專利名稱：一種微通道膜進樣裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及樣品分析儀器的樣品進樣裝置，尤其是涉及一種主要用于氣態(tài)或液態(tài)混合樣品的微通道膜進樣裝置。
背景技術：
對于氣體分析的常見進樣方法是微孔進樣和毛細管進樣。由于微孔的直徑一般都在幾十 幾百微米，機械加工難度要求高。雖然毛細管進樣的結構相對簡單，可以根據(jù)需要選擇市面上現(xiàn)成的不同內(nèi)徑和長度的毛細管。但是這兩種進樣方法其實都是對樣品的稀釋進樣(按體積比)，根本沒有預分離和富集作用，因此也限制了后續(xù)分析儀器的靈敏度。膜分離進樣技術最早是在20世紀初出現(xiàn)，20世紀60年代后迅速倔起的一門技術。 它是利用一張?zhí)厥庵圃斓?、具有選擇透過性能的薄膜，在膜兩側的壓力差作為動力推動下， 混合物中各組份樣品由于對膜的滲透速率存在差異，經(jīng)過一定時間后，滲透速率大的組份樣品就會在膜的另一側得到分離、提純和濃縮。膜進樣裝置結構簡單，無需樣品前處理，不僅同時具有預分離和富集的雙重功能， 而且超薄膜的響應時間也很短，能夠滿足在線快速分析檢測的需要，并且可以與分析儀器直接對接。相比微孔(或狹縫)進樣和毛細管進樣方式，膜進樣最高可以提高靈敏度2 3個數(shù)量級?；旌衔镌谀ぶ械膫鬏斶^程可由FICK定律描述⑴Iss=ADS(Y)式(1)中Iss-待測樣品在膜中的滲透速率(mol/s)；A-膜的有效表面積(cm2)；D-擴散系數(shù)(cm2/S)；L-膜的厚度(cm);S-樣品在膜中的溶解度系數(shù)(mol/I^a · cm3)；Ps-膜樣品側的壓力(Pa).從式(1)中可以得知，當膜的材料選定后，樣品在膜中的滲透速率只與膜的有效表面積A和膜樣品側的壓力Ps成正比，與膜的厚度L成反比。另外，膜分離的響應時間可由FICK定律計算得到 10%_90%=0.23 φ(2)從式⑵中可以得知，當膜的材料選定后，樣品分離程度從10%到90%的時間與膜的厚度L平方成反比。因此，在設計膜進樣裝置時，應盡量增加膜的分離面積，并降低膜的面積。目前，常規(guī)的與分析儀器對接的膜進樣裝置一般采用直徑2 5mm，厚度10 100 μ m的高分子膜，以壓力差為驅(qū)動力。膜的兩側分別是樣品氣壓(等于大氣壓或正壓) 和真空負壓，膜本身不僅是分離部件，同時也要承擔真空隔離功能。因此，這種膜進樣裝置就存在一個嚴重問題由于高分子膜的厚度非常薄，因此它的機械強度很差，實際工作表面積受到嚴重限制，只有數(shù)十個平方毫米，影響了膜的分離效果；如果想增加工作表面積，就必須增加高分子膜的厚度，這樣一來又會使樣品分析時間以平方關系增加，降低分離效率。
中國專利CN 2700877Y提供一種便攜式質(zhì)譜儀中的膜進樣與真空紫外光電離裝置，其中的膜進樣裝置采用就是圓片式薄膜；在Kwon-Sik Oh發(fā)表的文章 (Characterization of a sheet membrane interface for sample introduction into a time-of-flight mass spectrometer, International Journal of Mass Spectrometry 253(2006)65-70)，介紹的也是采用常規(guī)的圓片式薄膜。這種常膜進樣裝置一般采用圓片狀的、直徑2 5mm，厚度10 100 μ m的高分子膜，以壓力差為驅(qū)動力。膜的兩側分別是樣品氣壓(等于大氣壓或正壓)和真空負壓，膜本身不僅是分離部件，同時也要承擔真空隔離功能。因此，這種圓片式膜進樣裝置就存在一個嚴重問題由于高分子膜的厚度非常薄，因此它的機械強度很差，實際工作表面積受到嚴重限制，只有數(shù)十個平方毫米，影響了膜的分離效果；如果想增加工作表面積，就必須增加高分子膜的厚度，這樣一來又會使樣品分析時間以平方關系增加，降低分離效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種主要與樣品分析儀器配用，適合于氣態(tài)或液態(tài)樣品進樣，能保證膜進樣裝置的強度，可大幅提高膜的實際工作表面積，提高膜的分離和富集效率的微通道膜進樣裝置。本發(fā)明設有微通道膜、基片、托片、2根樣品引入導管和1根采樣導管；微通道膜表面設有雙螺旋凹槽，基片覆蓋于微通道膜表面，微通道膜與基片之間形成雙螺旋通道，雙螺旋通道中的其中1條螺旋通道的兩端分別與2根樣品引入導管一端連通，該條螺旋通道為進樣通道，2根樣品引入導管均露出基片，托片覆蓋于微通道膜底面， 雙螺旋通道中的另1條螺旋通道與采樣導管一端連通，該條螺旋通道為采樣通道，采樣導管露出托片。所述微通道膜可為高分子聚合膜，如聚四氟乙烯、纖維素、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯等。所述基片可為金屬片基片、玻璃片基片或硅片基片，基片厚度可為1 2mm ；所述雙螺旋通道中的2條螺旋通道相互間隔排列，相位差可為180°。2條螺旋通道的寬度可均為50 200 μ m,通道壁厚可均為10 100 μ m。2條雙螺旋微形通道的形狀可為矩形或其它形狀。所述托片可為金屬片托片、玻璃片托片或硅片托片，托片厚度可為1 2mm。所述樣品引入導管和采樣導管可均為金屬管或非金屬管；樣品引入導管和采樣導管的管內(nèi)徑可均為200 500 μ m，管壁厚度可為1mm。本發(fā)明的工作原理如下當樣品流經(jīng)進樣通道時，以雙螺旋微形通道之間的薄層通道壁作為分離膜，依據(jù)不同組份樣品對膜的透過具有選擇性的原理，它們就會按照不同的透過率從進樣通道，通過薄壁滲透到采樣通道中，從而得到預分離和富集后的樣品組份，最后通過采樣導管引出到下級的分析儀器中。與現(xiàn)有膜進樣裝置比較，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點采用雙螺旋微形通道膜結構，以雙螺旋微形通道之間的薄層通道壁作為分離膜， 較好地解決了常規(guī)膜進樣裝置的強度問題?？梢源蠓岣吣さ膶嶋H工作表面積，提高膜的分離和富集效率。能直接對氣體或液體混合樣品中的揮發(fā)物進行預分離和富集，與質(zhì)譜儀、 色譜儀和光譜儀等分析儀器對接聯(lián)用后，可顯著提高這些分析儀器的檢測靈敏度(可提高 100 1000倍)。效果十分顯著。


圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1的微通道膜表面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。參見圖1和2，本發(fā)明設有微通道膜3、基片2、托片4、2根樣品引入導管1以及采樣導管5。微通道膜3表面設有雙螺旋凹槽31和32?；?覆蓋于微通道膜3表面，微通道膜3與基片2之間形成雙螺旋通道，雙螺旋通道中的其中1條螺旋通道31的兩端分別設有小圓孔311和312。小圓孔311和312分別與1根樣品引入導管1 一端粘接連通，螺旋通道31為進樣通道。2根樣品引入導管1和樣品引出導管12均露出基片2。托片4覆蓋于微通道膜3底面，雙螺旋通道中的另1條螺旋通道32內(nèi)端頭設有小圓孔321，小圓孔321 與采樣導管5 —端粘接連通，螺旋通道32為采樣通道。采樣導管5露出托片4。所述微通道膜3為高分子聚合膜，采用聚四氟乙烯高分子聚合膜(也可采用纖維素、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯等高分子聚合膜)。所述基片2為金屬片基片(也可為玻璃片基片或硅片基片)，基片2厚度為 1. 5mm (可優(yōu)選1 2mm)。所述雙螺旋通道中的2條螺旋通道31和32相互間隔排列，相位差為180°。2條螺旋通道31和32的寬度均為100 μ m(可優(yōu)選50 200 μ m)，2條螺旋通道31和32的壁厚均為50 μ m(可優(yōu)選10 100 μ m)。2條雙螺旋微形通道31和32的形狀均為矩形(也可為其它形狀)。所述托片4為金屬片托片(也可為玻璃片托片或硅片托片)，托片厚度為 1. 5mm (可優(yōu)選1 2mm)。所述2根樣品引入導管1以及采樣導管5均為金屬管(也可為非金屬管)。2根樣品引入導管1及采樣導管5的管內(nèi)徑均為300 μ m(可優(yōu)選200 500 μ m)，管壁厚度均為 Imm0微形通道膜3的制作過程如下先用光刻或濕刻方法將硅片表面形成雙螺旋狀的溝道，溝道的寬度范圍在10 100 μ m,溝道壁厚范圍在0. 1 0. 5mm ；然后以此硅片作為陽膜，在其表面離心噴涂一層聚四氟乙烯高分子聚合膜，厚度在1 2mm ；接下來再將硅片陽膜腐蝕掉；最后將剩下的聚四氟乙烯高分子聚合膜與基片粘接，這樣就形成了一種雙螺旋通道，通道寬度0. 1 0. 5mm,通道壁厚10 100 μ m。其中一個通道為樣品進樣通道31，另一通道為采樣通道32。進樣通道31兩端開有小圓孔311和312，2根樣品引入導管1分別與2個小圓孔311和312粘接連通；采樣通道32 —端封閉，另一端同樣開有小圓孔321，采樣導管5與之粘接，采樣導管5和分析儀器對接。這種微形通道膜3不僅可以采用濕刻法制作，也可以用其它微加工方法加工，例如激光或粒子束加工。微通道膜進樣裝置的工作過程是當氣態(tài)或液態(tài)混合樣品流經(jīng)樣品引入導管1進入進樣通道31后，由于不同組份樣品對膜的透過具有選擇性，它們就會以不同的透過率通過兩個通道之間的薄壁滲透到采樣通道32中，從而得到預分離和富集后的樣品組份，最后這些組份經(jīng)過采樣導管5進入到后面的分析儀器中檢測。微通道膜3的實際有效分離面積A可以用下式計算A = h (d+np) (η_1) π(3)式(3)中h—通道壁的高度；d——螺旋線基圓直徑；ρ——螺旋線基圓直徑；η——周數(shù)。從綜合考慮出發(fā)，膜參數(shù)初步定為h = 0. lmm, d = lmm, ρ = 0. 15mm, η = 53。因此膜的實際有效分離面積可達146mm2，而常規(guī)50 μ m厚、直徑5mm的膜面積不到20mm2，可以提高7倍以上。
權利要求
1.一種微通道膜進樣裝置，其特征在于設有微通道膜、基片、托片、樣品引入導管、樣品引出導管和采樣導管；微通道膜表面設有雙螺旋凹槽，基片覆蓋于微通道膜表面，微通道膜與基片之間形成雙螺旋通道，雙螺旋通道中的其中1條螺旋通道的兩端分別與樣品引入導管一端和樣品引出導管一端連通，該條螺旋通道為進樣通道，樣品引入導管和樣品引出導管均露出基片，托片覆蓋于微通道膜底面，雙螺旋通道中的其中另1條螺旋通道與采樣導管一端連通，該條螺旋通道為采樣通道，采樣導管露出托片。
2.如權利要求1所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于所述微通道膜為高分子聚合膜。
3.如權利要求2所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于所述高分子聚合膜為聚四氟乙烯高分子聚合膜、纖維素高分子聚合膜、聚二甲基硅氧烷高分子聚合膜或聚乙烯高分子聚合膜。
4.如權利要求1所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于所述基片為金屬片基片、 玻璃片基片或硅片基片，基片厚度為1 2mm。
5.如權利要求1所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于所述雙螺旋通道中的2條螺旋通道相互間隔排列，相位差為180°。
6.如權利要求1或5所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于2條螺旋通道的寬度均為50 200 μ m, 2條螺旋通道的壁厚均為10 100 μ m, 2條雙螺旋微形通道的形狀均為矩形。
7.如權利要求1所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于所述托片為金屬片托片、 玻璃片托片或硅片托片，托片厚度為1 2mm。
8.如權利要求1所述的一種微通道膜進樣裝置，其特征在于所述樣品引入導管、樣品引出導管和采樣導管均為金屬管；樣品引入導管、樣品引出導管和采樣導管的管內(nèi)徑均為 200 500 μ m,管壁厚度均為1mm。
全文摘要
一種微通道膜進樣裝置，涉及樣品分析儀器的樣品進樣裝置。提供一種主要與樣品分析儀器配用，適合于氣態(tài)或液態(tài)樣品進樣，能保證膜進樣裝置的強度，可大幅提高膜的實際工作表面積，提高膜的分離和富集效率的微通道膜進樣裝置。設有微通道膜、基片、托片、2根樣品引入導管和1根采樣導管；微通道膜表面設有雙螺旋凹槽，基片覆蓋于微通道膜表面，微通道膜與基片之間形成雙螺旋通道，雙螺旋通道中的其中1條螺旋通道的兩端分別與2根樣品引入導管一端連通，該條螺旋通道為進樣通道，2根樣品引入導管均露出基片，托片覆蓋于微通道膜底面，雙螺旋通道中的另1條螺旋通道與采樣導管一端連通，該條螺旋通道為采樣通道，采樣導管露出托片。
文檔編號G01N1/40GK102297800SQ201110205948
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權日2011年7月21日
發(fā)明者何堅 申請人:廈門大學