KR20210065183A

KR20210065183A - 초박형 자외선 투과 창을 구비한 통합 미세-광이온화 검출기

Info

Publication number: KR20210065183A
Application number: KR1020217013416A
Authority: KR
Inventors: 쑤동 판; 홍보 주; 카츠오 쿠라바야시
Original assignee: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
Priority date: 2018-10-03
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-06-03
Anticipated expiration: 2039-10-02
Also published as: JP2022502661A; US20210341422A1; SG11202103423WA; CA3115428A1; WO2020072644A1; AU2019354730A1; JP7527018B2; KR102801316B1; US20240393293A1; SA521421643B1; EP3861331A4; US12038408B2; CN112997073A; NZ775009A; EP3861331A1; CN112997073B; AU2019354730B2

Abstract

통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 미세유체 이온화 챔버 및 자외선 광자들을 생성하도록 구성된 미세유체 자외선 복사 챔버를 포함하여 제공된다. 초박형 투과 창은 자외선 광자들이 미세유체 자외선 복사 챔버에서 미세유체 이온화 챔버로 통과할 수 있도록 미세유체 이온화 챔버와 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된다. 적어도 하나의 가스 크로마토그래피 칼럼을 포함하는 가스 크로마토그래피(GC) 유닛 및 가스 크로마토그래피(GC) 유닛의 다운스트림에 배치된 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)를 포함하는 하나 이상의 VOC 분석물질에 대한 검출 시스템들도 제공된다.

Description

초박형 자외선 투과 창을 구비한 통합 미세-광이온화 검출기

본 발명은 미국 환경 보호청(United States Environmental Protection Agency)이 수여한 RD-83564401-0에 따라 정부의 지원으로 이루어진 것이다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가진다.

본 출원은 2018년 10월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/740,583호의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 개시는 초박형 UV 투과 창을 갖는 통합 미세-광이온화 검출기에 관한 것이다.

이 섹션은 반드시 종래 기술인 것은 아닌 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공한다.

가스 크로마토그래피(gas Chromatography; GC)는 휘발성 유기 화합물들(volatile organic compounds; VOCs) 및 기타 분석물질들의 분석에 널리 사용된다. 또한, 일반적으로 GC 시스템은, 분석에 사용될 경우, 분석물질 검출기(analyte detector)를 포함한다. 불꽃 이온화 검출기들(flame ionization detectors; FIDs)은 벤치-탑(bench-top) GC 장비에 일반적으로 사용되는 증기 검출기들(vapor detectors)이다. 그러나 FID들 및 μFID들(micro-FIDs)은 파괴적(destructive)이므로 사용이 제한된다. 예를 들어, FID들 및 μFID들은 다차원(multi-dimensional) GC 분리를 모니터링하기 위해 증기 흐름 경로(vapor flow path)의 중간에 배치될 수 없다. 대신, 그것들은 GC 기기의 단자 끝에서만 사용될 수 있다. 또한, FID들은 수소의 사용이 요구되므로, μGC 장치들에서 폭 넓은 수용을 방해한다. 또한, 열전도성 검출기들(thermal conductivity detectors; TCDs) 및 μTCD들도 GCs와 함께 증기 검출기로 사용되고 있다. 그것들은 비-파괴적(non-destructive)이며 플로우-스루(flow-through) 다자인을 갖고 있다. 그러나, TCD들은 감도가 낮고(나노-그램), 헬륨(helium)을 필요로 한다. 전자 포획 검출기들(Electron Capture Detectors; ECDs)은 다른 타입의 비파괴적 증기 검출기이다. 이들은 매우 감도가 좋지만, 한정된 동적 범위를 가지며 분석물질 이온화를 위해 방사성 물질들을 사용해야 한다.

광이온화 검출기(photoionization detector; PID)는 또 다른 유형의 증기 검출기이다. PID들은 민감하고(피코-그램), 비-파괴적이며, 광범위한 증기들에 적용할 수 있다. PID에서, 증기 분자들(vapor molecules)은 UV 램프에서 생성된 자외선(ultra-violet; UV) 복사(radiation)에 의해 이온화 챔버(ionization chamber) 내부에서 이온화된다. 이온화 챔버에서 생성된 이온들은 전극들로 구동되어 전류를 생성한다. UV 램프는 일반적으로 저압 아르곤(argon), 크립톤(krypton), 또는 다른 가스들로 채워져 외부 전기 여기(electrical excitation) 하에서 UV를 생성한다. UV 램프들에서, 밀봉 창들(sealing windows)(즉, UV 투과 창들)은 칼슘 플루오라이드(calcium fluoride), 마그네슘 플루오라이드(magnesium fluoride) 또는 리튬 플루오라이드(lithium fluoride)과 같은, 특수 재료들로 형성된다. 이러한 재료들은 관심있는 UV 복사의 파장들의 범위 내에서 상대적으로 높은 투과 계수(transmission coefficient)를 갖는다. 그러나, 이러한 재료들은 상대적으로 비싸고 워터 에칭(water etching), 크리스탈 솔라라이제이션(crystal solarization), 및 UV 손상으로 인한 황변 효과(yellowing effect)에 취약하며, 이 모두는 UV 램프(및 PID) 성능을 저하시키고 수명을 단축시킨다. 또한, 이러한 기존 UV 램프들은 미세가공(microfabrication) 공정들과 호환되지 않는다. 결과적으로, 이러한 기존 UV 램프들을 사용하여 PID를 미세가공하는 것은 어렵다.

본 섹션은 본 발명에 대한 일반적인 요약을 제공하는 것이며, 전체 범위 또는 모든 기능을 포괄적으로 공개하지는 않는다.

특정 양태들에서, 본 개시는 유체 샘플(fluid sample)을 수용하는 입구 및 유체 샘플이 미세유체(microfluidic) 이온화 챔버(ionization chamber)를 빠져 나가는 출구를 갖는 미세유체 이온화 챔버를 포함하는 통합(integrated) 미세유체 광이온화 검출기(photoionization detector; PID)를 제공한다. 통합 미세유체 PID는 또한 미세유체 이온화 챔버와 전기적으로 소통하는(in electrical communication with) 제1 전극(electrode) 및 별개의 제2 전극을 포함한다. 미세유체 자외선 복사 챔버(ultraviolet radiation chamber) 는 자외선 광자들(ultraviolet photons)을 생성하도록 구성된다. 통합 미세유체 PID는 또한 자외선 광자들이 미세유체 자외선 복사 챔버에서 미세유체 이온화 챔버로 통과할 수 있도록 미세유체 이온화 챔버와 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된 초박형 투과 창(ultrathin transmissive window)을 포함한다. 특정 변형예들에서, 초박형 투과 창은 자외선 광자들의 약 5 % 이상이 투과되도록 허용한다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창(transmissive ultrathin window)은 실리카(silica), 용융 실리카(fused silica), 실리콘(silicon), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 마그네슘 플루오라이드(magnesium fluoride), 칼슘 플루오라이드(calcium fluoride), 리튬 플루오라이드(lithium fluoride), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질(material)을 포함한다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창은 판(plate) 상의 하나 이상의 선택 영역들(select regions)로 정의된다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창은 지지 판(support plate) 상에 배치되고 투과형 초박형 창은 지지 판의 선택 영역들 내에 정의된다.

일 양태에서, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 제1 층(layer) 및 제2 층을 포함하는 층들의 스택(stack)을 더 포함한다. 투과형 초박형 창은 제1 층 내에 정의되고 투과형 초박형 창에 대응하는 제2 층의 하나 이상의 영역들은 존재하지 않는다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창은 약 20μm 이하의 두께를 갖고 자외선 광자들의 약 5 % 이상을 투과시키도록 구성된다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창은 약 250nm 이상 내지 약 500nm 이하의 두께를 갖는다.

일 양태에서, 미세유체 자외선 복사 챔버는 자외선 생성 유체(ultraviolet generating fluid)를 수용하는 입구를 갖는다.

일 양태에서, 미세유체 자외선 복사 챔버는 크립톤(krypton), 아르곤(argon), 헬륨(helium), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 자외선 생성 유체를 포함한다.

일 양태에서, 미세유체 이온화 챔버는 하나 이상의 미세유체 채널들(microfluidic channels)이다.

일 양태에서, 하나 이상의 미세유체 채널들은 약 10 μL 미만의 총 부피(total volume) 갖는다.

일 양태에서, 제1 전극 및 별개의 제2 전극은 전기 전도성 물질(electrically conductive material)의 층에 형성되고 하나 이상의 미세유체 채널들은 별개의 제2 전극으로부터 제1 전극을 전기적으로 절연시키도록 상기 층에 배치된다.

특정 다른 양태들에서, 본 개시는 적어도 하나의 가스 크로마토그래피 칼럼(gas chromatography column)을 포함하는 가스 크로마토그래피(gas chromatography; GC) 유닛 및 가스 크로마토그래피(GC) 유닛의 다운스트림(downstream)에 배치된 통합(integrated) 미세유체(microfluidic) 광이온화 검출기(photoionization detector; PID)를 포함하는 하나 이상의 VOC 분석물질들(VOC analytes)에 대한 검출 시스템(detection system)을 제공한다. 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 유체 샘플(fluid sample)을 수용하는 입구 및 유체 샘플이 미세유체(microfluidic) 이온화 챔버(ionization chamber)를 빠져 나가는 출구를 갖는 미세유체 이온화 챔버를 포함한다. 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 또한 미세유체 이온화 챔버와 전기적으로 소통하는(in electrical communication with) 제1 전극(electrode) 및 별개의 제2 전극을 포함한다. 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 자외선 광자들(ultraviolet photons)을 생성하도록 구성된 미세유체 자외선 복사 챔버(ultraviolet radiation chamber)를 더 포함한다. 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 또한 자외선 광자들의 대략 5% 이상이 미세유체 자외선 복사 챔버에서 미세유체 이온화 챔버로 통과할 수 있도록 미세유체 이온화 챔버와 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된 투과형 초박형 창(transmissive ultrathin window)을 포함한다. 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 가스 크로마토그래피(GC) 유닛에서 처리된 샘플을 분석한다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창은 실리카(silica), 용융 실리카(fused silica), 실리콘(silicon), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 마그네슘 플루오라이드(magnesium fluoride), 칼슘 플루오라이드(calcium fluoride), 리튬 플루오라이드(lithium fluoride), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질(material)을 포함한다.

일 양태에서, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 제1 층(layer) 및 제2 층을 포함하는 층들의 스택(stack)을 더 포함하고, 투과형 초박형 창은 제1 층 내에 정의되고 투과형 초박형 창에 대응하는 제2 층의 하나 이상의 영역들은 존재하지 않는다.

일 양태에서, 투과형 초박형 창은 약 20μm 이하의 두께를 갖고 상기 자외선 광자들의 약 5 % 이상을 투과시키도록 구성된다.

일 양태에서, 미세유체 이온화 챔버는 하나 이상의 미세유체 채널들이다.

추가 적용의 영역들은 본 개시에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 요약의 설명 및 특정 예들은 단지 예시의 목적을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하려는 것으로 의도되지 않는다.

여기에서 설명되는 도면들은 선택된 실시형태들만을 예시하기 위한 것이지 모든 가능한 구현예들을 위한 것이 아니며 본 개시의 범위를 제한하려는 것으로 의도되지 않는다.
도 1은 적어도 하나의 가스 크로마토그래피 칼럼을 포함하는 가스 크로마토그래피(GC) 유닛 및 가스 크로마토그래피(GC) 유닛의 다운스트림에 배치된 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)를 포함하는 검출 시스템의 일 예의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 특정 양태들에 따른 초박형 투과 창을 갖는 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)의 예시를 도시한다.
도 3은 라인 3-3을 따라 취해진 도 2의 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)의 단면도이다.
도 4는 열 산화물 코팅 실리콘 웨이퍼(thermal oxide coated silicon wafer) 상에 패터닝된(patterned) 초박형 자외선(UV) 투과 창의 사진이다.
도 5는 공기 창(air window)과 비교하여 본 개시의 특정 양태들에 따라 제조된 초박형 자외선(UV) 투과 창의 UV 투과 능력을 비교한 그래프이다.
다수의 도면들의 전반에 걸쳐 대응하는 참조 번호는 대응하는 부분들을 나타낸다.

본 기술 분야의 통상의 기술자에게 발명의 범주를 완전하게 전달하기 위해 예시적 실시형태들이 제공된다. 본 발명의 실시형태들의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 조성, 구성 요소, 장치 및 방법의 예들과 같은 다수의 특정 세부사항들이 제시된다. 이 특정 세부사항들이 반드시 채용될 필요는 없으며, 해당 예시적 실시형태들은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 어느 것도 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 몇몇 예시적 실시형태들에서, 잘 알려진 프로세스, 잘 알려진 디바이스 구조 및 잘 알려진 기술은 상세히 설명되지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 예시적 실시형태를 설명하기 위한 것이며, 제한하려는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태 "일", "하나" 및 "그"는 문맥상 다르게 지시하지 않는 한, 복수 형태를 포함하는 것으로 의도될 수 있다. 용어 "포함한다", "포함하는", "포함시키는" 및 "구비하는"은 포함적인 것이며, 따라서 언급된 특징, 요소, 조성, 단계, 정수, 동작, 및/또는 성분의 존재를 명시하는 것이지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니다. 개방형 용어 "포함하는"은 본 명세서에 제시된 다양한 실시형태를 기술하고 청구하는데 사용되는 비제한적 용어로 이해될 수 있지만, 특정 양태들에서, 이 용어는 보다 한정적이고 제한적인 용어, 예를 들어 "이루어지는" 또는 "본질적으로 이루어지는"으로 달리 해석될 수도 있다. 따라서, 임의의 주어진 실시형태에 대해 언급된 조성물, 재료, 요소, 특징, 정수, 동작, 및/또는 처리 단계의 경우, 본 발명은 또한 이러한 언급된 조성물, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 동작, 및/또는 처리 단계로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어진 실시형태들을 구체적으로 포함한다. "이루어지는"의 경우에는, 대안의 실시형태가 임의의 부가적인 조성물, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 동작, 및/또는 처리 단계를 배제하며, "본질적으로 이루어지는"의 경우에는, 기본이되는 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치는 임의의 부가적인 조성물, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 동작 및/또는 처리 단계가 그러한 실시형태에서 배제되지만, 기본이되는 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 어떠한 조성물, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 동작, 및/또는 처리 단계도 본 실시형태에 포함될 수가 있다.

본 명세서에서 설명되는 임의의 방법 단계, 처리 및 동작은 수행 순서로서 구체적으로 나타내지지 않는 한, 설명 또는 예시된 특정 순서로의 수행을 반드시 요구하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 달리 지시되지 않는 한, 추가적 또는 대안적 단계가 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다.

성분, 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층의 "위에", "결합", "연결" 또는 "커플링"된 것으로 언급될 경우, 그것은 다른 성분, 요소, 또는 층의 바로 위에 있거나, 직접적으로 결합, 연결 또는 커플링된 것일 수 있으며, 또는 개재되는 요소나 층이 존재하는 것일 수도 있다. 대조적으로, 일 요소가 다른 요소 또는 층의 "바로 위에", "집접 결합", "직접 연결" 또는 "직접 커플링"된 것으로 언급될 경우에는, 개재되는 요소나 층이 존재하지 않는 것일 수 있다. 요소들 사이의 관계를 설명하는데 사용되는 다른 단어들은 동일한 방식(예를 들어, "사이" 대 "바로 사이", "인접" 대 "직접 인접" 등)으로 해석되어야 한다. 본 명세서에 사용되는 용어 "및/또는"은 관련 열거 항목들 중의 하나 이상의 항목에 대한 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다.

제1, 제2, 제3 등의 용어가 본 명세서에서 다양한 단계, 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 달리 명시되지 않는 한, 이러한 단계, 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어는 하나의 단계, 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 단계, 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. "제1", "제2" 및 다른 수치 용어와 같은 용어가 본 명세서에서 사용될 경우, 문맥에 의해 명확히 표시되지 않는 한 이것이 시퀀스 또는 순서를 의미하지는 않는다. 따라서, 이하에 논의되는 제1 단계, 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 예시적 실시형태들의 교시를 벗어남 없이 제2 단계, 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.

"앞", "뒤", "내측", "외측", "밑", "아래", "하부", "위", 상부" 등과 같은 공간적으로 또는 시간적으로 상대적인 용어는, 도면에 도시된 바와 같이, 하나의 요소 또는 특징과 다른 요소(들) 또는 특징(들)의 관계를 기술하는 설명을 용이하게 하기 위해서 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 또는 시간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향에 부가하여, 사용 또는 작동에 있어서의 장치 또는 시스템의 다른 방향을 포함하는 것으로 의도될 수 있다.

본 명세서 전반에 걸쳐, 수치 값들은 주어진 값 및 언급된 값을 갖는 실시형태들 그리고 정확히 언급된 값을 갖는 사항들로부터의 약간의 편차를 포함하는 범위에 대한 대략적인 측정 또는 한계를 나타낸다. 상세한 설명의 말미에 제공되는 실시형태 이외에, 첨부된 청구범위를 비롯한, 본 명세서 내의 파라미터(예를 들어, 양 또는 조건)의 모든 수치 값은, "약"이 실제로 그 수치 값 앞에 나타나 있는지 여부와 관계없이 모든 경우에 있어 "약"이라는 용어로 수정되는 것으로 이해되어야 한다. "약"은 명시된 수치 값이 약간의 부정확성을 허용한다는 것을 나타낸다(그 값의 정확성에 대한 일부 접근법; 그 값에 거의 비슷하거나 상당히 비슷 함; 사실상). "약"에 의해 제공되는 부정확성이 이러한 통상적인 의미와 본 기술 분야에서 다르게 이해되지 않는다면, 본 명세서에서 사용되는 "약"은 그러한 파라미터를 측정하고 사용하는 통상적인 방법들로부터 생성할 수 있는 최소한의 변동을 나타낸다. 예를 들어, "약"은 5% 이하, 선택적으로 4% 이하, 선택적으로 3% 이하, 선택적으로 2% 이하, 선택적으로 1 % 이하, 선택적으로 0.5% 이하, 및 특정 양태들에서, 선택적으로 0.1 % 이하의 변형을 포함할 수 있다.

또한, 개시된 범위는 개시된 모든 값 및 그 범위에 대해 주어진 마지막 지점 및 하위 범위를 포함하는, 전체 범위 내의 추가 분할된 범위를 포함한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시형태들에 대해 상세히 설명하도록 한다.

가스 크로마토그래피를 사용하는 검출 시스템들은 VOC들 또는 기타 화합물들과 같은 특정 분석 화합물들의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 시스템들에서, 본 교시의 특정 양태들에 따라 제조된 것과 같은 미세유체 PID 형태의 증기 검출기는 가스 크로마토그래피(GC) 칼럼과 함께 사용된다. 분석될 증기 샘플은 먼저 GC 칼럼에 도입된다. 특정 양태들에서, GC 칼럼은 미세-GC((νGC)로 소형화될 수 있다. 이후 샘플은 불활성(inert) 기체 운반체(gas carrier)에 의해 칼럼을 통해 운반되고 샘플의 각 화합물(분석물질)의 물리적 특성들에 따라 GC 칼럼 내에서 샘플이 분리된다. 용리된(eluted) 각 화합물은 GC 칼럼에서 나와, 아래에서 설명되는 바와 같이, 광이온화 검출기(PID) 또는 미세유체 PID(μPID)일 수 있는, 증기 검출기 유닛으로 들어간다. 다른 설계들에서, PID 또는 μPID 증기 검출기 유닛(들)은 분석물질들의 검출을 위해 GC 칼럼 내의 중간(intermediate) 위치들에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, PID 및 μPID는 상호교환적(interchangeably)으로 사용된다.

PID들은 일반적으로 고-에너지 광자들(예를 들어, 자외선(UV) 파장 범위)를 사용하여 용리된(eluted) 분석물질 분자들을 양전하 이온들(positively charged ions)로 해리시킨다(dissociate). 종종 PID는 방전 램프 챔버(discharge lamp chamber)에서 이온화되는 불활성 가스(inert gas, 크립톤 및 아르곤)와 같은 방전 가스(discharge gas)를 사용한다. 외부 에너지(RF 에너지와 같은)는 방전 가스에 의해 흡수되어 방전 가스의 원자들이 여기 상태(exited state)로 전환될 수 있다. UV 램프의 방전 챔버 내에서, 각 이온은 다른 원자와 결합하여 하나 이상의 광자들을 방출할 수 있다. 용리된 화합물들은 이온화 챔버의 PID 장치로 들어간다. 이온화 챔버와 방전 램프 챔버는 일반적으로 광학적으로 투명한 창을 통해 서로 분리되어, 고-에너지 광자들이 이온화 챔버로 통과할 수 있도록 한다. 일반적인 투과 창(transmission window)은 마그네슘 플루오라이드(magnesium fluoride), 칼슘 플루오라이드(calcium fluoride), 또는 리튬 플루오라이드(lithium fluoride)과 같은 물질로 형성되며 약 0.1mm(약 100μm) ~ 약 10mm의 두께를 가진다. 용리된 화합물들을 포함하는 이온화 챔버는 방전 램프 챔버에서 이온화된 방전 가스에 의해 생성된 광자들에 의해 충격을 받는다(bombarded).

그 후에, 광자/에너지는, 여기 상태로 천이하여 별도의 이온화 챔버에서 이온화됨으로써 궁극적으로 양전하를 띤 이온을 형성하게 되는 분석물질 분자들에 의해서 흡수된다. 따라서, GC 칼럼에서의 상대 체류 시간(retention time)에 기초하여, 샘플 내의 상이한 분석물질 분자들이 분리되어, 상이한 시간에서 용리된 후에, 챔버에 들어가게 되며, 이들은 이온화된 방전 가스에서 방출되는 광자로부터 이온화된다.

따라서, 이 가스가 전기적으로 대전되어, 이온들이 전류를 생성시키게 되며, 이 전류가 이온화된 분석물질 분자들의 농도와 관련된 출력으로 된다. 각각의 이온화된 화합물이 이온화 챔버에 인접한 하나 이상의 수집 전극을 지나감에 따라, 전류가 생성된다. 이러한 방식으로, 분석물질 화합물들은 체류 시간에 기초하여 식별되고 PID 신호(또는 PID가 생성한 전류)로 정량화될 수 있다.

다양한 양태들에서, 본 개시는, 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 특정 변형예들에서 미세유체 PID(μPID)일 수 있는, 통합 광이온화 검출기(PID)를 고려한다. μPID는 유체 샘플을 수용하고 처리하기 위한 미세유체 이온화 챔버(microfluidic ionization chamber)를 포함한다. 제1 전극 및 별개의 제2 전극은 미세유체 이온화 챔버와 전기적으로 소통된다. μPID는 또한 자외선 광자들을 생성하도록 구성된 통합 미세유체 자외선 복사 챔버를 포함한다. 투과형 초박형 창은 자외선 광자들이 미세유체 자외선 복사 챔버에서 미세유체 이온화 챔버로 통과할 수 있도록, 미세유체 이온화 챔버와 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된다.

본 개시는 특정 양태에서 도 1에 도시된 것과 같은, 하나 이상의 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound; VOC) 또는 다른 타겟 분석물질에 대한 검출 시스템(20)을 제공한다. 검출 시스템(10)에서, 가스 크로마토그래피(GC) 유닛(20)은 적어도 하나의 가스 크로마토그래피 칼럼(22)을 포함한다. 용어 "칼럼"의 사용은 유체가 흐를 수 있는 다양한 유동 경로들(flow paths), 예를 들어 하나 이상의 기판에 정의된 미세-피처들(micro-features)으로부터의 패턴화된 유동장(patterned flow field) 또는 통상의 기술자에 의해 인식되는 다른 유체 유동 경로를 광범위하게 포함하는 것으로 의도된다. 통합 미세유체 광이온화 검출기(μPID)(30)는 가스 크로마토그래피(GC) 유닛(20)의 다운스트림(downstream)에 배치된다.

특정 양태들에서, GC 유닛(20)은 미세유체 GC(μGC)이고 PID(30)는 미세유체 PID(μPID)이다. 다양한 양태들에서, 본 개시는 미세 스케일이고 따라서 미세유체인 피처들 또는 채널들을 형성하는 방법 및 이것을 갖는 장치를 제공한다. 일부 양태들에서, 선택적으로 채널 또는 챔버와 같은 피처는 나노 스케일 구조와 같이 미세 스케일보다 더 작다. 본 명세서에 사용되는 "미세 스케일"은 약 500 ㎛ 미만, 선택적으로는 약 400 ㎛ 미만, 선택적으로는 약 300 ㎛ 미만, 선택적으로는 약 200 ㎛ 미만, 선택적으로는 약 150 ㎛ 미만이며, 특정 변형예들에서는, 선택적으로 약 100㎛ 미만이 되는 적어도 하나의 치수를 갖는 구조를 지칭한다. "나노 스케일" 구조는 약 50 ㎛ 이하, 선택적으로는 약 10 ㎛(10,000 ㎚) 이하, 선택적으로는 약 1 ㎛(1,000 nm) 이하, 선택적으로는 약 0.1 ㎛(100 ㎚) 이하, 선택적으로는 약 50 ㎚ 미만, 및 선택적으로는 약 10 ㎚ 미만이 되는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 미세 스케일, 미세 채널, 미세유체 채널 또는 미세 구조에 대한 언급은 등가의 나노 스케일 구조와 같은 보다 작은 구조를 포함한다.

미세유체 채널은 기판 내에 또는 기판 상에 형성된 미세 채널로서, 미세유체 채널이 유체를 포함하는 물질을 수용, 전달 및/또는 저장하게 하기에 충분한 단면적 및 부피를 가질 수 있다. 유체는 가스, 증기, 액체 등을 포함한다. 따라서, 일반적으로 미세유체 채널은 구조물의 길이가 최대 치수를 갖도록 하는(예를 들어, 그루브(개방된 형상) 또는 채널(구조적으로 폐쇄된 형상)) 치수를 갖는다. 특정 변형예들에서, 미세유체 채널은 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이, 유체 통신(fluid communication)을 허용하는 보이드 영역(void region)을 규정하는 완전히 밀폐된 구조물일 수 있다. 미세유체 채널은 원형, 라운드형, 또는 타원형(튜브 또는 원통형 형상을 형성), 직사각형 등을 포함하는 다양한 단면 형상을 가질 수 있다.

가스 크로마토그래피에 기초한 검출 시스템들(20)은 일반적으로 적어도 다섯 개의 구성 요소들을 갖는다: (1) 운반 가스 공급원(carrier gas supply, 24); (2) 샘플 유체 주입 시스템(sample fluid injection system, 26); (3) 하나 이상의 가스 크로마토그래피 칼럼들(22); (4) 미세유체 PID(30)와 같은, 검출기; 및 (5) 데이터 처리 시스템(미도시). 운반 가스(이동 상(mobile phase)이라고도 함)는 헬륨, 수소, 질소, 아르곤 또는 공기와 같은, 고-순도 및 상대적 불활성 기체이다. 운반 가스는 테스트할 샘플 유체와 동시에(분리 공정(separating process)을 통해) GC 칼럼(22)을 통해 흐를 수 있다. 샘플 유체 주입 시스템(26)은 (예를 들어, 기체 형태로) 테스트될 하나 이상의 타겟 분석물질들을 포함하는 샘플 혼합물의 미리 결정된 부피를 운반 가스 공급원으로부터 유동하는 운반 가스와 결합함으로써 칼럼에 도입한다. 일반적으로, 칼럼의 내부 표면이 고정 상(stationary phase)으로 작용하는 물질로 코팅(또는 칼럼의 내부가 채워짐)되기 때문에 크로마토그래피 칼럼(22) 내에서 분리가 달성된다. 고정 상은 샘플 혼합물 내에서 상이한 타겟 분석물질들을 서로 다른 정도로(at differing degrees) 흡착한다(adsorbs). 흡착 차이들은 서로 다른 화학 종들이 칼럼을 따라 이동할 때 그들에 대한 상이한 지연들 및 이동 속도들을 야기하고, 이에 따라 샘플 혼합물에서 타겟 분석물질들이 물리적으로 분리된다. 특히, 단일 GC 칼럼(22)으로만 도시되었지만, 가스 크로마토그래피(GC) 유닛(20)은 샘플 유체가 통과할 수 있는 다중 칼럼들을 포함할 수 있다. 더욱이, 그러한 검출 시스템들은, 변조기들(modulators) 등과 같은, 다양한 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.

미세유체 PID(30)와 같은, 검출기는 하나 이상의 GC 칼럼들(22)의 출구(32)로부터 다운스트림에 위치한다. μPID(30)는 가스 크로마토그래피(GC) 유닛(20)과 통합되어 다양한 화학 물질 또는 상이한 시간들(different times)에 칼럼(22)으로부터 나오거나 용리되는 샘플의 타겟 분석물질을 검출하는 역할을 한다. μPID(30)는 유체 샘플을 수용하는 입구(42) 및 유체 샘플이 미세유체 이온화 챔버(40)를 빠져 나가는 출구(44)를 갖는 미세유체 이온화 챔버(40)를 포함한다. 제1 전극 및 별개의 제2 전극(도시되지 않음)은 또한 미세유체 이온화 챔버(40)와 전기적으로 통신한다. 미세유체 자외선 복사 챔버(50)는 자외선 광자들을 생성하도록 구성된다. 투과 창(60)은 자외선 광자들이 미세유체 자외선 복사 챔버(40)에서 미세유체 이온화 챔버(50)로 통과할 수 있도록 미세유체 이온화 챔버(40)와 미세유체 자외선 복사 챔버(50) 사이에 배치된다. 따라서 μPID(30)는 가스 크로마토그래피(GC) 유닛(20) 내부에서 처리된 샘플을 분석한다. 도시되지는 않았지만, 데이터 처리 시스템도 일반적으로 μPID(30)와 통신하여, 분리 테스트 결과를 저장, 처리 및 기록할 수 있다.

도 2 및 3은 본 개시의 특정 양태들에 따라 제조된 대표적인 통합 미세유체 광이온화 검출기(μPID)(100)의 개략적인 단면을 보여준다. μPID(100)는 기판(110)을 포함한다. 하나 이상의 미세유체 채널들(118)이 기판(110) 내부 또는 상부에 형성될 수 있다. 도 2 및 3에서, 벽 구조(wall structure, 112)가 기판(110) 상에 형성되어 하나 이상의 미세유체 채널들(118)을 정의한다. 기판(110)은 무기물(inorganic material) 또는 고분자(polymer)로 형성될 수 있다. 특정 양태들에서, 기판(110)은 유리(예를 들어, 실리카 또는 보로실리케이트(borosilicate))일 수 있다. 특정 변형예들에서, 기판(110)은 복수의 층들을 포함한다.

특정 변형예들에서, 벽 구조(112)는 기판(110) 상에 형성된 전기 전도성 물질(electrically conductive material)(예를 들어, 전도성 실리콘 물질)의 층 또는 선택 영역들일 수있다. 이러한 방식으로, 특정한 변형예들에서, 벽 구조(112)가 전기적으로 전도성인 경우, 벽 구조(112)는 양극 및/또는 음극의 역할을 할 수 있다. 따라서, 벽 구조(112)의 적어도 하나의 층은 전기 도전성 물질을 포함할 수 있다. 전기 도전성 재료는 도전성 재료 또는 반도체 물질(예컨대, 도핑된 반도체 물질)로 형성될 수 있다. 특정 양태들에서, 전기 도전성 물질은 실리콘(Si)(예를 들어, 도핑된 실리콘), 알루미늄(Al), 인듐-주석-산화물(ITO), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 스테인리스 스틸(SS), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 이들의 합금 및 산화물 그리고 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함한다. 이 복수의 층 중의 두 개 이상은 별개의 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(110) 상의 제1 층은 도핑된 실리콘과 같은 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 제1 층을 덮는 제2 층은 전기 도전성 금속을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전기 전도성 물질들은 하나 이상의 미세유체 채널들(118)과 접촉하는 벽 구조(112)에 전극들로서 매립될(embedded) 수 있다.

벽 구조(112)는 특정 영역들에서 선택적으로 형성되거나 대안적으로 하나 이상의 미세유체 채널들(118)을 형성하는 패턴의 선택 영역들에서 제거될 수 있다. 특정 양태들에서, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)은 나선형 패턴(spiral pattern)을 정의할 수 있다. 따라서 하나 이상의 미세유체 채널들(118)은 기판 상에 구불구불한 패턴(serpentine pattern)을 정의할 수 있다. "구불구불한" 것은, 유체 채널이 구부러지고(winds) 유체 경로를 통해 방향이 적어도 180 ° 이상 두 번 변화하는 유동-관통 설계(flow-through design)라는 것을 의미한다. 따라서 하나 이상의 미세유체 채널들(118)에 의해 정의된 유체 경로는 곡선형이며, 데드 존들(dead zones) 또는 감소된 유체 흐름을 초래하는 방향 변화를 피할 수 있다. 이러한 구불구불한 경로는 나선형 구조 또는 맞물린 유형 구조(interdigitated type structure)를 정의할 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)은 아르키메데스 나선(Archimedean spiral)을 정의할 수 있다. 하나 이상의 미세유체 채널들(118)은, 예를 들어, 그러한 물질에 형성된 아르키메데스 나선형 채널과 같이, 전도성 실리콘 웨이퍼 또는 층(conductive silicon wafer or layer)에 에칭(etched)되거나 형성될 수 있다. 다른 변형예들에서, 하나 이상의 미세유체 채널들은 선형 직선 유동 경로들(linear straight-line flow paths)을 포함하는, 다른 유동 경로 구성들을 가질 수 있다.

특정 변형예들에서, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)(또는 이온화 챔버)은 약 10μL 이하의 총 부피를 갖는다. 특정 바람직한 양태들에서는, 약 9 μL 이하, 선택적으로는 약 8 μL 이하, 선택적으로는 약 7 μL 이하, 선택적으로는 약 6 μL 이하, 선택적으로는 약 5 μL 이하, 선택적으로는 약 4 μL 이하, 선택적으로는 약 3 μL 이하, 선택적으로는 약 2 μL 이하, 및 특정 변형예들에서는, 선택적으로 약 1.5 μL 이하가 된다. 예를 들어, 일 변형예에서, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)은 단지 약 1.3 μL의 이온화 챔버 부피를 규정한다.

또한, 특정 양태들에서, μPID(100)는 미세유체 채널 경로 내에 무시할 수 있을 정도의 총 데드 부피(total dead volume)를 갖는다. 하나 이상의 미세유체 채널들(118)의 총 데드 부피는 미세유체 채널의 총 부피의 약 1% 이하일 수 있으며, 예를 들어, 하나 이상의 미세유체 채널들의 총 부피가 5 μL일 경우, 1% 이하의 데드 부피는 약 0.05 μL 또는 50 nL 이하의 데드 부피로 된다. 특정 다른 변형예들에서, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)의 총 데드 부피는 하나 이상의 미세유체 채널의 총 부피의 약 0.9% 이하, 선택적으로는 하나 이상의 미세유체 채널들의 총 부피의 약 0.7% 이하, 선택적으로는 하나 이상의 미세유체 채널들의 총 부피의 약 0.6% 이하, 및 특정 변형예들에서는, 하나 이상의 미세유체 채널들의 총 부피의 약 0.5% 이하가 될 수 있다. 특정 다른 변형예들에서, 하나 이상의 미세유체 채널들의 데드 부피는 약 30 nL 이하, 선택적으로는 약 25 nL 이하, 선택적으로는 약 15 nL 이하, 선택적으로는 약 10 nL 이하, 선택적으로는 약 5 nL 이하, 선택적으로는 약 4 nL 이하, 선택적으로는 약 3 nL 이하, 및 특정 변형예들에서는, 선택적으로 약 2 nL 이하가 될 수 있다.

미세유체 채널은 약 50 ㎛ 이상 내지 약 200 ㎛ 이하, 선택적으로는 약 100 ㎛ 이상 내지 약 200 ㎛ 이하, 및 특정 양태들에서는, 선택적으로 약 125 ㎛ 이상 내지 약 175 ㎛ 이하의 폭을 가질 수 있다. 특정 다른 변형예들에서, 미세유체 채널은 약 100㎛ 이상 내지 약 600㎛ 이하, 선택적으로는 약 200㎛ 이상 내지 약 500㎛ 이하, 선택적으로는 약 300 ㎛ 이상 내지 약 400 ㎛ 이하, 및 특정 양태들에서는, 선택적으로 약 350 ㎛ 이상 내지 약 400 ㎛ 이하의 높이 또는 깊이를 갖는다. 미세유체 채널의 총 길이는 약 0.5 cm 이상 내지 약 10 cm 이하, 선택적으로는 약 1 cm 이상 내지 약 5 cm 이하, 및 특정 양태들에서는, 선택적으로 약 2 cm 이상 내지 약 3 cm 이하가 될 수 있다. 벽의 두께(예를 들어, 미세유체 채널 내에서 서로 인접하는 각각의 통로들 사이에 존재)는 약 10㎛ 이상 내지 약 100㎛ 이하, 선택적으로는 약 25㎛ 이상 내지 약 75 ㎛ 이하, 및 특정 양태들에서는, 선택적으로 약 40 ㎛ 이상 내지 약 60 ㎛ 이하가 될 수 있다. 일 실시형태에서, 미세유체 채널은 150 ㎛(폭)×380 ㎛(깊이)의 단면, 50 ㎛의 벽 두께 및 2.3 cm의 길이를 갖는다.

전술한 바와 같이, 미세유체 광이온화 검출기(PID)(100)는 제1 전극 및 반대 극성의(opposite polarity) 제2 전극을 더 포함한다. 예를 들어, 벽 구조(112)는 제1 전극 영역(114) 및 별개의 제2 전극 영역(116)을 정의할 수 있다. 제1 전극 영역(114) 및 제2 전극 영역(116)은 벽 구조(112)의 하나 이상의 층들의 선택 영역들에 형성될 수 있다. 벽 구조(112)는 하나 이상의 비-전도성 영역들(108)을 가질 수 있다. 특정 변형예들에서, 기판(110)은 도핑된(doped) 실리콘의 제1 층 및 전기 전도성 금속의 제2 층을 갖는 선택 영역들을 포함하며, 여기서 선택 영역들은 각각의 제1 전극 영역(114) 및 제2 전극 영역(116)에 대응하는 별개의 영역들이다. 제1 전극 영역(114)은 하나 이상의 미세유체 채널들(118)에 의해 제2 전극 영역(116)으로부터 분리되고 전기적으로 분리될 수 있다. 미세유체 채널(118)은 벽 구조(112)에 형성되어 제1 전극 영역(114) 및 제2 전극 영역(116)을 분리하고 정의할 수 있다. 특정 양태들에서, 미세유체 채널(118)의 바닥은 기판(110)일 수 있거나 대안적으로, 도시되지 않았지만, 하나 이상의 미세유체 채널들은 측벽들 및 바닥/밑면(floor/bottom) 부분들이 내부에 정의되도록 벽 구조(112)에 전체적으로 형성될 수 있다.

[0001] 제1 전극 영역(114) 및 제2 전극 영역(116)은 전원(power source)(미도시)의 외부 양극 및 음극 리드(positive and negative lead)에 연결될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 전원에 연결된 전력 구동 회로(power drive circuit)는 제1 전극 영역(114) 에 연결되고 제2 전극 영역(116)에 반대 극성으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 전극 영역들(114, 116)은 증폭기(amplifier)(미도시)에 연결되어 폐쇄 회로를 형성할 수 있다. 특정 양태들에서, 전원은 약 20 VDC(volts direct current) 이하의 최대 전압을 갖는 저전압 전원일 수 있다. 따라서, 제1 전극 영역(114) 및 제2 전극 영역(116)에 의해 정의된 전극들은 광자들에 의해 충격을 받고 여기될 때 하나 이상의 미세유체 채널들(118) 내의 이온화된 분석물질에 의해 생성된 전기 신호들을 측정하는 능력을 제공한다.

μPID(100) 장치는 또한 미세유체 이온화 챔버 역할을 하는 하나 이상의 미세유체 채널들(118)에 대한 입구(122)를 포함한다. 또한 하나 이상의 미세유체 채널들(118)에 대한 출구(124)가 있다. 따라서, 하나 이상의 타겟 분석물질을 함유하는 운반 가스는 GC 칼럼을 빠져나가 하나 이상의 미세유체 채널들(118)을 통해 이동하는 입구(122)로 들어갈 수 있다. 후술하는 바와 같이, 미세유체 이온화 챔버(하나 이상의 미세유체 채널들(118))를 통해 흐르는 유체 내의 분석물질들은 이온화되고 전하가 측정될 수 있다. 제1 전극 영역(114) 및 제2 전극 영역(116)은 UV 이온화 시 타겟 분석물질(들)에 의해 생성된 전류를 검출 할 수 있다. 그 후 유체는 출구(124)를 통해 미세유체 이온화 챔버(하나 이상의 미세유체 채널들(118))를 빠져나갈 수 있다.

μPID(100) 장치는 또한 전자기 복사선 또는 광의 소스(source of electromagnetic radiation or light)를 포함하는데, 이는 자외선 광자들을 생성하도록 구성된 미세유체 자외선 복사 챔버 또는 미세유체 방전 챔버(microfluidic discharge chamber, 130)일 수 있다. 미세유체 방전 챔버(130)는 입구(132)를 가질 수 있고, 크립톤(krypton), 아르곤(argon), 헬륨(helium) 및 UV 광을 생성하기 위해 당 업계에 공지된 다른 순수 또는 혼합 가스와 같은 자외선 생성 유체(ultraviolet generating fluid)로 채워질 수 있다. 일 양태에서, 자외선 생성 유체는 크립톤, 아르곤, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 입구(132)는 자외선 생성 유체로 채워진 후 밀봉 될 수 있다. 또는, 미세유체 방전 챔버(130)은 출구(134)를 구비하여, 자외선 생성 유체가 입구(132)로 유입되어 출구(134)를 통해 미세유체 방전 챔버(130)를 빠져나갈 수 있다. 미세유체 방전 챔버(130)는 또한 개방 챔버의 말단 가장자리들에 배치된 비-전도성 캡(non-conductive cap, 136)을 가질 수 있다.

통합 미세유체 방전 챔버(130)는 통합 램프 내에서 광 또는 전자기 복사선을 생성한 다음, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)의 내용물을 향하는, 광자들을 생성한다. 도시된 바와 같이, 제1 여기 전극(excitation electrode, 140) 및 반대 극성의 제2 여기 전극(142)은 일반적으로 아래의 하나 이상의 미세유체 채널들(118)의 패턴에 대응하는 커버 층(144)의 패턴으로 배열된다. 따라서, 전류 또는 전위가 제1 여기 전극(140) 및 제2 여기 전극(142)에 인가될 때, 자외선 생성 유체는 여기되고 하나 이상의 미세유체 채널들(118)에 대응하는 영역들에서 광자들을 생성한다.

특히 적합한 광은 자외선 전자기 스펙트럼 내에 있다. 특정 변형예들에서, 이 광은 약 10 nm 이상 내지 약 400 nm 이하의 파장을 갖는 자외선(UV)(자외선 A, 자외선 B, 자외선 C, 근 자외선, 중간 자외선, 원 자외선, 극 자외선 및 진공 자외선 포함)일 수 있다. 또 다른 변형예들에서, 이 광은 약 100nm 이상 내지 약 400nm 이하(자외선 A, 자외선 B, 자외선 C 포함) 범위의 자외선일 수 있다. 특히, 이 광은 필터링된 광, 집중된 광, 편광된 광이거나, 또는 추가의 스펙트럼 또는 상이한 파장들의 혼합체일 수 있다.

특정 변형예들에서, 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, UV 투과 창은 초박형일 수 있고 따라서 특정 실시예들에서 서브-미크론(sub-micron) 두께를 가질 수 있다. 따라서, 초박형 투과 창(150)은 하나 이상의 미세유체 채널들(118) 형태의 미세유체 이온화 챔버와 미세유체 방전 챔버(130) 형태의 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된다. 초박형 투과 창(150)은 충분한 양의 자외선 광자들이 미세유체 방전 챔버(130)로부터 미세유체 이온화 챔버 역할을 하는 하나 이상의 미세유체 채널들(118)로 통과하여 하나 이상의 타겟 분석물질들을 검출 가능한 수준으로 여기시키는 것을 허용한다. 특정 양태들에서, 투과성이란 초박형 창이 전자기 에너지의 목표 파장 범위, 예를 들어, 위에서 논의된 자외선 파장 범위들에 대해 투명함을 의미한다. 따라서, 특정 양태들에서, 투과형 창은 미리 결정된 파장들의 범위에서 약 5 % 이상의 전자기 에너지, 선택적으로 약 10 % 이상, 선택적으로 약 20 % 이상, 선택적으로 약 30 % 이상, 선택적으로 약 40 % 이상, 선택적으로 약 50 % 이상, 선택적으로 약 60 % 이상, 선택적으로 약 70 % 이상, 선택적으로 약 80 % 이상, 선택적으로 약 90 % 이상, 특정 양태들에서, 선택적으로 미리 결정된 파장들의 범위(예를 들어, 스펙트럼의 자외선 범위에서) 전자기 에너지의 약 95 % 이상을 투과시킨다. 특정 변형예들에서, 투과형 초박형 창은 약 20 ㎛ 이하의 두께를 갖고, 자외선 광자들의 약 5 % 이상 또는 상기 명시된 자외선 광자들의 임의의 투과 수준들을 투과시키도록 구성된다.

초박형 투과 창(150)의 두께는 약 20 마이크로미터(μm) 이하, 선택적으로 약 10μm 이하, 선택적으로 약 5μm 이하, 선택적으로 약 4 μm 이하, 선택적으로 약 3 μm 이하, 선택적으로 약 2 μm 이하, 특정 변형예들에서, 선택적으로 약 1 μm 이하일 수 있다. 특정 선택 변형예들에서, 초박형 투과 창(150)의 두께는 약 500 nm 이하, 선택적으로 약 450 nm 이하, 선택적으로 약 400 nm 이하, 선택적으로 약 350 nm 이하, 선택적으로 약 300 nm 이하, 선택적으로 약 250 nm 이하, 선택적으로 약 200 nm 이하, 선택적으로 약 150 nm 이하, 선택적으로 이하 약 100 nm, 특정 변형예들에서 선택적으로 약 50 nm 이하일 수 있다. 특정 변형예들에서, 초박형 투과 창(150)의 두께는 약 50 nm 이상 내지 약 20 μm 이하, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 약 10 μm 이하, 선택적으로 약 50nm 이상 ~ 약 5μm 이하, 선택적으로 약 50nm 이상 ~ 약 4μm 이하, 선택적으로 약 50nm 이상 ~ 약 3μm 이하, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 약 2 μm 이하, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 약 1 μm 이하, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 미만 약 500 nm 이상, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 약 250 nm 이하, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 약 250 nm 이하, 선택적으로 약 50 이상 nm 내지 약 200 nm 이하, 선택적으로 큰 약 50 nm 이상 내지 약 150 nm 이하, 특정 변형예들에서, 선택적으로 약 50 nm 이상 내지 약 100 nm 이하일 수 있다.

아래에서 논의되는 바와 같이, 초박형 투과 창(150)는 초 박판(ultrathin plate)일 수 있거나, 더 두꺼운 판 또는 물질의 층에 정의된 하나 이상의 선택된 초박형 영역들 또는 층들일 수 있다. 특정 양태들에서, 초박형 투과 창(150)은 하나 이상의 미세유체 채널들(118) 위에 배치될 수 있다. 특정 변형예들에서, 초박형 투과 창(150)은 하나 이상의 미세유체 채널들(118)의 적어도 일부 위에 배치되어 미세 유체 채널(들)(118)을 둘러싸는 상부 또는 윗면 벽(upper or top wall)(예를 들어, 3면 채널의 제 면(fourth side of a three-side channel))을 형성한다. 그러나, 초박형 투과 창(150)은 하나 이상의 미세유체 채널들(118)과 접촉할 필요는 없지만, 대신 미세유체 채널 근처에 위치할 수 있고, 예를 들어, 하나 이상의 미세유체 채널들(118)로부터 수 밀리미터 미만 내지 약 10 ㎛ 미만의 거리에 위치하는 작은 갭(gap)을 남길 수 있다. 따라서, 미세유체 방전 챔버(130) 형태의 UV 광원은 하나 이상의 미세유체 채널들 내에 존재할 수 있는 샘플 유체들로 광자들이 향하도록 배치되고 구성된다. 따라서 하나 이상의 미세유체 채널들(118)은 그 안에 존재하고 유동하는 분석물질 화합물들에 대하여 이온화 챔버의 역할을 한다.

특히, 특정 변형예들에서, 투과형 초박형 창은 일반적으로 그러한 적용에 적합하지 않은, 이러한 물질은 UV 복사선에 대해 투명하지 않은 것으로 간주되기 때문에, 것으로 간주 되었던 실리카와 같은 물질로부터 미세가공될(microfabricated) 수 있다. 실리카는 관심있는 UV 스펙트럼(예를 들어, 9eV에서 17.5eV의 UV 광자 에너지에 해당하는, 약 140nm에서 약 70nm의 파장)에서 매우 낮은 투과 계수(transmission coefficient)(또는 매우 높은 흡광 계수(extinction coefficient))를 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 실리카는 PID 장치의 UV 투과 창으로 사용할 수 있는 물질로 기존에 고려되지 않았다. 그러나, 본 명세서에 설명된 특정 미세가공 기술들을 사용할 때, 실리카는 투과 창의 일부로서 형성될 수 있으며, 이는 초박막 두께를 가지며, 따라서 타겟 UV 스펙트럼에서 투명하게 된다. 보다 구체적으로, 투과된 UV 광자 플럭스(photon flux)의 일부는 (1-A×t)에 의해 결정되며, 여기서 A는 실리카 흡광 계수(silica extinction coefficient)이고 t는 투과 창 두께이다. 큰 A에도 불구하고, A×t는 t가 매우 얇을 때(예를 들어, t가 서브-미크론 두께인 경우) 상대적으로 작아진다(UV 투명해짐을 의미). 그러나, 본 개시는 실리카(예를 들어, 이산화 규소(silicon dioxide)), 용융 실리카(fused silica), 실리콘(silicon)과 같은, 실리콘-함유 물질들뿐만 아니라, 마그네슘 플루오라이드(MgF2), 칼슘 플루오라이드(CaF2), 리튬 플루오라이드(LiF) 등과 같은, 다양한 다른 물질들의 초박형 투과 창 형성을 고려한다. 특정 변형예들에서, 투과형 초박형 창은 실리카, 용융 실리카, 실리콘, 석영, 사파이어, 마그네슘 플루오라이드, 칼슘 플루오라이드, 리튬 플루오라이드, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함한다.

특정 변형예들에서, 기계적 무결성(mechanical integrity)을 유지하기 위해, 투과 창은 UV 전자기 복사/광자들(UV electromagnetic radiation/photons)의 투과를 허용하는 매우 얇은 두께를 갖는 하나 이상의 선택 영역들을 구비하는 판(plate)으로 설계되고, 하나 이상의 선택 영역들 외부에 있는 판의 나머지 영역들은, 투명하지 않기(non-transparent) 때문에, 상대적으로 두껍게 유지될 수 있다. 더 두꺼운 불투명 영역들은 초박형 투과 영역(들)의 두께보다 더 큰 두께를 갖는다. 특정 변형예들에서, 초박형 투과 영역의 평균 제1 두께 대 나머지 불투명 두꺼운 영역의 평균 제2 두께의 비는 약 1 : 2 이하, 선택적으로 약 1 : 3 이하, 선택적으로 약 1 : 4 이하, 선택적으로 약 1 : 5 이하, 특정 변형예들에서, 선택적으로 약 1 : 5 이하일 수 있다.

특정 변형예들에서, 더 두꺼운 영역들은 약 500 nm 초과, 선택적으로 약 600 nm 이상, 선택적으로 약 700 nm 이상, 선택적으로 약 750 nm 이상, 선택적으로 약 800 nm 이상, 선택적으로 약 900 nm 이상, 선택적으로 약 1 μm 이상, 선택적으로 약 2 μm 이상, 선택적으로 약 3 μm 이상, 선택적으로 약 4 μm 이상, 선택적으로 약 5 μm 이상, 선택적으로 약 10 μm 이상, 특정 변형예들에서, 선택적으로 약 20 μm 이상의 두께를 갖는다.

다른 양태들에서, 투과 창은 다중 층들을 포함하는 어셈블리(assembly)일 수 있으며, 예를 들어, 하나의 층은 초 박층(ultrathin layer)일 수 있고 다른 층은 하나 이상의 두꺼운 층들일 수 있다. 따라서, 투과 창은 제1 층 및 제2 층을 포함하는 층들의 스택(stack)으로 형성될 수 있다. 투과형 초박형 창은 제1 층에 정의되고 투과형 초박형 창에 대응하는 제2 층의 하나 이상의 영역들은 존재하지 않는다. 따라서, 하나 이상의 두꺼운 층들의 선택 영역들은 선택 영역들에서 초 박층을 통한 UV 복사(UV radiation)의 투과를 허용하도록 제거될 수 있다. 제거는 나노패터닝(nanopatterning), 에칭(etching), 리소그래피(lithographic) 또는 포토리소그래피(photolithographic) 기술들에 의해 달성 될 수 있다. 특정 양태들에서, 투과 창을 형성하는 물질은 실리카, 실리콘, 석영(quartz), 용융 석영(fused quartz) 등과 같은, 리소그래피, 포토 리소그래피 또는 나노제조 기술들을 통해 처리될 수 있는 물질일 수 있다.

도 4는 본 개시의 특정 양태들에 따라 제조된 초박형 투과 창의 사진을 도시한다. 서브-마이크론(예를 들어, 500nm) 두께의 실리카 UV 투과 창이 열 산화물 코팅(thermal oxide coating)을 갖는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 상에 형성된다. 열 산화(thermal oxidation)는 이산화 규소(SiO2) 또는 실리카를 포함하는 열 산화물 층을 생성하기 위해 산화제들(oxidizing agents)의 조합(및 선택적으로 열)에 실리콘 웨이퍼를 노출시킨 후에 발생한다. 기계적 무결성을 유지하기 위해, 실리카를 포함하는 투과형 창은 일부 부분들이 매우 얇도록(예를 들어, 약 500nm 이하의 두께), 나머지 부분들은 상대적으로 두껍게 유지되도록 설계될 수 있다. 기계적 강도(mechanical strength)를 보장하기 위해, 주기적으로 작은 개방 영역 패턴(open area pattern)이 생성되고 실리콘 면(silicon side)(즉, 열 산화물 코팅이 있는 면의 반대면)에서 에칭된다. 열 산화층(즉, 실리카 층)은 에칭 정지 층(etching stop layer) 역할을 한다. 실리카 투과 창 두께는 실리콘 웨이퍼의 열 산화층에 의해 제어된다. 따라서, 에칭 패턴(etch pattern)은 UV 복사/광자들에 대한 투과 창을 정의하는 실리카의 선택 영역들의 패턴을 생성한다. 이러한 투과 창들은, 비-제한적인 예로서, 클린 룸(cleanroom)에서 표준 포토리소그래피 방법들로 형성될 수 있다.

예들(Examples)

초박형 실리카 창의 UV 투과 능력 테스트. 이 연구에서는, 기존 PID에 사용된 UV 램프가 Baseline-Mocon에서 구입되고 UV 소스(UV 광자 에너지 10.6 eV, 파장 약 120nm)로 사용된다. 램프는 본 개시의 특정 양태들에 따라 형성된 초박형 실리카 UV 투과 창의 상부(top)에 직접 배치된다. 톨루엔(toluene)은 분석 물질로 사용되며 실리카 창 아래의 미세유체 이온화 챔버를 통해 흐른다. ~ 0.01V의 신호(도 5의 오른쪽 바(bar))가 획득된다. 비교를 위해, 도 5의 왼쪽 바에서, 실리카 창은 실리카 창과 동일한 UV 투과 영역의 공기-창(air-window)(실리콘 웨이퍼의 일부가 완전히 에칭됨을 의미)을 갖는 실리콘 웨이퍼로 대체된다. 0.05V의 신호는 실리카 창과 동일한 테스트 조건들에서 획득된다. 위의 비교는 초박형 실리카 창이 UV 광을 효율적으로 투과시킬 수 있음을 보여준다.

전술한 실시예들은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 이것은 포괄적이거나 본 개시를 제한하기 위한 것으로 의도되지 않는다. 특정 실시예의 개개의 요소들 또는 특징들은 일반적으로 특정 실시예에 한정되지 않으며, 적용 가능할 경우, 상호 교환 가능하고, 구체적으로 나타내거나 설명되지 않더라도, 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 동일한 것이 여러 방식들에서 달라질 수도 있다. 이러한 변형예들이 본 개시으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않아야 하며, 이러한 모든 변형예들이 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

유체 샘플(fluid sample)을 수용하는 입구 및 상기 유체 샘플이 미세유체(microfluidic) 이온화 챔버(ionization chamber)를 빠져 나가는 출구를 갖는 미세유체 이온화 챔버;
상기 미세유체 이온화 챔버와 전기적으로 소통하는(in electrical communication with) 제1 전극(electrode) 및 별개의 제2 전극;
자외선 광자들(ultraviolet photons)을 생성하도록 구성된 미세유체 자외선 복사 챔버(ultraviolet radiation chamber); 및
상기 자외선 광자들이 상기 미세유체 자외선 복사 챔버에서 상기 미세유체 이온화 챔버로 통과할 수 있도록 상기 미세유체 이온화 챔버와 상기 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된 초박형 투과 창(ultrathin transmissive window)을 포함하는, 통합(integrated) 미세유체 광이온화 검출기(photoionization detector; PID).
제 1 항에 있어서,
상기 초박형 투과 창은 실리카(silica), 용융 실리카(fused silica), 실리콘(silicon), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 마그네슘 플루오라이드(magnesium fluoride), 칼슘 플루오라이드(calcium fluoride), 리튬 플루오라이드(lithium fluoride), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질(material)을 포함하는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초박형 투과 창은 판(plate) 상의 하나 이상의 선택 영역들(select regions)로 정의되는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초박형 투과 창은 지지 판(support plate) 상에 배치되고 상기 초박형 투과 창은 상기 지지 판의 선택 영역들 내에 정의되는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 층(layer) 및 제2 층을 포함하는 층들의 스택(stack)을 더 포함하고, 상기 초박형 투과 창은 상기 제1 층 내에 정의되고 상기 초박형 투과 창에 대응하는 상기 제2 층의 하나 이상의 영역들은 존재하지 않는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초박형 투과 창은 약 20μm 이하의 두께를 갖고 상기 자외선 광자들의 약 5 % 이상을 투과시키도록 구성되는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초박형 투과 창은 약 250nm 이상 내지 약 500nm 이하의 두께를 갖는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 자외선 복사 챔버는 자외선 생성 유체(ultraviolet generating fluid)를 수용하는 입구를 갖는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 자외선 복사 챔버는 크립톤(krypton), 아르곤(argon), 헬륨(helium), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 자외선 생성 유체를 포함하는 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 이온화 챔버는 하나 이상의 미세유체 채널들인, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 미세유체 채널들은 약 10 μL 미만의 총 부피(total volume)를 갖는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 별개의 제2 전극은 전기 전도성 물질(electrically conductive material)의 층에 형성되고 상기 하나 이상의 미세유체 채널들은 상기 별개의 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 전기적으로 절연시키도록 상기 층에 배치되는, 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID).
(i) 적어도 하나의 가스 크로마토그래피 칼럼(gas chromatography column)을 포함하는 가스 크로마토그래피(gas chromatography; GC) 유닛; 및
(ii) 다음을 포함하는, 상기 가스 크로마토그래피(GC) 유닛의 다운스트림(downstream)에 배치된 통합(integrated) 미세유체(microfluidic) 광이온화 검출기(photoionization detector; PID):
유체 샘플(fluid sample)을 수용하는 입구 및 상기 유체 샘플이 미세유체 이온화 챔버(ionization chamber)를 빠져 나가는 출구를 갖는 미세유체 이온화 챔버;
상기 미세유체 이온화 챔버와 전기적으로 소통하는(in electrical communication with) 제1 전극(electrode) 및 별개의 제2 전극;
자외선 광자들(ultraviolet photons)을 생성하도록 구성된 미세유체 자외선 복사 챔버(ultraviolet radiation chamber); 및
상기 자외선 광자들이 상기 미세유체 자외선 복사 챔버에서 상기 미세유체 이온화 챔버로 통과할 수 있도록 상기 미세유체 이온화 챔버와 상기 미세유체 자외선 복사 챔버 사이에 배치된 투과형 초박형 창(transmissive ultrathin window), 상기 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 상기 가스 크로마토그래피(GC) 유닛에서 처리된 샘플을 분석하는 것을 포함하는, 하나 이상의 VOC 분석물질들을 위한 검출 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 투과형 초박형 창은 실리카(silica), 용융 실리카(fused silica), 실리콘(silicon), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 마그네슘 플루오라이드(magnesium fluoride), 칼슘 플루오라이드(calcium fluoride), 리튬 플루오라이드(lithium fluoride), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질(material)을 포함하는, 검출 시스템.
제 13 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투과형 초박형 창은 판(plate) 상의 하나 이상의 선택 영역들(select regions)로 정의되는, 검출 시스템.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투과형 초박형 창은 지지 판(support plate) 상에 배치되고 상기 투과형 초박형 창은 상기 지지 판의 선택 영역들 내에 정의되는, 검출 시스템.
제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통합 미세유체 광이온화 검출기(PID)는 제1 층(layer) 및 제2 층을 포함하는 층들의 스택(stack)을 더 포함하고, 상기 투과형 초박형 창은 상기 제1 층 내에 정의되고 상기 투과형 초박형 창에 대응하는 상기 제2 층의 하나 이상의 영역들은 존재하지 않는, 검출 시스템.
제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투과형 초박형 창은 약 20μm 이하의 두께를 갖고 상기 자외선 광자들의 약 5 % 이상을 투과시키도록 구성되는, 검출 시스템.
제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 이온화 챔버는 하나 이상의 미세유체 채널들인, 검출 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 별개의 제2 전극은 전기 전도성 물질(electrically conductive material)의 층에 형성되고 상기 하나 이상의 미세유체 채널들은 상기 별개의 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 전기적으로 절연시키도록 상기 층에 배치되는, 검출 시스템.