专利名称：一种级联高压电渗泵的制作方法
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一级联高压电渗 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PL/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yL/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1 750 μ m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 μ m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一 S03-的强阳离子型毛细管 通道以及表面官能团为磷酸基一 PO3-或羧酸基一 COO-或一 MO-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一 R4N+的强阴离子型毛细 管通道以及表面官能团为叔胺一 I^3N或仲胺基一 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。 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；
具体实施例方式
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
31、第一華禹合器； 33、第三耦合器；
32、第一華禹合器； 4、第二阳离子型毛细管通道； 6、高压电源； 8、钼金电极。
5、输出毛细管通道； 7、工作介质容器；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和钼金电极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 分别与钼金电极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内从而与钼金电极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的正向电压与钼金电极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250 μ m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 μ m (通常采用的粒径为3 μ m或5 μ m)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一 SO3—)或弱 阳离子型毛细管通道(表面官能团为磷酸基一 PO3-或羧酸基一 COO-或一 Si0_)。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一 R4N+)或弱阴离子型毛细管 通道(表面官能团为叔胺一 I^N或仲胺基一 &N)。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和钼金电极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。
权利要求
1.一种级联高压电渗泵，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，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种级联高压电渗泵，其特征在于，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。
3.根据权利要求1或2所述的一种级联高压电渗泵，其特征在于，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1 750 μ m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 μ m或通过原位聚合方式构 建的整体式填充物。
4.根据权利要求3所述的一种级联高压电渗泵，其特征在于，所述的阳离子型毛细 管通道包括表面官能团为磺酸基一 SO3-的强阳离子型毛细管通道以及表面官能团为磷酸 基一 P03_或羧酸基一 C00_或一 Si0_的弱阳离子型毛细管通道。
5.根据权利要求3所述的一种级联高压电渗泵，其特征在于，所述的阴离子型毛细管 通道包括表面官能团为季胺基一 R4N+的强阴离子型毛细管通道以及表面官能团为叔胺一 R3N或仲胺基一 的弱阴离子型毛细管通道。
6.根据权利要求1或2所述的一种级联高压电渗泵，其特征在于，所述的耦合器为不 锈钢二通或不锈钢三通。
全文摘要
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。
文档编号B01D61/44GK102101018SQ201110038728
公开日2011年6月22日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者杨丙成, 梁鑫淼, 王蓉, 章飞芳 申请人:华东理工大学