DE69636698T2

DE69636698T2 - Druckeinspritzvorrichtung für kapillare elektrophoresevorrichtung

Info

Publication number: DE69636698T2
Application number: DE69636698T
Authority: DE
Inventors: W. Michael Oakland RECKNOR; A. David San Jose WOLZE
Original assignee: Dionex Corp
Current assignee: Dionex Corp
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: DE69636698D1; WO1997012235A1; CA2205570A1; EP0805975A4; JPH10503598A; EP0805975B1; EP0805975A1; US5667657A; JP3037439B2; DE805975T1; CA2205570C; AU7076596A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckeinspritzvorrichtung zum reproduzierbaren Einspritzen einer Flüssigkeit in ein Kapillarröhrchen.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren wurden bei der Technik der Mikrosäulen-Abtrennung, wie etwa bei der Kapillar-Elektrophorese (CE, capillary electrophoresis), erhebliche Fortschritte erzielt. Das Einspritzen eines genauen und reproduzierbaren Volumens liegt jeder Abtrennungstechnik zu Grunde. Die Volumenreproduzierbarkeit der Einspritzung liegt im Allgemeinen erwartungsgemäß unterhalb von zwei Prozent, wobei häufig ein Wert kleiner als ein Prozent erforderlich ist, um analytisch verwendet werden zu können. Diese Aufgabe ist bei CE aufgrund der außerordentlich kleinen reproduzierten Volumen und ebenso aufgrund der häufigen Verwendung von Kapillarsäulen mit kleinem Durchmesser, die einen inneren Durchmesser von weniger als 100 μm aufweisen, besonders schwierig.
Bei der Kapillar-Elekrophorese erfordert ein Einspritzen der Proben üblicherweise, dass das Einlassende der Abtrennungskapillare von dem Elektrolytgefäß entfernt wird und in das Probengefäß eingesetzt wird. Das Flüssigkeitsprobenanalyt wird daraufhin von dem Probengefäß in das Zuführungsende der Kapillare befördert, indem entweder Druck auf das Probengefäß ausgeübt wird und die Flüssigkeit in das Ende der Kapillare gedrückt wird, oder indem ein Spannungsunterschied zwischen der Probenlösung, dem Zielgefäß und über der Kapillare angelegt wird. Dieser Spannungsunterschied treibt die ionischen Analyte elektrokinetisch in das Ende der Kapillare. Das Einlassende der Abtrennungskapillare wird daraufhin von dem Probengefäß entfernt und wieder in das Einlass-Elektrolytgefäß eingesetzt.
Bei der elektrokinetischen Einspritzung oder Elektromigration wird ein Ende der Kapillare und eine Elektrode in die Probe eingebracht, wobei kurz eine Spannung angelegt wird, wodurch ein kleines Band der Probe mittels Elektronenwanderung in die Kapillare übergeht. Dieses Verfahren ist im Allgemeinen verlässlich und beruht lediglich auf der reproduzierbaren Viskosität der Probenlösung, der angemessen konstanten Ionenstärke der Probe und der reproduzierbaren angelegten Spannung. Während all diese Anforderungen angemessen erreicht werden, mangelt es diesem Verfahren der Probeneinspritzung an der Genauigkeit der Abgrenzung innerhalb der Probe, da gelöste Substanzen oder Analytionen mit höheren Fließfähigkeiten vorzugsweise in die elektrophoretische Säule wandern und daher die relative Zusammensetzung der Probe verändern.
Dementsprechend können Druckeinspritzverfahren oder kontrollierte Druckdifferenzen über der Abtrennungssäule in vielerlei Hinsicht bevorzugt werden. Im Allgemeinen wird die Druckeinspritzung entweder durch den Schwerkraftfluss oder durch Heberabsaugung veranlasst, oder indem ein konstantes Vakuum oder ein Überdruck an das Zuführungs- oder Zielende der verbindenden Säule angelegt wird.
Bei dem Verfahren der Schwerkraft-Einspritzung sind das Zuführungsende der Kapillare und das Probengefäß an kontrollierten unterschiedlichen Höhen oberhalb des Zielendes der Kapillare so angebracht, dass die Schwerkraft die Probenflüssigkeit mit einer gesteuerten Rate in die Kapillare treibt.
Während diese Technik im Allgemeinen in vielen Situationen reproduzierbar ist, ist dieses Verfahren problematisch, wenn es bei außerordentlich kleinen Volumen angewendet wird, wie etwa bei den in der Kapillar-Elektrophorese verwendeten. In diesen Fällen haben die Oberflächenkräfte zwischen den Probenfluiden und den Kapillarwänden und den Vorratsbehälterwänden einen größeren gegenteiligen Einfluss auf die relativ kleinen eingespritzten Volumen.
Außerdem muss bei der Schwerkraft-Einspritzung das Einlassende der Kapillare relativ zum Ausgangsende bewegt werden können, um die Schwerkraft dazu zu verwenden, die Flüssigkeit in die Kapillare zu treiben. Neuere CE-Vorrichtungsausführungen verwenden jedoch Kassettenanordnungen, um die Kapillare zu unterstützen und zu befestigen. Während diese Kassettenanordnungen die Kapillare wirksam isolieren, um die notwendige Temperaturkontrolle zu verbessern, muss das Einlassende relativ zum Ausgangsende fest sein, was die Schwerkraft-Einspritzung als alternatives Verfahren im Wesentlichen ausschließt.
Bei dem Überdruck- oder Vakuumverfahren muss eine Anzahl an Parametern mit einer relativ hohen Toleranz reproduzierbar sein, um die geforderte Einspritzgenauigkeit und Reproduzierbarkeit zu erreichen. Neben einem verlässlichen Verschluss und einem reproduzierbaren Volumen von Probe zu Probe muss der auf das Probengefäß angewendete Druck innerhalb von wenigstens 0,69 kPa (0,1 psi) reproduzierbar sein, während die Zeitspanne, in der dieser Druck angewendet wird, innerhalb von wenigstens 0,1 Sekunden reproduzierbar sein muss. Ferner muss die Viskosität der flüssigen Probe ebenso von Probe zu Probe reproduzierbar sein. Typische patentierte Druckeinspritzvorrichtungen dieser Art sind zu finden in den US-Patenten Nrn. 5.207.886; 5.217.590 von Lauer u. a.; der Europäischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 0.339.781 A2 von Burolla; und dem US-Patent Nr. 5.358.613 von Schneider u. a.
Das Burolla-System berechnet das vorgesehene Einspritzvolumen, indem der Druck und die Zeitparameter während des Einspritzens gemessen werden und daraufhin die Druck-Zeit-Kurve integriert wird. Indem die Dauer der erforderlichen Zeitspanne der Einspritzung bei dem angewendeten Echtzeitdruck bestimmt wird, kann folglich das beabsichtigte Volumen, das in die Kapillare eingespritzt wird, genau geschätzt werden.
Dieses System ist insofern vorteilhaft, als der ausgeübte absolute Druck nicht genau kontrolliert werden muss, da der Druck in Echtzeit gemessen wird und da die Zeit, die benötigt wird, um das erforderliche Einspritzvolumen zu erreichen, in Echtzeit entsprechend dem aktuell ausgeübten Druck verändert werden kann. Daher kann während inhärenten Druckschwankungen und Druckwellenbewegungen die Zeitspanne des angewendeten Drucks verändert werden, um diese Schwankungen auszugleichen. Dieses Verfahren ermöglicht das Erreichen von reproduzierbaren Einspritzungen mit einer relativen Standardabweichung (RSD; Relative Standard Deviation) von weniger als zwei (2) Prozent.
Ein Problem, das mit diesen Anordnungen verbunden ist, ist jedoch ein möglicher Mangel an Übereinstimmung zwischen dem tatsächlich eingespritzten Volumen und dem geschätzten beabsichtigten eingespritzten Volumen, wenn es sich um sehr kleine Einspritzvolumen handelt. Der dynamische Verstärkungsfaktor des Beckman-Systems ist in Bezug auf sehr kleine Einspritzvolumen sehr hoch. In Verbindung mit den elektronischen und mechanischen Verzögerungen des Systems verringern Druckschwankungen erheblich die volumetrische Genauigkeit für kleine Volumen. Ferner können die relativ langsamen Anstiegszeiten des Drucks, der auf die unter Druck stehenden Fluide angewendet wird, und/oder Druckschwankungen Veränderungen der Dynamik des Probeneinspritzungsprozesses verursachen, was wiederum die Genauigkeit und Präzision der eingespritzten Volumen nachteilig beeinflusst.
Beim Lauer-System wird der Überdruck auf das Einlassende einer der drei Kapillaranordnungen angewendet, um die flüssige Probe dort hineinzuspritzen. US-Patent Nr. 5.207.886 beschreibt eine Einspritzvorrichtung, die an dem Kapillarausgang ein Vakuum aufweist, um die Einspritzung auszuführen, während US-Patent Nr. 5.217.590 ein Einspritzsystem offenbart, das gebildet wird, um entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung Überdruck auszuüben. Bei beiden Systemen wird ein Kolbensystem verwendet, um den erforderlichen Druck zu erzeugen.
Obwohl diese Anordnung unter Umständen sehr genau ist, ist sie anfällig für Systemdruckverluste. Dieser Verlust wird primär durch das wiederholte Verschließen und Öffnen des dichten Probengefäßes während des Gebrauchs verursacht, was möglicherweise die Unversehrtheit des Verschlusses nachteilig beeinflusst. Da der tatsächlich angewendete Druck weder gemessen noch nachgewiesen wird, beeinflusst selbst ein kleiner Verlust den Gefäßdruck nachteilig, wodurch von Einspritzung zu Einspritzung Veränderungen des tatsächlichen Einspritzvolumens hervorgerufen werden.
Beim Schneider-System wird die Flüssigkeit in die Kapillare eingeführt, indem ein Fluiddruck auf die Flüssigkeit ausgeübt wird, wodurch dieser Druck stufenweise während eines ersten Zeitintervalls kontrolliert bis zu einem bestimmten Druckwert erhöht wird und daraufhin von diesem Druckwert ausgehend während eines zweiten Zeitintervalls kontrolliert sinkt. Das Verfahren der Erfindung kann umgesetzt werden, indem eine kontrollierbare Zuführung von Überdruck sowie eine kontrollierbare Zuführung von Unterdruck geschaffen wird, die so kontrolliert werden, dass die beschriebene gleichmäßige Druckveränderung erreicht wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckeinspritzvorrichtung und ein Druckeinspritzverfahren zu schaffen, das für die Kapillar-Elektrophorese ein quantitativ definiertes Volumen einer flüssigen Probe von einem Probengefäß in eine Kapillarvorrichtung einspritzt.
Entsprechend den vorangehenden Aufgaben schafft die vorliegende Erfindung eine Druckeinspritzvorrichtung, die ein quantitativ definiertes Volumen einer flüssigen Probe von einem Behälter in eine Kapillarvorrichtung einspritzt. Die Druckeinspritzvorrichtung umfasst eine Zuführungsquelle eines unter Druck stehenden Fluids mit einem Zuführungsdruck, um die flüssige Probe in den Einlass der Kapillarvorrichtung zu drücken. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung einen Servo-Druckprimäreinsteller sowie einen Mehrfachverteiler. Der Servo-Druckprimäreinsteller ist zwischen einem Ausgang der Zuführungsquelle und dem Einlass der Kapillarvorrichtung in Serie gekoppelt und stellt das Fluid vom Zuführungsdruck genau auf einen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck ein. Der Mehrfachverteiler, der mit einem Ausgang des Primäreinstellers gekoppelt ist, gibt selektiv das Fluid mit dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck für eine vorgegebene Zeitspanne an den Behälter ab.
Genauer umfasst der Servo-Druckeinsteller einen Drucksensor, der ein Rückkopplungssignal proportional zur Echtzeitmessung des eingestellten Drucks ausgibt, sowie eine Referenzquelle, die ein Befehlssignal ausgibt, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen Befehlsdruck repräsentiert. Der Servo-Einsteller umfasst ferner einen Computer, der angeschlossen ist, um als Eingaben das Rückkopplungssignal und das Befehlssignal zu empfangen, und der in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal ein Kompensationssignal ausgibt. Eine Ventilanordnung, die auf das Kompensationssignal anspricht und in Verbindung mit dem Fluid steht, ist dafür ausgebildet, den eingestellten Druck so einzustellen, dass er im Wesentlichen gleich dem Befehlsdruck ist, so dass eine Größe der Differenz reduziert wird.
Dementsprechend empfängt der Computer des Servo-Einstellers das Befehlssignal und das Rückkopplungssignal und steuert als Reaktion die Ventilanordnung, um den Ausgangsdruck des Servo-Druckeinstellers auf einem im Wesentlichen konstanten und genauen vorgegebenen Wert zu halten.
Die Ventilanordnung umfasst ein Ablassventil, das auf das Kompensationssignal anspricht und zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung steuerbar beweglich ist. In der geöffneten Stellung lässt das Ablassventil das Fluid steuerbar ab, um dessen eingestellten Druck zu reduzieren. Die Ventilanordnung umfasst ferner ein Einlassventil, das auf das Kompensationssignal anspricht und zwischen einem Verschlussstellungszustand und einer offenen Stellung steuerbar beweglich ist. In der offenen Stellung ermöglicht das Einlassventil eine Verbindung zwischen dem Fluid mit dem Zuführungsdruck und dem Fluid mit dem eingestellten Druck, um den eingestellten Druck zu erhöhen.
Der Servo-Druckprimäreinsteller der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise einen Akkumulator, der einen internen Vorrat aufweist, der bei dem eingestellten Druck in Fluidverbindung mit dem Verteiler steht. Der Akkumulator vermindert Schwankungen beträchtlich, die von der Betätigung der Ventile durch die Servo-Druckeinstelleranordnung verursacht werden. Er stellt zudem die dynamische Reaktion des Servos ein, was eine Stabilität der Operation bewirkt.
Um die Bereitstellung von konstantem Druck für den Behälter durch die Einspritzvorrichtung weiter zu verbessern, ist ein zweiter Servo-Druckeinsteller mit hohem Messbereich enthalten, der mit dem Primäreinsteller kaskadiert ist und vorgeschaltet mit diesem in Verbindung steht. Dieser zusätzliche Servo-Einsteller arbeitet in einer Tandemanordnung mit dem primären Servo-Einsteller, um dessen Leistung zu verbessern. Vorzugsweise ist der Verstärkungsfaktor des Sekundäreinstellers von einer Befehlsspannung zu dem voreingestellten Druck im Wesentlichen proportional zum Primärverstärkungsfaktor des Primäreinstellers von der Befehlsspannung zum eingestellten Druck. Dies ermöglicht dem Sekundäreinsteller, dem Primäreinsteller zu folgen, um ein im Wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen dem voreingestellten Druck und dem eingestellten Druck zu schaffen.
Ein Verfahren zum Einspritzen eines quantitativ definierten Volumens einer flüssigen Probe von einem Behälter in eine Kapillarvorrichtung umfasst die Schritte: a) Erzeugen eines unter Druck stehenden Fluids mit einem Zuführungsdruck; b) Einstellen des Fluids vom Zuführungsdruck auf einen genauen, im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck durch einen Servo-Druckprimäreinsteller. Dieser Schritt wird vollzogen durch 1) Ausgeben eines ersten Rückkopplungssignals von einem Drucksensor, proportional zur Echtzeitmessung des eingestellten Drucks, 2) Ausgeben eines ersten Befehlssignals von einer ersten Referenzquelle, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen ersten Befehlsdruck repräsentiert, 3) Vergleichen des ersten Rückkopplungssignals und des ersten Befehlssignals durch einen Computer und Ausgeben eines ersten Kompensationssignals in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal, und 4) genaues Anpassen des eingestellten Drucks durch eine Ventilanordnung, die auf das erste Kompensationssignal anspricht und in Verbindung mit dem Fluid steht, so dass dieser im Wesentlichen gleich dem Befehlsdruck ist und eine Größe der Differenz reduziert wird. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt c) des selektiven Aussetzens der flüssigen Probe, die im Behälter enthalten ist, dem Fluid mit dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck für eine vorgegebene Zeitspanne, um das definierte Volumen der flüssigen Probe aus dem Behälter in die Kapillarvorrichtung einzuspritzen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Anordnung der vorliegenden Erfindung umfasst weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften, die aus der folgenden Beschreibung der besten Art und Weise der Ausführung der Erfindung und aus den beigefügten Ansprüchen leichter ersichtlich sind, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen werden, in welchen:
1 eine schematische Darstellung einer Druckeinspritzvorrichtung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet ist;
2 ein Schema eines Servo-Druckeinstellers der Druckeinspritzvorrichtung der 1 ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben wird, veranschaulicht die Beschreibung die Erfindung und ist nicht als die Erfindung einschränkend auszulegen.
Es ist hierbei zu beachten, dass für ein besseres Verständnis ähnliche Elemente in allen Figuren mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die Aufmerksamkeit wird nun auf 1 gelenkt, in der die Druckeinspritzvorrichtung, im Allgemeinen mit 20 bezeichnet, zum Einspritzen eines quantitativ definierten Volumens einer flüssigen Probe 21 von einem Behälter oder einem Probengefäß 22 in eine Kapillarvorrichtung 23 schematisch dargestellt ist. Die Druckeinspritzvorrichtung umfasst einen Druckerzeuger oder eine Zuführungsquelle 24 eines unter Druck stehenden Fluids, typischerweise ein Gas, mit einem Zuführungsdruck (P_S), der verwendet wird, um eine flüssige Probe 21 in einen Einlass der Kapillarvorrichtung 23 zu drücken. Ein Servo-Druckprimäreinsteller, im Allgemeinen mit 26 bezeichnet, ist zwischen einem Ausgang der Zuführungsquelle 24 und einem Einlass der Kapillarvorrichtung 23 in Serie gekoppelt und stellt das Fluid von der Zuführungsquelle (P_S) auf einen im Wesentlichen konstanten und genau kontrollierten eingestellten Druck ein (P_Z). Ein Mehrfachverteiler 32, der mit einem Ausgang des Primäreinstellers 26 gekoppelt ist, gibt selektiv das Fluid mit dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck (P_R) an den Behälter 22 ab.
Dementsprechend wird eine Druckeinspritzvorrichtung für die Kapillar-Elektrophorese geschaffen, die einen Servo-Druckeinsteller mit einer Rückkopplungsschleifeneinrichtung umfasst. Diese Anordnung ermöglicht kontinuierliche und nahezu verzögerungsfreie Mikro-Anpassungen des eingestellten Fluids, um für eine vorgegebene Zeitspanne einen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck zu erhalten, der eine Präzision aufweist, die mit den gegenwärtigen Druckeinspritzvorrichtungen des Standes der Technik, welche feste Federtyp-Einsteller verwenden, nicht erreicht werden kann. Indem schnelle, kontinuierliche Mikro-Anpassungen bewirkt werden, um das eingestellte Fluid bei dem Befehlsdruck zu halten, so dass es jederzeit bei einem im Wesentlichen konstanten Druck während der ausgewählten Zeitspanne an das Probengefäß abgegeben wird, und indem die Betätigungszeit des Verteilers 32 genau kontrolliert wird, wird die volumetrische Genauigkeit und Präzision der Probenflüssigkeit, die in die Kapillare eingespritzt wird, erheblich erhöht. Daher können die Einspritzmuster verändert werden (d. h. mit einem ersten im Wesentlichen konstanten Druck für die erste ausgewählte Zeitspanne und daraufhin mit einem zweiten im Wesentlichen konstanten Druck für eine zweite ausgewählte Zeitspanne und so weiter).
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Primäreinsteller 26 einen Drucksensor 27, der ein erstes Rückkopplungssignal (S_F1) proportional zur Echtzeitmessung des eingestellten Drucks ausgibt, und eine Referenzquelle 28, die ein erstes Befehlssignal (S_C1) ausgibt, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen anvisierten Befehlsausgangsdruck repräsentiert. Der Befehlsausgangsdruck repräsentiert den gewünschten Ausgangsdruck (d. h. den eingestellten Druck), der von dem primären Servo-Einsteller an das Probengefäß abgegeben wird, wie es von dem Verwender für die ausgewählte Zeitspanne vorgegeben ist.
Wie am besten in 2 gezeigt ist, umfasst der Servo-Primäreinsteller 26 ferner einen Computer 30, der angeschlossen ist, um als Eingaben ein erstes Rückkopplungssignal (S_F1) und ein erstes Befehlssignal (S_C1) zu empfangen. Anschließend gibt der Computer 30 ein erstes Kompensationssignal (S_K1) in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal aus. Eine Ventilanordnung, im Allgemeinen mit 31 bezeichnet, ist enthalten, die auf das Kompensationssignal (S_K1) anspricht und eine Schnittstelle zwischen dem Zuführungsfluid mit dem Zuführungsdruck und dem eingestellten Fluid mit dem eingestellten Druck bietet. Die Ventilanordnung passt den ausgegebenen eingestellten Druck (P_R) in Reaktion auf den Befehl des Benutzers so an, dass er im Wesentlichen gleich dem Befehlsdruck ist, so dass eine Größe der Differenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Befehlssignal reduziert wird. Der Mehrfachverteiler 32, der in Fluidverbindung mit dem Ausgang des Primäreinstellers 26 steht, gibt daraufhin selektiv das Fluid mit dem vorgegebenen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck für genau die Zeitspanne, die der Bediener ausgewählt hat, an den Behälter 22 ab.
Der Servo-Druckeinsteller der vorliegenden Erfindung misst kontinuierlich den abgegebenen eingestellten Druck (P_R) des Fluids und vergleicht diesen mittels des Computers 30 mit dem gewünschten oder vorgegebenen Befehlsdruck, um zu bestimmen, ob der gemessene eingestellte Druck oberhalb, unterhalb oder im Wesentlichen gleich dem Wert des Befehlsdrucks ist. Wenn der Wert des eingestellten Drucks nicht gleich dem Wert des Befehlsdrucks ist (d. h. außerhalb des Totzonenbereichs des Computers), wird daraufhin die Ventilanordnung 31 betätigt, um das eingestellte Fluid anzupassen und entweder den eingestellten Druck zu erhöhen oder zu verringern, bis dieser Wert im Wesentlichen gleich dem Wert des Befehlsdrucks ist (d. h. innerhalb des Totzonenbereichs). Durch das Verwenden der Ventilanordnung 31 als Stellglied in einer Rückkopplungsschleife und des Druckfühlers 27 als Rückkopplungsvorrichtung können somit die Luftströmung und der Druck elektronisch beeinflusst werden, um einen im Wesentlichen konstanten Luftdruck an das Probengefäß abzugeben. Durch weitere Kontrolle des Mehrfachverteilers 32 erzeugt die vorliegende Erfindung Druck-Zeit-Wellenformen für reproduzierbare Probeneinspritzungen, die dem Bediener eine aktive Kontrolle über den Prozess geben.
Daher kompensiert die vorliegende Erfindung Ungenauigkeiten oder Drift bei der Druckmessung, die bei festen Federtyp-Luftdruckeinstellern inhärent sind. Ferner erhöht sich der Hohlraumdruck bei festen Luftdruckeinstellern nach dem Stand der Technik nicht wie bei einer Stufenfunktion, bei welcher der Einstellerdruck unmittelbar an das Probengefäß abgegeben wird, sondern muss vielmehr hochgefahren werden, was weitere volumetrische Berechnungsungenauigkeiten verursacht. Zudem verwendeten Einspritzsysteme nach dem Stand der Technik für kleine Einspritzungen Betriebsdrücke, die zu hoch waren, was kurze Zeitspannen für die Zeitsteuerung erforderlich machte und eine schlechte Systemdynamik zur Folge hatte.
Durch genaues Kontrollieren des eingestellten Drucks am Verteiler, so dass dieser im Wesentlichen konstant ist, ist der Druckanstieg nahezu eine echte Stufenfunktion. Durch genaues Kontrollieren der Betätigungszeit des Verteilers 32, wird ferner die volumetrische Genauigkeit der Probenflüssigkeit, die in die Kapillare eingespritzt wird, erheblich erhöht. Wie im Folgenden deutlich wird, sind reproduzierbare Einspritzvolumina, die eine relative Standardabweichung (RSD) von weniger als 0,2 % aufweisen, durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung erreichbar.
Wenn im Übrigen der Ausgangsdruck wie erwähnt in den Totzonenbereich fällt, schließt der Computer beide Ventile der Ventilanordnung, um die Druckstabilität zu erhalten. Die bevorzugte Totzonenbreite liegt zwischen etwa 6,9 Pa (±0,001 psi) und etwa 34,5 Pa (±0,005 psi) (am meisten bevorzugt 6,9 Pa (± 0,001 psi)) bezogen auf den vorgegebenen Befehlsdruck. Wenn die Differenz zwischen dem Befehlsdruck und dem eingestellten Druck vorzugsweise kleiner als etwa 6,9 Pa (±0,001 psi) ist, wird die Ventilanordnung bezüglich des Druckausgleichs mit der Umgebung oder mit der Fluidverbindung mit dem Fluid mit dem Zuführungsdruck geschlossen. Daher unterbricht oder unterdrückt die Hyterese in diesem Totzonenbereich jegliche nachfolgenden erhöhenden oder verringernden Anpassungen des eingestellten Drucks durch die Ventilanordnung.
Ein wichtiger Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Druckeinspritzsystem bezüglich nachteiligen Einflüssen von Druckverlusten toleranter ist. Im Falle von geringen Systemdruckverlusten, insbesondere bei den Probengefäß/Mehrfachverteiler-Verschlüssen, die im Allgemeinen volumetrische Berechnungsungenauigkeiten hervorrufen, kompensiert der Servo-Druckeinsteller 26 automatisch den Verlust, indem das eingestellte Fluid so beeinflusst wird, dass es dennoch mit einem im Wesentlichen konstanten Einspritzdruck an das Probengefäß 22 abgegeben wird.
Mit Bezug auf 2 ist nun die erste Ventilanordnung 31 schematisch repräsentiert, die ein Einlassventil 33 umfasst, das zwischen der Druckerzeugungsanordnung 24 und dem Probengefäß 22 gekoppelt ist. Das Einlassventil 33 liefert eine kontrollierte Fluidverbindung zwischen dem unter Druck stehenden Zuführungsfluid von der Druckerzeugungsanordnung 24 mit dem Zuführungsdruck (P_S) und dem eingestellten Fluid mit dem eingestellten Druck (P_R), das an das Probengefäß 22 abgegeben wird. Da der Zuführungsdruck (P_S) im Allgemeinen größer als der eingestellte Druck (P_R) ist, kann der eingestellte Druck erhöht werden, indem der Durchlauf und die Verbindung zwischen den beiden Fluiden mittels des Einlassventils 33 kontrolliert wird. Sollte der gemessene eingestellte Druck unterhalb den vorgegebenen Befehlsdruck fallen, kann folglich das Einlassventil 33 geöffnet werden, bis der eingestellte Druck gleich dem Befehlsdruck ist oder diesen übersteigt.
Gleichermaßen umfasst die erste Ventilanordnung 31 ein Ablassventil 34, das in Reihe oder in Fluidverbindung mit dem eingestellten Fluid mit dem eingestellten Druck (P_R) angeordnet ist, um für einen Systemdruckausgleich zu sorgen. Falls der gemessene eingestellte Druck den Befehlsdruck übersteigt, kann das Ablassventil 34 steuerbar geöffnet werden, um das Systemfluid in die Umgebung zu entlassen, bis der eingestellte Druck gleich dem Befehlsdruck ist oder unter diesen fällt.
Das Einlassventil und das Ablassventil sind vorzugsweise Zwei-Wege-Präzisionsventilvorrichtungen, die für die elektronische Beeinflussung von Luftströmung und Druck ausgelegt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind diese Ventile schnell ansprechende Proportionalventile im Milliwatt-Bereich oder Silicium-Mikroventile, wie etwa die digital gesteuerten Mikroventile, die von Proportion-Air, Inc. und Mac, Inc. angeboten werden, oder die analog gesteuerten Mikroventile, die von Redwood Micro Systems angeboten werden.
Jedes Ventil 33, 34 ist elektronisch an einen Computer 30 angeschlossen, der einen Ventilsteuerungsabschnitt umfasst, um die Ventile zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung des Ablassventils und einer offenen Stellung und einer Verschlussstellung des Einlassventils zu bewegen. Kurz dargestellt lässt in der geöffneten Stellung das Ablassventil das eingestellte Fluid von dem Servo-Einsteller ab, um den eingestellten Druck zu verringern, während das Einlassventil in der offenen Stellung eine Verbindung zwischen dem Zuführungsfluid mit dem Zuführungsdruck und dem eingestellten Fluid herstellt, um den eingestellten Druck zu erhöhen. Bei der bevorzugten Ausführungsform befinden sich das Ablassventil und das Einlassventil niemals zur gleichen Zeit jeweils in der geöffneten Stellung und in der offenen Stellung.
Wie oben dargelegt, liefert der Servo-Druckeinsteller 26 einen Rückkopplungsmechanismus, der kontinuierlich den eingestellten Fluiddruck überwacht und fein einstellt. Dieser Rückkopplungsmechanismus umfasst einen Drucksensor 27, der den Ventilen nachgeschaltet angeordnet ist, um den Druck des eingestellten Fluids (d. h. den eingestellten Druck (P_R)) zu messen. Der Drucksensor 27 ist vorzugsweise mittels eines Druckfühlers umgesetzt, der ein erstes Rückkopplungssignal (S_F1) ausgibt, das proportional der Echtzeitmessung des eingestellten Drucks sein kann. Dieses erste Rückkopplungssignal geht in den Computer 30 ein, der daraufhin das erste Rückkopplungssignal (S_F1) mit dem ersten Befehlssignal (S_C1) vergleicht. Das erste Befehlssignal weist einen Wert auf, der den vorgegebenen Befehlsdruck repräsentiert, der von dem Bediener ausgewählt wird.
Nach einer positiven oder negativen Differenz, welche zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal gemessen wird, die außerhalb des Totzonenbereichs liegt und die proportional zu der positiven oder negativen Differenz zwischen dem eingestellten Druck und dem Befehlsdruck sein kann, gibt der Computer 30 das erste Kompensationssignal (S_k1) aus, das ebenso proportional zu dieser ersten Differenz sein kann. Als Reaktion steuert der Computer 30 entweder das Ablassventil 34 in die geöffnete Stellung oder das Einlassventil 33 in die offene Stellung, je nachdem ob der gemessene eingestellte Druck oberhalb oder unterhalb des jeweils vorgegebenen Befehlsdrucks liegt. Diese Anordnung ermöglicht für die bestimmte Zeitspanne einen genau gesteuerten, im Wesentlichen konstanten Druck am Verteiler 32. Daher führt diese verbesserte Präzision zu einer wesentlich höheren volumetrischen Genauigkeit der Probenflüssigkeit, die in die Kapillare eingespritzt wird.
Wie am besten aus dem Schema in 1 ersichtlich ist, verteilt der Mehrfachverteiler 32 selektiv das eingestellte Fluid mit dem eingestellten Druck auf das Probengefäß 22 und passt mit dem Probengefäß derart zusammen, dass ein Verschluss gebildet wird. Der Mehrfachverteiler 32 umfasst vorzugsweise ein Drei-Wege-Magnetventil, das eine Fluidverbindung zwischen dem Servo-Druckeinsteller 26 und dem Probengefäß herstellt, wenn es betätigt wird. Wenn es abgeschaltet wird, verschließt das Drei-Wege-Ventil (nicht schematisch dargestellt) den Ausgang des Servo-Druckeinstellers 26 und entlüftet das Probengefäß in die Umgebung.
Eine zentrale Befehlssteuerung 38 koppelt elektrisch den Servo-Druckeinsteller 26 mit dem Verteiler 32 für die aktive Steuerung des Computers 30 und die Zeitsteuerung des Drei-Wege-Ventils der Druckeinspritzvorrichtung. Ferner wird eine Benutzeroberfläche 39 geschaffen, die mit der Befehlssteuerung 38 gekoppelt ist, um für die ausgewählten Zeitspannen deren Spannungsausgang zu kontrollieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Ventilanordnung 31 entweder analog oder digital gesteuert sein. Ein analog gesteuertes System ist insofern vorteilhaft, dass der eingestellte Druck weniger Wellen aufweist. Der Hauptnachteil ist jedoch, dass die analog gesteuerten Systeme langsamer auf Druckschwankungen und Druckveränderungen reagieren, insbesondere nach der anfänglichen Abgabe des eingestellten Fluids an das Probengefäß. Die analog gesteuerten Ventile können im Verhältnis zu den Differenzen, die zwischen den eingehenden und den ausgegebenen Drücken des Einstellers gemessen werden, vorteilhaft sein, wenn die Ventile teilweise geöffnet oder geschlossen sind. Digital gesteuerte Ventile können andererseits lediglich vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen werden.
Um die Reaktionszeit zu verbessern, den Servo zu stabilisieren und die Druckwellen zu glätten, umfasst der Servo-Druckeinsteller 26 einen Akkumulator (2), im Allgemeinen mit 40 bezeichnet, der zwischen der Ventilanordnung 31 und dem Verteiler 32 einen Vorrat an eingestelltem Fluid mit dem eingestellten Druck bereitstellt. Durch das Bereitstellen eines Vorrats an unter Druck stehendem Fluid ist die Einspritzvorrichtung zu einer schnellen Druckerhöhung fähig, wenn das Drei-Wege-Ventil des Verteilers erstmalig angewiesen wird, den Akkumulator mit dem Probengefäß 22 zu verbinden, nachdem der Servo-Druckeinsteller mit dem gewünschten Befehlsdruck betätigt und stabilisiert wurde. Ferner bietet der Vorrat an eingestelltem Fluid eine Pufferzone, die dazu dient, den Ausgang des Servo-Druckeinstellers, der von der Servo-Betätigung verursacht wird, zu stabilisieren.
Um das Probengefäß 22 von dem eingestellten Druck zu trennen und mit dem Luftdruck auszugleichen, wird das Ablassventil 34 abgeschaltet, um geöffnet zu werden. Gleichermaßen kann der Anstieg minimiert werden, indem zunächst der Servo-Druckeinsteller bei dem vorgegebenen Befehlsdruck stabilisiert wird, bevor das Drei-Wege-Ventil des Verteilers eingeschaltet wird, um sich zu öffnen und eine Verbindung zwischen dem Servo-Druckeinsteller und dem Probengefäß herzustellen.
Obwohl der vorliegende Servo-Druckeinsteller geeignet ist, das Zuführungsfluid mit dem Zuführungsdruck direkt zu empfangen, kann eine zu große Druckreduzierung zwischen dem Zuführungsdruck und dem eingestellten Fluid mit dem eingestellten Druck (d. h. ungefähr dem vorgegebenen Befehlsdruck) nachteilig für die Druckeinsteller sein. Daher umfasst die bevorzugte Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, eine feste Federtyp-Einstelleranordnung 41 zwischen der Druckerzeugungsanordnung 24 und dem Sekundäreinsteller 26'. Die feste Einstelleranordnung 41 wird anfangs verwendet, um den Zuführungsdruck sowie die relativ hohen Schwankungen zu reduzieren, die von dem Druckerzeuger verursacht werden.
Diese Verringerung des Zuführungsdrucks auf einen niedrigeren im Allgemeinen konstanten Druck (P_F) ist bezüglich der Eigenschaften und der Genauigkeit ähnlich derjenigen, die von festen Einstellern bei Druckerzeu gungsanordnungen nach dem Stand der Technik geboten wird. Daher neigt das fest eingestellte Fluid, das von der festen Einstelleranordnung 41 geliefert wird, ebenso zum Abweichen und spricht langsam auf die Anforderungen des Servo-Primäreinstellers an.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Zuführungsfluid zudem voreinzustellen, nachdem das Fluid den festen Druckeinsteller durchläuft. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als der Sekundäreinsteller dem ersten Einsteller folgt, wobei das Verhältnis von Einlass- zu Ausgangsdruck bei dem Primäreinsteller gleich bleibt. Das Beibehalten dieses Verhältnisses verbessert erheblich die Wiederholbarkeit und die Genauigkeit des Primäreinstellers.
Dementsprechend sind eine Servo-Drucksekundäreinstelleranordnung, in 1 im Allgemeinen mit 26' gekennzeichnet, und ein zugehöriger Sekundärakkumulator 40' mit dem Servo-Druckprimäreinsteller 26 zwischen der festen Einstelleranordnung 41 und dem primären Servo-Einsteller kaskadiert. Der Servo-Drucksekundäreinsteller 26' ist vorzugsweise im Aufbau identisch mit dem Servo-Druckprimäreinsteller, der schematisch in 2 gezeigt ist. Daher umfasst der Sekundäreinsteller 26' ein sekundäres Einlassventil 33', ein sekundäres Ablassventil 34', einen sekundären Druckfühler 27' und einen sekundären Computer 30'. Ferner funktioniert der Sekundäreinsteller 26' bezüglich der Rückkopplung in ähnlicher Weise, um kontinuierlich den voreingestellten Fluiddruck zu überwachen und anzupassen. Dieser Rückkopplungsmechanismus positioniert den sekundären Drucksensor oder -fühler dem sekundären Einlass und den sekundären Ablassventilen 33', 34' nachgeschaltet, um den Druck des voreingestellten Fluids (d. h. den voreingestellten Druck (P_p)) zu messen. Der sekundäre Druckfühler 27' gibt ein zweites Rückkopplungssignal (S₃) aus, das proportional zu der Echtzeitmessung des eingestellten Drucks ist. Dieses zweite Rückkopplungssignal wird in den sekundären Computer 30' eingegeben, der daraufhin das zweite Rückkopplungssignal mit einem zweiten Befehlssignal (S₄) vergleicht. Das zweite Befehlssignal wird von einer sekundären Referenzquelle 28' ausgegeben und weist einen Wert auf, der den sekundären vorgegebenen Befehlsdruck repräsentiert.
Ähnlich dem Primäreinsteller gibt der sekundäre Computer nach einer positiven oder negativen Differenz, die zwischen dem zweiten Rückkopplungssignal und dem zweiten Befehlssignal gemessen wird, die proportional zu der positiven oder negativen Differenz zwischen dem voreingestellten Druck und dem sekundären Befehlsdruck sein kann, ein Befehlssignal (S_C2) aus, das ebenso proportional zu dieser Differenz sein kann, sofern diese Differenz außerhalb des vorgegebenen Totzonenbereichs liegt. Als Reaktion steuert der sekundäre Computer 30' entweder das sekundäre Ablassventil 34' in den geöffneten Zustand oder das sekundäre Einlassventil 33' in den offenen Zustand, je nachdem ob der gemessene voreingestellte Druck oberhalb oder unterhalb des jeweils vorgegebenen sekundären Befehlsdrucks liegt.
Dementsprechend durchläuft das Zuführungsfluid, das von der Druckerzeugungsanordnung 24 mit dem Zuführungsdruck (P_S) von vorzugsweise 138 bis 345 kPa (zwanzig (20) bis fünfzig (50) psi) zugeführt wird, die feste Einstelleranordnung 41, wo das Zuführungsfluid auf einen im Allgemeinen konstanten Druck (P_F) von etwa 103 kPa (fünfzehn (15) psi) eingestellt wird. Daraufhin steht dieses fest eingestellte Fluid mit dem Sekundäreinsteller 26' in Verbindung, um das fest eingestellte Fluid mit einem im Allgemeinen konstanten Druck auf einen im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck (P_P) zwischen etwa null (0) und fünfundfünfzig (55) kPa (null (0) bis etwa acht (8) psi) einzustellen, abhängig von dem gewünschten vorgegebenen eingestellten Druck (P_R). Schließlich steht das voreingestellte Fluid des Sekundäreinstellers 26' in Fluidverbindung mit dem Servo-Primäreinsteller 26, der das voreingestellte Fluid von einem genau kontrollierten, im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck (P_P) auf einen genau kontrollierten, im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck (P_R) zwischen etwa null (0) und etwa siebzehn (17) kPa (null (0) bis etwa zweieinhalb (2,5) psi) einstellt.
Der Verstärkungsfaktor des Vorwärtspfades (d. h. die eingestellte Druckverringerung) jedes Servo-Druckeinstellers ist eine Funktion der Einlass-Querschnittsfläche jedes Ventils, des internen Volumens des Akkumulators und dem Verhältnis zwischen den Einlass- und Ausgangsdrücken. Wenn der Verstärkungsfaktor zu hoch ist, neigt der Ausgangsdruck zur Instabilität. Wenn der Verstärkungsfaktor hingegen zu niedrig ist, erweist sich die Reaktionszeit als zu langsam, um effektiv zu sein. Dementsprechend ist es sehr vorteilhaft, den Servo-Verstärkungsfaktor jedes Servo-Druckeinstellers bei einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der sekundäre Verstärkungsfaktor des Sekundäreinstellers 26' von einer Befehlsspannung zu einem voreingestellten Druck (P_P) im Wesentlichen proportional zu dem primären Verstärkungsfaktor des Primäreinstellers 26 von der Befehlsspannung zu dem eingestellten Druck (P_R). Daher folgt der Sekundäreinsteller dem Primäreinsteller, um ein im Wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen dem voreingestellten Druck und dem eingestellten Druck zu schaffen. Dies ermöglicht dem System, während den ansteigenden und abfallenden Zeitspannen eine gute Linearität beizubehalten.
Dies wird vorzugsweise erreicht, indem jeder Servo-Druckeinsteller 26, 26' die gleiche eingehende Befehlsspannung von der zentralen Befehlssteuerung 38 erhält. Dies ist insofern vorteilhaft, dass die beiden Einsteller sich gegenseitig folgen, wobei der primäre Servo-Verstärkungsfaktor bei einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten wird. Dementsprechend ist der Sekundäreinsteller 26' bei einer Befehlsspannung von 10 Volt voll ausgelastet, um fünfundfünfzig (55) kPa (acht (8) psi) bereitzustellen; während der Primäreinsteller 26 bei einer Befehlsspannung von 10 Volt voll ausgelastet ist, um siebzehn (17) kPa (zweieinhalb (2,5) psi) bereitzustellen. Entsprechend stellt der Sekundäreinsteller 26' bei einer Befehlsspannung von 5 Volt proportional achtundzwanzig (28) kPa (vier (4) psi) bereit; während der Primäreinsteller 26 bei einer Befehlsspannung von 5 Volt proportional 8,6 kPa (eineinviertel (1,25) psi) bereitstellt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst der primäre Akkumulator 40 einen internen Vorrat, der ein Volumen von wenigstens 16,4 cm³ (einen (1) Kubikzoll) aufweist (und vorzugsweise 49,2 cm³ (drei (3) Kubikzoll)) aufweist, während der sekundäre Akkumulator 40' einen internen Hohlraum umfasst, der ein Volumen von wenigstens 16,4 cm³ (einen (1) Kubikzoll) (und vorzugsweise 32,8 cm³ (zwei (2) Kubikzoll)) aufweist. Ferner liegt bei jedem Servo-Druckeinsteller das Verhältnis zwischen dem Einlass- und dem Ausgangsdruck vorzugsweise etwa zwischen 2:1 bis 3:1.
Aus der Beschreibung der vorliegenden Vorrichtung wird ersichtlich, dass ein Verfahren zum Einspritzen eines quantitativ definierten Volumens einer flüssigen Probe von einem Behälter in eine Kapillarvorrichtung 23 geschaffen wird, das die folgenden Schritte umfasst: a) Erzeugen eines unter Druck stehenden Fluids mit einem Zuführungsdruck (P_S); und b) Einstellen des Fluids vom Zuführungsdruck auf einen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck durch einen Servo-Druckprimäreinsteller 26 für eine ausgewählte Zeitspanne. Der Servo-Primäreinsteller stellt das Zuführungsfluid ein durch 1) Ausgeben eines ersten Rückkopplungssignals (S_F1) von einem Drucksensor 27, proportional zur Echtzeitmessung des eingestellten Drucks, 2) Ausgeben eines ersten Befehlssignals (S_C1) von einer Referenzquelle 28, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen Befehlsdruck (P_C) repräsentiert. Das Zuführungsfluid wird ferner eingestellt durch 3) Vergleichen des ersten Rückkopplungssignals (S_F1) und des ersten Befehlssignals (S_C1) mittels eines Computers und Ausgeben eines Kompensationssignals (S_K1) in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem zweiten Befehlssignal, und 4) Anpassen des eingestellten Drucks (P_R) durch eine Ventilanordnung 31, die auf das Kompensationssignal (S_K1) anspricht und in Verbindung mit dem Fluid steht, so dass dieser im Wesentlichen gleich dem Befehlsdruck ist und eine Größe des Kompensationssignals reduziert wird. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt c) selektives Aussetzen der flüssigen Probe 21, die im Behälter oder in dem Probengefäß 22 enthalten ist, dem eingestellten Fluid mit dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck (P_R) für eine vorgegebene Zeitspanne, um das definierte Volumen der flüssigen Probe aus dem Behälter 22 in die Kapillarvorrichtung 23 einzuspritzen.
Ferner kann das Verfahren nach dem Zuführungsschritt und vor dem Einstellschritt den Schritt d) Voreinstellen des Fluids von dem Zuführungsdruck auf einen genau kontrollierten, im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck durch einen Servo-Drucksekundäreinsteller 26' beinhalten. Dieser Schritt kann vollzogen werden, indem 1) von einem sekundären Drucksensor 27' ein zweites Rückkopplungssignal (S₃) ausgegeben wird, das proportional zur Echtzeitmessung des voreingestellten Drucks (P_P) ist, und 2) von einer sekundären Referenzquelle 28' ein zweites Befehlssignal (S₄) ausgegeben wird, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen zweiten Befehlsdruck repräsentiert. Als nächstes wird 3) das zweite Rückkopplungssignal und als Viertes das zweite Befehlssignal durch einen zweiten Computer 30' verglichen, wobei ein zweites Kompensationssignal (S_K2) ausgegeben wird, das proportional zu einer Differenz zwischen dem zweiten Rückkopplungssignal und dem zweiten Befehlssignal ist, und 4) der voreingestellte Druck (P_P) mittels einer sekundären Ventilanordnung 31' angepasst, die auf das zweite Kompensationssignal anspricht und in Verbindung mit dem Fluid steht, um im Wesentlichen gleich dem zweiten Befehlsdruck zu sein, so dass eine Größe des zweiten Kompensationssignals reduziert wird.
Der voreinstellende Schritt umfasst den Schritt des Folgens des sekundären Verstärkungsfaktors des Sekundäreinstellers von dem Zuführungsdruck zu dem voreingestellten Druck, um im Wesentlichen proportional zu dem primären Verstärkungsfaktor des Primäreinstellers von dem voreingestellten Druck zu dem eingestellten Druck zu sein. Dies ermöglicht ein im Wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen dem voreingestellten Druck und dem eingestellten Druck, um während den ansteigenden und abfallenden Zeitspannen eine gute Linearität beizubehalten.
Das Verfahren kann ferner nach dem Schritt des Einstellens und vor dem Schritt des Aussetzens den Schritt des Stabilisierens des Fluids bei dem eingestellten Druck mittels eines primären Akkumulators 40 umfassen, der einen internen Vorrat mit dem im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck (P_R) aufweist.
Das folgende Beispiel dient dazu, die Art der Verwendung der obenbeschriebenen Erfindung vollständig zu beschreiben, und ebenso dazu, die als am besten erachtete Art darzulegen, verschiedene Aspekte der Erfindung auszuführen. Es versteht sich, dass dieses Beispiel in keiner Weise dazu dient, den wahren Umfang der Erfindung einzuschränken, sondern vielmehr zum Zweck der Veranschaulichung dargestellt wird.
BEISPIEL 1
Reproduzierbarkeit des Einführens eines Probenfluids in eine Kapillare für die Kapillar-Elektrophorese
Das Druckeinspritzsystem der vorliegenden Erfindung wurde mit einer typischen Kapillar-Elektrophorese-Anordnung verbunden, die ein verschlossenes Probengefäß von 4 ml umfasste, das Probenlösung enthielt. Ein Einlassende einer 75μm-ID-Kapillarröhre, 50 cm lang, wurde in die Probenlösung in dem Probengefäß eingetaucht; während ein gegenüberliegendes Ausgangsende in eine Pufferlösung in einem Ausgangsgefäß eingetaucht wurde. Ein Druckfühler (Dehnungsmessgerät SynSim) wurde mit dem Probengefäß verbunden, um den eingestellten Druckimpuls zu messen, der von dem Druckeinspritzsystem der vorliegenden Erfindung an das Probengefäß abgegeben wurde. Ein Absorptionsanzeiger (DIONEX AD-20), der in der Nähe des Ausgangsendes der Kapillare angebracht war, überwachte das Probenfluid, das während der Kapillar-Elektrophorese in die Kapillare eingespritzt wurde, um die Abscheidung der Komponenten zu messen.
Die vorliegende Erfindung gab für etwa 5 Sekunden einen kontrollierten Druckimpuls von etwa 3,4 kPa (0,5 psi) (d. h. 17 kPa-s (2,5 psi-s)) ab. Jeder Kapillar-Elektrophorese-Versuch wurde fünf Mal wiederholt, wobei eine Probenlösung aus den vier Komponenten Nikotinamid, Acetylsalicylsäure, p-Hydroxy-Benzoesäure und Benzoesäure verwendet wurde. Der allgemeine Ablauf der Elektrophorese folgt bekannten Abläufen der Kapillar-Elektrophorese-Abtrennung von ionischen Komponenten in einer Pufferlösung.
Die Fläche, die unter den Kurven für die Druckkomponenten berechnet wird, ist proportional zu der Gesamtsumme des Drucks, der während der Zeitspanne von 5 Sekunden an die Probenlösung abgegeben wird; während die Fläche, die unter den Kurven für jede Lösungskomponente berechnet wird, proportional zu dem Gesamtvolumen der Probenkomponenten ist, die sich von der Lösung abtrennen. Diese Flächeneinheiten sind in willkürlichen Einheiten zur Verfügung gestellt.
TABELLE 1

Claims

Druckeinspritzvorrichtung (20) zum Einspritzen eines quantitativ definierten Volumens einer flüssigen Probe (21) aus einem Behälter (22) in eine Kapillarvorrichtung (23), wobei die Druckeinspritzvorrichtung (20) umfasst: eine Zuführungsquelle eines unter Druck stehenden Fluids (24) bei einem Zuführungsdruck, um die flüssige Probe in einen Einlass der Kapillarvorrichtung (23) zu drücken; und einen Mehrfachverteiler (32) zum selektiven Verteilen des Fluids bei dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck auf den Behälter (22); dadurch gekennzeichnet, dass ein Servo-Druckprimäreinsteller (26), der zwischen einem Ausgang der Zuführungsquelle (24) und dem Einlass der Kapillarvorrichtung (23) in Serie gekoppelt ist, dafür ausgelegt ist, das Fluid vom Zuführungsdruck genau auf einen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck einzustellen; wobei der Mehrfachverteiler (32) mit einem Ausgang des Primäreinstellers (26) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, die flüssige Probe (21) im Behälter (22) selektiv diesem Fluid bei diesem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck für eine vorgegebene Zeitspanne auszusetzen.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der Servo-Druckprimäreinsteller (26) enthält: einen ersten Drucksensor (27), der dafür ausgelegt ist, ein erstes Rückkopplungssignal proportional zur Echtzeitmessung des eingestellten Drucks auszugeben; eine erste Referenzquelle (28), die dafür ausgelegt ist, ein erstes Befehlssignal auszugeben, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen ersten Befehlsdruck repräsentiert; einen ersten Computer (30), der angeschlossen ist, um als Eingaben das erste Rückkopplungssignal und das erste Befehlssignal zu empfangen, und der dafür ausgelegt ist, ein erstes Kompensationssignal in Reaktion auf eine erste Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal auszugeben; und eine erste Ventilanordnung (31), die auf das erste Kompensationssignal anspricht und in Verbindung mit dem Fluid dafür ausgebildet ist, den eingestellten Druck so einzustellen, dass er im Wesentlichen gleich dem ersten Befehlsdruck ist, so dass eine Größe der ersten Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal reduziert wird.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach Anspruch 2, wobei die erste Ventilanordnung (31) enthält: ein erstes Ablassventil (34), das auf das erste Kompensationssignal anspricht und zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung steuerbar beweglich ist, und das dafür ausgelegt ist, das Fluid steuerbar abzulassen, um dessen eingestellten Druck zu reduzieren; und ein erstes Einlassventil (32), das auf das erste Kompensationssignal anspricht und zwischen einer Verschlussstellung und einer offenen Stellung steuerbar beweglich ist, um somit eine Fluidverbindung zwischen dem Fluid mit dem Zuführungsdruck und dem Fluid mit dem eingestellten Druck zu ermöglichen, um den eingestellten Druck zu erhöhen.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, die ferner enthält: einen Festdruckeinsteller (41), der zwischen dem Ausgang der Zuführungsquelle (24) und dem Eingang des Primäreinstellers (26) angeschlossen und dafür ausgelegt ist, das Fluid mit dem Zuführungsdruck auf einen im Allgemeinen konstanten Druck einzustellen, der dem Primäreinsteller (26) zugeführt wird.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Absolutwert der ersten Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal eine vorgegebene Größe überschreiten muss, welche einen vorgegebenen Differenzdruck repräsentiert, bevor der erste Computer das erste Kompensationssignal ausgibt, so dass dazwischen ein Totzonenraum gebildet wird.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, die ferner enthält: einen Servo-Drucksekundäreinsteller (26'), der zwischen einem Ausgang der Zuführungsquelle (24) und einem Eingang des Primäreinstellers (26) in Serie gekoppelt ist, und der dafür ausgelegt ist, das Fluid vom Zuführungsdruck genau auf einen im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck voreinzustellen, der dem Primäreinsteller (26) für die ausgewählte Zeitspanne zugeführt wird.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein Servo-Drucksekundäreinsteller (26'), der zwischen einem Ausgang der Zuführungsquelle (24) und einem Eingang des Primäreinstellers (26) in Serie gekoppelt ist, dafür ausgelegt ist, das Fluid vom Zuführungsdruck genau auf einen im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck voreinzustellen, der dem Primäreinsteller (26) zugeführt wird, wobei der Sekundäreinsteller (26') enthält: einen zweiten Drucksensor (27'), der dafür ausgelegt ist, ein zweites Rückkopplungssignal proportional zur Echtzeitmessung des voreingestellten Drucks auszugeben, eine zweite Referenzquelle (28'), die dafür ausgelegt ist, ein zweites Befehlssignal auszugeben, das einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen zweiten Befehlsdruck repräsentiert, einen zweiten Computer (30'), der angeschlossen ist, um als Eingaben das zweite Rückkopplungssignal und das zweite Befehlssignal zu empfangen, und der dafür ausgelegt ist, ein zweites Kompensationssignal in Reaktion auf eine zweite Differenz zwischen dem zweiten Rückkopplungssignal und dem zweiten Befehlssignal auszugeben, und eine zweite Ventilanordnung (31'), die auf das zweite Kompensationssignal anspricht und in Verbindung mit dem Fluid dafür ausgebildet ist, den voreingestellten Druck so einzustellen, dass er im Wesentlichen gleich dem zweiten Befehlsdruck ist, so dass eine Größe des zweiten Differenzsignals reduziert wird.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach Anspruch 7, wobei die erste Ventilanordnung (31) enthält: ein erstes Ablassventil (34), das auf das erste Kompensationssignal anspricht und zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung steuerbar beweglich ist, und das Fluid in Verbindung mit dem Primärservoeinsteller (26) steuerbar ablässt, um dessen eingestellten Druck zu reduzieren, und ein erstes Einlassventil (33), das auf das erste Kompensationssignal anspricht und zwischen einer Verschlussstellung und einer offenen Stellung steuerbar beweglich ist, um somit eine Verbindung zwischen dem Fluid mit dem voreingestellten Druck und dem Fluid mit dem eingestellten Druck zu ermöglichen, um dessen eingestellten Druck zu erhöhen; und wobei die zweite Ventilanordnung (31') enthält: ein zweites Ablassventil (34'), das auf das zweite Kompensationssignal anspricht und zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung steuerbar beweglich ist, und dafür ausgelegt ist, das Fluid steuerbar abzulassen, um dessen voreingestellten Druck zu reduzieren, und ein zweites Einlassventil (33') das auf das zweite Kompensationssignal anspricht und zwischen einem Verschlusszustand und einem offenen Zustand steuerbar beweglich ist, um somit eine Verbindung zwischen dem Fluid mit dem Zuführungsdruck und dem Fluid mit dem voreingestellten Druck zu ermöglichen, um somit dessen voreingestellten Druck zu erhöhen.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach Anspruch 8, wobei der erste Computer (30) eine erste Ventilsteuervorrichtung enthält, die mit dem ersten Ablassventil (34) und dem ersten Einlassventil (33) für eine kontrollierte Betätigung des ersten Ablassventils (34) zwischen der geschlossenen Stellung und der offenen Stellung und des ersten Einlassventils (33) zwischen der Verschlussstellung und der offenen Stellung verbunden ist, der zweite Computer (30') eine zweite Ventilsteuervorrichtung enthält, die mit dem zweiten Ablassventil (34') und dem zweiten Einlassventil (33') für eine kontrollierte Betätigung des zweiten Ablassventils (34') zwischen der geschlossenen Stellung und der geöffneten Stellung und des zweiten Einlassventils (33') zwischen dem Verschlusszustand und dem offenen Zustand verbunden ist.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der erste Computer (30) so ausgelegt ist, dass der Absolutwert der ersten Differenz zwischen dem ersten Rückkopplungssignal und dem ersten Befehlssignal eine erste vorgegebene Größe überschreiten muss, die einen ersten vorgegebenen Differenzdruck repräsentiert, bevor der erste Computer (30) ein erstes Kompensationssignal ausgibt, so dass zwischen diesen ein erster Totzonenraum gebildet wird, und der zweite Computer (30') so ausgelegt ist, dass der Absolutwert der zweiten Differenz zwischen dem zweiten Rückkopplungssignal und dem zweiten Befehlssignal eine zweite vorgegebene Größe überschreiten muss, die einen zweiten vorgegebenen Differenzdruck repräsentiert, bevor der zweite Computer (30') das zweite Kompensationssignal ausgibt, so dass zwischen diesen ein zweiter Todzonenraum gebildet wird.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach Anspruch 1, umfassend: einen Behälter (22), der eine flüssige Probe (21) enthält; eine elektrophoretische Kapillarvorrichtung (23), die mit dem Behälter (22) gekoppelt ist; einen Festdruckeinsteller (41), der in Serie mit einem Ausgang der Zuführungsquelle (24) gekoppelt ist und das Fluid mit dem Zuführungsdruck auf einen im Allgemeinen konstanten Druck einstellt; einen Servo-Drucksekundäreinsteller (26'), der mit einem Ausgang des Festdruckeinstellers (41) in Serie gekoppelt ist, und der das Fluid vom im Allgemeinen konstanten Druck für eine ausgewählte Zeitspanne genau auf einen im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck einstellt; wobei der Servo-Druckprimäreinsteller (26) in Serie mit einem Ausgang des Sekundäreinstellers (26') gekoppelt ist, um das Fluid vom im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck für die ausgewählte Zeitspanne genau auf einen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck einzustellen; und der Mehrfachverteiler (32) mit einem Ausgang des Primäreinstellers (26) gekoppelt ist, um das Fluid mit dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck selektiv auf den Behälter (22) zu verteilen; wobei die Vorrichtung ferner umfasst: einen Primärakkumulator (40) der zwischen dem Ausgang des Primäreinstellers (26) und einem Eingang des Mehrfachverteilers (32) in Serie gekoppelt ist und einen internen Vorrat mit dem im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck aufweist; und einen Sekundärakkumulator (40'), der zwischen dem Ausgang des Sekundäreinstellers (26') und einem Eingang des Primäreinstellers (26) in Serie gekoppelt ist und einen internen Hohlraum mit dem im Wesentlichen konstanten voreingestellten Druck aufweist.
Druckeinspritzvorrichtung (20) nach Anspruch 11, die so ausgelegt ist, dass der Sekundärverstärkungsfaktor des Sekundäreinstellers (26') von einer Befehlsspannung zu einem voreingestellten Druck im wesentlichen proportional zum Primärverstärkungsfaktor des Primäreinstellers (26) von der Befehlsspannung zum eingestellten Druck ist, so dass der Sekundäreinsteller (26') dem Primäreinsteller (26) folgt, um ein im Wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen dem voreingestellten Druck und dem eingestellten Druck zu ermöglichen.
Verfahren zum Einspritzen eines quantitativ definierten Volumens einer flüssigen Probe (21) aus einem Behälter (22) in eine Kapillarvorrichtung (23), das die Schritte umfasst: Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids mit einem Zuführungsdruck; genaues Einstellen des Fluids vom Zuführungsdruck auf einen im Wesentlichen konstanten eingestellten Druck durch einen Servo-Druckprimäreinsteller (26); und selektives Aussetzen der flüssigen Probe (21), die im Behälter (22) enthalten ist, dem Fluid bei dem im Wesentlichen konstanten und genau eingestellten Druck für eine vorgegebene Zeitspanne, um das definierte Volumen der flüssigen Probe (21) aus dem Behälter (22) in die Kapillarvorrichtung (23) einzuspritzen.