RU2818140C1 - Планарная газохроматографическая колонка с пилларами каплевидного профиля сечения - Google Patents
Планарная газохроматографическая колонка с пилларами каплевидного профиля сечения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818140C1 RU2818140C1 RU2023103249A RU2023103249A RU2818140C1 RU 2818140 C1 RU2818140 C1 RU 2818140C1 RU 2023103249 A RU2023103249 A RU 2023103249A RU 2023103249 A RU2023103249 A RU 2023103249A RU 2818140 C1 RU2818140 C1 RU 2818140C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pillars
- gas chromatographic
- column
- columns
- shaped cross
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000013375 chromatographic separation Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 230000005526 G1 to G0 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к аналитической химии, а именно к газохроматографическому экспресс-анализу вещества. Планарная газохроматографическая колонка пилларного типа состоит из кремневой подложки с каналами, внутренняя поверхность которых модифицируется в зависимости от требуемых селективных и хроматографических свойств создаваемой разделительной колонки, содержащими периодически повторяющиеся вертикальные столбцы – пиллары, герметизированная неструктурированной кремниевой или стеклянной пластиной, при этом пиллары в ее составе имеют каплевидный профиль сечения. Техническим результатом является увеличение эффективности разделения газовой смеси. 1 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам, специально предназначенным для газохроматографического экспресс-анализа вещества, и может быть использовано в качестве основного рабочего элемента газового хроматографа. Изобретение может найти применение в области аналитической химии, микрохроматографии, медицины, экологического мониторинга, химической промышленности и т.д.
Известно множество типов хроматографических разделительных колонок, представляющих собой стеклянную, кварцевую или стальную трубку, содержащую иммобилизованную или сшитую неподвижную фазу, связанную с внутренней поверхностью (см.: Патент SU 305408 А1 Авторы: Сакодынский К.И., Фролов Ф.Я. Публикация: 1971.06.04, «Хроматографическая колонка»; Патент SU 1374125 А2 Автор: Иванова Л.П. Капший Н.В., Каменивская А. А. Публикация: 1988.02.15, «Хроматографическая разделительная колонка»).
Однако, применение подобных колонок приводит к большим энерго- и время-затратам во время аналитического процесса, что затрудняет использование хроматографических приборов для экспресс-анализа на месте (см.: W.R. Collin, G. Sezzano, L.K. Whright etal. Microfabricated Gas Chromatogzaphfoz Rapid, Trace-Level Demezminations of Gas-Phase Explosive Markez. Compounds//Anal. Chem., 2014.86(1). p.p.655-663).
Применение компактных легкозаменяемых устройств позволит проводить экспресс-анализ вещества вне лабораторных условий. Терри и др. (см.: Terry SC, Jerman Ш, Angell JB. A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer. IEEE Transactions on Electron Devices. 1979;26(12):1880-1886) были первой группой, которая представила концепцию «миниатюрного газового хроматографа» и «планарной колонки», получаемой путем травления каналов в подложке, а не с использованием капилляров традиционной технологии.
Известен способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах (см.: Патент РФ №2540231 С1. Авторы: Платонов И.А., Арутюнов Ю.И., Голубев О.Н., Никитченко Н.В., Платонов В.И. Бюл. изобр. №4 от 10.02.2015, «Способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах»). Сущность изобретения заключается в том, что на поверхности плоской пластины получают каналы для микрохроматографической колонки с последующей их герметизацией и заполнением соответствующим сорбентом, причем каналы для микрохроматографической колонки на плоской пластине получают методом лазерной абляции, а плоские пластины выполняют из различных металлов, кремния, стекла или полимеров.
Известны также портативные и переносные газовые хроматографы для проведения конкретных видов анализа, имеющие относительно малые габариты, вес и малое время проведения анализа (см.: Я.И. Яшин, С.Я. Яшин, А.Я. Яшин. Газовая хроматография, - М.: Издательство «Транс-Лит», 2009. С.384-401).
Однако известные портативные и переносные хроматографы, как правило, уступают лабораторным по аналитическим характеристикам и кругу анализируемых объектов. Кроме того, недостатком известных микрохроматографических колонок является высокая дисперсия хроматографических пиков, обусловленная большой степенью неравномерности поля скоростей, что приводит к снижению эффективности разделительного процесса.
Одним из способов увеличения эффективности разделительного процесса внутри газохроматографической колонки является внедрение в ее структуру периодически повторяющихся вертикальных столбцов (пилларов), по высоте равных глубине канала колонки (см. Патент РФ №269166 МПК G01N 30/56 «Микрохроматограф с бинарными колонками на плоскости» Авторы: Платонов И.А., Арутюнов Ю.И. Платонов В.И. и др., Опубликовано: 17.06.2019 Бюл. №17). Применение пилларных газохроматографических колонок приводит к увеличению рабочей внутренней площади поверхности, а также к уменьшению продольной диффузии и выравниванию профиля скорости потока, что позволяет повысить эффективность колонки по сравнению с классическими капиллярными, насадочными и микронасадочными газохроматографическими колонками.
Перечисленные выше преимущества планарной
газохроматографической колонки пилларного типа подтверждаются результатами исследований, рассмотренных в статье «MEMS-based semi-packed gas chromatography columns» авторов AH S, Ashraf-Khorassani M, Taylor LT, AgahM (Sensors and Actuators В: Chemical. 2009;141(1):309-315). Согласно результатам, приведенным в статье, такой подход к конфигурации колонки увеличивает как емкость поверхности колонки, так и эффективность разделения по сравнению с планарными газохроматографическими колонками без пилларов. Кроме того, благодаря периодическому расположению пилларов эти колонки имеют более низкие перепады давления и вихревую диффузию по сравнению с обычными планарными колонками.
В статье «Пилларные МЭМС колонки для газовой хроматографии» авторов Платонов И.А., Платонов Вл. И., Платонов Вал. И., Рощупкина И.Ю. рассмотрены сорбционные и хроматографические свойства МЭМС колонок для газовой хроматографии пилларного и капиллярного типа, наполненных оксидом алюминия. Показано, что применение пилларных МЭМС колонок на плоскости позволяет на 30% увеличить их эффективность хроматографического разделения по сравнению с колонками капиллярного типа аналогичной формы и сечения.
Во всех перечисленных выше работах исследовались планарные газохроматографические колонки с пилларами круглого или квадратного профиля сечения. Данное изобретение улучшает эксплуатационные характеристики пилларных газохроматографических колонок за счет применения столбцов с формой, отличной от цилиндрической.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности планарных газохроматографических колонок за счет увеличения площади контакта исследуемого вещества (пробы) с адсорбирующими стенками колонки, улучшения степени управляемости газодинамическими параметрами потока, а также уменьшения вклада вихревой диффузии и обратных течений в поток пробы.
Решение поставленной задачи достигается за счет внедрения в состав газохроматографической колонки периодически повторяющихся вертикальных столбцов (пилларов) с каплевидным профилем сечения. Таким образом, предлагаемые колонки представляют собой реализованные в кремниевой подложке каналы с пилларами каплевидного профиля сечения, герметизированные неструктурированной кремниевой или стеклянной пластиной. Внутренняя поверхность создаваемых таким образом каналов модифицируется с целью придания заданных селективных и хроматографических свойств создаваемых разделительных колонок.
При решении поставленной задачи за счет интеграции в состав планарной газохроматографической колонки, реализованной на поверхности кремниевой подложки, вертикальных столбцов (пилларов) с каплевидным профилем сечения создается технический результат, который заключается в:
- увеличении рабочей площади контакта компонентов анализируемого вещества с внутренней поверхностью адсорбирующих стенок канала;
- увеличении степени управляемости параметрами потока анализируемого вещества внутри канала;
- уменьшении вклада вихревой диффузии и обратных течений в поток пробы за счет повышения аэродинамичности и обтекаемости пилларов, и, как следствие, увеличении эффективности разделения газовой смеси внутри колонки по сравнению с классическими капиллярными, насадочными, микронасадочными газохроматографическими колонками, а также в сравнении с пилларными колонками с цилиндрическим профилем сечения столбцов.
Таким образом, применение пилларов каплевидного профиля сечения в составе газохроматографической колонки позволит снизить минимальную ВЭТТ колонки по сравнению с классическими капиллярными колонками за счет меньшего аэродинамического сопротивления пилларов, чем применение пилларов цилиндрической формы.
Типовой алгоритм создания планарных газохроматографических колонок пилларного типа выглядит следующим образом:
1. разработка топологии канала для конкретной цели применения итогового устройства;
2. формирование топологии канала, с учетом габаритов и конфигурации пилларов, на поверхности кремниевой пластины посредством фотолитографии и глубокого анизотропного травления кремния (Bosh-процесс);
3. осаждение функциональных покрытий на поверхность каналов посредством магнетронного напыления;
4. герметизация канала кремниевой или стеклянной неструктурированной пластиной посредством анодного бондинга;
5. нанесение адсорбента на внутреннюю поверхность канала;
6. установка фитингов для подключения газовых линий к колонке. При изготовлении пилларов каплевидного профиля сечения следует
учитывать производственные ограничения технологического процесса их создания.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 изображен типовой внешний вид планарной газохроматографической колонки с пилларами каплевидного профиля сечения: 1 - область ввода капилляра, 2 - область вывода капилляра, 3 - увеличенная область канала, 4 - канал газохроматографической колонки, 5 - пиллар цилиндрического профиля сечения, 6 - пространство между каналами.
Claims (1)
- Планарная газохроматографическая колонка пилларного типа, состоящая из кремневой подложки с каналами, внутренняя поверхность которых модифицируется в зависимости от требуемых селективных и хроматографических свойств создаваемой разделительной колонки, содержащими периодически повторяющиеся вертикальные столбцы – пиллары, герметизированная неструктурированной кремниевой или стеклянной пластиной, отличающаяся тем, что пиллары в ее составе имеют каплевидный профиль сечения.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818140C1 true RU2818140C1 (ru) | 2024-04-24 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2124199C1 (ru) * | 1997-05-28 | 1998-12-27 | Ефимов Владимир Дмитриевич | Колонка для хроматографического разделения веществ |
| RU2540231C1 (ru) * | 2013-09-05 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах |
| WO2018172320A1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-09-27 | Koninklijke Philips N.V. | Gas chromatography column with polybutadiene coating |
| RU2691666C1 (ru) * | 2018-07-13 | 2019-06-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Микрохроматограф с бинарными колонками на плоскости |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2124199C1 (ru) * | 1997-05-28 | 1998-12-27 | Ефимов Владимир Дмитриевич | Колонка для хроматографического разделения веществ |
| RU2540231C1 (ru) * | 2013-09-05 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах |
| WO2018172320A1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-09-27 | Koninklijke Philips N.V. | Gas chromatography column with polybutadiene coating |
| RU2691666C1 (ru) * | 2018-07-13 | 2019-06-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Микрохроматограф с бинарными колонками на плоскости |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Haghighi et al. | Through the years with on-a-chip gas chromatography: a review | |
| Regmi et al. | Micro gas chromatography: An overview of critical components and their integration | |
| US8132443B2 (en) | Microfabricated gas chromatograph | |
| Kecskemeti et al. | Particle-based liquid chromatographic separations in microfluidic devices-A review | |
| US8641267B2 (en) | Fluidic conduit with repeated disturbance of laminar flow | |
| Faure | Liquid chromatography on chip | |
| Zotou | An overview of recent advances in HPLC instrumentation | |
| US7744818B2 (en) | Stationary phase materials for micro gas analyzer | |
| US20040194628A1 (en) | Microfabricated microconcentrator for sensors and gas chromatography | |
| AU2002357422A1 (en) | Microminiature gas chromatograph column | |
| Kim et al. | A microfabricated microconcentrator for sensors andgas chromatography | |
| WO2007030755A2 (en) | Variable flow rate system for column chromatography | |
| Sanchez et al. | A selective gas detection micro-device for monitoring the volatile organic compounds pollution | |
| CN101443659A (zh) | 用于流体分析仪的三晶片通道结构 | |
| US20210325351A1 (en) | Chromatographic analysis device employing multi-function integrated probe, and use method | |
| García et al. | Measuring protein interactions by microchip self‐interaction chromatography | |
| RU2818140C1 (ru) | Планарная газохроматографическая колонка с пилларами каплевидного профиля сечения | |
| Ünlüer et al. | Future of the modern age of analytical chemistry: Nanominiaturization | |
| US20070274867A1 (en) | Stationary phase for a micro fluid analyzer | |
| Wu et al. | Nanostructured pillars based on vertically aligned carbon nanotubes as the stationary phase in micro‐CEC | |
| US20210252480A1 (en) | Micro Circulatory Gas Chromatography System and Method | |
| CN112915590A (zh) | 用于轻烃分离的微色谱柱及制备方法 | |
| CN200982977Y (zh) | 一种用于集成固相萃取柱的微流控芯片 | |
| He et al. | Research progress on gas chromatography columns | |
| Sidel’nikov et al. | Stationary phases deposition on the planar columns capillaries |