DE69929685T2

DE69929685T2 - Evaporative beschickung von kapillarsäulen

Info

Publication number: DE69929685T2
Application number: DE69929685T
Authority: DE
Inventors: Gary A. Cambridge VALASKOVIC
Original assignee: New Objective Inc
Current assignee: New Objective Inc
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2019-04-17
Also published as: WO1999062610A1; DE69929685D1; AU3569699A; EP1094874A4; US6190559B1; US5997746A; EP1094874A1; EP1094874B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Beladen von Kapillarsäulen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beladen von Kapillarsäulen durch Einsaugenlassen einer Aufschlämmung eines Packungsmaterials in eine Kapillarsäule durch Kapillarwirkung und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels aus der Aufschlämmung durch ein Ende der Säule hindurch, wie in den Ansprüchen 1 und 17 angegeben sowie ein Verfahren zur Bildung einer Fritte gemäß Anspruch 11.
Gegenwärtig ist eine Vielzahl verschiedener Verfahren zum Packen von Kapillarsäulen in Gebrauch, wie beispielsweise der auf dem Gebiet der Chromatographie und der Elektrosprayionisierungs-Massenspektrometrie (ESI-MS) verwendeten Säulen. Die verbreitetsten gegenwärtig verwendeten Verfahren sind die sogenannten "Aufschlämmungspackungsvertahren".
Das US-Patent 5 679 255 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Rückhaltematerial, beispielsweise eine keramische Fritte, die den Durchtritt von Lösungsmittel, jedoch nicht von Packungsmaterial erlaubt, in ein Ende der Säule eingesetzt wird. Eine Aufschlämmung aus polymerem Packungsmaterial in einem organischen Lösungsmittel wie THF wird anschließend von dem Ende durch die Säule gepumpt, das dem die Rückhaltefritte aufweisenden Ende gegenüberliegt. Das Packungsmaterial sammelt sich dadurch in der Säule, während der flüssige Teil der Aufschlämmung durch die Fritte austritt. Dieses Verfahren hat jedoch bestimmte Nachteile. Die verwendeten Kapillarröhrchen müssen in der Lage sein, dem durch das Pumpen der Aufschlämmung in das Röhrchen erzeugten Druck standzuhalten, und es muss die erforderliche Ausrüstung, wie eine Pumpe und ein Lösungsmittelrückgewinnungssystem, bereitgestellt werden.
Ein hoher Packungsdruck kann ebenfalls eine Verschlechterung oder eine Beschädigung des Packungsmaterials bewirken.
Das US-Patent 4 483 773 beschreibt ein Verfahren, bei dem zunächst eine Endverengung in einer Säule angeordnet wird, um das Fließen von Lösungsmittel zu ermöglichen, jedoch den Durchtritt von Partikeln aus dem Ende der Säule zu begrenzen. Anschließend wird eine Aufschlämmung unter Druck in die Säule eingeleitet. Danach wird in einem zweischrittigen Vorgang zunächst die Säule gefüllt und ein Partikelbett gebildet und anschließend das Bett gleichmäßig zusammengedrückt. Dieses Verfahren ist nicht vollständig zufriedenstellend, da zu seiner Durchführung spezielle Ausrüstung erforderlich ist.
US 4 793 920 beschreibt die Bildung eines porösen keramischen Spiels in einer chromatographischen Säule, um einen Träger für das Sorbens zu schaffen, das anschließend mit hohem Druck injiziert wird. Die Herstellungsschritte für das Spiel umfassen das Eintauchen eines Endes der Säule in eine partikelfreie Lösung aus einem schmelzbaren Material, beispielsweise Kaliumsilikat, das Einsaugenlassen der Lösung in das Röhrchen durch Kapillarwirkung wie bei einer Spritze, und das Erwärmen des Endes, um die Lösung zu einem festen Spiel zu verschmelzen. Das Sorbensmaterial muss jedoch in einem zweiten unabhängigen Schritt in die Säule gepackt werden.
US 3 281 019 beschreibt eine Vorrichtung zum Packen von Gaschromatographie-Säulen mit einem Behälter, der einen konischen Boden mit einem Loch in der Spitze des Konus aufweist. Über diesem Loch ist eine Membran angeordnet, die unter Druck bersten soll. Das Packen der Säule erfolgt durch Druckbeaufschlagen eines über dem konischen Gefäß angeordneten Reservoirs, worauf die Membran birst und das Material in dem Reservoir in die Säule ausgeleert wird. Dieses Verfahren erfordert ebenfalls spezielle Ausrüstung und hohen Druck.
Es besteht daher ein Bedarf an einem einfachen, direkten Verfahren zum Packen von kapillaren Säulen, das nicht auf spezieller Ausrüstung zum Pumpen oder druckbeaufschlagten Einbringen von Aufschlämmungen in die Säulen beruht.
Überblick über die Erfindung
Es wurde nunmehr festgestellt, dass eine Aufschlämmung von Packungsmaterial in eine Kapillarsäule durch Kapillarwirkung eingesogen werden kann, und dass, wenn das in der Aufschlämmung enthaltene Lösungsmittel aus der Aufschlämmung durch das gleiche Ende der Säule verdampft, durch welche die Aufschlämmung hineingelangt ist, die ursprünglich in der Aufschlämmung suspendierte Packung in Richtung des Endes der Säule wandert, um dicht gepackt zu werden.
Die Erfindung schafft daher ein Verfahren zum Beladen einer Säule mit einem Packungsmaterial, umfassend das Bilden einer Aufschlämmung eines in die Säule zu packenden Packungsmaterials, Anordnen der Aufschlämmung in einem Behälter, das Eintauchen eines Endes einer Kapillarsäule in die Aufschlämmung in dem Behälter oder dem Reservoir, das Einsaugen der Aufschlämmung in die Säule durch Kapillarwirkung, und das Entfernen des Lösungsmittels aus der Aufschlämmung, die in das Ende der Säule aufgesogen wurde, durch dasselbe Ende der Säule hindurch, an dem die Aufschlämmung eingetreten ist. Vorzugsweise wird das Lösungsmittel nur über das Ende entfernt, durch welches es in die Säule gelangt ist, und es ist besonders bevorzugt, das Lösungsmittel durch Verdampfen nur durch das selbe Ende zu entfernen, durch welches es in die Säule eingetreten ist.
Schließlich wird optional ein Teil der Packung am Ende der Säule gesintert nachdem das Lösungsmittel aus der in die Säule eingesaugten Aufschlämmung entfernt wurde, so dass nur das in der Aufschlämmung enthaltene Packungsmaterial zurückblieb.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht einer Kapillarsäule 1, deren Ende in einen Vorrat einer Aufschlämmung 2 eingetaucht ist, welche in die Kapillarsäule eingesaugt wurde.
2 ist eine Querschnittsdarstellung der Kapillarsäule von 1 nach dem Verdampfen eines Teils des Lösungsmittels aus der Aufschlämmung 2 durch das gleiche Ende der Säule hindurch, durch welches die Aufschlämmung ursprünglich in die Säule eingetreten ist.
3 ist eine Querschnittsdarstellung der Kapillarsäule von 2 nach weiterer Verdampfung.
4 ist eine Querschnittsdarstellung der Kapillarsäule von 3 nach dem vollständigen Verdampfen des Lösungsmittels.
5 ist eine Photographie des Endes einer Kapillarsäule, in welches eine Aufschlämmung eines Packungsmaterials durch Kapillarwirkung eingesaugt wurde.
6 ist eine Photographie der Kapillarsäule von 5 nach dem teilweisen Verdampfen des Lösungsmittels in der Aufschlämmung aus dem Ende der Säule.
7 ist eine Photographie der Kapillarsäule von 6 nach weiterer Verdampfung.
8 ist eine Querschnittsdarstellung eines Behälters 3 mit einem konischen Boden 4 mit einem Loch 5, in welches die Kapillare 1 eingeführt wurde, wodurch Aufschlämmung 2 durch Kapillarwirkung in die Säule 1 gesaugt wird.
Detaillierte Beschreibung
Die erfindungsgemäß verwendete Aufschlämmung ist eine Aufschlämmung aus einem Packungsmaterial in einem flüchtigen Lösungsmittel. Derartige Aufschlämmungen werden durch Mischen eines Packungsmaterials mit einem Lösungsmittel zubereitet.
Die Packungsmaterialien können Partikel mit einer Vielzahl verschiedener Formen sein, beispielsweise kugelig, halbkugelig, "unregelmäßig" kugelig, Stäbe mit einem Seitenverhältnis von < 5:1, gebrochene "Chips" (d.h. Formen, die mit fein gemahlenen Materialien einhergehen), ausgefällte Kristallite (kleine Würfel, Prismen, Zwölfecke, etc.). Kugelige oder nahezu kugelige Formen werden jedoch bevorzugt, da derartige Formen das gleichmäßigste und dichteste Packen ermöglichen. Die Packungsmaterialien können massiv, hohl oder porös sein, wie beispielsweise massive, hohle oder poröse Kugeln.
Bevorzugte Packungsmaterialien sind keramisch, metallisch oder polymer. Die verwendbaren keramischen Materialien umfassen beispielsweise Natronkalkglas, Borsilikatglas, poröse Kieselerde (Silikagel) und nicht poröse Kieselerde. Die verwendbaren Metalle umfassen beispielsweise kolloidales Gold, kolloidales Silber, Nickel und rostfreien Stahl. Die verwendbaren Polymermaterialien umfassen beispielsweise Fluorpolymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Styrole wie Polystyrol (PS) und Polystyrol/Divinylbenzolcopolymer (PS/DVB); Polyolefine wie hochdichtes lineares Polyethylen (HDPE), lineares Polyethylen geringer Dichte (LDPE) und Polypropylen; Polyketone wie Polyetheretherketon (PEEK); Acryle wie Polymethymethacrylat (PMMA) und Vinyle wie Divinylbenzol (DVB). Besonders bevorzugte Materialien sind Borsilikatglas, Kieselerde (sowohl poröse, als auch nicht poröse Kieselerde), und PS/DVB-Copolymer.
Die verwendeten Partikel sollten Abmessungen, d.h. Durchmesser im Falle von Kugeln, haben, die kleiner als die kleinste Innenabmessung der zu verwendenden Säule sind, wenn die Säule eine andere als eine runde Innenform hat, oder die kleiner als der Innendurchmesser sind, wenn die zu verwendende Säule eine runde Innenform hat, und sie sollten maximale Abmessungen, oder bei Kugelform Durchmesser, von ungefähr der Hälfte der kleinsten Innenabmessung oder des kleinsten Innendurchmessers der verwendeten Säulen haben. Im allgemeinen reichen die größten Abmessungen von nicht kugelförmigen Partikeln, oder die Durchmesser verwendeter kugeliger Partikel, von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 1 mm, obwohl ein Bereich von 0,25 μm bis ungefähr 250 μm bevorzugt wird, ein Bereich von 0,5 bis 30 μm besonders bevorzugt wird, ein Bereich von 1 bis 5 μm speziell bevorzugt wird, und ein Bereich von 2 bis 4 μm ganz speziell bevorzugt wird.
Es sind auf diesem Gebiet zahlreiche Lösungsmittel bekannt, die zur Bildung der Aufschlämmung verwendet werden können. Bevorzugte Lösungsmittel sind Methanol, Aceton und Tetrahydrofuran (THF), obwohl beinahe jedes flüchtige Lösungsmittel verwendet werden kann. Das gewählte Lösungsmittel sollte selbstverständlich ein Lösungsmittel sein, welches das gewählte Packungsmaterial nicht auflöst, quellen lässt oder anderweitig beeinträchtigt, obwohl es die Oberfläche des Packungsmaterials "benetzen" sollte.
Die für die Säulen verwendeten Kapillarröhrchen sind auf diesem Gebiet bekannt und können beispielsweise solche sein, die allgemein klassifiziert werden als: keramisch, wie Borsilikatglas, Quarzglas, polyimid-beschichtetes Quarzglas und aluminium-beschichtetes Quarzglas; metallisch, wie rostfreier Stahl, mit Glas ausgekleideter rostfreier Stahl oder mit Kieselerde ausgekleideter rostfreier Stahl; oder sie bestehen aus Polymermaterialien. Die verwendbaren Polymermaterialien umfassen Ethylentetrafluorethylen (ETFE), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP) und Polytetrafluorethylen (PTFE); Polyolefine wie hochdichtes lineares Polyethylen (HDPE), lineares Polyethylen geringer Dichte (LDPE) und Polypropylen; Polyketone wie Polyetheretherketon (PEEK) und mit Kieselerde ausgekleidetes PEEK; Acryle wie Polymethymethacrylat (PMMA), Polyamide wie Nylon 6, Nylon 11 und Nylon 12; und Polyimid. Bevorzugte Kapillarröhrchen zur Verwendung als erfindungsgemäße Kapillarsäulen bestehen aus mit Polyimid ausgekleidetem Quarzglas, rostfreiem Stahl, PEEK und HDPE, obwohl polyimid-beschichtetes Quarzglas besonders bevorzugt wird.
Die inneren oder äußeren Formen der bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendeten Kapillarsäulen können eine Vielzahl verschiedener regelmäßiger geometrischer Formen, wie rund, oval, quadratisch, rechteckig, polygonal, wie fünfeckig und sechseckig, oder unregelmäßige Formen annehmen. Der hierin verwendete Ausdruck "innere Form" der Kapillarsäulen hat die gleiche Bedeutung wie die "Bohrung" einer Kapillarsäule. Besonders bevorzugt sind Säulen mit runder innerer Form oder Bohrung.
Die in der praktischen Ausführung der Erfindung verwendeten Säulen mit runden inneren Formen oder Bohrungen haben Innendurchmesser im Bereich zwischen ungefähr 1 μm bis ungefähr 2 mm, vorzugsweise 5 bis 250 μm und besonders bevorzugt 20 bis 100 μm. Werden Säulen mit anderen als runden inneren Formen verwendet, sollten ihre inneren Querschnittsflächen in dem gleichen Bereich liegen, wie diejenige einer Säule mit runder innerer Form, deren Durchmesser zwischen ungefähr 1 μm bis ungefähr 2 mm beträgt, vorzugsweise diejenige einer Säule mit runder innerer Form, deren Durchmesser 5 bis 250 μm beträgt, und besonders bevorzugt diejenige einer Säule mit runder innerer Form, deren Durchmesser 20 bis 100 μm beträgt.
Die Säulen können über ihre gesamte Länge einheitliche Innenabmessungen oder einen einheitlichen Durchmesser aufweisen, wie die üblicherweise als Chromatographiesäulen verwendeten Säulen, oder sie können an einem Ende zulaufen, so dass sich der Innendurchmesser zu einer engen Spitze oder Nadel verjüngt, wie bei den für die Elektrosprayionisierungs-Massenspektrometrie (ESI-MS) verwendeten Säulen. Die zulaufende Enden aufweisenden Säulen werden auf diesem Gebiet auch als Nadeln bezeichnet. Die 1 – 7 zeigen die Enden oder Spitzen der Säulen mit zulaufendem Ende, die auch als Nadeln bezeichnet werden. Wenn derartige Säulen mit zulaufenden Enden verwendet werden, weist das Ende oder die Spitze der Säule, die ebenfalls als das Ende der Nadel bezeichnet wird, bei dem es sich um das Ende der Säule handelt, in welches die Packung einzubringen ist, einen Innendurchmesser zwischen ungefähr 1 μm und ungefähr 100 μm, vorzugsweise zwischen 5 und 30 μm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 μm auf, wobei ein Durchmesser von 15 μm speziell bevorzugt ist. Die Länge des sich verjüngenden Bereichs, d.h. die Länge der Säule, über welche sich der Durchmesser vom Innendurchmesser des nicht verjüngten Bereichs der Säule bis zum Innendurchmesser der Spitze verjüngt, reicht von ungefähr 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise von 0,25 bis 3 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 1,5 mm.
Die Länge der zu verwendenden Säulen variiert mit der beabsichtigten Verwendung, so wie die Menge an zusätzlicher Packung, die gegebenenfalls in Kombination mit der Packung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden muss. Das heißt, die erfindungsgemäße Packung kann allein oder in Kombination mit anderen Packungen verwendet werden, die in die Säule vor oder nach der erfindungsgemäßen Packung eingebracht werden können. Gepackte Säulen mit Längen von 19 Metern oder mehr sind bekannt (US-Patent 4 793 920), und derartige Säulen können bei der praktischen Ausführung der Erfindung eingesetzt werden, bei der die Länge der verwendeten Säule nicht begrenzt ist. Wie für den Fachmann auf diesem Gebiet jedoch verständlich sein wird, ist die Packungsmenge, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Säule gepackt werden kann, durch die Kapillarität zwischen der Aufschlämmung des Packungsmaterials und der Kapillarsäule begrenzt, was zu einer spezifischen maximalen kapillaren Höhe für jede Kombination von Aufschlämmungszusammensetzung und Kapillarsäulenzusammensetzung führt. Die maximale kapillare Höhe für eine bestimmte Anwendung kann leicht bestimmt werden, indem einfach ein Ende der Kapillarsäule in die Aufschlämmung eingetaucht wird und man beobachtet, wie hoch die Aufschlämmung in die Säule gesaugt wird.
Die Aufschlämmung kann durch herkömmliche Verfahren zubereitet werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Ein derartiges Verfahren ist das einfache Mischen, wobei ein Lösungsmittel in einen Behälter, beispielsweise eine Ampulle, einen Becher oder einen Kolben, zusammen mit dem Packungsmaterial eingebracht und der Inhalt anschließend gerührt wird. Das Kapillarröhrchen kann sodann in die derart zubereitete Aufschlämmung in der Ampulle, den Becher oder den Kolben eingesetzt werden, worauf die Aufschlämmung in das Kapillarröhrchen durch Kapillarwirkung eingesaugt wird. Die erfindungsgemäßen Aufschlämmungen sind mit ungefähr 0,002 bis 8 Gramm Packungsmaterial pro ml Lösungsmittel, vorzugsweise 0,03 bis 5 Gramm Packungsmaterial pro ml Lösungsmittel, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 Gramm Packungsmaterial pro ml Lösungsmittel gebildet.
Alternativ kann die Aufschlämmung aus dem Behälter, in dem sie zubereitet wurde, in einen anderen Behälter übertragen werden, beispielsweise einen Behälter mit einem konischen Boden, der ein Loch in der Spitze des konischen Bodens aufweist, wie in 8 dargestellt. Ein derartiger Behälter, der erfindungsgemäß verwendet werden kann, ist eine übliche Polyethylen-Pipettenspitze. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Behälter mit einer konischen Spitze verwendet werden, der ein Loch in der Spitze des Konus und ein Septum in dem Loch aufweist. Bei der Verwendung derartiger Behälter wird das Kapillarröhrchen durch das Loch in die Aufschlämmung eingeführt oder, wenn das Loch im Behälter mit einem Septum versehen ist, durch das Septum eingeführt.
Die zum Einsaugen der Aufschlämmung in das Kapillarröhrchen durch Kapillarwirkung erforderliche Zeit variiert in Abhängigkeit von einer Vielzahl verschiedener Faktoren, wie beispielsweise den Abmessungen des Packungsmaterials, d.h. dem Durchmesser des kugeligen Packungsmaterials, sowie der Dichte der Aufschlämmung und dem Innendurchmesser des Kapillarröhrchens. Im allgemeinen wird die Aufschlämmung praktisch unmittelbar beim Einsetzen des Röhrchens in die Aufschlämmung in das Kapillar gesaugt. In Abhängigkeit von dem gewünschten Grad der Befüllung des Kapillarröhrchens mit der Packung ist mehr oder weniger Zeit erforderlich. Soll nur die Spitze des Kapillarröhrchens gefüllt werden, um beispielsweise eine Fritte zu bilden, kann die gewünschte Packungsmenge in weniger als einer Sekunde eingesaugt werden. Wenn andererseits die Säule in dem maximalen erreichbaren Ausmaß, das als die "volle kapillare Höhe" bekannt ist, gefüllt werden soll, können mehrere Stunden erforderlich sein. Im allgemeinen kann jedoch die gewünschte Menge an Aufschlämmung in einer Zeit zwischen 0,1 Sekunde und ungefähr 2 Stunden in das Kapillarröhrchen eingesaugt werden, obwohl in den meisten Fällen lediglich zwischen 0,1 Sekunde und ungefähr 30 Minuten erforderlich ist. Die erforderliche Zeit variiert selbstverständlich in Abhängigkeit von der jeweiligen Art der Aufschlämmung und derjenigen des Kapillarröhrchens sowie von den Bedingungen, unter denen das Füllen erfolgt, beispielsweise der Temperatur und dem Druck. Zwar ist es möglich, den Füllvorgang bei hoher Temperatur oder hohem sowie geringem Druck durchzuführen, jedoch werden zufriedenstellende Ergebnisse im allgemeinen bei Umgebungstemperatur und -druck erzielt.
Wenn kein Septum verwendet wird, sollte das Loch in dem konischen Boden des zuvor beschriebenen Behälters eine derartige Größe haben, dass die Oberflächenspannung des Lösungsmittels in der Aufschlämmung den Durchtritt der Aufschlämmung durch das Loch verhindert. Derartige Löcher haben einen Durchmesser in der Größe von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 3 mm, vorzugsweise ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 1 mm.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung derartiger Behälter mit konischem Boden ist, dass sich die Aufschlämmung, sobald sie in den Behälter gegeben ist, setzen kann, wodurch eine höhere Konzentration der Packung pro ml Lösungsmittel am Boden des Behälters gebildet wird, und die Aufschlämmung, die aus dem Behälter in das Kapillarröhrchen gesaugt wird, hat somit eine höhere Packungskonzentration als die ursprüngliche Aufschlämmung.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Behälters mit konischem Boden ist, dass während des Absetzens der Aufschlämmung am konischen Boden, ein Konzentrationsgradient gebildet wird, wobei die Konzentration der Partikel in dem Lösungsmittel allmählich vom oberen Ende des Behälters zum Boden zunimmt. Die Dichte der Aufschlämmung, die in ein Kapillarröhrchen, das in das Loch in der Spitze des Konus im konischen Boden des Behälters eingesetzt ist, eingesaugt wird, kann dann geregelt werden, indem die Einsetztiefe des Röhrchens in dem Behälter variiert wird. Je näher das Ende des Kapillarröhrchens dem Boden des Konus ist, desto höher ist die Dichte der in das Kapillarröhrchen eingesaugten Aufschlämmung.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Aufschlämmung Mikrokugeln aus Glas als Packungsmaterial in Methanol als Lösungsmittel in einer Konzentration von ungefähr 0,2 Gramm Mikrokugeln pro ml Methanol.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Packungsmaterial in der Säule gesintert, nachdem das Lösungsmittel entfernt wurde. Die Packung wird durch Aufbringen von Energie auf diese gesintert. Dies erfolgt durch Erwärmen des Packungsmaterials durch eine Wärmequelle, beispielsweise Heißluft, durch Laserstrahlung, Mikrowellenerwärmung oder eine Kombination derartiger Erwärmungsmittel. Die aufgebrachte Wärmemenge wird derart geregelt, dass sie ausreicht, um das Packungsmaterial zu sintern, ohne es jedoch zu schmelzen. Eine ausreichende Wärmemenge muss aufgebracht werden, um ein Erweichen des Packungsmaterials zu bewirken. (Bei Glas, Kieselerde oder Polymermaterialien muss die Glasübergangstemperatur erreicht werden.) Die Erwärmungsdauer und -temperatur müssen ausreichen, um ein Verschmelzen der Partikel zu bewirken, jedoch sollten sie nicht so lang oder so hoch sein, dass sämtliche Zwischenräume und Lunker zwischen den Partikeln eliminiert werden. Ein vollständiges Schmelzen des Packungsmaterials sollte selbstverständlich vermieden werden.
In der praktischen Durchführung der Erfindung wird die Aufschlämmung wie zuvor beschrieben durch Kapillarwirkung in die Kapillarsäule eingesaugt. Anschließend wird das in der Aufschlämmung, welche in die Säule eingesaugt wurde, enthaltene Lösungsmittel durch das gleiche Ende der Säule entfernt, durch welches die Aufschlämmung in die Säule eingetreten ist. Vorzugsweise wird das Lösungsmittel aus der Aufschlämmung durch Verdampfen entfernt. Bei der Verdampfung des Lösungsmittels, kann die Säule in der Umgebungsluft stehen gelassen werden, wie sie beispielsweise in einer Abzugshaube existiert, oder es kann eine Gasströmung, beispielsweise Luft oder Stickstoff, über die Spitze des Endes geleitet werden, um die Verdampfung zu beschleunigen. Die Verdampfungsrate kann durch Faktoren wie die Geschwindigkeit des über die Spitze des Endes der Säule geleiteten Gases sowie durch die Umgebungstemperatur und die Temperatur des über die Spitze des Endes der Säule geleiteten Gases geregelt werden.
Alternativ kann das Lösungsmittel durch das Ende der Säule durch andere Mittel entfernt werden, beispielsweise durch "Blotten", indem ein absorbierendes Mate rial wie ein Filterpapier oder eine Filtermembran über das Ende der Säule gehalten wird, um das Lösungsmittel zu berühren und aus der Säule zu ziehen.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Aufschlämmung verwendet, die der theoretischen maximalen Dichte an in einer Lösungsmittelvolumeneinheit suspendierten Partikeln nahe kommt. In einem solchen Fall verbleibt die dichte Aufschlämmung, wenn sie in das Ende des Kapillarröhrchens eingesaugt wird, dicht bei dem Ende des Kapillarröhrchens und, wenn das Lösungsmittel verdampft wird, packt der Meniskus die Aufschlämmung zu einer dichten Materialstange.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Kapillarröhrchen mit Lösungsmittel vorbefüllt und anschließend wird ein Teil des Lösungsmittels verdampft, wodurch ein Luftspalt am Ende der Säule verbleibt. Das Ende mit dem Luftspalt wird anschließend in die Aufschlämmung eingeführt, wobei die Menge an Aufschlämmung, die in die Säule eingesaugt wird, durch den Luftspalt zwischen der eintretenden Aufschlämmung und dem vorab eingefüllten Lösungsmittel begrenzt ist. Anschließend wird das Lösungsmittel, also das vorab eingefüllte und das in der Aufschlämmung enthaltene Lösungsmittel verdampft. Beim Verdampfen des Lösungsmittels packt die Bewegung des Meniskus das Packungsmaterial zu einem dichten porösen Stopfen am Ende des Rohres.
Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei die 1 die Endspitze einer erfindungsgemäßen Kapillarsäule 1 mit zulaufendem Ende darstellt, die auch als Nadel bezeichnet wird. Wie dargestellt, ist das Kapillarröhrchen in ein Aufschlämmungsreservoir 2 eingesetzt, das in einem Lösungsmittel dispergierte Packungskugeln 6 enthält, und die Aufschlämmung wurde durch Kapillarwirkung in das Röhrchen eingesaugt.
2 zeigt die Endspitze des Kapillarröhrchens von 1 nach dem teilweisen Verdampfen des Lösungsmittels aus der Endspitze. Wie dargestellt, hat sich der Meniskus der Oberfläche der Aufschlämmung, der sich in der Säule befindet und von der Endspitze der Säule am weitesten entfernt ist, in Richtung der Endspitze bewegt, während Lösungsmittel aus der Endspitze verdampft. Wie ferner dargestellt, und hierbei handelt es sich um ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, bewirkt der Meniskus bei seiner Bewegung in Richtung der Endspitze eine Konzentration des Packungsmaterials, so dass die Aufschlämmung mit dem Verdampfen des Lösungsmittels aus der Endspitze in Richtung der Endspitze konzentriert wird. Dies ist vollkommen überraschend, da zu erwarten wäre, dass das Packungsmaterial aus dem Lösungsmittel "ausfallen" würde und in trockenem Zustand verbleiben würde, während das Volumen des Lösungsmittels in Richtung der Endspitze abnimmt. Es war nicht zu erwarten, dass der sich bewegende Meniskus tatsächlich das Packungsmaterial in Richtung der Endspitze bringen würde, wodurch das Packungsmaterial in Richtung der Endspitze konzentriert wird. Es hat sich nun herausgestellt, dass beim Verdampfen des flüssigen Lösungsmittels der sich zum Ende des Röhrchens bewegende Meniskus das Packungsmaterial sammelt und sanft in Richtung des Röhrchenendes schiebt. Die Oberflächenspannung der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Luft (oder Flüssigkeit und Stickstoff) am Ende des Röhrchens reicht aus, um das Packungsmaterial entgegen dieser sanften Bewegungskraft in der Aufschlämmung zu halten. Das Röhrchen kann während des Verdampfungsvorgangs optional Vibrationen ausgesetzt und/oder langsam um seine Achse gedreht werden, um das dichte Packen des Packungsmaterials zu fördern.
5 ist eine tatsächliche Photographie eines Kapillarröhrchens, wie es in 2 dargestellt ist.
3 zeigt die Säule von 2 nach weiterem Verdampfen, wodurch die Konzentration des Packungsmaterials weiter erhöht wurde und dieses weiter zur Endspitze gewandert ist.
6 ist eine tatsächliche Photographie eines Kapillarröhrchens, wie es in 3 dargestellt ist.
4 zeigt die Säule von 3 nachdem sämtliches Lösungsmittel verdampft ist. Das in 4 dargestellte Packungsmaterial ist, nach dem Entfernen des Lösungsmittels, zum Sintern bereit.
7 ist eine tatsächliche Photographie eines Kapillarröhrchens, wie es in 4 dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser zu verstehen, ist jedoch nicht durch diese eingeschränkt.
Beispiel 1
Ein 10 cm langes Stück eines mit Polyimid beschichteten Quarzglasröhrchens (Polymicro Technologies, Phoenix, Arizona) mit einem Außendurchmesser (OD) von 360 μm und einem Innendurchmesser (ID) von 75 μm wurde in einen handelsüblichen durch Laser erwärmten Mikropipettenzieher (Sutter Instruments, Novato, Kalifornien) eingesetzt und zu zwei spitzen Nadeln ausgezogen, so dass der Durchmesser am Nadelende auf 15 μm verringert wurde.
Eine Aufschlämmung von massiven Glas-Mikrokugeln mit 5 μm Durchmesser wurde durch Mischen von 0,1 Gramm der Kugeln mit 0,5 Millilitern 100%-igem Methanol in einer kleinen Glasampulle (1 ml) zubereitet. Die Mischung wurde 5 Minuten gründlich gerührt, dann 5 Minuten mit Ultraschall behandelt und man ließ sie sich anschließend für 2 Stunden setzen. Nach dem Entfernen des überschüssigen Lösungsmittels über der Aufschlämmung, die sich am Boden der Ampulle abgesetzt hatte, wurden ungefähr 10 μl der Aufschlämmung in einen Polyethylenbehälter (eine handelsübliche Polyethylenpipettenspitze) verbracht, der einen konischen Boden mit einem Loch von 0,5 mm an dessen Spitze aufwies. Man ließ die Aufschlämmung sich weitere 5 Minuten absetzen, wobei die Pipettenspitze in vertikaler Position gehalten wurde.
Sowohl der die Aufschlämmung beinhaltende Behälter, als auch die Kieselerdenadel wurden horizontal auf dem Träger eines standardmäßigen Lichtmikro skops montiert und bei 100-facher Vergrößerung betrachtet. Der Mikroskopträger hatte einen zusätzlichen verschiebbaren Träger, der das Bewegen der Kieselerdenadel in das Loch der Pipettenspitze ermöglichte. Durch Bewegen der Spitze in kurzen Kontakt (≈0,5 Sekunden) mit der Aufschlämmung durch das Loch wurden ungefähr 75-100 Mikrokugeln in die Kieselerdenadel übertragen.
Die Nadel lag für 5 Minuten auf dem Mikroskopträger, während das Methanol vollständig aus der Spitze der Nadel verdampfte. Während dieser Zeit wurde die Kieselerde durch die Bewegung des Meniskus gepackt.
Die Nadel wurde zu einer Vorrichtung verbracht, die ein Platinfolienheizelement mit einem 3 mm "Mulden"-Draht von 3 mm Breite enthielt (Sutter Instruments Drahtnummer FT3308). Das die gepackten Kugeln enthaltende Ende der Nadel wurde in dem Draht zentriert. Der Draht wurde für 12 Sekunden mit einer Wärmeleistung von 20,1 Watt betrieben, um die Mikrokugeln zu sintern.
Beispiel 2
Der Vorgang gemäß dem Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass eine Nadel aus einem Quarzglasröhrchen mit einem ID von 50 μm, das zu einer Spitze mit einem ID von 8 μm ausgezogen wurde, verwendet wurde. Ungefähr 15-25 Kugeln wurden in das Ende der Kieselerdenadel übertragen. Zum Sintern wurde die Heizleistung der Drahtvorrichtung auf 19,4 Watt reduziert.
Beispiel 3
Der Vorgang gemäß Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurde ein 10 cm langes Stück eines mit Polyimid beschichteten Quarzglasröhrchens mit einem ID von 50 μm und einem OD von 360 μm mit einer sauberen quadratischen Endfläche geschnitten. Die Aufschlämmung wurde wie im Beispiel 1 zubereitet, jedoch wurden 10 μm hochporöse Kugeln aus Polystyroldivinylbenzol (Poros^®, Perspective Biosystems 10-R2) anstelle der Glas-Mikrokugeln verwendet. Die Säule wurde wie im Beispiel 1 beschrieben geladen. Die Packung wurde in der gleichen Vor richtung gesintert, um eine Fritte zu bilden, jedoch erfolgte die Erwärmung für 3 Sekunden bei 6,3 Watt.
Beispiel 4
Ein 25 cm langes Stück eines Röhrchens mit einem ID von 75 μm wurde gespalten, um eine ebene Stirnfläche zu erhalten.
Eine Aufschlämmung wurde wie im Beispiel 1 zubereitet. Nach dem Setzen wurden 100 μl der Aufschlämmung in eine Polyethylenpipettenspritze verbracht. Die Spitze wurde vertikal gehalten und man ließ die Aufschlämmung sich für 15 Minuten setzen. Die Setzzeit wurde mittels eines Lichtmikroskops überwacht, um sicherzustellen, dass sich > 95% des Materials am Boden der Spitze abgesetzt hatten.
Weiter in vertikaler Position belassen, wurde das Kieselerde-Kapillarröhrchen ungefähr 50 μm in das Loch im Boden der Pipettenspitze eingeführt. Die dichte (nahezu opake) Aufschlämmung füllte das Kieselerderöhrchen durch Kapillarwirkung. Das Röhrchen wurde in Kontakt mit der Aufschlämmung belassen, bis 15 cm des Röhrchens gefüllt waren.
Beim Entfernen wurde das Ende des Kieselerderöhrchens in Kontakt mit einem Nylon-Filterpad (Milipore Corp.) gebracht und horizontal auf dem Träger eines Lichtmikroskops angebracht. Die Bewegung des Meniskus und das Packen der Säule wurden für ungefähr 45 Minuten beobachtet. Als das Verdampfen abgeschlossen schien, wurde das Nylon-Filterpapier entfernt und das Packungsmaterial am Ende des Röhrchens wurde durch Erwärmen in der im Beispiel 1 beschriebenen Heizeinrichtung mit einer Drahtleistung von 25 Watt in 12 Sekunden zu einer Fritte gesintert.
Beispiel 5
Der Vorgang von Beispiel 4 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass das Füllen bei horizontalem Röhrchen erfolgte. Eine Säule mit 10 cm gepacktem Material wurde auf diese Weise gebildet.

Claims

Verfahren zum Beladen einer Säule mit einem Packungsmaterial, umfassend das Bilden einer Aufschlämmung eines Packungsmaterials in einem flüchtigen Lösungsmittel, das Eintauchen eines Endes einer zu packenden Säule in die Aufschlämmung, das Einsaugenlassen der Aufschlämmung in das Ende der Säule durch Kapillarwirkung, das Herausziehen des Endes aus der Aufschlämmung und das Entfernen des flüchtigen Lösungsmittels aus der Aufschlämmung, die in das Ende der Säule aufgesogen wurde, durch dasselbe Ende der Säule hindurch, an dem die Aufschlämmung eingetreten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel durch Verdampfen aus der Aufschlämmung, die in das Ende der Säule aufgesogen wurde, entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel durch Absorption an einem Absorbens aus der Aufschlämmung, die in das Ende der Säule aufgesogen wurde, entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei es sich bei dem Absorbens um Filterpapier oder -membran handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Packungsmaterial ein sinterfähiges Packungsmaterial ist und wobei nach der Entfernung des Lösungsmittels Energie auf die sinterfähige Packung angewendet wird, so dass sie gesintert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Energie in Form von Wärme, einem Laserstrahl oder Mikrowellenstrahlung vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Säule ein hohles Kapillarröhrchen aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von etwa 1 μm bis etwa 2 m m ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Innendurchmesser etwa 5 μm bis etwa 250 μm beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei sich das Ende des Kapillarröhrchens verjüngt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Kapillarröhrchen einen Innendurchmesser von etwa 20 μm bis etwa 100 μm hat und das sich verjüngende Ende sich zu einer Spitze mit einem Innendurchmesser von etwa 2 μm bis etwa 30 μm verjüngt.
Verfahren zur Bildung einer Fritte im Ende eines sich verjüngenden Kapillarröhrchens, das als Quelle für ionisierte Tröpfchen für die Elektrospray-Ionisierungs-Massenspektrometrie geeignet ist, umfassend das Auswählen eines hohlen Kapillarröhrchens mit einem sich verjüngenden Ende, in dem eine Fritte gebildet werden soll, das Bilden einer Aufschlämmung eines sinterfähigen Materials in einem flüchtigen Lösungsmittel, das Eintauchen des sich verjüngenden Endes in die Aufschlämmung und das Einsaugenlassen der Aufschlämmung in das sich verjüngende Ende durch Kapillarwirkung, das Herausziehen der Spitze aus der Aufschlämmung, das Verdampfenlassen des Lösungsmittels, wobei das sinterfähige Material, das als Teil der Aufschlämmung in das sich verjüngende Ende eingesogen wurde, zurückbleibt, und das Anwenden einer Energiequelle auf das sinterfähige Material, so dass dieses gesintert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei es sich bei dem sinterfähigen Material um Glas, Siliciumoxid, Metall oder Polymer handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei es sich bei dem sinterfähigen Material um Glas in Form von Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 0,25 μm bis etwa 250 μm handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei es sich bei dem sinterfähigen Material um Siliciumoxid in Form von Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 0,25 μm bis etwa 250 μm handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei es sich bei dem sinterfähigen Material um Glas, Siliciumoxid, Metall oder Polymer handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei es sich bei dem sinterfähigen Material um Glas in Form von Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 0,25 μm bis etwa 250 μm handelt.
Verfahren zum Beladen einer Packungssäule mit einem Packungsmaterial, umfassend das Bilden einer Aufschlämmung des Packungsmaterials in einem flüchtigen Lösungsmittel, das Einfüllen der Aufschlämmung in ein Gefäß mit einem konischen Boden mit einem Loch in der Spitze des Kegels, das Absetzenlassen der Aufschlämmung, so dass sich Packungsmaterial im konischen Boden des Gefäßes ansammelt, das Einführen eines Endes eines Kapillarröhrchens in das Loch in dem Gefäß, das Eindringenlassen eines Teils der Aufschlämmung in das Kapillarröhrchen durch Kapillarwirkung, das Herausziehen des Kapillarröhrchens aus dem Loch und das Verdampfenlassen des Lösungsmittels aus der Aufschlämmung in dem Ende des Röhrchens.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei ein Septum in das Loch gebracht wird, wobei das Septum den Durchtritt der Aufschlämmung durch das Loch blockiert, bis das Kapillarröhrchen durch das Septum hindurch in das Loch eingeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Loch einen ausreichend engen Durchmesser hat, so dass die Oberflächenspannung des Lösungsmittels verhindert, dass die Aufschlämmung durch das Loch fließt, bis das Ende des Kapillarröhrchens eingeführt wird.