專利名稱：具有就座的離子交換珠的屏障和方法
具有就座的離子交換珠的屏障和方法
背景技術：
本發明涉及離子運輸屏障，特別是在離子層析系統中用于離子運輸設備(如用于 產生高純度酸、堿或鹽的離子運輸設備)或用于抑制器(suppressor)的離子運輸屏障。在液體層析中，將包含多個待分離組分的液體樣品導向通過層析分離器，通常是 離子交換樹脂床層。在洗脫液溶液中，將組分從床層分離到洗脫液上。一種形式的液體層 析稱作離子層析。在這種已知技術中，樣品中待檢測的離子由水溶液中的離子組成，使用包 含酸或堿的洗脫液在層析分離器(如層析柱)中將其分離，并之后送至抑制器，然后檢測， 通常通過導電檢測器檢測。在抑制器中，電解質的導電性受到抑制，而分離的離子則沒有， 從而可以通過導電檢測器檢測后者。一種這樣的抑制器，其公開于美國專利No. 6，325，976 中，是連續并且電解的。抑制是在離子交換樹脂的填充床層中。其它抑制器公開于美國專 利4，999，098,4, 500，430,4, 647，380和5，352，360中。其中，抑制器是膜抑制器的形式，再 生溶液在離子交換膜一側流動，而樣品流在另一側流動。通過將帶有與洗脫液中樣品離子 相反電荷的電解液離子跨膜運輸并運輸進再生溶液中而發生抑制。因此，抑制器用作離子 運輸設備。用作液體層析和特別是離子層析的洗脫液的高純度酸、堿或鹽的方便來源公開于 美國專利5，045，204和6，225，129中。如所公開的，為了產生堿或酸，在流動或非流動的陽 離子或陰離子源庫中布置陽離子或陰離子源。含水液體流經通過離子交換屏障與源庫分離 的堿或酸-產生腔室，所述屏障為離子交換膜的形式，基本上阻斷液體通過它，同時提供陰 離子或陽離子運輸橋。施加電勢以在堿或酸產生腔室中電解產生氫氧化物或水合氫離子。 因此，和美國專利5，352，360的抑制器一樣，美國專利6，225，129或5，045，204的酸或堿產 生設備或美國專利申請20060211125中所述的設備是離子運輸設備，其中將離子運輸穿過 離子交換膜。在這樣的現有技術離子運輸設備中提供離子運輸屏障的形式具有優勢，其相對于 這樣的離子運輸設備的離子交換膜具有改進。發明概述在本發明的一個實施方案中，提供離子運輸屏障，其包括具有珠座的壁和密封于 珠座中的離子交換珠。珠能使帶有一個或一種(one)正電荷或負電荷的離子通過，并且能 基本上阻斷總體液流(bulk liquid flow) 0在本發明的另一個實施方案中，提供離子運輸設備，其中將第一或第二腔室中的 液體中帶有一個或一種(one)正電荷或負電荷的離子，通過可阻斷第一和第二腔室之間總 體液流的屏障，運輸至第一或第二腔室中另一個腔室中的液體中。設備包括具有入口和出 口的第一腔室和鄰近的第二腔室，和分離所述第一和第二腔室的第一壁。第一壁包括所 述第一壁中密封于第一珠座中的第一離子交換珠。第一離子交換珠能使帶有一個或一種 (one)正電荷或負電荷的離子通過，并阻斷總體液流。具體的離子運輸設備包括電解洗脫液發生器(electrolytic eluent generator) 和用于離子層析的抑制器。抑制器的一個實施方案包括具有入口和出口的離子接收流道(ion receiving flow channel)禾口鄰近的液體樣品、流通道(flow—troughchannel),禾口分離 所述離子接收流道和所述樣品流通道的第一壁。第一壁包括所述第一壁中密封于珠座中 的第一離子交換珠。第一離子交換珠能使帶有一個或一種(one)正電荷或負電荷的離子通 過，并能阻斷總體液流。在本發明的另一個實施方案中，提供方法，所述方法包括將第一腔室中液體中帶 有一個或一種(one)正電荷或負電荷的離子，通過可阻斷第一和第二腔室之間液流的屏 障，運輸至第二腔室中的液體。方法包括在第一腔室中提供包含選擇的帶有一個或一種 (one)正電荷或負電荷的離子的第一離子源，使離子接收液流流過與所述第一腔室鄰近的 離子接收流道，并且提供將所述第一腔室與所述離子接收流道分離的第一壁，所述第一壁 包括所述第一壁中密封于珠座中的第一離子交換珠。將選擇的離子通過第一離子交換珠從 所述離子源運輸至所述流動的離子接收流。這種方法能用于離子層析中流體的抑制或作為產生酸或堿的方法。抑制方法的一 個實施方案包括提供具有入口和出口的離子接收流道和鄰近的液體樣品流通道，提供分離 所述離子接收流道和所述樣品流通道的第一壁。第一壁包括所述第一壁中密封于珠座中的 第一離子交換珠。第一離子交換珠能使帶有一個或一種(one)正電荷或負電荷的離子通 過，并能阻斷總體液流。包括帶有一個或一種(one)正電荷或負電荷的樣品離子的樣品溶 液(其已經在包括選擇的與所述樣品離子帶相反電荷的離子的洗脫液中層析分離)流經所 述液體樣品流通道。通過將所述選擇的離子通過所述第一離子交換珠從所述樣品流流道運 輸進入所述離子接收流道來抑制選擇的離子。另一個實施方案是用于產生酸或堿的電解方法。方法包括在第一腔室中的陰離 子或陽離子源庫的含水液體中提供陰離子或陽離子源，并且使含水液流流經酸或堿產生腔 室，所述腔室通過將所述第一腔室和所述酸或堿產生流通道分離的第一壁與陰離子或陽離 子源庫分離。第一壁包括所述第一壁中密封于珠座中的第一離子交換珠。第一離子交換珠 能使帶有一個或一種(one)正電荷或負電荷的離子通過，并能阻斷總體液流。分別在所述 陰離子或陽離子源庫和所述酸或堿產生腔室之間施加通過所述離子交換珠的電勢。將來自 所述陰離子或陽離子源庫的陰離子或陽離子通過所述第一離子交換珠而運輸進所述酸或 堿產生腔室中，以電解產生酸、堿或鹽。附圖簡述
圖1和2是根據本發明的離子運輸設備的代表性示意圖。圖3a和3b分別是根據本發明的珠陣列屏障的俯視圖和側視圖。圖4a是珠陣列屏障的側視圖；并且圖4b是圖4a的珠陣列屏障的珠座中一個珠的 放大橫截面視圖。圖5是顯示高壓基于珠的電滲析發生器的電流_電壓-濃度行為的圖，其中陰極 和陽極腔室均包含4M K0H。圖6是由低壓平面膜洗脫液發生器進行的層析圖，陽極通入10mM K0H,陰極通入 水。用AS 11膠乳涂布的75iimx5m熔融石英(fused silica)柱，流速為1.5iiL/分鐘。每 種陰離子取樣20nL，200皮當量。更低的層析圖等度(lower chromatogram isocratic)， 2. ImM K0H洗脫液。用于更高梯度層析圖的實際梯度譜示于圖中。圖7顯示涂布整片AS-18乳膠的離子交換柱(0. 25x260mm, AP = 400psi)上的等度(上，5.5mM K0H，3.2iiL/分鐘)和梯度(下)層析圖。梯度譜的兩次重復示于插圖 (inset)中。陰極和陽極腔室中均存在K0H。運行期間檢測器背景增加llfF，并被減去。注 射體積200nL ；上每種離子200pmol ；下:r為lOOpmol，其它為300pmol，不必專門加入碳酸鹽。優選的實施方案詳述本發明的方法和設備適用于離子運輸設備和方法，特別是如上所述用于產生層析 洗脫液和用于離子層析抑制的設備和方法，尤其是通過用為離子交換珠提供座的壁取代離 子交換膜屏障來進行。此外，適用于產生用于除離子層析外的液體層析的洗脫液，所述離子 層析不使用抑制器，并且使用不同的檢測器，例如紫外(UV)檢測器。洗脫液可以是除酸或 堿之外的形式(例如，鹽)。因此，術語“含水物流”包括純水或包含這樣的添加劑的水。此 外，術語“包含堿的洗脫液”，“包含酸的洗脫液”，“酸”或“堿”是指包括離子運輸設備中產生
(an"acid"or a"base"meets an aqueousstream including acid or base generated in the ion transport apparatus andcombinations thereof)。 如前所述，本發明的方法和設備也適用于抑制器，和其它電解設備如洗脫液純化器(美國 專利申請20030127392)或含水物流純化器(美國專利申請20030132163)，等等。為了簡單 描述，本系統將首先描述用于產生高純度堿的系統。可以理解的是，通過對試劑和電極極性 的適當改變，系統也適用于產生高純度酸。首先描述了系統的適合在層析分離器(比如用陰離子交換樹脂填充的層析柱)中 陰離子分析中用作洗脫液的堿的產生。在這種情況下，產生的堿通常是堿-金屬氫氧化物， 比如氫氧化鈉或氫氧化鉀，用于分析陰離子。對于陽離子的分析，產生的洗脫液是酸如甲磺酸。如美國專利6，225，129中所闡述的，電滲析產生氫氧化物洗脫液，例如K0H的一種 方法，在離子交換屏障的一側使用基本上固定的(stationary)或非流動的K0H物流。與 K0H溶液電連接的用作陽極的電極，例如，由金屬(例如貴金屬)形成，優選置于溶液中。通 過陽離子交換膜(CEM)或CEM堆疊(用于高壓施加中的機械穩定性)將K0H溶液與另一側 分隔。水溶液(優選純化的水)在CEM的另一側流動。在電場下，根據’ 129專利中闡述的 原理，K離子移動穿過膜。在本發明中，用包含壁的屏障(所述壁在珠座中具有離子交換珠)或包含珠陣列 的屏障取代離子交換膜，例如’ 129或’ 976專利的設備中的離子交換膜。此外，陰離子或陽 離子的來源可以是如’ 204專利所述的流動物流。‘129和’ 204專利的操作原理可適用于本發明。使用在一側固定或流動的K0H流 和具有貴金屬電極的離子交換屏障進行氫氧化物洗脫液(例如K0H)的電滲析產生，所述貴 金屬電極用作陽極，置于電滲析洗脫液發生器(EDG)中。通過陽離子交換屏障將K0H溶液 與另一側分離。純水流入另一側，其中放置負極。在電場下，K+移動穿過膜，陰極反應為K++H20+e" — K0H+1/2IV.. (1)同時在陽極產生氧20r-2e" — H20+l/202... (2)在陽極一側，可能使用任何K+化合物作為K+來源；不必是K0H。然而，可防止陰離 子運輸穿過攜帶固定陰性位點的陽離子交換膜的Dorman屏障不是絕對的。如果濃度梯度足夠高，可發生一些Dorman-禁止的泄漏。例如，如果K3P04用作電解質，可發生一些硫酸鹽 滲透入產生的洗脫液中。為此，K0H是產生K0H的優選電解質。現有技術EDG使用單個(或 疊加的、有效作為厚的單膜起作用的)膜。它們也被用于產生少但恒量的堿，用于二維導電 性檢測中。這些發生器具有Faradaic效率E接近一(near-unity)的優點，E由下式給出 其中電流i nA產生以QiiL/分鐘流動的C mM產物K0H。它們具有明顯的弱點， 即產物伴有大量氣體，在這種情況下為H2 (并且對于產生的酸性洗脫液，為02)，其必須被 去除。多孔的聚丙烯和聚四氟乙烯(PTFE)膜，通常為管狀形式，已經用于當EDG位于泵 的低壓側時去除氣體。優選位于泵的高壓側的洗脫液EDG，因為在這種情況下，泵只需要 泵送水。在產生梯度時，高壓位置可以消除泵和輔助部件如混合器中可能顯著的延遲體積 (delayvolume)。然而，這需要目前在高壓下完成氣體去除。為此不能使用多孔膜。對于高 壓下的氣體去除，可能使用可滲透的壁毛細管，其能承受高壓，如由聚苯乙烯、PTFE和各種 其它氟碳如Teflon AF 和聚丙烯等制成的那些。這種毛細管的維度優選經優化以使氣體 去除最大化，并使延遲體積最小。因此，期望的是這樣的能以無氣體方式直接產生洗脫液的 設備，特別是如果它們可在高壓下操作時。根據本發明的一方面，提供離子運輸屏障，其包括具有珠座和密封于珠座中的離 子交換珠的壁。珠能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通過，并且能基本上阻斷總體液流。 如本文所使用的，基本上阻斷表示阻斷所有流動，少量液體滲漏除外。優選地，阻斷基本上 所有的總體液流。首先描述了本發明的包括離子運輸屏障的離子運輸設備。在酸或堿洗脫液產生器形式的離子運輸設備的一個實施方案中，將第一腔室中含 水液體中的帶有一個正電荷或負電荷的離子，例如K+離子，通過可防止離子流動但阻斷總 體液流的屏障，運輸至第二腔室中的含水液體中。在’ 129專利的系統中，第一腔室用作離 子源腔室，并且第二腔室包括流動的含水溶液，通常為流動的純化水流。根據本發明，代替 離子交換膜，屏障是分離第一和第二腔室的壁，其包括密封于一個或多個珠座中的至少第 一離子交換珠。離子交換珠與第一腔室中的離子源液體和第二洗脫液生成腔室中的含水液 體流體連通，并且能使正或負離子通過且能阻斷總體液流。優選地，第一電極與離子源(第 一)腔室電連接，并且帶有相反電荷的第二電極與其中產生酸或堿洗脫液的洗脫液生成 (第二)腔室中的溶液電連接。優選地，第二腔室是細長的通常為管狀的構造，尤其是毛細 管。離子交換珠特別有效地用于第二腔室的高壓系統和小維度如毛細管。珠優選為球形。 其它形狀是可能的，只要珠密封于珠座中。本發明還描述了珠構造的陣列。參照圖1，描述了根據本發明的電滲析發生器的一個實施方案，其非常有效地用于 在高壓系統中產生洗脫液，例如壓力大于約lOOpsi，或者大于約1000psi、5000psi或者更 高。這個系統包括純化的含水液體源，優選為去離子(DI)水10，其通過具有合適的連接頭 14的導管(S卩，管12)流至由合適的連接頭20與出口導管(S卩，管22)連接的圓柱形導管 或管18中的流通洗脫液生成腔室16中。管24a和24b分別限定離子源庫26a和26b，在具 有與腔室16鄰近的出口一端終止。分別將帶有相同或相反電荷的離子交換珠28a和28b放 置在腔室16和腔室26a和26b之間。珠28a與腔室26a和腔室16流體連通，而珠28b與 腔室26b和腔室16流體連通。離子交換珠能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通過，并能阻斷總體液流。珠28a和28b密封于與管18鄰近的管24a和24b部分中凹陷形式的空穴 或珠座24c和24d中。在這個實施方案中，珠和導管24a和24b的周圍內壁的組合為形成 液封的珠座24c和24d。如本文所定義的，術語“壁”包括限定密封(一個或多個)珠的(一個或多個)珠 座的壁或壁部分。對于在離子運輸設備中的使用，壁周邊密封至設備內部以阻斷壁周圍的 總體液流。根據本發明的壁的其它實施方案包括任何構造的壁，如平的或彎曲的片狀壁，或 者導管如管的內壁。優選地，壁為惰性，不導電，并且基本上不因水合而溶脹(swell)。優選的基底包 括基本上不溶脹的塑料或不可溶脹的聚合物材料如聚丙烯、聚乙烯、PEEK、PTFE等。基底材 料的厚度通常小于5000微米(ym)，優選小于1000微米，并且更優選小于500微米。珠座 開口(對于圓形開口和其它形狀開口的可比截面)的直徑通常小于5000微米，優選地小于 1000微米，并且更優選小于500微米。珠座凹陷可以是任何形狀，只要離子交換珠緊密保持 在凹陷中而沒有任何實質泄漏。珠座凹陷可以由機械鉆成。此外，珠座凹陷可形成為平頂 埋頭鉆孔(counter-sunk bore)，或者半球形。此外，壁可以以基底片的形式或其它構造，及 需要的珠座構造注塑。在鑄制構造中，硬件的適當細節可以整合，以確保將珠捕獲入止回閥 型(check valve type)構造中的珠座凹陷中。可以使用其它密封模式。形成密封的一種方法是將珠以干燥形式插入管中的珠座24c和24d中。然后將珠 潤濕，以使其擴張并在管中形成緊密密封，優選形成剛性的(rigid)、不導電(例如塑料)材 料如PEEK。將珠捕獲入珠座中并在兩側暴露于液體。這種裝配體用作球座止回閥，因為流 動可確保珠和給珠提供座位的管表面之間的緊密密封。在一個實施方案中，干燥珠在適當 的位置(in place)擴張，此時接觸液體以確保緊密配合(tight fit)。此外，可使珠收縮然 后當處于珠座中時擴張。例如，陰離子交換樹脂珠可以以收縮的硝酸鹽形式放置，然后轉化 成氫氧化物形式而擴張，并提供針對空穴的物理密封。相似地，對于陽離子交換樹脂珠，鈉 形式可以轉化成水合氫離子形式，導致可用于產生針對PEEK空穴的密封的珠的擴張。也可以在珠周圍使用熱封技術以針對珠座密封。例如使用聚乙烯或聚丙烯壁，在 珠座周長周圍加熱能融化鄰近的聚合物壁。熔化的聚合物壁冷卻后即與樹脂珠粘附，導致 針對珠座周長的密封。周長周圍的粘合劑如硅樹脂膠(siliconeglue)也可以用于密封。另 一種方法是在聚合物壁中通過常規的聚合方法原位形成離子交換珠樹脂。在此情況下，可 以使用限定珠形狀的模板。優選選擇限定珠座的壁(例如聚合物壁)使其不與樹脂合成試 劑或化學品反應。適當地，樹脂珠通常為球形，并且可以是在從層析到水純化的多種應用中使用的 樹脂床層所用的類型和尺寸。優選地，珠交聯至足以提供結構強度的程度，例如，至少2%, 更優選至少約8%和高達50%或者更高。珠為離子交換材料。這些材料在現有技術中公知， 并且通常是基于聚合物的(例如基于苯乙烯-二乙烯苯的)交聯樹脂等。本方法有明顯的優勢。例如，在本發明的單個珠或珠陣列構造中，溶脹僅發生在珠 座中的間隙孔(interstitial hole)中。因此，在使用聚合物壁時，優選的是，壁不顯示出 任何實質的擴張或收縮。這與離子交換膜相比提供顯著的操作優勢。常規的離子交換膜遇 濕膨脹，并且膜變滑，這可導致難于處理膜。此外在用于如水純化器的設備中時，膜維度可 由于溶脹而變化，所述溶脹能影響設備裝配和性能。例如，使用傳統的離子交換膜，當在濕構造中裝配時，因為潤濕后維度改變，所以膜可能需要重新調整尺寸。這是裝配過程中增加 的步驟。裝配時，應該采取適當的干燥預防措施(dry proper precaution)以確保濕含量 沒有大的變化，因為這將影響離子交換膜的維度。本發明相對于離子交換膜的另一個優勢是避免這些溶脹對膜性能的影響。例如， 當抑制器膜太干燥并進行裝配時，溶脹力可能導致設備內背壓由于膜的擴張而增加。抑制 器設備或水純化設備中較高的內壓是不理想的，因為這能引起這些設備泄漏。通過選擇性 地允許通過離子交換珠在本發明的壁的特定區域中運輸離子，離子交換膜的上述問題可得 到最小化或克服。用單個珠或珠陣列構造建立的設備在高壓條件下顯示高的彈性。相對而言，用常 規離子交換膜建立的設備會泄漏并顯示不良的壓力彈性。在一個實施方案中，當經由珠的溶脹而進行密封時，本發明的樹脂珠優選略小于 珠座孔。在將樹脂壓入配合(press fitting)到空穴中時，樹脂珠可以略大于珠座凹陷。也 可能使用大樹脂珠，而通過珠座僅暴露小部分樹脂面積。當通過針對珠座周邊密封而將樹 脂保持在適當的位置時可以使用這種方式，例如，通過加熱如上所述進行。盡管可以使用其它形狀，樹脂珠優選基本上為球形。在用于如微設備的一些設備 中時，例如就座于毛細管中時，它們的公稱直徑通常小于5000微米；優選小于1000微米，并 且更優選小于500微米。通過珠相對于放置珠的壁的暴露面積的比例而控制通過壁中的離 子交換珠的離子運輸率。取決于期望的離子運輸程度，優選的是，暴露的珠表面積與包含珠 座的周圍壁的暴露表面積的比例為至少1 1，更優選至少2 1，并且最優選至少5 1 至10 1或者更高。在一個實施方案中，離子源30，例如，水溶液中的K0H流經導電(金屬)管32a和 32b內部，所述管置于腔室26a和26b中以將K0H溶液分別導向至與珠28a和28b接近的腔 室26a和26b中的出口。管32a和32b也用作相反極性的電極，并與電源連接(未顯示)。 在操作過程中，電流通過腔室16在腔室26a和26b之間流動。在另一個實施方案(未顯 示)中，離子源是離子交換介質如水溶液中的離子交換床層。在可替換的實施方案(未顯示)中，只使用一個離子源腔室26a和一個珠24c。其 中，第二電極與洗脫液生成腔室連通，優選與其中的溶液接觸。另一個實施方案在圖2中說明，其中兩個珠在相同的水平面中并排放置。相同的 數字指示相同的部件。珠28a是陽離子交換珠，并且珠28b是陰離子交換珠。在這個系統 中，水通過橫穿導管40的導管38流入設備頂部的入口管36，并且產生的K0H流入導管42 并從導管44流出。這個實施方案具有易于修正以如下文所述容納多個樹脂珠或珠陣列的 優勢。在與圖1和2的構造相似的其它實施方案中，使用置于壁中多個座中的珠陣列，所 述壁通常為平的或彎曲的片狀構造。珠陣列構造的平構造示于圖3a和3b和4a和4b中。 在優選的構造中，一個珠的暴露表面布置在接近于它們各自座中其它暴露珠表面或與其接 觸。得到的構造產生功能性的片狀(例如薄膜)離子交換表面，其與現有技術離子運輸設備 中使用的離子交換膜類似。珠陣列構造相對于離子交換膜的優勢包括物理硬度(physical rigidity)和強度(strength)。由于球座止回閥型的構造，可以在珠座空穴和樹脂珠之間 形成優異的密封。珠陣列適合于目前使用離子交換膜的應用，如洗脫液-發生器抑制器，基于電滲析的水純化器等。在珠陣列的一些實施方案中，單個離子交換珠與珠對側腔室中的流體流體連通。 在其它實施方案中，如圖4a和4b中所示，兩個或多個離子交換珠堆疊在兩個腔室中流體之 間延伸的串聯隊列(tandem line)中。此處，第一珠與第一腔室流體連通，并且第二珠與第 二腔室流體連通。中間的珠能插入(interpose)第一和第二珠之間。串聯珠彼此接觸，并 在第一和第二腔室之間提供連續的離子運輸途徑。在所有這些實施方案中，將離子通過至 少一個離子交換珠從第一腔室運輸至第二腔室。在另一個實施方案中，可以在本發明的系統中施加反向電偏壓。以與通常施加的 電流方向相反的方向施加電勢以產生洗脫液。在正常條件下，將電解液以高濃度置于離子 交換珠或膜的一側，并且當水在膜的另一側流動時，因為高的濃度梯度，發生電解液到水中 的少量泄漏，即使通過一個類型的離子，其電荷與膜中固定的電荷符號相似，由于Dorman 電勢而受到抑制。例如當用通過陽離子交換膜與接收水流分離的物流K0H操作K0H洗脫液 發生器時，產物物流中K0H的濃度根據公式3，隨著施加的電流(包含正極的K0H側和包含 負極的水側)線性增加。然而，即使不施加電流時，出口物流包含有限的非零量的K0H。當 產生洗脫液時，這種泄漏影響產生的總濃度。通過施加相反方向的電流，即，通過保持K0H 庫側為負和水側為正，這種不理想的泄漏能極大地最小化。可以為洗脫液發生器提供雙極可變電壓的電源，所述洗脫液發生器在需要時可產 生幾乎純的水(即包含的K0H小于在不施加電壓的條件下泄漏出的K0H的水)，并且在需 要時還能產生高K0H濃度，所述電源包含至少兩個電極，一個保持地面電勢，并且與水側相 連，而在物流K0H側配置第二電極，其電勢可以從相對于所述地面電極的負值到相對于所 述地面電極的正值連續變化。在操作中，當期望洗脫液組合物從接近純水變化至相對高濃 度K0H時，K0H側的電極的電勢可變，需要時可從負值到正值連續變化。在可替換的實施方案中，可使用三個末端雙極可變電壓電源，其經常稱作可變雙 電源，其中末端1保持地面電勢，末端2可取相對于末端1的從0至+15V的任何電勢，并且 末端3可取相對于末端1的從0至-15V的任何電勢。在發生器中，電極之一與末端1相連。 另一個電極與末端2或者末端3相連，由自動繼電器(automated relay)選擇，所述自動繼 電器在合適的時間切換。上段中的雙極可變電壓電源是單個電源，其能對電極對施加兩個極性相反的電 壓，從而以編程方式施加極性相反的兩個不同電壓。這對于相反電偏壓實施方案是優選 的。在另一個實施方案中，兩個獨立的電源能進行這種相反極性功能(reverse polarity function)。如在相反電偏壓語境中所使用的，術語“電源”指單個電源和兩個或多個進行 這些雙重功能的獨立電源。已經針對洗脫液發生器描述了上述系統。然而，其適用于用就座的離子交換珠屏 障在其它離子運輸設備和方法中取代離子交換膜。例如，在如美國專利5，352，360中所述 的離子層析系統的抑制器中，用離子交換珠取代離子交換膜。(然而，相反電偏壓實施方案 可能不適用于抑制器。)本文圖1和2中所示的K0H溶液可以包含從’ 360專利的圖1中 層析柱10流出的液體樣品流，其中包含待抑制的電解液。離子交換珠28a和28b的另一側 的溶液可以包含再生劑溶液(例如用于電解抑制器的水)，其來自’ 360專利中的液體樣品 流，在離子交換膜的另一側流動。
在其它實施方案(未顯示)中，可將離子源提供至離子源腔室而不流過電極管。進 一步地，離子源腔室可以是基本上無流動溶液，如美國專利No. 5，352，360的大容量庫中所 述。對于這個實施方案，珠陣列方法特別有效。此外，離子交換珠方法適用于不使用電極的 非電解離子運輸設備和方法。要注意的是，珠陣列不一定是一維陣列(lxn)；而可以是多維 陣列，其中mn個珠配置在mxn陣列中。實施例1圖1中的設計來自商業四通接頭(cross fitting)，并且數據基于這種設備。將 10-32四通接頭(P-730，Upchruch)的兩臂的通道為1/16英寸外徑的PEEK管鉆孔，以剛好 通過。對于0. 020英寸內徑、1/16英寸外徑PEEK管的兩個部分中的每一個，一端的末端孔 加寬至0.9mm(0.035英寸)，至深度為 1mm。在干燥器中干燥離子交換樹脂珠(對于陽離 子交換樹脂(CER)為Rexyn 101 H+類型，并且對于陰離子交換樹脂(AER)為Dowex AG-2X8 CF形式)，并手動挑選以獲得0. 8-0. 85mm大小范圍內的樹脂珠。將一個CER和一個AER珠 放置在PEEK管中各自鉆出的空穴中，并用水潤濕，它們因而擴張并緊密嵌入空穴中。如圖 1所示，將這兩個帶有珠的管彼此相對放置，并用10-32螺母(nuts)和金屬箍(ferrules) 在適當的位置固定，然后類似地連接入口和洗脫液出口管。在背面一側，每個帶有珠的管 切斷基本上與支承螺母背面齊平，并且少部分Tygon套管套在1/16英寸外徑PEEK管的端 部。將平頭鉬針(0. 25mm 內徑，0. 45mm 外徑；26ga.，1 英寸長，P/N 21126 PT 3，Hamilton Co. Reno,NV) 一直放進PEEK管中，(幾乎)觸及珠。Tygon管中Pt針的出口用熱熔粘合劑 密封。Pt針既用作電極，也用作液體入口管；通過破壞Tygon管壁并用粘合劑在適當位置 固定的0. 25mm內徑，0. 51mm外徑PEEK管(P/N 1542，Upchurch)提供液體出口。這種發生 器的標稱內部體積，不考慮球形珠的突出可消耗的空間，體積為 3. 2 y L。實施例2高壓毛細管IC系統由高壓注射器和高壓總管閥(header valve) (P/N 23994 和26098，Kloehn)組成，經由0. 25mm內徑，1. 6mm外徑PEEK管與流通壓力傳感器(SP70 A-3000, www. senso-metrics. com)相連。物流如上所述通過高壓發生器。除非特別說明， 在發生器中，使用100-200mM K0H為兩個電極腔室提供物料。將庫加壓至12psi (氣控管線 (pneumatic line)包含堿石灰阱(sodalime trap)以防止C02進入液體)，而這足以建立 通過陰極和陽極腔室的 500 yL/分鐘的流動。流出液原則上能夠回收，但是目前尚未進 行回收。注射體積為200nL。除非特別說明，始終使用3.2yL/分鐘的層析流速。發生器輸 出通過第一導電池進行，所述導電池由兩個4. 5cm長、0. 25mm孔、1.6mm外徑不銹鋼(SS)管 組成，所述管通過10-32PEEK接頭連接，并且兩個SS管之間的間隙 1mm。SS管用作與雙 極脈沖導電檢測電子設備(CDM-1，Dionex Corp.)相連的流通電極。使用導電性校正數據 將測量的導電數值轉換成K0H濃度。因此使用這種檢測器輸出測定產生的K0H濃度。本操作中使用的單片陰離子交換柱(容納于0. 25mm內徑x0. 365mm外徑x260mm 長熔融石英毛細管中)使用磺化官能丙烯酸酯陽離子交換劑作為起始點。通過泵入陰離子 交換劑納米顆粒(AS18膠乳，Dionex Corp.)的膠體溶液直至膠乳的保留(retention)不 再明顯而將其轉化成陰離子交換劑。或者，用由Dionex Corp供應的AS-11陰離子交換劑膠乳納米顆粒涂覆硅石毛細 柱，其內徑為50iim和75iim，各長5m。簡而言之，我們使用具有lmL玻璃注射劑的KloehnV6注射泵(www. Kloehn. com)以將水(通常以0. 5-1. 5 u L/分鐘)泵入發生器。發生器的 陽極隔間通過蠕動泵通入10-20mM(如果無另外指定則為10mM)K0H。陰極隔間獨立地通入 相同的液體或純水。在這種情況下，使用20 y L回路體積的內部回路樣品注射器。柱流出液通過管狀Nafion膜抑制器(通過10mM H2S04再生)而進入非接觸式導電 檢測器。這個檢測器經過校正，可以在低導電范圍工作，因此可以測量分析物信號。作為檢 測器電極，用環氧粘合劑將兩個管狀SS部分(0.41mm內徑xO. 66mm外徑x 15mm長)直接固 定在抑制器出口的硅石毛細管上，電極間縫隙為1mm。電極與AD7746 (www. analogdevices. com)電容和電壓數字轉換評估板偶合，然后形成完整的非接觸式導電檢測器，其中測量的 信號與和本工作相關的低導電域中的溶液導電性成比例。使用的水經蒸餾并去離子化，比電阻系數彡18. 2MQ cm。所有實驗在22+l°C的 實驗室溫度進行。實施例3本實施例說明圖3a和3b的珠陣列。將厚度為0. 015”(381微米)的聚丙烯片(48) 機械鉆孔，得到0.02”(508微米)直徑孔(50，未示出)的陣列，其構成珠座。參照圖3a和 3b，將購自Rohm&Haas并作為Amber jet UP1400半導體級陽離子交換樹脂出售的陽離子交 換樹脂珠(52)分級(sized)，使其剛好符合508微米孔。在這個步驟過程中，離子交換樹脂 珠為干燥形式。一旦用去離子水使膜水合，樹脂珠足夠擴張，允許與孔或珠座的外徑緊密配 合。凈結果是離子交換樹脂珠落座于平表面壁上，如圖3a)俯視圖和圖3b(側視圖)中所 示。當暴露于DI水或酸時，這種膜依據本發明不顯示出任何總體的維度變化，并且適用于 ASRS抑制器中作為陽離子交換膜。實施例4本實施例說明圖4a和4b的珠面積。將實施例3中更厚的聚丙烯片(厚度為0. 06”) 鉆孔，由表面48a且深達0. 055”得到0. 02”內徑的多個導管。導管底在48b表面開口至 0.015”維度，以產生珠座。使用來自實施例3的干燥陽離子交換樹脂填充導管，每個導管 三個珠。終產品是與實施例3中所示膜相似的厚陽離子交換膜。底層中的樹脂對著珠座保 持在適當的位置，并形成密封。合適的背襯(backing)如聚丙烯篩(未顯示)可以沿著表 面48a放置，以確保樹脂珠保持在適當的位置。沿著表面48a的任何液流將迫使陽離子交 換珠對著48b的表面，因此依據本發明形成高壓密封。樹脂珠座密封界面的放大視圖示于 圖4b中。此膜適用于ASRS抑制器設備中的裝配，并可替代陽離子交換膜。結果與討論電流為零時的洗脫液產生主要歸因于Dorman禁止的泄漏，但是其發生機制尚未 建立。在下述使用圖1的發生器的實驗中，無論(a)在陽離子交換樹脂(CER)和陰離子交 換樹脂(AER)隔間(26a和b)中均存在4M K0H，還是(b)只有CER隔間包含4M K0H, AER 腔室包含純水，泄漏均為107pmol K0H/秒。與此相對，當CER腔室只包含水而AER腔室包 含4M K0H時，0CP小得多，只有3-4pmol K0H/秒。顯然，是在CER珠上進行的過程主導所 觀察到的泄漏。沒有有力的理由解釋為什么一種類型的離子交換樹脂比另一種更容易產生 Dorman禁止的泄漏；所以通過CER珠而不是AER珠發生Dorman禁止的泄漏是不合邏輯的。 然而，陽離子交換過程可以在負載K+的CER珠和流動水中的H+之間進行，導致在水中形成 K0H。與此相對，用水中的0H_從負載0H_的AER珠交換0H_將不會引起任何可觀察到的變
13化。盡管由于水中的H+濃度非常低，似乎發生K+-H+交換過程的可能性是低的，但是很長時 間以來就知道當以非常低的濃度存在時，對于離子的有效選擇性因子增加。
圖5顯示電流-電壓和施加電壓與圖1的基于樹脂珠的發生器用4M K0H在CER和 AER腔室中產生的K0H濃度的作圖。在這種情況下，施加的電壓跨度從負到正。在這些設備 中，只有當極性使得可以通過各自交換劑允許電場輔助誘導離子運輸時，才有大量電流通 過。這與半導體二極管的行為類似，但通過設備的電流由離子運輸攜帶。在負的施加電壓 (K0H物流側相對于水接收側為負)下產生小的負電流；這表現出當施加的電壓為+ve時斜 率(slope)比正的i_V斜率小得多。為了獲得零電流水平，在這些特定條件下需要約-IV 的偏壓。 對于正的施加電壓，無論何種發生器設計，產生的K0H濃度均與電流線性相關。在 圖5中，我們特意選擇縱坐標尺度，使得可以見到電流和濃度曲線(trace)在正的施加電壓 區內幾乎重疊(superimpose)。通過對發生器施加反向電壓而使泄漏最小化是重要的，因為這可以確保發生器能 在施加充足的反向電壓時產生接近于零的K0H濃度。盡管這些數據存在于圖5中，但是要 準確辨別在高的負電勢產生的K0H濃度并不容易。對于圖1的發生器，其中兩個電極隔間 均包含4M K0H,并且水以4 u L/分鐘在之間流動，可首先向CER側電極施加相對于AER側的 地面電極-12V的電壓，由此在流出物流中觀察到的K0H濃度接近零(0. 03mM)。當這個電壓 迅速升至(swe印up to) +5V時，觀察到產生的K0H濃度為130mM，變化超過4000倍。樹脂珠方法主要的優勢是它們作為堅固的球座止回閥起作用的能力。為了保證交 換珠有足夠的機械強度，我們只使用8%和更高交聯度的樹脂珠，公知的是，已經制備出高 達50%交聯的珠。第二個因素是要保證球和座之間的密封。只要我們挑選在低放大倍數顯 微鏡下觀察時沒有可觀察到的表面瑕疵或裂痕的珠，就不會遇到問題。研究了承受高背壓 和來自發生器腔室泄漏的能力。將EDG與以編程的注射器流速7 u L/分鐘產生1400psi背 壓(對于注射器總根閥來說，最高等級的壓力是1500psi)的柱連接。測量具有柱和不具有 柱的系統中的末端流速。在這個過程中，不操作EDG(即，不施加電壓)，并且我們還測量了 通過電極腔室中的毛細管歷時30分鐘長時間中流體的任何泄漏。沒有可觀察到的泄漏。用基于珠的EDG在填充毛細管上獲得的等度和梯度層析圖示于圖6和7中。入口 還顯示梯度曲線的可重復性。等度條件下的保留時間再現性為0.6-1. 2% (詳細數據列于 表1中)；這些都可與本泵系統流速的再現性相比。對于除氟離子以外的所有離子，在梯度 洗脫條件下，再現性變化0.3% -1.5%。氟離子的洗脫對于由前一循環而保留在柱中的洗 脫液非常敏感；在梯度條件下，氟離子的保留時間再現性為3. 0%。梯度IC中經常期望洗脫液濃度的快速增加。在操作流速為5yL/分鐘時， 10% -90%的上升時間為 1.3分鐘，90-10%的下降時間長得多，為 8分鐘；然而實驗 顯示，這可以通過施加反向電壓而降低。如前面所觀察到的，當EDG電流突然逐步下降 (abruptly step down)時，洗脫液濃度出現小的瞬時增加，然后濃度下降。總而言之，我們在本文中首次表明，對于離子運輸，這些設備的行為完全與半導體 二極管相符。可以施加反向偏壓將電解質泄漏或離子交換降至最低。對于樹脂珠設備，還 有獨特的機械優勢離子交換樹脂珠的球形使它們成為微型“球座”閥的理想候選物，從而 使得制造微型高壓設備變得簡單，完全不同于必須包含膜的任何高壓設備所固有的密封問題。我們已經發現它們能可靠地長時間工作。我們還觀察到使用合適類型的離子交換裝 置、電極隔間中電解質的本質和所選擇的電極極性，這些設備能用作“抑制器”或“去離子裝 置”。事實上，在反向偏壓下操作的發生器功能上可用作去離子裝置，其中可以將任何泄漏 的電解質通過電子方式吸回。
權利要求
離子運輸設備，其中將第一腔室中帶有一個正電荷或負電荷的離子通過第一和第二腔室之間可基本上阻斷總體液流的屏障，運輸至第二腔室中的液體，所述設備包括(a)包括入口和出口的第一腔室和鄰近的第二腔室，和(b)分隔所述第一和第二腔室的第一壁，所述第一壁包括所述第一壁中密封于第一珠座中的第一離子交換珠，所述第一離子交換珠能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通過，并且能基本上阻斷總體液流。
2.權利要求1的離子運輸設備，其中所述第一離子交換珠與所述第一腔室流體連通。
3.權利要求2的離子運輸設備，其中所述第一離子交換珠與所述第二腔室流體連通。
4.權利要求1的離子運輸設備，其中所述第二腔室是細長的通常為管狀的構造。
5.權利要求1的離子運輸設備，其中所述第二腔室是毛細管。
6.權利要求1的離子運輸設備，其進一步包含與所述第一或第二腔室流體連通的含水 液體的第一來源。
7.權利要求1的離子運輸設備，其進一步包含與所述第一腔室電連接的第一電極。
8.權利要求7的離子運輸設備，其進一步包含與所述第二腔室電連接的第二電極。
9.權利要求8的離子運輸設備，其進一步包含用于在所述第一和第二電極之間施加電 勢的電源。
10.權利要求9的離子運輸設備，其中所述電源能在所述第一電極和第二電極之間以 第一極性施加第一電壓，并能施加與所述第一極性相反的第二極性的第二電壓。
11.權利要求1的離子運輸設備，其進一步包括(c)與所述第二腔室鄰近的第三腔室，和(d)分隔所述第三和第二腔室并與所述第一壁間隔開的第二壁，所述第二壁包括所述 第二壁中密封于第二珠座中的第二離子交換珠，所述第二離子交換珠與所述第二和第三腔 室流體連通，并能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通過，并且能基本上阻斷總體液流。
12.權利要求11的離子運輸設備，其進一步包括(e)與所述第一和第三腔室電連接的第一和第二電極。
13.權利要求12的離子運輸設備，其包括電解洗脫液發生器。
14.權利要求11的離子運輸設備，其中所述第一和第二離子交換珠具有相同的正電荷 或負電荷。
15.權利要求11的離子運輸設備，其中所述第一和第二離子交換珠具有電荷正負相反。
16.權利要求11的離子運輸設備，其包括抑制器。
17.權利要求1的離子運輸設備，其除了所述第一珠之外，包括帶有與所述第一珠相同 的正電荷或負電荷的多個離子交換珠，其在所述第一壁中密封于多個珠座中。
18.用于離子層析的抑制器，其包括(a)具有入口和出口的離子接收流道和鄰近的液體樣品流通道，和(b)分隔所述離子接收流道和所述樣品流通道的第一壁，所述第一壁包括所述第一壁 中密封于珠座中的第一離子交換珠，所述第一離子交換珠與所述離子接收流道流體連通， 并且能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通過，并且能基本上阻斷總體液流。
19.權利要求18的抑制器，其進一步包括(c)與所述液體樣品流流通道鄰近的第二腔室，和(d)分隔所述第二腔室和所述樣品流通道并與所述第一壁間隔開的第二壁，所述第二 壁包括所述第二壁中密封于珠座中的第二離子交換珠，所述第二離子交換珠與所述第二腔 室和所述樣品流通道流體連通，并能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通過，并且能基本 上阻斷總體液流。
20.與層析分離器組合的權利要求18的抑制器，所述層析分離器與所述樣品流通道入 口流體連通。
21.用于電解產生酸、堿或鹽的設備，其包括(a)包括入口和出口的第一腔室和鄰近的洗脫液生成流通道，(b)分隔所述第一腔室和所述洗脫液生成流通道的第一壁，所述第一壁包括所述第一 壁中密封于珠座中的第一離子交換珠，所述第一離子交換珠能使帶有一個正電荷或負電荷 的離子通過，并且能基本上阻斷總體液流，和(c)分別與所述第一腔室和洗脫液生成流通道電連接的第一和第二電極。
22.與層析分離器組合的權利要求21的運輸設備，所述樣品流流道出口與層析分離器 流體連通。
23.權利要求21的設備，其進一步包括(c)與所述洗脫液生成流通道鄰近的第二腔室，和(d)分隔所述洗脫液生成流通道和所述第二腔室并與所述第一壁間隔開的第二壁，所 述第二壁包括所述第二壁中密封于珠座中的第二離子交換珠，所述第二離子交換珠與所述 第二腔室和所述洗脫液生成流通道流體連通，并能使帶有一個正電荷或負電荷的離子通 過，并且能基本上阻斷總體液流。
24.一種方法，其包括將第一腔室的流體中帶一個正電荷或負電荷的離子，通過可阻斷 第一和第二腔室之間液體流動的屏障，運輸至第二腔室的液體，所述方法包括(a)在第一腔室中提供第一離子源，其包含選擇的帶一個正電荷或負電荷的離子，(b)使離子接收液流流經與所述第一腔室鄰近的離子接收流道，(c)提供將所述第一腔室與所述離子接收流道分離的第一壁，所述第一壁包含所述第 一壁中密封于珠座中的第一離子交換珠，所述第一離子交換珠能運輸帶一個正電荷或負電 荷的離子，并且能基本上阻斷總體液流，和(d)將所述選擇的離子從所述離子源，通過所述第一離子交換珠，運輸至所述流動的離 子接收流。
25.權利要求24的方法，其中所述離子接收流道在毛細管中。
26.權利要求24的方法，其進一步包括(e)提供包括含水液體的第二腔室，其與所述離子接收流道相鄰，和(f)提供將所述第二腔室與所述離子接收流道分離的第二壁，所述第二壁包含所述第 二壁中密封于珠座中的第二離子交換珠，所述第二離子交換珠能運輸帶一個正電荷或負電 荷的離子，并且能基本上阻斷總體液流，與所述第二腔室流體連通。
27.權利要求24的方法，其中在與所述第一腔室電連接的第一電極和與所述離子接收 流道電連接的第二電極之間通過第一電勢。
28.權利要求27的方法，其中在所述第一電極和所述第二電極之間通過與所述第一電勢極性相反的第二電勢。
29.權利要求24的方法，其進一步包括使電流經過所述第一離子交換珠在所述第一道 中的所述離子源和所述離子接收流道之間通過。
30.用于離子層析的抑制流體的方法，其包括(a)提供包括入口和出口的離子接收流道和鄰近的液體樣品流通道，(b)提供將所述離子接收流道與所述樣品流通道分離的第一壁，所述第一壁包含所述 第一壁中密封于珠座中的第一離子交換珠，所述第一離子交換珠能運輸帶一個正電荷或負 電荷的離子，并且能基本上阻斷總體液流，(c)使包括帶有一個正電荷或負電荷的樣品離子的樣本溶液流動，其已經在洗脫液中 層析分離，所述洗脫液包括選擇的與通過所述液體樣品流通道的樣品離子帶相反電荷的離 子，和(d)通過將所述選擇的離子從所述樣品流流道經過所述第一離子交換珠運輸進入所述 離子接收流道，來抑制所述洗脫液選擇的離子。
31.權利要求30的方法，其進一步包括使電流經過所述第一離子交換珠在所述樣品流 流道和所述離子接收流道之間通過。
32.用于產生酸或堿的電解方法，包括(a)在第一腔室中的陰離子或陽離子源庫中的含水液體中提供陰離子或陽離子源，(b)使含水液流流經酸或堿產生腔室，所述腔室由將所述第一腔室和所述酸或堿產生 流通道分離的第一壁與所述陰離子或陽離子源庫分離，所述第一壁包含所述第一壁中密封 于珠座中的第一離子交換珠，所述第一離子交換珠能通過帶一個正電荷或負電荷的離子， 并且能基本上阻斷總體液流，(c)分別在所述陰離子或陽離子源庫和所述酸或堿產生腔室之間施加通過所述離子交 換珠的電勢，和(d)將所述陰離子或陽離子從所述陰離子或陽離子源庫通過所述第一離子交換珠運輸 至所述酸或堿產生腔室中，以電解產生酸、堿或鹽。
33.離子運輸屏障，其包括具有珠座的壁和密封于所述珠座中的離子交換珠，所述珠座 能使帶一個正電荷或負電荷的離子通過，并且能基本上阻斷總體液流。
34.權利要求32的離子運輸屏障，其除了所述第一珠之外進一步包括多個離子交換 珠，其帶有與所述第一珠相同的正電荷或負電荷，密封于所述第一壁中的多個珠座中。
全文摘要
離子運輸設備(例如電解洗脫液發生器或用于離子層析的抑制器)，其中將第一腔室中的離子通過壁運輸至第二腔室內的液體中，所述壁包含密封于珠座中的離子交換珠。所述壁能運輸離子，但是基本上阻斷總體液流。
文檔編號B01J47/00GK101861519SQ200880116470
公開日2010年10月13日 申請日期2008年11月12日 優先權日2007年11月15日
發明者坎南·斯里尼瓦森, 楊丙成, 珀南達·K·達斯古普塔, 竹內政樹 申請人:迪奧尼克斯公司;德克薩斯州大學系統董事會