[发明专利]一种耐高压微型芯片式液相色谱

说明书

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。

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.MiyagiandK.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，Δp/L_c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，d_p为色谱填料粒径，d_c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d_c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