[发明专利]微型热传导率探测器、其制作方法及使用其的色谱系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2009年10月9日提交的美国临时申请No.61/250,310的优先权。

技术领域

本发明涉及用于化学分析仪器中的传感器的领域。更特别地，本发明涉及用于色谱分析装置中、更特别地用于微型色谱分析装置中的微型热传导率探测器。

背景技术

在化学分析过程中，色谱分析装置是用于分离和探测样本混合物中的不同化合物的主要工具。用于执行色谱分析的常用方法中的一种使用色谱分离柱，以将样本流体分离为其组成化合物。色谱柱的内表面通常是惰性材料，所述惰性材料覆盖有或它上吸收有称作“固定相”的材料。样本流体通过样本输入装置导入色谱柱中，且使用被称作“流动相”的惰性载送流体被传送通过色谱柱。当样本流体遇到固定相时，样本流体中的不同的组分被不同地向固定相吸引，这使得样本流体中的不同组分以不同速度行进通过系统。当样本组分被流动相驱动通过色谱柱时，样本组分通过与固定相的相互作用而产生的不同延迟产生分离。每种样本组分在它导入色谱系统中的时刻与它从色谱分离柱流出而被探测到的时刻之间具有相应的特征延迟时间。该特征时间称作“保留时间”。保留时间的某些最小相差量使得可通过色谱分析方法区分开样本组分。多种色谱分析方法通常用于分析化学中，其中具有流相和气相色谱分析方法，载送流体相应地为惰性液体或气体。

色谱柱的出口处的一个或多个探测器探测从色谱柱流出的不同化合物，且提供与样本组分的量成比例的输出信号。不同的组分在色谱图上被示为“尖峰”，其中，高度和尖峰下方的面积与化合物的量对应。

可使用各种类型的探测器，但提供与包含在其中的流体的热传导率对应的输出信号的探测器是有利的，这是因为这种探测器对所有流体均灵敏。

热传导率探测器(TCD)作为气相或流相色谱系统中的探测器已经使用了很多年，以提供所述的输出信号。在简单的形式中，热传导率探测器包括具有被加热的元件的单元，所述被加热的元件通常为被电加热的金属丝或热敏电阻，且设置在腔室中并保持在流动的流动流中。被加热的元件的温度根据在其周围流动的流体的热传导率变化。当自色谱柱的输出物流过腔室时，热从被加热的元件流到腔室的壁的速率随腔室中的流体的热传导率的变化而变化。载送流体的热传导率与样本流体的热传导率不同，且与载送流体混合的样本流体的热传导率随载送流体中的样本流体的浓度而变化。热传导率的变化通常作为被加热元件中的电阻的变化被探测且作为电压变化测量。

流体性能可通过使用两种不同的操作模式中的一种操作模式确定。在恒压模式中，探测器的输出与加热元件的温度变化有关。当热传导性不太好的流体暴露给探测器时，较少的热量被传输走，从而增加了加热元件温度。在恒温模式下，加热元件被保持在预定操作温度下。为保持该预定温度所需的功率的变化被测量。

目前，气相色谱分析法主要用于实验室测试中。自1970年代的中期科学家和工程师就已经通过开发微尺度气相色谱系统来扩展气相色谱分析的使用。根据J.H.Jerman和J.B.Angell的名称为″A gas chromatograph air analyzer fabricated on a silicon wafer″，IEEE Trans.Electron Devices，vol.ED-26，p.1880，1979的公开学术文献，第一种微制作的气相色谱系统在斯坦福大学电子实验室中被开发出来。该系统包括与单独制作的热传导率探测器集成的柱。与那个时期的标准气相色谱技术相比，该装置具有差的色谱分析分辨率，这最可能因为用于色谱柱的固定相的液体沉积过程。

微型色谱系统具有便携、可靠的潜力，且由于大批量制作和规模经济的原因，比传统的色谱系统更便宜。这些系统的应用领域范围可从公共医疗卫生服务、国土安全到工业过程控制和地质勘探。欧洲专利公开No.2065703A1向本申请人/受让人教导了小型化的气相色谱系统的一个例子，其特别是被设计用于石油和天然气工业中，该专利公开通过引用整体包含在本申请中。

在奋力获得新型的气体感测和探测机构的过程中，很少将工作投入到提高热传导率探测器中。然而，热传导率探测器特别适合于小型化，这是因为它们对样本内的物质的浓度敏感，而不像火焰电离探测器(FID)中那样对样本的总质量敏感。因此，热传导率探测器的小型化不影响功能灵敏度，且由于质量的减小，可同时降低电能消耗和提高机械可靠性。