Electro Mechanical System) 技術製作微型元件，以達到縮小儀器體積進而提高其 可攜性[1]。
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等向性 (isotropic) 蝕刻法製作出兩個半圓形的微流道後，組合成完整的圓形流 道，解決了四角型流道產生的問題，但卻也衍生出新的問題，兩個晶片接合的準 確度。2000 年 M. J. de Boer 與其團隊[4]採用 Buried channel technology (BCT) 技 術，結合非等向性 (anisotropic) 蝕刻以及反應性離子蝕刻法 (Reactive ion etch) 的特性，配合低壓化學氣相沉積法 (Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD) 製作出埋入在矽基板內的微型流道，如圖 1- 1。
圖 1- 1 不同的蝕刻方式造成不同的通道形狀 SEM 圖[4]
2004 年，R. Sacks 與其團隊[5]用深層反應性離子蝕刻法 (deep reactive ion etch, DRIE) 在矽基板上蝕刻出微流道，另用 Pyrex 玻璃做為流道的上蓋，利用陽極接 合法結合矽基板與玻璃製成完整的流道，如圖 1- 2。
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圖 1- 2 經 DRIE 製程的微層析晶片 SEM 圖[5]
2009 年，A. D. Radadia 等人[6]改進 DRIE 技術，其改善了流道截面非正圓形 的缺點，結合緩衝氧化蝕刻(Buffered oxide etch, BOE)溶液和電漿加強化學氣相沉 積法(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) ，製作出圓滑無直角縫 隙的微型流道，如圖 1- 3。
圖 1- 3 藉等向性蝕刻方式製成的微流道 SEM 圖[6]
2010 年 Alastair C. Lewis 與其團隊[7]利用兩片玻璃為基材，其上方蝕刻半圓
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型流道，如圖 1- 4，利用低溫玻璃接合的方式將兩片玻璃密合，可產生圓型的流 道，此製作方式不僅易於蝕刻，接合方式也較傳統陽極接合容易，不需要提供高 溫、高壓。
圖 1- 4 顯微鏡下觀察流道形狀[7]
隨著微機電製程技術不斷進步，不僅能在矽基板上進行蝕刻，也可利用玻璃 做為蝕刻基材，流道形狀也不再受侷限，雖然除了流道形狀，靜相的塗佈與修飾 也會影響分離結果，但透過微機電製程的技術確實可以大幅縮減分離管柱體積，
可謂是日後微型氣相層析儀的一大貢獻。
1-3 傳統多維式層析(GC-GC)與廣泛式二維氣相層析(GC×GC)技術
早期對於環境污染物的分析方法，大多使用一維層析技術，也就是一支管柱 搭配一偵測器，如圖 1- 5。
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圖 1- 5 單管柱一維層析[8] (a)傳統單管柱層析裝置 (b)以 DB-1 管柱分析 VOCs 之層析圖譜
因單管柱一維層析的峰容量(peak capacity)有限，無法分離複雜成分，而峰 容量為管柱在一次分析過程中，能夠解析出的物種層析峰數量。為了改善此峰容 量有限的問題，科學家們利用雙管柱與多管柱分析系統，藉此提供額外的峰容量，
以提升分析複雜成分的能力。
廣泛式二維氣相層析技術源於多維式層析法[9][10]，此方法(multi-dimensional chromatography, MDGC)主要藉兩種不同選擇性的層析管柱，以達到更好的分離 效果。但直接連接兩種管柱是沒有效果的，必須依 Heart cutting GC×GC 技術[11][12]，
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將層析過程中單一管柱無法分離的部分，切入另一種管柱作分析，以解決分析物 於一維管柱中共析問題，雖然分離能力、峰容量提高，但其缺點就是不能廣泛應 用於未知混合物上，因為每一次的切換都具有針對性，對特定滯留時間的化合物 進行切換。若要對未知的混合物進行分析，必須先進行一維管柱的分離後，找出 未分離完全的區域，才能得知正確的切換時間。
1990 年，J. C. Giddings 提出二維式層析法的概念[13]，將一維層析圖推廣到 平面，如同薄層層析法(thin-layer chromatography, TLC)，只是分離方式改為氣相 層析法，如此將可得到個別獨立的層析圖。1991 年，由 J. B. Phillips 與其團隊[14]
做出第一個 GC×GC 的結果，此即為廣泛式二維氣相層析儀(Comprehensive two-dimensional gas chromatography)的起源。多維式氣相層析儀和廣泛式二維氣 相層析儀，其兩者之間最大的關鍵差異在於調節過程 (modulation process)[10]，若 無經過特殊的調節過程，以避免前後訊號互相干擾，則不算是廣泛式二維氣相層 析儀(GC×GC)。最後以圖 1- 6 整理兩者的差別。
圖 1- 6 多維式層析(GC-GC)與廣泛式二維氣相層析(GC×GC) [15]
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若將峰容量以網格表示，以圖 1- 6 (a)為例，縱軸為 1st-column 之峰容量，橫 軸為 2nd-column 之峰容量，過程中只將分離不佳的區域切換至 2nd-column 做再次 分離，峰容量的提升為相加的概念，反觀圖 1- 6 (b)， GC×GC 是由調節器 (modulator)串聯 1st-column 與 2nd-column，使從 1st-column 流出的流析物，經由調 節器的特殊處理，並使前後訊號不互相干擾，最終到達至同一偵測器，峰容量的
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圖 1- 7 GC×GC 正交性[16](a)一維管柱定溫、二維管柱定溫 (b)一維管柱定溫、二 維管柱升溫 (c)一維管柱升溫、二維管柱定溫 (d)一維管柱升溫、二維管柱升溫 1-4-2 管柱選擇與群落層析
為了達成正交性(orthogonality)，原則是使用兩種不同的靜相，利用其之間不 同的分離機制，通常以非極性(non-polar)為第一維管柱，極性(polar)為第二維管 柱為 GC×GC 最常見的例子[17][18]。第一維管柱使用非極性管柱可依照分析物沸點 高低進行分離。一維管柱所呈現的特性為二維層析圖上之 X 軸，單位為分鐘，
主要進行大量樣品分析之管柱，因此在使用上選用管柱較長、內徑較粗且膜厚較 厚的管柱，常見的管柱長度為 10 m ~ 60 m 不等，內徑大小為 0.1 mm ~ 0.32 mm；
二維管柱特性表現在二維層析圖之 Y 軸，以秒為單位，負責複雜度較低的樣品
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分離，使用特性恰和一維管柱相反，選用管柱較短、內徑較窄且膜厚較薄，常見 管柱長度為 0.5 m ~ 5 m，內徑大小為 0.1 mm ~ 0.25 mm。
在兩種不同特性之管柱分析下，所產生之二維層析圖往往可得群落的層析結 果，亦可稱為結構式二維層析(Structured 2D-GC)。GC×GC 分析結果於二維層析 圖上劃分出各類物質(如：烷、酮、醇、醛…)座落點，群落特性通常滿足下列情 況才易於觀察：第一、分析樣品複雜度高。第二、二維管柱與各類物質作用的差 異性明顯。因此有不少的研究於石油分析(petrochemical)[17]，如圖 1- 8、多氯聯 苯(PCBs)[19]，如圖 1- 9、食用油(essential oil)方面，都可以定義出各類分析物群 落。
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圖 1- 8 GC×GC-FID 二維層析圖[17] (a) DB-1×OV-1701 分析油品 (b) CP Sil-2 CB×BPX-50 分析含芳香物質溶劑
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圖 1- 9 GC×GC-μECD 之 HP-1×HT-8 分析 90 種多氯聯苯物質[19]
1-4-3 調節器
調節器為 GC×GC 的核心裝置，其目的為將一維管柱流析物進行濃縮聚集，
再分段進入二維管柱，可謂是第二維管柱的進樣器，也是避免兩分離管柱互相干 擾的隔離裝置，其依種類區分可分為三大類：(1)加熱式調節器(thermal desorption modulator)，(2)冷凍式調節器(cryogenic modulator)，(3)閥式調節器(valve-based modulator)。
(1)加熱式調節器：
最早被開發的是加熱式調制器[20]，其原理是以金屬塗層的毛細管連接兩管 柱，當一維管柱流析物進入此金屬塗層的毛細管，因強力的滯留力將流析物保留 在此管內，接著再以電熱加熱此段毛細管，使被保留住的流析物快速脫附進入二 維管柱，此法概念簡單容易實現，但裝置仍有缺陷，例如加熱不均，長時間處於 升、降溫狀態，使金屬毛細管塗層容易損壞等，以致於裝置穩定度不足。而在
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Ledford與Phillips努力下，(Sweeper)移動式加熱器裝置[21]問世，如圖1- 10，提供 固定電壓控制加熱器至設定溫度，並使用旋轉馬達牽動加熱器快速旋轉，以移動 方式將毛細管加熱，此法不需反覆提供電壓加熱，加熱器得以固定溫度，電熱式 裝置穩定度等問題因而有所改善。但此類型的裝置調節過程處於高溫環境，所以 無法分析沸點較低的分析物，進而被冷凍式調節器所取代。
圖 1- 10 移動式加熱器裝置[21]
(1)冷凍式調節器：
1997年，Phillip J. 與Marriott 等人[22]設計LMCS (Longitudinally Modulating Cryogenic System)冷凍式調節器，如圖1- 11，利用冷凍劑如液態二氧化碳，對管 柱中的流析物進行冷凍，並藉由馬達驅動，使噴嘴可以在毛細管柱上來回移動，
使第一維管柱的流析物被冷凝停滯在管壁上，冷凝結束後，管柱感受到烘箱內的 溫度，使流析物脫離管壁，繼續進入第二維管柱進行再次分離，此法同時達到壓 縮帶寬使解析度上升以及避免前後干擾的目的。
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圖 1- 11 冷凍式調節器(LMCS) [22]
冷凍式比起加熱式調節器，擁有壓倒性的優勢，尤其是使用低溫濃縮聚集，
可分析低沸點的成分，且在裝置架構上容易維修，但缺點就是需要冷凍劑，需留 意補給問題。由於需使用冷凍劑，導致成本昂貴與使用不便，因此延伸出以低成 本高耐用性的閥式調節器。
(3)閥式調節器:
閥式調節器的主要使用方式有兩種，分別為氣流切割模式與壓力差模式。氣 流切割模式為使用閥的切換，來截取第一維管柱流析物的一小部分，進入到第二 維管柱進行再次分離，其二維層析等值圖結果與冷凍式調節器相似，唯偵測下限
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會較冷凍式調節器差，因閥式調節器會有樣品損失的問題，如圖 1- 12，但其解 析度會較冷凍式調節器佳，因為閥的切換如同對流析物進行分流，可得到較窄的 進樣寬度。
圖 1- 12 隔膜閥調節器(Diaphragm valve) [23]
而在 2006 年，Richard D. Sacks 等人[24]利用行止閥做為調節器，建構出 Stop-flow GC×GC 系統，如圖 1- 13，所得層析圖如圖 1- 14，圖 1- 14(a)為兩個分 離管柱串連所得層析圖譜，y 座標中 0 ~ 280 為第一維管柱長度，280 ~ 560 為第 二維分離管柱長度，圖 1- 14(b)是透過行止閥調節後所得層析圖譜，行止閥啟動 時，第一維管柱的流析物呈現接近靜止狀態，如同圖中水平虛線的部分，而第二 維管柱則持續分離，此種系統能有效控制前後分離的管柱不互相干擾，且分離過
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程未有分流情況，不會造成樣品損失。
圖 1- 13 行止閥做為調節器之 Stop-flow GC×GC 系統示意圖[24]
圖 1- 14 行止閥做為調節器之 Stop-flow GC×GC 層析圖[21]
壓力差模式主要使用調節器來改變氣流壓力，藉此改變氣流流向，在 2007 年 Seeley 等人[25]與工作團隊利用微氣流丁式切換器(microfluidic Deans switch)做 為調節器，如圖 1- 15，因丁式切換器較無死體積(dead volume)，並在理論與實 務上都顯示良好的效果，且電磁閥被安裝於烘箱外部，不會因受內部高溫影響而 受損，因此，用丁式切換器做為調節器並應用於 GC×GC 可創造出低成本、高穩 定的 GC×GC 裝置，綜合上述，對於 GC×GC 領域中注重低成本、高效能的分析 研究，閥式調節器會是很好的選擇。
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圖 1- 15 丁式切換器做為調節器[25]
1-4-4 平行分離系統
平行分離的概念源於傳統多維式層析(GC-GC)，1999 年 R. E. Synovec 與其 研究團隊[26]利用一個偵測器來進行平行分離實驗，裝置示意圖如圖 1- 16，所得 層析圖如圖 1- 17，圖 1- 17 (a)與圖 1- 17 (b)為單獨對分離管柱 A 與 B 進行實驗，
圖 1- 17 (c)為利用圖 1- 16 的實驗系統所得層析圖，流析物從兩個分離管柱分離
圖 1- 17 (c)為利用圖 1- 16 的實驗系統所得層析圖，流析物從兩個分離管柱分離