用于气体检测的微流控芯片关键技术研究

摘要

恶臭气体逐渐受到各国重视，而恶臭气体又有不易采集，在线检测难等特点。需要一种便携式或在线检测仪器对其进行实时、快速、准确的检测。本论文基于气相色谱技术和微流控芯片技术，前者为世界各国进行气体检测的主要手段，但应用该技术的气相色谱仪体积巨大，不便于在我国广阔地域进行恶臭气体实时监测。微流控芯片技术的发展得益于微机电加工技术的进步。理论上，能把气相色谱仪上任何主要部件集成到几平方厘米的芯片上，所以微流控芯片是实现仪器便携化、小型化的最佳选择。
　　气相色谱仪上的气体分离系统（即色谱柱及柱温箱）约占色谱仪一半的体积，因此缩小分离系统体积显得尤为重要。本论文通过对上述两种技术的结合，设计并制造出了适合便携式色谱仪器商业化应用的微流控芯片色谱柱，即把计算机机箱大小的分离系统集成到面积为几平方厘米，厚度不到1mm厚的芯片上。本课题设计并成功制作出了两种芯片：芯片一为采用喷砂工艺制成的微流控芯片填充柱，其内径为1mm，沟道总长1.8m。芯片体积115×60×6mm。芯片二是采用湿法刻蚀制作的微流控芯片毛细柱，芯片沟道为边长0.15mm的正方形截面，沟道总长0.75m。芯片体积40×12×0.9mm。芯片一应用于复杂气体分离，芯片二应用于简单气体快速分离。根据恶臭气体的特性本课题选择了聚乙二醇作为固定相。由于色谱分析需要极佳的密封性，本课题设计了多种芯片接口方案，并最终确定两种为芯片使用。本课题还设计了对芯片分离效果影响很大的柱压系统。论文最后对芯片一进行实验验证，得到芯片对丙酮（恶臭气体）的理论塔板数为2156。
　　课题达到了最初的设计要求，制作出了可供便携式仪器使用的微流控色谱柱分离系统。但要制作出超小型仪器还需要将气相色谱仪的进样系统，检测系统同时集成于芯片上，此外芯片也可集成加热层，对芯片进行直接加热，加热效率会明显高于色谱柱的空气浴加热，这是快速检测的关键。本课题组今后任务就是进行此类研究。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 本课题研究的进展

1.3 微流控芯片和气相色谱的结合

1.4论文主要研究内容和关键技术

第二章 气相色谱理论与主要技术指标

2.1气相色谱系统简介

2.2 气相色谱理论介绍

2.3本章小结

第三章 基于微流控芯片的色谱柱设计与制造

3.1 微流控芯片材料的选择

3.2微流控芯片的加工工艺

3.3 微流控芯片气相色谱柱研究意义和发展动态

3.4 微流控芯片色谱柱设计与制造

3.5本章小结

第四章 微流控芯片固定相的涂敷

4.1固定相的选择

4.2固定相的涂敷

4.3本章小结

第五章 实验评估及数据分析

5.1载气线速度控制系统设计

5.2 微流控芯片实验分析

5.3本章小结

第六章 结论

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

致谢