CN103842053A - 电解缓冲剂产生器 - Google Patents

Abstract

基于电渗析装置描述了缓冲剂产生器。使用这些装置的方法能产生用于多样化的应用的缓冲剂，这些应用包括分离，例如HPLC以及离子色谱。还提供了包括这些缓冲剂产生器的色谱装置，这些缓冲剂产生器通常位于一个色谱柱、样品注射器阀、或两者的上游。

Description

电解缓冲剂产生器

相关申请的交叉引用

本申请要求由Purnendu K.Dasgupta、Yongjing Chen、和Kannan Srinivasan于2011年8月23日为“三电极缓冲剂产生器和方法”提交的序列号为61/526,592的美国临时专利申请，以及由Purnendu K.Dasgupta、Yongjing Chen、和KannanSrinivasan于2011年8月26日为“膜抑制器缓冲剂产生器”提交的序列号61/528,127的美国临时专利申请根据35U.S.C.§119(e)的优先权权益，这些临时专利申请的全部披露内容通过引用结合在此。

背景

缓冲剂广泛用于化学方法的pH控制。当加入酸类或碱类，或者当进行稀释时，缓冲的溶液抵抗pH的变化。生物化学家特别关注缓冲剂，因为任何生物体系的正常运行都依赖于pH。一种特定的酶催化反应的速率随着pH而变化。为了使有机体存活，必须精确控制每个亚细胞区室的pH，以便每个反应都以正常速率进行。用于研究中的多数的生物样品是在缓冲剂（例如大约7的pH下的磷酸盐、Tris-HCl）中制成的。

能从可生物降解的物质直接产生电的微生物燃料电池（MFC）已经迅速得到越来越多的研究注意。微生物将有机底物氧化以将电子供应给阳极，然后这些电子通过一个外部电路行进到阴极并且参与还原反应。与这些反应相关联的是分别在阳极电解液和阴极电解液中由水电解产生了H⁺以及OH^-，这产生了系统中的pH不平衡。由于该pH不平衡产生了0.059V/pH的电势损失，因此为了使功率密度最大化，必需将该pH不平衡最小化。磷酸盐缓冲剂通常用来稳定pH并且降低内电阻，这反过来增强了系统性能。为了在阴极室中具有足够的质子供应，需要高浓度的缓冲剂，并且它仍然可能随着时间耗尽。新鲜缓冲剂的稳定供将是引人注意的。

缓冲剂在分析化学中同样有广泛的应用。反相高效液相色谱法（RP-HPLC）已一直是用于有机化合物分析、尤其是生物样品分析的一种非常强大的工具。诸如磷酸盐或乙酸盐的缓冲剂广泛用于可电离化合物的分析中的流动相中。因为可电离的酸/碱化合物的保留对它们的电离度具有强烈依赖性，因此正确地选择的缓冲剂pH将保证，该可电离的官能团处于单一形式，不论离子的还是中性的。当开发一种严格的方法时，所希望的是选择一种流动相，该流动相具有的最终pH距离任何分析物的pK值至少一个pH单位，以便引起这些分析物的电离或抑制。就选择性、容量因子、峰形、分辨率以及可重现性而言，pH的轻微变化能对分离产生显著影响。对于可电离的分析物不适当的pH经常导致宽的、拖尾的、分裂的或有肩的不对称的峰。而且为了获得低的检出限、注入之间的低相对标准偏差、以及可重现的保留时间，尖锐的、对称的峰在定量分析中是必需的。甚至在非可电离的化合物的分析中，当在可电离的污染物或杂质存在的情况下使用现场样品进行工作时，pH控制往往同样重要，以便消除所不希望的峰的干扰。如果该样品溶液处在对柱有损害的pH，则缓冲剂将快速地使该注入溶液的pH达到一个更少有害的pH。RP-HPLC的另一种技术，离子对色谱法（IPC）也要求对流动相中pH的精确控制，这是因为流动相中pH的变化可能引入不仅溶质而且还有离子对试剂的电离度的巨大变化。在实践中，色谱分析员通常在将缓冲剂添加剂与其他溶剂进行混合之前，测量这些缓冲剂添加剂的pH，但用来制备这些缓冲剂的酸类的pKa值随着溶剂组成而变化（并且每一种以不同的程度变化），并且缓冲剂的pH也是这样。有时，在将缓冲剂与有机改性剂进行混合之后测量pH；甚至在这种情况下，通常用水性标准品对该电势测定体系进行校准，并且所测量的pH并不是流动相的真实pH。理论上，色谱分析员能基于从方程式的计算结果来估计为了实现用于分离所希望的pH所需要的缓冲剂的浓度。然而，实际上pH可以显著地不同于那些计算结果。因此，分析员必须使用一个已校准的pH计通过实验确定和报告用于流动相pH的值以便保证可重现性结果。当开发一种方法时，在流动相达到最佳条件之前，分析员可能必须调整流动相许多次。用一种储备缓冲溶液时，只能通过改变缓冲剂与有机溶剂的比例来改变缓冲剂的最终浓度，这大大地限制了优化过程的灵活性。制备不同的缓冲剂储备溶液是冗长的并且费时的。如果仅仅通过改变所施加的电流就可以改变缓冲剂浓度，这将提供一种非常有效的方法并且减少了许多废溶剂。

用离子交换色谱法进行的基于pH的蛋白质分离是另一种依赖于缓冲剂的色谱技术。最初，它采用由流动相（两性电解质缓冲剂）以及固定相（弱阴离子交换柱）产生的近似线性的pH梯度来按蛋白质pI的顺序洗脱这些蛋白质，并且被称为“色谱聚焦”。最近，该技术被发展成为“梯度色谱聚焦”，其采用具有低分子量的普通缓冲剂代替聚合物型两性电解质。存在两种类型的梯度：一种在柱出口处引起蛋白质的差异洗脱的按时间的pH梯度，以及一种在柱内影响蛋白质带的聚焦的按距离的pH梯度。典型地，HPLC梯度泵用来通过改变高pH缓冲剂与低pH缓冲剂的比例来产生按时间的线性pH梯度，该高pH缓冲剂和低pH缓冲剂是具有在整个梯度pH范围内大致等间隔的pKa值的缓冲剂成分的混合物。

毛细管电泳（CE）是另一种用于蛋白质和肽以及药品对映异构体的分析的强大的分离工具。其无先例的分辨率允许对在结构上具有非常微弱差别的种类的分离，这是由于其极高的效率，在某种程度上，这种极高的效率依赖于它所采用的运行缓冲剂。缓冲剂pH的操控通常是对分离进行优化的关键策略，这是因为缓冲剂pH不仅决定每种单独的分析物的电离程度，而且强烈影响毛细管壁表面的电荷以及ζ电势，因此影响电泳的以及电渗的速度。水的电解是在CE实验中在入口瓶和出口瓶处发生的最重要的反应之一，所生成的H⁺和OH^-会改变这些瓶中的pH。因而，为了成功地维持缓冲剂的pH，应该使用大瓶并且该缓冲剂必须具有足够的缓冲能力以中和所产生的H⁺和OH^-，并且这些缓冲剂瓶应该定期进行补充。通过操控这些运行缓冲剂，还可以实现样品预浓缩以克服CE中有限的灵敏度的缺点。

本质上，缓冲剂是一种酸与其共轭碱的混合物。必须存在可相比数量的共轭酸与碱（如，在10倍内）以发挥显著的缓冲作用。制备缓冲溶液的最常用方法为基于亨德森-哈塞尔巴尔赫方程（Henderson-Hasselbalch equation）来决定该共轭酸碱对的比例，并且分别称出这两种成分以得到所希望的比例，并且然后将其溶解于水中。一种替代方案是称出一种成分，并且通过指定数量的强酸或强碱来产生另一种成分以得到所希望的比例。虽然用浓的强酸或强碱来调整某一缓冲溶液的pH是常见做法，但容易由于加入过多的滴定剂而过调，并必须制备另一种溶液并且再一次重新开始。

在电流和/或pH值的范围内提供可重现的离子产生的、改进的产生缓冲剂的装置以及方法将大大地简化其中缓冲剂是一种关键成分的实践，例如离子色谱。通过利用离子抑制技术的能力和多功能性，本申请人相信可以开发出产生具有一致的浓度和pH的缓冲剂的改进的装置以及方法。

概述

当进行离子色谱时，抑制器一般被放置在分离柱之后并且在检测器之前。抑制器的目的是将洗脱液转化为弱导电的种类，同时特别对于完全解离的种类，使分析物电导率最大化。抑制器还可以用来例如在分析碱中的阴离子时抑制来自样品的贡献。抑制器在阴离子分析中的作用是完全移除这些样品阳离子，并且在这种情况下，将样品基质转化为水，同时将这些分析物阴离子转化为酸类。以上应用中的电解抑制器不能在部分抑制模式下连续操作，这是因为对于给定的电流将难以维持一个部分抑制状态，并且该抑制器中的残余静电容量将根据具体情况由于来自洗脱液或样品的离子的注入而随着时间被耗尽。此外，由于在某个时间点该装置的出口将处于洗脱液阳离子形式，此类装置将永不会产生对这些分析物离子的可重现的响应。然后该分析物将被转化为一种酸与盐形式的混合物，这导致响应的偏差。因此，传统上商用抑制器总是在稍微过量的电流下操作以保证静电容量的贮存器。

另一方面，如果维持如在此所描述的配置，缓冲剂产生器不会被这些容量耗尽效应所限制。此外，该缓冲剂产生器抵抗pH的变化，因此，通过调节抑制器内的条件，有可能实现pH可编程的缓冲剂的产生。

因此，在一个示例性实施例中，本发明提供了一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法。该方法包括：

(a)使浓度大于约10mM、包括阳离子和阴离子的一种缓冲溶液在小于约30psi的压力下流经一个改性缓冲剂产生流动通道，该改性缓冲剂产生流动通道包括一个设置在其中的第一电极；

(b)使一种水性液体流流经一个第一离子接收流动通道，该第一离子接收流动通道包括一个设置在其中的第二电极。该离子接收流动通道通过一个离子交换屏障与该改性缓冲剂产生流动通道分开，该离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者。该屏障能够阻断主体（bulk）液体流动。在一个示例性实施例中，该膜具有大于约0.5英寸²的表面积。

本发明的方法进一步包括：(c)使电流横跨该改性缓冲剂流动产生通道与该离子接收流动通道在该第一与第二电极之间穿过，以便使这些阳离子或阴离子，但不是两者都，从该改性缓冲剂流动通道穿过该第一离子交换屏障被传输入该离子接收流动通道以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。这些阳离子或阴离子能从该改性缓冲剂流动通道穿过该第一离子交换屏障被传输入该离子接收通道。

该方法还可以包括使一种水性液体流流经一个用于离子的源通道，该源通道通过一个第二离子交换膜与该改性缓冲剂流动通道分开，该第二离子交换膜包括与该第一离子交换膜的可交换离子的电荷相同的（正的或负的）可交换离子。这些离子是选自水合氢离子以及氢氧根离子的一个成员。

在该方法的另一个实施例中，第一电极可以被设置在该离子接收通道中并且该第二电极被设置在该源通道中。该方法还可以包括将具有有待分离的分析物离子的样品注入到该流出的改性的缓冲剂中，并且分离这些分析物；流向该改性缓冲剂流动通道的缓冲溶液并不是事先由电解洗脱液产生器产生的。在一个实施例中，阳离子或阴离子可以从该改性缓冲剂通道被传输至选自该离子接收通道和该源通道的一个成员中。该方法还可以包括将该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道以一个改性缓冲剂浓度输出，其中电流强度与该流出的缓冲溶液的浓度的变化是成比例的。

该方法还可以包括使一种水性液体流流经一个用于离子的电极通道，该电极通道通过一个双极性膜与该改性缓冲剂流动通道分开，该双极性膜被配置为分裂水并且产生水合氢离子和氢氧根离子，并且还被配置为阻断主体液体流动，该电流通过该改性缓冲剂流动产生通道在设置于电极腔室中的第一电极与设置于该离子接收通道中的第二电极之间穿过。这些离子可以是水合氢离子或氢氧根离子。

在不同的实施例中，本发明提供了一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法。一种示例性的方法包括：

(a)使一种包括阳离子和阴离子的缓冲溶液流经一个改性缓冲剂产生流动通道。该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阴离子交换膜与一个第一离子接收流动通道分开。该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阳离子交换膜与一个第二离子接收流动通道分开；

(b)使一种水性液体流流经与该改性缓冲剂流动通道分开的第一和第二离子接收流动通道；并且

(c)使电流横跨该改性的缓冲剂流动产生通道以及至少一个离子接收流动通道在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子分别地穿过选自该阴离子交换膜以及该阳离子交换膜的一个成员被传输入选自该第一离子接收流动通道以及该第二离子接收流动通道的一个成员中，从而产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。在一个示例性实施例中，该第一和第二电极分别地被设置在该第一和第二离子接收流动通道内。

在不同的实施例中，本发明提供了一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法。该方法包括：

(a)使一种包括阳离子和阴离子的酸或碱溶液流经一个改性缓冲剂产生流动通道；

(b)使一种水性液体流流经一个第一离子接收流动通道，该第一离子接收流动通道通过一个第一离子交换屏障与该改性缓冲剂流动通道分开，该第一离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者，并且能够阻断主体液体流动；并且

(c)使电流横跨该改性的缓冲剂流动产生通道与该第一离子接收流动通道在第一与第二电极之间穿过，以便使这些阳离子或阴离子（但不是两者都）从该改性缓冲剂流动通道穿过该第一离子交换屏障被传输入该第一离子接收流动通道以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。

在一个示例性实施例中，该方法进一步包括使一种水性液体流流经一个第二离子接收流动通道，该第二离子接收流动通道通过一个第二离子交换屏障与该改性缓冲剂流动通道分开，该第二离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者，并且能够阻断主体液体流动。该第一和第二电极分别地被设置在该第一和第二离子接收流动通道内。在一个示例性实施例中，该第一和第二电极分别地被设置在该第一或第二离子接收流动通道以及该改性缓冲剂产生通道内。

在一个示例性实施例中，本发明提供了一种电渗析缓冲剂产生器，该电渗析缓冲剂产生器包括：

(a)一个流通式的中心的改性缓冲剂产生通道，该改性缓冲剂产生通道具有一个入口以及一个出口；

(b)一个包括一个第一电极的第二通道，该通道具有一个入口以及一个出口；

(c)一个包括一个第二电极的第三通道，该通道具有一个入口以及一个出口；

(d)一个阳离子交换屏障，该阳离子交换屏障被设置在该第一通道与该缓冲剂产生通道之间，能够让阳离子通过但不让阴离子通过，并且能够阻断主体液体流动；

(e)一个阴离子交换屏障，该阴离子交换屏障被设置在该第三通道与该缓冲剂产生通道之间，能够让阴离子通过但不让阳离子通过，并且能够阻断主体液体流动；以及

(f)一个连接到该第一和第二电极的第一电流源。

本发明提供了一种具有新颖特征的缓冲剂产生器。本发明的示例性的缓冲剂产生器在低压下操作。低压产生器的一些益处包括：a)pH的在线调节是可行的；b)可以使用比例阀将多种电解质预混合，使得该技术自动化并且从实施的角度增加了使用的容易性；c)设计一种低压装置的成本显著低于设计高压模块的成本；并且d)可行的是在产生器后使用比例阀形式与电活性的溶剂进行混合。在高压形式下实施这种配置只有在使用一个附加的高压泵的情况下才可行。应该指出的是，在高压条件下的HPLC仪器压力规格和可操作性在过去的十年中一直在上升，并且按照本发明的上述低压配置使任何高压开发计划降至最低，从而简化了产品成本/产品开发成本。

一个额外的优势是，在此提供的这些缓冲剂产生器不受容量耗尽效应的限制。

在以下的实施例中，离子接收通道、源通道、或离子源通道可以由一个腔室形式代替。在此类情况下，该腔室内的液体可以是实质上不流动的并且静止的。

一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法可以包括：使一种包括阳离子和阴离子的缓冲溶液流经一个改性缓冲剂产生流动通道，其中该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阴离子交换膜与一个第一离子接收腔室分开，并且其中该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阳离子交换膜与一个第二离子接收腔室分开；使电流横跨该离子接收腔室在第一与第二电极之间穿过以使阳离子被传输穿过一个阳离子交换膜并且使阴离子被传输穿过一个阴离子交换膜，其中该第一和第二电极分别地被设置于该第一和第二离子接收腔室内，并且与该改性缓冲剂流动通道分开，从而产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。可以使该电流穿过该改性的缓冲剂流动产生通道从该第一离子接收腔室到该第二离子接收腔室。阳离子或阴离子可以从该改性的缓冲剂通道被传输入该第一离子接收腔室或该第二离子接收腔室。可替代地，阳离子或阴离子可以从该第一离子接收腔室或该第二离子接收腔室被传输入该改性缓冲剂通道。该方法还可以包括将该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道以一个改性的缓冲剂浓度输出，其中电流强度与该流出的缓冲溶液的浓度的变化是成比例的。阳离子或阴离子可以从该离子接收腔室流出。该方法可以进一步包括将具有有待分离的分析物离子的样品注入到流出的改性的缓冲剂中，并且分离这些分析物。流向该改性缓冲剂流动通道的缓冲溶液并不是事先由电解洗脱液产生器产生的。

一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法包括：使一种水性液体流流经一个改性缓冲剂产生流动通道；使电流横跨该改性缓冲剂流动产生通道以及一个第一离子接收腔室在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子（但不是两者都）被传输穿过该第一离子交换屏障以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出，该第一离子接收腔室通过该第一离子交换屏障与该改性缓冲剂流动通道分离，该第一离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者，并且能够阻断主体液体流动。该水性液体流可以包括一种包括阳离子和阴离子的酸或碱溶液。该酸或碱溶液可以处于大于约10mM的浓度下。阳离子或阴离子能从该改性缓冲剂流动通道穿过该第一离子交换屏障被传输入该离子接收腔室中。一个第二离子接收腔室可以通过一个第二离子交换屏障与该改性缓冲剂流动通道分离，该第二离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者，并且能够阻断主体液体流动，该电流通过该改性缓冲剂流动产生腔室在设置于该第一离子接收腔室中的该第一电极与设置于该第二离子接收腔室中的该第二电极之间穿过。阳离子或阴离子可以从选自该第一离子接收腔室和该第二离子接收腔室的一个成员被传输入该改性的缓冲剂通道中。该方法还可以包括将该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道以一个改性的缓冲剂浓度输出，其中电流强度与该流出的酸或碱溶液的浓度的变化是成比例的。阳离子或阴离子可以从该离子接收腔室流出。该方法可以进一步包括将具有有待分离的分析物离子的样品注入到该流出的改性的缓冲剂中，并且分离这些分析物；流向该改性缓冲剂流动通道的缓冲溶液并不是事先由电解洗脱液产生器产生的。

在另一个实施例中，该用于离子的电极腔室可以通过一个双极性膜与该改性缓冲剂流动通道分开，该双极性膜被配置为分裂水并且产生水合氢离子和氢氧根离子，并且还被配置为阻断主体液体流动，该电流通过该改性缓冲剂流动产生通道在设置于该电极腔室中的第一电极与设置于该第一离子接收腔室中的第二电极之间穿过。阳离子或阴离子能从该改性缓冲剂产生流动通道被传输入该第一离子接收腔室中。

一种电渗析缓冲剂产生器包括：一个流通式的中心的缓冲剂产生通道，该缓冲剂产生通道具有一个入口和一个出口；一个包括一个第一电极的第二腔室；一个包括一个第二电极的第三腔室；一个设置在该第二腔室与该缓冲剂产生通道之间的第一离子交换屏障，该第一离子交换屏障被配置为让阳离子或阴离子通过，但不让两者同时通过，并且被配置为阻断主体液体流动；一个设置在该第三腔室与该缓冲剂产生通道之间的第二离子交换屏障，该第二离子交换屏障被配置为让阳离子或阴离子通过，但不让两者同时通过，并且被配置为阻断主体液体流动；一个连接到该第一和第二电极的第一电流源，其中该产生器被流体性地联接到一个色谱设备上；以及一个水性液体源，该水性液体源被流体性地连接到该流通式的中心的缓冲剂产生通道、该第二腔室、或该第三腔室中的至少一个上。该第一离子交换屏障可以包括一个阴离子交换屏障并且该第二离子交换屏障可以包括一个阳离子交换屏障。该产生器可以在一个色谱柱上游被联接到色谱设备上。该产生器还可以在一个样品注射器阀上游被联接到色谱设备上。该缓冲剂产生通道出口可以被流体性地联接到该色谱设备上。

该产生器可以进一步包括一种与该第二腔室的入口处于流体连通的水性阳离子源电解质溶液，以及一种与该第三腔室的入口处于流体连通的水性阴离子源电解质溶液。此外，该产生器还可以包括一种与该缓冲剂产生通道入口处于流体连通的电解质溶液。

一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法包括：使一种水性液体流在小于约30psi的压力下流经一个改性缓冲剂产生流动通道；并且使电流横跨该改性缓冲剂流动产生通道以及该离子源腔室在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子（但不是两者都）被传输穿过一个第一离子交换屏障以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出，该离子源腔室通过该第一离子交换屏障与该改性缓冲剂流动通道分开，该第一离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者，并且能够阻断主体液体流动，该膜具有大于约0.5英寸²的表面积，该缓冲溶液具有大于约10mM的浓度。该用于离子的离子接收腔室可以通过一个第二离子交换膜与该改性缓冲剂流动通道分开，该第二离子交换膜包括与该第一离子交换膜的可交换离子的电荷相同的（正的或负的）可交换离子，该电流通过该改性的缓冲剂流动产生腔室在设置于该离子源腔室中的第一电极与设置于该离子接收腔室中的第二电极之间穿过。

一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法可以包括：使一种水性液体流流经一个改性缓冲剂产生流动通道，其中该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阴离子交换膜与一个第一离子源腔室分开，并且其中该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阳离子交换膜与一个第二离子源腔室分开；并且使电流横跨一个离子源腔室在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子被传输穿过一个阳离子交换膜并且使阴离子被传输穿过一个阴离子交换膜，其中该第一和第二电极分别地被设置于该第一和第二离子源腔室内，并且与该改性缓冲剂流动通道分开，从而产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。

一种电渗析缓冲剂产生器可以包括：一个流通式的中心的缓冲剂产生通道，该缓冲剂产生通道具有一个入口和一个出口；一个包括一个第一电极的第二腔室；一个包括一个第二电极出口的第三腔室；一个设置在该第一腔室与该缓冲剂产生通道之间的离子交换屏障，该离子交换屏障能够让阳离子通过但不让阴离子通过，并且能够阻断主体液体流动；一个设置在该第三腔室与该缓冲剂产生通道之间的双极性膜，该双极性膜被配置为分裂水并且产生水合氢离子和氢氧根离子，并且还被配置为阻断主体液体流动；以及一个连接到该第一和第二电极的第一电流源，其中该产生器被流体性地联接到一个色谱设备上，并且一个水性离子源被流体性地连接到该流通式的中心的缓冲剂产生通道、该第二腔室、或该第三腔室中的至少一个上。

附图简要说明

图1是一个示例性装置的示意图。

图2A和2B是一个示例性的改性的缓冲剂产生器的示意图。

图3A和3B是一个示例性的改性的缓冲剂产生器的示意图。

图4是一个示例性的改性的缓冲剂产生器的示意图。

图5是一种具有(a)以多质子酸的强碱盐作为进料溶液的阴离子抑制器（双CEM装置）以及(b)以多质子碱的强酸盐作为进料溶液的阳离子抑制器（双AEM装置）的EBG方案。驱动电流控制在(a)中多少强碱阳离子以及在(b)中多少强酸阴离子分别地从体系中被移除，从而获得所希望的pH。

图6是对于68mM Na₃PO₄、CEM抑制器（ASRS Ultra II（4-mm））1mL/min，随所施加的电流而变化的pH。空心圆（右边纵坐标）表示由外通道流出物的IC分析所测定的通过该膜后损失的总磷酸盐的浓度。实心圆（左边纵坐标）表示随该电流而变化的修改的pH。在插图中以放大的形式显示右底部。pH迹线中的这些线指示计算值。对于不同计算结果的说明参见正文。

图7是阶跃梯度响应。对于流入物流量为1mL/min的Na₃PO₄进料CEM抑制器体系显示了四个周期。电流阶跃具有阶梯形状，并且为0→40→80→120→160→120→80→40→0mA，pH响应以较粗线表示，并且电导响应以虚线表示。

图8是对于(a)50mM柠檬酸三钠作为进料溶液（ASRS Ultra II,4-mm）和50mM Tris-HCl（CSRS Ultra，4-mm），以及(b)30mM二盐酸乙二胺（CSRSUltra，4-mm），均在1.00mL/min下随着驱动电流而变化的pH。实线表示计算的pH值，参见正文。

图9是1mL/min下的CEM抑制器（ASRS4mm）；进料组成在插图中。(a)实线（没有指向右边纵坐标的箭头）描绘了以2min电流阶跃所得到的实验数据，绘制了pH的相应的（时滞校正后的）2min平均值。计算值以虚线显示，较短虚线考虑了由于通过H⁺的电流传导引起的非同一（non-unity）法拉第效率（F_e）。参见正文。具有指向右边纵坐标的箭头的线显示离子强度（右边纵坐标）。(b)红色迹线，底部横坐标：2min均匀的5mA电流阶跃产生了在(a)中以2min平均的型式出现的pH曲线；基于所观测到的曲线，利用由所观测的电流对pH值指定的不均匀的电流阶跃产生了一个实质上线性的梯度。

图10是重叠的重复三次的25min线性pH梯度运行（右边纵坐标）；电流程序使用左边纵坐标。

图11是一种在大量NaCl存在的情况下具有渐增的线性pH梯度的四组分缓冲混合物。在没有该盐存在的情况下，离子强度将变化大于一个数量级（参见图9a）。

图12是在没有CRD气体去除装置的情况下观测到的噪声。pH电极流动池基本上没有背压，并且pH迹线显示随着电流增大，噪声毛刺增大。在增大的电流水平下在电导率迹线上也观测到具有更大频率的噪声（除毛刺以外，观察作为源自微泡的噪声的结果的更粗的迹线）。电流程序以具有阶梯式样的线显示（左边纵坐标）。

图13.示出小电流阶跃的可重复性和可重现性。详细的数值数据呈现于表3和4中。

图14是表1，表1列表显示了图7的电导数据。

图15是表2，表2列表显示了图7的pH数据。

图16是表3，表3列表显示了图13的电导数据。

图17是表4，表4列表显示了图13的pH数据。

图18是电场中双极性膜的总体原理图。

图19是一个缓冲装置，其中将一个双极性膜与一个阳离子交换膜结合使用来定义一个中心的洗脱液通道。

图20与图19相似，除了该阳离子交换膜被阴离子交换膜代替并且极性是相反的。

图21显示了一种设置，其中使用一个阳离子交换膜来提供一种供应至阳极再生剂通道的试剂的阳离子型组分。

图22显示了一种用于酸添加的设置。

图23是只使用一个离子交换屏障的示例性的改性缓冲剂产生器的示意图。

优选实施方案的详细说明

以下提供了对于基于电渗析原理的缓冲剂产生器以及使用这些缓冲剂产生器的方法的描述。在示例性实施例中，以下提供了产生缓冲剂的装置和方法，这些缓冲剂涵盖酸性的到碱性的方案，从而允许在通过HPLC进行分析时更好地对分离进行控制。

在一个示例性实施例中，一种电渗析缓冲剂产生器包括：

(a)一个流通的中心的改性缓冲剂产生通道，该改性缓冲剂产生通道具有一个入口以及一个出口；

(b)一个包括一个第一电极的第二通道，该通道具有一个入口以及一个出口；

(c)一个包括一个第二电极的第三通道，该通道具有一个入口以及一个出口；

(d)一个阳离子交换屏障，该阳离子交换屏障被设置在该第一通道与该缓冲剂产生通道之间，能够让阳离子通过但不让阴离子通过，并且能够阻断主体液体流动；

(e)一个阴离子交换屏障，该阴离子交换屏障被设置在该第三通道与该缓冲剂产生通道之间，能够让阴离子通过但不让阳离子通过，并且能够阻断主体液体流动；以及

(f)一个连接到该第一和第二电极的第一电流源。

在一个示例性实施例中，将该装置安装在色谱仪的低压侧。图1显示了本实施例的一个示例性示意图。储存器10包含源电解质或DI水源12并且通过导管14连接至比例阀22的输入。一个任选的储存器16包含DI水或溶剂，也通过导管20连接至该比例阀22的输入。通常可以将三到四个储存器连接至该比例阀。任选的除气器26和28可以用来对管线14和20中对应的流进行除气。该比例阀的输出连接至泵30。当pH产生器模块24安置在该储存器与该比例阀之间或在该比例阀与泵30的输入侧之间的位置24b处时，这种布局称为低压安装。该泵的输出如在标准HPLC系统中的路线被确定为到一个注射阀。以上布局允许利用在此所描述的低压pH产生器进行缓冲剂的自动化产生。在这种配置中，由于在该泵输入之前的布局，使得该装置的背压是低的，以有助于在没有空泡现象的情况下进行操作。在该泵的高压侧操作的装置不存在这种约束。在此所描述的这些储存器可以如所示的由包括氮或氦的气体流34和36加压。在操作中，本发明的装置将产生处于电解质流（如果需要的话，进行稀释）中的缓冲剂，可以将该缓冲剂与一种适合的溶剂进行混合并且然后供给泵的输入侧。这种配置允许使用一个低压pH产生器模块在高压下进行分离。

若干种配置对在此所描述的实施例的实施是可行的。在一种配置中，使用一种商用的抑制器来在该泵的低压侧产生缓冲剂。

在一个示例性实施例中，该第一和第三通道为离子接收流动通道。这些离子接收流动通道通过一个离子交换屏障与该改性的缓冲剂产生通道分开，该离子交换屏障防止主体液体流动穿过该屏障。该离子交换屏障任选地是一种阳离子交换屏障、一种阴离子交换屏障、或一种双极性离子交换屏障。一种示例性的双极性离子交换屏障具有阴离子交换屏障以及阳离子交换屏障两者的特性。在不同的实施例中，该屏障是一种膜。

在另一个实施例中，图2、图3和图4中示出了电渗析装置。在这种设计中，该装置包括一个中心通道，该中心通道由一个阴离子交换和阳离子交换膜界定。根据在此的实施例，通过将两个电极安装在该膜的附近，例如，在两个再生剂通道（例如，离子接收流动通道）内，可以产生缓冲剂。例如，当极性处于如图2(a)中图解的去离子模式时，从该中心的缓冲剂产生通道移除这些离子并且所施加的电流指定了所移除的量。这种设计的实施更简单并且只要求一个电源。这种操作模式被称为“移除模式”。该电流可以以渐增或渐减的方式变化，以在适当的缓冲剂离子存在的条件下产生感兴趣的所希望的pH梯度。

参见图2(a)和2(b)，阳离子通过该阳离子交换膜从该中心的缓冲剂产生通道向该阴极的传输，连同阴离子通过该阴离子交换膜从该中心通道向该阳极的传输，允许将电解质改性为一种缓冲剂，该缓冲剂的pH和离子强度可以是程控的。

在另一个实施例中，来自以上设计的中心通道被供给有有待改性的电解质，例如乙二胺/柠檬酸三钾（50mM/50mM），并且在选定的流量（例如0.5ml/min）下进行泵送。在一个示例性实施例中，在选定的流量（例如2.5ml/min）下供给0.2M硝酸钾溶液作为再生剂。当施加电流梯度时，利用这种设置可以容易地建立pH梯度。

如果上述装置以与该去离子器模式相反的极性操作，则可以将离子引入该中心的缓冲剂产生通道中。这些离子可以是电解离子、或电解质提供的离子、或两者的组合。图3显示了这种设计的原理图。这是“添加模式”，这种模式的实施简单并且只要求一个电源。

参见图3(a)和图3(b)，可以将钠添加到该中心通道中，连同添加一种阴离子，这导致缓冲剂产生。注意B表示能迁移穿过该阳离子交换膜的一种阳离子，例如像H⁺、Na⁺、或K⁺。此外，Y表示能迁移穿过该阴离子交换膜的一种阴离子型种类，例如像OH^-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、或H₂PO₄ ^1-。X表示一种阴离子型种类并且Na₂HPO₄代表强碱盐的一个例子。应该指出的是，可以改变该再生剂通道的内容物并且因此通过该离子交换膜选择性地添加其他感兴趣的种类。在以上实例中，如果将含钠的电解质供给该阳极通道，则钠与所施加的电流成比例地被传输到该中心通道。如果传输的是水，则H⁺被传输到该中心通道，从而改变产物的pH。因此对于缓冲剂的产生存在许多可能性。

还可能使用通过反转一个或多个电极的极性的该“添加模式”和/或“移除模式”的组合的一种装置。因此，这种装置提供一个缓冲剂产生系统以根据需要添加或移除离子。类似地，还可能切换极性以使用同样的装置来以程控的方式将操作从“添加模式”切换至“移除模式”。本发明的一个特征是，可以根据需要将额外的通道添加到本配置中。

在代替盐流的另一种操作模式中，本发明的装置对酸或碱流进行改性并且产生所希望的缓冲剂。图4中对此进行了说明。参见图4，将酸（如硼酸（H_nX））泵入该缓冲剂产生器通道，用一种碱（例如NaOH并且表示为MY）对这些外部通道进行清扫，其中该碱的阳离子组分将通过阳离子交换膜从阳极被注入该中心的缓冲剂产生器通道中并且用来调节缓冲剂的pH。等数量的水合氢离子将被驱使通过接近于阴极的阳离子交换膜到达该阴极，并且将在该阴极处结合以形成DI水。因此，通过变化电流，可以在产物流中建立一个梯度。

在不同的实施例中，本发明的产生器进一步包括：

(f)一种与该第二通道入口处于流体连通的水性阳离子源电解质溶液，以及

(g)一种与该第三通道处于流体连通的水性阴离子源电解质溶液。

在不同的实施例中，本发明的产生器进一步包括：

(f)一种与该缓冲剂产生通道入口处于流体连通的电解质溶液。

图23展示了只使用一个离子交换屏障的修改的缓冲剂产生器的原理图。这个装置包括一个改性缓冲剂产生通道，该改性缓冲剂产生通道包括一个入口以及一个出口；以及一个离子通道，该离子通道也包括一个入口以及一个出口。如在图23中所展示的，该装置包括一个阳离子交换屏障，该阳离子交换屏障能够让阳离子通过但不让阴离子通过，并且能够阻断液体流动。该阳离子交换屏障被设置在该改性缓冲剂产生通道与该离子通道之间。可以将一个第一电流源电连接到第一和第二电极，其中该第一电极与该改性缓冲剂产生器处于流体接触并且该第二电极与该离子通道处于流体接触。如在图23中所展示的，该第一电极是阴极并且该第二电极是阳极。与图2(a)中的装置相似，将阳离子从该改性缓冲剂产生通道移除并且所施加的电流指定了所移除的量。该阳极能将水分裂以在该改性缓冲剂产生通道中形成水合氢离子来改变pH。在图23的改性缓冲剂产生器的替代性实施例中，可以施加电流以使该第一电极是阳极并且该第二电极是阴极。在另一个替代性实施例中，该阳离子交换屏障可以被切换为一个阴离子交换屏障。在又另一个替代性实施例中，该离子通道可以由一个腔室代替，其中该腔室中的溶液是静止的并且是基本上不流动的。

本发明的缓冲剂产生器可以用来产生用于色谱应用（例如分离，例如离子色谱）的缓冲剂。在不同的实施例中，该缓冲剂产生器被联接到一个色谱分离装置的一个或多个组件上。在一个示例性实施例中，该缓冲剂产生器被流体性地联接到一个色谱柱上。在一种示例性的配置中，该缓冲剂产生器被流体性地联接在注射器阀上方（即上游）的色谱柱的柱头处。在不同的实施例中，该流通式的中心的改性缓冲剂产生通道被流体性地联接到该色谱柱的柱头上。在一个示例性实施例中，此出口被流体性地联接在该样品注射阀的上方（即上游）。

本发明还提供了使用本发明的产生器来产生缓冲剂的方法。因此，在一个示例性实施例中，本发明提供了一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法。该方法包括：

(a)使一种大于约10mM的浓度下的、包括阳离子和阴离子的缓冲溶液在小于约30psi的压力下流经一个改性缓冲剂产生流动通道，所述改性缓冲剂产生流动通道包括一个设置在其中的第一电极；

(b)使一种水性液体流流经一个第一离子接收流动通道，该第一离子接收流动通道包括一个设置在其中的第二电极。该离子接收流动通道通过一个离子交换屏障与该改性缓冲剂产生流动通道分开，该离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括它们两者。该屏障能够阻断主体液体流动。在一个示例性实施例中，该膜具有大于约0.5英寸²的表面积。

本发明的方法进一步包括：(c)使电流横跨该改性的缓冲剂流动产生通道和该离子接收流动通道在该第一与第二电极之间穿过，以便使这些阳离子或阴离子（但不是两者都）从该改性缓冲剂流动通道穿过该第一离子交换屏障被传输入该离子接收流动通道以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。

在不同的实施例中，本发明的方法进一步包括：(d)使一种水性液体流流经一个用于氢离子或氢氧根离子的源通道，该源通道通过一个第二离子交换膜与所述改性缓冲剂流动通道分开，所述第二离子交换膜包括与所述第一离子交换膜的可交换离子的电荷相同的（正的或负的）可交换离子。

在不同的实施例中，电流是在两个电极之间，每个电极处在两个离子接收流动通道之一中，每个离子接收流动通道通过一个离子交换屏障与该改性缓冲剂流动通道分开。

在一个示例性实施例中，本发明提供了一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法。一种示例性的方法包括：

(a)使一种包括阳离子和阴离子的缓冲溶液流经一个改性缓冲剂产生流动通道。该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阴离子交换膜与一个第一离子接收流动通道分开。该改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阳离子交换膜与一个第二离子接收流动通道分开；

(b)使一种水性液体流流经与该改性缓冲剂流动通道分开的第一和第二离子接收流动通道；并且

(c)使电流横跨该改性的缓冲剂流动产生通道和至少一个离子接收流动通道在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子分别地穿过选自该阴离子交换膜以及该阳离子交换膜的一个成员被传输入选自该第一离子接收流动通道以及该第二离子接收流动通道的一个成员中，从而产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从该改性缓冲剂产生流动通道流出。在一个示例性实施例中，该第一和第二电极分别地被设置在该第一和第二离子接收流动通道内。在一个示例性实施例中，该第一和第二电极分别地被设置在该第一或第二离子接收流动通道以及该改性缓冲剂产生通道内。

在不同的实施例中，本发明提供了一种如以上所阐明的方法，其中选自阳离子以及阴离子的一个成员从该改性缓冲剂通道被传输入选自该离子接收流动通道以及该源通道的一个成员中。

在一个示例性实施例中，提供了一种如以上所阐明的产生缓冲剂的方法，其中该改性的缓冲溶液具有与电流成比例的浓度，该电流通过选自所述第一电极以及所述第二电极的一个成员。

在不同的实施例中，提供了一种如以上所阐明的产生缓冲剂的方法，其中选自阳离子以及阴离子的一个成员从该离子接收通道流出。

在不同的实施例中，本发明的方法进一步包括将所产生的缓冲剂用于分离过程中，例如色谱。因此，在一个示例性实施例中，本发明的方法进一步包括：在产生了该缓冲剂之后，将具有有待分离的分析物离子的样品注入从该产生器流出的改性的缓冲剂中，并且分离这些分析物。在一个示例性实施例中，流向该改性缓冲剂流动通道的缓冲溶液并不是已事先由电解洗脱液产生器产生的。

在本发明的装置和/或方法的一个示例性实施例中，使用双极性膜。双极性膜是一种层状膜，该层状膜包括一个可渗透阳离子的阳离子侧以及一个可渗透阴离子的阴离子侧。总的来说，双极性膜不会将离子种类从该膜的一侧传输到另一侧。双极性膜在所施加的电场中将水分子分裂并且产生水合氢离子以及氢氧根离子。在操作中，该阴离子交换膜必须面对阳极同时该阳离子交换膜必须面对阴极。以此方式，双极性膜是一种在没有气体形成的情况下形成水合氢离子以及氢氧根离子的方便的手段。

和电极反应不同，双极性膜水分裂反应并不遵循法拉第定律，并且所施加的电流与所产生的离子浓度具有松散的关系。这暗示着，基于双极性膜的装置要求在给定电流下进行校准以便确定浓度。这还暗示着，基于双极性膜的装置的电流效率低。尽管如此，根据本发明可以使用这些膜来传输水合氢离子以及氢氧根离子，从而操控缓冲剂浓度和pH。

图18是电场中的双极性膜的总体原理图。图19是本发明的一个缓冲装置，其中一个双极性膜与一个阳离子交换膜结合使用来定义一个中心的洗脱液通道。在这种设置中，该双极性膜的功能是供应水合氢离子，同时该阳离子交换膜将阳离子型种类从缓冲剂流中移除。安排该双极性膜的方向以在该中心的洗脱液通道中提供水合氢离子。在最简单的情况下，在这种设置中通过将阳离子交换为水合氢离子，将供应给洗脱液通道的一种盐溶液转化为一种酸流。以此方式，这种设置提供了一种在产物中没有任何添加气体的情况下对流入溶液的pH进行调节的方便的手段。另一个实例将把一种碱流转化为水，这是一种调节浓度的方便手段。所施加的电流将产生固定浓度的水合氢离子，该水合氢离子的浓度可以容易地通过监测流出物的pH来监测。以上实例中的这些电极腔室具有铂电极，并且供给有水性流以提供在该电极上的水分裂反应所需的水。当施加电势时，这些电极分别在阳极和阴极上形成水合氢离子和氢氧根。由水分裂反应在阴极和阳极上分别产生了电解气体（氢气和氧气），并且将它们清除出该再生剂通道。在双极性膜上产生的氢氧根离子与在阳极电极上产生的水合氢离子结合形成水。由阳离子交换膜移除的阳离子被驱使到阴极并且与氢氧根结合形成一种碱。将洗脱液流中的阳离子交换为水合氢离子，并且改性后的流离开该洗脱液通道。

图20与图19相似，除了该阳离子交换膜被阴离子交换膜代替并且极性是相反的。净效应在于，现在该装置能方便地添加氢氧根离子并且将洗脱液流中的阴离子用氢氧根代替。在最简单的情况下，一种酸将被转化为水从而控制浓度，或者一种盐溶液将被转化为碱从而改变洗脱液流的pH。在操作中，由双极性膜产生的水合氢离子与由阴极产生的氢氧根结合形成水。由双极性膜产生的氢氧根代替被传输穿过阴离子交换膜的阴离子，同时由该双极性膜产生的水合氢离子与在阴极上产生的氢氧根结合。被该阴离子交换膜移除的阴离子与由阳极产生的水合氢离子结合。通过这种移除方法，进入的缓冲剂的总体改性是可行的。

图21和图22是添加式途径，其中可以使用包含双极性膜的装置将一种试剂的阴离子或阳离子组分作为一种酸或碱来添加。图21显示了一种设置，其中使用一个阳离子交换膜来提供一种供应至阳极再生剂通道的试剂的阳离子型组分。例如，如果将氢氧化钠供应给这个通道，则钠将由所施加的场来传输并且进入该洗脱液通道。同时，由该双极性膜产生的氢氧根离子也将进入该洗脱液通道以维持电中性。以此方式，将碱添加入该洗脱液通道中是可行的。图22显示了一种用于酸添加的设置。

概括地说，双极性膜的使用提供了在没有气体存在的情况下在将选定的组分阴离子或阳离子添加入该缓冲剂产生通道或从其中移除的同时将水合氢离子或氢氧根添加入该洗脱液通道的一种方便的手段。

提供以下实例来说明，而并非限制本发明的范围。

实例

实例1

1a.原理

基于抑制器的电渗析缓冲剂产生器。如图5(a)中所说明的，一种n-质子酸的完全中和的Na盐（Na_nX）的溶液流入基于CEM的抑制器中，并且将Na⁺通过电流I至少部分地电渗析地移除并且代替。为了简明，假定一种NaX-HX缓冲剂体系，但基本方案可适用于相应的多质子酸-碱体系。NaX在Q mL/min以及摩尔浓度C下流经中心通道，同时使电流i mA流经该体系。在显著浓度的非H⁺/非OH^-离子仍然有待传输的条件下，本抑制器的效率可以认为是法拉第式的。在稳定状态下，从该中心移除0.06i/F摩尔/min的Na⁺到负电极室，并且从阳极室引入相等数量的H⁺。这总计在该中心通道中形成了等于60i/FQM的HX，同时NaX浓度下降至C-60i/FQ M。此时忽略活度矫正，则由如下的熟悉的亨德森-哈塞尔巴尔赫方程来简单地计算pH：

pH=pK_a+log(CFQ–60i)/60i…(1)

这在相当可观量（例如>5%）的HX已经形成，但还有相当可观量的NaX剩下（并且[Na⁺]仍然保持>>[H⁺]）时的范围中是可用的。在低pH下，如果该中心通道中的[H⁺]变得可与[Na⁺]相比，则我们不能再假定Na⁺传输是唯一的法拉第过程。同样，在高HX值下，因为没有面向中性物传输的屏障，HX通过离子交换膜会有损失。然而，电场对中性种类的电传输没有影响，并且由浓度差驱动的通过膜的损失在大多数情况下并不大。还可以通过使用一种基于多质子酸/碱的缓冲剂体系来避免此类损失。例如，如果将摩尔浓度为C的Na₃PO₄或柠檬酸三钠引入该体系中，则电流控制的H⁺-Na⁺交换可以产生一种可调的pH缓冲剂体系。将不存在中性酸的损失，直到显著量的游离酸在交换的高端形成。对于将n-质子酸（H_nX）的完全中和的盐（M_nX）引入该体系的一般情况，电荷平衡方程为：

$(\mathrm{nC}-\frac{60i}{\mathrm{FQ}})+\left[H^{+}\right]-\frac{K_W}{\left[H^{+}\right]}-\mathrm{pC}{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^n{\mathrm{\α}}_p=0...\left(2\right)$

其中第一项指示剩余的M⁺浓度，并且α_p指示以电荷p-存在的所有阴离子的分数。在实例1c中给出了溶液的通用程序，包括活度校正。

基于一种弱碱及其盐的电解缓冲剂产生器（EBG）以大体上相同的方式进行。一般情况是一种可以接受n个质子的碱，并且一种完全中和的盐BH_nY_n的溶液流入一个基于AEM的抑制器。部分（或所有Y^-）被移除以通过该AEM到达阳极室，同时相等数量的OH^-从阴极室进入以中和H⁺（图1b）。对于一元碱B及其盐BHY的简单情况，方程1仍然适用，其中K_a是BH⁺的酸解离常数并且对数项的正负号相反：

pH=pK_a-log(CFQ–60i)/60i…(3)

使用多质子碱将避免游离碱的损失，并且可适用的方程将与方程2相似。

基于抑制器的EBG具有以下优点：该装置是可商购的并且许多商用IC允许进行该抑制器的电流编程。原则上，在所感兴趣的流体通道中没有气体放出。缓冲剂浓度是固定的；维持恒定的缓冲剂离子浓度，同时通过应用抗衡离子的受控移除来调节pH。因此该方法可以被认为是减去式的。当减去抗衡离子时，H⁺或OH^-（根据情况适当的）取代其位置以维持电荷平衡。有趣的是注意到该系统在操作上不是对称的：有可能引入Na₂HPO₄并且通过移除Na⁺来相当有效地并且有效率地将其转化为NaH₂PO₄，但不可能通过从阳极室电流控制地引入Na⁺来可预测地并且有效率地将NaH₂PO₄转化为Na₂HPO₄；这将导致向阴极室损失相等数量的钠。然而，这并不意味着，使用具有磷酸盐缓冲剂的基于CEM抑制器的EBG将不可能得到一个暂时增加的pH梯度。此类体系将使用一个暂时负的电流梯度。

实例1b

实验部分

试剂。所有化学品都是常见可获得的试剂级的并且自始至终使用蒸馏的去离子水。参见实例1c。

七水磷酸氢二钠以及二水柠檬酸钠是从马林克罗（Mallinckrodt）购买的。二盐酸乙二胺是从伊诺凯科技有限公司（Acros Organics）购买的。盐酸三(羟甲基)氨基甲烷以及磷酸氢二钾是从J.T.贝克公司（J.T.Baker）购买的。所有化学品都是试剂级的，并且溶液是用18.2MΩ·cm的Milli-Q（密理博（Millipore））去离子水制备的。

如图12中所展示的，在没有CRD气体去除装置的情况下观测到噪声。pH电极流动池基本上没有背压，并且pH迹线显示随着电流增大，噪音毛刺增大。在增大的电流水平下在电导率迹线上也观测到具有更大频率的噪声（除毛刺以外，观察作为源自微泡的噪音的结果的更粗的迹线）。电流程序以具有阶梯形状的线显示（左边纵坐标）。

此基于Excel^TM的计算用图5a的体系来说明；这还作为Mater pH.xlsx的单独文件被附上。关于这些计算的细节可以在《分析化学》（Anal.Chem.）2012，84，67-75以及相关的补充材料中找到。在电子表格的顶部，分别写下对应的酸解离常数（硼酸为K，磷酸和柠檬酸为K₁、K₂、K₃）并且给定名称为KB、KPA、KPB、KPC、KCA、KCB以及KCC。对总硼酸盐、磷酸盐以及柠檬酸盐浓度（0.045M、0.015M以及0.015M）分别给定名称为CB、CP以及CC。

在标题为I_使用的列X中，写下溶液的某一离子强度（I）（作为开始，我们使用0.3）。使用此离子强度的这个试验值，在列Y:AG（分别标题为GH、GOH、GBor、GP1、GP2、GP3、GC1、GC2、和GC3）中，由戴维斯方程（Daviesequation）分别计算H⁺、OH^-、B(OH)₄ ^-、H₂PO₄ ^-、HPO₄ ^2-、PO₄ ^3-、柠檬酸二氢根^-、柠檬酸氢根^2-以及柠檬酸根^3-的活度系数：

$-\log {\mathrm{\γ}}_i=0.51+{Z_i}^2(\frac{\sqrt{I}}{1+0.33d_i\sqrt{I}}-0.3I)...\left(S1\right)$

其中Z_i是离子i的电荷大小（分别为1、2、3）并且d_i是离子尺寸参数。基于谢朗（Kielland）等人（美国化学会志（J.Amer.Chem.Soc），1937，59，1675-8），H⁺、OH^-、H₂PO₄ ^-、HPO₄ ^2-、PO₄ ^3-、柠檬酸二氢根^-、柠檬酸氢根^2-以及柠檬酸根^3-的离子尺寸参数为9、3.5、4.25、4、4、3.5、4.5以及5；d_B(OH)4-估算为6。基于这些活度系数，由以下关系式，按在标题分别为CKW、CKB、CKPA、CKPB、CKPC、CKCA、CKCB和CKCC的列AI:AP中的浓度项来计算平衡常数KW、KB、KPA、KPB、KPC、KCA、KCB和KCC：

CKW=KW/(γ_H+*γ_OH-)…(S2)

CKB=KB/(γ_H+*γ_Bor-)…(S3)

CKPA=KPA/(γ_H+*γ_H2PO4-)…(S4)

CKPB=KPB*γ_H2PO4-/(γ_H+*γ_HPO42-)…(S5)

CKPC=KPC*γ_HPO42-/(γ_H+*γ_PO43-)…(S6)

CKCA=KCA/(γ_H+*γ_H2Cit-)…(S7)

CKCB=KCB*γ_H2Cit-/(γ_H+*γ_HCit2-)…(S8)

CKCC=KPC*γ_H2PO4-/(γ_H+*γ_Cit3-)…(S9)

并没有明确地测量钾浓度，但加入了足够的KOH来将pH调节到12.00；由于迭代计算结果（参见下文）表明，使用143mM K⁺（这暗示着向调制品中加入约30.5mM KOH）时获得此pH，所以我们在计算中使用0.143M K⁺。这是标题为CK的列中的[K⁺]的初值并且从单元格E9开始。在E9:E152中，这些[K⁺]值以每步0.001M递减，在E152中减到0。在单元格F9中初始输入一个pH试验值（在0与14之间的任何值）。在单元格G9中，[H⁺]以10^-pH计算（G9中输入项为=10^-F9）。这些α值（以特定的离子形式存在的分数）如下定义（K₀=1）：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{K_0...K_i{\left[H^{+}\right]}^{n-i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}{K}_0...K_i{\left[H^{+}\right]}^{n-i}}...\left(S10\right)$

将分母指定为Q，并且如下在列QB、QC和QP中计算对于硼酸盐、柠檬酸盐以及磷酸盐体系的值：

QB=[H⁺]+KB…(S11)

QC=[H⁺]³+KCA[H⁺]²+KCA*KCB*[H⁺]+KCA*KCB*KCC…(S12)

QP=[H⁺]³+KPA[H⁺]²+KPA*KPB*[H⁺]+KPA*KPB*KPC…(S13)

基于下式在标题为B、C1、C2、C3、P1、P2、P3以及OH的列K:R中计算单独的离子浓度（分别为硼酸根^-、柠檬酸二氢根^-、柠檬酸氢根^2-、柠檬酸根^3-、H₂PO₄ ^-、HPO₄ ^2-、PO₄ ^3-以及OH^-）：

[硼酸根^-]=CB*α_B-…(S14)

[柠檬酸二氢根^-]=CC**α_{柠檬酸二氢根-}…(S15)

[柠檬酸氢根^2-]=CC**α_{柠檬酸氢根2-}…(S16)

[柠檬酸根^3-]=CC**α_{柠檬酸根3-}…(S17)

[H₂PO₄ ^-]=CC**α_H2PO4-…(S18)

[HPO4^2-]=CC**α_HPO42-…(S19)

[PO₄ ^3-]=CC**α_PO43-…(S20)

[OH^-]=CKW/[H⁺]…(S21)

现在，对于电荷平衡方程：

[H⁺]+[K⁺]–([硼酸根^-]+[柠檬酸二氢根^-]+[H₂PO₄ ^-]+[OH^-]+2([柠檬酸氢根^2-]+[HPO4^2-])+3([柠檬酸根^3-]+[PO₄ ^3-]))=0…(S22)

简单写成标题为多项式（Poly）（对于多项式值）的列S中的一个表达式。对整个表达式取平方以使其与正负号无关并且乘以一个大的数值（在这种情况下为10¹⁰）。实行后者以满足解算器（Solver）的特性之一，然后当判定已足够接近时，停止优化。该乘数仅仅加重该差值以使计算继续进行。

在列W中，基于以下离子强度的定义来计算离子强度值（I_计算）：

I_计算=[H⁺]+[K⁺]+[硼酸根^-]+[OH^-]+[柠檬酸二氢根^-]+[H₂PO₄ ^-]+4([柠檬酸氢根^2-]+[HPO4^2-])+9([柠檬酸根^3-]+[PO₄ ^3-])…(S23)

现在通过复制和粘贴行9将整个143行填满，只有用于CK的已经填进列E中的值保持独特。在列S154的底部，将列S中的所有值求和。调用解算器并且请求其通过改变整个pH列（F9:F152）来最小化S154。重复解算器直到S154值不再变化。现在，将所有I_计算的计算值（列W）粘贴（不是公式，而是值：[Alt-E]-S-V）到I_使用列（W）中。两者之间的差值（ΔI）也保存为（列V）的标签，当这趋近10^-4时，进一步的迭代没有意义。请求解算器重算这些值（最小化S154等），并且在I和pH值收敛之前重复该过程（很少多于3个周期）。分别在列T和U中计算氢离子活度AH（等于GH*[H⁺]）以及活度校正的pH（PAH）。

1mL/min的流量等于16.667μL/s。移除1mM K⁺是16.667neq/s。乘以法拉第常数（96485库仑/eq）给出所必需的电流：1.608mA。列D顺序地给出累积的所移除的mM K⁺。如果法拉第效率F_e自始至终都是同一的，列C，即按mA表示的所需要的电流（标记为累积电流）将正好是1.608乘以列D中的值。

非同一F_e的校正。如果使用如主文本中由方程4所定义的F_e，并且在此对于R_λ使用15的值（自由溶液值为约5，并且预期在膜中要高得多），可以计算F_e的值；这在列A中完成；此效率因子的值将始终位于1与0之间，当[H⁺]相对于有待移除的离子较大的时，倾向为后者。我们假定，将对于行9中得到的最终结果所计算的F_e应用于行10等等所需要的电流。因此，在该步骤中所需要的实际电流为1.608mA除以F_e；这在列B中以此方式来计算。因此，列C中的累积电流是上面单元格中的紧挨的前一个值加上左边紧挨的单元格中的新增量。

用于对电流程序进行迭代校正以产生所希望的pH曲线的算法

基本逻辑是直接的：建立初始电流对时间的曲线。记录所获得的时间-电流-pH数据。利用所观测到的结果作为模板，用尽可能多的这些点（或者尽可能接近这些点）构造一个线性的（或凹的/凸的）pH梯度。如果这能以方程的形式给出，则可容易获得任何给定时间点下所希望的pH。对于一个线性梯度，直线很可能为在所希望的范围内的线性最小二乘法拟合，其方程可容易获得，并且可以将此最佳拟合线作为最终所希望的曲线。为了达到此曲线，在任何给定的时间点，查找所希望的pH并且搜索所观测到的数据以得到产生此pH的电流，并且然后在此时间点使用此电流。

作为一个实例，在迭代校正.xlsx中，前三列列出了时间、电流和pH。注意，观测到电流阶跃与pH变化开始之间的滞后时间为约0.45min并且pH数据相应地在时间上偏移。对应于所希望的范围内的最佳线性拟合的所希望的pH在列D中列出，并且差值（所观测的-所希望的）作为ΔpH在列E中列出。在本实例中，这些值的大部分是负的，即所观测到的pH小于所希望的pH，这暗示着更少的钾的移除并且因此需要更小的电流。计算局部斜率△pH/△i。然后将所希望的差值△pH除以该斜率以得到所需要的电流变化；然后将此加到现存的电流程序中。

电解缓冲剂产生器。ASRS Ultra II和CSRS Ultra（都为4-mm，www.dionex.com）用作EBG的设备。由一个ICS2000IC泵将电解质溶液输送通过洗脱液通道；将水蠕动泵送（吉尔森（Gilson）Minipuls2）通过再生剂通道。该抑制器电流是软件程控的（Chromeleon V.6.60）。所产生的缓冲溶液的电导率比由我们的电导率检测器测量的典型溶液的电导率高得多。为了使电导保持在可测量范围内，我们制备了高电导池常数（6400cm^-1）的流通式的检测池（由一个间隔管分开的两个管状电极），该检测池联接到一个戴安（Dionex）CD25电导率检测器。在用标准缓冲剂进行两点校准后，测量pH。因为担心在EBG或前述电导率检测器中施加的电压可能影响在线pH测量，许多初始pH测量是通过施加恒定的电流阶跃并且以不连续的等分试样的方式收集装置流出物来进行的。由于程控电流曲线的监测结果在这种方式下不实用，将一个狭窄的长管连接在该电导率池与自建的pH流动池之间。实验证实，测量的pH在所收集的等分试样中以及在在线安排中是相同的；此后在线测量pH。然而，该电导率流动池与该pH电极流动池之间的管道的体积、该pH电极流动池的显著体积、该pH电极的更慢的响应组合在一起产生了与电导率变化相比更慢的pH响应。

微泡的去除。虽然原则上在中心通道中没有气体形成，但在外通道中形成了大量气体，尤其是在高操作电流下。因此该中心通道液体变为被电解气所饱和（该电解气容易透过这些膜）。在没有显著背压的情况下，检测器中形成了微泡，此类气泡的频率可预测地随着所施加的电渗析电流而增加。图12中示出了一个实例。因此，我们选择将气体从该中心通道去除。25年前首次描述了用管状的多孔膜进行气体收集，并且此后不久通过反转工艺进行气体的去除。目前，我们在EBG之后直接使用一种可商购的二氧化碳去除装置（CRD200-4mm，戴安），其中CRD的外部夹套（再生剂）入口/出口两者共同通过一个T形物连结并且连接到清扫真空（约180托）。虽然该CRD是设计用来去除溶解的CO₂，通过施加真空，它能去除溶解的以及物理存在的气泡。

结果与讨论

磷酸盐EBG的行为。图6示出了对于以68mM Na₃PO₄作为进料的CEM抑制器体系所测量的流出物pH（实心圆，左边纵坐标）。电流对流出物pH曲线准确地反映库仑滴定的曲线图。存在恒定的流量，而不是固定的溶液体积；因此，适当的控制变量是电流而不是电荷。

我们也理论地估算了pH。简言之，使用以下顺序：(a)估算溶液的离子强度（I），(b)由戴维斯方程计算单独的离子活度系数，(c)对于每个可适用的常数，计算就浓度而言的可适用的平衡常数，(d)基于这些常数和H⁺来表达单独的离子浓度，(e)使用微软（Microsoft）Excel解算器^TM对于H⁺求解包含溶液中所有离子的相关电荷平衡方程，(f)计算所有离子浓度，(g)循环a-f直至收敛，(h)计算H⁺的活度系数，a_H+，以及基于活度的pH。理论计算的pH以灰色实线表示–与这些测量的pH值相比，它在整个碱性pH范围上稍微更高。这种差别归因于在室内空气条件下的不连续的收集和测量以及随后暴露于CO₂。另一方面，在低pH端，这些理论计算的pH值下降至低于这些实验值。虽然带负电荷的膜有效地抑制负离子的损失，但还没有面向中性分子的传输的屏障。在整个操作范围内，存在小的但可察觉的以H₃PO₄表示的PO₄ ^3-的损失。损失量由IC测量并且依据中心通道浓度在图6中（右边纵坐标）以带有误差棒的空心圆显示。注意最高损失（最低pH）计为总磷酸盐的0.7%，并不是一个显著的量。这同样发生在极端情况，此时不太可能用作缓冲剂。在抑制器中，两个外电极通道被流体性地连结在一起；不可能通过实验确定该损失主要通过哪个膜发生。然而，逻辑上必须首先通过阳极的膜，这是因为PO₄ ^3-被电引导向此膜并且所产生的H⁺使该膜保持在H⁺形式。因此，H₃PO₄必须在该膜的内表面处作为一个薄层存在。该损失的图形与此观点一致：在大的电流范围内该损失是低的并且基本上恒定的，并且然后，当在最终阶跃中H₂PO₄ ^-开始被滴定为H₃PO₄并且开始在主体溶液中以显著浓度形成H₃PO₄时，开始增大。将H₃PO₄的此损失并入我们的计算中（蓝色虚线）只在最低pH端处产生差别，并且使这些理论值更接近这些测量值但仍然保持低于这些测量值。

在低pH下需考虑的另一个因素是，Na⁺传输的法拉第效率（F_e）可能不保持同一。在基于CEM的抑制器中，电流由所有阳离子（Na⁺和H⁺两者）携带。当[H⁺]相对[Na⁺]不再是可以忽略的时，由Na⁺携带的电流的分数或F_e将由下式给出：

$F_e=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Na}+}\left[{\mathrm{Na}}^{+}\right]}{\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Na}+}\right[{\mathrm{Na}}^{+}\left]\right)+\left({\mathrm{\λ}}_{H+}\right[H^{+}\left]\right)}=\frac{1}{(1+R_C{R}_{\mathrm{\λ}})}...\left(4\right)$

其中λ_i是离子i的当量电导（与离子迁移率成比例），并且R_c和R_λ分别是H⁺与Na⁺的浓度比和迁移率比。溶液中的无限稀释R_λ值（6.98）容易地由λ_Na+和λ_H+的已知值算出。这提供了至少一个一次近似值用于该计算中；准确的F_e值还依赖于选择性系数（其控制膜吸收）以及该膜中的相对传输速度。可得证据表明，在膜自身（其可能是限制元件）中，H⁺与Na⁺的迁移率比可以比在自由溶液中大得多。在任何一种情况下，方程2的可适用形式为：

$(\mathrm{nC}-F_e\frac{60i}{\mathrm{FQ}})+\left[H^{+}\right]-\frac{K_W}{\left[H^{+}\right]}-\mathrm{pC}{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^n{\mathrm{\α}}_p=0...\left(5\right)$

使用由7的R_λ值所获得的非同一F_e，在低pH端计算的值在数值上高于只考虑H₃PO₄损失时的值。但这种差别太小，无法在图6的比例下、甚至在低pH端的放大插入视图中辨别，并且因此没有绘出。然而，如果我们保持渐增的R_λ值，则在低端pH处的一致性越来越好（注意这种校正在pH≥4时没有效果），但当使R_λ为45时（绘制成黑色实线，参见图6插图），相对最低的测量的pH，产生可察觉地过校正。我们得出结论，非同一F_e只在近定量交换端发挥重要作用；这在缓冲剂产生应用中具有有限的意义。

可重现性以及响应时间。图7示出了对于同样的磷酸盐体系在程控的电流递增以及递减的阶跃梯度下四个周期内的电导率以及pH迹线。该体系确实呈现出某些滞后现象。这些膜具有显著的离子交换能力并且它们的离子状态取决于先前历史以及当前通量。这在递增对递减曲线上相同的电流阶跃之间产生了差别。然而，在递增或递减电流阶跃下的绝对电导值是可重复的（相对标准偏差0.30%至0.43%，平均相对标准偏差0.36%），这些电导值稍微地（0.14%至0.38%）但可察觉地高于递减电流阶跃下的值。对于pH观测到类似的结果：递增阶跃下的pH值稍微（0.05-0.10单位）更高，并且每种类型的阶跃内的可重现性在0.005至0.05的pH单位内。对电流阶跃变化的响应时间由电导率检测器响应来计算（因为pH电极响应更慢），并且看来取决于膜的状态。在递增电流阶跃中，电导率降低并且对于0-40、40-80、80-120以及120-160mA阶跃的90%至10%的下降时间分别为2.54±0.27、2.07±0.09、1.60±0.07以及0.95±0.03min，而对于160-120、120-80、80-40以及40-0mA阶跃的10%至90%的上升时间分别为0.68±0.06、0.92±0.15、2.12±0.05以及3.43±0.10min。该响应在高电流下当许多膜处于更易变的H⁺形式时明显更快并且在递减电流阶跃过程中更快，这需要通过膜的更少的传输。这表明限制该响应时间的主要过程是通过膜的传输。如此，当在一段时间内产生pH梯度时，在更小的电流变化要求小的传输变化的情况下，响应时间可以更快。图14和图15中给出了详细的结果，表1和2是对于相同体系在2mA的电流阶跃

下的结果。在这种情况下，这些电导信号的对应的90%至10%下降和10%至90%上升的时间更低并且彼此更可相比。它们的范围分别为从0.61至1.41min以及从0.72±1.85min。

其他缓冲剂。图8a示出了使用相同的基于CEM的抑制器体系以50mM柠檬酸三钠作为流入溶液的结果。由于柠檬酸具有三个紧密间隔的pK_a值（3.13、4.75和6.40），因此没有观测到单独的滴定阶跃；相反，看到了pH的近线性梯度（从6.5至3）。柠檬酸是一种实质上大于H₃PO₄的分子。我们以前已经观测到，在另外的相同条件下，柠檬酸根通过AEM的传输比磷酸根更慢。由于磷酸根通过膜的损失较小并且几乎不影响所计算的pH，我们不测量柠檬酸损失并且在不作任何损失假设的情况下计算pH。可以观测到的是，所测量的pH只有在低于约3.5的pH时才开始显著地偏离计算值。

图8a中还示出了使用基于AEM的抑制器体系时基于三(羟甲基)氨基甲烷（Tris）的缓冲剂体系的行为。由于具有8.1的pKa，它在7至9的生物上重要的缓冲范围内提供了有用的缓冲。没有测量到作为游离碱的三(羟甲基)氨基甲烷的损失。初始溶液的计算的pH低于观测值，我们假定为纯盐酸盐的商用产品可能含有少量的游离碱。此后pH的计算值与观测值良好一致直到pH约为9（电流为约200mA）。理论值与观测值开始不同的点在最后的HCl被移除处：这些观测值显现出比在理论上看到的锐变平缓得多的过渡。该计算没有考虑溶解的CO₂从外室进入中心或者在收集和测量过程中的任何侵扰。

乙二铵离子的两个对应的pKa值为6.85和9.93。观测到两者的滴定阶跃，并且所计算的pH再次与观测的pH在大部分的有用缓冲范围内一致。这证实该原理同样适用于多质子的阳离子型（碱性）缓冲剂体系。

大范围线性pH梯度的电渗析产生。Leithe是第一个设计用于“单点滴定”的“线性缓冲剂”的人。该想法为，通过简单地将一种强酸或强碱的等分试样加入固定体积的此类特殊制备的缓冲剂混合物中并且测量pH变化来确定该强酸或强碱的浓度。该缓冲剂组合物将使得，pH变化将与所加入的酸或碱的量线性相关。为此目的，已经对多质子酸-碱缓冲体系及其混合物进行了理论和实验研究；并且在有限的pH范围内完成这一点的至少两种基于聚两性电解质的“多元缓冲剂”是可商购的（这些很昂贵：目前价格为>$1/mL）。在关于色谱聚焦的介绍性讨论所引用的许多论文中给出了开发具有多种低MW种类的缓冲剂组合物的努力。感兴趣的领域可以是高通量pK_a测量而不是色谱。然而，共同希望的目标是一个线性pH梯度。实际上，就扩展的pH范围或线性度而言已经论证的内容是相当有限的。在流动应用（包括色谱）中，一个另外希望的要求为，必须维持二元组分混合物的恒定流量；否则将需要包括一种稀释剂的三元或更复杂的梯度。Box等人描述了将各自由六种组分组成的两种溶液进行混合来获得线性梯度。尽管没有示出（线性）组合物变化对实际pH的数据，在pH3与11.6之间，计算的pH与测量的pH之间的线性r²值声明为0.99。

由用一种或多种缓冲种类来产生pH梯度的EBG所产生的缓冲剂体系不大可能产生由线性电流梯度驱动的线性pH梯度，除非采用先前的“线性缓冲剂”组合物。否则最终要重新进行先前努力中常见的相同的计算-组合物实验-pH测量-优化步骤。伴随着线性pH梯度的恒定的缓冲能力对于色谱来说是重要的属性但并不是真正需要的。所需要的是，当在梯度的任一点加入分析物时，足以耐受pH的变化（在规定的耐受限内）的缓冲能力。对于分析规模色谱，这并不一定意味着大的缓冲能力并且不是主要限制。

为了获得线性pH梯度，让我们挑选几种具有覆盖整个所感兴趣的范围的pK_a值的常见的缓冲试剂。磷酸、柠檬酸以及硼酸一起提供了2.10、3.13、4.75、6.40、7.20、9.24以及12.38的pKa值。这潜在地覆盖了2至12的大pH范围，9.24与12.38之间具有更大的间隔。这个缺点也许能通过增大硼酸盐浓度来部分解决。计算了当增加从含有15mM K₃PO₄、15mM柠檬酸三钾、11.25mM K₂B₄O₇以及足够的KOH的混合物中K⁺的移除来调节pH至12（后两种组分相当于约45mM KB(OH)₄，提供了15mM Na₃PO₄的最终中和阶跃的缓冲能力的三倍）时pH的变化（参见《分析化学》，2012，84，67-75以及相关的补充材料）。还用阶梯电流梯度对相同的体系进行了实验研究（t=0-120min，i=0-300mA；△t=2min，△i=5mA）。观测到从施加一个电流阶跃到看到pH响应开始的间隔为约0.45min。考虑此时滞后，在2min增量上对pH数据进行平均并且在图9a中绘制为实线。(a)忽略非同一F_e的开始并且(b)并入具有15的R_λ值（对于K⁺和H⁺，稀释溶液R_λ值为约4.76）的非同一F_e下的计算数据以虚线显示并且只在完成交换端有差别。甚至对于相对复杂的体系，该相对简单的计算提供了与测量值接近的pH值，至少对指导是有用的。知道电流对pH的行为使得可以简单地产生随时间实质上更线性的pH梯度并且还消除在运行的结束（此处pH只缓慢降低）附近浪费的时间。原始均匀电流阶跃（红色）到由电流-pH行为建议的那些的单次迭代产生了以蓝色表示的结果（图9b）。由于时间步长仍然明显太长，将时间步长减少至0.5min并且用此机会进行电流程序的另一个迭代以改善线性度，产生了图6中的结果，这些结果实际上包含了所产生的pH曲线的三条重叠的迹线，这表明了优异的可重现性（在7500个时间对pH点的三份集合中，最大方差为0.70%，平均RSD0.20±0.14%）。在《分析化学》2012，84，67-75的补充材料中讨论了用于这种迭代的算法。虽然存在还可以进一步改善的细微偏差，我们现有的硬件/软件组合不允许好于1mA的电流分辨率。这能够容易地解决。非均匀时间步长是可能的，但由于复杂性而应避免。随时间产生的梯度的线性度在11.9至3的pH范围呈现出0.9996、0.9996以及0.9997的r²值。为了将实验pH操控到任何所希望的形式（线性的、凸的、凹的），必须清楚的是，对电流曲线进行重新编程比改变溶液组成或者一种或多种组分之间的混合比在实验上要容易得多。原则上，迭代地获得任何所希望的曲线的软件是相对容易建立的。

维持相对恒定的离子强度。图9a还示出了随着pH降低而连续降低的计算的离子强度曲线，这可能并不是所希望的。只要由缓冲种类浓度提供的离子强度显著小于由中性盐提供的离子强度，就可以通过加入大量的中性盐（例如NaCl）来维持大致恒定的离子强度。除了维持近乎恒定的离子强度外，这还具有以下额外优点：(a)F_e将永不会具有非同一值并且(b)缓冲剂可以同时具有阳离子型以及阴离子型缓冲组分，例如，可以将pK_a10.61的正丁胺加入我们先前的磷酸盐-柠檬酸盐-硼酸盐混合物中以更好地填充在此区域的pK间隔。在没有大浓度的NaCl的情况下，丁基铵（BuNH₃ ⁺）离子将会作为阳离子型电荷载体而从体系中损失。但在大量过量的Na⁺存在的情况下，移动性（尤其通过膜的）小得多的BuNH₃ ⁺的损失将预期为不显著的。

因此，每升水中溶解各自为15mmol/L的K₃PO₄、柠檬酸三钾、和BuNH₂以及3.75mmol/L的K₂B₄O₇，并且向此溶液中加入0.500mol NaCl。用已知的NaCl对于0.5m溶液的平均离子活度系数（0.680）来进行计算，并且自其计算单一的离子活度系数，指明电荷和尺寸依赖性。计算结果和实验结果都显示在图11中。注意，由于自始至终F_e保持同一，任何点处的缓冲能力本质上是pH对驱动电流曲线图的倒数。在此用递减电流梯度来说明基于CEM的抑制器产生暂时渐增的pH曲线的能力，该pH曲线具有离子强度上的相对细微的伴随变化。

总之，用通常可获得的用于IC的抑制器说明了电渗析地产生pH缓冲剂的原理和实践。尽管现有的抑制器将不支持高到足以方便地将该装置定位于泵的高压侧的压力，但容忍高得多的压力的基于离子交换珠的装置早已有描述。此类装置可以容易地以阵列形式来构造。通过三元梯度体系，可以在没有缓冲剂离子浓度变化的情况下将有机溶剂梯度并入。为了在由pH变化所造成的那些以外产生额外的离子强度/盐的梯度，将需要一个另外的泵送通道来添加或多或少的盐。

同样清楚的是，抑制器可以用作流通式的库仑离子移除装置。这种特性可以容易地被开发为过程滴定器，尤其是与如早先所报道的快速三角波电流扫描联合使用。对于能够流经抑制器的样品流，基于AEM的抑制器可以用来移除阴离子，引入OH^-并且滴定酸性流，而基于CEM的抑制器可以用来移除阳离子，引入H⁺并且滴定碱。对于不相容而不能直接流经抑制器的流，流经一个CEM/AEM抑制器的盐溶液可以在电流控制的模式下分别产生滴定剂酸/碱以加入该样品流中。

即使是在纯水性体系中，也不可能通过基于抑制器的EBG独立地控制pH和离子强度两者，尤其当离子强度由缓冲种类控制时。

除了别的以外，本发明提供了新颖的缓冲剂的产生以及使用这些产生器的方法。尽管已经提供了具体实例，以上描述是说明性的而不是限制性的。先前描述的实施例的特征中的任意一个或多个能以任何方式与本发明中的任何其他实施例的一个或多个特征进行组合。此外，通过审阅本说明书，本发明的许多变化对本领域的普通技术人员来说将是清楚的。因此，本发明的范围不应根据以上描述来确定，而相反应根据所附权利要求书连同其等效物的全部范围来确定。

本发明被描述为一种装置、一种系统以及多种方法，其中每一个都通过对示例性组件、示例性安排、以及这些组件的连接的描述来举例说明。在此列举的实施例的目的在于说明，并且对于本领域的普通技术人员来说将清楚的是，在此描述的这些装置、系统以及方法的任何特征都可以与在此列举的任何其他实施例的任何单一特征或特征的组合进行组合。

在本申请书中引用的所有出版物以及专利文献出于所有目的以其全文通过引用结合在此，程度如同每篇单独的出版物或专利文献被如此单独地指出。通过在本文献中引用各种参考文件，诸位申请人不承认任何具体的参考文件为其发明的“现有技术”。

Claims (41)

1.一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法，所述方法包括：

(a)使一种大于约10mM的浓度下的、包括阳离子和阴离子的缓冲溶液在小于约30psi的压力下流经一个改性缓冲剂产生流动通道；

(b)使一种水性液体流流经一个离子接收流动通道，该离子接收流动通道通过一个第一离子交换屏障与所述改性缓冲剂流动通道分开，该第一离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括两者，并且能够阻断主体液体流动，所述膜具有大于约0.5英寸²的表面积；并且

(c)使电流横跨所述改性缓冲剂流动产生通道和所述离子接收流动通道在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子，但不是两者，被传输穿过所述第一离子交换屏障以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道流出。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述阳离子或阴离子从所述改性缓冲剂流动通道穿过所述第一离子交换屏障被传输入所述离子接收通道中。

3.如以上任何一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括：

(d)使一种水性液体流流经一个用于离子的源通道，该源通道通过一个第二离子交换膜与所述改性缓冲剂流动通道分开，所述第二离子交换膜包括与所述第一离子交换膜的可交换离子的电荷相同的，正的或负的，可交换离子。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一电极被设置在所述离子接收通道中并且所述第二电极被设置在所述源通道中。

5.如权利要求3-4中任一项所述的方法，其中所述离子是选自水合氢离子以及氢氧根离子的一个成员。

6.如以上任何一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括：

(d)将具有有待分离的分析物离子的样品注入到所述流出的改性的缓冲剂中，并且分离所述分析物；流向所述改性缓冲剂流动通道的所述缓冲溶液并不是事先由一个电解洗脱液产生器产生的。

7.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其中将选自阳离子以及阴离子的一个成员从所述改性缓冲剂通道传输入选自所述离子接收通道以及所述源通道的一个成员中。

8.如以上任何一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括：

(d)将所述改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道以一个改性缓冲剂浓度输出，其中所述电流的强度与该流出的缓冲溶液的浓度的变化是成比例的。

9.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中选自阳离子以及阴离子的一个成员从所述离子接收通道流出。

10.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：

(d)使一种水性液体流流经一个用于离子的电极通道，该电极通道通过一个双极性膜与所述改性缓冲剂流动通道分开，所述双极性膜被配置为分裂水并且产生水合氢离子和氢氧根离子，并且还被配置为阻断主体液体流动，所述电流通过所述改性缓冲剂流动产生通道在设置于所述电极腔室中的所述第一电极与设置于所述离子接收通道中的所述第二电极之间穿过。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述离子是选自水合氢离子以及氢氧根离子的一个成员。

12.一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法，所述方法包括：

(a)使一种包括阳离子和阴离子的缓冲溶液流经一个改性缓冲剂产生流动通道，其中所述改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阴离子交换膜与一个第一离子接收腔室分开，并且其中所述改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阳离子交换膜与一个第二离子接收腔室分开；并且

(b)使电流横跨所述离子接收腔室在第一与第二电极之间穿过，以使阳离子被传输穿过一个阳离子交换膜并且使阴离子被传输穿过一个阴离子交换膜，其中所述第一和第二电极分别被设置于所述第一和第二离子接收腔室内，并且与所述改性缓冲剂流动通道分开，从而产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道流出。

13.如权利要求12所述的方法，其中使所述电流穿过所述改性缓冲剂流动产生通道从所述第一离子接收腔室流到所述第二离子接收腔室。

14.如权利要求12-13中任一项所述的方法，其中将选自阳离子以及阴离子的一个成员从所述改性缓冲剂通道传输入选自所述第一离子接收腔室以及所述第二离子接收腔室的一个成员中。

15.如权利要求12-13中任一项所述的方法，其中将选自阳离子以及阴离子的一个成员从选自所述第一离子接收腔室以及所述第二离子接收腔室的一个成员传输入所述改性缓冲剂通道中。

16.如权利要求12-15中任一项所述的方法，该方法进一步包括：

(c)将所述改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道以一个改性的缓冲剂浓度输出，其中所述电流的强度与该流出的缓冲溶液的浓度的变化是成比例的。

17.如权利要求12-15中任一项所述的方法，其中选自阳离子以及阴离子的一个成员从所述离子接收腔室流出。

18.如权利要求12-17中任一项所述的方法，该方法进一步包括

(c)将具有有待分离的分析物离子的样品注入到所述流出的改性的缓冲剂中，并且分离所述分析物。

19.如权利要求18所述的方法，其中流向所述改性缓冲剂流动通道的所述缓冲溶液并不是事先由一个电解洗脱液产生器产生的。

20.一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法，所述方法包括：

(a)使一种水性液体流流经一个改性缓冲剂产生流动通道；

(b)使电流横跨所述改性缓冲剂流动产生通道以及一个第一离子接收腔室在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子，但不是两者，被传输穿过所述第一离子交换屏障以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道流出，所述第一离子接收腔室通过所述第一离子交换屏障与所述改性缓冲剂流动通道分开，该第一离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括两者，并且能够阻断主体液体流动。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述水性液体流包括一种酸或碱溶液，该酸或碱溶液包括阳离子和阴离子。

22.如权利要求20-21中任一项所述的方法，其中所述酸或碱溶液是在大于约10mM的浓度下。

23.如权利要求21-22中任一项所述的方法，其中将所述阳离子或阴离子从所述改性缓冲剂流动通道穿过所述第一离子交换屏障传输入所述离子接收腔室中。

24.如权利要求20-23中任一项所述的方法，其中一个第二离子接收腔室通过一个第二离子交换屏障与所述改性缓冲剂流动通道开分，该第二离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括两者，并且能够阻断主体液体流动，所述电流通过所述改性的缓冲剂流动产生腔室在设置于所述第一离子接收腔室中的所述第一电极与设置于所述第二离子接收腔室中的所述第二电极之间穿过。

25.如权利要求21-22、和24中任一项所述的方法，其中将选自阳离子以及阴离子的一个成员从选自所述第一离子接收腔室以及所述第二离子接收腔室的一个成员传输入所述改性缓冲剂通道中。

26.如权利要求20-25中任一项所述的方法，该方法进一步包括：

(c)将所述改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道以一个改性的缓冲剂浓度输出，其中所述电流的强度与该流出的酸或碱溶液的浓度的变化是成比例的。

27.如权利要求26所述的方法，其中选自阳离子以及阴离子的一个成员从所述离子接收腔室流出。

28.如权利要求20-27中任一项所述的方法，该方法进一步包括

(c)将具有有待分离的分析物离子的样品注入到所述流出的改性的缓冲剂中，并且分离所述分析物；流向所述改性缓冲剂流动通道的所述缓冲溶液并不是事先由一个电解洗脱液产生器产生的。

29.如权利要求20所述的方法，其中一个用于离子的电极腔室通过一个双极性膜与所述改性缓冲剂流动通道分开，所述双极性膜被配置为分裂水并且产生水合氢离子和氢氧根离子，并且还被配置为阻断主体液体流动，所述电流通过所述改性的缓冲剂流动产生通道在设置于所述电极腔室中的所述第一电极与设置于所述第一离子接收腔室中的所述第二电极之间穿过。

30.如权利要求29所述的方法，其中将选自阳离子以及阴离子的一个成员从所述改性缓冲剂产生流动通道传输入所述第一离子接收腔室中。

31.一种电渗析缓冲剂产生器，该产生器包括：

(a)一个流通式的中心的缓冲剂产生通道，该缓冲剂产生通道具有一个入口以及一个出口；

(b)一个第二腔室，该第二腔室包括一个第一电极；

(c)一个第三腔室，该第三腔室包括一个第二电极；

(d)一个第一离子交换屏障，该第一离子交换屏障被设置在所述第二腔室与所述缓冲剂产生通道之间，被配置为让阳离子或阴离子通过，但不让两者同时通过，并且配置为阻断主体液体流动；

(e)一个第二离子交换屏障，该第二离子交换屏障被设置在所述第三腔室与所述缓冲剂产生通道之间，被配置为让阳离子或阴离子通过，但不让两者同时通过，并且被配置为阻断主体液体流动；

(f)一个连接到所述第一和第二电极的第一电流源，

其中所述产生器被流体性地联接到一个色谱设备上；以及

(g)一个水性液体源，该水性液体源被流体性地连接到该流通式的中心的缓冲剂产生通道、该第二腔室、或该第三腔室中的至少一个上。

32.如权利要求31所述的产生器，其中所述第一离子交换屏障包括一个阴离子交换屏障，并且所述第二离子交换屏障包括一个阳离子交换屏障。

33.如权利要求31-32中任一项所述的产生器，其中所述产生器在一个色谱柱上游被联接到所述色谱设备上。

34.如权利要求31和32中任一项所述的产生器，其中所述产生器在一个样品注射器阀上游被联接到所述色谱设备上。

35.如权利要求31所述的产生器，其中该缓冲剂产生通道出口被流体性地联接到所述色谱设备上。

36.如权利要求31-35中任一项所述的产生器，该产生器进一步包括：

(h)一种与所述第二腔室的入口处于流体连通的水性阳离子源电解质溶液，以及

(i)一种与所述第三腔室的入口处于流体连通的水性阴离子源电解质溶液。

37.如权利要求31-36中任一项所述的产生器，该产生器进一步包括

(h)一种与所述缓冲剂产生通道入口处于流体连通的电解质溶液。

38.一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法，所述方法包括：

(a)使一种水性液体流在小于约30psi的压力下流经一个改性缓冲剂产生流动通道；并且

(b)使电流横跨所述改性缓冲剂流动产生通道以及所述离子源腔室在第一与第二电极之间穿过，以便使阳离子或阴离子，但不是两者，被传输穿过一个第一离子交换屏障以产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道流出，所述离子源腔室通过所述第一离子交换屏障与所述改性缓冲剂流动通道分开，该第一离子交换屏障包括可交换的阳离子或阴离子，但不同时包括两者，并且能够阻断主体液体流动，所述膜具有大于约0.5英寸²的表面积，所述缓冲溶液具有大于约10mM的浓度。

39.如权利要求38所述的方法，其中一个用于离子的离子接收腔室通过一个第二离子交换膜与所述改性缓冲剂流动通道分开，所述第二离子交换膜包括与所述第一离子交换膜的可交换离子的电荷相同的，正的或负的，可交换离子，所述电流通过所述改性缓冲剂流动产生腔室在设置于所述离子源腔室中的所述第一电极与设置于所述离子接收腔室中的所述第二电极之间穿过。

40.一种用于产生改性的缓冲溶液的电渗析方法，所述方法包括：

(a)使一种水性液体流流经一个改性缓冲剂产生流动通道，其中所述改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阴离子交换膜与一个第一离子源腔室分开，并且其中所述改性缓冲剂产生流动通道通过一个能够阻断主体液体流动的阳离子交换膜与一个第二离子源腔室分开；并且

(b)使电流横跨一个离子源腔室在第一与第二电极之间穿过，以使阳离子被传输穿过一个阳离子交换膜并且使阴离子被传输穿过一个阴离子交换膜，其中所述第一和第二电极分别被设置于所述第一和第二离子源腔室内，并且与所述改性缓冲剂流动通道分开，从而产生一种改性的缓冲溶液，该改性的缓冲溶液从所述改性缓冲剂产生流动通道流出。

41.一种电渗析缓冲剂产生器，该产生器包括：

(a)一个流通式的中心的缓冲剂产生通道，该缓冲剂产生通道具有一个入口以及一个出口；

(b)一个第二腔室，该第二腔室包括一个第一电极；

(c)一个第三腔室，该第三腔室包括一个第二电极出口；

(d)一个离子交换屏障，该离子交换屏障被设置在所述第一腔室与所述缓冲剂产生通道之间，能够让阳离子通过但不让阴离子通过，并且能够阻断主体液体流动；

(e)一个双极性膜，该双极性膜被设置在所述第三腔室与所述缓冲剂产生通道之间，被配置为分裂水并且产生水合氢离子和氢氧根离子，并且还被配置为阻断主体液体流动；

(f)一个连接到所述第一和第二电极的第一电流源，

其中所述产生器被流体性地联接到一个色谱设备上；以及

(g)一个水性离子源，该水性离子源被流体性地连接到该流通式的中心的缓冲剂产生通道、该第二腔室、或该第三腔室中的至少一个上。

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