Интегрированный фотоионизационный микродетектор с ультратонким окном пропускания ультрафиолетового излучения
Предложен интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), содержащий микрофлюидную ионизационную камеру и микрофлюидную камеру ультрафиолетового излучения, выполненную с возможностью генерации ультрафиолетовых фотонов. Ультратонкое окно пропускания расположено между микрофлюидной ионизационной камерой и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения для прохода ультрафиолетовых фотонов из микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру. Также предложена система детектирования одного или более аналитов ЛОС, которая включает блок газовой хроматографии (ГХ), содержащий по меньшей мере одну колонку газовой хроматографии, и интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), расположенный после блока газовой хроматографии (ГХ). 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.
Государственная поддержка
Настоящее изобретение было выполнено при государственной поддержке в соответствии с RD-83564401-0, выданной Агентством по охране окружающей среды США. Правительство имеет определенные права на изобретение.
Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/740 583 от 3 октября 2018 г. Полное содержание вышеупомянутой заявки включено в этот документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к интегрированному фотоионизационному микродетектору со сверхтонким окном пропускания УФ-излучения.
Уровень техники
В этом разделе приведена информация об уровне техники касательно настоящего изобретения, что не обязательно является известным уровнем техники.
Газовую хроматографию (ГХ) широко используют для анализа летучих органических соединений (ЛОС) и других анализируемых соединений. При использовании для анализа ГХ-системы также обычно включают в себя детектор аналитов. Пламенно-ионизационные детекторы (ПИД) обычно используют в качестве детекторов пара для настольных ГХ-приборов. Однако ПИДы и мкПИДы (микро-ПИДы) являются деструктивными и поэтому ограничены в использовании. Например, ПИДы и мкПИДы нельзя размещать в середине пути потока пара для контроля многомерного разделения газовой хроматографии. Вместо этого их можно использовать только на конце ГХ-инструмента. Кроме того, для ПИД требуется использование водорода, что препятствует их широкому применению в микроустройствах газовой хроматографии. Детекторы теплопроводности (TCD) и мкTCD (микро-TCD) также использовались в качестве детекторов пара в сочетании с газовыми хроматографами. Они являются неразрушающими и имеют проточную конструкцию. Однако TCD страдают низкой чувствительностью (нанограмм) и требуют гелия. Детекторы электронного захвата (ДЭЗ) представляют собой еще один тип неразрушающего детектора пара. Хотя они очень чувствительны, они имеют ограниченный динамический диапазон и требуют использования радиоактивных материалов для ионизации аналита.
Фотоионизационный детектор (ФИД) - это еще один тип детектора пара. ФИДы чувствительны (пикограмм), являются неразрушающими и применимы к широкому спектру паров. В ФИД молекулы пара ионизируются внутри ионизационной камеры под действием ультрафиолетового (УФ) излучения, генерируемого УФ-лампой. Ионы, генерируемые в ионизационной камере, направляются затем на электроды для генерации тока. УФ-лампа обычно заполнена аргоном низкого давления, криптоном или другими газами для получения УФ-света при внешнем электрическом возбуждении. В УФ-лампах герметизирующие окна (т.е. окна, пропускающие УФ-излучение) формируют из специальных материалов, таких как фторид кальция, фторид магния или фторид лития. Такие материалы имеют сравнительно высокий коэффициент пропускания в интересующем диапазоне длин волн УФ-излучения. Однако такие материалы являются сравнительно дорогими и чувствительны к травлению водой, соляризации кристаллов и эффекту пожелтения из-за УФ-повреждения, что ухудшает характеристики УФ-лампы (и, следовательно, ФИД) и сокращает срок ее службы. Кроме того, такие обычные УФ-лампы несовместимы с процессами микропроизводства. Следовательно, сложно изготовить ФИД с помощью таких обычных УФ-ламп.
Сущность изобретения
В этом разделе приведена сущность изобретения, причем он не является всеохватывающим описанием всего его объема и всех его признаков.
В некоторых аспектах в настоящем изобретении предложен интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), который содержит микрофлюидную ионизационную камеру, имеющую вход, который принимает образец текучей среды, и выход, через который образец текучей среды выходит из микрофлюидной ионизационной камеры. Интегрированный микрофлюидный ФИД также содержит первый электрод и отдельный второй электрод, электрически соединенные с микрофлюидной ионизационной камерой. Микрофлюидная камера ультрафиолетового излучения сконфигурирована для генерации ультрафиолетовых фотонов. Интегрированный микрофлюидный ФИД также включает в себя ультратонкое окно пропускания, расположенное между микрофлюидной ионизационной камерой и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения, которое позволяет ультрафиолетовым фотонам проходить из микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру. В некоторых вариантах ультратонкое окно пропускания пропускает больше или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов.
В одном из аспектов ультратонкое окно пропускания содержит материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния, плавленого диоксида кремния, кварца, сапфира, фторида магния, фторида кальция, фторида лития и их комбинаций.
В одном из аспектов ультратонкое окно пропускания определено как одна или несколько выбранных областей на пластине.
В одном аспекте ультратонкое окно пропускания расположено на опорной пластине, и ультратонкое окно пропускания задано в некоторых областях опорной пластины.
В одном аспекте интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) также содержит стопку слоев, содержащую первый слой и второй слой. Ультратонкое окно пропускания задано в первом слое, и одна или несколько областей второго слоя, соответствующих ультратонкому окну пропускания, отсутствуют.
В одном аспекте ультратонкое окно пропускания имеет толщину, меньшую или равную примерно 20 мкм, и выполнено с возможностью пропускать больше или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов.
В одном аспекте ультратонкое окно пропускания имеет толщину от больше или равной примерно 250 нм до меньше или примерно равной 500 нм.
В одном аспекте микрофлюидная камера ультрафиолетового излучения имеет вход, в который подают текучую среду, генерирующую ультрафиолет.
В одном аспекте микрофлюидная камера ультрафиолетового излучения содержит текучую среду, генерирующую ультрафиолет, выбранную из группы, состоящей из криптона, аргона, гелия и их комбинаций.
В одном аспекте микрофлюидная ионизационная камера представляет собой один или несколько микрофлюидных каналов.
В одном аспекте один или несколько микрофлюидных каналов имеют общий объем менее примерно 10 мкл.
В одном аспекте первый электрод и отдельный второй электрод сформированы в слое из электропроводящего материала, и один или несколько микрофлюидных каналов расположены в слое, чтобы электрически изолировать первый электрод от второго отдельного электрода.
В некоторых других аспектах в настоящем изобретении предложена система детектирования одного или нескольких аналитов ЛОС, содержащая блок газовой хроматографии (ГХ), который содержит по меньшей мере одну колонку газовой хроматографии и интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), расположенный после блока газовой хроматографии (ГХ). Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) содержит микрофлюидную ионизационную камеру, имеющую вход, который принимает образец текучей среды, и выход, через который образец текучей среды выходит из микрофлюидной ионизационной камеры. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) также содержит первый электрод и отдельный второй электрод, электрически соединенные с микрофлюидной ионизационной камерой. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) также содержит микрофлюидную камеру ультрафиолетового излучения, которая выполнена с возможностью генерации ультрафиолетовых фотонов. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) также содержит ультратонкое окно пропускания, расположенное между микрофлюидной ионизационной камерой и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения, которое позволяет более или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов проходить из микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру. Микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) анализирует образец, обработанный в блоке газовой хроматографии (ГХ).
В одном из аспектов ультратонкое окно пропускания содержит материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния, плавленого диоксида кремния, кварца, сапфира, фторида магния, фторида кальция, фторида лития и их комбинаций.
В одном из аспектов ультратонкое окно пропускания определено как одна или несколько выбранных областей на пластине.
В одном аспекте ультратонкое окно пропускания расположено на опорной пластине, и ультратонкое окно пропускания определено в некоторых областях опорной пластины.
В одном аспекте интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) также содержит пакет слоев, содержащий первый слой и второй слой. Ультратонкое окно пропускания задано в первом слое, и одна или несколько областей второго слоя, соответствующих ультратонкому окну пропускания, отсутствуют.
В одном аспекте ультратонкое окно пропускания имеет толщину, меньшую или равную примерно 20 мкм, и выполнено с возможностью пропускать больше или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов.
В одном аспекте микрофлюидная ионизационная камера представляет собой один или несколько микрофлюидных каналов.
В одном аспекте первый электрод и отдельный второй электрод сформированы в слое из электропроводящего материала, и один или несколько микрофлюидных каналов расположены в слое, чтобы электрически изолировать первый электрод от второго отдельного электрода.
Дополнительные области применимости станут очевидными из представленного в этом документе описания. Описание и специфические примеры в этом разделе приведены только для иллюстрации, и не предполагается, что они ограничивают объем настоящего изобретения.
Описание чертежей
Описанные здесь чертежи приведены для иллюстрации только выбранных вариантов осуществления, а не всех возможных реализаций, и предполагается, что они не ограничивают объем настоящего изобретения.
На фиг. 1 схематически показан пример системы детектирования, включающей в себя блок газовой хроматографии (ГХ), который содержит по меньшей мере одну колонку газовой хроматографии и интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), расположенный после блока газовой хроматографии (ГХ).
На фиг. 2 показана иллюстрация интегрированного микрофлюидного фотоионизационного детектора (ФИД), имеющего ультратонкое окно пропускания, в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения.
На фиг. 3 приведен вид в поперечном разрезе интегрированного микрофлюидного фотоионизационного детектора (ФИД), показанного на фиг. 2, при этом сечение проведено вдоль линии 3-3.
На фиг. 4 приведена фотография ультратонкого окна пропускания ультрафиолетового (УФ) излучения, изображенного на кремниевой подложке, покрытой термоокислом.
На фиг. 5 показан график, сравнивающий способность пропускания ультрафиолета ультратонким окном пропускания ультрафиолетового (УФ) излучения, подготовленного в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения, по сравнению с воздушным окном.
Соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие части на нескольких изображениях на чертежах.
Подробное описание изобретения
Примеры осуществления изобретения приведены для того, чтобы описание изобретения было исчерпывающим и полностью передавало объем изобретения специалистам в данной области техники. Многочисленные специфические подробности изложены в виде примеров специфических составов, компонентов, устройств и способов, чтобы обеспечить полное понимание вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалистам в области техники будет очевидно, что специфические подробности использовать не обязательно, что примеры осуществления могут быть реализованы во многих различных формах, и что они не ограничивают объем изобретения. В некоторых примерах осуществления хорошо известные процессы, хорошо известные конструкции устройств и хорошо известные технологии подробно не описаны.
Терминология, используемая в этом документе, предназначена только для описания отдельных примеров реализации изобретения и не подразумевает ограничения. Используемые здесь формы единственного числа могут включать в себя формы множественного числа, если обратное не следует явно из контекста. Термины "содержит", "содержащий", "включающий в себя" и "имеющий" являются инклюзивными и, поэтому, описывают наличие определенных признаков, элементов, составов, шагов, целых чисел, операций и/или компонентов, но не препятствуют наличию или добавлению одного или более других признаков, целых чисел, шагов, процессов, элементов, компонентов и/или их групп. Хотя неограниченный термин "содержащий" следует понимать как неограничивающий термин, используемый для описания и утверждения различных вариантов осуществления, изложенных в данном документе, в определенных аспектах этот термин, а в качестве альтернативы, можно понимать как более ограничивающий и рестриктивный термин, например, "состоящий из" или "состоящий по существу из". Таким образом, для любого заданного варианта осуществления, содержащего композиции, материалы, компоненты, элементы, характеристики, целые числа, операции и/или этапы процесса, настоящее раскрытие, в частности, также включает в себя варианты осуществления, состоящие из или состоящие по существу из таких перечисленных композиций, материалов, компонентов, элементов, функций, целых чисел, операций и/или этапов процесса. В случае выражения "состоящий из" альтернативный вариант осуществления исключает любые дополнительные композиции, материалы, компоненты, элементы, свойства, целые числа, операции и/или этапы процесса, в то время как в случае "состоящий по существу из" любые дополнительные композиции, материалы, компоненты, элементы, характеристики, целые числа, операции и/или этапы процесса, которые существенно влияют на основные и новые характеристики, исключены из такого варианта осуществления, но любые композиции, материалы, компоненты, элементы, особенности, целые числа, операции и/или этапы процесса, которые существенно не влияют на основные и новые характеристики, могут быть включены в вариант осуществления.
Не следует считать, что этапы способов, процессы и операции, описанные в этом документе, обязательно требуется выполнять в определенном описанном или обсуждаемом порядке, если специально не указан порядок выполнения. Также понятно, что могут использоваться дополнительные или альтернативные этапы, если не указано иное.
Если говорится, что компонент, элемент или слой находится "на", "сцеплен с", "присоединен к" или "пристыкован к" другому элементу или слою, то он может находиться непосредственно на другом компоненте, элементе или слое, быть непосредственно сцепленным с ним, присоединенным к нему или пристыкованным к нему, либо могут иметься промежуточные элементы или слои. В отличие от этого, если говорится, что элемент находится "непосредственно на", "непосредственно сцеплен с", "непосредственно прикреплен к" или "непосредственно пристыкован к" другому элементу или слою, то промежуточных элементов или слоев быть не должно. Другие слова, используемые для описания взаимосвязей между элементами, следует интерпретировать аналогично (напр., "между" и "непосредственно между", "смежный" и "непосредственно смежный", и т.д.). Используемый в этом документе термин "и/или" включает в себя любые и все сочетания одного или нескольких соответствующих перечисленных элементов.
Хотя в этом документе могут быть использованы для описания различных этапов, элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций термины первый, второй, третий и т.д., эти этапы, элементы, компоненты, слои и/или секции не следует ограничивать этими терминами, если не указано обратное. Эти термины могут быть использованы только для отделения одного этапа, элемента, компонента, области, слоя или секции от другого этапа, элемента, компонента, области, слоя или секции. Такие термины, как "первый", "второй" и другие числовые термины, используемые в этом документе, не подразумевают последовательность или порядок, если это явно не указано в контексте. Таким образом, первый этап, элемент, компонент, область, слой или секция, обсуждаемый ниже, может быть назван вторым этапом, элементом, компонентом, областью или секцией, не отходя от идей вариантов осуществления.
Относительные пространственные или временные термины, такие как "до", "после", "внутренний", "наружный", "ниже", "под", "нижний", "над", "выше" и т.п. могут использования для упрощения описания, чтобы описать взаимосвязь одного элемента или признака с другим элементом (элементами) или признаком (признаками), как показано на фигурах. Может предполагаться, что относительные пространственные или временные термины охватывают различные ориентации устройства или системы при использовании или при работе в дополнение к изображенной на фигурах ориентации.
В этом описании числовые значения представляют собой приблизительные меры или пределы диапазонов, чтобы охватить незначительные отклонения от заданных значений, и вариантов осуществления, имеющих примерно упомянутое значение, а также тех, которые имеют точно указанное значение. За исключением рабочих примеров, представленных в конце подробного описания, все числовые значения параметров (например, количеств или условий) в этом описании, включая прилагаемую формулу изобретения, следует понимать как модифицированные во всех случаях термином "примерно", независимо от того, действительно ли "примерно" стоит перед числовым значением или нет. "Примерно" означает, что указанное числовое значение допускает некоторую небольшую неточность (с некоторым приближением к точности в значении; приблизительно или достаточно близко к значению; почти). Если неточность, обеспечиваемая выражением "примерно", не понимают в данной области техники в этом обычном значении, то "примерно", используемое здесь, указывает по меньшей мере на вариации, которые могут возникнуть в результате обычных способов измерения и использования таких параметров. Например, "примерно" может содержать отклонение меньше или равное 5%, как вариант, меньше или равное 4%, как вариант, меньше или равное 3%, как вариант, меньше или равное 2%, как вариант, меньше или равное 1%, как вариант, меньше или равное 0,5%, а в некоторых аспектах, как вариант, меньше или равное 0,1%.
Кроме того, раскрытие диапазонов включает в себя раскрытие всех значений и дополнительно разделенных диапазонов в пределах всего диапазона, включая конечные точки и поддиапазоны, заданные для диапазонов.
Теперь со ссылкой на сопровождающие чертежи будут более полно описаны примеры осуществления.
Системы детектирования, использующие газовую хроматографию, можно использовать для обнаружения присутствия определенных анализируемых веществ, таких как ЛОС или других соединений. В таких системах детектор пара в виде микрофлюидного ФИД, подобного тем, которые подготовлены в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения, используют вместе с колонкой газовой хроматографии (ГХ). Образец пара для анализа сначала вводят в колонку ГХ. В некоторых аспектах колонка ГХ может быть миниатюрной в виде микро-ГХ (мкГК). Затем образец транспортируют через колонку с помощью инертного газа-носителя, и образец разделяют в колонке ГХ в соответствии с физическими свойствами каждого соединения (аналита) в образце. Каждое элюированное соединение выходит из колонки ГХ и поступает в блок детектора пара, который может представлять собой фотоионизационный детектор (ФИД) или микрофлюидный ФИД (мкФИД), как описано ниже. В других конструкциях ФИД или мкФИД блоки детектора пара могут быть использованы в промежуточных положениях внутри колонки ГХ для обнаружения аналитов. Как обсуждается в данном документе, если не указано иное, ФИД и мкФИД используют взаимозаменяемо.
ФИДы обычно используют фотоны высокой энергии (например, в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн) для диссоциации элюированных молекул аналита на положительно заряженные ионы. Часто в ФИД используют разрядный газ, такой как инертный газ (например, криптон и аргон), который ионизируют в камере разрядной лампы. Внешняя энергия (например, высокочастотная энергия) может поглощаться разрядным газом, так что атомы в разрядном газе переходят в возбужденное состояние. В разрядной камере УФ-лампы каждый ион может объединяться с другим атомом для испускания одного или нескольких фотонов. Элюированные соединения попадают в устройство ФИД в ионизационной камере. Ионизационная камера и камера газоразрядной лампы обычно отделены друг от друга оптически прозрачным окном, которое позволяет фотонам высокой энергии проходить в ионизационную камеру. Типичное окно пропускания сформировано из такого материала, как фторид магния, фторид кальция или фторид лития, и имеет толщину от примерно 0,1 мм (примерно 100 мкм) до примерно 10 мм. Ионизационную камеру, содержащую элюированные соединения, затем бомбардируют фотонами, генерируемыми ионизированным разрядным газом из камеры газоразрядной лампы.
Фотоны/энергию затем поглощают молекулы аналита, которые переходят в возбужденное состояние и ионизируются в отдельной ионизационной камере, в конечном итоге образуя положительно заряженные ионы. Таким образом, исходя из относительного времени удерживания в колонке ГХ, различные молекулы аналита в образце разделяют, элюируют в разное время, и затем они попадают в камеру, где их ионизируют фотонами, испускаемыми ионизированным разрядным газом.
Таким образом, газ становится электрически заряженным, и ионы производят электрический ток, который становится выходным сигналом, связанным с концентрацией ионизированных молекул анализируемого вещества. По мере того как каждое ионизированное соединение проходит через один или несколько собирающих электродов рядом с ионизационной камерой, генерируется электрический ток. Таким образом, анализируемые соединения могут быть идентифицированы на основе их времени удерживания и количественно определены с помощью сигнала ФИД (или тока, генерируемого ФИД).
В различных аспектах настоящее раскрытие предполагает интегрированный фотоионизационный детектор (ФИД), который в некоторых вариантах может представлять собой микрофлюидный ФИД (мкФИД), как дополнительно обсуждается ниже. МкФИД содержит микрофлюидную ионизационную камеру для приема и обработки образца жидкости. Первый электрод и отдельный второй электрод электрически соединены с микрофлюидной ионизационной камерой. МкФИД также содержит интегрированную микрофлюидную камеру ультрафиолетового излучения, которая выполнена с возможностью генерации ультрафиолетовых фотонов. Ультратонкое окно пропускания расположено между микрофлюидной ионизационной камерой и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения, которое позволяет ультрафиолетовым фотонам проходить из микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру.
В настоящем раскрытии в определенных аспектах предложена система 20 детектирования одного или нескольких летучих органических соединений (ЛОС) или других целевых аналитов, такая как показанная на фиг. 1. В системе 10 детектирования блок 20 газовой хроматографии (ГХ) содержит по меньшей мере одну колонку 22 газовой хроматографии. Предполагается, что используемый термин "колонка" в широком смысле включает в себя различные пути потока, по которым могут течь текучие среды, такие как структурированное поле потока от микроструктур, заданных на одной или нескольких подложках, или другие пути потока текучей среды, известные специалистами в данной области техники. После блока 20 газовой хроматографии (ГХ) расположен интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (мкФИД) 30.
В некоторых аспектах блок 20 ГХ представляет собой микрофлюидный ГХ (мкГХ), а ФИД 30 представляет собой микрофлюидный ФИД (мкФИД). В различных аспектах в изобретении предложены способы формирования и устройства, имеющие признаки или каналы микромасштаба и, следовательно, являющиеся микрофлюидными. В некоторых аспектах признак, такой как канал или камера, как вариант, меньше микромасштаба, например, представляет собой наноразмерную структуру. Используемый в этом документе термин "микромасштаб" относится к структуре, имеющей по меньшей мере один размер, который составляет менее примерно 500 мкм, как вариант, менее примерно 400 мкм, как вариант, менее примерно 300 мкм, как вариант, менее примерно 200 мкм, как вариант, менее примерно 150 мкм, а в некоторых вариантах, как вариант, менее примерно 100 мкм. "Наноразмерная" структура имеет по меньшей мере один размер, который меньше или равен примерно 50 мкм, как вариант, меньше или равен примерно 10 мкм (10000 нм), как вариант, меньше или равен примерно 1 мкм (1000 нм), как вариант, менее или равно примерно 0,1 мкм (100 нм), как вариант, менее примерно 50 нм и, как вариант, менее примерно 10 нм. В данном контексте упоминание микромасштаба, микроканала, микрофлюидного канала или микроструктуры охватывает более мелкие структуры, такие как эквивалентные наноразмерные структуры.
Микрофлюидный канал представляет собой микроканал, сформированный внутри или на подложке, который имеет площадь поперечного сечения и объем, достаточные для того, чтобы микрофлюидный канал мог принимать, передавать и/или хранить материалы, включая текучие среды. Текучие среды включают в себя газы, пары, жидкости и т.п. Таким образом, микрофлюидный канал обычно имеет такие размеры, что длина структуры образует наибольший размер, например канавки (открытая форма) или канала (структурно закрытая геометрия). В некоторых вариантах микрофлюидные каналы могут быть полностью закрытыми структурами, ограничивающими пустую область, которая допускает жидкостное сообщение через себя, как описано далее в данном документе. Микрофлюидные каналы могут иметь различные формы поперечного сечения, включая кольцевую, круглую или овальную (образующую трубку или цилиндрическую форму), прямоугольную и т.п.
Системы 20 детектирования, основанные на газовой хроматографии, обычно содержат по меньшей мере пять компонентов: (1) источник 24 газа-носителя; (2) систему 26 ввода образца текучей среды; (3) одну или несколько колонок 22 газовой хроматографии; (4) детектор, такой как микрофлюидный ФИД 30; и (5) систему обработки данных (не показана). Газ-носитель (также называемый подвижной фазой) представляет собой сравнительно инертный газ высокой чистоты, такой как гелий, водород, азот, аргон или воздух. Газ-носитель может протекать через колонку 22 ГХ одновременно с исследуемым образцом текучей среды (в течение всего процесса разделения). Система 26 ввода образца текучей среды вводит заданный объем образца смеси, содержащей один или несколько целевых аналитов, подлежащих тестированию (например, в газообразной форме), в колонку путем объединения ее с текущим газом-носителем из источника газа-носителя. Обычно разделения достигают внутри хроматографической колонки 22, потому что внутренние поверхности колонки покрыты (или внутренняя часть колонки заполнена) материалом, который выступает в качестве стационарной фазы. Стационарная фаза адсорбирует различные целевые аналиты в образце смеси с разной степенью. Различия в адсорбции приводят к разным задержкам и, таким образом, коэффициентам подвижности для различных химических веществ по мере их прохождения по колонке, тем самым влияя на физическое разделение целевых аналитов в образце смеси. Примечательно, что хотя блок 20 газовой хроматографии (ГХ) показан только в виде одной колонки 22 ГХ, он может содержать несколько колонок, через которые может проходить образец текучей среды. Кроме того, такие системы детектирования могут включать в себя различные другие компоненты, такие как модуляторы и тому подобное.
Детектор, такой как микрофлюидный ФИД 30, расположен после выхода 32 одной или нескольких колонок 22 ГХ. МкФИД 30 интегрирован с блоком 20 газовой хроматографии (ГХ) и служит для обнаружения различных химикатов или целевых аналитов в образце, выходящих или элюирующих из колонки 22 в разное время. МкФИД 30 содержит микрофлюидную ионизационную камеру 40, имеющую вход 42, который принимает образец текучей среды, и выход 44, через который образец текучей среды выходит из микрофлюидной ионизационной камеры 40. Первый электрод и отдельный второй электрод (не показаны) также электрически соединены с микрофлюидной ионизационной камерой 40. Микрофлюидная камера 50 ультрафиолетового излучения сконфигурирована для генерации ультрафиолетовых фотонов. Окно 60 пропускания расположено между микрофлюидной ионизационной камерой 40 и микрофлюидной камерой 50 ультрафиолетового излучения, которое позволяет ультрафиолетовым фотонам проходить из микрофлюидной камеры 50 ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру 40. Таким образом, мкФИД анализирует образец, обработанный в блоке 20 газовой хроматографии (ГХ). Хотя это не показано, система обработки данных также обычно связана с мкФИД 30, чтобы иметь возможность хранить, обрабатывать и записывать результаты испытаний на разделение.
На фиг. 2 и 3 показано схематическое изображение и поперечное сечение типичного интегрированного микрофлюидного фотоионизационного детектора (мкФИД) 100, подготовленного в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. МкФИД 100 включает в себя подложку 110. В или на подложке 110 может быть образован один или несколько микрофлюидных каналов 118. На фиг. 2 и 3 структура 112 стенок сформирована на подложке 110, чтобы ограничивать один или несколько микрофлюидных каналов 118. Подложка 110 может быть сформирована из неорганического материала или полимера. В некоторых аспектах подложка 110 может быть стеклянной (например, диоксидом кремния или боросиликатом). В некоторых вариантах подложка 110 содержит множество слоев.
В некоторых вариантах структура 112 стенок может представлять собой слой или выбранные области из электропроводящего материала (например, проводящего кремниевого материала), сформированного на подложке 110. Таким образом, в определенных вариантах, когда структура 112 стенок является электропроводящей, структура 112 стенок может выступать в качестве положительного электрода и/или отрицательного электрода. Таким образом, по меньшей мере один слой структуры 112 стенок может содержать электропроводящий материал. Электропроводящий материал может быть сформирован из проводящего материала или полупроводникового материала (такого как легированный полупроводниковый материал). В некоторых аспектах электропроводящий материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из: кремния (Si) (например, легированного кремния), алюминия (Al), оксида индия-олова (ITO), золота (Au), серебра (Ag), платины (Pt), иридия (Ir), палладия (Pd), вольфрама (W), нержавеющей стали (SS), цинка (Zn), титана (Ti), их сплавов и оксидов, а также их комбинаций. По меньшей мере два слоя из множества могут иметь разные составы. Например, первый слой на подложке 110 может содержать легированный полупроводниковый материал, такой как легированный кремний, а второй слой, покрывающий первый слой, может содержать электропроводящий металл. В качестве альтернативы, в структуру 112 стенок в качестве электродов могут быть встроены электропроводящие материалы, которые находятся в контакте с одним или несколькими микрофлюидными каналами 118.
Структура 112 стенок может быть выборочно сформирована в определенных областях или, как вариант, удалена в выбранных областях в виде рисунка, который формирует один или несколько микрофлюидных каналов 118. В некоторых аспектах один или несколько микрофлюидных каналов 118 могут образовывать спиральный рисунок. Таким образом, один или несколько микрофлюидных каналов 118 могут определять извилистый узор на подложке. Под "извилистым" подразумевается, что канал для текучей среды представляет собой проточную конструкцию, которая изгибается и имеет по меньшей мере два изменения направления на 180° по ходу пути для текучей среды. Путь для текучей среды, определяемый одним или несколькими микрофлюидными каналами 118, таким образом, изогнут и позволяет избежать изменений направления, которые приводят к появлению застойных зон или уменьшению потока жидкости. Такой извилистый путь может определять спиральную структуру или структуру переплетенного типа. В одном варианте осуществления один или несколько микрофлюидных каналов 118 могут задавать спираль Архимеда. Один или несколько микрофлюидных каналов 118 могут быть вытравлены или сформированы в проводящей кремниевой пластине или слое, например, в виде канала в форме спирали Архимеда, сформированного в таком материале. В других вариантах один или несколько микрофлюидных каналов могут иметь другие конфигурации пути потока, включая прямолинейные пути потока.
В некоторых вариантах общий объем одного или нескольких микрофлюидных каналов 118 (или ионизационной камеры) меньше или равен примерно 10 мкл. В некоторых предпочтительных аспектах меньше или равен примерно 9 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 8 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 7 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 6 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 5 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 4 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 3 мкл, как вариант, меньше или равен примерно 2 мкл и в некоторых вариантах, как вариант, меньше или равен примерно 1,5 мкл Например, в одном варианте один или несколько микрофлюидных каналов 118 ограничивают объем ионизационной камеры всего около 1,3 мкл.
Кроме того, в некоторых аспектах устройство мкФИД 100 имеет незначительный общий мертвый объем в микрофлюидном канале. Общий мертвый объем одного или нескольких микрофлюидных каналов 118 может быть меньше или равен примерно 1% от общего объема микрофлюидного канала, например, когда общий объем одного или нескольких микрофлюидных каналов составляет 5 мкл, мертвый объем меньше или равный 1% будет представлять собой мертвый объем, меньше или равный приблизительно 0,05 мкл или 50 нл. В некоторых других вариантах общий мертвый объем одного или нескольких микрофлюидных каналов 118 может быть меньше или равен примерно 0,9% от общего объема одного или нескольких микрофлюидных каналов, как вариант, меньше или равен примерно 0,7% от общего объема одного или нескольких микрофлюидных каналов, как вариант, меньше или равен примерно 0,6% от общего объема одного или нескольких микрофлюидных каналов, а в некоторых вариантах меньше или равен примерно 0,5% от общего объема одного или нескольких микрофлюидных каналов. В некоторых других вариантах мертвый объем одного или нескольких микрофлюидных каналов может быть меньше или равен примерно 30 нл, как вариант, меньше или равен примерно 25 нл, как вариант, меньше или равен примерно 15 нл, как вариант, меньше или равен примерно 10 нл, как вариант, меньше или равен примерно 5 нл, как вариант, меньше или равен примерно 4 нл, как вариант, меньше или равен примерно 3 нл, а в некоторых вариантах, как вариант, меньше или равен примерно 2 нл.
Микрофлюидный канал может иметь ширину от больше или равной примерно 50 мкм до меньше или равной примерно 200 мкм, как вариант, от больше или равной примерно 100 мкм до меньше или равной примерно 200 мкм, и в некоторых аспектах, как вариант, от больше или равной примерно 125 мкм до меньше или равной примерно 175 мкм. В некоторых других вариантах микрофлюидный канал имеет высоту или глубину от больше или равной примерно 100 мкм до меньше или равной примерно 600 мкм, как вариант, от больше или равной примерно 200 мкм до меньше или равной примерно 500 мкм, как вариант, от больше или равной примерно 300 мкм до меньше или равной примерно 400 мкм и в некоторых аспектах, как вариант, от больше или равной примерно 350 мкм до меньше или равной примерно 400 мкм. Общая длина микрофлюидного канала может быть больше или равна примерно 0,5 см, но меньше или равна примерно 10 см, как вариант, больше или равна примерно 1 см и меньше или равна примерно 5 см, и в некоторых аспектах, как вариант, больше или равна примерно 2 см и меньше или равна примерно 3 см. Толщина стенки (например, между соответствующими проходами, примыкающими друг к другу в микрофлюидных каналах) может быть от больше или равной примерно 10 мкм до меньше или равной примерно 100 мкм, как вариант, от больше или равной примерно 25 мкм до меньше или равной примерно 75 мкм и в некоторых аспектах, как вариант, от больше или равной примерно 40 мкм до меньше или равной примерно 60 мкм. В одном варианте осуществления микрофлюидный канал имеет поперечное сечение 150 мкм (ширина) × 380 мкм (глубина), толщину стенки 50 мкм и длину 2,3 см.
Как отмечено выше, микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) 100 также включает в себя первый электрод и второй электрод противоположной полярности. Например, структура стенок 112 может ограничивать область 114 первого электрода и отдельную область 116 второго электрода. Область 114 первого электрода и область 116 второго электрода могут быть сформированы в выбранных областях одного или нескольких слоев структуры 112 стенок на подложке 110. Структура 112 стенок может иметь одну или несколько непроводящих областей 108. В некоторых вариантах подложка 110 содержит выбранные области, имеющие первый слой из легированного кремния и второй слой из электропроводящего металла, причем выбранные области представляют собой отдельные области, которые соответствуют соответствующей области 114 первого электрода и области 116 второго электрода. Область 114 первого электрода может быть отделена и электрически изолирована от области 116 второго электрода одним или несколькими микрофлюидными каналами 118. Микрофлюидный канал 118 может быть сформирован в структуре 112 стенок и, таким образом, может разделять и ограничивать область 114 первого электрода и область 116 второго электрода. В некоторых аспектах, дно микрофлюидного канала 118 может представлять собой подложку 110, или, как вариант, хотя это не показано, один или несколько микрофлюидных каналов могут быть полностью сформированы в структуре 112 стенок, так что боковые стенки и дно/нижняя часть заданы в ней.
Область 114 первого электрода и область 116 второго электрода могут быть подключены к внешнему положительному и отрицательному выводу источника питания (не показан). Хотя это не показано, к области 114 первого электрода и к области 116 второго электрода с противоположной полярностью может быть подключена схема силового привода, подключенная к источнику питания. Области 114, 116 первого и второго электродов могут быть подключены к усилителю (не показан) для образования замкнутой цепи. В некоторых аспектах источник питания может представлять собой источник питания низкого напряжения, имеющий максимальное напряжение, меньшее или равное примерно 20 вольт постоянного тока (VDC). Таким образом, электроды, ограниченные областью 114 первого электрода и областью 116 второго электрода обеспечивают возможность измерения электрических сигналов, генерируемых ионизированными аналитами в одном или нескольких микрофлюидных каналах 118, когда их бомбардируют и возбуждают фотонами.
Устройство мкФИД 100 также включает в себя вход 122 для одного или нескольких микрофлюидных каналов 118, которые служат в качестве микрофлюидной ионизационной камеры. Также имеется выход 124 для одного или нескольких микрофлюидных каналов 118. Таким образом, газ-носитель, содержащий один или несколько целевых аналитов, может выходить из колонки для ГХ и поступать на вход 122, где он проходит через один или несколько микрофлюидных каналов 118. Как обсуждалось выше, аналиты в текучей среде, протекающей через микрофлюидную ионизационную камеру (один или несколько микрофлюидных каналов 118), могут быть ионизированы, и может быть измерен заряд. Область 114 первого электрода и область 116 второго электрода могут детектировать ток, генерируемый целевым аналитом(ами) при УФ-ионизации. Затем, текучая среда может выходить из микрофлюидной ионизационной камеры (из одного или нескольких микрофлюидных каналов 118) через выход 124.
Устройство мкФИД 100 также включает в себя источник электромагнитного излучения или света, который может представлять собой микрофлюидную камеру ультрафиолетового излучения или микрофлюидную разрядную камеру 130, которая выполнена с возможностью генерировать ультрафиолетовые фотоны. Микрофлюидная разрядная камера 130 может иметь вход 132 и может быть заполнена текучей средой, генерирующей ультрафиолет, такой как криптон, аргон, гелий и другие чистые или смешанные газы, которые, как известно в данной области техники, генерируют ультрафиолетовый свет. В одном аспекте текучая среда, генерирующая ультрафиолет, может быть выбрана из группы, состоящей из криптона, аргона, гелия и их комбинаций. Вход 132 может быть закрыт после заполнения текучей средой, генерирующей ультрафиолет. В качестве альтернативы, микрофлюидная разрядная камера 130 может иметь выход 134, так что генерирующая ультрафиолет текучая среда может протекать на вход 132 и выходить из микрофлюидной разрядной камеры 130 через выход 134. Микрофлюидная разрядная камера 130 также может иметь непроводящую крышку 136, расположенную на краях открытой камеры.
Интегрированная микрофлюидная разрядная камера 130 генерирует свет или электромагнитное излучение внутри интегрированной лампы, и, следовательно, фотоны, которые направляют к содержимому одного или нескольких микрофлюидных каналов 118. Как показано, первый возбуждающий электрод 140 и второй возбуждающий электрод 142 противоположной полярности расположены в виде рисунка в покровном слое 144, который обычно соответствует рисунку одного или нескольких микрофлюидных каналов 118, расположенных ниже. Таким образом, когда ток или потенциал прикладывают к первому возбуждающему электроду 140 и второму возбуждающему электроду 142, текучая среда, генерирующая ультрафиолет, возбуждается и генерирует фотоны в областях, соответствующих одному или нескольким микрофлюидным каналам 118.
Особенно подходящий свет попадает в спектр ультрафиолетового электромагнитного излучения. В некоторых вариантах свет может представлять собой ультрафиолетовое излучение (УФ) (включая ультрафиолет A, ультрафиолет B, ультрафиолет C, ближний ультрафиолет, средний ультрафиолет, дальний ультрафиолет, крайний ультрафиолет и вакуумный ультрафиолет) с длиной волны от больше или равной примерно 10 нм до меньше или равной примерно 400 нм. В других вариантах свет может представлять собой ультрафиолетовое излучение в диапазоне длины волны от более или равной примерно 100 нм до меньше или равной примерно 400 нм (включая ультрафиолет A, ультрафиолет B, ультрафиолет C). В частности, свет может представлять собой отфильтрованный свет, сфокусированный светом, поляризованный свет или может быть внеспектральным или представлять собой смесь различных длин волн.
В некоторых вариантах, как дополнительно описано ниже, окно УФ-пропускания может быть ультратонким и, таким образом, в определенных вариантах осуществления может иметь субмикронную толщину. Таким образом, ультратонкое окно 150 пропускания расположено между микрофлюидной ионизационной камерой в виде одного или нескольких микрофлюидных каналов 118 и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения в виде микрофлюидной разрядной камеры 130. Ультратонкое окно 150 пропускания позволяет достаточному количеству ультрафиолетовых фотонов проходить из микрофлюидной разрядной камеры 130 в один или несколько микрофлюидных каналов 118, которые служат в качестве микрофлюидной ионизационной камеры для возбуждения одного или нескольких целевых аналитов до детектируемого уровня. В некоторых аспектах термин "пропускание" означает, что ультратонкое окно прозрачно для целевого диапазона длин волн электромагнитной энергии, например, в ультрафиолетовых диапазонах длин волн, описанных выше. Таким образом, в определенных аспектах окно пропускания пропускает больше или равно примерно 5% электромагнитной энергии в заранее определенном диапазоне длин волн, как вариант, больше или равно примерно 10%, как вариант, больше или равно примерно 20%, как вариант, больше или равно примерно 30%, как вариант, больше или равно примерно 40%, как вариант, больше или равно примерно 50%, как вариант, больше или равно примерно 60%, как вариант, больше или равно примерно 70%, как вариант, больше или равно примерно 80%, как вариант, больше или равно примерно 90%, и в некоторых аспектах, как вариант, больше или равно примерно 95% электромагнитной энергии в заранее заданном диапазоне длин волн (например, в ультрафиолетовых диапазонах спектра). В некоторых вариантах ультратонкое окно пропускания имеет толщину меньше или равную примерно 20 мкм и выполнено с возможностью пропускать больше или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов или любого из уровней передачи ультрафиолетовых фотонов, указанных выше.
Толщина сверхтонкого окна 150 пропускания может быть меньше или равна примерно 20 микрометрам (мкм), как вариант, меньше или равна примерно 10 мкм, как вариант, меньше или равна примерно 5 мкм, как вариант, меньше или равна примерно 4 мкм, как вариант, меньше или равна примерно 3 мкм, как вариант, меньше или равна примерно 2 мкм и в некоторых вариантах, как вариант, меньше или равна примерно 1 мкм. В некоторых вариантах выбора толщина сверхтонкого окна 150 пропускания может быть меньше или равна примерно 500 нм, как вариант, меньше или равна примерно 450 нм, как вариант, меньше или равна примерно 400 нм, как вариант, меньше или равна примерно 350 нм, как вариант, меньше или равна примерно 300 нм, как вариант, меньше или равна примерно 250 нм, как вариант, меньше или равна примерно 200 нм, как вариант, меньше или равна примерно 150 нм, как вариант, меньше или равна примерно 100 нм и в некоторых вариантах, как вариант, меньше или равна примерно 50 нм. В некоторых вариантах толщина сверхтонкого окна 150 пропускания может быть больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 20 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 10 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 5 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 4 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 3 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 2 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 1 мкм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 500 нм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 250 нм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 250 нм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 200 нм, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньше или равна примерно 150 нм и в некоторых вариантах, как вариант, больше или равна примерно 50 нм, но меньшей или равна примерно 100 нм.
Как обсуждается ниже, ультратонкое окно 150 пропускания может представлять собой ультратонкую пластину или может представлять собой одну или несколько выбранных ультратонких областей или слоев, выполненных в более толстой пластине или слоях материала. В некоторых аспектах ультратонкое окно 150 пропускания может быть расположено над одним или несколькими микрофлюидными каналами 118. В некоторых вариантах ультратонкое окно 150 пропускания размещено по меньшей мере над частью одного или нескольких микрофлюидных каналов 118, таким образом формируя верхнюю стенку (например, четвертую сторону трехстороннего канала) для ограждения микрофлюидного канала(ов) 118. Однако ультратонкое окно 150 пропускания не обязательно должно контактировать с одним или несколькими микрофлюидными каналами 118, а вместо этого может быть расположено рядом с микрофлюидным каналом и может оставлять небольшой зазор, например, расположенный на расстоянии от менее нескольких миллиметров до менее чем примерно 10 мкм от одного или нескольких микрофлюидных каналов 118. Таким образом, источник ультрафиолетового света в виде микрофлюидной разрядной камеры 130 расположен и сконфигурирован так, чтобы направлять фотоны к образцам текучих сред, которые могут присутствовать в одном или нескольких микрофлюидных каналах. Таким образом, один или несколько микрофлюидных каналов 118 служат в качестве ионизационной камеры для присутствующих и протекающих в них анализируемых соединений.
В частности, в некоторых вариантах ультратонкое окно пропускания может быть изготовлено на микропроизводстве из материала, подобного диоксиду кремния, который обычно считался непригодным для такого применения, поскольку такой материал считают непрозрачным для УФ-излучения. Известно, что диоксид кремния имеет чрезвычайно низкий коэффициент пропускания (или чрезвычайно высокий коэффициент ослабления) в интересующем УФ-спектре (например, для длин волн от примерно 140 нм до примерно 70 нм, что соответствует энергии УФ-фотонов от 9 эВ до 17,5 эВ). Поэтому диоксид кремния традиционно не рассматривали в качестве материала, который можно было бы использовать в качестве окна пропускания УФ-излучения для устройства ФИД. Однако при использовании определенных методов микротехнологии, описанных в этом документе, диоксид кремния может быть сформирован как часть окна пропускания, которое имеет сверхтонкую толщину и, следовательно, становится прозрачным в целевом УФ-спектре. Более конкретно, доля проходящего потока УФ-фотонов определяется как (1-А×t), где A - коэффициент ослабления диоксида кремния, а t - толщина окна пропускания. Несмотря на большое значение A, A×t становится сравнительно небольшим (что означает, что он становится прозрачным для ультрафиолета), когда величина t очень малая (например, когда t имеет субмикронную толщину). Однако в настоящем изобретении предполагают формирование сверхтонких окон пропускания не только из кремнийсодержащих материалов, таких как диоксид кремния (например, кремнезём), плавленый диоксид кремния, кремний, но также из различных других материалов, таких как фторид магния (MgF2), фторид кальция (CaF2), фторид лития (LiF) и т.п. В некоторых вариантах ультратонкое окно пропускания содержит материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния, плавленого диоксида кремния, кремния, кварца, сапфира, фторида магния, фторида кальция, фторида лития и их комбинаций.
В некоторых вариантах для поддержания механической целостности окно пропускания спроектировано в виде пластины, имеющей одну или несколько выбранных областей с ультратонкой толщиной для пропускания УФ-электромагнитного излучения/фотонов, в то время как оставшиеся области пластины за пределами одной или нескольких выбранных областей могут оставаться сравнительно толстыми, так как они непрозрачны. Более толстые непрозрачные области имеют толщину больше, чем толщина ультратонких областей пропускания. В некоторых вариантах отношение средней первой толщины ультратонкой области пропускания к средней второй толщине оставшихся непрозрачных более толстых областей может быть меньше или равно примерно 1:2, как вариант, меньше или равно примерно 1:3, как вариант, меньше или равно примерно 1:4, как вариант, меньше или равно примерно 1:5 и в некоторых вариантах, как вариант, меньше или равно примерно 1:5.
В некоторых вариантах более толстые области имеют толщину больше примерно 500 нм, как вариант, больше или равную примерно 600 нм, как вариант, больше или равную примерно 700 нм, как вариант, больше или равную примерно 750 нм, как вариант, больше чем или равную примерно 800 нм, как вариант, больше или равную примерно 900 нм, как вариант, больше или равную примерно 1 мкм, как вариант, больше или равную примерно 2 мкм, как вариант, больше или равную примерно 3 мкм, как вариант, больше или равную примерно 4 мкм, как вариант, больше или равную примерно 5 мкм, как вариант, больше или равную примерно 10 мкм, а в некоторых вариантах, как вариант, больше или равную примерно 20 мкм.
В других аспектах окно пропускания может быть сборкой, включающей в себя несколько слоев, например, один слой может быть ультратонким слоем, а другой слой может быть одним или несколькими более толстыми слоями. Таким образом, окно пропускания может быть сформировано в виде пакета слоев, содержащего первый слой и второй слой. Ультратонкое окно пропускания задано в первом слое, и одна или несколько областей второго слоя, соответствующих ультратонкому окну пропускания, отсутствуют. Следовательно, выбранные области одного или нескольких более толстых слоев могут быть удалены, чтобы обеспечить пропускание УФ-излучения через ультратонкий слой в выбранных областях. Удаление может быть достигнуто с помощью методов формирования наноструктуры, травления, литографии или фотолитографии. В некоторых аспектах материал, образующий окно пропускания, может быть таким, который можно обрабатывать с помощью таких технологий литографии, фотолитографии или формирования наноструктуры, например, диоксид кремния, кремний, кварц, плавленый кварц и т.п.
На фиг. 4 показано изображение ультратонкого окна пропускания, выполненного в соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия. Окно, пропускающее ультрафиолетовое излучение, из диоксида кремния субмикронной толщины (например, 500 нм), формируют на кремниевой пластине, имеющей термооксидное покрытие. Термическое окисление происходит после воздействия на кремниевую пластину комбинации окислителей (и, возможно, тепла) для создания термического оксидного слоя, содержащего диоксид кремния (SiO2) или кремнезем. Чтобы сохранить его механическую целостность, окно пропускания, содержащее диоксид кремния, может быть спроектировано таким образом, чтобы некоторые части были чрезвычайно тонкими (например, толщиной меньше или равной примерно 500 нм), тогда как остальные части могли оставаться сравнительно толстыми. Для обеспечения механической прочности создают периодический узор с небольшой открытой площадью и вытравливают со стороны кремния (то есть со стороны, противоположной стороне, имеющей покрытие из термоокисла). Слой термоокисла (т.е. слой диоксида кремния) служит слоем, препятствующим травлению. Толщину окна пропускания диоксида кремния контролируют слоем термоокисла на кремниевой пластине. Таким образом, рисунок травления создает рисунок из выбранных областей диоксида кремния, которые ограничивают окно пропускания для УФ-излучения/фотонов. В качестве неограничивающего примера такие окна пропускания могут быть сформированы стандартными способами фотолитографии в чистом помещении.
Примеры
Тестирование способности ультратонкого кварцевого окна пропускать УФ-излучение. В этом исследовании УФ-лампу, используемую в обычном ФИД, приобрели у Baseline-Mocon и использовали в качестве УФ-источника (энергия УФ-фотонов 10,6 эВ, длина волны приблизительно 120 нм). Лампу поместили непосредственно сверху ультратонкого окна, пропускающего УФ-излучение, из диоксида кремния, сформированного в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. В качестве аналита использовали толуол, и его пропускали через микрофлюидную ионизационную камеру под окном из диоксида кремния. Получили сигнал ~ 0,01 В (столбик справа на фиг. 5). Для сравнения, в столбике слева на фиг. 5 окно из диоксида кремния заменено кремниевой пластиной, имеющей воздушное окно (что означает, что часть кремниевой пластины полностью протравлена насквозь) с той же площадью пропускания УФ-излучения, что и у окна из диоксида кремния. Сигнал 0,05 В получили при тех же условиях тестирования, что и для окна из диоксида кремния. Приведенное выше сравнение показывает, что ультратонкое окно из диоксида кремния может эффективно пропускать УФ-свет.
Вышеприведенное описание вариантов осуществления было приведено для целей иллюстрации и описания. Не предполагается, что оно является всеохватывающим или ограничивающим изобретение. Отдельные элементы или признаки определенного варианта осуществления, в целом, не ограничены этим конкретным вариантом осуществления, но, где допустимо, они могут быть заменимыми и могут использоваться в выбранном варианте осуществления, даже если специально не были показаны или описаны. Их также можно изменять многими способами. Такие изменения не следует рассматривать как отклонение от изобретения, и полагается, что все такие модификации включены в объем изобретения.
1. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), содержащий: микрофлюидную ионизационную камеру, имеющую вход, который принимает образец текучей среды, и выход, через который образец текучей среды выходит из микрофлюидной ионизационной камеры; первый электрод и отдельный второй электрод, электрически соединенные с микрофлюидной ионизационной камерой; интегрированную микрофлюидную камеру ультрафиолетового излучения для генерации ультрафиолетовых фотонов; и окно пропускания, расположенное между микрофлюидной ионизационной камерой и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения, при этом окно пропускания ограничивает одну или более ультратонких областей пропускания, имеющих толщину, меньшую или равную примерно 500 нм, которые позволяют пропускать ультрафиолетовые фотоны из микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру.
2. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по п. 1, в котором окно пропускания содержит материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния, плавленого диоксида кремния, кремния, кварца, сапфира, фторида магния, фторида кальция, фторида лития и их комбинаций.
3. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по п. 1 или 2, в котором ультратонкие области пропускания сформированы в виде одной или более выбранных областей на пластине.
4. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-3, в котором окно пропускания расположено на опорной пластине, и ультратонкие области пропускания сформированы как одна или более выбранных областей на опорной пластине.
5. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-4, в котором окно пропускания также содержит пакет слоев, содержащий первый слой и второй слой, причем указанные одна или более ультратонкие области пропускания сформированы в первом слое, где второй слой отсутствует.
6. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-5, в котором окно пропускания имеет толщину, меньшую или равную примерно 20 мкм, и выполнено с возможностью пропускания больше или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов.
7. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-6, в котором указанные одна или более ультратонких областей пропускания содержат материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния и плавленого диоксида кремния, и имеют толщину от больше или равной примерно 250 нм до меньше или равной примерно 500 нм.
8. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-7, в котором микрофлюидная камера ультрафиолетового излучения имеет вход для подачи текучей среды, генерирующей ультрафиолетовое излучение.
9. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-8, в котором микрофлюидная камера ультрафиолетового излучения содержит текучую среду, генерирующую ультрафиолетовое излучение, выбранную из группы, состоящей из криптона, аргона, гелия и их комбинаций.
10. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-9, в котором микрофлюидная ионизационная камера представляет собой один или более микрофлюидных каналов, при этом интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) дополнительно содержит третий электрод и отдельный четвертый электрод, сформированные в слое, расположенном поверх микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения и электрически соединенном с ней, причем третий электрод и четвертый электрод образуют второй рисунок, который соответствует первому рисунку из указанных одного или более микрофлюидных каналов микрофлюидной ионизационной камеры, находящейся ниже микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения.
11. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-10, в котором микрофлюидная ионизационная камера имеет общий объем, меньший или равный примерно 10 микролитров (мкл), а микрофлюидная камера ультрафиолетового излучения имеет общий объем менее примерно 10 мкл.
12. Интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) по любому из пп. 1-11, в котором первый электрод и отдельный второй электрод сформированы в слое из электропроводящего материала, и указанные один или более микрофлюидных каналов расположены в указанном слое для электрического изолирования первого электрода от второго отдельного электрода.
13. Система детектирования одного или более аналитов летучих органических соединений (ЛОС), содержащая: (i) блок газовой хроматографии (ГХ), содержащий по меньшей мере одну газовую хроматографическую колонку; и (ii) интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД), расположенный после блока газовой хроматографии (ГХ), содержащий: микрофлюидную ионизационную камеру, имеющую вход для приема образца текучей среды и выход для выхода образца текучей среды из микрофлюидной ионизационной камеры; первый электрод и отдельный второй электрод, электрически соединенные с микрофлюидной ионизационной камерой; интегрированную микрофлюидную камеру ультрафиолетового излучения для генерации ультрафиолетовых фотонов; и окно пропускания, расположенное между микрофлюидной ионизационной камерой и микрофлюидной камерой ультрафиолетового излучения, при этом окно пропускания ограничивает одну или более ультратонких областей пропускания, имеющих толщину, меньшую или равную примерно 500 нм, которые позволяют пропускать ультрафиолетовые фотоны из микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения в микрофлюидную ионизационную камеру, при этом микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) выполнен с возможностью анализа образца, обработанного в блоке газовой хроматографии (ГХ).
14. Система детектирования по п. 13, в которой окно пропускания содержит материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния, плавленого диоксида кремния, кварца, кремния, сапфира, фторида магния, фторида кальция, фторида лития и их комбинаций.
15. Система детектирования по п. 13 или 14, в которой окно пропускания сформировано в виде одной или более выбранных областей на пластине.
16. Система детектирования по любому из пп. 13-15, в которой окно пропускания расположено на опорной пластине, и одна или более ультратонких областей пропускания сформирована в выбранных областях опорной пластины.
17. Система детектирования по любому из пп. 13-16, в которой окно пропускания интегрированного микрофлюидного ионизационного детектора (ФИД) также содержит пакет слоев, содержащий первый слой и второй слой, причем одна или более ультратонких областей пропускания сформированы в первом слое, где второй слой отсутствует.
18. Система детектирования по любому из пп. 13-17, в которой окно пропускания имеет толщину, меньшую или равную примерно 20 мкм, и выполнено с возможностью пропускания больше или примерно 5% ультрафиолетовых фотонов.
19. Система детектирования по любому из пп. 13-18, в которой микрофлюидная ионизационная камера представляет собой один или более микрофлюидных каналов, при этом интегрированный микрофлюидный фотоионизационный детектор (ФИД) дополнительно содержит третий электрод и отдельный четвертый электрод, сформированные в слое, расположенном поверх микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения и электрически соединенном с ней, причем третий электрод и четвертый электрод образуют второй рисунок, который соответствует первому рисунку из указанных одного или более микрофлюидных каналов микрофлюидной ионизационной камеры, находящейся ниже микрофлюидной камеры ультрафиолетового излучения.
20. Система детектирования по п. 19, в которой первый электрод и отдельный второй электрод сформированы в слое из электропроводящего материала, и указанные один или более микрофлюидных каналов расположены в указанном слое для электрического изолирования первого электрода от второго отдельного электрода.
