微型气相色谱柱芯片研究进展*

张海燕， 赵 斌， 曹 可， 李 磊， 郑 丹， 冯 飞

(1.上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200050)

0 引 言

气相色谱技术的应用十分广泛，如在石油化工、环境监测、制药、食品安全和临床医学等领域中都是不可或缺的分析技术。气相色谱法是利用载气(如氮气、氢气等)作为流动相，当混合样品各组分流经固定相时，由于混合样品中各组分的沸点、分子大小、极性及吸附性质的差异而实现各组分之间的分离。传统气相色谱仪由于其体积庞大且功耗高，不能满足现场、实时、快速检测的需要，近年来气相色谱仪的微型化受到了越来越多的研究者的关注。

色谱柱主要起分离作用，是气相色谱仪的核心部件之一[1]，其功耗和体积在整个色谱系统中占比大，研制微型气相色谱柱对实现气相色谱仪的微型化具有重要意义。微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)技术为色谱柱的微型化提供了新的技术手段。早在20世纪70年代后期，Terry S C等人[2]提出基于 MEMS技术，在直径为2 in(l in=2.54 cm)的硅片上制造了一个1.5 m的微型气相色谱柱芯片，实现了对多种气态碳氢混合物的分离和检测。基于MEMS技术制作的微型气相色谱柱芯片与传统气相色谱柱的不同之处在于，其微沟道分布于同一平面内，尤为重要的是可设计制备出高深宽比的微沟道，可在微沟道内采用MEMS技术沉积、构筑固定相，这些都有利于提高微型气相色谱柱芯片的分离效率，本文综述了近年来基于MEMS技术的微型气相色谱柱芯片方面的研究进展。

1 微沟道加工技术

常用微型气相色谱柱芯片的衬底材料是硅，而基于MEMS技术加工而成的微沟道横截面轮廓取决于其晶格取向、腐蚀工艺条件。腐蚀分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀剂最常用的是氢氟酸、硝酸和乙酸(HNA)[3]的混合物，通常产生半圆形横截面，而常用的KOH腐蚀[4]是各向异性腐蚀，可产生梯形或V型横截面，然而湿法腐蚀都难以制造出具有高深宽比的矩形横截面。微型气相色谱柱芯片的一个重要的几何特性是高深宽比的微沟道有利于样品气体在流动相与固定相之间快速达到平衡，从而提高分离效率[5]；同时高而窄的微沟道有利于进一步减小微型气相色谱柱芯片的面积；更深的微沟道允许更大的样品容量，可以减少因宽度减小而导致样品容量的降低。

随着MEMS技术的发展，各向异性干法刻蚀工艺—深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)硅能够制造出高深宽比的矩形横截面[6]。文献[7]基于DRIE制作了深宽比为22.5︰1的微型气相色谱柱芯片，其微沟道宽30 μm、深675 μm。Radadia A D等人[8]发现在DRIE后的尖角处会产生固定相涂层的聚集[9]，不利于涂敷均匀的固定相层，而在进行DRIE后使用各向同性反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)将尖角修圆，可以降低涂敷不均匀的问题。

除了采用DRIE技术能制备出具有高深宽比的微沟道外，Bhushan A等人[10]采用LIGA工艺制作了宽50 μm、深600 μm的高深宽比(12︰1)的金属微型气相色谱柱芯片，制备工艺如图1所示。a.将聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)板粘合到钛衬底上;b.采用X射线曝光，显影去掉暴露于X射线中的PMMA;c.电镀镍层;d.去掉背面钛(Ti)衬底，再电镀一层镍(Ni)覆盖底部以密封微型气相色谱柱芯片;e.最后在450 ℃下加热4～6 h，去掉PMMA形成微沟道。

图1 基于LIGA工艺的微型气相色谱柱芯片

除了上述加工技术外，孙建海等人[11]采用激光刻蚀技术(laser etching technology,LET)，分别在硅片和玻璃衬底上刻蚀出横截面为0.6 mm×0.6 mm的矩形微沟道，硅与玻璃键合后形成深宽比为2,长度为1.6 m的填充柱。该填充柱中填充了用作固定相的Porapak Q，可完全分离CO，CH4，C2H2，C2H4，C2H6，C3H6，C3H8和C4H10复杂混合气体。

2 微型气相色谱柱芯片柱内结构设计

在微气相色谱领域，微型气相色谱柱芯片主要分为开管柱、填充柱、多道柱和半填充柱。传统开管式毛细管柱中，随着柱半径的减小，柱效提高，而在高深宽比的MEMS矩形柱中，柱效与微沟道宽度密切相关，因为在开管柱中流动是层流，且具有抛物线式速度分布，这意味着沟道中心的气体分子速率比沟道壁周围的气体分子快得多，这将会导致谱带展宽，而在较小宽度(或直径)的微沟道中由于流动相中的传质距离相对较短从而减少了谱带展宽。但是，减小宽度会导致微型气相色谱柱芯片内表面积的减少，从而减少了可以有效分离分析物的量，通过涂敷较厚的固定相可以增加样品容量，但是会降低分离效率。在开管柱中，固定相仅由微型气相色谱柱芯片壁支撑，而在填充柱中，固定相由小颗粒吸附剂支撑，可提供更大的样品容量，但填充柱会产生更大的压降和更大的涡流扩散，从而降低了分离效率。

多道柱的每个微沟道内包含有多个平行且较窄的子微沟道，与开管柱相比可提供更高的样品容量。Zareian-Jahromi M A等人[12]制造了4个和8个平行微沟道多道柱。但平行的子微沟道之间流速的差异，使用常规涂敷技术对这些微型气相色谱柱芯片进行涂敷会使得固定相涂敷不均匀，降低了分离效率，此外，狭窄微沟道需要更高柱前压力。

ALi S等人[9]设计制作了沟道内有方形微柱阵列微型气相色谱柱芯片即半填充柱，半填充柱大大增加了样品容量，与多道柱相比，半填充柱的微沟道压降更低，另外，微型气相色谱柱芯片内微柱阵列的存在导致较小的传质距离，从而提高了分离效率。Sun J H等人[13,14]将半填充柱内方形微柱阵列改成圆形微柱阵列，降低了由于方形微柱所导致的固定相的聚集效应。且Sun J H等人[13]通过仿真研究蛇形柱弯道处微柱阵列的影响，发现弯道处不含微柱阵列时流速分布更均匀，更有利于获得厚度均匀的固定相。Shakeel H等人[15]将微型气相色谱柱芯片内微柱数量提升至每排6～7个，增加了柱内表面积，提高了柱效，但也使柱前压急剧增加。为解决增大表面积和保持低柱前压之间的矛盾，文献[16～18]设计制造了沟道内含有椭圆微柱阵列的半填充柱，如图2所示，相比于圆形微柱，椭圆微柱具有更加均匀的流速分布、更大的表面积，同时具有更低的柱前压力。

图2 沟道内含有椭圆形[16]微柱阵列的微型气相色谱柱芯片的SEM图

3 微型气相色谱柱芯片衬底材料

3.1 硅/玻璃微型气相色谱柱芯片

通常用于微型气相色谱柱芯片制造的是硅、玻璃材料，硅片经过湿法腐蚀或DRIE刻蚀后形成微沟道，然后通过阳极键合玻璃以密封微沟道。世界上第一个微型气相色谱柱芯片[2]所采用的就是硅、玻璃衬底材料，由于制备工艺成熟可靠，目前硅/玻璃微型气相色谱柱芯片依旧受到研究者的青睐。除此之外，研究者们采用不同衬底材料，研制出了全硅、金属、陶瓷、玻璃和聚合物微型气相色谱柱芯片。

3.2 全硅微型气相色谱柱芯片

硅的化学性质较稳定，对大多数化学物质和溶剂具有化学抗性，其还具有高热导率，有助于均匀的温度分布，而温度是气相色谱中特别重要的变量。硅—硅(Si-Si)键合是一种在不使用中间粘合剂或聚合物且没有阳极键合所需的电场的情况下将硅键合到硅上的工艺。

Yu C M[3]首次采用Si-Si键合工艺制造了横截面为圆形的全硅微型气相色谱柱芯片。其主要制备工艺包括：1)在硅片上沉积氮化硅(Si3N4)薄膜并旋涂一层光刻胶。2)光刻后采用RIE工艺刻蚀氮化硅。3)使用各向同性的化学腐蚀技术在两个硅片中分别腐蚀形成半圆形微沟道。4)将两片硅片对准并进行预键合后在1 100 ℃退火2 h。

Wang A等人[4]通过各向异性KOH湿法腐蚀在硅片上制造了横截面为梯形的微沟道，然后将该硅衬底与另一个新的硅衬底一起氧化后进行Si-Si键合。

Si-Si键合温度高，Navaei M等人[19]采用硅与硅的金共晶键合制备了全硅微型气相色谱柱芯片，通过金过渡层来实现Si-Si低温键合。制造工艺过程如图3所示：a.在硅片上旋涂一层光刻胶，光刻显影；b.采用DRIE工艺刻蚀硅；c.去掉光刻胶，反面对准光刻，经DRIE刻蚀形成入口小孔；d.去掉光刻胶，在另一片硅片上沉积200 nm的金与上面所得硅片进行共晶键合。

图3 基于金共晶键合的全硅微型气相色谱柱芯片的工艺流程

与Si-Si键合相比，共晶键合对表面平整度不均匀、划痕和颗粒污染的要求不高，Si-Si键合是一种高温工艺，而共晶键合温度较低。全硅微型气相色谱柱芯片可以在较高温度下工作并且可以提供更加均匀的温度分布。

3.3 金属微型气相色谱柱芯片

Bhushan A等人[10]首次报道了镍微型气相色谱柱芯片，因为镍具有高热导率更适合程序升温，其使用LIGA技术成功制造了的深宽比高达12︰1的镍金属微型气相色谱柱芯片。Iwaya T等人[20]制造了一种坚固且廉价的高精度的不锈钢微型气相色谱柱芯片。首先在不锈钢板上通过湿法腐蚀形成一个半圆形横截面微沟道，然后将这两个不锈钢板扩散键合，最终形成了一个内径约为60 μm的圆形横截面微型气相色谱柱芯片。文献[21]基于3D打印技术使用Ti6Al4V合金粉末制造了1 m长的方形螺旋形的内径为500 μm圆形横截面微型气相色谱柱芯片。结果表明，所制备的金属微型气相色谱柱芯片能有效分离12种烷烃气体混合物。Raut R P等人[22]基于MEMS技术使用Ti制造了一个5 m长、100 μm宽和100 μm深的蛇形微型气相色谱柱芯片，通过动态涂敷法涂敷OV—101(甲基硅酮)作为固定相，该微型气相色谱柱芯片有效分离了辛烷、癸烷和十二烷。

3.4 陶瓷微型气相色谱柱芯片

低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)是一种多层基材，近年来，LTCC已被用作微流体分析工具的新衬底。在这种技术中，沟道是在未焙烧的柔性陶瓷带中创建的，随后将其层叠在一起并焙烧以形成整体的带槽结构。LTCC技术无需特殊洁净室即可快速进行低成本的制造。Darko E等人[23]通过LTCC技术制造了陶瓷微型气相色谱柱芯片，使用动态涂敷法涂敷OV—101作为固定相，测试发现该微型气相色谱柱芯片完全分离了40 ng /μL正构烷烃(C8—C20)。陶瓷微型气相色谱柱芯片的缺点是存在混合氧化物形式的活性位点从而影响分离性能。

3.5 玻璃微型气相色谱柱芯片

玻璃是非晶态材料，其刻蚀的宽度和深度难以控制，很难得到具有高深宽比特征的微型气相色谱柱芯片，但是玻璃可以通过微加工技术得到近乎于圆形的横截面的微沟道。Lewis A C等人[24]在2010年报道了第一个玻璃微型气相色谱柱芯片。其使用氢氟酸腐蚀硼硅酸盐玻璃得到两个半圆形横截面微沟道，将两片玻璃片的沟道对齐键合形成内径为320 μm圆形横截面的微沟道，该键合无需加热，是通过范德华力产生了牢固的粘合。使用静态涂敷在微型气相色谱柱芯片内表面沉积一层非极性二甲基聚硅氧烷固定相，测试分离了苯、甲苯、间二甲苯、对二甲苯和邻二甲苯的标准苯系混合物。

除了采用氢氟酸腐蚀工艺在玻璃衬底上制备微沟道外，基于喷砂加工技术也能在硼硅酸玻璃片上制备微沟道[25～27]，再用热键合技术将具有相同微沟道的两个玻璃片对准键合即可。杨丽采用该方法制备了1.8 m长，内径为1 mm的圆形横截面微沟道，选用聚乙二醇作为固定相，将涂敷有聚乙二醇的担体用超声波振荡方法灌入该微型气相色谱柱芯片中。对乙醇和丙酮混合物进行测试，分离度达到了3.1。

3.6 聚合物微型气相色谱柱芯片

Noh H S等人[28]在2002年在聚对二甲苯上制造了第一个聚合物微型气相色谱柱芯片。Parylene(聚对二甲苯)是一种聚合物薄膜，具有低热容和化学惰性。使用硅作为牺牲材料，通过在两个聚对二甲苯层之间插入薄金属层，形成三层结构(Parylene /铂/ Parylene)，金属膜可以显著降低聚对二甲苯层的气体渗透率。其主要工艺流程如图4所示:a.硅片上光刻显影，基于DRIE工艺制作微沟道;b.除去光刻胶，将5 μm的Parylene沉积到硅片上，然后，在Parylene层上溅射1 μm厚的铂膜，再次沉积5 μm的Parylene在铂膜上;c.在Pyrex玻璃衬底上沉积 10 μm的Parylene，将上述硅片和玻璃板键合在一起;d.键合后，将硅衬底溶解在 KOH 溶液中，形成独立的Parylene微型气相色谱柱芯片。

图4 Parylene微型气相色谱柱芯片制作流程示意

聚对二甲苯微型气相色谱柱芯片的加热和冷却速度比硅、玻璃微型气相色谱柱芯片快得多，因为它的热容量较低，功耗也远低于硅/玻璃柱。然而，由于聚对二甲苯不是良好的热导体，因此聚对二甲苯柱的顶部和底部之间存在显著的温差。

Malainou A等人[29]报道了使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS)作为结构材料和功能材料的微型气相色谱柱芯片的制造。主要工艺流程如图5所示:a.将硅片用作支撑材料，将SU—8 203旋涂到衬底上，光刻显影制备SU—8模具;b.将PDMS的预聚物混合物(基础预聚物和固化剂)充分混合，并浇铸在模具上，在100 ℃下进行1 h的热固化形成微沟道;c.为了改善粘合性，将PMMA上涂有氨基丙基三甲氧基硅烷(APTES)作为中间层，然后再涂上一层PDMS薄层;d.然后将上述PDMS微沟道和PMMA都用氧等离子体活化后键合以密封微沟道。

图5 PDMS微型气相色谱柱芯片

MacNaughton S等人[30]也使用PDMS作为微型气相色谱柱芯片衬底材料和固定相，在PDMS上形成沟道，将玻璃片与PDMS经过氧等离子体活化后键合在一起，通过两者表面形成不可逆的共价键来密封微沟道。

Rankin M等人[31]制备了一种廉价的、一次性的微型气相色谱柱芯片，该微型气相色谱柱芯片是通过从可重复使用的模具来制造的，并且制造成本非常低，用具有热固性预聚物填充到聚氯三氟乙烯制成的模具中，在真空下脱气并固化，将固化的聚合物从模具中释放出来，并用部分固化的热固性聚合物进行密封。这种制造方法最重要的是聚合物的选择，由渗透性太强的聚合物(例如 PDMS)制成的微型气相色谱柱芯片会产生非常宽的分析物谱带、较差的分辨率和极长的保留时间，或者由不可渗透的聚合物(例如环氧树脂[32])制成的微型气相色谱柱芯片分辨率差、峰容量低且保留时间非常短。Rankin将质量分数为10 %的二乙氧基二甲基硅烷掺杂到不可渗透的柔性环氧树脂中，成功地制作了一种基于相分离(phase-separation)和表面偏析现象(surface segregation phenomenon)的微型气相色谱柱芯片。该掺杂环氧树脂微型气相色谱柱芯片能分离多种混合物。

4 固定相的制备方法

传统固定相涂敷方法是动态涂敷[8,33]和静态涂敷法[34～37]。然而将这两种方法用于涂敷微型气相色谱柱芯片的固定相时，有其局限性：固定相在微型气相色谱柱芯片微沟道尖角处聚集，而这些聚集的固定相会导致谱带展宽。因此，为了得到均匀的固定相涂层，越来越多的研究者开始基于MEMS技术在微沟道中制备固定相。

4.1 化学气相沉积

化学气相沉积法主要是利用含有薄膜元素的一种或多种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法，即使在粗糙的表面上也可以生产纯净的、均匀的金属或聚合物涂层。Stadermann M等人[38]通过化学气相沉积将单壁碳纳米管(single-walled carbon nano-tube,SWCNT) 作为固定相沉积到微沟道中，该微型气相色谱柱芯片能分离己烷、辛烷、壬烷和癸烷。

Ricoul F等人[39]首次采用多孔SiOCH薄层作为微型气相色谱柱芯片的固定相。通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)工艺在微沟道壁上沉积多孔SiOCH薄层，使用两种前驱体，一种是二乙氧基甲基硅烷，一种用作致孔剂的纯有机物(降冰片二烯)。然后，通过结合紫外线和400 ℃的热退火来去除致孔剂，测试得到平均孔径为1.3 nm。实验发现该微型气相色谱柱芯片可以高效分离BTEX(苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯)混合物。

原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)是一种基于气态前驱体与固体表面的循环自限反应的化学气相沉积技术。通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积衬底表面上化学吸附、反应而形成沉积膜的一种方法。由于该方法制备固定相厚度精确可控，改善了固定相厚度的均匀性，冯飞等人[40]采用ALD沉积10 nm氧化铝(Al2O3)作为固定相来研究蛇形柱转弯数对微型气相色谱柱芯片性能的影响。

4.2 物理气相沉积

物理气相沉积指在真空条件下，采用物理方法(例如加热、升华或物理轰击)，将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在衬底表面沉积某种具有特殊功能的薄膜的技术。Noh H S等人[28]通过物理气相沉积在微沟道上沉积了聚对二甲苯作为固定相和微沟道壁。Nakai T等人[41]沉积氨基官能化的聚对二甲苯作为固定相，沉积Parylene C薄膜作为保形涂层，测试结果表明该微型气相色谱柱芯片可快速分离多种烷烃混合物。

Vial J等人使用溅射技术分别沉积了二氧化硅(SiO2)[42]、石墨[43]和Al2O3[44]作为固定相。测试结果表明该类微型气相色谱柱芯片能在短时间内完全分离轻烃混合物(甲烷、乙烷和丙烷等)。

Shakeel H等人[45]采用物理气相沉积了在半填充柱内表面沉积金颗粒，金层的平均膜厚为239 nm，然后使用十八烷基硫醇进行官能化，使用硅烷化剂进行表面钝化可提高玻璃基材的惰性并限制表面羟基的活性，以减少色谱分离过程中的峰拖尾，该微型气相色谱柱芯片可完全分离多种烷烃混合物。

5 总结与展望

与传统气相色谱柱相比，基于MEMS技术的微型气相色谱柱芯片具有体积小、质量小、功耗低、分离速度快等优点，便于集成到微型气相色谱仪中，符合目前气相色谱仪微型化的发展趋势。基于MEMS技术可制备出具有高深宽比微沟道的微型气相色谱柱芯片，可有效提高其柱效，且可以制备出传统加工技术无法实现的多道柱和半填充柱，具有较高的柱效和样品容量。微型气相色谱柱芯片衬底材料的选择多样，包括硅、玻璃、金属、陶瓷、聚合物等，各具优点，可根据不同的应用场景来选择。目前微型气相色谱柱芯片走向应用最大的挑战就是如何获得均匀的固定相涂层，采用传统色谱柱涂敷固定相的方法容易在微型气相色谱柱芯片微沟道的尖角处产生固定相聚集，因此，有必要发展新的固定相涂层技术，而采用MEMS技术中的薄膜沉积工艺可制备出具有重复性的均匀的固定相膜，有利于改善色谱峰展宽和拖尾，有望成为微色谱领域的常用固定相涂层技术。总之，随着MEMS技术的发展，微型气相色谱柱芯片必将走向实用化。