专利名称：基于离子交换技术的电致微型器件的制作方法
基于离子交换技术的电致微型器件
技术领域：
本发明涉及离子交换技术领域，尤其是涉及一种基于离子交换技术的电致微型 器件，其适用于毛细管或纳升级液相色谱、毛细管离子色谱的样品前处理装置或者与质谱 (MS)联用接口、毛细管离子色谱抑制器。
背景技术：
毛细管/纳升级液相色谱(capillary/nano LC)或毛细管离子色谱(capillary ion chromatography, CIC)以其高效、节省溶剂、易于和质谱(MS)联用等优势成为近年来 最受人关注的分析技术之一。生物样品由于基质复杂、样品少且昂贵的特点，非常适合应用 于capillary/nano LC或CIC分析。然而，生物样品中通常含有大量的无机盐从而限制了 它的有效色谱分离和后续的质谱检测，尤其是后者。因为无机盐不易于挥发、电离，样品中 无机盐的存在会产生很多杂峰及很高的基线噪声。能否有效去除生物样品中的无机盐常常 成为生物样品能否有效分析的关键所在。常用的无机盐去除装置包括固相萃取(SPE)、中空纤维置换技术。SPE操作原理 是将含有无机盐的生物样品通过一具有特定官能团的的色谱填料，其中所要分析的样品能 选择性的吸附在色谱填料上，而无机盐没有任何吸附而直接被水冲洗掉；中空纤维膜技术 是采用一个多孔中空纤维膜选择性去除无机盐。其中，中空纤维膜放置于水中或挥发性无 机盐溶液内(如NH4AC)，生物大分子尺寸由于大于多孔膜的孔径而不能扩散到膜外的溶液 内，而无机盐小分子可自由出入而扩散到膜外的水中，或与挥发性无机盐定量置换，从而达 到去除难挥发性无机盐的目的。这些常用技术存在的缺点主要为动态去除率低、不易实现 自动化、柱外死体积大。尤其是与毛细管/纳升级液相色谱或毛细管离子色谱联用，柱外死 体积的缺点就更加突出。发展一种高效、死体积小的微除盐器具有很强的现实意义。本发明的基于离子交换技术的电致微型除盐器采用电渗析技术可动态实时去除 无机盐且具有纳升级的死体积，非常适合于毛细管/纳升级液相色谱或毛细管离子色谱系 统。该发明内容未见公开。另外，抑制器是毛细管离子色谱系统的关键部件，其作用是降低背景电导及提高 信噪比。对于CIC而言，由于要兼顾死体积小(微升级)、高抑制容量(> 50 μ eq/min)的 两个基本要求，微型抑制器技术的研制目前仍然是该领域内一个挑战性课题。截至目前， 所报道的用于CIC微抑制器主要包括平板膜抑制器、填充型抑制器。通过内置整体柱磁 盘(monolithic disk)，戴安公司在其常规平板膜抑制器的基础上研制出微型抑制器。该 抑制器的抑制容量、抑制噪声都达到了常规抑制器的水准，但缺陷在于较大的死体积(约 35 μ L)和复杂的制作程序；Kuban等提出了中空纤维式微抑制器。两段内置一细不锈钢针 的石英毛细管间隔一定距离，在不锈钢针及针与毛细管连接处浇注上Nafion溶液。待溶液 挥发后，两段毛细管之间就覆盖一层薄膜。小心抽出钢针，即可得到一纤维式微抑制器。尽 管设计巧妙，但很难保证制作过程的重复性及足够的成功率；Takeuchi等研制出一种微型 填充柱结构的抑制器。采用两个毛细管离子色谱柱，通过柱切换实现了毛细管填充柱的在线再生。本发明的基于离子交换技术的电致微型抑制器是基于电渗析技术且具有纳升级 的死体积，非常适合于毛细管离子色谱系统。该发明内容亦未见公开。
发明内容本发明的目的在于提供一种基于离子交换技术的电致微型器件。当所用的两个离 子交换单元极性相反时，即一个阳离子、一个阴离子单元，上述器件表现为一电致微型除盐 器，适用于毛细管液相色谱纳升级液相色谱或毛细管离子色谱样品前处理装置或与质谱联 用接口 ；当所用的两个离子交换单元极性相同时，即同为阳离子单元或同为阴离子单元，上 述器件表现为一电致微型抑制器，适用于毛细管离子色谱系统。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于离子交换技术的电致微型器件，包含阳极区腔体、阴极区腔体、样品通道 以及固定连接装置，所述阳极区腔体与阴极区腔体通过固定连接装置分别设置于所述样品 通道两侧，两个极性相反或相同的离子交换单元分别设置于所述阳极区腔体与阴极区腔体 中，将所述阳极区腔体、阴极区腔体以及样品通道相互隔离，所述阳极区腔体和所述阴极区 腔体各自设置有一管式电极。当两个所述离子交换单元极性相反时，所述基于离子交换技术的电致微型器件表 现为一个电致微型除盐器，其中，阳离子单元和阴离子单元分别设置于所述阴极区腔体与 阳极区腔体中。其工作原理是基于电渗析技术，具体而言当含有无机盐的生物样品流经样 品通道时，在电场作用下，无机盐中的阳、阴离子分别经阳离子单元、阴离子单元进入阴极 区腔体和阳极区腔体，后与阴极区和阳极区水电解产生的氢氧根和氢离子分别形成中性化 合物。作为较佳的实施方式，当携带无机盐的样品溶液进入所述样品通道进行除盐时， 一外设蠕动泵连续驱动水或稀电解质溶液流经所述阳极区腔体和阴极区腔体，将样品溶液 除盐后的废液携带至一废液收集装置。其中，所述两个极性相反的离子交换单元可以为阴/阳离子微球、阴/阳离子整体 磁盘或阴/阳离子平板膜。当两个所述离子交换单元极性相同时，所述基于离子交换技术的电致微型装置表 现为一个电致微型抑制器，其工作原理也是基于电渗析技术。当欲抑制离子的样品溶液进入所述样品通道进行离子抑制时，一外设蠕动泵连续 驱动水或酸溶液或碱溶液流经所述阳极区腔体和阴极区腔体，将样品溶液的废液携带至一 废液收集装置。作为较佳的实施方式，所述两个极性相同的离子交换单元为阳离子微球、阴离子 微球、阳离子整体磁盘或阴离子整体磁盘。采用离子交换微球替代传统的平板膜的优点在 于，由于离子交换微球体积小，非常有利于实现制作微型抑制器。作为阳离子抑制器时，两个所述离子交换单元与样品通道相交的区域填充有阳离 子交换树脂或原位制备的阳离子整体相。作为阴离子抑制器时，两个所述离子交换单元与样品通道相交的区域填充有阴离 子交换树脂或原位制备的阴离子整体柱。
本发明的有益效果在于，表现为电致微型除盐器时，本发明是利用阴阳离子交换 单元组合方式实现对无机盐离子的有效去除而达到除盐的效果；由于所采用的离子交换单 元例如离子交换微球直径仅约0. 6mm，其间隔距离约0. 4mm,因此该除盐器的有效死体积仅 约0. 2微升，非常适合于毛细管色谱系统。另外，该微型除盐器采用电渗析原理，可动态实 时去除无机盐，无需再生。该除盐器还可以实现在线操作模式，有利于实现自动化。表现为 电致微型抑制器时，本发明是利用离子交换单元实现微型抑制器的功能，该微型抑制器采 用电渗析原理，可实现动态抑制，无需再生液。
图1为本发明所提供的电致微型器件的结构示意图。图2为本发明作为电致微型除盐器的操作原理示意图。图3为本发明作为电致微型除盐器除盐效果图。图4为本发明作为电致微型阴离子抑制器的操作原理示意图。图5为本发明作为电致微型阳离子抑制器的操作原理示意图。图6为本发明作为电致微型抑制器的抑制效果图。附图中的标记如下1.固定连接装置4. PEEK 管7.废液瓶8，.纯水或酸液或碱液10.出口连接管11，、12.阳极区腔体20、30、20，、30，.钼金管50,51,61.阳离子微球60、52、62.阴离子微球
具体实施方式下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。如图1所示，为本发明所提供的基于离子交换技术的电致微型器件的结构示意 图。一种基于离子交换技术的电致微型器件，包含阳极区腔体12、阴极区腔体11、样品通道 13以及固定连接装置1，所述阳极区腔体12与阴极区腔体11通过固定连接装置1分别设 置于所述样品通道13两侧，两个极性相反或相同的离子交换单元5、6分别设置于所述阴极 区腔体11与阳极区腔体12中，将所述阳极区腔体12、阴极区腔体11以及样品通道13相互 隔离，所述所述阴极区腔体11设置有一管式电极2，阳极区腔体12设置有一管式电极3。参见图2所示，为本发明作为电致微型除盐器的操作原理示意图。在本具体实施 方式中，离子交换单元为阳离子微球50和阴离子微球60。电致微型除盐器从结构上主要包 括阴极区腔体11、阳极区腔体12、样品通道13。样品通道13和阴极区腔体11、阳极区腔体 12分别通过阳离子微球50和阴离子微球60在空间隔离开来。此外，该除盐器还包括两个 钼金管20、30，其中钼金管20作为阴极，而钼金管30为阳极；配套的固定连接装置1，两个
2,3.管式电极 5、6.离子交换单元
8.纯水或稀电解质溶液
9.入口连接管 11、12’ .阴极区腔体
13.样品通道PEEK管4。其中，阳离子微球50和阴离子微球60间隔距离由样品通道13尺寸所决定；直 流电源的阳极放置于阴离子微球60 —侧即阳极区腔体12 —侧、阴极放置于阳离子微球50 一侧即阴极区腔体11 一侧。在本具体实施方式
中，还包含一外设蠕动泵(未图示)用于连 续驱动纯水或稀电解质溶液8流经所述阳极区腔体12和阴极区腔体11，以便将样品溶液除 盐后的废液携带至废液收集装置中。工作时，携带无机盐的样品溶液经入口连接管9进入样品通道13，在电场作用下 无机盐中的阳离子经阳离子微球50进入阴极区腔体11，而无机盐中的阴离子经阴离子微 球60进入阳极区腔体12。后被连续流动的水或稀电解质溶液8携带至废液瓶7。除去无 机盐的样品经出口连接管10进入后续的检测器或质谱系统。如图3所示，为本发明作为电致微型除盐器的除盐效果图。由于该除盐器是电致 模式，所加电压对除盐效果影响非常显著，可以看出在Iiv施加电压下，IOOmM KNO3去除效 果大于99%。实验条件样品溶液流速3μ L/min ；样品100mM KNO3 ；进样体积为200nL ；除 盐效果通过连接出口连接管10的一个电导检测器显示。参见图4所示，为本发明作为电致微型阴离子抑制器的操作原理示意图。具体而 言两个阳离子微球51、61分别固定于PEEK管4的端部；纯水或酸液或碱液8’经钼金管 20’、30’分别连续流经阳极区腔体11’、阴极区腔体12’后进入废液瓶7。其中，钼金管20’、 30’分别作为阳极和阴极。PEEK管4、样品通道13均固定在固定连接装置1上。当用于阴 离子分析的淋洗液KOH经入口连接管9进入样品通道13内，在电场作用下，在阳极区腔体 11’水电解产生的氢离子电迁移经阳离子微球51至样品通道13内与淋洗液KOH中的氢氧 根中和成水，而淋洗液中KOH中的钾离子经阳离子微球61电迁移至阴极区腔体12被连续 流动的水携带至废液瓶7。该过程产生的结果为淋洗液KOH在抑制器内转化为H2O经出口 连接管10进入后续的电导检测器，可有效抑制背景电导。同理，参见图5所示，为本发明作为电致微型阳离子抑制器的操作原理示意图。阳 离子抑制器工作原理淋洗液HNO3经入口连接管9进入样品通道13内，在电场作用下，在 阴极区腔体12’水电解产生的氢氧根离子电迁移经阴离子微球62至样品通道13内与淋洗 液HNO3中的氢离子中和成水，而淋洗液中HNO3中的N03_经阴离子微球52电迁移至阳极区 腔体11’被连续流动的水携带至废液瓶7。该过程产生的结果为淋洗液HNO3在抑制器内转 化为H2O经出口连接管10进入后续的电导检测器，可有效抑制背景电导。图6为本发明作为电致微型抑制器抑制效果图。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种基于离子交换技术的电致微型器件，包含阳极区腔体、阴极区腔体、样品通道以 及固定连接装置，其特征在于，所述阳极区腔体与阴极区腔体通过固定连接装置分别设置 于所述样品通道两侧，两个极性相反或相同的离子交换单元分别设置于所述阳极区腔体与 阴极区腔体中，将所述阳极区腔体、阴极区腔体以及样品通道相互隔离，所述阳极区腔体和 所述阴极区腔体各自设置有一管式电极。
2.根据权利要求1所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，当两个所 述离子交换单元极性相反时，所述基于离子交换技术的电致微型器件表现为一个电致微型 除盐器，其中，阳离子单元和阴离子单元分别设置于所述阴极区腔体与阳极区腔体中。
3.根据权利要求2所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，当携带无 机盐的样品溶液进入所述样品通道进行除盐时，一外设蠕动泵连续驱动水或稀电解质溶液 流经所述阳极区腔体和阴极区腔体，将样品溶液除盐后的废液携带至一废液收集装置。
4.根据权利要求1或2所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，所述两 个极性相反的离子交换单元为阴/阳离子微球、阴/阳离子整体磁盘或阴/阳离子平板膜。
5.根据权利要求1所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，当两个所 述离子交换单元极性相同时，所述基于离子交换技术的电致微型装置表现为一个电致微型 抑制器。
6.根据权利要求5所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，当欲抑制 离子的样品溶液进入所述样品通道进行离子抑制时，一外设蠕动泵连续驱动水或酸溶液或 碱溶液流经所述阳极区腔体和阴极区腔体，将样品溶液的废液携带至一废液收集装置。
7.根据权利要求1或5所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，所述 两个极性相同的离子交换单元为阳离子微球、阴离子微球、阳离子整体磁盘、阴离子整体磁 盘、阴离子平板膜或阳离子平板膜。
8.根据权利要求5所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，作为阳离 子抑制器时，两个所述离子交换单元与样品通道相交的区域填充有阳离子交换树脂或原位 制备的阳离子整体相。
9.根据权利要求5所述的基于离子交换技术的电致微型器件，其特征在于，作为阴离 子抑制器时，两个所述离子交换单元与样品通道相交的区域填充有阴离子交换树脂或原位 制备的阴离子整体柱。
全文摘要
本发明提供了一种基于离子交换技术的电致微型器件，该电致微型器件内部固设有一个阳极区腔体、一个阴极区腔体和一个样品通道及配套的固定连接装置。其中，样品通道与阳极区腔体和阴极区腔体分别由连个极性相反或相同的离子单元隔离开来。当所用的两个离子交换单元极性相同时，上述器件表现为一电致微型抑制器，适用于毛细管离子色谱系统；当所用的两个离子交换单元极性相反时，上述器件表现为一电致微型除盐器。其基于电渗析原理、通过离子交换单元作为主要功能部件，适用于毛细管液相色谱纳升级液相色谱或毛细管离子色谱样品前处理装置或与质谱联用接口，可实现无机盐的定向有效去除。
文档编号B01D61/46GK102078769SQ200910199798
公开日2011年6月1日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者杨丙成, 梁鑫淼, 章飞芳 申请人:华东理工大学