DE4106631C2 - Trennsäule für die Flüssigkeitschromatographie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Trennsäule für die Flüssigkeits-Chromatographie, bestehend aus einem mit einem Packungsmaterial gefüllten Säulenrohr und einem in axialer Richtung verschiebbaren, einlaßseitig angebrachten Abschluß, der das Säulenbett komprimiert, und einer Vorsäule.

Eine Trennsäule der gattungsgemäßen Art ist in der EP 00 40 663 A1 vorbeschrieben. Die Trennung der aufgegebenen Substanzen in einer chroma­ tographischen Säule wird durch die unterschiedliche Verweildauer der Substanzen am Packungsmaterial des Säulenbettes hervorgerufen, wobei die zu trennenden Substanzen sich in Lösung befinden. Als Lösungsmittel werden die üblichen Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser oder Methanol, verwendet. Die Säule wird über eine Kapillare mit dem erforderlichen Strom der Flüssigkeit versorgt, wobei bei der HPC-Chromato­ graphie die Betriebsdrücke durchaus 400 bar oder mehr betragen können.

Durch den Druck und die vorhandene, wenn auch geringe Löslichkeit des Packungsmaterials in dem strömenden Medium, ergeben sich nach längerem Gebrauch in dem Säulenbett Hohlräume, so daß beim Betreiben der Säule durch ein Nachsacken des Packungsmaterials in der Trennsäule ein Totvolumen entsteht. Dieses Totvolumen vergrößert die Diffusion der Probemoleküle ganz erheblich, so daß eine chromatographische Trennung stark verschlechtert oder ganz unmöglich wird.

Um die Trenneigenschaften der Säule wieder zu verbessern, wird ein in axialer Richtung verschieb­ barer Abschluß eingesetzt, der mittels eines Kolbens auf das Säulenbett Druck ausübt, das Säulenbett wieder komprimiert und das entstandene Totvolumen dadurch verringert oder gänzlich zum Verschwinden bringt.

Weiterhin ist es bekannt, (Knauer Säulentechnik Prospekt HPLC-Säulen, 1986) zur Verlängerung der Lebensdauer und Benutzungsdauer einer HPLC-Säule eine Vorsäule vor die eigentliche Trennsäule zu schalten. Diese schützt die Säule gegen schädigende Einflüsse der Probe, wie z. B. mechanische Verunreinigungen, nicht eluierende Komponenten, stark saure oder alkalische PH-Werte oder reaktive Probenbestandteile. Die Vorsäule wird üblicherweise direkt mit der Trenn­ säule verschraubt und ist mittels einer Kapillare mit dieser verbunden. Der Austausch der verunreinigten Vorsäule ist für den Benutzer günstiger als der Austausch der Säulenpackung der Hauptsäule.

In der DE-OS 35 19 725 ist eine Chromatographiesäule beschrieben, bei der das Abschlußelement als Druckstück eingangsseitig angeordnet ist und eine Vorsäule enthält. Das Druckstück ist zusammen mit der Vorsäule mittels einer Überwurfmutter und einer Stützmutter mit der Chromatographiesäule verbunden. Nachteilig ist hierbei, daß beim Verwenden einer Vorsäule das eingangsseitige Auftreten von Totvolumen der Hauptsäule nicht nachreguliert werden kann, da das Abschlußelement in axialer Richtung nicht verschiebbar ist. Die Trennfähigkeit der Säule nimmt daher im Laufe der Benutzungszeit ab.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Trennsäule für die Flüssigkeits-Chromatographie zu entwickeln, die totvolumenfrei und gegen schädigende Einflüsse der Probe geschützt ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Vorsäule in dem axial verschiebbaren eingangsseitigen Abschlußelement integriert. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer erheblich und durch die zwangsweise Nutzung der Vorsäule kann der Anwender beim Zusammen­ bau der Säule keine Fehler begehen. Überraschender­ weise hat es sich herausgestellt, daß die Integration der Vorsäule in den axial verschiebbaren Kompressions­ kolben der Eingangsseite ohne einen Verlust an Trenn­ leistung einhergeht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Druck auf das eingangsseitige Säulenbett ist einstellbar und somit kann ein auftretendes Totvolumen wieder rückgängig gemacht werden. Auch die Vorsäule unterliegt dem Schwund des Packungsmaterials durch das Lösungsmittel. Dadurch, daß die Vorsäule eingangs­ seitig ebenfalls mit einem axial verschiebbaren, druckausübenden Abschluß versehen ist, werden in der Vorsäule eventuell auftretende Totvolumen vermieden. Im allgemeinen haben die Vorsäule und die Trennsäule gleiche Durchmesser, um gleichmäßige Bedingungen in der Säulenkombination herzustellen.

Als besonders vorteilhaft wird herausgestellt, daß die Kompression der Vorsäule und der Hauptsäule über eine gemeinsame und auf beide gleichzeitig wirkende Vorrichtung vorgenommen wird. Ein Auswechseln einer unbrauchbar gewordenen Vorsäule wird das Austauschen des kompletten Abschlußelementes, in dem die Vorsäule integriert ist, vorgenommen.

Es hat sich herausgestellt, daß das ausgangsseitige Ende des Säulenbettes einer Trennsäule meistens sehr inhomogen ist. Indem der ausgangsseitige Abschluß ebenfalls axial verschiebbar ausgeführt ist und somit eine Kompression durchführen kann, werden eine weitere Qualitätssteigerung der Trennsäule erreicht und Totvolumen am Ausgang vermieden. Die Herstellung der Trennsäule aus einem chemisch inerten Kunststoff, wie beispielsweise PEEK, erhöht die Trenneffizienz der Säule um bis zu 50%. Die genaue Ursache dafür ist nicht bekannt. Es wird aber angenommen, daß dieser Effekt durch die glattere und bessere Oberfläche der Innenseite des Säulenrohres hervorgerufen wird.

Der Kunststoff PEEK wird auch unter dem Namen "Hostatec" von der Fa. Hoechst hergestellt und vertrieben. Er hat eine hohe Festigkeit und Zähigkeit, zeigt nur geringe Ermüdungserscheinungen und ist kriechfest. Die Schmelztemperatur liegt bei 360° und der Kunststoff ist schwerentflammbar. Sehr wichtig ist auch seine Beständigkeit gegenüber fast allen orga­ nischen und anorganischen Chemikalien und Heißwasser.

Weiterhin wird ein Dichtungssystem ohne ein Gegenlager des Säulenrohres benutzt. Das verwendete Dichtungs­ system, bestehend aus einem Dichtungsaufnehmer und einer Dichtung, befindet sich ausschließlich auf dem jeweiligen, relativ zu dem Säulenrohr beweglichen Abschlußelement und dichtet dieses gegen die Säulen­ rohrinnenseite ab, wobei die Dichtungsstirnseite direkt auf den Fritten des Säulenbettes liegt. An dem unbeweglichen Säulenrohr befindet sich kein Dichtungs­ gegenlager. Dadurch wird erreicht, daß das Dichtungs­ system kein Totvolumen verursacht. Das geschilderte Dichtungssystem wird auch bei der Vorsäule eingesetzt dabei ist hier die Vorsäule relativ zu ihrem axial verschiebbaren Abschlußelement in Ruhe.

Die erfindungsgemäße Trennsäule mit der integrierten Vorsäule für die Flüssigkeitschromatographie enthält keinerlei Totvolumen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nachfolgend anhand der einzigen Figur beschrieben, die einen Längsschnitt durch eine Trennsäule für die Flüssigkeitschromatographie zeigt.

Die Trennsäule umfaßt ein Säulenrohr 1, in dem sich das Säulenbett 2 befindet. Als Packungsmaterialien für das Säulen­ bett 2 kommen überwiegend poröse Silicagele von sphärischer oder irregulärer Kornform zum Einsatz. Die Korngröße richtet sich nach dem Anwendungsfall. Das Säulenbett 2 wird einlaß- und auslaßseitig von Fritten, Filtern oder Sieben 3, 4 oder einer Kombination davon, begrenzt.

Die Einlaßseite der Trennsäule wird durch einen Abschluß 5 gebildet, welcher ein axial verschiebbares Abschlußelement 6 enthält, das in Kolbenform ausgebildet ist, wobei eine kolben­ artige Verjüngung 7 des Abschlußelementes 6 passend in das Innere des Säulenrohres 1 greift und das Säulenbett 2 kompri­ miert. Der untere Teil des Kolbens 7 ist als ringförmige, konische Verjüngung, die einen Dichtungsaufnehmer 8 darstellt auf dem eine Dichtung 9 liegt, ausgebildet. Hier ist besonders zu betonen, daß das Säulenrohr 1 kein Gegenlager für die Dichtung 9 aufweist, so daß die Dichtung 9 direkt gegen die Innenwand der Säule 1 abdichtet und auf die Fritten 3 des Säulenbettes 2 drückt. Dadurch wird ein Totvolumen, hervorgerufen durch die Dichtung 9, vermieden.

Das axial verschiebbare Abschlußelement 6 enthält neben der kolbenartigen Verjüngung 7 ein zylindrisches Kopfteil 10, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist bzw. ungefähr dem Außendurchmesser des Säulenrohres 1 entspricht. Das Kopfteil 10 des axial verschiebbaren Abschlußelementes 6 bildet mit der Stirnseite des Säulenrohres 1 einen einstellbaren Zwischenraum 11. In dem Kopfteil 10 ist eine Vorsäule 12 integriert, die durch eine Ausfräsung des Kopfteiles 10 ge­ bildet wird. Die Vorsäule 12 ist mit einem Säulenbett 13 verfüllt, das mit einer Kapillare 14 mit dem Säulenbett 2 des Säulenrohrs 1 verbunden ist. Die Vorsäule 12 ist eingangs- und ausgangsseitig durch Fritten, Filter oder Siebe 15, 33, bzw. einer Kombination daraus, abgeschlossen.

Zur Vermeidung von Totvolumina ist die Vorsäule 12 ebenfalls mit einem axial verschiebbaren Endfitting (Abschlußelement) 16 versehen. Das Endfitting 16 enthält einen zylindrischen Mittelteil 17, an den sich ein verjüngender Kolben 18 an­ schließt, dessen Außendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Vorsäule 12 ist und der zur Kompression der Vorsäule 12 dient. Zwischen dem zylinderischen Mittelteil 17 des End­ fittings 16 und dem Kopfteil 10 des Abschlußelements 6 be­ findet sich ein Zwischenraum 19, dessen Größe von der aktuellen Kompression der Vorsäule 12 und des Säulenbettes 2 bestimmt wird. An der Stirnseite des Vorsäulenkolbens 18 befindet sich eine konische Verjüngung, die einen Dichtungs­ aufnehmer 20 darstellt, der zur Aufnahme einer Dichtung 21 dient. Die Dichtung 21 des Endfittings 16 ist ebenso konstruiert wie die Dichtung 9 des Abschlusses 6. Die Dichtung 21 ruht direkt auf den Filtern, Fritten oder Sieben 15 der Vorsäule 12, und die Innenwand der Vorsäule 12 enthält kein Gegenlager. Dadurch wird auch hier das Entstehen eines Totvolumens durch das Dichtungsystem, bestehend aus dem Dichtungsaufnehmer 20 und der Dichtung 21, vermieden.

Der Vorsäulenkolben 18 und teilweise der zylindrische Mittel­ teil des Endfittings 16 enthalten eine mittige Kapillare 22, welche die druckbeaufschlagte Flüssigkeit auf die Vorsäule 12 leitet. Weiterhin enthält das Endfitting 16 an seiner Einlaß­ seite einen Aufnehmerteil 23, der zur Aufnahme einer nicht dargestellten Zuführungskapillare dient. Das Aufnehmerteil 23 enthält ein Innengewinde 24 zur Aufnahme der Verschraubung der nicht dargestellten Zuführungskapillare. Das Endfitting 16 enthält ferner in seinem Mittelteil 17 eine konische Bohrung 25, an die sich eine zylindrische Bohrung 26 anschließt. Von dieser zylindrischen Bohrung 26 führt die bereits erwähnte Kapillare 22 der Vorsäule 12 zum Vorsäulenbett 13. Die zylin­ drische Bohrung 26 dient zur Aufnahme der Zuführungskapillare, die mittels eines Konusses, der in dem Konusaufnehmer 25 ruht, befestigt wird. Zusammen mit einer nicht dargestellten, in das Innengewinde 24 einschraubbaren Verschraubung wird die Kapil­ lare an der Trennsäule befestigt.

Das Abschlußelement 6 befindet sich mit dem dazugehörigen End­ fitting 16 der Vorsäule 12 im Innern einer Überwurfmutter 27. Die Überwurfmutter 27 weist eine Bohrung 28 auf, durch die der Aufnehmerkopf 23 nach außen ragt. Die Bohrung 28 an der Stirnseite der Überwurfmutter 27 hat einen kleineren Durch­ messer als der Innendurchmesser der Überwurfmutter 27. Dieser Innendurchmesser der Überwurfmutter 27 entspricht dem Außen­ durchmesser des Abschlußelementes 6 bzw. des Mittelteils 17 des Endfittings 16. Dadurch werden die Elemente 6 und 16 im Innern der Überwurfmutter 27 geführt. Durch die unter­ schiedlichen Durchmesser der Bohrung 28 und des Innendurch­ messers der Überwurfmutter 27 entsteht an deren oberen Ende eine Mitnehmerkante 29, so daß durch eine zwischen der Mit­ nehmerkante 29 und dem Mittelteil 17 des Endfitting 16 gela­ gerte Druckscheibe 30 die Überwurfmutter 27 Druck auf den Stapel, gebildet aus dem Endfitting 16 und dem Abschlußelement 6 ausüben kann. Die Überwurfmutter 27 enthält an ihrer der Bohrung 28 entgegengesetzten Öffnung ein Innengewinde 31, welches zu einem Außengewinde 32 des Säulenrohres 1 paßt. Mittels der Gewinde 31, 32 wird das Abschlußelement 6 auf das Säulenrohr 1 aufgeschraubt und komprimiert gleichzeitig sowohl das Vorsäulenbett 13 der Vorsäule 12 als auch das Säulenbett 13 des Säulenrohrs 1 der Trennsäule.

Die erfindungsgemäße Trennsäule wird auf der Auslaßseite durch einen Abschluß 40 abgeschlossen. Der Abschluß 40 enthält ein ausgangsseitiges Abschlußelement 41, welches aus einen Kolben 42, einem Mittelteil 43 und einem Aufnehmerkopf 44 besteht. Der Außendurchmesser des Kolbens 42 entspricht dem Innendurch­ messer des Trennsäulenrohres 1 und greift in dieses ein. Zwischen dem Mittelteil 43, das einen Durchmesser entsprechend ungefähr dem Außendurchmesser des Säulenrohrs 1 hat, und der ausgangsseitigen Stirnseite des Säulenrohres 1 befindet sich ein Zwischenraum 45. Der Kolben 42 enthält an seiner Front­ seite einen konischen Dichtungsaufnehmer 46, auf dem eine Dichtung 47 gelagert ist. Auch hier liegt die Außenseite der Dichtung 47 direkt an der Innenwand des Säulenrohres 1 an, während die Frontseite auf die Fritten 4 drückt, so daß wie bei den anderen beiden Dichtungen 9, 21 kein Totvolumen durch die Dichtung 47 selbst entstehen kann, da das Dichtungsystem kein Dichtungsgegenlager des Säulenrohres 1 enthält. Das Abschlußelement 41 enthält in seinem Aufnehmerkopf 44 eine Bohrung 49 mit Innengewinde 50 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Kapillarverschraubung. Der Bohrung 49 schließt sich eine konische Aussparung 51 an, die in einen Kapillar­ aufnehmer 52 übergeht. Der Kapillaraufnehmer 52 in Form eines Zylinders führt zu einer Kapillare 53, die in der Mitte des Kolbens 42 zu den Fritten 4 führt. Das Innengewinde 50 des Konusses 51 und der Kapillaraufnehmer 52 entsprechen in ihrer Wirkungsweise derjenigen auf der Eingangsseite, so daß eine genaue Beschreibung hier nicht erforderlich ist. Das gesamte Abschlußelement 41 findet Platz in einer Überwurfmutter 54, die ebenso wie die Überwurfmutter 27 an ihrer Stirnseite eine Bohrung 55 enthält, die kleiner ist als der Innendurchmesser der Überwurfmutter 54. Dadurch entsteht im Innern eine Mit­ nehmerkante 56. Mittels einer Druckscheibe 57 wird über die Mitnehmerkante 56 Druck auf das Mittelteil 43 des Abschluß­ elementes 41 ausgeübt. Folglich wird über den Kolben 42 das Säulenbett 2 auf der Ausgangsseite komprimiert. Die Überwurf­ mutter 54 enthält ein Innengewinde 58, welches mit dem Außen­ gewinde 59 des Säulenrohres 1 verschraubt wird und einen vari­ ablen und einstellbaren Druck auf das Säulenbett 2 ermöglicht.

Der übliche Werkstoff für eine derartige erfindungsgemäße Trennsäule ist Edelstahl. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwendung des chemisch resistenten und äußerst harten Kunst­ stoffes PEEK als Fertigungsmaterial für eine chromatogra­ phische Trennsäule die Trennleistung der Säule um bis zu 50% erhöhen kann. Die Ursache dafür ist nicht genau bekannt, jedoch ist sie wahrscheinlich in der besseren und glatteren Oberflächen der Innenseite der Trennsäule einerseits und in der anderen Affinität des Kunststoffes bezüglich der Proben­ moleküle und somit in deren anderer Oberflächenverweildauer begründet.

Bezugszeichenliste

 1 Trennsäulenrohr
 2 Säulenbett
 3 Fritten, Filter oder Siebe
 4 Fritten, Filter oder Siebe
 5 Abschluß einlaßseitig
 6 Trennsäulenabschlußelement
 7 kolbenartige Verjüngung
 8 Dichtungsaufnehmer
 9 Dichtung
10 Kopfteil
11 Zwischenraum Kopfteil-Säulenrohr
12 Vorsäule
13 Vorsäulenbett
14 Kapillare
15 Fritten, Filter oder Siebe
16 Endfitting
17 Zylindrischer Mittelteil
18 Vorsäulenkolben
19 Zwischenraum Endfitting-Abschluß Trennsäule
20 Dichtungsaufnehmer Vorsäule
21 Dichtung Vorsäule
22 Kapillare
23 Aufnehmerkopf
24 Innengewinde
25 Konusaufnehmer
26 Zylindrische Bohrung
27 Überwurfmutter
28 Bohrung
29 Mitnehmer
30 Druckscheibe
31 Innengewinde
32 Außengewinde
33 Filter, Fritten oder Siebe
40 Abschluß auslaßseitig
41 Abschlußelement
42 Kolben
43 Mittelteil
44 Aufnehmerkopf
45 Zwischenraum
46 Dichtungsaufnehmer
48 Dichtung
49 Bohrung
50 Innengewinde
51 Konus Ausgang
52 Kapillaraufnehmer
53 Kapillare
54 Überwurfmutter
55 Bohrung
56 Mitnehmerkante
57 Druckscheibe
58 Innengewinde
59 Außengewinde

Claims (10)

1. Trennsäule für die Flüssigkeitschromatographie, bestehend aus einem Säulenrohr, in dem ein von einer Fritte begrenz­ tes Säulenbett enthalten ist, und einem in axialer Richtung verschiebbaren, einlaßseitig angebrachtem Abschluß welcher das Säulenbett komprimiert, dadurch gekennzeichnet, daß der einlaßseitige, axial verschiebbare Abschluß (5) ein axial verschiebbares Abschlußelement (6) mit inte­ grierter Vorsäule (12) enthält, das aus einem zylindri­ schen, mit der Stirnseite des Säulenrohres (1) einen einstellbaren Zwischenraum (11) bildenden Kopfteil (10) und aus einer, in das Säulenrohr (1) greifenden und das Säulenbett komprimierenden, kolbenartigen Verjüngung (7) besteht, wobei der untere Teil der kolbenartigen Verjün­ gung (7) als ein Dichtungsaufnehmer (8) ausgebildet ist, auf dem eine direkt gegen die Innenwand des Säulenrohres (1) abdichtende und auf die Fritte (3) des Säulenbettes (2) drückende Dichtung (9) angeordnet ist.

2. Trennsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf das Säulenbett (2) einstellbar ist.

3. Trennsäule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsäule (12) an ihrer Einlaßseite mit einem druck­ ausübenden, verschiebbaren Abschlußelement (6) versehen ist.

4. Trennsäule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression des Säulenbettes (2) der Trennsäule und des Säulenbettes (13) der Vorsäule (12) gleichzeitig von einer gemeinsamen Vorrichtung ausgeübt werden.

5. Trennsäule nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das einlaßseitige Abschlußelement (6) mit der inte­ grierten Vorsäule (12) in einer Überwurfmutter (27) Platz findet, und diese im montierten Zustand über einen inneren Kolben (18) auf das Säulenbett (13) der Vorsäule (12) und somit auf das Abschlußelement (6) der Trennsäule drückt.

6. Trennsäule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Säulenrohr (1) und die Vorsäule (12) den gleichen Innendurchmesser besitzen.

7. Trennsäule nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß (40) der Ausgangsseite der Trennsäule mit einem axial ver­ schiebbaren Abschlußelement (41) versehen ist.

8. Trennsäule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgangsseitige Abschlußelement (41) mittels einer Überwurfmutter (54) an dem Säulenrohr (1) angebracht ist.

9. Trennsäule nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Dichtungen (9, 21, 47) nur an den bewegenden Teilen der Abschlußelemente (8, 20, 46) angebracht sind und an dem relativ dazu unbeweg­ lichen Säulenrohr (1) und der Vorsäule (12) keine Dich­ tungsgegenlager vorhanden sind.

10. Trennsäule nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennsäule oder Teile davon aus PEEK gefertigt sind.