[发明专利]波浪形微型气相色谱柱及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及气相色谱技术领域，具体涉及一种波浪形微型气相色谱柱及其制备方法。

背景技术

随着社会发展、工业化生产和人们生活水平的不断提高，环境污染带来的问题越来越多，应急监测要求环境监测部门尽快地准确辨别污染物种类、浓度、毒性、污染的范围等信息。便携式气相色谱仪具有体积小、重量轻、电池供电、现场操作等优点，因其能够满足不同分析环境的要求，通常情况下在几分钟内能对污染物进行定性分析以及得到初步定量结果。因此，研制灵敏度高、分辨率高、性价比高的便携式气相色谱仪器成为色谱领域的一个重要研究方向。

传统的气相色谱仪虽然具有强大的混合物分离能力，但仪器体积大重量重，分离时间长，能耗较高。采用微加工技术能有效地实现色谱这种大型分析仪器的小型化，能加快色谱的分离速率，具有功耗低，便携性好等特点。

同常规色谱一样，考核MEMS色谱最主要的性能指标是分离效率。分离效率除开固定相的因素之外，还受到色谱柱几何结构的影响，主要的影响因素有下述三点：

(1)深宽比

由于目前的MEMS色谱柱多采用DRIE技术加工刻蚀，色谱沟槽的横断面是矩形，不同于传统毛细管色谱的圆形截面。对于这种矩形沟槽，深度越深，宽度越窄，即深宽比越大时，MEMS色谱柱的分离效率越高。深宽比是影响分离效应的最主要因素。

(2)沟槽的平面布局

由于色谱沟槽必须达到一定的长度(典型值0.5-6m)，因此，为了在一个尽量小的硅片面积上盘曲足够长的微型色谱沟槽，现有的微型色谱柱的平面图形主要有回形针形、螺旋形等几种(图1)。美国伊利诺依大学系统比较了圆螺旋形、方螺旋形和回形针形三种微型色谱的分离效果，结果无论色谱工作于绝热还是加热模式，回形针形色谱的谱峰最尖锐，分辨率最高，参见文献1:RadadiaAD,Salehi-KhojinA,MaselRI,etal.Theeffectofmicrocolumngeometryontheperformanceofmicro-gaschromatographycolumnsforchipscalegasanalyzers,SensActuatorsB,2010,150:456-464。

(3)沟槽内的微结构

在上述(1)、(2)中，MEMS色谱的矩形沟槽是完全中空的，称为开管柱。当在矩形沟槽中加工有尺寸更为精细的微结构时(例如图2所示的等间距排列的微柱)，称为半填充柱。与具有同样沟槽尺寸的开管柱相比，半填充色谱柱的分离效率更高。这是由于气流在半填充柱的流动比开管柱中更为均匀。弗吉利亚理工大学通过有限元分析软件对气体通过开管柱和半填充柱进行了流体模拟分析，结果参见文献2:AliS,Ashraf-KhorassanibM,TaylorLT,etal.MEMS-basedsemi-packedgaschromatographycolumns,SensActuatorsB,2009,141:309–315中的图9，该图是一个彩色图，红色载气速度最快，蓝色为最慢。可见，开管柱的中心气流最快，而边缘处气流最慢，差异很大，气体的层流效应明显，不利于气体分子与固定相充分接触达到平衡。而半填充柱中气体层流效应减弱，从而可以提高色谱的分离效率。因此，气流在微型色谱沟槽中的流动状态对色谱的分离性能有很大的影响。

虽然半填充柱具有比开管柱更高的分离效率，但是在半填充柱的MEMS加工中，需要在开管柱内制备尺寸更小，结构更为精细的微柱，存在着加工技术难度大的困难。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种波浪形微型气相色谱柱及其制备方法。

本发明所采用的技术思路是：基于降低层流效应，增加流场均匀性的原理，但不是通过在流道中埋设微柱来获得，而是通过将流道弯曲化来获得。微型色谱沟槽的平面结构脱胎于回形针形沟槽结构，但是将回形针形沟槽的每一段直道都用波浪形的弯道代替，这样流动相速度减弱，从而降低了层流效应，保证了气体分子与固定相的充分接触，增大了流道中流动相和固定相的作用，最终获得更高的分离效率。

本发明的技术方案如下：

一种波浪形微型气相色谱柱，包括硅基板和硅基板上方的玻璃顶盖，硅基板上刻蚀有横截面为矩形的深槽，深槽经玻璃顶盖闭合后形成微流道，微流道内壁涂覆有固定相薄膜，微流道在硅基板平面上的投影图形含有多段规则的波浪形曲线。

作为优选方式，波浪形曲线由上下两个小圆弧拼接而成，小圆弧对应的圆心角的范围为120°-150°，曲率半径为20％W-50％W，其中W为微流道宽度。