单片集成微型气相色谱芯片研究.PDFVIP

第46卷 分析化学 (FENXI HUAXUE)摇 研究报告 第9期 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2018年9月 ChineseJournal of Analytical Chemistry 1363~1371 DOI:10.11895/j.issn.0253鄄3820.181027 单片集成微型气相色谱芯片研究 1,2 *1 1 1,2 1,2 1 1 田博文 摇 冯 飞 摇 赵 斌摇 罗凡 摇 杨雪蕾 摇 周海梅摇 李昕欣 1(中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术国家重点实验室,上海200050) 2(中国科学院大学,北京100049) 摘摇 要摇 基于微机电系统(Micro鄄electro鄄mechanical systems,MEMS)技术制备了一种由微色谱柱和微热导检 测器构成的单片集成微型气相色谱(Micro gas chromatography,滋GC)芯片。 与现有集成芯片相比,在高深宽比 的微沟道内构筑了一层高比表面积的介孔二氧化硅纳米颗粒薄膜作为固定相,有效提高了微色谱柱的柱容 量和分离性能;微色谱柱的入口和出口处采用稳固的悬浮型微热敏结构,提高了器件的热隔离性能和稳定 性。 实验结果表明,此单片集成芯片可实现基线分离轻烃类混合气体组分(甲烷,乙烷,丙烷和丁烷),分析检 测时间为33 s。 其中,乙烷和丙烷的分离度为8.34,丙烷的理论塔板数高达 11420。 单片集成微型气相色谱 芯片具有高分离度、高柱效、分析检测时间短等优点,特别适用于便携式气相色谱与野外实地检测。 关键词摇 单片集成;微色谱柱;微热导检测器;介孔二氧化硅纳米颗粒;微机电系统 1摇 引言 气相色谱自出现以来,经过近几十年的飞速发展,已经成为分析领域不可或缺的重要技术,广泛应 [1] 用于制药、石油勘探、环境监测、物质提纯和常规的有机化合物分析等领域 ,由于其高效且快速的分 析能力,气相色谱仪器具有巨大的市场前景。 在商业化气相色谱仪中,色谱柱和检测器都具有较大的体 积,为了方便地控制各模块温度的稳定,这些色谱仪都会采用体积较大的箱体以实现温度控制,导致了 [2] 仪器体积大、质量重、功耗高和运输携带困难等一系列问题 。 近年来,越来越多的领域都开始应用色 谱分析技术,为了适应检测要求和环境的变化,气相色谱仪微型化已成为了必然趋势,体积更小、功耗更 低是气相色谱仪的未来发展趋势。 近年来,微机电系统(Micro鄄electro鄄mechanical systems,MEMS)技术的应用大幅减小了色谱柱和检 测器等气相色谱核心器件的体积[3~5]。 在此基础上,越来越多的研究机构致力于将这些分立器件集成 [6,7] 在一起,制造性能优越、便携性高的集成式微型气相色谱芯片 。 2005 年,美国密歇根大学无线集成 微系统中心设计制造了第一代混合集成式微型气相色谱(Micro gas chromatography,滋GC)芯片,通过石 [8] 英玻璃毛细管将微色谱柱和化敏电阻检测阵列连接固定在带有微沟道的硅玻璃键合衬底上 。 该芯 片具有较快的分离检测速度,但芯片内连接不同器件的微管道会增大色谱系统的死体积,并造成气体组 分的冷凝聚集,会严重影响芯片