CN105579842A - 用于气相色谱的整合流体*** - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种制造用于气相色谱仪的流体***的方法。方法包括：用第一掩模在基材上微制造气相色谱仪的流体***的一部分；用第二掩模微制造气相色谱仪的流体***的一部分；并且用第三掩模微制造气相色谱仪的流体***的一部分，使得第一掩模、第二掩模和第三掩模彼此不同，且微制造气相色谱仪的流体***只用第一掩模、第二掩模和第三掩模完成。一种气相色谱仪，其中微制造的Knudsen泵布置以第一方向操作，以将载气吸入预浓缩器，并以第二方向操作，以将气体吸出预浓缩器。

Description

用于气相色谱的整合流体***
政府条款
本发明根据Army/AMC授予的基金号W31P4Q-09-01-0011在政府支持下完成。政府拥有本发明的某些权利。
相关申请交叉引用
本申请要求2013年5月17日提交的美国临时申请61/824,573的权益。以上申请的全部公开内容通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开涉及用于气相色谱的整合流体***及其制造技术。
发明背景
气相色谱仪(GC)是通过使样品填料通过用功能材料(即，固定相)涂覆的通道(即，柱)时空分离和检测气相混合物使用的仪器。成分可通过从柱洗脱所需的时间鉴定，并通过来自位于柱下游的气体检测器的信号强度定量。通常，很多其它组件对操作也必不可少，例如，提供样品注射的预浓缩器和产生气流的泵。在一些***中，用阀控制计时和流动。复杂混合物的分离有时用全二维GC(2DGC或GC×GC)进行，其中使用热调制器。
自从在二十世纪五十年代石油工业普遍采用气相色谱仪，其使用已扩展到一些其它领域。例如，用其检验污染物，例如多环芳烃、杀虫剂、卤化化合物等。另一个应用是与固相微萃取技术结合的食品分析，用于油脂、药物、杀虫剂和碳水化合物的鉴定和定量。近年来，也已通过这种仪器进行生物医学筛选。由GC分析人呼出生物标记提供诊断和监测潜在疾病的无损伤方法。这种生物标记的实例包括与肺炎症相关的氧化氮和与脂质过氧化相关的乙烷和戊烷。
30年来一直在努力使GC微型化，早期工作可追溯到1979年。作为微气相色谱(μGC)***的核心组件，分离柱已得到广泛研究，并已报告多种柱结构，例如，镍柱、硅-玻璃柱、ParyleneTM柱和等离子增强化学气相沉积(PECVD)氧氮化物柱。用于这些柱的固定相涂覆方法包括常规静态涂覆方法和自组装方法。用于μGC***的气体注射装置可主要分为两类：预浓缩器和阀注射器。预浓缩器用吸附剂在低温收集分析物，并利用热脉冲注射填料。某些预浓缩器收集分析物不需要气流。相反，阀注射器用阀采集并注射气体填料。已报告多种气体检测器，包括化学电阻器、化学电容器、热导率检测器、Fabry-Pérot检测器和基于放电的检测器。也与在GC×GC***中的应用一起报告微制造热调制器。
微制造组件整合到μGC***也取得显著进步。μChemLab是由预浓缩器、柱和表面声波传感器组成的手持式μGC***。密歇根大学的研究人员在过去十年已报告数种μGC原型，包括Intrepid、Spiron和掌中Mercury***。
大多数μGC研究努力未结合使用微泵。已只报告两种情况：一种利用微制造静电驱动蠕动泵，另一种利用固定Knudsen泵阵列。前者需要高频、大幅度驱动电压，但功率高效。后者不是功率高效，但需要低电压DC源，它提供高可靠性，且经6000小时连续操作。
至今报告的很多微泵操作μGC***使用由全异微制造方法制造的组件。一些***由管连接组件，而一些用歧管进行流体相互连接。这种方法的益处是各组件可最优设计和制造。遗憾的是，全***增加的复杂性和制造成本对整合造成挑战。如其它流体***中那样，所有组件的可堆叠结构或整体式过程极大有益于***的可制造性和整合。
本节提供与本公开相关的不一定为现有技术的背景资料。
发明概述
本节提供本公开的概括，而不是其完全范围或所有特征的全面公开。
本发明提出一种制造用于气相色谱仪的流体***的方法。方法包括：用第一掩模在基材上微制造气相色谱仪的流体***的一部分；用第二掩模微制造气相色谱仪的流体***的一部分；并且用第三掩模微制造气相色谱仪的流体***的一部分，使得第一掩模、第二掩模和第三掩模彼此不同，且微制造气相色谱仪的流体***只用第一掩模、第二掩模和第三掩模完成。
微制造流体***一般需要通过一般称为微机器加工的步骤从基材图案化去除(patterned removal)材料。可了解，微机器加工为喷砂、等离子蚀刻、湿蚀刻和超声机器加工之一。在一些实施方案中，用第一掩模在基材上沉积金属，用第二掩模在基材中形成空腔，用第三掩模在基材中形成通孔。
方法可进一步包括：在基材的单独部分上微制造气相色谱仪的三个组件；将基材切成多个模，各模具有用于三个组件之一的不同子组件布置在各模上；并堆叠多个模，以形成气相色谱仪。
在一些实施方案中，流体***包括只用第一掩模、第二掩模和第三掩模制造的泵、分离柱、预浓缩器和检测器至少之一，而在其它实施方案中，泵、分离柱、预浓缩器和检测器均只用第一掩模、第二掩模和第三掩模制造。
可在两个或更多个基材中分开制造流体***的组件。例如，可在第一基材上沉积金属，和在第二基材上进行喷砂。然后组装第一基材与第二基材，以形成泵、分离柱、预浓缩器和检测器至少之一。最后，在电路板上彼此相邻布置之前，可单独组装泵、分离柱、预浓缩器和检测器。
本发明也提供一种气相色谱仪***。气相色谱***包括：泵，该泵构造成接收载气；分离柱，该分离柱构造成从泵接收载气，并可操作用于从载气分离分析物分子；预浓缩器，该预浓缩器在泵和分离柱之间***并以流体流通方式耦合；和检测器，该检测器构造成从分离柱接收载气，其中泵、分离柱、预浓缩器和检测器中至少三个通过只用三种不同掩模微制造来制造。
在一个实施方案中，气相色谱仪***具有堆叠布置，其中预浓缩器堆叠在Knudsen泵顶上，分离柱堆叠在预浓缩器顶上，且检测器堆叠在分离柱顶上。
在一些实施方案中，Knudsen泵以一个方向操作，以将载气吸入预浓缩器，并以第二方向操作，以将气体吸出预浓缩器。
在其它实施方案中，检测器进一步限定为脉冲放电检测器或电容检测器之一，其中电容检测器包括载气通过的通道和在通道中暴露的至少一个叉指电容器。
在其它实施方案中，气相色谱仪***具有平面布置，其中泵包含在电路板上彼此相邻布置的两个或更多个泵，以形成泵模块，且预浓缩器、分离柱和检测器在电路板上彼此相邻布置，以形成色谱模块。预浓缩器、分离柱和检测器至少之一可作为悬臂布置在垂直支持体上，该垂直支持体置于电路板与预浓缩器、分离柱和检测器至少之一之间。
通过本文提供的说明，适用性的其它领域将变得显而易见。在此概括中的说明和具体实例只是为了说明，不旨在限制本公开的范围。
附图简述
本文所述附图仅为了说明所选实施方案，并非所有可能的实施情况，不是要限制本公开的范围。
图1为气相色谱***的一个实例实施方案的透视图；
图2A-2C为描绘制造过程的一部分的图解。
图3为气相色谱***的实例实施方案的横截面图；
图4为图示说明***的Knudsen泵的稳定态性能和气体流速的图解；
图5A和5B为图示说明预浓缩器的性能评价的图解；
图6A-6C为图示说明分离柱的试验和评价结果的图解；
图7A为用于试验检测器的实例放电电路的示意图；
图7B和7C为图示说明检测器的试验和评价的图解；
图8A和8B为图示说明由气相色谱***分离戊烷、庚烷和辛烷的图解；
图9为图示说明气相色谱***双向操作的图解；
图10为具有双向Knudsen泵的气相色谱***的实例实施方案的横截面图；
图11为描绘具有平面和模块设计的气相色谱***的另一个实例实施方案的图解；
图12为图11的气相色谱***中泵模块的透视图；
图13A和13B为泵模块的横截面图；
图14为实例气流连接器的透视图；
图15A为图11的气相色谱***中色谱模块的透视图；
图15B为实例预浓缩器的透视图；
图16为可用于气相色谱***的电容检测器的实例实施方案的透视图；并且
图17为电容检测器的横截面图。
在附图的数个视图中，相应附图标记始终表示相应部分。
发明详述
现在参照附图更充分描述实例实施方案。
图1图示说明具有堆叠布置的气相色谱仪***10的实例实施方案。气相色谱仪***10包括Knudsen泵12、分离柱14、预浓缩器16和检测器18。以下进一步分别描述这些组件。虽然在本文中描述最相关组件，但预想可用其它类型组件(例如，吸热件)执行气相色谱仪***。
在操作期间，Knudsen泵12根据热蒸发原理操作，以驱使关注气体(即，载气)通过***。分离柱14构造成从Knudsen泵12接收关注气体，并操作用于从气体分离分析物分子。在通过分离柱14分析之前，预浓缩器16吸附分析物分子。为了开始分析，样品用热脉冲解吸，并注入流体路径。检测器18从分离柱14接收样品，并操作用于定量测定样品中的选择物类。在一些实施方案中，气相色谱仪的各组件只用三种不同掩模通过微机器加工制造，如以下进一步描述。
Knudsen泵通过在限制自由分子或过渡流态流量的窄通道中的热蒸发驱动。气体分子逆着温度梯度移动，即，从通道的冷端到热端，泵本身没有移动部件。在一个实例实施方案中，Knudsen泵12由三个玻璃模组成(模1-3，厚度=500µm)，模把多孔混合纤维素酯(MCE)膜8(厚度≈105µm，孔径≈25nm，孔隙率≈70%，Millipore，MA)的堆垛夹在中间。膜切成1.2×1.2cm2方块，形成活性泵送区域。孔径在与接近大气压的空气的平均自由程相同的数量级。模1上的多个沟槽和模2上的多个通孔促进气流通过MCE膜，而模3上的沟槽引导气流进入上部组件。温度梯度由模2上的薄膜加热器9施加，且外部吸热件连接到模1的底部。在一个实施方案中，吸热件为在气体入口具有穿孔的简单铝板。其占位面积可略大于Knudsen泵。
由于计算的简易性和相对精确度，通常用Sharipov模型估计微制造Knudsen泵中的热蒸发现象，其一般具有长的回旋通道。圆形横截面通道中的热蒸发驱动质量流量由以下等式提供：
其中ΔTKP、ΔPKP、Tavg和Pavg分别为通道热端和冷端之间的温差、压差、平均温度和平均压力，a为通道半径，l为通道长度，m为气体分子的质量，kB为Boltzmann常数。参数QT和QP分别为温度和压力流量系数，通过Sharipov等式制表。这些系数的值取决于稀薄参数δavg，由以下等式给出：
其中δavg为气体分子的平均自由程。
具有多个平行通道的Knudsen泵的体积流速可计算为：
其中Nchannel为用于热蒸发的总通道数，ρgas为气体密度。
根据等式(1)-(3)，其中ΔTKP=60℃，关于此实施方案所述的Knudsen泵估计提供6.7sccm卸载空气流速。其堵塞压力，最大ΔPKP，估计为6.7kPa[由在等式(1)中假设Mavg=0得到]。应了解，可关于其它空气流速设计泵。也预想其它布置和/或泵类型落在本公开的较宽方面内。
预浓缩器16在室温使分析物分子吸附到多孔表面上。为了开始分析，样品用热脉冲解吸，并注入流体路径。实例实施方案利用单床预浓缩器，设计为由模5和模6形成的11mm3室17(见图1)。在室17中填充CarbographTM2颗粒(Grace Davison Discovery Sciences, IL)作为吸附剂材料，是一种具有10m2/g表面积的石墨化碳。除了气体入口和出口特征外，预浓缩器16还包含吸附剂装填口15，由此可装填吸附剂颗粒。设计柱阵列将吸附剂颗粒限制在室17中。本公开也预期其它类型吸附剂材料。
通常用Wheeler-Jonas模型描述吸附剂填充预浓缩器的理论建模。穿透时间tb(min)是表征吸附容量的计量。具体地讲，它是进入预浓缩器16的蒸气在出口饱和并达到一定浓度(表示为在入口的分数)所需的时间：
其中We为可理论导出的吸附容量，W为总吸附剂质量(g)，Q为体积流速(cm3/min)，cin为入口化学浓度(g/cm3)，ρb为填充吸附剂的堆积密度(g/cm3)，kν为可从半经验等式估计的总传质系数(min-1)，cout为选择表示穿透的出口化学浓度(g/cm3)。
预浓缩器16设计为具有最大的可实现的吸附剂室17，而不损及***的隔热和形状因子(图1)。如下所述，tb为通过设定cin=80ppm(通过此工作中使用的载气中样品蒸气的摩尔分数测定)和Q=1sccm试验测定，同时使用穿透标准。
根据各分析物在流动相(载气)和固定相之间建立的分配，在它们通过时，柱14分离分析物物类。在实例实施方案中，柱14设计成为以双螺旋图案布置并通过模7和模8粘合形成的通道(长度≈25cm)(见图1)。制造过程产生具有水力直径≈230μm(限定为4×面积/周长)的近似半椭圆形横截面(宽度≈300μm，深度≈200μm)。在内壁涂覆A≈0.2μm厚非极性聚二甲基硅氧烷(OV-1, Ohio Valley Specialty, OH)，作为固定相。关于柱的其它设计也落在本公开的范围内。
可从试验得到的色谱图估计色谱柱的分离效率。较高分离效率由较高塔板数N和较小理论塔板尺寸表示，也称为“理论等板高度”(HETP)。虽然这些不总是熟知的，但HETP可从柱的结构尺寸和物理性质理论估算。因此，可计算柱的HETP，这有利于评价和比较具有不同长度的柱。
其中tR为保留时间，W1/2为在半高测量的保留峰的宽度，lcolumn为分离柱的长度。对于此工作，lcolumn为≈25cm。以下与所得HETP一起描述tR和W1/2的试验测定值。
在实例实施方案中，基于放电的气体检测器18用两个金属电极产生局部微放电，局部微放电产生光谱，指示碳原子存在。虽然RF供电微放电和DC微放电是可选项，但使用脉冲DC微放电，因为它们消耗低功率，需要简单界面电路，并提供延长寿命。如图1中所示，用于产生微放电的隔开50μm电极位于模8上，而模9的沟槽结构引导气体通过检测器18。光信号通过手持式光谱仪(Model # USB 2000, Ocean Optics, FL)检测，由便携式电脑控制。
继续参考图1，在形成串联气体流路的堆垛中布置四个组件。由位于上游的Knudsen泵12驱动，预浓缩器16积累分析物，并使它们沿着相同气体流向解吸。解吸的气体分析物通过柱14，并具有特征停留时间，暂时由检测器18解析。在泵12、预浓缩器16和分离柱14之间的热串扰由各层中的玻璃间隔物(模4a和模4b)和切口(空隙)抑制。根据***需求，可将更多间隔物加到***，以达到优良隔热。
堆叠装配的热特性用有限元分析(FEA)模拟，例如，在COMSOL Multiphysics 4.2中。模拟指向模拟***的温度分布，同时加热Knudsen泵12或预浓缩器16。在两种情况下，模拟结构包括在预浓缩器和柱之间和在预浓缩器16和Knudsen泵12之间的7个间隔物，从而模拟用于试验检验的实际***。Knudsen泵12中MCE膜堆垛8的热导从试验拟合当量值导出。假定Knudsen泵的底部由理想吸热件保持在室温。***由空气箱包围，且向环境自然对流传热。
在加热预浓缩器16的情况下，它经受热脉冲(12W, 2秒)，并达到170℃。由于间隔物提供的隔热和加热的脉冲性质，柱14和Knudsen泵12只受最小影响。
在Knudsen泵12可操作的情况下，以1W输入功率跨MCE膜堆垛有50℃温差。模拟显示，在≈400秒内达到稳态后，在预浓缩器16中最大寄生温度升高为≈18℃，在分离柱14中为≈14℃。在蒸气采样和分析分离二者期间存在的这种热串扰小得足以使预浓缩器16和柱14保持功能性。精确热串扰取决于***如何操作。对于短于400秒的蒸气采样和分离时间，热串扰较小。
参考图2A-2C，制造过程可分为两个主要步骤。首先是光刻微制造：共同的3掩模序列用于气相色谱***10的所有四个组件。第二是气相色谱***10的组装。
3-掩模序列使用三种掩模类型：第一掩模类型旨在用于基材上的金属化；第二掩模类型旨在用于基材中产生沟槽；第三掩模类型旨在用于产生穿过基材的特征(即，通孔和切口)。可在相同基材上制造所有组件(例如，泵、预浓缩器、分离柱和检测器)，或者可在不同基材上制造组件的不同组合。在所有情况下，三种掩模类型保持不变。具体地讲，在一个实例中，如果在相同基材上制造所有组件，则各掩模类型只需要一个掩模布局结合所有组件的图案。在另一个实例中，如果在单独薄片上分别制造四个组件，则各掩模类型需要四种单独掩模设计，各自用于组件之一的图案化。
在这项工作中，在一种实例制造方法中，选择硼硅酸盐玻璃作为基材材料。然而，可使用任何其它种类玻璃，包括低成本钠钙玻璃。为了开始，通过电子束蒸发沉积金属层21(例如，Ti/Pt 25/100nm)，并通过在500μm厚玻璃薄片上剥离进行图案化(见图2A)，形成例如加热器、温度传感器和微放电电极。金属化薄片经过二步机器加工过程，该过程在薄片的非金属化侧开出沟槽，并产生通孔22和/或切口23(见图2B)。各微制造步骤需要掩模。在实例方法中使用微磨料喷射机器加工(喷砂)(Bullen Ultrasonics, OH)，但也预期其它方法。有沟槽结构形成平面内气体流路，穿过薄片的切口提供平面内隔热和可堆叠间隔物。经喷砂的特征一般具有22°锥角和125μm角半径。在实例实施方案中，沟槽结构的深度和特征大小在150-300μm范围内。除了喷砂外，很多其它方法也可用于玻璃薄片微机器加工，例如等离子蚀刻、湿蚀刻和超声机器加工。
如果在单独薄片上制造各组件，则可在薄片水平进行***组装。然而，在此实例方法中，所有组件均在相同薄片上，因此，在组装前使模单一化。然后，在加到***堆垛之前，使各组件环氧粘合到其上层，如图2C的24所示。
在实例方法中，使Knudsen泵12组装到玻璃-MCE-玻璃堆垛。首先使模2和模3通过低粘性环氧材料Epotek 377(Epoxy Technology, MA)粘合，环氧材料从堆垛中布置的模的周边施加，并通过毛细管力吸入配合表面之间的缝中。在150℃固化在两个玻璃模之间形成无漏粘合。下一步，堆叠模2、模3、四个MCE膜和模1(以从顶至底说明的次序)。最后，在MCE膜堆垛边缘周围施加粘性环氧材料Stycast2850FT(Henkel, Düsseldorf, Germany)，以得到密封，这对Knudsen泵操作极其重要。
预浓缩器16通过环氧材料粘合和吸附剂填充组装。例如，通过Epotek 377粘合模5和模6。下一步，使用类似于J. H. Seo等人的 “Microfabricated Passive Vapor Preconcentrator/Injector Designed For Microscale Gas Chromatography”(设计用于微米级气相色谱的微制造被动蒸气预浓缩器/注射器)中所述的方法，将吸附剂颗粒填入预浓缩器。用从入口/出口的适度真空将Carbograph 2颗粒从装填口抽入预浓缩器。预浓缩器中的柱结构作为筛容纳较大颗粒，同时使较小颗粒通过并离开预浓缩器。在吸附剂装填后，用热胶带或环氧材料密封装填口。
分离柱14通过例如SU-8 5(MicroChem, MA)涂覆层组装。例如，旋涂并焙烤Omnicoat(MicroChem, MA)作为粘合促进剂，随后在配合表面上旋涂SU-8层(小于10μm)，具体地讲，模7的金属化侧和模8的沟槽侧。在150℃软烘有沟槽的模(模8)，以防止流体SU-8填充和堵塞通道的潜在问题。然后，使模对准并堆叠，随后在95℃第二次软烘，这迫使流体SU-8逐渐填充配合表面之间的间隙和空隙，提供无漏粘合。使装置曝露于紫外(UV)辐射，并在150℃硬烘，以使SU-8固化，并使脱气最大限度地减少。上述旋涂方法完全用SU-8覆盖分离柱内壁，从而提供得到更均匀固定相涂层的两个潜在益处。首先，柱的内表面为均质材料，这对固定相提供均匀粘合强度。其次，可从喷砂得到的沟槽上的任何表面粗糙度被SU-8层光滑化。
然后，使用常规静态涂覆方法，用a≈0.2μm厚OV-1固定相层涂覆SU-8粘合柱。在此实例方法中，通过将OV-1及其交联剂过氧化二枯基溶于戊烷制备OV-1溶液，并填入柱。柱的一端密封，通过真空从柱的另一端蒸发戊烷，使OV-1涂在柱的内壁上。随后，在150℃加热柱过夜，以完全去除溶剂，并进行交联。这一涂覆过程可用环氧材料Stycast2850FT由临时连接到柱两端的毛细管帮助；在涂覆过程后，可很容易通过局部加热分开毛细管连接。
可用供选方法在分离柱中施加固定相。例如，组成模可用固定相喷涂，随后粘合。在一些实施方案中，用固定相涂覆整个内壁。在其它实施方案中，固定相不施加到有沟槽的内壁，而只施加到无沟槽表面。虽然这种方法损害性能，但可显著减小制造成本。
利用Epotek 377，使用关于组装Knudsen泵所述的方法，通过模9粘合到模8组装检测器。
最后，通过用一些间隔物将所有四个组件组装在一起整合总体***，所述间隔物由在与图3中所示其它模相同的玻璃薄片上喷砂微机器加工。间隔物可用Epotek 377永久粘合到组件上。然而，在组件之间的可去除粘合层也有利于允许可重构性。利用低熔点和在共同溶剂中的易溶性，在工业中已广泛用各种固定蜡作为临时粘合剂。在此工作中使用固定蜡QuickStickTM135(Electron Micro-scopy Sciences, PA)，以提供可去除的粘合层。在组装***时，将组件放在150℃热板上。固定蜡通过升高的温度熔融，并施加到配合表面。然后将组件压在一起，从而允许固定蜡形成无漏粘合。***的热操作不破坏这种粘合，只要不施加强剪切力。在有必要重构***时，可在热板上加热堆垛，并且可很容易使粘合分开。
堆垛的底表面可结合到铝板，铝板作为Knudsen泵的吸热件。为了检验，也可使毛细管结合到***的入口和出口。***具有3.2cm2占位面积，高度取决于堆垛中的间隔物数，在此工作中试验的典型***具有总共14个间隔物，相当于≈1.15cm总高度和3.7cm3形状因子。虽然已提到具体制造步骤，但很容易了解，微制造步骤或其次序、粘合材料等的变化均落在本公开的较宽方面内。
在组装完整的气相色谱***10之前，单独评价各组件。出于简单和基准目的，试验评价集中在C5-C8范围的烷烃。这些烷烃也指示响应典型室内污染物的***。结果在下面提供。
在评价Knudsen泵中，使其入口暴露于大气压环境，同时将不同负载(表现为具有不同长度的毛细管)连接到其出口。选择负载值跨越覆盖***提供的实际负载的宽范围。在出口和毛细管之间连接市售压力传感器(Model # MPX5010DP, Freescale Semiconductor, AZ)和流量计(Part # FMA-1603A, Omega Engineering, CT)，以分别监测压力和流量条件。利用1W 输入功率，泵产生ΔTKP≈60℃，并且能够在330Pa压力下提供0.41sccm稳态流速，其提供1kPa最大压力。流速随负载压力成线性下降，如图4中所见。试验数据离理论估计的偏差可能是由于MCE膜中的缺陷，或在加热器和膜之间空气间隙中温度梯度的部分损失。
气相色谱***10提供的负载用类似装备检测。仅有的区别是：外部泵代替Knudsen泵，组件堆垛(包括预浓缩器、柱和检测器)代替毛细管。利用线性拟合成负载线的数据点，可从斜率-0.64sccm/kPa读出堆叠预浓缩器、柱和检测器的流导(见图4)。***操作点由Knudsen泵曲线和***负载线之间的交点指示。
关于吸附和解吸二者表征预浓缩器。通过检测在其出口蒸气浓度达到在入口浓度的一定分数所需的时间，试验评价预浓缩器的吸附容量，将此称为“穿透”。在此评价工作中，将预浓缩器的入口连接到在N2中包含80ppm庚烷的2L稀释瓶(Sigma Aldrich, WI)；通过真空泵抽吸蒸气，以在1sccm流速下通过预浓缩器；在市售Agilent 6890 GC内，在出口的蒸气浓缩物按路线通过六口阀送到火焰离子化检测器(FID)。在2分钟间隔，阀将预浓缩器下游的固定体积(100μL)蒸气送入FID。
在图5A中，在预浓缩器出口的庚烷浓度对其入口的浓度归一化。在采样45分钟后预浓缩器饱和，在其出口的庚烷浓度接近其入口的浓度。通常，穿透标准限定为出口浓度在其入口浓度的10%。对于此工作，该值相当于对于庚烷16分钟穿透时间和16mL穿透体积。
预浓缩器的热解吸通过色谱图中的解吸峰评价。首先用预浓缩器采集庚烷蒸气样品，然后连接到Agilent 6890 GC，它位于FID上游和注射口下游。使用整合薄膜加热器，在2秒内将预浓缩器加热到170℃，通过施加脉冲进行解吸。载气为1sccm流速的N2，在采样和解吸二者期间，预浓缩器中的流向相同。如图5B中所示，从FID色谱图观察到1.4秒解吸峰(在半峰高检测)，只有最小拖尾。第二热脉冲不提供任何另外的解吸峰，验证在第一热脉冲期间完全解吸。该预浓缩器表征为大概的能力而非利用该***的实际性能的表示。这是因为气相色谱***在≈0.2sccm较低流速操作。这不仅更容易由泵调节，而且在此流速分离柱性能更佳。
由Agilent 6890 GC***通过置于注射口下游和FID上游评价分离柱。用此试验柱得到的样品色谱图显示于图6A-6C中。在室温，通过柱在约52秒内分离三种烷烃物类(C5、C7和C8)[图6A]。利用芯片上加热器提供的25℃至75℃温度30秒长线性坡道升温，柱在30秒内以相同气体流速分离相同烷烃混合物[图6B]。两个色谱图均用N2作为载气在0.17sccm流速得到。
Golay图为指示柱效率如何受载气流速影响的曲线，其有助于确定柱的最佳操作点。在此工作中，通过在室温试验分离柱对于一些N2载气流速得到Golay图。根据等式(5)和(6)，用C8峰计算塔板数N和等板高度HETP。如图6C中所示，柱在5-10cm/秒的气体速率(对应于0.15-0.3sccm流速)具有最佳操作点，这给予HETP≈0.04cm和≈2600塔板/m的塔板数(1/HETP)。该性能可与以前已报告的其它微制造柱相比：2000塔板/m、3000塔板/m和4200塔板/m。
检测器使用例如由图7A中所示电路控制的脉冲放电。在此电路中，放电能量由电容器C提供，电容器C由单1000-V脉冲通过R1充电。一旦阳极达到击穿电压，一般为≈650V，就开始放电。电阻器R2 (镇流电阻器)和R3用于控制放电电流。由R2/R3和R4/R5形成的电阻分压器连接到示波通道，使得可观察阳极和阴极电压及放电电流。
在阳极和阴极观察到的典型瞬时电压显示于图7B中。阳极需要1.6ms达到击穿电压。放电电流通过镇流电阻器，并提高阴极电压。一旦开始，放电就在电路中表现为73kΩ电阻。高电压脉冲持续3.5ms，在此期间，实际放电需要1.9ms。在脉冲期间，放电消耗的典型能量为2.9mJ，而整个电路消耗的总能量为13.3mJ。
来自微放电的光学发射由光学纤维引导到手持式光谱仪(Model # USB 2000, Ocean Optics, FL)。光谱仪用光栅衍射入射光。所得空间分布由电荷耦合装置(CCD)阵列捕捉。在图7C中比较纯氮和庚烷/氮混合物在300-450nm窗口的发射光谱。与N2第二正***相关的发射包含在314nm、316nm、337nm、353nm、357nm、371nm、375nm、380nm、399nm和405nm的线，而与N2 +第一负***相关的发射包含在391nm和426nm 的线。在庚烷的提高浓度下，发射光谱显示在387nm显著的CH线。用在387nm的CH线与在337nm的N2线的强度比作为烷烃强度的量度校正脉冲之间可能的强度变化。用具有足够发射强度(即，在337nm线大于50计数)的数据点构建色谱图。
关于烷烃混合物由堆叠气相色谱***提供的典型色谱图显示于图8A和8B中。图8A显示由基于放电的检测器收集的数据。三个峰对应于戊烷、庚烷和辛烷的分离和检测。图8B显示基准FID响应，验证由基于放电的检测器提供的结果。由于FID连接到堆垛下游，FID信号滞后于基于放电的检测器。三种分析物之间的相对峰高在两个色谱图之间略有不同，这可能是由于微放电内不同物类的发射特征。组件和气相色谱***的功率/能量消耗总结于以下表I中。所示试验具有1.5W平均功率消耗。
表I
在iGC1分离期间的功率/能量消耗
组件 操作 能量/功率 注解
Knudsen泵 稳态泵送 1.1W 稳态功率
预浓缩器 2秒热脉冲 34J 解吸能量
柱 程序升温 1.06W 升温期间平均功率
基于放电的检测器 3.5ms高压脉冲 13.3mJ/脉冲 能量/脉冲
堆叠iGC1*** 无柱程序升温下分离 1.5W 试验期间平均功率
通过首先采集制备的蒸气混合物样品得到图8A中的结果。通过整合的Knudsen泵驱动，经≈5min将N2中戊烷、庚烷和辛烷的混合物采样入预浓缩器。在开始分离时，在2秒内将预浓缩器加热到170℃，以将蒸气分析物注入柱。Knudsen泵用1.1W功率供电，提供0.2sccm N2流速，N2载气由在***上游连接的Tedlar袋供应。在此试验中不使用分离柱程序升温。检测器以1Hz(2脉冲/秒)频率产生。用定制LabVIEW®程序控制气相色谱***的总操作。
在上述气相色谱***的变体中，可用双向Knudsen泵代替单向Knudsen泵。图9图示说明利用双向Knudsen泵92的气相色谱***90的双向操作。在采样阶段，蒸气分析物进入***，通过检测器98和柱96，并最终在预浓缩器94中沉降。在一个实例实施方案中，预浓缩器94利用多级设计，这进一步在以下描述。在分析分离阶段，流向由Knudsen泵92反向。因此，采样的蒸气分析物从预浓缩器94热解吸，通过柱96分离，并通过检测器98定量。
图10进一步图示说明具有双向Knudsen泵的气相色谱***90的实例实施方案。气相色谱仪***90包括Knudsen泵92、多级预浓缩器94、分离柱96和检测器98。以下进一步分别描述这些组件。
在此实例实施方案中，Knudsen泵92具有四个MCE膜91的堆垛，由两个玻璃模在各侧(即，侧A和侧B)夹在中间。各玻璃模为≈500μm厚。在侧A，与MCE膜91堆垛接触的玻璃模(即，模2a)具有薄膜金属加热器和热敏电阻控制温度，也具有多个通孔，以促进气体流入和流出MCE膜。另一个玻璃模(即，模1a)具有平面内沟槽将气流引导到单口，单口可连接到其它组件或外部试验装备。在侧B的组成玻璃模(即，模1b和模2b)分别与模1a和模2a相同。
在堆垛装配中(图2)，侧B连接到堆垛其余部分，而侧A连接到外部吸热件。在分析分离阶段，将侧B加热，而侧A由吸热件冷却。在蒸气采样阶段，将侧A(和吸热件)加热，而侧B由自然对流与堆垛其余部分一起冷却。
以前报告的微制造多级预浓缩器使用多个室，各室包含一种类型吸附剂。然而，在气相色谱***90中，预浓缩器只包含以通道形状设计的一个室，通过按次序填充不同吸附剂形成两个级。该设计模拟其大尺寸对应物：多床热解吸管。在不重新设计下，它可构造为包括多于两个级。
更具体地讲，预浓缩器94由模4a和模5a形成的通道95(宽度≈1mm，深度≈200μm)组成(图10)。通道95由串联的四段颗粒填充：玻璃珠(直径150-180μm，Sigma Aldrich，WI)；Carbograph 2(表面积≈10m2/g，直径120-150μm，Grace Davison Discovery Sciences，IL)；Carbopack B(表面积≈100m2/g，直径112-140μm，Sigma Aldrich，WI)；玻璃珠(直径150-180μm，Sigma Aldrich，WI)。Carbograph 2段旨在捕集较低挥发性的蒸气(例如，甲苯和二甲苯)，Carbopack B段旨在捕集较高挥发性的蒸气(例如，苯)。两段玻璃珠，在预浓缩器通道的各端，用于将两段吸附剂限制在装置的中心区域，在此，在热解吸期间温度最高。预浓缩器94具有多个与现有预浓缩器设计相比的优点，因为其较窄通道尺寸对吸附剂填充的不均匀性提供较小敏感性，且在一定体积流速具有较高流速。在一些实施方案中，这种设计可通过加入柱结构和吸附剂装填口改进。
分离柱96为用≈0.2μm厚非极性聚二甲基硅氧烷层(PDMS或OV-1，Ohio Valley Specialty，OH)作为固定相涂覆的通道(长度≈25cm，水力直径≈230μm)。该柱由模4b和模6形成(图10)。在通过分离柱时，蒸气混合物在固定相材料和载气之间分配。在此工作中使用的非极性PDMS固定相与蒸气分子主要由范德华力相互作用。具有较高分子量的蒸气分子通常具有与固定相较强的相互作用，并显示较长保留时间。另外，较厚固定相涂层提供与蒸气分子的较强相互作用，并延长保留时间。
气体检测器98由玻璃基材(即，模6)上的两个薄膜金属电极组成。在此实施例实施方案中，金属层由厚度25/100nm的Ti/Pt组成。两个电极(即，阳极和阴极)隔开50-200μm。也可使用其它材料、厚度和间隔的电极。模5b中的沟槽形成引导气流通过电极的检测器通道(图10)。通过在两个电极之间施加电压脉冲，产生微放电。在针对C-H发射的线的所得光强度可用于对气流中的含碳物类定量。与通常在市售GC***内使用的火焰离子化检测器(FID)相比，基于微放电的检测器不需要H2存储源以产生离子化，并且更适用于整体式整合。
以也使用14个500μm厚玻璃间隔物93的堆垛形式(模3a和模3b)，整合Knudsen泵92、预浓缩器94、柱96和检测器98。间隔物93在相邻组件之间提供隔热。间隔物中的穿孔允许层间流。图10中的虚线表示***的气体流路。
使用以上与气相色谱***10相关所述相同的三掩模光刻方法，在玻璃薄片上制造气相色谱***90的所有四个组件和间隔物。因此，这些元件可在单独薄片或全部在整体式薄片上制造。用玻璃作为基材材料有数个益处。它的成本比硅和陶瓷选项低，并且可容易微制造。另外，玻璃的透明性质允许目视检查装置内部，这有益于早期研究和研发。对以上讨论组件及其制造的其它变体也适用于气相色谱***90。
预想多种改进用于气相色谱***90。例如，较长的柱可提供较佳保留蜂分离，在采样和分离二者期间加热柱可能改善性能的不同方面。另外，在预浓缩器内使用具有较高表面积的吸附剂允许分析具有较低浓度的蒸气。所有这些方法均是要分析更复杂的蒸气混合物。然而，在较大柱中，可能需要更强的微气泵保持气体流速。这可通过多级Knudsen泵来完成。因此，在本公开中的可堆叠结构提供简单和紧凑的***整合，也提供对较长柱的可扩展性(通过堆叠多个短柱)。
图11图示说明气相色谱仪***100的另一个实例实施方案。在此实施方案中，气相色谱仪***100包括两个平面模块：泵模块110和色谱模块120。模块组件之间的气流互连由气流连接器113实施，这将在以下进一步描述。值得注意的是，气流连接器113用与模块相关的其它组件相同的方法制造。例如，用软压缩管进行两个模块之间的气流连接。
进一步关于图12描述泵模块110。在一个实例实施方案中，Knudsen泵(KP)模块110设计用于为色谱模块120提供较高压力和流速。具体地讲，显示二级布置具有邻近第二Knudsen泵114布置的Knudsen泵112。预想可串联或并联加入更多级，以根据需要提高压力和流速。压缩管配件116布置在模块的一端上，用于使泵装置连接到色谱模块120。在分析分离期间，可在作为入口的口111实施颗粒滤器。滤器在正常操作期间阻挡尘粒。在分析循环完成时，可通过提高的流速在规定时间清洗颗粒，这由双向气泵产生。可通过增加滤器的面积提高滤器的气体流导，从而保证跨滤器相对小的压降，从而减小负载到泵的气流。在一些实施方案中，将滤器整合到***的壳/包装。类似地，在分析分离期间，可在作为入口的口111执行水分滤器。水分滤器包含用水选择材料涂覆的通道，该材料在分析分离期间在室温保留水蒸气。在分析分离完成时，保留的水可通过加热水分滤器快速释放，并通过双向泵以反向流清洗。
气流连接器113用于使泵彼此以流体流通方式耦合，并使第二Knudsen泵114以流体流通方式耦合到通向管配件116的通道。实例气流连接器141显示于图14中。气流连接器可通过与分离柱相同的方法制造(即，使用二步喷砂)，或者在与泵模块其它组件相同的薄片上共同制造。
构造两个Knudsen泵进一步图示说明于图13A和13B中。为了提供双向泵送，各KP级具有薄膜金属加热器(例如，通过金属板形成，如在117所示)和在其顶侧和底侧二者(侧B和侧A)上整合的吸热件。进而确定使用加热器的气体流向。使用以上关于气相色谱***10所述相同的三掩模光刻方法，另外制造泵模块110的组件。
另一方面，进一步关于图15A和15B描述色谱模块120。色谱模块120包括预浓缩器聚焦器(PCF) 121、分离柱122A,122B和两个检测器123,124。压缩管配件125布置在邻近检测器123的模块的一端。在一端由泵模块110上的管压缩配件116接收而在另一端由色谱模块120上的压缩配件125接收的管连接两个模块。在蒸气采样期间，可在作为入口的口126实施颗粒滤器。滤器在正常操作期间阻挡尘粒。在采样完成时，可通过提高的流速在规定时间清洗颗粒，这由双向气泵产生。类似地，在蒸气采样期间，可在作为入口的口126执行水分滤器。水分滤器包含用水选择性材料涂覆的通道，该材料在正常操作期间在室温保留水蒸气。在蒸气采样完成时，保留的水可通过加热水分滤器快速释放，并通过双向泵以反向流清洗。
在操作期间，气相色谱仪***100使用与以上关于气相色谱***90所述相同的双向流策略。在蒸气采样阶段，蒸气分析物通过入口126进入色谱模块120，通过柱122A、122B，并通过预浓缩器聚焦器121捕集。在分析分离阶段，气体流向反向。在采样中，低挥发性蒸气保持更接近PCF/柱界面，而高挥发性蒸气可进一步穿透。在分析分离阶段，在流反向时，此分布有利于释放窄填料中的所有组成蒸气。
在一些实施方案中，预浓缩器121可在垂直支持体151上布置为悬臂，如图15B中所示。即，预浓缩器从下面平台(例如，PCB)由间隔物抬高，间隔物只支持预浓缩器121的一端。吸附剂颗粒设置接近预浓缩器的另一端，其中设置加热区域。这一设计特征减轻热应力，并使热损失最大限度地减少，而不危害结构坚固性。虽然与预浓缩器121相关描述该设计特征，但它可应用于其它加热组件，例如，分离柱和/或检测器。
检测器123作为参比，并布置在压缩管配件125和预浓缩器聚焦器121之间。原则上，利用双向流，蒸气分析物绝不达到参比检测器123。通过从初级检测器124的信号减去参比检测器123的信号，可产生差分信号，可用此信号抵制共模干涉。应了解，参比检测器123可采取不同形式，但以与初级检测器124相同的方式构成。
图16描绘电容检测器160的实例实施方案。电容检测器一般包含气流通道161和位于气流通道的至少一个电容器162。在一个实例实施方案中，气流通道161由喷砂模163和金属化模164粘合形成(或在其之间)。电容器162形成于金属化模上。更具体地讲，在U形通道的各臂中形成具有叉指图案的电容器162。各电容器进而具有两个导线或电极165，可用于使电容器电耦合到下面的电路板。本公开也预期通道内电容器的其它布置。
参照图17，可用介电层166涂覆金属，形成电容器防止形成图案的金属线之间短路。在一个实例实施方案中，由通过原子层沉积沉积的10nm厚氧化铝层形成介电层166。可使用其它介电材料和涂覆方法。可以理解，如果在洁净环境进行组装过程，则介电涂层是不必要的。
为了进行蒸气传感，在形成电容器的金属图案上涂覆聚合物层167。当蒸气在气流通道中通过金属图案时，部分蒸气分子扩散进入聚合物层167，引起聚合物厚度和/或介电常数变化。这改变两个金属线之间电场线的空间分布，从而改变电界面感生的电容量。在一个实例实施方案中，聚合物层167为OV-1(厚度0.1-2µm)，它是分离柱中所用与固定相相同的聚合物。可使用其它蒸气敏感聚合物。在此实例中，OV-1层的涂覆方法为在金属化模上旋涂OV-1溶液(即，OV-1溶于壬烷)，但也可使用其它涂覆方法。虽然已关于图11中所示平面布置描述电容检测器160，但应了解，应用于气相色谱的电容检测器是独特的，因此，可在其它布置中应用，如图1中所示的GC***。
制造气相色谱仪***100类似于制造气相色谱***10所用的方法。即，使用上述三掩模光刻方法，在玻璃薄片上制造泵模块110和色谱模块120的组件。利用气相色谱***100的实施方案，制造方法可从气相色谱***10简化。气相色谱***10需要各玻璃薄片用整个三掩模光刻方法微制造，以包括金属、通孔和沟槽特征。然而，对于气相色谱***100，三掩模光刻方法可部分应用于不同玻璃薄片，即，某些薄片只用二掩模光刻方法微机器加工，以包括通孔和沟槽部分，而其它薄片只用第三掩模光刻金属化。这种制造策略允许同时制造薄片和减小制造风险。
然后，在安装到共用基材例如印刷电路板之前，将各组件的模组装在一起。例如，使喷砂模163粘合到金属化模164，以形成电容检测器。下一步，在组件之间和在两个模块之间产生流体连接。最后，在组件和印刷电路板之间产生电连接。例如，在不同加热器的终端和电路板之间产生电连接。关于以上制造方法所述的变体也适用于具有图11中所示平面布置的气相色谱仪***。
在气相色谱***100的变体中，可只用二掩模光刻方法制造流体***(即，泵、分离柱、预浓缩器和检测器)，以形成通孔和沟槽特征，而不用第三掩模金属化。然后由流体***外的元件施加加热。
实施方案的前面描述为了阐述和说明而提供。它不旨在穷尽或者限制本公开。具体实施方案的单独元件或特征一般不限于那个具体实施方案，在适用时可以交换，并且可用于选择的实施方案，即使未具体显示或描述。它们也可以很多方式变化。这些变化不应认为是脱离本公开，所有这些变化旨在包括在本公开的范围内。
本文所用术语只为了描述具体实例实施方案，并不是旨在限制。除非本文另外清楚地指明，本文所用单数形式“一”和“所述”也可旨在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”为包含性，因此说明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或群组的存在或加入。本文所述方法步骤、过程和操作不应解释为必然需要以讨论或说明的具体次序执行，除非作为执行次序具体确定。还应了解，可利用另外或供选步骤。
在将一个元件或层称为在另一个元件或层“上”或“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可直接在另一个元素或层上或直接接合、连接或耦合到另一个元件或层，或者可存在中间元件或层。相比之下，在将一个元件称为“直接在”另一个元件或层“上”或“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件或层时，可不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词应以类似方式解释(例如，“在…之间”相对于“直接在…之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。本文所用术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任何和所有组合。
虽然本文词语第一、第二、第三等可用于描述不同元件、组件、区域、层和/或区段，但这些元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些词语限制。这些词语可只用于区分一个元件、组件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段。在本文中使用时，词语如“第一”、“第二”和其它数字词语不意味序列或次序，除非本文清楚地指明。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或区段可称为第二元件、组件、区域、层或区段，而不脱离实例实施方案的教导。
本文所用空间相对词语，例如“内部”、“外部”、“在…之下”、“低于”、“下部”、“高于”、“上部“等，为了容易描述图中说明的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相对词语可旨在包括在使用或操作中除图中所绘的取向外装置的不同取向。例如，如果图中的装置翻转，则描述为低于另一个元件或特征或在另一个元件或特征下的元件将定向为高于另一个元件或特征。因此，实例词语“低于”可包括高于和低于两个取向。装置可以其它方式取向(旋转90°或以其它取向)，相应解释本文所用的空间相对描述词。

Claims (41)

1.一种微制造具有至少三个组件的气相色谱仪的流体***的方法，所述方法包括：
用第一掩模在基材上微制造气相色谱仪的流体***的一部分；
用第二掩模微制造气相色谱仪的流体***的相同或不同部分；和
用第三掩模微制造气相色谱仪的流体***的相同或不同部分，其中所述第一掩模、第二掩模和第三掩模彼此不同，且微制造气相色谱仪的流体***只用所述第一掩模、第二掩模和第三掩模完成。
2.权利要求1的方法，所述方法进一步包括：
只用所述第一掩模、第二掩模和第三掩模在基材的单独部分上微制造气相色谱仪的三个组件；
将基材切成多个模，各模具有用于三个组件之一的不同子组件布置在各模上；和
堆叠多个模，以形成气相色谱仪。
3.权利要求1的方法，其中微制造进一步限定为喷砂、等离子蚀刻、湿蚀刻和超声机器加工之一。
4.权利要求3的方法，所述方法进一步包括用第一掩模在基材上沉积金属，用第二掩模在基材中形成空腔，和用第三掩模在基材中形成通孔。
5.权利要求4的方法，所述方法进一步包括只用所述第一掩模、第二掩模和第三掩模微制造泵、分离柱、预浓缩器和检测器。
6.权利要求4的方法，所述方法进一步包括只用所述第一掩模、第二掩模和第三掩模微制造泵、分离柱、预浓缩器和检测器至少之一。
7.权利要求4的方法，所述方法进一步包括在第一基材上沉积金属，在第二基材上喷砂。
8.权利要求7的方法，所述方法进一步包括组装第一基材与第二基材，以形成泵、分离柱、预浓缩器和检测器至少之一。
9.权利要求8的方法，所述方法进一步包括单独组装泵、分离柱、预浓缩器和检测器，并在电路板上将组装组件布置为彼此相邻。
10.一种气相色谱仪，所述气相色谱仪包括：
构造成接收载气的泵；
分离柱，所述分离柱构造成从所述泵接收载气，并可操作用于从所述载气分离分析物分子；
预浓缩器，所述预浓缩器在所述泵和所述分离柱之间***并以流体流通方式耦合；和
检测器，所述检测器构造成从所述分离柱接收载气，其中泵、分离柱、预浓缩器和检测器中至少三个通过只用三个不同掩模微制造来制造。
11.权利要求10的气相色谱仪，其中所述泵进一步限定为Knudsen泵。
12.权利要求11的气相色谱仪，所述气相色谱仪具有堆叠布置，其中预浓缩器堆叠在Knudsen泵顶上，分离柱堆叠在预浓缩器顶上，检测器堆叠在分离柱顶上。
13.权利要求12的气相色谱仪，其中所述Knudsen泵包括夹在玻璃模之间的至少一个纳米多孔膜。
14.权利要求13的气相色谱仪，其中所述Knudsen泵以一个方向操作，以将载气吸入预浓缩器，并以第二方向操作，以将气体吸出预浓缩器。
15.权利要求14的气相色谱仪，所述气相色谱仪进一步包括整合到模中的作为加热器的金属膜。
16.权利要求15的气相色谱仪，所述气相色谱仪进一步包括在Knudsen泵和预浓缩器之间***的间隔物，和在预浓缩器和分离柱之间***的间隔物。
17.权利要求10的气相色谱仪，其中所述预浓缩器包括载气通过的室和包埋在所述室中的吸附剂颗粒，其中所述室容纳至少两个类型的吸附剂颗粒。
18.权利要求10的气相色谱仪，其中所述分离柱包括载气通过的通道，且所述通道具有蛇形图案。
19.权利要求10的气相色谱仪，其中所述检测器进一步限定为脉冲放电检测器或电容检测器之一。
20.权利要求19的气相色谱仪，其中所述电容检测器包括载气通过的通道和在所述通道中暴露的至少一个叉指电容器。
21.权利要求10的气相色谱仪，所述气相色谱仪具有平面布置，其中泵包含在电路板上彼此相邻布置的两个或更多个泵，以形成泵模块，且预浓缩器、分离柱和检测器在电路板上彼此相邻布置，以形成色谱模块。
22.权利要求21的气相色谱仪，其中预浓缩器、分离柱和检测器至少之一作为悬臂布置在垂直支持体上，该垂直支持体置于电路板与预浓缩器、分离柱和检测器至少之一之间。
23.权利要求21的气相色谱仪，其中预浓缩器、分离柱和检测器通过气流连接器以流体流通方式连接在一起，使得气流连接器使用制造气相色谱仪其它组件所用的相同的三个掩模微制造来制造。
24.权利要求21的气相色谱仪，所述气相色谱仪进一步包括在构造成从泵模块接收载气的口和预浓缩器之间布置的参比检测器。
25.一种气相色谱仪，所述气相色谱仪包括：
构造成接收载气的泵；
分离柱，所述分离柱构造成从泵接收载气，并可操作用于从载气分离分析物分子；
预浓缩器，所述预浓缩器在泵和分离柱之间***并以流体流通方式耦合；和
检测器，所述检测器构造成从分离柱接收载气，其中微制造的泵布置为以第一方向操作，以将载气吸入预浓缩器，和以第二方向操作，以将气体吸出预浓缩器，且泵、分离柱、预浓缩器和检测器中至少三个通过微制造方法来制造。
26.权利要求25的方法，其中所述泵进一步限定为Knudsen泵。
27.权利要求26的气相色谱仪，所述气相色谱仪具有堆叠布置，其中预浓缩器堆叠在Knudsen泵顶上，分离柱堆叠在预浓缩器顶上，且检测器堆叠在分离柱顶上。
28.权利要求27的气相色谱仪，其中所述Knudsen泵包括夹在玻璃模之间的至少一个纳米多孔膜。
29.权利要求28的气相色谱仪，所述气相色谱仪进一步包括整合到模中的作为加热器的金属膜。
30.权利要求29的气相色谱仪，所述气相色谱仪进一步包括在Knudsen泵和预浓缩器之间***的间隔物和在预浓缩器和分离柱之间***的间隔物。
31.权利要求25的气相色谱仪，其中所述预浓缩器包括载气通过的室和包埋在所述室中的吸附剂颗粒，其中所述室容纳至少两个类型的吸附剂颗粒。
32.权利要求25的气相色谱仪，其中所述分离柱包括载气通过的通道，且所述通道具有蛇形图案。
33.权利要求25的气相色谱仪，其中所述检测器进一步限定为脉冲放电检测器或电容检测器之一。
34.权利要求33的气相色谱仪，其中所述电容检测器包括载气通过的通道和在通道中暴露的至少一个叉指电容器。
35.权利要求25的气相色谱仪，所述气相色谱仪具有平面布置，其中泵包含在电路板上彼此相邻布置的两个或更多个泵，以形成泵模块，且预浓缩器、分离柱和检测器在电路板上彼此相邻布置，以形成色谱模块。
36.权利要求35的气相色谱仪，其中预浓缩器、分离柱和检测器至少之一作为悬臂布置在垂直支持体上，所述垂直支持体置于电路板与预浓缩器、分离柱和检测器至少之一之间。
37.权利要求35的气相色谱仪，其中预浓缩器、分离柱和检测器通过气流连接器以流体流通方式连接在一起，使得气流连接器使用制造气相色谱仪其它组件所用的相同的三个掩模微制造来制造。
38.权利要求35的气相色谱仪，所述气相色谱仪进一步包括在构造成从泵模块接收载气的口和预浓缩器之间布置的参比检测器。
39.权利要求25的气相色谱仪，其中在采样阶段期间，蒸气分析物进入所述气相色谱仪，通过检测器和分离柱，并在预浓缩器中沉降，且在分析分离阶段期间，流向由泵反转，且蒸气分析物从预浓缩器热解吸，通过分离柱分离，并通过检测器定量。
40.一种微制造用于气相色谱仪的流体***的方法，所述方法包括：
用第一掩模在基材上微制造气相色谱仪的流体***的一部分，其中流体***的该部分包括泵，以及分离柱、预浓缩器和检测器至少之一；
用第二掩模微制造气相色谱仪的流体***的该部分；和
用第三掩模微制造气相色谱仪的流体***的该部分，其中第一掩模、第二掩模和第三掩模彼此不同，且微制造气相色谱仪的流体***只用第一掩模、第二掩模和第三掩模完成。
41.一种微制造用于气相色谱仪的流体***的方法，所述方法包括：
用第一掩模在基材上微制造气相色谱仪的流体***的一部分，其中流体***的该部分包括泵、分离柱、预浓缩器和检测器中的至少两个；
用第二掩模微制造气相色谱仪的流体***的该部分；和
用第三掩模微制造气相色谱仪的流体***的该部分，其中第一掩模、第二掩模和第三掩模彼此不同，且微制造气相色谱仪的流体***只用第一掩模、第二掩模和第三掩模完成。
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