专利名称：离子膜微流量电渗泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于毛细管液相色谱、微离子色谱、微型流动注射分析系统、微全分析系统、微流分析系统，尤其是芯片实验室、微量液流输运等领域的离子膜电渗流驱动泵输液装置。
背景技术：
自上世纪七十年代提出仪器微型化思想以来，分析仪器微型化的研究工作全面展开，并取得了令人瞩目的成就。现已研制出微型流动注射分析(FIA)系统、芯片毛细管电泳(CE)系统、微型气相色谱(GC)、微型质谱(MS)和微型光谱仪等，近年来对微型液相色谱(LC)的研究也越来越受到关注。微型全分析系统(μ-TAS)的提出使分析仪器发展达到了一个理想的境界，对分析科学乃至整个科学技术的发展起着重要的推动作用和深远影响。分析仪器微型化不仅使样品与试剂的消耗降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度提高几十甚至上百倍，批量样品的处理能力大大增强，更重要的是这可使分析运转费用下降上百倍，同时极大地减少了环境污染。
微机电加工技术(MEMS)的进步极大地促进了分析仪器微型化的发展，使其成为21世纪分析化学和分析仪器研究的重要方向。与此相关的是，这些领域都涉及到微流量输液的问题。液体的微流量驱动与控制技术在FIA、CE、GC/LC和MS等微型化方面，特别是在微型全分析系统、临床药物微量输液等领域始终是一个具有挑战性而又难以解决的关键性问题。这些微型流动分离分析系统一般要求液体流量在50nL/min～50μL/min，且流量和压强可控、流动相组成和流动方向可控，有的系统要求高压输液，一般要求压强在3～10MPa。
目前，已商品化的输液微泵都是机械泵，如活塞往复泵、注射泵、隔膜泵、蠕动泵以及行星齿轮泵等。这些机械泵都以机械力驱动，需要高精度运动部件，要求高强度、耐腐蚀的材料，制造成本相当高。即使如此，长期使用仍然很难避免动态密封部位的磨损或腐蚀引起的液体渗漏，实际上，动态密封的渗漏量一般都在0.1μL/min以上，而且是不可控的，因此，要得到流量2μL/min以下，压强在3MPa以上的机械泵非常难，另外，活塞泵和往复泵还不可避免地存在液压的波动。总之，这些微泵的造价昂贵，而且在小流量时可靠性明显变差。至今还没有能在3MPa压强以上提供稳定准确的低于μL/min级流量的微型机械泵。
人们也研制各种无阀无活塞式微型泵，如电流体动力式、磁流体动力式、电渗式。其中电渗式微泵即电渗泵最具有实用化潜力，因为只有电渗式微泵可以泵出高压流体，其它类型微泵的输出压强都非常低。
电渗泵是利用载流的电渗驱动原理，即通道内壁或者填充颗粒表面与其附近的液体介质带有不同符号的电荷组成双电层的情况下，固体内壁或者填充物表面电荷无法移动，而在双电层的扩散层中液体介质中的带异号电荷的载流在外电场作用下移动，并拖动周围的液体一起运动，形成电渗流。
文献报道的电渗泵主要有两种基本形式开管电渗泵(o-EOP)和填充床电渗泵(p-EOP)。o-EOP的缺点是流速不够稳定，输出压力低，一般小于100cm水柱静压力。p-EOP主要利用填充到毛细管通道内的颗粒状的介电填料增加电渗流和液体的逆向流动阻力，提高输出压力，其显著的特点是能够实现高压(输出压力可达50MPa)微流量(流量为nL～μL/min级)定量输液，并由于它能连续输液、无机械磨损和材料疲劳、无脉动以及避免了单向阀和动态密封的微渗漏等特点，引起人们极大的兴趣。
然而，这种填充床电渗泵却存在一些明显的缺陷。
首先，需要高电压。一般地说，这类电渗泵驱动电压高，一般要几kV，甚至几十kV，需要严格的电绝缘措施及电隔离措施，安全性不高，不利于仪器的微型化。虽然也有一些电渗泵可以用较低的驱动电压，但是输出液体的压力都比较低，有的还有另外一些缺点，如中国科技大学公开的多孔芯电渗泵(CN2286429Y)，其工作电压为10～500V，但它的体积大，工作时需要定期停泵以排放电极所产生的气体，不能连续长时间工作，寿命有限，另外，当电极发生电解反应产生气体时会引起电极腔内流体pH的变化，电渗流对pH十分敏感，pH的变化必将导致泵工作不稳定；厦门大学公开的微型电渗泵(CN1410673A)，其工作电压为3～100V，该泵为多级泵，产生的压力不大，制作困难；中国科学院大连化学物理研究所公开的芯片式微流量电渗泵(CN1419954A)，驱动电压为5～200V，但它只能产生最高700kPa的压力，而且结构比较复杂，要用特殊的除气装置以消除电极上电解产生的气泡。
其次，焦耳热的产生使泵的性能受到制约。由于文献所报道的电渗泵采用的电渗通道都是石英管或石英毛细管，很难在外部安装散势装置以除出通电时产生的焦耳热，而且电压越高，焦耳热越明显，当电场强度大于1000V/cm时，产生的焦耳热将严重影响到泵的输出性能，甚至导致水汽化形成气泡，造成电通道断路，电渗停止。
第三，气泡的不利影响。在电渗泵系统中，驱动电压的正极和负极上都发生电解反应，电解气体的产生不可避免，电解产生的气体进入毛细管内，会引起电渗通道的电阻发生急剧变化，甚至造成断路，使电渗过程变得不稳定甚至不能继续下去。通常情况下，驱动电压的负极处于流体的输出端，负极产生的气泡妨碍了电渗泵的正常运行。虽然文献和专利报道都对防止气泡的形成作了大量的探索如提高流体输出口的压力，增加气体在溶液中的溶解度，使气泡难以形成(US2003/0085024)；在电渗柱的负极端和电源的负极之间用离子膜耦合，形成的气泡不混入泵出的流体之中(CN1410673A)；在电渗柱的流出端安置防止产生气泡的多孔塞；配置表面憎水性的微毛细管阵列及多孔阻尼层，使气体通过毛细管排出而液体保留在管内(CN1419954)。这些措施对气泡的抑制都产生了一定的好处，但也使电渗泵的结构更为复杂，增加了系统的不可靠因素，实际上，还不能从根本上消除气泡的产生。同时，驱动电压负极置于流体输出端，不可避免地会对后续的应用产生不必要的电干扰，有时可能严重影响到分析仪器的检测准确度。
第四，影响电渗泵性能的因素多。由于电渗流的产生与流体的介电常数、粘度、成分及其浓度、pH值以及填料颗粒的zeta电位等许多因素密切相关，必须严格控制流体内的电解质种类和浓度以及pH值，并要严格防止杂质的进入，否则可能导致无电渗流产生或流体驱动方向发生改变。而且更为麻烦的是，泵送的液体不同，电渗泵的输出性能也不同；即使是同一种液体，也可能在使用过程中，因液体的本身的物理性质或泵体材料的物理性质发生变化而导致电渗泵输出流量发生变化，也就是说输出流量精确度和稳定性不高。这些因素都会在电渗泵的实际使用过程中产生极大的不便，电渗泵的输出压力和流量的调控变得困难。
第五，制备较为困难，制作成本高，难以实现批量生产。首先必须选用内径小于1000μm的高纯石英毛细管，其次必须用专用的高压泵及颗粒填充设备，将100nm～5μm范围内的石英微粒紧密填充到石英毛细管中。这些材料和设备的价格都不菲。另外，如此得到的电渗泵的性能严重依赖于所用的毛细管、填充颗粒和所泵送的液体的性质，实际上，只能在制作完成后经实际测量得到泵的性能，每台泵的性能差异很大，非常不利于批量生产。
第六，小型化难度大。一般说来，单根毛细管柱的电渗泵流量都很小，由于焦耳热的存在，提高流量不能采取扩大毛细管横截面积或者提高驱动电压的方法。实际上，总是采用将多根相同的电渗柱并联使用方法来加大输出流量，这使电渗泵的制造和装配变得更复杂，也成倍地增加了制造成本，还使系统的小型化变得更困难。
电渗泵是一种极有应用价值的微流量输液泵，在高压微流量输液方面，其优越性远远超过机械微泵，但现有的电渗泵的这些缺陷大大地限制了它的应用，至今还没有成熟的商品出现。

发明内容
本发明要解决所述电渗泵制造难度较大、成本较高，运行时不易散热，输出性能不稳定，输出压力与流量调控困难，气泡的产生严重影响电渗泵的输出性能、泵的输出端存在气泡和电场等问题，为此提供本发明的一种离子膜微流量电渗泵。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是设有通道I和通道II，在通道I内封装有阳离子交换膜其两端外露于通道I两端，通道II内封装有阴离子交换膜其两端外露于通道II两端，设有容装正极电解液的正极池和容装负极电解液的负极池，通道I一端置于正极池，通道II一端置于负极池，设有一具出口的泵腔，通道I另一端和通道II另一端一并与泵腔相连，通道I、通道II与泵腔相连端外露的阳离子交换膜和阴离子交换膜在泵腔内相互电接触，正极池内插置有与驱动电源正极端连接的正极柱，负极池内插置有与所述电源负极端连接的负极柱。
为了能输出已有电渗泵不能输送的液体，如纯有机溶剂、非极性有机溶剂、大分子有机溶剂，特别是粘稠的液体，本发明可以设置具有入口和出口的缓冲箱体，在所述泵腔的出口和该缓冲箱体的入口之间连有毛细管，在缓冲箱体内的入口和出口之间设有一隔膜，该隔膜应当是不透液体的且应有相当的柔韧性和抗张强度。通过隔膜受压后的压力传递，将出口侧的液体输送出去。
本发明所述的通道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软管，还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“芯片实验室(lab on a chip)”中的物质输运通道；芯片实验室实质上是一种微型反应器或微型分离分析系统。
所述的阳离子交换膜可以是全氟磺酸阳离子交换膜、全氟羧酸阳离子交换膜、偏氟磺酸阳离子交换膜、偏氟羧酸阳离子交换膜、聚乙烯均相阳离子交换膜、涂布聚乙烯均相阳离子交换膜中的一种。其中优选的是全氟磺酸阳离子交换膜、偏氟磺酸阳离子交换膜，最为优选的是全氟磺酸阳离子交换膜，其中最著名的是杜邦公司的Nafion100系列膜。
所述的阴离子交换膜可以是氟碳类阴离子交换膜、聚苯乙烯类阴离子交换膜、聚甲基丙烯酸类阴离子交换膜、聚醚砜类阴离子交换膜或聚冠醚类阴离子交换膜中的一种。比较有代表性的是NF 201阴离子交换膜。
所述的阳离子交换膜和阴离子交换膜其合适的宽度可以在0.1～500mm之间。
本发明运行时，为了能有效地散去所述通道内生成的焦耳热，可以在通道I和通道II的外壁设有散热器件；该散热器件可以是在通道外壁包贴有金属散热片，或将通道外壁置于恒温液体中。
本发明在通道I、通道II内分别封装有阳离子交换膜和阴离子交换膜；通道为套管的，在套管端部用胶密封但所述离子膜外露伸出于套管端部0～100mm。
通道I、通道II与泵腔相连端外露的阳离子交换膜和阴离子交换膜在泵腔内相互电接触，可以是直接相互碰接电接触，也可以通过电解液或者阴、阳混合离子交换树脂实现电接触。
与正极柱、负极柱连接的驱动电源为直流电源，其合适的电压为3～500V。本发明在这相对低的电压驱动下，可以产生从毫升级到纳升级，甚至皮升级的电渗流量，输出压力为0.01-50MPa、流量精确可调、流速稳定可靠。
本发明电渗泵的原理如下如以下图1所示，阳离子交换膜1与阴离子交换膜2的一端插入泵腔9内并密封。它们的另一端分别浸入到正极池4和负极池7内的正极电解液5和负极电解液8中，正极池4和负极池7内分别插入一根正极柱3和负极柱6。正极柱3和负极柱6分别与直流电源(图中未画出)的正极与负极相连。现以Nafion阳离子交换膜、NF201阴离子交换膜，正极电解液为稀硫酸溶液、负极电解液为稀氢氧化钠溶液为例来说明本电渗泵的工作原理。
Nafion膜当它的阳离子为H+时又叫做质子交换膜(PEM)，膜的本身由憎水的本体和亲水的离子簇组成。前者主要由聚四氟乙烯骨架构成，而亲水离子簇直径大约为50～60，这些离子簇之间通过直径约为10～20的通道彼此联通，这些亲水离子簇及其通道内壁上排列着带负电荷的磺酸基，磺酸基与本体相连，位置是固定的，亲水簇内包含带等量正电荷的阳离子以保持电中性，此外，还有溶剂化溶剂分子以及一些自由溶剂分子，因正极电解液为稀硫酸水溶液，相应地，亲水簇内包含氢离子、溶剂化水分子和自由水分子。在膜的两端施加一定的电压后，就有一个直流电场通过膜内亲水簇及其通道，磺酸基是固定在憎水的聚四氟乙烯骨架上的，作为载流子的只有氢离子，氢离子在电场作用下将定向地向负极移动，并拖着自身的溶剂化水分子一起运动，形成正极电渗流。
NF201阴离子交换膜也类似，膜本身也由憎水的本体和亲水的离子簇构成。与阳离子交换不同的是，亲水离子簇及其通道内壁上排列着的是带正电荷的季胺基团，它与本体相连，位置是固定的。为保持电中性，簇内还包含了带等量负电荷的阴离子及其溶剂化溶剂分子以及自由溶剂分子。因负极电解液为稀氢氧化钠水溶液，故簇内只包含氢氧根离子和溶剂化水分子以及自由水分子。当在电场的作用下，作为载流子的氢氧根离子将拖着自身的溶剂化水分子定向地向正极移动，从而形成负极电渗流。
最后氢离子电迁移形成的正极电渗流与氢氧根离子电迁移形成的负极电渗流流入泵腔(9)，氢离子和氢氧根离子在泵腔(9)内发生中和反应生成水。从正极电渗过来的水、从负极电渗过来的水，以及氢离子和氢氧根离子中和生成的水都在泵腔(9)内累积，最后从泵腔出口(10)流出，因此，通过这样的方法就可以进行液体的泵送。
Nafion阳离子交换膜内由驱动电流引起的氢离子电迁移产生的电渗流单位时间内体积流量为
v1=iF×n1V×60(μL/min)----(1)]]>式中，i-流过Nafion膜的驱动电流，mA；F-法拉第常数，96485；n1-阳离子的溶剂化数；V-溶剂的摩尔体积，mL/mol，当溶剂为水时，V＝18mL/mol。
同样地，NF201阴离子交换膜内由驱动电流引起的氢氧根离子电迁移产生的电渗流单位时间内体积流量为v2=iF×n2V×60(μL/min)----(2)]]>式中，除了n2是阴离子膜中阴离子的溶剂化数之外，其他符号意义与上式相同。
结果，总的电渗体积流量为v=iF×(n1+n2+1)V×60(μL/min)----(3)]]>式中，溶剂化数加1是因为一个H+和一个OH-中和以后生成了一分子的水。
当阳离子交换膜和阴离子交换膜都处于平衡状态时，氢离子和氢氧根离子的溶剂化数都为一定值，因此单位时间内总的电渗体积流量与通过的电流的关系可以简化为v＝Ki(μL/min) (4)式中，K=n1+n2+1F×V×60,]]>当氢离子和氢氧根离子的溶剂都为水时，理论上水化数约为4，实际上可能比4略小，所以K≈0.1。
从式(4)可以看出，单位时间内电渗流量与通过的电流强度成正比，与其他参数无关，与其他电渗泵相比，影响因素少得多，这是本发明的电渗泵一个最大的优越性。调节通过电渗泵的电流就可以调节电渗流量，而且在很宽的电解质浓度范围内与正极电解液和负极电解液的浓度、种类无关，与电渗泵的制作材料性质也无关，这给电渗泵的设计和使用带来了极大的方便，也适于批量生产。
如果在正极电解液中加入碱金属阳离子，如Na+，那么正极电渗流中除了含有H+外，也含有Na+，而负极电解液仍是纯碱性的电解液，那么负极电渗流中所含的OH-就不能完全被正极电渗流中的H+所中和，于是泵出液就呈碱性。而且正极电解液中的Na+含量越高，正极电渗流中的Na+含量也越高，泵出液的碱性越强。同样的，如果在负极电解液中加入卤素阴离子，如Cl-，那么负极电渗流中除了含有OH-外，也含有Cl-，而正极电解液仍是纯酸性的电解液，正极电渗流中的H+也就不会全部被负极电渗流中的OH-所中和，泵出液就呈酸性。负极电解液中的Cl-含量越高，负极电渗流中的Cl-含量也越高，泵出液的酸性越强。如果从低到高连续地调节正极电解液中的Na+含量，则泵出液的碱性持续增强，而从低到高连续地调节负极电解池中的Cl-含量，则泵出液的酸性持续增强。
如果同时在正极电解液中加入Na+，在负极电解液中加入Cl-，并控制两者的适当比例，使正极电渗流中的H+正好与负极电渗流中的OH-完全中和，于是正极电渗流中的Na+也正好与负极电渗流中的Cl-等量地出现在泵出液中，使泵出液维持在一定的离子强度。如果从低到高连续地、按比例调节正极电解液的Na+和负极电解液中的Cl-，则可以在泵腔出口得到离子强度从低到高连续变化的泵出液。
如果在正极电解液或负极电解液中加入一些小分子极性有机溶剂，如甲醇、乙腈等，那么，H+或OH-在通过阳离子交换膜或阴离子交换膜时，除了拖动溶剂化水分子外，也将拖动部分有机溶剂分子，因此，泵出液中也会含有一定浓度的极性有机溶剂，正极电解液或负极电解液中加入的极性有机溶剂越多，泵出液中的有机溶剂含量也就越高，如果从低到高连续地调节有机溶剂与电解液的比例，这样就可以得到有机溶剂的含量从低到高连续变化的泵出液。
所以，本发明提供的电渗泵既可以泵送纯水、含盐溶液以及水与极性有机溶剂的混合液，而且可以实现pH的梯度输出，离子强度的梯度输出以及水和有机溶剂比例的梯度输出，这样，电渗泵容易于FIA、CE和HPLC等仪器兼容配套使用。
阴离子交换膜和阳离子交换膜是离子导电的良导体，较低的驱动电压就可以产生较大地电渗流，通常的驱动电压在3～500V，以10～100V最常用。
市场上已有大量成熟的阳离子交换膜和阴离子交换膜商品供应，性能稳定，成本不高。
在很多情况下，常常要求泵送一些特殊的液体，或者要求输送的物质与电渗泵完全隔离。为此，本发明又提供了一种中间缓冲装置，其结构示意见以下图3、图4。中间缓冲装置具有一密封的缓冲箱体16，有两个接口，即入口17和出口21。中间可以用一种不透液体并具有相当的柔韧性和抗张强度的隔膜20隔开，在入口这一侧充满可以用电渗泵泵送的液体18，如纯水。而在出口一侧则充满待泵送液体19，这些液体往往是不宜用电渗泵泵送的。
当在电渗泵出口10与中间缓冲装置的入口17用毛细管22相连并充满液体，开启电渗泵后，由电渗泵产生的流体压力通过液体18传送给中间缓冲装置的中间隔膜20，通过中间隔膜20再传送给隔膜另一侧需输送的液体19，该液体在压力驱动下从出口21流出。
应用上述中间缓冲装置时，电渗泵本身仅仅产生恒定的压力和流量，真正输出的是储存在缓冲装置中出口侧的具有同样压力及流量的工作液体。这就解决了电渗泵不能泵送所有液体的缺点。这种方法的一个最大优点是，需要泵送的液体不与电渗泵接触，无需考虑这种液体对电渗泵的腐蚀或破坏作用，而这是机械微泵所不能解决的问题。这样就可以用一个电渗泵来实现对多种液体的输送，且在输送不同的液体之间无需对电渗泵进行复杂的清洁过程，只要更换一个中间缓冲装置即可，而一个中间缓冲装置的制造成本远比电渗泵要小得多。而且在输送不同的液体时，也不必进行电渗驱动电压或电流的调节，有利于实现自动控制。
当一个电渗泵通过可控制的多路开关与多个中间缓冲装置连接，将能够实现多种液体的自动输送。由微处理器控制的这样的组合系统非常便于实现微型反应器或分析过程的程序控制，实现自动化。
本发明由于在通道I、通道II内分别封装有阴离子交换膜和阳离子交换膜，阴、阳离子交换膜在液流输出的泵腔内相互电接触，实现电场耦合，驱动电极不存在于输出液流相，输出液流相中发生的是中和反应而不是电化学反应，从根本上排除了产生气泡的可能性，可使电渗流恒定输出。由于阴、阳离子交换膜是具有良好的离子导电性，故本发明可以用较低的驱动电压获得较大流量电渗流输出，所用电压一般在3～500V，常用的是10～100V，比通常电渗泵所用电压低二个数量级，有利于实施电隔离措施、提高安全性以及仪器微型化。本发明的电渗泵工作时其电渗流量与通过的电流成正比，故电渗流量调节方便，并且电渗流量与其它因素无相关性或很少相关性，给电渗泵的设计制作和使用带来极大方便，并适合于批量生产。又由于本发明的电渗泵既可以泵送纯水，也可以泵送含盐溶液以及水与极性有机溶剂的混合液体，并可以实现相关参量的梯度输出，故本发明的电渗泵容易与FIA、CE、HPLC及离子色谱等仪器兼容配套。阴、阳离子膜所处通道外壁设有散热器件的本发明，有利于焦耳热散除，提高泵的输出性能。设有缓冲箱体的本发明，则能输送所有液体，这些液体中许多是通常电渗泵不能输送的。此外，本发明能够通过调节阳极池和阴极池溶液的组成，可以使流出液的pH值以及其他组分得以控制。改变驱动电压的极性，可以改变电渗流的方向。


图1表示本发明的电渗泵原理图；图2是本发明一实施例的电渗泵结构示意图；图3是中间缓冲装置结构示意图；图4是连有中间缓冲装置的本发明结构示意图；图5是可作液体参量梯度输送的本发明结构示意图。
具体实施例方式
实施例一如图2所示的是一种高输出压力低输出流量的电渗泵。将宽度约为1mm左右的Nafion117阳离子交换膜(1)和NF 201阴离子交换膜(2)分别穿入阳离子膜套管(11)和阴离子膜套管(12)中，该套管采用化学性质稳定的聚四氟乙烯管，壁厚约0.2mm，直径约1mm。在套管的两端用环氧胶密封，阳离子交换膜(1)和阴离子交换膜(2)分别露出套管外10～20mm。将阳离子膜套管(11)与阴离子膜套管(12)压扁后，插入泵腔(9)底部相对的两条细缝，并用环氧胶密封。套管末端正好与泵腔内壁齐平，由露在外面的阳离子交换膜和阴离子交换膜伸入泵腔内，并在泵腔内直接接触，为了保证有良好的电接触，可以在泵腔内充入电解液，如0.1M Na2SO4溶液。将泵腔(9)连带阳离子膜套管(11)和阴离子套管(12)一起置于一个金属支架(14)上，上面再用一块金属板(13)压紧固定，金属支架(14)与金属板(13)除了固定泵腔与离子膜套管外，主要还用于散热，可以将电渗过程中产生的焦耳热及时有效地散去，从而可以用较大的电流。在金属支架和金属板上还可以加装散热片，使散热效果更好，如果再加上一个温控仪，则可以将离子膜的温度控制在一个很小的变化范围内，使电渗流更加稳定、可靠。阳离子膜套管(11)和阴离子膜套管(12)的另一端分别插入到正极池(4)和负极池(7)中，正极池(4)和负极池(7)内分别含有正极电解液(5)和负极电解液(8)，并放置有正极柱(3)和负极柱(6)，正极柱(3)和负极柱(6)分别接到直流电源(图中未画出)的正极端和负极端。由于离子膜套管的端口是用胶密封的，正极电解液(5)和负极电解液(8)只与露在套管外面的阳离子交换膜(1)和阴离子交换膜(2)接触。当开启电源，在正极(3)和负极(6)之间施加一定电压后，正极电解液中的阳离子在电场作用下向泵腔(9)移动并拖着溶剂化溶剂分子及自由溶剂分子一起运动形成正极电渗流。同样地，负极电解液中的阴离子也在电场作用下向泵腔(9)移动并拖着溶剂化溶剂分子及自由溶剂分子一起形成负极电渗流。由于阳离子交换膜和阴离子交换膜都具有阻止反离子通过的能力，到达泵腔(9)的正极电渗流和负极电渗流只能在泵腔(9)内累积，如有氢离子和氢氧根离子则中和成水，充满后从泵腔出口(10)流出，从而实现液体的泵送。由于Nafion117阳离子交换膜和NF 201阴离子交换膜的厚度只有0.2mm左右，且套管端口都用环氧胶密封，所以其反向阻力非常大，因此该电渗泵可以产生极高的输出压力，由于离子膜的横截面积小，电阻较大，产生的电渗流较小。该电渗泵在10～500V驱动电压下，可以产生0.1～10mA的电流，可以产生约0.01～1μL/min的体积流量。如果在恒电流下工作，可以得到稳定的电渗流。改进泵的设计，如将离子膜宽度取得更大，或者在一根套管内同时插入几根离子交换膜，可以在相同的驱动电压下得到更大的电流，即更大的体积流量，其流量与离子膜的横截面积成正比。
实施例二阴、阳离子膜本身不能泵送纯有机溶剂、非极性有机溶剂、大分子有机溶剂，特别是粘稠的液体。为了实现对所有液体的泵送，如图4所示，将实施例一的电渗泵的出口(10)与中间缓冲装置的入口(17)用一根毛细管(22)连接，连接处用环氧胶密封，毛细管(22)要能耐极高的压力，如50MPa。当然也可以将中间缓冲装置与电渗泵制作成一个整体。在泵腔(9)、毛细管(22)和缓冲箱体(16)的隔膜入口侧都充满可以用电渗泵泵送的液体(18)，如纯水，在缓冲箱体(16)隔膜另一侧则充满了需要泵送的任何液体(19)。当开启电渗泵时，泵送过来的纯水产生的压力通过隔膜传递给隔膜另一侧的液体(19)，该液体(19)在压力驱动下从缓冲箱体的出口(21)泵出。由于液体的不可压缩性，从缓冲箱体出口(21)流出的液体流量和压力与电渗泵出口(10)泵出的液体流量和压力完全相同。
实施例三虽然本发明的单个电渗泵也可以实现某些梯度输送，如pH梯度输送、离子强度梯度输送、极性小分子有机溶剂的梯度输送等，但对于纯有机溶剂、非极性有机溶剂、大分子有机溶剂则不能用本发明的电渗泵来泵送，也就无法实现梯度输送了。用两套实施例二所述的输液装置，则可以实现任何液体的二元梯度输送。如图6所示，将输液装置I的出口(21a)和输液装置II的出口(21b)分别用毛细管I(22a)和毛细管II(22b)与三通(23)的两个接口相连，连接处用胶密封，三通的第三个接口与一个混合器(24)的入口相连。这样的装置就可以实现梯度式输送。如输液装置I输送的是纯水，而输液装置II输送的是纯乙腈，输液装置I的电渗泵运行的电流为i1，输液装置II的电渗泵运行的电流为i2，假设两个输液装置中的电渗泵都以泵送纯水作为输送动力，则根据式(4)可知，输液装置I输送的纯水流量为v1＝Ki1，输液装置II输送的乙腈流量为v2＝Ki2，泵出的纯水和乙腈通过混合器(24)充分混合后，从混合器出口(25)流出的液体中乙腈的含量为w2=v2v1+v2=i2i1+i2,]]>纯水与乙腈的含量之比为w1∶w2＝i1∶i2。当连续地调节i1和i2的比例，就可以从混合器出口(25)处得到两者含量之比连续变化的混合液体。例如将i1从5mA到0mA变化，而i2从0mA到5mA变化，同时保证i1+i2＝5mA，则可以实现在混合器出口(25)处的混合液体中乙腈含从0％到100％的连续变化，且流量保持在0.5μL/min不变。
同样地，将多个这样的输液装置通过一个多通与一个混合器组成的输液装置，可以实现多元梯度输送。
权利要求
1.离子膜微流量电渗泵，其特征是设有通道I和通道1I，在通道I内封装有阳离子交换膜(1)其两端外露于通道I两端，通道II内封装有阴离子交换膜(2)其两端外露于通道II两端，设有容装正极电解液(5)的正极池(4)和容装负极电解液(8)的负极池(7)，通道I一端置于正极池(4)，通道II一端置于负极池(7)，设有一具出口(10)的泵腔(9)，通道I另一端和通道II另一端一并与泵腔(9)相连，通道I、通道II与泵腔相连端外露的阳离子交换膜和阴离子交换膜在泵腔(9)内相互电接触，正极池内插置有与驱动电源正极端连接的正极柱(3)，负极池内插置有与所述电源负极端连接的负极柱(6)。
2.如权利要求1所述的电渗泵，其特征是设有具入口(17)和出口(21)的缓冲箱体(16)，在所述泵腔的出口(10)和缓冲箱体的入口(17)之间连有毛细管(22)，在缓冲箱体(16)内的入口和出口之间设有一隔膜(20)。
3.如权利要求1或2所述的电渗泵，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.如权利要求1或2所述的电渗泵，其特征是所述的阳离子交换膜为全氟磺酸阳离子交换膜、全氟羧酸阳离子交换膜、偏氟磺酸阳离子交换膜、偏氟羧酸阳离子交换膜、聚乙烯均相阳离子交换膜、涂布聚乙烯均相阳离子交换膜中的一种。
5.如权利要求1或2所述的电渗泵，其特征是所述的阴离子交换膜为氟碳类阴离子交换膜、聚苯乙烯类阴离子交换膜、聚甲基丙烯酸类阴离子交换膜、聚醚砜类阴离子交换膜或聚冠醚类阴离子交换膜的一种。
6.如权利要求1或2所述的电渗泵，其特征是所述的阳离子交换膜和阴离子交换膜的宽度为0.1～500mm。
7.如权利要求1或2所述的电渗泵，其特征是在所述通道I(11)和通道II(12)的外壁设有散热器件。
全文摘要
驱动电压低，电渗流输出稳定、调节方便的离子膜微流量电渗泵，设有通道I和通道II，在通道I内封装有阳离子交换膜(1)其两端外露于通道I两端，通道II内封装有阴离子交换膜(2)其两端外露于通道II两端，设有容装正极电解液(5)的正极池(4)和容装负极电解液(8)的负极池(7)，通道I一端置于正极池(4)，通道II一端置于负极池(7)，设有一具出口(10)的泵腔(9)，通道I另一端和通道II另一端一并与泵腔(9)相连，通道I、通道II与泵腔相连端外露的阳离子交换膜和阴离子交换膜在泵腔(9)内相互电接触，正极池内插置有与驱动电源正极端连接的正极柱(3)，负极池内插置有与所述电源负极端连接的负极柱(6)。本发明可用于微流分析、输运领域。
文档编号G01N35/10GK1752753SQ20041006655
公开日2006年3月29日 申请日期2004年9月22日 优先权日2004年9月22日
发明者吴秉亮, 莫一平, 刘美星, 吕培发 申请人:杭州生源医疗保健技术开发有限公司