用于气相色谱的整合流体系统的制作方法

用于气相色谱的整合流体系统的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 政府条款 本发明根据Army/AMC授予的基金号W31P4Q-09-01-0011在政府支持下完成。政府拥有 本发明的某些权利。
[0002] 相关申请交叉引用 本申请要求2013年5月17日提交的美国临时申请61/824,573的权益。以上申请的全部 公开内容通过引用结合到本文中。
技术领域
[0003] 本公开涉及用于气相色谱的整合流体系统及其制造技术。
[0004] 发明背景 气相色谱仪(GC)是通过使样品填料通过用功能材料（即，固定相)涂覆的通道(即，柱） 时空分离和检测气相混合物使用的仪器。成分可通过从柱洗脱所需的时间鉴定，并通过来 自位于柱下游的气体检测器的信号强度定量。通常，很多其它组件对操作也必不可少，例 如，提供样品注射的预浓缩器和产生气流的栗。在一些系统中，用阀控制计时和流动。复杂 混合物的分离有时用全二维GC (2DGC或GC X GC)进行，其中使用热调制器。
[0005] 自从在二十世纪五十年代石油工业普遍采用气相色谱仪，其使用已扩展到一些其 它领域。例如，用其检验污染物，例如多环芳烃、杀虫剂、卤化化合物等。另一个应用是与固 相微萃取技术结合的食品分析，用于油脂、药物、杀虫剂和碳水化合物的鉴定和定量。近年 来，也已通过这种仪器进行生物医学筛选。由GC分析人呼出生物标记提供诊断和监测潜在 疾病的无损伤方法。这种生物标记的实例包括与肺炎症相关的氧化氮和与脂质过氧化相关 的乙烷和戊烷。
[0006] 30年来一直在努力使GC微型化，早期工作可追溯到1979年。作为微气相色谱(yGC) 系统的核心组件，分离柱已得到广泛研究，并已报告多种柱结构，例如，镍柱、硅-玻璃柱、 Parylene?柱和等离子增强化学气相沉积(PECVD)氧氮化物柱。用于这些柱的固定相涂覆方 法包括常规静态涂覆方法和自组装方法。用于yGC系统的气体注射装置可主要分为两类:预 浓缩器和阀注射器。预浓缩器用吸附剂在低温收集分析物，并利用热脉冲注射填料。某些预 浓缩器收集分析物不需要气流。相反，阀注射器用阀采集并注射气体填料。已报告多种气体 检测器，包括化学电阻器、化学电容器、热导率检测器、Fabry-Pgrot检测器和基于放电的检 测器。也与在GCXGC系统中的应用一起报告微制造热调制器。
[0007] 微制造组件整合到yGC系统也取得显著进步。yChemLab是由预浓缩器、柱和表面声 波传感器组成的手持式yGC系统。密歇根大学的研究人员在过去十年已报告数种yGC原型， 包括Intrepid、Sp iron 和掌中Mercury 系统。
[0008] 大多数yGC研究努力未结合使用微栗。已只报告两种情况:一种利用微制造静电驱 动懦动栗，另一种利用固定Knudsen栗阵列。前者需要高频、大幅度驱动电压，但功率高效。 后者不是功率高效，但需要低电压DC源，它提供高可靠性，且经6000小时连续操作。
[0009] 至今报告的很多微栗操作yGC系统使用由全异微制造方法制造的组件。一些系统 由管连接组件，而一些用歧管进行流体相互连接。这种方法的益处是各组件可最优设计和 制造。遗憾的是，全系统增加的复杂性和制造成本对整合造成挑战。如其它流体系统中那 样，所有组件的可堆叠结构或整体式过程极大有益于系统的可制造性和整合。
[0010]本节提供与本公开相关的不一定为现有技术的背景资料。
[0011] 发明概述 本节提供本公开的概括，而不是其完全范围或所有特征的全面公开。
[0012] 本发明提出一种制造用于气相色谱仪的流体系统的方法。方法包括：用第一掩模 在基材上微制造气相色谱仪的流体系统的一部分;用第二掩模微制造气相色谱仪的流体系 统的一部分;并且用第三掩模微制造气相色谱仪的流体系统的一部分，使得第一掩模、第二 掩模和第三掩模彼此不同，且微制造气相色谱仪的流体系统只用第一掩模、第二掩模和第 三掩模完成。
[0013] 微制造流体系统一般需要通过一般称为微机器加工的步骤从基材图案化去除 (patterned removal)材料。可了解，微机器加工为喷砂、等离子蚀刻、湿蚀刻和超声机器加 工之一。在一些实施方案中，用第一掩模在基材上沉积金属，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]方法可进一步包括:在基材的单独部分上微制造气相色谱仪的三个组件；将基材 切成多个模，各模具有用于三个组件之一的不同子组件布置在各模上;并堆叠多个模，以形 成气相色谱仪。
[0015] 在一些实施方案中，流体系统包括只用第一掩模、第二掩模和第三掩模制造的栗、 分离柱、预浓缩器和检测器至少之一，而在其它实施方案中，栗、分离柱、预浓缩器和检测器 均只用第一掩模、第二掩模和第三掩模制造。
[0016] 可在两个或更多个基材中分开制造流体系统的组件。例如，可在第一基材上沉积 金属，和在第二基材上进行喷砂。然后组装第一基材与第二基材，以形成栗、分离柱、预浓缩 器和检测器至少之一。最后，在电路板上彼此相邻布置之前，可单独组装栗、分离柱、预浓缩 器和检测器。
[0017] 本发明也提供一种气相色谱仪系统。气相色谱系统包括:栗，该栗构造成接收载 气;分离柱，该分离柱构造成从栗接收载气，并可操作用于从载气分离分析物分子;预浓缩 器，该预浓缩器在栗和分离柱之间插入并以流体流通方式耦合;和检测器，该检测器构造成 从分离柱接收载气，其中栗、分离柱、预浓缩器和检测器中至少三个通过只用三种不同掩模 微制造来制造。
[0018] 在一个实施方案中，气相色谱仪系统具有堆叠布置，其中预浓缩器堆叠在Knudsen 栗顶上，分离柱堆叠在预浓缩器顶上，且检测器堆叠在分离柱顶上。
[0019] 在一些实施方案中，Knudsen栗以一个方向操作，以将载气吸入预浓缩器，并以第 二方向操作，以将气体吸出预浓缩器。
[0020] 在其它实施方案中，检测器进一步限定为脉冲放电检测器或电容检测器之一，其 中电容检测器包括载气通过的通道和在通道中暴露的至少一个叉指电容器。
[0021] 在其它实施方案中，气相色谱仪系统具有平面布置，其中栗包含在电路板上彼此 相邻布置的两个或更多个栗，以形成栗模块，且预浓缩器、分离柱和检测器在电路板上彼此 相邻布置，以形成色谱模块。预浓缩器、分离柱和检测器至少之一可作为悬臂布置在垂直支 持体上，该垂直支持体置于电路板与预浓缩器、分离柱和检测器至少之一之间。
[0022] 通过本文提供的说明，适用性的其它领域将变得显而易见。在此概括中的说明和 具体实例只是为了说明，不旨在限制本公开的范围。
[0023] 附图简述 本文所述附图仅为了说明所选实施方案，并非所有可能的实施情况，不是要限制本公 开的范围。
[0024] 图1为气相色谱系统的一个实例实施方案的透视图； 图2A-2C为描绘制造过程的一部分的图解。
[0025] 图3为气相色谱系统的实例实施方案的横截面图； 图4为图示说明系统的Knud s en栗的稳定态性能和气体流速的图解； 图5A和5B为图示说明预浓缩器的性能评价的图解； 图6A-6C为图示说明分离柱的试验和评价结果的图解； 图7A为用于试验检测器的实例放电电路的示意图； 图7B和7C为图示说明检测器的试验和评价的图解； 图8A和8B为图示说明由气相色谱系统分离戊烷、庚烷和辛烷的图解； 图9为图示说明气相色谱系统双向操作的图解； 图10为具有双向Knudsen栗的气相色谱系统的实例实施方案的横截面图； 图11为描绘具有平面和模块设计的气相色谱系统的另一个实例实施方案的图解； 图12为图11的气相色谱系统中栗模块的透视图； 图13A和13B为栗模块的横截面图； 图14为实例气流连接器的透视图； 图15A为图11的气相色谱系统中色谱模块的透视图； 图15B为实例预浓缩器的透视图； 图16为可用于气相色谱系统的电容检测器的实例实施方案的透视图；并且 图17为电容检测器的横截面图。
[0026] 在附图的数个视图中，相应附图标记始终表示相应部分。
[0027]发明详述 现在参照附图更充分描述实例实施方案。
[0028]图1图示说明具有堆叠布置的气相色谱仪系统10的实例实施方案。气相色谱仪系 统10包括Knudsen栗12、分离柱14、预浓缩器16和检测器18。以下进一步分别描述这些组件。 虽然在本文中描述最相关组件，但预想可用其它类型组件(例如，吸热件)执行气相色谱仪 系统。
[0029]在操作期间，Knudsen栗12根据热蒸发原理操作，以驱使关注气体（即，载气）通过 系统。分离柱14构造成从Knudsen栗12接收关注气体，并操作用于从气体分离分析物分子。 在通过分离柱14分析之前，预浓缩器16吸附分析物分子。为了开始分析，样品用热脉冲解 吸，并注入流体路径。检测器18从分离柱14接收样品，并操作用于定量测定样品中的选择物 类。在一些实施方案中，气相色谱仪的各组件只用三种不同掩模通过微机器加工制造，如以 下进一步描述。
[0030] Knudsen栗通过在限制自由分子或过渡流态流量的窄通道中的热蒸发驱动。气体 分子逆着温度梯度移动，即，从通道的冷端到热端，栗本身没有移动部件。在一个实例实施 方案中，Knudsen栗12由三个玻璃模组成（模1-3,厚度=500μπι)，模把多孔混合纤维素酯 (MCE)膜8(厚度》105_，孔径》25nm，孔隙率》70%，Millipore，MA)的堆垛夹在中间。膜切 成1.2X1.2cm 2方块，形成活性栗送区域。孔径在与接近大气压的空气的平均自由程相同的 数量级。模1上的多个沟槽和模2上的多个通孔促进气流通过MCE膜，而模3上的沟槽引导气 流进入上部组件。温度梯度由模2上的薄膜加热器9施加，且外部吸热件连接到模1的底部。 在一个实施方案中，吸热件为在气体入口具有穿孔的简单铝板。其占位面积可略大于 Knudsen 栗。
[0031 ]由于计算的简易性和相对精确度，通常用Sharipov模型估计微制造 Knudsen栗中 的热蒸发现象，其一般具有长的回旋通道。圆形横截面通道中的热蒸发驱动质量流量由以 下等式提供：
其中ATKP、APKP、Tavg和Pavg分别为通道热端和冷端之间的温差、压差、平均温度和平均 压力，a为通道半径，1为通道长度，m为气体分子的质量，kB为Boltzmann常数。参数QT和Q P分 别为温度和压力流量系数，通过Sharipov等式制表。这些系数的值取决于稀薄参数Savg，由 以下等式给出：
其中3avg为气体分子的平均自由程。
[0032]具有多个平行通道的Knudsen栗的体积流速可计算为：
其中Ν^_ι为用于热蒸发的总通道数，Pgas为气体密度。
[0033]根据等式（1)-(3)，其中Δ Tkp=60°C，关于此实施方案所述的Knudsen栗估