一種微型氣相色譜柱芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術(shù)和色譜分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氣相色譜芯片及其制備方法，尤其涉及一種微型氣相色譜柱芯片及其制備方法，該芯片適用于混合氣體的分離，可以應(yīng)用于食品安全，藥物檢測(cè)，野外環(huán)境勘測(cè)等。
【背景技術(shù)】
[0002]色譜法是一種分離和分析方法，在分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域有著非常廣泛的使用。色譜法利用不同物質(zhì)在不同相態(tài)的選擇性分配的選擇性分配，以流動(dòng)相對(duì)固定相的混合物進(jìn)行洗脫，混合物中不同物質(zhì)會(huì)以不同的速度沿固定相移動(dòng)、最終達(dá)到分離效果。傳統(tǒng)氣相色譜因?yàn)轶w積龐大，不利于攜帶，無(wú)法滿足分析檢測(cè)對(duì)“時(shí)效性”和“便攜性”的需求。
[0003]為了適應(yīng)各種檢測(cè)場(chǎng)景的需求，基于MEMS技術(shù)的微型氣相色譜柱，因?yàn)槠渚哂畜w積小，分析速度快，便于攜帶等能力備受青睞。因此，基于硅，玻璃，金屬等材料的微型氣相色譜得到了廣泛的研究。
[0004]但是現(xiàn)有的這些微型氣相色譜柱芯片，由于受到尺寸的限制，色譜柱的長(zhǎng)度十分有限，因此，溝道內(nèi)固定相的面積有限，因此導(dǎo)致了分離過(guò)程中，固定相與混合物接觸不均勻?qū)е铝嘶旌衔锓蛛x不充分;另一方面，由于固定相種類的限制，導(dǎo)致了一種微型色譜柱對(duì)復(fù)雜混合氣體的分離性能。因此，以上的這些不利因素，限制了微型色譜柱的分離性能，降低了低濃度樣品的響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微型氣相色譜柱芯片及其制備方法，該芯片具有高分離速度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的微型氣相色譜柱芯片，包括硅基底，在硅基底上具有依次連通的平行溝道，在溝道內(nèi)具有規(guī)則排列的硅基圓柱體，圓柱體高度與溝道深度一致，在硅基底上還開(kāi)有進(jìn)氣口和出氣口，硅基底上設(shè)有密封層，二者通過(guò)密封膠密封，使得進(jìn)氣口、溝道和出氣口形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內(nèi)溝道與圓柱體表面上具有雙層固定相結(jié)構(gòu)，所述的雙層固定相結(jié)構(gòu)為PDMS層(聚二甲基硅氧烷)和覆于PDMS層上的碳納米管層，雙層固定相結(jié)構(gòu)的總厚度為1-2μηι。
[0007]上述技術(shù)方案中，所述的溝道的寬度與溝道壁寬度相同，均為120_180μπι。
[0008]所述的溝道內(nèi)具有兩列圓柱體，圓柱體的直徑、兩列圓柱體的間距以及各圓柱體到其相鄰溝道側(cè)壁的距離均為溝道寬度的1/5。
[0009]進(jìn)氣口位于溝道的一端，與進(jìn)樣系統(tǒng)相連；出氣口位于溝道的另一端，與檢測(cè)器相連。
[0010]制備上述的微型氣相色譜柱芯片的方法，包括如下步驟:
[0011]I)采用光刻技術(shù)結(jié)合深刻蝕技術(shù)或者化學(xué)腐蝕在潔凈的硅基底上刻蝕出依次連通的平行溝道及與溝道兩端分別相連的進(jìn)氣口和出氣口，同時(shí)在溝道內(nèi)刻蝕出圓柱體；
[0012]2)洗凈硅基底上的光刻膠，在密封層上涂覆密封膠，再翻置蓋于上述硅基底上實(shí)現(xiàn)密封，在硅基底內(nèi)形成一條密閉的氣流通道；
[0013]3)采用動(dòng)態(tài)涂覆法，先采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的PDMS溶液對(duì)上述氣流通道進(jìn)行涂覆；再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的碳納米管懸濁液進(jìn)行涂覆，固化，獲得微型氣相色譜柱芯片。
[0014]由于在涂覆過(guò)程之前，需要在芯片的進(jìn)氣口和出氣口分別插入毛細(xì)管，同時(shí)用PDMS涂覆于毛細(xì)管與進(jìn)氣口、出氣口的接觸部位使毛細(xì)管固定，但該過(guò)程中，由于毛細(xì)效應(yīng)的存在，往往會(huì)導(dǎo)致PDMS倒吸進(jìn)入芯片溝道，從而堵塞溝道，造成芯片報(bào)廢。因此將所述的進(jìn)氣口和出氣口均設(shè)計(jì)為一條中部向外擴(kuò)張的溝槽，這樣當(dāng)發(fā)生倒吸時(shí)，I3DMS會(huì)儲(chǔ)存于外擴(kuò)空間形成的緩沖區(qū)域內(nèi)而不會(huì)進(jìn)入芯片溝道中，避免了堵塞。
[0015]本發(fā)明的微型氣相色譜柱芯片，由于圓柱體的存在，固定相在溝道與圓柱體表面附著，因此使得固定相的表面積大大增加，由于固定相表面積的增加，在獲得相同分析效果的前提下可以適當(dāng)縮短溝道的長(zhǎng)度，從而有利于減小微型氣相色譜柱芯片的大小。
[0016]而且本發(fā)明的微型氣相色譜柱芯片所用的固定相為雙層固定相結(jié)構(gòu)，因?yàn)镻DMS和碳納米管的極性不同，因此采用該雙層結(jié)構(gòu)作為固定相可使得本發(fā)明的芯片對(duì)極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)都具有高分辨率和高分離速度。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是微型氣相色譜柱芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是微型氣相色譜柱芯片中溝道的示意圖；
[0019]圖3是進(jìn)氣口和出氣口的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是制備本發(fā)明微型氣相色譜柱芯片的方法流程圖；
[0021]圖5是本發(fā)明的芯片對(duì)碳原子數(shù)從5到17的正構(gòu)烷烴進(jìn)行分離的結(jié)果。
[0022]圖6是本發(fā)明的芯片對(duì)甲醇至丁醇進(jìn)行的分離結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]如圖1、2所示，本發(fā)明的微型氣相色譜柱芯片，包括硅基底I，在硅基底上具有依次連通的平行溝道4，在溝道內(nèi)具有規(guī)則排列的硅基圓柱體3，圓柱體的規(guī)則排列能使得溝道內(nèi)的氣壓增加，有利于增加氣體流速，增加分離速度；圓柱體高度與溝道深度一致，在硅基底上還開(kāi)有進(jìn)氣口 7和出氣口 8，進(jìn)氣口位于溝道的一端，與進(jìn)樣系統(tǒng)相連；出氣口位于溝道的另一端，與檢測(cè)器相連。進(jìn)氣口和出氣口均設(shè)計(jì)為一條中部向外擴(kuò)張形成緩沖空間的溝槽，如圖3所示。
[0025]硅基底上設(shè)有密封層2，二者通過(guò)密封膠密封，使得進(jìn)氣口、溝道和出氣口形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內(nèi)溝道與圓柱體表面上具有雙層固定相結(jié)構(gòu)，所述的雙層固定相結(jié)構(gòu)為PDMS層(聚二甲基娃氧燒)5和覆于PDMS層上的碳納米管層6，層固定相結(jié)構(gòu)的總厚度為1-2M1。所述密封層由能夠與硅基底進(jìn)行鍵合的材料構(gòu)成，例如玻璃，硅片等。密封膠可采用紫外膠。
[0026]分析樣品從進(jìn)氣口進(jìn)入該色譜柱芯片，被固定相表面吸附、解吸附，因?yàn)槊糠N氣體成分所需要的吸附和解吸附所用的時(shí)間不同，從而，每種樣品逐一從出氣口出來(lái)，實(shí)現(xiàn)分離。
[0027]使用雙層固定相結(jié)構(gòu)，可以使得固定相的性能增強(qiáng)，即使分離復(fù)雜的氣體混合物也有高分辨率。
[0028]上述技術(shù)方案中，所述的溝道的寬度與溝道壁寬度相同，均為120_180μπι。
[0029]所述的溝道內(nèi)具有兩列圓柱體，圓柱體的直徑、兩列圓柱體的間距以及各圓柱體到其相鄰溝道側(cè)壁的距離均為溝道寬度的1/5。
[0030]如圖4所示，制備上述的微型氣相色譜柱芯片的方法，包括如下步驟:
[0031]I)采用光刻技術(shù)結(jié)合深刻蝕技術(shù)或者化學(xué)腐蝕在潔凈的硅基底上刻蝕出依次連通的平行溝道及與溝道兩端分別相連的進(jìn)氣口和出氣口，同時(shí)在溝道內(nèi)刻蝕出圓柱體;具體如下:
[0032]選用P型的單面拋光的硅片，其厚度為500微米，將其洗凈；
[0033]去除表面雜質(zhì)后，在其表面進(jìn)行光刻。選擇AR-P5320光刻膠，在前轉(zhuǎn)速率500轉(zhuǎn)/分鐘，前轉(zhuǎn)時(shí)間5秒，后轉(zhuǎn)速率1000轉(zhuǎn)/分鐘，后轉(zhuǎn)時(shí)間40秒的條件下在硅基底5拋光表面進(jìn)行光刻膠的旋涂。
[0034]旋涂之后，將硅基底5放在溫度為110攝氏度的烘臺(tái)上前烘4分鐘。
[0035]前烘之后，將硅基底5進(jìn)行曝光，曝光功率為280瓦，曝光時(shí)間18秒。
[0036]曝光之后，將硅基底5放入AR 300-26的顯影液中進(jìn)行顯影，顯影液與水的比例為1:1，顯影時(shí)間為150秒。
[0037]顯影之后，將硅基底5放入溫度為90攝氏度的烘箱中后烘30分鐘，后烘是為了在后面深刻蝕當(dāng)中，刻蝕機(jī)的反射功率盡量小。
[0038]后烘之后，將硅基底5用刻蝕機(jī)進(jìn)行深刻蝕，深刻蝕使得溝道的深度和圓柱體的高度都為300微米。
[0039]2)洗凈硅基底上的光刻膠，在密封層上涂覆密封膠，再翻置蓋于上述硅基底上實(shí)現(xiàn)密封，在硅基底內(nèi)形成一條密閉的氣流通道;具體可采用玻璃與硅基底實(shí)現(xiàn)密封。密封通過(guò)型號(hào)為NORLAND OPTICAL ADHESIVE noa61的紫外膠實(shí)現(xiàn)。
[0040]3)采用動(dòng)態(tài)涂覆法，先采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的PDMS溶液對(duì)上述氣流通道進(jìn)行涂覆；再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的碳納米管懸濁液進(jìn)行涂覆，固化，獲得微型氣相色譜柱芯片。碳納米管可以采用多壁碳納米管或者單壁碳納米管，完成涂覆之后，可以將其放入溫度為120攝氏度的烘箱內(nèi)2小時(shí)，使溝道和圓柱體表面的固定相完全固化。
[0041]圖5是本發(fā)明的芯片對(duì)碳原子數(shù)為5到17的正構(gòu)烷烴進(jìn)行分離的結(jié)果，從圖中可以看出，分離13種物質(zhì)所需的時(shí)間僅為5分鐘左右，且分離結(jié)果具有較高的分辨率。
[0042]圖6是本發(fā)明的芯片對(duì)甲醇至丁醇進(jìn)行分離的結(jié)果，從圖中可以看出，對(duì)于該4種極性物質(zhì)，本專利的雙層結(jié)構(gòu)固定相仍然具有較好的分辨率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，包括硅基底(I)，在硅基底(I)上具有依次連通的平行溝道(4)，在溝道(4)內(nèi)具有規(guī)則排列的硅基圓柱體(3)，圓柱體(3)高度與溝道深度一致，在硅基底上還開(kāi)有進(jìn)氣口(7)和出氣口(8)，硅基底(I)上設(shè)有密封層(2)，二者通過(guò)密封膠密封，使得進(jìn)氣口(7)、溝道(4)和出氣口(8)形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內(nèi)溝道(4)與圓柱體(3)表面上具有雙層固定相結(jié)構(gòu)，所述的雙層固定相結(jié)構(gòu)為PDMS層(5)和覆于PDMS層上的碳納米管層(6)，雙層固定相結(jié)構(gòu)的總厚度為1-2μπι。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，所述的溝道的寬度與溝道壁寬度相同，均為120-180μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，所述的溝道內(nèi)具有兩列圓柱體，圓柱體的直徑、兩列圓柱體的間距以及各圓柱體到其相鄰溝道側(cè)壁的距離均為溝道寬度的1/5。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片，其特征在于，所述的進(jìn)氣口和出氣口均為一條中部向外擴(kuò)張的溝槽。5.制備如權(quán)利要求1所述的微型氣相色譜柱芯片的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)采用光刻技術(shù)結(jié)合深刻蝕技術(shù)或者化學(xué)腐蝕在潔凈的硅基底上刻蝕出依次連通的平行溝道及與溝道兩端分別相連的進(jìn)氣口和出氣口，同時(shí)在溝道內(nèi)刻蝕出圓柱體； 2)洗凈硅基底上的光刻膠，在密封層上涂覆密封膠，再翻置蓋于上述硅基底上實(shí)現(xiàn)密封，在娃基底內(nèi)形成一條密閉的氣流通道； 3)采用動(dòng)態(tài)涂覆法，先采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的PDMS溶液對(duì)上述氣流通道進(jìn)行涂覆;再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的碳納米管懸濁液進(jìn)行涂覆，固化，獲得微型氣相色譜柱芯片。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微型氣相色譜柱芯片，該芯片包括硅基底，在硅基底上具有依次連通的平行溝道，在溝道內(nèi)具有規(guī)則排列的硅基圓柱體，圓柱體高度與溝道深度一致，在硅基底上還開(kāi)有進(jìn)氣口和出氣口，硅基底上設(shè)有密封層，二者通過(guò)密封膠密封，使得進(jìn)氣口、溝道和出氣口形成一條密閉的氣流通道，在氣體通道內(nèi)溝道與圓柱體表面上具有雙層固定相結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的芯片通過(guò)圓柱體結(jié)構(gòu)可以增加固定相的接觸面積，同時(shí)采用雙層固定相結(jié)構(gòu)，不僅能夠增強(qiáng)色譜柱芯片的分離能力，同時(shí)還能夠增加芯片對(duì)樣品的分離種類。
【IPC分類】B81B1/00, B81C1/00, G01N30/60
【公開(kāi)號(hào)】CN105510490
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510888973
【發(fā)明人】汪小知, 王濤, 張潤(rùn)州
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年12月5日