在內(nèi)表面上具有惰性氣相涂層的金屬部件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了具有均勻涂覆的內(nèi)表面的金屬液相色譜部件及用于實現(xiàn)其的方法。本發(fā)明解決了在用于其中樣品與金屬離子或表面相互作用的LC分析的流動路徑中的金屬部件腐蝕或干擾的問題。本發(fā)明還緩解了涂覆具有很好地粘附至金屬表面的惰性連續(xù)涂層的很長的金屬管和非常小的金屬通道的困難。金屬流動路徑通過該涂層而呈現(xiàn)惰性，從而與生物分析分離兼容，例如通過使用氣相沉積過程來涂覆具有連續(xù)覆蓋流動路徑中所有金屬表面的涂層的內(nèi)表面。
【專利說明】在內(nèi)表面上具有惰性氣相涂層的金屬部件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及涂覆的金屬部件及相關(guān)方法。更具體地說，本發(fā)明涉及具有均勻涂覆的內(nèi)表面的金屬液相色譜部件及用于實現(xiàn)其的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]液相色譜(LC)是用于分離化合物的混合物的色譜技術(shù)，目的在于識別、量化或純化混合物的各個組分。這種分離基于樣品與流動相和固定相的相互作用而發(fā)生。具有多種可在分離混合物時采用的固定/流動相組合。液-固柱色譜(其是最流行的色譜技術(shù))特征在于液體流動相，其慢慢地過濾下來通過固體固定相，帶來具有其的分離組分。
[0003]LC使用許多金屬部件用于輸送液體。示例包括泵部件、自動進樣器針頭和分離柱。由LC所分析的許多樣品與金屬沒有相互作用，但一些樣品特別是在生物分析應用中的樣品對浸潰過的金屬離子是敏感的和/或容易與引起與分析過程干擾的金屬表面或分離部件中的雜質(zhì)相互作用。
[0004]常規(guī)的解決方案一直是使用惰性材料比如聚醚醚酮(PEEK)用于這些應用的流動路徑。除了昂貴之外，PEEK難以形成LC部件的許多所需的形狀和尺寸，并且不易于采用所希望的任何形式。此外，PEEK機械上沒有金屬強壯，因此無法承受用于超高壓LC (UHPLC)的壓力(通常高于約400bar)。其他現(xiàn)有的方法包括將生物相容的聚合物內(nèi)管插入到金屬外管內(nèi)，并且將金屬管涂覆有液相的有機層。(美國專利號5482628、5651885、5736036 ;美國專利申請?zhí)?0050255579、20110259089。)另一種方法是使用插入到由金屬或塑料制成的夾套中的玻璃管，其已將應用限制至LC部件。(美國專利號4968421)
[0005]傳統(tǒng)的方法和現(xiàn)有的替代設(shè)計已經(jīng)表現(xiàn)出這樣的缺點，即不能良好地粘附至受保護的金屬表面、不能夠沿著小管長度均勻地涂覆、以及不能夠涂覆小通道(例如，5-10微米直徑)。
[0006]因此，仍然存在未滿足的具有連續(xù)且均勻涂覆的內(nèi)表面的金屬液相色譜部件及用于實現(xiàn)其的高效方法的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明部分地基于用于具有長的、狹窄的和/或收縮的內(nèi)表面的金屬部件的受控且均勻的涂層的獨特方法。本發(fā)明有效地解決了在用于其中樣品與金屬離子或表面相互作用的LC分析的流動路徑中的金屬部件腐蝕或干擾的問題。本發(fā)明還緩解了涂覆具有很好地粘附至金屬表面的惰性連續(xù)涂層的很長的金屬管和非常小的金屬通道的困難。金屬流動路徑通過該涂層而呈現(xiàn)惰性，從而與生物分析分離兼容，例如通過使用氣相沉積過程來涂覆具有連續(xù)覆蓋流動路徑中所有金屬表面的涂層的內(nèi)表面。
[0008]在一方面，本發(fā)明總體涉及一種金屬部件，其具有含有連續(xù)覆蓋有具有基本均勻厚度的保護涂層的內(nèi)表面的管腔、通道或空腔。所述保護涂層通過氣相過程形成，包括:提供在所述氣相中的一種或多種分子前體；將所述管腔、通道或空腔的內(nèi)表面暴露至在所述氣相中的一種或多種分子前體；允許所述一種或多種分子前體在所暴露的內(nèi)表面或其附近反應、分解或以其他方式變化并且隨后在其上沉積；以及采用惰性氣體沖洗或創(chuàng)建真空，從而除去未反應的一種或多種分子前體和反應副產(chǎn)物，如果有的話。
[0009]在另一方面，本發(fā)明總體涉及一種用于涂覆具有管腔、通道或空腔的金屬物體的內(nèi)表面的方法。所述方法包括通過氣相過程形成具有基本均勻厚度的連續(xù)保護涂層。
[0010]在另一方面，本發(fā)明總體涉及一種具有涂覆有根據(jù)本文所公開的方法的保護涂層的內(nèi)表面的金屬物體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示出了本發(fā)明實施例的示意圖。
[0012]圖2示出了在不銹鋼上的a-Si涂層的X-射線光電子能譜組成深度分布的示例性數(shù)據(jù)。
[0013]圖3示出了與從未涂覆的不銹鋼浸出的離子相比的對從涂覆有a-S1、硅氧烷以及Si/硅氧烷雙層的2x3厘米不銹鋼試樣浸入到溶液中的離子進行對比的示例性數(shù)據(jù)。

【具體實施方式】
[0014]除非另有定義，本文所用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有的含義與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常所理解的相同。
[0015]如本文所用，術(shù)語“涂層”和“涂覆”是指與底層材料分開且不同的材料層。涂覆的材料表現(xiàn)出在涂層材料和底層材料例如支撐材料之間的可識別的邊界，例如是漸變的或突變的。
[0016]如本文所用，術(shù)語“基本均勻的厚度”是指襯底上的涂層在整個涂層面積上具有的厚度大于最小厚度。如本文所用，最小厚度是指涂層具有約lnm、約5nm、約1nmJ^ 50nm、約10nm或以上的厚度。
[0017]如本文所用，術(shù)語“流體”是指能夠流動(例如，通過流動通道)的液體具有至少一個小于I毫米的橫截面尺寸。為了本公開的目的，術(shù)語“流體”不包含氣體。
[0018]如本文所用，術(shù)語“微流體裝置”是指具有微流體反應器、微流體流動通道和/或閥的單個單元。微流體裝置還可以具有其他的微流體部件，比如泵、柱、攪拌器等。
[0019]如本文所用，術(shù)語“化學氣相沉積”是指用于產(chǎn)生薄膜或涂層的化學過程。在典型的化學氣相沉積(CVD)過程中，襯底暴露于一種或多種揮發(fā)性前體，其在襯底表面上或附近反應、分解、冷凝或以其他方式變化，以產(chǎn)生所需的沉積物。通常，還產(chǎn)生揮發(fā)性副產(chǎn)物，其由氣流或真空通過反應室被去除。待沉積的材料可以采取多種形式，包括:單晶硅、多晶硅、無定形硅以及外延硅。在典型的CVD過程中，襯底被加熱至升高的溫度，其在允許前體在表面上反應方面可能很重要。然而，在某些CVD過程中，沉積可以在室溫下進行。例如，某些原子層沉積(ALD)過程可以在環(huán)境溫度下進行。
[0020]CVD技術(shù)包括:在大氣壓力下的常壓CVD (APCVD) -CVD過程；在低于大氣壓力(減少的壓力傾向于減少不必要的氣相反應并提高整個襯底上的膜均勻性)下的低壓CVD(LPCVD)-CVD過程；在非常低的壓力例如低于10_6Pa(?10_8torr)下的超高真空CVD (UHVCVD) -CVD 過程。
[0021]如本文所用，術(shù)語“分子前體”是指在氣相中的分子，包括希望在涂層中的一個或多個元素。這些前體可以進行化學或物理變化，以使得所需的元素可以沉積在表面上并且摻入在涂層中。分子前體可以是無機或有機化合物。例如，無機分子前體可以包括將會導致在表面上的保護涂層的金屬系材料，其中所述保護涂層選自Si系、Ti系、Zr系或Al系無機化合物(例如氧化物、氮化物或氮氧化物)。例如，無機前體分子還可以包括用于產(chǎn)生氧化物的H2O或用于產(chǎn)生氮化物的NH3。例如，有機分子前體可以包括可能導致Si系聚合物材料作為在表面上的保護涂層的聚合物材料。該分子前體還可以包括有機金屬材料例如三甲基鋁，以提供用于包括進入涂層中的金屬(在該示例中是鋁)的方法。對于前體來說還存在許多其它的可能性，并且在文獻中是顯而易見的，并且尚待開發(fā)的前體也可以落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0022]如本文所用，術(shù)語“原子層沉積”或“ALD”是指一種類型的熱CVD，其中通過使用順序的自限性的表面反應來實現(xiàn)薄膜沉積的逐層控制。與兩個前體沉積相關(guān)聯(lián)的兩個半反應在時間上分開，并且采用惰性氣體清洗反應器或其被抽空，以確保前體的物理分離。每個半反應都是自限性的，導致在復雜形貌與高長寬比的結(jié)構(gòu)上的高度適形且可控的沉積。
[0023]本發(fā)明提供了用于實現(xiàn)具有長的、狹窄的和/或收縮的內(nèi)表面的金屬部件的連續(xù)且均勻的內(nèi)部涂層的獨特方法。具有小金屬通道的非常長的金屬管可以涂覆有連續(xù)且均勻的涂層，比如惰性或保護涂層。這些部件可以是電流部件，比如用于分離柱、針頭自動進樣器、泵或微流體部件的金屬管及配件。本發(fā)明提供的金屬部件不腐蝕或干擾LC分析，并且可以有效地用在用于LC系統(tǒng)的流動路徑中。
[0024]用于LC系統(tǒng)流動路徑的金屬LC部件的氣相涂層(例如CVD)與利用非金屬部件或非涂覆金屬部件的以前技術(shù)相比具有若干個優(yōu)點。涂覆的金屬是惰性的，并且不會干擾LC分析，卻又足夠強壯以承受超過100bar的壓力，使得其與在UHPLC分析中所需的條件兼容。部件的制造是在金屬中完成的，而不是襯底比如PEEK系材料，所以更多種的部件可用于制造，包括金屬微流體部件和多孔燒結(jié)金屬玻璃料。氣相涂層優(yōu)選的是液相涂層，因為其更好地能夠涂覆長窄的通道(例如直徑小于10微米)并且提供強粘合性給金屬。
[0025]LC部件可以根據(jù)需要由各種金屬制成(例如，不銹鋼、鈦或其它金屬或者合金)。盡管無定形Si在保護暴露于氣體或真空的金屬表面方面是有效的(美國專利號6444326、6511760、7070833)，但是無定形Si經(jīng)受液體中高pH值的攻擊。因此，無定形Si對于提供在需要高PH值的LC應用中的惰性并不是理想的。如本文所公開，用于惰性涂層的沉積的熱CVD現(xiàn)已成功地擴展至在高低pH值溶液、高鹽溶液以及大量的各種溶劑中穩(wěn)定的材料。此外，該涂層抵抗生物分子粘附至涂層表面。根據(jù)所公開的發(fā)明的涂覆方法能夠采用連續(xù)且很好地粘附至金屬柱的涂層來涂覆具有小內(nèi)徑的金屬LC部件的長柱。
[0026]在一方面，本發(fā)明總體涉及一種金屬部件，其具有含有連續(xù)覆蓋有具有基本均勻厚度的保護涂層的內(nèi)表面的管腔、通道或空腔。所述保護涂層通過氣相過程形成，包括:提供在所述氣相中的一種或多種分子前體；將所述管腔、通道或空腔的內(nèi)表面暴露至在所述氣相中的一種或多種分子前體；允許所述一種或多種分子前體在所暴露的內(nèi)表面或其附近反應、分解或以其他方式變化并且隨后在其上沉積；以及采用惰性氣體沖洗或創(chuàng)建真空，從而除去未反應的一種或多種分子前體和反應副產(chǎn)物，如果有的話。
[0027]在某些實施例中，所述氣相過程還包括:根據(jù)需要重復上述步驟中的一個或多個，以達到期望的膜厚度和/或組成。
[0028]在另一方面，本發(fā)明總體涉及一種用于涂覆具有管腔、通道或空腔的金屬物體的內(nèi)表面的方法。所述方法包括通過氣相過程形成具有基本均勻厚度的連續(xù)保護涂層。
[0029]在某些優(yōu)選的實施例中，所述氣相過程包括化學氣相沉積過程。
[0030]在某些優(yōu)選的實施例中，所述氣相過程包括原子層沉積過程。
[0031]在某些實施例中，所述管腔、通道或空腔的特征在于小于約10毫米的至少一個尺寸和長于約20毫米的一個尺寸。在某些實施例中，所述金屬部件是色譜柱，其特征在于小于約10毫米(例如，小于約5毫米、3毫米、I毫米、500微米、300微米、100微米、50微米、30微米、10微米、5微米)的內(nèi)徑和大于約20毫米(例如，大于約30毫米、50毫米、100毫米、500毫米、1000毫米、5000毫米)的長度。
[0032]在某些實施例中，所述保護涂層具有在約10納米至約5微米(例如，約10納米至約500納米、約10納米至約300納米、約10納米至約200納米、約10納米至約100納米、約10納米至約80納米、約10納米至約50納米、約20納米至約800納米、約50納米至約800納米、約100納米至約800納米、約200納米至約800納米、約300納米至約800納米、約100納米至約500納米、約100納米至約300納米、約200納米至約500納米)的范圍內(nèi)的基本均勻的厚度。
[0033]在某些實施例中，所述金屬部件是其中的微流體裝置或部件，其具有小于約I毫米(例如，小于約500微米、300微米、100微米、50微米、30微米、10微米、5微米)的至少一個內(nèi)部尺寸。
[0034]在某些實施例中，所述金屬部件是多孔金屬玻璃料，比如用于將是在液相色譜柱中的固體固定相的硅石顆粒的種類。該涂層覆蓋將與液體流動相接觸的表面，并且包括玻璃料的內(nèi)表面和/或外表面。
[0035]所述保護涂層可以是任何合適的材料，例如選自Si系、Ti系、Zr系或Al系無機化合物(例如氧化物、氮化物或氧氮化物)的材料。在某些實施例中，對于用在LC應用中的金屬部件來說，所述保護涂層包括選自Si02、SiC、Si3N4, S1xCyS1xNy> SiCxHy^Al2O3> T12,ZrO2, Y2O3以及它們的混合物的材料。
[0036]該涂層還可以是多層的(2、3、4或更多層，每個都包括不同的保護材料)。例如，初始涂層可以是用于很好地粘附至金屬的Si涂層，接著是用于化學惰性的SiC涂層。圖1是柱100的橫截面的示意圖，具有金屬管110、通道120、以及在內(nèi)表面上的兩個涂覆層130和 140。
[0037]所述金屬部件可以由任何合適的材料制成，例如不銹鋼、鈦或鈦合金。
[0038]在另一方面，本發(fā)明總體涉及一種具有涂覆有根據(jù)本文所公開的方法的保護涂層的內(nèi)表面的金屬物體。
[0039]示例
[0040]四種生物惰性涂層形成在不銹鋼和鈦合金部件上并且被測試。
[0041]例I無定形Si涂層
[0042]第一涂層(無定形Si涂層)沉積在不銹鋼試樣、玻璃料和HPLC柱上以及在鈦試樣上。沉積是在使用3化4氣體作為分子前體的密閉反應器中通過熱化學氣相沉積進行的。用于沉積的溫度在350°C與450°C之間，在反應器中的SiH4的分壓在干燥的氮氣中在50-1000毫巴之間。兩種沉積被相繼進行，以實現(xiàn)在試樣上550納米以及在HPLC柱的內(nèi)部中100納米的涂層厚度。通過使用光譜反射率來測量試樣上的涂層厚度，并且由X-射線光電子能譜驗證。相比于在具有已知的a-Si厚度的平坦表面上的相對強度，在柱內(nèi)部上的涂層厚度由來自能量色散X-射線能譜的Fe K系列和Si K系列線的相對強度估計。以單獨運行所沉積的在鈦試樣上的涂層的厚度為200納米。
[0043]通過將部件浸泡在0.1 %甲酸中達一定的天數(shù)并且經(jīng)使用電感耦合等離子體-質(zhì)譜測量釋放到溶液中的金屬離子來評價用于提供生物惰性的涂層的有效性。與類似的未涂覆部件相比，涂覆的不銹鋼試樣及涂覆的不銹鋼玻璃料都提供大于10倍的金屬離子濃度的降低。
[0044]圖2示出了在不銹鋼上的a-Si涂層的X_射線光電子能譜組成深度分布。
[0045]例2聚合硅氧烷涂層
[0046]第二涂層(聚合硅氧烷涂層)在350°C與450°C之間的溫度下通過使用化學氣相沉積而得以沉積。100納米至300納米的涂層厚度被實現(xiàn)在不銹鋼試樣、不銹鋼玻璃料上以及在HPLC柱的內(nèi)表面上。所有部件表現(xiàn)出大于10倍的浸泡在0.1%甲酸中時釋放到溶液中的金屬離子濃度的降低。此外，硅氧烷涂覆的HPLC柱裝有由兩個硅氧烷涂覆的玻璃料保持就位的硅珠。由于在細胞色素C、已知對金屬離子敏感的酶的液相色譜分離中的不銹鋼玻璃料，此柱對不銹鋼柱顯示了優(yōu)良的性能。
[0047]例3雙層涂層(Si/硅氧烷)
[0048]第三涂層是雙層，包括直接在不銹鋼上的200納米的a-Si，由該a_Si上的150納米的硅氧烷涂層覆蓋。此涂層通過上述化學氣相沉積過程沉積在不銹鋼試樣上。這些試樣顯示了在浸泡在0.1 %甲酸中之后的10倍的金屬離子濃度的降低。類似的雙層還沉積在HPLC柱的內(nèi)表面上，并且與不銹鋼柱相比顯示了細胞色素C的優(yōu)良的液相色譜分離。
[0049]圖3示出了與從未涂覆的不銹鋼浸出的離子相比的對從涂覆有a-S1、硅氧烷以及Si/硅氧烷雙層的2x3厘米不銹鋼試樣浸入到溶液中的離子進行對比。試樣在50°C下浸泡在0.1%甲酸中達四天。由電感耦合等離子體質(zhì)譜測定溶液中的金屬離子濃度。
[0050]例4 雙層涂層(AUOVT1J
[0051]第四涂層是Al2O3在T12下方的雙層，其通過原子層沉積而得以沉積。此Al2O3/T12雙層沉積在不銹鋼試樣及玻璃料上以及在內(nèi)徑為100微米和250微米的100毫米長的毛細管的內(nèi)外表面上。該涂層在200°C下以100次循環(huán)的三甲基鋁與水的交替暴露且后跟在200°C下以827次循環(huán)的四(二甲基氨基)鈦(IV)和水的交替暴露而得以沉積。這些層的最終厚度為約7納米的Al2O3和40納米的Ti02。
[0052]通過引用的方式結(jié)合
[0053]在本公開中已經(jīng)對其他文獻比如專利、專利申請、專利出版物、期刊、書籍、論文、網(wǎng)站內(nèi)容進行了參考及引用。所有這些文獻在此通過引用將其全部內(nèi)容并入本文用于所有的目的。據(jù)說是由本文所參考引用的但是與現(xiàn)有的定義、聲明或本文中明確闡述的其他公開材料相沖突的任何材料或其任何部分只合并到?jīng)]有沖突產(chǎn)生在所合并的材料與本公開的材料之間的程度。在發(fā)生沖突的情況下，沖突將有利于本發(fā)明作為首選的披露而得以解決。
[0054]等同物
[0055]本文所公開的代表性示例旨在幫助說明本發(fā)明，且并不旨在、也不應被解釋為限制本發(fā)明的范圍。實際上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，除了本文所示及所述的那些，從本文件的全部內(nèi)容(包括遵循的示例及本文所引用的對科學和專利文獻的參考)中，本發(fā)明及其許多進一步的實施例的各種修改將變得顯而易見。下列示例包含重要的附加信息、例證以及指導，它們可以在其各種實施例及其等同物中適于本發(fā)明的實踐。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬部件，其具有含有連續(xù)覆蓋有具有基本均勻厚度的保護涂層的內(nèi)表面的管腔、通道或空腔，其中，所述保護涂層通過氣相過程形成，包括: 提供在所述氣相中的一種或多種分子前體； 將所述管腔、通道或空腔的內(nèi)表面暴露至在所述氣相中的一種或多種分子前體； 允許所述一種或多種分子前體在所暴露的內(nèi)表面或其附近反應、分解或以其他方式變化并且隨后在其上沉積； 采用惰性氣體沖洗，從而除去未反應的一種或多種分子前體和反應副產(chǎn)物，如果有的話；以及 根據(jù)需要任選地重復上述步驟中的一個或多個，以達到期望的膜厚度和/或組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬部件，其中，所述管腔、通道或空腔的特征在于小于約10毫米的至少一個尺寸和長于約20毫米的一個尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的金屬部件，其是色譜柱，特征在于小于約10毫米的內(nèi)徑和大于約20毫米的長度，其中，所述保護涂層具有約10納米至約5微米的基本均勻的厚度，或者是其微流體裝置或部件，具有小于約I毫米的至少一個內(nèi)部尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的金屬部件，其中，所述保護涂層包含選自Si系、Ti系、Zr系或Al系無機化合物的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的金屬部件，其中，所述保護涂層包括選自Si02、SiC、Si3N4' S1xCy(其中 2x+4y = 4)、S1111Nn(其中 2m+3n = 4)、SiCxHy(其中 4x+y = 4)、T12, ZrO2^Al2O3以及它們的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的金屬部件，其中，所述保護涂層包括其中每層都包括不同保護材料的兩層或更多層，或者其中，所述金屬部件由不銹鋼、鈦或鈦合金制成。
7.一種用于涂覆具有管腔、通道或空腔的金屬物體的內(nèi)表面的方法，包括通過氣相過程形成具有基本均勻厚度的連續(xù)保護涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述氣相過程包括化學氣相沉積或原子層沉積。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的方法，其是色譜柱，特征在于小于約10毫米的內(nèi)徑和大于約20毫米的長度，或者是其微流體裝置或部件，具有小于約I毫米的至少一個內(nèi)部尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項所述的方法，其中，所述保護涂層具有約10納米至約5微米的基本均勻的厚度。
【文檔編號】C23C16/22GK104294236SQ201410275925
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月19日
【發(fā)明者】E.卡爾, K.L.西沃德, K.P.基里恩 申請人:安捷倫科技有限公司