以介孔二氧化硅为固定相的高性能微色谱柱

杨雪蕾 赵斌 冯飞 周海梅 杨恒 李昕欣

摘 要 基于微机电系统（Micro-electro-mechanical system， MEMS）技术设计制造了一种含有椭圆微柱阵列的半填充微色谱柱，此微色谱柱内壁以孔径约2 nm、具有大比表面积的介孔二氧化硅（Mesoporous silica，MS）薄膜为固定相。在相同进样量下，采用程序升温模式进行测试，以介孔二氧化硅为固定相的微色谱柱，可实现烷烃（C5～C10）的基线分离，其中戊烷与溶剂（杂质）峰分离度达3.6，与以二甲基硅油（Polydimethylsiloxane，PDMS）为固定相的微色谱柱相比，辛烷理论塔板数提高了46%，可达14458 plates， 壬烷的峰面积提高了349.8%。

关键词 介孔二氧化硅; 半填充微色谱柱; 微机电系统

1 引 言

气相色谱（GC）是一项应用广泛的分析检测技术，常用于医疗诊断、环境监测和石油炼制等领域[1～3]。传统的商业气相色谱仪由于体积大、质量重、功耗高，难以满足实时、现场的检测需求。为了进一步适应各种检测要求和检测环境，气相色谱系统的微型化成为重要的发展方向之一[4～7]。其中，气相色谱柱的微型化是氣相色谱系统微型化的关键环节。

微机电系统（Micro-electro-mechanical system， MEMS）技术为气相色谱柱的微型化提供了关键的技术支持[8～11]。20世纪70年代末，美国斯坦福大学Terry等[12]制造出基于MEMS技术的硅基微型气相色谱柱，开启了MEMS技术用于气相色谱柱微型化的研究。基于MEMS技术制造的气相微色谱柱具有体积小、功耗低、分析时间短的优点[13，14]。影响气相微色谱柱分离性能的关键因素是内部结构[15]和固定相[16]。目前，按照内部结构将气相微色谱柱主要分为三类： 开口微色谱柱、半填充微色谱柱和填充微色谱柱。其中，半填充微色谱柱兼具开口微色谱柱柱压降低和填充微色谱柱比表面积大的优点，在微型化研究中受到了广泛关注。2009年，美国弗吉利亚大学Ali等[17]设计了一种含有方形微柱阵列的半填充微色谱柱，首次提出了半填充微色谱柱的概念。2017年，为进一步的增大表面积，提高分离性能，Shakeel等[18]设计了含有密排圆形微柱阵列的半填充微色谱柱，但该色谱柱在提升表面积的同时带来柱压降增大的困扰。2018年，本研究组在前期工作中设计了含有椭圆微柱阵列的半填充微色谱柱[19]，该结构在增加了表面积的同时，实现了柱压降的降低。

另一方面，还可通过构筑具有大比表面积的纳米结构材料作为固定相，增大柱内表面积，提高分离性能。如金纳米粒子[20]、二氧化硅纳米粒子[21]和氧化铝纳米粒子[22]已被应用于微色谱柱的研究中，并获得了较好的分离效果。介孔二氧化硅（Mesoporous silica， MS）材料具有大的比表面积和有序的结构，并且生产成本低，化学稳定性和热稳定性好，这些优点使得MS在分离、催化、传感器等领域受到了广泛关注[23]。本课题组在前期工作中完成了对介孔二氧化硅作为固定相载体[24]和介孔二氧化硅孔径大小对分离性能的影响[25]的研究。在前期工作基础上，基于MEMS技术制备了一种含有椭圆微柱阵列的半填充微色谱柱，进一步对比研究了分别以介孔二氧化硅和二甲基硅油为固定相时的分离性能。

本研究以十六烷基三甲基溴铵（Cetyltriethylammnonium bromide，CTAB）为模板剂，采用溶胶-凝胶法合成介孔二氧化硅，再通过提拉法将介孔二氧化硅薄膜构筑到具有椭圆微柱阵列的半填充微色谱柱表面，作为固定相（MS-Column）增大表面积，提高分离性能。与二甲基硅油（Polydimethylsiloxane， PDMS）为固定相的微色谱柱（PDMS-Column）对比，此微色谱柱实现了烷烃（C5～C10）的基线分离，其中戊烷和溶剂（杂质）峰的分离度显著提高，达到3.6; 辛烷理论塔板数提高了46%，达到14458 plates; 壬烷的峰面积提高了349.8%。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Magellan 400场发射扫描电子显微镜（美国FEI公司），加速电压2 kV; GC2014色谱分析仪（日本Shimadzu 公司）。CTAB（美国Sigma-Aldrich公司）; 正硅酸乙酯（Tetraethoxysilane，TEOS，美国Aladdin公司）; PDMS（美国Aladdin公司）; 烷烃（C5～C10，包括戊烷（Pentane）、己烷（Hexane）、庚烷（Heptane）、辛烷（Octane）、壬烷（Nonane）、癸烷（Decane），质量浓度1 g/L，上海安谱实验科技股份有限公司）。

2.2 含椭圆微柱阵列的气相微色谱柱制造工艺

含椭圆微柱阵列的气相微色谱柱的制作工艺流程如图1所示。在500 μm厚的硅片上氧化2 μm的SiO2阻挡层，如图1A; 将1.4 μm厚的LC100A光刻胶以3000 r/min旋涂在SiO2上进行光刻（图1B）; 通过反应离子刻蚀技术（Reactive ion etching，RIE）刻蚀SiO2（图1C）; 通过深反应离子刻蚀（Deep reactive ion etching， DRIE）技术刻蚀出截面为250 μm×300 μm的深沟道和椭圆微柱阵列（图1D）; 刻蚀完成后去除表面的SiO2阻挡层。然后以表面活性剂CTAB为模板剂，通过溶胶-凝胶法使得硅源TEOS在酸性环境下发生水解和缩聚，制备介孔二氧化硅胶体溶液[24]。经提拉法将制作的二氧化硅胶体溶液沉积到微色谱柱内表面，并在550℃高温煅烧8 h，去除模板剂，最终产生介孔结构（图1E）; 通过阳极键合工艺完成硅片和玻璃盖板的键合，形成气密的微沟道（图1F）。

2.3 不同固定相的气相微色谱柱测试条件

分离实验采用火焰离子化检测器（Flame ionization detector， FID）进行检测。对烷烃（C5～C10）样品测试时，样品溶解在二硫化碳（CS2）中，浓度为1 g/L，载气为N2，进样器和检测器温度为250℃，自动进样量为1 μL，分流比为5∶1，测试的色谱柱温度控制采用程序升温模式。MS-Column 的温度参数为在60℃保持3 min，再以50℃/min的升温速率升至170℃并保持恒温。PDMS-Column 的温度参数为30℃保持3 min，再以30℃/min的升温速率升至70℃并保持恒温。

3 结果与讨论

3.1 气相微色谱柱的结构

封装后的微色谱柱芯片的照片如图2A所示，芯片尺寸为4.5 cm×3.0 cm，沟道总长度为2 m，在进、出口处用环氧树脂封装有两根内径为250 μm的不锈钢毛细管。用于涂覆PDMS和介孔二氧化硅的微色谱柱沟道内部结构和尺寸完全相同，其扫描电镜图如图2B所示，微色谱柱的沟道内有排列规则整齐的椭圆微柱阵列，沟道宽250 μm、深300 μm，每排有4根微柱，椭圆微柱截面半长轴和半短轴分别為30和10 μm，微柱中心距离沟道侧壁47 μm，柱中心间距在短轴与长轴方向上分别为52和80 μm。构筑在微色谱柱沟道表面的介孔二氧化硅薄膜层的平面和截面的扫描电镜图如图2C和2D所示，介孔二氧化硅的孔径约2 nm，薄膜厚度约32 nm。

3.2 气相微色谱柱的COMSOL软件仿真与分析

沟道内气体流场的均匀性会对气相微色谱柱分离性能产生影响： 当流速不均匀时，气体组分会从多条不同长度的路径通过色谱柱，导致“峰展宽”，使得柱效和分离度降低。使用COMSOL Multiphysics 5.2a软件对所设计的含有椭圆微柱阵列的微色谱柱进行仿真，并将其结果与含有圆微柱阵列的微色谱柱进行对比，圆微柱阵列尺寸与文献[25]中圆柱阵列微色谱柱的尺寸相同，圆微柱截面半径为20 μm，每排有3根微柱，微柱中心距离沟道侧壁55 μm，柱中心间距在X轴与Y轴上分别为80和70 μm。通过计算可知，含有椭圆微柱阵列的微色谱柱的表面积和有效宽度相较于含有圆微柱阵列的微色谱柱分别提高了29%和30%。仿真结果如图3所示。图3A和3C分别为相同柱压下含有圆微柱阵列和椭圆微柱阵列的微沟道内载气流场仿真图，

图3B和3D分别为沟道内距入口相同距离处载气线速度曲线图。对比可知，相同距离内含有椭圆微柱阵列的微色谱柱最大流速差为38%，含有圆柱阵列的微色谱柱最大流速差为72%，即含有椭圆微柱阵列的微色谱柱具有更均匀的流速。含有椭圆微柱阵列的微色谱柱不仅可以增大表面积，还具有更优的流场分布，本实验采用含有椭圆微柱阵列微色谱柱。

3.3 分析测试结果

烃类混合气体的分离检测在石油化工、勘探等行业中应用广泛，高效的分离该类混合气体是气相色谱领域关注的问题之一。为研究以介孔二氧化硅为固定相含有椭圆微柱阵列的微色谱柱（MS-Column）的分离性能，选择烷烃C5～C10样品进行了测试，并和涂覆PDMS固定相的含有椭圆微柱阵列的微色谱柱（PDMS-Column）进行对比，测试温度条件如2.3节所述。

首先测试了两种微色谱柱MS-Column和PDMS-Column的Van Deemter曲线，横坐标为沟道内气体的流速，纵坐标为理论塔板高度（Height equivalent of theoretical plate， HETP）。根据辛烷理论塔板高度和载气流速的关系绘制Van Deemter曲线，如图4所示。由图4可知，MS-Column的理论塔板高度小于PDMS-Column，即采用介孔二氧化硅做固定相提高了微色谱柱的柱效; MS-Column的最优载气流速为8.6 cm/s，PDMS-Column的最优载气流速为12.1 cm/s。对比两种微色谱柱在最优流速下的分离性能，当MS-Column和PDMS-Column内气体流速的实际流速分别为8.6 cm/s和12.1 cm/s时，两种色谱柱分离C5～C10的图谱如图5所示。从分离效率来看，MS-Column中辛烷的理论塔板数为14458 plates， 比PDMS-Column中辛烷的最高理论塔板数提高了46%。从分离度来看，如图5A和5B所示，PDMS-Column未能将戊烷和溶剂（杂质）峰分离开; 而如图5C和5D所示，MS-Column实现了C5～C10之间的基线分离，戊烷和溶剂（杂质）峰的分离度达3.6。表1中列出了此实验条件下两种微色谱柱的峰面积。经对比可知，构筑介孔二氧化硅后，峰面积大幅提高，其中壬烷峰面积提高了349.8%。上述结果表明，由于构筑介孔二氧化硅，MS-Column的表面积远大于PDMS-Column，在相同柱长条件下，MS-Column具有更高的分离效率、分离度和柱容量。

4 结 论

基于MEMS技术设计制作了一种含有椭圆微柱阵列的微色谱柱，与含有圆微柱阵列的微色谱柱相比，含有椭圆微柱阵列的微色谱柱表面积增加了29%，且具有更均匀的流场分布，这有利于提高微色谱柱的分离效率。构筑介孔二氧化硅作为含有椭圆微柱阵列的微色谱柱的固定相，大幅增加柱内表面积。与涂覆PDMS固定相的微色谱柱相比，构筑介孔二氧化硅后微色谱柱具有更好的分离性能，实现了对烷烃C5～C10的基线分离，对辛烷的分离效率达14458 plates，且能大幅提高分离组分的峰面积，其中壬烷峰面积提高了349.8%。以大比表面积介孔二氧化硅为固定相的微色谱柱分离性能优越，在气相色谱系统微型化中具有广泛的应用前景。

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