專利名稱：一種熱膨脹微流高壓梯度泵及其使用方法
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微流高壓梯度泵。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的熱膨脹微流梯度泵系統(tǒng)主要由耐壓加熱腔體、加熱爐、溫度控制裝置、貯液毛細(xì)管和貯液瓶(以上均為兩套以上)；切換六通閥、微量混合器、進(jìn)樣裝置、控制電腦及一些耐高壓連接頭、管路和閥件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如

圖1所示。其中，加熱腔體1和2采用不銹鋼管，其一端由耐高溫高壓的螺帽密封，另一端焊接一高壓連接頭，用于與貯液管連接，兩個(gè)加熱腔體1和2分別設(shè)置于加熱裝置3和4內(nèi)，兩個(gè)加熱裝置3和4分別與兩個(gè)溫控儀5和6連接，并由一臺(tái)電腦7控制；兩路貯液毛細(xì)管8和9分別將兩個(gè)加熱腔體1和2與六通切換閥的接口25和22連接；貯液瓶10和11分別與六通閥的接口26和21連接，六通閥的接口23和24分別連接到四通閥14的兩個(gè)接口上，四通閥14的另外兩個(gè)接口分別連接壓力計(jì)13和微量混合器15；進(jìn)樣裝置由兩通切換閥16、進(jìn)樣器17和注射進(jìn)樣針18組成；切換閥16的另一個(gè)接口依次與毛細(xì)管液相色譜柱19、檢測器20連接。
本發(fā)明中，采用液體、氣體、或直接加熱方式，兩路加熱爐通過兩個(gè)溫控儀用一臺(tái)電腦控制。通過控制升溫速率來控制流量。根據(jù)需要用足夠長的毛細(xì)管連接加熱腔體和六通切換閥，用于貯存一定量的沖洗溶液。六通閥為液相色譜專用的閥件，具有死體積小，耐高壓的特點(diǎn)。六通閥在本發(fā)明里起到簡化連接管路和精簡切換操作的作用。兩路通過六通閥切換后，再連接到四通閥的兩個(gè)接口上；四通閥的另外兩個(gè)接口分別連接壓力計(jì)和微量混合器。兩元沖洗液在四通閥處混合后再經(jīng)過微量混合器進(jìn)一步混合均勻，然后通過進(jìn)樣裝置進(jìn)入毛細(xì)管液相色譜柱進(jìn)行梯度沖洗。以上連接各種閥件之間的管線均需采用耐高壓(至少350kg/cm2)，較小死體積(內(nèi)徑至少低于100μm)的不銹鋼管或PEEK管。其中進(jìn)樣裝置、毛細(xì)管液相色譜柱和檢測器均為色譜常規(guī)部件。
本發(fā)明中，耐壓加熱腔體內(nèi)裝的液體可以是水、汞、硅油、煤油之一種，利用熱膨脹原理產(chǎn)生微流。
本發(fā)明中，采用六通閥的切換，可以實(shí)現(xiàn)二元梯度混合沖洗。也可以實(shí)現(xiàn)三元、四元甚至更多梯度混合沖洗，以及冷卻回吸之間的切換，只要采用相應(yīng)的切換閥。例如，三元梯度混合沖洗，可采用八通切換閥。四元梯度混合沖洗，可采用二個(gè)六通切換閥。本發(fā)明的工作原理如下本發(fā)明采用對耐壓腔體內(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)微流量級別的梯度沖洗。α(T)為水的體積膨脹常數(shù)，是溫度的函數(shù)，其定義如下a(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)]]>在一般的情況下，V可以認(rèn)為是常數(shù)。已經(jīng)有國外的文獻(xiàn)報(bào)道在較窄的溫度區(qū)間里(如40～50℃)，由于α(T)變化不大，采用恒定的 來得到恒定的流量(Ericson，C.；Hjertén，S.Anal.Chem.1998，70，366-372.)。我們擴(kuò)展了溫度范圍，并對α(T)進(jìn)行了數(shù)學(xué)擬合和計(jì)算，所可以通過控制 來達(dá)到控制流量的目的，從而實(shí)現(xiàn)各種不同流速曲線的微流量，其中包括梯度沖洗。
我們可以觀察到α(T)對溫度T的曲線在某個(gè)溫度以上是可以近似認(rèn)為是直線，比如T0＝40℃。因此，我們可以近似的得到關(guān)于α(T)對于T的關(guān)系式α(T)＝aT+b(T≥40℃) (3)系數(shù)a、b由擬合法確定。根據(jù)(2)和(3)，通過控制不同溫度下的α(T)，從理論上可以得到任意流速曲線的液流，因此可以實(shí)現(xiàn)梯度沖洗。而α(T)對于溫度T的變化可以通過一個(gè)簡單的程序預(yù)先計(jì)算就可以得到。恒流情況下的升溫方程計(jì)算為了使得流速維持在一個(gè)常數(shù)f，將(3)代入(2)得到f=(aT+b)VδTδt---(4)]]>對兩邊進(jìn)行積分，T從T0到T，t從0到t，得到T=1ab2+a2T02+2af1t/V-b---(5)]]>δTδt=f1a2(T0)V2+2af1Vt---(6)]]>其中T0是初始時(shí)間(t＝0)時(shí)的溫度，許多情況下可設(shè)為40℃。正梯度和負(fù)梯度將常數(shù)項(xiàng)f改為正梯度，如F＝kt，我們可以得到T=1a(b2+a2T02+2abT0+akVt2-b)---(7)]]>δTδt=ktVb2+a2T02+2abT0+akt2/V----(8)]]>類似的，將流速設(shè)為負(fù)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，流量還受到液體壓縮系數(shù)的影響。雖然液體的可壓縮性很小，但是相對于微微流級別的流量而言，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---(11)]]>所以，壓縮對流量的影響可以表達(dá)為FcomprFcompr=δVδT=-βVδPδt---(12)]]>總的流量為Fexp和Fcompr的代數(shù)和。
由上式可以看到，由于在該泵的工作溫度范圍內(nèi)α(T)比β(T)大一個(gè)數(shù)量級以上，因此流量主要由Fexp決定；并且，F(xiàn)compr只與壓力對時(shí)間的變化率有關(guān)，而不是直接與壓力有關(guān)，在恒壓的條件下，F(xiàn)compr項(xiàng)為零，可以不予考慮。當(dāng)壓力變化時(shí)，可以通過改變升溫速率來進(jìn)行校正。這均可通過電腦來控制。
本發(fā)明中，作為耐壓加熱腔體的不銹鋼管內(nèi)徑一般為0.75～5mm，內(nèi)徑過小導(dǎo)致所需長度過長，內(nèi)徑過大影響傳熱。根據(jù)不銹鋼管的內(nèi)徑以及所需的設(shè)定流量設(shè)計(jì)耐壓加熱腔體的體積，不銹鋼管的長度一般為5～500cm不等，以上范圍仍可根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展。
加熱裝置采用空氣浴，水浴，油浴、柱上直接加熱或者其它加熱方式；控制升溫速率范圍為0.1～10℃/min，0.1℃/min為普通溫度控制儀所能達(dá)到的溫控精度下限，升溫速率高于10℃/min時(shí)，將導(dǎo)致傳熱不夠及時(shí)，產(chǎn)生明顯的時(shí)間滯后效應(yīng)。兩套加熱裝置甚至十套以上加熱裝置可以經(jīng)由一臺(tái)電腦同時(shí)控制。
本發(fā)明中，經(jīng)過計(jì)算，在上述升溫方式下，利用熱膨脹的原理獲得nL/min級至100μL/min(即10-4～10-9L/min)級別的微流，包括恒流線性梯度流及其它各種流型的液流，其輸出壓力可達(dá)到10-35Mpa。
耐壓加熱腔體的一端需密封，可采用先焊接一段小內(nèi)徑不銹鋼管，再以耐壓螺帽及耐壓不銹鋼墊片密封；在加熱泵工作較長時(shí)間后，可將螺帽擰開方便沖洗泵體。耐壓加熱腔體的另一端也需先焊接一段小內(nèi)徑不銹鋼管，再通過液相色譜用耐壓接頭連接毛細(xì)管。連接加熱腔體和六通閥之間的空心毛細(xì)管為預(yù)貯存沖洗溶液用，內(nèi)徑為50～250μm，長度為0.50～5m，可根據(jù)不同要求設(shè)定，也可采用其它貯液方法。貯液瓶與六通閥之間的連接亦采用小內(nèi)徑毛細(xì)管，不銹鋼管或PEEK管，但內(nèi)徑應(yīng)比其他處連接管稍大，以利于順利回抽沖洗液至貯液毛細(xì)管中。六通閥與四通閥之間的連接最好用小內(nèi)徑17μm的PEEK管，以利于盡量減少死體積。四通與壓力計(jì)的連接采用17～50μm的不銹鋼管，連接色譜柱方向出口亦采用與上述相同內(nèi)徑范圍的PEEK管。以上采用小內(nèi)徑連接管線的目的均是為了減少泵系統(tǒng)內(nèi)的死體積，以利于靈敏的流量和壓力傳遞，縮短時(shí)間滯后。
微量混合器、進(jìn)樣裝置、色譜柱、色譜柱恒溫裝置以及檢測器均為普通產(chǎn)品，可根據(jù)同需求選用不同種類和規(guī)格，在此不予詳述。
本發(fā)明的熱膨脹微流梯度泵，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。它采用與傳統(tǒng)的液相色譜輸液泵完全不同的工作原理，利用液體的熱膨脹作為驅(qū)動(dòng)力，一方面進(jìn)一步完善了理論基礎(chǔ)，使得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1.兩路加熱腔體通過電腦統(tǒng)一控制，兩路各自產(chǎn)生獨(dú)立的流速曲線，再經(jīng)由混合器成為兩元等度或者梯度混合。
2.解決了理論上和技術(shù)上的一些問題，可以在一套系統(tǒng)里進(jìn)一步增加泵數(shù)量，用于多元梯度沖洗以及高通量陣列分析。
3.采用細(xì)口徑熔硅毛細(xì)管、不銹鋼管、PEEK管作為連接管線，減少了泵系統(tǒng)的死體積，有利于盡量縮短滯后時(shí)間。
4.采用六通閥作為兩元沖洗液的切換閥，一方面液相色譜專用六通閥具有耐高壓，死體積小的優(yōu)點(diǎn)，另一方面使得操作簡化很多，只通過一次切換就可由冷卻回抽沖洗液狀態(tài)進(jìn)入兩元梯度沖洗狀態(tài)。
綜上所述，本發(fā)明獲得了以下優(yōu)良效果1.密閉體系內(nèi)液體熱膨脹作為壓力驅(qū)動(dòng)，避免了由于機(jī)械部件之間相互移動(dòng)引起的泄漏，使得準(zhǔn)確輸送低流量(0.001～100μL/min)成為可能。
2.由于在所設(shè)計(jì)的加熱腔體體積下產(chǎn)生的流量已經(jīng)達(dá)到微流甚至更低流量的級別，避免采用常規(guī)液相色譜微量泵的分流技術(shù)，從而大大節(jié)省了沖洗液的使用量。
3.主要采用水作為被加熱液體，一方面其密度、熱膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)、不同壓力下沸點(diǎn)、粘度均有詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，使得理論設(shè)計(jì)建立在可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上；另一方面水安全可靠，無污染，可長期加熱使用。也可根據(jù)需要換用其它加熱液體。
4.沖洗溶液只是在貯液管內(nèi)，整個(gè)及熱和冷卻過程中都未進(jìn)入泵體內(nèi)部，避免了酸、堿、有機(jī)溶劑和其它緩沖溶液對泵體的污染和腐蝕，減少泵體內(nèi)部的定期清洗工作。
5.操作方便，一次切換即可完成全部閥路轉(zhuǎn)換進(jìn)入沖洗階段。
6.在同一套泵系統(tǒng)內(nèi)可進(jìn)行兩元等度或者線性梯度沖洗，以及其它各種不同流速曲線形狀的梯度沖洗。
圖4是另外一種切換閥連接方式下沖洗結(jié)束后重新灌注沖洗液時(shí)的示意5是一種可產(chǎn)生恒流的升溫曲線圖6是兩路泵的一種升溫方式圖7是設(shè)定的一種流速曲線圖中標(biāo)號，1、2是耐壓不銹鋼加熱腔體，3、4是加熱爐，5、6是帶通訊接口的溫度控制儀，7是電子計(jì)算機(jī)，8、9是用于貯存沖洗溶液的毛細(xì)管，10、11是貯液瓶，12是六通閥，13是壓力計(jì)，14是四通閥，15是微量混合器，16是兩通切換閥，17是進(jìn)樣器，18是注射進(jìn)樣針，19是毛細(xì)管液相色譜柱，20是檢測器，21、22、23、24、25、26是六通閥的六個(gè)接口。
圖1中，泵1通過毛細(xì)管8與25連接，其中的沖洗液通過25、24到達(dá)四通閥14，泵2通過毛細(xì)管9與22連接，其中的沖洗液通過22、23到達(dá)四通閥14并與另一路沖洗液混合。
圖2中，25與26連通，在泵1冷卻時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓下，貯液瓶10的沖洗液通過26、25灌注到毛細(xì)管8；21與22連通，在泵2冷卻時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓下，貯液瓶11中的沖洗液通過21，22灌注到毛細(xì)管9。
2.采用250μm內(nèi)徑熔硅毛細(xì)管作為貯液毛細(xì)管，設(shè)計(jì)長度為1.5m，則貯液體積為73.6μL，在流量為1μL情況下可工作73.6min不需換液。
3.貯液瓶通過頭上帶有過濾器的50μm內(nèi)徑的PEEK管與六通閥連接，以防止灰塵進(jìn)入泵系統(tǒng)。六通閥與四通以及四通與壓力計(jì)均采用50μm內(nèi)徑不銹鋼管連接，長度以能夠連接最短為好。
4.計(jì)算機(jī)、微量混合器、進(jìn)樣裝置、色譜柱、檢測器等采用通常的產(chǎn)品，按照圖1所示進(jìn)行連接，經(jīng)調(diào)試即可得所需熱膨脹梯度泵。把另一路泵用閥關(guān)閉，儀使一路泵處于工作狀態(tài)，采用圖5所示之升溫方式，即可得到恒定流速為1μL/min的液流。當(dāng)兩路泵分別采用圖6的兩種升溫方式時(shí)，我們就分別得到正梯度和負(fù)梯度兩種線性梯度流量。再通過混合器混合，就可實(shí)現(xiàn)梯度沖洗。設(shè)定流速曲線如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于由兩套耐壓加熱腔體(1)和(2)、加熱裝置(3)和(4)、溫度控制裝置(5)和(6)、貯液管(8)和(9)、貯液瓶(10)和(11)以及切換六通閥(12)、微量混合器(15)、進(jìn)樣裝置、控制電腦(7)和一些耐高壓連接頭及管線構(gòu)成；其中，加熱腔體(1)和(2)采用不銹鋼管，其一端由耐高溫高壓的螺帽密封，另一端焊接一高壓連接頭，用于與貯液管連接，兩個(gè)加熱腔體(1)和(2)分別設(shè)置于加熱裝置(3)和(4)內(nèi)，兩個(gè)加熱裝置(3)和(4)分別與兩個(gè)溫控儀(5)和(6)連接，并由一臺(tái)電腦(7)控制；兩路貯液毛細(xì)管(8)和(9)分別將兩個(gè)加熱腔體(1)和(2)與六通切換閥的接口(25)和(22)連接；貯液瓶(10)和(11)分別與六通閥的接口(26)和(21)連接，六通閥的接口(23)和(24)分別連接到四通閥(14)的兩個(gè)接口上，四通閥(14)的另外兩個(gè)接口分別連接壓力計(jì)(13)和微量混合器(15)；進(jìn)樣裝置由兩通切換閥(16)、進(jìn)樣器(17)和注射進(jìn)樣針(18)組成；切換閥(16)的另一個(gè)接口依次與毛細(xì)管液相色譜柱(19)、檢測器(20)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于耐壓加熱腔體內(nèi)裝有水、汞、硅油、煤油等液體，利用液體熱膨脹的原理產(chǎn)生微流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于所述的六通閥(12)可以改為八通閥或兩個(gè)六通閥，以實(shí)現(xiàn)三元或四元梯度混合沖洗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于耐壓加熱腔體內(nèi)徑為0.75-5mm，長度為5-500cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于耐壓加熱腔體與六通切換閥之間的毛細(xì)管內(nèi)徑為50-500μm，長度為0.5-5m。
6.如權(quán)利要求1所述的熱膨脹微流高壓梯度泵的使用方法，其特征在于加熱爐(3)和(4)采用空氣浴、水浴、油浴或者柱上直接加熱方式，升溫速率為0.1～10℃/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于利用熱膨脹的原理，產(chǎn)生的液體流量在nL/min級至100μL/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱膨脹微流高壓梯度泵，其特征在于采用各種切換閥方式實(shí)現(xiàn)兩元、三元、四元甚至更多梯度混合沖洗以及冷卻回吸之間的切換。
全文摘要
本發(fā)明是用于高效液相色譜儀的熱膨脹微流高壓梯度泵。由耐壓加熱腔體、加熱爐、溫度控制裝置、貯液毛細(xì)管、貯液瓶、切換閥、微量混合器等連接構(gòu)成。本發(fā)明利用液體熱膨脹的原理,對于一定體積的受熱液體,通過預(yù)先計(jì)算,可以控制一定的升溫方式來獲得10
文檔編號G01N30/36GK1382985SQ0211192
公開日2002年12月4日 申請日期2002年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者張祥民, 吳謙 申請人:復(fù)旦大學(xué)