气相色谱单元、用相同该单元的可扩展气相色谱系统及相关方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及气相色谱（GC)，更具体地涉及将气相微流控技术应用至GC。
【背景技术】
[0002] 气相色谱（GC)引起被注入到色谱柱中的汽化或气相样品的分析分离。该柱通常 是金属、玻璃或石英管，其含有用于色谱活性所配制的固定相（涂层或填料）。该柱通常容 纳在热控制烘箱中，或者可以由加热元件比如电阻线直接加热。化学惰性载气比如氦气、氮 气、氩气或氢气用作流动相，用于柱中分析物样品的洗脱。通常，样品和载气被分别引入到 联接至柱头部的GC入口。在GC入口，将样品注入到载气流中，并且所得的样品载气混合物 流过该柱。典型的GC入口配置成用于汽化初始液相样品，并且可以提供以及配置成用于执 行预柱分离的衬垫。在柱流过程中，样品遇到柱中的固定相，这导致样品的不同组分根据与 固定相的不同亲和力而分离。所分离的组分从柱出口洗脱并且由检测器测量，产生识别这 些组分的色谱或光谱可以由其构造的数据。
[0003] 单GC柱可能不足以将目标化合物与样品分离。在这种情况下，可以利用包括两个 或更多个GC柱及相应下游探测器的多维（MDGC)GC系统，比如全二维（GC X GC)系统。不同 的GC柱可能具有不同的特征，比如长度、内径和/或固定相材料的类型。例如，在GC X GC 系统中，一个柱可能包括极性固定相，而另一个柱包括非极性固定相。在适当的时间间隔期 间，来自含有目标化合物的第一柱的流出物的一部分可以被转移到第二柱中，并且如本领 域技术人员所理解的那样，通过实施心脏切割技术最终至相应的第二检测器。
[0004] 多维GC系统可以利用流体开关，用于实施中心切割，以及用于其他操作模式比如 流量分散、反冲洗等。流体开关可以与微流体装置结合操作或者与其结合一体，该微流体装 置设计成引导样品和/或载气流至且自GC柱、检测器以及多维GC系统的其他组件。多维 GC系统还可以利用流动控制装置通常是电子气动控制器（EPC)来调节质量流量、前向压力 以及与柱和其他流体装置相关的背压。
[0005] 通常，对于GC系统的用户来说，很难正确地配置涉及使用微流体装置和流动控制 装置比如EPC的多柱系统。对于用户来说，同样很难施加微流体至紧凑的或甚至烘箱较少 的GC，因为目前所有的微流体装置必须依赖于相对大的、强制的对流GC烘箱（空气浴），以 便于柱联接并且防止微流体装置成为样品路径中的冷点。此外，目前的GC仪器缺乏根本地 可扩展设计，其对于支持通过微流体比如多维GC和多个独立柱加热区所启用的分析任务 的日益复杂是有用的。
[0006] 鉴于上述情况，需要这样的GC组件及方法，也就是其能够或便于设计和建立提供 各种功能以满足当前及未来需求的GC装置和系统。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述问题（全部或部分）和/或可能已由本领域技术人员所观察到的其 他问题，本公开提供了方法、过程、系统、设备、仪器和/或装置，如通过下面所阐述的实施 方式中的示例所述。
[0008] 根据一实施例，一种气相色谱（GC)单元包括：入口侧微流体装置，其包括多个入 口侧通道和多个入口侧端口，每个入口侧端口与所述入口侧通道中的至少一个连通；出口 侧微流体装置，其包括多个出口侧通道和多个出口侧端口，每个出口侧端口与所述出口侧 通道中的至少一个连通；柱，其包括联接至所述多个入口侧端口中的第一入口侧端口的柱 入口和联接至所述多个出口侧端口中的第一出口侧端口的柱出口；以及流动控制器（FC)， 其包括用于接收载气流的FC输入端口、与所述FC输入端口连通的第一 FC输出端口、以及 与所述FC输入端口连通的第二FC输出端口，其中，所述第一 FC输出端口与所述多个入口 侧端口的附加入口侧端口连通。
[0009] 根据另一实施例，一种气相色谱（GC)装置包括：根据本文所公开的任何实施例的 GC单元；以及流体装置，其选自由以下构成的组：与所述入口侧端口或出口侧端口中的至 少一个连通的流体或微流体装置；与所述入口侧端口中的至少一个连通的样品导入装置； 与所述出口侧端口中的至少一个连通的检测器；与所述入口侧端口或出口侧端口中的至少 一个连通的附加 GC单元；与所述入口侧微流体装置和出口侧微流体装置中的至少一个螺 纹接合的传输管线；以及前述中的两个或更多个。
[0010] 通过审查以下附图及详细描述，本发明的其他装置、设备、系统、方法、特征以及优 点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。所希望的是，所有这样的附加系统、方法、 特征及优点包括在本说明书内、在本发明的范围之内以及由所附的权利要求保护。
【附图说明】
[0011] 通过参照以下附图可以更好地理解本发明。附图中的组件不一定按比例绘制，而 是将重点放在说明本发明的原理。在附图中，相同的参考标号表示整个不同视图中相应的 部件。
[0012] 图1是根据一些实施例的气相色谱（GC)系统的示例的示意图。
[0013] 图2A是根据一些实施例的GC单元的示例的示意性正视图。
[0014] 图2B是图2A中所示的GC单元的示意性俯视图。
[0015] 图2C是图2A中所示的GC单元的示意性仰视图。
[0016] 图3A是根据一些实施例的示出内部通道的微流体装置的示例的示意性平面化 图。
[0017] 图3B是根据一些实施例的微流体装置的示例的示意性仰视图。
[0018] 图4是根据一些实施例的GC系统（或其部分）的示例的示意图。
[0019] 图5是根据一些实施例的GC单元（或包括GC单元的GC装置）的示例的示意图。
[0020] 图6是根据一些实施例的联接至GC入口的图5中所示的GC单元的入口侧的示意 图。
[0021] 图7是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0022] 图8是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0023] 图9是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0024] 图10是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0025] 图11是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0026] 图12是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0027] 图13是根据另一实施例的GC单元（或包括GC单元的GC装置）的示例的示意图。
[0028] 图14是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0029] 图15是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0030] 图16是根据另一实施例的GC装置（或其部分）的示例的示意图。
[0031] 图17是根据一些实施例的传输管线组件的示意性剖视图。
【具体实施方式】
[0032] 在本公开的上下文中，术语"分析物"通常是指气相色谱（GC)的研究人员或用户 所感兴趣的任何样品分子--即期望在其上进行分析比如例如色谱法或色谱/质谱分析的 分子。术语"样品"或"样品基体"是指已知或怀疑含有分析物的任何物质。样品可以包括 分析物和非分析物的组合。本文中的术语"非分析物"或"非分析组分"是指分析对其所不 感兴趣的样品组分，因为这样的组分不具有分析值和/或可能会损害（例如干扰）所需分 析物的分析。非分析物通常可能是所不感兴趣的任何分子比如污染物或杂质。非分析物的 示例可以包括但不限于污染物、杂质、水、油、溶剂、载气、或其他介质，以及已经从色谱柱流 出的固定相材料。
[0033] 在本公开中，术语"流体"在一般意义上用来指可以通过导管流动的任何材料。"气 体"是"流体"的示例。如本文所用，术语"气体"包括蒸汽以及其中可能夹带有蒸汽、液滴 或颗粒的气体。在本公开中，术语"流体"与术语"气体"可互换使用，除非另有说明。
[0034] 如本文所用，术语"通道"是指限定用于流体从一个点流至另一个点的路径的任何 类型的导管。在一些实施例中，通道可以是"微流体通道"或"微通道"。微通道的横截面 (或流通面积）可以具有微米（例如达约1000微米或1毫米）或更低（例如纳米）的数量 级的特征尺寸。例如，该特征尺寸的范围可以从100纳米至1000微米（1毫米）。通过微 通道的流速可以是每分钟毫升、每分钟微升、每分钟纳升或更低（每分钟微微升或每分钟 毫微微升）的量级。术语"通道"包括但不限于微通道。术语"特征尺寸"是指适当地描述 用于通道横截面形状的类型尺寸一例如，圆形横截面情况下是直径、椭圆横截面情况下 是长轴、或多边形横截面情况下是两个相对侧面之间的最大宽度或高度。通道的横截面可 以具有任意这些形状。此外，通道的横截面可以具有不规则的形状，无论是故意地还是由于 制造技术的限制。不规则形状的横截面的特征尺寸可以被视为不规则形状的横截面最紧密 接近的规则形状的横截面的尺寸特征（例如，圆的直径、椭圆的长轴、多边形的宽度或高度 等）。
[0035] 在典型的实施例中，微通道形成在材料的实心体中。该材料可以是在微细加工比 如微流体、微电子、微电子机械系统（MEMS)等的各个领域中所使用的类型。材料的成分可 以是用在这些领域比如半导体、电绝缘体或电介质、真空密封、结构层或牺牲层中的。因此， 材料可以包括，例如类金属（例如，硅或锗）、类金属合金（例如，硅-锗）、碳化物比如碳化 硅、无机氧化物或陶瓷（例如，氧化硅、氧化钛或氧化铝）、无机氮化物或氧氮化物（例如，氮 化硅或氧氮化硅）、各种玻璃或各种聚合物。在一些实施例中，所述材料是光学透明的，目的 是比如执行基于光学的测量、执行样品分析、检测或识别流过微通道的物质、使用户能够观 察流动等。材料的实心体最初可以以例如基板、设置在下层基板上的层、微流体芯片、来自 材料较大晶片的单片芯片的形式等被提供。
[0036] 微通道可以通过现在已知的或以后在适于材料的成分以及微通道的尺寸和纵横 比的微细加工领域中所开发的任何技术形成在材料的实心体中。作为非限制性示例，微通 道可以通过蚀刻技术比如聚焦离子束（FIB)蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE)或者微机械加工 技术比如机械钻孔、激光钻孔或超声波铣削来形成。取决于所要形成的微通道的长度及特 征尺寸，蚀刻或微机械加工可以以类似于形成垂直或三维"通过"的方式来完成，部分地进 入或完全地穿过材料的厚度（例如，"贯通晶片"或"贯通基板"通过）。可替代地，最初打开 的通道或沟槽可以形成在基板的表面上，然后将其结合至另一基板来完成微通道。另一基 板可以呈现为平坦的表面，或者还可以包括在部分结合过程与第一基板的打开通道对准的 最初打开通道。微通道可直接由材料的实心体的一个或多个壁限定（或限制）。可替代地， 微通道可以由管或毛细管的内侧表面限定，即管或毛细管壁是其中形成有微通道的材料的 实心体。在后一种情况下，管或毛细管可以驻留在由材料的另一实心体的一个或多个壁形 成的封闭孔或开放孔（例如，沟槽、槽或凹部）中。
[0037] 根据其组成，限定微通道的材料可以相对于流过微通道的流体是固有化学惰性 的。或者，可以在部分制造过程中不激活微通道，比如通过施加合适的涂层或表面处理/功 能化以便使微通道变得化学惰性。用于此目的的涂层和表面处理/功能化对于本领域技术 人员来说很容易理解。
[0038] 在本公开中，术语"流体装置"通常包括提供或接收流体流动或以其他方式提供一 个或多个流体流动路径的任何装置。流体装置的示例包括提供流体流动的装置（例如样品 导入装置）、接收流体流动的装置（例如GC检测器）、控制和/或改变流体流动的装置（例 如阀门、微流体装置）等。术语"微流体装置"通常包括其中形成有一个或多个微通道的任 何装置。微流体装置可以包括如上面所述的实心体以及配置成用于与导管或其他流体装置 流体联接的一个或多个端口。
[0039] 图1是根据一些实施例的气相色谱（GC)系统100的示例的示意图。GC系统100 通常可以包括样品导入系统104、GC装置108、一个或多个检测器112以及计算装置116。 样品导入系统104可以包括样品导入装置120和GC入口 124。GC装置108包括一个或多 个GC单元，其中的实施例在下面通过示例进行说明。通常，每个GC单元包括GC柱、提供流 动路径至且自GC柱和GC单元外部组件（例如，样品导入系统104、检测器112等）的一个 或多个微流体装置、以及提供通过GC柱和微流体装置的流量与压力控制的流动控制装置 或模块（或流量控制器、或FC)比如电子气动控制器（EPC)。可以代表载气存储器及相关 组件（例如，管道、阀门、泵、流量控制器等）的载气源128通过相应的载气供给管线132和 134以调节的流速和/或压力将一个或多个载气流供给至GC入口 124和GC装置108。GC 入口 124和GC装置108可以各自包括用于吹扫气体的一个或多个排放口 136和138。
[0040] GC系统100的某些组件，比如GC装置108的GC单元（GC柱、微流体装置、流量控 制器）和检测器112 (取决于检测器的类型），可被封闭在壳体或外壳142中。壳体142可 以是GC烘箱，其通常包括配置成用于保持GC柱在所需温度设定或根据所需的（预定的、可 编程的）温度分布来改变GC柱的温度的加热装置，比如用于平衡参数，如洗脱时间和测量 分辨率。通常，加热装置配置成用于加热GC烘箱的内部，并由此间接地（例如，通过强制对 流）控制GC柱及其他组件的温度。在其他实施例中，所述加热装置配置成用于直接加热GC 柱。例如，加热装置可以包括所安装的与GC柱热接触的电阻加热元件。此外，GC装置108 的微流体装置可以包括加热装置。例如，加热装置可以被定位在微流体装置的结构中或安 装至微流体装置的侧面，或者微流体装置可被定位在加热装置的内部。在利用直接加热装 置的实施例中，壳体142可以是另外包括常规间接加热装置的GC烘箱，该间接加热装置可 以与直接加热装置结合进行操作或者作为其的一种替代。在一些实施例中，GC系统100的 某些组件比如GC单元可以被安装至壳体142的壁。在这样的实施例中，壳体142可以是加 装有GC装置108的预先存在的或市售可得的GC烘箱，或者根据与GC装置108操作的需要 进行修改或改动。
[0041] 样品导入装置120可以是配置成用于将样品注入到GC入口 124中的任何装置。样 品注入可在自动、半自动或手动的基座上进行。例如，样品导入装置120可以包括手动操作 的注射器或是自动采样设备（或"自动进样器"）的一部分的注射器。样品源可以位于样品 导入装置120的上游，或者可以是设置在样品导入装置120的一个或多个样品容器（例如， 小瓶）。在后一种情况下，样品容器可以被加载在选择所需样品用于注射到GC入口 124中 的传送带或其他装置上。
[0042] GC入口 124可以具有适于将来自样品导入装置120的样品流导入到来自载气源 128的载气流中的任何配置。GC入口 124可以以如本领域技术人员所理解的各种方式处理 样品/载气混合物。GC入口 124可能具有分离、不分离、或分离/不分离（S/SL)的配置。 GC入口 124可以位于或部分地位于壳体（或烘箱）142中，在这种情况下，GC入口 124可被 封闭在绝热杯中。如本领域技术人员所理解，载气可以是适于用作便于样品运输通过GC柱 的惰性流动相的任何气体。载气的示例包括但不限于氦气、氮气、氩气以及氢气。
[0043] 检测器112可以是适于检测从GC柱108洗脱的峰的任何检测器。检测器的示例 包括但不限于火焰离子化检测器（FID)、热导检测器（TCD)、氮磷检测器（NPD)、电子捕获检 测器（ECD)、火焰热离子检测器（FTD)、火焰光度检测器（FPD)、原子发射检测器（AED)等。 一般而言，可以利用各种各样的检测器，并且所示的检测器112可以表示两个或更多个不 同类型的检测器的组合。在一些实施例中，检测器112是分析仪器比如例如质谱仪（MS)、离 子迁移率谱仪（MS)等或者是其一