氣相色譜單元、用相同該單元的可擴(kuò)展氣相色譜系統(tǒng)及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及氣相色譜（GC)，更具體地涉及將氣相微流控技術(shù)應(yīng)用至GC。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣相色譜（GC)引起被注入到色譜柱中的汽化或氣相樣品的分析分離。該柱通常 是金屬、玻璃或石英管，其含有用于色譜活性所配制的固定相（涂層或填料）。該柱通常容 納在熱控制烘箱中，或者可以由加熱元件比如電阻線直接加熱。化學(xué)惰性載氣比如氦氣、氮 氣、氬氣或氫氣用作流動相，用于柱中分析物樣品的洗脫。通常，樣品和載氣被分別引入到 聯(lián)接至柱頭部的GC入口。在GC入口，將樣品注入到載氣流中，并且所得的樣品載氣混合物 流過該柱。典型的GC入口配置成用于汽化初始液相樣品，并且可以提供以及配置成用于執(zhí) 行預(yù)柱分離的襯墊。在柱流過程中，樣品遇到柱中的固定相，這導(dǎo)致樣品的不同組分根據(jù)與 固定相的不同親和力而分離。所分離的組分從柱出口洗脫并且由檢測器測量，產(chǎn)生識別這 些組分的色譜或光譜可以由其構(gòu)造的數(shù)據(jù)。
[0003] 單GC柱可能不足以將目標(biāo)化合物與樣品分離。在這種情況下，可以利用包括兩個 或更多個GC柱及相應(yīng)下游探測器的多維（MDGC)GC系統(tǒng)，比如全二維（GC X GC)系統(tǒng)。不同 的GC柱可能具有不同的特征，比如長度、內(nèi)徑和/或固定相材料的類型。例如，在GC X GC 系統(tǒng)中，一個柱可能包括極性固定相，而另一個柱包括非極性固定相。在適當(dāng)?shù)臅r間間隔期 間，來自含有目標(biāo)化合物的第一柱的流出物的一部分可以被轉(zhuǎn)移到第二柱中，并且如本領(lǐng) 域技術(shù)人員所理解的那樣，通過實(shí)施心臟切割技術(shù)最終至相應(yīng)的第二檢測器。
[0004] 多維GC系統(tǒng)可以利用流體開關(guān)，用于實(shí)施中心切割，以及用于其他操作模式比如 流量分散、反沖洗等。流體開關(guān)可以與微流體裝置結(jié)合操作或者與其結(jié)合一體，該微流體裝 置設(shè)計成引導(dǎo)樣品和/或載氣流至且自GC柱、檢測器以及多維GC系統(tǒng)的其他組件。多維 GC系統(tǒng)還可以利用流動控制裝置通常是電子氣動控制器（EPC)來調(diào)節(jié)質(zhì)量流量、前向壓力 以及與柱和其他流體裝置相關(guān)的背壓。
[0005] 通常，對于GC系統(tǒng)的用戶來說，很難正確地配置涉及使用微流體裝置和流動控制 裝置比如EPC的多柱系統(tǒng)。對于用戶來說，同樣很難施加微流體至緊湊的或甚至烘箱較少 的GC，因?yàn)槟壳八械奈⒘黧w裝置必須依賴于相對大的、強(qiáng)制的對流GC烘箱（空氣浴），以 便于柱聯(lián)接并且防止微流體裝置成為樣品路徑中的冷點(diǎn)。此外，目前的GC儀器缺乏根本地 可擴(kuò)展設(shè)計，其對于支持通過微流體比如多維GC和多個獨(dú)立柱加熱區(qū)所啟用的分析任務(wù) 的日益復(fù)雜是有用的。
[0006] 鑒于上述情況，需要這樣的GC組件及方法，也就是其能夠或便于設(shè)計和建立提供 各種功能以滿足當(dāng)前及未來需求的GC裝置和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述問題（全部或部分）和/或可能已由本領(lǐng)域技術(shù)人員所觀察到的其 他問題，本公開提供了方法、過程、系統(tǒng)、設(shè)備、儀器和/或裝置，如通過下面所闡述的實(shí)施 方式中的示例所述。
[0008] 根據(jù)一實(shí)施例，一種氣相色譜（GC)單元包括：入口側(cè)微流體裝置，其包括多個入 口側(cè)通道和多個入口側(cè)端口，每個入口側(cè)端口與所述入口側(cè)通道中的至少一個連通；出口 側(cè)微流體裝置，其包括多個出口側(cè)通道和多個出口側(cè)端口，每個出口側(cè)端口與所述出口側(cè) 通道中的至少一個連通；柱，其包括聯(lián)接至所述多個入口側(cè)端口中的第一入口側(cè)端口的柱 入口和聯(lián)接至所述多個出口側(cè)端口中的第一出口側(cè)端口的柱出口；以及流動控制器（FC)， 其包括用于接收載氣流的FC輸入端口、與所述FC輸入端口連通的第一 FC輸出端口、以及 與所述FC輸入端口連通的第二FC輸出端口，其中，所述第一 FC輸出端口與所述多個入口 側(cè)端口的附加入口側(cè)端口連通。
[0009] 根據(jù)另一實(shí)施例，一種氣相色譜（GC)裝置包括：根據(jù)本文所公開的任何實(shí)施例的 GC單元；以及流體裝置，其選自由以下構(gòu)成的組：與所述入口側(cè)端口或出口側(cè)端口中的至 少一個連通的流體或微流體裝置；與所述入口側(cè)端口中的至少一個連通的樣品導(dǎo)入裝置； 與所述出口側(cè)端口中的至少一個連通的檢測器；與所述入口側(cè)端口或出口側(cè)端口中的至少 一個連通的附加 GC單元；與所述入口側(cè)微流體裝置和出口側(cè)微流體裝置中的至少一個螺 紋接合的傳輸管線；以及前述中的兩個或更多個。
[0010] 通過審查以下附圖及詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他裝置、設(shè)備、系統(tǒng)、方法、特征以及優(yōu) 點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是或?qū)⒆兊蔑@而易見。所希望的是，所有這樣的附加系統(tǒng)、方法、 特征及優(yōu)點(diǎn)包括在本說明書內(nèi)、在本發(fā)明的范圍之內(nèi)以及由所附的權(quán)利要求保護(hù)。
【附圖說明】
[0011] 通過參照以下附圖可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的組件不一定按比例繪制，而 是將重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理。在附圖中，相同的參考標(biāo)號表示整個不同視圖中相應(yīng)的 部件。
[0012] 圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的氣相色譜（GC)系統(tǒng)的示例的示意圖。
[0013] 圖2A是根據(jù)一些實(shí)施例的GC單元的示例的示意性正視圖。
[0014] 圖2B是圖2A中所示的GC單元的示意性俯視圖。
[0015] 圖2C是圖2A中所示的GC單元的示意性仰視圖。
[0016] 圖3A是根據(jù)一些實(shí)施例的示出內(nèi)部通道的微流體裝置的示例的示意性平面化 圖。
[0017] 圖3B是根據(jù)一些實(shí)施例的微流體裝置的示例的示意性仰視圖。
[0018] 圖4是根據(jù)一些實(shí)施例的GC系統(tǒng)（或其部分）的示例的示意圖。
[0019] 圖5是根據(jù)一些實(shí)施例的GC單元（或包括GC單元的GC裝置）的示例的示意圖。
[0020] 圖6是根據(jù)一些實(shí)施例的聯(lián)接至GC入口的圖5中所示的GC單元的入口側(cè)的示意 圖。
[0021] 圖7是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0022] 圖8是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0023] 圖9是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0024] 圖10是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0025] 圖11是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0026] 圖12是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0027] 圖13是根據(jù)另一實(shí)施例的GC單元（或包括GC單元的GC裝置）的示例的示意圖。
[0028] 圖14是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0029] 圖15是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0030] 圖16是根據(jù)另一實(shí)施例的GC裝置（或其部分）的示例的示意圖。
[0031] 圖17是根據(jù)一些實(shí)施例的傳輸管線組件的示意性剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 在本公開的上下文中，術(shù)語"分析物"通常是指氣相色譜（GC)的研究人員或用戶 所感興趣的任何樣品分子--即期望在其上進(jìn)行分析比如例如色譜法或色譜/質(zhì)譜分析的 分子。術(shù)語"樣品"或"樣品基體"是指已知或懷疑含有分析物的任何物質(zhì)。樣品可以包括 分析物和非分析物的組合。本文中的術(shù)語"非分析物"或"非分析組分"是指分析對其所不 感興趣的樣品組分，因?yàn)檫@樣的組分不具有分析值和/或可能會損害（例如干擾）所需分 析物的分析。非分析物通?？赡苁撬桓信d趣的任何分子比如污染物或雜質(zhì)。非分析物的 示例可以包括但不限于污染物、雜質(zhì)、水、油、溶劑、載氣、或其他介質(zhì)，以及已經(jīng)從色譜柱流 出的固定相材料。
[0033] 在本公開中，術(shù)語"流體"在一般意義上用來指可以通過導(dǎo)管流動的任何材料。"氣 體"是"流體"的示例。如本文所用，術(shù)語"氣體"包括蒸汽以及其中可能夾帶有蒸汽、液滴 或顆粒的氣體。在本公開中，術(shù)語"流體"與術(shù)語"氣體"可互換使用，除非另有說明。
[0034] 如本文所用，術(shù)語"通道"是指限定用于流體從一個點(diǎn)流至另一個點(diǎn)的路徑的任何 類型的導(dǎo)管。在一些實(shí)施例中，通道可以是"微流體通道"或"微通道"。微通道的橫截面 (或流通面積）可以具有微米（例如達(dá)約1000微米或1毫米）或更低（例如納米）的數(shù)量 級的特征尺寸。例如，該特征尺寸的范圍可以從100納米至1000微米（1毫米）。通過微 通道的流速可以是每分鐘毫升、每分鐘微升、每分鐘納升或更低（每分鐘微微升或每分鐘 毫微微升）的量級。術(shù)語"通道"包括但不限于微通道。術(shù)語"特征尺寸"是指適當(dāng)?shù)孛枋?用于通道橫截面形狀的類型尺寸一例如，圓形橫截面情況下是直徑、橢圓橫截面情況下 是長軸、或多邊形橫截面情況下是兩個相對側(cè)面之間的最大寬度或高度。通道的橫截面可 以具有任意這些形狀。此外，通道的橫截面可以具有不規(guī)則的形狀，無論是故意地還是由于 制造技術(shù)的限制。不規(guī)則形狀的橫截面的特征尺寸可以被視為不規(guī)則形狀的橫截面最緊密 接近的規(guī)則形狀的橫截面的尺寸特征（例如，圓的直徑、橢圓的長軸、多邊形的寬度或高度 等）。
[0035] 在典型的實(shí)施例中，微通道形成在材料的實(shí)心體中。該材料可以是在微細(xì)加工比 如微流體、微電子、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)等的各個領(lǐng)域中所使用的類型。材料的成分可 以是用在這些領(lǐng)域比如半導(dǎo)體、電絕緣體或電介質(zhì)、真空密封、結(jié)構(gòu)層或犧牲層中的。因此， 材料可以包括，例如類金屬（例如，硅或鍺）、類金屬合金（例如，硅-鍺）、碳化物比如碳化 硅、無機(jī)氧化物或陶瓷（例如，氧化硅、氧化鈦或氧化鋁）、無機(jī)氮化物或氧氮化物（例如，氮 化硅或氧氮化硅）、各種玻璃或各種聚合物。在一些實(shí)施例中，所述材料是光學(xué)透明的，目的 是比如執(zhí)行基于光學(xué)的測量、執(zhí)行樣品分析、檢測或識別流過微通道的物質(zhì)、使用戶能夠觀 察流動等。材料的實(shí)心體最初可以以例如基板、設(shè)置在下層基板上的層、微流體芯片、來自 材料較大晶片的單片芯片的形式等被提供。
[0036] 微通道可以通過現(xiàn)在已知的或以后在適于材料的成分以及微通道的尺寸和縱橫 比的微細(xì)加工領(lǐng)域中所開發(fā)的任何技術(shù)形成在材料的實(shí)心體中。作為非限制性示例，微通 道可以通過蝕刻技術(shù)比如聚焦離子束（FIB)蝕刻、深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE)或者微機(jī)械加工 技術(shù)比如機(jī)械鉆孔、激光鉆孔或超聲波銑削來形成。取決于所要形成的微通道的長度及特 征尺寸，蝕刻或微機(jī)械加工可以以類似于形成垂直或三維"通過"的方式來完成，部分地進(jìn) 入或完全地穿過材料的厚度（例如，"貫通晶片"或"貫通基板"通過）?？商娲?，最初打開 的通道或溝槽可以形成在基板的表面上，然后將其結(jié)合至另一基板來完成微通道。另一基 板可以呈現(xiàn)為平坦的表面，或者還可以包括在部分結(jié)合過程與第一基板的打開通道對準(zhǔn)的 最初打開通道。微通道可直接由材料的實(shí)心體的一個或多個壁限定（或限制）。可替代地， 微通道可以由管或毛細(xì)管的內(nèi)側(cè)表面限定，即管或毛細(xì)管壁是其中形成有微通道的材料的 實(shí)心體。在后一種情況下，管或毛細(xì)管可以駐留在由材料的另一實(shí)心體的一個或多個壁形 成的封閉孔或開放孔（例如，溝槽、槽或凹部）中。
[0037] 根據(jù)其組成，限定微通道的材料可以相對于流過微通道的流體是固有化學(xué)惰性 的?；蛘?，可以在部分制造過程中不激活微通道，比如通過施加合適的涂層或表面處理/功 能化以便使微通道變得化學(xué)惰性。用于此目的的涂層和表面處理/功能化對于本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說很容易理解。
[0038] 在本公開中，術(shù)語"流體裝置"通常包括提供或接收流體流動或以其他方式提供一 個或多個流體流動路徑的任何裝置。流體裝置的示例包括提供流體流動的裝置（例如樣品 導(dǎo)入裝置）、接收流體流動的裝置（例如GC檢測器）、控制和/或改變流體流動的裝置（例 如閥門、微流體裝置）等。術(shù)語"微流體裝置"通常包括其中形成有一個或多個微通道的任 何裝置。微流體裝置可以包括如上面所述的實(shí)心體以及配置成用于與導(dǎo)管或其他流體裝置 流體聯(lián)接的一個或多個端口。
[0039] 圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的氣相色譜（GC)系統(tǒng)100的示例的示意圖。GC系統(tǒng)100 通?？梢园悠穼?dǎo)入系統(tǒng)104、GC裝置108、一個或多個檢測器112以及計算裝置116。 樣品導(dǎo)入系統(tǒng)104可以包括樣品導(dǎo)入裝置120和GC入口 124。GC裝置108包括一個或多 個GC單元，其中的實(shí)施例在下面通過示例進(jìn)行說明。通常，每個GC單元包括GC柱、提供流 動路徑至且自GC柱和GC單元外部組件（例如，樣品導(dǎo)入系統(tǒng)104、檢測器112等）的一個 或多個微流體裝置、以及提供通過GC柱和微流體裝置的流量與壓力控制的流動控制裝置 或模塊（或流量控制器、或FC)比如電子氣動控制器（EPC)?？梢源磔d氣存儲器及相關(guān) 組件（例如，管道、閥門、泵、流量控制器等）的載氣源128通過相應(yīng)的載氣供給管線132和 134以調(diào)節(jié)的流速和/或壓力將一個或多個載氣流供給至GC入口 124和GC裝置108。GC 入口 124和GC裝置108可以各自包括用于吹掃氣體的一個或多個排放口 136和138。
[0040] GC系統(tǒng)100的某些組件，比如GC裝置108的GC單元（GC柱、微流體裝置、流量控 制器）和檢測器112 (取決于檢測器的類型），可被封閉在殼體或外殼142中。殼體142可 以是GC烘箱，其通常包括配置成用于保持GC柱在所需溫度設(shè)定或根據(jù)所需的（預(yù)定的、可 編程的）溫度分布來改變GC柱的溫度的加熱裝置，比如用于平衡參數(shù)，如洗脫時間和測量 分辨率。通常，加熱裝置配置成用于加熱GC烘箱的內(nèi)部，并由此間接地（例如，通過強(qiáng)制對 流）控制GC柱及其他組件的溫度。在其他實(shí)施例中，所述加熱裝置配置成用于直接加熱GC 柱。例如，加熱裝置可以包括所安裝的與GC柱熱接觸的電阻加熱元件。此外，GC裝置108 的微流體裝置可以包括加熱裝置。例如，加熱裝置可以被定位在微流體裝置的結(jié)構(gòu)中或安 裝至微流體裝置的側(cè)面，或者微流體裝置可被定位在加熱裝置的內(nèi)部。在利用直接加熱裝 置的實(shí)施例中，殼體142可以是另外包括常規(guī)間接加熱裝置的GC烘箱，該間接加熱裝置可 以與直接加熱裝置結(jié)合進(jìn)行操作或者作為其的一種替代。在一些實(shí)施例中，GC系統(tǒng)100的 某些組件比如GC單元可以被安裝至殼體142的壁。在這樣的實(shí)施例中，殼體142可以是加 裝有GC裝置108的預(yù)先存在的或市售可得的GC烘箱，或者根據(jù)與GC裝置108操作的需要 進(jìn)行修改或改動。
[0041] 樣品導(dǎo)入裝置120可以是配置成用于將樣品注入到GC入口 124中的任何裝置。樣 品注入可在自動、半自動或手動的基座上進(jìn)行。例如，樣品導(dǎo)入裝置120可以包括手動操作 的注射器或是自動采樣設(shè)備（或"自動進(jìn)樣器"）的一部分的注射器。樣品源可以位于樣品 導(dǎo)入裝置120的上游，或者可以是設(shè)置在樣品導(dǎo)入裝置120的一個或多個樣品容器（例如， 小瓶）。在后一種情況下，樣品容器可以被加載在選擇所需樣品用于注射到GC入口 124中 的傳送帶或其他裝置上。
[0042] GC入口 124可以具有適于將來自樣品導(dǎo)入裝置120的樣品流導(dǎo)入到來自載氣源 128的載氣流中的任何配置。GC入口 124可以以如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的各種方式處理 樣品/載氣混合物。GC入口 124可能具有分離、不分離、或分離/不分離（S/SL)的配置。 GC入口 124可以位于或部分地位于殼體（或烘箱）142中，在這種情況下，GC入口 124可被 封閉在絕熱杯中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解，載氣可以是適于用作便于樣品運(yùn)輸通過GC柱 的惰性流動相的任何氣體。載氣的示例包括但不限于氦氣、氮?dú)狻鍤庖约皻錃狻?br>[0043] 檢測器112可以是適于檢測從GC柱108洗脫的峰的任何檢測器。檢測器的示例 包括但不限于火焰離子化檢測器（FID)、熱導(dǎo)檢測器（TCD)、氮磷檢測器（NPD)、電子捕獲檢 測器（ECD)、火焰熱離子檢測器（FTD)、火焰光度檢測器（FPD)、原子發(fā)射檢測器（AED)等。 一般而言，可以利用各種各樣的檢測器，并且所示的檢測器112可以表示兩個或更多個不 同類型的檢測器的組合。在一些實(shí)施例中，檢測器112是分析儀器比如例如質(zhì)譜儀（MS)、離 子遷移率譜儀（MS)等或者是其一