離子膜微流量電滲泵的制作方法

專利名稱：離子膜微流量電滲泵的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于毛細管液相色譜、微離子色譜、微型流動注射分析系統、微全分析系統、微流分析系統，尤其是芯片實驗室、微量液流輸運等領域的離子膜電滲流驅動泵輸液裝置。
背景技術：
自上世紀七十年代提出儀器微型化思想以來，分析儀器微型化的研究工作全面展開，并取得了令人矚目的成就。現已研制出微型流動注射分析(FIA)系統、芯片毛細管電泳(CE)系統、微型氣相色譜(GC)、微型質譜(MS)和微型光譜儀等，近年來對微型液相色譜(LC)的研究也越來越受到關注。微型全分析系統(μ-TAS)的提出使分析儀器發展達到了一個理想的境界，對分析科學乃至整個科學技術的發展起著重要的推動作用和深遠影響。分析儀器微型化不僅使樣品與試劑的消耗降低到微升甚至納升級，而且使分析速度提高幾十甚至上百倍，批量樣品的處理能力大大增強，更重要的是這可使分析運轉費用下降上百倍，同時極大地減少了環境污染。
微機電加工技術(MEMS)的進步極大地促進了分析儀器微型化的發展，使其成為21世紀分析化學和分析儀器研究的重要方向。與此相關的是，這些領域都涉及到微流量輸液的問題。液體的微流量驅動與控制技術在FIA、CE、GC/LC和MS等微型化方面，特別是在微型全分析系統、臨床藥物微量輸液等領域始終是一個具有挑戰性而又難以解決的關鍵性問題。這些微型流動分離分析系統一般要求液體流量在50nL/min～50μL/min，且流量和壓強可控、流動相組成和流動方向可控，有的系統要求高壓輸液，一般要求壓強在3～10MPa。
目前，已商品化的輸液微泵都是機械泵，如活塞往復泵、注射泵、隔膜泵、蠕動泵以及行星齒輪泵等。這些機械泵都以機械力驅動，需要高精度運動部件，要求高強度、耐腐蝕的材料，制造成本相當高。即使如此，長期使用仍然很難避免動態密封部位的磨損或腐蝕引起的液體滲漏，實際上，動態密封的滲漏量一般都在0.1μL/min以上，而且是不可控的，因此，要得到流量2μL/min以下，壓強在3MPa以上的機械泵非常難，另外，活塞泵和往復泵還不可避免地存在液壓的波動。總之，這些微泵的造價昂貴，而且在小流量時可靠性明顯變差。至今還沒有能在3MPa壓強以上提供穩定準確的低于μL/min級流量的微型機械泵。
人們也研制各種無閥無活塞式微型泵，如電流體動力式、磁流體動力式、電滲式。其中電滲式微泵即電滲泵最具有實用化潛力，因為只有電滲式微泵可以泵出高壓流體，其它類型微泵的輸出壓強都非常低。
電滲泵是利用載流的電滲驅動原理，即通道內壁或者填充顆粒表面與其附近的液體介質帶有不同符號的電荷組成雙電層的情況下，固體內壁或者填充物表面電荷無法移動，而在雙電層的擴散層中液體介質中的帶異號電荷的載流在外電場作用下移動，并拖動周圍的液體一起運動，形成電滲流。
文獻報道的電滲泵主要有兩種基本形式開管電滲泵(o-EOP)和填充床電滲泵(p-EOP)。o-EOP的缺點是流速不夠穩定，輸出壓力低，一般小于100cm水柱靜壓力。p-EOP主要利用填充到毛細管通道內的顆粒狀的介電填料增加電滲流和液體的逆向流動阻力，提高輸出壓力，其顯著的特點是能夠實現高壓(輸出壓力可達50MPa)微流量(流量為nL～μL/min級)定量輸液，并由于它能連續輸液、無機械磨損和材料疲勞、無脈動以及避免了單向閥和動態密封的微滲漏等特點，引起人們極大的興趣。
然而，這種填充床電滲泵卻存在一些明顯的缺陷。
首先，需要高電壓。一般地說，這類電滲泵驅動電壓高，一般要幾kV，甚至幾十kV，需要嚴格的電絕緣措施及電隔離措施，安全性不高，不利于儀器的微型化。雖然也有一些電滲泵可以用較低的驅動電壓，但是輸出液體的壓力都比較低，有的還有另外一些缺點，如中國科技大學公開的多孔芯電滲泵(CN2286429Y)，其工作電壓為10～500V，但它的體積大，工作時需要定期停泵以排放電極所產生的氣體，不能連續長時間工作，壽命有限，另外，當電極發生電解反應產生氣體時會引起電極腔內流體pH的變化，電滲流對pH十分敏感，pH的變化必將導致泵工作不穩定；廈門大學公開的微型電滲泵(CN1410673A)，其工作電壓為3～100V，該泵為多級泵，產生的壓力不大，制作困難；中國科學院大連化學物理研究所公開的芯片式微流量電滲泵(CN1419954A)，驅動電壓為5～200V，但它只能產生最高700kPa的壓力，而且結構比較復雜，要用特殊的除氣裝置以消除電極上電解產生的氣泡。
其次，焦耳熱的產生使泵的性能受到制約。由于文獻所報道的電滲泵采用的電滲通道都是石英管或石英毛細管，很難在外部安裝散勢裝置以除出通電時產生的焦耳熱，而且電壓越高，焦耳熱越明顯，當電場強度大于1000V/cm時，產生的焦耳熱將嚴重影響到泵的輸出性能，甚至導致水汽化形成氣泡，造成電通道斷路，電滲停止。
第三，氣泡的不利影響。在電滲泵系統中，驅動電壓的正極和負極上都發生電解反應，電解氣體的產生不可避免，電解產生的氣體進入毛細管內，會引起電滲通道的電阻發生急劇變化，甚至造成斷路，使電滲過程變得不穩定甚至不能繼續下去。通常情況下，驅動電壓的負極處于流體的輸出端，負極產生的氣泡妨礙了電滲泵的正常運行。雖然文獻和專利報道都對防止氣泡的形成作了大量的探索如提高流體輸出口的壓力，增加氣體在溶液中的溶解度，使氣泡難以形成(US2003/0085024)；在電滲柱的負極端和電源的負極之間用離子膜耦合，形成的氣泡不混入泵出的流體之中(CN1410673A)；在電滲柱的流出端安置防止產生氣泡的多孔塞；配置表面憎水性的微毛細管陣列及多孔阻尼層，使氣體通過毛細管排出而液體保留在管內(CN1419954)。這些措施對氣泡的抑制都產生了一定的好處，但也使電滲泵的結構更為復雜，增加了系統的不可靠因素，實際上，還不能從根本上消除氣泡的產生。同時，驅動電壓負極置于流體輸出端，不可避免地會對后續的應用產生不必要的電干擾，有時可能嚴重影響到分析儀器的檢測準確度。
第四，影響電滲泵性能的因素多。由于電滲流的產生與流體的介電常數、粘度、成分及其濃度、pH值以及填料顆粒的zeta電位等許多因素密切相關，必須嚴格控制流體內的電解質種類和濃度以及pH值，并要嚴格防止雜質的進入，否則可能導致無電滲流產生或流體驅動方向發生改變。而且更為麻煩的是，泵送的液體不同，電滲泵的輸出性能也不同；即使是同一種液體，也可能在使用過程中，因液體的本身的物理性質或泵體材料的物理性質發生變化而導致電滲泵輸出流量發生變化，也就是說輸出流量精確度和穩定性不高。這些因素都會在電滲泵的實際使用過程中產生極大的不便，電滲泵的輸出壓力和流量的調控變得困難。
第五，制備較為困難，制作成本高，難以實現批量生產。首先必須選用內徑小于1000μm的高純石英毛細管，其次必須用專用的高壓泵及顆粒填充設備，將100nm～5μm范圍內的石英微粒緊密填充到石英毛細管中。這些材料和設備的價格都不菲。另外，如此得到的電滲泵的性能嚴重依賴于所用的毛細管、填充顆粒和所泵送的液體的性質，實際上，只能在制作完成后經實際測量得到泵的性能，每臺泵的性能差異很大，非常不利于批量生產。
第六，小型化難度大。一般說來，單根毛細管柱的電滲泵流量都很小，由于焦耳熱的存在，提高流量不能采取擴大毛細管橫截面積或者提高驅動電壓的方法。實際上，總是采用將多根相同的電滲柱并聯使用方法來加大輸出流量，這使電滲泵的制造和裝配變得更復雜，也成倍地增加了制造成本，還使系統的小型化變得更困難。
電滲泵是一種極有應用價值的微流量輸液泵，在高壓微流量輸液方面，其優越性遠遠超過機械微泵，但現有的電滲泵的這些缺陷大大地限制了它的應用，至今還沒有成熟的商品出現。

發明內容
本發明要解決所述電滲泵制造難度較大、成本較高，運行時不易散熱，輸出性能不穩定，輸出壓力與流量調控困難，氣泡的產生嚴重影響電滲泵的輸出性能、泵的輸出端存在氣泡和電場等問題，為此提供本發明的一種離子膜微流量電滲泵。
為解決上述問題，本發明采用的技術方案是設有通道I和通道II，在通道I內封裝有陽離子交換膜其兩端外露于通道I兩端，通道II內封裝有陰離子交換膜其兩端外露于通道II兩端，設有容裝正極電解液的正極池和容裝負極電解液的負極池，通道I一端置于正極池，通道II一端置于負極池，設有一具出口的泵腔，通道I另一端和通道II另一端一并與泵腔相連，通道I、通道II與泵腔相連端外露的陽離子交換膜和陰離子交換膜在泵腔內相互電接觸，正極池內插置有與驅動電源正極端連接的正極柱，負極池內插置有與所述電源負極端連接的負極柱。
為了能輸出已有電滲泵不能輸送的液體，如純有機溶劑、非極性有機溶劑、大分子有機溶劑，特別是粘稠的液體，本發明可以設置具有入口和出口的緩沖箱體，在所述泵腔的出口和該緩沖箱體的入口之間連有毛細管，在緩沖箱體內的入口和出口之間設有一隔膜，該隔膜應當是不透液體的且應有相當的柔韌性和抗張強度。通過隔膜受壓后的壓力傳遞，將出口側的液體輸送出去。
本發明所述的通道I，通道II可以是薄壁塑料管，如聚四氟乙烯管、聚乙烯管或其它塑料軟管，還可以是在芯片上或石英上或硼硅玻璃上微加工而成的通道。
芯片上的通道是指“芯片實驗室(lab on a chip)”中的物質輸運通道；芯片實驗室實質上是一種微型反應器或微型分離分析系統。
所述的陽離子交換膜可以是全氟磺酸陽離子交換膜、全氟羧酸陽離子交換膜、偏氟磺酸陽離子交換膜、偏氟羧酸陽離子交換膜、聚乙烯均相陽離子交換膜、涂布聚乙烯均相陽離子交換膜中的一種。其中優選的是全氟磺酸陽離子交換膜、偏氟磺酸陽離子交換膜，最為優選的是全氟磺酸陽離子交換膜，其中最著名的是杜邦公司的Nafion100系列膜。
所述的陰離子交換膜可以是氟碳類陰離子交換膜、聚苯乙烯類陰離子交換膜、聚甲基丙烯酸類陰離子交換膜、聚醚砜類陰離子交換膜或聚冠醚類陰離子交換膜中的一種。比較有代表性的是NF 201陰離子交換膜。
所述的陽離子交換膜和陰離子交換膜其合適的寬度可以在0.1～500mm之間。
本發明運行時，為了能有效地散去所述通道內生成的焦耳熱，可以在通道I和通道II的外壁設有散熱器件；該散熱器件可以是在通道外壁包貼有金屬散熱片，或將通道外壁置于恒溫液體中。
本發明在通道I、通道II內分別封裝有陽離子交換膜和陰離子交換膜；通道為套管的，在套管端部用膠密封但所述離子膜外露伸出于套管端部0～100mm。
通道I、通道II與泵腔相連端外露的陽離子交換膜和陰離子交換膜在泵腔內相互電接觸，可以是直接相互碰接電接觸，也可以通過電解液或者陰、陽混合離子交換樹脂實現電接觸。
與正極柱、負極柱連接的驅動電源為直流電源，其合適的電壓為3～500V。本發明在這相對低的電壓驅動下，可以產生從毫升級到納升級，甚至皮升級的電滲流量，輸出壓力為0.01-50MPa、流量精確可調、流速穩定可靠。
本發明電滲泵的原理如下如以下圖1所示，陽離子交換膜1與陰離子交換膜2的一端插入泵腔9內并密封。它們的另一端分別浸入到正極池4和負極池7內的正極電解液5和負極電解液8中，正極池4和負極池7內分別插入一根正極柱3和負極柱6。正極柱3和負極柱6分別與直流電源(圖中未畫出)的正極與負極相連。現以Nafion陽離子交換膜、NF201陰離子交換膜，正極電解液為稀硫酸溶液、負極電解液為稀氫氧化鈉溶液為例來說明本電滲泵的工作原理。
Nafion膜當它的陽離子為H+時又叫做質子交換膜(PEM)，膜的本身由憎水的本體和親水的離子簇組成。前者主要由聚四氟乙烯骨架構成，而親水離子簇直徑大約為50～60，這些離子簇之間通過直徑約為10～20的通道彼此聯通，這些親水離子簇及其通道內壁上排列著帶負電荷的磺酸基，磺酸基與本體相連，位置是固定的，親水簇內包含帶等量正電荷的陽離子以保持電中性，此外，還有溶劑化溶劑分子以及一些自由溶劑分子，因正極電解液為稀硫酸水溶液，相應地，親水簇內包含氫離子、溶劑化水分子和自由水分子。在膜的兩端施加一定的電壓后，就有一個直流電場通過膜內親水簇及其通道，磺酸基是固定在憎水的聚四氟乙烯骨架上的，作為載流子的只有氫離子，氫離子在電場作用下將定向地向負極移動，并拖著自身的溶劑化水分子一起運動，形成正極電滲流。
NF201陰離子交換膜也類似，膜本身也由憎水的本體和親水的離子簇構成。與陽離子交換不同的是，親水離子簇及其通道內壁上排列著的是帶正電荷的季胺基團，它與本體相連，位置是固定的。為保持電中性，簇內還包含了帶等量負電荷的陰離子及其溶劑化溶劑分子以及自由溶劑分子。因負極電解液為稀氫氧化鈉水溶液，故簇內只包含氫氧根離子和溶劑化水分子以及自由水分子。當在電場的作用下，作為載流子的氫氧根離子將拖著自身的溶劑化水分子定向地向正極移動，從而形成負極電滲流。
最后氫離子電遷移形成的正極電滲流與氫氧根離子電遷移形成的負極電滲流流入泵腔(9)，氫離子和氫氧根離子在泵腔(9)內發生中和反應生成水。從正極電滲過來的水、從負極電滲過來的水，以及氫離子和氫氧根離子中和生成的水都在泵腔(9)內累積，最后從泵腔出口(10)流出，因此，通過這樣的方法就可以進行液體的泵送。
Nafion陽離子交換膜內由驅動電流引起的氫離子電遷移產生的電滲流單位時間內體積流量為
v1=iF×n1V×60(μL/min)----(1)]]>式中，i-流過Nafion膜的驅動電流，mA；F-法拉第常數，96485；n1-陽離子的溶劑化數；V-溶劑的摩爾體積，mL/mol，當溶劑為水時，V＝18mL/mol。
同樣地，NF201陰離子交換膜內由驅動電流引起的氫氧根離子電遷移產生的電滲流單位時間內體積流量為v2=iF×n2V×60(μL/min)----(2)]]>式中，除了n2是陰離子膜中陰離子的溶劑化數之外，其他符號意義與上式相同。
結果，總的電滲體積流量為v=iF×(n1+n2+1)V×60(μL/min)----(3)]]>式中，溶劑化數加1是因為一個H+和一個OH-中和以后生成了一分子的水。
當陽離子交換膜和陰離子交換膜都處于平衡狀態時，氫離子和氫氧根離子的溶劑化數都為一定值，因此單位時間內總的電滲體積流量與通過的電流的關系可以簡化為v＝Ki(μL/min) (4)式中，K=n1+n2+1F×V×60,]]>當氫離子和氫氧根離子的溶劑都為水時，理論上水化數約為4，實際上可能比4略小，所以K≈0.1。
從式(4)可以看出，單位時間內電滲流量與通過的電流強度成正比，與其他參數無關，與其他電滲泵相比，影響因素少得多，這是本發明的電滲泵一個最大的優越性。調節通過電滲泵的電流就可以調節電滲流量，而且在很寬的電解質濃度范圍內與正極電解液和負極電解液的濃度、種類無關，與電滲泵的制作材料性質也無關，這給電滲泵的設計和使用帶來了極大的方便，也適于批量生產。
如果在正極電解液中加入堿金屬陽離子，如Na+，那么正極電滲流中除了含有H+外，也含有Na+，而負極電解液仍是純堿性的電解液，那么負極電滲流中所含的OH-就不能完全被正極電滲流中的H+所中和，于是泵出液就呈堿性。而且正極電解液中的Na+含量越高，正極電滲流中的Na+含量也越高，泵出液的堿性越強。同樣的，如果在負極電解液中加入鹵素陰離子，如Cl-，那么負極電滲流中除了含有OH-外，也含有Cl-，而正極電解液仍是純酸性的電解液，正極電滲流中的H+也就不會全部被負極電滲流中的OH-所中和，泵出液就呈酸性。負極電解液中的Cl-含量越高，負極電滲流中的Cl-含量也越高，泵出液的酸性越強。如果從低到高連續地調節正極電解液中的Na+含量，則泵出液的堿性持續增強，而從低到高連續地調節負極電解池中的Cl-含量，則泵出液的酸性持續增強。
如果同時在正極電解液中加入Na+，在負極電解液中加入Cl-，并控制兩者的適當比例，使正極電滲流中的H+正好與負極電滲流中的OH-完全中和，于是正極電滲流中的Na+也正好與負極電滲流中的Cl-等量地出現在泵出液中，使泵出液維持在一定的離子強度。如果從低到高連續地、按比例調節正極電解液的Na+和負極電解液中的Cl-，則可以在泵腔出口得到離子強度從低到高連續變化的泵出液。
如果在正極電解液或負極電解液中加入一些小分子極性有機溶劑，如甲醇、乙腈等，那么，H+或OH-在通過陽離子交換膜或陰離子交換膜時，除了拖動溶劑化水分子外，也將拖動部分有機溶劑分子，因此，泵出液中也會含有一定濃度的極性有機溶劑，正極電解液或負極電解液中加入的極性有機溶劑越多，泵出液中的有機溶劑含量也就越高，如果從低到高連續地調節有機溶劑與電解液的比例，這樣就可以得到有機溶劑的含量從低到高連續變化的泵出液。
所以，本發明提供的電滲泵既可以泵送純水、含鹽溶液以及水與極性有機溶劑的混合液，而且可以實現pH的梯度輸出，離子強度的梯度輸出以及水和有機溶劑比例的梯度輸出，這樣，電滲泵容易于FIA、CE和HPLC等儀器兼容配套使用。
陰離子交換膜和陽離子交換膜是離子導電的良導體，較低的驅動電壓就可以產生較大地電滲流，通常的驅動電壓在3～500V，以10～100V最常用。
市場上已有大量成熟的陽離子交換膜和陰離子交換膜商品供應，性能穩定，成本不高。
在很多情況下，常常要求泵送一些特殊的液體，或者要求輸送的物質與電滲泵完全隔離。為此，本發明又提供了一種中間緩沖裝置，其結構示意見以下圖3、圖4。中間緩沖裝置具有一密封的緩沖箱體16，有兩個接口，即入口17和出口21。中間可以用一種不透液體并具有相當的柔韌性和抗張強度的隔膜20隔開，在入口這一側充滿可以用電滲泵泵送的液體18，如純水。而在出口一側則充滿待泵送液體19，這些液體往往是不宜用電滲泵泵送的。
當在電滲泵出口10與中間緩沖裝置的入口17用毛細管22相連并充滿液體，開啟電滲泵后，由電滲泵產生的流體壓力通過液體18傳送給中間緩沖裝置的中間隔膜20，通過中間隔膜20再傳送給隔膜另一側需輸送的液體19，該液體在壓力驅動下從出口21流出。
應用上述中間緩沖裝置時，電滲泵本身僅僅產生恒定的壓力和流量，真正輸出的是儲存在緩沖裝置中出口側的具有同樣壓力及流量的工作液體。這就解決了電滲泵不能泵送所有液體的缺點。這種方法的一個最大優點是，需要泵送的液體不與電滲泵接觸，無需考慮這種液體對電滲泵的腐蝕或破壞作用，而這是機械微泵所不能解決的問題。這樣就可以用一個電滲泵來實現對多種液體的輸送，且在輸送不同的液體之間無需對電滲泵進行復雜的清潔過程，只要更換一個中間緩沖裝置即可，而一個中間緩沖裝置的制造成本遠比電滲泵要小得多。而且在輸送不同的液體時，也不必進行電滲驅動電壓或電流的調節，有利于實現自動控制。
當一個電滲泵通過可控制的多路開關與多個中間緩沖裝置連接，將能夠實現多種液體的自動輸送。由微處理器控制的這樣的組合系統非常便于實現微型反應器或分析過程的程序控制，實現自動化。
本發明由于在通道I、通道II內分別封裝有陰離子交換膜和陽離子交換膜，陰、陽離子交換膜在液流輸出的泵腔內相互電接觸，實現電場耦合，驅動電極不存在于輸出液流相，輸出液流相中發生的是中和反應而不是電化學反應，從根本上排除了產生氣泡的可能性，可使電滲流恒定輸出。由于陰、陽離子交換膜是具有良好的離子導電性，故本發明可以用較低的驅動電壓獲得較大流量電滲流輸出，所用電壓一般在3～500V，常用的是10～100V，比通常電滲泵所用電壓低二個數量級，有利于實施電隔離措施、提高安全性以及儀器微型化。本發明的電滲泵工作時其電滲流量與通過的電流成正比，故電滲流量調節方便，并且電滲流量與其它因素無相關性或很少相關性，給電滲泵的設計制作和使用帶來極大方便，并適合于批量生產。又由于本發明的電滲泵既可以泵送純水，也可以泵送含鹽溶液以及水與極性有機溶劑的混合液體，并可以實現相關參量的梯度輸出，故本發明的電滲泵容易與FIA、CE、HPLC及離子色譜等儀器兼容配套。陰、陽離子膜所處通道外壁設有散熱器件的本發明，有利于焦耳熱散除，提高泵的輸出性能。設有緩沖箱體的本發明，則能輸送所有液體，這些液體中許多是通常電滲泵不能輸送的。此外，本發明能夠通過調節陽極池和陰極池溶液的組成，可以使流出液的pH值以及其他組分得以控制。改變驅動電壓的極性，可以改變電滲流的方向。


圖1表示本發明的電滲泵原理圖；圖2是本發明一實施例的電滲泵結構示意圖；圖3是中間緩沖裝置結構示意圖；圖4是連有中間緩沖裝置的本發明結構示意圖；圖5是可作液體參量梯度輸送的本發明結構示意圖。
具體實施例方式
實施例一如圖2所示的是一種高輸出壓力低輸出流量的電滲泵。將寬度約為1mm左右的Nafion117陽離子交換膜(1)和NF 201陰離子交換膜(2)分別穿入陽離子膜套管(11)和陰離子膜套管(12)中，該套管采用化學性質穩定的聚四氟乙烯管，壁厚約0.2mm，直徑約1mm。在套管的兩端用環氧膠密封，陽離子交換膜(1)和陰離子交換膜(2)分別露出套管外10～20mm。將陽離子膜套管(11)與陰離子膜套管(12)壓扁后，插入泵腔(9)底部相對的兩條細縫，并用環氧膠密封。套管末端正好與泵腔內壁齊平，由露在外面的陽離子交換膜和陰離子交換膜伸入泵腔內，并在泵腔內直接接觸，為了保證有良好的電接觸，可以在泵腔內充入電解液，如0.1M Na2SO4溶液。將泵腔(9)連帶陽離子膜套管(11)和陰離子套管(12)一起置于一個金屬支架(14)上，上面再用一塊金屬板(13)壓緊固定，金屬支架(14)與金屬板(13)除了固定泵腔與離子膜套管外，主要還用于散熱，可以將電滲過程中產生的焦耳熱及時有效地散去，從而可以用較大的電流。在金屬支架和金屬板上還可以加裝散熱片，使散熱效果更好，如果再加上一個溫控儀，則可以將離子膜的溫度控制在一個很小的變化范圍內，使電滲流更加穩定、可靠。陽離子膜套管(11)和陰離子膜套管(12)的另一端分別插入到正極池(4)和負極池(7)中，正極池(4)和負極池(7)內分別含有正極電解液(5)和負極電解液(8)，并放置有正極柱(3)和負極柱(6)，正極柱(3)和負極柱(6)分別接到直流電源(圖中未畫出)的正極端和負極端。由于離子膜套管的端口是用膠密封的，正極電解液(5)和負極電解液(8)只與露在套管外面的陽離子交換膜(1)和陰離子交換膜(2)接觸。當開啟電源，在正極(3)和負極(6)之間施加一定電壓后，正極電解液中的陽離子在電場作用下向泵腔(9)移動并拖著溶劑化溶劑分子及自由溶劑分子一起運動形成正極電滲流。同樣地，負極電解液中的陰離子也在電場作用下向泵腔(9)移動并拖著溶劑化溶劑分子及自由溶劑分子一起形成負極電滲流。由于陽離子交換膜和陰離子交換膜都具有阻止反離子通過的能力，到達泵腔(9)的正極電滲流和負極電滲流只能在泵腔(9)內累積，如有氫離子和氫氧根離子則中和成水，充滿后從泵腔出口(10)流出，從而實現液體的泵送。由于Nafion117陽離子交換膜和NF 201陰離子交換膜的厚度只有0.2mm左右，且套管端口都用環氧膠密封，所以其反向阻力非常大，因此該電滲泵可以產生極高的輸出壓力，由于離子膜的橫截面積小，電阻較大，產生的電滲流較小。該電滲泵在10～500V驅動電壓下，可以產生0.1～10mA的電流，可以產生約0.01～1μL/min的體積流量。如果在恒電流下工作，可以得到穩定的電滲流。改進泵的設計，如將離子膜寬度取得更大，或者在一根套管內同時插入幾根離子交換膜，可以在相同的驅動電壓下得到更大的電流，即更大的體積流量，其流量與離子膜的橫截面積成正比。
實施例二陰、陽離子膜本身不能泵送純有機溶劑、非極性有機溶劑、大分子有機溶劑，特別是粘稠的液體。為了實現對所有液體的泵送，如圖4所示，將實施例一的電滲泵的出口(10)與中間緩沖裝置的入口(17)用一根毛細管(22)連接，連接處用環氧膠密封，毛細管(22)要能耐極高的壓力，如50MPa。當然也可以將中間緩沖裝置與電滲泵制作成一個整體。在泵腔(9)、毛細管(22)和緩沖箱體(16)的隔膜入口側都充滿可以用電滲泵泵送的液體(18)，如純水，在緩沖箱體(16)隔膜另一側則充滿了需要泵送的任何液體(19)。當開啟電滲泵時，泵送過來的純水產生的壓力通過隔膜傳遞給隔膜另一側的液體(19)，該液體(19)在壓力驅動下從緩沖箱體的出口(21)泵出。由于液體的不可壓縮性，從緩沖箱體出口(21)流出的液體流量和壓力與電滲泵出口(10)泵出的液體流量和壓力完全相同。
實施例三雖然本發明的單個電滲泵也可以實現某些梯度輸送，如pH梯度輸送、離子強度梯度輸送、極性小分子有機溶劑的梯度輸送等，但對于純有機溶劑、非極性有機溶劑、大分子有機溶劑則不能用本發明的電滲泵來泵送，也就無法實現梯度輸送了。用兩套實施例二所述的輸液裝置，則可以實現任何液體的二元梯度輸送。如圖6所示，將輸液裝置I的出口(21a)和輸液裝置II的出口(21b)分別用毛細管I(22a)和毛細管II(22b)與三通(23)的兩個接口相連，連接處用膠密封，三通的第三個接口與一個混合器(24)的入口相連。這樣的裝置就可以實現梯度式輸送。如輸液裝置I輸送的是純水，而輸液裝置II輸送的是純乙腈，輸液裝置I的電滲泵運行的電流為i1，輸液裝置II的電滲泵運行的電流為i2，假設兩個輸液裝置中的電滲泵都以泵送純水作為輸送動力，則根據式(4)可知，輸液裝置I輸送的純水流量為v1＝Ki1，輸液裝置II輸送的乙腈流量為v2＝Ki2，泵出的純水和乙腈通過混合器(24)充分混合后，從混合器出口(25)流出的液體中乙腈的含量為w2=v2v1+v2=i2i1+i2,]]>純水與乙腈的含量之比為w1∶w2＝i1∶i2。當連續地調節i1和i2的比例，就可以從混合器出口(25)處得到兩者含量之比連續變化的混合液體。例如將i1從5mA到0mA變化，而i2從0mA到5mA變化，同時保證i1+i2＝5mA，則可以實現在混合器出口(25)處的混合液體中乙腈含從0％到100％的連續變化，且流量保持在0.5μL/min不變。
同樣地，將多個這樣的輸液裝置通過一個多通與一個混合器組成的輸液裝置，可以實現多元梯度輸送。
權利要求
1.離子膜微流量電滲泵，其特征是設有通道I和通道1I，在通道I內封裝有陽離子交換膜(1)其兩端外露于通道I兩端，通道II內封裝有陰離子交換膜(2)其兩端外露于通道II兩端，設有容裝正極電解液(5)的正極池(4)和容裝負極電解液(8)的負極池(7)，通道I一端置于正極池(4)，通道II一端置于負極池(7)，設有一具出口(10)的泵腔(9)，通道I另一端和通道II另一端一并與泵腔(9)相連，通道I、通道II與泵腔相連端外露的陽離子交換膜和陰離子交換膜在泵腔(9)內相互電接觸，正極池內插置有與驅動電源正極端連接的正極柱(3)，負極池內插置有與所述電源負極端連接的負極柱(6)。
2.如權利要求1所述的電滲泵，其特征是設有具入口(17)和出口(21)的緩沖箱體(16)，在所述泵腔的出口(10)和緩沖箱體的入口(17)之間連有毛細管(22)，在緩沖箱體(16)內的入口和出口之間設有一隔膜(20)。
3.如權利要求1或2所述的電滲泵，其特征是所述的通道I和通道II是薄壁塑料套管或在芯片上、石英上、硼硅玻璃上微加工而成的通道。
4.如權利要求1或2所述的電滲泵，其特征是所述的陽離子交換膜為全氟磺酸陽離子交換膜、全氟羧酸陽離子交換膜、偏氟磺酸陽離子交換膜、偏氟羧酸陽離子交換膜、聚乙烯均相陽離子交換膜、涂布聚乙烯均相陽離子交換膜中的一種。
5.如權利要求1或2所述的電滲泵，其特征是所述的陰離子交換膜為氟碳類陰離子交換膜、聚苯乙烯類陰離子交換膜、聚甲基丙烯酸類陰離子交換膜、聚醚砜類陰離子交換膜或聚冠醚類陰離子交換膜的一種。
6.如權利要求1或2所述的電滲泵，其特征是所述的陽離子交換膜和陰離子交換膜的寬度為0.1～500mm。
7.如權利要求1或2所述的電滲泵，其特征是在所述通道I(11)和通道II(12)的外壁設有散熱器件。
全文摘要
驅動電壓低，電滲流輸出穩定、調節方便的離子膜微流量電滲泵，設有通道I和通道II，在通道I內封裝有陽離子交換膜(1)其兩端外露于通道I兩端，通道II內封裝有陰離子交換膜(2)其兩端外露于通道II兩端，設有容裝正極電解液(5)的正極池(4)和容裝負極電解液(8)的負極池(7)，通道I一端置于正極池(4)，通道II一端置于負極池(7)，設有一具出口(10)的泵腔(9)，通道I另一端和通道II另一端一并與泵腔(9)相連，通道I、通道II與泵腔相連端外露的陽離子交換膜和陰離子交換膜在泵腔(9)內相互電接觸，正極池內插置有與驅動電源正極端連接的正極柱(3)，負極池內插置有與所述電源負極端連接的負極柱(6)。本發明可用于微流分析、輸運領域。
文檔編號G01N35/10GK1752753SQ20041006655
公開日2006年3月29日 申請日期2004年9月22日 優先權日2004年9月22日
發明者吳秉亮, 莫一平, 劉美星, 呂培發 申請人:杭州生源醫療保健技術開發有限公司