专利名称：一种热膨胀微流高压梯度泵及其使用方法
技术领域：
本发明属仪器仪表技术领域，具体涉及一种用于微柱或毛细管高效液相色谱的热膨胀微流高压梯度泵。
本发明设计的热膨胀微流梯度泵系统主要由耐压加热腔体、加热炉、温度控制装置、贮液毛细管和贮液瓶(以上均为两套以上)；切换六通阀、微量混合器、进样装置、控制电脑及一些耐高压连接头、管路和阀件构成，结构如
图1所示。其中，加热腔体1和2采用不锈钢管，其一端由耐高温高压的螺帽密封，另一端焊接一高压连接头，用于与贮液管连接，两个加热腔体1和2分别设置于加热装置3和4内，两个加热装置3和4分别与两个温控仪5和6连接，并由一台电脑7控制；两路贮液毛细管8和9分别将两个加热腔体1和2与六通切换阀的接口25和22连接；贮液瓶10和11分别与六通阀的接口26和21连接，六通阀的接口23和24分别连接到四通阀14的两个接口上，四通阀14的另外两个接口分别连接压力计13和微量混合器15；进样装置由两通切换阀16、进样器17和注射进样针18组成；切换阀16的另一个接口依次与毛细管液相色谱柱19、检测器20连接。
本发明中，采用液体、气体、或直接加热方式，两路加热炉通过两个温控仪用一台电脑控制。通过控制升温速率来控制流量。根据需要用足够长的毛细管连接加热腔体和六通切换阀，用于贮存一定量的冲洗溶液。六通阀为液相色谱专用的阀件，具有死体积小，耐高压的特点。六通阀在本发明里起到简化连接管路和精简切换操作的作用。两路通过六通阀切换后，再连接到四通阀的两个接口上；四通阀的另外两个接口分别连接压力计和微量混合器。两元冲洗液在四通阀处混合后再经过微量混合器进一步混合均匀，然后通过进样装置进入毛细管液相色谱柱进行梯度冲洗。以上连接各种阀件之间的管线均需采用耐高压(至少350kg/cm2)，较小死体积(内径至少低于100μm)的不锈钢管或PEEK管。其中进样装置、毛细管液相色谱柱和检测器均为色谱常规部件。
本发明中，耐压加热腔体内装的液体可以是水、汞、硅油、煤油之一种，利用热膨胀原理产生微流。
本发明中，采用六通阀的切换，可以实现二元梯度混合冲洗。也可以实现三元、四元甚至更多梯度混合冲洗，以及冷却回吸之间的切换，只要采用相应的切换阀。例如，三元梯度混合冲洗，可采用八通切换阀。四元梯度混合冲洗，可采用二个六通切换阀。本发明的工作原理如下本发明采用对耐压腔体内液体进行加热的方式提供驱动，通过控制升温速率的方法控制流量，从而实现微流量级别的梯度冲洗。α(T)为水的体积膨胀常数，是温度的函数，其定义如下a(T)=-(∂lnρ∂T)p=δVδT·1V----(1)]]>其中ρ液体密度，V为液体体积，T为温度由上式我们可以得到热膨胀产生流量Fexp的表达式Fexp=α(T)VδTδt---(2)]]>在一般的情况下，V可以认为是常数。已经有国外的文献报道在较窄的温度区间里(如40～50℃)，由于α(T)变化不大，采用恒定的 来得到恒定的流量(Ericson，C.；Hjertén，S.Anal.Chem.1998，70，366-372.)。我们扩展了温度范围，并对α(T)进行了数学拟合和计算，所可以通过控制 来达到控制流量的目的，从而实现各种不同流速曲线的微流量，其中包括梯度冲洗。
我们可以观察到α(T)对温度T的曲线在某个温度以上是可以近似认为是直线，比如T0＝40℃。因此，我们可以近似的得到关于α(T)对于T的关系式α(T)＝aT+b(T≥40℃) (3)系数a、b由拟合法确定。根据(2)和(3)，通过控制不同温度下的α(T)，从理论上可以得到任意流速曲线的液流，因此可以实现梯度冲洗。而α(T)对于温度T的变化可以通过一个简单的程序预先计算就可以得到。恒流情况下的升温方程计算为了使得流速维持在一个常数f，将(3)代入(2)得到f=(aT+b)VδTδt---(4)]]>对两边进行积分，T从T0到T，t从0到t，得到T=1ab2+a2T02+2af1t/V-b---(5)]]>δTδt=f1a2(T0)V2+2af1Vt---(6)]]>其中T0是初始时间(t＝0)时的温度，许多情况下可设为40℃。正梯度和负梯度将常数项f改为正梯度，如F＝kt，我们可以得到T=1a(b2+a2T02+2abT0+akVt2-b)---(7)]]>δTδt=ktVb2+a2T02+2abT0+akt2/V----(8)]]>类似的，将流速设为负梯度，如F＝f0-kt，可以得到T=1a[b2+a2T02+2abT0+aV(2f0t-kt2)-b]---(9)]]>δTδt=f0-ktVb2+a2T02+2abT0+aV(2f0t-kt2)---(10)]]>另一方面，流量还受到液体压缩系数的影响。虽然液体的可压缩性很小，但是相对于微微流级别的流量而言，其影响还是必须考虑的。如下式，β是液体的压缩系数β(T)=(∂lnρ/∂P)T=-(∂lnV∂P)T=-δVδP·1V---(11)]]>所以，压缩对流量的影响可以表达为FcomprFcompr=δVδT=-βVδPδt---(12)]]>总的流量为Fexp和Fcompr的代数和。
由上式可以看到，由于在该泵的工作温度范围内α(T)比β(T)大一个数量级以上，因此流量主要由Fexp决定；并且，Fcompr只与压力对时间的变化率有关，而不是直接与压力有关，在恒压的条件下，Fcompr项为零，可以不予考虑。当压力变化时，可以通过改变升温速率来进行校正。这均可通过电脑来控制。
本发明中，作为耐压加热腔体的不锈钢管内径一般为0.75～5mm，内径过小导致所需长度过长，内径过大影响传热。根据不锈钢管的内径以及所需的设定流量设计耐压加热腔体的体积，不锈钢管的长度一般为5～500cm不等，以上范围仍可根据需要进一步扩展。
加热装置采用空气浴，水浴，油浴、柱上直接加热或者其它加热方式；控制升温速率范围为0.1～10℃/min，0.1℃/min为普通温度控制仪所能达到的温控精度下限，升温速率高于10℃/min时，将导致传热不够及时，产生明显的时间滞后效应。两套加热装置甚至十套以上加热装置可以经由一台电脑同时控制。
本发明中，经过计算，在上述升温方式下，利用热膨胀的原理获得nL/min级至100μL/min(即10-4～10-9L/min)级别的微流，包括恒流线性梯度流及其它各种流型的液流，其输出压力可达到10-35Mpa。
耐压加热腔体的一端需密封，可采用先焊接一段小内径不锈钢管，再以耐压螺帽及耐压不锈钢垫片密封；在加热泵工作较长时间后，可将螺帽拧开方便冲洗泵体。耐压加热腔体的另一端也需先焊接一段小内径不锈钢管，再通过液相色谱用耐压接头连接毛细管。连接加热腔体和六通阀之间的空心毛细管为预贮存冲洗溶液用，内径为50～250μm，长度为0.50～5m，可根据不同要求设定，也可采用其它贮液方法。贮液瓶与六通阀之间的连接亦采用小内径毛细管，不锈钢管或PEEK管，但内径应比其他处连接管稍大，以利于顺利回抽冲洗液至贮液毛细管中。六通阀与四通阀之间的连接最好用小内径17μm的PEEK管，以利于尽量减少死体积。四通与压力计的连接采用17～50μm的不锈钢管，连接色谱柱方向出口亦采用与上述相同内径范围的PEEK管。以上采用小内径连接管线的目的均是为了减少泵系统内的死体积，以利于灵敏的流量和压力传递，缩短时间滞后。
微量混合器、进样装置、色谱柱、色谱柱恒温装置以及检测器均为普通产品，可根据同需求选用不同种类和规格，在此不予详述。
本发明的热膨胀微流梯度泵，其构造和材料设计均不同于传统液相色谱高压输液泵。它采用与传统的液相色谱输液泵完全不同的工作原理，利用液体的热膨胀作为驱动力，一方面进一步完善了理论基础，使得通过控制温度来控制流量在技术上成为现实；另一方面在设计上有以下几个独创之处1.两路加热腔体通过电脑统一控制，两路各自产生独立的流速曲线，再经由混合器成为两元等度或者梯度混合。
2.解决了理论上和技术上的一些问题，可以在一套系统里进一步增加泵数量，用于多元梯度冲洗以及高通量阵列分析。
3.采用细口径熔硅毛细管、不锈钢管、PEEK管作为连接管线，减少了泵系统的死体积，有利于尽量缩短滞后时间。
4.采用六通阀作为两元冲洗液的切换阀，一方面液相色谱专用六通阀具有耐高压，死体积小的优点，另一方面使得操作简化很多，只通过一次切换就可由冷却回抽冲洗液状态进入两元梯度冲洗状态。
综上所述，本发明获得了以下优良效果1.密闭体系内液体热膨胀作为压力驱动，避免了由于机械部件之间相互移动引起的泄漏，使得准确输送低流量(0.001～100μL/min)成为可能。
2.由于在所设计的加热腔体体积下产生的流量已经达到微流甚至更低流量的级别，避免采用常规液相色谱微量泵的分流技术，从而大大节省了冲洗液的使用量。
3.主要采用水作为被加热液体，一方面其密度、热膨胀系数、压缩系数、不同压力下沸点、粘度均有详实可靠的数据，使得理论设计建立在可靠的数据基础上；另一方面水安全可靠，无污染，可长期加热使用。也可根据需要换用其它加热液体。
4.冲洗溶液只是在贮液管内，整个及热和冷却过程中都未进入泵体内部，避免了酸、碱、有机溶剂和其它缓冲溶液对泵体的污染和腐蚀，减少泵体内部的定期清洗工作。
5.操作方便，一次切换即可完成全部阀路转换进入冲洗阶段。
6.在同一套泵系统内可进行两元等度或者线性梯度冲洗，以及其它各种不同流速曲线形状的梯度冲洗。
图4是另外一种切换阀连接方式下冲洗结束后重新灌注冲洗液时的示意5是一种可产生恒流的升温曲线图6是两路泵的一种升温方式图7是设定的一种流速曲线图中标号，1、2是耐压不锈钢加热腔体，3、4是加热炉，5、6是带通讯接口的温度控制仪，7是电子计算机，8、9是用于贮存冲洗溶液的毛细管，10、11是贮液瓶，12是六通阀，13是压力计，14是四通阀，15是微量混合器，16是两通切换阀，17是进样器，18是注射进样针，19是毛细管液相色谱柱，20是检测器，21、22、23、24、25、26是六通阀的六个接口。
图1中，泵1通过毛细管8与25连接，其中的冲洗液通过25、24到达四通阀14，泵2通过毛细管9与22连接，其中的冲洗液通过22、23到达四通阀14并与另一路冲洗液混合。
图2中，25与26连通，在泵1冷却时产生的负压下，贮液瓶10的冲洗液通过26、25灌注到毛细管8；21与22连通，在泵2冷却时产生的负压下，贮液瓶11中的冲洗液通过21，22灌注到毛细管9。
2.采用250μm内径熔硅毛细管作为贮液毛细管，设计长度为1.5m，则贮液体积为73.6μL，在流量为1μL情况下可工作73.6min不需换液。
3.贮液瓶通过头上带有过滤器的50μm内径的PEEK管与六通阀连接，以防止灰尘进入泵系统。六通阀与四通以及四通与压力计均采用50μm内径不锈钢管连接，长度以能够连接最短为好。
4.计算机、微量混合器、进样装置、色谱柱、检测器等采用通常的产品，按照图1所示进行连接，经调试即可得所需热膨胀梯度泵。把另一路泵用阀关闭，仪使一路泵处于工作状态，采用图5所示之升温方式，即可得到恒定流速为1μL/min的液流。当两路泵分别采用图6的两种升温方式时，我们就分别得到正梯度和负梯度两种线性梯度流量。再通过混合器混合，就可实现梯度冲洗。设定流速曲线如图7所示。
权利要求
1.一种热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于由两套耐压加热腔体(1)和(2)、加热装置(3)和(4)、温度控制装置(5)和(6)、贮液管(8)和(9)、贮液瓶(10)和(11)以及切换六通阀(12)、微量混合器(15)、进样装置、控制电脑(7)和一些耐高压连接头及管线构成；其中，加热腔体(1)和(2)采用不锈钢管，其一端由耐高温高压的螺帽密封，另一端焊接一高压连接头，用于与贮液管连接，两个加热腔体(1)和(2)分别设置于加热装置(3)和(4)内，两个加热装置(3)和(4)分别与两个温控仪(5)和(6)连接，并由一台电脑(7)控制；两路贮液毛细管(8)和(9)分别将两个加热腔体(1)和(2)与六通切换阀的接口(25)和(22)连接；贮液瓶(10)和(11)分别与六通阀的接口(26)和(21)连接，六通阀的接口(23)和(24)分别连接到四通阀(14)的两个接口上，四通阀(14)的另外两个接口分别连接压力计(13)和微量混合器(15)；进样装置由两通切换阀(16)、进样器(17)和注射进样针(18)组成；切换阀(16)的另一个接口依次与毛细管液相色谱柱(19)、检测器(20)连接。
2.根据权利要求1所述的热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于耐压加热腔体内装有水、汞、硅油、煤油等液体，利用液体热膨胀的原理产生微流。
3.根据权利要求1所述的热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于所述的六通阀(12)可以改为八通阀或两个六通阀，以实现三元或四元梯度混合冲洗。
4.根据权利要求1所述的热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于耐压加热腔体内径为0.75-5mm，长度为5-500cm。
5.根据权利要求1所述的热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于耐压加热腔体与六通切换阀之间的毛细管内径为50-500μm，长度为0.5-5m。
6.如权利要求1所述的热膨胀微流高压梯度泵的使用方法，其特征在于加热炉(3)和(4)采用空气浴、水浴、油浴或者柱上直接加热方式，升温速率为0.1～10℃/min。
7.根据权利要求6所述的热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于利用热膨胀的原理，产生的液体流量在nL/min级至100μL/min。
8.根据权利要求6所述的热膨胀微流高压梯度泵，其特征在于采用各种切换阀方式实现两元、三元、四元甚至更多梯度混合冲洗以及冷却回吸之间的切换。
全文摘要
本发明是用于高效液相色谱仪的热膨胀微流高压梯度泵。由耐压加热腔体、加热炉、温度控制装置、贮液毛细管、贮液瓶、切换阀、微量混合器等连接构成。本发明利用液体热膨胀的原理,对于一定体积的受热液体,通过预先计算,可以控制一定的升温方式来获得10
文档编号G01N30/36GK1382985SQ0211192
公开日2002年12月4日 申请日期2002年6月3日 优先权日2002年6月3日
发明者张祥民, 吴谦 申请人:复旦大学