多靜相平行分離微氣相層析晶片研究

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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). 多靜相平行分離微氣相層析晶片研究. A Parallel Separation Micro Gas Chromatograph Chip with Multiple Stationary Phases. 研究生：曹湘薇 (Hsiang-Wei Tsao). 中華民國一百零二年六月.

(2) 謝誌感謝呂家榮老師的悉心指導，提供我豐富的研究資源以及良好的學習環境讓我的碩士生活充實且愉快，在此致上我最由衷的感謝與敬意。此外也特別感謝口試指導委員劉茂煌老師以及孫于芸老師在百忙中參與我的口試審查並給予我許多論文上的指教，讓我受益良多。感謝一路陪我成長的實驗室全體成員，感謝大學長、永信學長、柏勳學長、沛文學長、世琦學長給予我實驗上的指導並傳授我許多實驗上寶貴的經驗；感謝 RU、伶伶因為你們讓我在實驗沮喪時仍能保持笑容、勇敢前進，碩一聯盟永遠閃亮無比。感謝史哥在實驗上的幫忙與協助；感謝界志學弟超猛的程式架設；感謝瑋真學妹的互相加油打氣；還有 S 家開心果學弟帶來許多歡笑；感謝在這段過程中給予我幫助與鼓勵的每個人，沒有你們就無法成就今天的我。最終感謝我的家人給予我無限的支持，讓我在求學階段能無後顧之憂；感謝波醬總是在我身邊無條件支持著我，在我遇到困難挫敗時給予我溫暖以及意見。感謝永安國中給予我在職進修的機會，感謝安中幫我代課的同事們，因為有你們的幫忙才讓我能將碩士學位順利完成；要感謝的人還有很多，最末在此對所有幫助過我、鼓勵過我的每個人致上最由衷的感謝與祝福，謝謝你們。.

(3) 多靜相平行分離微氣相層析晶片研究摘要關鍵字：微層析晶片、平行分離層析、氣相層析. 本研究藉由微機電製程技術 (Micro electro mechanical system, MEMS) 製作多管柱平行分離氣相微層析晶片 (μ-column)，在微層析晶片內分別塗佈上具有不同選擇性的靜相材料：polydimethylsiloxane (DB-1)、polyethylene glycol (DB-WAX)、trifluoropropylmethylsilicone (OV-210)，利用靜相材料對揮發性氣體 (VOCs) 不同的滯留效果可同步獲得三張層析圖譜。微小化氣相層析儀中利用致冷片對微層析晶片進行控溫，本研究利用致冷片對晶片進行控溫進而達到 0 ℃ 的溫度，使管柱分離效果提升。實驗中探討流速、分流比、溫度對化合物在管柱中分離的影響，並找出實驗最佳條件，提升圖譜分離效果。在最佳條件下進行實驗可以在各管柱長僅 1 公尺的情況下分離 12 種沸點以及極性相異的化合物，並只花費 250 秒的時間。任一化合物在固定實驗參數下進行實驗，可同時獲得三張在不同靜相的層析圖譜，進而得到三組不同的滯留時間，三組滯留時間可作為其定性判斷的依據，協助進行化合物的判別。. i.

(4) A parallel separation micro gas chromatograph chip with multiple stationary phases Abstract Key word：micro-column、parallel separation、gas chromatography. We developed a novel three parallel μ-column chip using micro electro mechanical system (MEMS) process. The chip was coated with three selective stationary phases : Polydimethylsiloxane (DB-1), Polyethylene Glycol (DB-WAX) and Trifluoropropylmethylsilicone (OV-210). Taking advantage of dissimilar retentions for volatile organic compounds (VOCs) of the three stationary phases, compounds can be separated in parallel separation and three chromatograms are generated simultaneously. In this study, the thermoelectric cooler was used to control the temperature program of μ-column chips. The temperature of μ-column chips can initiate 0 ℃, which makes the compound separation improved. Therefore, the optimal condition such us flow rate, split and temperature can enhance the separation. The module can separate complex mixtures by shorter columns which total traveling lengths in column is only one meter for each eluted peak. It only takes 250 seconds to separate a mixture of 12 analyses with various volatilities and polarities were demonstrated using an adaptive GC system with a parallel column chip. Three discrete chromatograms were generated simultaneously, the researcher can get three retention time of each compound at once under constant experimental parameter. Three retention time can judge the qualitative, helping the judgment of volatile organic compounds.. ii.

(5) 目錄中文摘要…………………………………………………………………… i 英文摘要…………………………………………………………………… ii 目錄………………………………………………………………………… iii 圖目錄……………………………………………………………………… v 表目錄……………………………………………………………………… viii 第一章緒論………………………………………………………………. 1. 1-1 前言………………………………………………………………. 1. 1-2. 微層析晶片……………………………………………………… 3. 1-3. 平行分離系統…………………………………………………… 7. 1-4. 微小化氣相層析儀.…………………………………………….. 14. 第二章實驗部分………………………………………………………… 17 2-1 實驗藥品、材料與儀器設備……………………………………. 17. 2-2 多管柱平行分離氣相微層析晶片之製作………………………. 22. 2-3 多管柱平行分離氣相微層析晶片系統……………….…………. 30. 第三章結果與討論……………………………………………………… 38 3-1 微層析晶片基本測試……………………………………………. 38. 3-2 致冷片控溫系統測試…………………………………………….. 41. 3-3 多管柱平行分離氣相微層析晶片塗佈靜相材料測試………….. 44. 3-4 五種樣品氣體分離效果測試…………………………………….. 54. iii.

(6) 3-5 調整實驗參數提升分離解析度…………………………………… 57 3-6 複雜樣品分離測試………………………………………………… 65 第四章結論……………………………………………………………… 72 參考文獻…………………………………………………………………… 73. iv.

(7) 圖目錄圖 1-1 第一代濕蝕刻技術之微層析晶片之 SEM 圖……..……………… 3 圖 1-2 不同蝕刻方式造成流道形狀差異性之 SEM 圖………………….. 4 圖 1-3 利用 DRIE 製程的微層析晶片之 SEM 圖…………...…………… 5 圖 1-4 藉等向性蝕刻方式製成的微流道 SEM 圖...…………………… 6 圖 1-5 顯微鏡下觀察流道形狀…………………………………………… 6 圖 1-6 平行分離實驗裝置示意圖…………………………….…....……... 8 圖 1-7 雙管柱平行分離系統示意圖……....……………………………… 8 圖 1-8 雙管柱平行分離系統……...………………….…………………… 8 圖 1-9 雙管柱平行分離系統層析圖譜….……………………………...… 9 圖 1-10 雙管柱平行分離連接雙偵測器裝置示意圖與層析圖譜………… 9 圖 1-11 四管柱平行分離連接雙偵測器裝置示意圖……………………… 10 圖 1-12 四管柱平行分離連接雙偵測器裝置層析圖……………………… 10 圖 1-13 GC × GCs 裝置示意圖……………………………………….… 11 圖 1-14 GC × GCs 實體裝置圖……………………………………….… 12 圖 1-15 Stop flow GC × GCs 系統示意圖…………………………….… 12 圖 1-16 Stop flow GC × GCs 裝置照片圖…………………………….… 13 圖 1-17 第一代微機電整合微小化氣相層析儀裝置示意圖……………… 14 圖 1-18 Micro Thermal Modulator 調節裝置示意圖………………….… 15 圖 2-1 多管柱平行分離氣相微層析晶片設計圖………………………… 22 v.

(8) 圖 2-2 多管柱平行分離氣相微層析晶片實體照片圖…………………… 23 圖 2-3 多管柱平行分離氣相微層析晶片入口處設計圖………………… 23 圖 2-4 多管柱平行分離氣相微層析晶片入口處照片圖………………… 23 圖 2-5 多管柱平行分離氣相微層析晶片連接毛細管示意圖…………… 24 圖 2-6 多管柱平行分離氣相微層析晶片連接毛細管實際照片圖……… 25 圖 2-7 多管柱微層析晶片清洗及塗佈靜相材料之裝置………………… 26 圖 2-8 多管柱平行分離氣相微層析晶片塗佈裝置示意圖……………… 27 圖 2-9 測試系統示意圖…………………………………………………… 31 圖 2-10 多管柱平行分離氣相微層析晶片系統真實照片………………… 31 圖 2-11 微層析晶片測試實驗之人機介面………………………………… 32 圖 2-12 微層析晶片測試實驗之程式方塊圖……………………………… 33 圖 2-13 六向閥控制程式方塊圖…………………………………………… 34 圖 2-14 溫度控制之程式方塊圖…………………………………………… 35 圖 2-15 存檔路徑之程式方塊圖…………..………………………….…… 35 圖 2-16 線性計算之 LabVIEW 程式之人機介面…………..…………… 36 圖 2-17 線性計算之 LabVIEW 程式方塊圖..…………………………… 37 圖 3-1 測量微層析晶片之壓力對流速關係實驗裝置圖………………… 38 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……… 39 圖 3-3 不同升溫速率效果測試………………………………………….… 41 圖 3-4 溫度控制穩定度效果測試圖……………………………………… 43 vi.

(9) 圖 3-5 烷類層析圖………………………………………………………… 47 圖 3-6 苯環類層析圖……………………………………………………… 48 圖 3-7 酯類層析圖….………..…………………………………………… 49 圖 3-8 酮類層析圖………………..……………………………….……… 50 圖 3-9 醇類層析圖………………………………………………………… 51 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……… 56 圖 3-11 不同分流比所得層析圖譜………………………………………… 58 圖 3-12 不同實驗初溫下所得層析圖譜…………………………………… 62 圖 3-13 調整流速所得層析圖譜………………………………….…...…… 64 圖 3-14 多管柱微層析晶片七種混合物分離測試層析圖…………...…… 66 圖 3-15 多管柱微層析晶片十一種混合物分離測試層析圖………….…… 69. vii.

(10) 表目錄表 2-1 塗佈靜相結構………………..……………………….………….. 27 表 3-1 不同官能基氣體測試-編號列表……………………….………… 45 表 3-2 調整流道分流比，訊號峰之解析度……………………………… 59 表 3-3 七種化合物濃度及沸點列表……………………….……………… 65 表 3-4 十一種化合物濃度及沸點列表………………………………….… 68 表 3-5 十一種化合物滯留時間值列表……………………………….…... 71. viii.

(11) 第一章緒論 1-1 前言氣相層析儀由西元 1950 年發展至今，主要利用有機氣體在靜相和動相之間分配係數上的差異對分析氣體進行有效的分離。氣相層析系統包含三大部分：1.注入系統 (Injector)；2.分離管柱 (Column)；3.偵測系統 (Detection system)。為了使儀器性能不斷提升，各部份元件開始改良甚至創新。進樣系統從手動進樣變成全自動進樣系統；偵測器除了傳統的火焰離子偵測器 (FID)、熱傳導偵測器 (TCD) 之外，也利用奈米材料開發出更多元的偵測器；在氣相層析儀中，層析管柱是決定分離效果好壞的關鍵元件。1950 年代氣相層析儀使用不鏽鋼、鋁製成填充式管柱，在管柱內部填入粒狀或粉狀的材料作為靜相，然而此管柱無法分析成份複雜的樣品。因此在 1950 年末期開始發展毛細管式管柱，而此類管柱已被證實有 2000 以上的理論板數，使得氣相層析管柱具有更高的解析度及實用度。除了提升整體儀器性能，由於傳統氣相層析儀體積龐大，不適合攜帶至具有汙染氣體的環境進行檢測，因此近三十年來利用微機電技術 (Micro electro mechanical system) 製作微小化分析系統來縮小儀器體積[1]，進而提高其可攜性已成為現在分析化學上重要研究課題。層析管柱的靜相材料、長度、膜厚都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。 1.

(12) 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相比，但利用 4 cm × 4 cm 的致冷片便能有效控溫，不需再使用碩大的烘箱，進而取代傳統毛細管達到微小化目的。. 2.

(13) 1-2 微層析晶片微層析晶片的發展最早始於 1979 年 S. C. Terry 等人[2]利用濕蝕刻方式在矽基板上蝕刻氣體流道，做為微型層析管柱，如圖 1-1 所示，當時蝕刻技術尚未發展成熟，塗佈靜相材料時角落處易有靜相沉積而導致塗佈膜厚不均；1994 年 R. R. Reston 等人[3,4]利用類似方式，在流道內塗佈上銅苯二甲藍 (Copper phthalocyanine，CuPc) 做為靜相；1997 年 R. J. Tjerkstra 與其團隊[5]在矽基板上利用等向性 (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，改善了方型流道所面臨靜相沉積的問題，但延伸出兩個晶片準確接合的難題。. 圖 1-1 第一代濕蝕刻技術之微層析晶片 SEM 圖[2] 2000 年 M. J. de Boer 與其團隊[6]採用 buried channel technology (BCT) 技術，結合非等向性 (Anisotropic) 蝕刻與反應性離子蝕刻法 (Reactive ion etch) 的特性，配合低壓化學氣相沉積法 (Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD) 製作出埋在矽基板內的微型流道，如圖 1-2； 3.

(14) 圖 1-2 不同蝕刻方式造成流道形狀差異性之 SEM 圖[6]. 2004 年 R. Sacks 與其團隊 [7] 利用深層反應性離子蝕刻法 (Deep reactive ion etch, DRIE) 在矽基板上蝕刻微流道，利用 pyrex 玻璃做為流道上蓋，利用陽極接合法結合矽基板與玻璃製成完整的流道，並塗佈上 dimethyl polysiloxane(Rtx-1) 和 trifluropropylmethyl polysiloxane(Rtx-200) 兩種不同高分子聚合物做為靜相，可以在 10 分鐘內分離 20 種 VOCs，如圖 1-3。. 4.

(15) 圖 1-3 利用 DRIE 製程的微層析晶片 SEM 圖[4] ；2005 年，E. T. Zellers 與其團隊[1]設計出第一代微小化氣相層析儀，利用微層析晶片搭配微小化的化學阻抗式感測器可以於 90 秒內分離 11 種 VOCs；2008 年，R. I. Masel[8] 與其團隊嘗試了各種修飾劑，讓微層析晶片性質更接近傳統毛細管管柱，並且對含磷以及含硫的有機化合物 (Organophosphonate and organosulfur) 具有特別好的分離效果；2009 年， A. D. Radadia 等人[9]改進 DRIE 技術製成的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流道，如圖 1-4。 5.

(16) 圖 1-4 藉等向性蝕刻方式製成的微流道 SEM 圖[9] 2010 年 A. C. Lewis 與其團隊[10]利用兩片玻璃為基材，其上方蝕刻半圓型流道，如圖 1-5，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，此種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 1-5 顯微鏡下觀察流道形狀[10] 隨著微機電製程技術不斷進步，蝕刻材料除矽基板外，也可利用玻璃做為蝕刻基材，流道形狀也不再受到侷限，其塗佈和修飾受到改善，增加其分離效果，透過微機電製程的技術也可以大幅縮小分離管柱體積。 6.

(17) 1-3 平行分離系統 1977 年 E. Kugler 與其團隊[11]利用三個選擇性不同的分離管柱與三個偵測器連接，可同步得到三張不同結果的層析圖譜，實驗裝置如圖 1-6，實際照片為圖 1-7；1999 年 R. E. Synovec 與其團隊[12]僅利用一個偵測器來進行平行分離的偵測，裝置示意圖如圖 1-8，所得層析圖譜如圖 1-9。圖 1-9 三張層析圖所測的氣體種類相同，圖 1-9(a) 與圖 1-9(b) 為單獨對分離管柱 A 與 B 進行實驗，圖 1-9(c) 為利用圖 1-8 的實驗系統所得層析圖譜，分析物從兩個分離管柱分離後，匯集至同一個偵測器，圖 1-9(c) 等於圖 1-9(a) 與圖 1-9(b) 訊號峰疊加產生的圖譜，作者認為平行分離的優勢除了不同靜相的管柱選擇性不同造成化合物滯留時間不同外，若已知某化合物的滯留時間與訊號峰面積大小，將重疊訊號峰面積扣除已知化合物訊號峰面積，可推得另一化合物的分析資訊，提升定性分析效果；2007 年 C. Q. Hu 與其團隊[13]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，如圖 1-10，資料庫可做為定性分析的依據，低複雜度混合物可利用平行分離系統分析，但當複雜度提高就需依賴二維式氣相層析系統。. 7.

(18) 圖 1-6 平行分離實驗裝置示意圖[11]. 圖 1-7 平行分離實驗裝置照片圖[11]. Column A. Column B. 圖 1-8 雙管柱平行分離系統示意圖 8.

(19) 圖 1-9 雙管柱平行分離系統層析圖譜[12]. 圖 1-10 雙管柱平行分離連接雙偵測器裝置示意圖與層析圖譜[13] 2010 年 C. J. Welch 與其團隊[14]利用兩個進樣系統注入樣品到四個選擇性不同的分離管柱與兩個偵測器連接，可同步得到四張在不同靜相的層析圖譜，實驗裝置示意圖如圖 1-11，所得層析圖譜如圖 1-12。圖 1-12 三張. 9.

(20) 層析圖分別為化合物在四種靜相中所得的層析圖，作者自行架設自動調節系統可以隨心所欲進行管柱切換進行分離，增加效率與分離效果。. 圖 1-11 四管柱平行分離連接雙偵測器裝置示意圖[14]. 圖 1-12 四管柱平行分離連接雙偵測器裝置層析圖[14] 10.

(21) 2012 年 X. Fang 與其團隊[15]為了提升管柱的分離效果將平行分離系統以及二維式氣相層析系統做結合，將化合物在一維管柱分離進入偵測系統後再藉由調節器送入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。. 圖 1-13 GC × GCs 裝置示意圖[15]. 2013 年 X. Fang 與其團隊[16]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系統，分析物先進入到一維晶片分離、偵測後，再進入到由兩個單管柱微層析晶片組成的第二維平行分離系統，裝置如圖 1-14 此團隊利用此系統成功在二維層析圖譜中分離了 31 種有機揮發氣體並達到微小化氣相層析系統的目的。. 11.

(22) 圖 1-14 GC × GCs 實體裝置圖[16] 2013年 C. J. Lu 與其團隊[17]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 系統將多管柱微層析晶片結合單管柱微層析晶片組合成二維氣相層析儀，此裝置圖如圖1-15、 1-16所示。. 圖 1-15 Stop flow GC × GCs 系統示意圖[17] 12.

(23) 圖 1-16 Stop flow GC × GCs 裝置照片圖[17]. 13.

(24) 1-5 微小化氣相層析儀 2003，E. T. Zellers 與其團隊[18]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，能在 10 分鐘內達到有效分離。2005 年 C. J. Lu and E. T. Zellers[1] 以微機電技術製造出的微小化層析晶片作為氣相層析儀的分離中樞，成功分離 11 種有機氣體混合物，實驗裝置示意圖如圖 1-17。. 圖 1-17 第一代微機電整合微小化氣相層析儀裝置示意圖[1]. 14.

(25) 2011 年 E. T. Zellers 教授與其團隊[19]利用微機電技術製作 micro thermal modulator 調節裝置與微層析晶片作結合，使樣品可以分別同時進入兩種不同晶片型管柱，此外此調節系統升溫速率可達每秒 2800 ℃，對於 C6～C10 化合物有良好的分離效果。其裝置如圖 1-18。. 圖 1-18 Micro Thermal Modulator 調節裝置示意圖[19]. 15.

(26) 至 2012 年 E. T. Zellers 教授與其團隊[20]仍精進開發微小化氣相層析儀，成功應用於現場進行有機氣體分析。微小化氣相層析儀發展過程中，分離管柱面臨許多限制，利用微機電製程技術蝕刻流道其性質無法完全與市售毛細管相同，流道形狀的限制導致塗佈靜相材料時有膜厚不均的現象，導致訊號產生拖尾，上述所面臨的問題會使層析圖譜解析度下降，若增加分離管柱長度預期將能提升分離效果，但增加長度即為增加其體積與微小化目的相違背，所以須透過其它方式提升分離效果。可藉由調整實驗參數提高分離樣品的效果，利用降溫冷凝、升溫、分流等方法將分離效果提升至最好。而在晶片內蝕刻出多條流道建立平行分離氣相層析系統可藉由在流道中塗佈不同的靜相提升晶片型管柱的分離效率，將各流道出口都接至偵測系統即可一次得到多張層析圖譜，可以節省分離的時間且節省分析成本，此外因為流道不夠長、分離效果不彰導致複雜的分析物在某一流道可能產生訊號重疊的現象，但可以根據此化合物在其他流道產生的層析圖譜推得其訊號強度與面積，相扣之後可以將化合物定量甚至交叉比對滯留時間進行定性分析。. 16.

(27) 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 Acetone. Riedel-de Haen. Benzene. ACROS. Bromobenzene. ACROS 友和貿易代理. Butanol n-Butyl acetate. SeedChem. Chlorobenzene. ACROS 新丹公司代理. Dicumyl peroxide Ethyl acetate. ECHO. Ethyl benzene. Alfa Aesar 友和貿易代理. Ethanol 2-Heptanone. Alfa Aesar. Hexane. TEDIA. Methane. Supelco 和光一級. Methyl acetate Methyl isobutyl ketone. Fluka. - 17 -.

(28) n-Nonane. ACROS. n-Octane. Fluka. 2-octanone. Alfa Aesar 友和貿易代理. Propanol Propyl acetate. Alfa Aesar. Polydimethylsiloxane (DB-1). Sigma. Polyethylene Glycol (DB-WAX). 新丹公司代理. 2-Pentanone. 友和貿易代理. n-Pentane. TEDIA. Trifluoropropylmethylsilicone (OV-210) Toluene. 新丹公司代理 Mallinckrodt Chemicals. 去離子水 (deionized water，18.2 MΩ). Millipore Bedford. 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 - 18 -.

(29) 3 cm × 3 cm 致冷片. 今華電子代理. K type 0.127 mm 熱電耦線. 宏軒科技代理. SKC 一公升氣體 Tedlar 採樣袋. 宸昶企業代理. SKC 三公升氣體 Tedlar 採樣袋. 宸昶企業代理. 1/8 in. 鐵氟龍管. Supelco. 1/4 in. 鐵氟龍管. Supelco. 1/16 in. 鐵氟龍管. Supelco. 1/16 in. T 型接頭. Supelco. 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. 玻璃連接管. Supelco. Y 型玻璃連接管. Supelco. 環氧樹脂. 登科化工廠股份有限公司宏濬儀器代理. Capillary union. - 19 -.

(30) 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、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.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。 6.電子式氣體流量計：Varian analytical instrument；以數位方式顯示氣體流量，用來確認基本測試之流量值以及二維式氣相層析儀的氣流大小。 7.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。 8.LabVIEW 2010：撰寫程式用於程式控制與數據處理。 9. Sample loop：用來控制待測樣品的注射體積。 10.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。 11.電源供應器 (NET-50B) Mean well：提供電壓使繼電器與致冷片運作。 - 20 -.

(31) 12.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。 13.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。 14.光學顯微鏡：觀察塗佈過程中靜相在晶片中的流動情形。 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。. - 21 -.

(32) 2-2 多管柱平行分離氣相微層析晶片之製作圖 2-1 為多管柱平行分離氣相微層析晶片的設計圖，實體照片為圖 2-2，晶片的長寬各為 3 cm，流道寬度約為 200 μm、深度約 200 μm、壁寬約 50 μm、邊長約 2 mm，三個流道的平均總長度為 90 cm，三個流道總長度有 ± 5 cm 的差距。外接毛細管的區域，流道寬度約 380 μm、深度約 200 μm，長度約 3 mm。而晶片入口處的設計圖為圖 2-3，圖 2-4 為光學顯微鏡拍攝入口處的實體圖，外接使用的內徑 0.1 mm 毛細管其外徑小於晶片的入口大小，封裝時毛細管若不慎滑入一對三入口交會處將造成晶片堵塞，使待測氣體無法順利進入三個流道內，本實驗所設計出的蝕刻限制夾可避免此問題發生，其裝置如圖 2-3 虛線所示。. 圖 2-1 多管柱平行分離氣相微層析晶片設計圖 - 22 -.

(33) 圖 2-2 多管柱平行分離氣相微層析晶片實體照片圖. 圖 2-3 多管柱平行分離氣相微層析晶片入口處設計圖. 圖 2-4 多管柱平行分離氣相微層析晶片入口處照片圖. - 23 -.

(34) 2-2-1 多管柱平行分離氣相微層析晶片之前處理封裝步驟為取四段長 2.0 cm 、內徑 0.1 mm 的去活性非極性 (Deactivated nonpolar) 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，連接完成的微層析晶片示意圖如圖 2-5、實際圖如圖 2-6。在微層析晶片完成塗佈之前，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，此方法可避免塗佈溶液逆流至其它流道。. 圖 2-5 多管柱平行分離氣相微層析晶片連接毛細管示意圖. - 24 -.

(35) 圖 2-6 多管柱平行分離氣相微層析晶片連接毛細管實際照片圖. 毛細管連接完成後使用水和丙酮清洗，架設清洗裝置如圖 2-7，將去離子水放入 solvent rinse kit 內，利用氮氣為載流氣體推動去離子水至微層析晶片內部進行清洗，清洗 1 分鐘後將去離子水更換為丙酮再清洗 1 分鐘，完成一組循環，共進行五次循環，最後利用氮氣將微層析晶片吹乾，即完成晶片的前處理。. - 25 -.

(36) 圖 2-7 多管柱微層析晶片清洗及塗佈靜相材料之裝置. 2-2-2 多管柱平行分離氣相微層析晶片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 polydimethylsiloxane (DB-1) 、 trifluoropropylmethylsilicone (OV-210) 、 polyethylene oxide (DB-WAX) 三種不同選擇性的靜相材料，其結構如下頁表 2-1。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，改良後塗佈裝置為圖 2-8。. - 26 -.

(37) 表 2-1 塗佈靜相結構 polydimethylsiloxane (DB-1). polyethylene Glycol (DB-WAX). trifluoropropylmethylsilicone (OV-210). 圖 2-8 多管柱平行分離氣相微層析晶片塗佈裝置示意圖. - 27 -.

(38) 取一般泛用型非極性靜相材料 polydimethylsiloxane (DB-1) ；取 1.0 g 溶於 10.0 mL 正戊烷中，攪拌 15 分鐘使其均勻混合，完成 DB-1 塗佈溶液的配製；高分子聚合物 trifluoropropylmethylsilicone (OV-210) 取 1.0 g 溶於 10.0 mL 丙酮中，攪拌 15 分鐘均勻混合，完成 OV-210 溶液配置；高分子聚合物 polyethylene oxide (DB-WAX) 取 1.0 g 溶於 10.0 mL 丙酮中，並加入 dicumyl peroxide 作為交聯 (Cross-linking) 試劑，使其塗佈的時候行交聯反應增加靜相分佈均勻度，攪拌 15 分鐘均勻混合，完成 DB-WAX 溶液配製。管柱平行分離氣相微層析晶片以動態塗佈進行，塗佈前需利用正戊烷與丙酮兩種溶劑試塗，使用光學顯微鏡觀察流道中上述兩溶劑流動情形，確認溶劑不會進入其他流道才可進行實驗。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 union tee 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。欲塗佈的流道，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，利用改變毛細管長度使各流道阻抗值改變，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2-8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 - 28 -.

(39) 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，烘烤過程在氣相層析儀的烘箱進行，並且在晶片的入口處通入氮氣作為載流氣體，三個流道出口處流速約為 1.0 mL/min，另設定溫度梯度為起始溫度 40 ℃ 且持溫 10 分鐘、升溫速率為 1.4 ℃/min、結束溫度 200 ℃ 且持溫 45 分鐘，烘乾完成即為多管柱平行分離氣相微層析晶片。. - 29 -.

(40) 2-3 多管柱平行分離氣相微層析晶片系統 2-3-1 硬體架構本研究實驗系統如圖 2-9，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有機氣體送至微層析晶片分析。溫度方面，微層析晶片使用致冷片進行控溫，以熱電耦線偵測晶片表面溫度，由 LabVIEW 程式進行升溫控制；使用 T 字閥進行氣體分流，T 字閥一端利用 1/16 in. 鐵氟龍管連接六向閥，一端連接微層析晶片，一端則連接管柱，利用管柱長度調整晶片分流。偵測器使用火焰離子偵測器，溫度設定為 250 ℃，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 LabVIEW 程式處理並顯示在電腦螢幕上，資料擷取速率為 20 點/秒。圖 2-10 為多管柱平行分離氣相微層析晶片系統的實體照片。. - 30 -.

(41) 圖 2-9 測試系統示意圖. 圖 2-10 多管柱平行分離氣相微層析晶片系統真實照片. - 31 -.

(42) 2-3-2 程式控制本研究藉由 LabVIEW 2010 撰寫的程式進行實驗控制與數據收集。實驗控制需要三個數位輸出，其一為控制六向閥轉動與抽氣幫浦開關，其二為初溫控制，其三為控制微層析晶片的升溫控制，數據的記錄包含 FID 訊號、整體實驗的時間、微層析晶片溫度，系統的人機介面為圖 2-11，程式方塊圖如圖 2-12。. 圖 2-11 微層析晶片測試實驗之人機介面. - 32 -.

(43) 圖 2-12 微層析晶片測試實驗之程式方塊圖. 在人機介面部分，右上方為實驗溫度變化圖，右下圖為 FID 訊號，左邊方框有不同溫度參數可供設定，當初溫達所定溫度，在人機介面中間的初溫準備裝置燈號就會亮起，表示可以按下 start 按鍵開始進行實驗。按下 start 開關後，實驗系統會自動將時間歸零，重新開始記錄時間，並將時間、 FID 數據以及溫度自動存檔在人機介面中間上方的 path 路徑中。. - 33 -.

(44) 圖 2-12 程式中幾個特別的部分，簡介如下：圖 2-13 為六向閥的切換調節圖，可以控制六向閥開關以及六向閥切換時間長短。. 圖 2-13 六向閥控制程式方塊圖圖 2-14 為初溫及溫度梯度控制程式方塊圖，可以自行設定多管柱平行分離氣相微層析晶片測試系統的初溫，實驗開始之後也可以設定微層析晶片處於恆溫模式或是溫度梯度模式；程式輸入部分模擬 GC 儀器面板，有初溫設定、初溫維持時間、升溫速率、恆溫溫度、結束時間等五項基本數值，可以在人機介面輸入，此外此程式也可進行多組溫度梯度測試；輸入各項數值即可以得一個溫度對時間函數，根據此函數回報的溫度和熱電耦的感應溫度即可判斷致冷片應該處於升溫狀態或降溫狀態，來達到模擬烘箱溫度的目的。. - 34 -.

(45) 圖 2-14 溫度控制之程式方塊圖. 圖 2-15 為存檔路徑程式方塊圖，在人機介面輸入存檔路徑以及檔名，即可將得到的實驗數據包含：時間、 FID 訊號以及溫度存檔到欲存入的資料夾。. 圖 2-15 存檔路徑之程式方塊圖. - 35 -.

(46) 2-3-3 LabVIEW 程式進行線性計算實驗中記錄的值包含三個部分：分離所需時間、FID 訊號、晶片溫度。透過自行撰寫的 LabVIEW 2010 程式，可將 FID 訊號進行疊圖，得知其滯留時間，也可以透過其程式計算訊號的積分值及標準偏差，人機介面右下角圖形則為實驗溫度，藉由此程式可以得知系統溫控穩定性。圖 2-16 為程式的人機介面，圖 2-17 為程式方塊圖。. 圖 2-16 線性計算之 LabVIEW 程式之人機介面. - 36 -.

(47) 圖 2-17 線性計算之 LabVIEW 程式方塊圖. - 37 -.

(48) 第三章. 結果與討論. 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。. 38.

(49) (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) 39.

(50) 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。. 40.

(51) 3-2 致冷片控溫系統測試 3-2-1 升溫速率的測試在微小化氣相層析儀中，利用致冷片對微層析晶片進行控溫而非體積龐大的烘箱，因此本研究利用 LabVIEW 程式結合訊號擷取卡 (Data acquisition, DAQ) 進行對致冷片的控溫，模擬出 GC 烘箱的效果。首先進行升溫速率測試，對致冷片施加 12 V 的電壓條件下進行測試，致冷片面積為 4 cm × 4 cm，致冷片的面積大於晶片，整片晶片都可以均勻受熱及降溫。溫度條件設定為起始溫度 30 ℃ 且持溫 15 sec、結束溫度 70 ℃，升溫速率為操縱變因，測試 0.5 ℃/sec、1.0 ℃/sec、2.0 ℃/sec 三種不同升溫速率。使用同一個致冷片對微層析晶片進行升溫控制，紀錄時間對實際溫度的關係圖，如圖 3-3。. 2.0 ℃/sec. 1.0 ℃/sec. 圖 3-3 不同升溫速率效果測試. 41. 0.5 ℃/sec.

(52) 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。. 42.

(53) (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 ℃ 43.

(54) 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。. 44.

(55) 表 3-1 不同官能基氣體測試-編號列表. Vapor. structure. Conc. Eqv. (ppm) mass(ng). Bp. (℃). n-pentane. 2700. 39.8. 36.0. n-hexane. 2300. 41.5. 69.0. n-octane. 2000. 46.7. 125.6. n-nonane. 2520. 58.9. 151.0. benzene. 2800. 44.7. 80.1. toluene. 2350. 44.3. 110.6. chlorobenzene. 2460. 56.6. 131.0. ethylbenzene. 2500. 54.3. 136.0. bromobenzene. 3950. 126.8. 156.0. 45.

(56) 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. 46.

(57) (a). (b). 85 ℃ 50 ℃,50 sec 1 ℃/sec. 1. 2. 3. 4. 5.. methane pentane hexane octane nonane. (c). 圖 3-5 烷類層析圖 (a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 47.

(58) (a). (b). 1. 2. 3. 4. 5. 6.. methane benzene toluene chlorobenzene ethylbenzene bromobenzene. (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 48.

(59) (a). (b). 1. 2. 3. 4.. methane methyl acetate ethyl acetate butyl acetate. (c). 圖 3-7 酯類層析圖 (a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 49.

(60) (a). (b). 1. 2. 3. 4. 5. 6.. methane acetone 2-pentanone methyl isobutyl ketone 2-heptanone 2-octanone. (c). 圖 3-8 酮類層析圖 (a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 50.

(61) (a). (b). 1. 2. 3. 4. 5.. methane ethanol propanol butanol pentanol. (c). 圖 3-9 醇類層析圖 (a) 靜相 DB-1 (b) 靜相 DB-WAX (c) 靜相 OV-210 51.

(62) 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為主時，分子的分子量越大其作用力越大，其沸點也會越高。分析物在 DB-1 管柱上的分離機制取決於分析物與靜相之間分散力的大小，造成滯留時間不同，而化合物訊號峰出現的順序大致和沸點一致。但若化合物具有些許極性，其滯留時間會稍微縮短，所以若用沸點來推測極性分子的滯留時間時，會過於高估。此外，化合物在塗佈 DB-1 的流道中幾乎可以有效分離，而且大多數的化合物訊號峰相當對稱。根據圖 3-5 (b) 及 (c) 可發現，塗佈 DB-WAX 及 OV-210 流道對烷系化合物有些許的分離效果但並未能將所有化合物分離，且滯留時間較 DB-1 對烷系化合物的滯留時間短，分離效果較 DB-1 差，其原因在於極性 DB-WAX 與 OV-210 皆為極性分子與非極性的分析物產生的偶極－誘導偶極力較小，無法將化合物在流道內產生滯留，導致無法將混合物分離；在圖 3-6(b) 中 DB-WAX 的層析圖將苯環類化合物進行有效分離，且與圖 3-6(a) 的 DB-1 層析圖相比，ethylbenzene 及 chlorobenzene 的訊號峰因為極性及氫鍵作用力而產生對調的現象；圖 3-7 為酯類化合物的層析圖譜，酯類化合物的訊號峰出現順序以沸點為主，對於極性管柱的作用力不太明顯，在 DB-1 管柱中有最佳分離效果；接著在圖 3-8(c) 中，OV-210 為極性管柱因此對酮類化合物的滯留效果優於 DB-1 流道，但是訊號的半高 52.

(63) 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。. 53.

(64) 3-4 五種樣品氣體分離效果測試從實驗 3-3 中，可得知三種靜相材料對不同官能基的滯留能力大小皆不相同。本實驗我們嘗試將不同官能基的化合物注入微層析晶片，藉由其滯留時間及其波形探討其三種靜相的選擇性。以下為實驗參數設定，三個流道主流速皆為 0.2 mL/min、初溫 0 ℃ 維持 10 秒後，以每秒 1 ℃ 進行升溫至 75 ℃，之後維持定溫。微層析晶片內建有三個獨立流道，利用 5 μL 的樣品環固定進樣體積，樣品進入晶片前利用 T 字閥進行分流，進入晶片後樣品再被分為注入晶片樣品量的 1/3，總分流比為 50：1，注入的樣品為：methane、butanol、2-pentanone、 toluene、nonane，利用三種不同靜相材料的流道進行混合物的分離測試，所得層析圖譜如圖 3-10。注入樣品中 methane 為小分子氣體，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，圖 3-10 層析圖中 methane 的滯留時間都相同，因此可判斷三個流道的流速是相同的。圖 3-10(a) 為 DB-1 層析圖，其中 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 54.

(65) 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。. 55.

(66) (a). (b) 1. 2. 3. 4. 5.. methane butanol 2-pentanone toluene nonane. (c). 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. 56.

(67) 3-5 調整實驗參數提升分離解析度 3-5-1 調整分流比效果測試提升解析度的方式包含提高分流比例、降低流速等等，每個參數選擇三組不同的實驗參數，利用自行架設的實驗裝置進行實驗。當待測氣體進入分離管柱，分離過程可視為許多樣品帶寬在管柱中移動，每一個帶寬都會產生擴散現象，當兩個鄰近帶寬距離很接近，又因行走過程中受到擴散行為的影響，導致鄰近的帶寬互相重疊，層析圖譜將產生一組分不開的訊號峰，提高分流比例能有效縮減帶寬，分離過程即使受到擴散影響，依然可能不互相重疊。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流速：0.2 mL/min、無分流；第二組實驗參數設定為主流速：0.2 mL/min、分流比例：50 比 1；第三組實驗參數設定為主流速：0.2 mL/min、分流比例： 95 比 1。50 比 1 表示有 1/51 的樣品進入分離管柱進行分離，其餘 50/51 的樣品則不進入分離管柱分離，不同實驗條件下塗佈靜相為 DB-1 流道的層析圖譜如圖 3-11。. 57.

(68) (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. 58.

(69) 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. R. 無分流. 分流比 50：1. 分流比 95：1. 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。. 59.

(70) 3-5-2 調整初溫效果測試初溫為此實驗操縱變因，注入的樣品為 methane、acetone、ethanol，使用微層析晶片塗佈 OV-210 靜相的流道。實驗參數如下，流速為 0.5 mL/min，利用 5 μL 的樣品環固定進樣體積，樣品被分為原來的 1/3，分流比視為 3：1，利用致冷片改變初溫進行實驗，初溫分別是：0 ℃、10 ℃、 20 ℃ 維持 15 秒後以每秒 1 ℃ 的升溫速率進行升溫至 70 ℃。實驗結果為圖 3-12 (a)、(b)、(c)。樣品分離是利用物質在兩相(移動相氣體及靜相)間吸引力不同，導致停留在管柱時間不同而將其分離，公式3-2 中 K 為分配係數 (Partition coefficient)，分母為氣體分子在移動相的濃度，分子為氣體在管柱靜相的濃度，K 值愈大，分析物在管柱的滯留時間愈長。公式3-3當中 K 為分配係數，HS 為移動相的熱含量，Tc 則為管柱的溫度，由公式3-3可知當管柱溫度越低，分配係數 K 值就會越大，氣體在靜相中的時間就會越長。. Partition Coefficient. 3-2. ln K = HS/RTc + C’ - ln s. 60. 3-3.

(71) 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。. 61.

(72) (a) 2 1 3. (b) 1. methane 2. ethanol 3. acetone. 2 1. 3. (c) 2 1. 3. 圖 3-12 不同實驗初溫下所得層析圖譜 (a) 主流速：0.5 mL/min、初溫維持 0 ℃ 層析圖譜 (b) 主流速：0.5 mL/min、初溫維持 10 ℃ 層析圖譜 (c) 主流速：0.5 mL/min、初溫維持 20 ℃ 層析圖譜 62.

(73) 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。. 63.

(74) (a). 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.. (b). acetone butanol 2-penanone toluene chlorobenzene 2-heptanone bromobenzene. 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. 64.

(75) 3-6 複雜樣品分離測試 3-6-1 七種混合物分離測試選擇七種沸點差距約 100 ℃ 的混合物進行分離效果測試，挑選的七種化合物如表 3-3，加入 methane 協助流速判定。實驗條件為實驗 3-5 所判定最佳實驗參數：初溫 0 ℃ 維持 15 秒，以每秒 1 ℃ 升溫速率進行升溫，升溫至 70 ℃ 持溫，分流比為 50：1，主流速為 0.2 mL/min，利用 5 μL 的樣品環固定進樣體積，載流氣體為氮氣將樣品送入微層析晶片各流道進行分析，分析結果為圖 3-14。. 表 3-3 七種化合物濃度及沸點列表 Number 1 2 3 4 5 6 7. Conc. (ppm). Vapor acetone butanol 2-pentanone toluene chlorobenzene 2-heptanone bromobenzene. 1540 970 1650 1740 2650 1100 1670. 65. Eqv. Mass (ng) 23.8 16.2 32.0 28.4 33.5 21.4 28.9. Bp.(℃) 56.5 118.0 103.0 110.6 131.0 151.0 156.0.

(76) (a). (b). 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.. acetone butanol 2-penanone toluene chlorobenzene 2-heptanone bromobenzene. (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. 66.

(77) 調整實驗參數將分析物提升到七種樣品，由圖 3-14 層析圖可發現雖然七種化合物並不能在微層析晶片任一流道完全分離，但因為靜相不同的作用力，使化合物的滯留時間在每個流道都不同，可以藉由在每個流道的訊號出現位置推論其化合物的種類。三張層析圖譜中 methane 的滯留時間都相同，因此可判斷三個流道的流速是相同的。圖 3-14(a) 為 DB-1 層析圖， DB-1 為非極性管柱，其化合物的滯留時間主要跟其本身的沸點相關，沸點越高，滯留時間越久，因此可藉由訊號出現時間判定訊號若越晚出現表示其沸點可能越高。微層析晶片其餘兩個流道分別塗佈 DB-WAX 及 OV-210 兩種極性靜相。極性靜相與極性化合物產生偶極－偶極力，而與非極性靜相產生偶極－誘導偶極力，因此極性化合物的滯留力較強，滯留時間花費也較多。DB-WAX 結構為聚乙二醇，分析物能與其自身產生氫鍵作用力者，滯留時間會延後，例如：醇類。而 OV-210 對酮類的滯留效果較佳，酮類在此流道與其他化合物相對滯留時間都比其他兩流道還長。另外雖然分析物在 OV-210 中的解析度較差，但是都能看到每種化合物明顯的訊號峰，沒有訊號完全重疊的現象發生，可以利用此靜相來定性化合物存在的數量。在 DB-1 層析圖中，butanol 和 2-pantanone 兩種化合物分不開，但在其他兩種靜相的層析圖中卻完全分開，而且兩個訊號峰還產生對調的現象，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。 67.

(78) 3-6-2 十一種混合物分離測試分離沸點差距越小複雜度越高的混合物具有更大挑戰，將分析物種類提升到十一種，沸點差距為 117 ℃ 的混合物進行分離效果測試，證明本實驗系統能分離複雜度高的混合物。挑選的十一種化合物如表 3-4，加入 methane 協助流速判定。實驗條件為實驗 3-4 所判定最佳實驗參數：初溫 0 ℃ 維持 15 秒，以每秒 1 ℃ 升溫速率進行升溫，升溫至 75 ℃ 持溫，分流比為 50：1，主流速為 0.2 mL/min ，利用 5 μL 的樣品環固定進樣體積，載流氣體為氮氣將樣品送入微層析晶片各流道進行分析，分析結果為下頁圖 3-16。. 表 3-4 十一種化合物濃度及沸點列表 Number 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11. Conc. (ppm). Vapor ethanol acetone butanol 2-pentanone toluene butyl acetate chlorobenzene 2-heptanone nonane bromobenzene 2-octanone. 1820 1540 970 1650 1740 2650 1100 1670 1840 1970 1450. 68. Eqv. Mass (ng) 25.2 23.8 16.2 32.0 28.4 33.5 21.4 28.9 32.3 37.0 25.0. Bp.(℃) 78.4 56.5 118.0 103.0 110.6 126.0 131.0 151.0 151.0 156.0 173.0.

(79) (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. 69.

(80) 根據圖 3-15 的層析圖譜，混合物的複雜度較七種混合物更高，雖然三個靜相都無法將十一種化合物完全分離，三張層析圖譜中的 methane 用來確定流速，而在圖 3-15 (a) DB-1 層析圖譜中可看到十個訊號峰，第一個訊號峰為 methane 用來輔助確認流速，而分析物當中的 butanol 和 2-pentanone 以及 2-heptanone 和 nonane 兩個訊號峰完全重疊；圖 3-15(b) DB-WAX 層析圖中有 11 個訊號峰，第一個訊號峰也為 methane，在 DB-WAX 靜相中 chlorobenzene 和 2-heptanone 訊號完全重疊，雖然 nonane、 ethanol 、 2-heptanone 三者訊號峰未能完全分開但其相對位置與 DB-1 靜相相比皆有相當大的差異性，可藉由其差異來做定性判別。圖 3-15(c) 為 OV-210 層析圖，共有 12 根訊號峰，其中第一個 methane 訊號峰與其他兩張層析圖相比滯留時間都相同，代表三流道流速相同，而在 OV-210 層析圖中並沒有訊號峰完全重疊的情形發生，而當中 toluene、 nonane、 2-pentanone、 chlorobenzene 的訊號峰有交疊的情形，但產生的訊號滯留時間與 DB-1 以及 DB-WAX 都不同，在 OV-210 流道的差異性也能做為定性的另一個判斷依據。. 70.

(81) 3-5-3 建立化合物滯留時間列表輔助定性分析根據 GC 層析圖譜，每個化合物在三個流道都擁有都擁有其特定的滯留時間以及與其他化合物的相對位置，化合物的滯留時間受溫度與流速影響會有些微誤差，但與其他化合物的相對位置變化性較少，應該可交叉比對來進行化合物的定性判斷。此 3 組滯留時間為化合物的身分證明，利用 3 組滯留時間對 3 張層析圖譜進行搜尋，能在任 2 張層析圖譜中找到獨立訊號峰，可視為混合物含有某一個化合物，記錄每個化合物的 3 組滯留時間，建立屬於表 3-4 實驗條件下的化合物座標值列表，11 種化合物的資料庫如表 3-5，表中相同顏色的化合物，代表在層析圖譜中彼此無法分離而訊號完全相疊在一起。. 表 3-5 十一種化合物滯留時間值列表. 分析化合物 ethanol acetone butanol 2-pentanone toluene butyl acetate chlorobenzene 2-heptanone nonane bromobenzene 2-octanone. 滯留時間(sec). 沸點(°C). 78.4 56.5 101.0 103.0 110.6 126.0 131.0 151.0 151.0 156.0 173.0. 71. DB-1. DB-WAX. OV-210. 22.2 23.9 64.9 64.9 92.2 108.7 119.9 143.4 165.8 165.8 232.2. 55.9 29.8 106.6 61.9 74.9 86.9 121.2 121.2 47.9 185.7 170.6. 15.8 30.1 38.9 68.9 51.5 87.9 74.3 128.9 59.7 97.5 128.1.

(82) 第四章結論本研究透過微機電製程技術製作多管柱微層析晶片，並在晶片流道內塗佈三種不同靜相材料，分別是 DB-1、DB-WAX 和 OV-210，利用這三種靜相材料對不同官能基的有機氣體有不同的選擇性來進行平行分離。當樣品進入微層析晶片，化合物與不同靜相產生不同的化學作用力進而影響滯留時間，可同時得到三張不同的層析圖譜，DB-1 對非極性化合物有較佳的滯留能力，DB-WAX 及 OV-210 則是對極性差異大的化合物有較強的作用力，而 DB-WAX 對可產生氫鍵的化合物的滯留效果更加顯著，例如：醇類。根據三張層析圖譜所得到的滯留時間以及各化合物的相對位置可以做為化合物定性的判斷依據。複雜度較高的混合物實驗中，利用自行架設的系統可將微層析晶片溫度降於 0 ℃ 增加訊號的解析度，利用解析度運算在多種影響的參數中找到最佳化的條件，大幅提升此系統的分離效果。層析圖譜中有訊號互相疊加的情形發生，但可利用其他流道圖譜所得到的分離訊號峰進行訊號積分得到訊號面積，將重疊訊號峰面積扣除已知化合物訊號面積，就可得到化合物的分析資訊，提升定性能力。. 72.

(83) 參考文獻 1. C. J. Lu, W. H. Steinecker, W. C .Tian, M. C. Oborny, J.M. Nichols,M. Agah, J.A. Potkay, H. K. L. Chan, J. Driscoll, R. D. Sacks, K.D. Wise, S. W. Pang and E. T. Zellers, Lab on a Chip, 2005, 5, 1123–1131 2. S. C. Terry, J. H. Jerman, J. B. Angell, IEEE Transactions on Electron Devices, 1979, 26, 1880-1886 3. R. R. Reston, E. S. Kolesar, Journal of Microelectromechanical Systems, 1994, 3, 134-136 4. E. S. Kolesar, R. R. Reston, Surface and Coating Technology, 1994, 68, 679-685 5. R. W. Tjerkstra, M. de Boer, E. Berenschot, J. G. E. Gardeniers, A.van den Berg, M. C. Elwenspoek, Electrochimica Acta, 1997, 42, 3399-3406 6. M. J. de Boer, R. W. Tjerkstra, J. W. (Erwin) Berenschot, H. V. Jansen, G. J. Burger,J. G. E. (Han) Gardeniers, Miko Elwenspoek and Albert van den Berg, Journal of Microelectromechanical Systems, 2000, 9, 94-103 7. G. Lambertus, A. Elstro, K. Sensenig, J. Potkay, M. Agah, S. Scheuering, K. Wise, F. Dorman and R. Sacks, Analytical Chemistry, 2004, 76, 2629-2637 8. A. D. Radadia, R. I. Masel, M. A. Shannon, J. P. Jerrell, K. R. Cadwallader, Analytical Chemistry, 2008, 80, 4087-4094 9. A. D. Radadia, R. D. Morgan, R. I. Masel, M. A. Shannon, Analytical Chemistry, 2009, 81, 3471-3477 10. A. C. Lewis, J. F. Hamilton, C. N. Rhodes, J. Halliday, K. D. Bartle, P. Homewood, R. J.P. Grenfell, B. Goody, A. M. Harling, P. Brewer, G. Vargha, M.T. Milton, Journal of Chromatography A, 2010, 1217,768-774 11. E. Kugler, W. Halang, R. Schlenkermann, H. Webel, R. Langlais, Chromatographia, 1977, 10, 438-443 12. B. J. Prazen, C. A. Bruckner, R. E. Synovec and B. R. Kowalski, Analytical Chemistry, 1999, 71, 1093-1099 13. Y. Liu, C. Q. Hu, Journal of Chromatography A, 2007, 1175, 259–266 14. W. Schafer, S. Hamilton, Z. Pirzada and C. J. Welch, Analytical Chemistry, 2012, 24, 1-4 15. J. Liu, M. K. K. Oo, K. Reddy, Y. B. Gianchandani, J. C. Schultz, H. M. Appel and X. Fan, Analytical Chemistry, 2012, 84, 4214-4220 16. J. Liu, J. H. Seo, Y. Li, D. Chen, K. Kurabayashi and X. Fan, Analytical Chemistry, 2013, 13, 818-825 17. B. X. Chen, T. Y. Hung, R. S. Jian and C. J. Lu, Lab on a Chip, 2013, 10, 1039-1048 18. C. J. Lu, J. Whiting, R. D. Sacks and E. T. Zellers, Analytical Chemistry, 2003, 75, 1400-1409 73.

(84) 19. S. J. Kim, G. Serrano, K. D. Wise, K. Kurabayashi and E. T. Zellers, Analytical Chemistry, 2011, 83, 5556-5562 20. S. K. Kim, D. R. Burris, J. Bryant-Genevier, K. A. Gorder, E. M. Dettenmaier and E.T. Zellers, Environmental Science Technology, 2012, 46, 6073-6079 21. G. M. Gross, B. J. Prazen, R. E. Synovec, Analytica Chimica Acta, 2003 , 490, 197-210 22. R. F. Renzi, J. Stamps, B. A. Horn, S. Ferko, V. A. VanderNoot, J. A. A. West, R. Crocker, B. Wiedenman, D. Yee and J. A. Fruetel, Analytical Chemistry, 2005, 77, 435-441 23. G. Lambertus and R. Sacks, Analytical Chemistry, 2005, 77, 2078-2084 24. J. J. van Deemter, F. J. Zuiderweg, A. Klinkenberg, Chemical Engineering Science, 1956, 5, 271-289 25. S. Reidy, D. George, M. Agah and R. Sacks, Analytical Chemistry, 2007, 79, 2911-2917 26. G. Lambertus, A. Elstro, K. Sensenig, J. Potkay, M. Agah, S. Scheuering, K. Wise, F. Dorman and R. Sacks, Analytical Chemistry, 2004, 76, 2629-2637 27. J. A. Potkay, G. R. Lambertus, R. D. Sacks and K. D. Wise, Journal of Microelectromechanical Systems, 2007, 16, 1071-1079 28. M. L. Lee, D. L. Vassilaros and C. M. White, Analytical Chemistry, 1979, 51, 763-769 29. M. Stadermann, A. D. McBrady, B. Dick, V. R. Reid, A. Noy, R. E. Synovec and O. Bakajin, Analytical Chemistry, 2006, 78, 5639-5644 30. M. Agah, J. A. Potkay, G. Lambertus, R. Sacks and K. D. Wise, Journal of Microelectromechanical Systems, 2005, 14, 1039-1050 31. M. Stadermann, A. D. McBrady, B. Dick, V. R. Reid, A. Noy, R. E. Synovec and O. Bakajin, Analytical Chemistry. 2006, 78, 5639-5644 32. C. G. Fraga, B. J. Prazen and R. E. Synovec, Analytical Chemistry, 2000, 72, 4154-4162 33. 傅裕懋，晶片型氣相層析管柱之靜相塗佈材料研究，天主教輔仁大學， 2008 34. 莊達人，VLSI製造技術，高立圖書有限公司，2007 35. 鍾永信，以微層析晶片建構二微氣相層析方法之研究，國立台灣師範大學，2010 36. 陳柏勳，雙晶片－多維度氣相層析模組開發與研製，國立台灣師範大學， 74.

(85) 2011 37. 簡日昇，微型氣相層析儀，國立台灣師範大學，2012. 75.

(86)