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研究生： 周界志
Chieh-Chih Chou
論文名稱： 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
指導教授： 呂家榮
Lu, Chia-Jung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 145
中文關鍵詞： 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
英文關鍵詞： micro-chip, μGC, 2D-GC, CMS, parallel separation, VOCs
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：189  下載：10 
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    • 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。

    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 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.

    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 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 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 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 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   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 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 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 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 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

    [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, E. T. Zellers, Lab 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. W. Tjerkstra, M. de Boer, E. Berenschot, J. G. E. Gardeniers, A.van den Berg, M. C. Elwenspoek, Electrochimica Acta, 1997, 42, 3399-3406
    [4] M. J. de Boer, R. W. Tjerkstra, J. W. Berenschot, Henri V. Jansen, G. J. Burger, J. G. E. Gardeniers, Miko Elwenspoek, Albert van den Berg, Journal of Microelectromechanical Systems, 2000, 9, 94-103
    [5] G. Lambertus, A. Elstro, K. Sensenig, J. Potkay, M. Agah, S.Scheuering, K. Wise, F. Dorman, R. Sacks, Analytical Chemistry, 2004, 76, 2629-2637
    [6] A. D. Radadia, R. D. Morgan, R. I. Masel, M. A. Shannon, Analytical Chemistry, 2009, 81, 3471-3477
    [7] 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
    [8] Daniel, C. H., In Quantitative Chemical Analysis, Sixth Edition, New York
    [9] P. Marriott, R. Shellie, Trends in Analytical Chemistry, 2002, 21, 573-583
    [10] J. B. Phillips, J. Beens, Journal of Chromatography A, 1999, 856, 331-347
    [11] W. Bertsch, F. Hsu, A. Zlatkis, Analytical Chemistry, 1976, 48, 928-931
    [12] W. Bertsch, Journal of High Resolution Chromatography, 1999, 22, 647-665
    [13] J. C. Gidding, in: H.J. Cortes (Ed.), Multidimensional Chromatography – Techniques and Applications, Marcel Dekker, New York, 1990, pp. 1–27
    [14] Z. Liu, J. B. Phillips, Journal of Chromatographic Science, 1991, 29, 227-231
    [15] Thermo Fisher Corp. http://www.thermofisher.com/en/home.html
    [16] C. J. Venkatramani, J. Xu, J. B. Phillips, Analytical Chemistry, 1996, 68, 1486-1492
    [17] J. Dalluge, J. Beens, U.A.T. Brinkman, Journal of Chromatography A, 2003, 1000, 69-108
    [18] M. Adahchour, J. Beens, R.J.J. Vreuls, U.A.T. Brinkman, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2006, 25, 438-454
    [19] P. Korytár, P.E.G. Leonards, J. de Boer, U.A.Th. Brinkman, Journal of Chromatography A, 2002, 958, 203-218
    [20] C.J. Venkatramani, J.B. Phillips, Journal of Microcolumn Separations, 1993, 5, 511-516
    [21] J. B. Phillips, E. B. Ledford, Field Analytical Chemistry, Tech, 1996, 1, 23-29
    [22] P. J. Marriott, R. M. Kinghorn, Analytical Chemistry, 1997, 69, 2582-2588
    [23] J. V. Seeley, F. Kramp, C. J. Hicks, Analytical Chemistry, 2000, 72, 4346-4352
    [24] G. R. Lambertus, J.A. Crank, M. E. McGuigan, S. Kendler, D. W. Armstrong, R. D. Sacks, Journal of Chromatography A, 2006, 1135, 230-240
    [25] J. V. Seeley, N. J. Micyus, S. V. Bandurski, S. K. Seeley, J. D. McCurry, Analytical Chemistry, 2007, 79, 1840-1847
    [26] Bryan J. Prazen, Carsten A. Bruckner, Robert E. Synovec, Bruce R. Kowalski, Analytical Chemistry, 1999, 71, 1093-1099
    [27] Ying Liu, Chang-Qin Hu, Journal of Chromatography A, 2007, 1175, 259-266
    [28] J. Liu, M. K. K. Oo, K. Reddy, Y. B. Gianchandani, J. C. Schultz, H. M. Appel, X. Fan, Analytical Chemistry, 2012, 84, 4214-4220
    [29] J. Liu, J. H. Seo, Y. Li, D. Chen, K. Kurabayashi, X. Fan, Analytical Chemistry, 2013, 13, 818-825
    [30] B. X. Chen, T. Y. Hung, R. S. Jian, C. J. Lu, Lab on a Chip, 2013, 10, 1039-1048
    [31] C. J. Lu, J. Whiting, R. D. Sacks, E. T. Zellers, Analytical Chemistry, 2003, 75, 1400-1409
    [32] S. J. Kim, G. Serrano, K. D. Wise, K. Kurabayashi, E. T. Zellers, Analytical Chemistry, 2011, 83, 5556-5562
    [33] S. K. Kim, D. R. Burris, J. Bryant-Genevier, K. A. Gorder, E. M.Dettenmaier, E.T. Zellers, Environmental Science Technology, 2012, 46, 6073-6079
    [34] O. Amador-Muñoz , P. J. Marriott, Journal of Chromatography A, 2008, 1184, 323-340
    [35] J. L. Adcock, M. Adams, B. S. Mitrevski, P. J. Marriott, Analytical Chemistry, 2009, 81, 6797-6804
    [36] L. Xie, P. J. Marriott, M. Adams, Analytica Chimica Acta, 2003, 500, 211-222
    [37] H. Kong, F. Ye, X. Lu, L. Guo, J. Tian, G. Xu, Journal of Chromatography A, 2005, 1086, 160-164
    [38] W. Khummueng, J. Harynuk, P. J. Marriott, Analytical Chemistry, 2006, 78, 4578-4587
    [39] 鍾永信，以微層析晶片建構二維氣相層析方法之研究，國立台灣師範大學，2010
    [40] 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，2011

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