适用于超高效液相色谱系统的小体积高效在线静态混合器

摘要

适用于超高效液相色谱系统的小体积高效在线静态混合器，包括若干柱状的内芯，所述内芯上下端面的中间分别开设有轴向的入液孔和出液孔，内芯侧壁的上下位置分别开设有一定数量径向分布的第一连接孔和第二连接孔，第一连接孔的内端与入液孔的内端相通，第二连接孔的内端与出液孔的内端相通，第一连接孔外端所在的内芯侧壁上开设有第一环槽，第二连接孔外端所在的内芯侧壁上开设有第二环槽，第一环槽和第二环槽之间的内芯侧壁上开设有一定数量的连接槽。本发明的混合器体积小，兼顾二元高压梯度系统（径向混合）和低压梯度系统（时间前后混合），可同时适用于HPLC系统和UHPLC系统。

说明书

技术领域

本发明涉及混合器结构技术领域，尤其涉及适用于超高效液相色谱系统的小体积高效在线静态混合器。

背景技术

目前常见的高效液相色谱（HPLC）和超高效液相色谱（UHPLC）均含有等度模式和梯度模式。

在等度模式下，输液系统只负责输送单一组分的流动相，而在梯度模式下，输液系统需要运输两种或两种以上流动相，且在使用过程中，每一种流动相的组成比例都需要随着时间的变化而变化。为了保证分离分析效果，多种流动相在进入色谱柱之前需要进行充分混合，以免影响样品峰的峰型以及可重现性。

然而，不管是使用两套输液泵的二元高压梯度系统还是使用比例阀进行初步混合的四元低压梯度系统，不同的流动相进入系统前都是置于不同的溶剂瓶内的。也就是说，对于梯度系统而言，在输液系统和进样系统之间，需要一个在线混合器将进入到色谱柱前的流动相进行充分混合，而且为了比例变化的实时性，该在线混合器在保证混合效果的前提下，体积必须充分的小，因为流动相组成变化后需先置换混合器内液体方可到达色谱柱。

HPLC常用分析流量在1000~2000 μL/min，而UHPLC系统常用流量在500 μL/min以下，且UHPLC系统使用的色谱柱大部分体积更小，样品出峰时间更短。现在市面上的HPLC系统混合器体积一般在1000~3000 μL，这种混合器的滞后体积在HPLC系统上可接受，但在UHPLC系统上并不适用，梯度进样时很有可能在流动相组成变化还未到达色谱柱时样品峰即已出完，所以适用于UHPLC的混合器体积必须在当前HPLC混合器基础上进一步减小。

此外，从流体力学可知，提高液体混合效率最好的方式是使流动相进入湍流状态。而HPLC常用管径在0.5 mm；UHPLC常用管径在0.25 mm，均属于微流道。在微流道内，液体粘滞力起主导作用，雷诺数非常小。举例说明，按HPLC常用条件计算（纯水、20℃、流量1000μL/min、管径0.5mm），得到雷诺数Re=42；按UHPLC常用条件计算（纯水、20℃、流量430μL/min、管径0.25mm），得到雷诺数Re=36。均小于湍流的临界值。所以在液相色谱系统管路中的流体状态，基本上可认为是层流。

不同流动相的混合，在层流状态下主要依靠分子间扩散。因此，对于层流状态下提高流体的混合效果，一方面我们需要增加不同流动相之间接触面积，也就是对流动相进行多次分流合流；另一方面需要制造特殊混合条件，比如撞击、折流、螺旋盘管等强化局部混合效果。

最后，在二元高压梯度系统和四元低压梯度系统中，不同流动相在管路内的分布方式是不同的。二元高压系统使用两个单独的输液泵（同样，也存在三元、四元高压系统，在此不做赘述）输送不同的流动相，每个泵的出口连接预混器（二元系统一般使用三通）使所有流动相汇聚到同一个流路中。也就是说，在二元高压系统中，汇合后的管路在某一时刻的截面，同时存在两种不同的流动相。但对于四元低压梯度系统而言（同样，也适用于使用电磁比例阀控制的其他元系统），它仅有一个输液泵，是通过电磁阀的切换才使不同流动相在不同时刻进入到系统中，输液泵出口的管路在某一时刻的截面，仅存在一种流动相，对于这种方式的混合则需要引入时间因素，流动相需进行前后混合。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有装置的不足，兼顾二元高压梯度系统和低压梯度系统，提供适用于超高效液相色谱系统的小体积高效在线静态混合器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

适用于超高效液相色谱系统的小体积高效在线静态混合器，包括若干柱状的内芯，所述内芯上下端面的中间分别开设有轴向的入液孔和出液孔，内芯侧壁的上下位置分别开设有一定数量径向分布的第一连接孔和第二连接孔，第一连接孔的内端与入液孔的内端相通，第二连接孔的内端与出液孔的内端相通，第一连接孔外端所在的内芯侧壁上开设有第一环槽，第二连接孔外端所在的内芯侧壁上开设有第二环槽，第一环槽和第二环槽之间的内芯侧壁上开设有一定数量的连接槽。液体从入液孔到第一连接孔为第一次分流，将流体分为多份，之后液体进入第一环槽，进入第一环槽时已经分流的液体再次分流，每一路第一连接孔的液体均一分二，在第一环槽合流进入连接槽，之后进入第二环槽流路，进入第二环槽时液体分流，之后液体进入第二连接孔，进入第二连接孔时液体合流，最后液体再次合流进入出液孔。液体在混合器内芯中，液体从入口到出口，共进行了9次分流和9次合流，并有9次T型撞击。

作为优选，所述第一连接孔和第二连接孔的数量均为偶数且等距分布。第一连接孔和第二连接孔的数量可以是4个、6个或8个等。

作为优选，所述第一连接孔、第二连接孔和连接槽的数量相同。

作为优选，所述入液孔、出液孔、第一连接孔和第二连接孔的截面呈圆形，所述第一环槽、第二环槽和连接槽的截面呈半圆形。

作为优选，所述连接槽为轴向的直槽，或者为倾斜或弯曲的斜槽。如果连接槽为轴向的直槽，从第一环槽进入连接槽时，可近似为T型槽，90°方向为出口，不同流动相在T型结构进行180°撞击，撞击后对向流体交换截面分子，因两种对撞流体速度方向相反的关系，撞击混合效果远高于普通合流。如果连接槽为倾斜或弯曲（如螺旋线）的斜槽，阴刻流路天然存在曲率，使液体在内芯表面流动时存在离心力，产生与主体流动方向垂直的二次流，提高流动相径向混合效果，原本二次流仅存在于环槽，而将连接槽改为斜槽后，斜槽上也存在二次流，延长二次流存在的时间，有利于流体在管路中径向混合。

作为优选，所述内芯为树脂材质，如PEEK。

作为优选，混合器包括不锈钢外壳，不锈钢外壳内设有两个上下串联分布的内芯，上下两端分别设有连接端盖，连接端盖上设有连接孔。PEEK材质的内芯在低温下（零下40℃）安装在不锈钢外套中，安装后恢复常温，使PEEK内芯膨胀至与不锈钢外套完全贴合。

作为优选，所述连接端盖与不锈钢外壳之间设有密封垫，两个内芯之间设有带孔的隔板。隔板可以与不锈钢外壳为一体结构，相当于不锈钢外套内部打孔、两端密封，减少漏液点。

作为优选，混合器还包括不锈钢外壳，不锈钢外壳内设有至少两个串联分布的内芯，不锈钢外壳上端设有连接端盖，下端设有连接孔。

作为优选，所述内芯之间设有带孔的隔垫。隔垫采用弹性材料（PTFE、PEEK等）制成，减小流路加工难度，也更有利于组合不同内芯，适应不同混合需求。

作为优选，混合器还包括不锈钢外壳，不锈钢外壳上端面设有一定数量的容纳孔，容纳孔内分别设有内芯，端部设有带密封垫的连接端盖。混合器内芯为并联方式连接，数量在两个及以上，采用并联方式，一方面可减少进入内芯内流动相的线速度，延长分子扩散时间；另一方面混合液体被分为更小的体积单元，可以增加比表面积，提高分子间扩散的混合效果。如果并联法选用不同流路体积但相同阻力的内芯，就可以制造相位差，使前后混合。且由于入口一分多的关系，相较于串联方式，制造等效相位差所需的体积差更小，有利于减小混合器整体体积。

作为优选，所述连接端盖数量为一个，底部设有一定数量与容纳孔相通的上连接孔，上连接孔向中间倾斜并在顶面重合，容纳孔底部的不锈钢外壳分别设有下连接孔，下连接孔向中间倾斜并在底面重合。

作为优选，所述连接端盖的上连接孔外端和不锈钢外壳的下连接孔外端分别焊接有不锈钢管。不锈钢管作为与输液系统连通之用，出口和入口管路采用焊接的方式可减少外接管路接头的使用，即减少漏液点。

作为优选，所述连接端盖数量为一个或多个，其上开设有与容纳孔相通的轴向的上连接孔，容纳孔底部的不锈钢外壳分别设有轴向的下连接孔。上连接孔和下连接孔再通过其数量加一的多通管路与输液系统连通。

本发明的有益效果在于：1、本发明的混合器体积小，兼顾二元高压梯度系统（径向混合）和低压梯度系统（时间前后混合），可同时适用于HPLC系统和UHPLC系统；

2、流路雕刻在内芯圆柱体表面，流动时存在离心力，产生二次流，可进行径向混合，有利于管路截面同时存在不同流动相系统的混合（典型如二元高压梯度系统），其中一种实现方式是将表面连接流路延长，使管路成为螺线，延长二次流存在时间，强化径向混合效果；

3、流体在芯体中进行多次分流合流，典型例（实施例一）的结构进行了9次分流和9次合流；

4、采用T型刻槽，两路液体对冲撞击，增强混合效果；

5、PEEK内芯直径和刻痕半径可单独改变，比如上层圆周和下层圆周之间的连接痕迹采用不同内径、长度、形状的刻痕，使流路体积不相等。出口汇合时液体会产生时间上相位差，流动相前后混合，有利于流动方向上不同流动相组成的混合效果（如低压梯度系统）；

6、采用PEEK内芯、不锈钢外套组合模式，内芯长度和数量均可增减，可以使用串联连接方式也可以使用并联连接方式，具有相当的灵活性；

7、在一些情况下，并联时使用焊接法，串联时使用密封圈密封，减少外接不锈钢接头的数量，也就是减少系统的漏液点，在高压下有更好的保压性。

8、体积小，当全部流路使用d=0.5 mm（R=0.25 mm）刻痕时，单个混合器芯的体积仅20 μL，完全可以应用于UHPLC系统。

附图说明

图1是本发明实施例一的立体图；

图2是本发明实施例一的主视图；

图3是图2中A-A向的剖视图；

图4是图2中B-B向的剖视图；

图5是本发明实施例一的流程图示意；

图6是本发明实施例二的立体图；

图7是本发明实施例二的主视图；

图8是本发明实施例三的立体图；

图9是本发明实施例三的主视图；

图10是图9中C-C向的剖视图；

图11是本发明实施例三的爆炸图；

图12是本发明实施例四的立体图；

图13是本发明实施例四的主视图；

图14是图13中D-D向的剖视图；

图15是本发明实施例四的爆炸图；

图16是本发明实施例五的立体图；

图17是本发明实施例五的主视图；

图18是图17中E-E向的剖视图；

图19是本发明实施例五的爆炸图。

图中主要元件符号说明：10、内芯；11、入液孔；12、出液孔；13、第一连接孔；14、第二连接孔；15、第一环槽；16、第二环槽；17、连接槽；17’、斜槽；20、不锈钢外壳；21、连接孔；30、连接端盖；40、密封垫；50、隔垫；60、不锈钢管。

具体实施方式

下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：如图1-4所示，适用于超高效液相色谱系统的小体积高效在线静态混合器，包括若干柱状的树脂材质（如PEEK）材质的内芯10，所述内芯10上下端面的中间分别开设有轴向的入液孔11和出液孔12，内芯10侧壁的上下位置分别开设有4个径向分布的第一连接孔13和第二连接孔14，第一连接孔13的内端与入液孔11的内端相通，第二连接孔14的内端与出液孔12的内端相通，第一连接孔13外端所在的内芯10侧壁上开设有第一环槽15，第二连接孔14外端所在的内芯10侧壁上开设有第二环槽16，第一环槽15和第二环槽16之间的内芯10侧壁上开设有4个连接槽17。其中，入液孔11、出液孔12、第一连接孔13和第二连接孔14的截面呈圆形，第一环槽15、第二环槽16和连接槽17的截面呈半圆形，并且连接槽17为轴向的直槽。

结合图5所示，液体从内芯10入口到出口，共进行了9次分流和9次合流，并有9次T型撞击。

液体流路均阴刻于内芯10之上。内芯10直径和刻痕半径可单独改变，比如上层圆周和下层圆周之间的连接流路采用不同内径、长度、形状的刻痕，使出口汇合时的流动相存在时间相位差，达到流动相前后混合的目的。前后混合主要适用于四元低压梯度，因为四元低压梯度是通过采用开启不同流动相对应电磁阀的方式，使不同流动相在不同时间段进入系统当中，此时的混合均匀性更依赖前后混合。

在本实施例中，第一连接孔13和第二连接孔14的数量也可以是其他偶数，第一连接孔13、第二连接孔14和连接槽17的数量相同，且等距分布。

实施例二：如图6-7所示，与实施例一的区别在于，连接槽17为倾斜或弯曲的斜槽17’。原本二次流仅存在于第一环槽15、第二环槽16，而将连接槽17改为斜槽17’后，则斜槽17’上也存在二次流，延长二次流存在的时间，有利于流体在管路中径向混合。

实施例三：如图8-11所示，适用于仅需串联两个混合器内芯10的情况，包括不锈钢外壳20，不锈钢外壳20内设有两个上下串联分布的内芯10，上下两端分别设有连接端盖30。连接端盖30与不锈钢外壳20之间设有密封垫40，两个内芯10之间设有带孔的隔板。直接在不锈钢外壳20内部打孔、两端密封，减少漏液点，增加系统可靠性。

实施例四：如图12-15所示，适用于串联大于两个混合器内芯10的情况，包括不锈钢外壳20，不锈钢外壳20内设有至少两个串联分布的内芯10，不锈钢外壳20上端设有连接端盖30，下端设有连接孔21，内芯10之间设有带孔的隔垫40。隔垫40采用弹性材料（PTFE、PEEK等）制成。

将内芯10压入不锈钢外壳20时，施加一定的力，使隔垫40产生形变，消除两个内芯之间的间隙。对于多个内芯10的安装，采用内芯10→隔垫40→内芯10→隔垫40→……→隔垫40→内芯10顺序安装在不锈钢外壳20内，最后安装连接端盖30。

若安装传统方式，n个内芯10串联，需要2n个管路连接位，而按本实施例所示方案，仅需2个管路连接位，显著减小系统漏液点，提高系统可靠性。

实施例五：如图16-19所示，适用于并联多个混合器内芯10的情况，包括不锈钢外壳20，不锈钢外壳20上端面设有一定数量的容纳孔，容纳孔内分别设有内芯10，端部设有带密封垫40的连接端盖30。

其中，连接端盖30数量为一个，底部设有一定数量与容纳孔相通的上连接孔，上连接孔向中间倾斜并在顶面重合，容纳孔底部的不锈钢外壳20分别设有下连接孔，下连接孔向中间倾斜并在底面重合。连接端盖30的上连接孔外端和不锈钢外壳20的下连接孔外端分别焊接有不锈钢管60，减少外接管路接头的使用，也就能减少密封点，即减少漏液点。

需要注意的是，还可以不设置不锈钢管60，连接端盖30数量为一个或多个，其上开设有与容纳孔相通的轴向的上连接孔，容纳孔底部的不锈钢外壳20分别设有轴向的下连接孔，上连接孔和下连接孔再通过其数量加一的多通管路与输液系统连通。

并联方式一方面可以减小进入每个混合器内流动相的线流速，增加不同流动相分子接触时间，提高混合效果；另一方面，由于混合液体被分为更小的体积单元，可以增加比表面积，提高分子间扩散的混合效果。如果并联法采用不同流体体积、相同阻力的四种内芯10，就可以制造相位差，使前后混合。而由于入口一分多的关系，相较于串联方式，制造等效相位差所需的体积差更小，有利于减小混合器整体体积。图中为方便示意仅画出一分四，实际上可以一分二、一分八，只要结构允许，可分为任意数量的流路。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。