TWI738581B

TWI738581B - 平板式氧化鋁氣相層析管柱及其製作方法

Info

Publication number: TWI738581B
Application number: TW109142558A
Authority: TW
Inventors: 呂家榮; 范智傑
Original assignee: 國立臺灣師範大學
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-09-01
Also published as: US20220176306A1; TW202222405A

Abstract

本發明提供一種可同時用於高沸點化合物及低沸點化合物分離的平板式氧化鋁氣相層析管柱，包含一成板狀的本體、自該本體的其中一表面向下形成的第一流道，及一形成於該第一流道的表面的靜相層，特別的是該靜相層是由多孔性氧化鋁構成。此外，本發明還提供前述平板式氧化鋁氣相層析管柱的製作方法。

Description

平板式氧化鋁氣相層析管柱及其製作方法

本發明是有關於一種層析管柱、其製作方法及用途，特別是指一種具有以陽極氧化鋁為靜相材料的平板式氧化鋁氣相層析管柱、其製作方法及陽極氧化鋁應用於層析管柱靜相材料的用途。

氣相層析是透過將待分析物加熱使其揮發成氣相後，再透過靜相材料與氣相待分析物之間不同的化學性質或物理性質的分佈，以對待分析物進行分離的方式。也因為氣相層析是於高溫條件下進行，因此，靜相材料的穩定性是影響層析結果的一重要因素。

以待分析物的沸點高低為例，目前常用於分離沸點較高(沸點高於65℃，或是碳數大於6)的化合物，一般是選用以高分子聚合物(例如聚矽烷類高分子聚合物)，作為靜相材料的聚合物氣相層析管柱；而分離沸點較低的小分子化合物，則是選擇以多孔性無機材料(例如分子篩、活性氧化鋁粉)為靜相材料氣相層析毛細管柱進行分離。當以前述聚合物氣相層析管柱分離沸點較低的化合物時，由於低沸點化合物的分子較小，擴散進入高分子聚合物時不易被高分子聚合物補捉吸附，因此，分離效果不佳。反之，若將高沸點的化合物利用多孔氣相層析管柱分離，因為一般多孔氣相層析管柱會再利用有機材料固定填充於管柱內的多孔性無機粒子，因此，若將多孔氣相層析管柱用於高溫層析時，該有機材料容易因高溫被破壞，而導致該多孔氣相層析管柱的損壞，此外，也容易因多孔性無機材料對高沸點化合物的吸附性過大，而容易會有高沸點化合物被吸附於靜相層無法離開管柱導致無法分離的缺點。所以，一般在分離不同沸點的化合物時需更換不同的管柱，才可有效地對高、低沸點的化合物進行分離。此外，因為氣相層析管柱的管徑極為細微，因此，也不易於在該層析管柱的內表面形成均勻且穩定的靜相材料。

因此，本發明的目的，即在提供一種可同時用於分離高沸點化合物及低沸點化合物的平板式氧化鋁氣相層析管柱。

於是，本發明的平板式氧化鋁氣相層析管柱，包含一鋁基材、一靜相層，及一封口層。

該鋁基材具有一成板狀的本體，及自該本體的其中一表面向下形成，成渦旋狀並供一待分析物進入的第一流道。該第一流道具有一第一內表面、一位於最外圍供該待分析物進入的入口，及一位於該第一流道的中心點並貫通該本體的流出口。

該靜相層形成於該第一內表面供與該待分析物接觸，具有一與該第一內表面一體連接的氧化鋁基體，及多數由該氧化鋁基體表面朝向該第一內表面方向延伸的奈米級孔洞。

該封口層與該鋁基材表面接合用以封閉該第一流道。

此外，本發明的另一目的，即在提供一種平板式氧化鋁氣相層析管柱製作方法。

於是，本發明平板式氧化鋁氣相層析管柱製作方法，包含一流道製作步驟，及一陽極氧化步驟。

該流道製作步驟是自一平板狀的鋁材的至少其中一表面向下形成一成漩渦狀的流道，且該流道的中心點會貫通該鋁材，得到一第一半成品。

該陽極氧化步驟是將該第一半成品置於電解槽中進行陽極氧化處理，令該鋁材形成一鋁基部，及一位於該鋁基部表面，並具有多數奈米級孔洞的多孔性氧化鋁，而於該流道形成一由該多孔性氧化鋁構成的靜相層，得到一第二半成品。

此外，本發明的又一目的，即在提供一種陽極氧化鋁的用途，適用於氣相層析管柱的靜相材料。

本發明的功效在於：透過將平板狀的鋁材進行表面加工形成流道，再進行陽極氧化處理，於該流道形成由多孔性陽極氧化鋁，即可得到均勻且可作為層析分離用的靜相層材料該靜相層不僅製作容易，且利用該多孔性陽極氧化鋁作為該平板式氣相層析管柱的靜相層，還可同時用於分離高、低沸點化合物而有更廣泛的應用。

2:鋁基材

21:本體

211:第一表面

212:第二表面

22:第一流道

221:第一內表面

222:入口

223:流出口

23:第二流道

231:第二內表面

232:出口

3:靜相層

31:氧化鋁基部

32:奈米級孔洞

4:封口層

40:膠材

51:流道製作步驟

52:陽極氧化步驟

53:封口步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視示意圖，說明本發明平板式氧化鋁氣相層析管柱的實施例；圖2是一剖視示意圖，說明沿圖1之II-II割面線的剖視結構；圖3是一文字流程圖，說明該實施例的製作流程；圖4是一氣相層析圖，說明利用習知DB-1氣相層析管柱對混合物1的分離結果；圖5是一氣相層析圖，說明利用本發明該實施例的氣相層析管柱對混合物1的分離結果；及圖6是一氣相層析圖，說明利用本發明該實施例的氣相層析管柱對混合物2的分離結果。

本發明的平板式氧化鋁氣相層析管柱為利用以具有多數奈米級孔洞的氧化鋁為靜相層構成材料，並可用於氣相層析儀進行高沸點化合物及低沸點化合物的分離。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。

參閱圖1、2，本發明平板式氧化鋁氣相層析管柱的一實施例，包含一鋁基材2、一靜相層3，及一封口層4。

該鋁基材2具有一由鋁構成並成板狀的本體21，及分別自該本體21的相對表面向下形成，成渦旋狀並供一待分析物進入的一第一流道22及一第二流道23。

詳細的說，該本體21具有彼此反向的一第一表面211，及一第二表面212。該第一流道22及該第二流道23分別自該第一表面211及該第二表面212向下形成。其中，該第一流道22具有一第一內表面221、一位於該第一流道22的最外圍，供該待分析物進入的入口222，及一位於該第一流道22的中心點並貫通該本體21的流出口223；該第二流道23具有一第二內表面231，及一位於該第二流道23的最外圍，供該待分析物流出的出口232，且該第二流道23的中心點與該第一流道22的流出口223連通。於本實施例中，該第一流道22及該第二流道23是以分別自該第一表面211及該第二表面212向下形成，概成U形並具有相同的內徑(直徑：1.0mm)及長度(3m)為例說明，然實際實施時，該第一流道22及該第二流道23 的形狀不以此為限。

該靜相層3分別形成於該第一內表面221及第二內表面231，用於接觸並分離該待分析物，具有分別與該第一內表面221及該第二內表面231一體連接的氧化鋁基部31，及多數自該氧化鋁基部31表面朝向該第一內表面221及該第二內表面231方向沿伸的奈米級孔洞32。

由於該等奈米級孔洞32會與該第一流道22及該第二流道23的延伸方向相垂直且該等奈米級孔洞32的入口與底部的直徑接近，因此，不會有習知以多孔性無機粒子為靜相材料，因為無機粒子的孔洞方向為隨機分布，且孔洞的入口較寬，底部較窄，而容易會有分析物困在孔洞底部無法流出的缺點，因此，本案以多孔性氧化鋁構成的該靜相層3可同時應用於高、低沸點化合物的分離且可均具有良好的分離結果。

該封口層4與該鋁基材2表面接合用以封閉該第一流道22及該第二流道23。詳細的說，該封口層4是透過膠材40，分別與該第一表面211及該第二表面212貼合，以封閉該第一流道22及該第二流道23。

要說明的是，由於本發明該平板式氧化鋁氣相層析管柱可同時用於分離高沸點化合物及低沸點化合物，因此，為了可適用於高溫條件，該封口層4與該膠材40選自耐熱性不小於300℃的材料。

此外，由於該鋁基材2為鋼性材料，因此，為了避免該封口層4與該鋁基材2因膨脹系數不同，而於熱壓貼合或是使用過程因溫度變化造成接合處變形、剝離，或封口層龜裂的問題，因此，較佳地，該封口層4選自具有可撓性且耐熱性佳的材料，以提供較大的變形彈性。於一些實施例中，該封口層4為鋁箔，該膠材為耐熱性不小於300℃的無機膠材(例如玻璃粉)或高分子聚合物。

於一些實施例中，該第一流道22及該第二流道23的直徑約介於0.001~1公分。

於一些實施例中，該等奈米級孔洞32的直徑介於10~500nm，且深度介於0.01~500μm。

配合參閱圖1、3，茲將前述該平板式氧化鋁氣相層析管柱實施例的製作方法說明如下。

首先，進行一流道製作步驟51，提供一由鋁為材料構成且成平板狀的鋁材。

接著，自該鋁材彼此反向的該第一表面211及該第二表面212分別向下加工以形成漩渦狀的該第一流道22及該第二流道23，並於該第一流道22的中心形成貫穿該鋁材並與該第二流道23的中心點連通的該流出口223，得到一第一半成品。

前述形成該第一流道22及該第二流道23的加工方式可以是利用機械加工、化學蝕刻，或雷射燒蝕等方式進行，由於利用該等方式對鋁材加工為相關技術領域習知，因此，不再多加說明。

接著，進行一陽極氧化步驟52，以該第一半成品為陽極，置於電解槽中進行陽極氧化處理，讓該第一半成品自表面逐漸向下轉變形成氧化鋁，並自該氧化鋁表面向下形成多數的奈米級孔洞，令該鋁材形成一由未氧化的鋁構成的鋁基部，及一位於該鋁基部表面，並具有多數奈米級孔洞的多孔性氧化鋁，而得到如圖1所示，具有由未氧化的鋁所構成的該本體21，及位於該第一流道22及第二流道23，與該本體21一體連接並由多孔性氧化鋁構成的該靜相層3，而該得到一第二半成品。

具體的說，前述該陽極氧化處理條件是在電壓介於10~200V、溫度介於-10~60℃，且陽極氧化時間介於0.1~1000分鐘的條件下進行。

最後，進行一封口步驟53，利用該膠材40將一具有可撓性的封口層4黏接於該第二半成品的表面，以封閉該第一流道22及該第二流道23。

具體的說，於本實施例是利用熔融的玻璃粉為該膠材40，將由鋁箔構成的該封口層40透過熱壓熔接方式，分別黏接於該第二半成品的兩個表面，以封閉該第一流道22及該第二流道23，即可得到如圖1所示的平板式氧化鋁氣相層析管柱。

由於本發明該第一流道22及該第二流道23是以平面方式加工而得，不僅製程簡便且流道的尺寸也更容易控制。此外，由於本發明的該靜相層3是透過陽極氧化方式直接形成於該第一流道22及第二流道23，因此，可避免習知的靜相材料無法均勻塗佈或填充於管柱內部的問題。再者，因為本發明的層析管柱為平板式，因此，可利用製程控制，令該第一流道22及第二流道23形成該鋁材的兩相對表面且相互連通，所以，還可在不增加管柱空間的前提下增加管柱的整體長度，而可提供更佳的分離效果。

要說明的是，於一些實施例中，當該層析管柱的長度不需要太長時，該供分離用的流道(第一流道22、第二流道23)也可僅擇一形成於該鋁材的其中一表面，而無須於該鋁材的兩個表面均形成流道。

使用本發明該平板式氧化鋁氣相層析管柱時，將該入口222及該出口232分別與一氣相層析儀(圖未示)的注入口及分析裝置連接即可。

分離時，待分析物則經由該氣相層析儀(圖未示)的注入口，自該第一流道22的入口222進入該第一流道22，沿著該第一流道22流至該流出口223，並經由該流出口223進入該第二流道23，最後自該第二流道23的出口232流出，再進入該分析裝置即可進行檢測分析。

接著，利用本發明該實施例製得，具有雙流道(第一、二流道22、23)的平板式氧化鋁氣相層析管柱，以及市售以聚矽烷類聚合物為靜相層材料的層析管柱(DB-1，廠商：Agilent)，對混合物1進行氣相層析，並將分離結果顯示於圖4、5。其中，該混合物1是含有C₁~C₁₂的直鏈烷類化合物。

茲將該氣相層析的參數條件整理於表1

參閱圖4，圖4是以市售的高分子聚合物為靜相層材料同時對高、低沸點化合物進行分離的結果，且圖4中C₁~C₁₂的標號對應的即是該混合物1中相同碳數的直鏈烷類化合物。由圖4可知，因為高分子聚合物類型的靜相材料，本來就是一般用於分離高沸點化合物的層析材料，因此，其對碳數大於5(C₅~C₁₂)的烷類分離效果佳，而對碳數小於4(C₁~C₄)的烷類的分離性較差，此也符合高分子聚合物層析管柱的預期結果。反觀圖5，圖5中C₁~C₁₂的標號對應的也是該混合物1中相同碳數的直鏈烷類化合物。由圖5可清楚看出本發明之層析管柱於較短的長度即可具有良好的分離效果，且該多孔性氧化鋁的靜相層不僅可對低沸點(C₁~C₄)的烷類化合物可具有極佳的分離結果，且對高沸點(C₅~C₁₂)烷類化合物的分離也具有與市售的高分子聚合物靜相材料相當的分離效果，顯示，本案的靜相層確實可同時應用於高、低沸點化物合的分離，且均具有良好的分離效果。

此外，進一步參閱圖6，圖6為利用本發明該實施例製得的平板式氧化鋁氣相層析管柱以與表1相同的氣相層析參數對混合物2進行分離的結果。其中，該混合物2是含有C₁~C₁₀的直鏈烷類化合物、C₂-C₄的烯類化合物，及含苯環類化合物。由圖6的層析結果也可清楚看出，本發明該實施例的層析管柱對具有高、低沸點且不同結構(烷類、烯類、芳香類)的混合物也同樣可具有良好的分離性。

綜上所述，本發明利用多孔性氧化鋁作為氣相層析管柱的靜相材料，由於該多孔性氧化鋁是鋁於陽極氧化過程氧化形成，所以，本發明該靜相材料之間無須像習知的多孔氣相層析管柱的靜相材料(多孔性無機粒子)需要利用有機材料固定，而可同時應用於高溫及低溫氣相層析。此外，因為本發明的層析管柱是對鋁板進行平面加工而形成可用以分離的流道，再透過陽極氧化處理方式直接於流道內形成靜相材料，因此，製程簡單容易控制。此外，利用分別於該鋁材的兩相對表面形成可相互連通的流道，還可在不增加空間的前提下增加管柱的整體長度，而可提供更佳的分離效果，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。