3-1 致冷晶片性能測試
由於本研究在進行實驗時，溫度是一影響顯著的分析條件，使用不同的溫度 條件，將得到不同的實驗結果。所以在本研究中，溫度控制為核心課題，為解決 此課題，首先必須先了解致冷晶片的性能，不論是能到達的最低溫度、最快升溫 速度還是最高溫度，這些都必須先精準掌握，因為若不清楚這些資訊，可能會發 生軟體程式無法精準控制硬體的問題，導致硬體在不對的時間做不對的事，甚至 發生致冷晶片燒毀的意外，如此本研究將無法穩定地進行下去。以下將利用自行 撰寫的溫控程式並使用 15V 的電源來測試致冷片的各種性能，包括可到達並維 持的最低溫度、最高溫度、升溫速度和降溫速度。
3-1-1 最低溫測試
圖 3- 1 最低溫度的測試 (Ⅰ) -5°C，S.D. = 0.258°C (Ⅱ) -10°C，S.D. = 0.227°C (Ⅲ) -15°C，S.D. = 0.177°C
從圖中可以發現此致冷晶片在 -5°C、-10°C 時皆有不錯的穩定度，皆可成 功維持至少 50 秒，而-15°C 則大約只能維持 20 秒。觀察三種溫度的標準差，可
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以發現溫度越低時標準差有變小的趨勢，這是因為本實驗所使用的溫控電路及程 式設計在要執行降溫的程序時，是採用冷停的控制方式，也就是溫度比程式設定 高則驅動降溫，溫度比程式設定小則停止動作，而-5°C 和-10°C 相較於-15°C 有 較大的標準差，這意味著維持在-5°C 和-10°C 時，對致冷晶片還算是遊刃有餘，
使得溫度可以在該程式設定溫度的上下穩定變動，而在-15°C 時可以看到因為致 冷力不足的問題，使得溫度的變動幾乎都維持在-15°C 以上，甚至在維持 20 秒 後開始不受控制的向上飄移。由此可知，此致冷晶片的最低初溫極限設定為-15°
C 20 秒，實際操作上，將會採用-10°C 以上的溫控程序設定。
3-1-2 升溫速度測試
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線性地控制降溫速度，則應選擇-4°C/sec。然而觀察-4°C/sec 的圖，可以發現其 在到達末溫-5°C 的所需時間，稍大於理論值，此結果非常重要，因為在後面二 維層析的實驗中，每個週期的時間必須精準掌握，若降溫時間延遲，則會造成各 個週期的溫度條件錯位，如此將無法繼續進行實驗，而解決方法將會在後面的章 節提到。
3-2 溫度對微層析晶片樣品出峰的影響
由於本研究所建立的系統可分成兩部分，一部分是進行分子篩的一維層析，
另一部分則是進行二維層析。在二維層析的部分，採用的是 Stop-flow GC×GC 系統，利用一個微型三向閥來切換每一個週期，而不同的週期所要分離的待測氣 體也不盡相同，可以將每個週期看成分別獨立的層析實驗，不同組合的待測氣體，
所需要的溫度條件也不同。為了能夠最佳化每個週期的溫度條件，則必須先初步 了解溫度對微層析晶片樣品出峰的影響。以下將溫度條件分成初溫、初溫維持時 間、升溫速度和末溫這四個部分來探討。
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3-2-1 初溫的影響
圖 3- 5 不同初溫的影響 (a)不同初溫下所得的三種層析圖疊圖，初溫由低到高分 別為Ⅰ. -10°C、Ⅱ. 0°C、Ⅲ. 10°C，其中三個訊號峰從左至右分別為 benzene、
toluene、m-xylene (b)為(a)中三種溫度條件所對應使用的溫度梯度
觀察圖 3- 5(a)可以發現，在相同的初溫維持時間 10 秒的限制下，越低的初 溫條件，三種氣體的訊號峰皆有變高變尖的趨勢，這代表在相同的時間下，溫度 越低越能快速冷凝待測氣體，使原本擴散嚴重的待測氣體濃縮聚集。而在本研究 的二維層析實驗中，此資訊非常重要，因為進樣方式和系統裝置裡的死體積(dead volume)問題，會使得氣體在整個層析的過程中，發生嚴重的擴散，且擴散的氣 體經過 Stop-flow 的調節而被切成細小的片段，而每一小片段再被分成三份，分
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別流過 2nd-column 中三種不同靜相的流道後，才被 FID 偵測，但經過上述過程，
可能將測不到訊號。從圖 3- 5(a)的結果，代表本研究在進行二維層析時，可先行 設定一個低溫條件，讓待測氣體聚集在微層析晶片的前段，再開始進行分離，以 增加測得訊號的機會。
3-2-2 初溫維持時間的影響
圖 3- 6 不同初溫維持時間的影響 (a)不同初溫維持時間所得的三種層析圖疊圖，
時間由短到長分別為Ⅰ. 5 sec、Ⅱ. 15 sec、Ⅲ. 25 sec，其中三個訊號峰從左至右 分別為 benzene、toluene、m-xylene (b)為(a)中三種溫度條件所對應使用的溫度 梯度
69 號峰從左至右分別為 benzene、toluene、m-xylene，(Ⅰ)1°C/sec (Ⅱ)5°C/sec (Ⅲ) 10
°C/sec (Ⅳ)15°C/sec (Ⅴ)20°C/sec
觀察圖 3- 7 可以發現，升溫速度 1°C/sec 的 benzene 和 toluene 的訊號明顯比 其他四種升溫速率的訊號還要矮寬，但 m-xylene 的訊號高度卻比其他四種還要
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高，這呼應 3-2-2 所觀察的結果，較重的氣體需要較長的聚集時間，而升溫速度 1°C/sec，其代表在低溫的時間較久，以致於升溫速度 1°C/sec 中的 m-xylene 訊 號比其他四種要大。而 benzene 和 toluene 的訊號，則是因為停留在微層析晶片 的時間增長，使得訊號峰變得矮寬，但整體的分離效果為四種之間最好，而其他 四種升溫速度，除了升溫速度 5°C/sec 分離的稍為較好以外，10°C/sec 、15°C/sec、
20°C/sec 所呈現的層析圖，其之間的形狀幾乎沒有差異，分離的效果也沒有太大 變化，而由觀察 3-1-2 的圖 3- 1 的結果可知，若想線性地控制升溫速度，則升溫 速度要設定在至少在 8°C/sec 以上，而圖 3- 7 中 10°C/sec、15°C/sec、20°C/sec 所呈現的層析圖也幾乎沒有差異，所以代表可以直接使用 3-1-2 升溫速度測試的 結果，以最快 15°C/sec 來做為後面二維層析實驗的升溫速度，以節省分析時間。
3-2-4 末溫的影響
圖 3- 8 不同末溫的影響;不同末溫所得的五種層析圖疊圖，其中三個訊號峰從左 至右分別為 benzene、toluene、m-xylene，(Ⅰ)60°C (Ⅱ)70°C (Ⅲ) 80°C (Ⅳ)90°C (Ⅴ)100°C
觀察圖 3- 8 可以發現，末溫越高會使各個氣體的訊號峰越來越靠近，由於較
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高的末溫會加速氣體的出峰速度，使得氣體在微層析晶片中停留的時間變短，發 生擴散的機會變小，所以各層析圖 m-xylene 的訊號，隨著末溫越高而有變高變 尖的趨勢。這代表在不影響分離的情況，也就是在還能定性的條件下，可以提高 末溫來提升較慢出峰的氣體訊號，藉此增加在往後二維層析圖中，訊號的能見 度。
3-3 微層析晶片和致冷晶片的放置方式
由於本研究所使用的微層析晶片和致冷晶片的放置方式是只讓微層析晶片 的矽面和致冷晶片接觸，而這樣的的配置方式多少會有熱傳導的疑慮。因為微層 析晶片的另一面是玻璃，又玻璃的導熱比矽還差，所以可能會發生矽面熱但玻璃 面尚未熱的情況，這樣的情況會增加待測氣體的滯留時間，使發生擴散的機會變 高。為了探討這樣的影響有多大，以下將在一樣的流速、一樣的溫度梯度，做了 兩種放置方式的層析圖比較實驗，其放置方式示意圖如圖 3- 9 所示:
圖 3- 9 兩種微層析晶片的放置方式示意圖 (a)矽面和致冷晶片接觸 (b)玻璃和致 冷晶片接觸
72 六向閥的龐大體積，但缺點是會有 dead volume 的問題。dead volume 就是指進樣 過程中，管路和管路之間的多餘空間，這多餘的空間會使待測氣體在行走過程中
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測不到訊號或者拖尾的現象，為了避免這些問題，首先必須瞭解接閥方式對微層 析晶片樣品出峰的影響，再從中選出最好的接閥方式，以下採用三種接閥方式，
並和沒有接閥的無 dead volume 情況做比較，接閥方式如圖 3- 11 所示:
圖 3- 11 四種接閥方式與氣流方向示意圖;圖中綠色的實線箭頭為氣流流動方向 (a)無接閥直接進樣 (b)避開閥體進樣 (c)通過閥體 NO 端進樣 (d)通過閥體 NC 端 進樣
圖 3- 11(b)的接閥方式是讓三向閥在不通電的情況下，此時 COM 端和 NC 端接通，而原本氣體應該會從 NC 端流出，但因將 NC 端通道封住的關係，使得 氣體無法從 NC 端流出，轉而直接進入微層析晶片而避開進入三向閥所伴隨的 dead volume 問題。圖 3- 11(c)和(d)則分別是給三向閥通電讓 COM、NO 端相通
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和不給電讓 COM、NC 端相通。
圖 3- 12 不同接閥方式所得的層析圖疊圖; a.代表無接閥直接進樣的層析圖，b.
代表避開閥體進樣的層析圖，c.代表通過閥體 NO 端進樣的層析圖，d.代表通過 閥體 NC 端進樣的層析圖，其中三個訊號峰從左至右分別為 benzene、toluene、
m-xylene
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圖 3- 13 避開閥體進樣於 Stop-flow 平行分離二維層析系統的示意圖;綠色實線代 表氣流方向 (a)Flow 狀態，COM、NC 端接通 (b)Stop 狀態，COM、NO 端接通
在 Flow 的狀態下，COM 端和 NC 端接通，但因將 NC 端封閉，所以載流氣 體會通過 1st-column 來推動晶片內的待測氣體，而 Stop 狀態則是接通 COM 端和 NO 端，此時載流氣體會選擇阻抗較小的上方通道而不經過 1st-column，使大部 分的待測氣體停留在 1st-column 並轉而將從 1st-column 推出來的一小段待測氣體 送往 2nd-column 進行二次層析。以下實驗為在 Flow 模式進行 20 秒後，再開始週 期性切換，也就是 Flow 模式維持 0.6 秒、Stop 模式維持 30 秒兩者循環交替。而 Flow 模式的流速和 Stop 模式的流速分別 0.4 mL/min 和 0.8 mL/min，1st-column 的溫度梯度為初溫-5°C 維持 20 秒、升溫速度 10°C /sec、末溫 50°C，2nd-column 的溫度則是一直維持在 100°C。使用 pentane、hexane、heptane 的混合氣體進行 測試，其結果如圖 3- 14 所示:
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圖 3- 14 平行分離二維層析系統進行初步測試結果 (a)巨觀結果圖 (b)為(a)的 hexane 訊號放大圖，虛線之間代表一個週期
觀察圖 3- 14(b)可以發現，在圖的中央有一個明顯向下的凹陷，這是因為每 個週期都會先進行 Flow 模式，然後再進行 Stop 模式，而當在進行 Flow 模式時，
由於 Flow 模式的載流氣體流速較小，所以我們會看到訊號往下，而當進行 Stop 模式時，因為流速較大，所以訊號又回升。接著再看到大約 420 秒~440 秒的位 置，一般情況下，在這裡的訊號應該要和基線的訊號差不多，但這邊卻產生了向 上隆起的訊號，於是推測這是因為待測氣體在 Stop 模式時，從 1st-column 先行
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流出所致。為了確認原因是否為此，以下進行另一個實驗，通過閥體 NO 端進樣 於平行分離二維層析系統的測試，系統示意圖如圖 3- 15 所示:
圖 3- 15 通過閥體 NO 端進樣於平行分離二維層析系統的示意圖 (a) Flow 狀
圖 3- 15 通過閥體 NO 端進樣於平行分離二維層析系統的示意圖 (a) Flow 狀