MEMS半填充气相色谱柱研究*

李 臆, 杜晓松, 高 超, 蒋亚东, 齐 虹, 王永刚

(1.电子科技大学 光电信息学院 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054;2.中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

20世纪初,填充柱作为分离柱在色谱技术领域中被广泛应用,其特点是在柱内填充附有固定相的微颗粒物使通过柱子的混合物进行分离。由于填充柱的敏感度低，固定相流失严重，运行温度梯度时平衡较慢，逐渐被毛细石英管柱所替代[1,2]。随着微细加工技术的发展，色谱柱已朝微型化方面转型，实现了μm级结构[3]。同时微机电系统(MEMS)技术可对基材表面设计不同的二维结构，提高了色谱柱可塑性，避免了毛细管柱内进行微结构加工所带来的难度[4]。在微型色谱柱管道内设计半填柱不仅吸收了混合物在填充柱内带宽窄，减少层流影响的特点，也结合了色谱峰在毛细管柱内分辨率高，分析结构重复性好的优势。实现了填充柱微型化，高柱效的性能。

微型色谱柱微型化最早是由美国斯坦福大学的Terry Stephen 等人提出，最初主要是以化学腐蚀为主对以硅为基材的表面进行湿法刻蚀。如1998年,桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)将硅片料浸泡在腐蚀液内进行湿法刻蚀，形成开口微型色谱柱[5]。同时由于腐蚀溶液浓度和温度的均匀性难以精确控制，所以，会造成最后的结构成型与最初的设计有很大的误差，这对湿法刻蚀来说是很难跨越的技术障碍。近几年，随着等离子刻蚀技术的问世，反应离子刻蚀(RIE)，电子回旋共振刻蚀(ECR)，电感耦合等离子体刻蚀(ICP)等刻蚀技术被广泛应用到微结构制作中，尤其是ICP刻蚀具有刻蚀速度快、选择比高、各向异性好的特征。在微型色谱柱结构设计中，蚀刻的纵横比直接影响了柱效和分离效率，所以，目前ICP刻蚀已成为微型色谱柱的制作的主要手段[6，7]。

对微型色谱柱的研究过程中，密歇根大学实现了对色谱柱结构的微型化，如一种25 cm长的微型色谱柱，其外形比一枚5分钱的硬币还小[8]。弗吉尼亚大学Masoud Agah 教授的团队设计出一种快速分离的微型色谱柱，能在10 s内分离组份[9],提高了色谱柱的快速分离效果。同时,我国中国科学院在2009年设计出单道微型色谱柱，使混合组份在柱内完全分离[10]。

本文采用MEMS技术设计一种微型半填充柱对酯类混合进行分离，通过μm级半填充柱和短柱长，使微型柱达到快速，同时兼并高分离效果。

1 实验材料和方法

1.1 材料

硅片N型掺P 〈100〉/〈110〉，厚度为800μm;Pyrex 7740 玻璃；SE—54固定相(5 %苯基—95 %甲基聚硅氧烷)；正戊烷，纯度98 %；二氯甲烷 ，纯度95 %。

1.2 MEMS—色谱柱制造

色谱柱采用深反应离子刻蚀技术加工在硅片上，刻蚀深度为250 μm, 其色谱柱全长1 m,横截面为矩形，宽度为160 μm,在槽道内设计20 μm×20 μm半填充柱，同时也制作单道宽160 μm色谱柱，在测试中与前者相比较。硅片正面采用深刻蚀技术加工色谱柱通道，其刻蚀流程如图1所示。图2是蚀刻后用SEM对微型色谱柱所拍摄的横截面结构图。深刻蚀完成后,硅片与Pyrex 7740玻璃进行键合,形成密封的色谱柱。密封好的微型色谱如图3所示。色谱柱两端接口与空毛细管柱相连。

图1 MEMS气相色谱柱的制备步骤

图2 半填充柱的横截面结构

图3 封装好的半填充柱

1.3 微型色谱柱涂覆

对于色谱柱的涂覆方法主要为静态和动态2种涂覆法，本实验中对微型色谱柱主要采用静态涂覆法。首先将0.1g 的SE—54固定相与 2 mL正戊烷和二氯甲烷(按1∶1比配)的溶液混合。对混合溶液磁力搅拌30 min后，把溶液灌注进色谱柱;然后用胶封住一头毛细管柱，另外一头毛细管柱与泵相连;把微型色谱放入40 ℃水浴锅里，同时运行抽气泵，持续2 h;涂覆完后将色谱柱放在加热板上进行老化，以5 ℃/min升温，最后达到240 ℃对其老化4 h。如图4是涂覆完成后固定相在槽道内形成的薄膜。

图4 涂覆后的固定相膜

2 实验结果与讨论

2.1 微型色谱填充柱结构原理分析

本实验中采用范第姆特方程(Van Deemter equation)对气体在微型半填充柱中色谱峰扩张和柱效进行解释，其方程为

范第姆特方程是将峰形的改变归结为理论塔板高度的变化，理论塔板高度的变化则源于若干原因，包括涡流扩散、纵向扩散和传质阻抗等。其中,A代表涡流扩散，是由于色谱柱内固定相填充的不均匀性，同一个组分会沿着不同的路径通过色谱柱，从而造成峰的扩张和柱效的降低。在微型柱设计中，其半填充柱排列均匀一致，所以,在微填充柱内涡流扩散影响很小，可以忽略。B为纵向扩散系数，是由浓度梯度引起，当组分集中在色谱柱的某个区域会在浓度梯度的驱动下沿着径向发生扩散，使得峰形变宽，柱效下降。C为传质阻抗，是固定相与流动相的平衡之后由于在固定相与流动相传质存在着阻力引起的峰展宽。C项可表示为

C=Cm+Cs,

式中Cm为流动相中传质阻力引起的峰展宽，Cs为固定相中传质阻力引起的峰展宽，气体在槽道中流动时，会出现层流现象，出现抛物线形状的流动结构。当槽道变窄时，气体在流动相中的带宽随之变窄，使峰宽变窄。本实验中对160 μm单道色谱柱和微型填充柱的速度云图进行模拟比较，如图5。

图5 气体通过微半填充柱与单道柱的速度云图

设定2种微型柱的进口压力为4 Pa，以稳压状态对微型柱注入乙烷。当乙烷在160 μm的单道柱柱中流动时，气体成抛物线型的层流方式流动，在相同的压力状态下，流速度远大于气体在微型填充柱内的流速。这说明在相同的压力条件下，分析气体在单道柱中的保留时间会变短，使柱效变低。气体在微填充柱内流动时，流速云图由3个连续的小抛物线组成，其带宽是单道柱内的1/3。所以，气体在流动相中的带宽随之变窄，提高了柱效。同时固定相表面积在微填充柱内提高了30 %，增加了气体的分配系数，使分离效率提高。

2.2 对神经毒剂模拟剂与芥子气模拟剂分离

首先选取了甲基膦酸二甲酯(DMMP)与磷酸三乙酯(TEP)作为神经毒剂模拟剂，水杨酸甲酯(Methy salicylate)为芥子气模拟剂，3种模拟剂都为酯类化合物。把微填充柱与Agilent 6890 GC系统连接，用气密针注入0.2 μL按1∶1∶1混合的模拟剂。系统设定进口压力为14.1 kPa，以初始温度为140 ℃，60 ℃/min的程温方式加热到200 ℃。如图6,3种混合气体在60 s内被完全分离。其中,TEP与水杨酸甲酯的沸点间隔仅为4 ℃。从图中可以看到微填充柱能实现对分析物快速有效分离。

图6 微半填充柱对3种化学战剂模拟剂的分离

2.3 对酯类食品添加剂分离

近几年,由于添加剂滥用造成食品污染案例增多，对于食品污染物的化学分析也供不应求,所以,实现快速分离分析污染物是未来趋势。本实验选取4种酯类食品添加剂(甲酸乙酯、乙酸丁酯、乳酸乙酯、庚酸乙酯)，用微填充柱对其进行快速分离。 实验中进口压力设定为15.8 kPa，以初始温度为100 ℃，60 ℃/min的程温方式加热到200 ℃。如图7，4种混合物在75 s内被完全分离。通过图型可算出有效塔板数

图7 微半填充柱对4种酯类食品添加剂进行分离

图中选取保留时间为73 s的庚酸乙酯，通过计算其塔板数为4 560 plates/m。目前在商业应用中的毛细管柱的塔板数一般在3 000～5 000 plates/m，与之相比,本实验中的微填充柱在保留柱效的同时，缩短了分离时间。

3 结束语

本实验通过MEMS 技术设计制作一种微型半填充气相色谱柱，实现了对填充柱的微型化。运用理论模拟分析可以得出微填充柱具有高柱效和高分离效率的能力。同时通过实验，对几种酯类化合物进行分离，从实验数据证实微半填充色谱柱具有快速有效的分离能力，在未来的应用中具有广阔的前景。

参考文献:

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