專利名稱：電滲流驅(qū)動高壓輸液泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，具體地說，屬于一種可用于微流量液相色譜(μ-HPLC)分離分析的流動相驅(qū)動、毛細(xì)管電色譜(CEC)、毛細(xì)管電泳(CE)等領(lǐng)域的微型流動系統(tǒng)的輸液控制。
早在1809年Reuss就注意到電滲現(xiàn)象，即液體在直流電場的作用下相對于帶電的管壁移動的現(xiàn)象，但是一直未得到很好的應(yīng)用。電滲流的主要應(yīng)用是化學(xué)分析領(lǐng)域，1974年P(guān)retorius等通過把電場施加在填充柱兩端，演示了高壓直流電源可以代替壓力泵驅(qū)動色譜(“Electro-osmosis-A New Concept for High-speed Liquid Chromatography”，J.Chromatography，9，23-30，1974)，Jorgenson和Lukacs將此原理應(yīng)用于毛細(xì)管，即為毛細(xì)管電色譜(CEC)。CEC是指采用熔融石英毛細(xì)管柱，柱內(nèi)填充HPLC用的固定相，用電場力驅(qū)動的微柱液相色譜，即用電滲流(Electroosmotic Flow，EOF)代替壓力推動毛細(xì)管電色譜流動相，根據(jù)溶質(zhì)在流動相與固定相中分配系數(shù)(或分配原理)的不同和自身電泳淌度(電場作用)的差異得以分離。CEC與HPLC的根本不同是其以EOF代替壓力驅(qū)動流動相，這是無活塞無閥電滲流驅(qū)動高壓輸液泵發(fā)明的思想基礎(chǔ)。
盡管電滲現(xiàn)象很早就被人們認(rèn)識，應(yīng)用EOF也已有三十年了，但真正有效的具有商業(yè)價(jià)值的應(yīng)用研究只是從1996年開始。何友昭等發(fā)明的用于FIA系統(tǒng)的多孔芯柱電滲流泵(何友昭，淦五二，中國專利申請?zhí)朲L97,212,126；1997)使用數(shù)百伏低電壓直流電源作為泵的工作電壓，流量調(diào)節(jié)范圍為每分鐘數(shù)微升至毫升(μL-mL/min)級，輸出壓強(qiáng)為零點(diǎn)幾個(gè)兆帕(MPa)；其明顯的缺點(diǎn)是泵的不間斷工作時(shí)間只能持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，微升以下流量仍難以精確控制，輸出壓強(qiáng)低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足液相色譜分離分析的流動相驅(qū)動要求。Paul等發(fā)明的電動高壓液壓系統(tǒng)(Paul，etal United States Patent 6,019,882，F(xiàn)ebruary 1，2000)是真正意義上的無活塞無閥高壓液壓系統(tǒng)，能夠得到17MPa(即2,500Psi)的壓力，并從理論上預(yù)言EOF可以產(chǎn)生高達(dá)35MPa的壓力；但是這個(gè)專利的實(shí)施遇到如下致命問題電極表面在緩沖液體中的電化學(xué)過程總是要產(chǎn)生氣體的，時(shí)間稍長就形成氣泡。在直接驅(qū)動體系中，氣泡不可避免地進(jìn)入毛細(xì)管柱中，電場梯度在氣泡處變大，局部產(chǎn)生更高的焦耳熱而使氣泡體積擴(kuò)大，致使液流斷路和電滲中斷；在間接驅(qū)動體系中，氣體的聚集會導(dǎo)致氣泡反入電滲柱，使電滲過程中斷。所以這種泵不能連續(xù)工作，不實(shí)用。
在微型高效液相色譜(μ-HPLC)技術(shù)以及毛細(xì)管電色譜(CEC)、微型流動分析(μ-FIA)系統(tǒng)中常常涉及到精確控制液體微小流量的問題。每分鐘幾微升至毫升級液體的輸運(yùn)可以使用現(xiàn)有的機(jī)械式商品泵精確控制；而每分鐘數(shù)微升及微升以下級液體的高壓輸運(yùn)難以用現(xiàn)有的普通商品泵精確控制，為此發(fā)明一種用于精確控制微升級及微升以下流量的高壓無活塞無閥微型輸液泵是十分必要的，美國、韓國、瑞典、日本等國對精確控制液體微小流量的問題作了大量的探索，但是進(jìn)展緩慢。
本發(fā)明的目的在于提供一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，該泵能用于精確控制流量的微流量系統(tǒng)的液體驅(qū)動，能提供每分鐘納升至微升(nL～μL/min)級的液體輸出流量和0～45MPa以上的輸出壓力。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下原理礦物微小顆粒由于其大的比表面常常產(chǎn)生鍵的不飽和性，致使其表面失去電中性而帶電，在極性溶劑或電解質(zhì)溶液中與顆粒表面帶有相反電荷的離子吸引到其表面上以平衡其電荷，這種作用是通過庫侖交互作用實(shí)現(xiàn)的。一般來說，靠近顆粒表面的一層屬于強(qiáng)物理吸附，稱為緊密層，它的作用是平衡了超微粒子表面的電性；離超微粒子稍遠(yuǎn)則形成較弱的吸附層，稱為分散層。由于強(qiáng)吸附層內(nèi)電位急聚下降，在弱吸附層中緩慢減小，結(jié)果在整個(gè)吸附層中產(chǎn)生電位下降梯度。上述兩層構(gòu)成雙電層。本發(fā)明利用載流的電滲驅(qū)動原理，即在石英毛細(xì)管界面特別是填充顆粒表面帶電的情況下，擴(kuò)散層中帶異號電荷的載流在外電場作用下作電滲遷移運(yùn)動。采用類似于毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)中的Smoluchowski方程給出EOF表達(dá)式Ueo＝ε0εrζE/η (1)式中Ueo為電滲速度，ε0為真空介電常數(shù)，εr為載流介電常數(shù)，ζ為Zeta電位即電動電勢，η為流體粘度系數(shù)，E為電場強(qiáng)度；電滲流量Q可表示為Q＝Ueo A＝ε0εrζE A/η (2)其中A為有效截面積。這樣通過選用不同的電滲介質(zhì)及連接方式改變流量范圍，調(diào)節(jié)場強(qiáng)改變載流流量，變換場強(qiáng)方向改變載流流向。
產(chǎn)生電滲作用的擴(kuò)散層電勢分布符合Gouy-Chapman理論，即當(dāng)ζ不大時(shí)可表示為Ψ＝F(ζ)e-κx式中F(ζ)為ζ的函數(shù)，x為擴(kuò)散區(qū)內(nèi)某處至吸附層的距離。κ決定擴(kuò)散層電勢隨距離x增大而下降的速度，κ-1又稱雙電層厚度；κ-1＝(∑nizi2e2/ε0εrkT)-1/2(3)式中，k為Boltzmann常數(shù)，T為絕對溫度，e為電子電荷。由(2)(3)可見，擴(kuò)散層作用范圍與溶液離子強(qiáng)度ni和電價(jià)zi有關(guān)。當(dāng)水作載流時(shí)，κ-1最大，電滲流量和調(diào)節(jié)范圍較大。
在直流外電場的存在情況下，產(chǎn)生電滲作用的擴(kuò)散層中的遷移液體與毛細(xì)管壁表面尤其是微小填料顆粒表面存在摩擦阻力，它們之間的平衡決定了擴(kuò)散層中液體的運(yùn)動，而電滲力則取決于作用于擴(kuò)散層的電場力以及擴(kuò)散層中的“過量電荷”；極性溶劑或電解質(zhì)溶液在電滲力的作用下將從毛細(xì)管的正極端流向負(fù)極端，由此形成電滲流(EOF)，如果在EOF的輸出端加上一阻力，液流將會聚集在輸出端形成電滲壓強(qiáng)來抗衡電滲力，直至二者達(dá)到平衡為止。當(dāng)電滲流輸出為零時(shí)可以獲得最高壓力輸出，同樣道理，當(dāng)電滲壓力為零時(shí)可以獲得最高電滲流輸出。
無活塞無閥微型電滲流驅(qū)動高壓輸液泵是由一根或數(shù)根內(nèi)徑小于200μm填充石英毛細(xì)管色譜柱或空管毛細(xì)管色譜柱，內(nèi)填粒徑小于10μm的填料(硅膠、表面修飾硅膠、離子交換樹脂、高分子微球、無機(jī)球型或無定型填料、內(nèi)成型填料)，通過串聯(lián)、并聯(lián)組合組成泵體；并由單個(gè)高壓電源為單級或多級液體輸運(yùn)泵提供電滲力，輸出壓強(qiáng)是多級泵加和；由電滲流在毛細(xì)管內(nèi)流動產(chǎn)生高壓；由除氣裝置系統(tǒng)排除電極產(chǎn)生的氣泡；通過控制電壓或電滲流調(diào)節(jié)輸出流量和壓強(qiáng)，以滿足各種不同的微流量輸液要求；該泵能夠長時(shí)間不間斷連續(xù)工作，流量范圍≤2μL/min且沒有最低流量限制。
本發(fā)明具體技術(shù)方案如下在電滲流流動的輸出端加上一阻力，液流聚集在輸出端形成電滲壓強(qiáng)來抗衡電滲力，產(chǎn)生電滲高壓，通過控制電壓或電滲流調(diào)節(jié)輸出流量和壓強(qiáng)的無活塞無閥電滲流驅(qū)動高壓輸液泵系統(tǒng)，其特征在于，在泵的輸出端串聯(lián)有氣體排除裝置，并且作為單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵滿足下述條件所用毛細(xì)管色譜柱采用內(nèi)徑50-200μm的毛細(xì)管，填料粒徑為50nm-10μm；所用電極采用內(nèi)徑100-200μm的空心電極；所用導(dǎo)管采用10-200μm的毛細(xì)管；流量范圍為≤2μL/min。
填料選用硅膠、表面修飾硅膠、離子交換樹脂、高分子微球、無機(jī)球型或無定型填料、內(nèi)成型填料中的一種。
空心電極采用惰性金屬、合金、導(dǎo)電復(fù)合材料和導(dǎo)電塑料材料。
氣體排除裝置由一帶液體輸入口、輸出口及排氣口的空心腔室(內(nèi)涂憎水性材料)構(gòu)成，從液體輸入口輸入液體，經(jīng)空心腔室下部的液體輸出口排出液體，而含有氣體的液體由空心腔上部所設(shè)有的排氣口(上加一阻力)排出。
由單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵多個(gè)串聯(lián)構(gòu)成多級泵，在泵的輸出端串聯(lián)有氣體排除裝置。
由單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵多個(gè)串聯(lián)構(gòu)成多級泵，只用單組電源同時(shí)驅(qū)動串聯(lián)多級泵。
由單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵并聯(lián)構(gòu)成多級泵，在泵的輸出端串聯(lián)有氣體排除裝置；該泵可作為多元梯度淋洗泵，以滿足特殊輸液要求。
每一并聯(lián)或串聯(lián)單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵再分別串聯(lián)和/或并聯(lián)單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵構(gòu)成復(fù)合多級泵。
空心電極為二通、三通或多通空心電極。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。


圖1為單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵的示意圖2為單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵串聯(lián)構(gòu)成多級泵的示意圖；圖3為單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵并聯(lián)構(gòu)成多級泵的示意圖；圖4為每一并聯(lián)或串聯(lián)單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵再分別串聯(lián)和/或并聯(lián)單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵構(gòu)成復(fù)合多級泵的示意圖。
圖5為氣體排除裝置的示意圖。
圖中1-毛細(xì)管色譜柱，2-導(dǎo)管，3-空心電極，3′-三通空心電極，3″-多通空心電極，4-氣體排除裝置，5-恒壓/恒流控制裝置，14-液體輸入口，15-液體輸出口，16-排氣口。
實(shí)施例1單級驅(qū)動泵，銅制空心二通內(nèi)徑200μm作為電極和液體通道，采用柱長20cm，內(nèi)徑75μm填充柱，內(nèi)填粒徑5μm的硅膠填料，導(dǎo)管內(nèi)徑100μm，水溶液PH值為6.5，驅(qū)動電壓13.0-26.0KV，流量范圍0.3000-0.4000μL/min，輸出壓力2.5-7.5MPa；實(shí)施例2二級驅(qū)動泵，不銹鋼空心二通內(nèi)徑100μm作為電極和液體通道，采用內(nèi)徑50μm填充柱，內(nèi)填粒徑1μm的硅膠填料，導(dǎo)管內(nèi)徑50μm，其余條件同實(shí)施例1，驅(qū)動電壓8.0-15.0KV，流量范圍0.2500-0.9500μL/min，輸出壓力3.5-15MPa；。
實(shí)施例3二級驅(qū)動泵，滲金屬陶瓷空心二通內(nèi)徑150μm作為電極和液體通道，采用內(nèi)徑200μm填充柱，內(nèi)填粒徑5μm的離子交換樹脂，導(dǎo)管內(nèi)徑10μm，其余條件同實(shí)施例1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同實(shí)施例2。
實(shí)施例4二級驅(qū)動泵，導(dǎo)電塑料空心二通內(nèi)徑200μm作為電極和液體通道，采用內(nèi)徑100μm填充柱，內(nèi)填粒徑2μm的高分子微球，導(dǎo)管內(nèi)徑75μm，其余條件同實(shí)施例1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同實(shí)施例2。
實(shí)施例5二級驅(qū)動泵，鉑制空心二通內(nèi)徑150μm作為電極和液體通道，采用內(nèi)徑150μm填充柱，內(nèi)填粒徑10μm的無機(jī)球型，導(dǎo)管內(nèi)徑50μm，其余條件同實(shí)施例1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同實(shí)施例2。
實(shí)施例6二級驅(qū)動泵，不銹鋼空心二通內(nèi)徑100μm作為電極和液體通道，采用內(nèi)徑50μm填充柱，內(nèi)填粒徑10μm的無定型填料，導(dǎo)管內(nèi)徑100μm，其余條件同實(shí)施例1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同實(shí)施例2。
實(shí)施例7二級驅(qū)動泵，導(dǎo)電塑料空心二通內(nèi)徑200μm作為電極和液體通道，采用內(nèi)徑100μm填充柱，內(nèi)填內(nèi)成型填料，導(dǎo)管內(nèi)徑75μm，其余條件同實(shí)施例1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同實(shí)施例2。
實(shí)施例8三級驅(qū)動泵，銅制空心三通作為電極和液體通道，柱1柱長20cm，內(nèi)徑200μm，內(nèi)填粒徑5μm的硅膠填料；柱2柱長18cm，內(nèi)徑100μm，內(nèi)填粒徑5μm的硅膠填料；柱3同柱1；水溶液PH值為6.5，驅(qū)動電壓8.7-17.4KV，流量范圍0.2500-0.7000μl/min，輸出壓力1.6-4.8MPa。
權(quán)利要求
1.一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，是在電滲流流動的輸出端加上阻力，液流聚集在輸出端形成電滲壓強(qiáng)來抗衡電滲力，產(chǎn)生電滲高壓，通過控制電壓或電滲流調(diào)節(jié)輸出流量和壓強(qiáng)的無活塞無閥電滲流驅(qū)動高壓輸液泵系統(tǒng)，其特征在于，在泵的輸出端串聯(lián)有氣體排除裝置，并且作為單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵滿足下述條件a.所用毛細(xì)管色譜柱采用內(nèi)徑50-200μm的毛細(xì)管，填料粒徑為50nm-10μm；b.所用電極采用內(nèi)徑100-200μm的空心電極；c.所用導(dǎo)管采用10-200μm的毛細(xì)管；d.流量范圍為≤2μL/min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于所述填料選用硅膠、表面修飾硅膠、離子交換樹脂、高分子微球、無機(jī)球型或無定型填料、內(nèi)成型填料中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于所述空心電極采用惰性金屬、合金、導(dǎo)電復(fù)合材料和導(dǎo)電塑料材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于所述的氣體排除裝置由一帶液體輸入口、輸出口及排氣口的空心腔室構(gòu)成，從液體輸入口輸入液體，經(jīng)空心腔室下部的液體輸出口排出液體，而含有氣體的液體由空心腔上部所設(shè)有的排氣口排出。
5.一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于是由權(quán)利要求1-4所述的單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵多個(gè)串聯(lián)構(gòu)成多級泵，在泵的輸出端串聯(lián)有氣體排除裝置。
6.一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于是由權(quán)利要求1-4所述的單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵多個(gè)串聯(lián)構(gòu)成多級泵，只用單組電源同時(shí)驅(qū)動串聯(lián)多級泵。
7.一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于是由權(quán)利要求1-4所述的單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵并聯(lián)構(gòu)成多級泵，在泵的輸出端串聯(lián)有氣體排除裝置；該泵可作為多元梯度淋洗泵，以滿足特殊輸液要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于每一并聯(lián)或串聯(lián)單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵再分別串聯(lián)和/或并聯(lián)權(quán)利要求1-4所述的單級電滲流驅(qū)動高壓輸液泵構(gòu)成復(fù)合多級泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、5、7或8所述的電滲流驅(qū)動高壓輸液泵，其特征在于所用空心電極為二通、三通或多通空心電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電滲流驅(qū)動高壓輸液泵,將電能轉(zhuǎn)化為流體運(yùn)動能量的可精確控制流量的無活塞無閥高壓輸液泵,該泵可產(chǎn)生0～45兆帕(MPa)的輸出壓力,流量≤2μL/min,沒有最低流量限制,特別適用于微流量系統(tǒng)的液體驅(qū)動,例如微流量液相色譜(μ－HPLC)分離分析的流動相驅(qū)動,毛細(xì)管電色譜(CEC)、毛細(xì)管電泳(CE)等領(lǐng)域的分離分析效率改進(jìn)和提高,微型流動系統(tǒng)的輸液控制。
文檔編號G01N30/00GK1379244SQ0111050
公開日2002年11月13日 申請日期2001年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月6日
發(fā)明者關(guān)亞風(fēng), 陳令新 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所