用于通過氣相色譜法進行分析的設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于通過氣相色譜法進行分析的設備，包括：色譜微柱（2）；檢測模塊（4），包括布置在通道中的至少一個NEMS和/或MEMS型檢測器；直接流體連接部，位于色譜微柱（2）的排出端與檢測模塊（4）的通道的進入端之間；熱電模塊（6），其熱面形成用于加熱色譜微柱（2）的裝置并且冷面形成用于冷卻檢測模塊（4）的裝置。
【專利說明】用于通過氣相色譜法進行分析的設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提供高緊湊度的用于通過氣相色譜法進行分析的微設備。
【背景技術】
[0002]用于通過氣相色譜法進行分析的微設備包括注射器、一個或多個微柱、以及與微柱串聯(lián)連接的基于NEMS (納米機電系統(tǒng))和MEMS (微機電系統(tǒng))的一個或多個檢測器和用于處理由檢測器發(fā)出的電信號的電子器件。這種微設備例如用于進行氣體的分析和檢測。
[0003]為了確保微柱中的物質的良好分離和檢測器上的更多選擇性檢測，在柱的內壁上和檢測器的敏感元件上進行化學功能化(functional izat ion)。
[0004]為了使柱盡可能好地完成其物質空間間隔的功能，優(yōu)選地將其加熱至高于環(huán)境溫度，達到根據待分析產品而變化的溫度，一般在50°C與200°C之間。此外，在某些情況下，可能感興趣的是將檢測器冷卻至低于環(huán)境溫度，以便通過物理吸附提高氣態(tài)化合物的捕獲效應:例如冷卻至+10°C與-20°C之間。
[0005]文獻W02011/133721描述了一種用于通過色譜法進行分析的微設備，其包括由熱電模塊形成的用于加熱和/或冷卻微柱的裝置以及用于加熱檢測器的裝置。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種用于通過氣相色譜法進行分析的設備，其能夠提供高緊湊度并減少部件的數量。
[0007]上述目的由用于通過氣相色譜法進行分析的設備獲得，該設備包括至少一個微柱、布置在通道中的與微柱串聯(lián)連接的至少一個檢測器、用于加熱微柱的裝置和用于冷卻所述至少一個檢測器的裝置，加熱裝置和冷卻裝置由至少一個熱電模塊形成，所述至少一個熱電模塊的熱面形成加熱裝置，且至少一個熱電模塊的冷面形成冷卻裝置。
[0008]由于同一元件既保證加熱又保證冷卻，所以這個設備具有高緊湊度。
[0009]在一個實施方式中，該設備包括多個微柱，每個微柱連接到一個檢測模塊。所有的微柱均可與熱電模塊的熱面接觸，或者這些微柱疊置，只有單個微柱與熱面接觸。
[0010]檢測模塊也可都與熱電模塊的冷面接觸，或者疊置，進而只有單個模塊與冷面接觸。
[0011]柱和/或檢測模塊的材料是良好的熱導體，因此整個堆疊體基本上處于相同的溫度。
[0012]在另一實施方式中，該用于分析的設備包括多個熱電模塊。
[0013]進而，本發(fā)明的主題是一種用于通過氣相色譜法進行分析的設備，包括:
[0014]-至少一個色譜微柱，
[0015]-至少一個檢測模塊，包括布置在通道中的至少一個NEMS和/或MEMS型檢測器，
[0016]-直接流體連接部，位于色譜微柱的排出端與檢測模塊的通道的進入端之間，
[0017]所述色譜微柱和所述檢測器形成分析子組件，[0018]-用于加熱色譜微柱的裝置，由至少一個熱電模塊的熱面形成，
[0019]-用于冷卻檢測模塊的裝置，
[0020]用于冷卻檢測模塊的裝置由熱電模塊的冷面形成。
[0021]在一實施方式中，該設備包括至少一個第一熱電模塊和至少一個第二熱電模塊。在一實例中，第一熱電模塊的熱面形成加熱裝置，第一熱電模塊的冷面與第二熱電模塊的熱面接觸，且第二熱電模塊的冷面形成冷卻裝置。
[0022]在另一實例中，第一熱電模塊的熱面形成加熱裝置，第一模塊的冷面與散熱器接觸，第二熱電模塊的熱面與所述散熱器接觸，且第二熱電模塊的冷面形成冷卻裝置。
[0023]根據附加特征，該設備包括串聯(lián)的至少兩個分析子組件。
[0024]進而，色譜微柱可疊置成使得色譜微柱中的單個色譜微柱與加熱裝置接觸。
[0025]檢測模塊可疊置成使得單個檢測模塊與冷卻裝置接觸。
[0026]在另一實例中，色譜微柱并列設置成使得所有色譜微柱都與加熱裝置接觸。
[0027]在另一實例中，檢測模塊并列設置成使得所有檢測模塊都與冷卻裝置接觸。
[0028]該設備有利地包括至少位于模塊或模塊組周圍的熱隔離裝置。
[0029]所述至少一個流體連接部優(yōu)選地由毛細管形成。
[0030]該用于分析的設備可有利地包括至少一個溫度傳感器和/或至少一個濕度傳感器和/或至少一個流速傳感器。
[0031]每個子組件優(yōu)選地被功能化，以檢測一種或多種給定的分析物。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]通過如下的描述和附圖將更好地理解本發(fā)明，附圖中:
[0033]圖1是根據發(fā)明的用于分析的設備的第一實施方式的實例的示意圖，
[0034]圖2是根據發(fā)明的用于分析的設備的第一實施方式的另一實例的示意圖，
[0035]圖3是根據發(fā)明的用于分析的設備的第一實施方式的另一實例的示意圖，
[0036]圖4是根據發(fā)明的用于分析的設備的第二實施方式的實例的示意圖，其包括兩個熱電元件，
[0037]圖5是根據發(fā)明的用于分析的設備的第二實施方式的另一實例的示意圖，其包括兩個熱電元件，
[0038]圖6是熱電元件的實例的剖切視圖。
【具體實施方式】
[0039]在圖1中可以看到根據發(fā)明的用于分析的設備的第一實施方式的實例的示意圖，其包括色譜柱2、檢測模塊4、以及加熱和冷卻裝置6。
[0040]在如下的描述中，色譜柱是通過微電子技術形成于基板中的色譜微柱。檢測模塊包括布置在通道中的一個或多個NEMS (納米機電系統(tǒng))和MEMS (微機電系統(tǒng))型檢測器，這些檢測器旨在設置成與由色譜微柱分離的分析物接觸。NEMS和MEMS檢測器也通過微電子技術形成在基板上。
[0041 ] 此外，術語“分析物”、“元素”、“物質”和“化合物”視為同義詞并且指代包含在待分析氣體中的氣態(tài)化合物。[0042]該設備還包括旨在收集由檢測器發(fā)射的信號的電子器件，所述電子器件8也由基板支承。在下文中，為了簡單，將色譜柱稱為“柱”。
[0043]柱2包括入口端10和出口端12。待分析氣體通過入口端10被引入柱中并通過出口端12排出。檢測模塊4也包括入口端14和出口端16。
[0044]柱2的出口端12通過流體連接部15連接于檢測模塊4的入口端14。
[0045]柱2的入口端10通過用于分析的設備而連接于旨在待分析的樣本的供應源。該供應源未示出。
[0046]檢測模塊4的出口端16連接于用于在分析之后回收樣本的裝置，或者例如在分析環(huán)境空氣的情況下，所述樣本直接排到外部環(huán)境中。
[0047]電連接部18形成在檢測模塊4的檢測器與電子器件8之間。
[0048]加熱和冷卻裝置6由包括基本上平行的第一面20和第二面22的至少一個熱電模塊形成。第一面20形成熱電模塊的熱表面，且第二面22形成熱電模塊的冷表面。
[0049]在圖6中可以看到能夠在圖1的設備中實現(xiàn)的熱電模塊的實施方式的實例的剖切視圖。
[0050]圖6中示出的熱電模塊包括基板25和串聯(lián)連接的多個p-n結26。這些p-η結由η摻雜半導體材料26.1和P摻雜半導體材料26.2形成，這些材料26.1,26.2以交替方式布置且在熱電模塊6的第一表面22和第二表面24之間延伸。在相鄰的η摻雜材料26.1與ρ摻雜材料26.2之間提供有互連，以便形成p-n結。當電勢差施加于p-n結時，使得熱電模塊內出現(xiàn)熱流，并因而在面22與面24之間出現(xiàn)溫度差。下面，將認為面24是具有最低溫度的面，稱為冷面，并且認為面22是具有最高溫度的面并稱為熱面。
[0051]柱2與熱面20接觸，并且檢測模塊4與冷面22接觸。
[0052]該設備優(yōu)選地包括用于將柱2、檢測模塊4以及加熱和冷卻裝置6相對于外部環(huán)境熱隔離的裝置24。例如，熱隔離元件布置在柱2的出口端12與檢測模塊4的入口端14之間的連接部周圍以及位于柱2的入口端10和檢測模塊4的出口端16處。
[0053]整個設備優(yōu)選地容納在一殼體中，該殼體方便了設備的操作并且對其進行保護。
[0054]熱隔離材料還具有使熱面與冷面熱隔離的效果。
[0055]優(yōu)選地，柱4的內壁被化學功能化,其覆蓋有稱為固定相(stationary phase)的材料層，例如PDMS (聚二甲基硅氧烷)。
[0056]檢測模塊4的檢測器有利地也被化學功能化。
[0057]在一有利的方式中，該設備可設置有布置在柱2的入口端10上游的預濃縮器。
[0058]在一有利的方式中，加熱和冷卻裝置包括能夠控制加熱和冷卻溫度的溫度傳感器，例如，溫度傳感器可以是鉬探針或熱電偶。
[0059]該用于分析的設備還可以有利的方式包括或者布置在柱和/或檢測模塊內或者布置在用于分析的設備的流體連接部中的流量傳感器和/或濕度傳感器。這些傳感器電連接于電子器件8，使得它們的信號被處理。
[0060]流體連接部例如由毛細管(例如石英毛細管)形成。
[0061]檢測模塊、不同傳感器與電子器件之間的電連接部例如通過“引線結合法”形成，“引線結合法”是微電子領域中的技術人員眾所周知的一種方法，因此對其不進行詳細描述。[0062]在一變型中，可以設想，通過稱為“倒裝芯片(flip chip)”的方法形成這些電連接部，該方法包括使用直接放置在上面形成有檢測器的基板與電子器件基板之間的導電焊珠。該方法也是本領域技術人員眾所周知的，因此在本申請中對其不進行詳細描述?，F(xiàn)在將描述圖1的用于分析的設備的功能。
[0063]該設備連接于待分析樣本的供應源，該樣本通過入口端10被注射到柱2中。事先已經啟動加熱和冷卻裝置6，使得熱流出現(xiàn)并通過熱電模塊。結果是與熱電模塊的熱面22接觸的柱2被加熱并且與熱電模塊的冷面24接觸的檢測模塊4被冷卻。
[0064]因此，樣本在柱2中循環(huán)，固定相使得氣態(tài)樣本的不同組分分離，在柱內分離的這些組分然后進入檢測模塊，在檢測模塊中由不同的檢測器檢測這些組分，這些檢測器發(fā)出的信號由電子器件處理，這產生例如一曲線圖，該曲線圖包括根據時間分開的一系列峰值，其大小是組成氣態(tài)樣本的每種元素的濃度的指示。氣態(tài)樣本的注射和峰值的出現(xiàn)分離的時間使得可以在校準之后識別氣體的性質。
[0065]由于柱2的加熱，改善了物質的空間分離，并且由于檢測模塊4的檢測器的冷卻，改善了氣態(tài)化合物通過物理吸附的捕獲效果。當溫度低于環(huán)境溫度10°c到20°C時，該捕獲是有利的。
[0066]作為實例，柱被加熱到大約70°C的溫度，且檢測模塊被冷卻到5°C的溫度。
[0067]由于本發(fā)明，用于分析的設備具有較高的緊湊度，因為它使用同一元件來加熱柱和冷卻檢測器。因而，加熱和冷卻所需電能的消耗減少，因為通過熱電元件的單個供應源同時獲得了加熱和冷卻。事實上，由熱電模塊耗散的所有熱量完全用于加熱柱。當設備與外部環(huán)境隔離以限制熱損失時，這是更加有效的。
[0068]此外，設備的高緊湊度具有減少流體連接部的長度和數量的優(yōu)點，這具有減少水頭損失、死體積的效果，并且還可以改善溫度的控制。
[0069]在圖2中，可以看到用于分析的設備的第一實施方式的另一實例，這包括多個色譜柱和多個檢測模塊。
[0070]在該實施方式的實例中，該設備包括流體地串聯(lián)連接的三個疊置的色譜柱和三個疊置的檢測模塊。三個色譜柱2.1、2.2、2.3疊置，使得柱2.1與熱電模塊6的熱面20直接接觸，第二柱2.2與第一柱2.1的與熱面20接觸的面相對的面直接接觸，且第三柱2.3與第二柱2.2的另一面接觸。三個檢測模塊4.1,4.2,4.3電連接于電子器件。
[0071]三個檢測模塊4.1,4.2和4.3以相似的方式疊置，僅檢測模塊4.1與熱電模塊6的冷面22直接接觸。此外，第一柱2.1與第一檢測模塊4.1直接串聯(lián)連接，第一檢測模塊在其出口處連接于第二柱2.2的入口，第二柱本身在其出口處連接于第二檢測模塊4.2的入口，第二檢測模塊在其出口處連接于第三柱2.3的入口，第三柱在其出口處連接于第三檢測模塊4.3的入口，第三檢測模塊的出口連接于用于回收氣態(tài)樣本的系統(tǒng)。因此，當氣態(tài)樣本被注射到第一柱2.1的入口中時，相繼地流入柱2.1中、流入檢測模塊4.1中、流入柱2.2中、流入檢測模塊4.2中、流入柱2.3中、最后在排出之前流入檢測模塊4.3中。
[0072]在這個實施方式中，第二柱和第三柱的加熱通過經由與熱面20直接接觸的第一柱2.1的傳導發(fā)生，并且檢測器4.2和4.3的冷卻通過經由與冷面22直接接觸的檢測模塊
4.1的傳導發(fā)生。
[0073]將理解，色譜柱2.1,2.2,2.3可具有彼此不同的長度和直徑以及不同的化學功能化，換句話說，具有不同的固定相，并且檢測模塊可以是相同的或不同的，可以由不同的材料制成，可以具有不同的幾何形狀，并且也可以具有不同的化學功能化。
[0074]在本發(fā)明考慮到由于熱電元件的實施而獲得高緊湊度和流體連接部的減少長度的情況下，這個實施方式是特別有意義的。水頭損失和死體積減少，且溫度的控制得到改
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[0075]圖2的該用于分析的設備提供了改進的解決方案(resolution)，因為每個檢測模塊專門用于一類化合物的分析。
[0076]考慮到組件的更加減少的尺寸，假設在布置成與熱面直接接觸的柱與其他柱之間以及與冷面直接接觸的檢測器組檢測器與其他檢測器組之間沒有顯著的溫度差。此外，柱和/或檢測模塊的材料可以選擇成良好的熱導體，整個堆疊體基本上處于相同的溫度。
[0077]在一變型中，可能希望的是獲得溫度梯度，為此可設想在柱之間以及檢測器組之間插入隔離材料。
[0078]在圖3中，可以看到第一實施方式的另一實例。
[0079]圖3的設備也包括多個柱和多個檢測模塊。這個設備與圖2中的設備不同之處在于，所有的柱都與熱電模塊6的熱面22直接接觸，且所有的檢測模塊都與熱電模塊6的冷面24直接接觸。
[0080]在所示的實例中，設備包括5個柱102.1至102.5以及5個檢測模塊104.1至104.5。第一柱102.1由用于供應分析樣本的設備供應,并且通過橫向跨越(straddle)熱電模塊的流體連接部的中部而串聯(lián)連接于第一檢測模塊104.1，進而第一檢測模塊104.1在出口處通過橫向跨越熱電模塊4的流體連接部(該連接部在圖3的視圖中不可見)連接于第二柱102.2的入口。柱和檢測模塊以相似的方式連接，且第五檢測模塊104.5在出口處連接于用于回收樣本的裝置。
[0081]該設備的優(yōu)點是所有的柱都與熱表面直接接觸且因此顯示相同的溫度，并且所有的檢測模塊都與冷面直接接觸且因此顯示相同的溫度。
[0082]對于圖2中的實例，該用于分析的設備改善了靈敏度，因為每個檢測模塊專門用來檢測一類化合物。并且對于圖2中的設備，柱的結構和化學功能化不必相同，并且檢測模塊也是如此。
[0083]圖3中的設備的功能類似于圖2的設備的功能。
[0084]在圖4中，可以看到根據發(fā)明的用于分析的設備的第二實施方式的實例，其中采用了兩個熱電元件。
[0085]在這個實施方式中，加熱和冷卻裝置包括兩個熱電元件206.1和206.2。熱電模塊206.1的熱面與至少一個柱4接觸，并且熱電模塊206.2的冷面與至少一個檢測模塊直接接觸。熱電模塊206.1的冷面與熱電模塊206.2的熱表面直接接觸。這些加熱和冷卻裝置使得可增加冷卻和加熱裝置的冷表面和熱表面之間的溫度差。例如，對于溫度差，可從65°C增加至95°C，冷表面為-5V且熱表面為90°C。
[0086]在圖5中可以看到第二實施方式的另一實例，其中加熱和冷卻裝置包括兩個熱電元件。這些裝置與圖4的設備中所實現(xiàn)的裝置的不同之處在于，散熱裝置207介于兩個熱電元件之間。該散熱裝置例如通過提供良好熱傳導的材料制成的散熱器形成，其一個面與熱電模塊206.2的熱表面直接接觸，且另一個面與熱電模塊206.1的冷表面直接接觸。該散熱裝置例如由銅或鋁制成。
[0087]這些加熱和冷卻裝置使得可以單獨地調節(jié)冷、熱溫度，并且獨立于環(huán)境溫度來進行該調節(jié)。功能類似于針對圖1的設備所描述的功能。
[0088]圖4和圖5的設備中所實現(xiàn)的加熱和冷卻裝置可以在圖2和圖3的設備中實現(xiàn)，換句話說，圖4和圖5的設備中所實現(xiàn)的加熱和冷卻裝置可以在包括多個柱和多組檢測器的設備中實現(xiàn)。
[0089]此外，可設想將圖2和圖3的設備的結構進行結合。例如，用于分析的設備可以包括疊置的柱和并列的檢測器組，或反之亦然。
[0090]此外，特別地，在圖4的設備中，可設想的是，如果希望進一步突出冷溫度與熱溫度之間的溫度差，則可實施多于兩個的熱電元件。
[0091]作為實例，檢測器的陣列的尺寸可在2x2mm至10x20mm之間。
[0092]柱的尺寸可在IOxlOmm至30x30mm之間。
[0093]該設備完全可以通過微電子技術制造。
[0094]作為實例，設備的不同元件獨立地形成且通過粘合劑(諸如導熱環(huán)氧樹脂)或通過機械組件(特別是通過夾具)組裝。在后者的情況下，為了改善不同元件之間的熱傳導，可以添加熱油脂或熱密封劑。
[0095]根據本發(fā)明的檢測裝置提供高緊湊度和高檢測性能。它特別適于流動性(nomadic)使用。
[0096]檢測裝置可以例如用于醫(yī)療領域、實驗室中、安全裝置中和與環(huán)境有關的領域中。
【權利要求】
1.一種用于通過氣相色譜法進行分析的設備，包括: -至少一個色譜微柱(2)， -至少一個檢測模塊(4)，包括布置在通道中的至少一個NEMS和/或MEMS型檢測器， -直接流體連接部，位于所述色譜微柱(2)的排出端與所述檢測模塊(4)的所述通道的進入端之間， 所述色譜微柱和所述檢測器形成分析子組件， -用于加熱所述色譜微柱(2)的裝置，由至少一個熱電模塊(6)的熱面形成， -用于冷卻所述檢測模塊的裝置， 其中，用于冷卻所述檢測模塊(4)的裝置由所述熱電模塊(6)的冷面形成。
2.根據權利要求1所述的用于分析的設備，其中，包括至少一個第一熱電模塊(206.1)和至少一個第二熱電模塊(206.2)。
3.一種用于通過氣相色譜法進行分析的設備，包括: -至少一個色譜微柱(2)， -至少一個檢測模塊(4)，包括布置在通道中的至少一個NEMS和/或MEMS型檢測器， -直接流體連接部，位于所述色譜微柱(2)的排出端與所述檢測模塊(4)的所述通道的進入端之間， 所述色譜微柱和所述檢測器形成分析子組件， -用于加熱所述色譜微柱(2)的裝置，由至少一個第一熱電模塊(206.1)的熱面形成， -用于冷卻所述檢測模塊的裝置， 其中，用于冷卻檢所述測模塊(4)的裝置由第二熱電模塊(206.2)的冷面形成， 并且其中，所述第一熱電模塊(206.1)的冷面與所述第二熱電模塊(206.2)的熱面熱接觸。
4.根據權利要求3所述的用于分析的設備，其中，所述第一熱電模塊(206.1)的冷面與所述第二熱電模塊(206.2)的熱面直接接觸。
5.根據權利要求3所述的用于分析的設備，其中，所述第一熱電模塊的冷面與一散熱器(207)接觸，所述第二熱電模塊(206.2)的熱面與所述散熱器接觸，并且所述第二熱電模塊(206.2)的冷面形成所述冷卻裝置。
6.根據權利要求1或3所述的用于分析的設備，包括串聯(lián)連接的至少兩個分析子組件。
7.根據權利要求6所述的用于分析的設備，其中，所述色譜微柱疊置成使得所述色譜微柱中的單個色譜微柱與所述加熱裝置接觸。
8.根據權利要求6所述的用于分析的設備，其中，所述檢測模塊疊置成使得單個檢測模塊與所述冷卻裝置接觸。
9.根據權利要求6所述的用于分析的設備，其中，所述色譜微柱并列設置成使得所有的色譜微柱與所述加熱裝置接觸。
10.根據權利要求6所述的用于分析的設備，其中，所述檢測模塊并列設置成使得所有檢測模塊與所述冷卻裝置接觸。
11.根據權利要求6所述的用于分析的設備，其中，所述至少兩個子組件中的每一個均被功能化，以檢測一種或多種給定的分析物。
12.根據權利要求1或3所述的用于分析的設備，包括至少位于所述熱電模塊或所述至少第一和第二熱電模塊周圍的熱隔離裝置。
13.根據權利要求1或3所述的用于分析的設備，其中，所述至少一個流體連接部是毛細管。
14.根據權利要求1或3所述的用于分析的設備，包括至少一個溫度傳感器和/或至少一個濕度傳感器和/或至少一個流速傳感器。
15.根據權利要求7所述的用于分析的設備，其中，所述檢測模塊疊置成使得單個檢測模塊與所述冷卻裝置接觸。
16.根據權利要求9所述的用于分析的設備，其中，所述檢測模塊并列設置成使得所有檢測模塊與所述冷卻裝置接觸·。
【文檔編號】G01N30/30GK103575837SQ201310317310
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權日:2012年7月26日
【發(fā)明者】亨利·勃朗, 朱利安·阿爾卡莫內 申請人:法國原子能及替代能源委員會