具体实施方式

在本说明书中提到“一个示例”或“示例”表示结合示例描述的特定特征、结构或特性包括在本教导的至少一个示例中。对本说明书内的特定示例的引用不一定都指代相同的示例。

简而言之，本文所公开的示例涉及用于液相色谱系统的扩散粘结的流体歧管。流体歧管可以块的形式提供，该块将液相色谱系统的部件中的两个或更多个部件彼此流体联接。如本文所用，块是指具有至少一个平坦表面的一块硬质材料。流体歧管允许方便地重新构造液相色谱系统以实现不同的功能。例如，附接到流体歧管块的表面的一个或多个流体跳线可用于限定通过流体歧管的流动路径。如本文所用，流体跳线是指被构造成直接联接块的表面上的至少两个端口的部件。另选地，系统部件可容易地固定到流体歧管块的表面或从流体歧管块的表面移除以实现期望的功能。附加的优点是在流体通道的尺寸上实现了更严格的公差，这减少了由于使用扩散粘结的流体歧管的不同色谱系统之间的流体通道体积的变化引起的色谱结果的变化。

流体歧管的构造可作为液相色谱仪器的组装的一部分来执行。歧管中的流体通道网络减少了在组装过程期间添加到系统的管材和相关联的连接部。少量的外部流体连接部导致分散减少和泄漏的发生率降低。流体歧管的重新构造可例如在已在色谱系统中使用被构造用于不同用途的流体歧管之后执行。例如，操作型液相色谱系统的重新构造可在其使用位置处执行。液相色谱系统的重新构造不太复杂，并且可由使用位置处的未经训练的人员执行，从而避免了对于维修人员行进到该位置以执行重新构造的需要。例如，位于医院或医生办公室的系统可由本地工作人员重新构造，从而减少延迟和成本。

现在将参考如附图所示的示例更详细地描述本教导。虽然结合各种示例描述了本教导，但并非旨在将本教导限于此类示例。相比之下，本教导涵盖各种替代、修改和等同物，如本领域的技术人员将理解。能够使用本文教导的普通技术人员将认识到在本公开的范围内的附加实施方式、修改和示例，以及其他使用领域。

下文所述的示例包括使用流体歧管，该流体歧管包括由多个层形成的块。每个层在层界面处粘结到至少一个相邻层。该块包括一个或多个附接表面和至少一个流体通道，其中每个流体通道至少部分地设置在界面中的一个界面处。每个流体通道在附接表面中的一个附接表面处具有第一端部。每个附接表面在流体通道中的一个流体通道的第一端部处具有附接特征部，以实现流体通道与流体部件的流体联接。流体歧管可通过移除和/或附接流体部件而快速且容易地重新构造以用于不同的功能。因此，各种流体系统诸如液相色谱系统可容易地被重新构造以用于不同目的。

流体歧管块可使用固态扩散粘结工艺制造，其中两个或更多个平行的材料层接合在一起。例如，层可以是金属层并且可包括钛或钛合金片材或不锈钢片材。另选地，层可包括陶瓷或聚合物材料。层的厚度可以不同。

术语微流体通道在本文中用于指适用于毛细管级或纳米级分离的流动路径，其中通道的横向尺寸通常在几微米至几百微米的范围内。微流体通道可在两个相邻层的水平界面处形成，并且还可包括从水平部分的一个或两个端部延伸和/或位于沿着通道的水平长度的一个或多个位置处的竖直通道部分。在一个示例中，在堆叠层以用于扩散粘结工艺之前，微流体通道被形成为沿着一个层的表面的沟槽。在另选的示例中，微流体通道通过在两个层中的每个层的表面中形成沟槽来形成。当层随后与邻接的两个表面堆叠时，沟槽彼此对准以限定单个微流体通道。在另一个另选示例中，微流体通道由在界面处设置在两个相邻层之间的居间层限定。微流体通道由穿过居间层的整个厚度的竖直开口形成，其中竖直开口沿着通道路径的长度延伸。然后将中间层“夹置”在其他两层之间，再进行扩散粘结。所得的微流体通道具有沿着其长度的截面，该截面具有根据切口宽度的水平尺寸和基于居间层厚度的竖直尺寸。

图1A和图1B示出了具有两个不同流体通道12和14的扩散粘结的流体歧管10的简单示例的顶视图和侧视图。流体歧管10呈具有六个平坦侧面的块(例如，“砖”)的形式。每个通道12和14包括块内的水平通道部分(由双虚线12A和14A表示)，其中竖直通道部分(由双虚线12B、12C、14B或14C表示)从水平通道12A或14A的一端延伸到块的表面。一个水平通道部分12A形成在块的上层与中间层之间的界面(虚线16)处，并且另一个水平通道部分14A形成在块的中间层与底层的界面(虚线18)处。应当指出的是，这些层在扩散粘结工艺完成之后在块中不再是物理上不同的。

竖直通道部分12B、12C、14B和14C分别终止于歧管块10的附接表面24上的端口20A、20B、22A和22B，并且可通过各种方式形成，例如在扩散粘结之前通过常规钻孔技术穿过上层。水平和竖直通道部分可例如通过使用球形端铣刀或方形端铣刀的机加工工艺(计算机数控(CNC)机加工)来形成。另选地或除此之外，化学蚀刻工艺可用于形成通道部分。在其他示例中，水平通道部分形成在块内的多个界面处，使得一个界面处的通道在不同界面处形成的通道上方或下通过，而不彼此干扰。在其他示例中，竖直通道部分可从一个水平通道部分向上或向下延伸到不同通道的水平通道部分、延伸到形成在块内的特征部或延伸到歧管块的底部表面。在其他示例中，水平通道部分可终止于不同流体通道的水平通道部分处或歧管块的侧表面处。

在执行扩散粘结工艺以形成歧管块之前，可处理各个层以实现平坦且具有低表面粗糙度的配合表面。在扩散粘结过程中，在高温处的压力下迫使各层彼此紧贴。

根据层数，可形成大量微流体通道并限定复杂的流体通道网络。这些内部或“嵌入的”微流体通道可用于在附接或以其他方式固定到块的一个或多个附接表面的不同流体部件之间传送流体。作为非限制性示例，流体部件可以是色谱柱、样品环、捕集柱、可重新构造的阀(例如，旋转剪切密封阀)或液相色谱系统的其他部件。流体部件可以是可替换的部件。例如，当附接的捕集柱变得不太有效时，可将附接的捕集柱替换为新的捕集柱或再生捕集柱。另选地，内部微流体通道可通过块的附接表面上的流体部件彼此联接。例如，流体跳线可手动地附接到附接表面或重新定位在附接表面上以改变内部流体路径。不在歧管块内的流体路径在本文中通常称为外部流体路径。另选地，可将附接的阀改变为不同的状态以重新构造一个或多个流体路径，而无需手动重新构造流体路径。

流体部件可使用位于端口20或22中的一者处的附接表面上的附接特征部流体地联接到扩散粘结的歧管块10的通道12或14。附接特征部可包括流体联接器。例如，流体联接器可以是适于接纳常规密封件诸如套圈和压紧螺钉的压紧接头联接主体；然而，在另选的示例中，流体部件直接(例如，经由面密封)附接到扩散粘结的歧管的附接表面。又如，流体部件通过垫圈螺栓连接到歧管的表面，使得部件上的端口与歧管块10的附接表面处的对应端口对准。垫圈实现流体部件与扩散粘结的歧管块10之间的不透流体的密封。以具体示例的方式，流体部件可以是旋转剪切密封阀，其中垫圈放置在阀定子之间，该阀定子随后螺栓连接到歧管块的附接表面。垫圈可由塑料或与被引导通过通道的液体相容的另一种适形材料形成。垫圈包括与定子上和流体歧管块的附接表面上的对应端口对准的孔。孔的尺寸被设定成大致匹配块上和流体部件上的端口的尺寸。对于色谱系统，较大的孔可能会形成死体积，这可导致使色谱性能劣化的夹带。只要对通过垫圈的流体流的任何附加限制很小并且对色谱性能的影响不显著，则较小的孔可以是可接受的。垫圈还可包括对准开口，诸如圆孔和/或狭槽，以通过对准特征部(例如，对准销)，从而确保块与定子之间的正确对准。在另选的示例中，可重复使用的压紧接头可通过螺栓连接闭合或夹紧在一起，以将部件直接连接到扩散粘结的歧管。在另选示例的一个具体实施中，标准V形细部接头端口通过设置在接头端口与附接表面之间的垫圈而螺栓连接到歧管。在另一个具体实施中，面密封接头端口螺栓连接到歧管，以允许导管与附接表面之间的直接连接。该示例避免了产生具有永久性附接的接头端口的歧管的任何需要，如果该接头端口被损坏，则可使歧管无用。

在另一个具体实施中，两个或更多个扩散粘结的流体歧管可以在第二扩散粘结工艺中彼此扩散粘结。例如，第一流体歧管的表面中的端口与第二流体歧管的表面中的对应端口对准。然后将两个流体歧管在邻接表面处扩散粘结以形成单个结构。待粘结在一起的两个流体歧管块不需要彼此平行。例如，图1A和图1B的(第一)流体歧管块10可以粘结到类似形状的(第二)流体歧管块，该歧管块在其四个侧面中的一个侧面上包括一个或多个端口。歧管块相对于彼此正交地布置，使得在执行第二扩散粘结工艺之前，第一流体歧管块的顶部表面中的至少一个端口与第二流体歧管块的侧表面中的至少一个端口对准。

在其他示例中，接头的一部分被钎焊、焊接或扩散粘结到歧管块的附接表面。接头的钎焊、焊接或扩散粘结部分用于以类似于使用接头连接管材的两个独立元件的方式接纳接头的互补部分。更具体地，附接在一段管材的端部附近的接头的外部部分可螺纹连接到附接表面上的接头的钎焊、焊接或扩散粘结部分中。有利的是，如果接头的外部部分被损坏，则可被替换为类似的外部部分而不影响流体歧管的完整性。在又一个示例中，部件可永久性地粘结到附接表面，例如，通过将部件直接钎焊、焊接或扩散粘结到附接表面。当不需要稍后移除部件并且流体歧管将不需要未来重新构造时，这后一个示例可能是优选的。

在图1A和图1B所示的扩散粘结的流体歧管10的示例中，流体通道12和14的端部位于共同的附接表面上。在另选的示例中，存在一个或多个附加的附接表面。在一个此类示例中，流体部件附接到流体歧管块的相对(例如，顶部和底部)表面。更一般地，流体部件可附接到流体歧管块的任何数量的不同附接表面，只要该表面包括待联接到流体部件的流体通道的端部即可。

泵头歧管、差动流量传感器和阀歧管的以下示例示出了具有微流体通道的扩散粘结的流体歧管可如何有利地用于液相色谱系统中的示例。应当理解，这些部件的其他构型以及具有扩散粘结的流体歧管的其他类型色谱部件的构型也是可能的。此外，示例可扩展到使用不同通道尺寸的应用，诸如具有比用于毛细管级和纳米级应用的那些更大尺寸的通道。

泵头歧管

图2A示出了被构造为泵头歧管30的扩散粘结的流体歧管块的示例。流体歧管30由例如通过使用扩散粘结工艺粘结到单个块中的三个层32A、32B和32C形成。流体歧管30包括形成于两个平面中的每个平面中的水平通道部分，其中每个平面被限定在两个层的界面处，如在扩散粘结之前所存在的层那样。一个界面位于层32A和32B之间的交界处，另一个界面位于层32B和32C之间的交界处。图2B示出了泵头歧管30的开放空间(即，无固体材料)，其中为清楚起见移除了三层32和密封洗涤通道34以及密封洗涤端口36。图2B还示出了存在于下文所述的邻接层32C的暴露表面的泵致动器块(在图1A中未示出)中的开放空间38A和38B。

泵头歧管30包括侧附接表面上的入口端口40、相对侧附接表面上的出口端口42、从背部表面45延伸的柱塞室44、压力传感器腔体46和止回阀容器48。入口端口40和出口端口42可被构造用于不同类型的外部联接，并且可以螺纹连接以接合互补的联接元件。例如，出口端口42可接纳具有套圈和压紧螺母的管材端部部分。止回阀在歧管30的前表面49中形成的止回阀容器48内是可触及的。这使得止回阀能够在日常维护期间或当止回阀发生故障时被替换。一个柱塞室44A可与主柱塞一起使用，并且另一个柱塞室44B可与蓄积器柱塞一起使用。压力传感器腔体46嵌入块中，因此不可触及。每个腔体上方的表面上的应变计(未示出)用于测量腔体46的挠曲。

当被构造用于在泵系统中操作时，泵头歧管30被固定到单独的泵致动器块，该泵致动器块具有被构造成邻接背部表面45的表面。例如，泵头歧管30通过螺栓或通过一个或多个夹紧装置固定。两个柱塞从泵致动器块延伸，每个柱塞穿过泵致动器块表面中的一个凹陷区域(开放空间38)。每个柱塞延伸到柱塞室44中的一个柱塞室中。每个凹陷区域38中的高压密封件抵靠柱塞的外径和泵致动器块的内表面密封。当歧管块30和泵致动器块分离以允许移除和替换高压密封件时，易于触及凹陷区域38。

在泵系统的操作期间，流体在进入柱塞室44A之前通过入口端口40、微流体通道50、初级止回阀、微流体通道52、压力传感器腔体46A和微流体通道54被吸入。加压流体在进入第二柱塞室44B之前从柱塞室44A流过微流体通道55、蓄积器止回阀、微流体通道56、压力传感器腔体46B和微流体通道57。加压流体通过微流体通道58离开第二柱塞室44B，再穿过出口端口42。如图所示，微流体通道55和58分别直接通往泵室44A和44B。在另选的具体实施中，微流体通道55和58在歧管30的背部表面45上具有端口，该端口直接联接到泵致动器块中的凹陷区域38或与凹陷区域38连通的泵致动器块中的微流体通道。

当被构造为串联的初级蓄积器泵系统时，第一柱塞室44A的体积可显著大于第二柱塞室44B的体积(例如，大约为该体积的两倍)。泵头歧管的其他具体实施是可能的。例如，泵头歧管30可固定到两个不同的泵致动器块，每个泵致动器块具有邻接表面和单个柱塞。又如，单个柱塞泵系统可采用泵头歧管块，该泵头歧管块包括在一端处具有出口端口的微流体通道55，以及被示出为微流体通道55的上游的其他通道和部件。

阀歧管

图3示出了用于液相色谱系统的阀流体歧管60的示例中的流体通道。该图对应于歧管60的俯视图，其中未示出扩散粘结的材料，并且流体通道的水平通道部分被示出为互连的线段。流体通道在多个界面处形成，因此在图中存在流体通道看起来相交的位置。这些明显的相交对应于其中一个微流体通道在另一个微流体通道上方通过的区域。存在两个位置，由虚线圆62和64示出，在这两个位置处六个线段看起来很靠近地终止。六个终止部中的每个终止部对应于从对应水平通道部分的端部延伸到流体歧管块60的上附接表面的竖直通道部分的位置。竖直通道部分类似地从其他水平通道部分的端部延伸到上附接表面或歧管块60上的其他附接表面上的端口。在如下所述的阀流体歧管60的各种用途中，一对端口66用于联接到外部样品环，并且另一对端口68用于联接到外部捕集器。在上附接表面上存在可与流体跳线一起使用以限定某些流体路径的附加端口70。流体跳线实现终止于端口70中的一个端口处的任意两个微流体通道之间的流体联接。图中所示的端口72的其余部分设置在上附接表面上，并且用于联接到色谱系统的各个部分或部件，诸如溶剂源、废液通道和色谱柱。

可重新构造的阀诸如旋转阀(例如，旋转剪切密封阀)可在每个位置62和64处附接到流体歧管，使得微流体通道可以可重新构造的方式互连以限定通过阀歧管60的期望流体路径。当可重新构造的阀被构造成处于第一阀状态时，该阀使得流体能够从一个微流体通道通过阀流动到不同的微流体通道。可将可重新构造的阀设置为第二阀状态，以阻止流体在两个微流体通道之间流动。旋转剪切密封阀、流体跳线和外部部件可使用例如垫圈和螺栓固定到阀歧管块60。

在一些示例中，阀流体歧管60被构造为制造设施处的色谱系统的一部分，使得外部端口72联接到色谱系统的部件。这还可包括将两个旋转阀固定到歧管60。端口66、68和70中的一些或全部可保持可供最终用户构造用于特定用途。例如，与样品环、捕集器和跳线位置相关联的端口可用于最终用户位点处的手动构造。

图4示意性地示出了用于直接进样程序的阀流体歧管60’的手动构造。外部样品环74流体地联接在一对端口66之间，流体跳线76将另一对端口70A和70B互连。样品环74可包括一定长度的外部管材，该外部管材用于在上样程序期间接收一定体积的样品并且保持或储存样品以进样到色谱流中。

图5A至5C是针对直接进样序列通过图4的阀流体歧管60’引导的流的示意图。在图5A和图5C中，粗体线段指示活动流动路径，其中箭头用于指示流动方向。通过居间流体通道引导在端口72A处接收的样品流通过位置62处的旋转阀，通过外部样品环74，再次通过旋转阀，并且通过端口72B流出到废液。同时，在端口72C处接收的包含一种或多种溶剂的流动相通过居间流体通道被引导通过旋转阀，通过流体跳线76，并且通过端口72D离开。

通过完成上样步骤，外部样品环74和将样品环74联接到旋转阀的流体通道填充有已知体积的样品，如图5B中的粗体线段所示。随后，切换旋转阀以重新构造流体路径，如图5C所示，使得在端口72C处接收的流动相被引导通过旋转阀并通过外部样品环74，使得已知体积的样品被推动通过旋转阀和流体跳线76，再离开端口72D，在该端口处继续流动到色谱柱。

图6是用于程序中的阀歧管60”的手动构造的示意图，在该程序中，在第一流中包含所关注的一种或多种分析物和附加组分的样品保留在捕集柱上，然后在从阀歧管60”引导到色谱柱(未示出)的第二流中洗脱。应当指出的是，阀歧管块与图4至图5C的示例中使用的阀歧管块相同，不同的是附接的部件构造不同。如在先前示例中那样，外部样品环74流体联接在一对端口66之间；然而，第一流体跳线80联接端口70A和70C，第二流体跳线82联接端口70B和70D，并且捕集柱84联接端口对68。

图7A至图7D是在程序期间通过图6的阀流体歧管60”引导的流的示意图。在图7A、图7C和图7D中，粗体线段指示活动流动路径，其中箭头用于指示流动方向。通过居间流体通道引导在端口72A处接收的样品流通过位置62处的旋转阀，通过外部样品环74，再次通过旋转阀，并且在端口72B处从歧管块60”流出到废液。同时，在端口72C处接收的包含一种或多种溶剂的第一液体通过居间流体通道被引导通过第一旋转阀(即，位置62处的阀)、第一流体跳线80、第二旋转阀(即，位置64处的阀)，并且通过端口72D离开。同时，在端口72F处接收包含一种或多种溶剂并且具有与第一液体不同的组成的第二液体。第二液体被引导通过微流体通道，使得其流过第二旋转阀、捕集器84和第二流体跳线82，然后在端口72D处离开。

在完成上样步骤之后，外部样品环74和将样品环74联接到第一旋转阀的流体通道填充有已知体积的样品，如图7B中的粗体线段所示。随后，切换第一旋转阀以重新构造流体路径，如图7C所示，使得在端口72C处接收的第一液体被引导通过第一旋转阀并通过外部样品环74，使得已知体积的样品被推动通过第一旋转阀、第一流体跳线80和捕集器84，再在端口72E处离开到达废液。当样品体积穿过捕集器84时，所关注分析物保留在捕集器84上。在端口72F处接收的第二液体流动到第二旋转阀并且在端口72D处离开。

随后，切换第二旋转阀以重新构造流体路径，如图7D所示，使得在端口72C处接收的第一液体流过第一旋转阀、外部样品环74，再次流过第一旋转阀，流过第一流体跳线80并且最终流过第二旋转阀，然后在端口72E处离开。同时，在端口72F处接收的第二液体流过第二旋转阀、捕集器84，再次流过第二旋转阀并且最终流过第二流体跳线82，然后在端口72D处离开，在该端口处继续流动到色谱柱。第二液体包含至少一种溶剂，该溶剂从捕集器84释放被保留的分析物，使得该分析物被携带在流中进入色谱柱以进行色谱分离。

差动流量传感器

图8示出了形成于扩散粘结块中的差动流量传感器90的示例中的流体通道。为清楚起见，该视图省略了块的固体材料。差动流量传感器90包括用于引导溶剂的第一微流体通道92(用于引导溶剂A的通道A)、用于引导不同溶剂的第二微流体通道94(用于引导溶剂B的通道B)和用于引导溶剂A和溶剂B的混合物的第三微流体通道96。差动流量传感器90还包括第一限流器和第二限流器(分别由虚线98和100内的闭合区域指定)，以及三个溶剂压力传感器102、104和106。两个限流器98和100中的每个限流器被形成为具有螺线形路径的微流体通道。如图所示，用于溶剂B的限流器100具有比用于溶剂A的限流器98更长的路径长度，并且因此如果限流器中的两个微流体通道均具有相同的截面，则提供对流动的更大限制。差动流量传感器90的微流体通道和溶剂压力传感器可形成于扩散粘结块中，如上文针对泵头歧管和阀歧管所提供的示例所述。

差动流量传感器90可用于液相色谱系统的溶剂管理器中，在该溶剂管理器中两种溶剂混合以形成流动相。一般来讲，溶剂的相对贡献根据梯度组成随时间变化；然而，这不是必需的。

在操作期间，在微流体通道92的入口端口108处接收的一种溶剂(溶剂A)流过压力传感器102、限流器98和压力传感器106。在微流体通道94的入口端口110处接收的另一种溶剂(溶剂B)流过压力传感器104、限流器100和压力传感器106。溶剂A和B在压力传感器106的腔体附近或在该腔体处混合，使得离开第三微流体通道96的出口112的流包含溶剂混合物。通过确定由压力传感器102和106测量的压力差来确定第一限流器98两端的压降。类似地，通过确定由压力传感器104和106测量的压力差来确定第二限流器100两端的压降。所确定的第一限流器98和第二限流器100两端的压降值可分别用来确定溶剂A和B的流速。这两种流速的确定可用于确保由溶剂管理器递送的溶剂混合物的适当溶剂组成和流速。

差动流量传感器90具有优于用于溶剂管理器的常规流量传感器布置的多个优点，其中限流器可以是由外部管材形成的元件。首先，形成扩散粘结块中的微流体通道，其具有比外部管材更精确控制的尺寸，外部管材通常具有较差的管材ID公差。因此，上述差动流量传感器的性能变化将显著小于常规差动流量传感器的性能变化。此外，需要使用溶剂管理器或其他流体系统中的扩散粘结的差动流量传感器来进行的手动流体联接更少，从而导致更少的泄漏和更少的死体积。

虽然已经参考特定实施方案示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离如所附权利要求中叙述的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。