CN113567600B - 多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法，该多沟道微型气相色谱柱芯片包括：至少两个相互独立并行的色谱沟道，色谱沟道内填充有不同的固定相；气体分路沟道，设置于相邻的两个色谱沟道之间，与色谱沟道的另一侧相连通，用于将待分离气体分成多路，并分别通入每个色谱沟道。根据本发明方案设计的一种体积小、功耗低、多沟道的微型气相色谱柱芯片可以实现环境污染气体快速高效分离。

Description

多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法

技术领域

本公开涉及气体分离技术领域，特别是涉及一种多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法。

背景技术

环境毒害气体高精度监测，实现污染源中各成分准确监测是污染源追踪溯源的关键，而现有的传感器，由于其本身大多不具备抗干扰能力，因而在检测时，往往会因交叉干扰而导致检测结果出现较大偏差甚至错误。为解决这个技术瓶颈，实现环境毒害气体现场高精度检测，往往需要结合色谱技术，利用色谱的分离能力来实现对混合污染气体的分离，以解决检测器分辨率差的技术瓶颈。

然而，色谱柱由于受相似相溶原理的限制，对只包含一种固定相色谱柱分离的组分范围具有较大的限制，很难实现复杂背景气体的全覆盖。

发明内容

有鉴于此，为了解决复杂背景气体的快速高效分离以及复杂环境污染气体高精度检测应用需求，本公开提供了一种多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法，以解决上述技术问题至少之一。

为了实现上述目的，一方面，本公开提供了一种多沟道微型气相色谱柱芯片，包括：至少两个相互独立并行的色谱沟道，色谱沟道内填充有不同的固定相；气体分路沟道，设置于相邻的两个色谱沟道之间，与色谱沟道的另一侧相连通，用于将待分离气体分成多路，并分别通入每个色谱沟道。

根据本公开的实施例，其中，该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：至少一个电磁阀，设置于每个色谱沟道的一侧，用于控制其中一个色谱沟道处于工作状态；气体流出沟道，与至少一个电磁阀相连通，用于使待分离气体分离后的气体组分流经气体流出沟道；总出口，与气体流出沟道的出气口相连通，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。

根据本公开的实施例，其中，该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：至少两个独立的出口，与至少两个相互独立并行的色谱沟道分别相连通，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。

根据本公开的实施例，其中，该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：总入口，与气体分路沟道的进气口相连通，用于向气体分路沟道通入待分离气体。

根据本公开的实施例，其中，电磁阀包括至少两个入口和一个出口，其中，至少两个入口与每个色谱沟道的一侧相通，至少两个入口能够自由切换；出口与气体流出沟道靠近出口处的一侧相连通。

根据本公开的实施例，其中，固定相包括以下至少之一：高分子微球、碳分子筛、石墨烯、碳纳米管等。每个色谱沟道填充的不同的固定相包括上述固定相之一，每个色谱沟道为蛇形。气体分路沟道和气体流出沟道均未填充固定相，每个色谱沟道均可共用一个气体流出沟道，但不限于此。

另一方面，本公开还提供了一种多沟道微型气相色谱柱芯片的制备方法，包括：在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道；对每个色谱沟道填充不同的固定相材料，使得不同的固定相材料分别填满至少两个相互独立并行的色谱沟道；利用金属基片与色谱沟道键合密封；将至少两个相互独立并行的色谱通道与气体分路沟道一侧相连通，并向气体分路沟道内通入惰性气体进行老化处理。

根据本公开的实施例，其中，在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道之后，还包括：将总出口与气体流出沟道的出气口相连通；将至少一个电磁阀的每个入口分别与至少两个色谱沟道相连通，电磁阀的出口与气体流出沟道靠近出口的一侧相连通；或者，将至少两个独立的出口分别与至少两个相互独立并向的色谱沟道相通。

根据本公开的实施例，该制备方法还包括：将总入口与气体分路沟道的进气口相连通。

根据本公开的实施例，其中，色谱沟道的长度为0.2～5m，宽度为0.2～1mm，深度为0.3～1mm。

从上述技术方案可以看出，本公开提供的一种多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法具有以下有益效果：

(1)通过将多个独立的色谱沟道并行设计，且各沟道互不干扰，各沟道填充不同的固定相材料，利用多沟道的优势，以及巧妙的结构设计，在气体组分分离过程中仅需自动设置并切换微型电磁阀的工作状态，即可实现复杂多组分的快速高效分离。

(2)通过本公开的设计可以减少后置检测器的数量，从而提高检测仪的集成度及便携性。

(3)本公开提供的多沟道微型气相色谱柱芯片体积及热熔小，温控所需的功耗低。

附图说明

图1示意性示出了现有技术的一种双模式微型色谱柱结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的制备方法流程图。

【附图标记说明】

1-总入口；2-第一色谱沟道；3-第二色谱沟道；4-第三色谱沟道；5-第四色谱沟道；6-出口；6-1第一出口；6-2-第二出口；6-3-第三出口；6-4-第四出口；7-电磁阀；7-1-第一电磁阀；7-2-第二电磁阀；8-气体分路沟道；9-气体流出沟道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

相关技术中，技术人员提出了一种双模式微型色谱柱(如图1所示)，通过将填充不同固定相材料的色谱柱串联，可实现更复杂气体的分离，但相关技术人员发现，这种双模式色谱柱出现了较大的技术问题，原因之一是经过前面色谱柱分离后的组分，再经过串联在其后面的色谱柱后，部分组分因受色谱柱中固定相的影响反而再次混在一起，制约了其广泛应用。

基于上述的发明构思，本公开提供了一种多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法，设计了一种体积小、功耗低、多沟道的微型气相色谱柱芯片来实现环境污染气体快速高效分离而不相互受影响。

本公开提供了一种多沟道微型气相色谱柱芯片及制备方法。一方面，本公开提供的一种多沟道微型气相色谱柱芯片，包括：

至少两个相互独立并行的色谱沟道，色谱沟道内填充有不同的固定相。

气体分路沟道，设置于相邻的两个色谱沟道之间，与色谱沟道的另一侧相连通，用于将待分离气体分成多路，并分别通入每个色谱沟道。

根据本公开的实施例，该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：

至少一个电磁阀，设置于每个色谱沟道的一侧，用于控制其中一个色谱沟道处于工作状态；

气体流出沟道，与至少一个电磁阀相连通，用于使待分离气体分离后的气体组分流经气体流出沟道；

总出口，与气体流出沟道的出气口相连通，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。

根据本公开的实施例，该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：

至少两个独立的出口，与至少两个相互独立并行的色谱沟道分别相连通，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。

根据本公开的实施例，该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：

总入口，与气体分路沟道的进气口相连通，用于向气体分路沟道通入待分离气体。

根据本公开的实施例，其中，电磁阀包括至少两个入口和一个出口，其中，至少两个入口与每个色谱沟道的一侧相通，至少两个入口能够自由切换；出口与气体流出沟道靠近出口处的一侧相连通。

根据本公开的实施例，其中，固定相包括以下至少之一：高分子微球、碳分子筛、石墨烯、碳纳米管，其中，每个色谱沟道填充的不同的固定相包括上述固定相之一，例如，多个色谱沟道可以为四个，该四个色谱沟道可以分别填充碳分子筛、碳纳米管、高分子微球、石墨烯。每个色谱沟道为蛇形。气体分路沟道和气体流出沟道均未填充固定相，每个色谱沟道均可共用一个气体流出沟道，但不限于此。

根据本公开的实施例，通过本公开的多沟道微型气相色谱柱芯片巧妙的结构设计，将其多个相互独立的色谱道沟道并行设计且各沟道互不干扰，各色谱沟道分别填充不同的固定相材料，在气体组分分离过程中仅需自动设置并切换微型电磁阀的工作状态，即可实现复杂多组分的快速高效分离而使得各色谱沟道在进行气体分离时相互不受影响。

下面示意性以四个相互独立的色谱沟道，2个电磁阀举例说明设计的多沟道微型气相色谱柱芯片结构。需要说明的是，该举例说明只是本公开的具体实施例，并不能限制本公开的保护范围，相互独立并行的色谱沟道数量至少为2，对于具体数量不作限制。

图2示意性示出了根据本公开实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的结构示意图。

如图2所示，该多沟道微型气相色谱柱芯片包括：总入口1；四个相互独立并行的色谱沟道，即，第一色谱沟道2、第二色谱沟道3、第三色谱沟道4、第四色谱沟道5；一个出口6；两个电磁阀，包括：第一电磁阀7-1、第二电磁阀7-2；气体分路沟道8和气体流出沟道9。

根据本公开的实施例，四个色谱沟道可以设置为2×2阵列，分别填充一种不同的固定相，固定相可以包括但不限于以下一种：高分子微球、碳分子筛、石墨烯、碳纳米管等。

根据本公开的实施例，总入口1与气体分路沟道8的进气口相连通，用于向气体分路沟道通入待分离气体；出口6与气体流出沟道9的出气口相连通，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。

根据本公开的实施例，气体分路沟道8设置在相邻的两个色谱沟道之间，与色谱沟道的另一侧相连通，用于将待分离气体分成多路，并分别通入每个色谱沟道。

根据本公开的实施例，气体流出沟道9与两个电磁阀分别相连通，用于使待分离气体分离后的气体组分流经气体流出沟道。

根据本公开的实施例，第一电磁阀7-1设置于第一色谱沟道2和第三色谱沟道4的一侧，用于控制第一色谱沟道2和第三色谱沟道4中其中一个色谱沟道处于工作状态；第二电磁阀7-2分别设置于第二色谱沟道3和第四色谱沟道5的一侧，用于控制第二色谱沟道3和第四色谱沟道5中的其中一个色谱沟道处于工作状态。

根据本公开的实施例，第一电磁阀7-1和第二电磁阀7-2分别均包括两个入口和一个出口，其中，两个入口分别与每个色谱沟道的一侧相通，能够自由切换，电磁阀出口与气体流出沟道9靠近电磁阀出口处的一侧相连通。

根据本公开的实施例，该四沟道微型气相色谱柱芯片实现复杂多组分气体的快速高效分离过程可以为：复杂多组分气体从总入口进如气体分路沟道8，气体分路沟道可以将气体分为四路，分别进入2×2阵列的色谱沟道中，即，同时进入第一色谱沟道2、第二色谱沟道3、第三色谱沟道4、第四色谱沟道5，由于四个色谱沟道填充有不同的固定相，故四个色谱沟道可以感测不同的气体组分。需要分离第一色谱通道2内的气体时，则控制与第一色谱通道2相连通的第一电磁阀7-1中的入口处于打开状态，与第三色谱通道4相连通的第一电磁阀7-1中的另一个入口及第二电磁阀7-2都处于关闭状态，此时，就只有第一色谱通道进入分离状态进行气体分离，分离后的组分气体经过第一电磁阀7-1的出口进入气体流出沟道9，通过出口6排出。

根据本公开的实施例，需要分离第二色谱通道3内的气体时，只需要关闭第一电磁阀7-1以及与第四色谱通道5相连通的第二电磁阀7-2中的入口，打开与第二色谱通道3相连通的第二电磁阀7-2的入口，此时，就只有第二色谱通道进入分离状态进行气体分离，分离后的组分气体经过第二电磁阀7-2的出口进入气体流出沟道9，通过出口6排出。

基于上述描述，可以通过选择性控制电磁阀的工作状态，就可选择其中一个色谱沟道进入分离状态。第三色谱通道4、第四色谱通道5进入分离状态的过程与上述第一色谱沟道2、第二色谱沟道相同，只需打开相应色谱通道的电磁阀的入口，使其选择的其中一个色谱通道进入分离状态，在此不再赘述。

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的结构示意图。

如图3所示，该多沟道微型气相色谱柱芯片的结构设计为图2的另一替换方案。图3与图2有相同的技术特征，都包括：总入口1；四个相互独立并行的色谱沟道，即，第一色谱沟道2、第二色谱沟道3、第三色谱沟道4、第四色谱沟道5。与图2区别之处在于：该多沟道微型气相色谱柱芯片还包括：四个出口，即，第一出口6-1、第二出口6-2、第三出口6-3、第四出口6-4。每一个出口分别与四个色谱通道分别连通，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。四个出口连接同一后置检测器，对从出口排出的分离后的组分气体进行检测。

根据本公开的实施例，复杂多组分气体从总入口进如气体分路沟道8，气体分路沟道可以将气体分为四路，分别进入2×2阵列的色谱沟道中，即，同时进入第一色谱沟道2、第二色谱沟道3、第三色谱沟道4、第四色谱沟道5，由于四个色谱沟道填充有不同的固定相，故四个色谱沟道可以感测不同的气体组分。需要分离第一色谱通道2内的气体时，则需要关闭第二出口6-2、第三出口6-3、第四出口6-4，只打开第一出口6-1，用于排出第一色谱通道2分离后的组分气体。同理，第二色谱通道3、第三色谱通道4、第四色谱通道5进入分离状态的过程与上述第一色谱沟道2，只是打开相应的出口，关闭其余出口，是其选择的其中一个色谱通道进入分离状态，在此不再赘述。

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的结构示意图。

如图4所示，该多沟道微型气相色谱柱芯片以两个色谱通道为具体实施例进行说明。其结构与上述图2的结构特征相同，都包括：总入口1；两个相互独立并行的色谱沟道，即，第一色谱沟道2、第二色谱沟道3；一个出口6；电磁阀7；气体分路沟道8和气体流出沟道9。其分离工作原理也相同，在此不再赘述。

需要说明的是，图4中的另一替换方案与图3相同，(附图中未示出)将两个相互独立的色谱通道分别与两个独立的出口连接，用于排出待分离气体分离后的各气体组分。

本公开还提供了一种如上述多沟道微型气相色谱柱芯片的制备方法，图5示意性示出了根据本公开实施例的多沟道微型气相色谱柱芯片的制备方法流程图。

如图5所示，该制备方法包括操作S501～S504。

在操作S501，在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道。

根据本公开的实施例，基底可以包括：硅、玻璃或金属；色谱柱沟道的尺寸可以包括：沟道长可以为0.2m-5m，优选为3m；沟道宽度可以为0.2mm-1mm，优选为0.5mm；沟道的深度可以为0.3mm-1.0mm，优选为0.6mm。

在操作S502，对每个色谱沟道填充不同的固定相材料，使得不同的固定相材料分别填满至少两个相互独立并行的色谱沟道。

根据本公开的实施例，清洗色谱沟道及其所在的基底，烘干后即可进行色谱填料的填充。

根据本公开的实施例，结合应用的需求，将不同的填料分别均匀填入各自的沟道，一种填料对应某一沟道进行填充，填满后，再将一耐高温的软垫片覆盖其表面，然后用一金属盖压住软垫，并用螺钉拧紧密封。

根据本公开的实施例，填入的填料可以为固定相，固定相可以包括但不限于：高分子微球、碳分子筛、石墨烯、碳纳米管。

在操作S503，利用金属基片与色谱沟道键合密封。

根据本公开的实施例，将不同的填料分别均匀填入各自的沟道填满后，再将一耐高温的软垫片覆盖其表面，然后用一金属盖压住软垫，并用螺钉拧紧密封。

在操作S504，将至少两个相互独立并行的色谱沟道与气体分路沟道一侧相连通，并向气体分路沟道内通入惰性气体进行老化处理。

根据本公开的实施例，将气体总入口与惰性气体装置相连，然后向色谱柱中通入惰性气体，并将色谱柱置于烘箱内，逐步升高温度，并分别在120℃老化一小时，220℃老化4小时，然后再将温度冷却到室温，完成色谱柱的老化。

根据本公开的实施例，在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道之后，还包括：将总出口与气体流出沟道的出气口相连通；将至少一个电磁阀的每个入口分别与至少两个色谱沟道相连通，电磁阀的出口与气体流出沟道靠近出口的一侧相连通。例如，制备得到的多沟道微型气相色谱柱芯片如图2所示。

根据本公开的实施例，在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道之后，还包括：将至少两个独立的出口分别与至少两个相互独立并向的所述色谱沟道相通。例如，制备得到的多沟道微型气相色谱柱芯片如图3所示。

根据本公开的实施例，通过本公开的多沟道微型气相色谱柱芯片巧妙的结构设计，将其多个相互独立的色谱道沟道并行设计且各沟道互不干扰，各色谱沟道分别填充不同的固定相材料，在气体组分分离过程中仅需自动设置并切换微型电磁阀的工作状态，即可实现复杂多组分的快速高效分离而使得各色谱沟道在进行气体分离时相互不受影响。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保

护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多沟道微型气相色谱柱芯片，包括：

至少两个相互独立并行的色谱沟道，所述色谱沟道内填充有不同的固定相；

气体分路沟道，设置于相邻的两个所述色谱沟道之间，与所述色谱沟道的另一侧相连通，用于将待分离气体分成多路，并分别通入每个所述色谱沟道；

至少一个电磁阀，设置于每个所述色谱沟道的一侧，用于控制其中一个所述色谱沟道处于工作状态；

气体流出沟道，与至少一个所述电磁阀相连通，用于使所述待分离气体分离后的气体组分流经所述气体流出沟道。

2.根据权利要求1所述的多沟道微型气相色谱柱芯片，还包括：

总出口，与所述气体流出沟道的出气口相连通，用于排出所述待分离气体分离后的各气体组分。

3.根据权利要求1所述的多沟道微型气相色谱柱芯片，还包括：

至少两个独立的出口，与至少两个相互独立并行的所述色谱沟道分别相连通，用于排出所述待分离气体分离后的各气体组分。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多沟道微型气相色谱柱芯片，还包括：

总入口，与所述气体分路沟道的进气口相连通，用于向所述气体分路沟道通入所述待分离气体。

5.根据权利要求2所述的多沟道微型气相色谱柱芯片，其中，所述电磁阀包括至少两个入口和一个出口，其中，至少两个所述入口与每个所述色谱沟道的一侧相通，至少两个所述入口能够自由切换；所述出口与所述气体流出沟道靠近所述出口处的一侧相连通。

6.根据权利要求1所述的多沟道微型气相色谱柱芯片，其中，所述固定相包括以下至少之一：高分子微球、碳分子筛、石墨烯、碳纳米管，其中，每个所述色谱沟道填充的不同的固定相包括上述所述固定相之一，每个所述色谱沟道为蛇形。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述的多沟道微型气相色谱柱芯片的制备方法，包括：

在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道；

将至少一个电磁阀的每个入口分别与至少两个所述色谱沟道相连通，所述电磁阀的出口与所述气体流出沟道靠近所述出口的一侧相连通；

对每个所述色谱沟道填充不同的固定相材料，使得不同的固定相材料分别填满至少两个相互独立并行的所述色谱沟道；

利用金属基片与所述色谱沟道键合密封；

将至少两个相互独立并行的所述色谱沟道与气体分路沟道一侧相连通，并向所述气体分路沟道内通入惰性气体进行老化处理。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述在基底上刻蚀至少两个相互独立并行的色谱沟道之后，还包括：

将总出口与气体流出沟道的出气口相连通；

或者，

将至少两个独立的出口分别与至少两个相互独立并向的所述色谱沟道相通。

9.根据权利要求8所述的制备方法，还包括：将总入口与所述气体分路沟道的进气口相连通。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述色谱沟道的长度为0.2～5m，宽度为0.2～1mm，深度为0.3～1mm。

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