用于通过气相色谱法进行分析的设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于通过气相色谱法进行分析的设备，包括：色谱微柱（2）；检测模块（4），包括布置在通道中的至少一个NEMS和/或MEMS型检测器；直接流体连接部，位于色谱微柱（2）的排出端与检测模块（4）的通道的进入端之间；热电模块（6），其热面形成用于加热色谱微柱（2）的装置并且冷面形成用于冷却检测模块（4）的装置。
【专利说明】用于通过气相色谱法进行分析的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提供高紧凑度的用于通过气相色谱法进行分析的微设备。
【背景技术】
[0002]用于通过气相色谱法进行分析的微设备包括注射器、一个或多个微柱、以及与微柱串联连接的基于NEMS (纳米机电系统)和MEMS (微机电系统)的一个或多个检测器和用于处理由检测器发出的电信号的电子器件。这种微设备例如用于进行气体的分析和检测。
[0003]为了确保微柱中的物质的良好分离和检测器上的更多选择性检测，在柱的内壁上和检测器的敏感元件上进行化学功能化(functional izat ion)。
[0004]为了使柱尽可能好地完成其物质空间间隔的功能，优选地将其加热至高于环境温度，达到根据待分析产品而变化的温度，一般在50°C与200°C之间。此外，在某些情况下，可能感兴趣的是将检测器冷却至低于环境温度，以便通过物理吸附提高气态化合物的捕获效应:例如冷却至+10°C与-20°C之间。
[0005]文献W02011/133721描述了一种用于通过色谱法进行分析的微设备，其包括由热电模块形成的用于加热和/或冷却微柱的装置以及用于加热检测器的装置。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种用于通过气相色谱法进行分析的设备，其能够提供高紧凑度并减少部件的数量。
[0007]上述目的由用于通过气相色谱法进行分析的设备获得，该设备包括至少一个微柱、布置在通道中的与微柱串联连接的至少一个检测器、用于加热微柱的装置和用于冷却所述至少一个检测器的装置，加热装置和冷却装置由至少一个热电模块形成，所述至少一个热电模块的热面形成加热装置，且至少一个热电模块的冷面形成冷却装置。
[0008]由于同一元件既保证加热又保证冷却，所以这个设备具有高紧凑度。
[0009]在一个实施方式中，该设备包括多个微柱，每个微柱连接到一个检测模块。所有的微柱均可与热电模块的热面接触，或者这些微柱叠置，只有单个微柱与热面接触。
[0010]检测模块也可都与热电模块的冷面接触，或者叠置，进而只有单个模块与冷面接触。
[0011]柱和/或检测模块的材料是良好的热导体，因此整个堆叠体基本上处于相同的温度。
[0012]在另一实施方式中，该用于分析的设备包括多个热电模块。
[0013]进而，本发明的主题是一种用于通过气相色谱法进行分析的设备，包括:
[0014]-至少一个色谱微柱，
[0015]-至少一个检测模块，包括布置在通道中的至少一个NEMS和/或MEMS型检测器，
[0016]-直接流体连接部，位于色谱微柱的排出端与检测模块的通道的进入端之间，
[0017]所述色谱微柱和所述检测器形成分析子组件，[0018]-用于加热色谱微柱的装置，由至少一个热电模块的热面形成，
[0019]-用于冷却检测模块的装置，
[0020]用于冷却检测模块的装置由热电模块的冷面形成。
[0021]在一实施方式中，该设备包括至少一个第一热电模块和至少一个第二热电模块。在一实例中，第一热电模块的热面形成加热装置，第一热电模块的冷面与第二热电模块的热面接触，且第二热电模块的冷面形成冷却装置。
[0022]在另一实例中，第一热电模块的热面形成加热装置，第一模块的冷面与散热器接触，第二热电模块的热面与所述散热器接触，且第二热电模块的冷面形成冷却装置。
[0023]根据附加特征，该设备包括串联的至少两个分析子组件。
[0024]进而，色谱微柱可叠置成使得色谱微柱中的单个色谱微柱与加热装置接触。
[0025]检测模块可叠置成使得单个检测模块与冷却装置接触。
[0026]在另一实例中，色谱微柱并列设置成使得所有色谱微柱都与加热装置接触。
[0027]在另一实例中，检测模块并列设置成使得所有检测模块都与冷却装置接触。
[0028]该设备有利地包括至少位于模块或模块组周围的热隔离装置。
[0029]所述至少一个流体连接部优选地由毛细管形成。
[0030]该用于分析的设备可有利地包括至少一个温度传感器和/或至少一个湿度传感器和/或至少一个流速传感器。
[0031]每个子组件优选地被功能化，以检测一种或多种给定的分析物。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]通过如下的描述和附图将更好地理解本发明，附图中:
[0033]图1是根据发明的用于分析的设备的第一实施方式的实例的示意图，
[0034]图2是根据发明的用于分析的设备的第一实施方式的另一实例的示意图，
[0035]图3是根据发明的用于分析的设备的第一实施方式的另一实例的示意图，
[0036]图4是根据发明的用于分析的设备的第二实施方式的实例的示意图，其包括两个热电元件，
[0037]图5是根据发明的用于分析的设备的第二实施方式的另一实例的示意图，其包括两个热电元件，
[0038]图6是热电元件的实例的剖切视图。
【具体实施方式】
[0039]在图1中可以看到根据发明的用于分析的设备的第一实施方式的实例的示意图，其包括色谱柱2、检测模块4、以及加热和冷却装置6。
[0040]在如下的描述中，色谱柱是通过微电子技术形成于基板中的色谱微柱。检测模块包括布置在通道中的一个或多个NEMS (纳米机电系统)和MEMS (微机电系统)型检测器，这些检测器旨在设置成与由色谱微柱分离的分析物接触。NEMS和MEMS检测器也通过微电子技术形成在基板上。
[0041 ] 此外，术语“分析物”、“元素”、“物质”和“化合物”视为同义词并且指代包含在待分析气体中的气态化合物。[0042]该设备还包括旨在收集由检测器发射的信号的电子器件，所述电子器件8也由基板支承。在下文中，为了简单，将色谱柱称为“柱”。
[0043]柱2包括入口端10和出口端12。待分析气体通过入口端10被引入柱中并通过出口端12排出。检测模块4也包括入口端14和出口端16。
[0044]柱2的出口端12通过流体连接部15连接于检测模块4的入口端14。
[0045]柱2的入口端10通过用于分析的设备而连接于旨在待分析的样本的供应源。该供应源未示出。
[0046]检测模块4的出口端16连接于用于在分析之后回收样本的装置，或者例如在分析环境空气的情况下，所述样本直接排到外部环境中。
[0047]电连接部18形成在检测模块4的检测器与电子器件8之间。
[0048]加热和冷却装置6由包括基本上平行的第一面20和第二面22的至少一个热电模块形成。第一面20形成热电模块的热表面，且第二面22形成热电模块的冷表面。
[0049]在图6中可以看到能够在图1的设备中实现的热电模块的实施方式的实例的剖切视图。
[0050]图6中示出的热电模块包括基板25和串联连接的多个p-n结26。这些p-η结由η掺杂半导体材料26.1和P掺杂半导体材料26.2形成，这些材料26.1,26.2以交替方式布置且在热电模块6的第一表面22和第二表面24之间延伸。在相邻的η掺杂材料26.1与ρ掺杂材料26.2之间提供有互连，以便形成p-n结。当电势差施加于p-n结时，使得热电模块内出现热流，并因而在面22与面24之间出现温度差。下面，将认为面24是具有最低温度的面，称为冷面，并且认为面22是具有最高温度的面并称为热面。
[0051]柱2与热面20接触，并且检测模块4与冷面22接触。
[0052]该设备优选地包括用于将柱2、检测模块4以及加热和冷却装置6相对于外部环境热隔离的装置24。例如，热隔离元件布置在柱2的出口端12与检测模块4的入口端14之间的连接部周围以及位于柱2的入口端10和检测模块4的出口端16处。
[0053]整个设备优选地容纳在一壳体中，该壳体方便了设备的操作并且对其进行保护。
[0054]热隔离材料还具有使热面与冷面热隔离的效果。
[0055]优选地，柱4的内壁被化学功能化,其覆盖有称为固定相(stationary phase)的材料层，例如PDMS (聚二甲基硅氧烷)。
[0056]检测模块4的检测器有利地也被化学功能化。
[0057]在一有利的方式中，该设备可设置有布置在柱2的入口端10上游的预浓缩器。
[0058]在一有利的方式中，加热和冷却装置包括能够控制加热和冷却温度的温度传感器，例如，温度传感器可以是钼探针或热电偶。
[0059]该用于分析的设备还可以有利的方式包括或者布置在柱和/或检测模块内或者布置在用于分析的设备的流体连接部中的流量传感器和/或湿度传感器。这些传感器电连接于电子器件8，使得它们的信号被处理。
[0060]流体连接部例如由毛细管(例如石英毛细管)形成。
[0061]检测模块、不同传感器与电子器件之间的电连接部例如通过“引线结合法”形成，“引线结合法”是微电子领域中的技术人员众所周知的一种方法，因此对其不进行详细描述。[0062]在一变型中，可以设想，通过称为“倒装芯片(flip chip)”的方法形成这些电连接部，该方法包括使用直接放置在上面形成有检测器的基板与电子器件基板之间的导电焊珠。该方法也是本领域技术人员众所周知的，因此在本申请中对其不进行详细描述。现在将描述图1的用于分析的设备的功能。
[0063]该设备连接于待分析样本的供应源，该样本通过入口端10被注射到柱2中。事先已经启动加热和冷却装置6，使得热流出现并通过热电模块。结果是与热电模块的热面22接触的柱2被加热并且与热电模块的冷面24接触的检测模块4被冷却。
[0064]因此，样本在柱2中循环，固定相使得气态样本的不同组分分离，在柱内分离的这些组分然后进入检测模块，在检测模块中由不同的检测器检测这些组分，这些检测器发出的信号由电子器件处理，这产生例如一曲线图，该曲线图包括根据时间分开的一系列峰值，其大小是组成气态样本的每种元素的浓度的指示。气态样本的注射和峰值的出现分离的时间使得可以在校准之后识别气体的性质。
[0065]由于柱2的加热，改善了物质的空间分离，并且由于检测模块4的检测器的冷却，改善了气态化合物通过物理吸附的捕获效果。当温度低于环境温度10°c到20°C时，该捕获是有利的。
[0066]作为实例，柱被加热到大约70°C的温度，且检测模块被冷却到5°C的温度。
[0067]由于本发明，用于分析的设备具有较高的紧凑度，因为它使用同一元件来加热柱和冷却检测器。因而，加热和冷却所需电能的消耗减少，因为通过热电元件的单个供应源同时获得了加热和冷却。事实上，由热电模块耗散的所有热量完全用于加热柱。当设备与外部环境隔离以限制热损失时，这是更加有效的。
[0068]此外，设备的高紧凑度具有减少流体连接部的长度和数量的优点，这具有减少水头损失、死体积的效果，并且还可以改善温度的控制。
[0069]在图2中，可以看到用于分析的设备的第一实施方式的另一实例，这包括多个色谱柱和多个检测模块。
[0070]在该实施方式的实例中，该设备包括流体地串联连接的三个叠置的色谱柱和三个叠置的检测模块。三个色谱柱2.1、2.2、2.3叠置，使得柱2.1与热电模块6的热面20直接接触，第二柱2.2与第一柱2.1的与热面20接触的面相对的面直接接触，且第三柱2.3与第二柱2.2的另一面接触。三个检测模块4.1,4.2,4.3电连接于电子器件。
[0071]三个检测模块4.1,4.2和4.3以相似的方式叠置，仅检测模块4.1与热电模块6的冷面22直接接触。此外，第一柱2.1与第一检测模块4.1直接串联连接，第一检测模块在其出口处连接于第二柱2.2的入口，第二柱本身在其出口处连接于第二检测模块4.2的入口，第二检测模块在其出口处连接于第三柱2.3的入口，第三柱在其出口处连接于第三检测模块4.3的入口，第三检测模块的出口连接于用于回收气态样本的系统。因此，当气态样本被注射到第一柱2.1的入口中时，相继地流入柱2.1中、流入检测模块4.1中、流入柱2.2中、流入检测模块4.2中、流入柱2.3中、最后在排出之前流入检测模块4.3中。
[0072]在这个实施方式中，第二柱和第三柱的加热通过经由与热面20直接接触的第一柱2.1的传导发生，并且检测器4.2和4.3的冷却通过经由与冷面22直接接触的检测模块
4.1的传导发生。
[0073]将理解，色谱柱2.1,2.2,2.3可具有彼此不同的长度和直径以及不同的化学功能化，换句话说，具有不同的固定相，并且检测模块可以是相同的或不同的，可以由不同的材料制成，可以具有不同的几何形状，并且也可以具有不同的化学功能化。
[0074]在本发明考虑到由于热电元件的实施而获得高紧凑度和流体连接部的减少长度的情况下，这个实施方式是特别有意义的。水头损失和死体积减少，且温度的控制得到改
盡
口 ο
[0075]图2的该用于分析的设备提供了改进的解决方案(resolution)，因为每个检测模块专门用于一类化合物的分析。
[0076]考虑到组件的更加减少的尺寸，假设在布置成与热面直接接触的柱与其他柱之间以及与冷面直接接触的检测器组检测器与其他检测器组之间没有显著的温度差。此外，柱和/或检测模块的材料可以选择成良好的热导体，整个堆叠体基本上处于相同的温度。
[0077]在一变型中，可能希望的是获得温度梯度，为此可设想在柱之间以及检测器组之间插入隔离材料。
[0078]在图3中，可以看到第一实施方式的另一实例。
[0079]图3的设备也包括多个柱和多个检测模块。这个设备与图2中的设备不同之处在于，所有的柱都与热电模块6的热面22直接接触，且所有的检测模块都与热电模块6的冷面24直接接触。
[0080]在所示的实例中，设备包括5个柱102.1至102.5以及5个检测模块104.1至104.5。第一柱102.1由用于供应分析样本的设备供应,并且通过横向跨越(straddle)热电模块的流体连接部的中部而串联连接于第一检测模块104.1，进而第一检测模块104.1在出口处通过横向跨越热电模块4的流体连接部(该连接部在图3的视图中不可见)连接于第二柱102.2的入口。柱和检测模块以相似的方式连接，且第五检测模块104.5在出口处连接于用于回收样本的装置。
[0081]该设备的优点是所有的柱都与热表面直接接触且因此显示相同的温度，并且所有的检测模块都与冷面直接接触且因此显示相同的温度。
[0082]对于图2中的实例，该用于分析的设备改善了灵敏度，因为每个检测模块专门用来检测一类化合物。并且对于图2中的设备，柱的结构和化学功能化不必相同，并且检测模块也是如此。
[0083]图3中的设备的功能类似于图2的设备的功能。
[0084]在图4中，可以看到根据发明的用于分析的设备的第二实施方式的实例，其中采用了两个热电元件。
[0085]在这个实施方式中，加热和冷却装置包括两个热电元件206.1和206.2。热电模块206.1的热面与至少一个柱4接触，并且热电模块206.2的冷面与至少一个检测模块直接接触。热电模块206.1的冷面与热电模块206.2的热表面直接接触。这些加热和冷却装置使得可增加冷却和加热装置的冷表面和热表面之间的温度差。例如，对于温度差，可从65°C增加至95°C，冷表面为-5V且热表面为90°C。
[0086]在图5中可以看到第二实施方式的另一实例，其中加热和冷却装置包括两个热电元件。这些装置与图4的设备中所实现的装置的不同之处在于，散热装置207介于两个热电元件之间。该散热装置例如通过提供良好热传导的材料制成的散热器形成，其一个面与热电模块206.2的热表面直接接触，且另一个面与热电模块206.1的冷表面直接接触。该散热装置例如由铜或铝制成。
[0087]这些加热和冷却装置使得可以单独地调节冷、热温度，并且独立于环境温度来进行该调节。功能类似于针对图1的设备所描述的功能。
[0088]图4和图5的设备中所实现的加热和冷却装置可以在图2和图3的设备中实现，换句话说，图4和图5的设备中所实现的加热和冷却装置可以在包括多个柱和多组检测器的设备中实现。
[0089]此外，可设想将图2和图3的设备的结构进行结合。例如，用于分析的设备可以包括叠置的柱和并列的检测器组，或反之亦然。
[0090]此外，特别地，在图4的设备中，可设想的是，如果希望进一步突出冷温度与热温度之间的温度差，则可实施多于两个的热电元件。
[0091]作为实例，检测器的阵列的尺寸可在2x2mm至10x20mm之间。
[0092]柱的尺寸可在IOxlOmm至30x30mm之间。
[0093]该设备完全可以通过微电子技术制造。
[0094]作为实例，设备的不同元件独立地形成且通过粘合剂(诸如导热环氧树脂)或通过机械组件(特别是通过夹具)组装。在后者的情况下，为了改善不同元件之间的热传导，可以添加热油脂或热密封剂。
[0095]根据本发明的检测装置提供高紧凑度和高检测性能。它特别适于流动性(nomadic)使用。
[0096]检测装置可以例如用于医疗领域、实验室中、安全装置中和与环境有关的领域中。
【权利要求】
1.一种用于通过气相色谱法进行分析的设备，包括: -至少一个色谱微柱(2)， -至少一个检测模块(4)，包括布置在通道中的至少一个NEMS和/或MEMS型检测器， -直接流体连接部，位于所述色谱微柱(2)的排出端与所述检测模块(4)的所述通道的进入端之间， 所述色谱微柱和所述检测器形成分析子组件， -用于加热所述色谱微柱(2)的装置，由至少一个热电模块(6)的热面形成， -用于冷却所述检测模块的装置， 其中，用于冷却所述检测模块(4)的装置由所述热电模块(6)的冷面形成。
2.根据权利要求1所述的用于分析的设备，其中，包括至少一个第一热电模块(206.1)和至少一个第二热电模块(206.2)。
3.一种用于通过气相色谱法进行分析的设备，包括: -至少一个色谱微柱(2)， -至少一个检测模块(4)，包括布置在通道中的至少一个NEMS和/或MEMS型检测器， -直接流体连接部，位于所述色谱微柱(2)的排出端与所述检测模块(4)的所述通道的进入端之间， 所述色谱微柱和所述检测器形成分析子组件， -用于加热所述色谱微柱(2)的装置，由至少一个第一热电模块(206.1)的热面形成， -用于冷却所述检测模块的装置， 其中，用于冷却检所述测模块(4)的装置由第二热电模块(206.2)的冷面形成， 并且其中，所述第一热电模块(206.1)的冷面与所述第二热电模块(206.2)的热面热接触。
4.根据权利要求3所述的用于分析的设备，其中，所述第一热电模块(206.1)的冷面与所述第二热电模块(206.2)的热面直接接触。
5.根据权利要求3所述的用于分析的设备，其中，所述第一热电模块的冷面与一散热器(207)接触，所述第二热电模块(206.2)的热面与所述散热器接触，并且所述第二热电模块(206.2)的冷面形成所述冷却装置。
6.根据权利要求1或3所述的用于分析的设备，包括串联连接的至少两个分析子组件。
7.根据权利要求6所述的用于分析的设备，其中，所述色谱微柱叠置成使得所述色谱微柱中的单个色谱微柱与所述加热装置接触。
8.根据权利要求6所述的用于分析的设备，其中，所述检测模块叠置成使得单个检测模块与所述冷却装置接触。
9.根据权利要求6所述的用于分析的设备，其中，所述色谱微柱并列设置成使得所有的色谱微柱与所述加热装置接触。
10.根据权利要求6所述的用于分析的设备，其中，所述检测模块并列设置成使得所有检测模块与所述冷却装置接触。
11.根据权利要求6所述的用于分析的设备，其中，所述至少两个子组件中的每一个均被功能化，以检测一种或多种给定的分析物。
12.根据权利要求1或3所述的用于分析的设备，包括至少位于所述热电模块或所述至少第一和第二热电模块周围的热隔离装置。
13.根据权利要求1或3所述的用于分析的设备，其中，所述至少一个流体连接部是毛细管。
14.根据权利要求1或3所述的用于分析的设备，包括至少一个温度传感器和/或至少一个湿度传感器和/或至少一个流速传感器。
15.根据权利要求7所述的用于分析的设备，其中，所述检测模块叠置成使得单个检测模块与所述冷却装置接触。
16.根据权利要求9所述的用于分析的设备，其中，所述检测模块并列设置成使得所有检测模块与所述冷却装置接触·。
【文档编号】G01N30/30GK103575837SQ201310317310
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】亨利·勃朗, 朱利安·阿尔卡莫内 申请人:法国原子能及替代能源委员会