MEMS半填充微型气相色谱柱微流道设计及流场研究

基于微机电系统(MEMS)技术的微型气相色谱系统由于其便携性具有很高的研究价值。本文研究了流速均匀性对半填充微气相色谱柱分离效率的影响，并通过结构优化抑制传统半填充微型气相色谱柱流场的速度波动。提出了一种新型结构的半填充微型气相色谱柱(OSPC)。使用COMSOL Multiphysics软件对其内部流场进行模拟，与传统半填充微气相色谱柱(SPC)相比，OSPC结构可以有效提高流场均匀性。本文的研究为新型微气相色谱柱的设计提供了理论依据，并强调了均匀流速分布对提高气相色谱分离效率的重要性。

气相色谱法(GC)的主要功能是分离和分析复杂混合物中的化学成分，在药品检测[1] [2] [3]、化学检测[4] [5] [6] [7]、环境检测[8] [9] [10]等领域得到广泛应用。一套完整的气相色谱系统由载气系统、进样系统、色谱柱、检测系统、记录和数据处理系统组成，其中色谱柱是系统的核心部件。然而，传统气相色谱系统有体积大、功耗高，不适合户外检测的缺点。1970 年，特里团队首次在硅玻璃结构中制造出色谱柱，这是一种开管柱。此后，方螺旋形、圆螺旋形和蛇形等色谱柱布局方式相继问世。早期的色谱柱一般分为开管柱[11]和填充柱[12]两种类型，如图1(a)和图1(b)所示。开管柱的固定相以薄膜形式涂覆在柱通道内壁上，而填充柱的固定相则以小颗粒形式填装在柱通道内。在开管柱和填充柱之间选择，需要在样品容量和分离效率之间做出权衡。开管柱由于表面积相对较小，因此样品容量不大。填料型色谱柱具有更大的表面积，因此比开管柱具有更大的样品容量。但是，填充柱会产生较大的压降和涡流扩散效应，从而降低分离效率。Agah 团队提出了嵌入微柱的半填充柱概念，与开管柱相比，半填充柱具有更大的表面积，可以提供更大的样品量。与填充柱相比，半填充柱产生的压降和涡流扩散效应更小，从而提高了分离效率，这也是目前微GC 柱研究的主流方向[13] [14] [15] [16]。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，微型气相色谱技术可通过批量生产技术降低成本，减小现场测试的设备尺寸，降低功耗，缩短分析时间，并有可能创造性地扩展传统气相色谱难以实现的设计。

流场的均匀性对半填料色谱柱的分离性能有重要影响[17] [18]。

不均匀的流速分布会导致样品分子在传质过程中的速度不同，从而导致谱带变宽。并且在固定相涂敷时，均匀的流速分布有利于生成均匀的固定相层，从而在分离过程中获得良好的色谱带展宽[19] [20]。在半填充微GC 柱的研究中，学者们提出了矩形截面、圆形截面和椭圆形截面的半填充柱[13] [21] [22]。然而，模拟研究发现，流动方向上的速度波动很大。为了抑制流道中的速度波动，本文提出了新型微GC 柱结构，并使用COMSOL Multiphysics对通道中的速度场和压力场进行了模拟。