MEMS实现微型气相色谱柱

　　1 引言

　　气相色谱法(GC)是英国生物化学家MartinATP等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分气体混合物。目前的气相色谱系统主要包括5个主要部分：载气、进样器、色谱柱、检测器和数据处理系统。

　　目前，微型气相色谱系统的发展方向是微型化和集成化，把进样器、预集中器、色谱柱、加热器、检测器都集成在单个硅片上，大幅减小体积和质量，提高便携性。

　　描述了一种采用MEMS技术加工的微型气相色谱柱, 这种色谱柱采用深刻蚀技术加工出色谱通道,再与Pyrex7740玻璃进行键合密封。色谱柱全长6m,色谱通道截面为矩形(宽100μm,深 100μm),针对苯和甲苯的混合气进行了分离试验,理论塔板数达到了4800,分离时间为185s。

　　2 理论

　　色谱柱的效率通常用理论塔板数(N)和理论塔板高度(H)来表示。对于截面是矩形的色谱柱，理论塔板高度(H)定义为

　　式中：Dg和Ds分别为溶质分子在流动相和固定相中的扩散系数;df是固定相的厚度;ω和h是色谱柱通道的宽度和高度;f1和f2是Giddings-Golay和Martin-James气体压缩系数;k是保留因子。平均载气流速为

　　式中：p0是出口压力;p是进口和出口压力之比值;L是色谱柱长度;η是载气的黏度。理论塔板数的计算公式为

　　分析时间也是化学检测方法中的一个关键因素，对于即时检测的应用场合更加重要。在气相色谱系统中，死保留时间(tM)表示那些不被固定相吸收或者吸附的气体通过色谱柱的时间，该时间正比于色谱柱的长度L，反比于载气平均线速度u，即

　　

 

　　对于工作在绝热条件下的色谱柱，保留因子是一个常数。理论塔板数与固定相的厚度、色谱柱的高度和宽度、平均载气流速和保留因子都有直接的关系。

　　3 色谱柱制造

　　色谱柱采用深反应离子刻蚀技术加工在8 cm的硅片上，硅片厚度500 μm，色谱柱通道全长6 m，深100μm，宽100μm，横截面为矩形。硅片正面采用深刻蚀技术加工色谱柱通道，通道形状如图1所示。图2是深刻蚀后硅片的照片。拐弯处的显微镜照片见图3。深刻蚀完成后，硅片与Pyrex 7740玻璃进行键合，形成密封的色谱柱。密封好的色谱通道截面的电子显微镜照片见图4。气体从进口处进入，经过6 m长的S型弯曲色谱柱，最终从出口流出。全部制造流程示意图见图5。

　　

 

　　

 

　　固定相的涂覆方法一般分为静态涂覆和动态涂覆。静态涂覆是指固定液填满色谱柱后，管子的一端密封，管子的另一端连接一个真空泵，溶剂在真空泵的压力下慢慢蒸发，直到色谱柱内部看不到固定相溶液，再持续2 h，确保所有的溶剂完全蒸发。

　　动态涂覆是指在色谱柱中通人一段固定液的液柱，在不参与反应气体的压力下在色谱柱中流过。固定相的厚度可以通过改变液柱的流速和固定相的浓度来控制。液柱从色谱柱的另一端排出后，仍然通气流数小时使溶剂蒸发，留下一层固定相薄膜。

　　本文固定相采用OV-1，先将色谱柱中灌人固定相溶液，然后将固定液缓缓吹出，当同定液从色谱柱中完全吹出之后，继续通氮气使其完全干燥。至此色谱柱制备完成。