减少由于在平面微流体分离装置中的过孔而引起的分散

摘要

一种平面微流体化学品分离装置，包括位于该装置的平面中的分离通道。该装置还包括定位成垂直于该分离通道的一个或多个过孔。所述过孔在分离通道和基板的外表面之间延伸以便与所述分离通道流体连通。所述过孔具有大致小于分离通道的第一区域的截面积的截面积以抑制由样品带通过所述一个或多个过孔而引起的带变宽。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月9日提交的美国临时专利申请No.61/495,043的优先权。美国临时申请No.61/495,043的整个内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及减少由于平面微流体分离装置中的过孔而引起的分散。

背景技术

诸如高性能液相色谱（HPLC）和毛细管电泳（CE）的化学品分离技术的目的是基于例如具有固定相的差别化化学亲合势或胶体中的差别化迁移速度来分离化学物种的混合物的不同的成分。分离的结果通常是示出在不同的时间从分离柱或通道洗提并且由诸如UV吸收率、激光感应的荧光、或质谱分析的各种技术检测到的一系列峰的色谱（HPLC）或电泳图（CE）。当峰最尖锐时，认为分离的质量是最高的。

虽然化学品选择是分离技术的原动力，但是分散是导致峰变得更宽的关键物理现象。热力学的第二原理表明，分析物的窄带中的分子将通过扩散和对流在空间上重新分配它们本身，使得最初的尖峰随着它行进通过色谱系统将逐渐变宽。理解并最小化分散是对于分离科学家来说的关键问题。

用于分析应用（与制备应用对照）的现代液相色谱分离通常在内径在1.0mm和4.6mm之间且长度在5cm与15cm之间的不锈钢管中进行。这些管或柱充满平均直径为1.7微米至3.5微米的多孔粒子。烧料放置在柱的两端处以将粒子保持到位并且防止当流体流经填充床时填充床松动。多孔粒子的不动的填充床通常称为固定相，且流经不动填充床的流体称为流动相。内径0.250mm或更小的管通常通过螺纹端口附接在柱的被称为进口和出口的两端处。进口管通常连接在柱的进口与布置在柱的上游的喷射阀和泵之间。泵以规定的流率输送流动相流，所述规定的流率贯穿分离通常是恒定的。在作为LC的常见模态的反相液相色谱（RP-LC）的情况下，流动相通常是以固定的（等度分离）或线性形式变化（梯度分离）的组成的水和有机溶剂诸如乙腈的混合物。喷射阀将待被分离的化学物种的混合物的塞式物或带喷射到流动相中。该带随着流动相行进到柱，其组分在该柱处被分离。连接到柱的出口的出口管将所分离的组分输送至检测器（例如，UV检测器或质谱仪）。

同质填充床中的分散可由Van Deemter模型来表示和计算。在峰或带已经行进距离L之后，它已经变宽并且其宽度可由其空间方差                                               或时间方差量化，其中，是下文中定义的线速度。带变宽的两个常见度量是定义为H=/L=的板高度和定义为的板计数。分离科学家试图最小化带变宽，并且因此最小化板高度H和最大化板计数N。常用的Van Deemter模型预测，其中是平均粒子直径，是分析物（样品）的分子扩散系数，并且是流动相的线速度。线速度本身被计算为，其中是床中的表面速度，是流动相的流率，是柱的截面积，并且是填充床的总孔隙度。由于粒子是多孔的，所以总孔隙率是粒内孔隙度和粒间孔隙度（当将粒子视为实心球时，粒子之间的体积）之和。

在Van Deemter 模型中，这三项分别说明填充床中的非均匀度、粒子之间的流动相中的分散、以及到多孔粒子的固定相的质量转移。该模型示出，分散在很大程度上由分离介质的几何结构引起，而不仅由流动相中分析物的扩散引起。1.5项假设床被很好地填满。如果情况不是这样，则该常数可大于1.5。在分离介质是使用光刻法制造的规则有序的柱子阵列的情况下，与粒子随机地布置在空间中的填充床相反，该常数能够显著减小（参见，例如，US 6,595,144 Bl；还参见"Advantages of perfectly ordered 2D porous pillar arrays over packed bed columns for LC separations: A theoretical analysis" P. Gzil, N. Vervoort, G. Baron, G. Desmet, Analytical Chemistry 2003, 75, 6244-6250）。

为了提供说明性示例，对于下列参数：=1.7微米，=0.7、2.1mm柱直径，由40%水和60%乙腈组成的流动相，=10^-9m²/s（代表诸如hexanophenone(己苯酮)的典型的小分子化合物的值），由van Deemter模型（也被称为van Deemter曲面）预测的板高度对线速度的关系在图1中绘制出。最小板高度是H_min=3.94微米，对于=1.347mm/s或=4微升/分钟。注意当非常小时由于van Deemter方程式的/项导致的的急升（steep rise）指示分散的主要贡献者是流动相中的分析物的物理扩散。对于分离装置的设计而言会重要的是不在图1中标记为101的区域，其可任意地定义为u<0.5mm/s，如由线100指示。在常见HPLC实践中，Van Deemter 模型用来获得整个柱的一个板高度或一个板计数。这当填充床和线速度在柱的整个体积上近似均匀时是有意义的。然而，该模型也局部地适用于填充床的小部分并且对于计算柱的几何结构不同于管或线速度在填充床上变化的情况中的分散是充分足够的。

在一些应用中，显著地，当样品的量受到限制时，或当期望将LC柱连接到质谱仪（MS）时，使用具有较小内直径（通常范围从75微米至300微米）且具有通常小于12微升/分钟的相关联的流动相流率的柱是有利的。色谱法的该尺度通常被称为微尺度或纳米尺度色谱法。可能难以从金属管形成具有对于高质量HPLC所需的尺寸一致性和表面光洁度的柱。通常，75微米至150微米ID柱由熔融硅石制造，并且300微米ID柱由聚醚醚酮诸如PEEK聚合物（可从英国Lancashire的Victrex PLC获得）制造。虽然以微量的样品实现高质量分离是可能的，但是与最小化由于管件连接和流体连接而引起的额外柱带变宽相关联的挑战，尤其是避免死体积，限制了这种柱用于诸如蛋白质组学的专门应用。

在微尺度或纳米尺度色谱法的领域内，平面微流体装置在最近几年中作为传统上用于HPLC和CE的不锈钢、PEEK、或熔融硅石管的替代已经获得了关注。在玻璃或聚合物中制造的CE微片允许创造较小的注射塞式物，允许较佳地驱散由焦耳加热引起的热量，以及允许将多个平行的分离通道一体化到单个平面装置。同样地，在HPLC和超性能液相色谱（UPLC?）领域中，微片具有超过由熔融硅石或PEEK制造的可商购管状柱的一些优势。那些优势包括在相同的装置上集成捕获通道作为分析通道而具有在两个通道之间最小的死体积、较佳的易用性、流体连接和相关联的死体积的减少、以及降低的渗漏风险。

发明内容

本发明部分地起因于如下实现：通过减小过孔-通道过渡区域中的流体输送体积，可减少平面微流体化学品分离装置中的分散并且因此分离性能或效率的损失。这可通过减小过孔的直径以及在一些情况下变窄或锥化通道进口即过孔和通道联结的区域而实现。

本发明的一个方面提供平面微流体化学品分离装置。该装置包括位于该装置的平面中的分离通道。该装置还包括定位成垂直于分离通道的一个或多个过孔。所述过孔在分离通道和基板的外表面之间延伸以便与分离通道流体连通。所述过孔具有大致小于分离通道的第一区域的截面积的截面积以抑制由样品带通过所述一个或多个过孔而引起的带变宽。

本发明的另一个方面表征为如下方法，该方法包括：将携载样品带的流动相流体输送通过基板中的第一过孔以便驱动样品通过由基板限定的分离通道，使得样品带的成分得到分离并且随后通过基板中的第二过孔排出。第一过孔和第二过孔具有大致小于分离通道的第一区域的截面积的截面积，由此抑制由样品带通过第一过孔和第二过孔而引起的带变宽。

在另一个方面中，本发明表征为形成平面微流体化学品分离装置的方法。该方法包括：在第一基板层中形成一对过孔；在第二基板层中形成第一凹槽；以及连接所述第一基板层和所述第二基板层以形成基板，并且使得所述第一凹槽形成封闭的分离通道的至少一部分，并且所述过孔允许与所述分离通道流体连通。过孔具有大致小于分离通道的第一区域的截面积的截面积，由此抑制由样品带通过过孔而引起的带变宽。

实施方式可以包括下列特征中的一个或多个。

在一些实施方式中，过孔的截面积比分离通道的第一区域的截面积小1.7倍至9.0倍（例如，小4.0倍）。

在某些实施方式中，分离通道的第一区域具有0.07mm²至0.20mm²的截面积。也就是，分离通道的第一区域可具有对应于300微米至500微米直径柱的截面积的截面积。

在一些实施方式中，分离通道具有5cm至25cm例如10cm的长度。

在某些实施方式中，分离通道构造成执行层析分离。

在一些实施方式中，分离通道的第一区域占据通道的长度的90%至99%。

在某些实施方式中，分离通道还包括与过孔交界并且朝过孔锥化的一个或多个过渡区域。过渡区域占据通道的长度的1%至10%。

在一些实施方式中，分离通道具有在第一区域和过孔之间延伸的第二区域，该第二区域具有朝与过孔的联结点变窄的通道宽度。

在某些实施方式中，第二区域具有朝与过孔的联结点变窄的通道高度。

在一些实施方式中，分离通道具有在第一区域和过孔之间延伸的过渡区域。第二区域具有朝与过孔的联结点变窄的通道高度。在一些实例中，分离通道从在第一区域中的第一通道高度变窄到在过渡区域中的比第一通道高度小10%至50%（例如，小25%）的第二通道高度。

在某些实施方式中，基板包括布置在分离通道内的多孔粒子。

在一些实施方式中，基板包括限定分离通道的至少部分的第一基板层和覆盖该第一基板层并且限定过孔的第二基板层。

在某些实施方式中，分离通道具有正方形或矩形截面形状。

在某些实施方式中，分离通道具有圆形化的截面形状。

在某些实施方式中，分离通道在与过孔的联结点处以圆形化角终止以便抑制流体流在联结点处的停滞。

在一些实施方式中，在第一凹槽的终端处形成锥形区域，使得在与过孔交界的过渡区域中分离通道锥化。

在某些实施方式中，在第一基板层中形成第二凹槽，使得，当将第一基板层和第二基板层连接时，第一凹槽和第二凹槽一起形成封闭的分离通道。

在一些实施方式中，在第二凹槽的终端处形成锥形区域，使得在与过孔交界的过渡区域中分离通道锥化。

在某些实施方式中，在第一和第二凹槽的终端处形成锥形区域，使得在与过孔交界的过渡区域中分离通道锥化。

实施方式可提供下列优势中的一个或多个。

在一些实施方式中，由于平面微流体化学品分离装置中的过孔和通道之间的过渡而导致的色谱性能中的恶化可得到减小。

在某些实施方式中，样品带变宽在过孔-通道过渡的区域中减小。

在一些实施方式中，平面微流体分离装置被提供有与传统直分离柱的性能特性大致相同的性能特性。

其它方面、特征、和优势在说明书、附图、和权利要求中。

附图说明

图1是示出由van Deemter模型预测的板高度H对线速度u的绘制的图形。

图2是平面微流体化学品分离装置的透视图。

图3示出模拟通过过孔和5mm长段分离通道的样品带的流动的数值仿真的结果，其中，过孔和分离通道的截面积等于300微米的管的截面积。

图4是示出在图3的模型的进口和出口处测量的峰轮廓与在具有相等长度的流体路径的直柱的进口和出口处的峰轮廓相比的图。

图5是图3的模型的一系列侧视图，示出在样品带通过过孔并且进入分离通道时样品带在不同时间的形状。

图6是示出沿着图5中的线205的线速度的图形。

图7示出模拟样品带通过过孔和5mm长段分离通道的流动的数值仿真的结果，其中，过孔具有比分离通道的截面积小4倍的截面积。

图8示出模拟样品带通过过孔和5mm长段分离通道的流动的数值仿真的结果，其中，过孔具有比分离通道的第一区域的截面积小4倍的截面积，并且在第二区域中，分离通道的宽度在它联结过孔时变窄。

图9示出模拟样品带通过过孔和5mm长段分离通道的流动的数值仿真的结果，其中，过孔具有150微米的直径，并且分离通道在第一区域中具有265微米的宽度和高度，并且在接近过孔的第二区域中，分离通道的高度和宽度线性地逐渐减小（锥化）至150微米。

图10示出模拟样品带通过过孔和5mm长段分离通道的流动的数值仿真的结果，其中，过孔具有170微米的直径并且分离通道在第一区域中的宽度和高度分别是350微米和200微米, 并且在接近过孔的第二区域中，分离通道的高度和宽度分别线性地逐渐减小至170微米和125微米。

图11A是图10的模型的侧视图。

图11B是示出沿着图11A中的线1003的线速度的图形。

图12A示出模拟样品带通过过孔和5mm长段分离通道的流动的数值仿真结果，其中，通道具有近似半椭圆形的横截面，在通道联结过孔时，横截面变窄。

图12B示出图12A的分离通道的近似半椭圆横截面形状。

图13A是图12A的模型的侧视图。

图13B是示出沿着图13A中的线05的线速度的图形。

图14A示出模拟样品带通过过孔和5mm长段分离通道的流动的数值仿真结果，其中，通道具有近似椭圆形的横截面，在它联结过孔时，横截面变窄。

图14B示出图14A的分离通道的近似椭圆横截面形状。

相似的附图标记指示相似的元件。

具体实施方式

本发明的目的在于减少在平面微流体分离装置中的过孔-通道过渡区域中的流体输送体积，从而减小由样品带通过那些区域而引起的带变宽。这可通过减小过孔的直径以及在一些情况下变窄或锥化通道入口（即，过孔和通道联结的区域）来实现。

图2示出平面微流体化学品分离装置200，该装置200是由第一基板层201和第二基板层202组成的基板。第一基板层201可由聚酰亚胺、陶瓷、金属、或其组合形成，并且包括可例如通过机加工、化学蚀刻、或激光烧蚀而形成在第一基板层201中的凹槽。第二基板层202也可由聚酰亚胺、陶瓷、金属、或其组合形成，并且大体与第一基板层201的材料相同。第二基板层202包括可例如通过机加工（例如，钻削）、化学蚀刻、或激光烧蚀形成在第二基板层202中的一对过孔203。

第一基板层201和第二基板层202诸如通过层压、焊接、或扩散结合连接在一起以形成基板。在一些情况下，第一和第二基板层201、202是扩散结合在一起的钛层。当将第一基板层201和第二基板层202连接在一起时，第二基板层202覆在第一基板层201上，使得凹槽形成封闭的分离通道204，并且过孔203允许与分离通道204流体连通。分离通道204填充有色谱粒子，并且烧料形成在分离通道204的端部处以将填充的粒子锁定到位。分离通道的长度的范围通常在5cm和25cm之间，例如，10cm。在该示例中，分离通道204具有两个60°转和一个180°转以便将长度10cm或以上的通道配合到长度5.0cm和宽度2.5cm的小尺寸平面基板中。分离通道204的宽度和高度被选择成使得分离通道204的截面积等于已经可商购的微尺度或纳米尺度柱的截面积，范围通常在75微米和300微米之间。关于此点，分离通道204具有67微米至265微米的宽度和67微米至265微米的深度。

在使用中，进口管连接在平面微流体化学品分离装置200的过孔203中的第一过孔与喷射阀和泵之间。泵以规定的流率输送流动相流，所述规定的流率贯穿分离通常是恒定的。喷射阀将样品的塞式物或带喷射到流动相中。该带随着流动相行进到分离通道204，其组分在此处分离。出口管，其连接到在分离通道204的相反端处过孔203中的另一个，将分离的组分输送至检测器（例如，UV检测器或质谱仪），该检测器进而可连接到计算机数据站以便记录来自检测器的电信号以及产生色谱。

显著地，过孔203设置有比分离通道的截面积更小的截面积。例如，过孔可具有比分离通道的截面积小1.7至9倍例如小4倍的截面积。该布置可助于减小由样品带穿过过孔而引起的带变宽。

下列示例通过与通道和过孔具有相同截面积的布置相比较示出该类型的布置的益处。图3示出模拟一个过孔300和5mm长段的分离通道301的数据仿真的结果。在该模型中，过孔300和通道301两者具有等于300微米的管的截面积的截面积。过孔300具有300微米的直径和889微米的高度。分离通道301具有265微米的宽度和高度。具有由时间方差表征的高斯轮廓的分析物的峰在过孔300的进口303处被引入。该峰也以图4的第一峰400示出。注意，“峰”和“带”可交换地使用以描述样品的塞式物。流动相将分析物的带朝计算区域的出口305输送。可看到的是，带302在它已经从过孔300过渡到分离通道301中之后严重地扭曲，具有大的拖尾304。在出口305处测量的峰在图4上以401绘制。该峰示出拖尾的清晰证据。其时间方差被计算且被称为。差-表征在计算区域的进口和出口之间发生的带变宽量。该带变宽是两个贡献者之和。第一贡献者是将在直柱中出现的正常带变宽。第二贡献者是特别由于过孔-通道过渡而引起的额外带变宽。

第一贡献者可通过实施长度5.889mm的300微米直径圆柱形管的计算机仿真来计算，长度5.889mm等于图3的过孔300的长度和通道301的长度之和。在该仿真中，在进口处的峰轮廓是与400中示出的高斯曲线相同的高斯曲线，并且在出口处的轮廓是曲线402，其是高斯曲线并且具有时间方差。清晰的是，峰401比峰402更宽。差异-是在相当于图3的流体路径的全长的长度的直柱中发生的正常带变宽。由于线速度在直管柱中是均匀的，所以事实上可根据Van Deemter方程式-=/来解析地计算，其中L=5.889mm。

因此，特别地由于进口中的过孔-通道过渡而引起的额外带变宽被计算为。对于出口过孔执行类似的仿真，在这种情况下，峰在305处被引入并且在303处离开。发现，在出口（outlet）过孔中的额外分散等于进口（inlet）过孔中的额外分散：。

这允许对于整个装置的有效的板高度被计算如下。具有以上参数的直柱具有板高度H=3.94微米，如上所论述的。对于如图3中所示的具有L=10cm长分离通道和直径300微米的两个过孔的平面微流体装置，与直的300微米直径、10cm通道而无过孔的3.94微米（的板高度）相比，使用计算的有效板高度将是=6.65微米，即，与直柱（“板高度恶化”）相比，仅由于过孔-通道过渡而增加69%。该示例示出用来预测和定量额外分散的计算程序。在所有的情况下，为了表达清楚，与没有过孔-通道过渡的直柱的基准情况相比，额外分散被报告为百分比恶化。描述固定相和流动相的所有参数将按上述那样给出。关于此点，微米，，。

图5是图3中所示的相同的计算模型的一系列侧视图。它示出带在行进通过过孔300并且进入分离通道301时在不同处的形状。在t=1.5s时，带302是直的并且相对窄。在t=2.0s时，带303的前部已经前进到分离通道中，而带304的尾部滞后。该拖尾在t=2.5s和t=3.0s处进一步加重。沿着图5中的长度1mm的线305的线速度在图6中示出。远离过孔300，线速度迅速地接近u=1.347mm/s。接近过孔300，u大致较低。事实上，在过孔300的左下角处，局部线速度为零，指示驻点。参照图1中的板高度H对线速度u的曲线，非常小的线速率与非常大的板高度并且因此与非常大的分散相关联。这是在过孔300与分离通道301之间的过渡的区域中看到的额外分散的理由。

图7示出模拟根据本发明的布置的数值仿真的结果。在图7的示例中，对于如在图3中相当于300微米的圆柱形柱的截面积的横截面面积，分离通道701具有265微米的宽度和高度，但是过孔700具有150微米的直径，因此，截面积比图3的过孔小四倍。由于沿着流路径的流率是恒定的，所以在过孔700中的线速度是四倍大，5.388mm/s，这对应于根据van Deemter模型的板高度5.33微米。可看到的是，带702在它已经离开过孔700并且进入分离通道701之后比图3的带302更少扭曲。具有10cm长通道和两个150微米过孔的装置的整体板高度恶化是16.7%，显著小于对于300微米过孔的69%的对应图。

虽然上文已经描述了示例性实施例，但是其它修改是可能的。例如，在另一个实施例中，过孔的截面积小于通道的截面积，并且，此外，通道宽度在它联结过孔时变窄。例如，过孔可具有比分离通道的第一区域的截面积小1.7至9倍例如4倍小的截面积，并且分离通道可变窄使得在第二区域中分离通道的宽度与过孔的直径相同。图8示出模拟这样的布置的数值仿真的结果。在图8中所示的模型中，过孔800具有直径150微米，并且分离通道801沿着其整个长度具有353微米的宽度和200微米的高度，除在接近其端部的区域802中之外，在区域802中，分离通道变窄至150微米。过渡在0.5mm至5mm的距离上发生。计算机仿真示出，诸如图8中所示的具有两个过孔的10cm长通道具有3.1%的板高度恶化。带803的非常小的扭曲指示该几何设计能够维持尖带和避免拖尾。

在又一个实施例中，过孔的直径减小，并且分离通道高度在它联结过孔时变窄。例如，分离通道可能从第一区域中的第一高度变窄至在接近过孔的第二区域中的第二高度，该第二高度比第一高度小10%至50%，例如，25%。在一些情况下，将分离通道的宽度和高度两者的变窄考虑进去，分离通道可能从在第一区域中的第一截面积变窄至在接近过孔的第二区域中的第二截面积，该第二截面积比第一截面积小60%至70%，例如，68%。图9示出模拟这样的布置的数值仿真的结果。在图9中，过孔900具有150微米的直径，并且分离通道901在第一区域904中具有265微米的宽度和高度。在接近过孔900的第二区域902中，分离通道902的高度和宽度线性地逐渐减小至150微米的高度和宽度。板高度的恶化是1.7%。分析物带90.3在它已经进入宽度和深度为265微米的分离通道的段之后的形状示出小扭曲。

在图10中，过孔1000具有直径170微米。分离通道1001在第一区域1004中的宽度是350微米并且逐渐减小至在第二区域1002中的170微米。分离通道1001在第一区域中的高度是200微米并且逐渐减小至在第二区域1002中的125微米。板高度的恶化是1.1%。图11A是图10中所示的相同的几何结构的侧视图。沿着线1003的线速度在图11B中示出。分离通道1000在区域1002处的变窄产生大于在通道中的平均线速度1.347mm/s的线速度。如上所论述的，这不产生显著的额外分散。最小的额外分散与观察一致，即，线速度小于0.5mm/s的区域是非常小的。

图8、图9和图10示出分离通道在沿着通道的各轴向位置处的横截面是正方形或矩形的实施例。图12A和图14A示出分离通道被提供有圆形化横截面的示例。参照图12A和图12B，在第一区域1204中，分离通道1201的横截面是近似半椭圆的，在顶表面处具有200微米的深度和440微米的宽度。分离通道1201在区域1202中在它与150微米直径过孔1200联结时变窄。拐角1203是圆形化的，使得在该几何结构中不存在驻点，其中线速度是零或接近零，如图13A和图13B所示。图13A是与图12A相同的几何结构的侧视图。图13B是沿着线1205的线速度的图。甚至在拐角1203中，线速度大于1.0mm/s。

参照图14A和图14B，在第一区域1404中，图14B中所示的分离通道1401的横截面是近似椭圆的，具有320（宽度）微米和280（高度）微米的轴线。分离通道1401在它联结具有170微米的直径的过孔1400时在第二区域1402中在宽度和高度两者上逐渐减小。对于图12A和图14A的设计，板高度的恶化分别是0.0%和0.7%。

各种制造技术可用来创建以上示例中示出的几何结构。优选的材料是钛和钛合金。过孔可使用机械钻进、放电机加工（EDM）孔钻进、或激光孔钻进来在一个或多个层中制造。通道可使用机械铣削、线EDM或电化学显微机加工（EMM）在一个或多个独立的物理基板层中制造。包含过孔和通道的基板层可使用扩散结合堆叠、对准和联结以形成气封流体通道。具有正方形或矩形横截面的通道，诸如图7、图8、图9、和图10中所示的通道，可使用机械铣削制造。当在通道高度上不存在变化时（图7和图8）时，线EDM可替代地用来创建通道。具有图12A和图14A的圆形化横截面的通道可使用EMM制造。在图12A的情况下，通道可以单层制造。在图14A的情况下，通道的一半可以在也包含过孔的一个层中制造，另一半可以在第二层中制造，并且近似椭圆的横截面可通过这两层的精确的对准来实现。

因此，其它实施方式在随附权利要求的范围之内。