預定量的柱床壓縮，以及所述的軟件能夠產生與所述的距離相應的操作 者可讀信號。
5. 如權利要求1所述的柱填充系統，其中所述的柱是色譜柱，以及所 述的柱床包括色譜介質。
6. —種柱填充的方法，包括提供具有自動化控制單元的柱填充系統，所述的控制單元包括自動化 的軟件和》更件；提供的所述的柱填充系統具有用于感測柱內壓力的壓力傳感器，所述 的壓力傳感器適于產生壓力信號，所述的壓力信號能夠由所述的自動化 控制單元進行監測；和/或提供的所述的柱i真充系統具有測量,人所述的柱流出的液體流的測流 裝置，所述的測流裝置適于產生流速信號，該流速信號能夠由所述的自 動化控制單元進行監測，利用所述的控制單元監測可移動的適配器在包含有柱床介質的壓實床的柱內的運動，以及對柱內壓力和從所述的柱內流出的流體的其中之一進行檢測；以及利用所述的控制單元分析來自于所述的壓力傳感器的壓力信號和/或 來自于所述的測流裝置的流速信號，當所述的可移動的適配器開始壓縮 所述的壓實床，確定所述的斷點，當所述的柱內壓力信號和/或所述的流 速信號減小時，確定所述的斷點。
7. 如權利要求6所述的方法，進一步包括下列步驟，在確定所述的斷 點后，用所述的軟件計算出距離，所述的距離是所述的可移動的適配器 必須從所述的斷點移動，從而獲得預定量的柱床壓縮，以及所述的軟件 移動所述的可移動的適配器到達與所述的距離相應的位置。
8. 如權利要求6所述的方法，進一步包括下列步驟，產生與所述的斷 點的位置相應的操作者可讀信號。
9. 如權利要求8所述的方法，其中還包括計算出距離，該距離是所述 的可移動的適配器必須從所述的斷點移動，從而獲得預定量的柱床壓縮， 以及產生與所述的距離相應的操作者可讀信號。
10. 如權利要求1所述的柱填充方法，其中所述的方法運用于色譜柱 中，以及所述的柱床包括色譜介質。全文摘要
一種柱填充系統，包括具有軟件的控制單元，用于監測柱內壓力和/或流經柱的流量，以便計算可移動的適配器與柱床介質的壓實柱床進行接觸的斷點。所計算的斷點經由控制單元確定可移動的適配器如何在柱內作進一步移動，從而獲得所需要的柱床壓縮量。
文檔編號G01N30/56GK101238366SQ200680026430
公開日2008年8月6日 申請日期2006年10月20日 優先權日2005年10月21日
發明者K·溫達爾 申請人:通用電氣健康護理生物科學股份公司