基于MEMS技術的微型氣相色譜柱的研究(

1 引言

氣相色譜法(GC)是英國生物化學家MartinATP等人在研究液液分配色譜的基礎上，于1952年創(chuàng)立的一種極有效的分離方法，它可分析和分離復雜的多組分氣體混合物。目前的氣相色譜系統(tǒng)主要包括5個主要部分：載氣、進樣器、色譜柱、檢測器和數(shù)據處理系統(tǒng)。

其中，載氣是一種將待檢測的樣品氣體輸送穿過色譜柱的高純度的氣體(如氫氣和氦氣)，也稱為移動相。進樣器是定量和瞬間地將氣體樣品注入色譜系統(tǒng)的器件。通常指進樣閥或注射器。色譜柱是色譜儀的核心部件，內部涂有固定相涂層，其作用是分離樣品。檢測器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質量轉換成電信號的裝置。數(shù)據處理系統(tǒng)把檢測器輸出的信號傳遞給記錄儀或計算機，對數(shù)據進行分析和處理，得到該混合樣品的流出曲線及定性和定量信息。

然而，傳統(tǒng)的檢測器往往體積和重量較大，移動不便，這給有害氣體的現(xiàn)場檢測帶來了一定困難。近年來，可移動的小型氣相色譜漸漸受到關注，研究人員采用MEMS技術在硅片上加工出微型色譜柱，并在硅片上集成微泵、溫度傳感器和加熱器等部件，再與氣相色譜檢測器相連，構成微型色譜系統(tǒng)，體積大大減小，具有靈敏度高、分析速度快、應用范圍廣、便攜性好等特點，可以方便地對有害氣體進行現(xiàn)場檢測。

近年來更多的研究機構投入了這項研究。斯坦福大學的S.C Terry，J.H.Jerman和J.B.An-gell最先開展了微型氣相色譜(μGC)的研究。1994年，美國Texas Christian大學的E.S.Kolesar和Rocky R.Reston發(fā)表了最新的研究成果，采用硅片加工工藝，包含一個微型進樣注射器、一個矩形毛細管柱、表面鍍一層固定相，這種微型色譜系統(tǒng)的檢測限可以達到10-6量級。意大利的S.Zampolli和德國的J.Sturmann等人也進行了相關的研究。在他們的微型氣相色譜系統(tǒng)中，包含一個固態(tài)氣體傳感器、硅微加工的微型色譜柱、一個零階空氣單元、一個商用的微泵和一個微閥。使用該系統(tǒng)可以將苯、甲苯和二甲苯分離出來，并進行定量檢測，濃度最小可以達到5×10-9。2003年至今，美國Michigan大學的J.A.Potkay和K.D.Wise等人在微型氣相色譜領域進行了深入的研究，該研究小組研制的硅-玻璃微型氣相色譜系統(tǒng)集成了加熱器、溫度傳感器和壓力傳感器，其中溫度傳感器用于程序升溫，壓力傳感器用于流量控制。

目前，微型氣相色譜系統(tǒng)的發(fā)展方向是微型化和集成化，把進樣器、預集中器、色譜柱、加熱器、檢測器都集成在單個硅片上，大幅減小體積和質量，提高便攜性。

2 理論

色譜柱的效率通常用理論塔板數(shù)(N)和理論塔板高度(H)來表示。對于截面是矩形的色譜柱，理論塔板高度(H)定義為

式中：Dg和Ds分別為溶質分子在流動相和固定相中的擴散系數(shù);df是固定相的厚度;ω和h是色譜柱通道的寬度和高度;f1和f2是Giddings-Golay和Martin-James氣體壓縮系數(shù);k是保留因子。平均載氣流速為

式中：p0是出口壓力;p是進口和出口壓力之比值;L是色譜柱長度;η是載氣的黏度。理論塔板數(shù)的計算公式為

分析時間也是化學檢測方法中的一個關鍵因素，對于即時檢測的應用場合更加重要。在氣相色譜系統(tǒng)中，死保留時間(tM)表示那些不被固定相吸收或者吸附的氣體通過色譜柱的時間，該時間正比于色譜柱的長度L，反比于載氣平均線速度u，即

對于工作在絕熱條件下的色譜柱，保留因子是一個常數(shù)。理論塔板數(shù)與固定相的厚度、色譜柱的高度和寬度、平均載氣流速和保留因子都有直接的關系。

3 色譜柱制造

色譜柱采用深反應離子刻蝕技術加工在8 cm的硅片上，硅片厚度500 μm，色譜柱通道全長6 m，深100μm，寬100μm，橫截面為矩形。硅片正面采用深刻蝕技術加工色譜柱通道，通道形狀如圖1所示。圖2是深刻蝕后硅片的照片。