CN105510490A - 一种微型气相色谱柱芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型气相色谱柱芯片，该芯片包括硅基底，在硅基底上具有依次连通的平行沟道，在沟道内具有规则排列的硅基圆柱体，圆柱体高度与沟道深度一致，在硅基底上还开有进气口和出气口，硅基底上设有密封层，二者通过密封胶密封，使得进气口、沟道和出气口形成一条密闭的气流通道，在气体通道内沟道与圆柱体表面上具有双层固定相结构。本发明的芯片通过圆柱体结构可以增加固定相的接触面积，同时采用双层固定相结构，不仅能够增强色谱柱芯片的分离能力，同时还能够增加芯片对样品的分离种类。

Description

一种微型气相色谱柱芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术和色谱分析技术领域，涉及一种气相色谱芯片及其制备方法，尤其涉及一种微型气相色谱柱芯片及其制备方法，该芯片适用于混合气体的分离，可以应用于食品安全，药物检测，野外环境勘测等。

背景技术

色谱法是一种分离和分析方法，在分析化学、有机化学、生物化学等领域有着非常广泛的使用。色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分配的选择性分配，以流动相对固定相的混合物进行洗脱，混合物中不同物质会以不同的速度沿固定相移动、最终达到分离效果。传统气相色谱因为体积庞大，不利于携带，无法满足分析检测对“时效性”和“便携性”的需求。

为了适应各种检测场景的需求，基于MEMS技术的微型气相色谱柱，因为其具有体积小，分析速度快，便于携带等能力备受青睐。因此，基于硅，玻璃，金属等材料的微型气相色谱得到了广泛的研究。

但是现有的这些微型气相色谱柱芯片，由于受到尺寸的限制，色谱柱的长度十分有限，因此，沟道内固定相的面积有限，因此导致了分离过程中，固定相与混合物接触不均匀导致了混合物分离不充分；另一方面，由于固定相种类的限制，导致了一种微型色谱柱对复杂混合气体的分离性能。因此，以上的这些不利因素，限制了微型色谱柱的分离性能，降低了低浓度样品的响应。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微型气相色谱柱芯片及其制备方法，该芯片具有高分离速度、高分辨率的优点。

为了解决上述技术问题，本发明的微型气相色谱柱芯片，包括硅基底，在硅基底上具有依次连通的平行沟道，在沟道内具有规则排列的硅基圆柱体，圆柱体高度与沟道深度一致，在硅基底上还开有进气口和出气口，硅基底上设有密封层，二者通过密封胶密封，使得进气口、沟道和出气口形成一条密闭的气流通道，在气体通道内沟道与圆柱体表面上具有双层固定相结构，所述的双层固定相结构为PDMS层(聚二甲基硅氧烷)和覆于PDMS层上的碳纳米管层，双层固定相结构的总厚度为1-2μm。

上述技术方案中，所述的沟道的宽度与沟道壁宽度相同，均为120-180μm。

所述的沟道内具有两列圆柱体，圆柱体的直径、两列圆柱体的间距以及各圆柱体到其相邻沟道侧壁的距离均为沟道宽度的1/5。

进气口位于沟道的一端，与进样系统相连；出气口位于沟道的另一端，与检测器相连。

制备上述的微型气相色谱柱芯片的方法，包括如下步骤：

1)采用光刻技术结合深刻蚀技术或者化学腐蚀在洁净的硅基底上刻蚀出依次连通的平行沟道及与沟道两端分别相连的进气口和出气口，同时在沟道内刻蚀出圆柱体；

2)洗净硅基底上的光刻胶，在密封层上涂覆密封胶，再翻置盖于上述硅基底上实现密封，在硅基底内形成一条密闭的气流通道；

3)采用动态涂覆法，先采用质量分数10％的PDMS溶液对上述气流通道进行涂覆；再用质量分数2％的碳纳米管悬浊液进行涂覆，固化，获得微型气相色谱柱芯片。

由于在涂覆过程之前，需要在芯片的进气口和出气口分别插入毛细管，同时用PDMS涂覆于毛细管与进气口、出气口的接触部位使毛细管固定，但该过程中，由于毛细效应的存在，往往会导致PDMS倒吸进入芯片沟道，从而堵塞沟道，造成芯片报废。因此将所述的进气口和出气口均设计为一条中部向外扩张的沟槽，这样当发生倒吸时，PDMS会储存于外扩空间形成的缓冲区域内而不会进入芯片沟道中，避免了堵塞。

本发明的微型气相色谱柱芯片，由于圆柱体的存在，固定相在沟道与圆柱体表面附着，因此使得固定相的表面积大大增加，由于固定相表面积的增加，在获得相同分析效果的前提下可以适当缩短沟道的长度，从而有利于减小微型气相色谱柱芯片的大小。

而且本发明的微型气相色谱柱芯片所用的固定相为双层固定相结构，因为PDMS和碳纳米管的极性不同，因此采用该双层结构作为固定相可使得本发明的芯片对极性物质和非极性物质都具有高分辨率和高分离速度。

附图说明

图1是微型气相色谱柱芯片的结构示意图；

图2是微型气相色谱柱芯片中沟道的示意图；

图3是进气口和出气口的结构示意图；

图4是制备本发明微型气相色谱柱芯片的方法流程图；

图5是本发明的芯片对碳原子数从5到17的正构烷烃进行分离的结果。

图6是本发明的芯片对甲醇至丁醇进行的分离结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，本发明的微型气相色谱柱芯片，包括硅基底1，在硅基底上具有依次连通的平行沟道4，在沟道内具有规则排列的硅基圆柱体3，圆柱体的规则排列能使得沟道内的气压增加，有利于增加气体流速，增加分离速度；圆柱体高度与沟道深度一致，在硅基底上还开有进气口7和出气口8，进气口位于沟道的一端，与进样系统相连；出气口位于沟道的另一端，与检测器相连。进气口和出气口均设计为一条中部向外扩张形成缓冲空间的沟槽，如图3所示。

硅基底上设有密封层2，二者通过密封胶密封，使得进气口、沟道和出气口形成一条密闭的气流通道，在气体通道内沟道与圆柱体表面上具有双层固定相结构，所述的双层固定相结构为PDMS层(聚二甲基硅氧烷)5和覆于PDMS层上的碳纳米管层6，层固定相结构的总厚度为1-2μm。所述密封层由能够与硅基底进行键合的材料构成，例如玻璃，硅片等。密封胶可采用紫外胶。

分析样品从进气口进入该色谱柱芯片，被固定相表面吸附、解吸附，因为每种气体成分所需要的吸附和解吸附所用的时间不同，从而，每种样品逐一从出气口出来，实现分离。

使用双层固定相结构，可以使得固定相的性能增强，即使分离复杂的气体混合物也有高分辨率。

上述技术方案中，所述的沟道的宽度与沟道壁宽度相同，均为120-180μm。

所述的沟道内具有两列圆柱体，圆柱体的直径、两列圆柱体的间距以及各圆柱体到其相邻沟道侧壁的距离均为沟道宽度的1/5。

如图4所示，制备上述的微型气相色谱柱芯片的方法，包括如下步骤：

1)采用光刻技术结合深刻蚀技术或者化学腐蚀在洁净的硅基底上刻蚀出依次连通的平行沟道及与沟道两端分别相连的进气口和出气口，同时在沟道内刻蚀出圆柱体；具体如下：

选用P型的单面抛光的硅片，其厚度为500微米，将其洗净；

去除表面杂质后，在其表面进行光刻。选择AR-P5320光刻胶，在前转速率500转/分钟，前转时间5秒，后转速率1000转/分钟，后转时间40秒的条件下在硅基底5抛光表面进行光刻胶的旋涂。

旋涂之后，将硅基底5放在温度为110摄氏度的烘台上前烘4分钟。

前烘之后，将硅基底5进行曝光，曝光功率为280瓦，曝光时间18秒。

曝光之后，将硅基底5放入AR300-26的显影液中进行显影，显影液与水的比例为1:1，显影时间为150秒。

显影之后，将硅基底5放入温度为90摄氏度的烘箱中后烘30分钟，后烘是为了在后面深刻蚀当中，刻蚀机的反射功率尽量小。

后烘之后，将硅基底5用刻蚀机进行深刻蚀，深刻蚀使得沟道的深度和圆柱体的高度都为300微米。

2)洗净硅基底上的光刻胶，在密封层上涂覆密封胶，再翻置盖于上述硅基底上实现密封，在硅基底内形成一条密闭的气流通道；具体可采用玻璃与硅基底实现密封。密封通过型号为NORLANDOPTICALADHESIVEnoa61的紫外胶实现。

3)采用动态涂覆法，先采用质量分数10％的PDMS溶液对上述气流通道进行涂覆；再用质量分数2％的碳纳米管悬浊液进行涂覆，固化，获得微型气相色谱柱芯片。碳纳米管可以采用多壁碳纳米管或者单壁碳纳米管，完成涂覆之后，可以将其放入温度为120摄氏度的烘箱内2小时，使沟道和圆柱体表面的固定相完全固化。

图5是本发明的芯片对碳原子数为5到17的正构烷烃进行分离的结果，从图中可以看出，分离13种物质所需的时间仅为5分钟左右，且分离结果具有较高的分辨率。

图6是本发明的芯片对甲醇至丁醇进行分离的结果，从图中可以看出，对于该4种极性物质，本专利的双层结构固定相仍然具有较好的分辨率。

Claims (5)

1.一种微型气相色谱柱芯片，其特征在于，包括硅基底(1)，在硅基底(1)上具有依次连通的平行沟道(4)，在沟道(4)内具有规则排列的硅基圆柱体(3)，圆柱体(3)高度与沟道深度一致，在硅基底上还开有进气口(7)和出气口(8)，硅基底(1)上设有密封层(2)，二者通过密封胶密封，使得进气口(7)、沟道(4)和出气口(8)形成一条密闭的气流通道，在气体通道内沟道(4)与圆柱体(3)表面上具有双层固定相结构，所述的双层固定相结构为PDMS层(5)和覆于PDMS层上的碳纳米管层(6)，双层固定相结构的总厚度为1-2μm。

2.根据权利要求1所述的微型气相色谱柱芯片，其特征在于，所述的沟道的宽度与沟道壁宽度相同，均为120-180μm。

3.根据权利要求1所述的微型气相色谱柱芯片，其特征在于，所述的沟道内具有两列圆柱体，圆柱体的直径、两列圆柱体的间距以及各圆柱体到其相邻沟道侧壁的距离均为沟道宽度的1/5。

4.根据权利要求1所述的微型气相色谱柱芯片，其特征在于，所述的进气口和出气口均为一条中部向外扩张的沟槽。

5.制备如权利要求1所述的微型气相色谱柱芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用光刻技术结合深刻蚀技术或者化学腐蚀在洁净的硅基底上刻蚀出依次连通的平行沟道及与沟道两端分别相连的进气口和出气口，同时在沟道内刻蚀出圆柱体；

2)洗净硅基底上的光刻胶，在密封层上涂覆密封胶，再翻置盖于上述硅基底上实现密封，在硅基底内形成一条密闭的气流通道；

3)采用动态涂覆法，先采用质量分数10％的PDMS溶液对上述气流通道进行涂覆；再用质量分数2％的碳纳米管悬浊液进行涂覆，固化，获得微型气相色谱柱芯片。