保持流体完整性和预先形成梯度的适于液相色谱的溶剂输送系统的制作方法

专利名称：保持流体完整性和预先形成梯度的适于液相色谱的溶剂输送系统的制作方法
保持流体完整性和预先形成梯度的适于液相色谱的溶剂输送系统相关申请的交叉参考
本申请要求于2006年3月17日提交的美国临时专利申请 No. 60 / 783， 610的优先权，将其结合于此作为参考。 发明背景
液相色谱(LC)是一种分析技术，其中对分析物或样本进 行分析。LC系统通常具有充满稳定相材料的一个或多个柱。 一般而言， 术语"柱，，指的是用于执行色谱特性分离的柱、盒、毛细管等。柱通常 充满或装载稳定相的材料。该稳定相材料可以是微粒或者珠子或者多孔 物质或实质上的插入材料。为了本发明的目的，术语"柱"还指未充满 或装载稳定相材料但是依靠毛细管内壁的表面区域进行分离的毛细管。
与分析物混合的流动相材料或溶液泵入到柱内，并且稳定 相材料对分析物进行分离和离析。流动相材料可包括任意流体，诸如液 体、气体、超临界流体或其混合物。通常将分析物从柱直接洗提到内嵌 式检测器以产生色谱。
通常分析物只可少量得到，这样必须极其小心以便不浪费 最少量的分析物。因此，LC系统设计成用其为毫微级(nano)尺寸毛细 管的柱在小样本或毫微级流上进行操作，诸如在美国专利No. 6， 299， 767 中所述的那样，其结合于此作为参考。
已经开发了几种系统来精确和有效地输送流动相材料或梯 度。梯度输送通常在诸如高压的所需限制下进行，例如高压液相色谱 (HPLC)系统。例如，美国专利Nos. 6 , 858, 435和6， 610， 201描述 了其中形成和输送溶剂组分的各种技术。先入先出(FIFO)是通常用于 形成和输送梯度的惯用^t术。
除了上述进步之外，在毫微级流LC系统中存在一些内在的 限制。最通常的是形成梯度以便由柱实时立即消耗。由于可运行一小时 的时间，这增加了在挑战性条件下保持梯度的精确混合物的难度。具体 的，毫微级流LC系统利用毫微级比例的流速变换器。
虽然非常适于特定应用，但是毫微级比例的变换器具有受
限的动态范围并且不利地经受热效应。形成梯度并且延续诸如一小时的 特定时间段(其中温度变动)可导致较差的混合物均匀性，原因在于变换器的热漂移。此外，变换器在毫微级比例上仅可保持2卩L的流体，流 体的高压压缩产生错误的变换器读数，上述使得混合物不可用。高压操 作还处在变换器动态范围的边界上，其中噪声水平可变得不能接受。简 而言之，与变换器相关的受限范围、噪声和热漂移妨碍满足所需的性能。
例如，对于3%的初始色谱开始组分而言，商购到的毫微级 流热风力类型的变换器(具有0到5nL/min的校准范围，在250 nL/min 的洗提流速下运行)需要重复执行有机泵的校准下至7. 5 nL/min。由于 装置的噪声水平可高达+ / -5 nL/min，以及在没有热补偿的对噪声的 热敏性可超过每摄氏度+ / - 4 nL/min,因此上述不容易执行。因此仪 器温度的一度变化可导致大约50 %的组分误差。在补救该误差的努力中， 典型的商购到的直接(direct)毫微级流LC系统应用具有感知温度元件 的外部热补偿配置以便补偿流速变换器。对于影响热敏性的补偿尝试极 大增加了 LC系统的复杂性，而没有解决潜在的问题。
通常，流到LC系统的体积流动(bulk flow)在流动开始 和停止过程中进行变化，改变操作之间的流速和瞬变流动。在体积或溶 剂流动改变过程中，难于保持经过混合点或节点的所需混合物组分。例 如，当LC系统的稳定状态背压非常高(例如，大于5, OOOpsi)时，两 个流体流(例如，溶剂和分析物)在混合节点前具有明显不同的流体性 能(也就是，含水和有机溶剂)。由于内在的限制，诸如具有相对低响 应时间(也就是，几秒的时间常数)的流速变换器，不能足够快地提供 允许系统响应和保持所需组合混合物的必要反馈。
也就是说从IO, 000 psi到200 psi的快速压力变化可导 致像柱的主要和昂贵的组件受到破坏。当一点都没有真正发生时，压缩 和减压的循环产生明显的流动。此外，由于当背压变换过典型的大范围 压力时变换器对快速的流体密度变化的内在敏感性以及在一定程度上的 流体绝热效果，流体的压缩性变化导致错误的读数。这样由于对毫微级 流变换器上的快速压缩性变化和加热，利用反馈控制来调节多个溶剂泵 之间流动的LC系统不能保持精确测量的流动。
现有技术的LC系统的另一缺陷是经过混合节点的流速变换 器的交叉流动和回流污染，其导致LC系统流体流的污染和到变换器的流
速校准的临时损失。在快速减压过程中或在梯度的正常色谱输送过程中，当流体粘度下降时(就是，更高的有机性)，现有技术的LC系统需要流 动返回流过混合节点。为了緩和变换器的回流污染，在流速变换器和混 合节点之间的连接管具有一定尺寸，以适应混合三通的减压体积。但是， 附加体积与变换器的体积混在一起，更加加剧了上述的快速压缩性变化 的问题。这样，传统的高压混合系统在极高的高压下非常容易经过混合 阶段而交叉污染。
此外，经过混合节点的交叉污染可产生由交互式耦联导致 的两个流速变换器之间的反馈不稳定。交叉污染还增加最大操作压力的 损失，上述归因于较大的寄生压力下降，上述压力下降与由高压混合系 统所需的以便被动稳定控制相互作用的更大去耦限流器相关。以前的LC 系统已经认识到这些问题并且提出冗余泵、复杂的探测配置和阀，以便 将形成梯度的泵与LC系统的高压部分分开。这种昂贵和复杂的方案不仅 不是所需的，并且仍然存在问题。
此外， 一些LC应用需要在运行诸如样品捕获和2-D色谱的注入过程中需要为了泵的特定选择改变操作流速。流速必须在每个柱的 选择之间开始和停止。现有技术的系统已经应用了在基本没有流动的条件下进行阀切换的一些装置以完成上述流速变化。阀切换组件影响LC系 统的可靠性，同时以不利的方式增加成本和复杂性。
已经致力开发了其它系统来增加灵敏性和/或从样品收集 更多数据。例如，美国专利No. 6， 858, 435描述了一种LC分析系统， 其利用可变的流动或尖峰緩驻以改变探测器具有的用样本流体精确感知 各种种类的困难。当LC分析系统检测感兴趣的峰值时，LC分析系统控制 微切换(micro-switching)阀来快速降低洗提流速(也就是，降低流速的 20到50倍)。结果，柱分离组合物的洗提时间延长以增强检测。在分析 之后，LC分析系统恢复常规的洗提流速。应用附加组件以完成尖峰緩驻 (peak parking)再次不利地增加了系统的成本和复杂性。
增加LC分析有效性的另一方法是利用诸如0. 025到100卩L /min流速的毫微级比例或毫微级比例的流速。通过使用这样的流速，LC 分析系统可产生极高的分析敏感性。但是，梯度和延迟和消散成为问题。 此外，样品装载时间以及由此导致的整个运行时间不利地变长。
如从上述可看出，已经开发适于LC分析系统的闭环反馈机
制。但是，需要更好地控制，并且现有技术地系统不使用前馈开环机制。 前馈是抵制系统中变化以最小化或防止误差的方法。 发明内容
根据上述，需要克服现有技术的上述问题的用于将溶剂输 送到色谱装置的系统。
本发明通过提供用于将溶剂输送到液相色谱装置的系统和 方法而解决上述和其它问题。发明者发现通过利用前馈控制策略用传统 闭环反馈控制来补偿流体压缩性效果，溶剂的最终制备和输送可极大改 善。
在一个实施例中，本发明涉及用于将梯度输送到液相色谱 装置的系统，其具有将样本引入到分离柱内的注入器。该系统包括第一 腿部，其具有产生引导通过第一内嵌式压力变换器和第一流速变换器的液体输出的液体泵；第二腿部，其具有产生引导通过第二内嵌式压力变 换器和第二流速变换器的有机物输出的有机泵；以及用于控制上述腿部的处理装置。处理装置包括闭环反馈模式，以使"基于从至少一个变换器 得到的信号产生校正的控制信号，以便克服至少一个变换器的上游寄生 损失；以及开环前馈模式，以便基于系统存储能量的参数产生预期的控 制信号，其中预期的控制信号基于液体输出和有机输出之间的压缩比例 来计算压缩流速，并且其中处理装置可选择性地以不同模式操作每一腿部。
在另一个实施例中，本发明涉及用于液相色谱仪，该液相 色谱仪包括第 一腿部，其具有泵以及用于检测自泵的压力和流速输出的 变换器；第二腿部，其具有泵以及用于检测自泵的压力和流速输出的变 换器；用于基于来自变换器的信号将指令提供到每一泵的控制器，以及 用于将从第一和第二腿部的输出混合的节点，其中控制器可基于第一和 第二腿部的能力来将前馈信号提供到第一和第二泵，以存储能量，从而 控制第一和第二腿部中的流体压缩性，进而保持经过节点的组合物控制。
在一个实施例中，压缩和减压的循环通过利用前馈算法和 /或线性阀来紧密控制以最小化流体干扰。此外，当精确使用时，诸如 泵的几个组件可减少需要附加组件的需求。
在另一实施例中，用于在毫微级流溶剂输送系统中预先形 成梯度的改进系统允许有效产生和输送梯度。此外，通过增加诸如泵的 附加组件，可以并行执行以前的系列动作以减少洗提运行和设定时间。
这样，在一个方面，本发明提供形成适于液相色谱系统的 梯度的方法，该系统具有用于填充存储毛细管的泵。该方法包括下述步 骤，将存储毛细管通到大气并且以相对低压和较高流速下运行泵以填充 存储毛细管，直到其中形成梯度。优选的，存储毛细管的优化的体积几 何形状具有长度和内径，以最小化背压和梯度消散的形成。在另一实施 例中，存储毛细管的体积容量具有一定的尺寸，以适用于将梯度移动到 分离柱所必需的梯度和传输体积的压力。
上述泵实际上可为液体泵和有机泵，每一泵具有连接到位于 上述泵和存储毛细管之间的混合节点的输出。在梯度输送过程中，有机 泵是离线的，到大气的出口是关闭的，以及液体泵运行以便将梯度输送 到分离柱。为了清除存储毛细管，将存储毛细管通到大气，并且至少一 个泵运行，以准备形成另一梯度。
形成梯度以及存储毛细管基本通到大气起到三个重要的作 用1)背压的形成由存储毛细管的几何形状精确控制，而不依赖于柱或 其它连接的耗材；2)存储毛细管中的流体清除到废物，以防止干扰运行 注入之间的柱平衡状态；以及3)由于形成过程中的流动开始和停止而影 响形成梯度的任意主要或伴随的失常组分被引导远离系统的主要流体 流，也就是远离其中的分析部分和柱。
此外，与高压混合和输送的常规方法相比，在低压下形成梯 度分离以及在高的操作压力下梯度的平均输送基本消除了溶剂混合组分 精度与流速中变化的相关结合。换言之，本发明技术使得梯度形成垂直 于输送，在运行过程中其不改变梯度混合物，
本发明技术的另一优势是提供一种溶剂输送系统，其在更 接近变换器全刻度校准的高流速下形成梯度，从而不需要将流速变换器 的动态范围延伸到低于洗提流速很多，其需要在变换器的零流速或附近 流速下执行。这样通过避免非常易受噪声和热漂移的变换器区域，从而 消除对热补偿和流速变换器特性的需求和附加成本，同时改善了梯度组 分精度。
本发明技术的另一优势是形成梯度的短时间间隔，其实际 上消除了由于热效应而导致的色谱保留时间波动。通过在短时间间隔内 形成梯度，消除了易受温度影响的因素。因此，也减少或消除了对热补
偿的需求。
在低压下形成梯度以及由单一泵输送的另一优势是易于保 持经过混合三通的所需混合物组分。
在另一方面，本发明提供用于将梯度提供到毫微级流毛细管 液相色谱装置的系统。该系统包括产生第一输出的液体泵，产生第二输 出(第二输出与第一输出混合以产生溶液)的有机泵以及用于控制上述 泵的处理装置。存储毛细管从一部分溶液接收形成的梯度。 一接头连接 到存储毛细管的输出，其中该接头形成第一出口 (连接到毫微级流毛细 管液相色谱装置)和第二出口。 一个阀连接到第二出口并且受处理装置 的控制，这样在存储毛细管中形成梯度的过程中，阀打开将剩余的流体 引导到废物，同时液体泵和有机泵运行。
优选的，该系统还具有用于接收第一输出的第一内嵌式压力 变换器和第一流速变换器以及用于接收第二输出的第二内嵌式压力变换 器和第二流速变换器，其中每一变换器与处理装置关联，以提供闭环反馈控制。在一个实施例中，存储毛细管、接头和阀共同位于分离柱的热 处理隔间内。
本发明技术的另一优势是通过具有控制装置的单一泵形成 梯度输送，控制装置具有压力和流速变换器，其允许非常快的流速变化, 返回稳定状态的流动操作以及消除上述的严重混合物污染和稳定控制问 题。结果，与传统高压混合系统相比，本发明技术容易适应在非常高的 高压下执行各种流速或尖峰緩驻操作的需求。此外，消除了对致力于具 有从系统的高压部分与形成梯度泵的所需分离的冗余泵、复杂的探测方 案以及阀的需求。
在另一方面，本发明提供适于LC装置的溶剂输送子系统。 溶剂输送子系统包括产生第一输出的第一泵，连接以便接收第一输出从 而监测其参数的第一变换器，产生第二输出(第二输出与第一输出混合 以产生溶剂混合物)的第一泵，连接以便接收第二输出从而监测其参数 的第二变换器，用于将第一和第二输出结合的混合节点，以及每一泵和 混合节点之间的限制管路，以提供笫一泵和第二泵之间的被动流体去耦， 从而稳定经过混合节点的交互作用。优选的，上述管路是毛细管限流器 和自第一和第二变换器的上游。
本发明技术的另一优势是防止经过混合节点的流速变换器
的交叉流动和回流污染。而另 一优势是避免流速控制器之间的不稳定反 馈。还有另一优势是降低最大操作压力的损失，通过减少对较大去耦限 流器的需求导致较大去耦限流器的较大寄生下降。
本发明的另一方面提供用于将梯度输送到液相色谱装置的 系统，其具有将样本引入到分离柱内的注入器。该系统具有产生通过第 一内嵌式压力变换器和第一流速变换器的第一输出的液体泵；产生通过 第二内嵌式压力变换器和第二流速变换器的第二输出的有机泵；以及处 理装置，用于以闭环反馈模式基于从至少一个变换器得到的信号来控制 上述泵，从而克服变换器的上游损失。
优选的，该系统具有用于混合第一输出和第而输出以产生第 三输出的第一接头和用于形成梯度的存储毛细管。梯度是第三输出的一 部分。存储毛细管具有一定的尺寸以将背压和消散最小化。第二接头连 接到存储毛细管，其中第二接头形成两个出口，第一出口连接到毫微级 流毛细管液相色谱装置。 一个阀连接到第二接头的第二出口并受处理装 置的控制。在存储毛细管中形成梯度之后，阀打开以便将剩余流体引导 到废物，同时液体泵和有机泵运行。在将梯度输送到毫微级流毛细管液 相色谱装置的过程中，只有液体泵运行，而有机泵离线。
本发明技术的另一实施例涉及用于改变输送梯度操作流速 的系统，以便适应毫微级流毛细管液相色谱装置的第一柱。该系统包括 产生通过第一压力变换器和流速变换器的输出的泵，用于从一部分输出 形成梯度的存储毛细管以及用于控制上述泵并从变换器接收信号的处理 装置。
处理这种具有存储指令组的存储器和用于运行指令组的处 理器。当毫微级流毛细管色谱装置的第二柱达到重新平衡时，该处理器 可操作以便存储在注入末的来自压力变换器的系统压力测量。处理器还 可操作以便停止到毫微级流毛细管色谱装置的流动，形成非常适于第一 柱的新梯度，设定等于系统压力测量的目标压力，接收由用户选择的适 于笫一柱的流速，并且在具有来自压力变换器的反馈的闭环压力控制下 使用泵，以便将系统压力提供到第一目标压力。在达到第一目标压力之 后，处理装置将泵变换到闭环流速控制，其中流速变换器作为反馈，以 及流速作为目标流速，从而通过运行泵来重新开始输送新梯度。
优选的，该系统还具有产生通过第二压力变换器和第二流 速变换器的第二泵，连接到存储毛细管以便将泵的输出结合的混合节点， 以及连接到存储毛细管的阀。该阀受处理器的控制，以便将存储毛细管 通到低于系统操作压力的压力。
本发明技术的另一优势是以简单、有效和快速的方式完成 流速改变，而不增加系统复杂性。而另一优势是克J5良在捕获应用中的长 的时间常数。
然而本发明的另一方面提供适于色谱装置的溶剂输送系统， 其具有与限制柱串联的短捕获柱。溶剂输送系统包括产生第 一输出的第 一泵，连接以便接收第一输出的压力变换器和流速变换器。产生第二输 出的第二泵，第二输出与第一输出混合以产生溶剂混合物。第二压力变 换器和第二流速变换器连接以便接收第二输出，从而监测其参数。将第一输出和第二输出结合的混合节点。用闭环反馈操作泵的控制器。控制 器被编程，从而以压力控制模式使用适于闭环反馈的压力变换器，以流 速控制模式使用适于闭环反馈的流速变换器，以流速控制模式使用两个 泵以形成梯度，仅使用第一泵来输送梯度，通过利用压力控制模式快速 减压与限制柱串联的短捕获柱而停止流动，将参考压力设定值设定为零， 并且开始操作第 一泵以克服与限制柱串联的短捕获柱的长的时间常数。
在另一方面，本发明提供为了在液相色谱系统中尖峰緩驻 (有时称为异形流动)的方法，包括下述步骤从混合物预先形成梯度，通过利用适于闭环反馈的流速变换器控制流速，通过利用压力变换器监 测输送压力。基于一个信号来降低基于感兴趣洗提峰值的流速，基于输 送压力计算目标压力。通过将压力变换器用作闭环反馈以及目标压力作 为设定值来控制流速。
本发明的实施例还涉及用于控制流体混合物组分或保持流 体混合物整体性的方法和设备。形成混合物的组合物可压缩性中的差异 可导致组合物不同流动。例如，有机组合物通常比含水溶液更易于压缩。 如果在具有包含有机组合物分支和具有含水组合物分支的管路中突然停 止流动，具有有机组合物的分支可表现出与压力变化相关的体积中的更 大变化，并且可不同地存储能量。体积和存储能量中的这些变化导致从 所需组分偏离的混合物。
在涉及适用于流体流的上下文中装置的一个实施例中，流体 流在包括至少一操作压力和一个低压的压力范围和流速下在管路装置中 进行传送。管路装置与泵装置处于流体连通以便在压力下推动流体。管 路装置与阀装置处于流体连通，并且阀装置具有至少一第一位置和一第 二位置。在第一位置中，流体在管路装置中流动，并且在第二位置中， 流体不在管路装置中流动。该装置包括控制装置和坡度装置。控制装置 与阀装置处于信号连通，并且与坡度装置处于信号连通。坡度装置用于 控制选自于管路装置中的压力和流速组成的组的至少一参数。坡度装置执行至少一个下述功能(i)响应于阀装置在第二位置中的放置或预期 放置，同时所述管路装置处于所述一个或多个操作压力下，控制装置要 求所述坡度装置以第一坡度减少在所述管路装置中所选的参数直到获得 上述低压；以及(ii)响应于采取第一位置的阀装置或响应于预期采取 第一位置的阀装置来增加所选的参数直到一个或多个操作压力保持在第 二坡度。
如在此所使用的，术语"泵装置"指的是用于推动流体的任 意装置。这些装置包括串联和并联的泵，涡轮泵、注射泵、蠕动泵、电 动泵、气动放大器和推动通过压缩存储装置的流体。术语"流体连通" 指的是管路类型的流体连接。术语"阀装置"用于指示能够中断流体流 动的任意装置。色谱仪具有为特殊阀形式的样本注入器。
如在此所使用的，术语"控制装置"指的是计算机、计算 处理单元(CPUs)、微控制器、数字信号处理器(DSPs)、服务器、编 程有合适韧件或软件的类似装置。分析仪通常具有控制操作方面的计算 机和CPUs。通过本地或中央计算机来控制单一仪器和多个仪器的软件在 本领域内是公知的。术语"信号连通"指的是电连接或电路、光学连接、 通过无线电波、因特网连接的无线连通、以及通过其可连通仪器的其它 装置。
坡度装置的另一实施例包括泵控制装置。泵控制装置可以 是单独的计算机、计算控制单元(CPU)、微控制器、DSP、服务器或控 制其它功能的相同控制装置。泵控制装置用于要求一个或多个泵将至少 一流体在处于第一坡度或第二坡度的至少之一的压力下放入管路内。为 了降低压力或减少流动，尤其是具有小直径的管路装置的泵控制装置会 需要在泵入方向颠倒。
本发明的一个实施例以用于控制从捕获柱流动的阀形式的
阀装置为特征。本发明的另一实施例以为样本注入器形式的阀装置为特 征。样本注入器在本领域内以几个名称公知，诸如样本处理器、自动取 样器、样本模块等。样本注入器为多端口阀的形式，具有其中放置样本 的管路环路。通过将样本放置在环路中，放置多端口阀，其中环路与管 路装置处于流体连通，管路装置与泵装置处于流体连通。样本注入器具 有第一位置和第二位置。在第一位置中，样本注入器在包括大气压到低 压的压力范围下接收流体样本。在第二位置，样本注入器与管路装置处 于流体连通，以便将流体样本放入其中。
本发明装置的一个实施例具有样本注入器的特征。样本注入 器与压力源处于流体控制，以便将压力放入样本装置中。压力源与控制 装置处于信号连通，并且控制装置要求压力源在大气压或初始压力下放 置样本注入器以便接收样本。并且在接收样本之后，控制装置要求压力 源将压力增加到相应于管路装置中压力的低压。
优选的，该装置还包括与控制装置处于信号连通的至少一 压力传感器。压力传感器处于流体连通，也就是测量泵装置、管路装置 和阀装置至少之一的压力。
优选的，该装置包括泵装置。本发明的一个实施例以泵装置 为特征，泵装置包括适于笫一溶剂的至少一第一泵以及适于笫二溶剂的 第二泵。管路装置包括与所述第一泵处于流体连通的至少一第一分支和 与所述第二泵处于流体连同的第二分支。第一分支和第二分支在三通接 头处处于流体连通，其中所述第 一溶剂和第二溶剂形成包括流体的混合 物。
优选的，从所述第一和第二泵选择一个泵，以便于控制到压 力的坡度。优选的，选择至少一个泵以便基于流动进行控制。相对于控 制到流速的坡度，这种泵的流速优选受控，以便引导泵的流速按坡度变 换到压力，优选的进一步补偿流体的压缩体积。也就是，泵引导流引导 适于溶剂的流动，预期其泵出作为加上代表溶剂压缩体积和未压缩体积 之间差异的附加体积的总流体的百分比。优选，泵按坡度变换到压力适 于含水溶剂。并且，泵按坡度变换到流速适于有机溶剂。
并且，该装置优选具有与控制装置处于信号流通以及与泵装 置处于流体连通的至少一个流速传感器。流速传感器允许流速的匹配。 如在此使用的，流速传感器还可包括与活塞移动相关进电机，活塞移动
可与流速相关。本发明装置还以坡度装置为特征，其调节阀装置的打开和关 闭，其中在管路装置中具有压力坡度。在含义上坡度是渐进的，即压力 减少的增加不是立即的，具有不大于大约每秒10，000磅每平方英寸(psi) 的压力比时间的斜率。更优选的，斜率在每秒10到1， 000 psi的范围 内，并且更优选的在每秒IOO到500 psi的范围内。本发明的另一实施例以保持流体完整性的方法为特征。该方 法适用于在流体流中的上下文中，流体流在包括至少 一操作压力和一低 压的压力范围下在管路装置中进行传送。管路装置与泵装置处于流体连 通，以便在压力下推动流体。管路装置与阀装置处于流体连通，并且阀 装置具有至少一第一位置和一第二位置。在第一位置中，流体在管路装 置中流动，并且在第二位置中，流体不在管路装置中流动。该方法包括 至少在选自于由管路装置中的压力和流速构成组的参数上进行控制的步 骤。参数下述步骤至少之一进行控制(i)响应于阀装置在第二位置中的放置或预期放置，同时所述管路 装置处于所述一个或多个操作压力下，在所述管路装置中以第一坡度减 少所选的参数直到获得上述低压；以及(ii)响应于采取第一位置的阀 装置或响应于预期采取第一位置的阀装置同时管路装置处于低压下来增 加所选的参数直到以第二坡度获得一个或多个操作压力。这样本发明的实施例涉及控制流体混合物的组分或保持流 体混合物的整体性。形成混合物的组合物可压缩性中的差异可导致组合 物不同流动。体积和存储能量中的这些变化导致从所需组分偏离的混合 物。本发明的实施例在中断流动之前逐渐降低管路、泵和岡的存储能量。 本发明的这些和其它特征可通过观看附图和研究下述详细说明可以明 了。本发明技术的另一实施例涉及LC仪，其包括用于产生梯度 的注入阀，与注入阀处于流体连通的分析柱，连接到注入阀以便迫使梯 度朝向分析柱流动的泵，以及在注入阀和分析柱之间的用于存储梯度的 装置。应该意识到本发明可以各种方式执行和利用，包括但不限于 程序、设备、系统、装置、适于目前已知以及后期改进的应用的方法或 计算机可读介质。在此公开的这些和其它独特的系统特征从下述说明和
伴随附图可变得更加明了。 附图的简要说明


图1A和1B是示出利用熔剂输送子系统的HPLC仪器的示意 框图，该子系统利用根据本发明技术的前馈原理，其中存在匹配指示以 示出如何正确连接图1A和1B。
图2是根据本发明技术用于输送图1A和1B中混合物的程序 的流程图。
图3是代表在图1A和1B的HPLC仪器的上下文中的操作循 环中的流速和压力变化的时间矢量图。
图4A和4B是示出利用熔剂输送子系统的HPLC仪器的示意 框图，该子系统利用根据本发明技术的前馈原理，其中存在匹配指示以 示出如何正确连接图4A和4B。
图5是代表图4A和4B的控制装置的示意图，更详细示出根据本发明技术的流动控制策略。
图6是根据本发明技术模拟图4A和4B仪器的电路。
图7是图4A和4B所示仪器的更详细版本，示出其以便更 详细示出利用根据本发明技术的前馈补偿。
图8是LC仪器的另一更详细版本，示出其以便更详细示出 利用根据本发明技术的前馈补偿信号的特定组分。
图9是根据本发明技术的模拟具有系统或负载流动的LC仪 器的另一电路，以便将能量或电荷提供到负载。
图IO是LC仪器的另一更详细版本，示出其以便更具体示出 利用根据本发明技术的前馈信号的混合方法。
图ll是示出直接流动毫微级流HPLC系统的示意框图，该系统利用根据本发明技术的预先形成梯度的溶剂输送子系统。
图12是示出根据本发明技术用于在图1系统中形成和输送梯度的程序的流程图。
图13是程序的另一流程图，以便根据本发明技术利用不同 柱执行一系列注入运行时避免启动慢的流速。
图14是示出直接流动毫微级比例捕获系统的示意框图，该 系统利用根据本发明技术的溶剂输送子系统。
图15是示出另一直接流动毫微级比例捕获系统的示意框图，
该系统利用根据本发明技术的具有附加泵的溶剂输送子系统。
图13是根据本发明技术用于尖峰緩驻的程序的另一流程图。
图17是示出LC仪器的示意框图，该仪器利用根据本发明技 术的不具有排气阀的梯度存储装置。
图18是示出另一LC仪器的示意框图，该仪器利用根据本 发明技术的具有排气阀的梯度存储装置。
图19是示出另一LC仪器的示意框图，该仪器利用根据本 发明技术的具有排气阀、二元泵和等强度泵的梯度存储装置。 特定示例性实施例的详细描述
本发明克服了关于将溶液输送到毫微级流毛细管LC仪器的 现有技术存在的一些问题。本发明通过当会发生不希望的混合时认识到 并应用泵设定来防止上述混合来保持流体混合物的整体性。本发明还示 出预先形成低压和高流速的梯度，以便增加LC仪器的生产量。对于本领 域的那些技术人员而言，它能够过参照代表本发明实施例的附图对本发 明特定示例性实施例的下述详细描述可更容易明了在此公开的系统的优 势和其它特征。
在此公开的所有相对描述，诸如上游、下游、左侧、右侧、 上和下都是参照附图的，并且不意味着进行含义上的限定。此外，为了 清楚起见，诸如没有具体包括在附图中的过滤器、管路和互连的常用术 语应该是由所属领域的那些普通技术人员理解的那样。除非另外指出， 示例性的实施例可理解成提供特定实施例的改变细节的示例性特征，因 此在本质上不偏离所公开系统和方法的情况下，特征、组件、木块、元 件、子系统和/或示例的方面可另外结合、互连、程序化、分离、互换、 定位和/或重新配置。线性阀实施例
参照图1A-2B，示出利用根据本发明技术的线性阀127的直 接流动毫微级比例HPLC仪器111。线性阀127允许HPLC仪器111在所希 望的操作压力之间有效变换。其显示HPLC仪器可在超过5， 000磅每平 方英寸(PSI)的压力下运行，而在市场上引入的近期仪器能够在15， 000 PSI下运行，
参照图1A和lB，仪器lll具有用于将容纳在相应容器135a， 135b中的相应溶剂A、 B移动通过管路的泵115a， 115b。泵115a， 115b 可包括串联和并联的泵，涡轮泵、注射泵、蠕动泵、电动泵、气动放大 器和推动通过压缩存储装置的流体。在色谦应用中利用的典型泵是由步 进式电机供应动力的串联泵。这些泵115a, 115b可从几个销售商处得到。 Waters Corporation of Milford， Massachusetts以商标名为 ALLIANCE , ACQUITY⑧、和60(T型号的泵出售合适的泵。
管路使得泵115a, 115b和容器135a， 135b以及HPLC仪器 111的其它组件互连。这些溶剂可包括在色谱分离中使用的任意溶剂。典 型的溶剂可包括作为一种溶剂(例如水)和有机溶剂(例如甲醇、乙腈 等)的含水溶液。管路包括像管子、导管、毛细管和毫微级流结构的结 构，以便在宽范围的压力下传送流体流。低压可以是大气压，但还可以 是几百或更高的大气压值。为了简明，不具体标明管路并且表示成附图 中组件互连的管线。
具体的，管路是不锈钢或二氧化硅，但是可容易由其它材 料代替。这些材料示例性地但不限制性地包括黄铜、铝、钛、陶瓷和塑 料。管路可包括任意尺寸；但是，本发明具有特定的应用性，其中管路 具有小的内径。例如，但非限定，管路或其部分是O. 005到0. OIO英寸 直径的不锈钢管。管路的其它部分是大约25微米的二氧化硅毛细管。在 一个实施例中，当执行分析程序时，管路以大约50毫微级升每分钟到5 微升每分钟范围的流速进行传送，当从样本分离材料时，管路以大约4 微升到20微升每分钟的流速进行传送。
如图所示，从泵115a， 115b的流体压力和流速可由压力传 感器和流速传感器进行监测，诸如适于泵115a的压力变换器131a和流 速变换器133a以及适于泵115b的压力变换器131b和流速变换器133b, 泵115a, 115b和变换器131a、 131b、 133a以及133b与控制装置125处 于信号连通。由点划线指示信号连通。对于活塞类型的泵，控制装置125 要求泵115a, 115b通过信号向前或向后移动活塞。结果，泵115a， l"b 利用闭环反々贵来精确控制压力和/或流速。
控制装置125指的是计算机、计算机处理单元、微控制器、 数字信号处理器、服务器、编程有合适韧件等的模拟装置。用于分析仪 器中的计算机是众所周知的，并且可从几个通常的销售商得到。控制装 置125与压力传感器或变换器131a和131b以及流速传感器或变换器
133a和133b处于信号连通，以便根据图3来监测和控制压力和流速。通 过由软件制造商提供的工具包可将指令编程到控制装置125的韧件中或 编程入操作软件中。该类编程由所属领域的技术人员规定。仪器控制软 件可从几个销售商得到，诸如Waters Corporation of Milford Massachusetts以商标名EMPOWER ^或MILL INN I UM⑧出售。
仍然参照图1A和IB,泵115a, 115b的输出经由管路装置 117a-117b流到三通接头123中。实际上，溶剂A和溶剂B在三通接头 123处汇聚到一起以形成混合物。然后混合物进入线性阀127，其起到坡 度装置的作用。术语"坡度装置，，指的是用于随时间逐渐降低或增加所 选参数的装置。坡度阶段是其中进行这些变化的阶段。坡度阶段通常是 至少5秒，但是依赖于特定应用，可更小或更大。理想的坡度阶段以流 体体积、流速和压力的大小为基础。虽然示出为明确的物件，但是可以 预期仪器111可配置和操作成包括不具有分立线性阀127的坡度装置。
线性阀127可选择性地传送混合物到废物或适用于捕获柱 165和捕获阀121的样本注入器阀119。线性阀127具有打开的范围并且 能够通过将流体分流到废物或再循环来减少和增加管路中的压力。线性 阀127与控制装置125处于信号连通，并且接受指令以便由此打开或关 闭。线性阀127在本领域内是公知的并且可从几个销售商得到，诸如俄 亥俄州辛辛那提的Valco。
线性阀127的特征在于可以渐进方式控制流动，这样，装置 111的压力和流速可以图3中所示的方式控制。优选的，线性阀受到 控制装置125的特定部分129的控制。线性阀控制部分129可以是单独 的计算机、计算机处理单元(CPU)，服务器或控制其它功能的相同控制 装置125，如所示的那样。
当线性阀127设定成允许流体在仪器111中向前流动时，混 合物通过线性阀127传送到样本注入器阀119，以便在捕获柱165中结合 捕获阀121使用。希望控制混合物的组分，这样样本的组分以可再生的 方式释放。压力和流速的跟踪保持仪器111管路中的流体完整性。
"样本注入器，，通常指的是一种形式的阀和管路，其用于将 容纳样本的管路部分在柱的上游与管路处于流体连通。术语"阀"指的 是用于控制、限制或停止流动的装置。样本注入器通常包括多端口的阀 和用于容纳样本的管路环路(未示出)。样本注入器阀119与将样本注
入器阀119置于压力下的压力源151处于流体连通。该压力可由控制装 置125和线性阀127匹配。压力源151可包括泵或任意压缩流体源。优 选的，压力源151是本领域内公知的注射泵(未示出)，并且其可从几 个销售商处得到。术语"压力源"指的是任意泵、注射或压缩空气或流 体槽等。样本注入器119通常具有用于抽出或吸引样本的注射器。
样本注入器阀119和捕获阀121每一具有至少一第一位置和 一第二位置。在第一位置流体流动，以及在第二位置流体不流动。样本 注入器阀119由几个销售商作为组件部件或作为整个分离模块的部分销 售。一个样本注入器阀由Waters Corporation of Milford Massachusetts 以商标名ACQUITY tm或ALLIANCE⑧出售。捕获阀由几个销售商出售，包 括Valco。样本注入阀119将样本置入管路环路中(未示出)。
线性阀127响应于将样本注入器阀119和捕获阀121放置或 预先放置在第二位置中控制在管路装置117a-117g中的至少一个选自于 流速和压力构成的组的参数，同时仪器111在一个或多个操作压力下。捕 获阀121还可选择性地将流体流引导到废物或引导到分析柱2657和探测 器169而不干扰溶剂溶液。这样俘获在捕获柱2655上的感兴趣组合物可 被有效分析。
在一个实施例中， 一个泵选自于所述第一泵115a和第二泵 115b以便控制按坡度变换到压力和选择另一泵以便控制按坡度变换到流 速。相对于控制按坡度变换到压力，这种泵的流速优选受到控制以匹配 按坡度变换到压力的泵流速。优选的，泵按坡度变换到压力适于含水溶 剂。以及泵按坡度变换到流速适于有机溶剂。例如，溶剂A是含水溶剂。 泵115a受控制装置125的命令以图3中的坡度141a进行，泵115b相对 于在坡度141b上的流速跟踪泵115a。控制装置125命令泵115b通过调 节泵115b的输送到相应的泵115a的输送来保持适于混合物组分的溶剂A 和溶剂B的精确混合物。此外，当泵115b的体积改变时，泵115b泵出 或吸引或增加由管路装置117a-117g和泵115b中的溶剂B代表的压缩或 未压缩的体积。
现在参照图2，示出图1A和1B的仪器lll操作循环的方法。 更通常的，该方法适用于在大范围压力和/或流速下在管路中传送的流 体流的情况。在HPLC中，该方法用于保持流体的完整性，而不管在捕获 和洗提的不同处理步骤中必要的不同条件。在图3中，用相应于图2所
示步骤的区域示出时间矢量图，其在图方法中示出压力分布图170和流 速分布图172。
参照图2和图3，在步骤S1中，控制器125记录4义器111 的当前压力和流体负载条件。具体的，当前的条件是那些在以前洗提运 行(例如，高压和低流速)过程中所希望的那些。这样，设定捕获阀121， 这样流体流被引导到分析柱1657。为了从洗提运行条件转变到捕获条件 (例如，相对低的压力和高的流速)，必须极其小心以便将存储在仪器 流体中的存储能量释放，而不由搅动和回流破坏混合物的整体性。或甚 至更坏的情况，如果回流变得过多，会发生对诸如柱2657的仪器组件造 成损害。
图3还示出由交叉线区域174指示开始的仪器相关的那些条 件。区域174示出在步骤S1的初始部分Sla中的开始条件，流速是零而 向上按坡度变换到分析流速。换言之，交叉线区域174指示从开始条件 的可替换较低流速分布172，直到仪器111可按坡度变换到初始梯度流速 和组分。
优选的在部分Sla中，仪器111还有利地将样本装载到注入 阀119的环路中。样本通过设定注入阀19到装载并且应用压力源51而 被装载。此外，仪器111为下一运行下在设定参数。这些设定参数提供 到控制装置125。[OIOO]在步骤Sl的保持部分Slb中，达到分析流速，这样流速分 布在两个替换通路之间是一致的。此外，仪器lll为下一运行存储当前 参数。如参照步骤S7的下面描述，将压力和流体负载R的这些当前参数 提供到控制装置125。
在步骤S2，仪器lll开启减压坡度以获得捕获条件。控制 装置125要求线性阀127以相对于压力的第一斜率41a来增加压力。同 时，在优选具有前馈补偿(例如，混合减压斜率141a)的情况下，控制 装置125要求泵115a到零压力并且泵115b到零流速。术语"前馈补偿" 通常意味着开环补偿，如将在下面更详细描述的那样。优选的，步骤S2 持续大约30秒。
在步骤S3，仪器111处于低的压力和流速条件143a。虽然 该低压143a可以是大气压，如所示的那样，低压143a还可以是相应于 样本注入器阀119中压力的高于大气压的压力。为了完成该坡度141a，
线性阀127排出到废物并且控制装置125操作两个泵115a, 115b设定到 零流速。实际上，存储在压缩流体中的能量在没有回流和搅动的情况下 释放或至少的最小的回流和搅动的情况下释放。泵115a， 115b变为同步。 优选的，步骤S3持续大约15分钟。
在步骤S4,仪器111通过将捕获阀121引导到捕获位置而 准备好捕获过程，也就是捕获阀121将流体引导到废物。如分别由斜率 145a, 145b所示的那样，两个泵115a， 115b按坡度变换到相对低压和高 流速的希望捕获条件下。为了完成坡度145a， 145b，控制装置125要求 线性阀127增加管路中的压力直到高达操作压力147a和流速"7b。
依赖于由每一泵115a， 115b产生的流速，可以控制混合物 流出三通123。控制装置125还控制注入阀119开始注入样本，以便将样 本从环路移动到捕获柱165。优选的，步骤S4持续大约30秒。
在步骤S5,仪器111达到在混合物所希望组分的捕获压力 147a和捕获流速147b下的平衡状态。优选的，仪器111延迟大约1分钟 以在开始注入样本制造之前达到充分平衡。在达到平衡后，通过将注入 阀119设定到注入位置将样本从环路移动到捕获柱165。由于相对高的流 速147b，转移样本的时间可是快速的，在分钟的量级上。优选的，使用 者选择捕获的时间段来确保样本有效移动到捕获柱165。在一个实施例 中，步骤S5持续大约5分钟。
在步骤S6，在捕获操作完成之后发生混合减压。虽然小于在 洗提运行过程中存储的能量，但是仪器lll中存储的明显能量需要在不 破坏管路混合物完整性的情况下足够和有效地消散。混合减压包括设定 泵115a的压力到零，同时优选前馈地设定泵115b的流速到零。结果， 压力下降到大约大气压，如坡度149a所示，以及流速移动到零，如由坡 度149b所示的那样。
再次为了获得这些坡度149a， 149b，控制装置125要求线 性阀127逐渐通到大气。注入阀119设定到装载位置，也就是用于保持 样本的环路从流体路径去除以降低需要消耗和随后再压缩需要的总量。 捕获阀121关闭到废物并引导流体流到分析柱2657。在步骤S6的末端在 达到最小的流速和压力条件下，仪器111可调整设置以便再次引导流体 流动等，同时保持其中的流体完整性。优选的，步骤S6持续大约30秒。
在步骤S7，仪器lll执行混合再压缩以完成洗提运行，而不 产生不希望的长的再次压缩时间，原因在于需要相对大体积的存储能量来压缩流体回到操作压力。在开始混合再次压缩之前，控制装置125采 集在步骤Slb存储的压力和流体负载参数。
如果压力和流速与之前使用的相同，至少在开始阶段，仪器 111尝试回复到先前值。如果压力和流速是不同的，仪器111基于流体阻 抗R的存储值来推断新的设定。例如，如果步骤Slb参数是在0。 350微 升每分钟的设定流速Qs下为9, OOOPSI的系统压力Ps，那么根据Rs-Ps/Qs，可计算流体阻抗为大约25， 700Ppsi/uL/min并存储在存储器内。 仪器111将利用下面的公式来确定新的设定 P新-Q新"s[OllO]为了获得新的设定，控制装置125要求线性阀127增加管路 中的压力以到达如坡度161a中所示的操作压力，并且到达如坡度161b 所示的操作流速。同时，控制装置125在闭环反馈控制下运行泵115a， 115b。通过i殳定泵115a, 115b到达高压和允许流速增加以满足短时间间 隔的压力，非常快速地得到设定流速和压力参数，而不破坏混合物的完 整性。在一个实施例中，步骤S7持续大约30秒或优选更短的时间。[Olll]坡度141a， 141b， 145a， 145b， 149a， 149b， 161a和161b 示出为线形；但是，这样坡度可以是非线性的，只要控制压力随时间的 变化指示。优选斜率不大于大约IO， OOO磅每平方英寸(psi)每分钟。 更优选的，斜率在10到l，OOOpsi的范围，以及更具体的，在100到500psi 每秒的范围内。
在步骤S8， 一旦仪器111达到希望的流速和压力设定，如由 平坦区域163b所示在洗提运行过程中流体达到稳定状态条件。相对比， 压力可波动，如由变化区域163a所示。在步骤S8中，样本输送到分析 柱167以便分析。 前馈实施例
现在参照图4A-10，以各种附图指出和示出另一HPLC仪器 211。如由所属领域内普通技术人员意识到的那样，仪器211利用类似原 理到所述的仪器lll。因此，当必要时，用数字"2"代替前面的数字"1" 形成的附图标记用于指示相似元件。仪器211与仪器111的主要差异是 没有线性岡127。
参照图4A和4B,示出根据本发明技术的利用开环前馈补偿
的另一直接流动毫微级比例的HPLC仪器211。以示意图示出仪器211, 该仪器211由成组的若干部件形成并且统称为二元梯度泵220。，通过结 合内嵌式流速变换器233A, 233B,与由控制装置225提供的闭环前馈控 制结合利用，二元梯度泵220设计成用于分析-比例的色谱和改型以便 输送适于毫微级流LC应用的精确梯度。在一个实施例中，流速变换气 233A， 233B是风速计类型的流速变换器。
泵215A代表独立的高压泵，其将两个移动相溶剂(例如含 水的)之一从供应容器135A供应到混合三通223。泵235A可由两个循环 泵构成以便流体的平稳输送。在泵235A的出口处的溶剂流动引导通过内 嵌式压力变换器231A和内嵌式毫微级流变换器233A。压力变换器231A 提供仪器操作压力的测量以及流速变换器233A溶剂A流体流的直接毫微 级流测量提供到混合三通223内。由于泵215A的高压密封和止回阀，通 过闭环控制，控制装置225在从流速变换器233A的上游存在大的寄生流 速泄漏的情况下能够保持精确的流速输送。类似的，泵215B表示类似独 立的高压泵，其具有相应的压力变换器231B和流速变换器233B,其将补 充的移动相溶剂(例如，有机的)从供应容器235B供应到混合三通223。
通过控制到混合三通223内的每一泵215A, 215B的输送流 速，控制装置225建立到仪器111的希望的用户设定的体积流速和两溶 剂的组分混合比例。通过在每一泵的溶剂流中存在压力和流速变换器 231A，231B， 233A, 233B,仪器211提供具有两个基本控制操作模式的更 大适应性。
管路240A， 240B是串联的限流器，诸如像短长度的毛细管， 以提供两个泵215A， 215B之间的被动流体去耦，从而建立经过混合三通 223的两个流动控制环路的内在相互作用。限流器或管路240A， 240B有意 位于流速变换器233A， 233B的下游，以便最小化变换器233A, 233B和三 通223之间的体积。
来自二元梯度泵220的溶剂流经由管路(例如，短的毛细 管)输送到样本注入器阀219,该阀219将一个或多个样本分析物从样本 容器引入到流体流中，依赖于构造，流体流将引导到一个或多个分离柱 265, 267。来自分离柱267的分离分析物引导到诸如质谱分光计、UV探 测器和/或类似物的探测器269。
如图4B所示，仪器211以简化的捕获方案为特征，其以前 齐的模式操作，包括捕获柱265、捕获阀221和分析柱267。 二元梯度泵 220执行样本装载/捕获和梯度输送的操作，如下所述。虽然图4B示出 "前齐"方案，本发明技术可应用其它捕获方法，诸如"反向齐"的方 案，其对于捕获方案的所述领域的技术人员是公知的。在所示的捕获操 作中，二元梯度泵220提供在相对高流速(例如，5到15ul/min)下提 供固定的溶剂组分(例如，非常高的y。A(含水)非常低的n/。B有机)，其 中捕获阀221开放到废物。作为分析柱267的非常高流体限制的结果， 溶剂流引导到废物。样本分析物装栽到捕获柱265上，同时对分析柱267 不希望或有害的洗提组份(例如，緩冲剂、盐等)冲到废物中。当捕获 完成时，二元梯度泵220停止捕获流动并且重新配置仪器211以便分析 物分离。捕获阀221关闭，这样将流体流引导到分析柱267。然后二元梯 度泵220开始在预编程的毫微级流速和时间编程的溶剂组分分布下进行 梯度运行。如图4A所示，"设定流速"、溶剂A的百分数和溶剂B的百 分数由用户输入到控制装置225中。
在另一实施例中，仪器211以直接注入模式操作而没有捕获 柱265。以该模式，短的毛细管(未示出)代替捕获柱265，并且捕获阀 221保持关闭，将流体流引导到分析柱267。在梯度运行开始过程中进行 样本分析物的注入。
现在参照图5，更详细示出控制装置225的示意图，以便示 出流动控制策略。如上所述，先前技术在诸如5， OOOpsi的非常高的系 统压力下操作过程中以及在到系统的流动开始或停止时在捕获运行或直 接注入运行之间存在溶剂组分控制损失的问题。控制装置225通过分别 适于每一溶剂泵235A, 235B的两个流速控制器250A， 250B建立用户设置 的体积流动到仪器211 (设定流速)和用户设定的溶剂组分比例(。zU和 %B)。设定的流速、溶剂A和溶剂B的百分数分别输入到沿着结合点 254A， 254B的每一路径。
每一流速控制器250A, 250B作为PID反馈控制器执行并且 基本起到伺服环路的作用，相应于仪器流速变化或溶剂组分变化，上述 任意作为新的流速设定值进行传送。流速控制器250A， 250B将当前的流 速设定值或参照输入(Qra， Qrb )与进入三通223的测量流速(Qa， Qb ) 进行比较，并且在步进式电机控制的活塞泵中产生合适的电机速度信号， 其驱动必要的泵体积流速(Qpa， Qpb )到仪器211中，这样满足参考流速
(Qr)。类似的，对于其它泵入策略，将产生合适的信号Qpa，Qpb以满 足Qr。
设定流速变化通过由坡度装置252A， 252B代表的线性坡度 函数传送到流速控制器250A， 250B。对于每一泵215A, 215B而言，坡度 装置252A， 252B作为相对于时间经过坡度间隔Tr的线性函数增量式地将 新的流速设定值传送到响应流速控制器250A， 250B的参考设定值(Qr )， 其确保两个流速控制器250A， 250B之间地良好伺服跟踪。通常，适于Tr 的合适值是大约流速变换器233A, 233B的时间常数的五倍。在一个优选 的仪器211中，流速变换器233A， 233B的时间常数是大约5秒，这样30 秒的坡度时间间隔Tr是优选的。坡度装置252A, 252B保持相应流速控制 器的设定值的先前历史记录并且适于每一新的用户设定值，控制装置225 计算下述方向、总的德尔塔流速的变化值(等于新的设定流速-当前 的设定流速)；以及坡度流速Rp(等于德尔塔流速/Tr)，其控制增加的 更新值到流速控制器250A， 250B的参考输入(Qr )。
如可从图5看出的，每一坡度装置252、流速控制器250、 变换器231， 233和泵215形成流速控制伺服环路。对于到仪器211的组 分的相对小的变化(也就是，在两个流速控制伺服环路之间的互补流速 变化)或体积流速变化(也就是，在流速变换器的带宽内的变化)，两 个流速控制伺服环路能够保持良好的组分控制，因此能够保持良好的流 速跟踪，足以满足HPLC色镨。上述就是在变成的梯度运行过程中的情况。
但是，当进行非常大的流速变化，伴随大的背压变化，两个 流速控制器伺服环路的跟踪能力下降，并且丧失组分控制，导致仪器211 的流体流中的组分误差和色语损失。例如，当具有i昂对限制性的毛细 管柱的仪器211中的流动被停止或开始时，发生组分误差。当仪器211 的体积流动从捕获相(例如，高流速和中等的压力)变换到梯度输送开 始的开始分析的流动条件(例如，毫微级级的流速和非常高的压力)时， 在捕获过程中该问题尤其成问题。
坡度装置252A， 252B可单独限制大的设定值变化到流速控 制器，使其合理有效地具有较低的操作压力，诸如5, OOOpsi的操作压 力。但是，如果对于使得以更长的毛细管柱进行操作的诸如10， OOOpsi 的较高操作压力不能合适补偿的话，那么由于流速控制器的严重错误跟 踪产生组分控制的部分损失。错误跟踪的原因是由于泵215A， 215B相对于输送到仪器柱 265， 267的毫微级比例流动具有非常大的圆柱体积。由于在这些LC应用 中使用的移动相溶剂可在前述的操作压力下压缩，这些流体的捕获体积 需要在稳定状态流动之前存储相当多的能量可在混合三通"3中获得。 该能量存储表明其本身作为仪器流体的压缩体积变化并且与溶剂的可压 缩性和捕获体积成正比，并且与操作压力的平方成比例。存储的能量由 每一泵215作为附加的"装载流，，供应，同时压力变化，并且比在混合 三通223中控制的流速高很多。由于溶剂A，B通常具有非常大不同的流 体可压缩性，在两个相应泵215A，215B之间的有效装栽流动按其压缩比 例而不同，原因在于体积经过混合三通223变化。这样，流速控制器 250A， 250B不能处理在混合三通223处的装载流速和体积的相当大的不 平衡产生组分控制的损失。应用流体学模型
为了示出组分控制损失的动态以及仪器如何补偿流速控制 器250A， 250B的限制，现在展示应用流体学的简化分析模型。流体的压 缩性限定成响应于压力变化的流体的相对体积变化，并且在数学上表示 成丄.！F 3尸其中V是系统体积，以及偏导数代表相对于压力变化的体积变化。 在热力学术语中，压缩性由进行偏导的条件或程序来限定(例如，绝热 /恒定的熵或等温/恒定的温度)。
体积相对于压力变化的微分变化还表示成流体容量，其是流 体存储能量的能力。这样，应用流体容量变为- K其中P是流体压缩性以及V。是系统的捕获体积。利用从电路的简单 欧姆关系，流体容量表示成R= AP/Q其中AP是经过限制性元件的压降，以及Q是通过元件的流速。阻抗R基本与流体元件和流动通过其的流体速度成比例。
利用容量的基本总体参数元件以及类似于电路的阻抗，仪 器211的平衡流路在图6中示出。在比拟中，电流"I"代表为pL/min 为单位的体积流速"Q"。电压代表为psi的压力以及容量"C"代表流 体中存储的能量，并且其单位为nL/psi。阻抗"R"表示对流速的流体 限制，单位为psi / iuL/min。
将图6中的流体模型与图5中的流速控制伺服环路关联，Ipa 和Ipb是两个独立的电流或流体源，其分别表示由两个泵A和B输送到 仪器211中的体积流速。流速Ipa和Ipb与泵电机制动器的预定速度成 正比。PTa和PTb分别代表两个内嵌式压力变换器231A， 231B。压力变 换器231A， 231B在泵215A, 215B处分别测量节点压力Pa和Pb。类似的， FTa和FTb分别代表两个内嵌式流速变换器233A和233B。流速变换器 233A, 233B分别测量流入混合三通223中的两个受控流速Ia和Ib。
在混合三通223处的两个流速Ia和Ib的总和形成流出混 合三通223的流速Is。仪器211的有效负载由阻抗Rs表示，其主要是在 流路末端处的柱265， 267的流阻，其中Cs代表混合三通223下游的仪 器总体流体容量，容量Cs主要由注入器阀219的样本环的体积和捕获柱 265的体积构成。容量Cs比泵容量Ca， Cb小很多。
Ra和Rb分别表示两个毛细管的流体阻抗。虽然不是必需的， 阻抗Ra，Rb基本等于通过与溶剂A,B的粘度成比例的相应长度。阻抗 Ra，Rb相对于毛细管柱265， 267的组合阻抗Rs是非常小的。例如，阻抗 Ra，Rb是大约40psi / fiL/min,而75 pm ID x 150mn x 1. 7pm微粒毛 细管柱的阻抗Rs对于水而言是大约25， 000 psi/pL/min。
Ps是从系统流速Is到柱265， 267内或仪器阻抗Rs导致 的系统背压。由于毛细管限流器比Rs小很多，每个测量的泵压Pa，Pb是 仪器背压Ps的合理测量值。Ca和Cb分别代表每一泵215A， 215B的总体 流体阻抗，并且包括下述的捕获体积最终的输送泵汽缸(包括在其入 口阀(或止回阀，未示出)和出口端口之间的位移沖程体积和内部死体 积)、压力变换器、以及到达但不包括各个流速变换器231， 233的所有 连接管路。在一个实施例终，输送泵汽缸和到达流速变换器的互连管路 的捕获体积是大约160jLiL.对于液体泵215而言，适于水的流体压缩常数 P是3. 12e-6/psi。这样泵A的流体容量大约为
Ca- 3. 12e-6/psi * 160pL= 0. 0005 pL/psi 对于有机泵215B,适于乙腈(CAN)的流体压缩性常数P是 7. 34e-6/psi，其是水的压缩性的2. 35倍。这样，泵B的流体容量大约 为Cb = 7. 34e-6/psi * 160pL = 0. 00118 pL/psi
lea和Icb代表节点压力Pa， Pb变化时的流入或流出相应的 泵流体容量Ca，Cb的"装栽"或"卸载"的压缩性。利用电<formula>formula see original document page 36</formula>为了正确地限制反馈控制策略，认定下述情况，其中在30秒的坡度 间隔Tr下，流速坡度从零变到梯度的初始条件。上述时随后的捕获或具 有直接注入的情况。在坡度间隔下，组分保持恒定，具有非常高的液体 到有机的混合比例(例如，97A， 3%B)。对于具有前述柱的350nL/min 的目标流速而言，得到9， OOOpsi的稳定系统压力。由于坡度方案，仪 器压力Ps也应该从零线性按坡度变换到9, 000psi。对于泵A，需要将 系统压缩到9， OOOpsi的泵A的流体体积的变化为△ Va= Ca . AP = 0. 0005jnL/psi * 9000psi = 4. 5yL 由于溶剂B的压缩性是溶剂A压缩性的2. 35倍，泵B的相应体积变 化大约是10. 6pL。
例如，为了将系统压力在30秒的坡度间隔内按坡度变换到 9， OOOpsi，泵215A必须供应相同的平均"装载"流速Ica:/c。= Ca - APa/AT = 0. 0005 pL/psi * 9， 000psi/30sec = 9. 0 pL/min同时将相关的受控流速la从零按坡度变换到0. 97 * 350nL/min或 大约340nL/min的目标值。类似的，泵215B必须供应相同的平均"装载" 流速Icb:/cfc= Cb APb/AT= 0. 00118 pL/psi * 9， 000psi/30sec = 21. 2卩 L/min同时将相关的受控流速Ib从零按坡度变换到0. 03 * 350nL/min = llnL/min的目标值。
如果要保持三通出口处的组分控制，那么在泵头处的压缩或 装载流速必需保持在两个溶剂压缩性因素的正确比例，而不管组分比例。 如果该要求未满足，那么就不会由流速控制器250A， 250B保持经过混合 三通223的入口端口 (未示出)的有必要保持受控入口流速Ia，Ib的合 适混合比例的节点压力Pa，Pb的精确微分跟踪。如果微分压力设定的足 够高，那么节点压力Pa，Pb之一将下降到仪器压力Ps之下，导致混合三 通223的腿部或那一侧的反向流动。在该情况下，具有较高节点压力Pa 或Pb的主要泵在混合三通223的出口处(未示出)使得溶剂混合物饱 和，并且可能的情况会是污染另一泵的流速变换器233A或233B。这样， 由于流路的结构和体积比例，经过混合三通的压力微分更强烈地依赖于 与流动到三通内的两个受控流动相比的装载流动。这造成反馈控制器地 非常糟糕状态的问题，其可只反应在流动到混合三通内的与更大的未受 控装载流动相比的相对小的入口流动，其大约在适于有机泵的2， 000到 1的量级。
例如，在坡度操作开始时，实质上没有可测得的流动进入混 合三通223，直到每一泵头的容量开始装载。流速控制器的比例作用将使 得每一泵电机(未示出)的指令信号速度到达100ML/min的高限，其是 液体泵215A的平均装栽流速的大约10倍，而仅仅是有机泵215B的平均 装载流速的5倍。这样，其中两个泵215A，215B的持续时间是不同的， 对于液体泵215而言是大约2. 7秒，而对于有机泵215B而言是大约6. 3 秒。显然，存在至少3秒的重叠时间，其中两个泵215A和215B是开环 的，但是以相同的流速流动。这样，反馈控制器没有由两个泵头的卸载 状态导致的非常高的装载流动的信息或直接测量，并且不能保持组分控 制。当系统从典型的最终梯度条件按坡度变换到零时该问题具有附带的 行为。这样，当压缩体积膨胀时，每一泵215A， 215B存储的能量释放回 系统。由于有机泵215B具有更高的容量或能量存储，液体泵215B的流 体比有机泵215B的流体膨胀的更多，导致有机泵215B不受希望地"喁" 出到出口流体内，并且回流到另一变换器233A内。这就是当系统211从 前一运行变换到开始直接注入或捕获操作以便于下一运行时的情况。
参照图7，图7是图4A和4B所示仪器311的更详细版本， 示出其以便更详细示出利用根据本发明技术的前馈补偿。如所属领域内
的技术人员意识到的那样，仪器311利用类似于前述仪器的原理。因此， 当必要时，用数字"3"代替前面的数字"1"形成的附图标记用于指示 相似元件。仪器311与仪器111， 211相比主要添加了信号求和和结合乘 法以及类似的当前参考，如图6的流体模型所示。
总体而言，修正的前馈控制方案基于体积能量存储的分离， 也就是在流速按坡度变换过程中从流速(以及组分)的反馈控制的泵头 的流体体积压缩性。前馈方案处理较大的背压变化，上述背压变化是独 立于闭环流速控制器250A, 250B而压缩或减压捕获的体积头(bulk captive head volumes )所需要的。前馈方案应用控制法则到泵活塞(未 示出)的相继移动，这样以这样的一种方式控制泵头(未示出)的压缩 能量的存储和释放，这样保证在输入端口处的正确组分流动Qa和Qb流 动到混合三通323。前馈控制作用有效使得两个节点压力Pa，Pb平衡，这 样经过混合三通323的流体晃动在组分的可接受误差公差内。
从反馈控制器的透视图来看，在流速按坡度变换过程中，前 馈方案离线装载体积容量负载或干扰到流速控制器，有效使得泵头的捕 获体积实质上消失。到控制流速的主要负载波动是德尔塔P或者来自驱 动泵头的节点压力。这样，到每一流速控制器的波动流速Q波动与德尔 塔P成比例。当由于较大的体积流速变化产生大的压力变化时，该德尔 塔P上升或下降到非常大的压缩或减压。前馈环路有效估计必要的独立 于从受控流动到混合三通323内由每一泵315A， 315B供应或吸收的装载 或卸载流速Ic，这样反馈控制器可保持正确的组分混合物比例，同时系 统压力仅仅响应于到系统311的体积流速变化而坡度。返回参照图6，前 馈控制法则通常仅仅是响应于压力变化的头体积容量的装载或卸栽流 速(}前馈=Ic = C dp/dt并且压力变化是估计或测量的波动函数。
现在参照图7，坡度装置352将希望的体积流速坡度函数提 供到控制策略上。对于A泵315A，利用由控制装置的前一运行存储的系 统阻抗Rs的测量值，在乘法器254A1处得到预期的系统压力坡度Pa。前 馈方案通过采取Pa的导出操作255来计算压力波动信号。通过将导出的 Pa乘以在259处测量的泵A的容量Ca来计算前馈控制法则Qca。前馈修 正在求和接点263处求和到来自流速反馈控制器350A的指令信号内。类
似的，B泵315B通过操作254A4， 257， 261和265导出其前馈修正信号。 在实际的应用中，前馈计算不需要用图7所示的控制方案采取压力信号 的真正导出。取而代之，由坡度装置352 (在0123段中所述)计算的斜 率Rp是压力坡度信号的导出，并且简单乘以容量Ca以产生前馈信号Qca。
在另一实施例中，波动信号Pa的前馈估计值可由压力变换 器331A提供的真正测量值来代替。但是噪声伴随信号存在，并且可提供 过滤的精确装置以便适合采取导出的信号。
返回参照图7，图7是图4A和4B仪器的更详细版本，示出 其以便更详细示出利用根据本发明技术的前馈补偿。前馈的进一步细节
图8是LC仪器的另一更详细版本，示出其以便更详细示出 利用根据本发明技术的前馈补偿信号的特定组分。图9是根据图8的模 拟具有系统或负载流动Is的LC仪器的另一电路，以便将能量或电荷Cs 提供到负载。为了简明，图8仅示出到混合三通423内的泵415A的流体 流或腿部，并且在此所述的流体改进的所有解释还将适用于经过混合三 通423应用的泵415B的对称腿部。
前馈控制的第一细节包括Ca在输送冲程过程中认定泵415A 的变化体积和最终的容量。当冲程从泵415A的底部死点行进到顶部死点 时，有效的体积容量Ca随净变而变化，净变与冲程体积与冲程和固定捕 获体积的总和的比值成比例。由于冲程体积可是明显的，如图9中所示， Ca是随时间变化的参数，并且在前馈控制过程中可被修正。在乘以溶剂 压缩性因数P之前，通过监测活塞行进位置和适当改变变化的捕获体积 V。可进行合适修正。通过阅读直接指令的电机位置或通过测量电机轴编 码器、线性位置指示器或如提供的类似物可知活塞位置。在图8中示出 当在增倍器459之前到Ca的冲程体积修正时对随时间变化的值Ca的修 正。
前馈控制方案的第二细节包括嵌入式流速变换器和相关的不希望能量存储效果的捕获流体体积的认定。在一个实施例中，每一流 速变换器433A、 433B从具有刚好超过2pL的捕获体积的圆柱形管(未示出)构建。测量元件沿着管的长度对称设置，从中点将捕获体积大致 均勻分为上游和下游，其是实质上的节点，在该节点进行流速测量。由 这些捕获体积元件导致的能量存储效果可表示成图8中在变换器433A侧39 面的两个并联电容，CpreFT和CpostFT。
图9结合了在流速变换器侧面的上游和下游容量CpreFT和 CpostFT。在图9中，FTa代表理想的有效变换器，其产生在物理装置侧 面容量之间的不明显的小中心点处产生测量的流速信号。变换器容量 CpreFT和CpostFT在处于节点Pa变化处的泵415A的压力下产生寿目应的 并联电流Icpr和Icpo。上述细节使得前馈控制方案说明如图9中所示的 进入乘法器471， 473和经过进入求和接点474， 477中的这些附加并联 电流。这些前馈流速补偿变换器装载电流，需要该电流来满足在乘法器 454Al输出处的指令压力坡度。为了实践的目的，上游的变换器容量 CpreFT由更大的泵活塞体积或容量Ca包含，因此并联电流Icpr在测量 流速上的影响可忽略。这样，通过变换器的流动基本由流入混合三通423 内的流动和由于流速变换器433A下游容量导致的装载流速Icpo构成。 在实践应用中，产生装载流速Icpo的容量CpostFT占据串联限流器440A 的任意捕获体积，其可通过利用毛细管而最小化。由于具有该模型，当 泵415A的压力Pa变化时，流速变换器433A产生希望控制流速Iat的测 量误差。误差项是后置变换器装载流速Icpo。
通过求和接点479通过如图8所示在反馈控制器450A处修 正流速变换器测量的流速误差对控制方案进行第三个细化，该求和接点 将前馈计算的值Icpo求和到流速控制器450A的设定值。为了明确修正 是如何实现的，流速控制器450A响应于中间误差探测器信号将设定值减 去测量值，其表示成(Qra'-Qa)。设定值项Qra'是真正驱动的i殳定值 Qra以及测量流速Icpo的计算的误差项。但是，流速变换器测量值响应 于Iat和Icpo的总和。这样，流速误差项取消经过流速控制器的误差信 号，产生希望的误差信号(Qra-Qat)。
参照固10,图10是LC仪器的另一更详细版本，示出其以 便更具体示出利用根据本发明技术的前馈信号的混合方法。图10中所示 的控制方案还可指代混合压力和流速控制策略或混合方案。混合方案致 力于混合三通523的下游的压缩元件。在一个实施例中，下游元件包括 用户构建的组件，尽可能不以不切实际的控制策略为特征。这样的组件 包括注入器样本环路和捕获柱，其以各种体积尺寸提供。这样组件附连 到出口三通523的总体系统容量以及在图6和图8的流体模型中体现为 Cs，其显示与分析柱(未示出)的非常受限的系统阻抗Rs平行。如上所
述，利用前馈补偿可解决高达混合三通523的困扰仅有反馈控制策略的 组分控制问题。当诸如样本环路和/或捕获柱的大体积组件加入到混合 三通523下游时，下游容量Cs代表依赖于混合比率用到一个或两个流速 控制器的非常大的流速，同时流速坡度增加。由于Cs的幅度，系统装载 流速比到系统的体积流速大很多，并且可容易超过流速变换器533A, 533B 的流速范围能力。Cs的额外流速迫使流速变换器533A, 533B通到开放回 路，导致组分控制的损失。
由于混合方案，适于流动腿部之一流入混合三通523中的控 制策略从流速控制变换到压力控制，例如泵515A的腿部。具有泵515B 的另一腿部以流速控制模式操作，具有前馈修正和所有前述的细节。实 际上，在流速控制下选择使用腿部是最小贡献于体积流动的一个处理方 式，其通常是有机泵515B。上述是当梯度或分析运行开始或停止时的流 动状态。在用混合方案的流速坡度中，在压缩性的前馈补偿的流速控制 下的有机泵515B保持基本在零流速以下的硬度，以防止流体晃过混合三 通523。同时，由于流入混合三通523中的两个泵的补偿性质，在压力控 制下液体泵515A供应所有必要的装栽流动，高达流速变换器533A的上 游，以及混合三通523下游的装载流动。混合方法的补偿压力和流动模 式防止流速控制的腿部的反馈控制器550B通到开放回路，同时压力控制 的腿部供应混合三通523下游的需要压缩系统的剩余部分沿体积流速坡 度行进的能量。由于将压力模式结合入控制方案，防止泵515B的流速控 制的腿部通到开放环路，并且能够保持器到系统体积流动的贡献，从而 保持修正的组分控制到系统中。在另一实施例中，混合方案可将图9中 所示的前馈#~正元件459， 463， 471， 473， 475， 477结合到图10的泵 515A的压力控制器腿部的输出指令信号，从而提供增强的防止误差和修 正。预先形成梯度的实施例
参照图ll，示出根据本发明技术的另一直接流动的毫微级比 例的HPLC仪器611。如所属领域内的技术人员意识到的那样，仪器611 利用类似于前述仪器的原理。因此，当必要时，用数字"6"代替前面的 数字"1"形成的附图标记用于指示相似元件。仪器611与上述仪器相比 的主要差异是利用存储毛细管622以保持预先形成的梯度。如所属领域 内的技术人员意识到的那样，在此所述的方法和系统可一起使用、单独
使用或以各种组合使用以获得所需的性能。类似于上述，HPLC仪器611 具有两个主要的组件，二元溶剂梯度输送子系统620和分析子系统604。 溶剂输送子系统620形成和体哦两个到分析子系统604的梯度，在其上 产生色谱。可以想象溶剂输送子系统620可适于一些可替换的分析设计， 以提供本发明技术的优势。简要概括，溶剂输送子系统620在一个步骤 中执行溶剂A和B的相对低压力的混合，以便形成梯度和随后在第二步 骤中将梯度的高压输送到分析子系统604。这些步骤是垂直的，原因在于 第一混合步骤是独立的，并且不影响第二输送步骤。由于应用两个泵 615A，615B,因此溶剂输送子系统620是二元的。每一泵615A, 615B产 生分别通过内嵌式压力变换器631A, 631B和流速变换器633A, 633B引导 的输出。控制器625控制泵615A，615B的操作，并且接收来自变换器 631A，631B， 633A， 633B的信号。
混合节点或三通623结合泵输出以形成希望的溶剂混合物， 其流动到存储毛细管622中以形成梯度。优选的，混合三通623是T-形 的接头，以及存储毛细管622具有一定的尺寸，以便将背压和消散最小 化。从存储毛细管622的下游，毫微级三通接头624形成两个出口。毫 微级三通接头624的一个出口连接到分析子系统604，同时另一出口连接 到安全阀626。安全阀626的操作也受到控制器625的控制，这样在存储 毛细管622中形成梯度的过程中，安全阀626打开以便将剩余的流体引 导到废物同时两个泵615A, 615B运行。在将梯度输送到分析子系统604 时，只有泵615A运行而另一泵615B "离线"。优选的，仪器611组件的 选择和设置将容积输送子系统620的出口从护理和三通623的出口移动 到毫微级三通接头624的出口。安全阀626优选是针阀。但是取代针阀， 还可4吏用球阀，闸门阀、球心阀、蝶形阀等。
分析子系统604包括诸如短毛细管的传输线628，其将溶剂 输送子系统620连接到样本注入器619。样本注入器619将存储在样本保 持器642中的一个或多个分析样本引入到梯度或流体流内。 一旦存在分 析物，将流体流引导到柱667以便分析。在柱667中，分析物离析、分 离并引导到探测器669.优选的，探测器669是任意类型的，诸如质谱分 光计、紫外线探测器等，其适用于特定的应用。基于探测器669的读数， 产生色谱。优选的，泵615A是独立的高压泵，其将两个移动相溶剂(例 如含水的)之一从供应容器(未示出)供应到混合三通623。类似于上述，
在液体泵615A出口处的溶剂流速由内嵌式压力变换器631A读取以《更提 供仪器操作压力的测量。在进入混合三通623之后，流速变换器633A提 供含水溶剂的直接毫微级级流速测量。这些信号中的每一被传送到控制 器625以便液体泵615A的闭环控制。这样，不管由于高压密封存在大的 寄生流速泄漏，液体泵615A的止回阀以及所属领域的那些技术人员众所 周知的类似问题，控制器625能够保持来自流速变换器633A的精确流速 输送上游。
类似的，泵615B是通到压力变换器631B和流速变换器633B 的另一独立高压泵。但是，相对比，泵615B将互补的移动相溶剂(例如， 有机溶剂)从供应容器(未示出)供应到混合三通623。由于压力变换器 631B和流速变换器633B的信号也喂入到控制器625，完整的闭环控制是 可能的。控制器625将用户设定的希望体积流速以及通过调节流入混合 三通623内的每一泵615A, 615B的输送流体流的两个溶剂的组分混合比 率建立到分析子系统604。在一个实施例中，来自流速变换器633A， 633B 的管路是毛细管限流器，其提供两个泵615A， 615B之间的被动流体去耦， 从而稳定经过混合三通623的两个流速控制环路的内在相互作用。在另 一实施例中，毛细管限流器在从流速变换器633A， 633B的上游提供。在 任一情况下或使用两者的情况下，避免来自两个泵615A， 615B的反馈不 稳、定性以及交叉流动和/或回流污染。梯度形成和输送
现在参照图12,以流程图示出用于操作溶剂输送子系统620 以便将梯度提供到分析子系统604的程序。在步骤Sl，在形成梯度之前， 控制器625通过打开安全阀626来读取溶剂输送子系统620，从而将存储 毛细管622中的旧的剩余流体(例如，100%的含水溶剂)引导到废物。 可以想象可以使用现在已知或后期会改进的任意合适的管路、导管或毫 微级流结构来执行存储毛细管622的功能。形成梯度以及存储毛细管622 基本通到大气完成三个功能1)背压的形成由存储毛细管622的几何 形状精确控制，而不依赖于柱或其它连接的耗材；2)存储毛细管622中 的流体清除到废物，以防止扰乱运行注入之间的柱667的平衡状态；以 及3)由于形成过程中的流动开始和停止而影响形成梯度的任意主要或伴 随的失常组分被引导远离仪器611的主要流体流，也就是远离其中的分 析子系统604和柱667。在步骤S2，通过在^f氐压(例如，100psi )和较 高流速(例如，常规色谱流速的二倍到二十倍)下操作泵615A，615B而 在存储毛细管622中形成梯度。优选的，存储毛细管以FIFO方式接收梯 度。 一旦梯度在存储毛细管622中形成，稍后会发生在高压和在常规的 色谱流速下将梯度输送到分析子系统604。存储毛细管622的几何形状具 有一定长度和内径尺寸，以最小化背压和梯度消散的形成。除了整个梯 度以外，存储毛细管622的体积容量优选足够大，以适用于将梯度从存 储毛细管622移动到柱667所必需的附加的总传送体积。
仍然参照图12，在步骤S3，采取有机泵615B离线，以准备 输送梯度。这样，有机泵不参与将梯度输送到分析子系统604。在一个优 选实施例中，由控制器625通过保持有机泵615B的闭环流动控制到参考 的流速设置为零而将有机泵615B采取离线，在另一实施例中，通过从混 合三通623和其附件的上游应用分离阀(未示出)而将有机泵615B采取 离线。
在步骤S4，控制器625关闭安全阀626,以便将形成的梯度 引导流动到分析子系统604。结果，在闭环流动控制操作下，液体泵615A 仅用作主要的推动者将存储毛细管622的梯度推动以便在步骤S5进行输送。多个柱的流速控制
—些应用需要在运行注入过程中，例如样本捕获和2-D色 谱的注入过程中需要为了泵的特定选择改变操作流速，流速在每个柱的 选择之间开始和停止。尽管泵615A， 615B的相对大的汽缸体积和到柱的 毫微级比例的流速输送，图11的溶剂输送子系统620非常适于在这种LC 系统中改变梯度。在一个实施例中，控制器625重新设置泵615A，615B， 其中安全阀626开放到废物，并且等待溶剂输送子系统620来获得稳定 状态的流速。虽然有效，但是由于需要存储能量的相对大体积的改变来 压缩流体流高达操作的背压，该操作在时间消耗上是不希望的。
例如，液体泵615A的压缩常数(也就是每压力变化的体积 变化)优选大约是O. 5nL/psi。对于特定毛细管柱(例如，75jLim ID x 250nm x 1.7ym微粒)在300 nL/min的流速下达到大约9， OOOpsi所 需的时间会是大约15分钟，如下面计算所示。」「-C 」户=0, 0005 pL/psi * 9， OOOpsi = 4. 5 pL7= J K々=4. 5 pL/ 0. 300 ML/min = 15min现在参照图13，示出一程序，当由溶剂输送子系统执行一系 列注入运行以便注入到具有多个柱的LC系统(未示出)时，避免慢的流 速启动。虽然没有单独示出，该溶剂输送子系统可真正由图11所示。这 样为了清楚，在图11再次使用对溶剂诉讼子系统620的参考。简单概括， 溶剂输送子系统620开始在压力控制下输送流体，以便快速将系统压力 压缩到从前一运行的前一稳定状态流动条件，然后变换到流速控制。
当柱重新建立平衡到适于下一运行的开始条件时，图13的 程序从注入运行末开始。在图13的步骤Sl，控制器625接收和存储由用 户选择的适于下一柱使用的流速。在步骤S2，控制器625从压力变换器 633存储系统压力测量值，如前一柱注入所需的那样。在步骤S3，停止 流动，并且形成新梯度，如参照图2的上述那样。为了开始流动输送， 控制器625控制液体泵615A在闭环压力控制下操作，将压力变换器633A 用作反馈。
在步骤S4，控制器625设定参考设定值(例如，目标压力) 到从前一运行存储的系统压力测量值。然后，运行液体泵615A，以获得 参考的设定值。 一旦系统压力达到参考的设定值，也就是，压回到稳定 状态压力，图13的程序进行到步骤S5。
在步骤S5，控制器625将液体泵615A变回到闭环流速控制， 将流速变换器633A用作反馈，并且将参考设定值设定到在步骤Sl接收 的用户设定的洗提速度。在达到所希望的洗提流速后，程序行进到步骤 S6，其中发生新的梯度输送。优选的，在闭环流速控制下操作的液体泵 615A仅用作主要的推动器来将梯度推出存储毛细管622以便输送。
在图11中示出的设计的进一步变型也落在本发明技术的范 围内。例如，在不受到限制的情况下，在图11中在注入器619之前示出 存储毛细管、毫微级三通接头624以及安全阀626。为了最小化梯度传输 延迟，这些元件622、 624和626可尽可能靠近注入器619而定位。结果， 可省去传输线或元件628，并且由存储毛细管622代替。将存储毛细管 622更靠近样本注入器619和柱667还代表将存储毛细管622与柱667 共同定位的机会，其通常放在热处理隔间内。存储毛细管622的这种放 置有利地将存储毛细管622从外界温度变化分离，增强了保留时间的再 生性。
对于另一例子而言，本发明技术可容易适用于WATERS
訓oACQUITY UPLCTM系统，从Waters Corporation of⑥Milford， Masschusetts得到，增加了存储毛细管和安全阀。在这些仪器中，操作 压力从10, 000到15, 000psi的压力速率或更大，同时，可操作的输送 流速能够在大约10nL/min。此外，WATERS nanoACQUITY UPL(T系统可 提供可变的流速/尖峰緩驻特征，以便增强如在下面更详细论述的灵敏 性以及前述的前馈补偿。捕获实施例
本发明技术还可有利地应用于在与非常限制性柱串联的短 捕获柱(也就是，高的捕获体积应用)的捕获应用。在上述情况下，流 动停止以长的时间间隔为特征，其中压力最终衰减到接近零。长的时间 间隔是由于捕获系统的非常大的有效时间常数，其由高容量的捕获柱(也 就是，压缩的存储能量)和大限制的分析柱(也就是，受限的流动)产 生。有效的时间常数可以是几十分钟。为了在捕获应用中克服该长的时 间常数，可利用当前溶剂输送子系统的原理。此外，为了有效形成梯度， 可将利用和配置典型的诸如阀的捕获组件最小化以延长其寿命。
现在参照图14，示出在捕获应用系统711中使用的溶剂输送 系统720。如由所属领域的那些技术人员意识到的那样，系统711利用如 图11所示的类似溶剂输送子系统720。因此，前面用数字"7"的参考数 字用于指示可能的类似元件。在系统711中，样本装载、样本捕获以及 梯度形成优选是连续的。
系统711包括连接到加热捕获模块704的样本管理器720。 样本管理器720包括连接到溶剂输送子系统720的注入或装栽阀7"以 及加热捕获模块750。注射器744和针746也连接到注入阀742。加热捕 获模块750具有与分析柱767串联的捕获柱752,捕获柱752连接到注入 阀742.在捕获柱752和分析柱767之间的三通接头756连接到捕获阀 758。
为了清楚起见，应该注意在图14中未示出压力变换器。压 力变换器作为泵715A, 715B的整体组件存在。但是，示出小的限流器770 立即连接到流速变换器733A的上游以及示出大的限流器771立即连接到 流速变换器733B的上游，而这种限流器优选存在，但是在此的其它实施 例中省略。限流器770， 771起到由于共同连接到混合三通723而导致的 泵715A，715B之间的潜在相互作用。实际上，限流器770， 771将经过混 合三通723的泵715A， 715B之间的回流最小化。由于泵715A起到主要推 动器的作用，并且移动最黏滞的液体(例如，水)，因此有关的限流器 770是相对较小的。在一优选实施例中，小的限流器770为大约0.025 厘米内径x 20厘米长，并且大的限流器771为大约0. 025厘米内径x 45 厘米长。在另一优选实施例中，小的限流器770为大约25微米内径x20 厘米长，并且大的限流器771为大约25微米内径x 150厘米长。虽然限 流器是不同的，限流器还可具有相同的值和尺寸。
为了装载样本，将针746以众所周知的方式放在样本中。注 射器744提供吸力以便将样本拖拉通过针746进入注入阀742，这样设定 以致流体从点3经过到达注入阀742的点4到达点1到达点2到达针746。 在完毕后，样本位于注入阀742的点4和点1之间的环路745。在该点上， 样本准备好被清除并且通过放置到捕获柱752上而浓缩。
在样本捕获过程中，不需要真正控制流速，但是希望高的流 速，以便将样本从环路745移动到捕获柱752。具体的，样本是毛细管比 例的，诸如大约4yL/min。在一个优选实施例中，溶剂输送系统720在 5分钟的阶段移动5-15卩L/min，从而将样本仅在1， OOOpsi下移动到 捕获柱752上。
为了样本捕获，加热捕获模块750的条件有利地从高压/低 流速变换到低压/高流速。为了完成上述，溶剂输送子系统720通过在 压力控制模式下快速减压加热捕获模块750而停止流动。控制器(未示 出)通过重新构造含水液体或驱动泵715A从流速控制到压力控制模式而 快速完成减压，将内部压力变换器用作反馈。然后，控制器设定参考压 力设定值到零，并且开始泵715A的操作。优选的，类似控制有机泵715B。 在另一实施例中，液体本715在样本捕获过程中单独运行。
仍然参照图14,当系统711运行泵715A，715B时，针阀726 关闭以将流体在点5处引导到注入阀742内。注入阀742设定从点5流 过流到点4到点1以便在点2处携带样本出去。然后流体经过具有捕获 阀758的加热捕获模块750,该阀758在点6开放到废物。结果，流体引 导通过捕获柱752，但是之后经过三通接头756经由捕获阀758的点1 到点6到废物。该流动的结果，样本流到捕获柱752上。
接着，系统711形成在洗提运行中使用的梯度。溶剂输送子 系统720按如上所述运行以形成梯度。具体的，针阀726开放到废物，
并且泵715A，715B运行直到梯度在存储毛细管722中。优选的，在系统 中压力的结果是在环境压力和300psi之间，但是流速高。
为了执行洗提运行，溶剂输送子系统720具有如上所述运行 的泵715A以输送梯度。梯度进入注入阀742的点5并且从点6出去进入 捕获柱752。由于捕获阀758有效关闭到废物的路径，流体流动通过三通 接头756和分析柱767到达质谱学系统(未示出)。虽然在洗提运行过 程中有机泵715B不输送流体，泵715B还压缩，同时设定成零流速。否 则，泵715A会迫使流体经过混合三通723导致污染。可替换的，在随后 的梯度形成之前可允许污染，泵715A, 715B可运行到废物以便清除。
现在参照图15,示出在捕获应用系统811中使用的另一溶剂 输送系统820。如由所属领域的那些技术人员意识到的那样，系统811 利用上述系统的类似原理。因此，前面用数字"8"的参考数字用于指示 可能的类似元件。系统811的一个主要差异是加入了辅助的溶剂管理器 (ASM) 860和改型的管道以适应ASM860。系统811允许样本装载、样本 捕获和梯度形成之间的更加并行。此外，可实现较少的流速干扰和单一 组分捕获操作。
ASM860具有连接到注入阀842的点5的附加泵862。胜于连 接到捕获柱852，注入阀842的点6连接到捕获阀858的点4。溶剂输送 子系统820的输出连接到捕获阀858的点2，这样捕获柱852可接受流自 如由控制器(未示出)选择的注入阀842或溶剂输送子系统820的流体。
可以想象样本装载和梯度形成可同时执行。通过将溶剂输送 子系统820的输出连接到捕获阀858，样本管理器440B被隔离，这样这些操作可同时发生。此外，样本捕获和梯度形成可并行发生。当如果梯 度由参照图14的上述那样形成时，泵862将流体推动进入在点5处的注 入阀842到达点4，通过环路845通过点1到达在点6的出口 。流动继续 到在点4处的捕获阀858到达在点3处的出口进入捕获柱852。在流出捕 获柱852之后，流体经由三通856移动到废物，并且再次在点1处进入 捕获阀858到达在点6处的出口。
在洗提运行过程中，系统811非常类似与上述操作，其中液 体泵815A是流体的主要推动者，同时有机泵815B压缩，但是设定为零 流速。结果，梯度从存储毛细管822移动到在点3处的捕获阀858到达 点2处的出口。由于到废物的路径关闭，流体从捕获阀858经过捕获柱
852进入分才斤柱867。
系统811的构造还有利地允许组件优化。例如，泵862典型 地在高流速下运行，也就是说20pL/min，而液体泵815A可在a p L/min 的分数下运行。胜于尝试使用单一的变换器来涵盖该流速范围，每一泵 815A, 862可具有特别适于相关范围进行调整的流速变换器。尖峰緩驻实施例
现在参照图16，示出一程序，其将溶剂输送子系统620的洗 提流速快速降低到例如图11的分析子系统604。为了清楚再次参照图11， 并且由于可使用相同的组件，以便有效完成该尖峰緩驻。可以想象也可 使用诸如图4中所示的一些其它流体色谱系统的结构来执行。在图11中， 只有输送泵具体为631A将"坡度，，到新的希望流速，原因是其是当梯度 被输送到分析柱676时响应于流体输送的唯一泵。在图4的情况下，将 使用两个变换器231AB, 233AB来控制按坡度变换过程。在图16的步骤 Sl，由探测器669探测到感兴趣的单一洗提峰值后，控制器625接收信 号以便"緩驻，，或降低体积流动到分析子系统604。在一个实施例中，分 析子系统604发送緩驻信号到控制器625。在步骤S2，控制器625存储 来自压力变换器631A， 631B的出口系统压力测量值。
在步骤S3，控制器625计算新的降低的目标压力，并且利用 压力变换器631A， 631B从闭环流动控制切换到闭环压力控制。优选的， 控制器625根据下述公式通过假设LC仪器611的线性"欧姆"流体负载 而计算新的降低的目标压力 R =输送压力除以输送流速其中R是限制负载。换言之，为了确定降低的压力，控制器6"通 过相同的比率确定需要的降低压力，如希望的流速降低。例如，认定系 统输送流体在9， OOOpsi的系统压力下为300nL/min。这将关联到30psi (nL/min)的系统负栽。如果目标流速是50 nL / min,那么适于该系统 的目标压力将是1500psi。
依赖于尖峰緩驻事件的延续，控制器625可变回在降低流速 设定下的流速控制模式，以便更精确和可再生的流速输送。以压力模式 操作赋予更快减压响应时间的优势，原因是流速变换器633A, 633B具有 与压力变换器631A， 631B相比的更为较少的信号带宽。结果，洗提流速 可降低高达五十倍或甚至更多。
在步骤S4，完成洗提峰值的探测，并且控制器625通过颠倒 步骤Sl - S3存储回流到常规洗提流速的流速，将存储的系统压力测量值 作为新的压力目标。经过传统高压混合方案的该方法的优势是当压缩能 量取出或返回流体流时消除与梯度破坏相关的问题，原因是梯度已经预 先形成，并且只用单一的流体驱动泵(也就是，液体泵615A)来影响流 速变化。将梯度存储装置与柱共定位的实施例
现在参照图17-19，通过降低梯度延迟时间可进一步改善 LC仪器的性能，也就是不管是否预先形成梯度，用于从存储毛细管或位 置到柱的输送梯度的时间。简单概括，梯度延迟时间可通过共同定位或 直接将梯度存储装置连接到柱而降低。此外，梯度消散还可通过共同定 位而降低，并且样本注入时间可通过利用较高梯度形成适于注入的流速 而降低。
参照图17，图17是示出通常由参考数字911指示的LC仪 器的示意框图，该仪器利用不具有排气阀的梯度存储装置。如由所属领 域的那些普通技术人员意识到的那样，LC仪器911利用类似于上述系统 的原理。因此，下述论述主要涉及不同之处。类似于上述系统，LC仪器 911包括注入阀942，其具有用于将梯度输送到MS探测器969的分析柱 967的环路945。注入阀942连接到二元泵920、注射器944以及样本容 器946。
LC仪器911的差异是梯度存储装置922设置在注入阀942 和分析柱967之间。梯度存储装置922允许在高的流速下装载梯度以及 在常规的流速下输送。当装载梯度时产生的背压可以比梯度运行时产生 的梯度高很多倍。例如，对于25微米内径10厘米长度的分析柱967，装 填3. 5微米的微粒，在大约8， OOOpsi下在250nL/min下形成样本装载 和预先形成梯度，其中分析柱967在线以便降低样本装载时间。然而， 梯度输送发生在大约800psi下在25nL/min下以便于极高的灵敏度分 析。由于梯度在高的流速下装载，可同时注入样本以有效降低运行时间 (例如，运行时间的样本装载时间部分)。
梯度存储装置922可直接连接到分析柱967。通过将梯度存 储装置922紧密邻近分析柱967定位，最小化在输送梯度中的延迟，并 且降低梯度的消散。梯度存储装置922可以简化成具有或不具有任何填
充基质的空毛细管部分。梯度存储装置922的内径可类似于分析柱967 的内径，但是梯度存储装置922的体积优选等于或稍大于梯度体积。在 另一实施例中，梯度存储装置922与分析柱967是整体的。
为了进一步缩短梯度装栽时间，使得总的梯度延迟体积(也 就是，注入环路体积和梯度存储装置体积)等于或稍大于梯度体积。考 虑到上述优势，可以想象到本发明具有宽范围的应用。例如，其可有利 地应用在高生产量的分离中，诸如离线2D系统的第二尺寸分离或极其灵 敏的分析中，利用较狭窄的毫微级柱(例如，25微米内径)来形成在大 约300nL/min下的梯度并在大约30nL/min下输送梯度。
参照图18，图18是示出通常由参考数字911A指示的另一 LC仪器的示意框图，该仪器利用具有排气阀的梯度存储装置。为了表示 LC仪器911A具有与仪器911的一些相同组件，用后缀"A"表示可能的 类似元件。LC仪器911A类似于上述，但是包括在梯度存储装置922A和 分析柱967A之间的捕获阀952A和排气阀941A。通过利用通风阀941A, LC仪器911A适于与捕获柱952A—起使用。如果希望的话，增加排气阀 941A允许在低于运行压力的装载压力下操作LC仪器911A。
现在参照图19，仍然示出另一LC仪器911B，其具有另一种 配置，以允许LC仪器911B在相对低的装载压力下操作。为了表示LC仪 器911B具有与仪器911、 911A的一些相同组件，用后缀"B"表示可能 的类似元件。LC仪器911B包括在捕获柱952B和分析柱967B之间的T-连接923。 T-连接923延伸到920B,其可最终产生到如图所示和如上所 述的流动路径。实际上，T-连接923执行与图18的排气阀941A相同的 功能。LC仪器911B还具有等强度泵962以及类似于参照图15所示和所 述的捕获阀958。如可从这些共同定位的例子看出，还可想象在用非常高 的流速装载梯度同时注入样本，以降低样本装载时间。
如所属领域的那些技术人员可意识到的那样，本发明技术不 仅可用于各种应用中的溶剂输送子系统，具有适于低流速、高压应用的 明显优势，而且可有利地用于很多应用中。例如，本发明技术非常适用 于没有捕获柱的系统。在一个替换的实施例中，几个元件的功能可通过 较少的元件或单一元件执行。类似的，在一些实施例中，任意功能性元 件可执行比相对所示实施例的那些描述更少或不同的操作。此外，如明 显示出用于示例目的的功能性元件(例如，压力和流速变换器等)可结
合在其它功能性元件中，分离在不同的硬件中或以各种方式消散以便以 便执行特定的功能。此外，相对的尺寸和位置仅仅是一些示意性的，并 且可以理解成不仅可以相同，而且一些其它实施例可具有不同的描述。
虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是对于 本领域的技术人员将容易意识到在不脱离本发明的精神或范围的情况下 可对本发明进行各种改变和/或变型。作为参考结合
在本申请全文中引用的所有参考的内容(包括参考文献、申 请的专利、公开的专利申请以及共同申请悬而未决的专利申请)将其全 文明确结合于此作为参考。等同物
本领域的那些技术人员将认识到或能够确定在利用不超过 常规试验的基础上就可得到描述于此的本发明的特定实施例的一些等同 物。上述等同物意旨由下述权利要求进行涵盖。
权利要求
1. 用于在液相色谱系统中形成梯度的方法，该系统具有用于填充存储毛细管的泵，该方法包括下述步骤将存储毛细管通到大气；以及以相对低压和较高流速下运行泵以填充存储毛细管，直到其中形成梯度。
2. 如权利要求l所述的方法，其中相对低压是大约100psi,以及相 对较高的流速是常规色谱流速的大约十五倍。
3. 如权利要求l所述的方法，其中存储毛细管的几何形状具有长度 和内径，以获得适于梯度的体积容量和最小化背压和梯度消散的形成。
4. 如权利要求3所述的方法，其中存储毛细管的体积容量具有一定 的尺寸，以提供将梯度移动到分离柱所必需的梯度和总传送体积。
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述泵包括液体泵和有机泵，每 一所述液体泵和有机泵具有连接到位于上述泵和存储毛细管之间的混合 节点的输出。
6. 如权利要求5所述的方法，进一步包括下述步骤 将有机泵离线；从大气关闭存储毛细管；以及 运行液体泵以将梯度输送到分离泵。
7. 如权利要求6所述的方法，其中所述关闭由从存储毛细管上游连 接的阀完成。
8. 如权利要求5所述的方法，进一步包括在梯度形成之前运行泵到 废物的步骤，以防止经过混合节点的交叉污染。
9. 如权利要求5所述的方法，进一步包括运行有机泵设定成零流速 的步骤，以防止经过混合节点的交叉污染。
10. 如权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤 打开阀并且运行至少一个所述泵，以便清除存储毛细管，准备形成另一梯度。
11. 用于将梯度提供到毫微级流毛细管液相色谱装置的系统，该系统 包括产生第一输出的液体泵；产生第二输出的有机泵，第二输出与第一输出混合以产生溶液；用于控制上述泵的处理装置； 存储毛细管，用于从一部分溶液形成梯度；连接到存储毛细管的接头，其中该接头形成连接到毫微级流毛细管 液相色谱装置的第一出口和第二出口；以及阀，其连接到第二出口并且受处理装置的控制，这样在存储毛细管 中形成梯度的过程中，阀打开将剩余的流体引导到废物，同时液体泵和 有机泵形成梯度。
12. 如权利要求11所述的系统，其中在将梯度输送到毫微级流毛细 管液相色谱装置的过程中，阀关闭同时液体泵运行并且有机泵离线。
13. 如权利要求11所述的系统，其中还包括 用于接收第一输出的第一内嵌式压力变换器和第一流速变换器；以及用于接收第二输出的笫二内嵌式压力变换器和第二流速变换器； 其中每一变换器与处理装置关联，以提供闭环反馈控制。
14. 如权利要求11所述的系统，其中存储毛细管具有一定的尺寸， 以最小化背压和消散，以便保护形成梯度的完整性。
15. 如权利要求ll所述的系统，进一步包括流体结合接头，以便将 第一和第二输出混合到一个流体流中。
16. 如权利要求ll所述的系统，其中毫微级流毛细管液相色谱装置 包括分离柱，用于接收梯度和将梯度引导到分离柱的注入器，以及用于 罩住分离柱和注入器的热处理隔间，其中存储毛细管、接头和阀共同位 于热处理隔间内。
17. 如权利要求ll所述的系统，进一步包括将接头连接到毫微级流 毛细管液相色谱装置的样本注入器的运输线。
18. 如权利要求17所述的系统，其中运输线是毛细管。
19. 适于液相色谱(LC)装置的溶剂输送子系统，其包括 产生第一输出的第一泵；连接以便接收第一输出从而监测其参数的第一变换器； 产生第二输出的第二泵；连接以便接收第二输出从而监测其参数的第二变换器；用于将第一和第二输出结合的混合节点；以及 每一泵和混合节点之间的管路，以提供限制，从而产生第一泵和第二泵之间的被动流体去耦，进而稳定经过混合节点的交互作用。
20. 如权利要求19所述的溶剂输送子系统，其中所述管路是毛细管 限流器以便降低体积。
21. 如权利要求19所述的溶剂输送子系统，其中所述管路从第一和 第二变换器的上游提供。
22. 如权利要求19所述的溶剂输送子系统，其中第一和第二变换器 是流速变换器。
23. 如权利要求19所述的溶剂输送子系统，进一步包括处理装置， 以便通过利用来自第一和笫二变换器的反馈信号来控制第一和第二泵。
24. 如权利要求23所述的溶剂输送子系统，还包括 用于从混合节点的输出形成梯度的存储毛细管；以及 连接到存储毛细管的接头，其中接头形成连接到LC装置和第二出口的接头；以及连接到第二出口的阀受处理装置的控制，这样在存储毛细管中形成 梯度的过程中，所述阀打开以便将剩余流体引导到废物，同时泵运行。
25. 用于将梯度输送到液相色谱装置的系统，其具有将样本引入到分 离柱内的注入器，该系统包括第一腿部，其具有产生引导通过第一内嵌式压力变换器和第一流速 变换器的液体输出的液体泵；第二腿部，其具有产生引导通过第二内嵌式压力变换器和第二流速变换器的有机物输出的有机泵；以及用于控制每一腿部流体流的处理装置，处理装置包括 闭环反馈模式，以便基于从来自至少一个变换器的测量信号得到的误差产生校正的控制信号，以便克服至少一个变换器的上游寄生损失；以及开环前馈模式，以便基于系统存储能量的参数产生预期的控制信号， 其中预期的控制信号基于液体输出和有机输出之间的压缩比例来计算压 缩^危速；以及其中处理装置可选择性地以不同模式操作每一腿部。
26. 如权利要求25所述的系统，进一步包括 用于混合笫一输出和第二输出以产生第三输出的第一接头； 用于形成梯度的存储毛细管，其中梯度包括第三输出的一部分以及存储毛细管具有一定的尺寸以将背压和消散最小化；连接到存储毛细管的第二接头，其中笫二接头形成第一出口和第二 出口，第一出口连接到毫微级流毛细管液相色谱装置；以及连接到第二出口的阀。
27. 如权利要求26所述的系统，其中该阀受处理装置的控制，这样 在存储毛细管中形成梯度之后，阀打开以便将剩余流体引导到废物，同时液体泵和有机泵运行；以及在将梯度输送到毫微级流毛细管液相色谱装置的过程中，只有液体 泵运行，而有机泵离线。
28. 用于改变在液相色谱装置中输送梯度的操作流速的系统，该系统 包括a) 产生通过压力变换器和流速变换器的输出的泵；b) 用于从一部分输出形成梯度的存储毛细管；以及c) 用于控制上述泵并从变换器接收信号的处理装置，其中处理装置 基于泵头中的体积量和输出的压缩性来提供修正的前馈信号。
29. 如权利要求28所述的系统，其中处理装置包括i)存储指令组的存储器；以及n)用于运行指令组的处理器，处理器与存储器连通，其中处理器可 操作以便(1) 当毫微级流毛细管色谱装置的第二柱重新建立平衡时，存储在 注入末的来自压力变换器的系统压力测量值；(2) 停止到毫微级流毛细管色谱装置的流动；(3) 形成特别适于笫一柱的新梯度；(4) 设定等于系统压力测量值的目标压力；(5) 接收由用户选择的适于第一柱的流速；(6) 在具有来自压力变换器的反馈的闭环压力控制下使用泵，以便 将系统压力提供到第一目标压力；(7) 在达到第一目标压力之后，将泵变换到闭环流速控制，其中流 速变换器作为反馈，并且流速作为目标流速；以及(8 )通过运行泵来重新开始输送新梯度。
30. 如权利要求29所述的系统，进一步包括第二泵，其产生引导通过笫二压力变换器和第二流速变换器的输出； 以及连接到存储毛细管以便将泵的输出结合的混合节点。
31. 如权利要求29所述的系统，进一步包括 连接到存储毛细管的阀，其中该阀通到存储毛细管。
32. 如权利要求29所述的系统，其中处理器控制阀，这样该岡将存 储毛细管通到低于系统操作压力的压力。
33. 适于色谱装置的溶剂输送系统，其具有与限制柱串联的短捕获柱， 溶剂输送系统包括a) 产生第一输出的第一泵；b) 连接以便接收第一输出的压力变换器和流速变换器；c) 产生第二输出的第二泵，第二输出与第一输出混合以产生溶剂混 合物；d) 第二压力变换器和第二流速变换器连接以便接收第二输出，从而 监测其参数；e) 将第一输出和第二输出结合的混合节点；f) 用闭环反馈操作泵的控制器，其中控制器被编程，从而i) 以压力控制模式使用适于闭环反馈的压力变换器；ii) 以流速控制模式使用适于闭环反馈的流速变换器；iii) 以流速控制模式使用两个泵以形成梯度；iv) 仅使用第一泵来输送梯度；v) 通过利用压力控制模式快速减压与限制柱串联的短捕获柱而停止 流动；vi) 将参考压力设定值设定为零；以及vii) 开始操作第一泵以克服与限制柱串联的短捕获柱的长的时间常数。
34. 如权利要求33所述的溶剂输送系统，其中当输送梯度时第一泵 处于流速控制模式。
35. 如权利要求33所述的溶剂输送系统，进一步包括用于接收梯度 的存储毛细管。
36. 如权利要求33所述的溶剂输送系统，进一步包括每一泵和混合 节点之间的管路，以提供第一泵和第二泵之间的被动流体去耦，从而稳 定经过混合节点的交互作用。
37. 如权利要求33所述的溶剂输送系统，进一步包括辅助样本处理 器，其连接到短的捕获柱以便在形成梯度过程中执行样本捕获。
38. 如权利要求33所述的溶剂输送系统，进一步包括连接到注入阀 以便执行样本装载的针。
39. 为了在液相色谱系统中尖峰緩驻的方法，包括下述步骤 从混合物预先形成梯度；通过利用适于闭环反馈的流速变换器控制流速； 通过利用压力变换器监测输送压力；基于输送压力和一个信号计算目标压力，以便降低基于感兴趣洗提 峰值的流速；以及通过将压力变换器用作闭环反馈以及目标压力作为设定值来切换到 控制流速。
40. 如权利要求39所述的方法，进一步包括步骤 存储输送压力；以及通过利用存储的输送压力来恢复控制输送流速。
41. 如权利要求39所述的方法，其中计算目标压力基于限制性负栽R。
42. 毫微级流动毛细管液相色谱系统，包括a) 具有分离柱以便产生色谱的分析子系统；以及b) 用于形成梯度并将梯度输送到分析子系统的容积输送系统，其中 溶剂输送系统包括产生第一输出的液体泵；产生第二输出的有机泵，第二输出与第一输出混合以产生溶液；用于控制上述泵的处理装置；存储毛细管，用于从一部分溶液形成梯度；连接到存储毛细管的接头，其中该接头形成第一出口和第二出口， 第一出口连接到毫微级流毛细管液相色谱装置；以及阀，其连接到第二出口并且受处理装置的控制，这样在存储毛细管 中形成梯度的过程中，阀打开将剩余的流体引导到废物，同时液体泵和 有机泵运行。
43. 如权利要求42所述的毫微级流动毛细管液相色谱系统，其中在 将梯度输送到毫微级流毛细管液相色谱装置的过程中，阀关闭同时液体 泵运行并且有机泵离线。
44. 如权利要求43所述的毫微级流动毛细管液相色谱系统，进一步 包括用于接收第一输出的第一内嵌式压力变换器和第一流速变换器；以及用于接收第二输出的第二内嵌式压力变换器和第二流速变换器； 其中每一变换器与处理装置连通。
45. 用于保持流体流完整性的装置，流体流在包括至少一操作压力和 一低压的压力和流速范围下在管路装置中进行传送，所述管路装置与泵 装置处于流体连通，以便在压力下推动流体，并且所述管路装置与阀装 置处于流体连通，所述阀装置具有至少一第一位置和一第二位置，在所 述第一位置中，所述流体在所述管路装置中流动，并且在所述第二位置 中，流体不在所述管路装置中流动，所述装置包括与所述阀装置处于信号连通以及与线性阀处于信号连通的控制装 置；以及用于控制至少一个参数的线性阀，上述参数选自于由在所述管路装 置中的压力和流速构成的组，并且所述线性阀(i)响应于所述阀装置在所述第二位置中的放置或预期放置，同 时所述管路装置处于所述一个或多个操作压力下，所述控制装置要求所 述线性阀以第一坡度减少在所述管路装置中所选的参数直到获得所述低 压；(ii) 响应于采取所述第一位置的所述阀装置或响应于预期采取所 述第一位置的所述阀装置，同时所述管路装置处于所述低压下，以便增 加在所述管路装置中所选的参数直到所述一个或多个操作压力保持在第 二坡度；或(iii) 第(i)和第(ii)，这样保持流体的完整性。
46. 如权利要求45所述的装置，其中所述线性阀是线性阀，所述线 性阀具有打开的范围，并且能够减少和增加在所述管路装置中的所选参 数。
47. 如权利要求45所述的装置，其中所述线性阀27包括泵控制装置， 所述泵控制装置用于命令所述泵装置按所述第一坡度和笫二坡度至少之 一中的所选参数将所述至少一种流体放入管路装置中。
48. 如权利要求45所述的装置，其中所述阀装置是具有笫一位置和 第二位置的样本注入装置，在所述第一位置中所述样本注入装置接收在 包括大气压到所述低压的压力范围下的流体样本，以及在所述第二位置 中，所述样本注入装置与所述管路装置处于流体连通，以便将所述流体 样本放入所述管路装置中。
49. 如权利要求48所述的装置，进一步包括所述样本注入装置，所 述样本注入装置与压力源处于流体控制关系，以便将压力放入所述样本 装置，所述压力源与控制装置处于信号连通，所述控制装置要求所述压 力源在大气压或初始压力下放置所述样本注入器以便接收所述样本，并 且在接收所述样本之后，将压力增加到相应于所述管路装置中压力的所 述低压。
50. 如权利要求45所述的装置，其中进一步包括与所述控制装置处 于信号连通以及与所述泵装置、管路装置和阀装置的至少之一处于流体 连通的至少一压力传感器。
51. 如权利要求45所述的装置，进一步包括泵装置，所述泵装置包 括至少一适于第一溶剂的第一泵以及适于第二溶剂的第二泵，并且所述 管路装置包括与所述第一泵处于流体连通的至少一第一分支以及与所述 第二泵处于流体连通的第二分支，所述第一分支和第二分支在三通接头 处处于流体连通，其中所述第 一溶剂和笫二溶剂形成包括所述流体的混 合物。
52. 如权利要求51所述的装置，其中选自于所述第一泵和第二泵的 至少一个泵按坡度变换到压力，并且至少一个泵受控以便跟踪按坡度变 换到压力的泵流速。
53. 如权利要求52所述的装置，其中受控以便跟踪按坡度变换到压 力的泵流速的所述泵还补偿被泵送的所述溶剂的压缩或未压缩的体积。
54. 如权利要求51所述的装置，其中所述按坡度变换到压力的所述 泵适于含水溶剂。
55. 如权利要求51所述的装置，其中所述按坡度变换到流速的所述泵适于有机溶剂。
56. 如权利要求45所述的装置，其中进一步包括与所述控制装置处 于信号连通以及与所述泵装置、管路装置和阀装置的至少之一处于流体 连通的至少一流速传感器。
57. 如权利要求45所述的装置，其中至少一个坡度具有不大于大约 每秒IO， OOO磅每平方英寸(psi)的压力的斜率。
58. 如权利要求45所述的装置，其中所述至少一个坡度具有从每秒 IO到I， 000 psi的范围内的斜率。
59. 如权利要求45所述的装置，其中所述至少一个坡度具有从每秒 100到500 psi的范围内的斜率。
60. 用于保持流体流完整性的方法，流体流在包括至少一操作压力和 一低压的压力和流速范围下在管路装置中进行传送，所述管路装置与泵 装置处于流体连通，以便在压力下推动流体，并且所述管路装置与阀装 置处于流体连通，所述阀装置具有至少一第一位置和一第二位置，在所 述第一位置中，所述流体在所述管路装置中流动，并且在所述第二位置 中，流体不在所述管路装置中流动，所述方法包括步骤控制至少一个参数的线性阀，上述参数选自于由在所述管路装置中 的压力和流速构成的组，并且所述线性阀(i) 响应于所述阀装置在所述第二位置中的放置或预期放置，同时 所述管路装置处于所述一个或多个操作压力下，所述控制装置要求所述 线性阀以第一坡度减少在所述管路装置中所选的参数直到获得所述低压；(ii) 响应于采取所述第一位置的所述阀装置或响应于预期采取所 述第一位置的所述阀装置，同时所述管路装置处于所述低压下，以便增 加在所述管路装置中所选的参数直到所述一个或多个操作压力保持在第 二坡度；或(iii) 第(i)和第(ii )，这样保持流体的完整性。
61. —种LC仪，其包括 用于产生梯度的注入阀；与注入阀处于流体连通的分析柱； 连接到注入阀以便迫使梯度朝向分析柱流动的泵；以及 在注入阀和分析柱之间的用于存储梯度的装置。
62. 如权利要求61所述的LC仪器，其中梯度存储装置是毛细管的一 部分。
63. 如权利要求62所述的LC仪器，其中所述的毛细管部分包括填充 基质。
64. 如权利要求61所述的LC仪器，其中在注入样本的同时使用非常 高的流速装载梯度，以便降低样本装载时间。
65. 如权利要求61所述的LC仪器，还包括在梯度存储装置和分析柱 之间连接的排气阀。
66. —种LC仪器，其包括第一腿部，其具有泵和用于监测来自泵的压力和流速输出的变换器； 第二腿部，其具有泵和用于监测来自泵的压力和流速输出的变换器；控制器，用于基于来自变换器的信号提供指令到每一泵；以及 用于混合来自第一和笫二腿部的输出的节点，其中控制器可基于第一和第二腿部的能力来将前馈信号提供到第一和第二泵，以存储能量和 第一和第二腿部中的流体压缩性，从而保持经过节点的组分控制。
67. 如权利要求66所述的LC仪器，其中在按坡度变换高达操作压力 的过程中，控制器以压力模式利用仅仅基于关于相应泵参数的前馈信号 操作第一腿部；以及控制器以前馈模式利用基于关于相应泵、压力变换器、流速变换器 和负载的参数的前馈信号操作第 一腿部。
68. 如权利要求66所述的LC仪器，其中负载基本是捕获柱和注入阀 样本环路的体积。
全文摘要
适于色谱装置的溶剂输送子系统执行相对低压力、高流速的溶剂混合，以形成梯度和随后高压、低流速输送梯度到分离柱。梯度的混合是独立的，并且不受梯度输送的干扰。为了形成梯度，液体泵和有机泵的输出混合以填充存储毛细管，同时从存储毛细管的下游位置通到大气。在形成梯度后，关闭通到大气，溶剂输送系统产生高压，并且只有液体泵运行以便梯度输送。为了保持流体流的完整性，溶剂输送系统使用前馈补偿并且控制选自于由管路装置中压力和流速的至少一个参数，以按缓坡进行变换。
文档编号B01D15/08GK101400418SQ200780009166
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月17日
发明者H·刘, J·W·芬奇, K·法根, S·J·恰瓦里尼, S·P·彭萨克 申请人:沃特世投资有限公司