毛细管电泳中高效对称温度控制系统的创新研究：缠绕式冷却毛细管的热性能分析

这篇研究通过开发缠绕式冷却毛细管系统，解决了当前毛细管电泳（CE）仪器温度控制非对称、效率低的技术瓶颈。采用六根75 μm内径的冷却毛细管缠绕分析毛细管，结合0.25 bar/cm压力梯度驱动冷却液，实现了全毛细管范围的高效中心对称温控（ΔTin <0.05°C），支持3500 V/cm强电场下稳定运行。数值模拟（有限元法）验证了其热力学优势，提出的冷却不对称系数（α）量化了性能突破，为CE的高通量、高重复性分析奠定基础。

　　

ABSTRACT

毛细管电泳（CE）商用仪器长期存在温度控制非对称、毛细管两端未恒温的技术缺陷。本研究创新性地采用六根75 μm内径冷却毛细管（外径320 μm）缠绕分析毛细管（同外径），通过0.25 bar/cm压力梯度驱动冷却液（蒸馏水），实现全毛细管高效散热。实验证明，该系统在50 μm内径毛细管、20 mM磷酸钠缓冲液（pH 7.20）、25°C冷却条件下可稳定承受>3500 V/cm电场，电流波动显著低于传统风冷（A）和循环液冷（B）系统。

1 Introduction

CE技术中缓冲液（BGE）的焦耳热（Joule heating）引发径向温度梯度，导致电泳迁移率呈抛物线分布，加剧泰勒-阿里斯（Taylor-Aris）扩散。现有商用仪器存在三大缺陷：1）毛细管两端8 cm未恒温；2）BGE/毛细管内壁（IW）界面与冷却液温差大；3）风冷系统因湍流导致温度不对称。本研究通过缠绕式冷却系统攻克上述难题，其设计灵感源于前期工作（J. Sep. Sci. 2025, 48: e70081）。

2 Material and Methods

2.1 材料

使用Bertan 205B高压电源和EMCO V1G分压器，毛细管来自Polymicro/Molex。BGE为20 mM磷酸钠缓冲液（pH 7.20，电导率2.68 mS/cm^?1@25°C）。冷却系统（图1）采用10 cm长冷却毛细管，分析毛细管（5 cm）两端连接5.5 cm宽径延伸段（320 μm ID），通过氮气驱动冷却液。

关键创新：无胶缠绕工艺（图2插图）使冷却液同时流经毛细管腔和三角缝隙，热传导系数（λ）优化为石英1.4 Wm^?1K^?1、环氧树脂0.2 Wm^?1K^?1。

3 Results and Discussions

3.1 实验数据

六根冷却毛细管缠绕方案（图3插图）实现全毛细管恒温。电场强度-电流曲线（图3）显示，新系统（C）电流稳定性（标准差）显著优于风冷（A）和液冷（B）。

3.2 压力梯度验证

0.25 bar/cm压力梯度可稳定散热（图2），50 μm毛细管在2.5 bar氮气驱动下ΔT_in=10.2°C（T_max=52.8°C）。

3.3 与传统系统对比

新系统ΔT_out（17.6°C）仅为风冷系统（31.3°C）的56%，α系数<0.005（风冷α=0.46@75 μm ID），证明中心对称性优势（表1）。

3.4 数值模拟

有限元法（FEniCS平台）模拟显示（图4），BGE内等温线呈完美同心圆，IW温度差<0.05°C。对比风冷系统（图6-7），后者IW温差达4.6°C且温度峰偏离中心线，导致电渗流（EOF）局部涡流。

4 Conclusion

缠绕式冷却系统通过近场高效热交换和中心对称结构，将CE温控性能推向新高度。其低α系数（<0.005）和全毛细管覆盖特性，为宽径（100 μm）毛细管、高电导BGE的应用扫清障碍，未来可结合温度敏感缓冲液设计（如调控dpk_a/dT）进一步抑制扩散。

（注：全文数据均来自原文实验与模拟，未添加主观推断）