微加工气相色谱柱制备技术探究

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1、微加工气相色谱柱制备技术探究摘要由于气相色谱具有突出的分离特点，高速或快速气相色谱在现场快速分析检测中的应用已经屡见不鲜。仪器的微型化对于现场分析具有重要意义。色谱柱是色谱仪器中的关键部件，本文分析近年来气相色谱微型化中的微加工色谱柱发展，获得良好分离效果，探讨。并制备一种硅-玻璃型的微加工色谱柱,本文也对制备过程中各种问题进行深入关键词微型气相色谱微加工技术微型色谱柱前言随着国际、国内恐怖威胁的持续增长，有毒有害气体可能造成的恐怖威胁正日益受到重视。对有毒有害气体的现场快速检测领域，色谱突出的分离特点使分析准确性大大增加。现场检测色谱具有微型化、

2、重量轻、低功耗、快速响应等方面的很多优点。随着微加工技术不断进展，现代技术正在逐渐将色谱不同程度实现微型化［1,2］。色谱柱是气相色谱中的关键部件之一，是实现分离的重要部分。目前，许多现场分析仪器使用微型快速气相色谱分离技术结合检测器，如GC-SAW.GC-IMS等联用技术。美国桑地亚实验室采用微型快速色谱-声表面波联用来制备microChemLab传感器测定有害气体［3］。美国difient公司高速色谱已经能够微型化［4］,重量仅为740g,使用的色谱柱长1〜3m,为通过LIGA技术微加工的微型色谱柱。微型化发展为成为现场检测的重要方向，色谱柱是

3、微型化发展的核心部件。微加工色谱柱从材料看主要有：Si-Pyrex［6〜8］玻璃结合的色谱柱类型，是微加工色谱柱相关报道较多、工艺成熟的一类。金属Ni微型色谱柱,有Louisiana大学的ArunKPaga等研究的微加工金属礫色谱柱［9,10］,金属柱具有高的热传导性，对于色谱柱程序升温非常有利，主要采用LIGA技术加工工艺。全硅微型色谱柱，如美国Illinois大学ADRadadial研究全硅色谱柱［11］；硅片热传导性能比Pyrex玻璃高2个数量级，更加有利于程序升温中温度的扩散，使用金扩散共熔键合的方法，将2片硅片键合成微型通道。全玻璃微型色

4、谱柱，有英国Dolomite公司报道全玻璃的色谱柱［12,13］,蚀刻通道后将2片玻璃片扩散键合形成整体微型通道。上述之外还有聚对二甲苯parylene微型色谱柱［14,15］等。从类型区分主要为毛细管柱、少量的微填充柱和毛细管束。微加工色谱柱型上主要为毛细管柱，微加工半填充柱［16］是为提高样品容量，以消除传统填充柱由于涡流扩散等引起的色谱峰展宽。微加工毛细管束MCC［17］是2〜8根毛细管形成的毛细管束，优点是具有较大柱容量。1微型化色谱柱的结构和原理方案微加工色谱柱主要加工方法是通过反应离子蚀刻DRIE的方法在硅片上蚀刻出需要的微型通道，再通

5、过静电键合技术与Pyrex玻璃等结合成一体的色谱柱单元，通过进出口的加工形成微加工色谱柱。色谱柱柱效率通常使用理论塔板数(N)和理论塔板高度(H)来表示。对于截面为矩形的色谱柱，理论塔板髙度(H)计算公式为式中，Dg为溶质分子在流动相中的扩散系数；Ds为溶质分子在固定相中扩散系数；df为固定相厚度；co为色谱柱通道宽度，h为色谱柱通道高度；fl和f2是Giddings-Golay和Martin-James气体压缩系数；k为保留因子。理论塔板数计算公式为式中，N为理论塔板数；H为理论塔板高度；L为色谱柱长度。2微型化色谱柱设计的实现与制备实验通过微加

6、工方法，形成微型通道；通过设计形成需要的槽道光刻掩模板；通过反应离子刻蚀技术光刻加工，形成需要的微型槽道；随后经过Si-Pyrex玻璃静电键合，形成整体密封微型腔体。微型腔体设计深度100um,宽lOOuin,横截面为矩形，分离柱长度3m。进出口在矩形2端。形状上为盘绕形。微型柱通道走向为直线并在末端米用直线连接后返回另一端。微加工的毛细管柱掩模板设计图（见图1）。其中设计部分为每个加工单元（硅片）包括3个微型通道单元，平行均匀地分布在加工单元的中部，其余部分为空缺。从设计掩模板中可看出每个微型通道单元的进出口设计在一侧的2端位置。制备微加工的毛细

7、管柱主要工艺流程图（见图2）：微型通道设计，掩模板加工，光刻，深反应蚀刻，进出口的导通,固定液的涂覆-色谱柱老化处理，测试等工序完成。固定液使用0V-1,涂覆方法为自由扩散-静态涂覆法。其中，除在微加工的工艺外，进出口的导通和固定液的涂覆是需要注意的工序，因为微型柱的通道狭窄，容易造成微通道堵塞。微型腔体加工完成后，进行进出口工艺加工，连接无涂层石英毛细管柱和封装；随后，进行固定相涂覆；固定相涂覆方法一般采用静态涂覆和动态涂覆法。本实验采用自由扩散-静态法进行。使用固定相0V-1的戊烷溶液通过压力压入微型腔体，使固定液充满整个微型腔体，均匀地使固定

8、液流动通过微型腔体，一段时间后，用硅橡胶堵住微型腔体出口一端，保持大气压，待溶剂完全挥发后，微型腔体进行加热老化处理3h。