CN101059486B - 用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪器仪表技术领域，具体为一种用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵。它由耐压加热泵体、微流泵控制系统、切换阀、压力传感器、储液瓶等连接构成。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/实时计算，可以控制加热，以一定的升温方式来获得10^-5～10^-9L/min级别的微流，包括恒流、线性梯度液流及其他各种流型的液流；其输出压力可达到10～35MPa；采用阀切换系统，既可以实现两组泵组自动交替工作，保证微流的连续输出，也可以实现二元及二元以上多元流动相的等度/梯度冲洗；采用双压力平衡点切换技术，保证泵切换时流速稳定、压力平稳。

Description

用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵

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连续微流高压梯度泵。

技术背景

微机电加工技术(MEMS)的进步极大地促进了分析仪器微型化的发展，在“现代科学仪器前沿技术与分析科学——香山科学会议第140次学术讨论会”(2000年5月)上，多位院士和教授也一致认为：今后整个分析仪器的发展方向主要是微型化、集成化，和在此基础上的智能化。

对于高效液相色谱(HPLC)而言，微型化具有特别的意义。与常规液相色谱相比，微柱高效液相色谱系统(micro-HPLC)可以使用较小颗粒的固定相，具有更高的柱效和更快的分析速度，其总分离效能可达15万理论塔板/米以上，在生化分析、手性分离、神经科学、蛋白质及多肽的研究以及医药、工业聚合物与添加剂的分析等领域具有广阔的应用前景。此外，固定相和流动相比常规HPLC节省97％以上，样品消耗减少90％，环境污染小，且最佳流量低，易与质谱等多种检测器及多维色谱联用。因此，采用微柱及毛细管柱正逐渐成为HPLC的主导方向。高压输液泵是液相色谱仪的核心部件之一，它将流动相输入到柱系统，使样品在柱系统中完成分离过程。在输送微流级流量时，诸如传统的活塞泵或隔膜泵等，由于它们是基于部件之间相对移动来提供压力驱动，而这些可移动部件的为渗漏在1～0.1μL/min数量级。因此，传统的液相泵在精确输送微流级流量时就存在很大困难。现在的商品仪器往往采用分流技术，但也存在一些很难克服的缺陷，如柱前压的改变很容易引起分流比的改变；况且，分流技术并没有真正的减少溶剂的使用量。另一方面，按输液性能分，高压输液泵可分为恒流泵和恒压泵。当系统压力不变时，恒压也可以达到恒流的效果；但在色谱实际操作中，柱系统得阻力总是有所变动，从这个角度来说，恒流泵比恒压泵更显得优越，目前使用较广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能连续输液、流速稳定，切换时压力波动小的热膨胀连续微流高压梯度泵。

本发明设计的热膨胀连续微流高压梯度泵，主要由加热泵组1和3、另一耐压加热泵组2和4、微流泵控制系统7、十通切换阀5和6、压力传感器8和9、进样装置10、储液瓶13和14、脱气装置15、三通16和17、四通18以及一些耐高压连接头和管线构成，结构如图1所示。其中，每个加热泵主要包含加热部件40、耐压加热腔体41、流动相储存装置42、温度传感器44等组成，结构如图2所示。加热泵1、2、3、4分别依次与十通切换阀5的接口26、24、29、21相连；十通切换阀5的接口27和28分别连接到三通16的两个接口上，另两个接口22和23分别连接到三通17的两个接口上，三通16和三通17的另外一个接口分别通过微量混和器连接到四通18的两个接口上，四通18的另外两个接口中，一个接口连接压力传感器9，另一个接口依次与进样装置10、毛细管液相色谱柱11和检测器12相连；十通切换阀5的接口20和25分别与十通切换阀6的接口39和36相连；三通19的两个接口分别连接到十通切换阀6的接口37和38上，另一个接口与压力传感器8相连；储液瓶13和14分别与切换阀6的接口30和35相连。各泵体加热部件、温度传感器、压力传感器和十通切换阀都与控制系统7的线路板相连，受其控制。

本发明中，四个加热泵通过同一块控制线路板用一台电脑控制，通过控制升温速率来控制流量。泵体与切换阀间采用一定体积耐高压耐腐蚀管路可储存流动相。切换阀为液相色谱专用阀件，具有死体积小、耐高压的特点，在本发明里起到实现预升压操作、简化连接管路、精简切换操作和便于自动化控制等作用。同组泵的两个流路经切换阀切换后连接至三通，在三通处混合后连接到四通18。四通18的另外两个接口分别连接压力传感器9和进样装置10，流动相经进样装置10进入毛细管液相色谱柱11进行等度/梯度洗脱。以上连接各种组件之间的管线均须采用耐高压(至少350kg/cm²)，较小死体积(内径至少低于50μm)的熔融石英毛细管、不锈钢管或PEEK管等。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，加热泵的耐压加热腔体41采用耐高压、导热性良好的材料制作，如不锈钢。根据所需的设定流量设计耐压加热腔体的体积，腔内体积范围为10μL～10mL，腔体形状可以为球状、圆柱状、螺管状、线状等适合精确控温和快速加热降温的形状，以上范围仍可根据需要进一步扩展。

本发明中，加热部件40与加热腔体41配套，采用电加热或者其它加热方式，可实现精确控温、快速加热降温；升温速率范围为0.1～10℃/min；两套加热部件直至十套以上加热部件可以经由一台电脑同时控制。

本发明中，耐压加热腔体内装的工作介质可以是水、汞、硅油、煤油之一种，利用热膨胀原理产生微流。流量通过升温速率控制，具体升温曲线由微流泵软件通过数据库计算生成。

本发明中，微流泵控制系统收集温度和压力传感器信号，计算及判断后给出指令，对耐压加热腔体实施精确控温并控制切换阀切换，具有高度自动化特点。

本发明中，采用阀切换系统，可以实现两组泵组自动交替工作，保证微流的连续输出。

本发明中，采用阀切换系统，可以实现二元流动相的等度/梯度冲洗。所述的十通切换阀5和6可以被一组三通阀、四通阀、六通阀或针型阀等能实现切换功能的阀件或阀件组合所替代；采用相应的切换系统，还可以实现二元以上多元流动相的等度/梯度冲洗。

本发明中，采用双压力平衡点切换技术保证泵组切换时流速稳定、压力平稳，其实现方式为：同时监控输出端压力和预升压压力，当需切换时，待切换泵组在密闭体系中预升压，当预升压压力与输出端压力一致时，控制阀切换系统完成泵组切换，保证流速稳定、压力平稳。

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等度/梯度冲洗。

一方面，流量受液体膨胀影响，α(T)为液体体积膨胀常数，是温度的函数，其定义为：

$\mathrm{\α}\left(T\right)=-{\left(\frac{\∂\ln \mathrm{\ρ}}{\∂T}\right)}_p=\frac{\mathrm{\δV}}{\mathrm{\δT}}\·\frac{1}{V}---\left(1\right)$

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

$F_{\exp }=\mathrm{\α}\left(T\right)V\frac{\mathrm{\δT}}{\mathrm{\δt}}---\left(2\right)$

另一方面，流量还受到液体压缩的影响。虽然液体的可压缩性很小，但是相对于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

$\mathrm{\β}\left(T\right)={(\∂\ln \mathrm{\ρ}/\∂P)}_T=-{\left(\frac{\∂\ln V}{\∂P}\right)}_T=-\frac{\mathrm{\δV}}{\mathrm{\δP}}\·\frac{1}{V}---\left(3\right)$

所以，压缩对流量的影响可以表达为Fcompr

$F_{\mathrm{compr}}=\frac{\mathrm{\δV}}{\mathrm{\δT}}=-\mathrm{\βV}\frac{\mathrm{\δP}}{\mathrm{\δt}}---\left(4\right)$

总的流量为Fexp和Fcompr的代数和。

计算α(T)和β(T)，通过加热耐压腔体内一定体积的液体，可以用控制升温速率的方法控制流量输出，实现微流量级别的等度/梯度冲洗。

本发明采用双压力平衡点切换技术实现色谱泵连续输液时流量稳定、压力平稳，其实现方式为：同时监控输出端压力和预升压压力，当需切换时，待切换泵组在密闭体系中预升压，当预升压压力与输出端压力一致时，控制阀切换系统完成泵组切换，保证流速稳定、压力平稳，其工作原理如组图3所示：

1、工作泵组47通过阀切换系统46连接输出端，输出端压力由压力传感器9监测(见图3-1)；

2、需切换时，待切换泵组48通过阀切换系统46在密闭体系内预升压，预升压压力由压力传感器8监测，同时工作泵组47正常输出(见图3-2)；

3、当预升压压力与输出端压力一致时，阀切换系统46切换，使待工作泵组48连接输出端(见图3-3)。

本发明的热膨胀连续微流高压梯度泵，其构造和材料设计均不同于传统液相色谱高压输液泵。它采用完全不同的工作原理，利用液体的热膨胀作为驱动力，使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.流量通过升温速率控制，具体升温曲线由微流泵软件通过数据库计算生成，可实现二元及二元以上多元混合流动相的等度/梯度冲洗，流量范围10^-5～10^-9L/min，输出压力可达10～35MPa。

2.微流泵控制系统收集温度和压力传感器信号，计算及判断后给出指令，对耐压加热腔体实施精确控温并控制切换阀切换，具有高度自动化特点。

3.采用阀切换系统，可以实现两组泵组自动交替工作，保证微流的连续输液。

4.采用阀切换系统，可以实现二元流动相的等度/梯度冲洗。所述的十通切换阀5和6可以被一组三通阀、四通阀、六通阀或针型阀等能实现切换功能的阀件或阀件组合所替代；采用相应的切换系统，还可以实现二元以上多元流动相的等度/梯度冲洗。

5.采用双压力平衡点切换技术保证泵切换时流速稳定、压力平稳。

6.解决了理论上和技术上的一些问题，使得在一套系统里进一步增加泵数量成为可能，可用于进一步的多元梯度冲洗以及高通量阵列分析。

7.采用细口径熔硅毛细管、不锈钢管、PEEK管等作为连接管线，减少了泵系统的死体积，有利于尽量缩短滞后时间。

附图说明

图1是热膨胀连续微流高压梯度泵结构示意图。

图2是耐压加热泵结构示意图。

图3-1～3是双压力平衡点切换工作流程示意图。

图4-1～4是双十通阀程控切换工作流程示意图。

图中标号，1，2，3，4是加热泵，5，6是十通切换阀，7是微流泵控制系统，8，9是压力传感器，10是进样装置，11是毛细管液相色谱柱，12是检测器，13，14是储液瓶，15是氦气脱气装置，16，17，19是三通，18是四通，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29是十通阀5的十个接口，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39是十通阀6的十个接口，40是加热部件，41是耐压加热腔体，42是流动相储存装置，43是加热部件导线，44是温度传感器及导线，45是三通，46是阀切换系统，47是工作泵组，48是待切换泵组。

具体实施方式

下面通过实施例进一步具体描述本发明，但不限于该实施例。

实施例：

1.制取一段内径5mm，长56mm的不锈钢管泵腔，泵腔体积为1100μL。

2.采用250μm内径熔硅毛细管作为储液毛细管，设计长度为3m，则储液体积为147.2μL，单泵在流量为2μL情况下可工作一小时以上而不需切换。

3.储液瓶通过头上带有过滤器的聚四氟乙烯管与十通阀6连接。十通阀、三通、四通及压力传感器之间均采用7μm内径不锈钢管连接，长度以能够连接最短为好。

4.计算机、进样装置、色谱柱、检测器等采用通常的产品，采用控制线路板与温度传感器、压力传感器和计算机相通讯，通过微流泵控制软件可使微流泵按设定的恒流等度/梯度冲洗条件工作。按照图1所示进行连接，经调试即可得所需热膨胀梯度泵。采用组图4所示之双十通阀程控切换方式，在软件操作界面设定相关参数，通过调用数据库计算获得升温曲线并控制输出。

以加热泵2、4工作，加热泵1、3等待为起点的双十通阀程控切换系统为例，其工作流程如下(说明：当十通阀5的20-29相连时为inject状态，20-21相连时为load状态；当十通阀6的30-39相连时为状态(一)，30-31相连时为状态(二)，以下皆同)：

(1)十通阀5处于状态inject，十通阀6处于状态(一)，加热泵2、4受热输出，加热泵1、3降温补充溶剂，并最终恒温于T℃(见图4-1)。

(2)加热泵2、4运行达需切换时，十通阀6切换至状态(二)，同时控制加热泵1、3升温，进行预升压(见图4-2)。

(3)当压力8＝压力9时，十通阀5切换至状态load，随后十通阀6切换至状态(一)，加热泵1、3输出，加热泵2、4降温补充溶剂，并最终恒温于T℃(见图4-3)。

(4)加热泵1、3运行达需切换时，十通阀6切换至状态(二)，同时控制加热泵2、4升温，进行预升压(见图4-4)。

(5)当压力8＝压力9时，十通阀5切换至状态inject，随后十通阀6切换至状态(一)，加热泵2、4输出，加热泵1、3降温补充溶剂，并最终恒温于T℃(图同4-1)。

至此，工作状态下二元溶剂泵完成一次完整切换过程，之后的连续输出为此切换过程的重复调用。

Claims (4)

1.一种用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵，其特征在于由加热泵A(1)和加热泵C(3)组成的加热泵组、加热泵B(2)和加热泵D(4)组成另一个加热泵组、微流泵控制系统(7)、十通切换阀A(5)和十通切换阀B(6)、压力传感器A(8)和压力传感器B(9)、进样装置(10)、储液瓶A(13)和储液瓶B(14)、脱气装置(15)、三通A(16)和三通B(17)、四通(18)以及耐高压连接头和管线构成；其中，每个耐压加热泵主要由加热部件(40)、耐压加热腔体(41)、流动相储存装置(42)、温度传感器(44)组成，加热泵A(1)、加热泵B(2)、加热泵C(3)、加热泵D(4)分别与十通切换阀(5)的接口A(26)、接口B(24)、接口C(29)、接口D(21)相连；十通切换阀(5)的接口E(27)和接口F(28)分别连接到三通A(16)的两个接口上，另两个接口G(22)和接口H(23)分别连接到三通B(17)的两个接口上，三通A(16)和三通B(17)的另外一个接口分别通过微量混和器连接到四通(18)的两个接口上，四通(18)的另外两个接口中，一个接口连接压力传感器B(9)，另一个接口依次与进样装置(10)、毛细管液相色谱柱(11)和检测器(12)相连；十通切换阀A(5)的接口I(20)和接口J(25)分别与十通切换阀B(6)的接口M(39)和接口N(36)相连；三通C(19)的两个接口分别连接到十通切换阀B(6)的接口K(37)和接口M(38)上，另一个接口与压力传感器A(8)相连；储液瓶A(13)和储液瓶B(14)分别与十通切换阀B(6)的接口N(30)和接口L(35)相连；各加热泵的加热部件、温度传感器、压力传感器和十通切换阀都与微流泵控制系统(7)的线路板相连，受其控制；采用双压力平衡点切换，以保证泵组切换时流速稳定、压力平稳。

2.根据权利要求1所述的用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵，其特征在于所述的十通切换阀A(5)和十通切换阀B(6)可以被一组三通阀、四通阀、六通阀或针型阀的阀件组合所替代，采用相应的切换系统，实现二元以上多元流动相的等度/梯度冲洗。

3.根据权利要求1所述的用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵，其特征在于加热泵的耐压加热腔体采用耐高压、导热性良好的材料制作，腔内体积为10μL～10mL。

4.根据权利要求1所述的用于高效液相色谱仪的热膨胀连续微流高压梯度泵，其特征在于加热部件与加热腔体配套，采用电加热方式，以实现精确控温、快速加热降温，升温速率范围为0.1～10℃/min。

Images