用於最小化色譜應用中掃掠和死體積的裝置和方法與流程
2023-06-19 01:05:51 2
本發明涉及一種裝置，其包括或由以下組成：(a)色譜柱和(b)流選擇器，其中所述流選擇器連接到所述柱的遠端，使得柱後掃掠體積和柱後死體積的總和小於10μl。
背景技術：
在本說明書中，引用了包括專利申請和製造商手冊的多種文獻。這些文獻的公開雖然不被認為與本發明的可專利性相關，但是通過引用將其全部內容併入本文。更具體地，所有參考文獻通過引用併入相同的程度，就像每個單獨的文獻被具體和單獨地指示通過引用併入一樣。
分餾/分級分離技術用於許多科學研究和生產過程，諸如化學或生物學中的科學研究和生產過程。分餾的目的是降低感興趣的樣品的複雜性或純化和消耗非特異性化合物。大多數分餾技術都是基於將所期望化合物與樣品其他含量區區分開來的化學和/或物理性質。特別是諸如液相色譜(lc)的色譜系統用於樣品分餾和樣品收集，用於直接分析或用於進一步處理。色譜分離的分餾效率主要取決於色譜基質的化學性質(meyer,practicalhigh-performanceliquidchromatography(2004))。然而，特別是柱後掃掠和死體積可能導致分離的化合物的湍流和反混合，從而降低分餾性能。
由於優異的分餾效率，因此應用了特別高性能的lc系統，並且掃掠和死體積可能對應用不利。通常增加的流速、零死體積連接以及窄和短的管用於減少反混合的機會和持續時間。然而，根據應用情況，有時不能避免長管，並且較小的內直徑可導致高背壓。例如，與lc分餾系統一起使用的現有技術的餾分收集器系統需要具有較長的管以到達餾分收集在其中的小瓶。這些餾分收集器通常包括x-/y-機器人臂或收集板，其將管定位在收集樣品的管上方或內部(圖1)。空間和管長度的限制是常規餾分收集系統的固有問題。
分餾的特定領域是多維分餾，多維分餾通過使用各種正交化學分餾樣品來實現優異的分餾。如果要分離具有高度相似化合物的非常複雜的樣品，這些方法是特別有意義的。通常選擇尺寸以通過不同的生理化學性質分離餾分。例如，隨後進行作為第一維的離子交換和作為第二維的反相色譜，以首先根據它們的電荷和其後通過它們的疏水性分離化合物。這些方法可以完全自動化，並由許多lc製造商實施(參見例如dionextechnicalnote85；也可在http://www.dionex.com/en-us/webdocs/77308-tn85-hplc-esi-ms-2d-peptides-14jul2009-lpn2256-01.pdf獲得)。即使許多色譜相可以組合，最終的效率受到效率較低的分餾技術的強烈影響。此外，沒有相位可以是完全正交的，因此第一維度影響第二維度的分餾效率。將有限正交第一維度的多個餾分混合以實現對第二維度的較小影響的串接(concatenation)方案的發展是減少正交性效應的相對新穎的概念(dwivedietal.,anal.chem.,80(18):7036-42(2008))。如果使用相似的色譜相，並且根據化合物ph或親和力，使用不同的色譜條件改變化合物的性質，該方法是特別有用的。在串接方案中，在第一維度中生成許多餾分。然後將這些餾分以限定的距離彼此混合。例如，混合60個餾分，使得合併餾分1、11、21、31、41、51，合併餾分2、12、22、32、42、52等等，最終獲得10個餾分。該方法僅需要足夠的正交性來跨越餾分1至10，但是在第一維中需要非常高的分餾效率以避免反混合。
wo2005/114168描述了用於樣品分析的裝置。由於該裝置是微流體裝置，在裝置中包括的柱之後不需要配件。該文獻無法收集餾分。
技術實現要素：
本發明的技術問題是提供用於色譜分離分析物的改進裝置和方法。該問題由權利要求的主題解決。
因此，本發明涉及一種裝置，其包括或由以下組成：(a)色譜柱以及(b)流選擇器，其中所述流選擇器連接到所述柱的遠端，使得柱後掃掠體積和柱後死體積的總和小於10μl。
根據第一方面的裝置包括兩個構成元件或由兩個構成元件組成，即可以是全部或空的色譜柱，以及流選擇器。流選擇器本身是現有技術確定的裝置，其提供將流體的進入流引導到多個可能出口(在本文中也稱為「通道」)中的一個出口。流選擇器的優選實施方案是如下面進一步詳細描述的轉子閥。根據本發明的流體可以是(優選的)液體或氣體。
術語「上端」和「下端」是指柱，柱被配置為使得柱內的流的方向與重力方向相符。更一般來說，特別是考慮到在壓力下操作的柱，柱具有近端和遠端，其中如本文所用的術語「近端」和「上端」表示樣品被加載的端部，並且術語「遠端」和「下端」表示分析物在彼此分離或部分分離後離開柱的端部。
重要的是，所述色譜柱和所述流選擇器之間的連接基本上是直接的，使得可以滿足第一方面的要求。這種大致直接連接的實施在下面進一步詳細描述。具有本說明書中提供的指導，技術人員處於能夠毫不費力地滿足第一方面的要求的位置。作為一般規則，所述色譜柱和所述流選擇器之間的連接越短，柱後掃掠體積和柱後死體積將越小。優選地，避免了連接所述柱和所述流選擇器的任何管。
應當理解，流選擇器在柱的外部。
從以下可以看出，柱後死體積和掃掠體積小於10μl的總和低於目前為止已經取得的成果。本發明人已經實現了低於該閾值的值(見下文)。
術語「柱後掃掠體積」在這裡被定義為從柱的遠端到分餾、即在所述流選擇器中餾分的分開發生的位置的流路徑內的液體比例。術語「柱後死體積」表示從柱的遠端到分餾、即在所述流選擇器中餾分的分開發生的位置的體積，其不被掃過並且不直接在流體的流路徑中。柱後死體積和掃掠體積是在離開色譜柱後和進入容器或用於收集所述流體的容器之前由分析物可以到達的體積。在死體積的情況下，擴散是允許分析物進入的過程之一。假定死體積和掃掠體積在一個端部被色譜柱的遠端限制，它們也被稱為「柱後」死體積/掃掠體積。從上述可以看出，掃掠體積和死體積是可以獨立優化的獨立參數。本發明旨在將死體積和掃掠體積的總和最小化，該總和也被稱為「柱後體積」或「總柱後體積」。總柱後體積被色譜柱的遠端和流選擇器的出口埠限制，否則佔據可接近色譜柱的所述遠端和流選擇器的所述出口埠之間的分析物的任何體積。
掃掠體積可計算或測量。可基於色譜系統的管的長度和尺寸(例如圖1中顯示的那些)進行計算。測量可以通過以已知流速下在無洩漏並優選也無死體積的系統中進行色譜並確定給定預期信號的延遲來完成。術語「洩漏」是指系統不緊密，且液體可以通過流路徑中的孔洩漏。洩漏可發生在高性能色譜中，其中高壓導致洩漏。通過檢查整個系統的適當緊密度可避免洩漏。基於柱的空隙體積和流速，可在第一分析物到達流選擇器(假設它不會在柱上延遲)時計算時間點。任何與此相反的偏差都表示了柱後掃掠體積的量度。死體積通常發生在配件內。通過適當選擇和正確使用配件，可以最小化死體積。
系統非常通用，並且改進了少量化合物以及多種餾分的分餾。術語「餾分」(複數)是指至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、至少六個、至少七個、至少八個、至少九個或至少十個餾分。
此外，本發明適用於如上所述的串接餾分。該概念依賴於在柱後的分離通道中立即主動分開洗脫流，從而減少或甚至移除柱後掃掠和死體積。根據待分餾的樣品的應用和複雜性，流可以分成兩個或多個通道。請注意，在常規裝置(諸如圖1所示)中，分餾部位位於管末端。現有技術無法認識到這種分餾方法的固有缺陷。然而，根據本發明，分餾部位是流選擇器的出口埠。
本發明的示例性納米流分餾系統僅具有大約80nl的柱後掃掠體積和低於10nl的柱後死體積。常規餾分收集系統具有10μl或更大的柱後掃掠和死體積的總和。
為了表徵色譜過程，現有技術通常使用流速、即每時間單位的體積、諸如體積每分鐘。在所述過程的期間中，能夠以簡單的方式來確定。
本發明以每系統非常少的成本提供優異的性能。優化用於複雜樣品的分餾條件是簡單的方法。方法可以與超高壓納米流泵一起用於低微量和納米流應用。本發明允許串接分餾方案的優異分餾和自動化。
在第二方面，本發明提供了一種套件，其包括或由以下組成：(a)色譜柱以及(b)流選擇器，其中所述柱和所述流選擇器被配置為用於所述流選擇器到所述柱的遠端的連接，使得柱後掃掠體積和柱後死體積的總和小於10μl。
根據第二方面的套件提供了根據第一方面的以分離形式的裝置的兩個構成元件。重要的是，兩個構成元件被配置為由第二方面所要求的、即用於基本上直接的連接。這樣配置用於基本上直接連接的示例性和優選實施方案在下面進一步詳細描述，並且包括例如螺釘配件或套圈。
與此一致，本發明的套件還可包括具有用於組裝根據第一方面的裝置的指令的手冊。
在根據第一方面的裝置以及根據本發明第二方面的套件的優選實施例中，所述色譜柱(a)是空的；或(b)填充有色譜材料；和/或具有小於2mm的內直徑；優選為250μm或更小；或200μm或更小，和/或體積為2ml或更小、1ml或更小、500μl或更小、200μl或更小、優選為100μl或更小、50μl或更小、20μl或更小或10μl或更小。
在柱填充色譜材料的情況下，可以理解，可使用珠式柱以及整體柱。在使用珠的情況下，優選給出的是珠尺寸低於30μm、特別是0.1和10μm之間、諸如1.0、1.5、1.9或2.0μm。
柱的術語「體積」定義了柱的內部體積、即v＝πd2l，d是內直徑，l是筒形柱的長度。因此，該術語是指所述柱是空的，即沒有色譜材料。
在柱填充有色譜材料的情況下，所述色譜材料優選選自反相、離子交換、正相、混合相、親水相互作用、親和與尺寸排阻材料。
上述優選實施例提供使用各種類別的色譜材料。在任何一個類中都有許多現有技術確定的產品。舉幾個示例，反相材料包括c18、c8和苯基鍵合材料。離子交換材料包括scx、wcx、sax和wax，正相材料包括二氧化矽。大多數二氧化矽基材料僅在酸性條件下是穩定的。優選的混合相材料包括磺化聚二乙烯基苯(dvb)和磺化聚苯乙烯二乙烯基苯(sdb)。製造商及其商業產品包括sepaxtechnologies(newark，delaware，us)的generikbcx和3m的sdb-rps(例如3m德國，neuss)。另外的製造商是dr.maisch(德國)。示例性親水相互作用材料，也稱為「正相」材料，包括hilic和erlic。親和材料包括免疫親和材料、固定化金屬離子(imac)以及基於蛋白質相互作用的材料。尺寸排阻材料包括瓊脂糖和葡聚糖。
本發明能夠以用於納米流應用或微流應用的柱實施。通常，術語「納米流」是指1至1000nl/min的流量，術語「微流」是指1至1000μl/min的流速。
優選地，所述柱用於液相色譜。還優選的是，柱由用於微流或納米流的管組成或包括用於微流或納米流的管。換句話說，內直徑優選為處於0.05和2mm之間的範圍。優選的內直徑為0.05mm或更小、0.075mm或更小、0.1mm或更小、0.2mm或更小、0.25mm或更小、0.5mm或更小、1.0mm或更小、1.5mm或更小、1.6mm或更小。
優選的柱長度從1cm至100cm，特別優選為從10cm至50cm。
在本發明的裝置以及套件的優選實施例中，所述選擇器是n型轉子閥，n優選為2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24。更常見的n值為3、4、6、8、10、12、18和24。轉子閥的製造商包括viciaginternational(瑞士)。
在本發明的裝置以及套件的另一個優選實施例中，所述柱和所述選擇器之間的連接是(a)使得柱後掃掠體積和柱後死體積的總和小於1μl、小於500nl、小於200nl、小於100nl、小於50nl、小於40nl、小於30nl、小於20nl或小於10nl；和/或(b)通過(i)將所述柱直接插入所述選擇器的入口中、優選地利用螺釘配件或套圈將所述柱直接插入所述選擇器的入口中來實現；或者(ii)將所述柱直接插入到諸如uv/vis單元的檢測器中、優選地利用螺釘配件或套圈將所述柱直接插入到諸如uv/vis單元的檢測器中來實現；並且將所述檢測器直接插入所述選擇器的入口中，優選地利用螺釘配件或套圈將所述檢測器直接插入所述選擇器的入口中來實現。
該優選實施例的項目(a)和(b)分別提供了用於實施根據本發明的第一和第二方面的特徵的特別優選的限制或器具。
項目(b)(i)和(b)(ii)提供優選實施方案，該優選實施方案允許滿足柱後體積標準以及如上給出的項目(a)的標準。項目(b)(i)要求在柱的遠端和流選擇器的入口之間直接連接。因此，根據項目(b)(i)的連接不僅基本直接，而且簡單直接。項目(b)(ii)是「基本直接」的實施，在於可以在柱的遠端和流選擇器的入口之間放置另外的裝置、特別是諸如uv/vis單元的檢測器。如果將該裝置放置在柱和流選擇器之間，那麼應當理解，優選地，不使用額外的管。替代地，針對每個所需的連接、即柱和檢測器之間的連接以及檢測器和流選擇器之間的連接，使用直接連接的例如螺釘配件的器具。
標準螺釘配件在現有技術中是已知的，並且包括unf螺釘配件，例如用於1/32」、1/16」、1/8」等。螺釘配件的替代品包括套圈(可例如從thermoscientific獲得)。
在本發明的裝置和套件的另一優選實施例中，所述流選擇器的一個、多個或所有出口連接到容器。容器用於收集餾分。
在第三方面，本發明提供根據第一方面的裝置或根據第二方面的套件用於分離一種或多種分析物的用途。
與此相關，本發明在第四方面提供一種分析樣品的方法，所述方法包括(a)使用根據本發明第一方面的裝置進行所述樣品的第一色譜分析步驟，其中收集餾分。
術語「分析」具有其現有技術確定的含義，並且包括分離、至少部分地分離樣品的成分和/或確定樣品的成分的特性。樣品可以是任何樣品，條件是以原始或加工形式的所述樣品是可以加載到色譜柱近端上的流體。優選的樣品是生物來源和/或環境樣品的樣品。生物來源的樣品包括諸如源自哺乳動物或人的體液的體液。體液的示例包括血漿、血清、血液和痰。
短語「進行第一色譜分析步驟」包括使用色譜柱進行樣品色譜分離的現有技術確定的測量(應當理解，所述測量在柱後掃掠和死體積方面並不是現有技術確定的)。在使用液相色譜的情況下，可以使用一種或多種緩衝液。在某些情況下，梯度可能是有用的。特別是在後一種情況下，可以使用在ep2944955中公開的器具和方法。為了完整起見，我們參考meyer,loc.cit。術語「第一步驟」僅用於區別可選的另外的色譜分析步驟。
在一個優選的實施例中，所述餾分串接以收集串接餾分。餾分的串接本身是現有技術確定的過程，其在上文背景部分中討論。
在根據第四方面的方法的另一個優選實施例中，所述方法還包括(b)使用根據本發明第一方面的裝置，利用從所述第一色譜分析步驟獲得的餾分或利用從所述第一色譜分析步驟獲得的串接餾分進行第二色譜分析步驟，其中收集餾分；和可選地(c)使用根據本發明第一方面的裝置，利用從各自的先前色譜分析步驟獲得的餾分或利用從各自的先前色譜分析步驟獲得的串接餾分，進行一個或多個進一步的色譜分析步驟，其中餾分為在所述一個或多個進一步色譜分析步驟中被收集。
該優選實施例提供了第二色譜分析步驟和一個或多個可選的進一步的色譜分析步驟。優選地，各種色譜分析步驟中使用的條件(諸如ph值)和/或色譜材料是不同的。理想情況下，應使用正交分離條件。術語「正交」是指在一種情況，其中兩個不同色譜分析步驟中的物理化學分離條件和/或選擇性如此明顯，使得如何分離分析物的方式根本不同，和/或洗脫液不會以相同的順序洗脫。實際上，這並不總是可以實現的。下面描述使用兩個不同色譜分析步驟的方法的優選實施方案。
在優選的實施例中，用於所述第一色譜分析步驟和/或所述第二色譜分析步驟的色譜材料是反相材料。
在特別優選的實施例中，用於所述第一色譜分析步驟和所述第二色譜分析步驟的色譜材料是反相材料，並且第一和第二色譜分析步驟中的一個在中性或鹼性條件下進行，優選在7和10之間的ph，另一個在酸性條件下進行，優選在1和4之間的ph。
進一步優選的鹼性條件包括8和9的ph值。進一步優選的酸性條件包括2和3的ph值。為了實際目的，我們注意到，酸性條件並不總是根據其各自的ph值為特徵，而是根據存在酸的濃度，例如0.01至1％、優選0.1％甲酸；0.01至1％、優選0.1％三氟乙酸；或0.01至1％、優選0.1％乙酸為特徵。
下表1顯示了根據本發明的優選的ph調節劑。
表1：優選的ph調節劑。相關的pka值在括號中表示。
在另一優選實施例中，所述第一色譜分析步驟在流動相改性劑存在下進行，所述流動相改性劑優選為三氟乙酸(tfa)或三乙胺(tea)。
根據本發明的術語「流動相改性劑」是有助於改進色譜性能(如峰分離和峰形)的化合物的功能表徵。流動相改性劑可作為分析物的離子配對試劑。在使用tfa或tea作為流動相改性劑的情況下，優選將其用於第一色譜分析步驟。
在本發明方法的另一優選實施例中，所述方法還包括(d)一種或多種餾分的質譜分析，所述餾分由所述第一色譜分析步驟和/或在存在的情況下由所述第二和/或所述進一步的色譜分析步驟獲得。
在本發明方法的另一優選實施例中，包括在所述裝置中的流選擇器由檢測器控制，所述檢測器優選為uv/vis單元或質譜儀。
後一優選實施例提供了信號依賴分餾。為了進一步解釋，可以使用例如放置在柱的遠端和流選擇器之間的檢測器的檢測器，或者在替代方案中諸如質譜儀的下遊檢測器，以確定峰的位置和性質，所述峰對應於感興趣的分析物。取決於由檢測器檢測到的信號的性質，流選擇器可操作使得某些分析物的分離和/或收集是最佳的。
在本發明方法的另一個優選實施例中，色譜是液相色譜(lc)。
在本發明方法的另一個優選實施例中，所述樣品包括或由以下組成：肽或多肽、脂質和/或糖類，其中所述肽優選是蛋白水解、優選胰蛋白酶消化的結果。
如現有技術中已知的，包括肽、多肽和/或蛋白質的樣品(該樣品包括全部蛋白質組)優選蛋白水解消化，用於隨後的質譜分析。優選的蛋白水解酶包括胰蛋白酶。在這些實施例中，加載到色譜柱上的樣品不同於從生物系統抽取的初級樣品，因為它已經經過預處理，所述預處理包括所提及的蛋白水解消化或由所提及的蛋白水解消化組成。
大體上來說，如果沒有明確地相反指出，優選實施例可協同工作。在這應用後兩個實施例的情況下，在線lc-ms是特別優選的實施方案。
關於本說明書中特別描述的實施例、特別是權利要求中，旨在將從屬權利要求中提及的每個實施例與所述從屬權利要求從屬於的每個(獨立或從屬)權利要求的各個實施例組合。例如，在獨立權利要求1列舉3個替代方案a、b以及c，從屬權利要求2列舉3個替代方案d、e和f以及根據權利要求1和2的權利要求3並且列舉3個替代方案g、h以及i的情況下，應當理解，說明書明確地公開了對應於組合a、d、g；a、d、h；a、d、i；a、e、g；a、e、h；a、e、i；a、f、g；a、f、h；a、f、i；b、d、g；b、d、h；b、d、i；b、e、g；b、e、h；b、e、i；b、f、g；b、f、h；b、f、i；c、d、g；c、d、h；c、d、i；c、e、g；c、e、h；c、e、i；c、f、g；c、f、h；c、f、i的實施例，除非另有說明。
類似地，並且同樣在獨立和/或從屬權利要求不列舉替代方案的那些情況下，應當理解，如果從屬權利要求涉及回引多個前述權利要求，從而認為所覆蓋的主題的任何組合被明確地公開。例如，在獨立權利要求1、回引權利要求1的從屬權利要求2以及回引權利要求2和1兩者的從屬權利要求3的情況下，遵循權利要求3和1的主題的組合如權利要求3、2和1的主題的組合一樣清楚和明確地公開。在存在引用權利要求1至3中任一項的進一步的從屬權利要求4的情況下，遵循權利要求4和1的、權利要求4、2和1的、權利要求4、3和1的以及權利要求4、3、2和1的主題的組合是清楚和明確地公開。
上述考慮事項經必要修改適用於所有附帶的權利要求。
附圖說明
附圖顯示：
圖1：現有技術確定的餾分收集系統的實例。
圖2：用於流的分開的轉子閥。a)示意性2通道轉子閥的示例。當位置旋轉90°時，進入線路和當前被阻塞的線路連接。b)多通道轉子閥的兩個示例。這裡進入線路連接到中心埠，並且低體積通道連接到排出通道的徑向埠(左側：3通道閥的示例，右側：9通道閥的示例)。
圖3：比較選擇器分餾系統與現有技術分餾結果的初步結果。a)本文描述系統的分餾效率使用15μg起始材料用納米流分餾。初步結果表明蛋白質組深度為7,793個蛋白質鑑定在少於17h測量時間內。b)最近出版的方法論文中採用常規自動進樣器和毫升流實現分餾效率。在該方法中，多於2.5mg的肽被分餾。該論文報導了在60h總測量時間內分析的蛋白質組深度為7,897個蛋白質鑑定(mertinsetal.,natmethods,10(7):634-7(2013))。
具體實施方式
示例說明了本發明。
示例1：單個或單一化合物將以少量定量損失和高純度純化。在這種情況下，可以用兩個或多個通道(圖2a、2b)執行系統，其中洗脫峰直接重定向到單獨的通道中，導致完全乾淨的分離而沒有不利的反混合效應。從而可將單一化合物與本體流分離，或者多個化合物可以分離進入一個或多個單獨的通道中。
示例2：複雜樣品必須被分餾成少量的餾分，其中餾分含量幾乎不重疊，以降低樣品的複雜性，但保留了化合物的定量差異。在該示例中，可以使用具有多個排出線路的轉子閥(圖2b)。收集一種餾分，轉子切換到下一個通道，並且收集下一種餾分，等等。以這種自動化方式，少量的餾分能夠以非常乾淨的分離和幾乎不重疊的方式被分離。
示例3：通過具有分餾串接的2d方案分餾高度複雜的樣品。這裡可使用具有多個輸出的旋轉閥來分餾成許多子餾分，子餾分被串接到多個通道中。例如，如果使用10埠閥，那麼轉子閥以循環方式的連續方式切換。因此，當餾分1進入通道1、餾分2進入通道2等等繼續時，自動進行串接，使得餾分11、21、31、41等也進入通道1以及餾分12、22、32、32等進入通道2。結果表明可比較的蛋白質組覆蓋具有比常規方法更好的效率(圖3)。