专利名称：用于横跨微构分离通道分配试样和载液的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及液相色谱法领域。本发明提供用于横跨分离通道分配 试样和载液的设备和方法。
背景技术：
在液相色谱法领域，有越来越多的设备被开发出来，它们采用了 设置在聚合物、硅或玻璃晶片的表面上的微构分离通道。通过釆用蚀 刻技术，所述微构分离通道通常具有扁平矩形的横截面，也即比深度 要宽得多或者比宽度要深得多。
为进行并检测液相色谱分离，所述微构分离通道被连接到试样注 射器和连接到检测设备上。传统地，通过采用圆柱形连接毛细管确保
该连接。这里出现的技术问题是来自有限直径圆管的液体需要均匀 地散布在所述微构分离通道的横截面上而不产生过量的带加宽或轴向 分散。类似地，同样重要的是，在分离通道的端部设置分配区以在扁 平矩形分离通道和圆管之间进行流动过渡，该圆管用于将试样引导到 片外检测器。如果执行液相色语法，该过渡需要在最小的带加宽下发 生。能够用于设计这些流动分配结构的其中一个一般工程规则是它 们需要具有小的总容积，因为设备的带加宽或轴向分散大致正比于其 容积。
记住这点，那么Sant等提出的横跨微通道分散液体(2006， Reduction of End Effect-Induced Zone Broadening in Field-Flow Fractionation Channels, Anal. Chem.， online publication A-H )的方
案一一该方案采用了具有在60度和90度之间的开度角的三角形分布 区——具有的明显缺点是如果分离通道宽度与入口通道的宽度比率 很大的话，其将占用太大的容积。例如，如果分离通道宽lcm,则90度开度角的分布三角形的长度也将是lcm。美国专利第6156273号中 提出的持续分叉通道入口也采用了这样的分叉通道入口或出口。
在本领域中存在提供用于横跨微构分离通道分配试样和载液的设 备的需求，该设备克服了至少部分上述的缺点。
发明内容
本发明提供用于在微构分离通道中分配试样和载液的设备，其中 试样和载液横跨所述分离通道的分散或渗透性得到了改进。特别地， 本发明提供一种设备，该设备中设计有流动分配区，其中横向分散或 渗透性得到了促进，从而变得大于轴向分散或渗透性。在进入的液体 需要横跨通道横截面在横向上散布的情况下，这样的设计要有利得多。 需要注意的是，美国专利第6156273号和Sant等(2006)提出的流动 分配结构中，横向分散小于它们的轴向分散。
另外，在根据本发明的所有实施方式中，提供一种设备，其中形 成有流动分配区，流动分配区中填充有(优选地在它们整个深度上) 具有选定形状、尺寸和定位样式的微构柱阵列，从而使得所述流动分 配区具有至少为2的横向对轴向渗透性比率。
该渗透性比率例如可以采用计算流体动力学软件计算计算流沿 轴向通过分配区的压降，将该压降与流以相同平均速度沿横向通过分 配区的压降相比较。那么这两个压降的比率就是该渗透性比率的倒数。
图la是设置有一个根据本发明的流动分配区的分离通道的顶视图。
图lb示出了具有合适的横向宽度对轴向宽度比率的微柱形状的 例子。
图2是一个根据本发明的流动分配区的顶视图，包括在横向上尺 寸和/或柱间距离变化的柱。
图3是一个根据本发明的流动分配区的纵向横截面图，其中至少
5一部分流动分配区蚀刻为具有比所述分离通道更小的深度。
图4是根据本发明的设备的纵向横截面图，其中流动分配区设置 在与承载分离通道的表面不同的表面上。
图5是根据本发明的设备的纵向横截面图，其中两个不同的流动 分配区被连接到不同的入口存储器上。
图6a-b是一个根据本发明的流动分配区的顶视图，所述具有平行 设置的分离壁，并连接到不同的入口 (图6a)或出口 (图6b)通道。
图7a-b是通过穿过荧光香豆素示踪器的玻璃盖板观察得到的 CCD照相机图像的顶视图，该示踪器横跨采用根据本发明的流动分配 区(图7a)和采用持续分叉入口系统(图7b，现有技术)的圆柱形微 柱阵列而分布。
具体实施例方式
本发明涉及设计用于横跨包含分离介质的扁平矩形分离通道的横 向宽度均匀地散布液体的流动分配区。所述分离介质可以是另 一个微 柱阵歹'J (micro-pillar array )、珠填料(bead packing )、单片支撑 (monolithic support)或4壬4可其4也合适的色"i普介质。
这里使用的术语"分配"和"分散"在一些实施方式中是同义词，指 在面积或容积上散开的空间属性。
这里使用的术语"渗透性"是指液体穿过材料的流率，优选横跨 如这里限定的微构分离通道。
在第一实施方式中，本发明提供色镨法分离设备，包括承载有微 构分离通道的第一基体，该微构分离通道在第一基体的一个表面上凹 进并通过第二基体覆盖，两个基体都穿有必要的连接孔，用于供应和 排出试样和可动相液体，其特征在于所述微构分离通道之前或之后具 有流动分配区，该流动分配区从底部到顶部填充有孩史构柱阵列，所述 柱具有选定的形状、尺寸和定位式样，从而使得所述流动分配区横向 对轴向的渗透性比率至少为2。优选地，本发明涉及色镨法分离设备， 包括承载有微构分离通道的第一基体，该微构分离通道在第一基体的一个表面上凹进并通过第二基体覆盖，其中所述第一和第二基体都穿 有入口和出口连接孔，用于供应和排出试样和载液，其特征在于所述
微构分离通道之前或之后具有流动分配区，该流动分配区填充有微构 柱阵列，其中所述柱具有选定的形状、尺寸和定位式样，从而使得所
述流动分配区具有至少为2的横向对轴向的渗透性比率。
在优选的实施方式中，所述流动分配区具有基本上均匀的横向宽 度，所述宽度等于所述分离通道的宽度。
在另一个实施方式中提供了一种设备，其中所述微构柱具有类似 菱形的或椭圆形的形状。优选地，所述微构柱具有大于3/2的横向宽 度对轴向宽度比率。
在优选的实施方式中，本发明涉及一种设备，其中所述微构柱设 置为不同柱尺寸的不同区，其中所述不同区以从包含最小柱的区到包 含最大柱的区的基本单调的顺序设置，并且其中包含最大柱的区最靠 近所述基体的入口或出口连接孔设置。
更优选的，提供一种设备，其中具有最大柱的所述微构柱区邻近 没有柱的开口区。所述开口区优选具有1-20um的宽度。
图1 a表示4艮据本发明的流动分配区的实施方式，该流动分配区在 填充有分离介质5的分离通道的前面，包括短的开口区IO,该开口区 10构建了流动范围，其中对于横向上的流动阻力最小，该开口区10 优选具有1至10um的宽度，直接连接到入口孔1，其后设置有根据 本发明的流动分配区20,该流动分配区20包括微加工柱30，该微加 工柱30具有大于3/2的横向宽度31对轴向宽度32 (图lb)的比率并 被足够紧密地填充，致使横向渗透性至少2倍于轴向渗透性。在优选 的实施方式中，所述微加工柱以减小尺寸的顺序设置，其中最大柱最 靠近承载所述分离通道的基体的入口孔1。在通道出口处，构成流动 分配区的不同区需要以相反的顺序设置，从最小流动分配柱开始而在 开口区结束。
图lb表示多个可能的微构柱形状的顶视图，所述形状能够有效地 用于根据本发明的流动分配区中。这里用的术语"微构"或微加工是同义词。生成想要的微柱的方法对于微加工领域技术人员来说是已知的，
例如为Bosch蚀刻或LIGA复制。适合于生成微柱的基体例如是玻璃 晶片或硅晶片。这里使用的术语"微柱"或"柱，，指的是已经通过微加工 技术制作的结构。
在另一实施方式中，本发明提供一种设备，其中所述微柱的尺寸 和柱间距离在横向上变化。为促进液体更好的横向分配，也作为本发 明的一个方面，提供尺寸和/或柱间距离在横向上变化的柱的式样，从 而具有这样的流动分配区，该流动分配区在最远离入口和/或出口孔的 横向通道部具有较小的流阻。这样的实施方式例如如图2所示。
在另一个优选的实施方式中，至少一部分流动分配区具有比所述 分离通道更小的深度，也即其比所述分离通道蚀刻到更小的深度。图 3表示了这样的实施方式，其中开口区10a和流动分配区的第一部分 20a比包含分离介质5的分离通道和流动分配区的第二部分20b蚀刻 到显著更小的深度，优选地流动分配区的第二部分20b的前面也具有 开口区10b。该实施方式的优点在于进一步减小了流动分配区的容积。 在根据本发明的一些实施方式中，所述更深地蚀刻的第二部分20b可 以省略。然而在某些情况下，更深地蚀刻的所述流动分配区的第二部 分20b的特别的优点可以通过选择柱尺寸和柱间尺寸使得所述第二部 分的轴向渗透性很低而获得。这将有助于在大致沿向下方向的开口区 10b中产生对流，从而促进横跨分离通道的深度的混合。
在另一个实施方式中，本发明提供一种设备，其中至少一部分流 动分配区设置在不同于承载所述分离通道的表面的表面上。本发明不 限于设置在与承载所述分离通道的表面相同的表面上的流动分配区。 如图4所表示的，釆用垂直蚀刻的连接通道25允许至少 一部分流动分 配区20a设置在基体40承载分离通道的表面上(与承载分离通道的表 面相对)，或者设置在用于关闭分离通道的基体60的其中一个表面上， 其中分离通道填充有分离介质5。这些实施方式的优点在于垂直设置 的连接通道25将引起到分离通道的垂直流动，从而促进在通道深度上 的混合。在根据本发明的另一个实施方式中，可以提供一种设备，其中至
器中。可以使用来自不同流体存储器的多个入口流。例如，如图5所 表示的， 一个入口流设置用于供应第一分配区20a，而第二入口流设 置用于供应第二分配区20b，该第二入口流经由第二入口孔70进入该 分离设备，该第二入口孔70加工在用于关闭第二分配区20b的第三基 体80上(图5)。该实施方式的优点在于，与用于主移动相流或载液 的流动分配区相比，待分离的试样可以发送通过更小的流动分配区， 从而产生更小的带加宽。两分离入口流可以交替组织(organized)或 者同时组织。
在根据本发明的另一个实施方式中，提供一种设备，其中所述流 动分配区设置有一个或多个不能渗透的薄壁，所述薄壁至少部分地将 所述流动分配区分为两个或更多个部分，所述壁平行于平均流动方向 设置，其中优选地，所述部分每个连接到不同的入口或出口通道。例 如，该流动分配区采用n个不能渗透的薄壁800至少部分地分隔，n 大于1，薄壁800平行于平均流动方向，从而防止流动分配区不同横 向部分之间的连通。图6a示出了该方法如何采用分离的供应通道81、 82和83用于只将试样供应到通道的中心部。图6b示例了该方法如何 利用第一出口通道91用于使液体只供应通过通道的中心部到检测设 备，而最靠近通道侧壁流动的液体利用第二和第三出口通道92和93 排出为废液。设置所述的流动分隔不渗透壁到流动分配器区中尤其有 利，因为该流动分配器无论如何也将限制由在宽的分离通道和窄的入 口和出口通道之间的过渡而引发的带加宽，还因为根据本发明的分配 器区的高流阻允许减弱在平行入口通道中或在平行出口通道中流阻差 异的影响，这是通过使所述平行入口和出口通道的流阻相比于流动分 配器区的流阻可以忽略而实现的。
将试样的注入和检测限定在通道中心区可以预期是非常有利的， 如果流动分配设备本身不能正常工作并导致弯曲的速度分布图100的 话。在这种情况下，将有利的是，只在通道中心部注入和/或检测，在通道中心部中速度分布图的弯曲无论如何将比在侧壁附近要小得多。
这对于避免Broeckhoven和Desmet ( Journal of Chromatography A， 1172(2007)， 25-39 )所述的侧壁分散问题也将是非常有利的。
本发明还涉及控制试样和载液横跨微构分离通道的分散和/或渗 透的方法，该微构分离通道具有入口和出口连接孔，分别用于供应和 排出所述试样和载液，所述方法包括致使横向渗透率大于轴向渗透率。 优选地，所述方法包括致使横向渗透率是所述轴向渗透率的至少2倍。 本方法通过在所述微构分离通道之前或之后提供填充有微构柱阵列的 流动分配区而实现。所述柱具有如这里限定并选择的形状、尺寸和定 位式样，使得所述流动分配区提供至少为2的横向对轴向渗透性比率。
在另一个实施方式中，本发明提供控制试样和载液横跨微构分离 通道的流动分散和/或渗透性的方法，包括致使最远离所述连接孔的所 述分离通道的横向部分具有较小的流阻。该实施方式可以通过适应所 述微柱在所述微构分离通道横向上的形状、尺寸、定位式样和/或柱间 距离而实现。
散)的方法,
大于2的横向对轴向分散比率的菱形柱的流动分配区(图7a)获得的 带加宽与用如美国专利第6156273号中所公开的持续的分叉入口系统 (图7b，现有技术)获得的带加宽相比较的CCD照相机图像的顶视图。 图7a中的带比图7b中的要显著地窄并更少扭曲。图7b中带的扭曲 起因于这样的事实任何带扭曲始于分叉通道系统的分支之间的流阻 差异，该流阻差异由不可避免的小的蚀刻误差引起，该带扭曲在入口 系统的剩余部不能得到纠正，因为分叉入口的不同分支没有横向互连。 另 一方面，根据本发明的流动分配器设计为使得其促进了横向混合， 进而允许通过横向混合立即校正小的带扭曲。
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权利要求
1、色谱法分离设备，包括承载微构分离通道的第一基体，该微构分离通道在第一基体的一个表面上凹进并通过第二基体覆盖，其中所述第一基体和第二基体都穿有入口和出口连接孔，用于供应和排出试样和载液，其特征在于所述微构分离通道之前或之后具有流动分配区(20)，该流动分配区填充有微构柱阵列，其中所述柱具有选定的形状、尺寸和定位式样，从而使得所述流动分配区具有至少为2的横向对轴向的渗透性比率。
2、 根据权利要求1所述的设备，其中所述流动分配区具有基本上 均匀的横向宽度，该横向宽度等于所述分离通道的宽度。
3、 根据权利要求1或2所述的设备，其中所述微构柱具有菱形的 或椭圆形的形状。
4、 根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述微构柱具 有大于3/2的横向宽度对轴向宽度比率。
5、 根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述微构柱设 置为不同柱尺寸的不同区，其中所述不同区以从包含最小柱的区到包 含最大柱的区的基本单调的顺序设置，并且其中包含最大柱的区最靠 近所述基体的入口或出口连接孔设置。
6、 根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中具有最大柱的 所述微构柱区邻近没有柱的开口区。
7、 根据权利要求6所述的设备，其中所述开口区具有l-20um 的宽度。
8、 根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中所述微柱的尺 寸和柱间距离在横向上变化。
9、 根据权利要求1-8中任一项所述的设备，其中至少一部分流 动分配区具有比所述分离通道更小的深度。
10、 根据权利要求1-9中任一项所述的设备，其中至少一部分流 动分配区设置在不同于承载所述分离通道的表面的表面上。
11、 根据权利要求1-10中任一项所述的设备，其中至少两个不同的流动分配区设置在不同的表面上，并且其中所述不同的流动分配 区连接到不同的液体存储器中。
12、 根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中所述流动分 配区设置有一个或多个不能渗透的薄壁，所述薄壁至少部分地将所述 流动分配区分为两个或更多个部分，所述薄壁平行于平均流动方向而 设置，并且其中所述部分每个连接到不同的入口或出口通道。
全文摘要
本发明涉及一种色谱法分离设备，包括承载微构分离通道的第一基体，该微构分离通道在其一个表面上凹进并通过第二基体覆盖，所述基体都穿有连接孔用于供应和排出试样和载液。本设备特征在于所述微构分离通道之前或之后具有流动分配区，该流动分配区填充有微构柱阵列，所述柱具有选定的形状、尺寸和定位式样，从而使得所述流动分配区具有至少为2的横向对轴向的渗透性比率。
文档编号G01N30/60GK101688854SQ200880022752
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者G·德斯梅 申请人:Vrije布鲁塞尔大学