利用两用阀组件的色谱柱的制作方法

本公开内容总体上涉及色谱柱，更具体地，涉及使用两用阀组件的填充色谱柱及其使用方法和制造方法。

背景技术：

色谱法是用于从多组分的化学和生物混合物中分离出一种或更多种成分的成熟且有价值的技术，并且被广泛地用在研究和工业中，在化合物的制备、纯化和分析中得到了许多应用。色谱法有许多不同的形式，柱色谱法在化学、制药和生物工业中对于化合物、蛋白质、抗体、肽和核酸的制备、纯化和表征特别重要。

柱色谱法涉及一种分离和/或纯化技术，在这种技术中，“填充介质”或“树脂”的固定“填充床”被包含在刚性管内。填充介质可以是固体颗粒(“固定相”)的形式，或可以是涂覆有液体固定相的固体支撑材料。

色谱柱的主要部件包括柱容器(其通常由金属或玻璃或高刚性塑料材料制成)、上盖和下盖(适配器)以及一对流动分配器，所述一对流动分配器通常被插入柱容器的两端以在流动分配器之间的容器中形成装载有填充介质的空间或室。

色谱柱的管状体通常是竖直取向的，其将填充介质包围在固定的下盖和可移动的上盖之间。颗粒状的填充介质，通常是树脂颗粒，常常悬浮以形成浆料，然后将该浆料泵送、倾倒或抽吸进柱内。填充介质通常通过柱的开口上端被引入柱中，以借助于沉降、流动填充、轴向压缩或这些方式的组合形成填充床。

在柱中装满填充介质以后，优选地将上盖固定到位，以从柱中去除所有空气。载液“流动相/洗脱液”通过入口进入，该载液包含待分离的“被分析物”化合物或分子入口。入口通常位于色谱柱的顶部，并且被分析物通常穿过多孔的穿孔“过滤器”，诸如筛网、网眼或玻璃料(frit)。过滤器起到支撑填充床的作用，以防止树脂从入口或出口逸出，并且仅允许液体流动相或被分析物穿过。被分析物穿过填充介质床，并经由出口(通常是在色谱柱的底部)以及通过第二过滤器，诸如筛网、网眼或玻璃料去除。

当溶解的被分析物与流动相一起穿过色谱柱时，被分析物中的不同化合物可以与固定相有不同的结合，从而使它们相对于流动相被吸附并以不同的速度穿过色谱柱。因此，与固定相结合度较高的化合物比结合度较低的化合物更慢地穿过色谱柱，并且这种速度差导致化合物在穿过和离开色谱柱时相互分离。促进差动结合的固定相的特征包括但不限于离子电荷(离子交换色谱)、疏水性(疏水相互作用色谱和反相色谱)和多孔性(尺寸排阻色谱)。

在又另一种称为亲和色谱的柱色谱中，填充介质包括结合剂，诸如抗原、抗体或配体，这些结合剂能识别特定的分子构象，并与溶解的被分析物中的一种或多种期望的化合物或分子结合。因此，随着溶解的被分析物流过填充介质时，仅期望的化合物或分子保留在色谱柱中。随后流经不同流动相的填充介质，这破坏了分子识别，从附着在填充介质上的结合剂中分离出期望的化合物或分子，或从填充介质中分离出结合剂。期望的化合物或分子被冲出柱，并收集在洗脱液中。亲和色谱法可以用于多种应用，包括核酸纯化、脱细胞提取物的蛋白质纯化和血液的纯化。

在使用色谱柱时，在色谱柱的物理取向和树脂床的填充中有许多因素对混合物的成功分离至关重要。通常情况下，色谱柱的直径是根据被分析物的量来选择的，并且色谱柱的长度取决于分离的难度和树脂的类型以及仪器或树脂本身压力限制。利用与被分析物中的分子或化合物相互作用的官能团选择填充介质或树脂，或者在凝胶排阻色谱法(也称为尺寸排阻色谱(gpc/sec))的情况下，填充介质或树脂具有足够大小的孔，以便能够保留待分析物中较小的基团。

色谱柱填充是关键的步骤，因为填充不良的床会导致流速不均和谱带增宽，这两种情况都会导致不良且无效的分离。填充色谱柱床有两种常见的方法。一种是干式填充法，其中将干固相填充介质/树脂引入柱内，并且在高流速下使用填充缓冲液以使介质水化。第二种方法是湿式填充法，其中将填充缓冲液与干介质混合以形成树脂浆料，然后在一定的适合于树脂类型的压力下将该树脂浆料引入柱中。随后可以进行轴向压缩步骤，以保持填充床中均匀的轴向压力。

至关重要的是，介质被均匀地填充，并且在填充的床上没有气穴或不规则的地方。在轴向和横向方向上的同质性填充可以使被分析物与填充介质的接触最大化，从而实现有效分离。不同类型的树脂具有不同的可压缩性。因此，为了实现紧密填充的床，必须在适合于填充介质的一定压力下填充树脂，并且在整个床中压力必须保持恒定，以使填充保持稳定。

在对色谱柱进行填充时，在不同的地方会形成小的空间或空隙，包括流动分配器的外缘和色谱柱的内壁。这种空隙空间形成了所谓的“死区”或“死角”，因为流动相没有到达该空隙空间，而流体和污染物可以进入其中，并被截留和滞留，而不是流过色谱柱内的介质。此外，这种死区易于造成污染和细菌滋生，因为在色谱柱填充后的清洁周期中或色谱柱要重复使用时，这些死区难以清洁。

一旦填充完色谱柱，就将待分离的分析物引入色谱柱中。为了有效的分离，必须使被分析物均匀分布，特别是随着色谱柱的横截面增大。色谱分离的效率取决于在填充床的流体入口和出口处的液体分布和收集系统。理想地，洗脱液/流动相被均匀地引入填充介质的顶部处的整个表面，并且它在整个填充床的横截面上以相同的速度流过填充料，并在由填充床底部限定的平面处均匀地被去除。

一次性色谱柱的特征在于对色谱介质进行预组装，以减少非一次性色谱柱另外所需的安装和鉴定工作。作为最低限度，预组装涉及到树脂床的形成(预填充)。额外的预处理可以包括减少微生物负担、灭菌、去热原等。一次性色谱柱可以用作单次使用的色谱柱，这意味着用户无需执行对填充床进行鉴定(例如测试、验证等)才能重复使用的清洁方案。因此，单次使用可能意味着在相同条件下运行。

由于一次性色谱柱意在限制使用次数，因此重要的是，这些色谱柱由经济有效且易于制造的部件制成，但又能保持与可重复使用的色谱柱相同的坚固性和功能完整性。诸如填充的同质性、填充床的稳定性、无任何死区以及被分析物的适当分布等因素都是相关的和至关重要的。此外，必须有一个可重现的且有效的色谱柱填充过程/方法，并使填充床在运输和操作过程中保持稳定和无菌。

为了试图满足上述所提到的因素，已经设计和制造了许多种色谱柱，下面提供了示例。

us10,188,964b2(repligen公司)公开了用塑料/热塑性料或复合材料(诸如聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚酰胺、缩醛或者玻璃填充塑料(诸如玻璃纤维塑料等))制造色谱柱管。利用紧密的过盈配合或压合将两个流动分配器中的至少一个固定在色谱柱管内，，从而使色谱柱在压合的流动分配器周围具有减少的死区或无死区，并且具有无限可调的填充介质体积。

该设计用于制作预填充的一次性色谱柱。但是，相应的材料和制造成本较高。另外，色谱柱以长管开始，该长管的长度是最终色谱柱长度的两倍，并且其一端具有固定的适配器/盖。然后在色谱柱中充满树脂浆料，并使用专用设备放置顶部的适配器且将其压紧入管中，直至达到最终色谱柱的“床高”为止。然后测试色谱柱的性能，如果需要，可以进一步压紧适配器，但在不损坏色谱柱的情况下不能对其进行减压。一旦测试结果令人满意，就将包括色谱柱的壁的管子的多余长度剪掉，并将顶部适配器焊接在管子上。

us6,565,745(isco)公开了一种新型一次性色谱柱的制备。这些一次性色谱柱由廉价的塑料制造，并被设计成易于组装。色谱柱一端的盖是模制管的一部分，色谱柱的主体填满所需的填料并穿过开口端，然后利用简单的线性移动盖上开口端，通过紧密配合进行密封，借助于棘爪和悬臂使盖保持关闭并承受卡扣应力。此外，用于使被分析物径向分布的整体通道也是模制盖的一部分。

采用这种设计的色谱柱只能采用干式填充的方法进行填充，这种方法非常耗时，而且填充的重复性低。另外，由于卡扣配合盖采用悬臂和棘爪，卡扣盖的行进距离是预先确定的，在压缩距离上的灵活性非常低。

另外，由于端盖是管子的模制部分，因此对于一次性色谱柱而言，硬件的制造成本很高。此外，已知不同的树脂需要不同的床高，在这种柱设计下，制造内径相同但床高不同的色谱柱是非常昂贵的。另外，入口盖上用于使被分析物径向分布的整体通道也是模制(盖加管)的一部分，制造成本很高。

此外，过滤器仅由填充床保持在适当的位置，并且过滤器与管主体之间没有密封，从而使树脂发生泄漏。另外，如果色谱柱在高流速下运行，过滤器可能会发生位移或倾斜。

使用放置在上适配器/盖中的阀对色谱柱进行填充的功能允许在组装时对色谱柱进行填充。这提供了许多优势，包括在无菌条件下对色谱柱进行填充，这对于预填充的一次性色谱柱和可重复使用的色谱柱来说都是至关重要的。此外，它还可以在期望的填充压力下形成同质的填充床，所述填充压力适合填充介质/树脂。此外，可以使用常规的压力泵(诸如蠕动泵)对色谱柱进行填充，而不需要使用昂贵的仪器。

us5,902,485(amershampharmaciabiotech)公开了一种适用于控制流体流入和流出色谱柱的进入阀，该进入阀具有相对可移动的阀元件，优选地由中心轴向可移动的探针表示，该探针的头部作为阀筒中的阀芯。探针的轴向移动使阀在完全打开状态与部分打开状态之间进行调节，其中完全打开状态是指延伸穿过探针的第一导管和限定在探针周围的第二导管都向色谱柱内部打开，而部分打开状态是指探针的密封部件封闭第二导管。另外，探针的进一步轴向移动提供了其中两个导管都是封闭的完全封闭位置。部分打开位置有利于将色谱介质填充到色谱柱中，而第三位置便于将色谱介质拆开。当阀关闭时，第一导管和第二导管相互连通，使得可以在色谱柱运行时对阀内部进行清洁。

虽然这种进入阀具有性能和技术上的优势，但它的设计复杂，特别是一次性色谱柱的制造成本很高。它具有太多可移动部件，因此，有很多密封件，并且可能随着时间的流逝发生泄漏。阀位于壁的顶部下方，因此不能移动，并且床高限制在顶部阀与底部阀内。另外，在填充色谱柱和缩回探针以后，将会有空隙区域，这可能会造成床不稳定或促进细菌生长。另外，流动相入口将流量输送到中心孔口周围的环形空间，以对称地分配流量，但没有流量流向色谱柱的中心，这导致被分析物分布不均质。

us8,585,894(gehealthcare)公开了一种喷嘴组件，其包括喷嘴管，通过该喷嘴管将色谱介质浆料提供给色谱柱。根据该发明，所述喷嘴组件还包括在第一端连接到枢轴臂的枢轴，所述枢轴可以枢转到至少两个不同的锁定位置，从而将喷嘴尖端调整到至少两个不同的锁定喷嘴尖端位置。该喷嘴可以与色谱柱一起使用，用于填充、拆开和使被分析物穿过色谱柱。因此，它是为可重复使用的色谱柱设计的，该色谱柱被拆开后又重新填充。该色谱柱具有用于被分析物的单独入口，该入口以一定的角度取向，这可能导致被分析物的非同质分布。此外，由于可移动的填充/拆开中心尖端，被分析物无法进入色谱柱的中心。但是，一旦填充后缩回，喷嘴尖端将产生空隙区域。另外，包含许多o型圈的可移动的喷嘴尖端使阀容易出现密封故障，并随后发生泄漏。另外，单独的填充/拆开喷嘴管在填充后不能进行反冲洗，因此很难清洁。

us2008/0017579a1(gehealthcare)公开了一种带有浆料充填阀的色谱柱，该色谱柱集成在预填充的一次性色谱柱中。该发明公开了一种色谱柱，其包括用于流动相的第一端口和用于在整个填充床中均匀分配流体的横向流体分配通道。第一端口包括入口和出口，在两者其间具有通道，所述出口相对于流体分配通道具有不对称的配置。

在这种配置中，存在由阀和喷嘴组成的中央端口，用于将浆料引入色谱柱内。在泵送树脂浆料后，喷嘴被缩回，这将在色谱柱中留下死角。此外，泵送树脂浆料后，由于填充阀不能进行反冲洗而难以清洁，并且会造成潜在的细菌污染环境。此外，被分析物经由不同的端口引入色谱柱，该端口以一定的角度取向，而不能将被分析物引入色谱柱的中心。由于浆料阀占据了色谱柱的中心区域，因此被分析物将无法到达色谱柱的中心，被分析物的分布将是无效的/非同质的，从而导致分配器的效率降低。此外，多个端口的存在增强了细菌污染的可能性。最后，轴向压缩是通过成本高的外部机械装置获得的，而且不能提色谱供柱对色谱柱的可重现填充。

us8,377,296(gehealthcare)结合了上述专利申请(us2008/0017579)中所描述的发明的改进。所述改进涉及具有通道的过滤器/玻璃料支架以减少被树脂阀堵塞的区域。然而，这种改进具有一些缺点，主要是树脂颗粒仍然能够进入支架的通道。此外，虽然过滤器/玻璃料可能会阻止颗粒到达其上面的区域，但颗粒仍然能够绕过过滤器/玻璃料通过。此外，这种设计还限制了色谱柱向上流动，因为这会将大量颗粒推入支架中的通道，从而堵塞通道。

ep2081660(gehealthcare)公开了一种轴流色谱柱，其包括两个相对的轴向间隔的端部单元，该端部单元由壳体的侧壁隔开。过滤器与每个端部单元相邻。过滤器与侧壁一起限定了封闭的床空间，用于容纳颗粒介质的床。每个端部单元包括与封闭的床空间流体连通的端口，用于向床空间添加液体或从床空间中移除液体。在一个优选的实施方式中，所述两个端口在床空间的水平之上的同一水平或高度。

ep2081659(gehealthcare)公开了一种轴流色谱柱，包括邻近或包含横向流体分配通道的端部单元的端口。所述端口包括入口和具有通道的单个出口。单个出口与流体分配通道直接流体连接。出口相对于流体分配通道具有非对称的配置，其中第一端口被布置成与阀装置结构相互不连接。

us6,576,124(amershampharmaciabiotech)公开了一种色谱柱，该色谱柱包括用于防止介质从末端单元中逸出的网，所述末端单元用于径向分配从色谱柱的一端处的中央入口流入的流体，并用于径向地收集流体，以便随后从色谱柱的相反端的中央出口输出。网和/或床支座与网固定装置(优选地是从色谱柱端板突出的套筒)和/或与网固定圆环整体连接。固定装置由阀块保持在适当位置，但可相对于阀块自由转动。

us6,942,794(milliporecorp)公开了一种用于色谱柱的流量分配器，该流量分配器的暴露分配器表面与填充床的比率很高，并能以最小的压降承受高速流动。该色谱柱具有顶面和底面；入口延伸穿过流动分配器和固定有床支撑物的底面；床支撑物围绕其外周缘固定在邻近其底面的流动分配器上；分配盘布置在入口上方并横跨流动分配器的底面面积的1-30％延伸。

尽管在柱色谱领域进行了大量的研究和开发，并提出了许多发明/产品，仍需要一种有效的、还简单的和具有经济效益的填充方法，以便在应用被分析物时能使树脂同质填充和均匀分布。特别是在填充色谱柱中，主要的挑战包括：在一定的压力下填充床并保持颗粒被压缩，实现无空隙空间的均匀床，并且在整个填充床上获得被分析物的同质分布。另外，在带有浆料填充阀的色谱柱的情况下，需要一种简单且易清洁的阀设计，该设计将消除任何空隙体积的形成，并且不会妨碍被分析物的分布。除上述情况外，对于预填充的一次性色谱柱，阀、色谱柱硬件的其他部件和填充方法必须能够生产出可行的且坚固的色谱柱，并提供与可重复使用的色谱柱相同的功能完整性。

出于所有目的，所提及的所有文件的内容通过引用整体并入本文。

术语“被分析物”应被定义为天然或合成来源的物质、化合物或化学品，或其反应产物或衍生物或代谢物。为避免疑义，该术语应包括生物分子，诸如蛋白质、肽、氨基酸和核酸，以及合成分子，诸如药物和/或前药。

“流动相”/“洗脱液”是流经色谱柱并携带被分析物通过色谱柱的载液。

“树脂”/“填充介质”限定了填充色谱柱的颗粒。

“树脂浆料”是指当将填料泵送或倒入色谱柱时制成树脂的形式。

“填充床”是指树脂颗粒在色谱柱中的布置，通常是在适合于树脂颗粒和运行条件的一定压力下压缩，以保持其稳定在适当的位置。

“填充缓冲液”是指为了形成树脂浆料而与树脂混合的液体，该树脂浆料通过泵送、抽吸或倒入填充床空间以形成填充床。

“床高”是指填充床在色谱柱中所占的竖直距离，通常定义为上、下多孔滤器/玻璃料之间的距离。

“分配通道”是指将流体从横截面区引入到色谱介质的填充床的封闭区或床空间的结构。

“死区”/“死角”是指流动相无法到达的口袋体积，使其难以清洁并导致潜在的细菌污染/生长。

“一次性色谱柱”的特征在于对色谱介质进行预处理/预组装，以减少非一次性色谱柱所需的安装和鉴定工作。至少，预处理涉及树脂床的形成。额外的预处理可以是减少微生物负担、灭菌、去热原等。

一次性色谱柱可以作为单次使用的色谱柱，这意味着用户在重复使用前不须执行要求的对填充床进行鉴定(例如，测试、验证等)的清洁制度。单次使用可以包括在相同色谱条件下的一系列运行。一次性色谱柱的一个实施方式是用色谱介质预填充递送的完整色谱柱。

“过滤器”是指诸如网眼、网、玻璃料或其他的结构，其孔隙或通道小于填充床中的树脂颗粒。“过滤器”用作填充床的支撑物，并防止树脂颗粒从色谱柱的上端口或下端口漏出。

“可移动机构”是指阻止流动相(通常是树脂或被分析物)流动的装置。该机构可以有多种形式，包括塞，该塞定尺寸成在用于填充和运行色谱柱的喷嘴的内部轴向地上下移动。该机构也可以是套筒，该套筒定尺寸成在喷嘴的内部或外部轴向地上下移动。塞或套筒可以具有在位置上与喷嘴上的孔相对应的孔。

“密封装置”是指防止液体或树脂通过相邻部件之间的空间离开区域的方式。密封可以通过添加垫圈、o型圈、x型圈或其他密封件实现。密封装置也可以用作支撑物，将部件固定在适当位置，并防止其移动、移位或偏移。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种带有两用阀组件的色谱柱。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于色谱柱的两用阀组件，所述色谱柱具有与第一过滤器相邻的第一适配器、与第二过滤器相邻的第二适配器以及位于第一适配器与第二适配器之间的侧壁，从而限定出床空间，所述两用阀组件包括：位于色谱柱的第一适配器上的入口端口，以及位于色谱柱的第二适配器上的出口端口；与入口端口连接的中空喷嘴，所述喷嘴具有内表面和外表面，所述喷嘴穿过第一适配器和相邻的第一过滤器，所述喷嘴具有在第一过滤器上方的上部成组的一个或更多个通孔和在第一过滤器下方的下部成组的一个或更多个通孔以及封闭的底端；可移动机构，能从第一上部位置移动到第二下部位置，当可移动机构位于第一上部位置时，喷嘴上的一组的一个或更多个通孔被堵塞，而喷嘴上的下部成组的一个或更多个通孔打开并与床空间流体连通，当可移动机构位于第二下部位置时，喷嘴上的上部成组的一个或更多个通孔经由第一过滤器与床空间流体连通，而喷嘴上的下部成组的一个或更多个通孔被堵塞；以及一个或更多个密封装置，该密封装置位于第一适配器与喷嘴，喷嘴与第一过滤器之间。

根据本发明的另外一个实施方式，提供了一种用于色谱柱的两用阀组件，所述色谱柱具有与第一过滤器相邻的第一适配器、与第二过滤器相邻的第二适配器以及位于第一适配器与第二适配器之间的侧壁，从而限定出床空间，所述两用阀组件包括：位于色谱柱的第一适配器上的入口端口，以及位于色谱柱的第二适配器上的出口端口；与入口端口连接的中空喷嘴，所述喷嘴具有内表面和外表面，所述喷嘴穿过第一适配器和相邻的第一过滤器，所述喷嘴具有在第一过滤器上方的上部成组的一个或更多个通孔和在第一过滤器下方的下部成组的一个或更多个通孔以及封闭的底端；可移动塞或可移动套筒，该可移动塞或可移动套筒定尺寸成分别沿喷嘴的内表面或外表面进行往复轴向移动，所述可移动塞或可移动套筒能从第一上部位置移动到第二下部位置，当移动机构位于第一上部位置时，喷嘴上的上部成组的一个或更多个通孔被堵塞，而喷嘴上的下部成组的一个或更多个通孔打开并与床空间流体连通，当移动机构位于第二下部位置时，喷嘴上的上部成组的一个或更多个通孔经由第一过滤器与床空间流体相通，而喷嘴上的下部成组的一个或更多个通孔被堵塞；以及一个或更多个密封装置，该密封装置位于第一适配器与喷嘴、喷嘴与第一过滤器之间。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种色谱柱，其包括：侧壁；轴向间隔开的第一适配器和第二适配器，所述第一适配器和第二适配器的位置彼此相对并被侧壁分开；与第一适配器相邻的第一过滤器和与第二适配器相邻的第二过滤器，其中第一过滤器和第二过滤器与侧壁一起限定出封闭的床空间，该床空间用于在床空间中容纳颗粒介质的床；位于第一适配器上的入口端口；位于第二适配器上的出口端口，其被配置为收集被分析物；与入口端口连接的中空喷嘴，所述喷嘴具有内表面和外表面，所述喷嘴穿过第一适配器和第一过滤器，所述喷嘴具有在第一过滤器上方的上部成组的一个或更多个通孔和在第一过滤器下方的下部成组的一个或更多个通孔以及封闭的底端；可移动机构，该可移动机构定尺寸成沿喷嘴的内表面或外表面进行往复轴向运动，所述可移动机构可从第一上部位置移动到第二下部位置，当移动机构位于第一上部位置时，喷嘴上的上部成组的一个或更多个通孔被堵塞，而喷嘴上的下部成组的一个或更多个通孔打开并与床空间流体连通，当移动机构位于第二下部位置时，喷嘴上的上部成组的一个或更多个通孔经由第一过滤器与床空间流体连通，而喷嘴上的下部成组的一个或更多个通孔被堵塞；以及一个或更多个密封装置，该密封装置位于第一适配器与喷嘴、喷嘴与第一过滤器之间。

根据本发明的进一步实施方式，提供了一种可移动塞，该可移动塞具有在位置上与喷嘴上的上部成组的一个或更多个通孔相对应的成组的一个或更多个通孔，当可移动塞位于第二下部位置时，喷嘴上的成组的一个或更多个通孔与可移动塞上的成组的一个或更多个通孔对准。

根据本发明的进一步实施方式，提供了一种具有成组的一个或更多个通孔的可移动套筒，使得当可移动套筒处于上部位置时，在可移动套筒上的成组的一个或更多个通孔被第一适配器堵塞，而喷嘴上的成组的一个或更多个通孔/窗口打开，并且当可移动套筒处于下部位置时，在可移动套筒上的成组的一个或更多个通孔打开，并通过第一过滤器与床流体连通，而喷嘴上的成组的一个或更多个通孔/窗口被堵塞。

根据本发明的进一步实施方式，提供了一种色谱柱的用途，包括本文所述的两用阀组件。

根据本发明的又一实施方式，提供了一种预填充的色谱柱，包括本文所述的两用阀组件。

根据本发明的又一实施方式，提供了一种填充具有本文所述的两用阀组件的色谱柱的方法。

根据本发明的又一实施方式，提供了一种具有本文所述的两用阀组件的色谱柱的制造方法。

本公开的前述和附加的方面和实施方式对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的，鉴于各种实施方式和/或方面的详细描述，接下来将参照附图对其进行简要描述。

附图说明

通过阅读以下详细描述并参考附图后，公开的前述和其他优点将变得显而易见。

图1示出了现有技术us2008/0017579a1中已知的色谱柱的纵向剖视图的三维示意图。

图2a示出了本发明实施方式的色谱柱的三维示意图。

图2b示出了本发明实施方式的色谱柱的三维示意图，该色谱柱的入口和出口有所变化。

图2c示出了本发明实施方式的色谱柱的三维示意图，该色谱柱的入口和出口又有变化。

图3示出了本发明实施方式的色谱柱的纵向剖视图。

图4示出了本发明实施方式的安装在色谱柱中的两用阀的纵向剖视图。

图5示出了本发明实施方式的两用阀的示意图。

图6a、图6b、图6c和图6d示出了本发明实施方式的两用阀喷嘴的变化的纵向剖视图。

图7示出了本发明实施方式的具有两用阀的色谱柱上的压力-流量测试曲线。

虽然本公开容易受到各种修改和替代形式的影响，但具体的实施方式或实施方案已在图中以示例的方式示出，并将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，本公开的内容并不旨在限于所公开的特定形式。相反，本公开的内容将涵盖属于所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术(us2008/0017579a1)的色谱柱的示意性截面图。色谱柱101包括管状壳体111，该管状壳体111借助于拉杆114固定在第一端单元112和第二端单元113上，从而限定了床空间109。壳体111和端部单元112、113通常由不锈钢或高强度塑料材料(诸如聚丙烯)组成。带有头部116的拉杆114将端部单元112、113固定在侧壁111上，以形成流体密封的床空间109，所述床空间109能够承受高操作压力。

色谱柱可以通过阀装置120以浆料的形式填充颗粒介质，该阀装置120包括中心孔121和其中具有通道的纵向构件122，以及喷嘴124。在图1中，喷嘴124被示出在其缩回位置，但它将被移动到床空间109内的位置，以便于填充色谱柱。然而，在色谱柱充满填料后，喷嘴缩回到关闭位置，然后这在色谱柱的顶部产生空隙体积。空隙体积对于填充床来说是一个至关重要的问题，因为它将在填充床中产生不稳定性，因为树脂颗粒可能四处移动并扰乱填充床的均匀性。这将导致被分析物流动的问题，特别是当床空隙容积接近被分析物入口阀时。

根据专利申请us2008/0017579a1，在填充阀和喷嘴处的打开/关闭功能是利用固定在床空间中的喷嘴(因此不可缩回)以及位于与喷嘴内侧或外侧的可移动元件或套筒相邻的位置的喷嘴实现的，所述可移动元件或套筒根据其位置打开和/或关闭喷嘴。这种描述是模糊的，并且在申请文件中没有进一步说明。

使用单独的阀和喷嘴对床进行填充的另一个缺点是，一旦填充完成并且喷嘴缩回，纵向构件122就将充满树脂浆料，这使其难以清洁。这可能导致细菌在纵向构件122区域内积聚，并污染色谱柱。

过滤器104分别位于端部单元112、113的内表面上，并与侧壁111一起作用以限定出床空间109，并且还防止颗粒介质从床空间109泄漏。分配通道106位于横穿第一端部单元112的表面的位置，并与过滤器104流体连通。流体分配通道有利于液体的径向分配。分配通道106包括在第一端部单元的表面上的周向槽106a。槽的位置使其影响从第一端口133的出口137喷出的液体在喷嘴124周围均匀地进行周向分布。

从出口137出来进入床空间109的流动相将均匀地分布在分配通道106上，通过过滤器104，然后均匀地通过颗粒介质床洗脱。流动相最后将通过第二端口140离开色谱柱。出口137相对于分配通道106的不对称配置简化了生产端部单元112的设计要求，从而降低了制造成本。

然而，在分配通道中心存在流动相阀和喷嘴122、124会阻挡了被分析物进入色谱柱的中心。这将导致被分析物在色谱柱中心的分布质量差且不均匀。随着被分析物沿轴向向下流动，被分析物在色谱柱中心的分布将变差。非均匀分布会导致填充床的分离效率低，因为被分析物不会与大部分颗粒接触。

色谱柱可以在“向下流动”模式下操作，如上所述，也可以在“向上流动”模式下操作，在向上流动模式下，流动相的流动方向反转以使其向上移动到色谱柱上。在向上流动模式下，流动相将经由第二端口140进入色谱柱，向上移动通过颗粒介质床，然后离开色谱柱并经由第一端口133收集。

如图1所示，第二端口140包括通道142，该通道竖直地延伸穿过端部单元113，并在该单元的相反的、外表面上离开。在另一个实施方式中(未示出)，第二端口140通过单元113的侧面离开；这种配置允许借助于适当的连接器或中空构件(未示出)，在应用于色谱柱的相同高度处收集流动相/液体。在同一高度的单个端部单元上应用和收集流动相，简化了使用，便于操作人员进入和处理，降低了空气进入系统的风险，并减少了安装色谱柱所需的空间。

图2a示意性地示出了本发明实施方式的色谱柱201的一般组件。该色谱柱具有圆柱形的流体不可渗透的容器210，所述容器由但不限于金属或高强度/强化的聚合物材料制成，所述材料可以是半透明的或不透明的。容器210的开放的顶端部和底端部由第一端部单元/适配器212和第二端部单元/适配器214封闭。每个适配器具有流体不可渗透的端板(未示出)，其安装进圆柱形容器的两端并密封该容器。适配器212和214优选地由金属、高强度工程塑料材料(诸如聚丙烯)或增强塑料材料制成。适配器由金属或高强度工程塑料材料或增强塑料材料制成的支撑板216和218支撑，通过这些支撑板固定拉杆220。这些拉杆将第一适配器212和第二适配器214连结起来，并支撑所述结构以承受超过10bar的高流体压力。

每个适配器212和214都具有中央通孔，用于在色谱柱的外部与由侧壁210和适配器212和214限定的填充床空间(未示出)之间进行连通。通过第一适配器的开口，插入入口端口224，以引导流量进入色谱柱。通过第二适配器，插入端口(未示出)以收集从填充床空间流出的流量。在本发明实施方式中，出口端口连接到回流管226，所述回流管将流量引导回位于色谱柱的顶侧的另一个端口228。色谱柱位于与下基座232相连的间隔件230上。在另一个实施方式中(未示出)，可以在下基座232下方添加轮子或脚轮，或使用所述轮子或脚轮取代间隔件230和下基座232。可以使用轮子或脚轮来帮助色谱柱的移动。

图2b为本发明的色谱柱的三维示意图，其中两用阀的入口端口232配置有卫生配件。出口端口234也具有卫生配件连接。在这种配置中，出口端口234在色谱柱的底部。

图2c示出了本发明的色谱柱的三维示意图，其中出口端口(未示出)连接到回流管236，所述回流管将流体引导回位于入口端口232下方高度处的另一个端口238。在另一种变化方式中，出口端口238位于类似或高于入口端口232的高度。

图3示出了根据本发明的一个实施方式的色谱柱的纵向剖视图。色谱柱201包括管状外壳/容器210，所述外壳/容器210借助于支撑环216和218以及拉杆220固定在第一适配器212和第二适配器214上，从而限定了床空间310。外壳210和端部单元212、214通常由但不限于金属、高强度塑料材料(诸如聚丙烯)或增强塑料材料组成。在本发明的另一个实施方式中，其中色谱柱要用于分离生物活性物质，该材料是生物惰性的，从而根据美国药典(usp)<88>第六类，不会引起人体的免疫反应。

通常由多孔或编织的塑料或金属材料制成的过滤层312和314，在适配器212和214的内表面处横跨床空间310的区域延伸。在本发明的另一个实施方式中，其中色谱柱要用于分离生物活性物质，该材料是生物惰性的，从而根据美国药典(usp)<88>第六类，不会引起人体的免疫反应。适配器212和214的内表面凹进过滤层312和314的后面，例如呈圆锥形，以便在它们之间限定分布通道(未示出)。

入口端口224连接到中空喷嘴320，所述中空喷嘴通过第一适配器212和过滤器312的中心开口向内突出。喷嘴320通过中空的可移动塞322，即绕过过滤器312，直接控制入口端口与床空间310的连通。在可移动塞322的另一个位置，喷嘴控制入口端口224与过滤器312上方空间的连通。带有喷嘴320的入口端口224和可移动塞322构成了两用阀316，所述两用阀具有双重用途，除了使被分析物通过色谱柱外，还用于使浆状树脂填充色谱柱。两用阀可以由金属、塑料或增强塑料材料制成。在本发明的另一个实施方式中，其中色谱柱要用于分离生物活性物质，该材料是生物惰性的，从而根据美国药典(usp)<88>第六类，不会引起人体的免疫反应。

在第二过滤层314的下方，出口端口318收集流体，并通过回流管226将流体引导到端口228。

在色谱柱的典型操作中，颗粒固定相材料的填充床填满了第一过滤器312与第二过滤器314之间的床空间310。

图4示出了本发明实施方式的安装在色谱柱中的两用阀316的纵向剖视图。所述阀由以下几部分组成；位于第一适配器212上的入口端口224、穿过第一适配器212空腔并在底端封闭的中空喷嘴320以及内部可移动塞322。喷嘴320在其表面上具有两组通孔，该两组通孔以轨道(或其它)方式定位在412和414位置。上组孔412的直径通常但不一定小于下组孔414。每组孔的数量通常可以从一个孔或更多孔变化。上组孔412位于过滤器312的上方，而孔414位于过滤器312的下方。可移动塞322在整个轴向方向上具有中空的中心。可移动塞可以放置在上部位置，在那里它堵塞喷嘴320上的孔412，并打开孔414，从而在入口端口224与填充床空间310之间提供通道。可移动塞322仅具有成组孔418。在可移动塞322的下部位置，可移动塞堵塞喷嘴320上的孔414，而可移动塞上的孔418与喷嘴的上部孔412对准，因此，允许在入口端口224与过滤器312顶部的分配区域420之间产生通道。在可移动塞的另一个实施方式中，可移动塞的长度较短，并且没有任何轨道式(或其它)通孔。可移动塞可以放置在上部位置，在该位置其堵塞喷嘴320上的孔412，并打开孔414，从而在入口端口224与填充床空间310之间提供通道。在可移动塞322的下部位置，可移动塞完全位于上部孔412的下方，从而堵塞了喷嘴320上的孔414，而喷嘴的上部孔412打开，因此，允许在入口端口224与过滤器312顶部的分配区域420之间产生通道。

可移动塞可以上下移动。该移动可以通过本领域技术人员所熟知的各种方式实现，包括但不限于在塞内部插入工具，例如但不限于六角键。该移动可以通过不同的方式来控制，例如但不限于可移动塞322上的导向轨或外螺纹与喷嘴320上的引导槽或内螺纹相匹配。

喷嘴320与第一适配器212之间的空间通过第一适配器中的密封装置在位置416处密封。

当可移动塞322处于上部位置时，可以通过两用阀316将树脂浆料通过孔414泵入床空间310来填充床。在完成床填充后，将可移动塞322移至下部位置，以堵塞孔414并打开孔412。

在现有技术中(专利申请us2008/0017579a1)，在填充柱后，浆料填充阀缩回，在填充床的上部区域的中心留下空隙容积。本发明的整体设计克服了这一缺点。由于喷嘴320被固定在适当的位置处，并且在填充后不回缩，因此可以实现，两用阀316周围的填充床不会受到干扰，并将消除任何潜在的空隙。

然后，可以在“向上”的流动方向上通过端口228送入流动相，该流动相将穿过填充床空间310，接着经过第一过滤器312，然后穿过孔412，向上通过中空的可移动塞322、喷嘴320，并通过端口224离开。这样就可以将两用阀316内的树脂浆料全部反冲。从我们的实验评价来看，在向上流动30ml后，阀内的树脂浆料完全被冲洗掉。残留树脂浆料的反冲洗是本发明许多实施方式的独特和新颖的特征，这是现有技术(专利申请us2008/0017579a1)所缺乏的。此功能非常关键，因为填充阀中的残留树脂易于滋生细菌。

在反冲洗以后，可以将流动相泵送通过入口端口224，该流动相将经过喷嘴320、中空的可移动塞322，然后通过上部孔412流出，进入分配通道420。流动相将向外分布，并穿过过滤器312，以通过填充床洗脱。流动相穿过第二适配器214的第二过滤器314，从出口端口318出来以进行收集。

采用本发明实施方式的两用阀设计，流动相和被分析物的分布不会被第二个阀堵塞在中心，这是以前的现有技术(专利申请us2008/0017579a1)的缺点。当在床的起始处被堵塞进入填充床的中心时，床的中心与被分析物的接触将减少，并将导致流体分布不均匀。

虽然上文描述了“向下流动”色谱法的示例，其中色谱分离受到流动相在色谱柱中向下移动的影响，但技术人员将理解，分离也可以通过“向上流动”色谱法来实现，只需将流动相向上泵入色谱柱，从而反转流动方向。在该后一种模式中，流动相将流过端口228，然后返回管226，然后将在端口318处进入色谱柱，向上移动通过树脂颗粒的填充床，并从色谱柱的上侧处的端口224收集。

图5示出了本发明实施方式的两用阀的外部主体示意图。孔412是用于流动相流动，而孔414是用于树脂浆料填充的流动孔。该图表示在运行位置的阀，其中树脂浆料孔被可移动塞322堵塞。

虽然本发明的两用阀旨在用于预填充的一次性柱，但它也适用于可重复使用的色谱柱。本发明的一个实施方式涉及一种色谱柱设计，其中两用阀安装在包括第一适配器和第二适配器的两个位置。两个位置的阀特征是相同的，其中喷嘴有两种模式，这些模式由可移动塞的位置控制。可移动塞的一个位置用于流动相和被分析物通过色谱柱，其中两个两用阀上的孔414被堵住，而孔412被打开；而另一个位置可以用于拆开色谱柱，其中两个两用阀上的孔414被打开，而孔412被堵住。为了拆开色谱柱，两用阀的在第一适配器和第二适配器中的可移动塞被移动到填充/拆开位置，在该位置阀可以直接进入床空间。然后将大量的流动相泵入床空间，以扰乱填充床，并迫使树脂以树脂浆料的形式从床空间中排出。一旦色谱柱被拆开，两用阀中的在第二适配器中的可移动塞被切换到运行位置，而两用阀中的第一适配器中的可移动塞保持在填充位置。然后可以将树脂浆料泵入床空间，允许色谱柱再次进行填充。将两用阀用于可重复使用的色谱柱上可以实现多种色谱柱的拆开/填充方式，这具有许多优势，包括减少拆卸和安装时间，并使色谱柱保持在无菌条件下。

可以理解的是，色谱柱的容量范围很广，通常范围在0.01至2000升之间。当将色谱柱作为一次性色谱柱使用时，优选地容量范围在0.01至500升之间。

两用阀的概念已应用于可重复使用的色谱柱，其中色谱柱用相同或不同类型的树脂填充、拆开、再重新填充(us6,524,484b2和us8,585,894b1)。在这些设计中，阀硬件很复杂，而且制造成本很高。对于可重复使用的色谱柱来说，这不是问题，因为制造成本在色谱柱的使用上是合理的。但是，对于一次性色谱柱来说，由于它们有限的使用次数，制造成本必须保持高效，因此，需要简单的设计。虽然现有技术(us2008/0017579a1)为了降低成本，用两个阀代替了两用阀，但重要的功能包括分布的均匀性、填充床的稳定性、无空隙体积、防止细菌污染/生长等没有完成。本发明是解决先前设计的两阀色谱柱的缺点以及两用阀的制造成本高的解决方案。

本发明需要非常精确地制造阀的不同部件，特别是喷嘴320和可移动塞322。由于孔412和414的密封是由可移动塞322完成的。此外，当可移动塞322处于底部位置(流动相运行位置)时，可移动塞322上的孔418必须与孔412相匹配。此外，为了使被分析物更好地分布，喷嘴320的外径必须被最小化。同时，为了增加流动的表面积以适应高流速，必须使喷嘴320和可移动塞322的内径最大化。同时，可移动塞的壁厚必须承受压力，并适应孔和外螺纹的制造。优化所有这些尺寸具有挑战性，需要先进的工程和制造技术。目前的小部件制造技术有助于提出一个创新而简单和具有经济高效的设计。

在设计的一种变型中(未示出)，入口端口和喷嘴是适配器本身的一部分并具有两组孔：上部孔和下部孔。可移动塞是附加的部件，被插入到喷嘴中，可以放在两个不同的位置，以堵住用于填充的上部孔，或堵住用于运行流动相和被分析物的下部孔。

图6a和图6b示出了本发明实施方式的两用阀设计610的另一种变型。该两用阀是由入口端口612组成，该入口端口连接到可移动套筒614，所述可移动套筒具有成组孔618。在可移动套筒的下面是喷嘴616，所述喷嘴由多孔过滤器620固定在适当的位置，并暴露在床空间622中。喷嘴616具有窗口/孔，以允许进入床空间622。在可移动套筒614与第一适配器624之间的区域在位置626和628处由密封装置密封。在填充位置，如图6a所示，入口端口612和可移动套筒614处于由校准工具630确定的较高位置，其中喷嘴616窗/孔引导浆状树脂流入床空间622。图6b示出了处于运行位置的阀，其中可移动套筒614向下移动到堵住喷嘴616窗口/孔的位置，并且流动相/被分析物的流动通过孔618从可移动套筒614中流出，该孔618与多孔过滤器620上方的第一适配器624中的分配通道632对齐。由于流动相/被分析物的入口没有被第二阀堵塞，因此这种设计能够使被分析物同质分布。另外，由于填充和运行使用的是同一个阀，因此在填充后可以对阀进行反冲洗。此外，一旦填充后，喷嘴不会回缩，消除了色谱柱中任何空隙体积的形成。这种设计的其他优点包括生产的简单性和高效经济。这种两用阀的变型非常适合于低压应用。

图6c示出了本发明实施方式的两用阀设计316的另一种变型。在该实施方式中，可移动塞634没有任何孔，并且比图3和图4中所示的可移动塞短。在上部位置时，喷嘴上的上部孔被堵塞，在可移动塞的下部位置时，喷嘴上的下部孔被堵塞，而上部孔是打开的，无需在可移动塞上设置与喷嘴上的上部孔上部成组的孔的高度相匹配的成组孔。

图6d示出了本发明实施方式的两用阀设计316的另一种变型。在该实施方式中，阀638的入口是卫生软管连接样式，以简化色谱柱与处理设备的连接。两用阀和出口端口上的软管连接样式可以更改为不同的样式，以简化色谱柱与工艺设备的连接。在本实施方式中，可移动塞640没有任何孔，且比图3和图4中所示的可移动塞短。在可移动塞的上部位置时，喷嘴上的上部孔被堵塞，而在可移动塞的下部位置时，喷嘴上的下部孔被堵塞，而上部孔打开，无需在可移动塞上设有与喷嘴上的上部孔上部成组的孔的高度相匹配的成组孔。

示例1：本设计的亮点之一是填充的可重复性。在一次填充实验中，用75μm羟基化甲基丙烯酸聚合物珠粒的阳离子交换色谱树脂为填充介质填充1升的色谱柱，该树脂已被磺丙基(s)强阳离子交换基团官能化。该色谱柱的体积为1005ml，直径为80mm，并且床高为20cm。色谱柱被装配并且充满去离子水。两用阀被设置为填充模式，其中下部孔打开，而上部孔关闭。两用阀的入口端口与蠕动泵相连，而色谱柱的出口端口与废料管相连。在蠕动泵和入口端口之间安装了压力表，以监测色谱柱内的压力。然后使用蠕动泵以大约600ml/min(720cm/hr)的速度泵送1m氯化钠中的50％的树脂浆料，并经由两用阀通过喷嘴的下部孔送入填充床空间，而置换的水经由废料管道离开色谱柱。在整个填充过程中对压力进行监测，然后一旦色谱柱被完全填充，如压力表所示，压力会急剧上升。然后停止泵的流量，释放来自泵的压力，并通过下移可移动塞，以堵塞下部孔，而打开上部孔，将两用阀切换到运行模式。然后通过在“向上流动”方向在0.5m氯化钠的流动相中以5ml/min的流速，逐渐增加到20ml/min，对色谱柱进行反冲洗。反冲洗步骤对于清理阀中的任何残留树脂至关重要，以避免细菌污染/生长。本发明的两用阀的设计允许在填充后对阀进行反冲洗，这在一次性色谱柱的现有技术中是缺乏的。在泵入约30ml流动相后，出口管线上的任何残留树脂颗粒均完全清除。然后将柱切换到“向下流动”并平衡2个色谱柱的体积，然后注入被分析物以评估填充不对称性。

将3m氯化钠(占填充床体积的1％)用作示踪物质，并使用0.5m氯化钠的流动相以83ml/min(100cm/hr)的流速从色谱柱上洗脱，并由电导率检测器监测。该实验在相同设计的另一个1升色谱柱上并行进行。从表1可以看出，基于不对称性和等效于理论板的高度(hetp)值，在多个独立的填充实验中使用75μm阳离子交换介质，观察到了填充的优良重复性。

表1

示例2：图7示出了在执行第一次不对称性试验后对两个色谱柱所做的压力-流量试验。压力-流量曲线与这种类型的树脂的预期曲线形状匹配。然后，再次用另一种3m氯化钠(占填充床体积的1％)被分析物注入这两根柱，以检查压力-流量测试后的不对称性。在压力-流量试验后的不对称性和hetp值与压力-流量试验前的值非常相似，这证明床被紧密且均匀地填充。

不对称性的重现性和接近1.00的结果证实了填充的效率、填充床的均匀性和被分析物的有效分布，这要归功于两用阀的设计，其中填充和运行被分析物是通过中央喷嘴完成的，其中被分析物不会被色谱柱中心的其他阀堵塞，并且色谱柱没有任何空隙体积。

示例3：已经对两用阀进行了测试，并且两用阀被证明可与多种类型的树脂一起使用。使用两用阀将粒径为65μm的疏水相互作用色谱(hic)树脂中填充在1升的色谱柱中并运行。还用阳离子交换树脂进行了测试，该树脂的粒径为75μm。另外，还用蛋白质a配体与羟基化甲基丙烯酸聚合物基珠结合的粒径为45μm的树脂进行了两用阀的尺寸排阻色谱测试。所有类型的树脂都通过了不对称性和hetp，并且发现填充的重现性非常好。其他树脂也可以在色谱柱中进行填充并使用两用阀运行，包括阴离子交换、尺寸排阻、亲和力、混合模式、蛋白质l等树脂，以及其他宽范围的粒径和可压缩性的并由不同供应商通过不同方法制造的树脂。其他尺寸的色谱柱，诸如3l、6l等，也都使用两用阀成功填充。这证明了两用阀可以按比例放大或缩小以适应各种尺寸。

本发明的不同实施方式包括但不限于不同的色谱柱内径，范围从几厘米到一米以上。对于每个色谱柱内径id，床高可以从几厘米到一米以上不等。

另外，除上述内容外，还可以在床高远小于色谱柱id的情况下，使用色谱柱硬件和两用阀进行连续色谱分析。

如所讨论的，另一个实施方式是将两用阀用于可重复使用的色谱柱，其中在第二适配器中安装另一个两用阀，以使色谱柱能够被拆开、清洁和重新填充，而不必拆卸整个色谱柱。

因此，成功地实现并证实我们的目标，挂目标是使整个色谱柱更容易、更快速、一致地填充、从色谱柱对色谱柱的一致填充，不受人为技能因素的影响，。

如上所述的发明实施方式提供了一种色谱柱，其在整个色谱柱上实现了一致填充床。色谱柱对色谱柱填充快速且一致。其实现了单个或多个被分析物在整个色谱柱中的良好分布。其是一种可扩展的设计(即可以修改为更小或更大的体积)以及其可以在高达3bar的操作压力下运行，并能承受更高的压力(高达10bar)。

尽管已经示出和描述了本公开的特定实施方式和应用，但应该理解的是，本公开并不限于本文所公开的精确结构和其组合物，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的前提下，各种修改、改变和变化可以是显而易见的。