基于微機電系統(tǒng)的微型氣相色譜柱研究進展

羅 凡, 馮 飛, 趙 斌, 田博文, 楊雪蕾, 周海梅, 李昕欣

(1. 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 上海 200050; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

氣相色譜是一種分離、檢測復雜氣體的技術(shù),在環(huán)境監(jiān)測、石油勘探、生物制藥、物質(zhì)提純等領(lǐng)域有著十分廣泛的應用。氣相色譜儀一般由進樣器、色譜柱、探測器組成,色譜柱是其關(guān)鍵部件之一,它決定了色譜系統(tǒng)的分離效果。傳統(tǒng)的氣相色譜柱包括毛細管色譜柱和填充柱。當混合物樣品隨載氣流經(jīng)色譜柱時,由于樣品中組分在兩相間的分配系數(shù)差異,使得各組分在兩相間反復多次分配后,依次從柱后流出,從而使不同組分得到分離。

傳統(tǒng)的氣相色譜儀雖然具有強大的混合氣體分離能力,但儀器體積大、重量重、功耗高,因而氣相色譜儀的小型化成為亟待解決的問題?；谖C電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的微型氣相色譜柱是平面二維結(jié)構(gòu),能大幅度減小柱溫箱的體積,從而降低了色譜儀的體積、重量和功耗,有利于實現(xiàn)色譜儀小型化。近年來,MEMS微型氣相色譜柱研究成為色譜領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。本論文將從MEMS微型氣相色譜柱理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、固定相支撐層與固定相制備等方面闡述其研究進展。

1 MEMS微型氣相色譜柱的理論基礎(chǔ)

早在1941年Martin等[1]就提出塔板理論,從熱力學角度來研究色譜過程,即將一根色譜柱當作一個由許多塔板組成的精餾塔,用塔板概念來描述組分在柱中的分配行為。色譜柱的理論塔板數(shù)n、色譜柱長L和理論塔板高度H三者的關(guān)系為:

n=L/H

(1)

理論塔板數(shù)n越大或理論塔板高度H越小,色譜柱的柱效越高。塔板理論定性地給出理論塔板高度的概念,而未能找出影響理論塔板高度H的因素,也就無法提出降低理論塔板高度H的途徑。這主要是由于塔板理論沒有考慮到動力學因素對色譜分離過程的影響。

Van Deemter等[2]研究了動力學因素對理論塔板高度的影響,并于1956年提出了速率理論。該理論模型對氣相、液相色譜都適用,充分考慮了組分在兩相間的擴散和傳質(zhì)過程,在動力學基礎(chǔ)上較好地解釋了影響理論塔板高度H的各種因素:

H=A+B/v+Cv

(2)

式中v為流動相的線速度;A、B、C為常數(shù),分別代表渦流擴散項、分子擴散項、傳質(zhì)阻力項。該式從動力學角度很好地解釋了影響理論塔板高度H的各種因素,當v一定時,A、B、C3項越小,峰越銳,柱效越高;反之,則峰展寬增大,柱效降低。

Golay[3]在1958年從動力學角度對橫截面為矩形的色譜柱進行了研究,找出了影響等效理論塔板高度的眾多因素:

(3)

其中,HETP即等效理論塔板高度,u是平均載氣流速,k是保留因子,df是固定相液膜的厚度,Dg和Ds分別是溶質(zhì)在載氣和固定相中的擴散系數(shù),w和h則是矩形溝道的寬和深度。上式中Dg由色譜柱出口處的壓強確定,f1和f2分別是Golay-Giddings和Martin-James氣體壓縮修正系數(shù)。

公式(3)右邊的第一項表示縱向擴散帶來的譜峰展寬,第二項表示流動相傳質(zhì)阻力所帶來的譜峰展寬,第三項表示固定相傳質(zhì)阻力帶來的譜峰展寬。如果w比df大1 000倍以上,第三項則可以忽略不計。因此,對于涂敷薄液體固定相的色譜柱,影響柱效的關(guān)鍵參數(shù)就是w2/Dg,這項參數(shù)和溶質(zhì)分子從柱中央擴散到柱壁的時間成正比[4]。

公式(3)為MEMS微型氣相色譜柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。為了得到更小的等效理論塔板高度HETP,色譜柱溝道深度h應越大,寬度w應越小,即高深寬比的溝道既能保證色譜柱有足夠的氣體容量,同時還有利于流動相中氣體分子在兩相間迅速分配,從而提高器件的分離效率。目前MEMS微型氣相色譜柱多采用高深寬比的矩形橫截面微溝道結(jié)構(gòu)。

2 MEMS微型氣相色譜柱結(jié)構(gòu)

2.1 溝道布局

早期的MEMS微型氣相色譜柱溝道布局多為螺旋形,而近年來制作的色譜柱溝道布局多為蛇形。由于深反應離子刻蝕(DRIE)工藝的應用提高了MEMS微型氣相色譜柱溝道的深寬比,因此能在較短的柱長內(nèi)保持合理分離能力和合適的樣品容量。

1979年美國斯坦福大學的Terry等[5]通過MEMS濕法腐蝕技術(shù)在硅基底上制造圓形螺旋形色譜柱。色譜柱長1.5 m、寬200 μm、深30 μm,能在10 s內(nèi)有效分離正戊烷、3-甲基戊烷、正己烷加氯仿、2,4-二甲基戊烷、1,1,1-三氯乙烷、環(huán)己烷和正庚烷烷烴混合物組分,色譜圖見圖1a。隨后很多研究小組都采用了這種溝道布局來設(shè)計制作MEMS微型氣相色譜柱[6,7](見圖1b)。

圖 1 基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的微型氣相色譜柱 結(jié)構(gòu)圖及色譜圖[5,7,8]Fig. 1 Photographs showing different micro-electro- mechanical systems (MEMS) micro GC column configurations and the chromatogram[5,7,8] a. chromatogram; b. circular-spiral; c. square-spiral.

除了圓形螺旋形溝道布局以外,還有很多研究小組采用了方形螺旋溝道布局[9,10]。2005年美國密西根大學Lu等[8]制作了正方形螺旋結(jié)構(gòu)MEMS微型氣相色譜柱(見圖1c)。該正方螺旋形色譜柱能有效分離包含三氯乙烯、甲苯、四氯乙烯、乙酸正丁酯、間二甲苯、苯乙烯、正壬烷、均三甲苯、3-辛酮、正癸烷及八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)11種成分的混合物。2007年西班牙巴塞羅那大學Casals等[11]設(shè)計了一種正八邊形螺旋結(jié)構(gòu)的MEMS微型氣相色譜柱。色譜柱長1 m、寬200 μm、深200 μm。該色譜柱結(jié)合WO3或SnO2納米材料氣體傳感器,可有效監(jiān)測濃度在0.2到5 mg/L的二甲胺和三甲基胺。

而近年來,越來越多的研究小組在設(shè)計和制作MEMS微型氣相色譜柱時采用蛇形溝道布局[12-15](見圖2a)。美國路易斯安那州立大學Bhushan等[16]制作了蛇形結(jié)構(gòu)的MEMS微型氣相色譜柱,其長度為2 m、寬度50 μm、深度為600 μm,深寬比高達12,可以在2 s內(nèi)分離甲烷、丁烷、戊烷和己烷,色譜圖見圖2b。美國華盛頓海軍實驗室的Pai等[17]制作了圓形截面的蛇形結(jié)構(gòu)色譜柱,將該色譜柱應用在危險化學品(三硝基甲苯和維克斯神經(jīng)毒氣)的微量分析領(lǐng)域。美國利弗莫爾市勞倫斯實驗室的Stadermann等[18]制作的蛇形結(jié)構(gòu)色譜柱長50 cm,矩形截面深100 μm、寬100 μm,可在1 s內(nèi)分離4種烷烴。

圖 2 蛇形MEMS微型氣相色譜柱[16,20]Fig. 2 Photograph of a serpentine MEMS micro GC column[16,20] a. configuration of the microcolumn; b. chromatogram.

Radadia等[19]設(shè)計并制備了圓形螺旋形結(jié)構(gòu)、正方螺旋形結(jié)構(gòu)和蛇形結(jié)構(gòu)3種MEMS微型氣相色譜柱,并測試比較它們的理論塔板數(shù),如圖3所示。在相同條件下,蛇形色譜柱具有更尖銳的譜峰和更高的理論塔板數(shù)。主要原因在于螺旋形MEMS微型氣相色譜柱包含有指向內(nèi)部中心較小的曲率半徑和指向柱末端較大的曲率半徑。因為分析物從柱入口到出口所經(jīng)歷環(huán)境不對稱,所以會產(chǎn)生競流效應和虛假峰,降低了其分離性能[17]。

圖 3 圓形、正方螺旋形和蛇形結(jié)構(gòu)3種MEMS微型氣相 色譜柱理論塔板數(shù)隨柱壓降的變化曲線[19]Fig. 3 Plot of theoretical plates versus inlet pressure of MEMS micro GC columns with circular-spiral, square-spiral, and serpentine configurations[19]

2.2 溝道內(nèi)結(jié)構(gòu)

根據(jù)溝道結(jié)構(gòu)內(nèi)有無填充物或微結(jié)構(gòu),MEMS微型氣相色譜柱可以分為開管式、填充式和半填充式3種。早期研究中多采用開管式,而近期研究多集中于半填充式,填充式也有研究。

毛細管氣相色譜柱一般是開管柱,即柱體內(nèi)沒有填料或者其他任何微結(jié)構(gòu),在開管色譜柱中固定相涂敷在管柱內(nèi)壁。Radadia等[20]設(shè)計了一個長35 cm、寬100 μm、深100 μm的蛇形開管MEMS微型氣相色譜柱。選用金作為鍵合中間介質(zhì)層,在1 100 ℃退火,使金擴散到硅中,形成金擴散共晶鍵,制作的全硅色譜柱的熱傳導系數(shù)比硅-玻璃色譜柱高2個數(shù)量級,實驗結(jié)果表明,n-C6和n-C12在35 s內(nèi)可實現(xiàn)完全分離。

圖 4 填充式MEMS微型氣相色譜柱[22]Fig. 4 Packed MEMS micro GC column[22] a. photograph of the configuration; b. scanning electron microscope (SEM) photograph of the stationary phase.

在填充式MEMS微型氣相色譜柱中,固定相附著在一些微粒上面,這些微粒被填充進色譜柱內(nèi)。德國不萊梅大學的Sturmann等[21]設(shè)計了一種長75 cm、寬700 μm、深620 μm的填充柱,該填充柱能有效分離苯、甲苯、二甲苯、一氧化碳與丙酮組成的混合物。意大利微電子和微系統(tǒng)研究所的Zampolli等[22]設(shè)計深度高達600～800 μm的圓形螺旋形填充柱,如圖4所示,結(jié)果顯示能有效檢測濃度為0.005 mg/L的苯、甲苯和間二甲苯混合物。中國科學院電子學研究所孫建海等[23]采用激光刻蝕技術(shù)(LET)制備了蛇形微填充氣相色譜柱,如圖5a所示,填充式色譜柱長1.6 m,矩形橫截面深1.2 mm、寬0.6 mm。結(jié)果表明,所制備的填充氣相色譜柱能有效分離CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、C3H6、C3H8及C4H10的混合物,測得理論塔板數(shù)為5 800 plates/m,色譜圖見圖5b。

圖 5 填充式MEMS微型氣相色譜柱[23]Fig. 5 Packed MEMS micro GC column[23]a. photograph of the configuration; b. chromatogram.

與開管式MEMS微型氣相色譜柱相比較,填充式MEMS微型氣相色譜柱具有更大的表面積、更大的柱容量等優(yōu)點,但是由于存在渦流擴散效應,降低了其理論塔板數(shù),且需要較大的柱前壓。為此,美國弗吉尼亞理工大學的Ali等[24]提出了一種半填充微柱陣列色譜柱的結(jié)構(gòu),如圖6a所示,色譜柱溝道內(nèi)含有方形微柱陣列,其中方形微柱邊長20 μm,微柱間距離30 μm。由于微柱陣列,一方面增加了溝道的表面積,提高了色譜柱的樣品容量,另一方面降低了色譜柱的有效寬度,提高了柱效,其理論塔板數(shù)可達10 000 plates/m,分離色譜圖見圖6b。

圖 6 含有方形微柱陣列的半填充式MEMS微型氣相色譜柱[24]Fig. 6 Semi-packed MEMS GC column embedded square micro-posts[24]a. configuration of the microcolumn; b. chromatogram.

中國科學院電子學研究所孫建海等[25]設(shè)計并制作了一種溝道內(nèi)含有圓形微柱陣列的半填充式微型氣相色譜柱,如圖7a所示,為了改善彎道對流速的影響,通過模擬仿真對比研究了彎道內(nèi)含微柱陣列(圖7b)和不含微柱陣列(圖7c)時的流速分布,結(jié)果表明不含微柱陣列時流速分布更為均勻。此外,與方形微柱相比,流體對圓形微柱浸潤度更好,其固定相涂敷會更均勻。所設(shè)計的MEMS微型氣相色譜柱能在不到50 s的時間內(nèi)分離出5種環(huán)境致癌物,色譜圖見圖7d。

圖 7 含有圓形微柱陣列的半填充式MEMS微型氣相色譜柱[25]Fig. 7 Semi-packed MEMS GC column with embedded circular micro-posts[25] a. SEM photograph of the curved channels without any micro-posts; b. simulation result of the velocity profile in the curved channels with embedded micro-posts; c. simulation result of the velocity profile in the curved channels without micro-posts; d. chromatogram.

為了進一步改善色譜柱溝道內(nèi)的流速分布,中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所馮飛等[26]設(shè)計并制作了一種溝道內(nèi)含有橢圓形微柱陣列的半填充微氣相色譜柱結(jié)構(gòu),如圖8a和8b所示。由于橢圓形微柱具有流線型的結(jié)構(gòu),與方形、圓形微柱相比,這種MEMS微型氣相色譜柱的溝道具有更大的表面積和更均勻的流速場分布,利用該MEMS微型氣相色譜柱成功分離了輕烴類混合氣體組分,分離色譜圖見圖8c。

圖 8 含有橢圓形微柱陣列的半填充式MEMS微型 氣相色譜柱[26]Fig. 8 Semi-packed MEMS GC column with embedded elliptic cylindrical micro-posts[26] a. SEM photograph of the micro column; b. photograph of the micro column chip; c. chromatogram.

上述3種溝道內(nèi)結(jié)構(gòu)相比較,填充式MEMS微型氣相色譜柱具有更大的表面積和更大的柱容量,但由于存在渦流擴散效應,增加了其理論塔板高度和柱內(nèi)壓降。而半填充式MEMS微型氣相色譜柱具有比開管式色譜柱更大的表面積,其渦流擴散效應遠弱于填充式MEMS微型氣相色譜柱,同時其柱內(nèi)壓降與開管式相當,而遠小于填充式MEMS微型氣相色譜柱?？傊?半填充式MEMS微型氣相色譜柱由于具有較大的柱容量、較低的柱內(nèi)壓降、較大的理論塔板數(shù)受到越來越多研究組的青睞[27-41]。

3 固定相支撐層及固定相的制備

固定相主要分為液體固定相和固體固定相。固體固定相主要包括無機吸附劑(如分子篩、硅膠、氧化鋁等)和多孔聚合物[42]。液體固定相種類較多,經(jīng)常使用的有200多種,其中硅氧烷類和聚酯類化合物居多。MEMS微型氣相色譜柱的橫截面與傳統(tǒng)毛細管色譜柱相當,但其長度更短,一般只有幾米。為了提高其色譜分離度和柱容量,需要在MEMS微型氣相色譜柱內(nèi)部制作高比表面積的固定相支撐層。另外,固定相的制備直接決定MEMS微型氣相色譜柱的分離性能。下文將從固定相支撐層及固定相的制備方法兩方面對固定相進行綜述。

3.1 固定相支撐層

固定相支撐層一般要求具有機械、化學和熱的穩(wěn)定性,更重要的是還要有高比表面積。弗吉利亞大學Wang等[43]在長1 m、寬150 μm、深240 μm的MEMS微型氣相色譜柱上逐層(LbL)沉積了直徑45 nm的SiO2納米粒子(SNPs)。具體生長過程如圖9a所示,將色譜柱浸入帶正電荷的聚烯丙胺鹽酸鹽(PAH)水溶液與帶負電的SNPs懸浮液中,然后用去離子水沖洗3 min,帶負電荷的SNPs與帶正電荷的PAH層之間通過靜電相互作用形成逐層結(jié)構(gòu),接著高溫煅燒4 h,最后使用氯代硅烷進行硅烷化。色譜柱生長SNPs掃描電鏡圖見圖9b。測試結(jié)果表明,該MEMS微型氣相色譜柱能有效分離包含二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、二溴甲烷、四氯乙烯、甲苯、氯苯、溴苯、對二甲苯和1,1,2,2-四氯乙烷10種成分的揮發(fā)性有機化合物(VOC),分離色譜圖見圖9c。

圖 9 SiO2納米固定相支撐層制備和表征[43]Fig. 9 Preparation and characterization of the SiO2nanoparticles (SNPs) stationary phase support layer[43] a. schematic process flow of the SNP coating; b. SEM photograph of the SNPs; c. chromatogram.

美國弗吉利亞大學Shakeel等[44]利用原子層沉積(ALD)在微型氣相色譜柱生長氧化鋁作為固定相支撐層,工藝過程如圖10a所示:(I)深刻蝕半填充柱;(II)原子層沉積10 nm的Al2O3薄膜,原子沉積后的MEMS微型氣相色譜柱示意圖如(III)所示;(IV)硅玻璃鍵合;(V)硅烷化24 h。其中步驟(II)有95個周期,每個周期有4個步驟:(a)前驅(qū)體三甲基鋁進入反應;(b)清洗;(c)前驅(qū)體H2O進入反應;(d)清洗。測試結(jié)果表明,色譜柱能有效分離正己烷、苯、甲苯、四氯乙烯、氯苯、乙苯、對二甲苯、正壬烷的混合物,且理論塔板數(shù)達到4 200 plates/m,色譜圖見圖10b。

圖 11 含介孔氧化硅固定相支撐層的MEMS微型氣相色譜柱[49]Fig. 11 Semi-packed MEMS GC columns using mesoporous silica as the stationary phase support[49]a. photograph of the micro column chip; b. SEM photograph of mesoporous silicon; c. chromatogram.

介孔氧化硅性能優(yōu)異:其比表面積大[45,46],例如MCM-48介孔氧化硅的比表面積高達1 143 m2/g;熱穩(wěn)定性高,例如SBA-15介孔氧化硅可以在1 000 ℃保持穩(wěn)定;機械穩(wěn)定性好,例如MCM-48、MCM-41與SBA-15介孔氧化硅在600 MPa結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定[47,48]。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所馮飛等[49]采用介孔氧化硅材料作為色譜柱固定相支撐層,制備的MEMS微型氣相色譜柱芯片及溝道內(nèi)的介孔硅掃描電鏡圖分別如圖11a和11b所示,介孔硅厚度為855 nm,將制作后的色譜柱涂敷聚二甲硅氧烷(PDMS)進行測試,結(jié)果表明有介孔氧化硅支撐層的MEMS微型氣相色譜柱對C1～C2的分離度比沒有介孔氧化硅的MEMS微型氣相色譜柱提高了120% ,色譜圖見圖11c。

3.2 固定相的制備

3.2.1涂敷法

靜態(tài)涂敷和動態(tài)涂敷是目前應用較為廣泛的毛細管色譜柱固定相涂敷方式。在動態(tài)涂敷法中,固定相通過惰性氣體壓力的推動通過毛細管柱,在柱壁上留下一層固定相液膜,其厚度可以通過氣流速度與固定相在溶劑中的濃度來決定。而靜態(tài)涂敷法則是先把整個色譜柱都填充滿固定相溶液,然后一端密封,從另外一端抽真空,最后在一定溫度下使溶劑慢慢蒸發(fā)。靜態(tài)涂敷方法通常優(yōu)于動態(tài)涂敷方法。首先,靜態(tài)涂敷中所有固定相都沉積在柱壁上,因此,可以通過色譜柱表面積、固定相的濃度以及固定相的密度等條件計算出固定相液膜的厚度;其次,由于涂敷過程中固定相不需要進行軸向運動,可以得到厚度更加均勻的固定相液膜。

為了獲得更加穩(wěn)定的固定相液膜,可以通過交聯(lián)技術(shù)使固定液通過分子間的共價連接或者與色譜柱壁進行鍵合。例如在涂敷聚二甲基硅氧烷之前,將熱活化后的交聯(lián)劑(過氧化二異丙苯)加入到固定液中,涂敷后,以5 ℃/min的速率將色譜柱加熱至180 ℃,并在氮氣下進行4 h交聯(lián)[50]。

3.2.2基于半導體工藝的固定相制備

一般來說涂敷或者填充固體顆粒工藝與微制造加工過程中的要求一般不相符,且這些工藝步驟必須在完成微制造過程后“離線”進行。因此制備微型氣相色譜柱主要困難之一在于尋找可重復的固定相制備工藝。為了解決該問題,基于濺射、化學氣相沉積(CVD)等半導體工藝的固定相制備工藝相繼被提出。

巴黎高等物理化工學院Vial等[51]利用濺射方法在半填充MEMS微型氣相色譜柱道內(nèi)生長了厚度約為3 μm的SiO2層作為固定相。測試結(jié)果顯示,能有效分離甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等混合物,其理論塔板數(shù)能達到5 000 plates/m。華盛頓大學化學學院Reid等[52]利用CVD方法在微型氣相色譜柱上生長厚度為800 nm的碳納米管作為固定相。測試結(jié)果表明,能有效地分離正己烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷和正十一烷的混合物。

4 典型MEMS微型氣相色譜柱小結(jié)

將本文中典型MEMS微型氣相色譜柱所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行歸納,見表1。MEMS技術(shù)的進步特別是DRIE工藝的成熟和廣泛應用,極大地推動了MEMS微型氣相色譜柱的研究和發(fā)展。綜合目前的研究結(jié)果,開管式和填充式MEMS微型氣相色譜柱最先被研究,而半填充式是MEMS微型氣相色譜柱所特有的,由于其具有較大的表面積和柱容量,且降低了柱前壓力和渦流效應,目前備受研究者的關(guān)注。另外,高比表面積的固定相支撐層及新型探測器的應用,進一步提高了MEMS微型氣相色譜柱的分離性能及應用范圍。

表 1 MEMS微型氣相色譜柱典型結(jié)構(gòu)、固定相支撐層、固定相和分離效果Table 1 Typical structures, stationary phase supports, stationary phases, and separation effects of MEMS micro GC columns

SP: square posts; CP: circular posts; EP: elliptic posts; PDMS: polydimethylsiloxane; VOC: volatile organic compounds; TCD: thermal conductivity detector; FID: flame ionization detector; PID: photoionization detector; MS: mesoporous silicon.

5 結(jié)論與展望

基于MEMS技術(shù)的微型氣相色譜柱研究已經(jīng)基本建立了相對完備的體系,從理論基礎(chǔ)、MEMS微型氣相色譜柱結(jié)構(gòu)、固定相支撐層及固定相制備等方面都有深入的研究。在MEMS微型氣相色譜柱理論基礎(chǔ)方面,Golay[3]提出了矩形橫截面色譜柱的動力學模型,從理論上證明了高深寬比的溝道結(jié)構(gòu)能有效提高MEMS微型氣相色譜柱的分離效率;在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,蛇形半填充式MEMS微型氣相色譜柱由于具有更高的柱效而被廣泛地采用;而高比表面積的固定相支撐層有利于提高MEMS微型氣相色譜柱的柱容量和分離能力;同時,基于半導體工藝的“在線”式固定相制備方法有望解決涂敷固定相均勻性問題。

然而MEMS微型氣相色譜柱要進入實際應用尚需解決如下問題:首先需要進一步從理論上弄清半填充式MEMS微型氣相色譜柱理論塔板數(shù)與柱內(nèi)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,建立較為精確的半填充式MEMS微型氣相色譜柱的速率理論。其次,要提高半填充式MEMS微型氣相色譜柱的穩(wěn)定性和重復性,其中最重要的是改進固定相的制備方法,在MEMS微型氣相色譜柱結(jié)構(gòu)中,由于其結(jié)構(gòu)具有很多轉(zhuǎn)角,導致涂敷的固定相不均勻,而半導體工藝具有可控性好、重復性好等優(yōu)點,因此需大力研究基于半導體工藝的固定相制作方法。此外,還需解決好MEMS微型氣相色譜柱與其他器件(如前端的富集器、后端的檢測器等)的集成問題,如將上述器件設(shè)計、制作在同一芯片上,能有效降低色譜系統(tǒng)的死體積,提高色譜分離性能?？傊?隨著MEMS微型氣相色譜柱在體積、功耗、分離性能等方面的不斷改善,它必將成為解決實際分析難題的一個強有力的工具。