專利名稱：用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于微柱或毛細(xì)管高效液相色譜的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵。
背景技術(shù)：
微機(jī)電加工技術(shù)(MEMS)的進(jìn)步極大地促進(jìn)了分析儀器微型化的發(fā)展，在“現(xiàn)代科學(xué)儀器前沿技術(shù)與分析科學(xué)——香山科學(xué)會(huì)議第140次學(xué)術(shù)討論會(huì)”(2000年5月)上，多位院士和教授也一致認(rèn)為今后整個(gè)分析儀器的發(fā)展方向主要是微型化、集成化，和在此基礎(chǔ)上的智能化。
對(duì)于高效液相色譜(HPLC)而言，微型化具有特別的意義。與常規(guī)液相色譜相比，微柱高效液相色譜系統(tǒng)(micro-HPLC)可以使用較小顆粒的固定相，具有更高的柱效和更快的分析速度，其總分離效能可達(dá)15萬理論塔板/米以上，在生化分析、手性分離、神經(jīng)科學(xué)、蛋白質(zhì)及多肽的研究以及醫(yī)藥、工業(yè)聚合物與添加劑的分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，固定相和流動(dòng)相比常規(guī)HPLC節(jié)省97％以上，樣品消耗減少90％，環(huán)境污染小，且最佳流量低，易與質(zhì)譜等多種檢測(cè)器及多維色譜聯(lián)用。因此，采用微柱及毛細(xì)管柱正逐漸成為HPLC的主導(dǎo)方向。高壓輸液泵是液相色譜儀的核心部件之一，它將流動(dòng)相輸入到柱系統(tǒng)，使樣品在柱系統(tǒng)中完成分離過程。在輸送微流級(jí)流量時(shí)，諸如傳統(tǒng)的活塞泵或隔膜泵等，由于它們是基于部件之間相對(duì)移動(dòng)來提供壓力驅(qū)動(dòng)，而這些可移動(dòng)部件的為滲漏在1～0.1μL/min數(shù)量級(jí)。因此，傳統(tǒng)的液相泵在精確輸送微流級(jí)流量時(shí)就存在很大困難。現(xiàn)在的商品儀器往往采用分流技術(shù)，但也存在一些很難克服的缺陷，如柱前壓的改變很容易引起分流比的改變；況且，分流技術(shù)并沒有真正的減少溶劑的使用量。另一方面，按輸液性能分，高壓輸液泵可分為恒流泵和恒壓泵。當(dāng)系統(tǒng)壓力不變時(shí)，恒壓也可以達(dá)到恒流的效果；但在色譜實(shí)際操作中，柱系統(tǒng)得阻力總是有所變動(dòng)，從這個(gè)角度來說，恒流泵比恒壓泵更顯得優(yōu)越，目前使用較廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能連續(xù)輸液、流速穩(wěn)定，切換時(shí)壓力波動(dòng)小的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，主要由加熱泵組1和3、另一耐壓加熱泵組2和4、微流泵控制系統(tǒng)7、十通切換閥5和6、壓力傳感器8和9、進(jìn)樣裝置10、儲(chǔ)液瓶13和14、脫氣裝置15、三通16和17、四通18以及一些耐高壓連接頭和管線構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，每個(gè)加熱泵主要包含加熱部件40、耐壓加熱腔體41、流動(dòng)相儲(chǔ)存裝置42、溫度傳感器44等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。加熱泵1、2、3、4分別依次與十通切換閥5的接口26、24、29、21相連；十通切換閥5的接口27和28分別連接到三通16的兩個(gè)接口上，另兩個(gè)接口22和23分別連接到三通17的兩個(gè)接口上，三通16和三通17的另外一個(gè)接口分別通過微量混和器連接到四通18的兩個(gè)接口上，四通18的另外兩個(gè)接口中，一個(gè)接口連接壓力傳感器9，另一個(gè)接口依次與進(jìn)樣裝置10、毛細(xì)管液相色譜柱11和檢測(cè)器12相連；十通切換閥5的接口20和25分別與十通切換閥6的接口39和36相連；三通19的兩個(gè)接口分別連接到十通切換閥6的接口37和38上，另一個(gè)接口與壓力傳感器8相連；儲(chǔ)液瓶13和14分別與切換閥6的接口30和35相連。各泵體加熱部件、溫度傳感器、壓力傳感器和十通切換閥都與控制系統(tǒng)7的線路板相連，受其控制。
本發(fā)明中，四個(gè)加熱泵通過同一塊控制線路板用一臺(tái)電腦控制，通過控制升溫速率來控制流量。泵體與切換閥間采用一定體積耐高壓耐腐蝕管路可儲(chǔ)存流動(dòng)相。切換閥為液相色譜專用閥件，具有死體積小、耐高壓的特點(diǎn)，在本發(fā)明里起到實(shí)現(xiàn)預(yù)升壓操作、簡(jiǎn)化連接管路、精簡(jiǎn)切換操作和便于自動(dòng)化控制等作用。同組泵的兩個(gè)流路經(jīng)切換閥切換后連接至三通，在三通處混合后連接到四通18。四通18的另外兩個(gè)接口分別連接壓力傳感器9和進(jìn)樣裝置10，流動(dòng)相經(jīng)進(jìn)樣裝置10進(jìn)入毛細(xì)管液相色譜柱11進(jìn)行等度/梯度洗脫。以上連接各種組件之間的管線均須采用耐高壓(至少350kg/cm2)，較小死體積(內(nèi)徑至少低于50μm)的熔融石英毛細(xì)管、不銹鋼管或PEEK管等。其中進(jìn)樣裝置、毛細(xì)管液相色譜柱和檢測(cè)器均為色譜常規(guī)部件。
本發(fā)明中，加熱泵的耐壓加熱腔體41采用耐高壓、導(dǎo)熱性良好的材料制作，如不銹鋼。根據(jù)所需的設(shè)定流量設(shè)計(jì)耐壓加熱腔體的體積，腔內(nèi)體積范圍為10μL～10mL，腔體形狀可以為球狀、圓柱狀、螺管狀、線狀等適合精確控溫和快速加熱降溫的形狀，以上范圍仍可根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展。
本發(fā)明中，加熱部件40與加熱腔體41配套，采用電加熱或者其它加熱方式，可實(shí)現(xiàn)精確控溫、快速加熱降溫；升溫速率范圍為0.1～10℃/min；兩套加熱部件直至十套以上加熱部件可以經(jīng)由一臺(tái)電腦同時(shí)控制。
本發(fā)明中，耐壓加熱腔體內(nèi)裝的工作介質(zhì)可以是水、汞、硅油、煤油之一種，利用熱膨脹原理產(chǎn)生微流。流量通過升溫速率控制，具體升溫曲線由微流泵軟件通過數(shù)據(jù)庫計(jì)算生成。
本發(fā)明中，微流泵控制系統(tǒng)收集溫度和壓力傳感器信號(hào)，計(jì)算及判斷后給出指令，對(duì)耐壓加熱腔體實(shí)施精確控溫并控制切換閥切換，具有高度自動(dòng)化特點(diǎn)。
本發(fā)明中，采用閥切換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)兩組泵組自動(dòng)交替工作，保證微流的連續(xù)輸出。
本發(fā)明中，采用閥切換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)二元流動(dòng)相的等度/梯度沖洗。所述的十通切換閥5和6可以被一組三通閥、四通閥、六通閥或針型閥等能實(shí)現(xiàn)切換功能的閥件或閥件組合所替代；采用相應(yīng)的切換系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)二元以上多元流動(dòng)相的等度/梯度沖洗。
本發(fā)明中，采用雙壓力平衡點(diǎn)切換技術(shù)保證泵組切換時(shí)流速穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)，其實(shí)現(xiàn)方式為同時(shí)監(jiān)控輸出端壓力和預(yù)升壓壓力，當(dāng)需切換時(shí)，待切換泵組在密閉體系中預(yù)升壓，當(dāng)預(yù)升壓壓力與輸出端壓力一致時(shí)，控制閥切換系統(tǒng)完成泵組切換，保證流速穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)。
本發(fā)明的工作原理如下本發(fā)明采用對(duì)耐壓腔體內(nèi)液體進(jìn)行加熱的方式提供驅(qū)動(dòng)，通過控制升溫速率的方法控制流量，從而實(shí)現(xiàn)微流量級(jí)別的等度/梯度沖洗。
一方面，流量受液體膨脹影響，α(T)為液體體積膨脹常數(shù)，是溫度的函數(shù)，其定義為α(T)=-(∂lnρ∂T)p=δVδT·1V---(1)]]>其中ρ液體密度，V為液體體積，T為溫度由上式我們可以得到熱膨脹產(chǎn)生流量Fexp的表達(dá)式Fexp=α(T)VδTδt---(2)]]>另一方面，流量還受到液體壓縮的影響。雖然液體的可壓縮性很小，但是相對(duì)于微流級(jí)別的流量而言，其影響還是必須考慮的。如下式，β是液體的壓縮系數(shù)β(T)=(∂lnρ/∂P)T=-(∂lnV∂P)T=-δVδP·1V---(3)]]>所以，壓縮對(duì)流量的影響可以表達(dá)為FcomprFcompr=δVδT=-βVδPδt---(4)]]>總的流量為Fexp和Fcompr的代數(shù)和。
計(jì)算α(T)和β(T)，通過加熱耐壓腔體內(nèi)一定體積的液體，可以用控制升溫速率的方法控制流量輸出，實(shí)現(xiàn)微流量級(jí)別的等度/梯度沖洗。
本發(fā)明采用雙壓力平衡點(diǎn)切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)色譜泵連續(xù)輸液時(shí)流量穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)，其實(shí)現(xiàn)方式為同時(shí)監(jiān)控輸出端壓力和預(yù)升壓壓力，當(dāng)需切換時(shí)，待切換泵組在密閉體系中預(yù)升壓，當(dāng)預(yù)升壓壓力與輸出端壓力一致時(shí)，控制閥切換系統(tǒng)完成泵組切換，保證流速穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)，其工作原理如組圖3所示1、工作泵組47通過閥切換系統(tǒng)46連接輸出端，輸出端壓力由壓力傳感器9監(jiān)測(cè)(見圖3-1)；2、需切換時(shí)，待切換泵組48通過閥切換系統(tǒng)46在密閉體系內(nèi)預(yù)升壓，預(yù)升壓壓力由壓力傳感器8監(jiān)測(cè)，同時(shí)工作泵組47正常輸出(見圖3-2)；3、當(dāng)預(yù)升壓壓力與輸出端壓力一致時(shí)，閥切換系統(tǒng)46切換，使待工作泵組48連接輸出端(見圖3-3)。
本發(fā)明的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，其構(gòu)造和材料設(shè)計(jì)均不同于傳統(tǒng)液相色譜高壓輸液泵。它采用完全不同的工作原理，利用液體的熱膨脹作為驅(qū)動(dòng)力，使通過控制溫度來控制流量在技術(shù)上成為現(xiàn)實(shí)；另一方面在設(shè)計(jì)上有以下幾個(gè)獨(dú)創(chuàng)之處1.流量通過升溫速率控制，具體升溫曲線由微流泵軟件通過數(shù)據(jù)庫計(jì)算生成，可實(shí)現(xiàn)二元及二元以上多元混合流動(dòng)相的等度/梯度沖洗，流量范圍10-5～10-9L/min，輸出壓力可達(dá)10～35MPa。
2.微流泵控制系統(tǒng)收集溫度和壓力傳感器信號(hào)，計(jì)算及判斷后給出指令，對(duì)耐壓加熱腔體實(shí)施精確控溫并控制切換閥切換，具有高度自動(dòng)化特點(diǎn)。
3.采用閥切換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)兩組泵組自動(dòng)交替工作，保證微流的連續(xù)輸液。
4.采用閥切換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)二元流動(dòng)相的等度/梯度沖洗。所述的十通切換閥5和6可以被一組三通閥、四通閥、六通閥或針型閥等能實(shí)現(xiàn)切換功能的閥件或閥件組合所替代；采用相應(yīng)的切換系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)二元以上多元流動(dòng)相的等度/梯度沖洗。
5.采用雙壓力平衡點(diǎn)切換技術(shù)保證泵切換時(shí)流速穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)。
6.解決了理論上和技術(shù)上的一些問題，使得在一套系統(tǒng)里進(jìn)一步增加泵數(shù)量成為可能，可用于進(jìn)一步的多元梯度沖洗以及高通量陣列分析。
7.采用細(xì)口徑熔硅毛細(xì)管、不銹鋼管、PEEK管等作為連接管線，減少了泵系統(tǒng)的死體積，有利于盡量縮短滯后時(shí)間。


圖1是熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是耐壓加熱泵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-1～3是雙壓力平衡點(diǎn)切換工作流程示意圖。
圖4-1～4是雙十通閥程控切換工作流程示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)，1，2，3，4是加熱泵，5，6是十通切換閥，7是微流泵控制系統(tǒng)，8，9是壓力傳感器，10是進(jìn)樣裝置，11是毛細(xì)管液相色譜柱，12是檢測(cè)器，13，14是儲(chǔ)液瓶，15是氦氣脫氣裝置，16，17，19是三通，18是四通，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29是十通閥5的十個(gè)接口，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39是十通閥6的十個(gè)接口，40是加熱部件，41是耐壓加熱腔體，42是流動(dòng)相儲(chǔ)存裝置，43是加熱部件導(dǎo)線，44是溫度傳感器及導(dǎo)線，45是三通，46是閥切換系統(tǒng)，47是工作泵組，48是待切換泵組。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步具體描述本發(fā)明，但不限于該實(shí)施例。
實(shí)施例1.制取一段內(nèi)徑5mm，長(zhǎng)56mm的不銹鋼管泵腔，泵腔體積為1100μL。
2.采用250μm內(nèi)徑熔硅毛細(xì)管作為儲(chǔ)液毛細(xì)管，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3m，則儲(chǔ)液體積為147.2μL，單泵在流量為2μL情況下可工作一小時(shí)以上而不需切換。
3.儲(chǔ)液瓶通過頭上帶有過濾器的聚四氟乙烯管與十通閥6連接。十通閥、三通、四通及壓力傳感器之間均采用7μm內(nèi)徑不銹鋼管連接，長(zhǎng)度以能夠連接最短為好。
4.計(jì)算機(jī)、進(jìn)樣裝置、色譜柱、檢測(cè)器等采用通常的產(chǎn)品，采用控制線路板與溫度傳感器、壓力傳感器和計(jì)算機(jī)相通訊，通過微流泵控制軟件可使微流泵按設(shè)定的恒流等度/梯度沖洗條件工作。按照?qǐng)D1所示進(jìn)行連接，經(jīng)調(diào)試即可得所需熱膨脹梯度泵。采用組圖4所示之雙十通閥程控切換方式，在軟件操作界面設(shè)定相關(guān)參數(shù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫計(jì)算獲得升溫曲線并控制輸出。
以加熱泵2、4工作，加熱泵1、3等待為起點(diǎn)的雙十通閥程控切換系統(tǒng)為例，其工作流程如下(說明當(dāng)十通閥5的20-29相連時(shí)為inject狀態(tài)，20-21相連時(shí)為load狀態(tài)；當(dāng)十通閥6的30-39相連時(shí)為狀態(tài)(一)，30-31相連時(shí)為狀態(tài)(二)，以下皆同)(1)十通閥5處于狀態(tài)inject，十通閥6處于狀態(tài)(一)，加熱泵2、4受熱輸出，加熱泵1、3降溫補(bǔ)充溶劑，并最終恒溫于T℃(見圖4-1)。
(2)加熱泵2、4運(yùn)行達(dá)需切換時(shí)，十通閥6切換至狀態(tài)(二)，同時(shí)控制加熱泵1、3升溫，進(jìn)行預(yù)升壓(見圖4-2)。
(3)當(dāng)壓力8＝壓力9時(shí)，十通閥5切換至狀態(tài)load，隨后十通閥6切換至狀態(tài)(一)，加熱泵1、3輸出，加熱泵2、4降溫補(bǔ)充溶劑，并最終恒溫于T℃(見圖4-3)。
(4)加熱泵1、3運(yùn)行達(dá)需切換時(shí)，十通閥6切換至狀態(tài)(二)，同時(shí)控制加熱泵2、4升溫，進(jìn)行預(yù)升壓(見圖4-4)。
(5)當(dāng)壓力8＝壓力9時(shí)，十通閥5切換至狀態(tài)inject，隨后十通閥6切換至狀態(tài)(一)，加熱泵2、4輸出，加熱泵1、3降溫補(bǔ)充溶劑，并最終恒溫于T℃(圖同4-1)。
至此，工作狀態(tài)下二元溶劑泵完成一次完整切換過程，之后的連續(xù)輸出為此切換過程的重復(fù)調(diào)用。
權(quán)利要求
1.一種用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，其特征在于由加熱泵組(1)和(3)、另一個(gè)加熱泵組(2)和(4)、微流泵控制系統(tǒng)(7)、十通切換閥(5)和(6)、壓力傳感器(8)和(9)、進(jìn)樣裝置(10)、儲(chǔ)液瓶(13)和(14)、脫氣裝置(15)、三通(16)和(17)、四通(18)以及耐高壓連接頭和管線構(gòu)成；其中，每個(gè)耐壓加熱泵主要由加熱部件(40)、耐壓加熱腔體(41)、流動(dòng)相儲(chǔ)存裝置(42)、溫度傳感器(44)組成，加熱泵(1)、(2)、(3)、(4)分別與十通切換閥(5)的接口(26)、(24)、(29)、(21)相連；十通切換閥(5)的接口(27)和(28)分別連接到三通(16)的兩個(gè)接口上，另兩個(gè)接口(22)和(23)分別連接到三通(17)的兩個(gè)接口上，三通(16)和三通(17)的另外一個(gè)接口分別通過微量混和器連接到四通(18)的兩個(gè)接口上，四通(18)的另外兩個(gè)接口中，一個(gè)接口連接壓力傳感器(9)，另一個(gè)接口依次與進(jìn)樣裝置(10)、毛細(xì)管液相色譜柱(11)和檢測(cè)器(12)相連；十通切換閥(5)的接口(20)和(25)分別與十通切換閥(6)的接口(39)和(36)相連；三通(19)的兩個(gè)接口分別連接到十通切換閥(6)的接口(37)和(38)上，另一個(gè)接口與壓力傳感器(8)相連；儲(chǔ)液瓶(13)和(14)分別與十通切換閥(6)的接口(30)和(35)相連；各加熱泵的加熱部件、溫度傳感器、壓力傳感器和十通切換閥都與微流泵控制系統(tǒng)(7)的線路板相連，受其控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，其特征在于所述的十通切換閥(5)和(6)可以被一組三通閥、四通閥、六通閥或針型閥的閥件組合所替代，采用相應(yīng)的切換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二元以上多元流動(dòng)相的等度/梯度沖洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，其特征在于加熱泵的耐壓加熱腔體采用耐高壓、導(dǎo)熱性良好的材料制作，腔內(nèi)體積為10μL～10mL。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，其特征在于加熱部件與加熱腔體配套，采用電加熱方式，以實(shí)現(xiàn)精確控溫、快速加熱降溫，升溫速率范圍為0.1～10℃/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵，其特征在于采用雙壓力平衡點(diǎn)切換，以保證泵組切換時(shí)流速穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)。
全文摘要
本發(fā)明屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于高效液相色譜儀的熱膨脹連續(xù)微流高壓梯度泵。它由耐壓加熱泵體、微流泵控制系統(tǒng)、切換閥、壓力傳感器、儲(chǔ)液瓶等連接構(gòu)成。本發(fā)明利用液體熱膨脹的原理，對(duì)于一定體積的受熱液體，通過預(yù)先/實(shí)時(shí)計(jì)算，可以控制加熱，以一定的升溫方式來獲得10
文檔編號(hào)G01N30/36GK101059486SQ200710040488
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者張祥民, 陶芊, 紀(jì)杰 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)