罗 凡, 冯 飞, 赵 斌, 田博文, 杨雪蕾, 周海梅, 李昕欣

(1. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 上海 200050; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

气相色谱是一种分离和分析复杂气体混合物的技术,在医药、化工、环境监测等领域有着广泛的应用[1-4]。气相色谱系统通常由进样器、柱温箱及检测器3部分组成[5,6]。传统的气相色谱系统具有体积大、能耗高、分离时间长等缺点,限制了其在现场和实时监测中的应用。而基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems, MEMS)技术制造的气相微色谱柱能大幅度减小柱温箱体积,有利于实现气相色谱系统的小型化[7-13]。

20世纪70年代后期,Terry等[14]首次提出基于硅基MEMS技术的气相微色谱柱,设计的圆形螺旋形气相微色谱柱长1.5 m、宽200 μm、深30 μm,能有效分离烷烃类气体混合物。Radadia等[15]设计并比较了圆形螺旋形、正方螺旋形和蛇形3种沟道布局的气相微色谱柱在相同条件下的理论塔板数,实验结果表明蛇形气相微色谱柱具有更高的理论塔板数。近年来,越来越多的研究小组在设计和制作气相微色谱柱时采用蛇形沟道布局。早期气相微色谱柱基于湿法刻蚀技术设计和制造,沟道横截面形状一般为圆形、半圆形;随着MEMS技术的发展,近年来一般基于深反应离子刻蚀(DRIE)技术设计和制作气相微色谱柱,越来越多的气相微色谱柱采用高深宽比的矩形横截面。2006年密西根大学Sacks等[16]设计了长3 m、深宽比为1.6(宽150 μm、深240 μm)的矩形横截面气相微色谱柱,测得理论塔板数达到12 500 plates/m。2008年伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Masel等[17]设计了长3 m、深宽比为1(宽100 μm、深100 μm)的矩形横截面气相微色谱柱,测得理论塔板数达到5 500 plates/m。……