3-1 前言
本研究於第二章節中，使用為機電製程技術製作微前濃縮晶片、
微層析晶片(塗佈 DB-1 靜相，3 m)、搭配奈米金-阻抗式偵測器與光 游離偵測器，完成第一代與第二代功能整合的微型氣相層析儀，在第 二代的原型分析系統體積最小可達20 × 10 × 6 cm，藉由為機電製程 技術微小化關鍵的分析元件後，其加熱器的耗能降低，大幅提高偵測 方法的可用性。
雖然以微機電技術製作微小裝置是新穎且具有潛力的發展，然而 亦有許多挑戰存在於微型氣相層析儀的整合過程，如一般環境下，有 機氣體濃度約sub-ppbv 或 pptv 等級，因此需要大體積、流量之採樣，
而在第一代與第二代所開發的微前濃縮晶片裝置，極小體積內無法瞬 間通過大量氣體，採樣速率受到限制約在 10 ~ 30 mL/min 之間，因此 達1.0 L 採樣體積，所需時間至少需 30 分鐘以上，大幅降低分析效率。
另一方面對於微型層析晶片其管柱為方型流道，塗佈靜相時易有沉積 導致塗佈膜厚不均，導致再現性無法一致等。而現今技術的微小化系 統都是以微機電與非微機電的方式進行整合，整體儀器之維度尺寸受 到非微機電部份而有所限制，如氣體幫浦、電磁閥，而對於微機電關 鍵的分析元件的部份，製程方面並無法達到像毛細層析管柱與市售商 品化偵測器，同樣具有高度的穩定性與再現性，且微機電製程之微型 氣體幫浦與微型氣體閥，能力還不足以應用於微小化分析系統。因此 如果要發展達到高靈敏與高可靠度之微型氣相層析系統，其首要課題 是必須先解決非微機電元件的耐用性、良率與層析晶片分離靜相塗佈
的一致性。
本章節之研究，主要目的是建立整合一部最小化且穩定耐用微型 氣相層析系統，且可應用於真實工業現場的環境，在長時間下作連續 且即時低濃度有機氣體的分析，此系統亦同時需具備高靈敏、高穩定 與高可靠度。以往攜帶式氣相層析儀或微機電元件之微型氣相層析 儀，都要需要依靠一部外接電腦操作與層析訊號傳輸，對於田野調查 實屬不便；本研究在此也將現有觸控平板電腦整合，並開發出應用型 微型氣相層析儀，如圖 3-1 所示，此系統為一套可獨立操作之微型攜 帶式儀器，其中關鍵元件(前濃縮、分離管柱、偵測器)的整合與流道 之最佳化設計過程，另外對於儀器的分析表現，如最低偵測下限、系 統再現性、與長時間穩定性，皆在此章節進行描述與探討。
圖3-1、應用型微型氣相層析儀整合示意圖。
Table computer
Table computer
Tablet computer3-2 實驗部份
3-2-1 高流量採樣器設計組裝
由前述所知，一般環境下，有機氣體濃度約 sub-ppbv 或 pptv 等 級，因此環境有機氣體的分析，前濃縮步驟所扮演的角色顯得格外重 要，不僅需採樣大量樣品的體積，且環境氣體的分析皆是長時間的採 樣以及多次脫附，所以吸附劑需要具有高重複使用率與良好的脫附效 率。依目前所使用的吸附管採樣方法，其後端所使用的個人式氣體採 樣幫浦之採樣速率大多設定為100 mL/min 以上，而晶片型微濃縮裝 置內部的流道設計，無法瞬間通過大量氣體，因此採樣速率流量受到 限制(10 ~ 30 mL/min)，如需要收集與採集大量空氣樣品，就必須加長 氣體的採樣時間。
而目前市售之前濃縮吸附管，大多體積龐大，若欲將儀器微小 化，則必須將前濃縮裝置進行微小化，2002 年 Zellers 研究團隊[66]，
開發出一種小型前濃縮裝置，以吸附管之原理，填充多段式具不同吸 附表面積之吸附劑(i.e., Carbopack, Carboxen)，於 1/16 英吋外徑之不 鏽鋼或玻璃管中，以此方法製作的前濃縮裝置，以證實不錯的前濃縮 效果。
本研究為達到高流量的前濃縮採樣，採用先前文獻研究結果加以 修改；以不銹鋼管之架構(1/16-in o.d., 1.2 mm i.d., 8-cm long)填充三段 具不同吸附表面積之吸附劑 Carbopack B, X, 及 Carboxen 1000，由於 考慮到需以高流量方式進行採樣，與氣體幫浦抽氣之能力，吸附劑所 填充之質量與先前文獻研究有所修飾，填充質量為 Carbopack B：3
mg；Carbopack X：2 mg；Carboxen 1000：1 mg。填充完畢後將熱電 偶溫度感測器，固定於不鏽鋼管外壁上，作為溫度控制之回饋，並用 Polyimide tube 套於管外作為電子絕緣層，再將其熱脫附之加熱電阻 絲纏繞於不鏽鋼管外圈作為加熱器；加熱電阻絲設計為5 ~ 6 Ω，並
Carboxen 1000 (1mg)
Carbopack B (3mg) Carbopack X
(2mg)
Desorption
Sampling
Thermocouple
Ni-Cr wire
Carboxen 1000 (1mg)
Carbopack B (3mg) Carbopack X
(2mg)
Desorption
Sampling
Thermocouple
Carboxen 1000 (1mg)
Carbopack B (3mg) Carbopack X
(2mg)
Desorption
Sampling
Thermocouple
Ni-Cr wire
(a)(b)
3-2-2 毛細管型分離模組設計組裝
雖然微機電技術可將層析管柱製作成3 × 3 cm 晶片大小的體 積，但為考慮元件製程的穩定性與塗佈分離靜相的一致性，本研究採 用市面上可輕易取得的毛細管柱；由於毛細管柱的發展已30餘年歷 史，現今毛細管柱製程技術相當成熟，亦可捲繞至一個單元，可大幅 縮小其體積，另外對於溫度控制問題，必須捨去龐大的溫控烘箱，使 儀器整體達到微小化。2003年Zellers 研究團隊發表了一部可攜式氣 相 層 析 儀 ， 所 採 用 之 方 法 為 毛 細 管 直 接 加 熱 溫 控 法(Capillary at column configured heater)，不僅捨去大體積烘箱，亦可達到直接快速 加熱與溫控，具有相當好的再現性與穩定度。
本系統之微小化層析分離管柱，將採此方法技術製作分離模組；
使用6 m 長的毛細管層析管柱(Fused silica capillary, DB-1, 0.25 mm i.d. Supelco)，捲曲纏繞至直徑約 8 cm 之小單元，並將熱電偶溫度感 測器插入毛細管捲曲空隙中，用Polyimide tube套於毛細管外圈作為電 絕緣層，將其加熱電阻絲纏繞於毛細管外圈作為加熱器；而後再將鋁 箔包覆於毛細管外圈作為隔熱層，最後將一個小型風扇(10 × 10 cm, 12 V DC)安裝於上方，以達到分析後快速降溫，以利進行第二次分 析。此裝置即為本研究之毛細管型分離模組，以12 V直流電壓驅動即 可達到層析溫度的控制，模組最高溫度可達160 oC，依據不同升溫需 求可匹配不同的電壓、電流值，亦同時可因應有機氣體化學性質與分 析需求，選擇合適之商用分離管柱，製作分離模組，其結構如圖3-3 所示。
圖3-2、毛細管型分離模組。
Ni-Cr wire
Capillary column
Thermocouple
8 cm
Ni-Cr wire
Capillary column
Thermocouple
8 cm
3-2-3光游離偵測器電路設計與組裝
本研究所用光游離偵測器，由於後端偵測輸出電路，國外廠商並 不公開，為此本研究採自行設計之訊號放大電路，當有機分子受到紫 外光能量游離產生電流並轉換為電壓輸出，輸出後的電壓接上一電壓 隨耦器，避免偏置電壓和失調電流的影響帶來的誤差，再藉由低通濾 波之後，將輸出電壓放大100倍，其為Rf：R = 100:1，即為光游離偵 測器輸出放大訊號之電路設計，如圖3-4所示。
圖3-4、PID訊號輸出放大電路。
另外由於本研究所使用之光游離偵測器，其原始目的並非供於氣 相層析偵測器之用，因此偵測器的光游離區域與毛細層析管柱的連接 方式是以鐵氟龍製作漏斗型的上蓋作為連接固定之用，由於上蓋存在 一內體積，所以必須導入一道輔助氣流(Make-up gas)，以有效縮減訊 號帶寬，其結構設計為：將毛細管柱(0.25 mm i.d.)穿入一小段不鏽鋼 管(1/16-in, 0.5 mm i.d.)，並使用一個小型不鏽鋼三向閥(Tee union, 1/16-in, Valco)固定載流氣體與輔助氣流達到同軸輸出(Co-axial output)
R
到光游離偵測器的游離區，並以一微型針閥控制輔助氣流之輸出流 量，並探討不同之輔助氣流流量對於訊號帶寬之影響；最後將光游離 偵測器與訊號輸出電路安裝於一小型金屬盒(6 × 5.5 × 3 cm)中，以達 到電子屏蔽，隔絕外來雜訊之影響，組裝結果如圖3-5所示。
圖3-5、光游離偵測器之組裝結果圖(a)輔助氣流示意圖；(b)實體圖。
Make-up gas
Capillary
Vent Make-up gas
Capillary
Vent Make-up gas
Capillary
Vent
(a)
(b)
3-3 系統軟、硬體架構整合
前一章研究中所研製之微前濃縮晶片、微層析晶片及光游離測器
，搭配小型氣體幫浦及微型電磁閥，整合出第二代微型氣體分析原型 系統，已有不錯之偵測靈敏度，本章節將功能性再度提升，並更換高 流量採樣器模組、毛細管型分離模組及原有的光游離測器，功能整合 出第三代應用型微型氣相層析儀，整合過程與進行的工作項目為：(1) 電路板設計製作；(2)分析流道最佳化設計；(3) 全自動化分析軟體重 新設計改版。
(1)電路板設計製作：由於考慮到整體系統之穩定性，與各元件之 間相容模組化(易拆卸)，其各元件驅動電路，如幫浦以及加熱器開關
、三向閥轉動等動作，與來自光游離偵測器的微小電流或電壓訊號，
須經過濾波、放大、背景補償等動作後傳輸給電腦介面，其可能使用 到的電子元件包含達靈頓驅動器、固態繼電器、電壓調整器等。
另外在氣體進行層析分離分析的過程中，有兩個重點參數是需要 被探討的，包括氣體分離時管柱溫度控制，以及載流氣體的流速/流 量控制，此兩者因素皆會影響到其分離的效率與分析的再現性，在前 一代發表的分析儀中，並無此項設計，因此在本階段微型氣相層析儀 中擬增加氣流/壓力監控模組，在進行氣體分析時，可即時監控氣體/
壓力流量之狀態，以確保氣流的穩定度，並且在長時間的使用下，可 由氣流/壓力監控模組，觀察載流氣體流量偏移時，可立即更換零件
，並降低堵塞機率。以上所有電子元件，使用CE 認證之電子零件，
包括運算放大器，繼電器，電壓轉換器等電子零件，遵照CE 所規範 的安全需求，濃縮至2 ~ 3 片無鉛式印刷電路板上，使所有元件驅動
電路與訊號處理電路之積體模組化，委由智榆企業公司，印刷成電路 板提升整體系統分析之穩定性，如圖3-6 所示。
圖3-6、元件驅動訊號放大模組化電路板圖。
Element drive circuit
PID signal-amplifying circuit Voltage regulator
Element drive circuit
PID signal-amplifying circuit Voltage regulator
Presserue sensor
(2)分析流道最佳化設計：由於前一階段之流道設計，載流氣體之
(2)分析流道最佳化設計：由於前一階段之流道設計，載流氣體之