專利名稱：基于離子交換技術(shù)的電致微型器件的制作方法
基于離子交換技術(shù)的電致微型器件
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子交換技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于離子交換技術(shù)的電致微型 器件，其適用于毛細(xì)管或納升級液相色譜、毛細(xì)管離子色譜的樣品前處理裝置或者與質(zhì)譜 (MS)聯(lián)用接口、毛細(xì)管離子色譜抑制器。
背景技術(shù)：
毛細(xì)管/納升級液相色譜(capillary/nano LC)或毛細(xì)管離子色譜(capillary ion chromatography, CIC)以其高效、節(jié)省溶劑、易于和質(zhì)譜(MS)聯(lián)用等優(yōu)勢成為近年來 最受人關(guān)注的分析技術(shù)之一。生物樣品由于基質(zhì)復(fù)雜、樣品少且昂貴的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用 于capillary/nano LC或CIC分析。然而，生物樣品中通常含有大量的無機(jī)鹽從而限制了 它的有效色譜分離和后續(xù)的質(zhì)譜檢測，尤其是后者。因?yàn)闊o機(jī)鹽不易于揮發(fā)、電離，樣品中 無機(jī)鹽的存在會產(chǎn)生很多雜峰及很高的基線噪聲。能否有效去除生物樣品中的無機(jī)鹽常常 成為生物樣品能否有效分析的關(guān)鍵所在。常用的無機(jī)鹽去除裝置包括固相萃取(SPE)、中空纖維置換技術(shù)。SPE操作原理 是將含有無機(jī)鹽的生物樣品通過一具有特定官能團(tuán)的的色譜填料，其中所要分析的樣品能 選擇性的吸附在色譜填料上，而無機(jī)鹽沒有任何吸附而直接被水沖洗掉；中空纖維膜技術(shù) 是采用一個(gè)多孔中空纖維膜選擇性去除無機(jī)鹽。其中，中空纖維膜放置于水中或揮發(fā)性無 機(jī)鹽溶液內(nèi)(如NH4AC)，生物大分子尺寸由于大于多孔膜的孔徑而不能擴(kuò)散到膜外的溶液 內(nèi)，而無機(jī)鹽小分子可自由出入而擴(kuò)散到膜外的水中，或與揮發(fā)性無機(jī)鹽定量置換，從而達(dá) 到去除難揮發(fā)性無機(jī)鹽的目的。這些常用技術(shù)存在的缺點(diǎn)主要為動(dòng)態(tài)去除率低、不易實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化、柱外死體積大。尤其是與毛細(xì)管/納升級液相色譜或毛細(xì)管離子色譜聯(lián)用，柱外死 體積的缺點(diǎn)就更加突出。發(fā)展一種高效、死體積小的微除鹽器具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本發(fā)明的基于離子交換技術(shù)的電致微型除鹽器采用電滲析技術(shù)可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)去除 無機(jī)鹽且具有納升級的死體積，非常適合于毛細(xì)管/納升級液相色譜或毛細(xì)管離子色譜系 統(tǒng)。該發(fā)明內(nèi)容未見公開。另外，抑制器是毛細(xì)管離子色譜系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其作用是降低背景電導(dǎo)及提高 信噪比。對于CIC而言，由于要兼顧死體積小(微升級)、高抑制容量(> 50 μ eq/min)的 兩個(gè)基本要求，微型抑制器技術(shù)的研制目前仍然是該領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。截至目前， 所報(bào)道的用于CIC微抑制器主要包括平板膜抑制器、填充型抑制器。通過內(nèi)置整體柱磁 盤(monolithic disk)，戴安公司在其常規(guī)平板膜抑制器的基礎(chǔ)上研制出微型抑制器。該 抑制器的抑制容量、抑制噪聲都達(dá)到了常規(guī)抑制器的水準(zhǔn)，但缺陷在于較大的死體積(約 35 μ L)和復(fù)雜的制作程序；Kuban等提出了中空纖維式微抑制器。兩段內(nèi)置一細(xì)不銹鋼針 的石英毛細(xì)管間隔一定距離，在不銹鋼針及針與毛細(xì)管連接處澆注上Nafion溶液。待溶液 揮發(fā)后，兩段毛細(xì)管之間就覆蓋一層薄膜。小心抽出鋼針，即可得到一纖維式微抑制器。盡 管設(shè)計(jì)巧妙，但很難保證制作過程的重復(fù)性及足夠的成功率；Takeuchi等研制出一種微型 填充柱結(jié)構(gòu)的抑制器。采用兩個(gè)毛細(xì)管離子色譜柱，通過柱切換實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管填充柱的在線再生。本發(fā)明的基于離子交換技術(shù)的電致微型抑制器是基于電滲析技術(shù)且具有納升級 的死體積，非常適合于毛細(xì)管離子色譜系統(tǒng)。該發(fā)明內(nèi)容亦未見公開。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于離子交換技術(shù)的電致微型器件。當(dāng)所用的兩個(gè)離 子交換單元極性相反時(shí)，即一個(gè)陽離子、一個(gè)陰離子單元，上述器件表現(xiàn)為一電致微型除鹽 器，適用于毛細(xì)管液相色譜納升級液相色譜或毛細(xì)管離子色譜樣品前處理裝置或與質(zhì)譜聯(lián) 用接口 ；當(dāng)所用的兩個(gè)離子交換單元極性相同時(shí)，即同為陽離子單元或同為陰離子單元，上 述器件表現(xiàn)為一電致微型抑制器，適用于毛細(xì)管離子色譜系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，包含陽極區(qū)腔體、陰極區(qū)腔體、樣品通道 以及固定連接裝置，所述陽極區(qū)腔體與陰極區(qū)腔體通過固定連接裝置分別設(shè)置于所述樣品 通道兩側(cè)，兩個(gè)極性相反或相同的離子交換單元分別設(shè)置于所述陽極區(qū)腔體與陰極區(qū)腔體 中，將所述陽極區(qū)腔體、陰極區(qū)腔體以及樣品通道相互隔離，所述陽極區(qū)腔體和所述陰極區(qū) 腔體各自設(shè)置有一管式電極。當(dāng)兩個(gè)所述離子交換單元極性相反時(shí)，所述基于離子交換技術(shù)的電致微型器件表 現(xiàn)為一個(gè)電致微型除鹽器，其中，陽離子單元和陰離子單元分別設(shè)置于所述陰極區(qū)腔體與 陽極區(qū)腔體中。其工作原理是基于電滲析技術(shù)，具體而言當(dāng)含有無機(jī)鹽的生物樣品流經(jīng)樣 品通道時(shí)，在電場作用下，無機(jī)鹽中的陽、陰離子分別經(jīng)陽離子單元、陰離子單元進(jìn)入陰極 區(qū)腔體和陽極區(qū)腔體，后與陰極區(qū)和陽極區(qū)水電解產(chǎn)生的氫氧根和氫離子分別形成中性化 合物。作為較佳的實(shí)施方式，當(dāng)攜帶無機(jī)鹽的樣品溶液進(jìn)入所述樣品通道進(jìn)行除鹽時(shí)， 一外設(shè)蠕動(dòng)泵連續(xù)驅(qū)動(dòng)水或稀電解質(zhì)溶液流經(jīng)所述陽極區(qū)腔體和陰極區(qū)腔體，將樣品溶液 除鹽后的廢液攜帶至一廢液收集裝置。其中，所述兩個(gè)極性相反的離子交換單元可以為陰/陽離子微球、陰/陽離子整體 磁盤或陰/陽離子平板膜。當(dāng)兩個(gè)所述離子交換單元極性相同時(shí)，所述基于離子交換技術(shù)的電致微型裝置表 現(xiàn)為一個(gè)電致微型抑制器，其工作原理也是基于電滲析技術(shù)。當(dāng)欲抑制離子的樣品溶液進(jìn)入所述樣品通道進(jìn)行離子抑制時(shí)，一外設(shè)蠕動(dòng)泵連續(xù) 驅(qū)動(dòng)水或酸溶液或堿溶液流經(jīng)所述陽極區(qū)腔體和陰極區(qū)腔體，將樣品溶液的廢液攜帶至一 廢液收集裝置。作為較佳的實(shí)施方式，所述兩個(gè)極性相同的離子交換單元為陽離子微球、陰離子 微球、陽離子整體磁盤或陰離子整體磁盤。采用離子交換微球替代傳統(tǒng)的平板膜的優(yōu)點(diǎn)在 于，由于離子交換微球體積小，非常有利于實(shí)現(xiàn)制作微型抑制器。作為陽離子抑制器時(shí)，兩個(gè)所述離子交換單元與樣品通道相交的區(qū)域填充有陽離 子交換樹脂或原位制備的陽離子整體相。作為陰離子抑制器時(shí)，兩個(gè)所述離子交換單元與樣品通道相交的區(qū)域填充有陰離 子交換樹脂或原位制備的陰離子整體柱。
本發(fā)明的有益效果在于，表現(xiàn)為電致微型除鹽器時(shí)，本發(fā)明是利用陰陽離子交換 單元組合方式實(shí)現(xiàn)對無機(jī)鹽離子的有效去除而達(dá)到除鹽的效果；由于所采用的離子交換單 元例如離子交換微球直徑僅約0. 6mm，其間隔距離約0. 4mm,因此該除鹽器的有效死體積僅 約0. 2微升，非常適合于毛細(xì)管色譜系統(tǒng)。另外，該微型除鹽器采用電滲析原理，可動(dòng)態(tài)實(shí) 時(shí)去除無機(jī)鹽，無需再生。該除鹽器還可以實(shí)現(xiàn)在線操作模式，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。表現(xiàn)為 電致微型抑制器時(shí)，本發(fā)明是利用離子交換單元實(shí)現(xiàn)微型抑制器的功能，該微型抑制器采 用電滲析原理，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)抑制，無需再生液。

圖1為本發(fā)明所提供的電致微型器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明作為電致微型除鹽器的操作原理示意圖。圖3為本發(fā)明作為電致微型除鹽器除鹽效果圖。圖4為本發(fā)明作為電致微型陰離子抑制器的操作原理示意圖。圖5為本發(fā)明作為電致微型陽離子抑制器的操作原理示意圖。圖6為本發(fā)明作為電致微型抑制器的抑制效果圖。附圖中的標(biāo)記如下1.固定連接裝置4. PEEK 管7.廢液瓶8，.純水或酸液或堿液10.出口連接管11，、12.陽極區(qū)腔體20、30、20，、30，.鉬金管50,51,61.陽離子微球60、52、62.陰離子微球
具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖1所示，為本發(fā)明所提供的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件的結(jié)構(gòu)示意 圖。一種基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，包含陽極區(qū)腔體12、陰極區(qū)腔體11、樣品通道 13以及固定連接裝置1，所述陽極區(qū)腔體12與陰極區(qū)腔體11通過固定連接裝置1分別設(shè) 置于所述樣品通道13兩側(cè)，兩個(gè)極性相反或相同的離子交換單元5、6分別設(shè)置于所述陰極 區(qū)腔體11與陽極區(qū)腔體12中，將所述陽極區(qū)腔體12、陰極區(qū)腔體11以及樣品通道13相互 隔離，所述所述陰極區(qū)腔體11設(shè)置有一管式電極2，陽極區(qū)腔體12設(shè)置有一管式電極3。參見圖2所示，為本發(fā)明作為電致微型除鹽器的操作原理示意圖。在本具體實(shí)施 方式中，離子交換單元為陽離子微球50和陰離子微球60。電致微型除鹽器從結(jié)構(gòu)上主要包 括陰極區(qū)腔體11、陽極區(qū)腔體12、樣品通道13。樣品通道13和陰極區(qū)腔體11、陽極區(qū)腔體 12分別通過陽離子微球50和陰離子微球60在空間隔離開來。此外，該除鹽器還包括兩個(gè) 鉬金管20、30，其中鉬金管20作為陰極，而鉬金管30為陽極；配套的固定連接裝置1，兩個(gè)
2,3.管式電極 5、6.離子交換單元
8.純水或稀電解質(zhì)溶液
9.入口連接管 11、12’ .陰極區(qū)腔體
13.樣品通道PEEK管4。其中，陽離子微球50和陰離子微球60間隔距離由樣品通道13尺寸所決定；直 流電源的陽極放置于陰離子微球60 —側(cè)即陽極區(qū)腔體12 —側(cè)、陰極放置于陽離子微球50 一側(cè)即陰極區(qū)腔體11 一側(cè)。在本具體實(shí)施方式
中，還包含一外設(shè)蠕動(dòng)泵(未圖示)用于連 續(xù)驅(qū)動(dòng)純水或稀電解質(zhì)溶液8流經(jīng)所述陽極區(qū)腔體12和陰極區(qū)腔體11，以便將樣品溶液除 鹽后的廢液攜帶至廢液收集裝置中。工作時(shí)，攜帶無機(jī)鹽的樣品溶液經(jīng)入口連接管9進(jìn)入樣品通道13，在電場作用下 無機(jī)鹽中的陽離子經(jīng)陽離子微球50進(jìn)入陰極區(qū)腔體11，而無機(jī)鹽中的陰離子經(jīng)陰離子微 球60進(jìn)入陽極區(qū)腔體12。后被連續(xù)流動(dòng)的水或稀電解質(zhì)溶液8攜帶至廢液瓶7。除去無 機(jī)鹽的樣品經(jīng)出口連接管10進(jìn)入后續(xù)的檢測器或質(zhì)譜系統(tǒng)。如圖3所示，為本發(fā)明作為電致微型除鹽器的除鹽效果圖。由于該除鹽器是電致 模式，所加電壓對除鹽效果影響非常顯著，可以看出在Iiv施加電壓下，IOOmM KNO3去除效 果大于99%。實(shí)驗(yàn)條件樣品溶液流速3μ L/min ；樣品100mM KNO3 ；進(jìn)樣體積為200nL ；除 鹽效果通過連接出口連接管10的一個(gè)電導(dǎo)檢測器顯示。參見圖4所示，為本發(fā)明作為電致微型陰離子抑制器的操作原理示意圖。具體而 言兩個(gè)陽離子微球51、61分別固定于PEEK管4的端部；純水或酸液或堿液8’經(jīng)鉬金管 20’、30’分別連續(xù)流經(jīng)陽極區(qū)腔體11’、陰極區(qū)腔體12’后進(jìn)入廢液瓶7。其中，鉬金管20’、 30’分別作為陽極和陰極。PEEK管4、樣品通道13均固定在固定連接裝置1上。當(dāng)用于陰 離子分析的淋洗液KOH經(jīng)入口連接管9進(jìn)入樣品通道13內(nèi)，在電場作用下，在陽極區(qū)腔體 11’水電解產(chǎn)生的氫離子電遷移經(jīng)陽離子微球51至樣品通道13內(nèi)與淋洗液KOH中的氫氧 根中和成水，而淋洗液中KOH中的鉀離子經(jīng)陽離子微球61電遷移至陰極區(qū)腔體12被連續(xù) 流動(dòng)的水?dāng)y帶至廢液瓶7。該過程產(chǎn)生的結(jié)果為淋洗液KOH在抑制器內(nèi)轉(zhuǎn)化為H2O經(jīng)出口 連接管10進(jìn)入后續(xù)的電導(dǎo)檢測器，可有效抑制背景電導(dǎo)。同理，參見圖5所示，為本發(fā)明作為電致微型陽離子抑制器的操作原理示意圖。陽 離子抑制器工作原理淋洗液HNO3經(jīng)入口連接管9進(jìn)入樣品通道13內(nèi)，在電場作用下，在 陰極區(qū)腔體12’水電解產(chǎn)生的氫氧根離子電遷移經(jīng)陰離子微球62至樣品通道13內(nèi)與淋洗 液HNO3中的氫離子中和成水，而淋洗液中HNO3中的N03_經(jīng)陰離子微球52電遷移至陽極區(qū) 腔體11’被連續(xù)流動(dòng)的水?dāng)y帶至廢液瓶7。該過程產(chǎn)生的結(jié)果為淋洗液HNO3在抑制器內(nèi)轉(zhuǎn) 化為H2O經(jīng)出口連接管10進(jìn)入后續(xù)的電導(dǎo)檢測器，可有效抑制背景電導(dǎo)。圖6為本發(fā)明作為電致微型抑制器抑制效果圖。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，包含陽極區(qū)腔體、陰極區(qū)腔體、樣品通道以 及固定連接裝置，其特征在于，所述陽極區(qū)腔體與陰極區(qū)腔體通過固定連接裝置分別設(shè)置 于所述樣品通道兩側(cè)，兩個(gè)極性相反或相同的離子交換單元分別設(shè)置于所述陽極區(qū)腔體與 陰極區(qū)腔體中，將所述陽極區(qū)腔體、陰極區(qū)腔體以及樣品通道相互隔離，所述陽極區(qū)腔體和 所述陰極區(qū)腔體各自設(shè)置有一管式電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，當(dāng)兩個(gè)所 述離子交換單元極性相反時(shí)，所述基于離子交換技術(shù)的電致微型器件表現(xiàn)為一個(gè)電致微型 除鹽器，其中，陽離子單元和陰離子單元分別設(shè)置于所述陰極區(qū)腔體與陽極區(qū)腔體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，當(dāng)攜帶無 機(jī)鹽的樣品溶液進(jìn)入所述樣品通道進(jìn)行除鹽時(shí)，一外設(shè)蠕動(dòng)泵連續(xù)驅(qū)動(dòng)水或稀電解質(zhì)溶液 流經(jīng)所述陽極區(qū)腔體和陰極區(qū)腔體，將樣品溶液除鹽后的廢液攜帶至一廢液收集裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，所述兩 個(gè)極性相反的離子交換單元為陰/陽離子微球、陰/陽離子整體磁盤或陰/陽離子平板膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，當(dāng)兩個(gè)所 述離子交換單元極性相同時(shí)，所述基于離子交換技術(shù)的電致微型裝置表現(xiàn)為一個(gè)電致微型 抑制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，當(dāng)欲抑制 離子的樣品溶液進(jìn)入所述樣品通道進(jìn)行離子抑制時(shí)，一外設(shè)蠕動(dòng)泵連續(xù)驅(qū)動(dòng)水或酸溶液或 堿溶液流經(jīng)所述陽極區(qū)腔體和陰極區(qū)腔體，將樣品溶液的廢液攜帶至一廢液收集裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，所述 兩個(gè)極性相同的離子交換單元為陽離子微球、陰離子微球、陽離子整體磁盤、陰離子整體磁 盤、陰離子平板膜或陽離子平板膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，作為陽離 子抑制器時(shí)，兩個(gè)所述離子交換單元與樣品通道相交的區(qū)域填充有陽離子交換樹脂或原位 制備的陽離子整體相。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，其特征在于，作為陰離 子抑制器時(shí)，兩個(gè)所述離子交換單元與樣品通道相交的區(qū)域填充有陰離子交換樹脂或原位 制備的陰離子整體柱。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于離子交換技術(shù)的電致微型器件，該電致微型器件內(nèi)部固設(shè)有一個(gè)陽極區(qū)腔體、一個(gè)陰極區(qū)腔體和一個(gè)樣品通道及配套的固定連接裝置。其中，樣品通道與陽極區(qū)腔體和陰極區(qū)腔體分別由連個(gè)極性相反或相同的離子單元隔離開來。當(dāng)所用的兩個(gè)離子交換單元極性相同時(shí)，上述器件表現(xiàn)為一電致微型抑制器，適用于毛細(xì)管離子色譜系統(tǒng)；當(dāng)所用的兩個(gè)離子交換單元極性相反時(shí)，上述器件表現(xiàn)為一電致微型除鹽器。其基于電滲析原理、通過離子交換單元作為主要功能部件，適用于毛細(xì)管液相色譜納升級液相色譜或毛細(xì)管離子色譜樣品前處理裝置或與質(zhì)譜聯(lián)用接口，可實(shí)現(xiàn)無機(jī)鹽的定向有效去除。
文檔編號B01D61/46GK102078769SQ200910199798
公開日2011年6月1日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者楊丙成, 梁鑫淼, 章飛芳 申請人:華東理工大學(xué)