生物惰性取样针的制作方法

1.本技术涉及用于穿刺含有样品的小瓶的隔膜且从小瓶抽吸样品的取样针。


背景技术：

2.在生物化学和分析化学的领域中，实验室研究人员通常出于各种原因制备、操控和分析众多样品。许多实验室采用能够一次性制备或分析数百个样品的复杂、自动化机器。
3.色谱系统常常利用具有由用户定义的编程控制的台架的自动取样器来分析样品阵列。针臂迫使针向下穿刺阵列中的样品小瓶盖的隔膜或密封件。针为自动取样器的关键组件，因为其为液体流动路径的一部分且因此不仅暴露于高压，而且暴露于任何可能的客户样品和系统液体。台架驱动针进出样品小瓶，且其以足够的力来驱动针与各种端口接合或脱离接合以穿刺隔膜且接合端口，从而产生无泄漏连接。因此，针必须足够耐用以在不劣化或变形的情况下反复地穿刺样品密封件且与注入端口密封。
4.包括不锈钢的许多金属常常不适合取样针，此是因为取样针具有作为直接接触样品材料的针的任何部分的“润湿”组件。且反应性金属可引起非所需浸出和样品干扰。在高效液相色谱法(high-performance liquid chromatography；hplc)和离子色谱(ion chromatography；ic)应用中，金属可能变得腐蚀和/或与样品或系统组件相互作用，从而降低系统性能。因此，许多惰性材料并不腐蚀但通常太软而无法反复地穿刺隔膜数千次，且因此许多惰性材料对于构造取样针来说并不理想。举例来说，在某些情况下，由聚醚醚酮(peek)制成的针不可用于hplc且保持其几何形状。
5.考虑到上文，具有克服以上和其它缺点的取样针将为有利的。


技术实现要素：

6.本发明的一个方面涉及一种用于穿刺含有样品的小瓶的隔膜且从小瓶抽吸样品的取样针。针可包括：管状芯，其具有穿过其延伸的管腔和穿刺端，其中管状芯由生物惰性材料形成；中空支撑件，其环绕管状芯和从支撑件朝外延伸的穿刺端，其中支撑件由刚性材料形成；和生物惰性涂层，其覆盖支撑件的邻近穿刺端的部分。管状芯和生物惰性涂层可将支撑件隔离而不使其接触样品。
7.取样针可包括以下特征中的一或多个。
8.生物惰性材料可包括贵金属。
9.生物惰性材料可为铂合金。
10.铂合金可包括铱。
11.铂合金可包括10％的铱。
12.穿刺端可抛光到0.1μm的平均表面粗糙度(ra)。
13.管状芯的穿刺端可包括连接到管腔的通路，其中管腔具有第一横截面积且通路具有可小于第一横截面积的第二横截面积，由此通路为可防止来自取样针的无意泄漏的停止接点。
14.支撑件可为不锈钢。
15.支撑件可为镍钴不锈钢合金(例如mp-35n)。
16.支撑件可包括邻近管状芯的穿刺端的锥形端，且锥形端可抛光到0.1μm的平均表面粗糙度(ra)。
17.生物惰性涂层可为类金刚石碳(diamond-like carbon；dlc)涂层。
18.dlc涂层具有大约1μm到3μm的厚度。
19.支撑件可包括外壁，且生物惰性涂层可覆盖外壁的邻近穿刺端的长度。
20.外壁的由生物惰性涂层覆盖的长度可为支撑件的总长度的大约一半。
21.针可包括与穿刺端相对的安装端，其中支撑件可包括邻近安装端的圆周凹槽，所述圆周凹槽可促使邻近安装端使针弯曲。
22.针可进一步包括邻近安装端的圆周凹槽的一端处的放大环形肩部，且环形肩部可配置成接合适配器以用于将针流体地密封到色谱系统的样品环。
23.本发明的另一方面涉及一种色谱系统，其可包括用于访问样品小瓶阵列的自动取样器、注入端口和取样针。取样针可包括：管状芯，其具有穿过其延伸的管腔和穿刺端，其中管状芯由生物惰性材料形成；中空支撑件，其环绕管状芯与从支撑件朝外延伸的穿刺端，其中支撑件由刚性材料形成；和生物惰性涂层，其覆盖支撑件的邻近穿刺端的部分。管状芯和覆盖物可将支撑件与样品隔离。针可配置成穿刺样品小瓶上的隔膜、从小瓶抽吸样品并且将样品转移到注入端口。
24.色谱系统可包括以下特点中的一或多个：
25.注入端口可包括具有孔、锥形开口和孔与锥形开口之间的辐射状交叉点的端口套环，且穿刺端可包括圆锥形端。取样针和注入端口可配置成在取样针的圆锥形端接合端口套环的辐射状交叉点时密封。
26.注入端口可进一步包括端口基底，且端口套环可收纳于端口基底的圆柱形容器内。端口套环可由聚醚醚酮(peek)形成，且端口基底可由金属形成。
27.本发明的方法和设备具有其它特征和优势，所述其它特征和优势将从并入本文中的附图和以下具体实施方式中显而易见或在附图和具体实施方式中更详细地阐述，附图和具体实施方式一起用以解释本发明的某些原理。
附图说明
28.图1为根据本发明的各种方面的示范性取样针的透视图。
29.图2为图1的取样针的透视图，其中安装端根据本发明的各种方面弯曲。
30.图3为图1的取样针的穿刺端的横截面视图。
31.图4为图1的取样针的安装端的横截面视图。
32.图5为与根据本发明的各种方面的注入端口接合的图3的穿刺端的横截面视图。
33.图6为根据本发明的各种方面的安装于自动取样器台架中的图2的弯曲安装端的横截面视图。
34.图7为展示根据本发明的各种方面的安装于色谱系统的自动取样器中的图2的取样针的示意图。
具体实施方式
35.现在将详细参考本发明的各种实施例，其实例在附图中示出且在下文描述。尽管将结合示范性实施例描述本发明，但是应当理解，本描述并不旨在将本发明限制于那些示范性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖示范性实施例，而且还涵盖各种替代方案、修改、等效物和其它实施例，这些内容均可以包括在由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内。
36.现转向图式，其中贯穿各种图相似组件由相似附图标号标示，应注意图1，其展示特别适合用于色谱系统和其它分析型设备的自动取样器中的示范性生物惰性取样针30。举例来说，针设计成与自动取样器的机器人操控器或台架介接，所述台架放置针以从样品小瓶抽吸和分配精确量的液体。针30的构造允许反复地刺穿隔膜且与分析型设备的各种流体端口形成无泄漏接口。针的液体流动路径和其与液体接触的所有表面为惰性的，因此促进针与高效液相色谱(hplc)系统的相容性，且甚至与离子色谱(ic)系统的腐蚀洗脱液的相容性。惰性或生物惰性材料不与样品或洗脱液相互作用或具有足以引起色谱分析中的干扰的化学反应。
37.针30具有设计成穿刺样品小瓶盖的隔膜或密封件的穿刺端32和设计成支撑自动取样器的台架中的取样针的安装端33，因此允许针精确地在自动取样器内移动以便从样品小瓶阵列抽吸样品。取样针通常包括具有管状生物惰性芯35的双层结构和围绕管状芯的中空金属壳或支撑件37，从而为取样针提供结构完整性。针还包括覆盖邻近穿刺端的金属支撑件的生物惰性涂层39以将金属支撑件与样品小瓶中的样品隔离。另外，生物惰性涂层39可覆盖穿刺端32处的管状芯35的外表面的部分或所有。
38.参考图3和图4，管状芯35包括穿过其延伸(从安装端33延伸穿过穿刺端32)的管腔40，从而为从样品小瓶抽吸且接着传递到色谱系统的注入端口的样品提供流动路径。管状芯由生物惰性材料形成以限制与样品的反应性和/或潜在腐蚀洗脱液。
39.中空支撑件37围绕管状芯35且向针提供整体结构完整性。支撑件可包括具有结构性性质和拉伸强度的任何金属以在安装于自动取样器中时抵抗针的弯曲和其它变形。因为管状芯提供与支撑件隔离的惰性流动路径，因此支撑件可由向针提供整体结构完整性的不太昂贵的刚性材料形成。刚性材料应足够的刚性，从而防止针在与针座配合受力的操作期间发生弯曲或变形。举例来说，针应相对于针的纵向轴线弯曲小于5度，优选地为小于3度，且更优选为小于1度。用于支撑件37的各种金属包括(但不限于)不锈钢且可使用其它适合材料。举例来说，mp-35n特别适合支撑件，因为其为具有高拉伸强度和较大耐腐蚀性的镍钴不锈钢合金。
40.参考图3，中空支撑件37环围管状芯35与从支撑件朝外延伸的穿刺端32。尽管支撑件37提供针的主要结构完整性，但生物惰性材料应具有足够结构性以最小化突出超出支撑件37的管状芯35的穿刺端32的变形。作为实例，支撑件37可具有约1.5mm的外径和约0.75mm的内径。支撑件37可在穿刺端处具有约15度的锥形部分。
41.用于管状芯的适合生物惰性材料包括(但不限于)贵金属，例如钌(ru)、铑(rh)、钯(pd)、银(ag)、锇(os)、铱(ir)、铂(pt)和金(ag)，和其合金。铂合金较适合管状芯，且包括铱的铂合金特别适合于提供具有足够强度的管状芯。优选地，铂合金包括铱，且更优选地，其包括至少大约10％的铱以提供有益强度且最小化或防止变形，此随后促进穿刺端32与注入
端口的液密接合和反复地穿刺样品小瓶隔膜的高耐磨性。作为实例，管状芯可具有约0.75mm的外径和端部处的锥形部分以形成较尖锐穿刺点。
42.这种双层配置显著地减小针的成本。举例来说，铂/铱合金通常极昂贵，而mp-35n和其它不锈钢相对较便宜。使用不太昂贵的不锈钢以向针提供整体结构完整性允许最少使用极昂贵的贵金属合金以提供针的惰性流动路径和穿刺端。
43.另外，穿刺端可抛光以进一步促进与注入端口的液密接合。举例来说，不具有任何涂层的穿刺端可抛光到处于0.1μm到0.5μm的范围内的平均表面粗糙度(ra)，且更优选地为0.1μm的平均表面粗糙度(ra)。
44.参考图3，管状芯35的穿刺端32可包括流体地连接到管腔40的狭窄通路42以提供防止来自针30的无意泄漏的停止接点。举例来说，管腔可具有第一横截面积(例如具有较大直径dl)，且通路可具有小于第一横截面积的第二横截面积(例如具有较小直径ds)。这种较小横截面积可促进增加压力、降低流动速率和/或增加液体表面张力，因此最小化和/或防止来自针的非所要泄漏。ds可小于dl大约25％到50％，和/或ds可约大约0.1mm以充分防止这种泄漏。
45.继续参考图3，穿刺端32可倾斜或为斜面的以提供促进穿刺样品小瓶的隔膜或密封件的尖锐点。优选地，斜面大约为30到45度。
46.针的外部可覆盖有专用涂层以防止金属支撑件与样品之间的腐蚀或污染。确切地说，生物惰性涂层39施加到支撑件37的外壁44以在针穿刺样品小瓶时防止任何交叉污染。如图3中所展示，涂层39完全地涂布管状芯35的邻近穿刺端32的支撑件37的外表面，使得管状芯和涂层完全地将支撑材料隔离而不使其接触任何样品、洗脱液或污染。
47.优选地，生物惰性涂层为类金刚石碳(dlc)涂层，例如但不限于由加利福尼亚康科德的acree technologies incorporated提供的那些。dlc为一类显示金刚石的典型性质中的一些的无定形碳材料，且dlc通常含有大量sp3杂化碳原子。dlc涂层特别适合隔离针的支撑件，此是因为dlc涂层具有高硬度、低摩擦、耐磨性、高生物相容性和化学惰性。
48.优选地，dlc涂层完全地涂布邻近穿刺端的区域中的支撑件的外表面。将了解，dlc涂层不必覆盖整个支撑件，但应覆盖在接触样品或洗脱液的风险下的支撑件的任何区域。如图1和图2中所展示，支撑件37的总长度的大约一半可覆盖有涂层39以确保充分保护支撑件。且优选地，dlc涂层具有至少大约1μm到3μm的厚度。优选地，针的已涂布区域具有处于0.1μm到0.5μm的范围内的平均表面粗糙度(ra)，且更优选地到0.1μm的平均表面粗糙度(ra)。这种最小表面粗糙度期望以促进小瓶的穿刺且减小已涂布针的磨损。
49.这种dlc涂层还可有利地减小针的磨损。通常纯金属针在超过10,000次循环之后呈现显著磨损，然而dlc可显著地减小或防止在类似使用下dlc涂布的针的磨损。
50.参考图7，针30特别适合用于色谱系统47的自动取样器46，然而，将了解针可用于其它分析型设备。自动取样器46可包括固持在固盘传送带机架或托盘上的样品小瓶51阵列49，和用于按需要移动针30以穿刺到所选择的小瓶中的台架53，从小瓶抽吸样品，且递送所抽吸的样品。为此目的，针的穿刺端32配置成与注入端口54接合。自动取样器还可具有其它针容纳端口，例如冲洗端口和/或废液端口。注入端口可流体地连接到色谱柱56、检测器58、废液储槽60和/或色谱系统的其它组件。
51.针30的安装端33可配置成用于紧固和准备好安装到台架53。参考图2和图6，安装
端可以直角弯曲，在此情况下，支撑件37可具有促进弯曲而不卷曲或扭结的环形凹槽61，因此确保管腔40保持使用通畅。图1和图3中还展示在任选弯地曲针之前的凹槽61。
52.如图4中所展示，安装端还可包括在凹槽的一端处的环形肩部63。如图6中所展示，肩部设定尺寸且配置成与具有螺纹套环67和旋钮68的压缩配件65配合。确切地说，套环的互补形状凸缘抵靠着肩部63且将管状芯35的末端靠紧毛细管70以用于与样品环或其它组件流体连通。
53.针30的穿刺端32可配置成用于接合注入端口54以形成液密密封件。参考图5，注入端口可包括聚醚醚酮(peek)套环或容纳于金属外壳或端口基底74内的容器72。peek容器允许一些变形以通过穿刺端32产生较好密封，而金属外壳防止peek变形过多。此配置以及peek容器的几何形状允许在针的穿刺端与peek容器之间紧密地邻接接触，由此促进具有最小劣化的可重复液密密封。peek容器可包括锥形开口77与孔79之间的辐射状交叉点75，由此穿刺端32的圆锥形表面接合辐射状交叉点以形成能够承受高压的液密密封。另外，辐射状交叉点配置成在其顶端后方接合穿刺端，因此避免穿刺端上的非所需磨损和撕裂。
54.有利地，根据以上描述构造的取样针展示能够在40℃下在1m氢氯酸(hcl)中浸泡30天而针或液体不会有肉眼可见的变色。且针展示能经受长期性能测试，包括穿刺样品小瓶隔膜、用注入端口密封、注入超过10.000次循环而无可见劣化或变形。
55.为了便于在所附权利要求书中进行解释和准确定义，相对术语例如“外部”用以参考如图中所显示的这种特征的位置来描述示范性实施例的特征。
56.已经出于说明和描述的目的来呈现对本发明的具体示范性实施例的前述描述。前述描述并不意图为详尽的或将本发明限于所公开的精确形式，且显然鉴于以上教示可做出许多修改和变化。选择和描述示范性实施例以便解释本发明的某些原理和其实用应用，进而使得所属领域的技术人员能够制作且利用本发明的各种示范性实施例，以及其各种替代方案和修改。意图是，本发明的范围应由所附权利要求书及其等效物来界定。