一种级联高压电渗泵

摘要

本发明涉及化学分析技术领域，是一种级联高压电渗泵，含有阳离子型毛细管通道、阴离子型毛细管通道、耦合器、高压电源、工作介质容器和铂金电极，是利用阳离子型毛细管通道、阴离子型毛细管通道通过耦合器交替连接构建的三级或多级级联电渗泵；高压电源的正向电压施加到阳离子型毛细管通道两端，而高压电源的负向电压施加到阴离子型毛细管通道两端；毛细管通道为由刚性绝缘材料构建的管状型或沟槽型通道；本发明的积极效果是：基于阳离子型毛细管通道和阴离子型毛细管通道交替相连的方式实现电场方向的自然切换和输出压力的有效提高、最大限度的降低电场耦合器使用数量，简化泵的系统。

说明书

技术领域

本发明涉及化学分析技术领域，具体涉及一种微流量高压泵——级联高压电渗泵，可用于毛细管或纳升级液相色谱、毛细管离子色谱等系统。

背景技术

毛细管/纳升级液相色谱（CLC）或毛细管离子色谱(CIC）以其高效、节省溶剂、易于与质谱（MS）联用等优势成为近年来最受人关注的分析技术之一。高压输液泵是毛细管液相色谱系统的核心部件之一，其功能是将流动相或淋洗液输送到分离柱系统，使样品完成分离过程。由于毛细管液相色谱系统常用的流量范围为μL/min级，而常规机械输液泵因单向阀和动态密封的微渗漏而难以精确输送微升及μL/min以下流量。电渗泵（EOP）是一种利用电渗流实现液体驱动的新型微泵，它的特点是输出压力高，流量大小和方向改变可通过改变电场大小和方向轻松实现。在其他条件保持不变时，提高电渗泵的输出压力可通过提高电场强度或提高施加电压来实现。而电渗泵常用泵体需要施加的电压通常为几千伏至上万伏。该高压不利于操作人员的安全，尤其是在湿度比较大的环境下。但低电压与高输出压力成为一对矛盾。解决办法就是使用级联电渗泵，即用类似倍增器的多级泵串联，等效于多个泵体串联而无需提高施加电压。

级联电渗泵是由Takamura等人首次提出的，是在玻璃芯片上构建一个开管式级联电渗泵，每级泵泵体由并行的10个窄通道后接一个单个宽通道两部分组成。正向电压施加在窄通道的两端产生一正向的电渗流，而在宽通道两端施加一等值的反向电压产生一反向的电渗流。由于在窄通道区产生的总电渗流远大于宽通道上电渗流，因此，从每级电渗泵输出的净电渗流为正向电渗流。同理，每级电渗泵输出的压力为正向输出压力，该级联电渗泵可实现输出压力的倍增。

为克服上述开管级联电渗泵输出压力低的内在缺陷，Guan等人提出了一种基于填充柱的级联电渗泵，其每一级泵包含毛细管填充柱和开管毛细管两部分。毛细管填充柱和开管毛细管采用同一材质，其区别是：前者（毛细管填充柱）内有填充物，后者（开管毛细管）为中空；正向电压施加在毛细管填充柱的两端产生一正向的电渗流，而在开管毛细管两端施加一个等值的反向电压会产生一个反向的电渗流。使用该开管毛细管仅仅是用于切换电场方向，但该设计显然增加了系统的复杂性，同时，它产生的电渗流抵消了部分毛细管填充柱产生的电渗流。

上述两种级联电渗泵虽设计巧妙，但存在一个共同的缺陷，即：反向电渗流泵体部分的存在。例如，上述设计中分别采用了宽通道和开管毛细管，使用这些泵体仅仅是用于切换电场方向而无益于电渗流或输出压力的增加，但是，增加耦合器（或称之为连接接头）的数量会增加系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种级联高压电渗泵，能实现电场方向的自然切换，最大限度地减少了耦合器的使用量，有效提高输出压力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种级联高压电渗泵，含有阳离子型毛细管通道、阴离子型毛细管通道、耦合器和高压电源，其特征是，为利用阳离子型毛细管通道、阴离子型毛细管通道通过耦合器交替连接构建的三级或多级级联电渗泵；高压电源的正向电压施加到阳离子型毛细管通道两端、而高压电源的负向电压施加到阴离子型毛细管通道两端。

所述的三级级联电渗泵阳离子型毛细管通道与阴离子型毛细管通道通过耦合器的交替连接为：第一阳离子型毛细管通道为三级级联电渗泵的第一级泵，第二阳离子型毛细管通道为三级级联电渗泵的第三级泵，两个通道两端均施加正向电压；阴离子型毛细管通道为三级级联电渗泵的第二级泵，其两端施加负向电压；在施加电场后，第一阳离子型毛细管通道和第二阳离子型毛细管通道均产生从正极到负极的电渗流，而阴离子型毛细管通道内产生从负极到正极的电渗流。

所述的阳离子型毛细管通道或阴离子型毛细管通道为有效内径为1～750μm的刚性绝缘材料构建的通道，通道为管状型或沟槽型；通道内填充颗粒的粒径为100 nm～10 μm或通过原位聚合方式构建的整体式填充物。

所述的阳离子型毛细管通道包括表面官能团为磺酸基－SO3-的强阳离子型毛细管通道以及表面官能团为磷酸基－PO^3-或羧酸基－COO^-或－SiO^-的弱阳离子型毛细管通道。

所述的阴离子型毛细管通道包括表面官能团为季胺基－R₄N⁺的强阴离子型毛细管通道以及表面官能团为叔胺－R₃N或仲胺基－R₂N的弱阴离子型毛细管通道。

所述的耦合器为不锈钢二通或不锈钢三通。

本发明一种级联高压电渗泵的积极效果为：

利用阳离子交换整体柱、阴离子交换整体柱交替连接构建成三级或多级级联电渗泵，在施加电场后，阳离子型毛细管通道产生从正极到负极的电渗流，而阴离子型毛细管通道内产生从负极到正极的电渗流；由于系统内没有返流，因此总输出压力约等于三级泵的总和，即，三级或多级级联电渗泵的总输出压力等于阳离子型毛细管通道与阴离子型毛细管通道输出压力之和，通过该方式可在无需提高施加电压的条件下实现输出压力的倍增。

附图说明

图1为本发明一种级联高压电渗泵（三级级联电渗泵）的结构示意图；

图2为本发明一种级联高压电渗泵（三级级联电渗泵）的效果图；

图中的标号分别为：

1、第一阳离子型毛细管通道；     2、阴离子型毛细管通道；

31、第一耦合器；                32、第二耦合器；

33、第三耦合器；                4、第二阳离子型毛细管通道；

5、输出毛细管通道；             6、高压电源；

7、工作介质容器；               8、铂金电极。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种级联高压电渗泵的具体实施方式，但是，本发明的实施不限于以下的实施例。

参见附图1。一种级联高压电渗泵，为三级级联电渗泵，含有第一阳离子型毛细管通道1、阴离子型毛细管通道2、耦合器、第二阳离子型毛细管通道4、输出毛细管通道5、高压电源6、工作介质容器7和铂金电极8。取几段一定长度（如10～20 cm）的阳离子型毛细管通道和几段一定长度（如10～20 cm）的阴离子型毛细管通道，将阳离子型毛细管通道与阴离子型毛细管通道交替相连。如构建三级级联电渗泵，其结构为：将高压电源6的正极分别与铂金电极8、耦合器32相连；高压电源6的负极分别与耦合器31和耦合器33相连；将第一阳离子型毛细管通道1的一端插入到工作介质容器7内从而与铂金电极8连接；将第一阳离子型毛细管通道1的另一端通过第一耦合器31与阴离子型毛细管通道2的一端连接；将第二阳离子型毛细管通道4的一端通过第二耦合器32与阴离子型毛细管通道2的另一端连接；第二阳离子型毛细管通道4的另一端通过第三耦合器33与输出毛细管通道5连接。

第一阳离子型毛细管通道1为三级级联电渗泵的第一级泵，第二阳离子型毛细管通道4为三级级联电渗泵的第三级泵。高压电源6的正向电压与铂金电极8和工作介质容器7相连为正极，第一阳离子型毛细管通道1的与工作介质容器7相连的一端为正极，而与第一耦合器31相连的另一端为负极；阴离子型毛细管通道2是为三级级联电渗泵的第二级泵，高压电源6的负向电压施加到阴离子型毛细管通道2的两端：第一耦合器31和第二耦合器32分别作为负极和正极；第二阳离子型毛细管通道4两端施加的是正向电场，与第二耦合器32相连的一端为正极，而与第三耦合器33的一端为负极。在施加电场后，第一阳离子型毛细管通道1和第二阳离子型毛细管通道4均产生从正极到负极的电渗流，而阴离子型毛细管通道2内产生从负极到正极的电渗流。

所述的阳离子型毛细管通道或阴离子型毛细管通道2采用有效内径为250μm的刚性绝缘材料构建的通道，通道为管状型或沟槽型；通道内填充颗粒的粒径为100 nm～10 μm（通常采用的粒径为3μm或5μm）或通过原位聚合方式构建的整体式填充物。

所述的阳离子型毛细管通道可采用强阳离子型（表面官能团为磺酸基－SO^3-）或弱阳离子型毛细管通道（表面官能团为磷酸基－PO^3-或羧酸基－COO^-或－SiO^-）。所述的阴离子型毛细管通道2可采用强阴离子型（表面官能团为季胺基－R₄N⁺）或弱阴离子型毛细管通道（表面官能团为叔胺－R₃N或仲胺基－R₂N）。所述的耦合器采用不锈钢二通或不锈钢三通。高压电源6、工作介质容器7和铂金电极8可采用现有产品，无特殊要求。

若构建四级或更多级的级联电渗泵，可通过增加阳离子型毛细管通道与阴离子型毛细管通道交替相连的级数来实现。

参见附图2。采用上述三级级联电渗泵，当施加电压为4 kV时，其总输出压力约等于三级泵单个输出压力之和。