DE102004050569B3

DE102004050569B3 - Miniaturisierte Trennsäule mit Haftvermittler für einen Gaschromatographen

Info

Publication number: DE102004050569B3
Application number: DE102004050569A
Authority: DE
Inventors: Uwe Lehmann
Original assignee: SLS Micro Technology GmbH
Current assignee: Verwaltung Exos GmbH
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-10-16
Also published as: WO2006042727A1; US20080092626A1; NO20072467L; NO339953B1; EP1805509A1; US7841225B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trennsäule in Mikrosystemtechnik für einen Gaschromatographen, umfassend ein erstes Substrat, ein zweites Substrat, das auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei in zumindest einem Substrat eine Grabenstruktur ausgebildet ist und die Grabenstruktur gegen die Umgebung abgedichtet ist, eine zumindest auf Teilen der Grabenstruktur aufgebrachte stationäre Phase, einen mit der Grabenstruktur verbundenen Gaseinlass und einen mit der Grabenstruktur verbundenen Gasauslass. Trennsäulen dieser Art weisen das Problem auf, dass die stationäre Phase nicht zuverlässig auf der Grabenstruktur haftet. Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Haftvermittler, der zumindest teilweise zwischen den Wänden der Grabenstruktur und der stationären Phase angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trennsäule in Mikrosystemtechnik für einen Gaschromatographen, umfassend ein erstes Substrat, ein zweites Substrat, das auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei in zumindest einem Substrat eine Grabenstruktur ausgebildet ist und die Grabenstruktur gegen die Umgebung abgedichtet ist, eine zumindest auf Teilen der Grabenstruktur aufgebrachte stationäre Phase, einen mit der Grabenstruktur verbundenen Gaseinlass, und einen mit der Grabenstruktur verbundenen Gasauslass, sowie einen Gaschromatographen mit einer solchen Trennsäule. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Trennsäule, mit den Schritten: Ausbilden einer Grabenstruktur in einem ersten Substrat, vorzugsweise einer Siliziumscheibe, Aufbringen einer stationären Phase auf zumindest einen Abschnitt der Grabenstruktur, vorzugsweise mittels Polymerisation eines flüssigen Ausgangsmaterials und Abdichten der Grabenstruktur durch Aufbringen eines zweiten Substrats, vorzugsweise einer Silizium- oder Glasscheibe, auf das erste Substrat. Schließlich ist ein weiterer Aspekt der Erfindung die Verwendung eines Gaschromatographen in spezifischen Anwendungsbereichen.

Gaschromatographen werden seit geraumer Zeit in chemischen Laboren zur Analyse unbekannter Stoffe und Stoffzusammensetzungen genutzt. Eine neue Entwicklung im Bereich der Gaschromatographie stellen miniaturisierte Trennsäulen und miniaturisierte Gaschromatographen dar, wie sie beispielsweise in den Patentschriften DE 197 26 000 C2 und DE 103 01 601 B3 beschrieben sind. Diese in Mikrosystemtechnik hergestellten Trennsäulen und Gaschromatographen haben den wesentlichen Vorteil, dass eine Analyse mit sehr geringen Messvolumina möglich ist und der gesamte Gaschromatograph eine sehr kompakte Bauweise aufweist.

Bei den miniaturisierten Trennsäulen ist ein wesentliches Merkmal der Trennsäule bzw. des Herstellungsverfahren der Trennsäule, dass die stationäre Phase als möglichst dünne und möglichst gleichmäßig verteilte Schicht in der Trennsäule aufgetragen wird. Hierbei tritt regelmäßig das Problem auf, dass die stationäre Phase keine ausreichende mechanische Haftung in der Trennsäule erreicht und sich somit spontan oder während des späteren Gebrauchs des Gaschromatographen Teile der stationären Phase lösen. Dies führt zu Verfälschungen der Messungen und im Weiteren zu Messungenauigkeiten.

Ein weiteres Problem miniaturisierter Trennsäulen in Mikosystemtechnik besteht darin, dass das Grundmaterial der Trennsäule, also regelmäßig das Substratmaterial, einen elektrostatischen Einfluss hat, der die Messung beeinflusst und die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Dieser Einfluss ist häufig auf Polaritäten im Substrat und/oder der stationären Phase zurückzuführen.

Schließlich besteht ein weiteres Problem darin, dass die mechanische Haftung der stationären Phase in der Trennsäule während der Betriebsdauer des Gaschromatographen nachlässt und dass elektrostatische Einflüsse des Substrates und/oder der stationären Phase während der Betriebsdauer zunehmen. Dies hat zur Folge, dass die Lebensdauer der bekannten Trennsäulen aufgrund des Nachlassens der Trennleistung der Trennsäule und aufgrund der Zunahme von Messungenauigkeiten begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zumindest eines der vorgenannten Probleme zu verringern und bestenfalls vollständig zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Trennsäule durch einen Haftvermittler, der zumindest teilweise zwischen den Wänden der Grabenstruktur und der stationären Phase angeordnet ist, gelöst.

Der erfindungsgemäße Haftvermittler verbessert die mechanische Haftung der stationären Phase in der Trennsäule, indem er eine höhere adhäsive Bindungskraft zum Substratmaterial einerseits und zur stationären Phase andererseits ausbildet als die adhäsive Bindungswirkung zwischen der stationären Phase und dem Substratmaterial ohne Haftvermittler. Die kohäsiven Bindungskräfte innerhalb des Haftvermittlers sind darüber hinaus ebenfalls größer als die adhäsiven Kräfte zwischen stationärer Phase und Trennsäulenmaterial konventioneller Trennsäulen. Auf diese Weise wird eine wesentliche Verbesserung der Haftung der stationären Phase in der Trennsäule erreicht.

Weiterhin kann durch den Haftvermittler eine elektrostatische Passivierung erreicht werden, sodass vor dem Auftrag der stationären Phase eine im Wesentlichen unpolare Schicht auf dem Substrat bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann einerseits ein Schutz des Substratmaterials vor der mobilen Phase, also dem Analyse- und Trägergas, erreicht werden und darüber hinaus eine nahezu vollständig unpolare stationäre Phase erreicht werden, die auch über eine lange Betriebsdauer der Trennsäule diese gewünschten unpolaren Eigenschaften beibehält.

Die erfindungsgemäße fortgebildete Trennsäule ermöglicht somit eine Verlängerung der Lebensdauer aufgrund einer wesentlichen Verringerung des Nachlassens der Trennleistung in Folge der verbesserten mechanischen Anbindung und elektrostatischen Passivierung der stationären Phase.

Die Grabenstruktur im Substrat kann beispielsweise in Form einer Doppelspirale, wie offenbart in DE 197 26 000 C2 , dortige 1, ausgebildet sein. Vorteilhaft ist insbesondere auch eine meanderförmige Ausbildung der Trennsäule, die wie beschrieben in Lehmann, U: Micro mashined analytical gas chromatograph with a plasma polymerized stationary phase, Proceedings Sensor 2001, vol. 2, Seiten 487–492. Dabei kann die Grabenstruktur jeweils entweder in einem Substrat ausgebildet sein und das zweite Substrat als Deckplatte mit diesem Substrat verbunden werden oder es können korrespondierende Grabenstrukturen in beiden Substraten ausgebildet werden, die dann miteinander solcherart verbunden werden, dass sich die beiden Grabenstrukturen zu einem Kanal, der die Trennsäule bildet, verbinden.

Bei einer ersten vorteilhaften Fortbildung der erfindungsgemäßen Trennsäule ist der Gaseinlass und/oder der Gasauslass mittels eingeklebter Glaskapillaren bereitgestellt. Dies ermöglicht eine Einleitung der mobilen Phase über eine Struktur mit sehr geringem Totvolumen, sodass die Messgenauigkeit erhöht wird.

Dabei ist es bevorzugt, dass mindestens in einem gegenüber der übrigen Grabenstruktur vergrößerten Grabenabschnitt, in dem der Haftvermittler aufgebracht ist die Glaskapillare befestigt ist, insbesondere verklebt ist. Der Haftvermittler kann so eine verstärkte Klebkraft bewirken. Dies wird insbesondere erreicht, wenn im Bereich der Klebestelle keine stationäre Phase aufgebracht wird.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich der Haftvermittler über die gesamten, die Grabenstruktur begrenzenden Wände erstreckt. Dies bedeutet, dass einerseits vorteilhafterweise die im ersten Substrat ausgebildeten, den Graben begrenzenden Wände mit dem Haftvermittler beschichtet werden und andererseits zumindest diejenigen Oberflächenabschnitte des zweiten Substrats, welche die Grabenstruktur verschließen, ebenfalls mit Haftvermittler beschichtet werden. Auf diese Weise wird die positive Wirkung des Haftvermittlers über den gesamten Bereich der Trennsäule erzielt und die Lebensdauer der Trennsäule kann wesentlich verlängert werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die stationäre Phase über die gesamten, die Grabenstruktur(en) begrenzenden Wände erstreckt. Auf diese Weise wird die gesamte Länge der durch die Grabenstruktur gebildeten Trennsäule für die analytische Trennwirkung genutzt. Die stationäre Phase kann sich dabei vorteilhafterweise über den gesamten Bereich der Trennsäule erstrecken, mit Ausnahme derjenigen Abschnitte am Anfang und Ende der Trennsäule, in denen die für den Gaseinlass und Gasauslass erforderlichen Verbindungsanschlüsse befestigt werden.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das erste und/oder das zweite Substrat eine Siliziumscheibe oder eine Glasscheibe ist. Silizium ermöglicht die Nutzung an sich bekannter Fertigungsverfahren zur Herstellung der Grabenstruktur. So können beispielsweise die Verfahren der nasschemischen Ätzung, der photolithographischen Maskierung und der Plasmaätzung angewendet werden, um die geometrischen Strukturen in der Siliziumscheibe auszubilden. Wird als zweites Substrat eine Glasscheibe verwendet, so kann die Verbindung zwischen der Siliziumscheibe und der Glasscheibe vorteilhafterweise durch einen anodischen Bondungsvorgang erzielt werden.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Haftvermittler ausgebildet ist, um eine zumindest teilweise, vorzugsweise vollständige elektrostatische Passivierung der Substratoberfläche im Bereich der Grabenstruktur zu bewirken. Auf diese Weise kann eine vorzugsweise vollständig unpolare stationäre Phase bereitgestellt werden, die für viele Analysezwecke vorteilhaft ist. Die elektrostatische Passivierung wird für viele Substratmaterialien erreicht, indem ein vollständig unpolares Material als Haftvermittler genutzt wird. Dabei kann es in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, den Haftvermittler durch zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Materialien zu bilden. Eine der Schichten kann dann für die mechanische Anbindung an das Substratmaterial besonders vorteilhaft sein, eine der Schichten kann für die elektrostatische Passivierung besonders vorteilhaft geeignet sein und eine der Schichten kann für die mechanische Anbindung an die stationäre Phase besonders geeignet sein. Oftmals ist es vorteilhaft, zwei dieser Funktionen oder alle drei Funktionen in einem einzigen Material zu vereinen.

Vorzugsweise umfasst der Haftvermittler ein anorganisches Material. Dieses anorganische Material kann beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung sein. Weiterhin kann eine Vielzahl keramischer Materialien und Mischungen verschiedener anorganischer Materialien als Haftvermittler verwendet werden.

Vorzugsweise umfasst der Haftvermittler ein unpolares Material. Hierdurch kann die elektrostatische Passivierung vielfach in einfacher Weise erreicht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler eine erste Lage und eine zweite Lage umfasst. Dabei kann die erste Lage insbesondere zur Haftung am Substratmaterial ausgebildet sein und die zweite Lage zur elektrostatischen Passivierung geeignet sein.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Gaschromatograph mit einer Trennsäule wie zuvor beschrieben. Dieser Gaschromatograph zeichnet sich durch die erfindungsgemäßen Vorteile einer erhöhten Lebensdauer und einer verbesserten Trennleistung und -präzision aus.

Der erfindungsgemäße Gaschromatograph kann durch einen Injektor in Mikrosystemtechnik fortgebildet werden, umfassend ein erstes Injektorsubstrat mit Gasführungskanälen und ein relativ zum ersten Injektorsubstrat bewegliches zweites Injektorsubstrat mit Gasführungskanälen. Dabei kann dieser Injektor vorzugsweise ausgeführt sein wie beschrieben in DE 103 01 601 B3 , insbesondere die dortigen Absätze [0024]–[0027] sowie die dortigen 5, 6 und 7 mit der zugehörigen Beschreibung in den Absätzen [0039]–[0041]. Vorzugsweise ist der Injektor nach den Ansprüchen 18–26 dieser Patentschrift ausgebildet.

Bei der vorgenannten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das erste Injektorsubstrat auf einer Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist. Auf diese Weise wird einerseits die Fertigung des erfindungsgemäßen Gaschromatographen, insbesondere die Gestaltung der Gasführungskanäle, vereinfacht und darüber hinaus eine besonders kompakte Gestaltung erreicht.

Der erfindungsgemäße Gaschromatograph kann weiterhin fortgebildet werden durch einen Detektor in Mikrosystemtechnik, insbesondere einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor, umfassend einen in einem ersten Detektorsubstrat ausgebildeten Gasführungskanal. Der Detektor kann insbesondere als thermischer Durchflusssensor ausgeführt sein, wie beschrieben in DE 199 06 100 C2 , insbesondere die dortigen 1, 2 mit der zugehörigen Beschreibung in den Absätzen [0009]–[0011]. Vorzugsweise ist der Detektor ausgebildet gemäß den Ansprüchen 1–10 der vorgenannten Patentschrift.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das erste Detektorsubstrat auf einer Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist. Auf diese Weise wird wiederum, wie zuvor beschrieben, die Fertigung des Gaschromatographen, insbesondere die Gestaltung der Gasführungskanäle, vereinfacht und eine kompakte Bauweise erzielt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sowohl ein erstes Injektorsubstrat als auch ein erstes Detektorsubstrat auf der Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist gekennzeichnet durch eine elektronische Steuerung- und Auswerteeinheit. Diese kann u.a. dazu dienen, um die Injektion des zu analysierenden Gases zu steuern und die mittels des Detektors erfassten Daten auszuwerten. Die elektronische Steuerungs- und Auswerteeinheit kann weiterhin mit einer Speichervorrichtung verbunden sein oder eine solche umfassen zur Speicherung von Vergleichsdaten, die zur Auswertung der mit dem Detektor ermittelten Daten dienen.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die elektronische Steuerungs- und Auswerteeinheit auf einer Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine besonders robuste und kompakte Anordnung der elektronischen Bauteile und der Trennsäule erreicht. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch der Injektor und/oder der Detektor auf der Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform wird erreicht, dass sämtliche für den Gaschromatographen wesentlichen elektronischen, fluidischen und mechanischen Bauelemente auf einer gemeinsamen Platine vereint sind und somit eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung sowie eine robuste Ausführung erzielt wird.

Bei der vorgenannten Ausführungsform ist es weiterhin vorteilhaft, wenn mindestens eine weitere Platine bereitgestellt ist, die vorzugsweise parallel und beabstandet zur ersten Platine angeordnet ist. Auf dieser weiteren Platine kann eine Trennsäule angeordnet sein, die sich hinsichtlich der Geometrie und/oder der Eigenschaften der stationären Phase von der Trennsäule auf der ersten Platine unterscheidet, um so beispielsweise andere Stoffe analysieren zu können. Die weitere Platine kann alternativ oder zusätzlich einen Detektor aufweisen, der sich vom Detektor der ersten Platine unterscheidet, beispielsweise einen empfindlicheren oder weniger empfindlichen Detektor als die erste Platine, um so präzisere quantitative Analysen in einem bestimmten ausgewählten Stoffbereich bzw. quantitative Analysen in einem breiteren Stoffbereich zu erhalten. Auf diese Weise kann eine differenziertere Auswertung, beispielsweise nach anderen Kriterien, insbesondere nach anderen Stoffen, auf der weiteren Platine stattfinden. Die zusätzlichen Platinen können dabei beispielsweise in Form von Steckplätzen zu der Grundplatine hinzugesteckt werden, sodass ein modular aufrüstbarer Gaschromatograph ausgebildet ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein tragbarer Gaschromatograph nach Anspruch 18. Die erfindungsgemäße Trennsäule eignet sich aufgrund der guten mechanischen Verbindung der stationären Phase mit der Trennsäulenwand besonders gut für den Einsatz in einem tragbaren Gaschromatographen, da die auf einen tragbaren Gaschromatographen einwirkenden Stöße keine oder geringere negative Auswirkungen auf die erfindungsgemäße Trennsäule haben als auf konventionelle Trennsäulen. Die erfindungsgemäße Trennsäule eignet sich darüber hinaus insbesondere deshalb gut für tragbare Gaschromatographen, da sie nur eine sehr geringe Menge an Trägergas für einen Analysevorgang verbraucht, sodass bereits ein Trägergasbehälter mit einem Volumen von etwa einem halben Liter bei üblichem Flaschendruck von etwa 200bar ausreichend ist für mehrere tausend Messvorgänge. Der Energiespeicher kann dabei vorzugsweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators bereitgestellt sein, die Ausgabeeinheit kann beispielsweise in Form eines Displays oder Bildschirms bereitgestellt sein oder sie kann in Form einer Datenschnittstelle zum Anschluss einer elektronischen Speichereinheit oder einer externen Anzeigevorrichtung ausgebildet sein.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der tragbare Gaschromatograph fortgebildet ist, wie zuvor allgemein in Bezug auf einen Gaschromatographen beschrieben.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird weiterhin durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem vor dem Aufbringen der stationären Phase ein Haftvermittler auf zumindest Teile der Grabenstruktur aufgebracht wird. Dabei kann ein einzelnes Material als einschichtiger Haftvermittler aufgebracht werden oder es können mehrere Materialien in mehreren Schichten aufeinanderfolgend als Haftvermittler aufgebracht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann fortgebildet werden, indem der Haftvermittler und die stationäre Phase auf die gesamte Grabenstruktur aufgebracht wird. Diese Fortbildung sorgt für eine gute Trennleistung der Trennsäule und gewährleistet zugleich eine sichere Haftung und elektrostatische Passivierung über den gesamten Bereich der Trennsäule.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Haftvermittler mittels Polymerisation eines flüssigen Ausgangsmaterials gebildet wird. Dieses Verfahren ist u.a. deshalb bevorzugt, da die chemische Polymerisation aus der flüssigen Phase auch ein bevorzugtes Verfahren zum Auftragen der stationären Phase ist und folglich solcherart Haftvermittler und stationäre Phase mit dem gleichen Verfahren aufgebracht werden können.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Haftvermittler und/oder die stationäre Phase mittels physikalischer oder chemischer Abscheidung aus der Gasphase (PVD; physical vapour deposition oder CVD; chemical vapour deposition) aufgebracht wird, insbesondere mittels plasmaverstärkter Abscheidung. Mittels des PVD-Verfahrens oder des CVD-Verfahrens können eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien aufgetragen werden, sodass eine breite Vielfalt an Haftvermittlersubstanzen und stationären Phasen mit diesen Verfahren auftragbar ist. Es ist bevorzugt, dass zwischen dem Aufbringen des Haftvermittlers und dem Aufbringen der stationären Phase ein Reinigungsschritt stattfindet, insbesondere eine Plasmareinigung oder ein Rücksputtern. Durch diesen Reinigungsschritt wird die erforderliche Reinheit des Haftvermittlers, der stationären Phase und des Übergangs zwischen Haftvermittler und stationärer Phase gewährleistet, um so die erforderliche Analysegenauigkeit zu erzielen.

Diese Fortbildung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Haftvermittler und stationäre Phase mit verschiedenen Verfahren aufgetragen werden, sodass eine Kontamination zwischen dem Auftrag der beiden Schichten zu befürchten ist.

Es ist insbesondere bevorzugt, wenn der Haftvermittler und die stationäre Phase mittels eines identischen Verfahrens aufgebracht wird. Dies erlaubt die kontaminationsfreie Abfolge der beiden Auftragsverfahren, sodass einerseits eine Verunreinigung vermieden werden kann und folglich ein Reinigungsschritt nicht erforderlich ist.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Haftvermittler und die stationäre Phase in einer kontrollierten Atmosphäre, insbesondere in einem Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre, aufgebracht wird und diese Atmosphäre zwischen dem Beginn des Auftrags des Haftvermittlers und dem Ende des Auftrags der stationären Phase im Wesentlichen unverändert bleibt. Bei dieser Fortbildung kann entweder während des gesamten Auftragsprozesses des Haftvermittlers und der stationären Phase eine identische Atmosphäre beibehalten werden oder es kann der Auftrag des einen Materials in einer ersten kontrollierten Atmosphäre, beispielsweise einem Vakuum, erfolgen und der Auftrag des zweiten Materials in einer zweiten kontrollierten Atmosphäre, beispielsweise einer Inertgasatmosphäre, erfolgen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sind Verwendungen eines Gaschromatographen.

Der Einsatz von Gaschromatographen ist derzeit auf den Bereich chemischer Labore beschränkt. Es ist bekannt, an für die Analyse relevanten Orten Proben zu nehmen und diese nachfolgend in einem chemischen Labor zu analysieren. Diese Technik hat den Nachteil, dass ein langer Zeitraum zwischen Probenentnahme und Analyseergebnis liegt. Es ist keine Analyse in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit möglich. Als weiterer schwerwiegender Nachteil der bekannten Technik hat sich gezeigt, dass während des Transports ein Stoffverlust auftritt, beispielsweise durch Diffusionsprozesse durch die Behälterwand des Transportbehälters.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere aufgrund verschärfter Umweltvorschriften und aufgrund der hohen Vielfalt der im produzierenden Gewerbe verarbeiteten Stoffe und der dabei entstehenden Emissionen oftmals eine vielseitigere und kurzfristige Analyse chemischer Stoffe, insbesondere von Gasen und Flüssigkeiten, erforderlich ist. Zudem ist es in einer Reihe von Anwendungen erforderlich, für gesundheitliche Zwecke Luftanalysen schnell und regelmäßig, oftmals quasi in Echtzeit durchzuführen. Diese Anforderungen können mit der bekannten Verwendungstechnik nicht erfüllt werden.

Die Erfindung hilft diesem Problem einerseits ab mit einer Verwendung eines Gaschromatographen, insbesondere eines Gaschromatographen wie vorstehend beschrieben, zur Überwachung und/oder zur Analyse von Atemluft, insbesondere am Arbeitsplatz, in der medizinischen Diagnostik und im Personen- und Katastrophenschutz. Für diese Verwendung eignet sich insbesondere ein miniaturisierter Gaschromatograph, insbesondere der erfindungsgemäße Gaschromatograph, da dieser aufgrund seiner kompakten und robusten Bauweise eine zuverlässige Überwachung oder Analyse der Atemluft erlaubt. Diese Verwendung kann insbesondere in gefährdeten Bereichen wie im Untertagebergbau und im Bereich der Brandbekämpfung stattfinden. In einer weiteren Verwendung dieser Art kann ein Gaschromatograph, insbesondere ein vorstehend beschriebener Gaschromatograph dazu eingesetzt werden, die Luft im Bereich elektrischer Anlagen zu überwachen, um auf diese Weise Stoffe zu detektieren, die im Anfangsstadium einer elektrischen Kabelüberhitzung freigesetzt werden. Diese Stoffe können beispielsweise aus der Isolierung von Kabeln, insbesondere in Transformatorwicklungen, durch chemische oder physikalische Veränderungen in die Luft freigesetzt werden und deren Detektion ermöglicht somit eine frühzeitige Erkennung von Kabelerwärmungen oder dem Beginn von Kabelüberhitzungen und kann somit zum Schutz vor Kabelbränden in elektrischen Anlagen oder zur Erfassung des Betriebszustandes solcher elektrischen Anlagen genutzt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Atemluftüberwachung in Form einer regelmäßigen Überwachung von Arbeitsplätzen auf gesundheitsgefährdende Stoffe erfolgen. Weiterhin kann die Atemluftüberwachung und -analyse für den Einsatz in der mobilen oder stationären Kampfstoffdetektion eingesetzt werden. Schließlich sind weitere Einsatzgebiete für die erfindungsgemäße Verwendung zur Atemluftüberwachung die bauchemische Begutachtung und die Schadstoffmessung bei Einrichtungsgegenständen wie Möbeln oder Teppichen, insbesondere im Hinblick auf eine Allergieprävention. Ein Gaschromatograph, insbesondere der miniaturisierte Gaschromatograph wie zuvor beschrieben, ermöglicht dabei aufgrund seiner Kompaktheit und seiner schnellen Analysetechnik eine einfache Verwendung, selbst im Privatbereich und kann bereits im Vorfeld, z.B. beim Einkauf von Einrichtungsgegenständen oder anderen Produkten zur Detektion bekannter Schad- und Risikostoffe verwendet werden.

Schließlich ist ein weiteres Anwendungsgebiet für die Atemluftüberwachung die Analyse der Atemgase (zugeführte und ausgeatmete Luft), insbesondere bei intensivmedizinisch betreuten Patienten, beispielsweise zur Diabeteserkennung oder zur Kontrolle einer Medikamenteneinnahme.

Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung des Gaschromatographen, insbesondere des erfindungsgemäßen Gaschromatographen, erfolgt zur Überwachung und/oder zur Analyse von Immissionen oder Emissionen. Insbesondere im Zuge der erforderlichen Kontrolle der Schadstoffabgabe durch produzierende Betriebe gewinnt die direkte Überwachung und Analyse von Emissionen an der Stelle der Einleitung der Schadstoffe in ein Kanalsystem, in die Luft oder ein Gewässer zunehmend an Bedeutung. Diese Überwachung kann insbesondere von miniaturisierten Gaschromatographen geleistet werden, da diese selbst kleinste Analysemengen schnell verarbeiten können und sich somit zum Einsatz vor Ort eignen. Weiterhin kann, insbesondere im Bereich gefährdeter Gebiete, mit den erfindungsgemäßen Gaschromatographen eine besonderes effiziente und kostengünstige Überwachung der Luftqualität im Bereich der Verbraucher erfolgen.

Weiterhin kann ein Gaschromatograph, insbesondere ein miniaturisierter Gaschromatograph zur Überwachung und/oder zur Analyse von Energieträgern, insbesondere brennbaren Gasen verwendet werden. Dieser Verwendung ermöglicht einerseits eine dezentrale Brennwertüberwachung von Energieträgern, beispielsweise Erdgas, und kann beispielsweise zur Abrechnung der gelieferten Brennwertmenge eingesetzt werden. Weiterhin kann diese Anwendung im Bereich der Einspeisung von Energieträgern, beispielsweise aus Biogasanlagen, eingesetzt werden, um die Qualität des eingespeisten Gases zu überwachen und eine Abrechnung auf Basis der gelieferten Energiemenge zu ermöglichen.

Eine weitere Verwendung für einen Gaschromatographen, insbesondere einen miniaturisierten Gaschromatographen ist die Überwachung und/oder die Analyse von Rohstoffen für die verarbeitende Industrie, insbesondere von Lebensmittelrohstoffen für die Nahrungsmittelindustrie. Bei dieser Verwendung kann auf einfache Weise eine Qualitätssicherung von Lieferungen von Rohstoffen erfolgen und solcherart zu einem frühen Verarbeitungszeitpunkt sichergestellt werden, dass sich der Rohstoff für die angestrebte Produktion eignet. Weiterhin kann, beispielsweise bei Lebensmittelrohstoffen, eine qualitative Erfassung der Eigenschaften des Rohstoffes durch gaschromatographische Analyse erfolgen und auf Basis der so gewonnen Daten eine Anpassung der Rezeptur oder eine Anpassung der Mischungsverhältnisse verschiedener Rohstoffe vorgenommen werden.

Weiterhin kann ein Gaschromatograph, insbesondere ein miniaturisierter Gaschromatograph zur Überwachung und/oder zur Analyse von Prozessen eingesetzt werden, insbesondere von Gär-, Koch-, Back- oder Bratprozessen. Dies kann bei miniaturisierten Gaschromatographen selbst im Verbraucherbereich erfolgen, sodass eine Überwachung der Prozesse beispielsweise in privat oder gewerblich genutzten Mikrowellen oder Backöfen erfolgen kann.

Schließlich ist eine weitere erfindungsgemäße Verwendung eines Gaschromatographen, insbesondere eines miniaturisierten Gaschromatographen, die Analyse von Geruchsstoffen. Dies kann einerseits im Bereich des Geruchsdesigns, beispielsweise von Parfums, Seifen und anderer Körperpflegemittel, Reinigungsmitteln und Lebensmitteln erfolgen. Weiterhin ist diese Verwendung für eine Vielzahl von Produkten vorteilhaft, bei denen ein angenehmer Geruch angestrebt wird, beispielsweise in Gebäuden, Fahrzeugen, bei Möbeln und anderen Einrichtungsgegenständen, Bekleidungsartikeln oder ähnlichem.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Trennsäule,
2: eine schematische quergeschnittene Seitenansicht der Trennsäule nach 1,
3: eine Draufsicht auf einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen miniaturisierten Gaschromatographen,
4: eine schematische quergeschnittene Seitenansicht gemäß 2 in vergrößertem Detail einer erfindungsgemäßen Trennsäule mit mehrlagiger Haftvermittlerschicht, und
5: ein erfindungsgemäßes Gaschromatographiemodul mit mehreren Gaschromatographieplatinen.
1 zeigt ein Grundsubstrat 10, in das ein meanderförmiger Graben 20 durch ein nasschemisches Ätzverfahren eingearbeitet ist. Der Graben 20 bildet die Trennsäule und ist an einem ersten Ende mit einem Gaseinlass 30 und an einem zweiten Ende mit einem Gasauslass 40 verbunden.
Bezugnehmend auf 2 ist eine Querschnittansicht des Substrats nach 1 abgebildet, wobei aus Gründen der besseren Darstellung eine verringerte Anzahl an Gräben im Querschnitt dargestellt ist. Das Grundsubstrat 10 weist einen in mehreren Querschnitten angeschnittenen Graben 20 auf. Die Seitenwände 21, 22 des Grabens und der Boden 23 des Grabens sind mit einer auf das erste Substrat 10 aufgebrachten Haftvermittlerschicht 51, 52, 53 beschichtet. Die Oberseite 24 des Grabens ist mit einer auf ein zweites Substrat 60 aufgetragenen Haftvermittlerschicht 54 beschichtet.
Der Querschnitt des in 2 dargestellten Grabens ist rechteckig. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, die Ecken zwischen der Seitenwand 21 und dem Boden 23 und die Ecke zwischen der Seitenwand 22 und dem Boden 23 abgerundet auszuformen.
Auf den Haftvermittlerschichten 51–53 ist eine stationäre Phase 71–73 aufgetragen und auf die Haftvermittlerschicht 54 ist eine stationäre Phasenschicht 74 aufgetragen. Auf diese Weise sind die den Graben begrenzenden Wände vollständig mit einer Haftvermittlerschicht 51–54 und einer auf der Haftvermittlerschicht aufgebrachten stationären Phasenschicht 71–74 ausgekleidet.
Bezugnehmend auf 3 ist eine Platine 100 dargestellt, die als Trägersubstrat für eine darauf ausgebildete Trennsäule 110 dient. Die Trennsäule 110 ist über eine Leitung 111 mit einem Injektor 120 verbunden, in den mittels zweier Gaszuführungsleitungen 121, 122 ein zu analysierendes Gas und ein Trägergas eingeleitet werden kann. Das andere Ende der Trennsäule ist über eine Gasleitung 112 mit einem Detektor 130 verbunden, der das aus der Trennsäule austretende Gas analysiert und danach über eine Entsorgungsleitung 131 in die Umgebung abgibt.
Die Trennsäule ist über eine elektrische Leitung 113 mit einer Steuerungs- und Auswerteeinheit 140 verbunden zur Temperaturregelung der Trennsäule.
Der Injektor 120 ist über eine elektrische Leitung 123 mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit 140 verbunden, welche den Injektor steuert und so eine dosierte Zufuhr des zu analysierenden Gases zur Trennsäule bewirkt. Über die elektrische Leitung wird weiterhin die Temperatur des Injektors geregelt. Der Detektor 130 ist über eine elektrische Leitung 132 mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit 140 verbunden, um die vom Detektor erfassten Signale zu Ergebnisdaten zu verarbeiten und um die Temperatur des Detektors zu regeln.
Eine Speichereinheit 150 ist über eine elektrische Leitung 151 mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit verbunden. In der Speichereinheit 150 sind Referenzdaten bekannter Stoffe abgelegt und können mit den vom Detektor 130 erfassten Daten verglichen werden, um qualitative und quantitative Aussagen über die Zusammensetzung des zu analysierenden Gases zu treffen.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennsäule. Auch in dieser Ansicht ist zum Zwecke eine besseren Darstellung eine verringerte Anzahl an Gräben im Querschnitt dargestellt. Das Grundsubstrat 210 weist, ebenso wie die Ausführungsform gemäß 2, einen in mehreren Querschnitten angeschnittenen Graben 220 auf. Auf den Seitenwänden 221, 222 des Grabens und dem Boden 223 des Grabens ist eine erste Lage 251, 252, 253 einer Haftvermittlerschicht aufgebracht. Diese erste Lage ist aus einem Material, welches sich besonders gut zur Haftung auf dem Substratmaterial des Grundsubstrats 210 eignet.
Auf der ersten Lage der Haftvermittlerschicht ist eine zweite Lage 281, 282, 283 aufgebracht. Das Material dieser zweiten Lage ist insbesondere für eine elektrostatische Passivierung geeignet und haftet mit ausreichender Festigkeit an der ersten Lage 251–253 der Haftvermittlerschicht.
Auf der zweiten Lage 281–283 ist schließlich eine stationäre Phasenschicht 271–273 aufgetragen, sodass die zweite Lage 281–283 zwischen der stationäre Phase 271–273 und der ersten Lage 251–253 angeordnet ist.
In der gleichen Reihenfolge ist auf der Oberseite des Grabens 224 eine erste Lage 254, eine zweite Lage 284 der Haftvermittlerschicht und eine stationären Phasenschicht 274 auf ein zweites Substrat 260 aufgetragen.
5 zeigt ein Mehrplatinen-Gaschromatographie-Modul, bei dem auf einer Grundplatine 300 die Bauelemente gemäß 3 angeordnet sind, sodass eine vollständige Gaschromatographieeinheit auf der Grundplatine 300 ausgebildet ist.
Weiterhin ist auf der Grundplatine 300 ein Platinensteckmodul 360 angeordnet, welches über zwei Steckverbindungen 361, 362 verfügt, in die jeweils eine Zusatzplatine 400, 500 eingesteckt ist. Die Zusatzplatinen 400, 500 verfügen in gleicher Weise wie die Grundplatine 300 über alle für eine Gaschromatographiemessung erforderlichen Bauelemente, wie in 3 dargestellt.
Die Platinen 300, 400, 500 sind über das Platinensteckmodul 360 elektrisch miteinander verbunden, sodass die Steuerungs- und Auswerteeinheiten 340, 440, 540 miteinander kommunizieren können und eine abgestimmte Steuerung und Auswertung erfolgen kann.
In bestimmten Ausführungsformen ist es auch vorteilhaft, wenn die Steuerung und Auswertung zentral auf nur einer der Platinen erfolgt, und so die Steuerungs- und Auswerteeinheiten auf den anderen Platinen entfallen können. In gleicher Weise können die Referenzdaten der einzelnen Stoffe, die auf die Geometrie und die stationäre Phase der jeweiligen Trennsäulen 310, 410, 510 abgestimmt sind, in nur einer einzigen Speichereinheit 350 abgelegt sein und auf dieses Weise auf die Speichereinheiten 450, 550 verzichtet werden.

Claims

Trennsäule in Mikrosystemtechnik für einen Gaschromatographen, umfassend – ein erstes Substrat (10), – ein zweites Substrat (60), das auf dem ersten Substrat angeordnet ist, – wobei in zumindest einem Substrat eine Grabenstruktur (20) ausgebildet ist und die Grabenstruktur gegen die Umgebung abgedichtet ist, – eine zumindest auf Teilen der Grabenstruktur aufgebrachte stationäre Phase (71–74), – einen mit der Grabenstruktur verbunden Gaseinlass (30), und – einen mit der Grabenstruktur verbundenen Gasauslass (40), gekennzeichnet durch einen Haftvermittler (51–54), der zumindest teilweise zwischen den Wänden der Grabenstruktur und der stationären Phase angeordnet ist.
Trennsäule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass und/oder der Gasauslass mittels Glaskapillaren bereitgestellt ist.
Trennsäule nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens einen gegenüber der übrigen Grabenstruktur vergrößerten Grabenabschnitt, in dem der Haftvermittler aufgebracht ist und als Gaseinlass bzw. Gasauslass eine Glaskapillare befestigt ist.
Trennsäule nach Anspruch 3, bei der die Glaskapillare in dem vergrößerten Grabenabschnitt verklebt ist.
Trennsäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Haftvermittler über die gesamten, die Grabenstruktur(en) begrenzenden Wände erstreckt.
Trennsäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die stationäre Phase über die gesamten, die Grabenstruktur(en) begrenzenden Wände erstreckt.
Trennsäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Substrat eine Siliziumscheibe oder eine Glasscheibe ist.
Trennsäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler ausgebildet ist, um eine zumindest teilweise, elektrostatische Passivierung der Substratoberfläche im Bereich der Grabenstruktur zu bewirken.
Trennsäule nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der der Haftvermittler ausgebildet ist, um eine vollständige elektrostatische Passivierung zu bewirken.
Trennsäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler ein anorganisches Material umfasst.
Trennsäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler ein unpolares Material umfasst.
Trennsäule nach einen der vorhandenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler eine erste Lage (251–254) und eine zweite Lage (281–284) umfasst.
Gaschromatograph, gekennzeichnet durch eine Trennsäule in Mikrosystemtechnik nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gaschromatograph nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Injektor in Mikrosystemtechnik, umfassend ein erstes Injektorsubstrat mit Gasführungskanälen und ein relativ zum ersten Injektorsubstrat bewegliches zweites Injektorsubstrat mit Gasführungskanälen.
Gaschromatograph nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Injektorsubstrat auf einer Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist.
Gaschromatograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13–15, gekennzeichnet durch einen Detektor in Mikrosystemtechnik, umfassend einen in einem ersten Detektorsubstrat ausgebildeten Gasführungskanal.
Gaschromatograph nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Detektor in Mikrosystemtechnik ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor ist.
Gaschromatograph nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Detektorsubstrat auf einer Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist.
Gaschromatograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13–18, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuerungs- und Auswerteeinheit.
Gaschromatograph nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerungs- und Auswerteeinheit auf einer Platine angeordnet ist, auf der zugleich das erste Substrat der Trennsäule angeordnet ist.
Gaschromatograph nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Platine.
Gaschromatograph nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die weitere Platine parallel und beabstandet zur ersten Platine angeordnet ist.
Tragbarer Gaschromatograph, umfassend – einen Gasanschluss, der mit einem Injektor zum Zuführen eines Gases zu einer Trennsäule verbunden ist, – einen mit der Trennsäule verbundenen Trägergasbehälter, – einen Energiespeicher zum Speichern der für den Betrieb des Gaschromatographen erforderlichen Energie, – eine elektronische Steuerungs- und Auswerteeinheit, und – eine Ausgabeeinheit zum Ausgeben der von der Auswerteeinheit ermittelten Analysedaten gekennzeichnet durch eine Trennsäule nach einem der Ansprüche 1–12.
Gaschromatograph nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–22 fortgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Trennsäule, mit den Schritten: – Ausbilden einer Grabenstruktur in einem ersten Substrat, vorzugsweise einer Siliziumscheibe – Aufbringen einer stationären Phase auf zumindest einen Abschnitt der Grabenstruktur, vorzugsweise mittels Polymerisation eines flüssigen Ausgangsmaterials, – Abdichten der Grabenstruktur durch Aufbringen eines zweiten Substrats, vorzugsweise einer Silizium- oder Glasscheibe, auf das erste Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der stationären Phase ein Haftvermittler auf zumindest Teile der Grabenstruktur aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler und die stationäre Phase auf die gesamte Grabenstruktur aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler mittels Polymerisation eines flüssigen Ausgangsmaterials gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 25–27, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler und/oder die stationäre Phase mittels physikalischer oder chemischer Abscheidung aus der Gasphase (PVD oder CVD) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine plasmaverstärkte Abscheidung stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 25–29, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aufbringen des Haftvermittlers und dem Aufbringen der stationären Phase ein Reinigungsschritt stattfindet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Reinigungsschritt eine Plasmareinigung oder ein Rücksputtern umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 25–31, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler und die stationäre Phase mittels eines identischen Verfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler und die stationäre Phase in einer kontrollierten Atmosphäre, insbesondere in einem Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre, aufgebracht wird und diese Atmosphäre zwischen dem Beginn des Auftrags des Haftvermittlers und dem Ende des Auftrags der stationären Phase im Wesentlichen unverändert bleibt.
Verwendung eines Gaschromatographen zur Überwachung und/oder zur Analyse von Atemluft, insbesondere am Arbeitsplatz, in der medizinischen Diagnostik und im Personen- und Katastrophenschutz, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–24 ausgebildet ist.
Verwendung eines Gaschromatographen zur Überwachung und/oder zur Analyse von Emissionen oder Immissionen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–24 ausgebildet ist.
Verwendung eines Gaschromatographen zur Überwachung und/oder zur Analyse von Energieträgern, insbesondere brennbaren Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–24 ausgebildet ist.
Verwendung eines Gaschromatographen zur Überwachung und/oder zur Analyse von Rohstoffen für die verarbeitende Industrie, insbesondere von Lebensmittelrohstoffen für die Nahrungsmittelindustrie, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–24 ausgebildet ist.
Verwendung eines Gaschromatographen zur Überwachung und/oder zur Analyse von Prozessen, insbesondere Gär-, Koch-, Back- oder Bratprozessen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–24 ausgebildet ist.
Verwendung eines Gaschromatographen zur Analyse von Geruchsstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 13–24 ausgebildet ist.