三電極緩沖劑產(chǎn)生器和方法
【專利摘要】描述了一種電滲析的緩沖劑產(chǎn)生器。該緩沖劑產(chǎn)生器可以包括一個(gè)具有一個(gè)入口以及出口的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道、一個(gè)第二腔室、以及一個(gè)第三腔室。該緩沖劑產(chǎn)生通道、該第二腔室、以及該第三腔室可以各自包括一個(gè)電極。該緩沖劑產(chǎn)生器還可以包括一個(gè)第一離子交換屏障以及一個(gè)第二離子交換屏障。該第一離子交換屏障可以被設(shè)置在該第二腔室與該緩沖劑產(chǎn)生通道之間。該第二離子交換屏障可以被設(shè)置在該第三腔室與該緩沖劑產(chǎn)生通道之間。
【專利說明】三電極緩沖劑產(chǎn)生器和方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求由 Purnendu K.Dasgupta、Yongjing Chen、和 Kannan Srinivasan 于 2011年8月23日為“三電極緩沖劑產(chǎn)生器和方法”提交的序列號(hào)為61/526，592的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)，以及由 Purnendu K.Dasgupta、Yongjing Chen、和 Kannan Srinivasan 于 2011 年 8月26日為“膜抑制器緩沖劑產(chǎn)生器”提交的序列號(hào)為61/528，127的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，這些臨時(shí)專利申請(qǐng)的全部披露內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
冃牙、
[0001]緩沖劑廣泛用于化學(xué)方法的PH控制。當(dāng)加入酸類或堿類，或者當(dāng)進(jìn)行稀釋時(shí)，緩沖的溶液抵抗PH的變化。生物化學(xué)家特別關(guān)注緩沖劑，因?yàn)槿魏紊矬w系的正常運(yùn)行都依賴于pH。一種特定的酶催化反應(yīng)的速率隨著pH而變化。為了使有機(jī)體存活，必須精確控制每個(gè)亞細(xì)胞區(qū)室的pH，以便每個(gè)反應(yīng)都以正常速率進(jìn)行。用于研究中的多數(shù)的生物樣品是在緩沖劑(例如大約7的pH下的磷酸鹽、Tris-HCl)中制成的。
[0002]能從可生物降解的物質(zhì)直接產(chǎn)生電的微生物燃料電池(MFC)已經(jīng)迅速得到越來越多的研究注意。微生物將有機(jī)底物氧化以將電子供應(yīng)給陽極，然后這些電子通過一個(gè)外部電路行進(jìn)到陰極并且參與還原反應(yīng)。與這些反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的是分別在陽極電解液和陰極電解液中由水電解產(chǎn)生了 H+以及0H_，這產(chǎn)生了系統(tǒng)中的pH不平衡。由于該pH不平衡產(chǎn)生了0.059V/pH的電勢(shì)損失，因此為了使功率密度最大化，將該pH不平衡最小化是必需的。磷酸鹽緩沖劑通常用來穩(wěn)定PH并且降低內(nèi)電阻，這反過來增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。為了在陰極室中具有足夠的質(zhì)子供應(yīng)，需要高濃度的緩沖劑，并且它仍然可能隨著時(shí)間變得耗盡。新鮮緩沖劑的穩(wěn)定供應(yīng)將是引人注意的。
[0003]緩沖劑在分析化學(xué)中同樣有廣泛的應(yīng)用。反相高效液相色譜法(RP-HPLC)已一直是用于有機(jī)化合物分析、尤其是生物樣品分析的一種非常強(qiáng)大的工具。諸如磷酸鹽或乙酸鹽的緩沖劑廣泛用于可電離化合物的分析中的流動(dòng)相中。因?yàn)榭呻婋x的酸/堿化合物的保留對(duì)它們的電離度具有強(qiáng)烈依賴性，因此正確地選擇的緩沖劑PH將保證，該可電離的官能團(tuán)處于單一形式，不論離子的還是中性的。當(dāng)開發(fā)一種嚴(yán)格的方法時(shí)，所希望的是選擇一種流動(dòng)相，該流動(dòng)相的最終pH距離任何分析物的pK值至少一個(gè)pH單位，以便引起這些分析物的電離或抑制。就選擇性、容量因子、峰形、分辨率以及可重現(xiàn)性而言，PH的輕微變化能對(duì)分離產(chǎn)生顯著影響。對(duì)于可電離的分析物不適當(dāng)?shù)腜H經(jīng)常導(dǎo)致寬的、拖尾的、分裂的或有肩的不對(duì)稱的峰。而且為了獲得低的檢出限、注入之間的低的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、以及可重現(xiàn)的保留時(shí)間，尖銳的、對(duì)稱的峰在定量分析中是必需的。甚至在非可電離的化合物的分析中，當(dāng)在可電離的污染物或雜質(zhì)存在的情況下使用現(xiàn)場(chǎng)樣品進(jìn)行工作時(shí)，PH控制往往同樣重要，以便消除所不希望的峰的干擾。如果該樣品溶液處在對(duì)柱有損害的PH，則緩沖劑將快速地使該注入溶液的pH達(dá)到一個(gè)更少有害的pH。RP-HPLC的另一種技術(shù)，離子對(duì)色譜法(IPC)也要求對(duì)流動(dòng)相中pH的精確控制，這是因?yàn)榱鲃?dòng)相中pH的變化會(huì)引入不僅溶質(zhì)而且還有離子對(duì)試劑的電離度的巨大變化。在實(shí)踐中，色譜分析員通常在將緩沖劑添加劑與其他溶劑進(jìn)行混合之前，測(cè)量這些緩沖劑添加劑的PH，但用來制備這些緩沖劑的酸類的pKa值隨著溶劑組成而變化(并且每一種以不同的程度變化)，并且緩沖劑的pH也是這樣。有時(shí)，在將緩沖劑與有機(jī)改性劑進(jìn)行混合之后測(cè)量PH ;甚至在這種情況下，通常用水性標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)該電勢(shì)測(cè)定體系進(jìn)行校準(zhǔn)，并且所測(cè)量的PH并不是流動(dòng)相的真實(shí)pH。理論上，色譜分析員能基于從方程式的計(jì)算結(jié)果來估算為實(shí)現(xiàn)用于分離所希望的PH所需要的緩沖劑的濃度。然而，實(shí)際上PH會(huì)顯著地不同于那些計(jì)算結(jié)果。因此，分析員必須使用一個(gè)已校準(zhǔn)的pH計(jì)通過實(shí)驗(yàn)來確定和報(bào)告用于流動(dòng)相PH的值以便保證可重現(xiàn)性結(jié)果。當(dāng)開發(fā)一種方法時(shí)，在流動(dòng)相達(dá)到最佳條件之前，分析員可能必須調(diào)整流動(dòng)相許多次。用一種儲(chǔ)備緩沖溶液時(shí)，只能通過改變緩沖劑與有機(jī)溶劑的比例來改變緩沖劑的最終濃度，這大大地限制了優(yōu)化過程的靈活性。制備不同的緩沖劑儲(chǔ)備溶液是冗長的并且費(fèi)時(shí)的。如果僅僅通過改變所施加的電流就可以改變緩沖劑濃度，這將提供一種非常有效的方法并且減少了許多廢溶劑。
[0004]用離子交換色譜法進(jìn)行的基于pH的蛋白質(zhì)分離是另一種依賴于緩沖劑的色譜技術(shù)。最初，它采用從流動(dòng)相(兩性電解質(zhì)緩沖劑)以及固定相(弱陰離子交換柱)產(chǎn)生的近似線性的PH梯度來按蛋白質(zhì)的pi順序洗脫這些蛋白質(zhì)，并且被稱為“色譜聚焦”。最近，該技術(shù)被發(fā)展成為“梯度色譜聚焦”，其采用具有低分子量的普通緩沖劑代替聚合的兩性電解質(zhì)。存在兩種類型的梯度:一種在柱出口處引起蛋白質(zhì)的差異洗脫的按時(shí)間的PH梯度，以及一種在柱內(nèi)影響蛋白質(zhì)帶的聚焦的按距離的pH梯度。典型地，HPLC梯度泵用來通過改變高PH緩沖劑與低pH緩沖劑的比例來產(chǎn)生按時(shí)間的線性pH梯度，該高pH緩沖劑和低pH緩沖劑是具有在整個(gè)梯度PH范圍內(nèi)大致等間隔的pKa值的緩沖劑成分的混合物。
[0005]毛細(xì)管電泳(CE)是另一種用于蛋白質(zhì)和肽以及藥品對(duì)映異構(gòu)體的分析的強(qiáng)大的分離工具。它允許對(duì)在結(jié)構(gòu)上具有非常微弱差別的種類的分離的無先例的分辨率是由于它極高的效率的結(jié)果，在某種程度上，這依賴于它所采用的運(yùn)行緩沖劑。緩沖劑PH的操控通常是對(duì)分離進(jìn)行優(yōu)化的關(guān)鍵策略，這是因?yàn)榫彌_劑PH不僅決定每種單獨(dú)的分析物的電離程度，而且強(qiáng)烈影響毛細(xì)管壁表面的電荷以及Z電勢(shì)，因此影響電泳的以及電滲的速度。水的電解是在CE實(shí)驗(yàn)中在入口瓶和出口瓶處發(fā)生的最重要的反應(yīng)之一，所生成的H+和0!1_會(huì)改變這些瓶中的pH。因而，為了成功地維持緩沖劑的pH，應(yīng)該使用大瓶并且該緩沖劑必須具有足夠的緩沖能力以中和所產(chǎn)生的H+和0H_，并且這些緩沖劑瓶應(yīng)該定期進(jìn)行補(bǔ)充。通過操控這些運(yùn)行緩沖劑，還可以實(shí)現(xiàn)樣品預(yù)濃縮以克服CE中有限的靈敏度的缺點(diǎn)。
[0006]本質(zhì)上，緩沖劑是一種酸與其共軛堿的混合物。必須存在可相比數(shù)量的共軛酸與堿(如，在10倍內(nèi))以發(fā)揮顯著的緩沖作用。制備緩沖溶液的最常用方法為基于亨德森-哈塞爾巴爾赫方程(Henderson-Hasselbalch equation)來決定該共軛酸堿對(duì)的比例，并且分別稱出這兩種成分以得到所希望的比例，并且然后將其溶解于水中。一種替代方案是，稱出一種成分，并且通過指定數(shù)量的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿來產(chǎn)生另一種成分以得到所希望的比例。雖然用濃的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿來調(diào)整某一緩沖溶液的PH是常見作法，但容易由于加入過多的滴定劑而過調(diào)，并必須制備另一種溶液并且再一次重新開始。
概述
[0007] —種電滲析緩沖劑產(chǎn)生器包括:一個(gè)流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道，該緩沖劑產(chǎn)生通道包括一個(gè)第一電極，具有一個(gè)入口和一個(gè)出口 ；一個(gè)包括一個(gè)第二電極的第二腔室；一個(gè)包括一個(gè)第三電極的第三腔室；一個(gè)設(shè)置在該第二腔室與該緩沖劑產(chǎn)生通道之間的陽離子交換屏障，該陽離子交換屏障能夠讓陽離子通過但不讓陰離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)；以及一個(gè)設(shè)置在該第三腔室與該緩沖劑產(chǎn)生通道之間的陰離子交換屏障，該陰離子交換屏障能夠讓陰離子通過但不讓陽離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)。
[0008]該產(chǎn)生器還可以包括一種與該第二腔室的入口處于流體連通的水性陽離子源電解質(zhì)溶液，以及一種與該第三腔室的入口處于流體連通的水性陰離子源電解質(zhì)溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，該產(chǎn)生器還可以包括一種與該緩沖劑產(chǎn)生通道入口處于流體連通的電解質(zhì)溶液。此外，該產(chǎn)生器可以包括一個(gè)連接到該第一和第二電極的第一電流源，以及一個(gè)連接到該第二和第三電極的第二電流源。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，該第一電極是接地的?？商娲?，該第二和第三電極是接地的。任選地，一個(gè)除氣裝置可以與該緩沖劑產(chǎn)生通道的出口處于流體連通。
[0010]一種使用上述緩沖劑產(chǎn)生器的電滲析方法包括:使一種第一水性溶液流入該流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道中，其中第一、第二、或第三水性溶液中的至少一者包括一種包括陰離子或陽離子、或它們兩者的水性電解質(zhì)溶液；使第一電流在該第一與第二電極之間穿過；并且使第二電流在該第一與第三電極之間穿過，由此在該緩沖劑產(chǎn)生通道中產(chǎn)生一種緩沖溶液。
[0011]該第一電流可以大于該第二電流，或者可替代地，該第二電流可以大于該第一電流。該水性電解質(zhì)溶液可以包括一種多質(zhì)子酸的強(qiáng)堿鹽或者一種多質(zhì)子堿的強(qiáng)酸鹽。該方法可以進(jìn)一步包括將該水性電解質(zhì)溶液引入該第二或第三腔室中的至少一者的入口中。該第一水性溶液可以是去離子水，或者可替代地可以包括一種電解質(zhì)溶液。該方法可以進(jìn)一步包括將去離子水引入該第二或第三腔室中的至少一者的入口中。在一個(gè)實(shí)施例中，該水性溶液可以不是靜止的，并且流動(dòng)通過該第二和第三腔室，其中每個(gè)腔室包括一個(gè)入口以及一個(gè)出口。
[0012]該方法可以包括:通過改變?cè)摰谝浑娏鞯膹?qiáng)度從該緩沖劑產(chǎn)生通道輸出具有改變的pH的緩沖劑。該改變的pH可以包括一種梯度pH，其中該第一電流隨時(shí)間變化而變化，并且該方法進(jìn)一步包括將該第二電流保持為隨時(shí)間變化大致恒定，使得輸出的緩沖劑具有大致恒定的總緩沖劑濃度。該方法還可以包括:通過改變?cè)摰诙娏鞯膹?qiáng)度從該緩沖劑產(chǎn)生通道輸出具有改變的緩沖劑濃度的緩沖劑。該改變的緩沖劑濃度可以是一種梯度緩沖劑濃度，其中該第二電流隨時(shí)間變化而變化。
[0013]該方法還可以包括用一個(gè)氣體去除裝置對(duì)所產(chǎn)生的緩沖溶液進(jìn)行除氣。
附圖簡(jiǎn)要說明
[0014]結(jié)合在此并且構(gòu)成本說明書的一部分的這些附圖展示了本發(fā)明目前優(yōu)選的實(shí)施例，并且與以上給出的總體描述以及以下給出的詳細(xì)描述一起，用于說明本發(fā)明的特征(其中同樣的數(shù)字表示同樣的元件)。
[0015]圖1是該緩沖劑產(chǎn)生器的一個(gè)實(shí)施例的示意性圖示。
[0016]圖2(a)和2(b)示意地展示了使用圖1的緩沖劑產(chǎn)生器的反應(yīng)圖解，其中將水供給該緩沖劑產(chǎn)生通道并且將電解質(zhì)供給這些外部通道。
[0017]圖3(a)示意地展示了使用圖1的緩沖劑產(chǎn)生器的反應(yīng)圖解，其中將水供給該緩沖劑產(chǎn)生通道而將電解質(zhì)供給這些外部通道，并且CEM電流小于AEM電流。
[0018]圖3(b)示意地展示了使用圖1的緩沖劑產(chǎn)生器的反應(yīng)圖解，其中將水供給該緩沖劑產(chǎn)生通道而將電解質(zhì)供給這些外部通道，并且CEM電流大于AEM電流。[0019]圖4 (a)展示了當(dāng)AEM電流保持恒定時(shí)隨CEM電流而變化的總緩沖劑濃度以及pH。虛線指示AEM電流，并且在這兩個(gè)電流相等處該虛線與曲線相交。菱形符號(hào)表示總緩沖劑濃度并且橢圓形符號(hào)表示PH。
[0020]圖4(b)展示了當(dāng)CEM電流保持恒定時(shí)隨AEM電流而變化的總緩沖劑濃度以及pH。虛線指示CEM電流，并且在這兩個(gè)電流相等處該虛線與曲線相交。菱形符號(hào)表示總緩沖劑濃度并且橢圓形符號(hào)表示PH。
[0021]圖5(a)是一個(gè)三維的等值線圖，該等值線圖示出了使用圖1的緩沖劑產(chǎn)生器時(shí)隨AEM電流和CEM電流而變化的總緩沖劑濃度。
[0022]圖5(b)是一個(gè)三維的等值線圖，該等值線圖示出了使用圖1的緩沖劑產(chǎn)生器時(shí)隨AEM電流和CEM電流而變化的pH。
[0023]圖6展示了當(dāng)AEM電流和CEM電流隨時(shí)間變化而變化時(shí)的在線電導(dǎo)率以及pH。
[0024]圖7是緩沖劑產(chǎn)生器的一個(gè)反向極性形式的示意性圖示。
詳細(xì)說明
[0025]應(yīng)當(dāng)參考附圖來閱讀以下詳細(xì)說明，其中不同附圖中同樣的元件的編號(hào)相同。這些附圖不必按比例繪制，描繪了選定的實(shí)施例，并且并非旨在限制本發(fā)明的范圍。該詳細(xì)說明以舉例的方式而不是以限制的方式來展示本發(fā)明的原理。此說明將清楚地使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造并且使用本發(fā)明，并且描述了本發(fā)明的若干實(shí)施例、改編、變形、替代方案以及使用，包括目前被認(rèn)為實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。如在此所使用的，用于任何數(shù)值或范圍的術(shù)語“約”或“大致 ”指示允許組件的部分或集合實(shí)現(xiàn)如在此所描述的其預(yù)期目的的適合的尺寸公差。
[0026]描述了一種電滲析緩沖劑產(chǎn)生器以及使用該產(chǎn)生器來電滲析地產(chǎn)生緩沖劑的方法。該產(chǎn)生器包括:一個(gè)流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道，該緩沖劑產(chǎn)生通道包括一個(gè)第一電極，具有一個(gè)入口和一個(gè)出口 ；一個(gè)流通式的第二通道，該第二通道包括一個(gè)第二電極，具有一個(gè)入口和一個(gè)出口 ；一個(gè)流通式的第三通道，該第三通道包括一個(gè)第三電極，具有一個(gè)入口和一個(gè)出口；一個(gè)設(shè)置在該第二通道與該緩沖劑產(chǎn)生通道之間的陽離子交換屏障，該陽離子交換屏障能夠讓陽離子通過但不讓陰離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)；以及一個(gè)設(shè)置在該第三通道與該緩沖劑產(chǎn)生通道之間的陰離子交換屏障，該陰離子交換屏障能夠讓陰離子通過但不讓陽離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該第一電極是接地的。
[0027]在一個(gè)替代性實(shí)施例中，第二和第三通道可以用第二和第三腔室代替。這些腔室各自被配置為容納一種靜止溶液，并且在產(chǎn)生緩沖劑時(shí)是實(shí)質(zhì)上不流動(dòng)的。
[0028]如果反轉(zhuǎn)電極的極性，則將取決于所施加的電壓以及產(chǎn)生的電流有效地對(duì)中心通道流出物進(jìn)行去離子。在此描述的實(shí)施例結(jié)合了用戶選擇的電解質(zhì)Α+的電滲析產(chǎn)生以及H+或0H_的電解產(chǎn)生來電滲析地產(chǎn)生一種緩沖劑。H+或0H_的電解產(chǎn)生或消耗已經(jīng)在電化學(xué)pH的應(yīng)用中論證。在電滲析緩沖劑產(chǎn)生過程中，電流穿過CEM在第一與第二電極之間并且穿過AEM屏障在第一與第三電極之間流動(dòng)。穿過CEM流經(jīng)該第一和第二電極的電流被稱為“CEM電流”，而穿過AEM流經(jīng)該第一和第三電極的電流被稱為“AEM電流”。相對(duì)于該中心通道中的接地電極，通過使載有A+B_的CEM側(cè)保持為正的并且載有X+Y_的AEM側(cè)保持為負(fù)的，該裝置可以按這樣一種方式操作，即如果CEM電流大于或小于AEM電流，則可以對(duì)應(yīng)地由于水電解而產(chǎn)生過量的H+或0H_。
[0029]再次參見圖1，緩沖劑產(chǎn)生器10包括一個(gè)流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道12，該緩沖劑產(chǎn)生通道具有由墊片13限定的一個(gè)入口 12a和一個(gè)出口 12b。一個(gè)任選的帶電的或不帶電的濾網(wǎng)(沒有示出)設(shè)置在通道12中，該濾網(wǎng)可以是與‘098專利的圖1-3的濾網(wǎng)類似的并且起與其類似的功能。處于陽離子交換膜(CEM)片14形式的陽離子交換屏障以沿著沿通過通道12的流動(dòng)方向延伸的通道12的一側(cè)安裝。處于陰離子交換膜(AEM)片16形式的陰離子交換屏障與CEM14隔開，并且與CEM14 —起形成沿著通過通道12的流動(dòng)路徑的、通道12的相對(duì)的壁。CEM14和AEM16可以是與‘098專利的圖1_3的膜片相同類型的，除了它們是相反電荷的(正的或負(fù)的)。CEM14包括可交換陽離子并且能夠讓陽離子通過但不讓陰離子通過，并且AEM16包括可交換陰離子并且能夠讓陰離子通過但不讓陽離子通過。它們都阻斷主體液體流動(dòng)；也就是說，它們阻斷除了可能的不顯著的滲漏以外的液體流動(dòng)。雖然離子交換膜是這些屏障的優(yōu)選形式，還可以使用完成這些功能的其他屏障。
[0030]將一個(gè)墊片20安裝到CEM14的面對(duì)的表面，以限定一個(gè)具有入口 22a和出口 22b的流通式的通道22。將一個(gè)墊片24安裝為面對(duì)AEM16，以限定一個(gè)具有入口 26a和出口 26b的流通式的陽極通道26。如所展示的，流通式的中心通道12與流通式的通道12、20和26的方向相同。然而，這些通道的任何一個(gè)中的流動(dòng)可以是反向的。以鉬絲形式展示的電極28設(shè)置在中心通道12中；電極30設(shè)置在通道22中，并且電極32設(shè)置在通道26中。如所展示的，電極28是接地的。還可以使用電極的替代形式，例如‘098專利的平板電極(flatbed electrode)。并且,任選的帶電或不帶電的濾網(wǎng)或樹脂顆?；蛞粋€(gè)單塊(沒有示出)可以設(shè)置在上述類型的通道12、22和26中。
[0031 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，來自一個(gè)源(沒有示出)的一種水性陽離子源電解質(zhì)溶液在管線22c中流動(dòng)到入口 22a，通過通道22，并且從出口 22b流出進(jìn)入管線22d。來自一個(gè)源(沒有示出)的一種水性陰離子源電解質(zhì)溶液在管線26c中流動(dòng)到入口 26a，通過通道26，并且從出口 22d流出通過管線26d。而且，來自沒有示出的源的一種水性液體(優(yōu)選去離子水)流動(dòng)通過管線12c到達(dá)入口 12a，通過中心通道12，并且從出口 12b流出后通過管線12d。如在此所使用的，術(shù)語“陽離子”以及“陰離子”不包括在水的電解過程中產(chǎn)生的氫離子和氫氧根離子。
[0032]如‘098專利中所描述的類型的外部支撐塊(沒有示出)可以用來封閉通道22和26，并且用來為產(chǎn)生器10提供內(nèi)部支撐。
[0033]圖2(a)展示了使用圖1的裝置的一個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)圖解，該實(shí)施例在用于陽極通道22以及陰極通道26的水性進(jìn)料溶液中使用了一種多質(zhì)子堿的強(qiáng)堿。供給中心通道12的溶液是去離子水。在一個(gè)實(shí)施例中，在通道22和26中流動(dòng)的NivmHmX包括Na2HPO4的水性溶液，其中n-m等于2并且m等于I。注意X表示一種陰離子型種類并且Na2HPO4代表強(qiáng)堿鹽的一個(gè)實(shí)例。來自一個(gè)第一電流源或電源(沒有示出)的電流在正電極30 (陽極)與接地電極28之間穿過(CEM電流)，而來自一個(gè)第二電流源或電源(沒有示出)的第二電流在負(fù)電極32 (陰極)與接地電極28之間穿過(AEM電流)。Na+離子在CEM電流的影響下穿過CEM14。在通道22中，Nan_mHmX在電解過程中被轉(zhuǎn)化為Na+、H+、HPO42' O2以及H20。Nan_mHmX(Na2HPO4)也流經(jīng)通道26。ΗρΧρ-η (ΗΡ042Ο在AEM電流的影響下穿過ΑΕΜ16。在通道26中，Na2HPO4被轉(zhuǎn)化為Na+、0H_、HP042-、H2、H20。在中心的緩沖劑產(chǎn)生通道12中，Na+以及ΗΡ042_離子轉(zhuǎn)化為緩沖溶液中的Na^H2PO,、以及HPO42'在所有三個(gè)通道中都發(fā)生了電解。在以下描述的圖3(a)和3(b)中更詳細(xì)地展示了此緩沖劑產(chǎn)生體系的反應(yīng)。注意B表示能遷移穿過該陽離子交換膜的一種陽離子，例如像H+、Na+、或K+。此外，Y表示能遷移穿過該陰離子交換膜的一種陰離子型種類，例如像0H\P043_、HP042_、或H2PO廣。適合的其他進(jìn)料溶液包括磷酸鹽、檸檬酸鹽、硼酸鹽、三(羥甲基)氨基甲烷(tris)、和乙二胺等、以及其組合。適合的由這些進(jìn)料溶液產(chǎn)生的緩沖溶液包括NaH2P04-Na2P04、NaH2P04-磷酸、檸檬酸_檸檬酸鈉、硼酸-硼酸鹽、三(羥甲基)氨基甲烷-三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽(Tris-Tris HCL),和乙二胺-乙二胺酸(HCl)等、以及其組合。
[0034]圖2(b)展示了用來產(chǎn)生一種水性緩沖溶液的相同的設(shè)備，該設(shè)備使用一種多質(zhì)子堿的強(qiáng)酸鹽溶液作為進(jìn)料溶液。強(qiáng)酸鹽的一個(gè)實(shí)例可以是NaH2PO415適合的進(jìn)料溶液包括磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸鈉、和碳酸氫鈉、碳酸鈉等、以及其組合。適合的由這種體系產(chǎn)生的緩沖溶液包括 NaH2P04-Na2HP04、NaH2PO4-Na2PO4、NaH2PO4-H3PO4JP Na2CO3-NaHCO3 等、以及其組合。[0035]緩沖劑的pH優(yōu)選在緩沖組分的pKa的土 IpH單位的范圍內(nèi)。緩沖劑pH范圍可以在pHO至14范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在pH2至10范圍內(nèi)。緩沖劑濃度優(yōu)選在0.0OlM至IM內(nèi)，并且更優(yōu)選在0.005M至0.1M內(nèi)，并且最優(yōu)選在0.005M至0.05M內(nèi)。
[0036]CEM電流和AEM電流分別控制傳輸入中心通道12或從其傳輸?shù)年栯x子和陰離子的量。CEM電流與AEM電流之間的差值決定所產(chǎn)生的H+或0H_的量以獲得所產(chǎn)生的緩沖溶液的所希望的pH。
[0037]如圖2(a)和2(b)所展示的，電極28接地，并且分別形成與電極30和32的電極對(duì)中的電極之一，以用于施加不同的CEM電流和AEM電流。通過使用這兩個(gè)可變電源，可以將CEM電流控制為大于、小于、或等于AEM電流。在此，在一個(gè)共同的接地連接下，電極30連接到該電源的正極端并且電極32連接到一個(gè)第二電源的負(fù)極端。
[0038]在使用接地電極28的一個(gè)替代方案中，使用了三個(gè)電源，其中這三個(gè)電源的每一個(gè)的對(duì)電極是共同接地。例如，電極30連接到一個(gè)第一電源上的正極端；電極32連接到一個(gè)第二電源的負(fù)極端，并且電極28連接到一個(gè)第三電源的負(fù)極端。每個(gè)電源均接地。在這種配置中，電勢(shì)以有助于電勢(shì)降的方式來安排，該電勢(shì)降將允許離子從該中心產(chǎn)物通道傳輸出和/或傳輸入其中。因此，并不要求必須將該中心產(chǎn)物通道接地。在極性被反轉(zhuǎn)時(shí)的反向操作模式中，這些外部通道可以是接地的，或者可以按有助于離子傳輸?shù)姆绞絹戆才胚@些電極的電勢(shì)。
[0039]該三電極緩沖劑產(chǎn)生器的圖1的上述第一實(shí)施例的許多種修改仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在一個(gè)替代方案中，第一實(shí)施例中通道22和26 (其為流通式的通道)中的水性溶液可以用大的靜止的或不流動(dòng)的儲(chǔ)存器代替，例如美國專利號(hào)6，225，129中所披露的作為離子源儲(chǔ)存器的類型的。
[0040]在另一個(gè)實(shí)施例中，這些外電極極性被反轉(zhuǎn)。在這種情況下，穿過這些膜的離子流從通道12中的電極12 (被稱為“反向極性實(shí)施例”)分別通過屏障14和16朝向在通道22和26中的電極30和32，而不是如第一實(shí)施例中的相反的方向。在這個(gè)實(shí)施例中，流經(jīng)通道12的水性溶液包括一種包括陽離子、陰離子、或它們兩者的電解質(zhì)溶液。在此，與第一實(shí)施例相反，將陽離子或陰離子從通道12移除以產(chǎn)生所希望的緩沖溶液，而不是如第一實(shí)施例中的將其添加到通道12中。
[0041]圖7中示意地說明了該反向極性實(shí)施例。該裝置像一個(gè)去離子器一樣運(yùn)轉(zhuǎn)，以允許陽離子通過CEM膜14向陰極30遷移并且陰離子通過AEM16向陽極32遷移。將包括將會(huì)用于制備緩沖劑的離子的源流泵送進(jìn)中心通道12中。將去離子水流泵送進(jìn)通道22和28中。在通道22、28與中心通道12之間施加電勢(shì)時(shí)，發(fā)生電解，導(dǎo)致分別在陽極電極32和陰極電極30的表面上產(chǎn)生了水合氫離子和氫氧根離子。這些陰離子和陽離子的傳輸允許對(duì)流入的源流的PH以及離子強(qiáng)度的控制。例如，如果在陰極通道30和中心通道12中的電極通電時(shí)將Na2HPO4引入中心通道12中，則這些鈉離子通過CEM14被移除。當(dāng)在陽極通道28與中心通道12之間施加電流時(shí)，HPO42-陰離子通過AEM16也將會(huì)被移除。這種設(shè)置可以用來制備包括Na2HPO4和NaH2PO4的緩沖劑。通過改變所施加的電流，可以容易地獲得pH梯度和/或濃度梯度。應(yīng)該指出的是，在本設(shè)置中，該裝置像一個(gè)去離子單元一樣運(yùn)轉(zhuǎn)，并且如在先前實(shí)施例中所討論的正常極性設(shè)置中的，有可能不添加離子。
[0042]在另一個(gè)實(shí)施例中，電極28是一個(gè)未接地的電極而電極30和32是接地的。接地電極可以是具有零電勢(shì)、沒有極性的電極。當(dāng)該第二和第三通道中的電極(30和32)接地時(shí)，中心通道12中的電極28的極性可以具有正極性或負(fù)極性。在這種模式下，有可能添加或移除陰離子或陽離子，例如，當(dāng)該中心通道具有對(duì)于所施加的電勢(shì)的正極性時(shí)，陽離子將通過該陽離子交換膜被驅(qū)逐出這個(gè)通道，而陰離子將通過該陰離子交換膜被添加進(jìn)該中心通道。當(dāng)該中心通道的極性被改變?yōu)閷?duì)于所施加的電勢(shì)的負(fù)極性時(shí)，陽離子將被添加進(jìn)該中心通道而陰離子將被驅(qū)逐出該中心通道。
[0043]還可能對(duì)所施加電勢(shì)的極性進(jìn)行編程，以便移除和添加能在同一裝置中發(fā)生。例如，通過進(jìn)行短持續(xù)時(shí)間的反向極性配置，然后進(jìn)行正常極性配置，可以擴(kuò)展PH產(chǎn)生。在這種情況下，所有通道都供應(yīng)有電解質(zhì)溶液。以此方式，通過操控所施加的極性以及這兩個(gè)電流的強(qiáng)度，有可能操控緩沖劑濃度以及pH。
[0044]如圖1和2中闡明的，電解質(zhì)流經(jīng)通道22和通道26，而水流經(jīng)中心緩沖劑產(chǎn)生通道。在這個(gè)實(shí)施例中，電極30具有比電極28和32更正的電勢(shì)。而且，如以上所闡明的，該緩沖劑產(chǎn)生器還可以包括:使多種溶液流經(jīng)這三個(gè)通道，并且通過對(duì)這兩個(gè)電路中的每一個(gè)的電流水平以及這些電流水平的差異進(jìn)行精確控制來將一種或多種離子添加進(jìn)該中心通道或從其中除去，以便制備一種緩沖溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，該中心通道的進(jìn)料溶液是一種緩沖溶液并且從該通道離開的溶液是一種改性的緩沖溶液。在本實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例中，該中心通道進(jìn)料溶液是一種電解質(zhì)緩沖劑，并且該陽極和陰極通道的進(jìn)料是去離子水。移進(jìn)這些外部通道中的陽離子和/或陰離子的量由這兩個(gè)電流精確控制。這種體系的一個(gè)實(shí)例使用NaH2PO4的中心通道進(jìn)料溶液，并且該陽極通道供給有NaOH而該陰極通道供給有去離子水。從該中心通道離開的改性的緩沖溶液是一種包括NaH2PO4和Na2HPO4的緩沖劑。此時(shí)，鈉從該陽極通道被供應(yīng)進(jìn)該含NaH2PO4的中心產(chǎn)物通道，而通過該陰離子交換膜以及該陰極供應(yīng)氫氧根。向NaH2PCV流中添加NaOH可以由所施加的電流來控制并且決定了該中心產(chǎn)物通道中的pH。
[0045]類似地，還可能通過該陰極通道帶入一種陰離子。如果在以上實(shí)例中，陰極通道22供給有甲磺酸(MSA)，則該酸陰離子將可供用于操控中心通道12的pH。在以上實(shí)例中，如果用DI水代替KOHJlJ MSA會(huì)增大中心產(chǎn)物通道12中的酸度。還應(yīng)該指出的是，這兩個(gè)電源可以具有不同的電流梯度，由此提供對(duì)于產(chǎn)物通道的pH和離子強(qiáng)度的更好的控制。鈉從陽極通道26被供應(yīng)進(jìn)中心產(chǎn)物通道12，而通過陰離子交換膜16以及該陰極供應(yīng)氫氧根。NaOH的添加可以由所施加的電流來控制并且決定了中心產(chǎn)物通道12中的pH。
[0046]在另一個(gè)實(shí)施例中，去離子水在外部通道22和26之一中流動(dòng)，并且一種包括陰離子或陽離子源的電解質(zhì)溶液在另一個(gè)中流動(dòng)。例如，一種陽離子(例如Na+)源可以用作該陽極通道的進(jìn)料溶液并且去離子水可以用作該陰極通道的進(jìn)料溶液?？商娲兀ルx子水可以流經(jīng)該陽極通道，并且一種陰離子源(例如MSA)可以在一種緩沖溶液或其他鹽或一種酸中流動(dòng)。此時(shí)，通道22的進(jìn)料溶液可以是一種鹽溶液(例如一種緩沖溶液)、或一種酸或一種堿，該酸或堿包括希望添加進(jìn)中心通道28中的進(jìn)料溶液中的陰離子，以便產(chǎn)生從通道28離開的產(chǎn)物緩沖劑。還可能在以上配置中添加一種鹽，其目的在于改變產(chǎn)物流的離子強(qiáng)度。例如，如果接近陽極的通道供給有KOH并且陰極通道供給有MSA，則將有可能在該中心通道中制得KMSA鹽。
[0047]總而言之，在兩個(gè)電路的控制下，可以將去離子水或一種陽離子或陰離子的電解質(zhì)源供給這三個(gè)通道中的一個(gè)或多個(gè)以產(chǎn)生具有所希望的PH和濃度的緩沖劑。
[0048]圖3 (a)展示了一個(gè)以Na2HPO4作為進(jìn)料溶液的緩沖劑產(chǎn)生器，該緩沖劑產(chǎn)生器具有小于AEM電流的CEM電流。圖3 (a)中示出了當(dāng)CEM電流小于AEM電流時(shí)的反應(yīng)。圖3 (b)展示了相同的體系，除了 CEM電流大于AEM電流。
[0049]圖4 (a)展示了當(dāng)AEM電流保持恒定時(shí)隨CEM電流而變化的總緩沖劑濃度以及pH。該緩沖劑產(chǎn)生裝置通過改變隨時(shí)間變化的CEM電流的強(qiáng)度來輸出具有改變的pH的緩沖劑。在一個(gè)實(shí)施例中，該改變的PH可以包括一種梯度pH。AEM電流可以是隨時(shí)間變化而大致恒定的以使輸出的緩沖劑具有大致恒定的總緩沖劑濃度。
[0050]圖4(b)展示了當(dāng)AEM電流發(fā)生變化而CEM電流保持恒定時(shí)的總緩沖劑濃度以及pH。該緩沖劑產(chǎn)生裝置通過改變AEM電流的強(qiáng)度來輸出具有改變的緩沖劑濃度的緩沖劑。在一個(gè)實(shí)施例中，該改變的緩沖劑濃度可以包括一種梯度緩沖劑濃度。
[0051]回看圖4 (a),虛線指示AEM電流,并且當(dāng)這兩個(gè)電流相等時(shí),該虛線與曲線相交。類似地，在圖4 (b)中，虛線指示CEM電流，并且當(dāng)這兩個(gè)電流相等時(shí)，該虛線與曲線相交。收集所產(chǎn)生的緩沖劑。由離子色譜測(cè)定總緩沖劑濃度。離線測(cè)量pH。該中心通道具有0.25mL/min的水流。CEM側(cè)外通道具有1.5mL/min的0.5M K2HPO4流。AEM側(cè)外通道具有3.0mL/min 的 0.5M K2HPO4 流。
[0052]圖5(a)展示了由圖3(a)和3 (b)的體系產(chǎn)生的總磷酸鹽濃度。圖5 (b)展示了隨所施加的電流而變化的pH。收集所產(chǎn)生的緩沖劑。由離子色譜測(cè)定總緩沖劑濃度。離線測(cè)量pH。該中心通道具有0.25mL/min的水流。CEM側(cè)外通道具有1.5mL/min的0.5M K2HPO4流。AEM側(cè)外通道具有3.0mL/min的0.5M K2HPO4流。
[0053]圖6展示了當(dāng)電流隨時(shí)間變化發(fā)生變化時(shí)的在線電導(dǎo)率以及pH測(cè)量。使用定制的電導(dǎo)池以及pH流動(dòng)池。該中心通道具有0.25mL/min的水流。CEM側(cè)外通道具有1.5mL/min的0.5M K2HPO4流。AEM側(cè)外通道具有3.0mL/min的0.5M K2HPO4流。數(shù)字的緩沖劑濃度值可以歸結(jié)為圖6的電導(dǎo)率時(shí)間瞬態(tài)的剖面。圖6上指示的緩沖劑濃度值可以基于先驗(yàn)的校準(zhǔn)來測(cè)定，在校準(zhǔn)中利用一定范圍的緩沖劑濃度來采集多個(gè)電導(dǎo)率測(cè)量值。
[0054]以下非限制性實(shí)例對(duì)本發(fā)明是說明性的。[0055]實(shí)例I
[0056]七水磷酸氫二鈉以及二水檸檬酸鈉是從馬林克羅(Mallinckrodt)購買的。二鹽酸乙二胺是從伊諾凱科技有限公司(Acros Organics)購買的。鹽酸三(羥甲基)氨基甲烷以及磷酸氫二鉀是從J.T.貝克公司(J.T.Baker)購買的。所有化學(xué)品都是試劑級(jí)的，并且溶液是用18.2ΜΩ.cm的Mill1-Q (密理博(Millipore))去離子水制備的。
[0057]將這些離子交換膜以及電極夾在兩個(gè)尺寸為120mmX42.4mmX10mm的有機(jī)玻璃(Plaxiglass)塊之間，并且提供了流動(dòng)的入口和出口以及電極的通路。在每塊有機(jī)玻璃的中心內(nèi)表面上刻出一條250 μ m深并且2mm寬的通道以形成該外通道流動(dòng)管道，而該中心通道由一個(gè)250 μ m厚的聚丙烯片上的一個(gè)直通(cut-through)通道提供。將直徑為250 μ m的鉬絲放置在每個(gè)通道內(nèi)作為電極。為了防止這些電極與膜直接接觸，將四個(gè)墊片-濾網(wǎng)放置在電極與膜之間。這些墊片-濾網(wǎng)是用290 μ m厚的乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)單絲篩分織物(Fluortex，250 μ m網(wǎng)孔)手工制造的，其中墊片被壓進(jìn)網(wǎng)的兩側(cè)，留出該濾網(wǎng)的一部分不被墊片覆蓋以限定流體路徑。一種方案示出如下:電極(+)|墊片-濾網(wǎng)IcemI墊片-濾網(wǎng)I電極(接地)I墊片-濾網(wǎng)IaemI墊片-濾網(wǎng)I電極(-)
[0058]采用定制的緩沖劑產(chǎn)生器，由來自ICS2000離子色譜儀的泵在0.25mL/min下將水輸送通過中心通道；由凈化空氣分別將兩股獨(dú)立的濃電解質(zhì)溶液流輸送通過兩個(gè)外通道。將該裝置豎直放置，其中所有這三股流都從下往上流動(dòng)以有助于氣體逸出。
[0059]使用兩個(gè)相同的定制的雙極性電流源來分別提供穿過CEM以及AEM的電流。在與該緩沖劑產(chǎn)生器串聯(lián)連接的兩個(gè)并聯(lián)的10Ω電阻器上測(cè)量通過該體系的電流，并且通過一個(gè)采集卡(USB-1408FS,測(cè)量計(jì)算公司(Measurement Computing)以及DAQ軟件在不作任何信號(hào)濾波的情況下進(jìn)行記錄。使用兩個(gè)獨(dú)立的萬用表(Meterman公司)來分別監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)CEM電流以及AEM電流。
[0060]使用由戴安(Dionex)⑶25電導(dǎo)率檢測(cè)器供電的具有6390.ScnT1的電導(dǎo)池常數(shù)的定制的電導(dǎo)池來監(jiān)測(cè)所產(chǎn)生的溶液。配備有一個(gè)Symphony環(huán)氧可重新填充pH電極(VWR)的pH計(jì)(奧立龍研究(Orion Research),型號(hào)601A)用來測(cè)量溶液的pH。以兩種方法進(jìn)行所產(chǎn)生的濃度和PH的測(cè)定。一種方法是收集所產(chǎn)生的溶液并且然后分別測(cè)量各自分離的溶液的pH。將所收集的溶液稀釋并且注入ICS2000系統(tǒng)以測(cè)定所產(chǎn)生種類的準(zhǔn)確的總濃度。另一種方法是用該定制的池來在線測(cè)量電導(dǎo)率，然后用一個(gè)定制的PH流動(dòng)池來在線測(cè)量pH。具有連接到真空的再生劑通道入口和出口的一個(gè)碳酸鹽去除裝置(CRD200，戴安)連接在該緩沖劑產(chǎn)生器與該電導(dǎo)池之間用于除氣。對(duì)于電導(dǎo)率測(cè)量，使用由不同比例下的緩沖劑的組分制成的標(biāo)準(zhǔn)溶液來校準(zhǔn)該定制的電導(dǎo)池。該P(yáng)H流動(dòng)池是用一個(gè)5ml的塑料注射器(Luer-Lok)制成的，將該注射器的主要部分去除，留下約1.2cm長度的針尾以緊密地容納電極的玻殼周圍的保護(hù)齒。通過豎直放置該P(yáng)H電極，從該電導(dǎo)池出來的溶液經(jīng)過一個(gè)連接器進(jìn)入該注射器的底部，對(duì)該玻殼的底部進(jìn)行沖洗。該注射器與玻殼周圍的這些保護(hù)齒之間的間隙允許該流體離開到達(dá)廢物處。將在線PH測(cè)量的結(jié)果與離線測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并且比較結(jié)果表明不存在對(duì)該P(yáng)H計(jì)的參考電位的干擾并且讀數(shù)是相當(dāng)正確的。
[0061]在該緩沖劑產(chǎn)生器中，所施加的電流用來在電極室產(chǎn)生H+和0H_并且驅(qū)使H+或OF通過CEM或AEM，轉(zhuǎn)而將進(jìn)料溶液中的陽離子或陰離子移除。然而，通過該三電極緩沖劑產(chǎn)生器，緩沖劑自身是電滲析地產(chǎn)生的。通過增大這兩個(gè)電流可以增大總濃度，并且這兩個(gè)電流的之間差值將決定pH。圖2中示出了一個(gè)方案。
[0062]pH變化的起因討論如下。如果來自緊挨著AEM的陰極的電子繼續(xù)移動(dòng)通過中心地 電極而到達(dá)緊挨著CEM的陽極，則當(dāng)CEM電流與AEM電流完全相同時(shí)，在該中心接地電極處 將沒有反應(yīng)發(fā)生。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，使用一個(gè)倒置的充滿水的10ml刻度量筒來監(jiān)測(cè)當(dāng)一個(gè) 電流保持恒定同時(shí)另一個(gè)電流相對(duì)于該恒定電流從更低到更高進(jìn)行變化時(shí)的氣體析出。發(fā) 現(xiàn)的是，隨著電流增大，氣體體積一致地先是減小然后增大，并且當(dāng)這兩個(gè)電流幾乎相同時(shí) 觀測(cè)到最小的體積。因此，這證實(shí)當(dāng)CEM電流更大時(shí)，在中心室中產(chǎn)生的將是0IT和H2，而 AEM電流更大將產(chǎn)生H+和02。當(dāng)來自兩側(cè)的電流相等時(shí)，在該中心室中將沒有過量的H+或 0H_并且沒有氣體析出，并且將有等效量的陽離子和陰離子分別穿過CEM和AEM。簡(jiǎn)言之，來 自進(jìn)料溶液的陽離子和陰離子的量分別與CEM和AEM電流的絕對(duì)值直接成正比；H+或0H_的 量由這兩個(gè)電流之間的差值決定。而且與抑制器不同，采用這種三電極裝置，伴隨氣體而產(chǎn) 生緩沖劑。該方案在圖3中示出，使用磷酸鹽緩沖劑作為一個(gè)實(shí)例。
[0063]選擇磷酸鹽緩沖劑(最常用的緩沖劑之一）來說明該緩沖劑產(chǎn)生器的操作原理。 考慮到磷酸鹽緩沖劑典型使用的pH范圍在5-8，此時(shí)NaH2P04或Na2HP04是優(yōu)勢(shì)種類，并且 Na2HP04提供更高的電導(dǎo)率，因此選擇0. 5M Na2HP04作為這兩個(gè)外通道的進(jìn)料溶液。如所預(yù) 測(cè)的，AEM電流保持恒定時(shí)，CEM電流增大帶來0H_量的增大，0H_與HP042_反應(yīng)，改變了溶液 中各種類的分?jǐn)?shù)并且導(dǎo)致pH增大。pH對(duì)CEM電流的曲線與用一種強(qiáng)堿滴定磷酸所產(chǎn)生的 滴定曲線相像。注意被驅(qū)使進(jìn)入該中心通道的磷酸鹽陰離子的量由AEM電流決定，因此總 磷酸鹽濃度保持幾乎恒定（圖4(a))。另一方面，當(dāng)CEM電流恒定并且AEM電流變化時(shí)，我 們觀測(cè)到與用磷酸滴定強(qiáng)堿相像的反向滴定曲線。如所預(yù)測(cè)的，總磷酸鹽離子的濃度隨著 AEM電流的增大而線性地增大。我們進(jìn)一步檢測(cè)了更高的施加電流下將pH只限于6-8時(shí)的 裝置行為。隨這兩個(gè)電流變化而變化的濃度的3-D曲線圖以及隨這兩個(gè)電流變化而變化的 pH的3-D曲線圖如圖5(a)和（b)所示。這證實(shí)該裝置能夠輸送高達(dá)大于140mM的濃度的 磷酸鹽緩沖劑。
[0064]實(shí)例 2
[0065]在本實(shí)例中使用圖7的裝置。在0. 5mL/min的流量下將50mM檸檬酸鉀以及50mM 硫酸乙二胺供給入緩沖劑產(chǎn)生通道12作為一個(gè)源流。在0. 5mL/min的流量下將去離子水 泵送入通道22和28中。將允許施加從10至50mA的電流梯度的電流程序施加到AEM膜側(cè)， 并且將允許施加50至10mA的電流梯度的電流程序施加到CEM膜14側(cè)。所施加的電流的 凈效應(yīng)為該流入的源流的pH的變化。為了使該緩沖劑產(chǎn)生器實(shí)際用于流動(dòng)應(yīng)用，尤其是色 譜中，要求在線產(chǎn)生無氣體的緩沖劑。如以下所闡明的，使用一個(gè)除氣器，可以在沒有來自 氣體的干擾的情況下產(chǎn)生具有合理濃度的緩沖劑。戴安CRD200典型地用于抑制型離子色 譜中以將二氧化碳從該抑制的洗脫液流中去除。該裝置以透氣膜構(gòu)建，這些透氣膜允許二 氧化碳的擴(kuò)散以使其從該流中擴(kuò)散出去。通常將逆流的堿性溶液施加到再生劑通道以輔助 二氧化碳轉(zhuǎn)移。考慮到該緩沖劑產(chǎn)生器中要去除的氣體是相當(dāng)大量的H2或02，堿性溶液不 是特別有幫助的，因此我們將由安裝在實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)柜直接提供的真空施加到該再生劑通 道。該CRD200連接在中心室的出口處，然后是與定制的pH流動(dòng)池串聯(lián)的定制的電導(dǎo)池。pH 電極自身具有一定的響應(yīng)時(shí)間，因此電導(dǎo)率信號(hào)是響應(yīng)速度的一個(gè)指示?？紤]到該CRD200 以及緩沖劑產(chǎn)生器與電導(dǎo)池之間的連接管道，該響應(yīng)時(shí)間是相對(duì)短的。觀測(cè)到電導(dǎo)率信號(hào)中的噪聲在大電流下更高，這可能歸因于來自更大電流信號(hào)的擾動(dòng)，并且所產(chǎn)生的濃度的波動(dòng)歸因于由于氣體析出增多而增大的干擾。由于該裝置的構(gòu)造，CEM側(cè)外通道的阻力大于AEM側(cè)外通道，該CEM外通道中的流量被壓力所限制。圖6中示出了作為隨時(shí)間而變化的電流的結(jié)果的電導(dǎo)率以及PH信號(hào)。
[0066]基于上述內(nèi)容，說明了緩沖劑的電滲析產(chǎn)生。濃度和pH可以增大或減小，這在不采用梯度泵的情況下提供了一種緩沖劑濃度或PH梯度。
[0067]應(yīng)該指出的是，雖然在所有實(shí)施例中，我們談及在中心產(chǎn)物通道中產(chǎn)生一種pH梯度，但同樣有可能使用陽極或陰極通道中的改性的再生劑流來實(shí)現(xiàn)此方面。在這項(xiàng)工作中，我們已經(jīng)示出了一種三通道裝置的應(yīng)用，可以想象添加另外的通道來實(shí)現(xiàn)相同的PH產(chǎn)生目標(biāo)。
[0068]雖然在此已經(jīng)示出并且表述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將清楚此類實(shí)施例只是作為舉例而提供?，F(xiàn)在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能在不偏離本發(fā)明的情況下做出很多變形、變化、以及替換。雖然已經(jīng)通過具體變形以及說明性的附圖描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明并不限于所描述的這些變形或附圖。此外，在以上描述的方法和步驟指示了某些事件以一定順序發(fā)生時(shí)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以修改這些特定步驟的順序并且此類修改仍符合本發(fā)明的變形。另外，這些步驟中的某些除了如以上所描述的順序進(jìn)行之外，在可能時(shí)也可以在平行的過程中同時(shí)進(jìn)行。因此，在存在處于本披露的精神內(nèi)或等效于權(quán)利要求書中提及的發(fā)明的本發(fā)明的多種變形的情況下，本專利旨在將同樣涵蓋那些變形。
【權(quán)利要求】
1.一種電滲析緩沖劑產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器包括: (a)一個(gè)流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道，該緩沖劑產(chǎn)生通道包括一個(gè)第一電極，具有一個(gè)入口以及一個(gè)出口； (b)一個(gè)第二腔室,該第二腔室包括一個(gè)第二電極； (c)一個(gè)第三腔室,該第三腔室包括一個(gè)第三電極； (d)一個(gè)陽離子交換屏障，該陽離子交換屏障被設(shè)置在所述第二腔室與所述緩沖劑產(chǎn)生通道之間，能夠讓陽離子通過但不讓陰離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)；以及 (e)一個(gè)陰離子交換屏障，該陰離子交換屏障被設(shè)置在所述第三腔室與所述緩沖劑產(chǎn)生通道之間，能夠讓陰離子通過但不讓陽離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器進(jìn)一步包括: (f)一種與所述第二腔室的入口處于流體連通的水性陽離子源電解質(zhì)溶液，以及 (g)一種與所述第三腔室的入口處于流體連通的水性陰離子源電解質(zhì)溶液。
3.如以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器進(jìn)一步包括 (f) 一種與所述緩沖劑產(chǎn)生通道入口處于流體連通的電解質(zhì)溶液。
4.如以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器進(jìn)一步包括: (f)一個(gè)連接到所述第一`和第二電極的第一電流源，以及 (g)一個(gè)連接到所述第二和第三電極的第二電流源。
5.如以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的產(chǎn)生器，其中所述第一電極是接地的。
6.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的產(chǎn)生器，其中所述第二和第三電極是接地的。
7.如以上任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器進(jìn)一步包括: (f) 一個(gè)與所述緩沖劑產(chǎn)生通道的所述出口處于流體連通的除氣裝置。
8.一種使用電滲析緩沖劑產(chǎn)生器來產(chǎn)生緩沖劑的電滲析方法，該電滲析緩沖劑產(chǎn)生器包括一個(gè)流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道，該緩沖劑產(chǎn)生通道包括一個(gè)第一電極，具有一個(gè)入口和一個(gè)出口 ；一個(gè)第二腔室,該第二腔室包括一個(gè)第二電極以及一種第二水性溶液；一個(gè)第三腔室，該第三腔室包括一個(gè)第三電極以及一種第三水性溶液；一個(gè)陽離子交換屏障，該陽離子交換屏障被設(shè)置在所述第二腔室與所述緩沖劑產(chǎn)生通道之間，能夠讓陽離子通過但不讓陰離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)；以及一個(gè)陰離子交換屏障，該陰離子交換屏障被設(shè)置在所述第三腔室與所述緩沖劑產(chǎn)生通道之間，能夠讓陰離子通過但不讓陽離子通過，并且能夠阻斷主體液體流動(dòng)；所述方法包括: (a)使一種第一水性溶液流入所述流通式的中心的緩沖劑產(chǎn)生通道中，其中所述第一、第二、或第三水性溶液中的至少一者包括一種包括陰離子或陽離子、或兩者的水性電解質(zhì)溶液； (b)使一個(gè)第一電流在所述第一與第二電極之間穿過；并且 (c)使一個(gè)第二電流在所述第一與第三電極之間穿過，由此在所述緩沖劑產(chǎn)生通道中產(chǎn)生一種緩沖溶液。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一電流大于所述第二電流。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二電流大于所述第一電流。
11.如權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述水性電解質(zhì)溶液包括一種多質(zhì)子酸的強(qiáng)堿鹽。
12.如權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述水性電解質(zhì)溶液包括一種多質(zhì)子堿的強(qiáng)酸鹽。
13.如權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的方法，該方法進(jìn)一步包括:將所述水性電解質(zhì)溶液引入所述第二或第三腔室中的至少一者的入口中。
14.如權(quán)利要求8-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一水性溶液是去離子水。
15.如權(quán)利要求8-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一水性溶液包括一種流入所述緩沖劑產(chǎn)生通道中的電解質(zhì)溶液。
16.如權(quán)利要求8-12以及權(quán)利要求14-15中任一項(xiàng)所述的方法，該方法進(jìn)一步包括:將去離子水引入所述第二或第三腔室中的至少一者的入口中。
17.如權(quán)利要求8-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一電極是接地的。
18.如權(quán)利要求8-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二和第三電極是接地的。
19.如權(quán)利要求8-18中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述水性溶液流經(jīng)所述第二和第三腔室，其中每個(gè)腔室包括一個(gè)入口以及一個(gè)出口。
20.如權(quán)利要求8-19中任一項(xiàng)所述的方法，該方法進(jìn)一步包括: (d)通過改變所述第一電流的強(qiáng)度從所述緩沖劑產(chǎn)生通道輸出具有改變的pH的所述緩沖劑。
21.如權(quán)利要求8-20中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述改變的pH包括一種梯度pH，此處該第一電流隨著時(shí)間變化而變`化，所述方法進(jìn)一步包括: (e)使所述第二電流保持隨時(shí)間變化而大致恒定，使得所述輸出的緩沖劑具有大致恒定的總緩沖劑濃度。
22.如權(quán)利要求8-20中任一項(xiàng)所述的方法，該方法進(jìn)一步包括: (d)通過改變所述第二電流的強(qiáng)度從所述緩沖劑產(chǎn)生通道輸出具有改變的緩沖劑濃度的所述緩沖劑。
23.如權(quán)利要求8-20以及22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述改變的緩沖劑濃度包括一種梯度緩沖劑濃度，此處該第二電流隨著時(shí)間變化而變化。
24.如權(quán)利要求8-23中任一項(xiàng)所述的方法，該方法進(jìn)一步包括: (d)用一個(gè)氣體去除裝置對(duì)所述產(chǎn)生的緩沖溶液進(jìn)行除氣。
【文檔編號(hào)】G01N30/96GK103874535SQ201280040873
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月23日
【發(fā)明者】P·K·達(dá)斯谷普塔, 陳永菁, K·斯里尼瓦桑 申請(qǐng)人:得克薩斯州大學(xué)系統(tǒng)董事會(huì), 戴安公司