小型化气相色谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种气相色谱仪，所述气相色谱仪具有：进气口；密封的流体流道；出气口，出气口与所述流体流道的第二端流体连接；以及气体分子检测器，气体分子检测器与所述出气口流体连接。密封的流体流道的第一端与进气口流体连接。密封的流体流道包含一对或多对电极，所述电极沿所述流体流道的内部表面纵向延伸。
【专利说明】小型化气相色谱仪
【背景技术】
[0001]除非本文另外指出，否则本部分中描述的内容不是本申请权利要求书的现有技术并且不因包括在这个部分中而被承认是现有技术。
[0002]为了应对关注度日益增长的环境问题，已广泛使用空气质量传感器。气相色谱法(GC)是常见类型的色谱法，它用于分离并分析能够蒸发而不分解的化合物。例如，就GC而言，对于多种类型的化合物存在各种限制。例如，并不适于分离并分析非挥发性化学物质。因为气相色谱法利用材料沸点的不同分离气体分子，所以只能处理挥发性分子。
[0003]GC仪器通常在非常高的温度下操作，从而致使大多数分离柱由诸如不锈钢等金属材料制成。高操作温度使得器械的小型化变得困难。
[0004]因此，诸如GC装置等常规气体分子测量装置是大型且昂贵的。常用GC装置具有包括气体分离机构的毛细柱。毛细柱的常用长度可以是约5m?100m，不过其可根据设计而有所不同。然而，这些大规模装置不适用于气体分子以便携和/或实时的方式简单地进行检测和/或测量。本领域仍然有在保持足够可靠性的同时使分离机构小型化的极大需求。
【发明内容】
[0005]在一些实施方式中，提供了一种气相色谱仪。所述气相色谱仪包括:进气口 ；密封的流体流道，该流体流道包含沿该流体流道的内表面纵向延伸的一对或多对电极，其中，所述流体流道的第一端与所述进气口流体连接(fluid connection);出气口，所述出气口与所述流体流道的第二端流体连接；以及气体分子检测器，所述检测器与所述出气口流体连接。在一些实施方式中，流体流道包含在晶片(chip)上。
[0006]在一些实施方式中，所述晶片的尺寸可以为:长度为约500μπι以下；宽度为约500 μ m以下；厚度为约100 μ m以下。所述流体流道的长度可以至少为约1，000 μ m。
[0007]在一些实施方式中，流体流道可以微加工在硅衬底或玻璃衬底上。气体分子检测器可以是包含在晶片上。
[0008]在一些实施方式中，上述一对或多对电极位于流体流道的相对侧。流体流道中可以包含两对或更多对电极。至少一个电极可以是金属电极。
[0009]在一些实施方式中，流体流道在进气口和出气口之外的所有部分都是蒸汽不透性的。流体流道的长度可以比所述流体流道的最大横截面大至少约1，000倍。
[0010]在一些实施方式中，电极对被配置为，相对于电极对上未施加交流电时带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式，所述电极对上施加交流电时带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式延长。
[0011 ] 在一些实施方式中，所述电极对被配置为，在电极对上施加交流电时，带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式相对于相同条件下不带电的非极性分子的移动样式延长。
[0012]在一些实施方式中，气相色谱仪还包括样本入口，所述样本入口在所述流体流道上游位置处经由阀与所述进气口附接。在一些实施方式中，所述气相色谱仪还包括载气入口，所述载气入口在所述样本入口上游位置处与所述进气口附接。[0013]在一些实施方式中，气体分子检测器包括电阻器电路。
[0014]在一些实施方式中，提供了一种样本分子的分离方法。所述方法包括:提供含有样本气体分子的样本；将所述样本的至少一部分与载气接触，以形成样本/载气混合物；将所述样本/载气混合物引入包含入口和出口的流体流道中，其中所述流体流道包含沿所述流体流道的内表面纵向延伸的至少一对电极；向沿所述流体流道内表面纵向延伸的电极施加交流电；在向所述电极施加交流电的同时，使所述样本/载气混合物从所述流体流道入口流向所述流体流道出口 ；以及检测是否存在离开所述流体流道出口的样本气体分子。
[0015]在一些实施方式中,可以根据样本气体分子的极性和/或带电状态或者其分子量分离所述样本气体分子。
[0016]在一些实施方式中，交流电产生的电场与流体流道的流体流动方向大致正交。
[0017]在一些实施方式中，提供了一种气相色谱仪的生产方法。这种方法包括:提供衬底；在所述衬底中蚀刻流道(channel)，其中，所述流道包括入口和出口 ；在所述流道的内表面上沉积一对或多对电极；以及密封所述流道。
[0018]以上的
【发明内容】
只是示例性的并且不旨在以任何方式进行限制。除了上述的示例性方面、实施方式和特征之外，另外的方面、实施方式和特征将通过参照附图和下面的【具体实施方式】而变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]由结合附图的以下描述和随附权利要求书，本发明的上述和其它特征将变得更充分地明显。应理解这些附图只是示出了本发明的若干实施方式，因此不应将其视为对本发明范围的限制，将通过使用附图利用附加的具体细节描述本发明，其中:
[0020]图1是一些实施方式中具有半导体器件的规模可调的空气质量传感器的代表性视图。
[0021]图2描绘了传感器柱的多层结构的实例。
[0022]图3A是分子在电极对之间沿载气流移动的一些实施方式的代表性示意图。
[0023]图3B是分子受给定正电压的电极吸引的一些实施方式的代表性示意图。
[0024]图3C是分子受给定负电压的电极排斥的一些实施方式的代表性示意图。
[0025]图3D是分子以Z字形方式移动的一些实施方式的代表性示意图。
[0026]图4是一些实施方式的代表性示意图，其示出了具有较低电负性的分子和具有较高电负性的分子以Z字形方式移动的轨迹。
[0027]图5是一些实施方式的代表性示意图，其示出了具有不同质量的分子以Z字形方式移动的轨迹。
[0028]图6是两种分子的电流与滞留时间的关系的曲线图。
[0029]图7是颗粒经涂覆有带电表面活性剂而添加电荷的一些实施方式的代表性示意图。
[0030]图8A是具有一对或多对带电电极的一些实施方式的代表性截面图。
[0031]图8B是具有两对带电电极的一些实施方式的代表性横截面图。
[0032]图SC是两对电极得以带电的一些实施方式的代表性横截面图。
[0033]图8D是电极螺旋状变形的一些实施方式的代表性截面图。[0034]图9A?9E描绘了柱的制造步骤的实例。
【具体实施方式】
[0035]在下面的【具体实施方式】中，参照构成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，否则类似的符号通常鉴别类似的组件。【具体实施方式】、附图和权利要求书中描述的示例性实施方式不意在限制。在不脱离本文呈现的主题的实质或范围的情况下，可以利用其它实施方式，并且可以做出其它改变。应该容易理解，如本文总体描述和附图中示出的本发明的各方面可以按各种不同的配置进行布置、替换、组合、拆分和设计，所有这些均明确地在本文中得到预期。
[0036]本文提供的是可用于感测分子的系统和装置的各种实施方式。在一些实施方式中，这涉及使用与流体流道相关联的气相色谱仪，所述流体流道包含沿流体流道的内表面纵向延伸的一对或多对电极。流体流道的第一端与进气口流体连接，出气口与流体流道的第二端流体连接，气体分子检测器与出气口流体连接。所述装置和/或系统可以在样本分子沿载气流方向移动下使用，并且利用样本分子和一个或多个电极之间的库仑力，可以通过一对或多对电极控制载气内的样本分子的移动轨迹。在样本分子移动通过流体流道之后，接着可以检测样本分子。在一些实施方式中，可以向一个或多个电极施加交流电。这样可有助于高精度地有效分离样本中不同的分子。在一些实施方式中，流体流道包含在晶片上。这样可有助于使便携式装置/系统有效小型化。
[0037]在一些实施方式中，分子的分离方法涉及提供含有样本分子的样本；使至少部分样本分子和载气接触，以形成样本分子/载气混合物；将样本分子/载气混合物引入包含入口和出口的流体流道，其中，所述流体流道包含沿流体流道的内表面纵向延伸的至少一对电极；向沿流体流道的内表面纵向延伸的电极施加交流电；在向电极施加交流电的同时，使样本分子/载气混合物从流体流道入口流向流体流道出口，并且检测是否存在离开流体流道出口的样本气体分子。
[0038]在下面的【具体实施方式】中，参照构成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，否则类似的符号通常鉴别类似的组件。【具体实施方式】、附图和权利要求书中描述的示例性实施方式不意在限制。在不脱离本文呈现的主题的实质或范围的情况下，可以利用其它实施方式，并且可以做出其它改变。应该容易理解，如本文总体描述和附图中示出的本发明的各方面可以按各种不同的配置进行布置、替换、组合、拆分和设计，所有这些均明确地在本文中得到预期。
[0039]规模可调的空气质暈感测系统
[0040]图1示出了使用半导体器件的规模可调的空气质量感测系统的一种实施方式的概况。这里，将来自载气筒7的载气引入载气引入口 6。载气具有化学惰性，并且可以包括(但不限于)氦气、氮气、氖气、氩气和氢气。载气的选择通常与感测系统中使用的检测器的类型相关。通常可以在载气筒7处使用压力调节器(未示出)和/或流量控制器(未示出)控制载气的流速。可以在流量控制器后在转子流量计(未示出)处测量载气的受控流速。一旦载气的流速得到控制，就可以通过载气引入口 6引入载气。载气引入口 6连接至柱I的密封流体流道并且用来将载气引入并传输至柱I。
[0041]样本入口 5在载气引入口 6下游和密封流体流道上游的位置连接至柱I的密封流体流道。样本入口5用于将待分析的样本分子引入柱I的密封流体流道。可以使用将样本引入色谱仪的各种已知装置的任一种。在一个实施方式中，样本入口 5是注入器，其使通过含有样本的腔室的载气流转向，使得样本分子与载气合流并且引入柱I的密封流体流道。
[0042]在一些实施方式中，柱I的密封流体流道由诸如硅绝缘膜等半导体材料、玻璃、金属薄膜和适于微加工的其它材料构成。柱I可以形成为二维螺线形状，如阿基米德螺线(参见例如图1)，其在使柱长度保持足以使待分离样本移动的同时，减少了柱I占用的面积。另选地，柱I可以是柱形阵列柱，其具有低疏散性弯道，其中每个弯道具有固定半径的外边界和在每个弯道之前朝向外边界渐缩的内边界。由于具有低疏散性弯道，因而样本分子可以沿内部和外部路径的行进的距离基本上相同。低疏散性弯道构造的实例可见于Aoyama等，Anal.Chem.，(2010) 82，第 1420-1426 页。
[0043]在一些实施方式中，柱I通过使用诸如微机电系统(MEMS)技术等改进型半导体器件加工技术在硅衬底或玻璃衬底上微加工而得。MEMS技术允许将柱I小型化至亚微米量级。
[0044]在一些实施方式中，柱I的一个层上涂覆有导电性材料用作电极2。例如，这一层可以是柱I的内表面。另选地，在一些实施方式中，柱I可以具有多层结构。例如，如图2所示，从最内到最外，柱的层结构可以由绝缘层和至少一个导电性材料层构成。柱I内表面上的一个电极2经由节点4连接至交流电电源3。柱内表面上的其它电极2可以经由节点13接地12。可以变化电极的排列方式，在下文中将更详细地对此进行描述。当向电极2施加交流电时，将赋予电极2极性。这里，与电解池相似，认为正(+ )电极为阳极，并可以将负(_)电极视为阴极。电子从阴极进入电极2之间并通过阳极离开。这样将在电极2之间产生电场，该电场大致与流体流道的流体流动方向正交。
[0045]图3A示出柱I中的样本分子分析操作的一些实施方式。来自载气引入口 6的载气将来自样本入口 5的样本分子传输进入柱I并使其通过柱I。在传输通过柱I的过程中，样本分子(图1中不出为分子A)在电极2之间移动。
[0046]图3B?3D示出样本分子A在所产生的电场中的行为。这里以分子A是极性或者电负性分子为背景进行描述。首先，如图3B中所示，当通过交流电电源施加正电压时，由于分子A和所产生的电场之间的静电相互作用，分子A向柱的正电极(+ )侧移动。其次，如图3C中所示，当通过交流电电源向柱的内表面施加负电压时，由于所产生的电场的排斥力，分子A背离柱的内表面移动。当再次通过交流电电源向柱的内表面施加正电压时，如图3D中所示，分子A再次被吸引向柱的内表面。通过如上所述使用交流电电源交替地施加正电压和负电压，分子A在电极之间以Z字形方式移动通过柱。
[0047]在一些实施方式中，可以分离各自具有不同值的极性或电负性或者不同分子量的分子，而不限于挥发性分子。施加交流电时柱的吸引程度或排斥程度与样本分子的电负性或偶极矩及其分子量相关。当向柱的内表面施加交替的正电压和负电压时，样本分子的轨迹通常受到静电相互作用的影响，从而基于包括极性、电负性和质量在内的因素能够分离样本分子。这种样本拆分方式的有益之处还在于:对于可分析样本的类型没有挥发性的限制。例如，与通过利用分子沸点不同来分离挥发性气体分子的气相色谱法不同，样本分子可以是挥发性的或非挥发性的。
[0048]在由于静电相互作用和载气流动而以Z字形方式行进通过柱I的流体流道之后，样本分子到达图1的出气口 8。该出气口与柱I的流体流道的第二端流体连接，在此载气中的样本分子将离开柱I的流体流道。
[0049]当样本分子离开流体流道时，检测样本分子。为了检测样本分子，使分子检测器与出气口 8流体连接。分子检测器的一个示例包括电阻器电路9。在一些实施方式中，可以安装惠斯登电桥(Wheatstone Bridge)作为电阻器电路9，以检测样本分子。电阻器电路9可以形成在衬底上，在所述衬底上以柱和电阻器均包含在一个晶片中的方式形成柱。
[0050]在一些实施方式中，使集成电路10与电阻器电路9连接。在样本分子与电阻器电路碰撞时，集成电路10评价电阻器电路检测的电流和电压的变化。与电阻器电路9类似，集成电路10也可以形成在其上形成有柱的衬底上。
[0051]通过设计包括柱、电阻器和集成电路或其任何组合的气体分子检测晶片并且通过使用具有大直径的晶圆(wafer)制造这种晶片，可以减小整个规模可调的空气质量感测系统的尺寸，并可以通过引入批量生产减小规模可调的空气质量感测系统的成本。
[0052]在一些实施方式中，提供了通信系统11，该通信系统向外部服务器(未示出)传递集成电路10计算和评价获得的结果数据。通信系统可以无线或有线方式传递数据。这种通信使得结果数据能够在该规模可调的空气质量感测系统外部进一步进行远程检查和分析。
[0053]分子的分离和检测方法
[0054]在 这个部分中，将描述在向柱施加交流电时引入柱内的极性分子的分离和检测方法。
[0055](I)分子量相同而电负性程度不同的分子的分尚
[0056]在分离分子量相同或大致相同而电负性程度不同的分子时，可以在分子经过流体流道的同时，通过向电极施加具有任意频率的交流电来分离分子。
[0057]图4是示出了分子量相同而电负性程度不同的分子的行为的示意图，其中，向电极施加了三个周期的交流电。由于用交流电电源实现正电压和负电压之间的交替，因此分子在电极之间以Z字形方式移动通过柱。图中示出的分子具有不同的电负性值(δ+，S++)。由于电负性较低(δ+)的分子具有低偶极矩，所以其经受电极的干扰更少并且因此移动的距离更长。另一方面，电负性较高(S++)的分子经受电极的干扰更多，并且因此移动的距离短于电负性(S+)较低的分子移动的距离。因此，当施加具有任意频率的正电压和负电压交替的交流电时，将出现移动距离的差异。因此，可以通过将样本分子引入柱并致使样本分子以Z字形方式移动，可以分离偶极矩不同的分子。
[0058]本文描述了在向柱施加交流电时，偶极矩不同的极性分子的分离的数学表达式。由于各种原子上质子和电子的分布不均匀，偶极矩是键或分子的极性的量度。具有永久偶极矩的分子被称为极性分子，如丙酮、水(Η20)、苯酚、甲苯、甲酰胺、氧化氮和乙酸乙酯。对于极性分子，可以例如通过公式(I)所示表达通过偶极矩产生的电场Ε。在公式(I)中，P表示偶极矩，Stl表示真空介电常数，ζ表示从偶极矩中心至电场中心的距离。这里，ζ是分子经受干扰的距离。
[0059]
【权利要求】
1.一种气相色谱仪，所述气相色谱仪包括: 进气口 ； 密封的流体流道，所述流体流道包含沿所述流体流道的内表面纵向延伸的一对或多对电极，其中，所述流体流道的第一端与所述进气口流体连接； 出气口，所述出气口与所述流体流道的第二端流体连接；以及 气体分子检测器，所述气体分子检测器与所述出气口流体连接。
2.根据权利要求1所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道微加工在硅衬底上。
3.根据权利要求1所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道微加工在玻璃衬底上。
4.根据权利要求1~3中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道包含在晶片上，其中，所述晶片的尺寸为:长度为约500 μ m或更小；宽度为约500 μ m或更小；厚度为约100 μ m或更小。
5.根据权利要求4所述的气相色谱仪，其中，所述气体分子检测器也包含在所述晶片上。
6.根据权利要求1~5中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道的长度至少为约 1，000 μ m。
7.根据权利要求1~6中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道包含两对或更多对电极。`
8.根据权利要求1~7中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道在所述进气口和所述出气口之外的所有部分都是蒸汽不透性的。
9.根据权利要求1~8中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述流体流道的长度比所述流体流道的最大横截面大至少约1，000倍。
10.根据权利要求1~9中的任一项所述气相色谱仪，其中，所述流体流道是二维螺线形的。
11.根据权利要求1~10中的任一项所述气相色谱仪，其中，所述电极对被配置为，相对于所述电极对上未施加交流电时带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式，所述电极对上施加交流电时所述带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式延长。
12.根据权利要求1~11中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述电极对被配置为，在所述电极对上施加交流电时，带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式相对于相同条件下不带电的非极性分子的移动样式延长。
13.根据权利要求1~12中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述电极中的至少一个是金属电极。
14.根据权利要求1~13中的任一项所述的气相色谱仪，所述气相色谱仪还包括样本入口，所述样本入口在所述流体流道上游位置处经由阀与所述进气口附接。
15.根据权利要求1~14中的任一项所述的气相色谱仪，所述气相色谱仪还包括载气入口，所述载气入口在所述样本入口上游位置处与所述进气口附接。
16.根据权利要求1~15中的任一项所述的气相色谱仪，其中，所述气体分子检测器包括电阻器电路。
17.一种样本中气体分子的分离方法，所述方法包括: 提供含有样本气体分子的样本；将所述样本的至少一部分与载气接触，以形成样本/载气混合物； 将所述样本/载气混合物引入包含入口和出口的流体流道中，其中，所述流体流道包含沿所述流体流道的内表面纵向延伸的至少一对电极； 向沿所述流体流道的内表面纵向延伸的电极施加交流电； 在向所述电极施加交流电流的同时，使所述样本/载气混合物从所述流体流道入口流向所述流体流道出口 ；以及 检测是否存在离开所述流体流道出口的样本气体分子。
18.根据权利要求17所述的方法，通过所述方法，能够根据所述样本气体分子的极性和/或带电状态分离所述样本气体分子。
19.根据权利要求17~18中的任一项所述的方法，通过所述方法，能够根据所述样本气体分子的分子量分尚极性和/或带电样本气体分子。
20.根据权利要求17~19中的任一项所述的方法，其中，所述交流电产生的电场与所述流体流道的流体流动方向大致正交。
21.根据权利要求17~20中的任一项所述的方法，其中，在所述样本/载气混合物流经所述流体流道时，所述 交流电发生变化。
22.根据权利要求17~21中的任一项所述的方法，其中，对引入所述流体流道的基本上所有样本气体分子进行探测。
23.根据权利要求17~22中的任一项所述的方法，其中，在所述样本气体分子流经所述流体流道的全部时间内，将流经所述流体流道的基本上所有所述样本气体分子保持在所述电极之间。
24.根据权利要求17~23中的任一项所述的方法,其中,相对于电极对上未施加交流电时带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式，所述电极对上施加交流电时所述带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式延长。
25.根据权利要求17~24中的任一项所述的方法，其中，在电极对上施加交流电时，带电或极性分子沿所述流体流道的移动样式相对于相同条件下不带电的非极性分子的移动样式延长。
26.根据权利要求17~25中的任一项所述的方法，其中，所述流体流道在所述进气口和所述出气口之外的所有部分都是蒸汽不透性的。
27.根据权利要求17~25中的任一项所述的方法,所述方法还包括在所述样本气体分子中的至少一部分存在于所述流体流道的同时调节交流电电压的频率。
28.一种气相色谱仪的生产方法，所述方法包括: 提供衬底； 在所述衬底中蚀刻流道，其中，所述流道包括入口和出口 ； 在所述流道的内表面上沉积一对或多对电极；以及 密封所述流道。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，密封的所述流道在所述入口和所述出口之外的所有部分都是蒸汽不透性的。
30.根据权利要求28~29中的任一项所述的方法，其中，所述流道包含在晶片上，其中，所述晶片的尺寸为:长度为约500μπι或更小；宽度大约500μπι或更小；厚度为约.100 μ m或更小。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述衬底是硅衬底。
32.根据权利 要求30所述的方法，其中，所述衬底是玻璃衬底。
【文档编号】G01N30/62GK103782165SQ201180073257
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2011年9月13日 优先权日:2011年9月13日
【发明者】清家绫 申请人:英派尔科技开发有限公司