三晶片-多維度微層析系統全面分析有機混合氣體之研究

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(1)國立臺灣師範大學化學研究所碩士論文指導教授:呂家榮博士 (Chia-Jung Lu). 三晶片-多維度微層析系統全面分析有機混合氣體之研究. A Three Chip-Micro Gas Chromatographic System for Comprehensive Organic Gas Vapor Analysis. 研究生：周界志 (Chieh-Chih Chou). 中華民國一百零三年七月.

(2) 摘要本研究利用微機電製程技術(micro electro mechanical system, MEMS)製作三種不同的微層析晶片，分別是單管柱微層析晶片(DB-1，3 m)、多管柱平行分離微層析晶片(OV-210、OV225、OV-25，各 1 m)、單管柱微層析晶片(碳分子篩，1 m)，將這三種晶片進行組合，形成三晶片-多維度微層析系統。本系統以 DB-1 單管柱微層析晶片為共同主軸進行前段分離，其後則以四向閥將裝置系統分為兩部分，第一部分是碳分子篩單管柱微層析晶片，負責分離 C5 以下的高揮發性有機氣體，是一個串聯式 GC-GC 一維層析，第二部分則是多管柱微層析晶片，負責分離 C5 及 C5 以上的低揮發性有機氣體，利用三向閥來進行氣流路徑的切換，所建構出的一個 Stop-flow μGC×μGCs 二維層析，透過多管柱平行分離微層析晶片中的三種靜相，產生三張不同的二維層析圖，藉由三種不同的結果，可進行交叉比對，以增加定性判定的準確度。在本研究中，成功地將低揮發度及高揮發度有機氣體分別送至個別適合分析的區域，並在固定的主流速下，尋找各種最佳的實驗參數，其中包括 wait time、 inject to 2nd-column time、以及個別微層析晶片的溫度梯度參數，最後在最佳條件下，對系統進行測試。在流道總長度只有 4 m 長的情況下，不需類似液態氮的冷凍裝置，使用致冷晶片進行升溫降溫，即可成功地分離沸點-161°C ~ 234°C 的 49 種有機氣體，證明了此三晶片-多維度微層析系統全面分析有機混合氣體的可行性。. 關鍵字:微層析晶片、微氣相層析儀、二維氣相層析、碳分子篩、平行分離層析、有機揮發性氣體. i.

(3) Abstract We developed three different structures of μ-column chip using micro electro mechanical system (MEMS) process. They are 3 m long single dimension μ-column chip coated by DB-1 as stationary phase, each length of 1 m three parallel μ-columns chip coated by OV-210, OV-225,OV-25 as stationary phase and length of 1 m single dimension μ-column chip coated carbon molecular as stationary phases. Combining these different μ-column chips, we can construct a three chip-micro gas chromatographic system for comprehensive organic gas vapor analysis. We use DB-1 μ-column chip as the core to make preceding analysis. After this, gas flow is divided into two different parts by a four-way valve. One is using carbon molecular sieve μ-column chip to analyze high volatile gas of carbon number less than five, the other is using three parallel μ-columns chip which combines DB-1 μ-column chip and μ-three-way valve to be a comprehensive two-dimensional gas chromatograph. We use this 1×3 combination to analyze low volatile gas with carbon number greater than or equal to five. In this part, we can get three different two dimensional chromatograms because of different stationary phases in three parallel μ-columns chip. Through the cross comparison between these results, we can enhance the accuracy of qualitative analysis. In the study, we successfully find various optimal experimental parameters, which include wait time、inject to 2nd-column time and each of μ-column chip temperature. Finally, under the optimal experimental parameter, the system is tested with a mixture of 49 compounds. In the case of the total length only 4m long in the flow channel and without liquid nitrogen refrigeration system similar, using thermoelectric cooling module to ii.

(4) cool and heat the temperature of μ-column chip. We can successfully separate 49 organic gases with boiling point ranged from -161°C to 234°C. The feasibility of a three chip-micro gas chromatographic system for comprehensive organic gas vapor analysis is demonstrated.. Keywords: micro-chip, μGC, 2D- GC, CMS, parallel separation, VOCs. iii.

(5) 目錄摘要................................................................................................................................. i Abstract ..........................................................................................................................ii 目錄............................................................................................................................... iv 圖目錄........................................................................................................................... ix 第一章緒論.................................................................................................................. 1 1-1 前言 .................................................................................................................... 1 1-2 微層析晶片 ........................................................................................................ 1 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 ................. 4 1-4 廣泛式二維氣相層析(GC×GC)技術 ................................................................ 7 1-4-1 正交性 ...................................................................................................... 7 1-4-2 管柱選擇與群落層析 ............................................................................. 8 1-4-3 調節器 ................................................................................................... 11 1-4-4 平行分離系統 ....................................................................................... 16 1-4-5 平行分離應用於廣泛式二維氣相層析(GC×GC) ............................... 18 1-5 微小化氣相層析儀 .......................................................................................... 20 1-6 廣泛式二維式氣相層析圖(GC×GC) .............................................................. 23 1-7 研究動機 .......................................................................................................... 25 第二章實驗部份........................................................................................................ 27 2-1 實驗藥品、材料與儀器設備 .......................................................................... 27 2-1-1 實驗藥品、材料 ................................................................................... 27 iv.

(6) 2-1-2 儀器設備 ............................................................................................... 30 2-2 單管柱微層析晶片之製作(1st-column，3 m，DB-1) ................................... 31 2-2-1 單管柱微層析晶片(1st-column，3 m，DB-1)前處理 ........................ 32 2-2-2 單管柱微層析晶片之靜相塗佈(1st-column，3 m，DB-1) ................. 34 2-3 多管柱平行分離微層析晶片之製作(2nd-column).......................................... 34 2-3-1 多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)之前處理 ........................... 36 2-3-2 多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)之靜相材料塗佈 ............... 37 2-4 碳分子篩微層析晶片(CMS-column)之製作 .................................................. 38 2-4-1 碳分子篩微層析晶片(CMS-column)之碳膜塗佈 .............................. 39 2-5 溫度對氣相微層析晶片樣品出峰的影響之測試系統 .................................. 40 2-5-1 單獨微層析晶片溫控模組 ................................................................... 40 2-5-2 整體硬體架構 ....................................................................................... 41 2-5-3 實驗溫控電路 ....................................................................................... 42 2-5-4 程式控制(溫控程式) ............................................................................ 43 2-5-4.1 程式撰寫邏輯 ........................................................................ 44 2-5-4.2 六向閥模組 ............................................................................ 45 2-5-4.3 幫浦模組 ................................................................................ 45 2-5-4.4 存檔模組 1 ............................................................................. 46 2-5-4.5 溫控模組 1 ............................................................................. 47 2-5-4.6 時間模組 ................................................................................ 49 2-6 三晶片系統整合與架設 ................................................................................... 49 2-6-1 硬體架構 ............................................................................................... 49 v.

(7) 2-6-2 程式控制 ............................................................................................... 51 2-6-2.1 四向閥模組 ............................................................................ 53 2-6-2.2 三向閥模組 ............................................................................ 54 2-6-2.3 溫控模組 2 ............................................................................. 55 2-6-2.4 存檔模組 2 ............................................................................. 56 2-6-3 繪製 3D 層析圖之 LabVIEW 程式 ..................................................... 57 2-6-3.1 3D 層析圖之基線飄移處理 ................................................... 60 第三章結果與討論.................................................................................................... 62 3-1 致冷晶片性能測試 .......................................................................................... 62 3-1-1 最低溫測試 ............................................................................................ 62 3-1-2 升溫速度測試 ........................................................................................ 63 3-1-3 最高溫度測試 ........................................................................................ 64 3-1-4 降溫速度測試 ........................................................................................ 65 3-2 溫度對微層析晶片樣品出峰的影響 .............................................................. 66 3-2-1 初溫的影響 ........................................................................................... 67 3-2-2 初溫維持時間的影響 ........................................................................... 68 3-2-3 升溫速度的影響 ................................................................................... 69 3-2-4 末溫的影響 ........................................................................................... 70 3-3 微層析晶片和致冷晶片的放置方式 ............................................................... 71 3-4 接閥方式對微層析晶片樣品出峰的影響 ....................................................... 72 3-5 避開閥體和通過閥體 NO 端進樣於二維層析系統的測試比較 ................... 74 3-6 以 1st-column+2nd-column (GC×GC)分離 C5 以上的化合物 .......................... 79 vi.

(8) 3-6-1 實驗程序與二維層析等值圖說明 ....................................................... 79 3-6-2 實驗參數 wait time 的探討 .................................................................. 81 3-6-3 實驗參數 inject to 2nd-column time 的探討 ......................................... 82 3-6-4 鹵素燈溫度設定對二維層析的影響 ................................................... 83 3-6-5 2nd-column 使用溫度梯度與恆溫的比較 ............................................. 85 3-6-6 2nd-column 溫度控制調整的方法 ......................................................... 86 3-6-7 1st-column 溫度控制調整的方法 .......................................................... 87 3-6-8 不同溫度範圍控制程序的連結 ........................................................... 89 3-6-9 增加待測氣體的複雜度(27 種) ........................................................... 91 3-6-10 增加待測氣體的複雜度(33 種) ......................................................... 93 3-6-11 增加待測氣體的複雜度(38 種) ......................................................... 96 3-6-12 消除不同溫度控制程序的連結區 ..................................................... 97 3-6-13 2nd-column 中三種不同靜相的分離結果 ........................................... 99 3-6-14 最重待測氣體的極限 ....................................................................... 102 3-7 以 1st-column 串聯 CMS-column(GC-GC)分離 C1 ~ C4 的化合物 .............. 103 3-8 整合三晶片系統來分離 49 種化合物 .......................................................... 105 3-8-1 四項閥轉閥時間參數探討 ................................................................. 105 3-8-2 1st-column+2nd-column 結果 ............................................................... 108 3-8-3 1st-column+CMS-column 結果 ............................................................ 110 第四章結論.............................................................................................................. 112 參考文獻.................................................................................................................... 114 vii.

(9) 附錄............................................................................................................................ 118 1.. 1st-column 的溫度條件 ................................................................................. 118. 2.. 2nd-column 的溫度條件................................................................................. 119. 3.. CMS-column 的溫度條件 ............................................................................. 129. 4.. 混合氣體個別編號與組別............................................................................ 129. viii.

(10) 圖目錄圖 1- 1 不同的蝕刻方式造成不同的通道形狀 SEM 圖 ............................................ 2 圖 1- 2 經 DRIE 製程的微層析晶片 SEM 圖............................................................. 3 圖 1- 3 藉等向性蝕刻方式製成的微流道 SEM 圖 .................................................... 3 圖 1- 4 顯微鏡下觀察流道形狀 .................................................................................. 4 圖 1- 5 單管柱一維層析 .............................................................................................. 5 圖 1- 6 多維式層析(GC-GC)與廣泛式二維氣相層析(GC×GC) ............................... 6 圖 1- 7 GC×GC 正交性 ................................................................................................. 8 圖 1- 8 GC×GC-FID 二維層析圖 ............................................................................... 10 圖 1- 9 GC×GC-μECD 之 HP-1×HT-8 分析 90 種多氯聯苯物質 ........................... 11 圖 1- 10 移動式加熱器裝置 ...................................................................................... 12 圖 1- 11 冷凍式調節器(LMCS) ............................................................................... 13 圖 1- 12 隔膜閥調節器(Diaphragm valve) .............................................................. 14 圖 1- 13 行止閥做為調節器之 Stop-flow GC×GC 系統示意圖 .............................. 15 圖 1- 14 行止閥做為調節器之 Stop-flow GC×GC 層析圖 ...................................... 15 圖 1- 15 丁式切換器做為調節器 .............................................................................. 16 圖 1- 16 雙管柱平行分離系統示意圖 ...................................................................... 17 圖 1- 17 雙管柱平行分離系統層析圖 ...................................................................... 17 圖 1- 18 雙管柱平行分離連接雙偵測器裝置示意圖與層析圖 .............................. 18 圖 1- 19 GC×GCs 裝置示意圖 ................................................................................... 18 圖 1- 20 晶片型 GC×GCs 裝置示意圖 ..................................................................... 19 圖 1- 21 多管柱微層析晶片結合單管柱微層析晶片組成 GC×GCs ...................... 20 圖 1- 22 第一代微機電整合微小化氣相層析儀裝置示意圖 .................................. 21 圖 1- 23 微型溫度調節器與微層析晶片的結合裝置示意圖 .................................. 22 ix.

(11) 圖 1- 24 二維氣相層析圖數值轉換過程 .................................................................. 23 圖 1- 25 二維氣相層析還原訊號與原始訊號比較圖 .............................................. 25 圖 2- 1 單管柱微層析晶片 ........................................................................................ 31 圖 2- 2 單管柱微層析晶片實體照片 ........................................................................ 32 圖 2- 3 單管柱微層析晶片連接毛細管示意圖 ........................................................ 32 圖 2- 4 單管柱微層析晶片連接毛細管實際照片圖 ................................................ 33 圖 2- 5 單管柱微層析晶片清洗及塗佈靜相材 ........................................................ 33 圖 2- 6 多管柱平行分離微層析晶片示意圖 ............................................................ 34 圖 2- 7 多管柱平行分離微層析晶片實體照片圖 .................................................... 35 圖 2- 8 多管柱平行分離微層析晶片設計圖 ............................................................ 35 圖 2- 9 多管柱平行分離微層析晶片照片圖 ............................................................ 35 圖 2- 10 多管柱平行分離微層析晶片連接毛細管示意圖 ...................................... 36 圖 2- 11 多管柱平行分離微層析晶片連接毛細管實際圖 ...................................... 36 圖 2- 12 多管柱平行分離氣相微層析晶片塗佈裝置示意圖 .................................. 37 圖 2- 13 碳分子篩微層析晶片設計圖 ...................................................................... 39 圖 2- 14 碳分子篩微層析晶片實體照片 .................................................................. 39 圖 2- 15 單獨微層析晶片溫控模組圖 ...................................................................... 41 圖 2- 16 溫度對微層析晶片樣品出峰的影響之測試系統架設圖 .......................... 42 圖 2- 17 溫控電路示意圖 .......................................................................................... 42 圖 2- 18 微層析晶片測試之人機介面 ...................................................................... 44 圖 2- 19 微層析晶片測試之程式方塊圖 .................................................................. 44 圖 2- 20 六向閥模組內部程式方塊圖 ...................................................................... 45 圖 2- 21 幫浦模組內部程式方塊圖 .......................................................................... 46 圖 2- 22 存檔模組 1 的內部程式方塊圖 .................................................................. 47 圖 2- 23 溫控模組 1 部分內部程式方塊圖 .............................................................. 48 x.

(12) 圖 2- 24 溫控模組 1 程式邏輯流程圖 ...................................................................... 48 圖 2- 25 時間模組程式方塊圖 .................................................................................. 49 圖 2- 26 本研究系統核心架構示意圖 ...................................................................... 51 圖 2- 27 本研究系統在 GC 烘箱內的實際圖 ........................................................... 51 圖 2- 28 三晶片-多維度層析控制程式之人機介面圖 ............................................. 52 圖 2- 29 三晶片-多維度層析控制程式之程式方塊圖 ............................................. 53 圖 2- 30 四向閥模組內部程式方塊圖 ...................................................................... 54 圖 2- 31 三向閥模組內部程式方塊圖 ...................................................................... 55 圖 2- 32 三向閥模組部分內部程式方塊圖 .............................................................. 56 圖 2- 33 存檔模組 2 內部程式方塊圖 ...................................................................... 57 圖 2- 34 為 3D 轉圖程式之人機介面圖 ................................................................... 58 圖 2- 35 3D 轉圖程式之程式方塊圖 ......................................................................... 59 圖 2- 36 LabVIEW 3D 繪圖元件使用條件示意圖 .................................................... 59 圖 2- 37 基線飄移現象圖 ........................................................................................... 60 圖 2- 38 基線拉平結果圖 ........................................................................................... 61 圖 3- 1 最低溫度的測試 ............................................................................................ 62 圖 3- 2 升溫速度測試 ................................................................................................ 64 圖 3- 3 最高溫度的測試 ............................................................................................ 64 圖 3- 4 可控制的最快降溫速度測試 ........................................................................ 65 圖 3- 5 不同初溫的影響 ............................................................................................ 67 圖 3- 6 不同初溫維持時間的影響 ............................................................................ 68 圖 3- 7 不同升溫速度的影響;不同升溫速度所得的五種層析圖疊圖 ................... 69 圖 3- 8 不同末溫的影響;不同末溫所得的五種層析圖疊圖 ................................... 70 圖 3- 9 兩種微層析晶片的放置方式示意圖 ............................................................ 71 圖 3- 10 兩種微層析晶片放置方式的層析圖疊圖 .................................................. 72 xi.

(13) 圖 3- 11 四種接閥方式與氣流方向示意圖 .............................................................. 73 圖 3- 12 不同接閥方式所得的層析圖疊圖 .............................................................. 74 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 ................ 75 圖 3- 14 平行分離二維層析系統進行初步測試結果 .............................................. 76 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 ...................... 77 圖 3- 16 通過閥體 NO 端進樣於平行分離二維層析系統的層析圖 ...................... 78 圖 3- 17 實驗程序示意圖 .......................................................................................... 79 圖 3- 18 二維層析等值圖(DB-1×OV210)................................................................. 80 圖 3- 19 三種 wait time 參數之二維層析等值圖 ..................................................... 81 圖 3- 20 三種 inject to 2nd-column time 的二維層析等值圖 .................................... 82 圖 3- 21 三種不同燈光溫度設定下的二維層析圖 .................................................. 84 圖 3- 22 2nd-column 使用恆溫與溫度梯度的比較 .................................................... 86 圖 3- 23 2nd-column 的三種不同溫度範圍的二維層析圖 ........................................ 87 圖 3- 24 1st-column 的三種不同溫度溫度控制的二維層析等值圖 ......................... 88 圖 3- 25 不同溫度控制程序的連結之二維層析等值圖 .......................................... 90 圖 3- 26 27 種混合氣體結果圖 .................................................................................. 92 圖 3- 27 欲增加新待測氣體的過程圖(33 種)........................................................... 93 圖 3- 28 欲增加新待測氣體的結果圖(33 種)........................................................... 95 圖 3- 29 不同的 2nd-column 溫度和原始訊號的疊圖比較 ...................................... 95 圖 3- 30 欲增加新待測氣體的過程圖(38 種)........................................................... 96 圖 3- 31 初步調整的結果圖 ...................................................................................... 98 圖 3- 32 最佳條件結果圖 .......................................................................................... 99 圖 3- 33 不同靜相組合的二維層析等值圖 ............................................................ 101 圖 3- 34 測試最重待測氣體的極限結果圖 ............................................................ 103 圖 3- 35 碳分子篩實驗示意圖 ................................................................................ 104 xii.

(14) 圖 3- 36 溫度梯度與層析訊號疊圖 ........................................................................ 104 圖 3- 37 整合三晶片系統裝置示意圖 .................................................................... 105 圖 3- 38 四向閥切閥時機測試結果疊圖 ................................................................ 106 圖 3- 39 沒有切閥與使用最佳切閥條件的層析圖疊圖 ......................................... 107 圖 3- 40 在四向閥最佳切閥條件下的三種靜相二維層析結果圖 ........................ 109 圖 3- 41 使用四向閥切閥條件的 CMS-column 結果圖 ........................................ 111. xiii.

(15) 第一章緒論 1-1 前言由西元 1903 發展至今，氣相層析儀已有一百多年的歷史，就一部氣相層析儀而言，基本上可分為四大部份，分別為注入系統(injector)、分離管柱(column)、偵測器(detector)和記錄器(recorder)。其主要原理，為利用不同有機氣體在靜相與動相之間的不同分配差異來進行氣體的分離。為了提升儀器的性能，這一百年多來，各部分元件不斷地被創新改良，例如進樣方法的自動化，填充式管柱變為高效能薄膜式毛細管柱，偵測器除了傳統的火焰離子偵測器(FID)、熱傳導偵測器 (TCD)，也有利用奈米材料開發而成的各種新型偵測器。而由於氣相層析儀體積龐大，不方便攜帶至具有汙染氣體的環境進行檢測，因此，各研發團隊也開始嘗試將各部份元件微小化，並藉由微機電系統 (Micro 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]。氣相層析儀的分離效果取決於層析管柱，其靜相材料、長度、膜厚皆會影響實驗的分離效果，管柱的長度越長其分離效果越好，但傳統的玻璃毛細管體積過於龐大，在提升長度以提升分離效果的同時，必須依賴體積龐大的烘箱(Oven) 對毛細管控溫。而透過微機電系統的技術製作微層析晶片，雖然分離管柱長度與傳統毛細管不可比擬，但利用致冷晶片即可有效控溫，不需使用龐大的烘箱，進而取代傳統毛細管，達到微小化目的。. 1-2 微層析晶片微層析晶片的起源，西元 1979 年，S. C. Terry 等人[2]使用溼蝕刻方式在矽基板上蝕刻氣體流道，但當時僅能製作出四角型流道，使得在塗佈靜相時，角落易有靜相沉積而導致膜厚不均，1997 年 R. J. Tjerkstra 與其團隊[3]在矽基板上使用 1.

(16) 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。. 2.

(17) 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 3.

(18) 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。. 4.

(19) 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]， 5.

(20) 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] 6.

(21) 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，峰容量的提升為相乘的概念，因此，就峰容量觀點而言，廣泛式二維氣相層析的高峰容量是傳統二維層析所望塵莫及，尤其在面對數千種複雜的分析物，廣泛式二維氣相層析(GC×GC)就顯得更為重要。. 1-4 廣泛式二維氣相層析(GC×GC)技術 1-4-1 正交性廣泛式二維氣相層析有一特性，當樣品經過 GC×GC 分析後，層析峰會以正交(orthogonal) [16]效果呈現於等值圖，而正交性指的是在 GC×GC 中，一維管柱與二維管柱兩分離過程可視為獨立作用，在分析物由一維管柱末端至調節器，經過調節後進入第二維管柱進行再次分離的過程中，此調節器除了擔任第二維管柱的進樣器外，也是避免兩管柱互相干擾的隔離裝置，使前後分析過程獨立，而兩分離管柱使用的静相差異，並不會影響正交性的存在，只會影響層析峰在等值圖上正交的排列呈現。改變正交的排列因素來自於一維與二維管柱的搭配、升溫程式的改變以及兩管柱之間載流氣體的差異，只要改變以上變因，即可觀察正交性的表現，亦可視為一種對 GC×GC 的診斷，其中升溫程式對於觀察正交效果的表現最為明顯，如圖 1- 7。. 7.

(22) 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 8.

(23) 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。. 9.

(24) 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. 10.

(25) 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 11.

(26) 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。. 12.

(27) 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 13.

(28) 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 14.

(29) 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。. 15.

(30) 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後，導入至相同的偵測器，圖 1- 17 (c)相當於圖 1- 17 (a)與圖 1- 17 (b)的訊號峰疊加所產生的圖，而平行分離的價值除了管柱選擇性不同造成滯留時間不同，若已知某流析物的滯留時間與訊號峰面積大小，將混合物訊號峰面積扣除已知流析物訊號峰的面積，可得到其他流析物的資訊，以藉此提升定性效果；2007 年 C. Q. Hu 與其研究團隊[27]利用雙管柱平行分離系統，利用兩個偵測器進行偵測，量測 52 種有機溶劑並建立資料庫，作為定性分析的依據，如圖 1- 18，低複雜度混合 16.

(31) 物可利用平行分離系統分析，但當複雜度提高就需使用廣泛式二維氣相層析 (GC×GC)技術。. 圖 1- 16 雙管柱平行分離系統示意圖[26]. 圖 1- 17 雙管柱平行分離系統層析圖[26]. 17.

(32) 圖 1- 18 雙管柱平行分離連接雙偵測器裝置示意圖與層析圖[27] 1-4-5 平行分離應用於廣泛式二維氣相層析(GC×GC) 2012 年 X. Fang 與其研究團隊[28]將平行分離系統以及廣泛式二維氣相層析 (GC×GC)做結合，先偵測通過第一維管柱分離的流析物後，再由調節器進樣於第二維管柱進行平行分離，此系統成功在 11 分鐘內分離出 20 種有機氣體，其裝置示意圖如圖 1- 19。. 圖 1- 19 GC×GCs 裝置示意圖[28] 2013 年 X. Fang 與其研究團隊[29]將管柱流道蝕刻在晶片內製作單管柱微層析晶片，將一個單管柱微層析晶片作為第一維分離管柱，先偵測通過第一維管柱分離的流析物後，再由調節器進樣於第二維管柱進行平行分離，裝置如圖 1- 20， 18.

(33) 此系統成功在二維層析等值圖中，分離 31 種有機揮發氣體，並達到微小化氣相層析系統的目的。. 圖 1- 20 晶片型 GC×GCs 裝置示意圖[29] 2013 年 C. J. Lu 與其團隊[30]藉由微機電製程技術製作多管柱微層析晶片，在一個晶片內蝕刻出三個獨立的流道，可在流道塗佈不同靜相以達平行分離且裝置更加微小化的雙重作用。利用 Stop-flow 的氣體閥調節方法，將單管柱微層析晶片結合多管柱微層析晶片組合成 GC×GCs 系統裝置，此裝置示意圖如圖 1- 21。. 19.

(34) 圖 1- 21 多管柱微層析晶片結合單管柱微層析晶片組成 μGC×μGCs[30]. 1-5 微小化氣相層析儀 2003 年，E. T. Zellers 與其研究團隊[31]將微型氣相層析儀的各個元件整合，在分離管柱方面串連兩種不同靜相材料的毛細管進行分析，可在 10 分鐘內達到有效分離。2005 年 C. J. Lu 與 E. T. Zellers[1]以微機電技術製造出的微層析晶片作為氣相層析儀的分離管柱，並成功分離 11 種有機氣體混合物，實驗裝置示意圖如圖 1- 22。. 20.

(35) 圖 1- 22 第一代微機電整合微小化氣相層析儀裝置示意圖[1] 2011 年 E. T. Zellers 教授與其團隊[32]利用微機電技術製作微型溫度調節器 (microfabricated thermal modulator)，並與微層析晶片作結合，將調節器進行了微小化，此外，此調節器升溫速率可達 2800°C/sec，對於 C6～C10 化合物的分離效果有不錯的表現。其裝置示意圖如圖 1- 23。. 21.

(36) 圖 1- 23 微型溫度調節器與微層析晶片的結合裝置示意圖[32] 至 2012 年 E. T. Zellers 教授與其團隊[33]仍精進開發微小化氣相層析儀，並成功將微小化氣相層析儀應用於現場揮發性有機氣體分析。. 22.

(37) 1-6 廣泛式二維式氣相層析圖(GC×GC) 廣泛式二維式氣相層析圖，就是將許多一維層析圖並排所組合而成的，如圖 1- 24[17]，原本的一維層析圖是一個普通的訊號峰，然而裡面含有三種不同的化合物，沒有辦法藉由單一管柱進行分離，因此使用廣泛式二維式氣相層析儀來進行分析，偵測器連接在二維管柱的後方，得到經調節後的一維層析圖；這樣的層析圖不易觀察，因為滯留時間同時包含一維以及二維管柱的貢獻；因此轉換成二維式的層析圖，多出來的座標軸為二維管柱的滯留時間，每一個切換週期都是新的一張層析圖，並排之後就得到二維層析圖的結果，這樣的層析圖可以用 3D 立體的方式觀看，也可以將訊號強度轉換成顏色，成為一張平面的二維層析等值圖。. 圖 1- 24 二維氣相層析圖數值轉換過程[17] 像這樣的廣泛式二維式氣相層析圖，存在一些定量[34]以及定性[35]上的問題。定量上的問題是，二維式氣相層析儀不像傳統的氣相層析儀，一維氣相層析儀呈 23.

(38) 現的層析圖是簡單且直接的，訊號峰的面積和樣品的量有一定的關係；二維式氣相層析儀的層析圖是經過調節器冷凝壓縮過的子訊號峰，因此調節器的參數會影響層析圖，造成在定量上的處理變的不直接，需要對數據做特別的處理才能得到較準確的結果。定性上的問題則更加嚴重，同樣是調節器參數所造成，當參數不同時，會造成子訊號峰滯留時間不同，而且每一次的調節都將得到一組不同的參數。因此，真實混合樣品進入到二維式氣相層析儀時，數據的處理多而繁雜，各研究團隊開始嘗試用統計及數據處理的方式來還原二維氣相層析圖成一維式層析圖。2003 年 L. L. Xie 與其研究團隊[36]以冷卻式調節器做為基礎，並且利用 GRAM(generalized rank annihilation method) 將子訊號峰還原成原始母訊號峰，再根據還原出來的數值比較打入的樣品含量；結果在定量上的誤差範圍在 2% ~ 26 %之間，平均的誤差在 5%以下；2005 年，G. Xu 與其研究團隊[37]處理的重疊的訊號峰，藉由統計出的參數推測出一維管柱的正確滯留時間，並且對還原出的母訊號峰進行定量比較； 2006 年， W. Khummueng 與其研究團隊 [38] 提出了 modulation ratio(MR) 的概念，其理論建立在一維層析圖的訊號符合高斯分佈函數的情況下： 𝐶(𝑡) =. 𝐴. e. −(𝑡−𝑡𝑅 )2 ( ) 2𝜎2. √2𝜋𝜎 2 4σ ωb ωh × 1.6985 𝑀R = = = 𝑃M 𝑃M 𝑃M. 1-1 1-2. 假設訊號峰是一個符合高斯訊號曲線的結果，如式 1-1，其中 σ 是高斯分佈方程式的參數；式 1-2 是作者提出調節週期的計算式，式中 PM 是調節週期 (modulation period)。從公式中可以看到，MR 的數值越大，代表這一個母訊號被調節器切成比較多的子訊號，反之數值越小代表得到的子訊號峰數目越少。引進此參數目的是為了減少因調節過程而產生的參數，使得二維式氣相層析圖的處理變得容易。2009 年，P. J. Marriott 與其團隊[35]運用簡單的數學轉換式，結合先前 MR 的研究，用子訊號峰的面積值還原出母訊號峰，如圖 1- 25，在滯留時間的推 24.

(39) 算上的相對標準偏差值僅 0.02%，定量上雖失去少許精確度，但是準確度提高；不過非對稱的母訊號峰，就無法使用此方法進行還原的動作，因為還原的數學計算式是來自於對母訊號峰是高斯訊號的假設。. 圖 1- 25 二維氣相層析還原訊號與原始訊號比較圖 (a)經調節後的子訊號峰 (b) 還原後的母訊號峰[35]. 1-7 研究動機真實環境中的氣體分析樣品，往往包含複雜的化學組成，其中小分子可以如 CO2, CH4 等大氣背景物質，也可能存在如 toluene、naphthalene 等人造化學品使用所逸散之 VOCs，為了挑戰建立一套可以廣泛應用的微小化分析儀器，本研究的構想為將待測氣體分成兩組，當混合氣體樣品注入時，先經管柱長 3 m 的 DB-1 單管柱微層析晶片(晶片大小為 3 cm×3 cm)，目前已知碳數在 5 以下的氣體(小於 pentane)，幾乎不滯留，因此會形成層析圖前端一群無法分離的樣品帶，此時四向閥將這群小分子氣體切換至管柱長 1 m 的碳分子篩單管柱微層析晶片(晶片大小為 2 cm×2 cm)，待小分子氣體都進入碳分子篩單管柱微層析晶片後，四向閥再立即切換將 petane 及之後滯留時間的氣體轉向多管柱平行分離晶片(晶片大小為 3cm ×3 cm)，並利用調節閥進行 Stop-flow 的調節，使 DB-1 單管柱微層析晶片與 25.

(40) 平行分離晶片構成 μGC×μGCs 系統，意即將廣泛式二維氣相層析結合三管柱平行分離，以期達到分離複雜混合物之目的，在此設計下，第一維度的 3 m DB-1 晶片不需負擔完全分離複雜樣品的工作，只需大致先將混合物依其沸點高低分離，在同一時間點只讓 3~4 個化合物注入第二維的三管柱平行晶片，利用三管柱中不同靜相的滯留時間差，藉此增加定性分析的準確度。. 26.

(41) 第二章實驗部份 2-1 實驗藥品、材料與儀器設備 2-1-1 實驗藥品、材料 methane. Supelco. ethylene. Supelco. ethane. Supelco. methanol. ACROS. propane. Supelco. ethanol. ACROS. methyl formate. ACROS. butene. Supelco. butane. Supelco. pentane. TEDIA. diethyl ether. ACROS. 1-propanol. ACROS. iso-hexane. ACROS. 2-butanone. Riedel-de Haën. hexane. TEDIA. THF. ACROS. cyclohexane. J. T. Baker. benzene. ACROS. butanol. ACROS. iso-octane. Merck. trichloroethylene. J. T. Baker 27.

(42) 1,4-dioxane. Scharlau. heptane. ACROS. propyl acetate. Alfa Aesar. methyl isobutyl ketone. Fluka. chloropentane. ACROS. toluene. Mallinckrodt Chemicals. isobutyl acetate. ACROS. cyclopentanone. ACROS. 1,3-dimethylcyclohexane. ACROS. hexan-2-one. ACROS. octane. Fluka. butyl acetate. SeedChem. 1-bromopentane. ACROS. chlorobenzene. ACROS. ethylbenzene. Alfa Aesar. 2-heptanone. Alfa Aesar. dibutyl ether. ACROS. anisole. ACROS. nonane. ACROS. cyclooctane. ACROS. bromobenzene. ACROS. propylbenzene. ACROS. bromohexane. ACROS. mesitylene. Janssen. 2-octanone. Alfa Aesar 28.

(43) decane. Fluka. dodecane. ACROS. tridecane. ACROS. Polydimethylsiloxane(DB-1). Sigma. 去離子水 (deionized water，18.2 MΩ). Millipore Bedford. acetone. ACROS. (50%Trifluoropropyl)-methylpolysiloxane(OV-210). 新丹公司代理. 25% Phenyl - 25%cyanopropylmethylsilicone(OV-225). 新丹公司代理. 75% Phenyl - 25% methylpolysiloxane(OV-25). 新丹公司代理. Hamilton 10 mL 氣體注射針，. 宏濬儀器代理. Hamilton 100 μL 氣體注射針，. 宏濬儀器代理. Hamilton 10 μL 氣體注射針. 宏濬儀器代理. Hamilton 10 μL 液體注射針. 宏濬儀器代理. ChromTech 10 μL 注射針. 宏濬儀器代理. Hapdong 100 mL 氣體注射針. 宏濬儀器代理. 5 μL Sample loop. 宏濬儀器代理. 3 cm × 3 cm 致冷晶片. 天地能源暨溫控器材行. K type 0.127 mm 熱電偶線. 宏軒科技代理. SKC 一公升氣體採樣袋. 宸昶企業代理. SKC 三公升氣體採樣袋. 宸昶企業代理. 1/8”鐵氟龍管. 思必可有限公司. 1/4”鐵氟龍管. 思必可有限公司. 內徑 0.1 mm 去活性非極性毛細管. Polymicro Technologies. 內徑 0.25 mm 去活性非極性毛細管. Supelco. 30 m/ 0.53 mm/ 1.5 μm Rtx-1 層析管柱. Restek 29.

(44) 玻璃連接管. Supelco. Y 型玻璃連接管. Supelco. 環氧樹脂. 3M. 2-1-2 儀器設備 1. 資料擷取卡 (USB-6211)：美商慧碁代理；做為擷取 FID 訊號、讀取熱電耦線感應之溫度、控制六向閥、四向閥、三向閥、電晶體、以及繼電器的運作。 2. 薄膜式氣體幫浦 (NMP015S)：台灣凱恩孚有限公司；用於抽取採樣袋內有機氣體進入樣品環以固定進樣體積。 3. 氣相層析儀與火焰離子偵測器 (GC-FID, HP-5890)：安捷倫科技；控制烘箱溫度及溫度梯度、偵測晶片分離出的有機氣體化合物。 4. 六向閥 (E2C6UWT-110)：宏濬儀器有限公司代理；配合氣體幫浦及樣品環控制樣品採集，以及控制流道方向變換。 5. 三向閥 (LHDA0531415H)：The LEE Company；控制樣品及氣流方向，或當作行止閥使用，阻絕氣體行進。 6. 電子式壓力計 (Lutron PM-9100)：聯勝儀器有限公司；用來測量晶片兩端壓力差，或量測系統內某兩處壓力差。 7. 電子式氣體流量計：Varian analytical instrument；以數位方式顯示氣體流量，用來確認晶片各端出口的氣流值。 8. 乾式流量計 (Model DC-2)：Tokyo Shinagawa；以指針指示通過的氣體流量，用來固定標準品的氣體體積。 9. LabVIEW 2010：撰寫程式用於程式控制與數據處理。 10. Sample Loop:用來控制待測樣品的注射體積。 11. 電子式蠕動幫浦 (FIRSTEK P200)：推動或抽取氣流以帶動清洗液及靜相溶液進行微層析晶片的塗佈。 12. 電源供應器 (NET-50B) Mean Well：提供電壓使繼電器與致冷片運作。 30.

(45) 13. 電子天平 (Sartorius TE214S) 力明儀器：配製塗佈溶液時，測量所取的塗佈物重量，確保實驗參數固定。 14. 移液管 (Eppendorf 255237) 尚上儀器：配製塗佈物溶液時，固定所取的溶劑體積，確保實驗參數固定。 15. 超音波震盪器 (Delta D150H)：震盪溶液使溶劑與溶質均勻混合。 16. 空氣壓縮機：提供氣壓使氣動閥轉動。 17. Solvent rinse kit (Supelco):將塗佈溶液放入此裝置內，經由載流氣體推送將微量溶液送至微層析晶片進行塗佈。 18. 管狀高溫爐：鈞傑科技有限公司。用來燒製自製碳材，含有八段控溫程式，最高可升溫至 1200°C。. 2-2 單管柱微層析晶片之製作(1st-column，3 m，DB-1) 單管柱微層析晶片設計圖如圖 2- 1，實體照片如圖 2- 2。單管柱微層析晶片大小為 3 cm×3 cm，流道總長度約 3.31 m，流道寬度約 120 μm、深度約 200 μm、壁寬約 80 μm、邊長約 1.5 mm；外接毛細管的區域，流道寬度和深度約 200 μm，長度約 3 mm。. 圖 2- 1 單管柱微層析晶片[39] 31.

(46) 圖 2- 2 單管柱微層析晶片實體照片[39] 2-2-1 單管柱微層析晶片(1st-column，3 m，DB-1)前處理取兩段長度約 1.5 cm、內徑 0.1 mm 的去活性非極性(deactivated non-polar) 毛細管與微層析晶片兩端連接，連接處使用環氧樹脂密封；再取兩段長度約 3.5 cm、內徑 0.25 mm 的去活性非極性毛細管，套在內徑 0.1 mm 的毛細管上，重疊部分約 0.5 cm，示意圖如圖 2- 3、實體照片如圖 2- 4。. 圖 2- 3 單管柱微層析晶片連接毛細管示意圖[39]. 32.

(47) 圖 2- 4 單管柱微層析晶片連接毛細管實際照片圖毛細管連接完成後，架設清洗裝置如圖 2- 5，將去離子水放入 Solvent rinse kit 內，利用氮氣為載流氣體將去離子水送至微層析晶片內部清洗，清洗一分鐘後將去離子水更換為丙酮再清洗一分鐘，完成一組循環，共進行三次循環，最後利用氮氣將微層析晶片吹乾，完成晶片清洗。. 圖 2- 5 單管柱微層析晶片清洗及塗佈靜相材[40] 33.

(48) 2-2-2 單管柱微層析晶片之靜相塗佈(1st-column，3 m，DB-1) 取高分子聚合物 polydimethylsiloxane (DB-1) 1.0 g 溶於 10.0 mL 的正戊烷，攪拌 15 分鐘使其均勻混合；取適量混合溶液置於圖 2- 5 Solvent rinse kit 內，利用 30 Psi 的氮氣為載流氣體，靜置一段時間使內部壓力達平衡狀態，將 Solvent rinse kit 內液面上方毛細管，迅速插入液面再迅速抽離，僅取微量溶液進入微層析晶片塗佈，待溶液離開微層析晶片後，利用 HP-5890 的烘箱烘烤，以 1.0 mL/min 的氮氣為載流氣體，溫度梯度設定為起始溫度 40°C 且持溫 10 分鐘、升溫速率為 1.4°C/min、結束溫度 200°C 且維持 45 分鐘，烘乾完成即為單管柱微層析晶片(1st-column，3 m，DB-1)。. 2-3 多管柱平行分離微層析晶片之製作(2nd-column) 多管柱平行分離微層析晶片設計圖如圖 2- 6，實體照片如圖 2- 7。實體照片如圖 2- 7、入口處與出口的設計如圖 2- 8、利用光學顯微鏡拍攝實體照片如圖 29，內徑 0.1 mm 的毛細管外徑小於入口寬度，若封裝時不慎使之進入一對三入口交會處，待測氣體將無法順利進入三獨立流道內，蝕刻限制夾可避免此問題，如圖 2- 8 黃色虛線所示。晶片大小為 3 cm×3 cm，三個流道平均總長度約 1 m，三獨立流道總長度有±5 cm 的差異，流道寬度 120 μm、壁寬 130 μm、邊長 2 mm，外接毛細管區域，流道寬度 380 μm、長度約 3 mm，深度皆為 210 μm。. 圖 2- 6 多管柱平行分離微層析晶片示意圖 34.

(49) 圖 2- 7 多管柱平行分離微層析晶片實體照片圖. 圖 2- 8 多管柱平行分離微層析晶片設計圖(a)入口處(b)出口處. 圖 2- 9 多管柱平行分離微層析晶片照片圖(a)入口處(b)其中一出口處之照片. 35.

(50) 2-3-1 多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)之前處理取四段長 2.0 cm、內徑 0.1 mm 的去活性非極性(deactivated non-polar)毛細管與微層析晶片連接，連接處利用環氧樹脂密封；再取四段長 2.0 cm、內徑 0.25 mm 的去活性非極性毛細管，套在內徑 0.1 mm 的毛細管上，重疊部分約 0.5 cm。在清洗與塗佈微層析晶片完成之前，僅在流道出口處，連接毛細管，待塗佈完成再將入口處連接毛細管，此方法將使塗佈溶液不逆流至其它流道，連接完成的微層析晶片示意圖如圖 2- 10、實際照片如圖 2- 11。. 圖 2- 10 多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)連接毛細管示意圖. 圖 2- 11 多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)連接毛細管實際圖 36.

(51) 2-3-2 多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)之靜相材料塗佈多管柱平行分離氣相微層析晶片內有三個平行且獨立的流道，分別塗佈 OV-210、OV-225、OV-25 三種不同選擇性的靜相材料。三個流道在入口處會產生交會點，為了避免塗佈溶液不慎進入其他流道，導致靜相材料有互相混合情形發生，塗佈裝置如圖 2- 12。. 圖 2- 12 多管柱平行分離氣相微層析晶片塗佈裝置示意圖取高分子聚合物 OV-210、OV-225、OV-25 各 1.0 g，並依照 1:10 的比例分別溶於 10 mL 的丙酮中，攪拌使其均勻混合後，即完成取塗佈溶液的配製。多管柱平行分離氣相微層析晶片以動態塗佈進行，塗佈前需利用丙酮溶劑進行試塗，確認塗佈溶液不會進入其他流道，根據塗佈裝置示意圖，入口處提供約 30 Psi 的氮氣為載流氣體，經過兩個 TEE Union 可得三道獨立氣流，在 1/8 in.Swagelok 中間放置墊片，使 1/8 in. Teflon tube 與毛細管互相連接，且無漏氣疑慮，在欲塗 37.

(52) 佈的流道，將 Solvent rinse kit 置於 1/8 in.Swagelok 與 Capillary Union 之間，無需塗佈的流道利用毛細管連接，圖 2- 12 虛線部分，表示可改變毛細管長度使阻抗值改變，藉此方式調整三個流道的流速。首先量測進入 Capillary Union 裝置前的流速，圖 2- 12 晶片周圍有標示數字，編號 1 號表示多管柱微層析晶片的入口，以逆時針編號，2、3、4 號分別為三個獨立流道的出口，若對 4 號流道塗佈 OV-210， 4 號流道流速需為 2、3 號的四分之一，將少量丙酮放入 Solvent rinse kit 試塗，架設顯微鏡觀察入口交會處，塗佈時溶液是否會逆流至其它流道，特別注意當氮氣開啟後，需給其一段時間使壓力達平衡，才能使溶液不逆流至其它流道，試塗時迅速將毛細管插入液面並迅速拉起，取微量溶液進入微層析晶片，若不逆流至其他流道，則更換溶液塗佈，並取微量塗佈溶液進入微層析晶片，待溶液離開微層析晶片後即完成塗佈，其它流道利用相同方法塗佈，待三個流道完成塗佈後，入口處利用環氧樹脂將毛細管與晶片連接且密封，以高溫烘烤使高分子膜定形，烘烤過程在 HP-5890 的烘箱進行，並且在晶片的入口處通入氮氣，三個流道出口處得到約 1.0 mL/min，另設定溫度梯度為起始溫度 40°C 且持溫 10 分鐘、升溫速率為 1.4°C/min、結束溫度 200°C 且持溫 45 分鐘，烘乾完成即為多管柱平行分離微層析晶片(2nd-column)。. 2-4 碳分子篩微層析晶片(CMS-column)之製作碳分子篩微層析晶片設計圖如圖 2- 13，實體照片如圖 2- 14。晶片大小為 2 cm×2 cm，碳分子篩微層析晶片流道總長度約 1 m，流道寬度約 100 μm、深度約 210 μm、壁寬約 100 μm；外接毛細管的區域，流道寬度約 320 μm、深度約 210 μm，長度約 3 mm，如圖 2- 13(b)。. 38.

(53) 圖 2- 13 碳分子篩微層析晶片(CMS-column)設計圖 (a)流道整體 (b)為(a)中白色虛框區域. 圖 2- 14 碳分子篩微層析晶片(CMS-column)實體照片 2-4-1 碳分子篩微層析晶片(CMS-column)之碳膜塗佈碳分子篩微層析晶片前處理如同 2-2-1 所敘述，而所要塗佈的材料為 Saran。 Saran 為一種高分子聚合物，是 vinyldiene chloride 和 vinyl chloride 之聚合物混合而成。1933 年被 Dow Chemical 公司偶然發現，已被用於一些商業和工業產品。 39.

(54) 當形成為薄的塑料薄膜，與其他塑料相比，主要優點是對水、氧、和氨有很小的滲透性。此氧氣阻隔延緩食品腐敗變質，而薄膜屏障的味道和香氣分子有助於食品保持其的味道和香氣。取高分子聚合物 Saran 0.3 g 溶於 20 mL 的 Tetrahydrofuran，將混合溶液加熱至 70 ~ 80°C，並攪拌 15 分鐘使其均勻混合，即完成碳分子篩塗佈溶液，接著取適量混合溶液於圖 2- 5 Solvent rinse kit 內，利用 30 Psi 的氮氣為載流氣體，靜置一段時間使內部壓力達平衡狀態，將 Solvent rinse kit 內液面上方毛細管，迅速插入液面再迅速抽離，僅取微量溶液進入微層析晶片塗佈，待溶液離開微層析晶片後，將微層析晶片放入管狀高溫爐中，通入高純度氮氣以流速 60 mL/min 通 30 分鐘後，在以每分鐘 10°C 的升溫速率，升溫到 700°C，恆溫 7 hr 燒結此材料，待高溫爐設定的溫度程序結束後，等其自然冷降至室溫，再從高溫爐中取出微層析晶片，即完成碳分子篩微層析晶片(CMS-column)。. 2-5 溫度對氣相微層析晶片樣品出峰的影響之測試系統 2-5-1 單獨微層析晶片溫控模組微層析晶片控溫方式為致冷晶片控溫，將微層析晶片的矽面接觸致冷晶片上方，並將熱電耦線至於兩者之間偵測溫度，用散熱膏將上述三者結合，一方面使溫度均勻，另一方面也可固定微層析晶片於致冷晶片上；致冷晶片的下方則是和 CPU 散熱模組的散熱片接觸，其間一樣是塗抹散熱膏幫助導熱、固定。模組的示意圖及實體照片分別為圖 2- 15(a)、圖 2- 15(b)。. 40.

(55) 圖 2- 15 單獨微層析晶片溫控模組圖 (a)示意圖 (b)實際照片 2-5-2 整體硬體架構本實驗測試系統如圖 2- 16，將圖 2- 15 的單獨微層析晶片溫控模組置入 GC 的烘箱內，並接上 non-polar 的 column 管來作為氣體的通道管路，載流氣體為氮氣，採自動進樣系統進樣，由薄膜式氣體幫浦、六向閥、採樣袋和樣品環 (sample loop) 組成，以抽氣幫浦抽取採樣袋中有機氣體進入樣品環，再轉動六向閥使載流氣體將樣品環內的有機氣體送至 2-5-1 所敘述的單獨微層析晶片溫控模組進行分析。偵測器使用火焰離子偵測器(FID)，偵測器溫度設定 250°C，氫氣流速 50 mL/min，空氣流速 450 mL/min，偵測到的訊號由 DAQ 6211 收集並由自行撰寫的 LabVIEW 程式處理，並顯示在電腦螢幕上，資料擷取速率為 20 點/秒。. 41.

(56) 圖 2- 16 溫度對微層析晶片樣品出峰的影響之測試系統架設圖 2-5-3 實驗溫控電路本實驗使用的溫控電路，經過多種不同設計的測試，最後使用的電路示意圖如圖 2- 17 所示:. 圖 2- 17 溫控電路示意圖 42.

(57) 此溫控電路的設計，主要是利用電晶體來進行溫控，而繼電器只需負責選擇加熱模式或是降溫模式，這樣的設計可以使繼電器工作次數大幅減少，大幅降低損壞以及製造聲響的機會。此電路加熱模式是在 NC(normal close)狀態;降溫模式則是 NO(normal open)狀態。唯一要注意的是，電晶體的 S、D 端的接法，經過多次測試後發現，電流方向一定要從 D 端流向 S 端，只有在這樣的情況下，電晶體才能發揮控制電流的作用；反之，則電晶體會被電流貫穿，不但無法控制電流，甚至本身還會發熱。G 端是控制訊號輸入的地方。在控制訊號的部分，由 DAQ 6211 發出控制訊號，在此電路設計下，只需兩個控制訊號的通道發出訊號，並經由達靈頓電流放大後，才輸入到如圖 2- 17 中控制訊號的接點，進行電子零件控制。 2-5-4 程式控制(溫控程式) 本實驗使用 LabVIEW 2010 自行撰寫符合實驗需求的程式，以此程式進行實驗控制與數據收集。實驗控制需要四個數位輸出，分別為控制六向閥的轉動、抽氣幫浦開關、升降溫模式的選擇(繼電器)和溫度控制(電晶體)。數據收集的部分，包含了 FID 訊號、整體的實驗時間和微層析晶片溫度，程式的人機介面如圖 2- 18，程式方塊如圖 2- 19。. 43.

(58) 圖 2- 18 微層析晶片測試之人機介面. 圖 2- 19 微層析晶片測試之程式方塊圖在圖 2- 18 人機介面的部分，右上方為實驗溫度即時監控圖，而正下方則為 FID 訊號，左上方為溫度參數的設定，甚至可以連續操作不同的溫度梯度。參數設定完成後，按下初溫準備的按鈕，當初溫達到所設定的溫度時，人機介面中間的初溫準備按鈕旁的燈號會亮起，代表此時可以按下 Start 按鈕開始進行實驗。當按下 Start 按鈕時，程式會自動將時間歸零，重新開始記錄時間，同時將時間、 FID 訊號以及微層析晶片的溫度自動存檔於人機介面中間上方的 Path 路徑中。 2-5-4.1 程式撰寫邏輯本溫控程式主要使用 State Machine 的撰寫架構，優點為可以很彈性地來擴充程式功能，和以往 Sequence 比較，不會因為需求功能較多的程式，程式碼就顯得零亂而不好維護，State Machine 是把程式的每一步流程拆開來寫，並利用 Case Structure 收納，程式碼顯得條理清晰。State Machine 主要是由 Loop、Shift Register、Case Structure 以及存成 Type Definition 的 Enum Contro 所組成。其中 Enum Control 是用來表示程式的狀態，最後將撰寫完成的程式碼包裝成模組。. 44.

(59) 2-5-4.2 六向閥模組此模組分別由三個狀態所構成如圖，分別為初始化、開、停止，如圖 2- 20。在初始化狀態，程式會將設定的時間導入，接著轉換到開的狀態並依照初始化狀態的設定進行控制，待設定時間到，切換到停止狀態完成任務。. 圖 2- 20 六向閥模組內部程式方塊圖 2-5-4.3 幫浦模組此模組和 2-5-3.2 六向閥模組的內部程式方塊圖幾乎一樣，差別只在控制不同的東西，實驗上的需求為，首先讓六向閥和幫浦同時工作，幫浦在工作 5 秒後停止，而六向閥則是在 10 秒後轉回。同時使用六向閥模組和幫浦模組，即可完成此需求。幫浦模組內部程式方塊如圖 2- 21。. 45.

(60) 圖 2- 21 幫浦模組內部程式方塊圖 2-5-4.4 存檔模組 1 此模組為 4 種狀態所構成，分別為初始化、延遲、存檔和停止。這裡和前面兩種模組最大不一樣的地方就是多了延遲狀態，這是為了滿足實驗需求，當六向閥和幫浦完成工作後，歷時 10 秒，此時實驗才算開始，而延遲的狀態就是為了避開儲存上述 10 秒的實驗資料，當程式滿足延遲時間後，則進入存檔狀態開始進行存檔，實驗結束則回到停止的狀態。存檔模組 1 的內部程式方塊如圖 2- 22。. 46.

(61) 圖 2- 22 存檔模組 1 的內部程式方塊圖 2-5-4.5 溫控模組 1 此模組為整個溫控程式的核心，具有多個狀態，是最為複雜的模組。圖 2- 23 為溫控模組 1 的部分內部程式方塊圖，由於程式的複雜性，細部程式邏輯將以圖 2- 24 敘述。. 47.

(62) 圖 2- 23 溫控模組 1 部分內部程式方塊圖. 圖 2- 24 溫控模組 1 程式邏輯流程圖 48.

(63) 舉例來說，初溫設定為 10°C，而這時溫度顯示為 30°C，按下初溫準備按鈕，因為此時溫度不在初溫設定±2°C 的範圍內，溫度又大於初溫設定，所以程式判定以設定的降溫速度，將溫度降至初溫設定±2°C 的範圍內，這時因為初溫設定小於 25°C，程式判定以冷停的模式維持初溫準備狀態。冷停模式是指在控溫程序上只有致冷和停止這兩種動作;反之，熱停則是指在控溫程序上只有升溫和停止這兩種動作，這樣的程式設計是為了避免使致冷晶片處於冷熱交替的狀態，以免致冷晶片快速損毀，而當按下 Start 時，因為初溫設定小於 25°C，所以程式判定進入降溫初溫準備狀態(冷停模式溫控)，接著依照初溫維持時間、升溫速度、末溫、末溫維持時間的參數設定，進行一次完整的溫度梯度，若完成一個完整的梯度，設定欄位後面還有參數，則程式又會回到選擇升降初溫準備的狀態，並自動再次進行上述的判定，完成參數所指示的溫度梯度，若欄位後面沒有參數時，程式則會自動中止。 2-5-4.6 時間模組此模組的組成為所有模組中最簡單，但其地位非常重要，而且經常使用在需要計時的程式中，其程式方塊如圖 2- 25。. 圖 2- 25 時間模組程式方塊圖. 2-6 三晶片系統整合與架設 2-6-1 硬體架構本研究系統核心架構示意圖如圖 2- 26 所示，其主要為 2-5-1 單獨微層析晶片溫控模組的延伸，因需要三種微層析晶片，所以需要組合三組微層析晶片溫控模組，而由於實驗的需要，在裝置中央放置四向閥，其間各元件的氣體通道連結， 49.

(64) 皆使用內徑 0.25 mm 的 non-polar column 管柱，接著將圖 2- 26 整個系統裝置放入 GC 的烘箱內，如圖 2- 27，可以看到圖中的鹵素燈，其功用是來加熱系統空間的溫度，使中間連結的管路以及閥體，能夠維持一定的高溫，以避免氣體在管路中冷凝，實驗過程中會在外部蓋上鋁箔紙，以保持熱不會輕易逸散。實驗所使用的載流氣體為氮氣，採手動進樣，使用 10 mL 的氣體氣密針，將欲進樣的氣體由各氣體採樣袋抽出並混合於針內，從 GC 的注射器注入，其溫度為 200°C，但在進行 3-6-14 最重待測氣體的極限的測試時，則調整為 250°C，且是使用 10 μL 的液體針進樣。偵測器使用火焰離子偵測器(FID)，偵測器溫度設定為 250°C，氫氣流速為 50 mL/min，空氣流速 450 mL/min，偵測到的訊號由 DAQ 6211 收集並由自行撰寫的 LabVIEW 程式處理，並顯示在電腦螢幕上，資料擷取速率為 20 點/秒。. 50.

(65) 圖 2- 26 本研究系統核心架構示意圖 (a)研究構想示意圖 (b)實體架構示意圖. 圖 2- 27 本研究系統在 GC 烘箱內的實際圖 (a)鹵素燈關閉 (b)鹵素燈開啟 2-6-2 程式控制此裝置操作所需的 LabVIEW 程式，是由 2-5-4 程式擴充改寫而成，實驗控制需要 8 個數位輸出，分別為控制三向閥的切換、四向閥的轉換、以及三組溫度控制模組，每個模組都需要 2 個數位輸出，分別為升降溫模式的選擇(繼電器)和 51.

(66) 溫度控制(電晶體)。數據收集的部分，包含了 FID 訊號、整體的實驗時間和 3 組微層析晶片的溫度，程式的人機介面如圖 2- 28，程式方塊如圖 2- 29。. 圖 2- 28 三晶片-多維度層析控制程式之人機介面圖 (a)控制按鈕區 (b)參數設定區. 52.

(67) 圖 2- 29 三晶片-多維度層析控制程式之程式方塊圖在圖 2- 28(a)，左半邊為按鈕區，可以用手動按鈕的方式控制三個層析晶片的溫度以及三向閥和四向閥的切換與轉動。首先先按下各個控制微層析晶片溫度的三個初溫準備按鈕，待右上方裝置示意圖中的各個初溫準備完成燈亮時，即可按下 Start 按鈕，此時程式就會依照所設定的參數，進行三晶片-多維度層析，而參數設定如圖 2- 28(b)，有 wait time、inject to 2nd-column time、四向閥的 on、off time 以及三種微層析晶片的溫控，比較特別的是 2nd-column 的溫控，和 1st-column、 CMS-column 不同的是，由於 2nd-column 在不同週期將使用到不同的溫度梯度， 2nd-column 的溫度設定是先在記事本上設定完成，再將設定好的記事本路徑拉至 pc 2 溫度設定的位置，之後程式將會依照記事本內的參數，依序執行 2nd-column 的溫控。由於此程式是 2-5-4 程式的擴充改寫，以完成更多實驗上所需的功能，新增的四個模組將在下面敘述。 2-6-2.1 四向閥模組此模組為 5 種狀態所構成，分別為初始化、延遲、Off time、On time 和停止，由於此裝置的進樣方法是使用手動的方式，所以在按下 Start 按鈕之後，必須要留有一段手動樣品注射時間，此時間為 5 秒，所以這裡使用延遲狀態來避開手動 53.