CN101688854A - 用于横跨微构分离通道分配试样和载液的设备 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于横跨微构分离通道分配试样和载液的设备
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。通过采用蚀刻技术，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。如果执行液相色谱法，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-FlowFractionation Channels，Anal.Chem.，online publication A-H)的方案——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1cm，则90度开度角的分布三角形的长度也将是1cm。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。
附图说明
图1a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1b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列(micro-pillar array)、珠填料(bead packing)、单片支撑(monolithic support)或任何其他合适的色谱介质。
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，本发明提供色谱法分离设备，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横向对轴向的渗透性比率至少为2。优选地，本发明涉及色谱法分离设备，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1a表示根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10，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1b)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1b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，采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，其中至少两个不同的流动分配区提供在不同表面上并连接到不同的液体存储器中。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。
本发明还提供包括分开地控制所述试样和所述载液的渗透性(分散)的方法。
图7示出用根据本发明并包括横向宽度十倍于轴向宽度从而具有大于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。

Claims (12)

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1-20um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。
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