Система для дозирования образца в буферную жидкость - RU2631490C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к системе для дозирования образца в буферную жидкость по п. 1 формулы изобретения.

Дозирование биологических образцов, содержащих биологические молекулы в буферную жидкость, необходимо производить при решении многих прикладных задач. В качестве примера в процессе исследования лекарств необходимо проводить скрининг большого количества веществ, для того чтобы выявить потенциальные вещества кандидаты для применения в качестве лекарств, также такие вещества необходимо многократно тестировать. Например, одним из интересных вопросов, возникающих в процессе исследования лекарства, является выявление наличия связывания конкретного вещества кандидата со специфичным целевым белком или ферментом. Для этой цели вещество кандидат можно вводить в культуру клеток или в образец ткани (ткань) с последующим анализом через заранее определенны; промежуток времени, исследуя связывание вещества кандидата с целевым белком или ферментом, присутствующем в ткани.

Для выполнения этого анализа необходимо извлечь из ткани или связанное, или не связанное с белком или ферментом вещество. Ткань можно подготовить в виде тонкого среза, наложенного на подложку, например, стеклянную пластину. Вещество, или связанное, или не связанное с белком или ферментом, затем необходимо извлечь из ткани. Известны различные способы и технологии, с помощью которых можно извлечь из среза ткани или связанное, или не связанное с белком или ферментом вещество.

Затем необходимо проанализировать связалось или нет извлеченное вещество с целевым белком или ферментом. Это может быть достигнуто электрораспылением вещества в масс-спектрометр. Существенно, чтобы электрораспыление проводили с учетом того, что биохимические или биологические вещества, содержащие макромолекулы, подлежащие ионизации, переводились в вакуум масс-спектрометра без разрушения или повреждения этих молекул. Результат масс-спектрометрического измерения тогда свидетельствует о том связано или нет вещество с целевым белком или ферментом.

Ионизация электрораспылением представляет собой технологию, хорошо известную специалистам в данной области техники. Раствор вещества, содержащий вещество, определяемое при анализе, протекает через капиллярную трубку, изготовленную из стекла или металла, причем выход капиллярной трубки образует очень тонкий наконечник. По меньшей мере, участок наконечника внешней поверхности капиллярной трубки изготавливают из металла или металлизируют, формируя электрод. Обратный электрод размещают на удалении от упомянутого электрода и между обоими электродами прикладывают проникающее в раствор высокое напряжение (типично между 1 кВ и 5 кВ). Благодаря электрофоретическому перемещению ионов, преобладающее количество ионов полярности одинаковой с полярностью электрода скапливается у наконечника. Заряженные капельки, содержащие преобладающее количество ионов полярности одинаковой с полярностью электрода, распыляют с наконечника. По мере испарения растворителя капельки становятся меньше и ионы, содержащиеся в капельках, двигаются по направлению к поверхности капелек. В продолжение испарения растворителя размер капелек уменьшается ниже некоторого порога (предел Рэлея), и капелька взрывается (кулоновский взрыв), а ионы без растворителя достигают масс-спектрометра, где их детектируют и/или измеряют.

Как правило, масс-спектрометрическое измерение включает измерение эталонной известной буферной жидкости и измерение образца жидкости, содержащее определяемое при анализе вещество. Буферная жидкость может содержать эталонные' вещества, служащие для целей однозначной идентификации целевых веществ. Кроме применения в качестве эталона она предоставляет дополнительное преимущество, заключающееся в возможности постоянной подачи, предотвращающей высыхание наконечника капиллярной трубки, с которого распыляется буферная жидкость или жидкий образец. Получение жидкого образца обычно проводят, применяя жидкостную хроматографию высокого давления (HPLC), при помощи которой разделяют различные содержащиеся компоненты. Однако для этого требуются разделительные колонки и/или капиллярные питающие трубки значительной длины. Подача либо буферной жидкости, либо жидкого образца в капиллярную распылительную трубку тогда осуществляется с применением специальных механических вентилей, имеющихся в продаже под торговой маркой Rheodyne^®, поставляемых IDEX Health and Science Corporation, Штат Вашингтон, США. Эти вентили содержат различные отверстия, которые можно избирательно подсоединять с помощью вращающегося селектора, таким образом, что в первой позиции вращающегося селектора входное отверстие подачи буферной жидкости подсоединяют к выходному отверстию капиллярной распылительной трубки, к которому может быть подсоединена капиллярная трубка, соединяясь с капиллярной распылительной трубкой. Жидкий образец доставляют в петлю, содержащую капиллярную трубку и дозирующий канал внутри вентиля. В первой позиции вращающегося селектора жидкий образец закачивают через эту петлю. Чтобы вводить жидкий образец в поток буферной жидкости, селектор вращают из первой позиции во вторую позицию. В этой второй позиции входное отверстие вентиля буферной жидкости подсоединяют к входу дозирующего канала вентиля, в котором содержится незначительное количество жидкого образца. Выход дозирующего канала, в котором содержится упомянутое незначительное количество жидкого образца, подсоединяют к выходному отверстию вентиля, соединенному с капиллярной распылительной трубкой. Таким образом, незначительное количество жидкого образца подают из петли в капиллярную трубку, ведущую к капиллярной распылительной трубке, попеременно с буферной жидкостью, соответственно. Таким образом, на выходе капиллярной распылительной трубки попеременно подвергается электрораспылению незначительное количество жидкого образца и буферная жидкость. Вращающийся селектор тогда можно возвратить в первую позицию, а капиллярную петлю промыть и заполнить другим жидким образцом.

Поскольку буферную жидкость и жидкий образец подают под высоким давлением переключение вращающегося селектора из первой позиции во вторую позицию и обратно должно обеспечивать непроницаемость для жидкости и выдерживать высокое давление. Чтобы отвечать этим требованием, переключение осуществляется между полимерным вращающимся уплотнительным кольцом и керамической лицевой стороной статора. Хотя вышеупомянутые вентили Rheodyne® способны выполнять такое переключение, действие переключения вызывает износ и даже если до замены вращающегося уплотнительного кольца можно надежно осуществлять тысячи или несколько десятков тысяч актов переключения, время от времени вращающееся уплотнительное кольцо необходимо заменять. Это требует затрат времени и делает эти вентили непригодными для высокопроизводительных скрининговых приложений, когда тестируют за короткое время миллионы веществ. Другим недостатком является то, что вентили и запасные части к ним (например, вышеупомянутые уплотнительные кольца) являются дорогими.

Еще одним дополнительным недостатком является то, что в петле, содержащей капиллярную трубку и канал, необходимо потратить большие объемы жидкого образца. Это является особенно неблагоприятным, так как в случае биохимических или биологических веществ, как правило, доступны очень маленькие объемы веществ.

Еще одним дополнительным недостатком является то, что длина капиллярной распылительной трубки, присоединенной к выходному порту капиллярной распылительной трубки вентиля, имеет значимую величину, поскольку к портам вентиля присоединены фитинги, и жидкость, транспортируемая внутри капиллярной трубки, направляется через фитинги в очень узкий наконечник, удаленный от фитингов, таким образом, полной длиной капиллярной распылительной трубки невозможно пренебречь. Это неблагоприятно в том отношении, что биохимические или биологические образцы, введенные в поток буферной жидкости, разбавляются буферной жидкостью, пока он распространяется через длинную капиллярную трубку. Чем длиннее распылительная капиллярная трубка, тем выше вероятность того, что произойдет такое разбавление маленьких образцов. Соответственно, чем длиннее капилляр, тем хуже отношение сигнала к шуму при масс-спектрометрических измерениях. Более того, поскольку с наконечника необходимо распылить относительно большие объемы буферной жидкости, до того как можно будет распылять следующий жидкий образец, интервал времени между распылением последовательных жидких образцов (веществ, определяемых при анализах) является сравнительно большим и может занять несколько десятков секунд или даже больше. Это слишком долго при высокопроизводительном отборе проб большого количества маленьких жидких образцов. Суммируя, в современном уровне техники предлагается сравнительно крупная жидкостная система, сочетаемая с очень мелким наконечником для ионизации электрораспылением у входного порта масс-спектрометра.

Устройство, известное из современного уровня техники, раскрыто в US 2009/0020555 A1. Устройство обеспечивает транспортировку или дозирование жидких объектов из первой транспортной трубки во вторую транспортную трубку, разделенные воздушным просветом. Предлагаемая камера давления окружает воздушный просвет. Однако, при погружении и последующем удалении пипетки в камере давления происходит потеря давления.

Поэтому целью изобретения является предоставление системы, преодолевающей или, по меньшей мере, сильно уменьшающей вышеупомянутые недостатки известных в современном уровне техники систем для введения или дозирования образца в буферную жидкость. Вдобавок, система дозирования образца в буферную жидкость будет пригодной для подачи образца, содержащего большие молекулы, как в случае биохимических или биохимических образцов. Дополнительно еще должно быть уменьшено требуемое количество образца. Также система должна быть пригодной для применения в высокопроизводительных методиках обработки проб, таких как высокопроизводительный скрининг, или молекулярная визуализация срезов тканей.

В соответствии с изобретением эта цель достигается системой дозирования образца в буферную жидкость, как это описывается ее признаками в независимом пункте формулы изобретения, относящемся к системе. Полезные варианты реализации системы по изобретению являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, относящихся к системе.

Согласно одному варианту реализации изобретения система для дозирования образца, в особенности жидкого образца, в буферную жидкость содержит камеру давления, обладающую средством для генерирования давления внутри камеры давления, превышающего давление вне камеры давления. Система дополнительно содержит входной капилляр для подачи буферной жидкости на выходной оголовок входного капилляра. Выходной оголовок входного капилляра располагают в камере давления. Система дополнительно содержит выходной капилляр для выпуска буферной жидкости и/или образца из камеры давления. Выходной капилляр имеет входной оголовок, располагаемый в камере давления таким образом, чтобы выходной оголовок входного капилляра и входной оголовок выходного капилляра, располагались друг относительно друга таким образом, чтобы образовался просвет между капиллярами. Это позволяет буферной жидкости покидать выходной оголовок входного капилляра, пересекать просвет между капиллярами и поступать во входной оголовок выходного капилляра. Система еще дополнительно содержит дозатор. Дозатор обладает дозирующим оголовком, который при дозировании образца располагают в камере давления у просвета между капиллярами. Например, дозатор может содержать твердый наконечник, пипетку или любое другое подходящее приспособление. Например, дозатор может обладать твердым наконечником с плоской поверхностью около дозирующего оголовка или, он может представлять собой полый дозатор, содержащий канал с отверстием у дозирующего оголовка. Это дает возможность образцу, находящемуся в дозирующем оголовке прилипать к дозирующему оголовку или покидать дозирующий оголовок, дозируясь в буферную жидкость, поступающую во входной оголовок выходного капилляра. В случае жидкого образца может образоваться жидкостный мостик с буферной жидкостью, поступающей во входной оголовок выходного капилляра.

Как уже упоминалось, дозатор может содержать твердый наконечник с плоской, например, гидрофильной поверхностью около своего дозирующего оголовка, к которому прилипает капелька (так называемый стержневой инструмент); наконечник в виде пипетки, или любой вариант полого наконечника или колонки, пригодных для транспортировки образца от штатива для образцов или среза ткани на жидкостный мостик в просвете между капиллярами. Например, полый наконечник или колонка могут заполняться гелем, например, матрицей из агарозы. В гель могут загружаться или не загружаться молекулы образца путем приложения к нему электрического поля. При электрофоретическом перемещении молекул образца внутрь или наружу полого наконечника под действием приложенного к нему электрического поля гель действует как антиконвективная среда. Электрическое поле в наконечнике или колонке меняет полярность между загрузкой молекул в гель из образца и освобождением из дозирующего оголовка в буферную жидкость молекул, поступающих во входной оголовок выходного капилляра, образец может быть доставлен в жидкостный мостик, образованный в просвете между входным и выходным капиллярами.

Хотя в нижеследующих случаях под понятием "капилляр" подразумевают только капиллярную трубку, следует понимать, что термин "капилляр" также содержит в себе капиллярные каналы других типов. В качестве одного примера, капилляр может быть сформирован открытым каналом в поверхности пластинки, покрытой соответствующим покрытием, таким образом, чтобы сформировался закрытый капиллярный канал.

В общих чертах введение образца в буферную жидкость при поступлении во входной оголовок выходного капилляра может проводиться согласно двум основным сценариям.

По первому сценарию мостик буферной жидкости, заполняющий просвет между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра, поддерживается непостоянно. Однако, у входного оголовка выходного капилляра остается некоторое количество буферной жидкости в форме капельки. По мере того как образец поступает из дозирующего оголовка дозатора, он также образует капельку до тех пор пока капелька буферной жидкости, присутствующей у входного оголовка выходного капилляра и капелька образца присутствующего у дозирующего оголовка не образуют жидкостный мостик. Также, жидкостной мостик, заполняющий просвет, может возобновляться подаваемым образцом. Поверхностное давление, действующее на жидкую поверхность, препятствует падению жидкой капельки у входного оголовка выходного капилляра и жидкостного мостика. Образец затягивается в выходной капилляр и высвобождается из выходного капилляра благодаря разности давлений между повышенным давлением в камере давления и давлением вне выходного капилляра. Разность давлений между повышенным давлением в камере давления и давлением вне выходного капилляра определяет скорость потока через выходной капилляр.

По второму сценарию жидкостный мостик буферной жидкости, заполняющий просвет между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра поддерживается постоянно. По мере того как образец поступает из дозирующего оголовка дозатора он образует капельку, которая затем формирует жидкостный мостик с постоянно поддерживаемым мостиком буферной жидкости, заполняющей просвет между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра. Образец втягивается в выходной капилляр и высвобождается из выходного капилляра благодаря разности давлений между повышенным давлением в камере давления и давлением вне выходного капилляра. Повышенное давление внутри камеры давления помогает ограничивать и контролировать жидкостный мостик, заполняющий просвет между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра. Также как уже упоминалось, повышенное давление в камере давления определяет скорость потока через выходной капилляр.

Типично, повышенное давление в камере давления может находиться в пределах от 0,1 бар (0,01 МПа) до 2 бар (0,2 МПа) (относительно давления вне камеры, или вне выходного оголовка выходного капилляра, соответственно). Поскольку, желаемую скорость потока через выходной капилляр можно регулировать, выставляя подходящий уровень повышенного давления в камере давления, жидкостный мостик, заполняющий просвет между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра, можно контролировать, уменьшая или увеличивая скорость потока буферной жидкости через входной капилляр или варьируя повышенное давление в камере давления.

Входной оголовок выходного капилляра может представлять собой, например, входной оголовок капиллярной распылительной трубки, из которой буферную жидкость и образец, как уже было описано выше, можно подвергать электрораспылению в масс-спектрометре. Применяя систему согласно изобретению, можно дозировать исключительно очень маленькие количества жидкости более или менее непосредственно, то есть в местоположении очень близком к входу во входной оголовок выходного капилляра, который, как упоминалось выше, может представлять собой капиллярную распылительную трубку. Для доставки образца не требуются петли, но наоборот можно достигать очень незначительных количеств, например, с помощью вышеописанного дозатора, который можно вводить в камеру давления. Очень незначительное количество образца, достижимое при помощи дозатора тогда можно дозировать в жидкостный мостик, заполняющий просвет. Соответственно, расстояние пробега образца через выходной капилляр, который может представлять собой капиллярную распылительную трубку, является исключительно очень коротким, что особенно благоприятно по отношению к большим молекулам биохимических и биологических образцов, так как эти молекулы имеют тенденцию прилипать к стенкам капилляра, а вероятность событий такого прилипания тем выше, чем длиннее выходной капилляр. Однако чем больше содержащихся в образце молекул достигает масс-спектрометра, тем лучше отношение сигнала к шуму. Соответственно, система по изобретению так же имеет то преимущество, что она улучшает отношение сигнала к шуму в масс-спектрометре, в который распылили образец и буферную жидкость.

В некоторых вариантах реализации способа, ограниченный динамический диапазон масс-спектрометрического детектора может обусловить этапы аналитического разделения до введения в масс-сепаратор веществ, определяемых при анализах. Это может достигаться разделением выходного капилляра и введением разделительной среды (типично вводимой в форме стеклянного капилляра, внутренние стенки которого модифицированы таким образом, чтобы они функционировали в качестве селективной адсорбционной поверхности) между частью выходного капилляра, обращенного к просвету отбора проб и частью выходного капилляра, обращенного к масс-спектрометру. Буферная жидкость, постоянно поставляемая к выходному капилляру, тогда может иметь переменный состав во времени (например, с целью формирования этапов элюирования или градиентов). Это конфигурация не ограничивается единственной разделительной средой, но возможно может состоять из нескольких ортогональных разделительных средств.

Система по изобретению является пригодной для применения в высокопроизводительных приложениях обработки образцов, так как поскольку необходимо отделять и распылять исключительно малые объемы образца, при распылении таких малых объемов требуется ждать меньше времени до возможности распыления следующего образца.

В соответствии с одним аспектом системы по изобретению камера давления может содержать герметичный порт для образца, приспособленный обеспечивать передвижение дозатора с дозирующим оголовком внутрь и наружу камеры давления. Возможность введения в камеру давления и последующего удаления дозатора, такого как твердый наконечник, пипетка или любое другое подходящее устройство является перспективным конструкционным вариантом реализации изобретения. Это особенно полезно, когда необходимо измерить большие количества образцов при проведении высокопроизводительных протоколов обработки образцов, поскольку, например, с помощью твердого наконечника, пипетки или любого другого подходящего устройства можно быстро забрать образец из ячейки микроштатива и затем его можно быстро ввести в камеру давления для дозирования образца в просвете между капиллярами. После дозирования твердый наконечник, пипетка или любое другое пригодное устройство может быть быстро удалено из камеры давления через герметичный порт образца.

В соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению герметичный порт образца может содержать зажимный элемент с проходом через него. Зажимный элемент передвигается между первой позицией, в которой проход расположен так, чтобы дозатор мог проходить в камеру давления и второй позицией, в которой зажимный элемент герметично запирает камеру давления. Этот вариант реализации изобретения дает преимущество, поскольку зажимный элемент, обеспечивая герметизацию доступа или предотвращая доступ к камере давления, может быть создан с привлечением низких затрат. Например, если дозатор сформирован в виде продолговатого твердого наконечника, пипетки или другого подходящего устройства, дозирующий оголовок можно первоначально ввести через затвор, в то время как зажимный элемент расположен во второй позиции, в которой он герметично запирает камеру давления. Как только твердый наконечник, пипетка или любое другое подходящее устройство прошло затвор, зажимный элемент можно передвинуть из второй позиции в первую позицию, в которой проход в зажимном элементе дает возможность передвижения твердого наконечника, пипетки или любого другого подходящего устройства в камеру давления. Как только образец отдозирован с твердого наконечника, пипетки или любого другого подходящего устройства, дозирующий оголовок удаляют из камеры давления. Это может быть достигнуто удалением твердого наконечника, пипетки или любого другого подходящего устройства до тех пор, пока дозирующий оголовок полностью втягивается через проход, в то время как дозирующий оголовок все еще окружен затвором. Зажимный элемент затем передвигают из первой позиции во вторую позицию, в которой он герметично запирает камеру давления. Твердый наконечник, пипетку или любого другого подходящего устройства затем можно полностью втянуть через затвор, при этом камера давления остается герметично закрытой.

Как уже отмечалось, в соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению система может содержать мотор для передвижения зажимного элемента из первой позиции во вторую позицию и наоборот. Предпочитают передвигать зажимный элемент с помощью мотора, потому что можно осуществлять передвижение зажимного элемента за очень короткое время, например, в пределах нескольких сотен миллисекунд или даже быстрее и в то же время можно существенно или полностью избегать вибраций или ударов.

В соответствии с еще одним аспектом системы по изобретению дозатор содержит канал и дозирующее отверстие, расположенное у дозирующего оголовка. Дозирующее отверстие сообщается с каналом, позволяя дозирование образца через дозирующее отверстие. Канал может быть либо пустым (как в обычной пипетке) или может заполняться хроматографическим материалом, например, агарозным гелем, как уже было описано выше. Сформированный таким образом дозатор позволяет проводить простое и быстрое втягивание образца в канал и быстрое дозирование образца через дозирующее отверстие.

В соответствии с еще одним аспектом системы по изобретению, система может дополнительно содержать держатель входного капилляра и держатель выходного капилляра для позиционирования выходного оголовка входного капилляра и входного оголовка выходного капилляра, находящихся в камере давления на одной линии друг с другом. Выходной оголовок входного капилляра и входной оголовок выходного капилляра могут находиться на одной линии типично с точностью в диапазоне +/- 0,02 мм до +/- 0,1 мм. В качестве примера, держатели капилляров можно ввинтить в резьбовые отверстия, предусмотренные на противоположных сторонах камеры давления. Дополнительно, держатель можно приспособить для регулировки расстояния по оси между оголовками капиллярных трубок, находящихся напротив друг друга.

В соответствии с еще одним дополнительным аспектом системы по изобретению, камера давления может содержать окно, расположенное таким образом, чтобы были видимы выходной оголовок входного капилляра, входной оголовок выходного капилляра, дозирующий оголовок дозатора и просвет между капиллярами. Таким образом, можно контролировать взаимное расположение, расстояние между оголовками капиллярных трубок, формирование и сохранение жидкостного мостика, заполняющего просвет, и так далее, как будет пояснено ниже.

В соответствии с еще одним аспектом системы по изобретению, система дополнительно может содержать камеру для получения изображений по меньшей мере просвета между капиллярами и контрольное устройство, приспособленное для анализа изображения, снятого камерой для автоматического контроля средства для подачи давления и/или подачи буферной жидкости через входной капилляр. Анализ изображения позволяет в реальном времени контролировать жидкостной мостик, заполняющий просвет между капиллярами, путем регулировки повышенного давления в камере, что позволяет на основании анализа снятых изображений устанавливать и поддерживать жидкостный мостик. Также он позволяет точно позиционировать относительно друг друга выходной оголовок входного капилляра и входной оголовок выходного капилляра. То же справедливо для дозатора, дозирующий оголовок которого можно точно позиционировать с помощью анализа снятых изображений.

В соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению, камера давления может содержать закрывающийся дренаж, расположенный в жидкостном контакте с просветом между капиллярами. Как правило, местоположение такого дренажа не ограничено какой-либо частью камеры давления. Однако, в случае если жидкость случайно не поступила во входной оголовок выходного капилляра (например, по причине недостаточно повышенного давления внутри камеры давления) она может под влиянием гравитации упасть на днище камеры давления. Соответственно, предпочтительно местоположение такого дренажа располагается ниже просвета между капиллярами. Кроме того, дренаж позволяет продувку камеры давления с помощью продувочного газа, вытекающего через камеры давления через упомянутый дренаж. Такой дренаж можно выполнить просто в виде отверстия, которое может закрываться и открываться.

В соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению, средство для подачи давления может содержать источник повышенного давления и питающий канал, который для введения сжатого газа в камеру давления, обеспечивает ток газа от источника повышенного давления в камеру давления. Кроме того, средство подачи давления может обеспечивать сброс давления, позволяя выпускать сжатый газ из камеры давления. Отверстие для сброса давления может содержать канал сброса и вентиль сброса. Канал сброса обеспечивает ток газа от камеры давления на вентиль сброса, постоянно устанавливая разность между давлением внутри камеры давления и давлением вне камеры давления. Разность давлений типично находится в диапазоне от 0,1 бар (0,01 МПа) до 2 Бар (0,2 МПа). Основным назначением средства подачи давления, кроме контроля жидкостного мостика, заполняющего просвет, является контроль скорости потока через выходной капилляр. Скорость потока через выходной капилляр прямо зависит от разности давлений между повышенным давлением внутри камеры давления и давлением вне выходного капилляра. Четкий сброс давления через дренаж давления может помочь в тонкой регулировке и поддержании повышенного давления внутри камеры давления.

В соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению, входной капилляр и выходной капилляр могут иметь внутренний диаметр от 5 мкм до 100 мкм, в особенности в диапазоне от 5 мкм до 50 мкм и внешний диаметр в диапазоне от 50 мкм до 50 0 мкм. Внешний диаметр всегда превышает внутренний диаметр. Следует отметить, что этот диапазон является исключительно предпочтительным диапазоном. Оптимальная ширина просвета между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра находится на одном уровне с внешним диаметром входного и выходного капилляров. Соответственно, если внешний диаметр капилляров находится в заданном диапазоне, объем жидкости, заполняющей просвет между капиллярами, может поддерживаться

незначительным, в особенности в диапазоне нанолитров или нескольких десятков нанолитров. Это предоставляет особенные преимущества при сочетании с обсуждаемым далее аспектом дополнительного варианта реализации изобретения.

В соответствии с еще одним дополнительным аспектом системы по изобретению, выходной капилляр может иметь длину в диапазоне от 10 мм до 50 мм. Как упоминалось, короткая длина выходного капилляра предоставляет особенные преимущества в том, что предотвращается прилипание к внутренним стенкам выходного капилляра больших молекул, обычно содержащихся в биохимических или биологических образцах.. С другой стороны, выходной капилляр необходимо установить в камере давления, предпочтительно, посредством держателя капилляра, и необходимо предоставить возможность приложения высокого напряжения к выходному капилляру для электрораспыления. Поэтому хотя длину выходного капилляра необходимо поддерживать короткой, все же она не должна быть меньше некой минимальной длины, чтобы она была способной отвечать необходимым условиям.

Альтернативно, в соответствии с еще одним дополнительным аспектом системы по изобретению, выходной капилляр может включать секции материалов, внутренние поверхности которых обеспечивают селективную адсорбцию частей изучаемых образцов. Типично, такие материалы включают обращеннофазную разделительную среду или катионную, или анионную сорбционную среду.

В соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению, входной капилляр и/или выходной капилляр изготавливают из плавленого кварца, стекла или политетрафторэтилена (Teflon^®) или металла, такого как нержавеющая сталь или золото, или платина. Как было показано, эти материалы являются пригодными для применения по назначению. Полезно, в случае изготовления капилляров из гидрофильного материала, внешние поверхности капилляров покрывать гидрофобным материалом, таким как Teflon^® AF, чтобы избежать смачивания внешних поверхностей капилляров, в то время как поверхности около оголовков капилляров оставляют непокрытыми. Покрытие может представлять собой тонкий слой толщиной, например, 10 нм.

Аналогично, по той же причине внешнюю поверхность дозатора можно покрывать таким же тонким слоем материала Teflon^® AF.

В соответствии с дополнительным аспектом системы по изобретению, выходной капилляр может иметь конусообразный выходной оголовок. На внешней поверхности выходного капилляра, по меньшей мере, у конусообразного выходного оголовка предусматривают металлическое покрытие. Выходной капилляр дополнительно электроизолируют, соответственно, от камеры давления и держателя выходного капилляра. Система дополнительно содержит электрод под напряжением, расположенный в электрическом контакте с выходным оголовком выходного капилляра, подающий напряжение на металл, предусмотренный на внешней поверхности выходного капилляра у его конусообразного оголовка. Этот вариант реализации изобретения специально направлен на воплощение, в котором выходной капилляр представляет собой короткий капилляр для электрораспыления образца и/или буферной жидкости в масс-спектрометр.

Еще один аспект изобретения относится к способу дозирования образца в буферную жидкость, при том, что способ содержит этапы:

- предоставление системы согласно изобретению, как она была описана выше для дозирования образца,

- создание повышенного давления внутри камеры давления,

- создание потока буферной жидкости через выходной

- оголовок входного капилляра во входной оголовок выходного капилляра,

- контроль повышенного давления внутри камеры давления, таким образом, чтобы разность между давлением в камере давления и давлением вне камеры давления являлось постоянной с целью установления постоянной скорости потока в выходном капилляре, и

- дозирование образца через дозирующий оголовок дозатора образца, образуя жидкостный мостик с буферной жидкостью, поступающей во входной оголовок выходного капилляра.

В соответствии с еще одним аспектом способа по изобретению в просвете между капиллярами постоянно поддерживается мостик буферной жидкости между выходным оголовком входного капилляра и входным оголовком выходного капилляра. Этап дозирования образца через дозирующий оголовок дозатора включает дозирование образца в постоянно поддерживаемый мостик буферной жидкости в просвете между капиллярами. Преимущества вариантов реализации способа по изобретению соответствуют преимуществам уже упомянутым при обсуждении системы по изобретению.

Дополнительные полезные аспекты изобретения становятся очевидными из нижеследующего описания вариантов реализации изобретения при отсылке к сопроводительным графическим материалам, в которых:

Фиг. 1 показывает вариант реализации системы по изобретению, в которой содержатся входной капилляр, выходной капилляр и дозатор, расположенные в камере давления (вид сбоку);

Фиг. 2 показывает вариант реализации системы по Фиг. 1 без дозатора в начале формирования мостика буферной жидкости в просвете между капиллярами;

Фиг. 3 показывает вариант реализации системы по Фиг. 2 в процессе формирования мостика буферной жидкости в просвете между капиллярами;

Фиг. 4 показывает вариант реализации системы по Фиг. 2 и Фиг. 3 когда мостик буферной жидкости в просвете между капиллярами уже сформировался, так что мостик буферной жидкости заполняет капиллярный просвет между входным капилляром и выходным капилляром;

Фиг. 5 показывает вариант реализации системы по Фиг. 1 в начале дозирования образца в мостик буферной жидкости в просвете между капиллярами в соответствии с первым вариантом реализации способа по изобретению;

Фиг. 6 показывает вариант реализации системы по Фиг. 5 во время дозирования образца в мостик буферной жидкости в просвете;

Фиг. 7 показывает вариант реализации системы по Фиг. 5 и Фиг. 6, после того как образец был отдозирован в мостик в просвете между капиллярами;

Фиг. 8 показывает вариант реализации системы по Фиг. 4 с удаленным из камеры давления дозатором после того как образец был высвобожден из выходного капилляра, а мостик буферной жидкости вновь заполнил просвет между капиллярами (вид сбоку);

Фиг. 9 показывает вариант реализации системы по Фиг. 5 в начале дозирования образца во вход выходного капилляра в соответствии со вторым вариантом реализации способа по изобретению;

Фиг. 10 показывает вариант реализации системы по Фиг. 9 во время дозирования образца;

Фиг. 11 показывает вариант реализации системы по Фиг. 9 и Фиг. 10 после того как образец был отдозирован и после того как мостик в просвете между капиллярами был вновь установлен, причем мостик в просвете между капиллярами был сформирован образцом;

Фиг. 12 показывает вариант реализации системы, показанный на Фиг. 9 - Фиг. 11, при высвобождении образца через выходной капилляр с последующим прерыванием мостика в просвете между капиллярами;

Фиг. 13 показывает вариант реализации системы, показанный на Фиг. 9 - Фиг. 12 после того как образец высвободился из выходного капилляра, и после того как мостик буферной жидкости установился вновь в просвете между капиллярами;

Фиг. 14 показывает вид в разрезе дополнительного варианта реализации системы по изобретению; и

Фиг. 15 показывает вид в перспективе дополнительного варианта реализации системы по изобретению.

Фиг. 1 показывает первый вариант реализации системы для дозирования образца в буферную жидкость 9, содержащей камеру 1 давления, входной капилляр 2 и выходной капилляр 3, а также дозатор 4. Как уже дополнительно упоминалось выше, в нижеследующих вариантах реализации изобретения "капилляр" трактуют как капиллярную трубку без ограничительных рамок, относящихся к данному термину. Буферную жидкость 9 подают через входной капилляр 2 на выходной оголовок 6 входного капилляра 2. Этот выходной оголовок 6 входного капилляра 2 располагают внутри камеры 1 давления. Выходной капилляр 3 имеет входной оголовок 7, расположенный в камере 1 давления таким образом, что выходной оголовок 6 входного капилляра 2 и входной оголовок 7 выходного капилляра 3 находятся напротив друг друга. Таким образом, просвет 8 между капиллярами по определению находится между входным капилляром 2 и выходным капилляром 3, или более точно между выходным оголовком 6 входного капилляра 2 и входным оголовком 7 выходного капилляра 3. Буферная жидкость 9 протекает через входной капилляр 2 и формирует капельку у выходного оголовка 6 входного капилляра 2, как показано на Фиг. 2. Дополнительная подача буферной жидкости через входной капилляр 2 приводит к увеличению размеров капельки у выходного оголовка 6 входного капилляра 2, как показано на Фиг. 3, до контакта капельки с входным оголовком 7 выходного капилляра 3. Тогда формируется жидкостный мостик 11, заполняющий просвет 8 между капиллярами, как показано на Фиг. 4. Благодаря повышенному давлению внутри камеры 1 давления относительно давления вне камеры 1 давления, или более точно относительно давления вне выходного оголовка 12 (см. Фиг. 1) выходного капилляра 3, буферная жидкость 9, поступающая в выходной капилляр 3, высвобождается с выходного оголовка 12 выходного капилляра 3. причем скорость потока через выходной капилляр 3 определяется упомянутой разностью давлений, то есть постоянство скорости потока через выходной капилляр 3 может достигаться постоянством разности давлений.

С момента образования мостика 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами он постоянно поддерживался. Сохранение мостика 11 в просвете между капиллярами может контролироваться путем контроля скорости потока буферной жидкости, подаваемой через входной капилляр 2. На Фиг. 1, мостик 11 в просвете между капиллярами показан вместе с дозатором 4, несущим капельку образца 5 у дозирующего оголовка 10. Капельку образца 5 затем дозируют в мостик 11 буферной жидкости, находящийся в просвете между капиллярами в соответствии с первым вариантом реализации способа по изобретению, как описано с помощью Фиг. 5 - Фиг. 8, или в соответствии со вторым вариантом реализации способа по изобретению, как описано с помощью Фиг. 9 - Фиг. 13.

На Фиг. 5 - Фиг. 8 показано дозирование капельки образца 5 через дозирующий оголовок 10 дозатора 4 в мостик 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами. Как можно видеть, мостик 11 в просвете между капиллярами во время дозирования капельки в мостик 11 слегка сужен во время дозирования капельки в мостик 11 в просвете между капиллярами по сравнению с мостиком 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами, когда дозирование жидкого образца не производится (смотри Фиг. 1 или Фиг. 8). Дозатор 4 располагают таким образом, чтобы дозирующий оголовок 10 располагался над просветом 8 между капиллярами, содержащими мостик 11 буферной жидкости, заполняющий просвет 8 между капиллярами в просвете между капиллярами между выходным оголовком 6 входного капилляра 2 и входным оголовком 7 выходного капилляра 3, смотри Фиг. 5. Как только образец 5 отдозирован в мостик 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами, смотри Фиг. 6, формируется жидкостный мостик между образцом 5 у дозирующего оголовка 10 дозатора 4 и мостиком 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами, смотри Фиг. 6. Жидкий образец 5 затем затягивается в выходную капиллярную трубку 3, как показано на Фиг. 7. Как только жидкий образец полностью высвободился в выходном капилляре 3, восстанавливается мостик 11 буферной жидкости 9 в просвете между капиллярами, и дозирующий оголовок удаляют из камеры 1 давления, смотри Фиг. 8. Тогда можно отдозировать следующий жидкий образец в мостик 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами, как было описано выше.

На Фиг. 9 - Фиг. 13 показано дозирование образца 5 через дозирующий оголовок 10 дозатора 4 образца в соответствии со вторым способом, в котором мостик 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами, заполняющей просвет 8 между капиллярами не поддерживается постоянно. Как показано на Фиг. 9, начальный сценарий подобен вышеописанному способу, смотри также Фиг. 5. Однако, подача буферной жидкости 9 через входной капилляр 2 тогда существенно уменьшается настолько, что мостик 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами прерывается. Вследствие этого остаются только две капельки: у выходного оголовка 6 входного капилляра 2 и у входного оголовка 7 выходного капилляра 3. Образец 5 дозируют в просвет 8 между капиллярами, смотри Фиг. 10, при этом, либо образец 5 формирует мостик в просвет между капиллярами, смотри Фиг. 11, либо образец 5 формирует мостик с капелькой у входного оголовка 7 выходного капилляра 3, так что не устанавливается мостик жидкого образца 5 в просвете между капиллярами, смотри Фиг. 12. В любом случае, образец впоследствии высвобождается из выходного капилляра 3 в результате разности давлений между повышенным давлением в камере 1 давления и давлением вне выходного капилляра 3. После этого подача буферной жидкости вновь возрастает, так что мостик 11 буферной жидкости в просвете между капиллярами, заполняющий просвет 8 между капиллярами вновь формируется, как было показано на Фиг. 13.

Фиг. 14 показывает дополнительный вариант реализации системы по изобретению. Показанный на Фиг. 14 вариант реализации системы, содержащей камеру 1 давления внутри блочного корпуса, в которой выходной оголовок входного капилляра 2 и входной оголовок выходного капилляра 3 располагают на одной линии друг с другом. Просвет между капиллярами формируют между выходным оголовком входного капилляра 2 и входным оголовком выходного капилляра 3. Выравнивание выходного оголовка входного капилляра 2 и входного оголовка выходного капилляра 3 достигают с помощью держателя 15 входного капилляра и держателя 16 выходного капилляра, соответственно. Как держатель 15 входного капилляра, так и держатель 16 выходного капилляра завинчивают в соответствующие резьбовые отверстия блочного корпуса. При помощи держателя 15 входного капилляра и держателя 16 выходного капилляра может быть достигнуто позиционирование выходного оголовка входного капилляра 2 и входного оголовка выходного капилляра 3, при котором оси входного капилляра 2 и выходного капилляра 3 находятся на одной линии, например, с точностью +/- 0,02 мм до +/- 0,1 мм. Также расстояние по оси между выходным оголовком входного капилляра 2 и входным оголовком выходного капилляра 3 может регулироваться с помощью держателя 15 входного капилляра и держателя 16 выходного капилляра.

Дозатор 4, например, твердый наконечник, пипетку или любое другое подходящее устройство, вдвигают в камеру 1 давления для дозирования образца через дозирующий оголовок 10 дозатора 4, как было описано выше. Дозатор дополнительно содержит канал 102 и дозирующее отверстие 101, расположенное у дозирующего оголовка 10. Дозирующее отверстие 101 сообщается с каналом 102, позволяя дозирование образца через дозирующее отверстие 101. По выбору, канал может быть наполнен хроматографическим материалом.

Дозатор 4 выдвигается через герметизируемый порт 13 образца, состоящий из зажимного элемента 14, содержащего проход 19, простирающийся насквозь зажимного элемента 14, позволяя передвигать дозатор 4 с дозирующим оголовком внутрь и наружу из камеры 1 давления. Зажимный элемент 14 является подвижным. В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 14, зажимный элемент 14 может передвигаться под плоскостью чертежа или над плоскостью чертежа вытягиванием и втягиванием зажимного элемента 14. Так, зажимный элемент 14 способен передвигаться между первой позицией, в которой проход 19 располагают, как показано на Фиг. 14, ив которой дозатор 4 приобретает возможность проходить через проход 19 в камеру 1 давления, и второй позицией, в которой проход 19 располагают в такой позиции, чтобы дозатор 4 потерял возможность проходить через проход 19, проталкивая или выталкивая зажимный элемент таким образом, чтобы проход 19 передвигался под плоскость чертежа или над плоскостью чертежа. В этой второй позиции зажимный элемент 14 герметично запирает камеру 1 давления. Альтернативно, можно применять зажимный элемент, имеющий круглое поперечное сечение (не показано на Фиг. 14). Тогда такой зажимный элемент может передвигаться вращением зажимного элемента между первой позицией и второй позицией. Конечно, может применяться любой другой тип зажимного элемента.

После того как образец был отдозирован, дозатор 4 можно удалить, выдвигая оголовок дозатора 4 через проход 19, но еще не продвигая через затвор 25. Зажимный элемент 14 можно только протолкнуть или вытолкнуть, передвигая его во вторую позицию, в которой он закрывает камеру 1 давления. После этого дозатор 4 можно полностью втянуть через затвор 25, при этом камеру 1 давления полностью герметично закрывают. Погружение дозатора 4 необходимо выполнять в обратном порядке. Дозатор 4 следует погружать через затвор 25, однако, только до такой степени, чтобы оголовок дозатора располагался над зажимным элементом 14. Затем зажимный элемент 14 передвигают в первую позицию, в которой посредством прохода 19 доступно передвижение дозатора и в камеру 1 давления, так что дозатор располагают в позиции, показанной на Фиг. 14.

В случае если какой-либо образец непреднамеренно остался в камере давления или упал под действием гравитации, такую жидкость можно извлечь из камеры 1 давления посредством запираемого дренажа 17, которую располагают в жидкостном контакте с камерой 1 давления. В варианте реализации изобретения, согласно Фиг. 14, дренаж 17 располагают в днище блочного корпуса.

Канал 18 подачи давления, находящийся в жидкостном контакте с камерой 1 давления, также показан на Фиг. 14. Также желательно, чтобы дренаж давления (не показан на Фиг. 14) был расположен в жидкостном контакте с камерой 1 давления. Этот дренаж давления может содержать канал для сброса и выпускной вентиль, которые совместно формируют вполне определенный канал для выпуска давления, который может облегчить контроль и поддержание постоянства давления внутри камеры 1 давления.

Типичные размеры входного капилляра 2 и выходного капилляра 3 могут иметь внутренний диаметр в диапазоне от около 5 мкм до 50 мкм и внешний диаметр в диапазон от 50 мкм до 500 мкм, диапазоны однозначно включают в себя граничные значения. Само собой разумеется, относительный внешний диаметр капилляра всегда превышает внутренний диаметр того же самого капилляра. Длина выходного капилляра 3 может быть в диапазоне от 10 мм до 50 мм.

В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 14, выходной капилляр 3 имеет конусообразный выходной оголовок 20. На внешней поверхности выходного капилляра 3 предусмотрен металл (например, она может быть металлизирована) с целью образования электрического контакта. Эту металлическую поверхность необходимо электрически изолировать от камеры 1 давления и от держателя 16 выходного капилляра. Электрод 21 под напряжением располагают в электрическом контакте с металлизированной внешней поверхностью, образуя электрический контакт с выходным оголовком 12 выходного капилляра 3. Электрод 21 под напряжением имеет электрический потенциал по отношению к соседнему противоположного электрода (не показан), делая возможным электрораспыление жидкости через выходной оголовок 2 0 выходного капилляр 3 в масс-спектрометр.

Фиг. 15 показывает дополнительный вариант реализации системы по изобретению, в котором камера 1 давления содержит окно 23, расположенное так, чтобы обеспечить обзор камерой 24 выходного оголовка входного капилляра, входного оголовка выходного капилляра, дозирующего оголовка дозатора, и просвета между капиллярами. С помощью камеры 24 можно получить изображение оголовков входного капилляра и выходного капилляра, а также просвета между капиллярами и жидкостного мостика в просвете между капиллярами. Контрольный модуль может на базе анализа изображения контролировать поток буферной жидкости через входную капиллярную трубку до начала дозирования, во время и после дозирования образца. Также с помощью анализа изображения может выполняться регулировка оголовков входного капилляра и выходного капилляра относительно друг друга. Еще далее, с помощью анализа изображения может контролироваться позиция оголовка дозатора у просвета между капиллярами. Наконец, с помощью анализа изображения можно контролировать мотор 22, передвигающий зажимный элемент.

Варианты реализации изобретения были описаны с помощью графических материалов. Однако, возможны различные модификации и изменения описанных вариантов реализации изобретения, не выходящие за пределы общей идеи, лежащей в основе настоящего изобретения. Поэтому не следует понимать, что оно ограничено описанными вариантами реализации изобретения, но наоборот объемом охраны, определяемым прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Представленное изобретение относится к устройствам для дозирования и к способам их применения. Система для дозирования образца (5) в буферную жидкость содержит камеру (1) давления, имеющую средство подачи давления для создания повышенного давления внутри камеры давления. Входной капилляр (2) предусмотрен для подачи буферной жидкости (9) на выходной оголовок (6), расположенный в камере давления. Выходной капилляр (3) предназначен для высвобождения буферной жидкости и/или образца из камеры давления, имеет входной оголовок (7), расположенный в камере (1) давления, обращенной к выходному оголовку (б) входного капилляра (2), формируя просвет (8) между капиллярами. Дозатор (4), имеющий дозирующий оголовок (10), располагают в камере (1) давления у просвета (8) между капиллярами, позволяя дозирование образца (5) у дозирующего оголовка (10) в буферную жидкость, поступающего во входной оголовок (7) выходного капилляра (3). Камера (1) давления содержит герметичный проход (13) для образца, приспособленный таким образом, чтобы позволить дозатору (4) с дозирующим оголовком (10) передвигаться внутрь и наружу из камеры (1) давления. Технический результат – снижение требуемого количества образца и повышение производительности. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил.

Формула