CN100528363C - 微流体分离柱装置及其制备方法 - Google Patents

微流体分离柱装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了诸如可以用于进行高效液相层析这样的压力驱动微流体分离装置。多个分离柱可以限定在单个装置中并填充有通过多孔滤头保留的固定相材料。可以提供一个或多个分流器以在多个分离柱之间分配淤浆和/或流动相。在一个具体实施例中，分离装置基本上是平面的且由多个装置层制成。本发明还提供了使用淤浆填充分离装置的系统和方法。

Description

微流体分离柱装置及其制备方法
相关申请
本申请要求2002年2月13日提交的且目前未决的美国临时专利申请第60/357,683号和2002年10月2日提交的且目前未决的美国临时专利申请第60/415,896号的利益。
本发明所属技术领域
本发明涉及一种分离装置及其制备方法，更具体地，涉及诸如可以用于分离化学或生物物质这样的填充式多柱装置。
与本发明相关的背景技术
在各种工业和研究院用装置中日常进行化学和生物分离。一种用于进行这类分离的技术，层析法，包括多种方法，其可用于分离混合物的紧密相关的组分。事实上，层析法具有许多应用，包括对各种混合物中的化合物进行分离、鉴定、提纯、和定量。层析法是一种物理分离方法，其中组分通常分配在两相之间：固定相和流动相。样品组分由流动相携带通过固定相床。
在柱层析中，固定相指载体上的涂层，载体通常包含在管或其它界面内。在重力或压力差的作用下迫使流动相通过固定相。将流动相作为样品溶液的载液。当样品溶液随着流动相流过固定相时，该溶液的组分将根据与固定相的相互作用进行迁移并不同程度地被阻滞。相对于在流动相所用部分时间，特定化合物用在固定相的时间将决定其通过柱的速度。
分离柱可以用若干不同的方法进行填充，虽然填充这类柱的传统方法通常是缓慢和困难的。一种简单的填充方法是在来自超声波浴或雕刻工具(engraving tool)的振动的帮助下通过振落颗粒来干填充空管。截短的吸移管管尖可用作在顶部的容器，而待填充的管在底部用封口膜或管帽塞住。然后经干法填充的管可以用套圈、滤头(frit)、以及阳螺母固定在底端，并且除滤头之外用相同的接头固定在顶端。通过填充材料的流动加压溶剂可进一步压缩管的内容物。当停止压紧颗粒床层并且流体压力已稳定时，将管子截短至床层表面，然后在使用前重新组装。
另一种填充方法使用淤浆。将空柱连接于诸如
Figure C0380359200091
Self-
Figure C0380359200092
容器(PerSeptive Biosystems，Foster City，加利福尼亚)这样的填充容器，在其上将该柱用适量的稀释淤浆填满。然后在将管用流体和适当的设备如泵进行内部加压之前，将容器柱的端部拧紧。可以施加几百或甚至几千磅/英寸2(psi)的压力，这取决于管子的材料性能和密封装置抗泄漏的能力。通常，将经填充的管子在填充步骤后切割以除去任何死体积(其中填充是不完全的或不存在)，从而除去任何受污染的区域，和/或产生多个所需长度的部分。其后，将接头加到每个管部分以允许与其它流体部件如泵连接。
前述填充方法具有限制其应用的缺点。首先，这样的方法相对缓慢和效率低。传统的干法填充和淤浆填充方法通常需要切割或修整管子，然后装配接头以连接于其它部件。这些步骤费力，并且额外接头的存在带来操作中潜在的泄漏问题。此外，传统的淤浆填充方法受众人皆知的阻塞问题的影响，特别是当应用于小孔柱如毛细管时。在填充步骤中这种阻塞或堵塞可能妨碍柱进行全部填充，即使进行填充的话。
并且，可能需要在单个装置中装设多个分离柱，如微流体装置。这样的构造会允许通过平行分析多个样品对样品进行大量分析。然而，传统的填充方法不能同时填充多个分离柱。此外，可能需要同时填充几个这类微流体装置以允许制造大量的这类装置。
已知各种分离装置及其制备方法。例如，US 6,246,892披露了由两个基本平面基板制备的分离装置，通过非硅基材料的激光烧蚀或微模制来制作图案而将其分为两等分。可将表面活性剂提供给分离隔板以作为“模拟填充柱相”用于进行胶束电动毛细管层析。在另一实例中，WO 01/38865披露了一种用于在包括蚀刻玻璃基板和盖板的装置内捕获珠状物或颗粒的装置和方法。可使用一个或多个薄浅蚀刻坝(weirs)以在较深蚀刻通道内捕获珠状物。可以连续地设置多个坝和填充通道，同时每个填充通道具有不同类型的珠状物以顺次发挥不同的分离功能。在另一实例中，US 4,891,120披露了利用溅射沉积和蚀刻技术由半导体、玻璃、以及金属材料制成的分离装置。可将不同类型的分离介质设置在通道中，如在化学活性通道表面、氧化硅或氧化铝通道表面的原位聚合树脂，用于离子交换的碳水化合物或丙烯酸基交换物，凝胶过滤或凝胶电泳介质，疏水琼脂糖，或用于进行微亲合层析的表面固定部分。
本发明的一个目的是改进微流体装置，以便提供在易于制备的装置中包含填充颗粒固定相材料的多分离通道。
鉴于以上所述，需要改进柱填充方法。因此需要提供在单个装置上的多个分离柱，如多柱微流体分离装置，以及提供制造这类装置的方法。并且也需要提供填充方法，其可以容易地按比例增加以允许大量制造分离装置。
附图简要描述
图1A是包括8个分离柱的9层微流体分离装置的分解立体图。图1B是图1A的组装好的装置的俯视图。图1C是图1A-1B的分离装置的第一部分的扩大的俯视图，显示样品注射口和相关的通道。图1D是图1A-1B的分离装置的第二部分的扩大的俯视图，显示溶剂入口、混合区域、以及用于在8个柱之间分流和分配溶剂混合物的分流网络。
图2A是第一夹持装置(clamp assembly)的第一(上)板的仰视图，其可以用来帮助填充图1A-1B所示装置的柱体。
图2B是相同夹持装置的第二(下)板的俯视图。图2C是图2A所示第一板的端视图。
图2D是图2B所示第二板的端视图。
图2E显示图2A-2B的第一板和第二板，其中图1A-1B所示的微流体装置叠置于第一板。
图2F是沿夹持装置的线“A”-“A”(示于图2E)的复合截面图，包括说明于上述附图中的第一板和第二板，其用螺栓固定和夹紧在图1A-1D所示微流体装置的周围。
图3示意说明填充至少一个分离柱的系统和装置。
图4A是图1A-1B的装置的侧视图，其定位在用于填充该装置的分离柱的第二夹持(机械)装置。
图4B是图4A的夹持(机械)装置的分解正视图。
图5A示意性说明利用可旋转圆筒填充至少一个分离柱的系统。
图5B示意性说明图5A的部分系统的截面，其描绘在第一旋转位置的圆筒。
图5C示意性说明图5A的部分系统的截面，其描绘在第二旋转位置的圆筒。
图6是包括24个分离柱的多层微流体装置的俯视图。
图7A是图6所示微流体装置的第一部分的分解立体图，包括第一至第三层。
图7B是图6所示微流体装置的第二部分的分解立体图，包括第四至第六层。
图7C是图6所示微流体装置的第三部分的分解立体图，包括第七至第九层。
图7D是图6所示微流体装置的第四部分的分解立体图，包括第十至第十二层。
图7E是图7A-7D的尺寸缩小的复合，示出了图6的微流体装置的分解立体图。
图8示意性说明利用水平放置的圆筒填充至少一个分离柱的系统。
图9示意性说明利用机械搅拌的圆筒填充至少一个分离柱的系统。
图10示意性说明利用重力自流进料流动流填充至少一个分离柱的系统。
图11示意性说明利用流化床填充至少一个分离柱的系统。
优选实施例的详细描述
定义
在本文中所用的术语“柱”是指包含固定相材料的流体装置的区域，通常包括填充的颗粒物质。在本文所述的微流体装置中，术语“柱”与填充分离通道是同义的。
在本文中所用的术语“微流体”指结构或装置，通过其能够通过或引导一种或多种流体，并且其至少具有一个小于约500微米的尺寸。
在本文中所用的术语“压力容器”指容器，将其基本上进行密封以防无意泄漏并能够被加压到显著大于大气压的压力。
在本文中所用的术语“淤浆”是指颗粒物质和溶剂的混合物，优选颗粒在溶剂中的悬浮液。
在本文中所用的术语“模板”是指材料层或片材，其优选为基本平面的，通过其一个或多个各种形状和取向的部分已被切割或相反通过该层的整个厚度已被除去，并且其允许在该层内大量的流体移动(例如，以通道或室的形式，与简单的通孔相反，其是通过一层将流体传送到另一层)。切割或相反除去部分的轮廓形成微结构的侧边界，这些微结构是当模板夹在其它层(如基板和/或其它模板)之间时所形成。
一般的流体装置
根据本发明的柱制备方法可以应用于各种类型的流体装置，包括利用一个或多个传统尺寸管、毛细管、或微流体通道的装置。在特别优选的具体实施例中，流体装置是利用模板层或片材制成以限定通道和/或其它微结构。例如，经改进以接纳切割刀片的计算机控制的标绘器可用来通过材料层切割各种图案。这样的刀片可用来切割要分离的部分并从模板层除去，或制作狭缝，其分隔层的某些区域而不除去任何材料。可替换地，计算机控制的激光切割器可用来切割贯穿材料层的部分。虽然激光切割可用来产生精确尺寸的微结构，但使用激光来切割模板层本质上涉及除去某些材料。可用来形成模板层的方法的进一步的实例包括传统的冲压或冲切技术。与一般用来生产微流体装置的传统的表面微加工或材料淀积技术相比，上述用于切割通过模板层或板材的方法允许快速和便宜地制造耐用装置。
在切割或除去部分模板层后，切割或相反除去部分的轮廓形成微结构的侧边界，这些微结构是在把模板夹在基板和/或其他模板之间后所完成。微结构(如通道或室)的厚度或高度可通过改变模板层的厚度，或通过利用多个基本相同的模板层叠加在另一层的顶部加以变化。当在微流体装置中进行组装时，模板层的顶部和底部表面是用来配合一个或多个相邻层(如模板层或基板层)以形成基本封闭的装置，通常至少具有一个入口和至少具有一个出口。
各种方式可用来将装置层密封或粘合在一起。例如，可使用粘合剂。在一个具体实施例中，一层或多层装置可由单侧或双侧粘合带制成，虽然可以使用其它粘合模板层的方法。可切割和除去部分带(具有所需要的形状和尺寸)以形成通道、室、和/或孔。然后可将带状模板(tape stencil)放置在具有适当的覆盖层的支撑基板上，在带层之间、或在其它材料层之间。在一个具体实施例中，模板层可彼此叠加。在该具体实施例中，在特定模板层内通道的厚度或高度可通过改变模板层的厚度(例如，带状载体(tape carrier)和其上的粘合剂材料)或通过利用多个基本相同的模板层(叠加在另一层的顶部)加以变化。各种类型的带可与这样的具体实施例一起使用。适当的带状载体材料包括但不限于聚酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚丙烯、以及聚酰亚胺。这样的带可具有各种固化方法，包括通过压力、温度、或化学或光学相互作用进行固化。这些载体材料和粘合剂的厚度可以变化。
在另一个具体实施例中，装置层可直接粘合而不用粘合剂以提供高粘合强度(对于高压应用理想)以及消除在这类粘合剂和溶剂和/或样品之间的潜在的相容性问题。所需要的操作压力较好大于约10psi(69kPa)，更好大于约100psi(690kPa)，而最好大于约400psi(2.8MPa)。直接粘合非取向聚烯烃(如非取向聚丙烯)层以形成模板基微流体结构的方法的特定实例披露在共同提出的未决美国专利申请第10/313,231号(2002年12月6日提交)中，其由本申请的受让人所拥有。在一个具体实施例中，包括至少一模板层的多层7.5密耳(188微米)厚度“透明撕裂密封”(“Clear TearSeal”)聚丙烯(American Profol，Cedar Rapids，衣阿华)可叠加在一起，放置在玻璃台板之间并压缩以对层状堆积(layered stack)施加0.26psi(1.79kPa)的压力，然后在工业烘箱中154℃下加热大约5小时以产生永久粘结的微结构，其很好适用于高压柱填充方法。在另一个具体实施例中，包括至少一模板层的多层7.5密耳(188微米)厚度“透明撕裂密封”聚丙烯(American Profol，Cedar Rapids，衣阿华)可叠加在一起。若干微流体装置组件可以叠加在一起，同时将薄箔设置在每个装置之间。然后该叠层(stack)可放置在保温台板之间，在152℃加热大约5小时，用强制的环境空气流冷却至少约30分钟，在146℃再加热大约15小时，然后以与第一冷却步骤一样的方式冷却。在每个加热步骤中，对微流体装置施加约0.37psi(2.55kPa)的压力。
尤其是，基于模板的制造方法使得可以非常快速地制造装置，对于试生产(prototyping)和对于大规模生产都是如此。快速的样品制作对于试验和优化新的装置设计是无价的，因为对设计可快速进行实施、试验、以及(如果必要的话)改进以及进一步试验以获得所需要的结果。用模板制作方法快速制作样品装置的能力也允许同时对特定设计的许多不同的变型进行试验和评估。
在另外的具体实施例中，供根据本发明的方法使用的微流体装置可以由诸如玻璃、硅、四氮化三硅、石英等材料、或类似的材料进行制备。各种传统的机加工或微机加工技术，如那些在半导体工业已知的技术，可用来在这些材料中制作通道、通路、和/或室。例如，可以使用包括湿或干刻蚀和激光烧蚀的技术。利用这类技术，通道、室、和/或孔可以制作进入材料的一个或多个表面或穿过材料。
另外的具体实施例可利用诸如模压、冲压、模塑、以及软平版印刷术这类公知的技术由各种材料制造。
除了使用上述的粘合剂和无粘合剂粘合方法外，其它技术可用来连接对本发明有用的微流体装置的一个或多个各种层，如连接材料领域的技术人员所明了的。例如，可以使用：连接技术，包括热、化学、或光激活粘结步骤；机械连接(如利用夹具或螺丝来对层施加压力)；和/或其它等效的连接方法。
优选的流体装置
在一个优选的具体实施例中，压力驱动流体装置包括多个通道，可将其进行填充以形成足以进行液相层析的分离柱。优选地，这样的装置允许利用最少数目的昂贵系统部件如泵、脉冲阻尼器等同时分离多个不同的样品。例如，图1A-1B说明微流体分离装置10，包括8个包含固定相材料47的分离通道45A-45N。(虽然图1A-1B显示装置10具有8个分离柱45A-45N，但本领域技术人员容易明白，可以提供任何数目的柱45A-45N。由于这个原因，符号“N”表示变量并可以表示任何所需数目的柱。在本文的全文中使用该规定。)装置10可以由9个基本上平的装置层11-19所构造，包括多个模板层12-18。9个装置层11-19的每一层限定两个对准孔20、21，其与外部螺栓(未示出)一道用来在构造期间帮助对准层11-19，和/或帮助在填充过程中将装置10对准于外部接口。
第一装置层11限定几个流体口：两个溶剂入口22、24，其用来将(流动相)溶剂供给装置10；8个样品口28A-28N，其允许将样品引到8个柱(设置在通道45中)；淤浆入口26，其用来在柱填充过程中将淤浆供给装置10；以及流体出口30，其用来[1]在填充过程中从装置10排出(淤浆)溶剂；以及[2]在分离装置10操作期间用来从装置10携带(carry)流出物。可替换地，可以设置多个出口(未示出)以从每个分离通道45A-45N分别将流出液流输送出装置10。由于在图1A-1B中描绘有大量的单元，为清楚起见，在字母数字系列组内选择单元的数字(例如，样品入口28A-28N)从附图中省去。
第一至第六层11-16的每一层限定8个光学检测窗口32A-32N。通过这些装置层11-16限定这些窗口32A-32N有助于光学探测，它是通过局部减少限制(从上面和下面)通道部分70A-70N的材料厚度，其是位于含柱通道45A-45N的下游，从而减少在外部光学检测器(未示出)如传统的UV-VIS检测器和样品(包含在通道部分70A-70N)之间材料的量。可以使用各种类型的光学检测器来检测物质的至少一种性能，其是洗脱自经填充的分离通道45A-45N。
第二至第七层12-17每层限定第一溶剂通路22A用于将流动相溶剂从第一流动相入口22输送到限定在第八层18的第一流动相通道64，同时另外的溶剂通路24A限定在第二至第五层12-15以输送第二流动相溶剂到限定在第六层16的通道46。另外的通路30A限定在第二至第六层12-16以在流体口30和限定在第七层17的流出物通道62之间提供流体通道。限定在第二层12的通路26A在淤浆填充过程中将来自淤浆入口26的淤浆连通于限定在第三层13的横向通道38。优选地，由淤浆填充方法沉积的颗粒材料不仅填充多个分离通道45A-45N，而且填充通道42和至少部分通道38。第二层12进一步限定8个样品通道35A-35N，每个通道具有扩大的区域34A-34N，每个扩大区域34A-34N是对准于限定在第一层11的样品入口28A-28N。
除上述结构以外，第三层13限定细长通道38，而8个样品通路36A-36N，每一个对准于相应样品通道35A-35N的端部。第四层14限定歧管通道42和8个样品通路44A-44N，其对准于第三层13的通路36A-36N。歧管通道(manifold channel)42提供限定在第五层15的分离通道45和限定在第三层13的细长通道38的流体连通。分离通道45优选为约40密耳(1mm)宽或更小。作为歧管通道42的替换，可以使用具有放射状部分的连接(未示出)。
将多孔(样品)设置在第三层13和第四层14之间。该滤头40的作用是将固定相材料47保留在分离通道45A-45N，但需要时允许流体通过(即，流体样品通过样品口28A-28N供给到装置10)。虽然可以使用各种滤头材料，滤头40(和滤头50、51)优选由可渗透的聚丙烯膜制成，如1密耳厚的Celgard 2500膜(55％孔隙率，0.209×0.054微米孔径大小，Celgard公司，Charlotte，北卡罗来纳)，特别是如果装置10的层11-19是利用无粘合剂热粘结方法(利用台板)粘结在一起，如上所述。优选地，该滤头材料的平均孔径大小小于要填充在装置10内的颗粒的平均粒度，从而确保填充材料保留在装置10中。利用这种特殊的滤头材料申请人已获得良好的结果，而在该滤头内没有显著的毛细作用或侧向流动，尽管使用滤头膜的单个条40来用于含有多个相邻柱的通道。作为单个滤头40的较少优选的替换，可以代替各种多孔材料类型和厚度的多个分开的滤头(未示出)。
第六层16限定通道46，其将来自通路24A的第二流动相溶剂输送到限定在第七层17的狭缝52，这促进在狭缝52的通道64下游的两种溶剂的混合。进一步限定在第六层16中的是8个通路48A-48N，用于将混合的流动相溶剂供给分离通道45A-45N的上游端部，以及在相同分离通道45的下游端部的第二组8个通路49A-49N，用于运送来自分离通道45A-45N的下游端部的流出物。将两个滤头50、51设置在第六和第七层16、17之间。第一(流动相溶剂)滤头50是直接放置在第一组8个通路48A-48N的上面，而第二(流动相+样品)滤头51是直接放置在第二组8个通路49A-49N的上面和限定在第七层17的类似组8个通路60A-60N的下面。第七层17限定通道部分58、两个介质叉形通道部分56A-56B、以及8个通路54A-54N，用于将流动相溶剂通过滤头50和通路48A-48N连通于限定在第五层15的分离通道45。第七层17进一步限定下游歧管通道62，其在分离期间接收流动相溶剂和样品，并在柱填充期间接收(淤浆)溶剂，用于确定这类流体通过通路30A到限定在第一装置层11的流体出口30的路线。
第八层18限定混合通道64、一个较大的叉形通道部分68、以及四个较小的叉形通道部分66A-66D。第八层18进一步限定8个平行通道部分70A-70N(滤头51的下游)，用于接收分离期间的流出物或淤浆填充期间的溶剂，以及用于输送这类流体到限定在第七层17中的歧管通道62。第九层19用作限定在第八层18的通道结构的覆盖物。
图1B是图1A的组装好的装置10的俯视图。图1C-1D提供装置10的两部分的扩展图。图1C显示样品注射通道35A-35N和有关的扩大区域34A-34N，其对准于限定在第一层11的样品入口28A-28N。为简便起见，图1C已略去滤头40，虽然图1A-1B正确显示滤头40是放置在样品通路36A-36N和44A-44N之间，将在该处的上游样品注射到分离通道45A-45N以填充以经填充的颗粒固定相材料。图1D显示混合和分流通道结构，其将流动相溶剂连通于含柱通道45A-45N。在操作装置10时，将第一流动相溶剂注射进第一溶剂入口22并流入通道64。将第二流动相溶剂注射进第二溶剂入口24并流过通道部分46且通过狭缝52，在那里它与通道64中的第一溶剂分层并与其结合。这两种分层的溶剂在通道64和其后的通道部分58中混合，此后，通过经分流器55的运送，混合的溶剂流分成8个部分或子流，其中分流器包括：一个较大的叉形通道部分68，两个中等叉形通道部分56A、56B，以及四个较小的叉形通道部分66A-66D。然后8个溶剂混合物子流通过通路54A-54N和48A-48N被注射到(包含柱)分离通道45A-45N。为简便起见，图1D已略去放置在通路54A-54N和48A-48N之间的滤头50，虽然滤头50被适当设置在图1A-1B中。
优选地，装置10的各种层11-19是由非取向的聚丙烯制成并利用无粘合剂的热粘结方法(如使用台板的方法)进行粘合，如前所述。这种构造方法产生具有高粘合强度的耐化学药品装置，这对经得起柱填充过程和其后的操作都是所需要的特性以提供分离效用。
虽然各种长度的分离柱可以提供在根据本发明的分离装置中，如装置10，但优选地，这类柱的长度大于或等于约1cm(厘米)以提供合理的分离效率。根据本文所述的方法也可以制备比1cm长得多的柱。
虽然说明于图1A-1D的装置10是优选的流体装置，但可以使用各种各样的其它流体装置。在某些具体实施例中，流体装置可以包括一个或多个管，特别是毛细管。例如，毛细管可以嵌入微流体装置的一个或多个通道中。
如上面简单论述的，通过淤浆填充方法(下文描述)沉积的颗粒材料优选填充歧管或连接通道42以及至少部分上游通道38。这在通道38中留下的填充(颗粒)材料的“拖尾后沿”(“trailingedge”)，其远离注射区域(即，相邻于滤头40的流动相注射通路44A-44N和相邻于滤头50的样品注射通路48A-48N)，此处流动相和样品被提供给含柱通道45A-45N。在操作中，流动相和样品是直接注射于通道45A-45N中的柱上，在通道38中的颗粒材料的拖尾后沿的适当的下游。避免样品流过颗粒的拖尾后沿区域对于促进高质量分离是有利的，因为拖尾后沿通常并没有很好填充。也就是说，因为在层析中分离的质量主要取决于注射塞子的大小，小的和轮廓分明的塞子一般提供更好的结果，因而需要避免将样品注射进未用颗粒进行均匀填充的区域。填充材料的拖尾后沿的适当的下游处的柱上注射可促进小的和轮廓分明的样品塞子。
在液相层析应用中，经常需要在特定的分离期间改变流动相的组成。如果在单个集成装置(如装置10)中提供多个分离柱并且流动相的组成随时间而变化，那么在离流动相入口的共同的线性距离处，需要从一个柱到下一个柱流动相具有基本相同的组分。。这可用装置10获得，由于下述两个因素：(1)每个(分割)流动相溶剂子流(substream)的槽体积(示于图1D)对于每个柱是基本上相同的；以及(2)流体(流动相和样品)入口的每个流动通道下游的特点在于基本上相同的阻抗。第一个因素，基本上相等的子流流动槽，是通过设计结合有单元(elements)58、68、56A-56B、以及66A-66D的复合分流器来促进。第二个因素，每个柱具有基本上相同的阻抗，是通过设计流体装置10和利用本文披露的淤浆填充方法制备流体连通(例如，具有共同的出口)的多个柱来促进。在多个柱与共同的出口流体连通的情况下，在装置10内的淤浆流动是偏向于任何低阻抗区域。在填充过程中流动到特定区域的淤浆越多，则沉积的颗粒越多，从而局部地提高阻抗，进而产生自校正方法来产生从一个柱到下一个柱基本上相等的阻抗。
微流体分离装置可以包括显著地多于8个分离通道，并且分离通道的数目无需是2的偶数次幂。例如，包括24个分离通道639A-639N的微流体分离装置610说明于图6和图7A-7E。微流体分离装置610是由12个装置层611-622构成，包括多个模板层614、615、617、618、620。12个装置层611-622的每一个限定5个对准孔623-627，其与外部定位销(未示出)一道被用来帮助在构造期间对准层，或在填充过程中或在操作装置610期间帮助将装置610对准于外部接口如夹具(未示出)。
第一至第三层611-613限定多个样品口/通路628A-628N，其允许样品被引入多个分离柱639A-639N(限定在第七装置层617)，以及多个光学检测窗口630A-630N。两个样品口628A-628N和629A-629N与每个分离柱639A-639N相连以允许将精确容积或“塞子”的样品注射进每个柱639A-639N。光学检测窗口630A-630N也被限定在第一至第八以及第十二装置层611-618、622。光学检测窗口630A-630N有利于光学检测，其是通过减少在光学检测器(未示出)，如传统的UV- Vis检测器，和包含在输出分析通道632A-632N(限定在第十装置层620)(在柱639A-639N的下游)中的样品之间材料的量。
第四至第六层614-616限定流动相分配网络640，其包括流动相混合通道642、复合混合通道644(由多个混合器部分646A-646N组成)、以及流动相分流器648(由多个分流器部分650A-650N组成)。第四装置层614限定多个样品注射通道654A-654N。将第一滤头652设置在流动相分流器648和样品注射通道654A-654N之间。第一滤头652(以及下述的其它滤头)优选由可渗透的聚丙烯膜制成，如1密耳厚的Celgard 2500膜(55％孔隙率，0.209×0.054微米孔径大小，Celgard公司，Charlotte，北卡罗来纳)。第五和第六装置层615、616限定许多样品注射通路656A-656N和657A-657N。将第二个滤头658设置在第五装置层615的样品注射通路656A-656N和第六装置层616的样品注射通路657A-657N之间。第五至第十二装置层615-622限定第一流动相通路664A-664H，其彼此之间和与流动相混合通道642是流体连通。
第五和第六装置层615、616限定第二流动相混合器狭缝660、662，其彼此之间和与流动相混合通道642是流体连通。第七装置层617限定通道部分666，其与限定在第八至第十二装置层618-622的第二流动相混合器狭缝660、662和多个第二流动相输入通路668A-668D以及口668E是流体连通的。
第七装置层617限定分离通道639A-639N。第七装置层617和第八装置层618一起限定淤浆分配网络670，其包括淤浆输入通道672和淤浆分流器674(由淤浆分流器部分676A-676N构成)。第八至第十二装置层618-622限定多个淤浆通路678A-678N，其彼此之间和与淤浆输入通道642是流体连通。
第八和第九装置层618、619限定多个分离柱输出通路680A-680N，其彼此之间以及与分离柱639A-639N是流体连通。第三个滤头682是安置在第八装置层618的分离柱输出通路680A-680N和第九装置层619的分离柱输出通路680A-680N之间。
第十装置层620限定多个输出分析通道632A-632N，每个包括光学对准部分686A-686N，其是对准于限定在第一至第八以及第十二装置层611-618、622的光学检测窗口630A-630N。流出物通路689A-689N、688A-688N是限定在第十一和第十二装置层621、622并彼此之间和与输出分析通道632A-632N是流体连通。第四个和第五个滤头690、692是安置在第十一装置层621的流出物通路689A-689N和第十二装置层622的流出物通路688A-688N之间。
在操作中，装置610的柱639A-639N是填充以所需要的固定相材料，通常是硅石基颗粒，如C-18硅石(二氧化硅)颗粒。溶剂(如乙腈)和颗粒的淤浆通过淤浆通路678A-678N被注射到淤浆输入通道672和淤浆分流器674，随后淤浆被分配到每个柱639A-639N。第二个和第三个滤头658、682防止淤浆通过分离柱输出通路680A-680N或样品注射通路656A-656N流出柱639A-639N。在填充柱639A-639N以后，可以密封淤浆输入通道672以防止该处未被填充。可替换地，溶剂可以在操作分离装置期间通过淤浆输入通道672注入，从而允许溶剂的流体压力保持所需要的填充密度。
为了利用装置610进行层析分离，将经填充的装置放置在层析仪器中，其具有蛤壳式密封接口(clamshell-type gasketed interface)，如描述在2002年10月31日提交的共同提出的未决美国专利申请第60/422,901号中。通过第一和第二溶剂输入口664H、668E可向装置610提供一种或多种溶剂。如果使用两种溶剂(例如，为了进行梯度分离)，当第二种溶剂通过第二流动相混合器狭缝660、662进入溶剂混合通道642时，两种溶剂则被合并。由通道部分646A-646N形成的回旋通道(convoluted channel)用来提供足够的通道长度以允许在狭缝662和混合通道642之间的重叠部分的下游进行混合(通过流动相经过的多个方向变化增强)。混合后，流动相进入流动相分流器648，在那里它被均匀分配到每个柱639A-639N并通过流出物通路689A-689N和出口688A-688N从装置中流出。
一旦装置610用流动相充分地润湿，中止流动相的流动并将样品注入样品输入口628A-628N。输入样品后，密封样品输入口628A-628N并重新开始流动相的流动，从而携带样品通过柱639A-639N，借此进行所需要的分离。分析仪器(未示出)可以通过光学检测窗口630A-630N观测分离结果。可替换地，或额外地，可以从流出物通路688A-688N收集流出物，供另外的分析。
优选地，装置610的各种层611-622是由非取向的聚丙烯制成并利用无粘合剂的热粘结方法(使用台板)粘合在一起，如前所述。这种构造方法产生具有高粘合强度的耐化学药品装置，这对经得起柱填充过程和其后的操作都是所需要的特性以提供分离效用。
夹具
诸如装置10或610这样的微流体装置可以放置在夹具内以帮助柱填充。第一种典型的夹具示于图2A-2F。该夹具包括第一(上)板100和第二(下)板130。如图2F所示，两个板100、130可以夹在微流体装置(如先前描述的装置10)周围并用螺栓140固定。上板100具有通孔102A、104A，其沿着板110的边安置并设计成配合于在下板130的相应的(带有内螺纹的)孔102B、104B，用于接纳螺栓140。为了帮助对准在两个板100、130之间的微流体装置，可以在第二板130设置多个凸起的定位销108以穿过微流体装置中的孔(例如，在装置10中的孔20、21)并配合于第一板100中的凹处106。当两个板100、130夹住微流体装置时，板的内表面124、134紧靠装置并相互面对，而板100、130的外表面122、132面向外。
设置了几个部件(features)以帮助将夹具连接于微流体装置从而促进柱填充。第一板100限定切口区域(cutout region)110，其为淤浆进入入口提供无阻碍通道，如示于图2E的流体口26。第一板100限定密封垫113插入其中的凹处112；该密封垫113在填充步骤期间配合于样品入口28以防止淤浆进入口28。进一步限定在第一板的是沿一个边缘的带有内螺纹的凹处117，用于接纳高压接头(未示出)，通过其分离自填充淤浆的溶剂可以流出微流体装置。凹处117包括孔或流体通道118，其连接于穿过第一板100的内表面124的另一个流体通道或凹处116。流体通道116穿过表面115，它与大部分内表面124是处于大致相同的水平，但与周围的环形凹处114相比是凸起的，其是设计用来固定环形密封垫(未示出)。如图2E所示，微流体装置10的流体口30用来在填充过程中将流体(溶剂)从装置10排入流体通道116(以及前进到通道116和引到流出该夹具的导管的外部流体输送接头)，以致装置10的直接围绕流体口30的表面密封地连接包含在环形凹处114中的密封垫以避免无意造成的流体泄漏。如此，包括上板和下板100、130的夹具促进淤浆无阻碍进入微流体装置，并保证密封输送分离自该淤浆的溶剂离开微流体装置。
另一个典型的夹具299示于图4A-4B。该夹具包括第一板300和第二板330。该夹具299适合于用固定相材料填充三个微流体装置(如先前描述的装置10)；然而，本领域技术人员容易明白：通过增加或减小夹具299的尺寸和重复(设置)夹具299，可以提供填充任何所需数量的装置的夹具。
如图4A所示，两个板300、330可以夹在微流体装置10A周围并用螺栓340和螺帽341固定。第一板300具有通孔302A、304A，其沿第一板300的边设置并用来配合在第二板330的对应的孔302B、304B，以接纳螺栓340。为了帮助对准在两个板300、330之间的微流体装置10A，可以在第一板300提供多个凸起的定位销308以穿过微流体装置中的孔(例如，在装置10中的孔20、21)并配合于第二板330中的凹处306。
如前所述，提供了几个部件以帮助将夹具299连接于微流体装置10从而促进柱填充。第二板330限定淤浆口310，其为淤浆进入装置10的入口提供无阻碍通道。第一板300限定密封垫313插入其中的凹处312；该密封垫313在填充期间配合于微流体装置10的样品入口328以防止填充过程中压力释放。类似地，第一板300限定密封垫315插入其中的凹处314；该密封垫315在填充步骤期间配合于溶剂入口22、24以防止填充过程中压力释放。如图4B、5A所示，可以重复这些部件以容纳三个(或更多)微流体装置10A-10N(为简便起见，已略去与额外的微流体装置10有关的部件的编号，其中额外的微流体装置10可以由夹具299进行固定)。
淤浆填充系统和方法
在一个优选具体实施例中，至少一个流体装置利用压力容器进行淤浆填充。可以用来达到这个结果的系统200示于图3。虽然图中说明仅单个装置202包含在容器210内，但根据本文披露的方法在压力容器内可以同时填充多个装置。压力容器210包括淤浆浴208，同时流体装置202放置在其中，以致装置202的淤浆入口206完全浸入在浴208中。流体装置202包括流体连接204以提供与外部溶剂收集装置216的基本上密封的连接，其优选保持在或低于大气压。当压力容器被加压时(通过压力源226、压力调节器228、以及有关的阀230和导管)，则穿过流体装置202产生压力差(由于流体连接于压力容器210和溶剂收集装置216)，其促进淤浆从淤浆浴208流入装置202。在装置202内，优选提供至少一个滤头(未示出)以留住来自淤浆的颗粒材料而又允许溶剂流过到达溶剂收集器216。
优选地，至少部分地用控制器240自动进行系统200的操作。虽然可以使用各种控制器类型，但控制器240优选为基于微处理器并能够执行包括用户定义指令顺序的软件。控制器240优选连接于基本上所有控制压力容器210的输入和输出的装置。例如，通过操作淤浆供给阀220控制器240可以控制来自淤浆供给容器或装置218的淤浆流到容器210。优选地，要供给到容器210的淤浆是在至少高于大气压的压力下供给，利用设备如泵或与淤浆供给装置218有关的压力供给(未示出)以促进淤浆流入容器210。用类似的方式，通过控制淤浆排出阀224，控制器240可以控制来自容器210的淤浆流到淤浆收集容器或装置222。淤浆浴208的搅拌(优选连续的)可以通过位于容器210内的搅拌棒212，而搅拌棒212的运转是由连接于控制器240的磁性搅拌板214所激发。
关于容器210的加压法，控制器240可以连接于调节器228和阀230，其控制将来自压力源226的加压气体(如压缩氮气)供给到容器210。控制器240优选控制连接于排气孔234的节流阀232以允许在接近填充过程结束时对来自容器210的加压气体进行受控排气。
根据本文披露的装置10的设计，用缺乏自动控制的简化系统(与系统200相比)申请人已成功填充微流体装置。对具有可拆卸盖的
Figure C0380359200281
Model ZC0200SS02压力容器(AutoclaveEngineers，Erie，宾夕法尼亚)进行了改进以容纳若干通过该盖的流体连接件：气体导管、淤浆出口、以及溶剂出口。该气体导管能够提供来自外部加压氮气罐的经调节的加压氮气，并且也能够通过手动针阀缓慢排出来自压力容器的加压氮气。淤浆出口包括长金属管以从容器的底部附近排出淤浆；该出口是连接于手动的外部阀，其可以被打开以允许加压淤浆来自该容器。根据图2A-2F所示的夹具，溶剂出口是连接于夹具，围绕微流体装置10(说明于图1A-1B)，同时密封连接设置在溶剂出口30和外部溶剂收集器之间，其是通过传统的螺纹管和接头而提供。更具体地说，夹具(包括第一和第二板100、130)和夹住的微流体装置10是通过溶剂出口导管被悬浮在容器中，以致淤浆入口26是朝着容器的底部被安置而溶剂口30是朝着容器盖被设置。
在简化的系统中，容器是放置在磁性搅拌板(Corning modelPC-353搅拌器)的顶部而可以由搅拌板致动的磁性搅拌棒是放入容器中。淤浆是通过混合1.00克Pinnacle IITM C-18(硅石)粉末，5微米，产品目录第551071号(Restek，Bellefonte，宾夕法尼亚)和500mL乙腈(MeCN)液体而制成。部分该淤浆是手动加入容器到足够的水平以在其加入到容器后浸没微流体装置10的淤浆入口26。明显地，在淤浆中使用旋转搅拌棒可确保进入微流体装置的淤浆被充分混合直到淤浆入口，因而减少在入口堵塞的可能性。在充分混合的淤浆进入微流体装置的情况下，可以预期，和传统淤浆填充方法相比，可以使用更浓的淤浆(即，具有相对更多颗粒物质和相对较少溶剂的淤浆)，因而允许填充更快地完成。优选地，可用于填充本文披露的流体装置的颗粒和根据本文披露的填充方法包括硅、锆、或聚合物材料。滤头的使用使得无需烧结过程，其通常用来将颗粒保留在分离通道。填充的颗粒优选包括至少一种表面官能团以允许形成的装置和高效液相层析方法一起使用。所需要的表面官能团的实例包括烷基、氰基、氨基、硝基、羟基、苯基、苯已基、以及磺酸基。
在容器被密封的情况下，加压氮气被加到该容器以促进淤浆进入微流体装置10和流向(低压)溶剂出口。装置10包括滤头51，其将颗粒留在装置10内但允许溶剂通过它以通过流体口30流出装置10。按照六步骤压力斜线上升(ramp)加压氮气被加到容器，其中每步骤持续大约20分钟。压力保持在200psi(1379kPa)20分钟，然后斜线上升到400、600、800、1000、以及1200psi(2758、4137、5516、6895、以及8274kPa)作为剩下的压力斜线上升步骤。在应用压力斜线上升期间，分离自淤浆的溶剂从装置10流过流体口30，然后通过夹具和溶剂出口流出容器。溶剂是收集在具有刻度标记的容器中。如果淤浆组成(颗粒/溶剂的比例)和要用颗粒填充的流体结构的体积均为已知的话，监测柱填充的进程则是简单明了的任务。关于这一点，监测已流出装置的积累的溶剂容积、流出装置的溶剂的流速，或两者，是有帮助的。特别是，流出装置的溶剂流速的突然下降通常表示：利用本文披露的淤浆填充方法已对特定流体容积成功进行颗粒填充。然而，当所需要的柱体积特别小时，监测积累的容积比监测流速可能更为有用。可以设想压力应用(斜线上升)步骤的反馈控制，其是基于流出流体装置的积累的溶剂容积或溶剂的流速，如与图3共同论述的。
在应用六步骤压力斜线上升以后，其总共持续大约两小时，关闭氮气供给压力调节器和容器之间的阀。然后将淤浆出口阀打开以允许从容器底部的附近清除(加压的)淤浆。在淤浆已被排放到远低于装置10的淤浆入口26的水平(液位)以后，关闭淤浆出口阀，同时注意在容器中不要降低压力太快。其后，将针阀打开以允许容器缓慢减压至大气压。这种缓慢的排气步骤已用大约30-60分钟完成。可以相信，缓慢的排气有助于从填充的柱清除溶剂和溶解的气体，因而有助于防止填充的“逆吹”，会降低其效率(即，“未填充”颗粒材料)。在压力从容器充分消除的情况下，打开容器并除去夹住的装置10。
在完成所有填充步骤后，可以密封淤浆入口26。一种已成功使用的密封方法是使用环氧树脂：通过首先制成两份环氧树脂混合物，然后将该混合物注入淤浆入口26直到它到达包含在通道38中的颗粒物质的拖尾后沿。为了此任务申请人已成功使用DevconS-209“5分钟快速干燥环氧树脂”(ITW Devcon，Des Plaines，伊利诺斯州)，虽然可以使用其它等效密封方法。密封填充材料提供至少两个优点。首先，它防止柱未填充。第二，密封淤浆入口26和通道38可限制在不需要的方向(即，向离开出口30的方向)流动相或样品的流量。
在流体装置的初始淤浆填充以后但在淤浆入口被密封之前，可以采用可选的进一步的步骤以确保柱的紧密填充。加压流体可以引入淤浆入口(例如，口26)并流过含柱通道(例如，通道45)。为此目的可以使用流动相溶剂，如乙腈。
一种可替换的填充方法和设备可以填充流体装置而不使用高压和压力容器。作为替代，足以促进淤浆流入流体装置(如先前描述的装置10)的压力差可以通过将这种装置的流体口30连接于真空源如真空泵来产生。如果这种装置10的淤浆入口26在大气压下浸没在淤浆浴中，那么穿过出口连接于真空的装置就可以产生大约一个大气压(101kPa)的压力差。与使用压力容器和高压的填充方法相比较，可以预期大气压填充需要长得多的时间以产生具有满意结果的填充柱。另一方面，大气填充方法可避免容积限制以及与压力容器有关的资金和操作费用。因此，可以设想，利用开式的、包含搅拌淤浆浴的大气长通道可以同时填充极大数目的流体装置。通过单个流体导管或共用真空管线每个流体装置可以连接于一个或多个真空源。
在又一个可替换的填充方法中，加压淤浆可以供给到一个或多个流体装置，其具有流到低压区域如大气或真空的溶剂出口。优选地，这样的填充方法应用于一个或多个微流体装置，其具有在共用溶剂出口流体连通的多个柱。可以采用淤浆供给管线。然而，在这样的具体实施例中，其中加压淤浆是经流体导管确定到淤浆入口的路线(而不利用淤浆浴)，很难确保将完全搅拌的淤浆提供给装置。
在另一个具体实施例中，可以使用可旋转的加压容器。例如，参照图5A-5C，根据本发明的多柱填充系统500的一个具体实施例利用超声能量和可旋转的加压容器502以输送淤浆到一个或多个微流体装置10A-10N。系统500包括取样容器502、压力源504、旋转调节器506、多个淤浆输送导管508A-508N、以及超声浴510。
取样容器502可以是任何适当的能够含有填充过程所需压力的圆筒容器。在说明于图5A-5C的具体实施例中，取样容器502是8″长×2″外径、0.3升的具有半球形端部的不锈钢容器(SS-DOT样品圆筒，Hoke公司，Clifton，新泽西州)。取样容器502是悬挂在水平位置并可旋转地(优选地，可拆卸地)安装于框架(未示出)，其是利用在每一端悬挂在固定轴环(或可替换地，轴承)中的黄铜衬套或任何其它合适的可旋转安装装置。与取样容器502的流体连接件516被允许通过至少一个端部衬套。取样容器502和相关的淤浆输送导管508A-508N(通向一个或多个微流体装置10A-10N)可以旋转通过大约90度的范围(如图5B-5C所示)，优选通过驱动装置506，如旋转调节器、具有适当连接的线性调节器(致动装置)、或其它适当的调节器。优选地，可编程控制器507耦合于驱动装置506以控制取样容器502的周期性旋转。
溶剂512(如乙腈)和颗粒518(如C-18硅石颗粒)是容纳在取样容器502中。由于取样容器502是水平悬挂着的，内容物则沿着取样容器502的长度重力分层。参照图5B，当取样容器502位于“未旋转”(0度)位置并且淤浆输送导管508A-508N水平放置时，在取样容器502内颗粒材料518的水平是低于淤浆输送导管508A-508N的水平，因此仅溶剂512通过淤浆输送导管508A-508N供给到在下面放置和流体连接的微流体装置(如图5A所示)。参照图5C，当取样容器502被放置在旋转(例如，90度)位置时，淤浆输送导管508A-508N是位于取样容器502的底部，低于取样容器502内颗粒518的水平，因此颗粒518(以及溶剂512)被供给到下面的微流体装置(未示出，参见图5A)。再次参照图5A，压力源504，诸如Shimadzu LC-10AT泵(Shimadzu Scientific Instruments公司，Columbia，马里兰州)或其它合适的压力源，借助于重力，提供流动速度以将颗粒518从取样容器502运送到淤浆输送导管508A-508N。优选地，电子管振荡器520(例如，每个包括电动机，如较小的3600RPM电动机，具有偏心凸轮)被固定于每个淤浆输送导管508A-508N以振动在每个淤浆输送导管508A-508N内的颗粒518从而粉碎任何可能的颗粒块，因而减少远下游处阻塞的可能性。优选地，淤浆输送导管508A-508N至少包括柔性的部分以适应取样容器502通过至少大约90度范围的旋转。
每个要填充的微流体装置10A-10N包括多孔滤头40、50、51，其适合于将颗粒材料518留在微流体装置10A-10N内(参见图1A)。为此，滤头材料的孔径大小应小于要填充在微流体装置10A-10N内的颗粒518的大小。虽然可以使用各种滤头材料，但一种优选的滤头材料是1密耳(25微米)厚的Celgard 2500膜(55％孔隙率，0.209×0.054微米孔径大小，Celgard公司，Charlotte，北卡罗来纳)。当溶剂512和颗粒材料518被提供给每个微流体装置10A-10N时，溶剂512优选流过滤头40、50、51并流出微流体装置10A-10N，同时颗粒材料被滤头40、50、51留在每个微流体装置10A-10N内。在进入每个微流体装置10A-10N以后，颗粒材料518沉淀到要填充的柱45的底部。使每个微流体装置10A-10N至少部分地浸渍在超声浴510中有助于粉碎在每个微流体装置10A-10N内的任何潜在的颗粒阻塞以及有助于促进密实填充。旋转取样容器502的过程优选重复大约10至15次，其中5至10秒钟停留时间用于将颗粒供给淤浆输送导管508A-508N，而60至90秒钟停留时间用于仅将溶剂供给淤浆输送导管508A-508N。
在一个优选的具体实施例中，将多个微流体装置10A-10N同时填充，其是通过引自取样容器的多个淤浆输送导管508A-508N。图4A-4B、5A-5C说明同时填充三个微流体装置10A-10N的系统和设备，但按比例扩大到同时填充大量的微流体装置10A-10N是相对简单的事情：提供适当尺寸的溶剂容器502，提供适当数目的来自取样容器的淤浆输送导管508A-508N，提供适合于固定所需数目微流体装置10A-10N的夹具99，确保适当的溶剂流动(例如，必要时用更大的和/或额外的泵)，以及提供适当大小/体积的超声浴510。
参照图5A，利用上述部件可以填充三个微流体装置10A-10N。首先，大约80克颗粒518(在这种情况下，Microsorb C-18硅石)在圆筒的一个端部供给取样容器502-优选在和压力源504连接的端部以防止颗粒进入泵输入管505。首先用溶剂512(在这种情况下，100％的工业级乙腈)润湿颗粒可有助于将颗粒518加入取样容器502。在所有颗粒518加到取样容器502后，取样容器502被填满溶剂512(还是100％的工业级乙腈)。可以相信，将取样容器502内存在的空气降至最低程度有利于：在填充过程中，当启动压力源504时，避免过分缓慢的压力斜线上升，因为压力源504将压缩取样容器502内的任何空气。在取样容器502填满颗粒518和溶剂512以后，压力源504(HPLC泵)被启动以便用溶剂512填充输入管505，从而消除输入管505中的空气。当输入管505被填充时，输入管505是用适当的密封连接件连接于容器(在这种情况下，不锈钢NPT至1/8″OD管连接件)。建议将容器和相关管中存在的空气降至最低程度。
然后，将取样容器502连接于调节器506，其能够旋转取样容器502通过90度旋转范围并能够在每个0度和90度位置停留用户限定的间隔。当取样容器502连接于调节器506时，要小心防止颗粒材料落进淤浆输送导管508A-508N，因为在填充期间这样的事情可导致淤浆输送导管508A-508N连接件堵塞。淤浆输送导管508A-508N包括引自容器502的第一管，该第一管大约为1/8″OD×1/16″ID柔性管的12英寸长部分，能够承受至少1000psi(6.9MPa)。这些管部分的每一个是用适当的接头(连接器)连接于较小ID管部分(每个大约6英寸长，具有1/16″OD×0.005″ID)，如Upchurch超无凸缘接头(superflangless connectors)和活接头。较小管的两端部均具有另一个接头(例如，Upchurch超无凸缘接头)，其中之一连接于Upchurch活接头而另一个直接连接于夹具99的填充入口，以将淤浆输送到悬挂在其中的微流体装置10A-10N。
每个微流体装置10A-10N是至少部分地放置在超声水浴510内以允许每个装置10A-10N和声处理流体(例如，水)之间的直接接触。超声浴510仅是用于振动、搅动、或相反将能量加到每个装置10A-10N以促进更密实填充的设备的一个实例。每个装置10A-10N的一部分悬在超声浴510中大约0.25英寸深。这样的超声浴510的一个实例是Branson Model 8500(Branson Ultrasonics公司，Danbury，康涅狄格州)，其在填充过程中保持在50％动力调整，同时接通频率/换能器扫描。
在取样容器502被填充并适当连接于微流体装置10A-10N的情况下，溶剂(例如，HPLC)泵504被启动以开始1ml/min(毫升/分钟)的恒定流速以便证实压力斜线上升在大约5秒钟内开始。如果压力斜线上升在此间隔内没有开始，这通常表明在容器或管中存在残存空气，其可以有害地影响填充效率。当确定该系统基本上没有残存空气时，则开始填充。超声浴510和管振荡器520A-520N被启动，并开始填充顺序(包括通过旋转取样容器502对微流体装置10A-10N交替供给颗粒518和供给溶剂512的多个步骤)。表1表明根据一个优选具体实施例的排出时间(dumping times)和停留时间。
步骤   旋转角度<u>(度)</u>   停留时间<u>(秒)</u>
  1   90   5
  2   0   30
  3   90   5
  4   0   30
  5   90   5
  6   0   30
  7   90   5
  8   0   30
  9   90   5
  10   0   30
  11   90   5
  12   0   30
  13   90   5
  14   0   30
  15   90   5
  16   0   30
  17   90   5
  18   0   30
  19   90   5
  20   0   30
  21   90   5
  22   0   30
  23   90   5
  24   0   30
  25   90   5
  26   0   300
表1：填充微流体装置的排出和停留时间
该过程步骤的组合仅是为了说明；可以使用其它排出时间和停留时间的组合。
为了防止微流体装置10A-10N的破裂和提供重复的密实柱填充，优选提供与溶剂供给系统传感相连(sensory communication)的压力传感器(未示出)并将其连接于控制器507以保持供给压力在所需要的范围内。优选地，控制器507接受用户限定的最小和最大压力的设置并控制压力源504的启动以保持溶剂供给压力在所需要的范围内(例如，在270-300psi/1860-2070kPa之间)。如果压力源504被设置供给恒定流速，则可以对其周期性地启动和不启动(deactivated)以保持压力在所需要的范围内。可替换地，在压力源504和取样容器502之间可以提供压力调节器(未示出)以调节供给压力。系统压力的突然和/或较大变化也可表明填充过程的问题，如在微流体装置10A-10N之一中的堵塞或微流体装置10A-10N之一的破裂。单个压力传感器(未示出)可监测在每个淤浆输送导管508A-508N中的压力以允许确定哪一个微流体装置10A-10N是压力变化的原因。阀(未示出)也可以包括在每个淤浆输送导管508A-508N中以允许选择性地关闭淤浆输送导管508A-508N从而从系统中除去有问题的微流体装置10A-10N。然后控制器507可以调节压力和流速以反映正被填充的微流体装置10A-10N的数目的变化。
在完成最后步骤(例如，第26个步骤)后，去启动超声浴510和管振荡器520A-520N，并从超声水浴510除去(经填充的)微流体装置10A-10N。
在另一个具体实施例中，可以使用相对稀释或“稀薄”的淤浆(即，具有高浓度溶剂和低浓度颗粒物质)。可以相信，通过提供颗粒在柱内的缓慢聚集，稀薄的淤浆有助于促进更加密实填充的分离通道。也可以相信，稀薄的淤浆有助于避免颗粒堵塞填充部件的问题。然而，在试图使用不溶于伴随溶剂的颗粒物质的稀薄淤浆时遇到的一个困难是由于重力颗粒倾向于沉淀。如本领域技术人员所明了的，有许多方式来搅动或相反将能量加到溶剂/颗粒物质以将颗粒分布在溶剂中。下面是系统的几个实例，其用于将稀薄淤浆提供给分离装置以填充分离通道。
在一个具体实施例中，颗粒是通过手动作用进行搅动以保持在溶剂中有足够量的颗粒。例如，参照图8，柱填充系统700包括压力容器712，其含有颗粒材料714和(液体)溶剂716。(虽然图8说明明显的界线在颗粒材料714和溶剂716之间，但在系统700操作期间大部分颗粒材料714优选基本上分散在溶剂容积中)。通过管703和具有螺纹接头的溶剂入口704溶剂泵702将来自溶剂容器(未示出)的加压溶剂供给压力容器712。淤浆是通过淤浆出口706、管707、以及接头708从压力容器712供给到至少一个流体装置710，其中接头优选连接于夹具(如本文先前所述)以提供与至少一个流体装置710的密闭连接。优选地，提供与管703、707流体连通的阀(未示出)。流体装置710优选至少部分地浸渍在由(超声)声处理器浴(sonicator bath)720容纳的液体722中。在操作系统700期间，优选摇动和/或周期性地冲击(如用锤)容器712以保持足够量的颗粒分布在溶剂中。
在一个使用系统700的填充方法中，将14克Luna 10微米C-18层析固定相颗粒材料(Phenomenex公司，Torrance，加利福尼亚)加到大约有100ml HPLC级异丙醇(“IPA”)(Fisher Scientific，Pittsburgh，宾夕法尼亚)的烧瓶中，然后在开口声处理器(BransonModel 8500，Branson Ultrasonics公司，Danbury，康涅狄格州)中的水浴中对混合物进行声处理大约5分钟。形成的浸湿的淤浆通过漏斗供给0.3升具有半球形端部的不锈钢圆筒容器712(SS-DOT样品圆筒，Hoke公司，Clifton，新泽西州)。然后用额外的HPLC级IPA 716填充包含淤浆的圆筒712直至溢流以从圆筒712排出空气。Shimadzu LC-10AT HPLC泵(Shimadzu Scientific Instruments公司，Columbia，马里兰州)经1/16″OD柔性聚四氟乙烯管703连接于圆筒712的一个端部，而夹在微流体装置710(根据说明于图6、7A-7E的装置610的设计包括24个分离通道)周围的填充管线(类似于图4A-4B所示的装置299)则利用和管703相同类型的管707连接于圆筒712的另一端部。填充管线和部分微流体装置是浸渍在开口声处理器720(Fisher model FS30，Fisher Scientific，Pittsburgh，宾夕法尼亚)的水浴722中。微流体装置710的下游端部是暴露于空气。HPLC泵702的吸引端是连接于HPLC级IPA的容器(未示出)。在连接部件以后，圆筒容器712定向在水平位置，启动声处理器720，然后启动HPLC泵702并调整到150psi(1030kPa)的恒压以将淤浆供给微流体装置710。大约每5分钟一次，圆筒容器712被手动旋转到垂直位置，用1-1b(0.45kg)的无弹性气锤(dead blow hammer)手动冲击大约10次，然后旋转180度成相反的垂直位置并用锤再手动冲击大约10次，然后回到水平位置。可以相信，前面的旋转和冲击步骤起松散颗粒714的作用(其已沿着圆筒壁的下部沉淀)并将它们分布返回到液体716中。在这些条件下微流体装置710被部分地填充直到约1英寸填充材料存在于装置710的最少填充的分离通道。此后，将泵712的压力增加到350psi(2410kPa)，仍然继续周期性的旋转和冲击步骤，直到基本上所有的微流体通道在滤头的上游被填满颗粒固定相材料。然后从声处理器浴720移走微流体装置710和管线，关闭位于微流体装置710和圆筒712之间的阀(未示出)，而不启动泵702。微流体装置710被留在管线中大约5分钟，以允许在从管线卸下微流体装置710之前通过微流体装置710的下游端部排出压力。
产生的填充装置710具有约8cm的柱长度。当Luna C1815微米层析固定相颗粒材料(Phenomenex公司，Torrance，加利福尼亚)用来填充这些柱时，操作装置710以在大于450psi(3100kPa)和流动相流速约为15微升/分钟/柱的条件下进行高效液相层析，每个柱获得约400理论板(ASTM)的分离效率，其转换成约每米5,400板的单位长度效率。利用更小的填充材料以及通过控制流动相流速可以获得更高的效率。
另一个柱填充系统730说明于图9。该系统730类似于说明于图8的系统700，但包括机械搅拌装置。系统730包括含有颗粒材料744和(液体)溶剂746的压力容器742。通过管733和具有螺纹接头的溶剂入口734溶剂泵732将来自溶剂容器(未示出)的加压溶剂供给压力容器742。容器742内的叶轮748通过轴747连接于外部电动机743。密闭接头738允许在对压力容器742加压的同时操作叶轮。淤浆是通过淤浆出口736、管737、以及接头738从压力容器742供给到至少一个流体装置740，其中接头优选连接于夹具(如本文先前所述)以提供与至少一个流体装置740的密闭连接。优选地，提供与管733、737流体连通的阀(未示出)。流体装置740优选至少部分地浸渍在由(超声)声处理器浴750容纳的液体752中。在操作系统730期间，通过电动机743和轴747来旋转叶轮748以保持足够量的颗粒744分布在溶剂746中。将夹带有颗粒的稀释混合物供给微流体装置740以允许在装置740的分离通道内进行颗粒的缓慢和密实的堆积。
另外的柱填充系统760说明于图10。该系统760类似于本文先前描述的系统，但并不依赖于在压力容器内搅动颗粒，系统760允许将颗粒缓慢加入溶剂流。系统760包括容器772，其含有颗粒材料774和(优选地)溶剂746以从该容器排出空气。容器772在一个端部有顶盖771。容器772的底部包括连接于三通管778的颗粒出口764。通过三通管778溶剂泵762供给来自溶剂容器(未示出)的加压溶剂。来自容器772的颗粒缓慢“流”出该容器并进入溶剂流(当它通过三通管778时)。通过降低溶剂流的压力可以将颗粒774从容器772中压出来(例如，通过不启动和快速再启动泵762，或打开阀(未示出)以释放一些压力，等等)。在三通管778形成的混合物流过管767和接头768，其中接头优选连接于夹具(如本文先前所述)以提供与至少一个流体装置770的密闭连接。可以调节由泵762供给的溶剂的流速，和/或可以调节容器772和三通管778之间的孔的大小，以改变供给到流体装置770的颗粒材料和溶剂的比例。在一个具体实施例中，阀(未示出)可以放置在容器772和三通管778之间以控制颗粒流入三通管778。流体装置770优选至少部分地浸渍在由(超声)声处理器浴780容纳的液体782中。将稀释的淤浆供给微流体装置770以允许在装置770的分离通道内进行颗粒的缓慢和密实的堆积。
又一个柱填充系统800说明于图11。这种流化床设计使用垂直设置的含有溶剂816和颗粒814的容器812。溶剂816是供应自泵802，其中经过管803和位于容器812底部的入口804。由泵802供给的溶剂816的垂直流动搅动容器812中的颗粒，因而确保在通过出口806流出容器812之前足够量的颗粒814夹带在溶剂816中。一个或多个挡板(未示出)可以设置在容器812中并在入口804的上方以改善颗粒814的搅动。另外的影响夹带的因素包括所用颗粒814的大小、容器812的尺寸、以及由泵802供给的溶剂816的流速。淤浆是通过淤浆出口806、管807、以及接头808从容器812供给到至少一个流体装置810，其中接头优选连接于夹具(如本文先前所述)以提供与流体装置810的密闭连接。优选地，提供与管803、807流体连通的阀(未示出)。流体装置810优选至少部分地浸渍在由(超声)声处理器浴820容纳的液体822中。在系统800的操作过程中，将稀释的淤浆供给微流体装置810以允许在装置810的分离通道内进行颗粒的缓慢和密实的堆积。
与传统的填充单个层析柱的方法相比，根据本发明的方法允许同时填充大量的柱(包括多柱微流体装置和多个微流体装置)。可以相信，本文披露的填充方法和设备允许更高的填充物料量并可以按比例放大以促进以适当的资金成本进行放大生产。与其它填充分离柱的方法相比，本方法大大地加快填充时间并且更能够按比例放大到大规模生产。
本文说明和描述的特定装置和方法只是通过实施例加以提供，并不用于限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求以及等同物所涵盖。

Claims (31)

1.一种压力驱动的基本上平的液相层析装置(10，610)，包括：多个装置层(11-19，611-622)，限定多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)；
其特征在于
所述装置(10，610)进一步包括与所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)流体连通的至少一个多孔滤头(40，50，51，652，658，682，690，692)，所述至少一个多孔滤头(40，50，51，652，658，682，690，692)具有平均孔径大小；
所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)包含具有平均粒度的填充固定相材料(47)；以及
所述平均孔径大小小于所述平均粒度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中将所述至少一个多孔滤头设置在所述多个装置层(11-19，611-622)的至少两个装置层(11-19，611-622)之间。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述多个装置层(11-19，611-622)的至少一层(11-19，611-622)是模板层(12-18；614，615，617，618，620)，所述模板层(12-18；614，615，617，618，620)贯穿所述模板层(12-18；614，615，617，618，620)的全部厚度限定至少一个微流体通道(34A-34N，38，42，45A-45N，46，56B，56A，62，64，66A-66D，70A-70N，632A-632N，639A-639N，642，646A-646N，650A-650N，654A-654N，666，672，676A-676N)，所述至少一个微流体通道(34A-34N，38，42，45A-45N，46，56B，56A，62，64，66A-66D，70A-70N，632A-632N，639A-639N，642，646A-646N，650A-650N，654A-654N，666，672，676A-676N)包括所述微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)和其它微流体通道。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个装置层(11-19，611-622)包含聚合物材料。
5.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括至少一个流体入口(22，24，28A-28F，664H，668E，678E)和至少一个流体出口(30，688A-688N)与所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)流体连通。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述至少一个多孔滤头(40，50，51，652，658，682，690，692)包括：
至少一个第一多孔滤头(40，50，652，658)，设置在至少一个流体入口(22，24，28A-28F，664H，668E，678E)和所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)之间；以及
至少一个第二多孔滤头(51，682，692，690)，设置在所述至少一个流体出口(30，688A-688N)和所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)之间。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述至少一个流体入口(22，24，28A-28F，664H，668E，678E)包括多个流体入口(22，24，28A-28F，664H，668E，678E)。
8. 根据权利要求5所述的装置，其中所述至少一个流体出口(30，688A-688N)包括多个流体出口(30，688A-688N)。
9. 根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括：
固定相淤浆入口(26，678E)；以及
共用连接或歧管区域(42，676A)，设置在所述固定相淤浆入口(26，678E)和所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)之间并与所述固定相淤浆入口和所述多个微流体分离通道流体连通；
其中所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)和共用连接或歧管区域(42，676A)基本上填满填充固定相材料(47)。
10.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括：
流动相入口(22，24，664H，668D)；以及
分流器(55，648)，设置在所述流动相入口(22，24，664H，668D)和所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)之间并与所述流动相入口和所述多个微流体分离通道流体连通。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述填充固定相材料(47)包含硅、锆、和聚合物材料中的一种。
12.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述填充固定相材料(47)是未烧结的。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述填充固定相材料(47)包含至少一个表面官能团。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述至少一个表面官能团包含烷基、氰基、氨基、硝基、羟基、苯基、苯己基、以及磺酸基中的一种。
15.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括与所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)的至少一个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)流体连通的检测区域(32A-32N，630A，630N)。
16.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)适合于在大于或等于69kPa的压力下操作。
17.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)适合于在大于或等于690kPa的压力下操作。
18.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述多个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)的每个微流体分离通道(45A-45N，639A-639N)具有大于或等于1厘米的长度。
19.一种用于填充多通道分离装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)的方法，所述方法包括以下步骤：
装设具有多个分离通道(45A-45N，639A-639N)的装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)；
装设与所述多个分离通道(45A-45N，639A-639N)流体连通的至少一个多孔滤头(40，50，51，652，658，682，690，692)；
将加压淤浆(208)提供给所述装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)，所述淤浆(208)包含颗粒材料(47，518，714，744，814)和液体(512，716，746，816)；在所述多个分离通道(45A-45N，639A-639N)之中分流所述淤浆(208)；以及
利用至少一个多孔滤头(40，50，51，652，658，682，690，692)将所述颗粒材料(47，518，714，744，814)保留在所述多个分离通道(45A-45N，639A-639N)内。
20.根据权利要求19所述的方法，其中将所述至少一个多孔滤头(40，50，51，652，658，682，690，692)设置在所述装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)内。
21. 根据权利要求19和20中任一权利要求所述的方法，其中所述分流步骤是在所述装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)内进行。
22.根据权利要求19或20中任一权利要求所述的方法，其中所述装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)包括与所述多个分离通道(45A-45N，639A-639N)流体连通的共用连接或歧管区域(42，676A)，所述方法进一步包括用淤浆(208)基本填满所述多个分离通道(45A-45N，639A-639N)和所述共用连接或歧管区域(42，676A)的步骤。
23.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括搅动所述淤浆(208)的步骤。
24.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括通过可控地将颗粒材料(47，518，714，744，814)加到流动的液体流而形成淤浆(208)的步骤。
25.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括振动所述装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)的步骤。
26.根据权利要求19或20所述的方法，其中向所述淤浆(208)施加至少1379kPa的压力。
27.根据权利要求19或20所述的方法，其中将所述淤浆(208)按供给压力斜线递增方式提供给所述装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)以致所述淤浆供给压力随时间而增加。
28.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述颗粒材料(47，518，714，744，814)包含硅、锆、和聚合物颗粒中的一种。
29.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述颗粒材料(47，518，714，744，814)包含至少一个表面官能团。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述至少一个表面官能团包含烷基、氰基、氨基、硝基、羟基、苯基、苯己基、以及磺酸基中的一种。
31.一种根据权利要求19-30中任一权利要求所述的方法填充的多通道分离装置(10，10A-10N，202，610，710，740，770，810)。
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