（分析化学专业论文）电动分析系统的色谱分离研究.pdf

中困科学技术大学博卜学位论文中文摘要 中文摘要 论文基于电渗泵驱动、整体柱分离、紫外检测和流动分析的原理，建立了一 套可用于反相色谱分离的电动流动分析系统。论文探索和研究了电动流动分析系 统的驱动理论和实验技术，初步开展了该系统的色谱分离应用研究。 研制了一种多孔玻璃砂芯中压强电渗泵。研究了电渗泵的泵流量和最大输出 压强的理呛表达公式，并进行了实验验i f 。以六亚甲基四胺作泵载流添加剂，研 究了添加剂的浓度对电渗泵流量和电渗泵效率的影响。以0 5m m o l l 的六亚甲 基四胺作泵载流，系统地研究了外加电场强度、多孔玻璃砂芯的长度、直径和烧 结温度、载流溶液中有机溶剂的种类和浓度等因素对电渗泵流量和最大输出压强 的影响，研制了一种能产生止m i n 至m l m i n 泵流量和1 1m p a 输出压强的中压 强电渗泵，可用作电动流动全分析系统的输液泵。 在硅胶整体柱床溶胶凝胶合成法的基础上，对其合成过程与条件进行改进 和优化，成功合成出具有毫米直径的整体柱，可作为色谱技术的分离柱床。合成 实验中，系统地研究了初始反应物中正硅酸甲酯的体积、乙酸的体积和浓度、尿 素的用量、p e g 的分子量和用量、以及反应温度等因素对合成产物的多孔率、电 渗流、微观形貌和比表面积的影响，获得硅胶整体柱的合成条件，使合成产物具 有较大的孔隙率、较大的比表面积和电渗流，以保证最小的柱反压和最佳的分离 效果。对合成产物的陈化与干燥过程进行了改进，减少了硅胶整体柱在干燥和老 化过程中出现的柱体开裂和变形弯曲的现象，提高了合成整体柱的质量。 以辛基二甲基氯硅烷为硅烷化试剂，通过硅胶整体柱表面的化学键合反应， 制备了c 8 反相硅胶整体柱。研究了载流溶液中有机相的体积分数对流动相流量、 样品分离度的影响，同时研究了工作电压对流动相流速的影响。将该系统用于苯 酚、苯和萘的分离，证明该系统用于色谱分离的可行性。 n 中国科学技术大学博士学位论文中文摘要 论文建立了一种基于增r k 电渗泵驱动、整体柱分离、紫外榆测，以及采用计 算机控制和数据处理的电动流动分析系统。电渗驱动与硅胶整体柱分离的结合使 该系统具有功能多样、结构简单和操作方便等优点。 关键词：电动流动分析、电渗泵、电渗流、输出压强、六亚甲基四胺、反相色谱 分离 i i 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b a s e do nt h e p r i n c i p l e o fe l e c t r o o s m o t i cp u m pd e l i v e r y ，c h r o m a t o g r a p h i c s e p a r a t i o n ，u vd e t e c t i o na n df l o wa n a l y s i s ，a l le l e c t r o k i n e t i cf l o wa n a l y s i ss y s t e m w a sp r e s e n t e df o rr e v e r s e d p h a s ec h r o m a t o g r a p h ys e p a r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e e l e c t r o k i n e t i cd e l i v e r yt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e so f t h ef l o wa n a l y s i ss y s t e m w e r ei n v e s t i g a t e da n ds t u d i e d ，a n dt h ef l o wa n a l y s i ss y s t e mw a sa p p l i e dt ot h e c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n sp r e l i m i n a r i l y ap o r o u sg l a s sc o r ee l e c t r o o s m o s i sp u m pw i t hm o d e r a t ep r e s s u r ew a ss t u d i e da n d f a b r i c a t e d t h e o r ye x p r e s s i o n so ft h ef l o wr a t ea n dm a x i m u mo u t p u tp r e s s u r eo ft h e e l e c t r o o s m o t i cp u m pw e r ed e d u c e d ，a n dv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h e x a m e t h y l e n et e t r a a m i n ew a su s e da sa na d d i t i v eo ft h ep u m pc a r r i e rt oo b t a i na s t a b l ef l o wr a t ea n dh i g hd e l i v e r ye f f i c i e n c y t h ei n f l u e n c e so fh e x a m e t h y l e n e t e t r a a m i n ec o n c e n t r a t i o no nt h ef l o wr a t ea n dd e l i v e r ye f f i c i e n c yo ft h ep u m pw e r e s t u d i e d w h e no 0 5m m o l lh e x a m e t h y l e n et e t r a a m i n ew a su s e da st h ep u m pc a r r i e r , t h ee f f e c to fs o m ev a r i a b l e sr e l a t i n gt ot h ee l e c t r i cf i e l d ，p u m ps t r u c t u r ea n dc a r r i e r c o m p o n e n to nt h ep u m pf l o wr a t ea n dm a x i m u mo u t p u tp r e s s u r ew a si n v e s t i g a t e di n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，t h eg l a s sp o r o u sc o r el e n g t h ，d i a m e t e ra n d s i n t e r i n 菩t e m p e r a t u r e ，t h eo r g a n i cs o l v e n ta n dc o n c e n t r a t i o ni nt h ec a r r i e rs o l u t i o ne r e a m o d e r a t e p r e s s u r ee l e c t r o o s m o s i sp u m p w i t hi t sf l o wr a t ef r o ml a l m i nt om l m i n a n do u t p u tp r e s s u r eo f1 1m p aw a sf a b r i c a t e d ，w h i c hc a nb eu s e da st h ed e l i v e r y p u m p f o rt h ee l e c t r o k i n e t i cf l o wa n a l y s i ss y s t e m b a s e do nt h es o l - g e lp o l y c o n d e n s a t i o nm e t h o d ，s i l i c am o n o l i t h i cc o l u m n so fm m d i a m e t e r , w h i c hc a nb eu s e da sas e p a r a t i o nc o l u m nb e d ，w e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘耍 b yi m p r o v i n gt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s e sa n do p t i m i z i n gr e a c t i v ec o n d i t i o n s t h ee f f e c t o ft h e p o l y m e r i z a t i o n c o n d i t i o n so nt h e p o r o s i t y ，e l e c t r o o s m o t i c f l o w , m i c r o m o r p h o l o g ya n ds u r f a c ea r e ao ft h es i l i c am o n o l i t h i cc o l u m nw e r es t u d i e di n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h ea m o u n to f t e t r a m e t h o x y ls i l a n e ，t h ev o l u m ea n dc o n c e n t r a t i o no f a c e t i ca c i d ，t h ea m o u n to fu r e a ，t h ea m o u n ta n dm o l e c u l a rw e i g h to fp o l y e t h y l e n e g l y c 0 1 a n dt h et e m p e r a t u r eo fs o l - g e lr e a c t i o ne t c s i l i c am o n o l i t h i cc o l u m n s 晰t l l h i g hp o r o s i t y , l a r g es u r f a c ea r e aa n ds t r o n ge l e c t r o o s m o t i cf l o ww e r ef a b r i c a t e dt o e n s u r et h em o n o l i t h i cc o l u m n 、v i t l lal o wb a c k p r e s s a r ea n dh i 啦s e p a r a t i o np r o p e r t i e s t h ea g i n ga n dd r y i n gp r o c e s s e so ft h es i l i c am o n o l i t h i cc o l u n mw e r ei m p r o v e dt o e l i m i n a t et h ec r a c k i n ga n dd i s t o r t i o n ，a n dt h u sa m e l i o r a t e t h eq u a l i t yo ft h e s y n t h e s i z e dm o n o l i t h i cc o l u m n s t h es u r f a c eo ft h es i l i c am o n o l i t h i cc o l u m nw a sc h e m i c a l l ym o d i f i e dw i t i c h l o r o d i m e t h ) ，l o c t y l s i l a n et op r e p a r ec 8s t a t i o n a r yp h a s e t h ei n f l u e n c e o f t h eo r g a n i c s o l v e n tc o n c e n t r a t i o ni nt h ep u m pc a r t i e rs o l u t i o no nt h ef l o wr a t eo fm o b i l ep h a s e a n dr e s o l u t i o no fa n a l y t e sw e r es t u d i e d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to fw o r k i n gv o l t a g eo n t h ef l o wr a t eo ft h em o b i l ep h a s ew a sa l s oi n v e s t i g a t e d p h e n o l ，b e n z e n ea n d n a p h t h a n l e n ec o u l db es e p a r a t e do nb a s e l i n ew i t ht h eo p t i m i z e ds e p a r a t i o nc o n d i t i o n s b y t h ee l e c t r o k i n e t i cf l o w a n a l y s i ss y s t e m ，i tp r o v e d t h e f e a s i b i l i t y o ft h e r e v e r s e d - p h a s ec h r o m a t o g r a p h ys e p a r a t i o nb yt h ee l e c t r o k i n e t i cf l o wa n a l y s i ss y s t e m b yu s i n g t h e p r e s s u r i z i n g e l e c t r o o s m o t i cp u m pd e l i v e r y , c h r o m a t o g r a p h i c s e p a r a t i o nw i t hac s s i l i c am o n o l i t h i cc o l u m n ，u vd e t e c t i o na n dc o m p u t e rc o n t r o l l i n g a n dd a t ap r o c e s s i n g ，a i le l e c t r o k i n e t i cf l o wt o t a la n a l y s i ss y s t e mc o u l db ed e v e l o p e d t h ea n a l y s i ss y s t e mp o s s e s s e si t sa d v a n t a g e so fm u l t i f u n c t i o n ，s i m p l es t r u c t u r ea n d c o n v e n i e n to p e r a t i o ne t c v 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：e l e c t r o k i n e t i cf l o wa n a l y s i s ，e l e c t r o o s m o t i cp u m p ，e l e c t r o o s m o t i ef l o w , p u m po u t p u tp r e s s u r e ，h e x a m e t h y l e n et e t r a a m i n e ，r e v e r s e d - p h a s e c h r o m a t o g r a p h ys e p a r a t i o n v 中国科学技术大学博士学位论文缩写 c e ： c e c ： e c ： e k f a ： e o f ： e o p ： f e s e m ： f l a ： h m l a ： h p l c ： l c ： l o v m s m c ： p e e k ： p e g ： r p h p l c r s d ： s i a ： s m c ： t m o s ： t a s ： 叶t a s ： 缩写 c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ( 毛细管电泳) c a p i l l a r ye l e c t r o c h r o m a t o g r a p h y ( 毛细管电色谱) e l e c t r o c h r o m a t o g r a p h y ( 电色谱) e l e c t r o k i n e t i cf l o wa n a l y s i s ( 电动流动分析) e l e e t r o o s m o t i ef l o w ( 电渗流) e l e c t r o o s m o t i cp u m p ( 电渗泵) f i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm l c r o g r a p h ( 场发射电镜照片) f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ( 流动注射分析) h e x a m e t h y l e n e t e t r a a m i n e ( 六亚甲基四胺) h i g i lp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( 高教液相色谱) l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( 液相色谱) a b o n v a l v e ( 阀上实验室分析) m o d i f i e ds i l i c am o n o l i t h i cc o l u m n ( 键台相硅胶整体柱) p o l y e t h e r e t h e rk e t o n e ( 聚醚醚酮) p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( 聚乙二醇) r e v e r s e dp h a s eh i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( 高效液相色潜) m l m i v es t a n d a r dd e v i a t i o n ( 相对标准偏差) s e q u e n t i a li n j e c t i o na n a l y s i s ( 顺序注射分析) s i l i c am o n o l i t h i cc o l u m n ( 硅胶整体柱) t e t r a m e t h y lo r t h o s i l i c a t e ( 正硅酸甲酯) t o t a la n a l y s i ss y s t e m ( 全分析系统) m i c r o - t o t a la n a l y s i ss y s t e m ( 微全分析系统) 中国科学技术大学博士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 近年来，利用电动分析技术进行输运、反应、分离、制备和检测的手段，已 经发展成为分析化学的重要研究领域，在分析化学、环境化学、生物化学和生物 医学等学科中，受到了广泛的重视，并得到了更多的应用。 我们建立的电动流动分析系统，就是依靠电动作用来完成色谱分离功能的新 型流动分析系统。该系统是基于电渗驱动理论、整体柱的反相色谱分离和流动分 析的原理与实验技术，是电动驱动、整体柱分离与流动分析技术的结合。该系统 与微芯片分析系统类似，是一种现代的综合分析化学系统。 本章将重点介绍流动注射分析技术的研究、电渗泵输液系统的制备与性能研 究、微芯片系统和电动流动分析系统的研究和应用，以及硅胶整体柱的合成。 1 1 流动注射分析技术 流动注射分析技术( f l o wi n 3 e c t i o na n a l y s i s ，f 1 a ) 是由丹麦学者r u z i c k a 和 h a n s e n 于1 9 7 5 年首次命名的 1 】，它引发了化学实验室中基本操作技术的一次根 本变革，开拓出了分析化学的一个新领域。r u z i c k a 和h a n s e n 曾在其专著中预测 f i a 将作为：连续分析的工具、微型化和集成化的工具、提高检测器性能的工具、 连接化学与仪器的链索、读取多维分析信息的手段、连续监测与过程控制的工具 和脉冲响应技术 2 。这些功能在近1 0 年的发展实践中均得到了验证。 1 1 1 流动注射分析的特点 f i a 的主要特点可概括如下： ( 1 ) 广泛的适应性：f i a 可与多种检测手段连用，即可完成简单的进样操 作，也可实现一些较复杂的溶液操作自动化。它还是一种比较理想的进行自动监 中国科学技术夫学博士学位论文第一章文献综述 测与过程分析的手段。 ( 2 ) 高效率：一般分析速度可达1 0 0 3 0 0 样d 时。 ( 3 ) 低消耗和高精度：和传统操作对比，它是一种微量分析技术，一般测 定精度可达0 5 一l r s d 。 ( 4 ) 设各简单、低廉。简单的f i a 设备体积相当小，和其它仪器相比，价 格相当低廉。 1 _ 1 2 流动注射分析技术的发展 自1 9 7 5 年引入流动注射分析技术以来，其在自动分析和分析技术联用中已具 有不可替代的重要作用。到目前为止，该领域已经出版了许多有关专著，发表了 人量的研究论文。从如此大量的文献中可以清楚地看出流动注射分析技术发展的 脉络，及其发展过程中经历了第一代流动注射，第二代顺序注射和第三代顺序注 射_ 阀上实验室” 3 ，4 】。 ( 1 ) 经典流动注射( f l o wi n j e c t i o n ，f 1 ) 广泛应用于水质分析，如水中铵离子、磷酸盐、硝酸根、亚硝酸根等分析测 试，以及固体样品中的分析和医药分析等。 ( 2 ) 顺序注射分析( s e q u e n t i a l 删e c t i o na n a l y s i s ，s i a ) 自从j 9 9 0 年r u z i c k a 和m a r s h a l l 5 提出顺序注射分析技术以来，s i a 已经 成为目i 发展最活跃的领域。现在已广泛应用于食品、饮料和生物分析，以及环 境、制药和工业过程分析。s i a 是另一种形式的非连续流f i a ，通过控制试剂流 和样品流的流动方向，在非连续流的形式下实现了重现性的操作和分析。它由注 射泵和多通道选向阀组成，采用单道流路，为s i a 的推广普及创造了条件，而 且容易实现分析流路的集成化和微型化，真正实现了单道流路分析。s i a 与f i a 相比，试样和试剂的用量更少，适于试剂较贵和样品来源受到限制的分析场合 并减少了试剂的排放污染。另外，s i a 系统可用单标准或多标准自动校正，易于 中国科学技术大学博士学位论文第一章文献综述 实现自动分析。 ( 3 ) 阀上实验室分析( l a b o i l v a l v e ，l o v ) 2 0 0 0 年，r u z i c k a 6 ，7 】报道了第一个l o v 系统，它是由系列微管道组成的珀 思配克斯有机玻璃( p e r s p e x ) 集成块，并将陔集成块安装在一个六位自动选择 阀上而因此得名。集成块的设计原则是阀上应可容纳一类特定分析步骤所要求的 操作单元，集成块上包含中心控制管道、不同用途的工作管道以及微型流通池等。 中心控制管道分别与六个出口位相联通，并通过该中心位与作为液流驱动的高精 密注射泵相连而构成流动分析系统。 顺序注射一阀上实验室( s i l o v ) 系统已被应用于进行一系列介观流控和微 珠载液的流控、阀内生物化学反应、免疫反应的实时检测，以及作为联用技术的 样品前处理接口等，包括阀内免疫分析，阀内微珠注射( b e a d i n j e c t i o n ，b i ) 微 珠载液的流控及微珠表面生物化学反应的实时分子光谱检测，阀内可更新表面微 型填充柱固相萃取富集技术与原子吸收光谱( e t a a s ) 或电感耦合等离子体质 谱( i c p m s ) 的联用等。 1 1 3 流动注射分析基本原理 基本的f i a 系统十分简单，它由以下部分组成： ( 1 ) 载流驱动系统。当前最常用的是蠕动泵，载流为用来载带试样的流动 液体，最简单的是蒸馏水，也可以是与试样反应的试剂。 ( 2 ) 注样器或注样阀。用于向流动的溶液中注入一定体积的试样。 ( 3 ) 反应器。由细管道构成的盘管活编织管。 ( 4 ) 流通式检测器。用于检测在反应器中形成的供检测的反应物。 ( 5 ) 信号读出装置。记录仪或计算机数据采集。 当注样阀中一定体积的试样注入一定流速连续流动的载流中，在流经反应器 时与载流在一定程度上相混合，与载流试剂反应的产物在流经流通式检测器时得 中国科学技术大学博十学位论文第一章文献综述 到检测，记录仪读出其峰形信号。 1 1 4 流动注射分析的液体传输设备 液体驱动或传输设备是f i a 实验装置中的重要部分，相当于f i a 系统的心脏， 其功能是将试剂、样品等溶液输送到分析系统中。f i a 对其要求也很高，它要求 流速具有短期稳定性和长期重现性、多通道、无脉动的液体输送、易于调节流速、 生产成本低和运行消耗小等特点，遗憾的是现有液体传输设备尚无一种能够完全 满足上述所有要求。 目前常用的液体输运装置主要是蠕动泵和柱塞泵。 1 1 4 1 蠕动泵( p e r i s t a l t i cp u m p ) 蠕动泵是f i a 系统中推动试剂和载流应用最广泛的装置。2 0 多年来，大多数 f i a 系统普遍采用蠕动泵作为流体驱动手段，用于推动试剂和载流，其功能是提 供若干通道比较稳定而具有确定流量的液流，其流速可以通过泵管的内径和泵转 速进行调节。 蠕动泵的主要缺点是： ( 1 ) 流动的长期稳定性较差。 ( 2 ) 泵管的耐磨性、抗有机溶剂和强酸强碱的能力有限。 ( 3 ) 脉动是蠕动泵公认的共同的缺点。 1 1 4 2 柱塞泵( p i s t o np u m p ) 在f i a 中使用的柱塞泵与在高效液相色谱( h i g h p e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y , h p l c ) 中使用的柱塞泵类似，但是f i a 中柱塞泵的工作压力比 h p l c 6 p 的低。与蠕动泵相比，尤其适用于流速精度要求较高的场合( 如在线分 离富集和梯度技术等) ，具有显著的优点 2 ： ( 1 ) 无论短期还是长期，流速的稳定性都很好。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章文献综述 ( 2 ) 能克服某些f i a 体系在液体流动过程中产生的阻力而不影响流速的稳 定性。 ( 3 ) 抗有机溶剂能力强，适用于使用有机溶剂的在线分离与富集系统。 ( 4 ) 维持费用低。 柱塞泵的最主要缺点是可利用的通道数目少( 通常只有两个通道) 。而且， 当柱塞泵与原子光谱等装有气动雾化器的检测器联用时，不能与吸取溶液的入口 直接配合。 1 1 4 3 注射泵( s y r i n g ep u m p ) 1 9 9 0 年，r u z i c k a 等提出并设计了正旋流注射g 8 ，在一些应用中代替蠕动 泵取得了较好效果。目前，微机化步进电机驱动的注射泵已大量用于顺序注射分 析，这类泵的步进电机在计算机的指令下推动注射针筒的活塞运动，精确地推进 或抽取液体，在注射针筒的出口处有一个三通阀，阀位也由计算机控制，供吸入 与排出液体时的通道转换。 注射泵的主要优点是： ( 1 ) 流速范围宽，输送高度重现无脉动的液流，长期和短期的稳定性好。 ( 2 ) 抗强碱、强酸和有机溶剂能力强。 ( 3 ) 流速基本不受流动系统中阻力变化的影响。 注射泵的缺点，也是限制其广泛应用的原因： ( 1 ) 由于需要有吸入载流的步骤，一般会降低采样频率。 ( 2 ) 可利用的通道数少，流速受注射筒管径制约，机动灵活性差。 ( 3 ) 用于带有气动雾化器的原子光谱检测器时，流速的重现性有可能降低。 1 2 电渗泵输液系统 1 2 1 电渗现象 中国科学技术大学博士学位论文 第一章文献综述 1 9 7 4 年p r e t o r i u s 等把电场旌加在填充柱两端，用高压直流电源代替压力泵驱 动色谱流动相【9 】。j o r g e n s o n 和l u k a c s 将此原理应用于毛细管，即为毛细管电色谱 ( c a p i l l a r ye l e c t r o c h r o m a t o g r a p h y , c e c ) 【i o j 。c e c 与h p l c 的根本不同是其以电 渗代替压力驱动流动相。p r e t o r i u s 等的电驱动色谱思想开辟了填充毛细管电渗泵 研究的先河，电渗现象的研究越来越得到重视，出现了一些具有实际应用价值的 研究成果。 1 2 2 电渗流 1 2 2 1 电渗流的产生及流型 石英毛细管内壁由于s i o h 基团上h + 电离而带负电荷。这些负电荷吸引缓 冲溶液中的正离子、较大分子和较大负离子，在毛细管内壁和缓冲溶液间形成界 面双电层。由于静电引力和极化作用，一部分正负离子和大分子紧靠毛细管内壁， 形成吸附层；其外部的反离子( 即正离子) 呈分散分布，形成扩散层。在毛细管 两端施加外加电场后，扩散层内的溶剂化反离子携同周围的溶剂分子向阴极迁 移。由于液体粘滞摩擦力的存在，整个液相都会向阴极移动，形成电渗流 ( e l e c t r o o s m o t i cf l o w , e o f ) 。 r i c h 和w h i t e h e a d 1 l 】曾指出，在流体通道为双电层厚度2 0 倍以上时，双电 层不发生重叠。在不发生双电层重叠的情况下，以电场力驱动产生的e o f ，与 h p l c 中靠外部泵压产生的液流不同，e o f 的流型属于扁平流型( f l a tf l o w ) ，或 称为“塞型流”。h p l c 的流型则是抛物面层流( 1 a m i n a rf l o w ) ，它在壁上的速度 为零，中心速度为平均速度的两倍。扁平流型不会引起样品区带的增宽。 1 2 2 2 影响电渗流的因素 毛细管电泳中的电渗速度吃。可由v o ns m o l u c h o w s k i 方程 1 1 ，1 2 】给出： 心。：一e 。e f e 仃 第一章文献综述 式中，为真空介电常数，s ，为介质的相对介电常数，f 为z e t a 电势，玎为溶 液的粘度系数，e 为电场强度。 由v o ns m o l u c h o w s k i 方程式可以看出，影响e o f 速度的主要因素有电场强 度、管壁的z e t a 电势和溶液特性： ( 1 ) 电场强度对电渗流的影响 e o f 与电场强度成正比。毛细管长度固定时，与外加电压v 成正比。但是， 当外加电压太高( 或缓冲溶液浓度太高，毛细管内径太大) 时，e o f 偏离线性 关系，这主要归结于焦耳热效应【1 3 1 。c o t 6 n 等 1 4 1 认为高电压下产生的热量主要 传递给溶液，由于在此条件下毛细管不能有效地散发产生的焦耳热，导致温度升 高，介质粘度变小，电渗流速度增大。 ( 2 ) 溶液的p h 对电渗流的影响 溶液的p h 对e o f 的影响是通过改变表面特性，即z e t a 电势起作用。熔融 石英毛细管在高p h 下，表面s i - o h 基电离，负电荷密度大；在低p h 值下，由 于s i o h 基质子化作用，表面负电荷被h 十中和，质子化作用的结果使f 趋于零。 因为e o f 正比于z e t a 电势，所以溶液p h 值对e o f 有非常显著的影响，尤其是 在p h4 - 6 范围影响更加显著。b o u g h t f l o w e r 等 1 5 1 研究了在磷酸一正( 异) 丙醇 等缓冲溶液条件下，电渗流随p h 值的变化情况。另外，固定相的表面性质对电 渗流也有很重要的影响，s m i t h 等 1 6 比较了五种不同的c e c 固定相中电渗流与 p h 之间的关系。r a n d o n 等 1 7 1 研究了熔融石英毛细管中二氧化锆颗粒和聚丁烯 涂层的二氧化锆颗粒作为c e c 固定相对电渗流的影响，发现酸碱性质可以用来 控制电渗流，电渗流的大小取决于溶液的p h 值。 ( 3 ) 缓冲溶液的浓度对电渗流的影响 对于同一缓冲溶液，e o f 随浓度( 确切地说，离子强度) 增加而降低。缓 冲溶液中离子强度通过对双电层厚度的影响来改变z e t a 电势，从而对电渗流产 中国科学技术大学博士学位论文 第一章文献综述 生影响，缓冲溶液浓度增大，双电层厚度变游，z e t a 电势下降，e o f 变小。 ( 4 ) 添加剂对电渗流的影响 在电解质溶液中加入添加剂，例如中性盐、两性离子、表面活性剂以及有机 溶剂等，会引起e o f 的显著变化。加入中性盐( 如k 2 s o 。) ，可使双电层厚度变 薄，加入两性离子( 如四甲基氯化铵) 可增加溶液的粘度，降低p h 值，这些都 导致e o f 减小。 表面活性剂能显著改变毛细管内壁电荷特性，从而使z e t a 电势改变符号。 加入的种类和浓度不同，可使内壁带负电荷、正电荷或电中性。表面活性剂浓 度增大时，e o f 下降长链烷基季胺盐影响更显著，并可使e o f 反向，由流向 阴极变为流向阳极。所以，表面活性剂常用作e o f 的改性剂，通过改变浓度来 控制e o f 的大小和方向。 加入有机溶剂，一般趋势是引起e o f 速度降低，离子迁移时间加长。这主 要是由于溶液离子强度降低，电导减小，界面z e t a 电势和粘度变化等多重影响 引起的结果。 s c h w e r 和k e n n d l e r 【1 8 】研究了熔融石英毛细管中溶液的p h 、溶剂的组成和 浓度对电渗流的影响。对于水质子溶剂( 如甲醇、乙醇、2 丙醇) 、水疏质子偶 极化溶剂( 如乙腈、丙酮、二甲亚砜) 的二元混合溶液体系，在p h3 - 1 1 范围内， 对于纯水溶液和5 0 有机溶液混合物( v v ) ，电渗流的大小取决于溶液的p h 。 当向缓冲溶液中加入有机溶剂时，石英毛细管表面硅羟基的p k 值增大。在高的 p h 下，增加缓冲溶液中有机溶剂的体积分数将引起电渗流的降低。除了丙酮 水混合溶液外，z e t a 电势随有机溶剂体积分数的增加而减小，其变化趋势与电渗 流随有机溶剂体积分数的改变而变化的趋势相同。 k i t a g a w a 和t s u d a 【1 9 研究了溶液中甲醇的体积分数对电渗流流速的影响， 发现在3 0 一9 0 体积分数范围内，电渗流基本保持不变，但是当甲醇的体积分 数大于9 0 时，电渗流随溶液中甲醇的增加而增大。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章文献综述 y a n g 等【2 0 】研究了乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇作为有机溶剂时其体积 分数对电渗流的影响，发现电渗流随着有机溶剂的加入而减小。对于质子溶剂， 随着醇分子中烷基链的增力，在相同的体积分数下，有机溶剂对电渗流的影响变 得更大；然而，对于疏质子溶剂( 如乙腈) ，有机溶剂体积分数的改变并不能明 显地改变电渗流的大小。 ( 5 ) 温度 e o f 随温度的变化主要是温度导致粘度变化的结果。柱温升高，溶液粘度 降低，导致e o f 增大。 1 2 3 电渗泵的分类 近十年来，利用电渗微泵驱动的芯片以惊人的速度得到迅速发展，并由最初 的实验室研究逐渐向大批量的商品化生产和应用方向过渡。 基于电渗作用的微泵的发展应归功于一些研究组的关键性工作，他们是电渗 这种现象应用于溶液传输的先驱。首次应用足在1 9 9 2 年，h a r r i s o n 芹t l m a n z 等人把 常规分析系统微型化于一个平板玻璃芯片上，提出了微芯片分析系统，并成功应 用于多种分析物的分离测定6 7 1 2 1 - 2 6 。然而，不可忽视的是e o f 在微分析系统中 的一个重要限制，就是驱动液流的组成直接影响到e o f 的特性，也就是说，当出 现非常高或低的p h 值、或是高浓度盐溶液，或是无电导性的有机溶液则不能 提供需要的e o f 。 为了把e o f 更好地应用于微分析系统，需要把驱动设备和化学反应体系分 开，而且可以避免e o f 的工作电压额外作用于反应区域，简化装置设计。这种 想法的发展和实现是由于d a s g u p t a 和l i u 等人的出色工作，在过去的十多年中， 基于电渗原理，将电渗驱动用于流动分析系统已有大量的报道，成为仪器分析的 一个重要研究方向。这些电渗泵可以分为三类：毛细管电渗泵、填充毛细管电渗 泵和多孔砂芯电渗泵。 中国科学技术大学博士学位论文第一章文献综述 1 2 3 1 毛细管电渗泵 l i u 和d a s g u p t a 2 7 ，2 8 】报道了一种依靠单根毛细管电渗驱动的f i a 系统。在 这种f i a 系统中，一根长4 0c m 、内径7 5 胂的毛细管连接于一个长3 m 、内径 2 5 0i 眦的试剂存储环中。同时验证了毛细管电渗驱动的可靠性和稳定性。 p u 和l i u 2 9 报道了一种微芯片基的电渗泵并用于毛细管顺序注射系统中酶 抑制作用分析。通过两步蚀刻过程，在玻璃芯片上制各了3 2 条深度为2 0p a n 的 平行泵通道和一条深度为9 0g m 的隔离通道。隔离通道被用于隔离来自泵载流的 样品和试剂溶液，同时也作为样品试剂存储环用于顺序注射分析。 m o r f 等 3 0 ，3 1 也对复杂毛细管体系的e o f 驱动进行了理论研究，并设计了 多根毛细管电渗驱动的设备。 但是毛细管电渗泵存在输出压强低、流量小、流量稳定性差的缺点。 1 2 3 2 毛细管填充柱电渗泵 近年来发展起来的填充床电渗泵，是一种用微填料填充于大通道或毛细管中 用于输送液体的电渗泵，由于可以制成低压大流量或高压微流量两种基本模式， 而自身体积往往可以做得很小，可与微型系统匹配，应用于芯片上或高压分离分 析系统中，是极具潜力的研究方向 1 9 9 8 年，p a u l 等【3 2 首先报道得了一种类似于毛细管电色谱中的填充柱的填 充电渗泵。他们在熔融石英毛细管内填充了1 5p m 粒径的石英微粒，在1 5k v 工作电压下，获得了约o 0 3 51 t l m i n 流量和1 0a t m 输出压强。 z e n g 等【3 3 】研究了相对大直径( 5 0 0 - 7 0 0g mi d ) 的填充电渗泵，并详细描 述了浚泵在低反压和高反压操作，以及泵的物理流量。他们在熔融石英毛细管中 填充了3 5 a m 粒径的石英砂颗粒，并在毛细管两端制作了硅酸盐塞子，防止填充 物的流失。在2k v 2 作电压下，可以获得2 0a i m 的输出压强和3 6 a l m i n 的流量。 为了降低高工作电压下的泵的工作电流、提高泵的效率，采用去离子水作为电渗 中国科学技术大学博：e 学位论文第一章文献综述 泵载流。 y a o 等 3 4 ，3 5 n 过建立一个简单的流动模型，来描述泵的工作原理以及优化 设计，对电渗泵理论进行了深入研究。证明在给定的工作电压、流路和填充物条 件f ，输出压强与填充颗粒的平均半径成反比。可以通过加大泵横截面积和( 或) 减小泵的长度获得高的泵流量，但是不会对泵的输出压强有影响。 关亚风等利用双电层理论，结合毛细管电色谱、毛细管电泳和液相色谱柱理 论建立了填充床电渗泵的理论模型，研究了电渗泵压强与流量的产生机理，以及 泵的热动力学效率，根据理论进一步研究分析了影响电渗泵压强和流量的各种因 素 3 6 。设计出单根和多根毛细管填充柱并联的微流量高压输液电渗泵 3 7 - 4 0 1 。 通过对e c 、c e 的文献中影响电渗流的因素和控制方法的研究分析，优化了泵参 数并提高了泵的效率，降低了热损耗，在原理上证明了它在微流量高压输液方面 的实用可行性。该泵能提供流量在1 1 l j h l m i n 级的液体输出和0 2 0m p a 的输出压 强，流量可控制。目前单根毛细管填充柱电渗泵的最大压强己超过2 0m p a ，流 量0 6u l m i n ，已成功应用于微柱液相色谱分离1 4 1 ，4 2 ，这为微流控系统的压力 输液、微流量输液和多种分离模式的应用奠定了基础。 p i y a s e n a 等 4 3 1 设计并制备了一种颗粒填充的电渗微流泵。该泵可以产生超 过1 0a t m 的压力并能够与其它的微流设备组合在一起，使得这种泵对于微芯片研 究具有很好的应用前景。他们建立了一套颗粒填充微泵的分析理论模型，理论分 析得出了泵参数( 如颗粒尺寸、毛细管尺寸、电动电势) 与泵性能( 如输出压力、 电渗流量) 之间的关系，为电渗泵的优化设计提出了指导，发现电渗泵的输出压 强与填充颗粒的大小、z e t a 电势、体积分数、毛细管的长度有关，