專利名稱：包括至少一個色譜柱的用于分析氣體混合物的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于分析氣體混合物的系統(tǒng)，包括至少一個色譜柱，以測定混合物的成分。本發(fā)明更具體地涉及包括一個或多個微毛細(xì)管(microcapiIIary)類型(例如用具有10 y m和幾百微米之間的直徑的空心管形成)，或具有大約500 u m和幾毫米之間的直徑的大毛細(xì)管(macrocapillary)類型的色譜柱的分析系統(tǒng)，并且其長度在幾厘米至幾米之間變化。
背景技術(shù)：
例如，問題是在給定的濃度閾值檢測混合物中一種特定氣體的存在。這種類型的檢測系統(tǒng)的應(yīng)用有很多，并且特別是在空氣質(zhì)量監(jiān)測、食品和農(nóng)業(yè)監(jiān)測、工藝和安全監(jiān)測領(lǐng)域中。這樣的檢測系統(tǒng)包括氣相色譜柱和在柱的出口處的檢測器。預(yù)濃縮器或注射系統(tǒng)可以設(shè)置在柱的進(jìn)口處。色譜柱是為了分離混合物的不同成分，以便后者在不同的時刻離開柱并依次被檢測。這種在柱內(nèi)的分離是通過覆蓋柱的內(nèi)部并具有與成分或多或少的親和力的固定相的存在下獲得；這些成分然后以不同的速率移動。在應(yīng)用色譜柱的目前系統(tǒng)中，假設(shè)各成分的速度在柱中是恒定的?，F(xiàn)在，如果固定相的厚度是恒定的，這個假設(shè)就是正確的。但是獲得這樣恒定的厚度給制造柱的方法帶來技術(shù)限制，其價格成本高。此外，對現(xiàn)有技術(shù)水平的系統(tǒng)，在第一種混合物的所有成分已經(jīng)離開柱之前，第二種混合物不能被注射入柱中。事實上，正如我們已經(jīng)示出，在柱中的位移速度取決于成分對固定相的親合力，因此，可能發(fā)生第二種混合物的成分在第一種混合物的一種或多種成分之前離開柱，或被疊加到它們中的一種。那么不可能確定是否這種成分屬于第一種或第二種混合物。當(dāng)先前的混合物的所有成分已經(jīng)離開柱時，這種注射新的混合物的需求可能是極大的損失，例如，當(dāng)某些成分是非常緩慢的離開柱。那么分析速率是低的。尤其在復(fù)雜的混合物的情況下，例如，在石油化工領(lǐng)域，單個柱不足夠用于分離所有的組分。事實上，對于給定的固定相，一些化合物可能具有相同的與此固定相的親和力。那么使用串聯(lián)連接的兩個具有不同的固定相的柱。各化合物通過一對親和力兩個柱表征?；旌衔锎┻^第一個柱，然后第二個柱，每種組分在第一個柱中被分離然后在第二個柱中被分離。為了知道與每個柱的親和性對，必須知道每種化合物在每個柱中的通過時間。對于每種化合物，即每個從第二個柱的離開峰，知道從這個第二柱的離開時刻和第一個柱的樣品的引入時刻是沒有任何困難的。另一方面，更困難的是知道從第一個到第二個柱通過的時刻。需要知道這個時刻為了估計在每個柱中的傳送速率。事實上，因為在第二柱中化合物可以“超越”彼此，因此不會以相同的順序從第二柱離開，然后不能明確地知道如何在兩個柱之間通過的峰和晚些時刻從第二個柱離開的峰之間建立對應(yīng)關(guān)系。用于解決這種不明確的方法之一是用包括閥和/或熱控的相對復(fù)雜的系統(tǒng)調(diào)整柱中的流率。這樣的系統(tǒng)描述在文獻(xiàn) Dimandja, J. M. D.，GC x GC. Analytical Chemistry, 2004. 76(9) :p. 167A-174A 中。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有比現(xiàn)有技術(shù)水平的系統(tǒng)較少的制造約束的檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個目的是提供一種應(yīng)用一個或多個色譜柱的分析系統(tǒng)，其與現(xiàn)有技術(shù)水平的系統(tǒng)相比，可以提高樣品的分析的速率，并允許簡化復(fù)雜樣品的分析。

發(fā)明內(nèi)容
先前所述的目的是通過的分析系統(tǒng)實現(xiàn)，該分析系統(tǒng)包括氣相色譜柱和用于檢測在柱內(nèi)分離的組分的裝置，該檢測裝置位于待分析的混合物的流程上的至少兩個不同的點上，以便可以確定在柱內(nèi)的成分的位移速率。例如，檢測裝置包括位于柱的出口處的檢測器和位于上游的另一個檢測器，在柱的進(jìn)口處或柱內(nèi)。因此，樣品的每種成分的速度可以以更準(zhǔn)確的方式估計，特別是當(dāng)成分的速度沿柱是不嚴(yán)格恒定時。這樣可以降低制造柱的技術(shù)約束。此外，通過根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，第二個樣品可以在第一個樣品的所有成分已經(jīng)離開之前被引入。根據(jù)樣品的復(fù)雜性，由柱中的成分和相應(yīng)的峰的數(shù)量表征，足夠數(shù)量的檢測器可以用于跟蹤每種成分并檢測第二個樣品的成分，其速度大于第一個樣品的成分的速度，所以，然后不再有任何不確定性。對于任意復(fù)雜的樣品，足以以一定的密度放置檢測器，使得它們的間隔小于對應(yīng)于峰的半寬度(half-width)的距離。為了確定此半寬度，將優(yōu)先選擇與溶劑或更一般的與固定相不具有任何親和力或只有很少的親和力的成分對應(yīng)的峰。此外，采用幾個柱，尤其是具有不同的固定相的幾個柱并串聯(lián)連接，是被簡化的，因為處理不同的成分相對彼此的位移不再是必要的。換言之，根據(jù)本發(fā)明，速度是用于表征柱中的化合物以及不再僅僅是通過在像在現(xiàn)有技術(shù)水平的系統(tǒng)中的柱的出口處的檢測器提供的檢測峰。以一個特別有利的方式，使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)類型檢測器或傳感器，以及還更有利地納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)類型的檢測器，其尺寸允許其集成到柱的壁里，截面(section)的寬度是幾十微米。另外，NEMS檢測器一般比MEMS檢測器更敏感。有利地是，將檢測器沿色譜柱并置提供(juxtaposing)，其可以具有關(guān)于柱中的每種化合物的速度上的變化的特定感知(know I e dge )。檢測器例如是重力微傳感器(gravimetric microsensors)或納米傳感器。這些也可以是具有納米管支撐的電導(dǎo)檢測器，例如碳納米管。就尺寸、靈敏度、響應(yīng)時間而言具有兼容的特性的其他檢測器也可以采用。本發(fā)明的主題主要是一種用于分析氣體混合物的系統(tǒng)，包括至少一個色譜柱、用于注射所述混合物進(jìn)入所述柱的裝置，以及用于檢測形成氣體混合物的化合物的裝置，檢測裝置能夠在柱的進(jìn)口和出口之間的至少兩個位置中檢測化合物，包括柱的進(jìn)口和出口。例如，檢測裝置包括至少一個在柱的出口處的檢測器和至少一個在進(jìn)口和/或柱中的檢測器。有利地，檢測裝置包括至少一個在柱的出口處的檢測器和至少一個在柱中的檢測器，更特別地是至少一個檢測器被集成到色譜柱的壁中。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括一個在柱的進(jìn)口和出口之間沿柱分布的檢測器的網(wǎng)絡(luò)。有利地是，在兩個連續(xù)的檢測器之間的間距小于或等于峰的半寬度。有利地是，柱包括足夠數(shù)量的檢測器，以便通過至少兩個檢測器在任何時刻“看到”每種成分。在一個實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括至少兩個串聯(lián)連接的柱，第二個下游柱包括至少兩個檢測器，一個檢測器在進(jìn)口處以及一個檢測器在出口處。第一個上游柱也可以包括位于后者的出口處的檢測器。很好理解地是第一個柱可以包括多個檢測器。例如,檢測器是重力傳感器(gravimetric sensors)。在當(dāng)柱是微毛細(xì)管或大毛細(xì)管類型的情況下，檢測器是NEMS傳感器。檢測器例如具有包括在IOOnm2的和幾個y m2之間的有用表面積。檢測器可以通過沉積一層吸附材料功能化；沉積在檢測器上的吸附材料可以與柱的固定相是相同的。柱例如一方面通過在基板上蝕刻槽，以及另一方面通過用板閉合所述槽制得。檢測器可以根據(jù)與槽的形狀相對應(yīng)的圖案在槽中或板上制得。本發(fā)明的主題也是一種應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)分析樣品的方法，包括步驟-依次注射樣品進(jìn)入柱中，-檢測所述混合物的成分的峰，-建立混合物的每種成分的軌跡圖，其中每種所述成分的局部速度可以在兩個連續(xù)的檢測器之間確定。有利地是，兩次注射之間的時間小于輸送第一次注射的最慢成分的時間，或甚至小于輸送氣體溶劑的時間。


通過下面的描述和附圖將更好地理解本發(fā)明，其中-圖1A和IB是根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)的示例性實施方式的示意圖，-圖2A是化合物的空間-時間濃度圖的圖示說明，在當(dāng)固定相沿柱具有均勻的特性的情況下通過圖1A和IB的分析系統(tǒng)獲得，-圖2B是化合物的空間-時間濃度圖的圖示說明，在當(dāng)固定相沿柱具有可變的特性的情況下通過圖1A和IB的分析系統(tǒng)獲得，-圖3是通過圖1A和IB的分析系統(tǒng)獲得的兩個連續(xù)的樣品的化合物的空間-時間濃度圖的圖示說明，-圖4A是根據(jù)本發(fā)明包括兩個串聯(lián)連接的色譜柱的分析系統(tǒng)的示意圖，-圖4B是化合物的空間-時間濃度圖的示意圖，通過圖4A的分析系統(tǒng)獲得，-圖4C是與圖4B對應(yīng)的色譜圖，-圖5A是化合物的空間-時間濃度圖的圖示說明，通過圖4A的分析系統(tǒng)獲得，與圖4B相比，化合物與固定相具有不同的親和力，-圖5B是與圖5A的圖對應(yīng)的色譜圖，
-圖6A和6B分別是包括一個可以應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中的螺旋形的柱的基板的部分頂視和縱向剖視圖，-圖7是可以應(yīng)用在本發(fā)明中的設(shè)有柱形成往復(fù)路徑(to-and-fropath)的基板的透視圖，-圖8A和SB是根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的透視圖，其中，所述傳感器在蓋上形成；-圖9是一個通過根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)提供的曲線的例子，曲線I和II對應(yīng)于具有不同的固定相的系統(tǒng)，并且曲線II對應(yīng)于通過火焰電離檢測器作出的分析；-圖10是本發(fā)明的分析系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖；-圖11是圖10的系統(tǒng)的精確的布局的一個例子的表示；-圖12是根據(jù)圖11的實際系統(tǒng)中的照片。
具體實施例方式在以下的說明中，“樣品”是指要分析的化合物的氣體混合物。術(shù)語“化合物”、“成分”、“組分”、“分析物”均指在載氣中溶解的溶質(zhì)，后者例如是空氣。圖1A中，可以看到根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)SI的一個示例性實施方式的示意圖，包括注射裝置2、色譜柱4和檢測裝置6。使用注射裝置2，可以引入待分析的樣品并使其揮發(fā)。其是例如待分析的空氣的體積，在房間或運輸工具中采樣，基于固相萃取(SPE)的預(yù)濃縮器或熱解吸器的出口，或者溶解在有機(jī)溶劑中的液體樣品(例如，石油化工提取物、精油(essential oil))。后者是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，將不會對它們進(jìn)行詳細(xì)描述。色譜柱4通過例如具有在10 Pm和幾百微米之間的直徑的微毛細(xì)管類型或在500 和幾毫米之間的直徑的大毛細(xì)管類型的管子形成。長度例如是在0. 5m和幾米之間。管子的內(nèi)表面覆蓋有稱為固定相5的材料的薄膜。這樣的材料的沉積可以用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何類型的技術(shù)進(jìn)行。固定相的材料可以例如是聚合物，諸如聚乙二醇或聚二甲基硅氧烷。這種材料也可以是固體，凝膠溶膠，或液體。注射的樣品的不同的分子將根據(jù)它們與固定相的親和力被分離，某些分子比其他的緩慢，這將允許測量不同的分子所發(fā)出的信號并使得可以識別它們。對于給定的柱,化合物是通過保留(保持)系數(shù)或因子(retention coefficient orfactor) k定義。此保留因子對應(yīng)于流動相中的化合物質(zhì)量關(guān)于固定相中的化合物質(zhì)量之間的比率。這也是以下之間的比率-化合物和溶劑的各自通過時間的差，-和柱中的溶劑(其與柱不相互影響)的通過時間。具有很強的保留因子的化合物對應(yīng)于強烈放緩的化合物，與柱的固定相具有很強的親和力。根據(jù)本發(fā)明，氣體檢測裝置6允許檢測在分析系統(tǒng)的至少兩個不同的位置的不同化合物。檢測裝置包括以不同的方式放置的至少兩個檢測器。在圖示的例子中，檢測器6.1被放置在柱4的出口處，并且檢測器6. 2被放置在柱中，更尤其地是在柱4的壁中。
可替換地，它們中一個可以被放置在出口處，以及另一個可以被放置在進(jìn)口處。由于所述至少兩個氣體檢測器的存在，可以跟蹤柱內(nèi)的溶質(zhì)的位移，并更具體地估計瞬時速度。在一個特別有利的方式中，檢測裝置6通過從柱的進(jìn)口到柱的出口放置的檢測器的網(wǎng)絡(luò)形成。在圖1B中，可以看到沿柱放置的六個檢測器6. 2至6. 7和在后者的出口處的檢測器6.1的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包括至少足夠數(shù)量的規(guī)則地間隔開的檢測器，使它們的間隔小于峰的半寬度。對于給定的柱，峰的平均值可以通過“理論板的等效高度”估計。在實踐中，使檢測器隔開約I毫米是有利的，即對于一米的柱約1000個。選擇檢測器以使它們的大小允許它們被放置在柱內(nèi)。在微柱色譜分析的情況下，這樣的微柱的典型的截面具有幾十微米的寬度，那么選擇的基本檢測器(elementarydetector)具有比該值更小的尺寸。檢測器可以是氣體微傳感器。微傳感器是指沿柱的直徑具有約IOOnm2至幾y m2的有用表面積的傳感器。微傳感器優(yōu)選被集成到柱的內(nèi)壁。優(yōu)選地，檢測器盡可能小，其使得增加檢測裝置的靈敏度。這特別是在NEMS傳感器的情況下，其中至少一個側(cè)尺寸小于I微米。甚至可以產(chǎn)生一個具有幾個并置的NEMS傳感器的基本檢測器。任何類型的傳感器，其大小小于幾十微米可以是合適的。例如基于化學(xué)功能化的納米結(jié)構(gòu)的傳感器的情況，諸如例如碳納米管或硅納米線。在接近檢測器的氣體物質(zhì)通過期間，分子與檢測器相互作用，這種相互作用產(chǎn)生可檢測的電信號。這些檢測器有利地具有相對選擇性。選擇性例如源于沉積在傳感器上的敏感聚合物層。這種聚合物可以是與固定相相同或不同?？商鎿Q地，可以采用用幾個不同的敏感聚合物功能化柱中的檢測器。這些可以是重力NEMS納米傳感器。這種類型的傳感器具有振動表面，在柱中遷移的氣體物質(zhì)沉積其上。沉積此物質(zhì)引發(fā)共振頻率的變化，其可以例如通過電容或壓電或壓阻效應(yīng)測量。作為提醒，在電容檢測的范圍內(nèi)，兩個電極制成使它們之間的間距隨NEMS的移動部分的移動變化，包括由兩個電極形成的電容的變化。對于壓電和壓阻檢測，應(yīng)變儀(strain gauge)是由合適的材料制成的，其端子上的電壓或電阻分別變化取決于對測量儀表所施加的應(yīng)力。NEMS 檢測器是例如諸如那些在文獻(xiàn) Whiting, J. J.，C. S. Fix, J. M. Anderson等 人"High-speed two-dimensional gas chromatography using microfabricatedGC columns combined with nanoelectromechanical mass sensors"inTRANSDUCERS2009-15th International Conference on Solid-State Sensors, Actuatorsand Microsystems, 2009中描述的重力NEMS傳感器。重力傳感器是例如SiN，并具有以下尺寸2. 5iimX0. 7iim。傳感器是有利的用敏感聚合物或任何與待分析的混合物的化合物具有化學(xué)親合力的其他吸附材料功能化。在化學(xué)化合物的存在下，一定量的該化合物被吸附在敏感層上，并且將在傳感器上產(chǎn)生信號。吸附材料可以與固定相相同或者由此不同。顯然，應(yīng)當(dāng)理解，基本檢測器可以用幾個NEMS微型傳感器形成。這些也可以是其他已知的氣體微傳感器或納米傳感器特別是電導(dǎo)傳感器，在載體上分子的沉積然后伴隨著導(dǎo)電性的變化。載體可以由碳納米管形成。這些也可以是熱導(dǎo)檢測器(TCD)。它們可以在硅芯片上制造，如在Kaanta，B.，H.Chen, and X. Zhang, A monolithically fabricated gas chromatography separationcolumn with an integrated high sensitivity thermal conductivity detector.Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20(5):p. 055016。然而，這種檢測器具有以下缺點-不同的分析物的辨別相對非常差，因為它只是基于蒸氣的導(dǎo)電性，這是，只是其分子量的一階函數(shù)。具有相近的分子量和不同極性的兩種分析物的辨別將可以用在敏感的聚合物上的吸附,而不是用T⑶；-通過TCD檢測器傳遞的信號取決于載氣的速度。因此，速度保持很好的控制是重要的。-使用TCD，較強的信號是通過增加分析物和載氣之間的熱傳導(dǎo)率的差異獲得。因此，通常使用氫氣或氦氣。這兩種氣體是或易爆或昂貴的。雖然可以使用TCD，但是優(yōu)選基于親和力的檢測器作為化學(xué)電阻器或機(jī)電系統(tǒng)(MEMS和NEMS)，原因如下-它們對氣體載體的速度更不敏感，-它們根據(jù)分析物的物理/化學(xué)性質(zhì)(極性、極化率、特定化學(xué)功能團(tuán)的存在等)是選擇性的。在這種情況下，即使通過色譜柱分離是不完美的，將幾個檢測器與不同的和互補的化學(xué)層結(jié)合使得仍可以辨別一些不會被分離的分析物。這種安排使得可以分析更復(fù)雜的混合物(即，更多的化合物)。不同的分析物將給出不同的信號圖案。例如，在圖9中，曲線I和II是通過NEMS傳送的信號，該NEMS用不同的聚合物(分別地PCL是聚己內(nèi)酷和DKAP是聚[(2_ (3_丙基)_3，5_雙(二氣甲基)苯酌 ]甲基)娃氧烷)功能化。我們可以看到，在這條曲線上兩種聚合物給出不同的響應(yīng)。特別清晰的是，例如，對應(yīng)于甲苯的峰1、對應(yīng)于庚醇的峰3，和對應(yīng)于辛醇的峰7，示出與DKAP聚合物的更好的響應(yīng)。曲線III是火焰離子化檢測器(FID)的響應(yīng)，其是用于氣相色譜裝置的參考檢測器。當(dāng)曲線I或II和曲線III進(jìn)行比較時，可以看出本發(fā)明的系統(tǒng)的性能。其他檢測的峰對應(yīng)0 :溶劑2 :辛烷4 :CEES (2-氯乙基乙基硫醚)5 :DMMP (甲基膦酸二甲酯)6 DCP (氯磷酸二乙酯)8 :DEMP (甲基膦酸二乙酯)9 DNBS (二正丁基硫醚)10 :十一烷11 DIMP (甲基膦酸二異丙酯)12 DCH (二氯己烷)
13MS:水楊酸甲酯。溶劑是乙醚。為了作出圖9的計時圖(chronogram),所有的分析物溶解在乙醚中以產(chǎn)生0.5%的質(zhì)量濃度。如上所述，通過本發(fā)明的裝置，可以確定在兩個連續(xù)的檢測器之間的每種化合物的平均速度，可能可變的速度取決于在柱中的化合物的位置。然后可以重建在柱中的化合物的二維的空間-時間的濃度圖，如圖2A所示。在圖2A中，橫坐標(biāo)軸表示時間t，縱坐標(biāo)軸代表在柱中涉及的距離x。這個圖是在當(dāng)固定相沿柱具有均勻特性時的情況下得到，即化合物的速度是基本恒定的。固定相的特性是例如表面的組成、其厚度、其溫度等。在圖2A中，可以看出溶劑的軌跡TS和樣品中所含的兩種成分的軌跡TC。因此，此圖的點(x，t)是在時刻t位置X通過檢測器檢測的氣體濃度。通過現(xiàn)有技術(shù)水平的系統(tǒng)獲得的色譜將是在此圖中的直線方程x=L，L是柱的長度，單個檢測器位于柱出口處。此圖的直線t=t0表示化合物在時刻to沿柱的位置。在這樣的圖中，分析物的軌跡是線段TC，假設(shè)固定相的特性貫穿整個柱都是恒定的。線的斜率對應(yīng)柱中的化合物的速度。通過速度，然后可以表征柱中的化合物。在當(dāng)固定相的厚度沿柱變化時的情況下，在柱中的每種化合物的通過速度在相同的方向上變化，即速度減少或它們增加，這確保了化合物不再次混合在一起。在當(dāng)固定相的組成沿柱變化時的情況下，柱中的每種成分的通過速度可以彼此不同，因此成分可以經(jīng)過彼此。這樣的配置是不可能用現(xiàn)有技術(shù)的裝置處理?，F(xiàn)在，通過本發(fā)明，可以補償組成的變化。在圖2B中，在當(dāng)固定相沿柱不具有均勻的特性時的情況下，對于柱中的化合物可以看到二維空間-時間濃度圖；其在柱中的位移期間，化合物的速度局部變化。因為這個可以看出，每種化合物的軌跡TC是曲線。應(yīng)當(dāng)指出，指定為TS的軌跡是溶劑的。通過本發(fā)明，可以用比現(xiàn)有技術(shù)水平更高的速率進(jìn)行分析。事實上，在注射下一個樣品之前，不再需要等待前一樣品的所有的化合物離開柱，因為每種化合物在柱中的位移期間是被跟蹤的，并且不再只是在出口處檢測。這在圖3的圖上尤其明顯。有關(guān)的柱具有固定相，其特性不發(fā)生變化。以長虛線表示的軌跡Tl束對應(yīng)于最后注射的樣品，短虛線軌跡T2束對應(yīng)于第二次注射的樣品以及實線軌跡T3束對應(yīng)于第一次注射的樣品。每個束包括溶劑S的軌跡，和兩種化合物Cl、C2的兩個軌跡。束Tl 包括軌跡 S1、TC11、TC12。束T2 包括軌跡 S2、TC21、TC22。束T3 包括軌跡 S3、TC31、TC32。正如圖上所示，化合物T2比化合物T31移動更快并在柱中“超越”它?，F(xiàn)在，這并不干擾分析，因為通過圖，此“超越”是明顯局部的。每個樣品的每種化合物因此被明確區(qū)分，并且總是知道對應(yīng)峰的哪個樣品的哪個化合物。因此，通過本發(fā)明，兩個樣品之間的注射時間可以小于最后的氣體成分的輸送時間。因此可以更迅速地進(jìn)行分析。在圖4A中，可以看到根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)SlOO的另一個例子，包括兩個色譜柱104. 1、104. 2串聯(lián)連接。兩個柱104. 1、104. 2包括不同的固定相105. 1、105. 2。在相關(guān)的例子中，兩個柱都具有固定相，其特性不發(fā)生變化。系統(tǒng)包括注射裝置102，在第一個柱104.1的上游，以及檢測裝置106。在所示的例子中，兩個柱104. 1、104. 2通過中間區(qū)108連接，其組成不一定被監(jiān)測。根據(jù)本發(fā)明，檢測裝置106確保在第一個104.1和第二 104. 2柱的幾個位置，以及也在中間區(qū)108檢測。檢測裝置106，在圖示的例子中，包括在第一柱104.1的出口 106.1處的檢測器、在第二柱104. 2中的檢測器106. 2和在第二柱104. 2的出口處的檢測器106. 3。第一柱104.1具有長度LI，第二柱具有長度L2以及中間部分108具有長度L3。在圖4B中，對于包括三種化合物A、B和C的樣品，可以看到在通過圖4A的系統(tǒng)獲得的軌跡圖。柱104.1、104. 2和中間區(qū)108在圖上通過三個水平帶示出。包括三種化合物A、B和C的樣品被引入到圖4A的分析系統(tǒng)中。第一個柱104.1將化合物A從其他兩種化合物B和C中分離，后者不在第一個柱中被分離。在第二個柱104. 2中，化合物B和C被分離。通過分析在兩個柱104.1、104. 2中的軌跡，可以估計在兩個柱中的三種化合物每個的通過速度。定性地，可以看出-化合物A被適度地被保留在第一個區(qū)域中以及極少的在第二個區(qū)域中，-化合物B和C以相同的方式被保留在第一個區(qū)域中，以比對于A更顯著的方式，-B是相對不很保留在第二個柱中，但然而超過A，以及-C顯著地被保留在第二個柱中。在圖4C中，可以看到相應(yīng)的色譜圖，在橫坐標(biāo)具有第一個柱104.1的保留系數(shù)kl和在縱坐標(biāo)第二個柱104. 2的保留系數(shù)k2。通過本發(fā)明，化合物可以在柱中所有的它們位移期間被跟蹤，不再必須調(diào)整流率以避免某些化合物在連續(xù)的柱中它們位移期間“超越”其它化合物。中間區(qū)沒有參與分離，但是其存在兩個柱之間不損害檢測系統(tǒng)的性能。顯然，可以理解，兩個柱可以串聯(lián)連接的，而無需任何中間區(qū)。在圖5A中，對于樣品，可以看到用類似于圖4A的分析系統(tǒng)得到的軌跡圖，其化合物與固定相具有不同的未和力。三種化合物A、B和C的樣品被引入到系統(tǒng)SlOO中。在這個例子中，化合物B和C不通過第一個柱104.1分離。第二個柱104. 2是這樣化合物B “趕上”化合物A，因此它并沒有在第二個柱104. 2的出口處形成任何明顯的峰。然而在這種情況下，通過本發(fā)明，特別是根據(jù)本發(fā)明沿著第二個柱104. 2設(shè)置的檢測器允許化合物A和B的軌跡被區(qū)分。在兩個柱104.1、104. 2中的軌跡的分析允許在兩柱中的三種化合物每個的通過速度的估計-化合物A被適度地保留在第一個柱中，并且更顯著地在第二柱中，-化合物B和C以相同的方式被保留在第一個柱中，以比對于A更顯著的方式，-B在第個二柱中沒有非常保留，以及-化合物C在第二個柱中顯著地保留，與A大致相同。在圖5B中，可以看到相應(yīng)的色譜圖，在橫坐標(biāo)第一個柱104.1的保留系數(shù)kl和在縱坐標(biāo)第二個柱104. 2的保留系數(shù)k2。顯然，應(yīng)當(dāng)理解，串聯(lián)連接柱的系統(tǒng)，其中固定相的特性變化，不脫離本發(fā)明的范圍。在圖示的例子中，兩個柱是串聯(lián)連接，但是通過本發(fā)明，任意數(shù)量的柱，大于兩個，可以連接在一起，以便提高分析系統(tǒng)的分離能力。因此，通過本發(fā)明并以更一般的方式，通過安排多個柱或柱段串聯(lián)連接Cj，I < j < N和N彡2，第一個柱后的柱，即那些指數(shù)從2至N，在柱內(nèi)部具有一個或多個檢測器，以足夠數(shù)量用于確定每種組分的軌跡，并且檢測器可以在出口處。優(yōu)選地，N包括在2和7之間。第一個柱可以不包括任何檢測器或只包括在出口處的單個檢測器。對于溶質(zhì)Ri和對于每個柱Cj，平均速度VRi，j被確定。對于每種溶質(zhì)Ri對應(yīng)N維空間的點，每個軸j表示在柱j中確定的速度V。換言之，溶質(zhì)Ri在這個空間中具有，坐標(biāo)(VRi，1-VRi, N)0以類似的方式，對于每種溶質(zhì)對應(yīng)N-維空間的點，每個軸j表示在柱j中的保留系數(shù)。然后，每種溶質(zhì)Ri在此空間中具有坐標(biāo)(KRi，1，…KRi，N)，每個系數(shù)KRi，j表示在柱j中的保留系數(shù)。在圖6A和6B中，如從頂部和縱向剖視圖中所示描述了為以兩個螺旋卷繞彼此的形式的色譜柱4的示例性實施方式。此柱通過在平面基板12 (例如硅)上蝕刻槽10制得，通過標(biāo)準(zhǔn)微電子技術(shù)與光刻和深蝕刻步驟相結(jié)合。在幾平方厘米的表面積上，柱可以因此制得-其截面通過蝕刻的蝕 刻深度和寬度確定。每個這些尺寸可以從約10至幾百微米變化，-其長度可以從幾十厘米至一或幾米變化，例如2米。槽10也可以是方形螺旋或更復(fù)雜的形狀(見實施例1)。在圖7、8A、8B中，可以看到另一示例性柱4，其槽10包括蝕刻在基板12中的平行向前14.1和向后14. 2截面。蝕刻在基板12中的槽10，例如在硅中，通過形成蓋的板16封閉，如在圖8A和8B中所示的，此板16是例如由硅、二氧化硅或Pyl'ex 制得。在基板上的蓋的安裝通過標(biāo)準(zhǔn)微電子的已知方法獲得，例如通過分子密封或陽極密封。通過粘合劑由絲網(wǎng)印刷沉積將蓋膠接到基板上也可以采用。在此示例性實施方式中，傳感器是在旨在面對槽10的蓋16的表面上制得。然后根據(jù)與在基板12中的槽10的形狀相對應(yīng)的圖案沉積傳感器6。在另一個示例性實施方式中，在將蓋子安裝入位之前使傳感器6直接在槽中制備。至于固定相的沉積和聚合物在傳感器上的沉積，這些沉積可以發(fā)生在組裝之前或組裝之后。當(dāng)固定相和傳感器的聚合物是相同的情況下，組裝之后沉積允許這兩個沉積同時進(jìn)行。為了制備包括串聯(lián)連接的柱的系統(tǒng)，其固定相是不同的，在沉積可以發(fā)生在將蓋安裝入位之前或之后。作為一個例子，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以根據(jù)以下方法制得。系統(tǒng)包括在不同的基板上制得的三個模塊-包括柱的氣相色譜模塊是由在第一基板上深硅蝕刻制得。-包括檢測裝置的檢測模塊作為通過在第二基板上光刻和蝕刻獲得的NEMS傳感器的網(wǎng)絡(luò)制得，其位置和形狀對應(yīng)于在第一基板上切割的槽，-用于控制和處理由NEMS傳感器傳送的數(shù)據(jù)的電子模塊是作為在第三基板上以CMOS技術(shù)實施的ASIC (特定應(yīng)用集成電路)集成電路的網(wǎng)絡(luò)制得。這三個基板通過將其疊加而組裝，從而通過層疊三個基板制得結(jié)構(gòu)。例如，第一基板和第二基板的組裝是通過粘接來實現(xiàn)，例如，通過粘接或顯微技術(shù)中使用的任何其他密封方法。通過沉積聚合物化學(xué)功能化柱和檢測器可以在組裝前分別在每個基板上進(jìn)行，或在組裝后一整套進(jìn)行。組裝第三基板與通過第一和第二基板形成的組件，例如通過機(jī)械連接伴隨每個檢測器和ASIC集成處理電路之間的電連接獲得。圖10和11描述了氣相色譜柱的特定的設(shè)計，當(dāng)我們有四組可方便地沿柱的整個長度傳播的檢測器時其特別適合。圖10是氣相色譜柱的圖示。這個特定的柱由四個子柱SC1、SC2、SC3、SC4組成，其形成完整的柱的每一個四分之一。柱的精確布局不于圖11。圖12是制造的實際設(shè)備的照片。四個子柱SC1、SC2、SC3、SC4具有相同的形狀和長度，惟有末端的輕微的例外。這些有一點點區(qū)別以安排整個柱的進(jìn)口 IN和出口 OUT。柱的設(shè)計是這樣的它可以位于檢測器平面上，檢測器6在該平面的外圍上。一組NEMS檢測器6 (在這個特定的設(shè)計中的每個組中的精確地14個檢測器)位于檢測器平面的每四個邊上并靠近邊緣。檢測器沿著檢測器平面的邊緣的位置，使得它們通過最小化電引線的長度更容易讀出電子設(shè)備。此外，設(shè)計提供了一個大長度的邊緣以沿各子柱安裝檢測器。柱的特定形狀允許每組檢測器分別沿柱均勻地的設(shè)置，分別在第一個、第二個、第三個和最后一個四分之一柱后。這種特定的設(shè)計使得它更容易用不同的固定相涂覆不同的子柱。然后整個柱可以容易地用一至四個不同的固定相功能化，以進(jìn)行多維氣相色譜。
權(quán)利要求
1.一種用于分析氣體混合物的系統(tǒng)，包括至少一個色譜柱(4，104. 1，104. 2)，用于將所述混合物注射到所述柱(4，104. 1,104.2)中的裝置(2)，和用于檢測形成所述氣體混合物的化合物的裝置(6，106)，所述檢測裝置(6，106)能夠檢測在所述柱(4，104. 1，104. 2)的進(jìn)口和出口之間的至少兩個位置的化合物，包括所述柱(4，104. 1,104. 2)的進(jìn)口和出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析系統(tǒng)，其中，所述檢測裝置(6，106)包括至少一個在所述柱的出口處的檢測器(6. 1,106.1)和至少一個在柱(6. 2,106. 2)中的檢測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析系統(tǒng)，包括在所述柱的進(jìn)口和出口之間，沿所述柱(4，104. 1,104. 2)分布的檢測器的網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分析系統(tǒng)，其中，在兩個連續(xù)的檢測器之間的間距小于或等于峰的半寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析系統(tǒng)，包括至少兩個串聯(lián)連接的柱(104.1，104. 2)，第二個下游柱(104. 2)包括至少兩個檢測器(106.1，106. 2), 一個檢測器在所述進(jìn)口處以及一個檢測器在所述出口處。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分析系統(tǒng)，其中，所述第一個上游柱(104.1)包括至少一個位于后者的出口處的檢測器(106.1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6任一項所述的分析系統(tǒng)，其中，所述檢測器是重力傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7任一項所述的分析系統(tǒng)，其中，所述柱是微毛細(xì)管或大毛細(xì)管類型以及所述檢測器是NEMS傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分析系統(tǒng)，其中，所述檢測器具有包括在IOOnm2的和幾個μ m2之間的有用表面積。
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9任一項所述的分析系統(tǒng)，其中，所述檢測器是通過沉積吸附材料層功能化的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分析系統(tǒng)，其中，所述柱包括固定相，以及其中，沉積在所述檢測器上的所述吸附材料與所述柱的固定相是相同的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項所述的分析系統(tǒng)，其中，所述柱一方面通過在基板上蝕刻槽，以及另一方面通過用板閉合所述槽制得。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分析系統(tǒng)，其中，所述檢測器根據(jù)與所述槽的形狀相對應(yīng)的圖案在所述槽中或所述板上制得。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分析系統(tǒng)，其中，所述柱的形狀是這樣的它具有沿著所述基板的邊緣的部分，以及其中，所述檢測裝置位于所述基板的邊緣的旁邊。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的分析系統(tǒng)，其中，所述柱包括彼此連接的四部分，每一部分具有蛇形形狀，每個蛇形的一部分沿著所述基板的一個邊緣。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的分析系統(tǒng)，其中，所述四個部分具有相同的長度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的分析系統(tǒng)，其中，所述四個部分用不同的固定相涂覆。
18.一種應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1至17任一項所述的系統(tǒng)分析樣品的方法，包括步驟 -依次注射樣品進(jìn)入所述柱中， -檢測所述混合物的成分的峰， -建立所述混合物的各成分的軌跡圖，使每種所述成分的局部速度在兩個連續(xù)的檢測器之間測定。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的分析方法，其中，兩次注射之間的時間小于輸送第一次注射的最慢的成分的時間，或甚至小于輸送氣體溶劑的時間。
全文摘要
一種用于分析氣體混合物的系統(tǒng)，包括至少一個色譜柱(4)、用于注射所述混合物到所述柱(4)中的裝置(2)，和用于檢測形成氣體混合物的化合物的裝置(6)，檢測裝置(6)包括在柱的出口處的納米傳感器類型的至少一個檢測器和在柱中的納米傳感器類型的檢測器，能夠檢測的化合物的通過。然后，可以測定在系統(tǒng)內(nèi)的每種化合物的速度。
文檔編號G01N30/78GK103069272SQ201180039210
公開日2013年4月24日 申請日期2011年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者皮埃爾·皮熱, 愛德華·B·米爾斯, 邁克爾·L·羅克斯 申請人:法國原子能及替代能源委員會, 加州理工學(xué)院