用于氣相色譜的整合流體系統的制作方法

用于氣相色譜的整合流體系統的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 政府條款 本發明根據Army/AMC授予的基金號W31P4Q-09-01-0011在政府支持下完成。政府擁有 本發明的某些權利。
[0002] 相關申請交叉引用 本申請要求2013年5月17日提交的美國臨時申請61/824,573的權益。以上申請的全部 公開內容通過引用結合到本文中。
技術領域
[0003] 本公開涉及用于氣相色譜的整合流體系統及其制造技術。
[0004] 發明背景 氣相色譜儀(GC)是通過使樣品填料通過用功能材料（即，固定相)涂覆的通道(即，柱） 時空分離和檢測氣相混合物使用的儀器。成分可通過從柱洗脫所需的時間鑒定，并通過來 自位于柱下游的氣體檢測器的信號強度定量。通常，很多其它組件對操作也必不可少，例 如，提供樣品注射的預濃縮器和產生氣流的栗。在一些系統中，用閥控制計時和流動。復雜 混合物的分離有時用全二維GC (2DGC或GC X GC)進行，其中使用熱調制器。
[0005] 自從在二十世紀五十年代石油工業普遍采用氣相色譜儀，其使用已擴展到一些其 它領域。例如，用其檢驗污染物，例如多環芳烴、殺蟲劑、鹵化化合物等。另一個應用是與固 相微萃取技術結合的食品分析，用于油脂、藥物、殺蟲劑和碳水化合物的鑒定和定量。近年 來，也已通過這種儀器進行生物醫學篩選。由GC分析人呼出生物標記提供診斷和監測潛在 疾病的無損傷方法。這種生物標記的實例包括與肺炎癥相關的氧化氮和與脂質過氧化相關 的乙烷和戊烷。
[0006] 30年來一直在努力使GC微型化，早期工作可追溯到1979年。作為微氣相色譜(yGC) 系統的核心組件，分離柱已得到廣泛研究，并已報告多種柱結構，例如，鎳柱、硅-玻璃柱、 Parylene?柱和等離子增強化學氣相沉積(PECVD)氧氮化物柱。用于這些柱的固定相涂覆方 法包括常規靜態涂覆方法和自組裝方法。用于yGC系統的氣體注射裝置可主要分為兩類:預 濃縮器和閥注射器。預濃縮器用吸附劑在低溫收集分析物，并利用熱脈沖注射填料。某些預 濃縮器收集分析物不需要氣流。相反，閥注射器用閥采集并注射氣體填料。已報告多種氣體 檢測器，包括化學電阻器、化學電容器、熱導率檢測器、Fabry-Pgrot檢測器和基于放電的檢 測器。也與在GCXGC系統中的應用一起報告微制造熱調制器。
[0007] 微制造組件整合到yGC系統也取得顯著進步。yChemLab是由預濃縮器、柱和表面聲 波傳感器組成的手持式yGC系統。密歇根大學的研究人員在過去十年已報告數種yGC原型， 包括Intrepid、Sp iron 和掌中Mercury 系統。
[0008] 大多數yGC研究努力未結合使用微栗。已只報告兩種情況:一種利用微制造靜電驅 動懦動栗，另一種利用固定Knudsen栗陣列。前者需要高頻、大幅度驅動電壓，但功率高效。 后者不是功率高效，但需要低電壓DC源，它提供高可靠性，且經6000小時連續操作。
[0009] 至今報告的很多微栗操作yGC系統使用由全異微制造方法制造的組件。一些系統 由管連接組件，而一些用歧管進行流體相互連接。這種方法的益處是各組件可最優設計和 制造。遺憾的是，全系統增加的復雜性和制造成本對整合造成挑戰。如其它流體系統中那 樣，所有組件的可堆疊結構或整體式過程極大有益于系統的可制造性和整合。
[0010]本節提供與本公開相關的不一定為現有技術的背景資料。
[0011] 發明概述 本節提供本公開的概括，而不是其完全范圍或所有特征的全面公開。
[0012] 本發明提出一種制造用于氣相色譜儀的流體系統的方法。方法包括：用第一掩模 在基材上微制造氣相色譜儀的流體系統的一部分;用第二掩模微制造氣相色譜儀的流體系 統的一部分;并且用第三掩模微制造氣相色譜儀的流體系統的一部分，使得第一掩模、第二 掩模和第三掩模彼此不同，且微制造氣相色譜儀的流體系統只用第一掩模、第二掩模和第 三掩模完成。
[0013] 微制造流體系統一般需要通過一般稱為微機器加工的步驟從基材圖案化去除 (patterned removal)材料。可了解，微機器加工為噴砂、等離子蝕刻、濕蝕刻和超聲機器加 工之一。在一些實施方案中，用第一掩模在基材上沉積金屬，用第二掩模在基材中形成空 腔，用第三掩模在基材中形成通孔。
[0014]方法可進一步包括:在基材的單獨部分上微制造氣相色譜儀的三個組件；將基材 切成多個模，各模具有用于三個組件之一的不同子組件布置在各模上;并堆疊多個模，以形 成氣相色譜儀。
[0015] 在一些實施方案中，流體系統包括只用第一掩模、第二掩模和第三掩模制造的栗、 分離柱、預濃縮器和檢測器至少之一，而在其它實施方案中，栗、分離柱、預濃縮器和檢測器 均只用第一掩模、第二掩模和第三掩模制造。
[0016] 可在兩個或更多個基材中分開制造流體系統的組件。例如，可在第一基材上沉積 金屬，和在第二基材上進行噴砂。然后組裝第一基材與第二基材，以形成栗、分離柱、預濃縮 器和檢測器至少之一。最后，在電路板上彼此相鄰布置之前，可單獨組裝栗、分離柱、預濃縮 器和檢測器。
[0017] 本發明也提供一種氣相色譜儀系統。氣相色譜系統包括:栗，該栗構造成接收載 氣;分離柱，該分離柱構造成從栗接收載氣，并可操作用于從載氣分離分析物分子;預濃縮 器，該預濃縮器在栗和分離柱之間插入并以流體流通方式耦合;和檢測器，該檢測器構造成 從分離柱接收載氣，其中栗、分離柱、預濃縮器和檢測器中至少三個通過只用三種不同掩模 微制造來制造。
[0018] 在一個實施方案中，氣相色譜儀系統具有堆疊布置，其中預濃縮器堆疊在Knudsen 栗頂上，分離柱堆疊在預濃縮器頂上，且檢測器堆疊在分離柱頂上。
[0019] 在一些實施方案中，Knudsen栗以一個方向操作，以將載氣吸入預濃縮器，并以第 二方向操作，以將氣體吸出預濃縮器。
[0020] 在其它實施方案中，檢測器進一步限定為脈沖放電檢測器或電容檢測器之一，其 中電容檢測器包括載氣通過的通道和在通道中暴露的至少一個叉指電容器。
[0021] 在其它實施方案中，氣相色譜儀系統具有平面布置，其中栗包含在電路板上彼此 相鄰布置的兩個或更多個栗，以形成栗模塊，且預濃縮器、分離柱和檢測器在電路板上彼此 相鄰布置，以形成色譜模塊。預濃縮器、分離柱和檢測器至少之一可作為懸臂布置在垂直支 持體上，該垂直支持體置于電路板與預濃縮器、分離柱和檢測器至少之一之間。
[0022] 通過本文提供的說明，適用性的其它領域將變得顯而易見。在此概括中的說明和 具體實例只是為了說明，不旨在限制本公開的范圍。
[0023] 附圖簡述 本文所述附圖僅為了說明所選實施方案，并非所有可能的實施情況，不是要限制本公 開的范圍。
[0024] 圖1為氣相色譜系統的一個實例實施方案的透視圖； 圖2A-2C為描繪制造過程的一部分的圖解。
[0025] 圖3為氣相色譜系統的實例實施方案的橫截面圖； 圖4為圖示說明系統的Knud s en栗的穩定態性能和氣體流速的圖解； 圖5A和5B為圖示說明預濃縮器的性能評價的圖解； 圖6A-6C為圖示說明分離柱的試驗和評價結果的圖解； 圖7A為用于試驗檢測器的實例放電電路的示意圖； 圖7B和7C為圖示說明檢測器的試驗和評價的圖解； 圖8A和8B為圖示說明由氣相色譜系統分離戊烷、庚烷和辛烷的圖解； 圖9為圖示說明氣相色譜系統雙向操作的圖解； 圖10為具有雙向Knudsen栗的氣相色譜系統的實例實施方案的橫截面圖； 圖11為描繪具有平面和模塊設計的氣相色譜系統的另一個實例實施方案的圖解； 圖12為圖11的氣相色譜系統中栗模塊的透視圖； 圖13A和13B為栗模塊的橫截面圖； 圖14為實例氣流連接器的透視圖； 圖15A為圖11的氣相色譜系統中色譜模塊的透視圖； 圖15B為實例預濃縮器的透視圖； 圖16為可用于氣相色譜系統的電容檢測器的實例實施方案的透視圖；并且 圖17為電容檢測器的橫截面圖。
[0026] 在附圖的數個視圖中，相應附圖標記始終表示相應部分。
[0027]發明詳述 現在參照附圖更充分描述實例實施方案。
[0028]圖1圖示說明具有堆疊布置的氣相色譜儀系統10的實例實施方案。氣相色譜儀系 統10包括Knudsen栗12、分離柱14、預濃縮器16和檢測器18。以下進一步分別描述這些組件。 雖然在本文中描述最相關組件，但預想可用其它類型組件(例如，吸熱件)執行氣相色譜儀 系統。
[0029]在操作期間，Knudsen栗12根據熱蒸發原理操作，以驅使關注氣體（即，載氣）通過 系統。分離柱14構造成從Knudsen栗12接收關注氣體，并操作用于從氣體分離分析物分子。 在通過分離柱14分析之前，預濃縮器16吸附分析物分子。為了開始分析，樣品用熱脈沖解 吸，并注入流體路徑。檢測器18從分離柱14接收樣品，并操作用于定量測定樣品中的選擇物 類。在一些實施方案中，氣相色譜儀的各組件只用三種不同掩模通過微機器加工制造，如以 下進一步描述。
[0030] Knudsen栗通過在限制自由分子或過渡流態流量的窄通道中的熱蒸發驅動。氣體 分子逆著溫度梯度移動，即，從通道的冷端到熱端，栗本身沒有移動部件。在一個實例實施 方案中，Knudsen栗12由三個玻璃模組成（模1-3,厚度=500μπι)，模把多孔混合纖維素酯 (MCE)膜8(厚度》105_，孔徑》25nm，孔隙率》70%，Millipore，MA)的堆垛夾在中間。膜切 成1.2X1.2cm 2方塊，形成活性栗送區域。孔徑在與接近大氣壓的空氣的平均自由程相同的 數量級。模1上的多個溝槽和模2上的多個通孔促進氣流通過MCE膜，而模3上的溝槽引導氣 流進入上部組件。溫度梯度由模2上的薄膜加熱器9施加，且外部吸熱件連接到模1的底部。 在一個實施方案中，吸熱件為在氣體入口具有穿孔的簡單鋁板。其占位面積可略大于 Knudsen 栗。
[0031 ]由于計算的簡易性和相對精確度，通常用Sharipov模型估計微制造 Knudsen栗中 的熱蒸發現象，其一般具有長的回旋通道。圓形橫截面通道中的熱蒸發驅動質量流量由以 下等式提供：
其中ATKP、APKP、Tavg和Pavg分別為通道熱端和冷端之間的溫差、壓差、平均溫度和平均 壓力，a為通道半徑，1為通道長度，m為氣體分子的質量，kB為Boltzmann常數。參數QT和Q P分 別為溫度和壓力流量系數，通過Sharipov等式制表。這些系數的值取決于稀薄參數Savg，由 以下等式給出：
其中3avg為氣體分子的平均自由程。
[0032]具有多個平行通道的Knudsen栗的體積流速可計算為：
其中Ν^_ι為用于熱蒸發的總通道數，Pgas為氣體密度。
[0033]根據等式（1)-(3)，其中Δ Tkp=60°C，關于此實施方案所述的Knudsen栗估