微型气相色谱柱作为新一代色谱柱,结合微电子技术(MEMS)与色谱柱加工技术进行制备。器件体积小,柱效高,在未来与其他器件整合可形成微型气相色谱系统。目前大多数微型色谱柱还处于研发阶段,并没有在商业中被广泛使用。其原因是微型色谱柱在分离混合样品时相比与传统色谱柱,组分的分离率还很低,无法达到分离要求,尤其是对混合样品进行快速分离。同时柱载量低也影响了微型色谱柱对高浓度组份的分离。本文在总结早期研究成果的前提下,对微型色谱柱在快速分离混合组分方面做深层次的研究,并开展了一系列探索性和创新性的工作。通过气相色谱柱理论,采用MEMS技术设计制备并模拟仿真不同结构微型气相色谱柱。实验中使用静态涂敷法对微型气相色谱柱涂覆不同极性固定液。对微型气相色谱柱快速分离化学战剂及其模拟剂、烷烃混合物、含苯的致癌组份以及酯类食品添加剂进行深入探讨。总结全文,得到以下结论:1.采用MEMS技术设计并制备了不同深宽比结构及柱长的微型单道色谱柱,并对混合组份进行分离,找到了微型单道色谱柱对组份的快速分离的缺陷。通过对微型单道柱理论塔板高度(HETP)的模拟,发现理论塔板高度曲线的弯曲度较大,在实际的应用中载气流速的变化对混合物在微型色谱柱内分离时波动很大,直接影响了单道柱的柱效并使分离效率降低。同时采用ANSYS FLUENT软件对气体进入单道色谱柱后进行流体模拟仿真。气体在单道柱槽道内流动时,气体与柱壁间的摩擦力,使在柱壁上的载气流速渐渐为零,产生层流现象出现抛物线形状的流速云图。由于层流作用的影响造成大多数组份在单道柱中央快速流出,并没有与两壁上的固定相进行充分分配降低了柱效及分离率。实验中制备槽宽最窄的单道柱对混合组份快速分离时其柱效及分离率依然较低。通过上述分析得出对组份进行快速分离时,为了进一步提高理论塔板数及分离率还需要对槽宽再次变窄。对于微型单道柱而言,槽宽过窄使色谱柱的柱载量变低,影响后端传感器的探测,所以在微型单道柱的基础上还设计了微型多道色谱柱和微型半填充色谱柱,以改进单道柱结构上的不足。2.在微型单道色谱柱的基础上设计并制备具有高深宽比结构特点的微型多道色谱柱来提高分离效率,目前与国外所报道的多道柱相比在保持高柱效的同时,提高了对混合组份的分辨率实现了对组份快速有效的分离能力。本文采用MEMS技术设计制备了微型多道气相色谱柱。其槽宽设计范围从100μm~40μm,刻蚀深度提高到450μm形成具有1:10高深宽比结构特点。通过对微型多道柱理论塔板高度(hetp)的建模分析,发现当载气流速不断增加的情况下,由于分子扩散效应减弱,曲线在急剧下降后,趋于平缓。在实际应用中由于多道柱能减少载气流速变化对自身影响,使其提高了器件的工作稳定性。当载气流速为27cm/s时,理论塔板数最高能达到14437plates/m。实验中通入烷烃混合气体(c5-c10,c12)到微型多道柱内进行快速分离,混合组分在槽宽为40μm的4道色谱柱中实现完全分离,与已报道的多道柱相比在保持高柱效同时,弥补沸点较低组份在快速分离时分离率差造成组份间无法分开。为了使气体能在多道柱的每个道槽内分配平均,需要在器件气流入口设计分流柱(flowsplitters)。通过ansysfluent软件对气体进入多道柱后进行流体模拟分析,发现气体流入设计的分流柱后平均分配在每个道槽内。总结上述分析得出把微型多道色谱柱的槽道再次变窄并提高刻蚀深度,使组份进入微型多道色谱柱时传质距离变短,减少峰展宽度,同时也降低了组份返回流动相中落后于原来载气中的组份而引起谱带变宽。槽道变窄也改善了组份因层流现象与固定相间的分配。在槽道变窄的情况下,增加槽道数量使多道柱不损失柱载量的情况下提高色谱柱的柱效及分离率。由于载气变化对多道柱的影响较低,提高的微型多道色谱柱在实际应用过程中的工作稳定性。3.针对单道柱中出现的层流现象,采用computeraideddesign(cad)软件在槽道中设计有规则排列的矩形填充柱形成微型半填充柱,其中设计制备的2柱形微型半填充色谱柱其塔板数达到55366plates/m与目前已报道的微型色谱柱相比提高了2倍以上。通过mems技术制备3柱型半填充柱由于其排列结构使气流在贴近槽壁处的流速与在半填充柱间的流速不均,降低分离率。在此基础上设计了2柱型填充柱对结构进行优化并通过ansysfluent软件对气体进入柱后进行仿真,当气体进入半填充柱内,通过流速云图可以得知其结构是由3个连续的小抛物线组成,带宽是单道柱内的1/3,气体在两相分配时的距离随之变窄,提高了分离效率。同时固定相表面积在微填充柱内提高了100%,增加了气体的分配系数,提高了柱效。实验中通入烷烃混合气体(c5-c10,c12)分别到微型填充柱及安捷伦hp-5毛细管柱进行分离,与传统毛细管柱相比,混合组分在微型填充柱内的保留时间缩短了2倍,塔板数达到了55366plates/m其柱效提高了10倍左右。采用静态涂覆法涂覆se-54固定相到微型填充柱内并对酯类添加剂进行分离,四种组份在90秒内完全分开。通过上述分析得到的结论是微型半填充柱使单道柱中出现的层流效应减弱,其填充柱有规律的排列也避免了组份流动路径不同造成涡流扩散。槽道中的填充柱使组份传质距离变短,减少峰展宽度,说明微型半填充气相柱在应用中具有高柱效。4.目前微型色谱柱对痕量化学战剂快速分离鲜有报道,文中设计槽宽40μm,4槽道微型多道柱对浓度小于100ppm沙林、索曼、芥子气混合战剂在2分钟内实现完全分离。为了进一步测试器件的快速分离能力,在三种混合战剂中再加入两种战剂模拟剂,五种组份通过两段程温加热方式在2分钟内实现分离。选用的三种含苯致癌物组份在一分钟内也被多道色谱柱完全分离。与传统毛细管柱相比,混合组分在多道柱内的保留时间缩短了3倍,其柱效提高了3倍左右,具有高柱效快速分离能力。同时结合多道柱及半填充柱特点。设计并制备微型多道半填充柱,在槽宽相同条件下使柱效提高了15%。通过上述分析说明微型多道柱在今后的探测系统整合中,不仅使探测器能快速识别痕量毒气,还能区别真实毒剂及模拟剂。未来可以被用于在人口密集的公共区域进行安防方面探测,同时还能对环境中的有害组份进行快速分离。