CN108333266A - 一种耐高压微型芯片式液相色谱 - Google Patents

一种耐高压微型芯片式液相色谱 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高压微型芯片式液相色谱，具体地说是一种在微流体芯片上集成进样器、色谱柱和检测器的耐高压微型液相色谱芯片，属于色谱分析领域。本发明利用微机电系统方法在微芯片上加工特殊设计的三层微流体通道网络来实现前述三项功能。具体而言，所述的集成式微型液相色谱芯片从下到上依次包括平面六通进样器层100、筛板层200和色谱柱层300。本发明在微芯片上将进样器、色谱分离柱、检测器等功能组件高度集成，采用集成微阀控制流路通/断，采用一种平面六通进样器实现精确进样，采用填充微通道进行色谱分离，采用集成检测器进行检测。功能组件高度集成的方式减小了柱外效应引起的谱带展宽并提高检测灵敏度；所有功能组件采用微加工方法一次成型，保证芯片耐受能力；液相色谱芯片体积小、重量轻，可便携至现场完成实时检测。

Description

一种耐高压微型芯片式液相色谱
技术领域
本发明涉及一种液相色谱分析装置，具体地说是一种在微流体芯片上集成进样器、色谱柱和检测器的耐高压微型液相色谱芯片，属于色谱分析领域。
背景技术
液相色谱(liquid chromatography，LC)是一种实验室最常用的分离分析标准仪器。其原理基于在输液泵作用下，待分析混合样品被流动相推动并流经填充有固定相填料的色谱柱，在色谱柱内因样品各组分与固定相的相互作用力不同而被彼此分离，随后流经检测器完成对各组分的检测，从而得到原混合样品组分及含量等信息。
然而，传统的液相色谱仪一般体积庞大、价格昂贵、试剂消耗量大，并且需要专职技术人员操作，因此一般采用“现场采样-送样-实验室分析”模式，分析周期较长、信息严重滞后。1990年，A.Manz等人(A.Manz,Y.Miyahara,J.Miura,Y.Watanabe,H.Miyagi andK.Sato,Sensor.Actuat.B-Chem.1990,1,249–255)报道了一种集成在5cm×5cm大小硅芯片上的芯片式液相色谱。并指出芯片式液相色谱具有体积小、成本低、试剂消耗量小以及高度集成化等诸多优点，从而可将芯片式色谱便携至现场实时检测，大大缩短分析检测耗时。
色谱柱是色谱仪的核心。当前在芯片上实现的色谱柱有四种类型：开管柱、填充柱、化学整体柱及微加工微柱阵列整体柱。其中，填充柱与传统色谱柱完全兼容，且具有柱容量大、多种商业填料可选等优点。然而，由下式可以得出：
其中，△p/Lc为单位长度色谱柱上的压力降，φ为无量纲阻力因子常数，η为流动相动力粘度，dp为色谱填料粒径，dc为色谱柱内径。在保持色谱柱填充致密度相同的前提下，降低色谱柱内径dc时，柱压降将急剧升高，这将给芯片式的选材及加工工艺带来巨大的挑战。
专利CN100406886公开了一种微型化的液相色谱分离方法，其实质在于用色谱填料填充毛细管或微通道制成填充柱。专利CN1900712公开了一种带有柔性接口的液相色谱芯片，其实质在于一种包含填充色谱柱以及配合操作流体用通孔的主体芯片。然而，这几种芯片都仅仅包含色谱柱，还需要通过外部阀门控制流体通断，并使用外部检测器进行组分检测。一方面，较芯片式色谱柱的微小体积而言，外部阀门及检测器的死体积太大，由此会产生较大的峰形扩展；另一方面，无可避免的连接毛细管长度也会引起峰形扩展。两者综合会严重损害芯片式色谱柱分离后的峰形，降低系统检测性能，甚至无法检出有效信号。
专利US8323488公开了一种基于聚合物Parylene的芯片式色谱，在2cm×2cm大小芯片上集成有双T形进样器、填充色谱柱和电导检测电极。然而该芯片加工过程极为复杂，工艺成本较高；而且，受材料和工艺限制，芯片工作压力十分有限，色谱柱填充不够致密，从而降低分离性能；此外，该芯片虽然集成有双T型进样通道，但是仍旧需要外部阀门来控制流体通断。理想状态下，将色谱分离柱、进样器、检测器以及控制微阀等功能组件在单芯片上有效集成，可以有效减小死体积和连接通道长度，减小不必要的峰形扩展，提高仪器检测性能。
发明内容
本发明的目的是：为解决现有芯片式液相色谱技术中并无可耐高压的多功能组件有效集成的不足，本发明提出一种可耐高压的液相色谱芯片，在微芯片上集成平面六通进样器、色谱分离柱和检测器等三部分功能组件。
如图1所示，本发明利用微机电系统方法在微芯片上加工特殊设计的三层微流体通道网络来实现前述三项功能。具体而言，所述的集成式微型液相色谱芯片从下到上依次包括平面六通进样器层100、筛板层200和色谱柱层300；
所述平面六通进样器层100主要包括六个沿圆周环状排布的微阀，将所述六个微阀依次命名为ABCDEF，相邻两个微阀AB、BC、CD、DE、EF、FA之间均有微通道连通；AB、BC、DE和EF之间的微通道分别有独立微通道与流体接口a、b、c、d连通；且又有另一定量微通道101连通CD之间与FA之间的微通道；进样体积由微通道101的体积精确地限定；在筛板层200和色谱柱层300对应微阀ABCDEF的位置分别开通孔用于放置相应的微阀操纵机构，在对应接口abcd的位置分别开通孔用于连接外部流体管路；所述平面六通进样器层100还有另外两个流体接口e和f，两者之间有检测器微通道111，所述检测器微通道111上连通有两微通道121a和121b，用于安放检测电极；所述流体接口f也通过贯穿筛板层200和色谱柱层300的通孔与外部流体管路连接；所述色谱柱层300与筛板层200相邻的一面上有色谱柱微通道301；所述色谱柱微通道301内填充有商业色谱填料302，并在色谱柱微通道301两端各设置有一块筛板(211a和211b)以截留并固定填料于色谱柱微通道301；所述色谱柱微通道301的一端与平面六通进样器层100上的流体接口d位置对应，且两者之间通过贯穿筛板层200的通孔201a连通；色谱柱微通道301的另一端通过另一贯穿筛板层200的通孔201b与位于平面六通进样器层100上的流体接口e连通。
工作时分“上样”和“进样”两个状态。(i)上样。微阀ACE关闭，微阀BDF打开；样品在输液泵驱动下经流体接口a流入芯片，并依次流过微阀D、定量微通道101、微阀F，最后经流体接口b流出芯片；与此同时，流动相在输液泵驱动下经流体接口c流入芯片，并依次流过微阀B，最后经流体接口d流出进样器；此时色谱柱内仅有流动相流过，无分离过程；此时检测器输出信号为背景信号。(ii)进样。微阀ACE关闭，微阀BDF打开；样品在输液泵驱动下经流体接口a流入芯片，并依次流过微阀E，最后经流体接口b流出芯片；与此同时，流动相在输液泵驱动下经流体接口c流入芯片，并依次流过微阀A、微通道101、微阀C，最后经流体接口d流出进样器；前一状态中保留在定量微通道101内的样品溶液在流动相推动下进入色谱分离柱301内进行分离；此时检测器输出信号为分离后的各组分信息。
根据本发明，所述微芯片结构可以为两层、三层或更多层，以形成前述三部分功能的流体通道网络；
根据本发明，所述微芯片材料可以是却不仅限于硅片、玻璃或耐有机溶剂的聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃共聚物(COC)等。
根据本发明，流动相可以采用包括机械泵、电渗泵或恒压泵等驱动方式引入芯片，流速范围1纳升/分钟至1毫升/分钟。
根据本发明，微阀开/闭可以单独地切换也可以将多个组成一组同时切换，微阀致动可以是气动、液压、机械或电磁等方式。
根据本发明，通过集成的平面六通进样器完成样品精确进样，进样体积范围1纳升至1毫升，且进样体积与压力、流速、时间等因素无关。
根据本发明，色谱柱微通道可以由匀浆法填充或原位聚合法制备。
根据本发明，检测方法可以采用集成电极进行电化学检测，也可以采用原位紫外-可见吸光光度法、激光诱导荧光法，或者通过电喷雾-质谱法进行检测。
本发明的有益效果：在微芯片上将进样器、色谱分离柱、检测器等功能组件高度集成，采用集成微阀控制流路通/断，采用一种平面六通进样器实现精确进样，采用填充微通道进行色谱分离，采用集成检测器进行检测。功能组件高度集成的方式减小了柱外效应引起的谱带展宽并提高检测灵敏度；所有功能组件采用微加工方法一次成型，保证芯片耐受能力；液相色谱芯片体积小、重量轻，可便携至现场完成实时检测。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明中的集成式微型液相色谱芯片最佳实施例的结构示意图
图2是图1中平面六通进样器流路的放大示意图
图3是本发明中的集成集成式微型液相色谱芯片又一种实施例的结构示意图图中：100-平面六通进样器层，200-筛板层，300-色谱柱层；101-定量微通道，111-检测器微通道，121a、121b-检测电极微通道，201a、201b-通孔，211a、211b-筛板，301-色谱柱微通道，302-色谱填料，303-整体柱，ABCDEF-微阀，abcdef-流体接口
最佳实施例
参阅图1-2，最佳实施例中的微型液相色谱芯片(以下简称“色谱芯片”)，其特征在于：所述色谱芯片材料是PMMA；芯片结构包含三个叠层(100、200、300)，每一个叠层尺寸为70mm×30mm×3mm。如非特殊说明，微通道截面尺寸为500μm×500μm。具体而言：
1)所述平面六通进样器通道网络分布于100层；六个微阀沿直径20mm的圆周环状排布，依次命名为ABCDEF，相邻两个微阀AB、BC、CD、DE、EF、FA之间均有微通道连通；AB、BC、DE和EF之间的微通道分别有独立微通道与流体接口a、b、c、d连通；且又有另一微通道101连通CD之间与FA之间的微通道；5μL的进样体积由定量微通道101的体积精确地限定；在200层和300层对应微阀ABCDEF的位置开直径Φ2mm的通孔用于放置微阀操纵机构，在200层和300层对应接口abc的位置开直径Φ1mm通孔用于连接外部流体管路；
2)所述色谱柱通道网络分布于200层和300层；通过位于200层的直径Φ1mm通孔201a将色谱柱微通道301与进样器的流体接口d连通；色谱柱微通道301内填充有直径Φ3-7μm商业色谱填料302，并在色谱柱微通道301两端各设置有一块直径Φ2mm的柱塞(211a和211b)以截留并固定填料于色谱柱微通道301内；具体步骤为：将粒径Φ5μm的商业色谱填料超声分散于20％丙酮溶液中制成浓度约5-40％的匀浆液。上述匀浆液转移至内径0.5毫米的1/16英寸PEEK毛细管内，毛细管一端与色谱芯片上微通道301连接，另一端连接高压液相色谱泵，在合适的压力和流速条件下，例如10兆帕和0.2毫升/分钟，将匀浆液压入填充微通道301。
3)所述检测器通道网络分布于100层；通过位于200层的直径Φ1mm通孔201b将检测器微通道111流体接口e与色谱分离柱微通道301连通；另有两横截面尺寸为1mm×1mm的微通道121a和121b分布于检测器微通道111两侧，用于安放检测电极；在200层和300层对应检测器微通道流体接口f的位置开直径Φ1mm通孔用于连接外部流体管路；
工作时分“上样”和“进样”两个状态。(i)上样。微阀ACE关闭，微阀BDF打开；样品在输液泵驱动下经流体接口a流入芯片，并依次流过微阀D、定量微通道101、微阀F，最后经流体接口b流出芯片；与此同时，流动相在输液泵驱动下经流体接口c流入芯片，并依次流过微阀B，最后经流体接口d流出进样器，此时色谱柱301内无分离；一对检测电极(121a和121b)实时测量微通道111内的电导值变化，此时检测器输出信号为背景信号。(ii)进样。微阀ACE关闭，微阀BDF打开；样品在输液泵驱动下经流体接口a流入芯片，并依次流过微阀E，最后经流体接口b流出芯片；与此同时，流动相在输液泵驱动下经流体接口c流入芯片，并依次流过微阀A、微通道101、微阀C，最后经流体接口d流出进样器；前一状态中保留在定量微通道101内的样品溶液在流动相推动下进入色谱分离柱301内进行分离；分离后的各组分先后流经检测微通道111，此时检测器输出信号为分离后的各组分相关信息。
实施例二
参阅图3，实施例二中的微型液相色谱芯片，其特征在于：所述色谱芯片材料是玻璃；芯片结构包含两个叠层(100和200)，每个叠层尺寸为50mm×25mm×6mm；如非特殊说明，微通道截面尺寸为100μm×100μm。具体而言：所有流体微通道网络均分布于100层；六个微阀沿直径10mm的圆周环状排布，进样体积2.5μL；在200层对应微阀ABCDEF的位置开直径Φ1.6mm的通孔用于连接高压气源操纵微阀，在200层对应流体接口abcf的位置开直径Φ1mm通孔用于连接外部流体管路；
色谱柱微通道301与平面六通进样器流体接口d直接连通。色谱分离柱由原位聚合法制备，具体步骤为：将单体、交联剂、致孔剂和引发剂混合溶解形成预聚物，具体地表示为40％正丙醇、20％1，4-丁二醇、22.5％甲基丙烯酸甲酯(MMA)、16.2％乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、0.5％丙磺酸(AMPS)、0.3％γ-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(TMSPMA)、0.5％偶氮二异丁腈(AIBN)，以上所有百分比均为质量比；将预聚物通入微通道301中，经365nm紫外光照射300秒制得整体柱303。
检测器微通道111与色谱柱微通道301直接连通；采用原位激光诱导荧光法检测。

Claims (7)

1.一种耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，从下到上依次包括平面六通进样器层100、筛板层200和色谱柱层300；
所述平面六通进样器层100主要包括六个沿圆周环状排布的微阀，将所述六个微阀依次命名为ABCDEF，相邻两个微阀AB、BC、CD、DE、EF、FA之间均有微通道连通；AB、BC、DE和EF之间的微通道分别有独立微通道与流体接口a、b、c、d连通；且又有另一定量微通道101连通CD之间与FA之间的微通道；进样体积由微通道101的体积精确地限定；在筛板层200和色谱柱层300对应微阀ABCDEF的位置分别开通孔用于放置相应的微阀操纵机构，在对应接口abcd的位置分别开通孔用于连接外部流体管路；所述平面六通进样器层100还有另外两个流体接口e和f，两者之间有检测器微通道111，所述检测器微通道111上连通有两微通道121a和121b，用于安放检测电极；所述流体接口f也通过贯穿筛板层200和色谱柱层300的通孔与外部流体管路连接；所述色谱柱层300与筛板层200相邻的一面上有色谱柱微通道301；所述色谱柱微通道301内填充有商业色谱填料302，并在色谱柱微通道301两端各设置有一块筛板(211a和211b)以截留并固定填料于色谱柱微通道301；所述色谱柱微通道301的一端与平面六通进样器层100上的流体接口d位置对应，且两者之间通过贯穿筛板层200的通孔201a连通；色谱柱微通道301的另一端通过另一贯穿筛板层200的通孔201b与位于平面六通进样器层100上的流体接口e连通。
2.一种如权利要求1所述的耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，所述微芯片结构可以为两层、三层或更多层，以形成所述流体通道网络。
3.一种如权利要求1所述的耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，所述微芯片材料为硅片、玻璃或者耐有机溶剂的聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃共聚物(COC)。
4.一种如权利要求1所述的耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，所述六个微阀采用包括机械泵、电渗泵或恒压泵的驱动方式引入芯片，流速范围1纳升/分钟至1毫升/分钟。
5.一种如权利要求1所述的耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，所述微阀开/闭可以单独地切换也可以将多个组成一组同时切换，微阀致动是气动、液压、机械或电磁方式。
6.一种如权利要求1所述的耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，所述色谱柱微通道301由匀浆法填充或原位聚合法制备。
7.一种如权利要求1所述的耐高压微型芯片式液相色谱，其特征在于，所述检测电极为采用集成电极进行电化学检测，或者为采用原位紫外-可见吸光光度法、激光诱导荧光法、或电喷雾-质谱法进行检测。
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