一種微型氣相色譜柱芯片及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子技術和色譜分析技術領域，涉及一種氣相色譜芯片及其制備方法，尤其涉及一種微型氣相色譜柱芯片及其制備方法，該芯片適用于混合氣體的分離，可以應用于食品安全，藥物檢測，野外環境勘測等。
【背景技術】
[0002]色譜法是一種分離和分析方法，在分析化學、有機化學、生物化學等領域有著非常廣泛的使用。色譜法利用不同物質在不同相態的選擇性分配的選擇性分配，以流動相對固定相的混合物進行洗脫，混合物中不同物質會以不同的速度沿固定相移動、最終達到分離效果。傳統氣相色譜因為體積龐大，不利于攜帶，無法滿足分析檢測對“時效性”和“便攜性”的需求。
[0003]為了適應各種檢測場景的需求，基于MEMS技術的微型氣相色譜柱，因為其具有體積小，分析速度快，便于攜帶等能力備受青睞。因此，基于硅，玻璃，金屬等材料的微型氣相色譜得到了廣泛的研究。
[0004]但是現有的這些微型氣相色譜柱芯片，由于受到尺寸的限制，色譜柱的長度十分有限，因此，溝道內固定相的面積有限，因此導致了分離過程中，固定相與混合物接觸不均勻導致了混合物分離不充分;另一方面，由于固定相種類的限制，導致了一種微型色譜柱對復雜混合氣體的分離性能。因此，以上的這些不利因素，限制了微型色譜柱的分離性能，降低了低濃度樣品的響應。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種微型氣相色譜柱芯片及其制備方法，該芯片具有高分離速度、高分辨率的優點。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明的微型氣相色譜柱芯片，包括硅基底，在硅基底上具有依次連通的平行溝道，在溝道內具有規則排列的硅基圓柱體，圓柱體高度與溝道深度一致，在硅基底上還開有進氣口和出氣口，硅基底上設有密封層，二者通過密封膠密封，使得進氣口、溝道和出氣口形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內溝道與圓柱體表面上具有雙層固定相結構，所述的雙層固定相結構為PDMS層(聚二甲基硅氧烷)和覆于PDMS層上的碳納米管層，雙層固定相結構的總厚度為1-2μηι。
[0007]上述技術方案中，所述的溝道的寬度與溝道壁寬度相同，均為120_180μπι。
[0008]所述的溝道內具有兩列圓柱體，圓柱體的直徑、兩列圓柱體的間距以及各圓柱體到其相鄰溝道側壁的距離均為溝道寬度的1/5。
[0009]進氣口位于溝道的一端，與進樣系統相連；出氣口位于溝道的另一端，與檢測器相連。
[0010]制備上述的微型氣相色譜柱芯片的方法，包括如下步驟:
[0011]I)采用光刻技術結合深刻蝕技術或者化學腐蝕在潔凈的硅基底上刻蝕出依次連通的平行溝道及與溝道兩端分別相連的進氣口和出氣口，同時在溝道內刻蝕出圓柱體；
[0012]2)洗凈硅基底上的光刻膠，在密封層上涂覆密封膠，再翻置蓋于上述硅基底上實現密封，在硅基底內形成一條密閉的氣流通道；
[0013]3)采用動態涂覆法，先采用質量分數10%的PDMS溶液對上述氣流通道進行涂覆；再用質量分數2%的碳納米管懸濁液進行涂覆，固化，獲得微型氣相色譜柱芯片。
[0014]由于在涂覆過程之前，需要在芯片的進氣口和出氣口分別插入毛細管，同時用PDMS涂覆于毛細管與進氣口、出氣口的接觸部位使毛細管固定，但該過程中，由于毛細效應的存在，往往會導致PDMS倒吸進入芯片溝道，從而堵塞溝道，造成芯片報廢。因此將所述的進氣口和出氣口均設計為一條中部向外擴張的溝槽，這樣當發生倒吸時，I3DMS會儲存于外擴空間形成的緩沖區域內而不會進入芯片溝道中，避免了堵塞。
[0015]本發明的微型氣相色譜柱芯片，由于圓柱體的存在，固定相在溝道與圓柱體表面附著，因此使得固定相的表面積大大增加，由于固定相表面積的增加，在獲得相同分析效果的前提下可以適當縮短溝道的長度，從而有利于減小微型氣相色譜柱芯片的大小。
[0016]而且本發明的微型氣相色譜柱芯片所用的固定相為雙層固定相結構，因為PDMS和碳納米管的極性不同，因此采用該雙層結構作為固定相可使得本發明的芯片對極性物質和非極性物質都具有高分辨率和高分離速度。
【附圖說明】
[0017]圖1是微型氣相色譜柱芯片的結構示意圖；
[0018]圖2是微型氣相色譜柱芯片中溝道的示意圖；
[0019]圖3是進氣口和出氣口的結構示意圖；
[0020]圖4是制備本發明微型氣相色譜柱芯片的方法流程圖；
[0021]圖5是本發明的芯片對碳原子數從5到17的正構烷烴進行分離的結果。
[0022]圖6是本發明的芯片對甲醇至丁醇進行的分離結果。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0024]如圖1、2所示，本發明的微型氣相色譜柱芯片，包括硅基底I，在硅基底上具有依次連通的平行溝道4，在溝道內具有規則排列的硅基圓柱體3，圓柱體的規則排列能使得溝道內的氣壓增加，有利于增加氣體流速，增加分離速度；圓柱體高度與溝道深度一致，在硅基底上還開有進氣口 7和出氣口 8，進氣口位于溝道的一端，與進樣系統相連；出氣口位于溝道的另一端，與檢測器相連。進氣口和出氣口均設計為一條中部向外擴張形成緩沖空間的溝槽，如圖3所示。
[0025]硅基底上設有密封層2，二者通過密封膠密封，使得進氣口、溝道和出氣口形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內溝道與圓柱體表面上具有雙層固定相結構，所述的雙層固定相結構為PDMS層(聚二甲基娃氧燒)5和覆于PDMS層上的碳納米管層6，層固定相結構的總厚度為1-2M1。所述密封層由能夠與硅基底進行鍵合的材料構成，例如玻璃，硅片等。密封膠可采用紫外膠。
[0026]分析樣品從進氣口進入該色譜柱芯片，被固定相表面吸附、解吸附，因為每種氣體成分所需要的吸附和解吸附所用的時間不同，從而，每種樣品逐一從出氣口出來，實現分離。
[0027]使用雙層固定相結構，可以使得固定相的性能增強，即使分離復雜的氣體混合物也有高分辨率。
[0028]上述技術方案中，所述的溝道的寬度與溝道壁寬度相同，均為120_180μπι。
[0029]所述的溝道內具有兩列圓柱體，圓柱體的直徑、兩列圓柱體的間距以及各圓柱體到其相鄰溝道側壁的距離均為溝道寬度的1/5。
[0030]如圖4所示，制備上述的微型氣相色譜柱芯片的方法，包括如下步驟:
[0031]I)采用光刻技術結合深刻蝕技術或者化學腐蝕在潔凈的硅基底上刻蝕出依次連通的平行溝道及與溝道兩端分別相連的進氣口和出氣口，同時在溝道內刻蝕出圓柱體;具體如下:
[0032]選用P型的單面拋光的硅片，其厚度為500微米，將其洗凈；
[0033]去除表面雜質后，在其表面進行光刻。選擇AR-P5320光刻膠，在前轉速率500轉/分鐘，前轉時間5秒，后轉速率1000轉/分鐘，后轉時間40秒的條件下在硅基底5拋光表面進行光刻膠的旋涂。
[0034]旋涂之后，將硅基底5放在溫度為110攝氏度的烘臺上前烘4分鐘。
[0035]前烘之后，將硅基底5進行曝光，曝光功率為280瓦，曝光時間18秒。
[0036]曝光之后，將硅基底5放入AR 300-26的顯影液中進行顯影，顯影液與水的比例為1:1，顯影時間為150秒。
[0037]顯影之后，將硅基底5放入溫度為90攝氏度的烘箱中后烘30分鐘，后烘是為了在后面深刻蝕當中，刻蝕機的反射功率盡量小。
[0038]后烘之后，將硅基底5用刻蝕機進行深刻蝕，深刻蝕使得溝道的深度和圓柱體的高度都為300微米。
[0039]2)洗凈硅基底上的光刻膠，在密封層上涂覆密封膠，再翻置蓋于上述硅基底上實現密封，在硅基底內形成一條密閉的氣流通道;具體可采用玻璃與硅基底實現密封。密封通過型號為NORLAND OPTICAL ADHESIVE noa61的紫外膠實現。
[0040]3)采用動態涂覆法，先采用質量分數10%的PDMS溶液對上述氣流通道進行涂覆；再用質量分數2%的碳納米管懸濁液進行涂覆，固化，獲得微型氣相色譜柱芯片。碳納米管可以采用多壁碳納米管或者單壁碳納米管，完成涂覆之后，可以將其放入溫度為120攝氏度的烘箱內2小時，使溝道和圓柱體表面的固定相完全固化。
[0041]圖5是本發明的芯片對碳原子數為5到17的正構烷烴進行分離的結果，從圖中可以看出，分離13種物質所需的時間僅為5分鐘左右，且分離結果具有較高的分辨率。
[0042]圖6是本發明的芯片對甲醇至丁醇進行分離的結果，從圖中可以看出，對于該4種極性物質，本專利的雙層結構固定相仍然具有較好的分辨率。
【主權項】
1.一種微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，包括硅基底(I)，在硅基底(I)上具有依次連通的平行溝道(4)，在溝道(4)內具有規則排列的硅基圓柱體(3)，圓柱體(3)高度與溝道深度一致，在硅基底上還開有進氣口(7)和出氣口(8)，硅基底(I)上設有密封層(2)，二者通過密封膠密封，使得進氣口(7)、溝道(4)和出氣口(8)形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內溝道(4)與圓柱體(3)表面上具有雙層固定相結構，所述的雙層固定相結構為PDMS層(5)和覆于PDMS層上的碳納米管層(6)，雙層固定相結構的總厚度為1-2μπι。2.根據權利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，所述的溝道的寬度與溝道壁寬度相同，均為120-180μπι。3.根據權利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，所述的溝道內具有兩列圓柱體，圓柱體的直徑、兩列圓柱體的間距以及各圓柱體到其相鄰溝道側壁的距離均為溝道寬度的1/5。4.根據權利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，所述的進氣口和出氣口均為一條中部向外擴張的溝槽。5.制備如權利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)采用光刻技術結合深刻蝕技術或者化學腐蝕在潔凈的硅基底上刻蝕出依次連通的平行溝道及與溝道兩端分別相連的進氣口和出氣口，同時在溝道內刻蝕出圓柱體； 2)洗凈硅基底上的光刻膠，在密封層上涂覆密封膠，再翻置蓋于上述硅基底上實現密封，在娃基底內形成一條密閉的氣流通道； 3)采用動態涂覆法，先采用質量分數10%的PDMS溶液對上述氣流通道進行涂覆;再用質量分數2%的碳納米管懸濁液進行涂覆，固化，獲得微型氣相色譜柱芯片。
【專利摘要】本發明公開了一種微型氣相色譜柱芯片，該芯片包括硅基底，在硅基底上具有依次連通的平行溝道，在溝道內具有規則排列的硅基圓柱體，圓柱體高度與溝道深度一致，在硅基底上還開有進氣口和出氣口，硅基底上設有密封層，二者通過密封膠密封，使得進氣口、溝道和出氣口形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內溝道與圓柱體表面上具有雙層固定相結構。本發明的芯片通過圓柱體結構可以增加固定相的接觸面積，同時采用雙層固定相結構，不僅能夠增強色譜柱芯片的分離能力，同時還能夠增加芯片對樣品的分離種類。
【IPC分類】B81B1/00, B81C1/00, G01N30/60
【公開號】CN105510490
【申請號】CN201510888973
【發明人】汪小知, 王濤, 張潤州
【申請人】浙江大學
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月5日