專利名稱：用于連續(xù)流動系統(tǒng)的分級外部預過濾器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連續(xù)流動的系統(tǒng)，包括柱色譜，尤其涉及設(shè)計用來分離樣品混 合物各種成分的色譜柱，混合物也包含固體或趨于形成沉淀物，這些沉淀物駐 留在分離柱內(nèi)或預過濾介質(zhì)內(nèi)，或以其它方式干擾溶質(zhì)自由地流過柱，或在有 限次分離之后造成柱背壓上升。
背景技術(shù)：
包括高效液體色譜(HPLC)和其它形式色譜的連續(xù)流動的系統(tǒng)被廣泛地用 于各種化學物種混合物的分析用和制備用分離。舉例來說，典型的HPLC柱可
被多次使用，特別是用于自動化色譜系統(tǒng)內(nèi)。重復使用單個柱允許樣品對樣品 的直接比較，沒有通過在兩次注入之間清洗分離介質(zhì)或通過將用過的柱更換為 同樣成分的新鮮柱而引入的誤差。然而，在任何單次分離中，固體碎屑，不管 是樣品中存在的還是采樣或分析設(shè)備產(chǎn)生，這些碎屑都被樣品或載體流體夾帶 走。例如，在溶解的全血樣品中，碎屑可由細胞壁碎片、不溶的蛋白質(zhì)以及附 聚或沉淀的可溶解的蛋白質(zhì)組成。如果閥門和泵的密封結(jié)構(gòu)破碎而將顆粒物質(zhì) 釋放到載體流體中，或在用取樣刺針刺破標本管或隔膜時碎片從標本管或隔膜 中掉出時，則碎屑也可起源于色譜分析儀本身。夾帶的碎屑常常進入柱并積聚 在柱內(nèi)，阻礙流體自由地流過柱，從而造成柱內(nèi)背壓上升。
在HPLC柱中用作為分離介質(zhì)的樹脂通常用玻璃料固定在位，該玻璃料也 用作為過濾固體碎屑的過濾器。然而，玻璃料本身會被碎屑堵塞，特別在玻璃料和樹脂之間的交界面，同樣會造成柱背壓升高。交界面區(qū)域內(nèi)的堵塞還會阻 塞非常小的蛋白質(zhì)的材料的通過，由此，當這些蛋白質(zhì)屬于想要識別和/或定量 的組分中時，就由此會干擾分離的進行。
碎屑累積和所產(chǎn)生的背壓的形成是連續(xù)流動系統(tǒng)的最大問題。在這些系統(tǒng) 中，在將樣品注入系統(tǒng)內(nèi)之前，某些碎屑可通過樣品的過濾或離心分離來離線 去除。然而，過濾和離心分離是費時的步驟，并會增加操作者帶來的錯誤。還 可利用不與樹脂直接接觸的保護柱和預過濾器來實施在線過濾。 一個設(shè)計用于 全血樣品的預過濾器的實例是燒結(jié)的不銹鋼預過濾器，其孔大小為0.5微米，
厚度為1.9mm，可從美國加利福尼亞州赫拉克勒斯市(Hercules)的生物輻射 實驗室股份公司(Bio-Rad Laboratories, Inc.)購得，產(chǎn)品目錄為第2700270號。 遺憾的是，出于同樣原因，預過濾器本身易于堵塞和形成背壓。當采用保護柱 時，上升的背壓通常導致根據(jù)應用情況在50至200次注射之后就要更換保護 柱。當采用預過濾器作為對分離用樹脂的保護時，樹脂?？稍趦纱胃鼡Q之間維 持較長時間，但在需要更換之前，樹脂一般地耐用不超過500次注射。
1999年11月16提交的授予Dewaele的美國專利第5,985,140號，題為"色 譜法中利用分級過濾介質(zhì)來減小背壓的形成(Reduction in Back Pressure Buildup in Chromatography by Use ofGraded Filter Media)"，描述了一個解決 背壓形成問題的較早公開的方法。然而，專利第5,985,140號中的分級過濾器 (graded filter)與共用管中的樹脂直接接觸，而且更換過濾器需要拆卸樹脂管， 經(jīng)常更換樹脂以及過濾器。

發(fā)明內(nèi)容
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當分級過濾介質(zhì)構(gòu)造為系統(tǒng)的外保護器，而不是與系統(tǒng)的諸如 分離樹脂那樣的其它功能性部件連接時，分級過濾介質(zhì)可保護色譜柱、分析盒 或連續(xù)流動系統(tǒng)的任何部件。所謂"功能性部件"是指執(zhí)行除了簡單地將液體 從系統(tǒng)中的一個部位傳輸?shù)搅硪徊课恢獾墓δ艿牟考?。作為外保護器，當背 壓開始上升時，分級過濾介質(zhì)可被拆下和更換，不會干擾連續(xù)流動系統(tǒng)的樹脂 或其它部件，并且，利用機械緊固方法可將該分級過濾介質(zhì)牢固地固定到其外 殼上，沒有損壞樹脂或造成樹脂顆粒穿透過濾介質(zhì)和與之混合的危險。過濾介質(zhì)本身因此將不需要那么頻繁地更換，且當需要更換時，可以更加容易地進行 更換。此外，當分級過濾介質(zhì)在上游端、下游端或上下游兩端由用作為結(jié)構(gòu)支 承的長度短的非分級過濾介質(zhì)支承時，則可實現(xiàn)更多益處。在某些情形中，當 分級過濾介質(zhì)分為被非分級過濾介質(zhì)分開的兩個長度或厚度時，還可實現(xiàn)更多 的益處。無論在哪一種情形中，非分級過濾介質(zhì)存在時除了支承功能之外還可 提供補充的過濾作用，其補充由分級過濾介質(zhì)提供的過濾作用。在任何這些配 置中，在系統(tǒng)之外或在過濾器設(shè)計用來保護的部件之外的外殼內(nèi)放置分級過濾 介質(zhì)，將可從流過系統(tǒng)的樣品中除去任何碎屑，并較之于現(xiàn)有技術(shù)的過濾器， 還可在多得多的樣品上連續(xù)地重復使用而無需插入清潔步驟。


圖1是作為本發(fā)明實施方式的一實例的預過濾器的分解立體圖。
圖2是作為本發(fā)明實施方式的另一實例的第二預過濾器的分解立體圖。
圖3是作為本發(fā)明實施方式的還有另一實例的第三預過濾器的分解立體圖。
具體實施例方式
如上所述，本發(fā)明預過濾器內(nèi)的梯度過濾(gradientfilter)介質(zhì)這樣進行布 置使樣品流體和任何其它液體通過具有較大空隙空間的一側(cè)進入介質(zhì)，然后， 穿過介質(zhì)并通過具有較小空隙空間的一側(cè)離開介質(zhì)。當存在兩層梯度介質(zhì)時， 兩層介質(zhì)可布置成讓液體通過具有較大空隙空間的一側(cè)進入，而通過具有較小 空隙空間的一側(cè)流出，或可替代地，兩梯度層可布置成使其梯度沿相反方向?qū)?稱地布置，以使預過濾器可相對于流動方向安裝在任一取向上。然而，在有兩 個或更多個梯度介質(zhì)層的所有情形中，上游梯度介質(zhì)層具有沿流動方向減小的 孔尺寸。同樣在某些這樣的實施例中，預過濾器含有一個或更多個多孔的元件， 除了它們的多孔性基本上呈均勻，即，沒有梯度之外，它們類似于梯度過濾介 質(zhì)。這些非梯度的多孔元件用作對梯度介質(zhì)的結(jié)構(gòu)支承，并可存在于梯度介質(zhì) 的上游側(cè)、下游側(cè)或上下游側(cè)兩者，或在兩個梯度介質(zhì)層之間。非梯度多孔的 元件也可存在于所有三個部位上。
盡管在本發(fā)明范圍內(nèi)的梯度介質(zhì)內(nèi)的孔尺寸漸變的程度和空間分布率可變化，就像孔尺寸本身變化那樣，但梯度介質(zhì)內(nèi)的孔尺寸一般等于或大于梯度介 質(zhì)所接觸的任何非梯度多孔元件的孔尺寸。在優(yōu)選實施例中，每個梯度介質(zhì)層 的最小直徑端處的平均孔直徑與非梯度元件內(nèi)的平均孔直徑之比從約1:1至約
20:1，更佳地從約1:1至約12:1，最佳地從約1:1至約10:1。當梯度層或當兩 個或更多個層存在時的每個梯度層具有這樣一種孔尺寸的漸變，其減小到足夠 狹窄保留住直徑為10微米的顆粒，較佳地保留住直徑為5微米的顆粒，最佳 地保留住直徑為1至3微米的顆粒的最終尺寸，但也可使用能夠保留住0.5微 米量級顆粒的梯度層。不管表述得是否明確，這里談及孔直徑時指在一給定厚 度或區(qū)域上的平均孔直徑，而對一元件描述為具有均勻的或基本上均勻的孔尺 寸是指孔尺寸的分布在距離、體積或面積上是基本上一致或均勻的，由此，所 述的孔直徑是一平均孔直徑。因此，孔直徑或空隙空間的梯度是指平均的孔直 徑或平均的空隙空間的梯度。
預過濾器的分級或非分級元件的其它相關(guān)的因素是元件的厚度和滲透因 子，這兩者可如孔尺寸那樣變化。當存在一個或更多個非分級元件時，它們的 厚度可以比它們所接觸的梯度層的厚度大(指大樣流動方向的尺寸)。較佳的 厚度范圍為約0.5mm至約6.0mm，最佳的厚度范圍為約l.Omm至約3.0mm。 每個梯度層具有從約O.lmm至約l.Omm的較佳厚度范圍，較佳地從約0.2mm 至約0.6mm，最佳地從約0.3mm至約0.6mm。每個非分級多孔層與每個梯度 層的厚度之比較佳地從約1:1至30:1，更佳地從約1:1至約15:1，最佳地從約 1:1至約10:1。滲透因子k根據(jù)達西定律定義
其中，AP是壓降，L是過濾器厚度，u是流體粘度，以及V是表面速度。 每個梯度層的滲透因子較佳地在約4X1(T"至約1X10—w范圍內(nèi)，更佳地在約 4X10—13至1X10—"范圍內(nèi)，最佳地在約4X10—"至約4X10—12范圍內(nèi)。非分級 多孔元件的滲透因子的較佳范圍為約1X10—12至約1X10—6，更為較佳地為約 1X10—1()至約1X1(T8。
每個梯度層內(nèi)的漸變可以是臺階式的或連續(xù)的，較大孔一側(cè)到較小孔一側(cè) 的變化可廣泛地變動?？壮叽绲牟町?即，最大孔尺寸和最小孔尺寸之間的差) 因此可在約1微米至約50微米范圍內(nèi)，或較佳地從約2微米至約20微米。當
7漸變是臺階式時，梯度層將含有兩個或多個漸變性，較佳地為三個至六個，且 層的粗側(cè)(上游側(cè))(層的最粗部分)上的孔尺寸范圍可以從約2微米至約50
微米，較佳地從約2微米至6微米。
每個梯度過濾器元件由燒結(jié)的無紡不銹鋼纖維構(gòu)成。特別的不銹鋼不是本 發(fā)明的關(guān)鍵所在，也可采用各種不同的不銹鋼合金。奧氏體不銹鋼，即其主要 的合金元素是鉻和鎳的不銹鋼是首選的。特別優(yōu)選的不銹鋼是316L不銹鋼， 該不銹鋼的成分是大約碳0.03%、錳2.00%、硅1.00%、鉻16.0-18.0%、鎳 10. 0-14. 0%、磷0. 45%、硫0. 03%以及鉬2. 0-3. 0% (所有百分數(shù)按重量計)。 其它有用不銹鋼實例可以是304、 304H、 304L、 304LN、 316、 316F、 316H、 3亂N、 3擺、317、 317L、 321、 321H、 347、 347H、 348、 348H和384。
目前可用作梯度元件的較佳過濾介質(zhì)是BEKIPOR ST過濾介質(zhì)，尤其是 BEKIPOR⑧ST 3AL3，它是比利時NV Bekaert SA的產(chǎn)品，可從歐洲的Bekaert Fibre Techonolies、比利時的Zwevegem以及美國的佐治亞州的亞特蘭大市的 Bekaert公司購得。該介質(zhì)由316L不銹鋼纖維制成，隨機地壓縮成無紡結(jié)構(gòu)并 進行燒結(jié)，以片材供應，典型的側(cè)向尺寸為1180mmX1500mm，厚度為0. 4mm。 該特殊產(chǎn)品具有3微米的絕對過濾額定值、12，300Pa的泡點壓力(ASTM E 128061，等價于ISO 4003) 、 200Pa時為9L/dm7min的平均空氣滲透率 (NFA95-352，等價于IS04022) 、 4. 80X 10—13的滲透因子k、 975g/n^的重量、 65%的孔隙率、以及6.40mg/cr^的污物保持能力(根據(jù)多次通過(Multipass) 法IS0 4572以8"的初始壓差)。也可采用類似特性的其它介質(zhì)和用類似材料 制造。
在根據(jù)本發(fā)明的某些預過濾器中，梯度過濾介質(zhì)呈在夾層型的預過濾器中 與非分級多孔層組合的兩個截然不同的層的形式，預過濾器布置在用于HPLC 或其它形式的連續(xù)流動系統(tǒng)的盒或柱的上游。在該夾層型預過濾器中，梯度層 層疊在非分級多孔元件上，即，每個梯度層的平表面與非分級多孔元件的平表 面完全接觸。本說明書中的夾層型預過濾器圖示在圖1和2中。圖1中的預過 濾器11包括基本上均勻孔尺寸或均勻分布的孔尺寸(即，非分級)的固定在 支承環(huán)13內(nèi)的中心多孔元件12，支承環(huán)13可以是TEFLON 、 TEFZEl^或任何 其它可形成流體密封的惰性材料，再加上一個位于非分級元件上游側(cè)上的梯度過濾器層14以及一個位于非分級元件下游側(cè)上的第二梯度過濾器層15。流動
分配盤16、 17被包括在過濾器外殼內(nèi)靠近預過濾器夾層結(jié)構(gòu)的頂部和底部外 表面處。流過預過濾器的流動方向如箭頭21、 22所示。該實施例中的非分級 層12是為上述的生物輻射實驗室股份公司產(chǎn)品的燒結(jié)不銹鋼元件，具有0.5 微米的孔尺寸和1. 9ram的厚度?？商娲姆欠旨壎嗫自?. 0微米的孔尺寸 和同樣厚度的元件。圖2中預過濾器25與圖1中預過濾器相同，不同之處是 取消了流動分配盤16、 17。
圖3示出不同結(jié)構(gòu)的夾層型預過濾器31，其中，包括兩個梯度過濾器元件 32、 33并放置成彼此靠攏以便完全接觸。非分級多孔元件34、 35分別定位在 組合梯度元件的上游和下游側(cè)。
在圖l、 2和3所示的各個實施例中，上游梯度元件14、 32 (即，最靠近各 圖頂部的元件)具有孔隙梯度，其沿箭頭所示方向從粗直到細(孔尺寸變小)。 下游梯度元件15、 33可以具有沿相同方向的孔隙梯度，以使兩個元件具有沿 流動方向的孔尺寸減小，或者，沿相反方向的孔隙梯度，以使整個夾層結(jié)構(gòu)可 沿任一方向插入液體流動路徑內(nèi)，無需指導使用者只沿一個方向使用該結(jié)構(gòu)。
在附后的權(quán)利要求書中，術(shù)語"一"意圖指"一個或更多個"。術(shù)語"包 括"和其變體，在進行步驟或元件的描述時，是意指添加其它步驟或元件是可 供選的并不排外。本說明書中所引用的所有的專利、專利申請和其它出版參考 材料都以參見方式以全文包含于此。這里所引任何參考材料和本說明書清楚的 介紹之間的任何差異都欲被決定為利于本說明書的敘述。這包括本行業(yè)所理解 的詞或詞組的定義和同樣的詞或詞組在本說明書中清楚提供的定義之間的任 何差異。
以上提供的敘述目的在于進行說明。落入本發(fā)明范圍之內(nèi)的其它變化、修 改和替代都對于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將是顯而易見的。
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權(quán)利要求
1.一種用于連續(xù)流動系統(tǒng)的預過濾器，所述預過濾器具有液體所流過的規(guī)定方向，并包括由燒結(jié)的無紡不銹鋼纖維形成的梯度過濾器元件，所述梯度過濾器元件具有形成沿所述流動方向減小的尺寸梯度的分級空隙通道，所述梯度過濾器元件置于與所述連續(xù)流動系統(tǒng)的除了所述預過濾器之外的任何功能性部件分開的外殼中，所述預過濾器可與所述其它功能性部件分離以允許更換所述梯度過濾器元件，而不干擾所述其它功能性部件。
2. 如權(quán)利要求1所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件在相對于所述流動方向的上游側(cè)被多孔元件界圍，所述多孔元件含有平均孔直徑基 本上均勻的孔。
3. 如權(quán)利要求1所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件在相 對于所述流動方向的下游側(cè)被多孔元件界圍，所述多孔元件含有平均孔直徑基 本上均勻的孔。
4. 如權(quán)利要求1所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件在相 對于所述流動方向的上游和下游側(cè)均被多孔元件界圍，所述多孔元件含有平均 孔直徑基本上均勻的孔。
5. 如權(quán)利要求1所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件定義 為第一梯度過濾器元件，所述預過濾器還包括由燒結(jié)的無紡不銹鋼纖維形成的 第二梯度過濾器元件，所述第二梯度過濾器元件具有形成尺寸梯度的分級空隙 通道，所述第一和第二梯度過濾器元件置于所述外殼內(nèi)，并且，所述預過濾器 還包括多孔元件，該多孔元件含有平均孔直徑基本上均勻的孔，所述多孔過濾 器元件沿所述流動方向置于所述第一和第二過濾器元件之間。
6. 如權(quán)利要求5所述的預過濾器，其特征在于，所述第二梯度過濾器元件 內(nèi)的所述梯度沿所述流動方向尺寸增加。
7. 如權(quán)利要求5所述的預過濾器，其特征在于，所述第二梯度過濾器元件 內(nèi)的所述梯度沿所述流動方向尺寸減小。
8. 如權(quán)利要求1所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件的滲 透因子為約4X1(T。至約lX10一w。
9. 如權(quán)利要求2和3所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件 的滲透因子為約4X10—13至約1X10—1Q，所述多孔元件的滲透因子為約1X10 —12至約1X10一6。
10. 如權(quán)利要求2和3所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件 的滲透因子為約4X10—"至約4X10—12，所述多孔元件的滲透因子為約1X10 -10至約1X10一8。
11. 如權(quán)利要求2和3所述的預過濾器，其特征在于，所述預過濾器所具有 的所述主過濾器元件與所述第一和第二梯度過濾器元件中的每一個的厚度比 為約1:1至約30:1。
12. 如權(quán)利要求2和3所述的預過濾器，其特征在于，所述梯度過濾器元件 具有最小孔直徑表面，所述預過濾器所具有的所述最小孔直徑表面的平均孔直 徑與所述多孔元件的平均孔直徑之比為約1:1至約20:1。
13. 如權(quán)利要求4所述的預過濾器，其特征在于，所述第一和第二梯度過濾 器元件各具有最小孔直徑表面，所述預過濾器所具有的所述第一和第二梯度過濾器元件的各所述最小孔直徑表面中的每一個的平均孔直徑與所述多孔元件 的平均孔直徑之比為約1:1至約20:1。
全文摘要
由高效液體色譜盒或柱來說明的用于連續(xù)流動系統(tǒng)的預過濾器元件構(gòu)造成設(shè)有梯度過濾器，該梯度過濾器在其厚度上具有平均孔尺寸的梯度，該孔尺寸沿流動方向減小。該預過濾器元件保持在一外殼內(nèi)，外殼與連續(xù)流動系統(tǒng)的預過濾器元件本身之外的任何功能性部件分開，該預過濾器元件與其它功能性部件分離以允許更換預過濾器而不干擾任何其它功能性部件。
文檔編號B01D15/08GK101495206SQ200780028695
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月25日
發(fā)明者C·德瓦爾, H·瑟吉洛澤, P·韋南特 申請人:生物輻射實驗室股份有限公司