3-1 微層析晶片基本測試
微層析晶片本身氣流阻抗大小可藉由測量晶片兩端開口壓力差與晶片 流速得知，採用氣體源為氮氣，測量裝置如圖 3-1，微層析晶片本身流道截 面積遠小於其餘連接毛細管的截面積，因此可忽略其餘管線造成的氣體阻 抗值。
圖 3-1 測量微層析晶片之壓力對流速關係實驗裝置圖
以此實驗裝置量測微層析晶片塗佈靜相材料前後流道阻抗變化，阻抗變 化可從壓力對流速的關係圖得知，多管柱微層析晶片塗佈靜相材料前後，
流道阻抗值變化如圖 3-2，圖 3-2 (a)、(b)、(c) 表示三個獨立流道。
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(a)
(b)
(c)
圖 3-2 多管柱微層析晶片塗佈靜相材料前後壓力對流速關係圖 (＊：塗佈前，▲：塗佈後)
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根據圖 3-2 結果，塗佈靜相材料前三個流道的斜率值並不相同，原因是 三個流道的總長度不同導致其阻抗值不同。塗佈靜相材料後三個流道皆有 阻抗增大斜率下降趨勢，因此判定並非某流道在塗佈過程中造成阻塞使阻 抗上升。而流道的阻抗值比塗佈前大，其原因為塗佈過程中，一對三入口 交會處會有三種塗佈溶液通過，每通過一次皆會造成些許靜相沉積，而三 次塗佈將累積一定程度的靜相材料，使載流氣體從入口交會處進入後產生 較大阻抗。此外三個流道塗佈後的流速差異不大，分離效果測試並未造成 太大影響，因此還是利用此方式塗佈。
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從圖 3-3 中可以看到圖型斜率皆為固定的直線，表示其升溫速率穩定且 其實際測得溫度和預先設定的數值變化一致，而傳統烘箱的升溫速率最快 為 70 ℃/min，而本實驗自行架設的升溫系統可以在每秒升溫 2 ℃ 的條件 下進行穩定升溫，增加實驗條件的變化性。
3-2-2 溫度控制測試
為了測試致冷片系統持溫的穩定性，選擇在某段溫度進行溫控測試，分 別在 0 ℃、50 ℃、85 ℃ 進行持溫實驗，圖 3-4 即為時間對溫度的關係圖，
根據圖 3-4 可證明其在控溫條件下實際溫差皆在正負 1 ℃ 以內，對其數據 進行標準偏差計算，可得 0.8～0.14 ℃ 的標準偏差值，證明此控溫系統可 對晶片提供穩定熱能，使晶片在穩定溫度下進行分離實驗。
此外，傳統氣相層析所使用的烘箱並無法直接將溫度降至 0 ℃，若需 降溫須另外架設溫度控制器，如：液態氮系統、二氧化碳系統。本實驗的 致冷片系統無須額外架設其他裝置就可達到穩定升溫及穩定降溫至 0 ℃的 效果，大幅度提升晶片分離性能。
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(a)
(b)
(c)
圖 3-4 溫度控制穩定度效果測試圖
(a) 持溫 0 ℃圖 (b) 持溫 50 ℃ (b) 持溫 85 ℃
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3-3 多管柱平行分離氣相微層析晶片塗佈靜相材料測試 3-3-1 不同官能基的氣相分離效果測試
利用微機電製程技術製作多管柱平行分離氣相微層析晶片，在晶片中蝕 刻出三個分別的流道，並塗佈三種選擇性不同的靜相材料。本實驗測試選 擇性相異的靜相材料，對於不同官能基氣體所造成分離的差異效果。挑選 烷類、苯環類、酮類、醇類、酯類，五種不同官能基的揮發性氣體，對於 多管柱平行分離氣相微層析晶片進行測試，將各類的揮發性氣體配置在 1 L 採樣袋中，注入化合物的種類、化學結構式、濃度、實際進入偵測器的量、
以及沸點分別列於表 3-1。實驗條件設定為流速為 0.2 mL/min，分流比為 50:1，溫度由致冷片控制，溫度梯度參數為起始溫度 50 ℃、維持時間 50 秒、升溫速度 1 ℃/min、末溫 85 ℃。而除了五種官能基的化合物之外，注 入小分子氣體 methane 來進行流速判定，methane 並不會與微層析晶片內 所塗佈的三個靜相產生滯留作用力，因此可利用其滯留時間判斷三個流道 的流速是否相同。五種官能基層析圖如圖 3-5 到圖 3-9。
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表 3-1 不同官能基氣體測試-編號列表
Vapor structure Conc.
(ppm)
chlorobenzene 2460 56.6 131.0
ethylbenzene 2500 54.3 136.0
bromobenzene 3950 126.8 156.0
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methyl acetate 3100 46.9 56.9
ethyl acetate 3220 58.0 77.1
butyl acetate 1900 45.1 126.0
acetone 3500 41.57 56.5
2-pentanone 2890 50.9 103.0
methyl isobutyl
ketone 1960 40.1 117.5
2-heptanone 2950 68.9 151.0
2-octanone 2950 77.4 173.0
ethanol 4350 40.9 78.4
propanol 3300 40.6 97.5
butanol 3350 50.8 118.0
pentanol 2820 50.8 138.5
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(a)
(b)
(c)
圖 3-5 烷類層析圖
(a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 1. methane 2. pentane 3. hexane 4. octane 5. nonane
85 ℃ 1 ℃/sec 50 ℃,50 sec
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(a)
(b)
(c)
圖 3-6 苯環類層析圖
(a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 1. methane 2. benzene 3. toluene
4. chlorobenzene 5. ethylbenzene 6. bromobenzene
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(a)
(b)
(c)
圖 3-7 酯類層析圖
(a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 1. methane
2. methyl acetate 3. ethyl acetate 4. butyl acetate
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(a)
(b)
(c)
圖 3-8 酮類層析圖
(a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 1. methane 2. acetone 3. 2-pentanone
4. methyl isobutyl ketone 5. 2-heptanone
6. 2-octanone
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(a)
(b)
(c)
圖 3-9 醇類層析圖
(a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 1. methane 2. ethanol 3. propanol 4. butanol 5. pentanol
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從實驗結果可看出 DB-1、DB-WAX、OV-210 三種靜相材料對化合物 的確有不同的選擇性。DB-1 是由 dimethylpolysiloxane 所組成，是為一種 非極性的管柱，以分散力作為層析的作用力。當分子間的吸引力以分散力
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寬變得較大。而在此處 DB-WAX 無法有效分離 2-pentanone 及 methyl isobutyl ketone 兩種化合物；最後觀察圖 3-9 (b) 在分離醇類化合物時，
DB-WAX 的分離效果優於其他兩個流道，雖然其半高寬較大，但能有效將 化合物進行分離，推論其原因在於 DB-WAX 的結構可以與醇類產生氫鍵作 用力，能對醇類造成較大的滯留效果，而使得分離效果較好。根據圖 3-5～
圖 3-9 層析圖可得知，DB-WAX 及 OV-210 皆對極性材料有較佳的分離效 果，OV-210 靜相材料的極性較 DB-WAX 弱，滯留時間大都較 DB-WAX 短，而三種靜相材料對於不同極性的化合物皆具有不同選擇性的表現。
54 butanol 與 2-pentanone 的訊號完全疊在一起，雖然 butanol 的沸點高出 2-pentanone 約 15 ℃，但因為其極性較大，在非極性 DB-1 管柱中滯留效 果較差，因此 butanol 訊號峰提早出現，而產生和 2-pentanone 訊號峰重 疊的現象，其餘的訊號峰出現順序與其化合物的沸點相同，沸點越高的化 合物，訊號峰越晚出現，注入樣品中其餘兩個化合物的解析度在 DB-1 內 都相當好。圖 3-10(b) 為 DB-WAX 層析圖，在 DB-1 分不開的 butanol 以
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及 2-pentanone 在 DB-WAX 流道能有效分離而不會像 DB-1 流道無法分 離，其原因為 butanol 會和 DB-WAX 產生氫鍵的作用力，而使得滯留時間 增加。而在 DB-1 中滯留最久的非極性化合物 nonane，在極性 DB-WAX 管柱中滯留效果差，因此其訊號峰產生的時間大幅提前。圖 3-10(c) 為 OV-210 層析圖，OV-210 為極性管柱，化合物滯留時間除依據沸點外，對 於極性化合物有偶極作用力產生，使得滯留效果提升，當化合物本身的極 性越強，其與 OV-210 的作用力越大，滯留時間就會拉長，2-pentanone 的 分子量雖然比 toluene 及 nonane 來得小，但其極性比較大，在 OV-210 的 滯留時間相對拉長。
在此實驗中，化合物在三個流道內的滯留效果都不盡相同，再次證明微 層析晶片內所塗佈的三種靜相材料擁有不同的選擇性，當混合樣品進入晶 片管柱進行平行分離，雖然任何單一管柱不能完全將化合物進行分離，但 可以藉由在不同靜相所造成滯留的差異性進行化合物的交叉鑑別。
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圖 3-10 利用多管柱微層析晶片進行五種混合物分離測試層析圖 (a) DB-1 流道 (b) DB-WAX 流道 (c) OV-210 流道
1. methane 2. butanol 3. 2-pentanone 4. toluene 5. nonane (a)
(b)
(c)
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此實驗分流比例為操縱變因，注入的樣品為 methane、butyl acetate、
chlorobenzene，主流速以及溫度梯度為控制變因。第一組實驗參數設定為主
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(a)
(b)
(c)
圖 3-11 不同分流比所得層析圖譜
(a) 主流速：0.5 mL/min、無分流層析圖譜 (b) 主流速：0.5 mL/min、分流 比例：50 比 1 層析圖譜 (c) 主流速：0.5 mL/min、分流比例：95 比 1 層析 圖譜
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根據圖 3-11 (a)、(b) 以及 (c) 的結果，利用公式 3-1，可由層析圖的訊 號峰半高寬和滯流時間來計算訊號的解析度，結果整理於表 3-2
3-1
表 3-2 調整流道分流比，訊號峰之解析度
無分流 分流比 50：1 分流比 95：1
R 1.32 1.50 1.60
由實驗 3-5-1 結果得知，將層析實驗中有進行分流與無分流解析度相 比，提升分流雖然未能將訊號峰完全分開，但可使訊號峰帶寬變窄，對提 升訊號峰的分離效果有顯著的影響，能使訊號解析度提高。但圖 3-11(b) 與 圖 3-11(c) 相比，提升分流雖會造成解析度提升，但效果有限，也會導致訊 號峰變小，所以在此選定分流比 50 比 1 為較佳的實驗結果。未來也採用 這個分流比進行實驗。
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本實驗利用致冷片將實驗初溫控制在低於室溫，當分析物注入時，接觸 到低溫的晶片，層析管柱分配係數提高，氣體分子滯留時間拉長，分離效 果增加。為了確使微層析晶片能與致冷片溫度一致，初溫維持時間為 25 秒，時間拉長也能提升氣體分子在晶片內聚焦效果。圖 3-12 顯示，當初溫 逐漸升高，三個訊號峰彼此間的分離效果下降。當初溫為 0 ℃ 時解析度 最高，10 ℃ 次之，20 ℃ 最差，判定降低初溫能有效提升分離效果，未 來實驗初溫將設定為 0 ℃ 對提升複雜樣品解析度有相當大的助益。
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3-5-3 調整流速效果測試
進行氣相層析過程中載流氣體流速必須穩定才能求得精確分析，而載流 氣體流速若過快則分離效果差、解析度會下降；但若流速過慢則會造成帶 寬在行走中產生擴散而變寬，且會耗費過多的分離時間。利用自行架設的 實驗裝置進行最佳流速的探討實驗。此實驗流速為操縱變因，分流比以及 溫度梯度為控制變因。第一組實驗參數設定為主流速：0.2 mL/min、分流比 例：1 比 50；第二組實驗參數設定為主流速：0.5 mL/min、分流比例：1 比 50；不同實驗條件下塗佈靜相為 DB-1 流道的層析圖譜如 65 頁圖 3-13。
根據圖 3-13 (a)、 (b) 的層析圖譜，觀察最後兩根訊號峰，發現當流速 由 0.5 mL/min 降低至 0.2 mL/min 時，其分離效果較佳、解析度提升。因 為晶片內各流道長度都不超過 1 m ，造成分析物在流道中流速過慢而造成 擴散而變寬的影響較低，流速降低其所花費的實驗時間只多出 50 秒，因 此選定 0.2 mL/min 為實驗的最佳流速。
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(a)
(b)
圖 3-13 調整流速所得層析圖譜
(a) 主流速：0.5 mL/min、分流比例：1 比 50 的層析圖譜 (b) 主流速：0.2 mL/min、分流比例：1 比 50 的層析圖譜
1. acetone 2. butanol 3. 2-penanone 4. toluene
5. chlorobenzene 6. 2-heptanone 7. bromobenzene
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(a)
(b)
(c)
圖 3-14 多管柱微層析晶片七種混合物分離測試層析圖 (a) DB-1 流道 (b) DB-WAX 流道 (c) OV-210 流道
1. acetone 2. butanol 3. 2-penanone 4. toluene
5. chlorobenzene 6. 2-heptanone
7. bromobenzene
67 象，利用此訊息可進行定量判斷。在 DB-WAX 層析圖中，chlorobenzene 和 2-heptanone 兩化合物訊號產生重疊，但在另外兩個靜相也能完全分 開，三張層析圖譜可相互對照，對於化合物的定性與定量判斷相當有助益。
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(a)
(b)
(c)
圖 3-15 多管柱微層析晶片十一種混合物分離測試層析圖 (a) DB-1 流道 (b) DB-WAX 流道 (c) OV-210 流道
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