专利名称：用在线毛细电泳装置从一生产线上分析样品的方法和毛细电泳装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用毛细电泳装置从生产线上提取样品并在线分析的方法和装置。
电泳是一种电化学方法，通过它，电解溶液中带电荷的颗粒以及通过某些特别方法还有无电荷的颗粒，可被分离颗粒的尺寸可从最小的原子和分子到胶体的颗粒。根据它们的电荷以及其它性质，颗粒以不同的速度在电场中运行。
在毛细电泳中，背景溶液在一细管、毛细管中运行，液体的粘性力防止对流。毛细管的内径通常在0.02至1毫米之间。因此电泳是在一自由溶液中进行的，从而消除了由载体导致的干涉。还能够从毛细管中去除任何由电流产生的热能，因此可以使用一强电场，它是加速分离的一个因素。另外，毛细电泳很容易自动化。
在毛细电泳中，两个容放背景电解液的容器由一容放有相同溶液的毛细管联接。每个容器装有一电极。将被分析的样品作为一短区域放置在毛细管上游端。总之，对于样品的输入，毛细管的端部被从背景溶液容器传送到样品容器并返回。该操作在背景溶液中毛细管端部和样品区域中导致干涉和变形，并降低了该方法的精度。还必须在毛细管从一个容器传送到另一容器过程中切断电流，这会导致运行条件的改变。如果在运行过程中改变背景溶液，则会导致相同的不利。
发生在电极上的反应还改变了背景溶液容器中的成分，这些改变会进入毛细管中，导致测试系列的参数变形。
一些研究者已经提出了可部分消除上述缺点的装置选择。“冶金化学”第123期(1974)第1-67页中指出，早在1960年代，ActaPolytechnica Scandinavica的Virtanen就已使用了一种在电流存在的情况下注入样品的注入方法。Verheggen等在“色层谱”第452期(1988)第615-622页以及Zare等在美国专利5141621中，同样提出了一种在不切断电源的情况下将样品注入毛细电泳装置中的方法。但这些方法并没有提供用于开发由于各种电泳应用的理论上的一致性而提供的多种可能性的手段。
芬兰专利FI 103438公开了一种毛细电泳装置，其中某种电泳应用的完成需要选择某些初始和限定的条件。在毛细电泳系统中对限定条件的控制意味着必须对在毛细管端部附近的背景溶液的成分进行控制。根据该专利，这是通过将新鲜溶液连续泵送经过分离毛细管端部而完成的。因而还防止了在电极反应中形成的反应产品进入毛细管中。为了避免背景溶液的高消耗，溶液管的体积必须尽量小。本发明装置的结构基于该原理。在根据该专利的装置中，可以没有限制地选择测试条件，而它们可以在运行过程中自由地改变。但这种设置的缺点是，它不能直接联接到生产线上，样品的输送必须作为一单独的功能实现。
本发明的目的在于提供一种新的用于将样品输入毛细电泳装置中的方法和装置，从而可以消除上述缺点，而毛细电泳的全部各种应用可以用相同的装置很容易地完成。为了实现该目的，本发明的特征在于权利要求1和9的特征部分的特征。
因此本发明的方法和装置适于各种工艺的在线监测。可以提到的应用领域包括食品工业、森林和造纸工业、水净化厂、以及监测环境状况的各种过程。还可以将该方法用于护理和保健。很清楚，本发明的装置还可用于与生产线分离的实验室。
本发明的一个特别的优点是所完成分析的速度和高可靠性。当被储存或运输时，例如被氧化、减少、水解、沉淀、络合、聚集或甚至完全分解时，离子或化合物通常不以它们所期望的形式存在。当使用在线方法和装置时，不会发生这种问题，因而结果更可靠，并提供了一种生产线真实状态的更精确的图像。
另外，本发明的方法和装置易于使用且经济，因为它们仅需要少量的样品和各种其它溶液。本领域技术人员还很清楚，能够通过计算机对装置进行控制，在这种情况下它可用作例如一连续工作的生产线分析器，因为能够例如以20秒的输送频率顺序输入样品。另外，本发明的装置可制成非常小，例如制作在微型电路上，在这种情况下它还可用于场条件下，例如用于水样的分析。
本发明的方法和装置具有下列其它优点可在被分析物的分离过程中改变毛细电泳技术(等离子聚焦，胶束的电化学色谱，区域电泳)；溶剂可容易地和快速地改变；毛细管也可部分填充固相材料；能够在分析物的分离过程中将场倒置；可将几个分离毛细管一起联接到装置上，在这种情况下可同时将样品导向几个分离毛细管。
下面参照附图对本发明进行更详细的描述，其中
图1显示了根据本发明一实施例的毛细电泳装置的细节；图2显示了根据本发明另一实施例的毛细电泳装置的细节；图3a和3b显示了根据本发明一实施例的用于聚焦检测用的毛细管的方法；图4显示了根据本发明第一实施例的装置；图5显示了根据本发明第二实施例的装置；图6显示了根据本发明第三实施例的装置。
优选实施例的详细描述图1和2中示出根据本发明某些实施例的毛细电泳装置的细节。分离毛细管1的端部放置在从用于输入溶液并用作毛细管的窄管2和3的底端伸出的膨胀部5和6中。膨胀部的直径优选地是约1-10毫米。这些膨胀部5和6伸出一通向废品容器的废品管W1和W2。毛细管2和3的内径优选地是0.02-1.0毫米，更优选地是0.1-0.5毫米。用作背景溶液的电解溶液从容器(图中未示出)借助于这些毛细管2和3缓慢经过分离毛细管1的两端流向位于废品管W1和W2中并与一电压源联接的供电电极E，最后通过废品管W1和W2离开系统到达废品容器7和8(图2)。废品容器距分离毛细管1一定距离定位，电极E最好位于废品管W1和W2的下游端，从而防止形成于电极上的电解产品例如由于长而占用空间的废品管而到达分离毛细管。流动速率以这样一种方式调节，使得分离毛细管1中的所需条件得到保持，并防止电极上电解产品到达分离毛细管。
分离毛细管1的输送端9设置在一高度H1，该高度H1是从膨胀部5的底部到基本上平行于分离毛细管1的膨胀部5壁与基本上向分离毛细管1发散的膨胀部5壁的接合处之间的距离。用于其部件的分离毛细管1的出口端10位于高度H2，该高度H2在图1中是毛细管1输送端9的位置高度H1的约20％，在图2中为约70％。
膨胀部5的上部可以是任何需要的形状，如球形对称，锥形对称或喇叭形对称。
从溶液容器流出的输送溶液可借助于泵独立地更换，各种输送溶液的流动速率可独立控制。在电泳运动完成后，可将位于任一容器中的清洗和平衡溶液泵送通过该毛细系统。还可在废品管W2中安装一泵，在这种情况下它根据真空原理工作。在这种情况下，在附图中，还可以使用阀来代替泵，真空是通过真空泵产生的。泵和阀的数量是可选择的，可根据用途选择。如果不需要流动速率的高精度，泵也可用阀整体替换，可通过重力或通过溶液容器中的真空或过压产生流动。图4-6中更详细地示出关于各种溶液的输入的本发明方法的各实施例。
基本上在分离毛细管1的出口端附近设有一检测器4，通过它检测分散在毛细管中的颗粒。检测例如可以在样品吸收的基础上完成。整个装置的操作可通过一微处理器控制。
还可在废品管W2中安装一泵，在这种情况下它根据真空原理工作。在这种情况下，可使用阀来代替输送泵，真空是通过废品管中的真空泵产生的。泵和阀的数量是可选择的，可根据用途选择。如果不需要流动速率的高精度，泵也可用阀整体替换，可通过重力或通过溶液容器中的真空或过压产生流动。
通过使用适当的泵和阀，可在毛细管中以一预先计算的流动速率完成封闭的或开放的毛细电泳。运用本发明的装置，还能够在运动过程中从分离毛细管的一端形成多种化学梯度和脉冲。
如果在电场存在时样品溶液通过泵送输送，则可控量的样品运行到分离毛细管1中。将注入的样品量通过控制泵送时间，电场以及电渗透流动速率而确定。
电渗透流可通过关闭检测器4一侧的管系统而完全防止。因而能够通过泵送注入样品，或者通过电场动电注入而选择一种纯流体动力输入。通过各种参数，注入类型、电场和流体动力流的变化，根据本发明的装置能够很容易地产生几种不同的注入方法。
图3a和3b示出用于根据本发明将毛细管聚焦而检测的方法。图3b示出图3a中的B-B剖面。附图示出一分离毛细管1，该分离毛细管1固定到相互连接在一起的标准块11和12上。分离毛细管1通过一聚集块25而聚集在检测区域23上。聚集块25由一弹簧26导向。通过该聚集块25，可将检测中使用的一束光或类似物以一标准化方式聚集到分离毛细管1上。
图4中示出根据本发明第一实施例的装置。该装置具有一毛细电泳单元13，在其输送侧作为样品输送系统联接有一选择阀14。运行中，一由一些适当材料，最好是绝缘材料制造的样品环15联接到该选择阀上。来自该生产线的一样品通过一管16输送到该选择阀14中，在该管与生产线之间最好有一个或多个串联的样品控制器。能够在样品被输送到样品收集器之前对样品进行预处理，或在之后例如对其进行过滤或稀释。
样品收集器可例如由钢，聚醚酮(PEEK)，硅或一些不活跃材料制造。至于运输溶液的结构，可以是管或在材料中加工的凹槽。所使用的材料例如可以是玻璃、硅。各种聚合物，或金属。
还分别通过管17、18和19向选择阀14供给电解质和各种溶液，如清洗和平衡溶液。这些管与各溶液容器相通。可用泵20输入电解质和溶液，另外，还能够将一废品管21联接到该选择阀14上。因而有喷射泵或真空泵用于输送所有的液体，这些泵满足了由流动速率变化和压力变化而设定的要求。
因此能够通过该选择阀而借助于样品环15输入恒定量的样品或某些其它溶液。通过该选择阀还能够不使用样品环而将溶液直接输入毛细电泳中。因此该样品环的优点在于，通过它能够输入恒定量的样品，而不考虑样品的粘度。通过该样品环，还在样品收集阶段获得了在毛细电泳中需要的与地面势能的隔离，以及样品与毛细电泳单元13的隔离。很清楚，连续的通流也是可能的。
另外，在毛细电泳单元13的出口侧联接有一带有一个泵22的液体处理系统，以及用于借助于管17、18和19输入电解质和各种液体的联接件。
在所述的第一实施例中，能够在分离毛细管的两端使用相同的压力，或者小的压差，在这种情况下，能够对样品进入毛细管中的样品的通过进行控制。样品输送系统和流体处理系统的流动速率、溶液的量和压力可一起或单独控制。
图5中示出根据本发明第二实施例的装置。该实施例具有七个位于选择阀与用于电解质和用于溶液的输送系统之间的平行的样品环15。至于样品，从选择阀14直接输入毛细电泳单元13中。在另一方面，装置与图4中所示的装置相似。
用根据本发明第二实施例的装置，能够借助于平行的样品环，建立各种溶液的溶液列，该列被输入毛细电泳单元中。还能够在分离毛细管出口端装上这样一个样品环系列。
图6示出根据本发明第三实施例的装置。该装置具有一毛细电泳单元13，在其输送侧联接有一样品输送系统，样品从生产线经管16输入该样品输送系统中，在该管与流水线之间最好有一个或多个串联的样品收集器。还能够将一电解质通过管17输入该样品输送系统中。在单元13的输送侧还联接有一与图4和5中相似的液体处理系统，电解质17可例如通过该系统输送到该单元中。来自样品输送系统和液体处理系统的液体流最好在一尽量靠近分离毛细管输送端的点会合。装置的液体处理系统最好与图4中所示装置相似。
因此根据本发明的方法和装置具有几个不同的实施例。当这样要求时，可选择任何实施例和运行条件，必要时可在运行过程中修改。
当使用根据本发明的装置时，很容易选择和实施用于各种电泳应用的初始和限制条件。另外，能够通过在电泳运行过程中改变限制条件而使用组合方法。
上面描述了本发明的某些应用。本发明当然不局限于上述实施例因专利权利要求的保护范围内可对本发明的原理进行改变。
权利要求
1.一种通过具有毛细电泳单元(13)的毛细电泳装置从生产线上提取样品并进行在线分析的方法，该毛细电泳单元(13)具有-一分离毛细管(1)；-与一电压源联接的供电电极(E)，及-一基本上位于该分离毛细管(1)出口端(10)附近的检测器；上述分离毛细管(1)的端部位于从毛细管(2，3)底端伸出的膨胀部(5，6)中，这些膨胀部伸出一通向废品容器的废品管(W1，W2)，该废品容器位于距分离毛细管(1)端部一定距离处，电极(E)位于废品管(W1，W2)中，最好是位于它们的下游端部附近，其特征在于，样品借助于一泵通过与输送溶液相同的管路直接从生产线输送到毛细管(2，3)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分离毛细管(1)的输送端(9)基本上位于一高度H1，该高度H1是从膨胀部(5)的底部到基本上平行于分离毛细管(1)的膨胀部(5)壁与基本上向分离毛细管(1)发散的膨胀部(5)壁的接合处之间的距离。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，分离毛细管(1)的出口端(10)位于一高度H2，该高度H2基本上小于毛细管(1)的输送端(9)的位置高度H1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分离毛细管(1)的出口端(10)位于一高度H2，该高度H2是毛细管(1)的输送端(9)的位置高度H1的10-85％，最好是20-70％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，膨胀部(5，6)的直径最好是约1-10毫米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，毛细管(2，3)和分离毛细管(1)的内径最好是0.02-1.0毫米，更好地是0.1-0.5毫米。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括一些泵，输送溶液的选择及其流动速率的控制可通过这些泵而独立完成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，泵由阀代替，毛细管(2，3)中的流动是通过重力或通过真空或过压而产生的。
9.一种通过具有毛细电泳单元从生产线上提取样品并进行在线分析的毛细电泳装置，该毛细电泳单元包括一分离毛细管(1)，与一电压源联接的电极(E)，及一最好位于毛细管(1)出口端附近的检测器(4)，分离毛细管(1)的端部位于从毛细管(2，3)底端伸出的膨胀部(5，6)中，这些膨胀部伸出一通向废品容器的废品管(W1，W2)，该废品容器位于距分离毛细管(1)端部一定距离处，电极(E)位于废品管(W1，W2)中，最好是位于它们的下游端部附近，其特征在于，样品可借助于一泵通过与输送溶液相同的管路直接从生产线输送到毛细管(2，3)中。
全文摘要
本发明涉及一种通过毛细电泳装置从生产线上提取样品并进行在线分析的方法，以及包括容放有背景电解液的容器的毛细电泳装置，该容器通过一中间的分离毛细管(1)、联接到一电压源的电极(E)和一基本上位于分离毛细管(1)出口端附近的检测器(4)以及位于装置注入侧的一个或多个溶液容器，而且相互联通，至少一个容器是一收集来自生产线的样品的样品收集器，一个或多个溶液容器位于装置的检测器一侧，上述分离毛细管(1)的端部位于从用于从容器中输出各种溶液的毛细管(2，3)底端伸出的膨胀部(5，6)中，上述膨胀部伸出一通向废品容器的废品管(W1，W2)，该废品容器位于距分离毛细管(1)端部一定距离处，上述电极(E)位于废品管(W1，W2)中，最好是位于它们的下游端部附近。
文档编号G01N27/447GK1420983SQ00818208
公开日2003年5月28日 申请日期2000年12月8日 优先权日1999年12月8日
发明者蒂莫·萨莫, 海利·西伦, 劳诺·维尔塔宁 申请人:芬兰技术研究中心