CN1090041C - 液相色谱分离柱管 - Google Patents

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Abstract

一种色层分离套筒总成(12)包括一柱管(22)，它带有一限定一个室的柔性壁，和包含在该室内的多孔、聚合、亲水色层分离介质。该色层分离介质的工作压力高于3巴。柔性壁有一移动隔板用以压缩色层分离介质。该色层分离套筒总成(12)包括一分流器、集流器、以及由亲水材料做成的网筛。一压缩模件(20)限定了一包含压缩流体的压力室。该压缩流体负责驱动柱管总成(12)的柔性壁。压缩模件(20)的额定压力高于3巴。

Description

液相色谱分离柱管
本发明涉及可用于生命分子分离的液相色谱分离柱管。
用于生命分子分离的液相色谱分离法(液相色层分离法，liquidchromatography)所使用的基体材料必须是亲水性材料以防止生命分子变质导致在基体材料上的沉淀和非确定性的吸附。用于生物分离的标准基体材料都是如琼脂糖的软凝胶，其额定压力值达到3巴。这限制了用于工作流体的压力，从而限制了分离的速度。传统做法是把基体材料填充在玻璃或不锈钢壳体内。
材料技术的进步导致了一种新的聚合、亲水硬性支撑基体的研制成功，这种基体具有高得多的压力值并可获得较好的分辨率。这些材料包括：EmphazeTM，POROS，HyperDTM，Fractogel以及SourceTM。
总地说，本发明的特征在于，一种色层分离套筒总成，它包括带有限定一个室的柔性壁的一个套筒，和一种包含在该室内的聚合、亲水性色层分离介质。该色层分离介质的额定工作压力高于3巴，柔性壁形成一可移动隔板用以压缩色层分离介质。
在优选实施例中，该介质的颗粒尺寸在约15-200微米的范围内。色层分离介质选自下述一组材料：EmphazeTM，POROS，HyperDTM，SourceTM，Toyopearl以及Fractogel介质。色层分离套筒总成包括分流器，集流器和由亲水材料做成的网筛。在分流器与柔性壁的内表面之间以及集流器与柔性壁内表面之间有密封件，该密封件是O形圈或通过将分流器和集流器焊接到柔性壁内表面而形成。可移动隔板径向压缩色层分离介质。套筒直径至少约3英寸。
根据本发明另一方面，一种色层分离装置包括一包围套筒总成的压缩模件。该压缩模件定义了一压力室以盛装压缩流体。该压缩流体负责驱动套筒总成的柔性壁。
在优选实施例中，色层分离装置包括第一和第二端盖用以将色层分离套筒总成保持在压缩模件之内。端盖定义了工作流体流动的通道。分流器包括与第一端盖在一直线上的一个进口。分流器进口和第一端盖的通道定义了工作流体的进口通道。第一端盖有一位于该第一端盖与分流器之间的密封件用以防止工作流体从进口通道泄漏。集流器包括与第二端盖在一直线上的一个出口。该集流器出口和第二端盖通道定义了工作流体出口通道。第二端盖有一位于该第二端盖与集流器之间的密封件用以防止工作流体从出口通道泄漏。这些密封件保证了压缩模件在使用中不受工作流体的污染。一个压力源接到压缩模件。压缩模件的额定压力值高于3巴，并且最好是高于10到15巴。
根据本发明另一方面，色层分离套筒总成包括一柔性壁套筒，它限定了一个室用以盛装色层分离介质，所述柔性壁形成一可移动隔板，用于径向压缩所述色层分离介质；一分流器，用于沿该室的横截面对工作流体进行分流；一集流器，用于沿该室的横截面收集工作流体；以及两个网筛，各在该室的一端。用以将色层分离介质保留在该室内。网筛可阻止介质的通过却允许工作流体通过。该分流器，集流器，以及网筛都由亲水材料做成。
在优选实施例中，所述分流器由亲水材料做成，该亲水材料的表面能量高于约36dyn/cm，此亲水材料基本上避免生命分子粘附到所述分流器。
根据本发明的另一方面，一种色层分离方法包括提供一色层分离套筒总成，对色层分离介质施以压缩压力，以及在以含水溶剂中供以压缩生命分子样品。
在优选实施例中，该样品在高于3巴的压力下供应。该压缩压力在径向方向上施加给色层分离介质并且高于或等于样品的压力。
根据本发明的另一方面，一种恢复含有捕获空气的填充柱管的方法包括施加压缩压力，例如沿径向方向，给色层分离介质以最大程度地减小捕获空气的体积。
优点包括，生命分子液相色谱分离方法工作流体的压力高于3巴。用于色谱分离总成的材料可防止生命分子的沉淀和非确定性吸附。压缩模件***内的套筒允许湿组件被取出更换以及对于不同分子压缩模件可重复使用而没有横向污染。
本发明的其它优点和特征将通过下面对其优选实施例的描述及其权利要求变得一目了然。
首先描述附图。
图1是根据本发明的色层分离装置的示意图；
图2是本发明的压力模件的局剖横截面侧视图；
图2A是图2中压力模件的顶视图；
图2B是图2中压力模件的夹紧区的放大视图；
图3是本发明的套筒总成的局剖横截面侧视图；
图4是本发明的分流器及网的横截面侧视图；
图4A是图4中分流器沿4A-4A线剖取的截面视图；
图5是本发明的一种密封方法的放大示意图，和
图6是本发明的另一种密封方法的放大示意图。
图1示出了在含水溶剂中进行生命分子如蛋白质、低聚糖(oligosaccharides)，大DNA分子以及病毒粒子(viral particle)的色谱分离的一种装置10。术语“生命分子并不包括合成有机化学物质、小线肽(small linearpeptide)，或手性化合物(chiral compound)。装置10包括色谱分离总成12和溶液输入罐2、负载罐3以及用于在压力下将工作流体沿工作进入通道14输送到色谱分离总成12的***泵4。输出管线5从色谱分离总成12引到产物收集容器6和废物接收器7。水过滤器、气泡捕获及监测器8(用于监测例如压力、导电率和pH值)位于工作流体进入通道14沿线上。用于监测例如压力、导电率、pH值以及UV吸附的监测器9位于输出管线5的沿线上。旁通柱管16使***在旁通色谱分离总成时得到清洗。阀15控制工作流体的流动。
参看图2-2B。色谱分离总成12包括压缩模件(compression module)20和套筒总成(cartridge assembly)22。压缩模件总成20包括壳体30，它由，例如不锈钢或铝做成，并限定了一个缸筒区域32，其内含有施径向压缩压力给套筒总成22的流体。一种可压缩或不可压缩流体可用于给套筒总成22施以径向压缩压力。
给色谱分离套筒施以径向压缩的应用在麦克唐那德(McDonald)的美国发明4,250,035中有过描述，此处用作参考。简言之，在一液相色谱分离柱管内，一种固定相如石英被填充在一具有柔性壁的套筒内。通过在套筒上施加径向压力，可以避免填充层内的空隙，并可克服壁内通道效应。于是，柱管的填充效率提高，重复性更强，并且在同类填充柱管中和给定填充柱管的有效寿命内都可获得更高的柱管性能的均匀性。
参看图1和图2A，壳体30包括流体进口34；用于卸掉缸筒区域32内压力的减压阀36。以及压力指示器38。施加给套筒总成22的径向压缩压力由给流体进口34输送流体的压力调节器或泵(未示出)控制，通过套筒总成的溶剂流动速率由泵4控制。连接到壳体30上的安装臂74可用于把色谱分离总成12安装到实验台架上。
可拆卸端盖40，42把套筒总成22定位在压缩模件20内。如图2B所具体示出，端盖42用卡圈44安装到壳体30上。(同样，端盖40用卡图46安装到壳体30上)。卡圈调紧器48，50分别用来调紧卡圈44，46。在更高的压力下，调紧器可用螺栓代替以满足规范要求。如图2B所示，各端盖40、42与壳体30之间用O形圈52密封以防止压缩流体从区域22中泄漏出来。如图2所示，端盖40，42与套筒总成22之间分别有O形圈53，55密封，从而将压缩流体与工作流体分开。
进口连接器60限定了通道61，该通道伸到由端盖40限定的工作流体进入套筒总成22经由的进口通道62。控制收紧器64用于打开和关闭通道61。由端盖42限定的出口通道66伸到一出口连接器68，该连接器限定了工作流体流出套筒总成22经由的通道69。进口和出口通道62、66分别包括O形密封圈70、72用于它们与套筒总成22之间的密封。端盖40、42最好由亲水材料如不锈钢做成以防止生命分子沉淀在通道62、66表面。密封圈70、72阻止工作流体沿端盖40与套筒总成22间的界面73以及沿端盖42与套筒总成22间的界面75流动，从而最大程度地减少了工作流体接触到有微生物生长和吸附的死区及狭缝。
参看图3，套筒总成22具有部分地限定了一介质室82的一柔性壁80。柔性壁80进一步限定了端盖接收孔84、86。介质室82的上下端88、90分别由流动总成92、94限定。上流动总成92包括一分流器100和一网筛102，如一网片(mesh)或一过滤板(frit)。由于网片较小的表面积限制了生命分子的吸附，因此网片最好覆在一过滤板上。下流动总成94包括一集流器104和一网筛106。分流器100、集流器104以及网筛102、106最好由表面能量高于36dyn/cm的亲水材料做成，如聚酰酯、聚乙烯对酞酸酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、以及聚苯乙烯，以限制生命分子粘结在表面和堵塞网筛。
参看图4和图4a，网筛102沿分流器100的外周缘焊接在分流器100上。沿周缘103的焊缝允许工作流体通过网筛102但不能绕其流动，并阻止介质颗粒沿网筛102泄漏进入分流器100。类似地，网筛106焊接在集流器104上。
工作流体通道由进口通道62到分流器100的进口110。从进口110到出口114有多条流动通道112，所述实施例中有8条通道。出口114将流动通道112连接到负责分配工作流体的通道网络116。筛网102最好有一约20-40微米的孔径以使工作流体通过而阻止色层分离介质通过。集流器104和网筛106同分流器100和网筛102一样。集流器104和网筛106的安装应使工作流体首先通过网筛106，然后通过通道网络116，最后在进口110处被收集。
图5中示出了另一种密封方式，它还限制了能捕获工作流体的空穴及死区。此处，一位于分流器100和套筒壁80之间的O形密封圈121阻止了工作流体沿分流器边缘123流入能捕获工作流体的狭缝。类似地，集流器104与套筒壁80之间也可布置一O形密封圈。另外，参看图6，分流器和/或集流器可在沿边缘123的130及两侧部分132、134处焊接到套筒壁上，从而形成一低死区密封。
下面列出了使用铝压缩模件20的色谱分离总成12可达到的额定工作压力(工作流体流动压力)。对不可压缩流体，工作压力可等于压力模件的额定压力。对于可压缩流体，工作压力低于压力模件的额定压力约1-6巴，因为施加在套筒上的压缩压力高于工作流体压力以维持套筒的整体性。根据管壁厚度并用不锈钢代替铝后可获得更高的额定压力。
    压缩模件20的直径(mm)     压力(巴)
            75      20-35
            100      14-23
            150      10-17
            300      6-14
            400      4-10
再来看图3，色层分离介质120由上下网筛102、106包含在介质室82内。由于最近材料技术上的进步导致了具有高额定压力的新的亲水性硬性支撑基体的发展。色谱总成12可获得的高额定压力以及套筒总成22的关键部件采用的亲水材料能够实现快速、高分辨率的生命分子分离。合适的色层分离介质基体包括：Pierce的EmphazeTM，PerSeptive Biosystems的POROS，BioSepra的HyperDTM，瑞典Pharmacia Biotech的SourceTM，TosoHaas的Toyopearl，以及德国E.Merck的Fractogel。上面所列出的介质的颗粒尺寸在15-100微米范围内，不过，介质可有更大的颗粒尺寸，达到至少约200微米。
各种材料的额定压力值及其功能列于下面。所有介质的额定压力值或高于3巴，或高于5巴，有一些达到约50巴，还有一个高于150巴。
    基体   压力额定值(巴) 可用功能
    POROS        100 离子交换、疏水相互作用、亲和作用
  HyperDTM        200 离子交换、亲和作用
  EmphazeTM        7 亲和作用
  Fractogel        10 离子交换、疏水相互作用、亲和作用
 Toyopearl       至少7 离子交换、疏水相互作用、亲和作用
  SourceTM        50 离子交换、疏水相互作用
施加在色层分离介质上的径向压力应至少等于工作流体的流动压力以维持柱管的整体性。当使用可压缩流体时，所施加的径向压力在高于工作压力约1-6巴的范围内。
色谱分离总成12上与工作流体曝露接触的表面包括套筒22、分流器100、集流器104、网筛102和106、以及端盖40和42。如前所述，分流器、集流器以及网筛都由亲水材料做成，以防止生命分子沉淀和非确定吸附。由于不锈钢对氯腐蚀的化学阻力较小及其敏感性，网筛最好用聚合物做成而不用不锈钢。因为套筒22暴露于工作流体的表面积远远小于分流器、集流器以及网筛的表面积，所以，套筒22可用亲水性较低的材料如聚乙烯(PE)做成，其表面能量为35.7dyn/cm(直链聚乙烯)或35.3达因/cm(支链聚乙烯)。不过，为了最大程度地减少生命分子在套筒上的沉淀和非确定吸附，套筒22最好还是用亲水性较强的材料。端盖40、42最好用不锈钢。
密封圈53、55、70、72确保了压缩模件20在使用中免受工作流体的污染。套筒总成12上具有润湿表面的组件可更换，而同一压缩模件20可与新样品一起使用且不会发生交叉污染。
可以理解，可用单个插塞限定通道62、66，从而可使端盖40、42不暴露于工作流体，而在样品运行中只需将插塞取下更换或清洗。
已发现径向压缩可使填充过的柱管重新投入使用。介质中捕获的空气会引起填充层碎裂及色谱分离的效率丧失。而通过对柱管施加径向压力，可将空气的体积减至最小，从而可最大程度地降低空气捕获效应而柱管的性能却下降很少或根本不下降。
本发明的其它实施例在后附的权利要求范围之内。

Claims (18)

1.一种色层分离套筒总成，用于分离生命分子，包括：
套筒，它限定一用于盛装色层分离介质的室；和
一分流器，用于将工作流体分散横穿所述室的横截面；
一集流器，用于收集来自横穿所述室的横截面的工作流体；
两个网筛，各在所述室的一端，以将色层分离介质保留在所述室内；
盛装在所述室内的色层分离介质；
所述分流器由亲水材料做成，其具有大于36dyn/cm的表面能，此亲水材料避免生命分子粘附到所述分流器。
2.如权利要求1所述的色层分离套筒总成，其中，所述集流器由亲水材料制成，该亲水材料具有大于36dyn/cm的表面能，此亲水材料避免生命分子粘附到所述集流器。
3.如权利要求2所述的色层分离套筒总成，其中，所述网筛阻止介质从其通过，而却允许工作流体从其通过，
所述网筛由亲水材料制成，该亲水材料具有大于36dyn/cm的表面能，此亲水材料避免生命分子粘附到所述网筛。
4.如权利要求1所述的色层分离套筒总成，其中，所述色层分离介质包括一聚合、亲水材料。
5.如权利要求4所述的色层分离套筒总成，其中，所述色层分离介质额定工作压力高于3巴。
6.如权利要求1所述的色层分离套筒总成，其中，所述色层分离介质的颗粒尺寸在15-200微米的范围内。
7.如权利要求1所述的色层分离套筒总成，其中，所述色层分离介质选自如下介质组：EmphazeTM，POROS，HyperDTM，SourceTM，Toyopearl，和Fractogel。
8.如权利要求1所述的色层分离套筒总成，其中所述套筒包括一柔性壁。
9.如权利要求8所述的色层分离套筒总成，其中，所述柔性壁径向压缩所述色层分离介质。
10.一种色层分离装置，包括一套筒总成，其包括：
限定一介质室的一柔性壁，该室用于盛装色层分离介质，所述柔性壁形成一可移动隔板，用于径向压缩所述色层分离介质；
一分流器，用于将工作流体分散横穿所述室的横截面，
所述分流器由亲水材料做成，其具有大于36dyn/cm的表面能，此亲水材料避免生命分子粘附到所述分流器；以及
包围所述套筒总成的压缩模件，所述压缩模件限定一包含压缩流体的压力室，所述压缩流体作用于所述柔性壁。
11.一种在水溶基溶剂中进行生物分子色层分离的方法，包括：
提供一个色层分离套筒总成，该套筒总成包括：
一个装有多孔、聚合和亲水的用于分离生物分子的色层介质的套筒；
一个入口流组件和
一个出口流组件；
从表面能大于36达因/cm的聚合的亲水材料中选择构成入口流组件的材料，以便限制生物分子粘合到入口流组件上，和
使水溶基的溶剂中的生物分子通过色层套筒总成。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述提供色层分离套筒总成的步骤包括提供一个由分流器和网筛组成的入口流组件。
13.如权利要求11所述的方法，还包括从表面能大于36达因/cm的聚合和亲水的材料中选择构成出口流组件的材料，以便限制生物分子粘附到出口流组件上。
14.如权利要求13所述的方法，所述提供色层分离套筒总成的步骤包括提供一个由流收集器和网筛组成的出口流组件。
15.如权利要求13所述的方法，所述提供色层分离套筒总成的步骤包括提供一个装有额定操作压力大于3巴的色层介质的套筒。
16.如权利要求11所述的方法，所述提供色层分离套筒总成的步骤包括提供一个装有颗粒尺寸在约15-200μm范围内的色层介质的套筒。
17.如权利要求11所述的方法，所述提供色层分离套筒总成的步骤包括提供一个具有柔性壁的套筒。
18.如权利要求11所述的方法，还包括径向压缩色层介质。
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