Die Erfindung betrifft ein Spritzenpumpensystem im Bereich der HPLC, der UHPLC sowie der Nano- und Mikro-HPLC für das pulsationsfreie Fördern und genaue Mischen von Lösungsmitteln und ein Verfahren, um Mischungsverhältnisse von unterschiedlichen Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Kompressibilitäten auch bei sehr hohem Druck schnell einzustellen, die Wiederhol-Genauigkeit von Gradienten und das Handling zu verbessert und neue Verwendungen zu ermöglichen.

In der HPLC geht der Trend zu immer größerem Probendurchsatz bei immer kleineren Probenvolumina. Unter der „Ultra High Performance Liquid Chroma- tography" (UHPLC) versteht man entsprechend eine HPLC mit stark gesteigerter Leistung. Die Reduktion des Säulendurchmessers ging in ihrer Entwicklung noch weiter und hat darüber hinaus zur Entwicklung der Nano- und Mikro-HPLC geführt.

Für das Fördern von Lösungsmitteln im Bereich der HPLC, der UHPLC sowie der Nano- und Mikro-HPLC werden seit langem große Anstrengungen unternommen, um mit möglichst geringem Aufwand exakte und reproduzierbare Resultate zu erzielen. Herkömmliche Pumpensysteme für den Bereich der HPLC, der UHPLC sowie der Nano- und Mikro-HPLC sind sehr aufwendig und meist für die Dauerforderung gebaut. Sie benötigen daher spezielle Vorkehrungen um die Pulsation, welche von den Pumpenkolbenbewegungen verursacht werden, zu dämpfen. Bei solchen Pul- sationen handelt es sich um Abweichungen von dem mittleren Druckfluß, die zu Druckschwankungen in dem HPLC-System führen. Insbesondere bei der Nano- und Mikro-HPLC können schon kleine Druckschwankungen erhebliche Fehler verursachen.

Außerdem hat speziell bei kleinen Flußraten von wenigen nl/min bis zu 5 ml/min und hohen Drücken bis über 1000 bar die unterschiedliche Kompressibilität von verwendeten, voneinander unterschiedlichen Lösungsmitteln oder von Lösungsmitteln mit unterschiedlicher Gassättigung einen direkten Einfluß auf die Mischgenauigkeit und die Zeit welche für die Systemequilibrierung benötigt wird. Herkömmliche Spritzenpumpen sind meist nicht für den Gradientenbetrieb, kleine Flußraten und für hohe Drücke gebaut. Die Kompressibilität der Lösungsmittel und die Mischgenauigkeit werden daher nicht oder nur sehr ungenügend berücksichtigt. Bei der Gradienten-Elution mit einem Hochdruckgradienten werden in der Regel zumindest zwei Pumpen verwendet. Bei dem Gradientendesign spielt die Art der gewählten Lösungsmittel für die Mischgenauigkeit eine große Rolle. Werden beispielsweise Methanol-Wasser-Gemische verwendet, ist schon die Mischungsreaktion stark exotherm. Es tritt eine Volumenverminderung und eine Viskositätser- höhung und Druckerhöhung ein.

Bei einem anderen Gradientendesign, wie z.B. Acetonitril und Wasser, sind solche Auswirkungen weniger stark vorhanden und damit weniger gravierend.

An das Pumpensystem werden somit hohe Anforderungen gestellt. So sollte eine konstante und reproduzierbare Fließgeschwindigkeit gewährleistet werden, weil davon die Reproduzierbarkeit der Messung abhängig ist. Es muß außerdem ein möglichst pulsationsfreier Fluß gewährleistet sein. Druckstöße könnten sogar die stationäre Phase schädigen. Bei herkömmlichen Systemen kann die dargestellte Problematik nicht oder nur unzureichend aufgefangen und berücksichtigt werden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Spritz- pumpensystem für die HPLC bereitzustellen, welches im wesentlichen pulsati- onsfrei arbeitet, für den Gradientenbetrieb geeignet ist und auch bei sehr hohem Druck ein gewünschtes Gradientenprofil genau und reproduzierbar ausführt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Spritzenpumpensystem für die HPLC mit zumindest zwei Lösungsmitteln, bei dem zwei voneinander unabhängige Spritzenkolbenpumpen zu einem binären System gekoppelt sind, wobei jede Spritzenkolbenpumpe einen Pumpenkopf aufweist, der über jeweils eine Ausgangsverbindungsleitung, die mit einem passiven Pumpenausgangsventil versehen ist, eine Ansaugleitung und eine Waschausgangsleitung mit einem Multipositionsventil verbunden ist, wobei jedes Multipositionsventil jeweils eine weitere Ausgangsleitung aufweist, die über ein Verbindungsmittel in eine einzige Ausgangsleitung mündet, und der für eine chromatographische Analyse erforderliche Druck für jedes der Lösungsmittel aufgrund des passiven Pumpenausgangsventils jeweils separat in dem jeweiligen Pumpenkopf über den Pumpenkolben aufgebaut ist.

Erfindungsgemäss werden somit die für den Gradientenbetrieb benötigten unterschiedlichen Lösungsmittel durch die jeweiligen passiven Pumpenausgangsventile als passiven Rückschlagventilen unabhängig komprimiert, so daß die Lösungsmittelzusammenführung über das Verbindungsmittel, welches z.B. ein T-Stück sein kann, erst bei gleichem Druck erfolgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Spritzenpumpensystem wird der Zieldruck durch eine Vorgabe mit höherer Förderleistung schnell erreicht.

Des weiteren kann bei dem Spritzenpumpensystem vorgesehen sein, daß jede der Spritzenkolbenpumpen einen Motor als Antrieb für den Kolben und als Kraftsensor für die Kompression des jeweiligen Lösungsmittels aufweist. Bevorzugt ist zusätzlich eine Regeleinheit vorgesehen, wobei der Motor zusammen mit der Regeleinheit Lufteinschlüsse, die Kompressibilität des Lösungsmittels und Undichtigkeiten erfaßt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für das pulsationsfreie Fördern und genaue Mischen von zumindest zwei Lösungsmitteln für die HPLC im Gradientenbetrieb, bei dem in einem Spritzenpumpensystem mit zwei voneinander unabhängigen Spritzenkolbenpumpen jeder der Pumpenköpfe mit einem Multipositions- ventil verbunden, mittels diesem über voneinander getrennte Leitungen gespült und verschlossen und über ein passives Pumpenausgangsventil betrieben wird, so daß der für den Gradientenbetrieb erforderliche Druckaufbau in dem jeweiligen Pumpenkopf und die Vermischung der Lösungsmittel erst bei Erreichen eines gleichen Drucks in einem Verbindungsmittel erfolgt.

Das Wechseln der Lösungsmittel sowie das Spülen der Spritzenpumpenköpfe erfolgt dabei durch getrennte Ein- und Ausgänge im Durchfluß über das Multiposi- tions-Hochdruckventil, welches den Pumpenkopf verschließen und über das passive Pumpenausgangsventil oder Rückschlagventil öffnen kann. Das Multipositi- ons-Hochdruckventil wird deshalb auch als aktives Multipositions- Hochdruckventil bezeichnet.

Vorzugsweise baut sich der Druck in den jeweiligen Spritzenkolbenpumpen synchron auf.

Des weiteren kann vorgesehen sein, daß die Kolben der Spritzenkolbenpumpen jeweils über einen Motor angetrieben werden, dessen Motorkraft separat gemessen wird, und daß sich der Lösungsmitteldruck in den Pumpenköpfen im wesentlichen proportional zu der Motorkraft verhält.

Der Antriebsmotor kann dabei als Kraftsensor dienen und noch eine hochauflösende Positionserkennung und Positionsregelung aufweisen. Vorzugsweise werden die Spritzenkolbenpumpen für jede einzelne HPLC- Analyse neu initialisiert, so daß dadurch jeweils gleiche Startbedingungen für die Spritzenkolbenpumpen und chromatographische Analyse gegeben sind. Die Erfindung betrifft des weiteren die Verwendung des Spritzenpumpensystems, wie zuvor beschrieben und des genannten Verfahrens in seinen unterschiedlichen Ausgestaltungen im Bereich der HPLC, der UHPLC sowie der Nano- und Mikro- HPLC.

Dabei sind Untersuchungen mit Gradienten und im wesentlichen pulsationsfreiem Fluß für HPLC-Säulen mit 2.1mm bis 150um möglich.

Das erfindungsgemäße Spritzenpumpensystem in einer seiner Ausgestaltungen ist jedoch nicht nur für die Gradienten-Elution einsetzbar, sondern kann genauso für die isokratische Elution mit zwei voneinander unabhängigen isokratischen Pum- pen und im continous flow-Modus eingesetzt werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 : Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen binären Sprit- zenkolbenpumpensystems,

Fig. 2a: einen Ausschnitt nach Fig. 1, der ein aktives Multipositionsventil in einer Funktionsstellung zeigt für eine Ausstoßbewegung des Spritzenkolbens bei dem Spülvorgang des Pumpenkopfs, einen Ausschnitt nach Fig. 1, der ein aktives Multipositionsventil in einer Funktionsstellung zeigt für eine Ansaugbewegung des Spritzenkolbens bei dem Spülvorgang des Pumpenkopfs, Fig. 2c: einen Ausschnitt nach Fig. 1 , der ein aktives Multipositionsventil in einer Funktionsstellung zeigt, in der der Pumpenkopf verschlossen ist, und Fig. 2d: einen Ausschnitt nach Fig. 1, der ein aktives Multipositionsventil in einer Funktionsstellung zeigt, in der ein Lösungsmittel in eine Ausgangsverbindungsleitung und über ein Misch-T-Stück durch eine Ausgangsleitung gedrückt werden kann.

In Fig. 1 ist ein binäres Spritzenpumpen-System mit Spritzenkolbenpumpen dargestellt, daß für einen Gradientenbetrieb geeignet ist und zwei voneinander getrennte, unabhängige Pumpeneinheiten 1 , 1 ' aufweist. Diese beiden Pumpeneinheiten 1, weisen ihrerseits jeweils Antriebsmotoren, im folgenden kurz Moto- ren 3, 3' genannt, auf, mit einer Kugelumlaufspindel 5, 5', welche die jeweilige Motorachse bildet, und eine Kugelumlaufmutter 7, 7' mit einem Antriebsschlitten 9, 9' und einen Pumpenkolben 11, 1 Γ in axialer Richtung bewegt.

Ein mit der Bezugsziffer 13, 13' bezeichneter Pumpenkopf ist mit Kolbendichtungen 15, 15' abgedichtet. Jeder der Pumpenköpfe 13, 13' ist jeweils über eine Ansaugleitung 17, 17', eine Waschausgangsleitung 19, 19', über ein passives Pumpenausgangsventil 21, 21 ' und eine Ausgangsverbindungsleitung 23, 23' mit einem Ventil verbunden, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung als ein aktives Multipositionsventil 25, 25' bezeichnet ist. Dieses aktive Multipositionsventil 25, 25' ist als Ventil mit Rotor ausgebildet und weist vier mögliche Funktionsstellungen einer jeweiligen Verbindungsnut 27, 27' auf, welche in den Fig. 2a - 2d dargestellt sind und im folgenden erläutert werden. Dabei wird zunächst auf die Fig. 2a und 2b Bezug genommen, welche einen Spülvorgang des Pumpenkopfs 13, 13' beschreiben. Der Spülvorgang erfolgt zum ei- nen durch eine Ausstoßbewegung des Pumpenkolbens 11, 11 ', bei welcher das Multipositionsventil 25 die Verbindungsnut 27 auf einer Position aktiviert, welche in Fig. 2a mit A bezeichnet ist, und zum anderen durch eine Ansaugbewegung des Pumpenkolbens 11, 11 ', bei welcher die Verbindungsnut 27 des Multipositions- ventils 25 auf einer Position aktiviert ist, die Fig. 2b mit B bezeichnet. Hierfür sind an jedem der Pumpenköpfe 13, 13' ein Spülansauganschluß 29, 29' und ein Spülausstoßanschluß 31, 31 ' an den gegenüberliegenden Enden jedes der Pumpenköpfe 13, 13' angebracht. Dadurch werden diese beim Spül Vorgang in einer Richtung durchflössen.

In Fig. 2c ist eine weitere Position dargestellt, in welcher die Verbindungsnut 27, 27' des Multipositionsventils 25, 25' sich befinden kann und die in Fig. 2c mit C bezeichnet ist. In dieser Stellung ist der Pumpenkopf 20, 20' verschlossen, und es werden nun mittels der Motorsteuerung und Kraftmessung von Motor 3, 3' ein möglicher Lufteinschluss, die Kompressibilität des Lösungsmittels sowie jeweils die Dichtigkeit der Kolbendichtung 15, 15', des Spülansauganschlusses 29, 29' und des Spülausstoßanschlusses 31, 3 , der Ansaugleitung 17, 17', der Ausgangsverbindungsleitung 23, 23', der Waschausgangsleitung 19, 19', der An- Schlüsse am passiven Pumpenausgangsventil 21, 21 ' und von dem Multipositi- onsventil 25, 25' erfaßt.

Der Motor 3, 3' dient auf diese Weise gleichzeitig als Kraftsensor, der zusammen mit einer Regeleinheit bei dem Verschluß des Pumpenkopfes 20, 20' in der Position C des Verbindungsnut 27, 27' des Multipositionsventils 25, 25' Luftein- Schlüsse, die Kompressibilität und mögliche Undichtigkeiten erfaßt. Die Regeleinheit ist als hochauflösende Positionserkennung und Positionsregelung ausgebildet, was als solches nicht noch einmal gesondert dargestellt ist.

Erst wenn die Verbindungsnut 27, 27' des Multipositionsventils 25, 25' auf einer Position steht, wie sie in Fig. 2d mit D bezeichnet ist, kann bei positivem Kolbenhub das Lösungsmittel über das passives Pumpenausgangsventil 21, 21 ' der jeweiligen Ausgangsverbindungsleitung 23, 23' und einer jeweils weiteren Ausgangsleitung 33, 33' in ein Misch-T-Stück 35 und durch eine gemeinsame Ausgangsleitung 37 gedrückt werden.

Dabei muß je nach der verwendeten chromatographischen HPLC-Methode mit Drücken bis über 1000 bar auf der Ausgangsleitung 37 gerechnet werden. Über das passive Pumpenausgangsventil 21, 21 ' wird sichergestellt, daß bei einer unter- schiedlichen Kompressibilität der jeweiligen verwendeten Lösungsmittel in den Pumpenköpfen 13, 13' die Lösungsmittel nur durch den jeweiligen Pumpenkolben 11, 11 ' komprimiert werden und die Vermischung der beiden Lösungsmittel erst bei Erreichen des gleichen Drucks im Misch-T-Stück 35 erfolgt. Die Zeit für das Erreichen der chromatographischen Startbedingungen ist abhängig vom Druck, dem Mischungsverhältnis, der Fließgeschwindigkeit sowie der Kompressibilität der unterschiedlichen Lösungsmittel. Daher wird sich der Druck in den Pumpenköpfen 13, 13' synchron aufbauen. Erfindungsgemäß können die chromatographischen Startbedingungen wesentlich schneller und zuverlässiger erreicht werden, als dies herkömmlich im Stand der Technik möglich ist. Dies ist grundsätzlich dadurch bedingt, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine jeweils getrennte Motoren-Kraftmessung der Antriebsmotoren 3, 3' durchgeführt wird, wie oben erläutert. Hinzu kommt, daß sich außerdem bei dem erfindungsgemäßen Spritzenpumpensystem der Lösungsmitteldruck in den Pumpenköpfen 13, 13' weitgehend proportional zur Motorenkraft verhält. Auf diese Weise werden die chromatographischen Startbedingungen durch eine entsprechende Motorenregelung und eine Startdruckvorgabe wesentlich schneller erreicht.

Die für den Gradientenbetrieb in dem erfindungsgemäßen binären Spritzenpumpen-System benötigten unterschiedlichen Lösungsmittel werden mit Hilfe der passiven Pumpenausgangsventile 21, 21 ', welche als Rückschlagventile wirken, unabhängig voneinander in den beiden voneinander getrennten, unabhängigen Pumpeneinheiten 1, 1' komprimiert, so daß die Zusammenführung der Lösungsmittel erst bei gleichem Druck erfolgt. Dabei wird der gewünschte Zieldruck durch eine Vorgabe mit höherer Förderleistung schnell erreicht.

Dadurch, daß jeder der Pumpenköpfe 13, 13' jeweils über eine Ansaugleitung 17, 17', eine Waschausgangsleitung 19, 19', über ein passives Pumpenausgangsventil 21, 21 ' und eine Ausgangsverbindungsleitung 23, 23' mit dem aktiven Multiposi- tionsventil 25, 25' verbunden ist, kann das Ändern von Lösungsmitteln sowie das Spülen der Pumpenköpfe 13, 13' durch getrennte Ein- und Ausgänge im Durchfluß über das Multipositionsventil 25, 25' erfolgen, das auch als Multipositions- Hochdruckventil 25, 25' zu bezeichnen ist. Als aktiv ist es bezeichnet, weil es unter anderem den jeweils mit ihm in Verbindung stehenden Pumpenkopf 13, 13' verschließen und über das passive Rückschlagventil öffnen kann.

Aufgrund des erläuterten Aufbaus des erfindungsgemäßen binäres Spritzenpumpen-Systems, bei dem jeder einzelne Pumpenkopf 13, 13' mittels des aktiven Multipositionsventils 25, 25' über die genannten separaten Leitungen gespült, verschlossen und über das passive Pumpenausgangsventil 21, 21 ', das als Rückschlagventil ausgebildet ist, betrieben wird, sich außerdem der Spülansauganschluß und die Waschausgangsleitung 19, 19' als Ausgangsspülanschluß voneinander getrennt an dem jeweiligen Pumpenkopf 13, 13' befinden, und insgesamt der Druckaufbau in dem jeweiligen Pumpenkopf 13, 13' und nur mit dem Pum- penkolben 11, 11 ' erfolgen kann, wird ebenso erreicht, daß das System im wesentlichen pulsationsfrei arbeitet.

Zusätzlich können je nach gewünschter Ausführung die Pumpenköpfe 13, 13' des Spritzenpumpen-Systems thermisch stabilisiert werden. Es werden für die Pum- penköpfe 13, 13' Materialien verwendet, welche die gewünschten analytischen Resultate nicht verändern und dadurch verfalschen.

Insbesondere bei kleinen Förderleistungen ist es von Vorteil, wenn die Pumpenköpfe 13, 13' thermisch stabilisiert sind und die Druckleitungen und das Multipositionsventil isoliert werden.

Es ist außerdem möglich, daß mehrere Pumpenausgänge gekoppelt werden, wobei das jeweilige Erreichen der chromatographischen Startbedingungen einer jeder Analyse oder eines jeden Analysenlaufs durch eine Regelcharakteristik erfolgt, bei der die Kraftsensorik jeder der Spritzenkolbenpumpen den Druckaufbau und die Fördergeschwindigkeit aller gekoppelten Pumpen miteinschließt.