专利名称：微通道膜进样装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及样品分析仪器的样品进样装置，尤其是涉及一种主要用于气态或液态混合样品的微通道膜进样装置。
背景技术：
对于气体分析的常见进样方法是微孔进样和毛细管进样。由于微孔的直径一般都在几十 几百微米，机械加工难度要求高。虽然毛细管进样的结构相对简单，可以根据需要选择市面上现成的不同内径和长度的毛细管。但是这两种进样方法其实都是对样品的稀释进样(按体积比)，根本没有预分离和富集作用，因此也限制了后续分析仪器的灵敏度。膜分离进样技术最早是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速倔起的-门技术。 它是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在膜两侧的压力差作为动力推动下， 混合物中各组份样品由于对膜的渗透速率存在差异，经过一定时间后，渗透速率大的组份样品就会在膜的另一侧得到分离、提纯和浓缩。膜进样装置结构简单，无需样品前处理，不仅同时具有预分离和富集的双重功能， 而且超薄膜的响应时间也很短，能够满足在线快速分析检测的需要，并且可以与分析仪器直接对接。相比微孔(或狭缝)进样和毛细管进样方式，膜进样最高可以提高灵敏度2 3个数量级。混合物在膜中的传输过程可由FICK定律描述⑴Iss =ADS(气)式(1)中Iss-待测样品在膜中的渗透速率(mol/s)；A-膜的有效表面积(cm2)；D-扩散系数(cm2/S)；L-膜的厚度(cm);S-样品在膜中的溶解度系数(mol/I^a · cm3)；Ps-膜样品侧的压力(Pa).从式(1)中可以得知，当膜的材料选定后，样品在膜中的渗透速率只与膜的有效表面积A和膜样品侧的压力Ps成正比，与膜的厚度L成反比。另外，膜分离的响应时间可由FICK定律计算得到 10%_90%=0.23 φ(2)从式⑵中可以得知，当膜的材料选定后，样品分离程度从10%到90%的时间与膜的厚度L平方成反比。因此，在设计膜进样装置时，应尽量增加膜的分离面积，并降低膜的面积。目前，常规的与分析仪器对接的膜进样装置一般采用直径2 5mm，厚度10 100 μ m的高分子膜，以压力差为驱动力。膜的两侧分别是样品气压(等于大气压或正压) 和真空负压，膜本身不仅是分离部件，同时也要承担真空隔离功能。因此，这种膜进样装置就存在一个严重问题由于高分子膜的厚度非常薄，因此它的机械强度很差，实际工作表面积受到严重限制，只有数十个平方毫米，影响了膜的分离效果；如果想增加工作表面积，就必须增加高分子膜的厚度，这样一来又会使样品分析时间以平方关系增加，降低分离效率。 中国专利CN 2700877Y提供一种便携式质谱仪中的膜进样与真空紫外光电离装置，其中的膜进样装置采用就是圆片式薄膜；在Kwon-Sik Oh发表的文章 (Characterization of a sheet membrane interface for sample introduction into a time-of-flight mass spectrometer, International Journal of Mass Spectrometry 253(2006)65-70)，介绍的也是采用常规的圆片式薄膜。这种常膜进样装置一般采用圆片状的、直径2 5mm，厚度10 100 μ m的高分子膜，以压力差为驱动力。膜的两侧分别是样品气压(等于大气压或正压)和真空负压，膜本身不仅是分离部件，同时也要承担真空隔离功能。因此，这种圆片式膜进样装置就存在一个严重问题由于高分子膜的厚度非常薄，因此它的机械强度很差，实际工作表面积受到严重限制，只有数十个平方毫米，影响了膜的分离效果；如果想增加工作表面积，就必须增加高分子膜的厚度，这样一来又会使样品分析时间以平方关系增加，降低分离效率。
发明内容本实用新型的目的是提供一种主要与样品分析仪器配用，适合于气态或液态样品进样，能保证膜进样装置的强度，可大幅提高膜的实际工作表面积，提高膜的分离和富集效率的微通道膜进样装置。本实用新型设有微通道膜、基片、托片、2根样品引入导管和1根采样导管；微通道膜表面设有双螺旋凹槽，基片覆盖于微通道膜表面，微通道膜与基片之间形成双螺旋通道，双螺旋通道中的其中1条螺旋通道的两端分别与2根样品引入导管一端连通，该条螺旋通道为进样通道，2根样品引入导管均露出基片，托片覆盖于微通道膜底面， 双螺旋通道中的另1条螺旋通道与采样导管一端连通，该条螺旋通道为采样通道，采样导管露出托片。所述微通道膜可为高分子聚合膜，如聚四氟乙烯、纤维素、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯等。所述基片可为金属片基片、玻璃片基片或硅片基片，基片厚度可为1 2mm ；所述双螺旋通道中的2条螺旋通道相互间隔排列，相位差可为180°。2条螺旋通道的宽度可均为50 200 μ m,通道壁厚可均为10 100 μ m。2条双螺旋微形通道的形状可为矩形或其它形状。所述托片可为金属片托片、玻璃片托片或硅片托片，托片厚度可为1 2mm。所述样品引入导管和采样导管可均为金属管或非金属管；样品引入导管和采样导管的管内径可均为200 500 μ m，管壁厚度可为1mm。本实用新型的工作原理如下当样品流经进样通道时，以双螺旋微形通道之间的薄层通道壁作为分离膜，依据不同组份样品对膜的透过具有选择性的原理，它们就会按照不同的透过率从进样通道，通过薄壁渗透到采样通道中，从而得到预分离和富集后的样品组份，最后通过采样导管引出到下级的分析仪器中。与现有膜进样装置比较，本实用新型具有以下突出优点采用双螺旋微形通道膜结构，以双螺旋微形通道之间的薄层通道壁作为分离膜， 较好地解决了常规膜进样装置的强度问题。可以大幅提高膜的实际工作表面积，提高膜的分离和富集效率。能直接对气体或液体混合样品中的挥发物进行预分离和富集，与质谱仪、 色谱仪和光谱仪等分析仪器对接联用后，可显著提高这些分析仪器的检测灵敏度(可提高 100 1000倍)。效果十分显著。

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。图2为本实用新型实施例1的微通道膜表面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。参见图1和2，本实用新型设有微通道膜3、基片2、托片4、2根样品引入导管1以及采样导管5。微通道膜3表面设有双螺旋凹槽31和32。基片2覆盖于微通道膜3表面，微通道膜3与基片2之间形成双螺旋通道，双螺旋通道中的其中1条螺旋通道31的两端分别设有小圆孔311和312。小圆孔311和312分别与1根样品引入导管1 一端粘接连通，螺旋通道31为进样通道。2根样品引入导管1和样品引出导管12均露出基片2。托片4覆盖于微通道膜3底面，双螺旋通道中的另1条螺旋通道32内端头设有小圆孔321，小圆孔321 与采样导管5 —端粘接连通，螺旋通道32为采样通道。采样导管5露出托片4。所述微通道膜3为高分子聚合膜，采用聚四氟乙烯高分子聚合膜(也可采用纤维素、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯等高分子聚合膜)。所述基片2为金属片基片(也可为玻璃片基片或硅片基片)，基片2厚度为 1. 5mm (可优选1 2mm)。所述双螺旋通道中的2条螺旋通道31和32相互间隔排列，相位差为180°。2条螺旋通道31和32的宽度均为100 μ m(可优选50 200 μ m)，2条螺旋通道31和32的壁厚均为50 μ m(可优选10 100 μ m)。2条双螺旋微形通道31和32的形状均为矩形(也可为其它形状)。所述托片4为金属片托片(也可为玻璃片托片或硅片托片)，托片厚度为 1. 5mm (可优选1 2mm)。所述2根样品引入导管1以及采样导管5均为金属管(也可为非金属管)。2根样品引入导管1及采样导管5的管内径均为300 μ m(可优选200 500 μ m)，管壁厚度均为 Imm0微形通道膜3的制作过程如下先用光刻或湿刻方法将硅片表面形成双螺旋状的沟道，沟道的宽度范围在10 100 μ m,沟道壁厚范围在0. 1 0. 5mm ；然后以此硅片作为阳膜，在其表面离心喷涂一层聚四氟乙烯高分子聚合膜，厚度在1 2mm ；接下来再将硅片阳膜腐蚀掉；最后将剩下的聚四氟乙烯高分子聚合膜与基片粘接，这样就形成了一种双螺旋通道，通道宽度0. 1 0. 5mm,通道壁厚10 100 μ m。其中一个通道为样品进样通道31，另一通道为采样通道32。进样通道31两端开有小圆孔311和312，2根样品引入导管1分别与2个小圆孔311和312粘接连通；采样通道32 —端封闭，另一端同样开有小圆孔321，采样导管5与之粘接，采样导管5和分析仪器对接。这种微形通道膜3不仅可以采用湿刻法制作，也可以用其它微加工方法加工，例如激光或粒子束加工。微通道膜进样装置的工作过程是当气态或液态混合样品流经样品引入导管1进入进样通道31后，由于不同组份样品对膜的透过具有选择性，它们就会以不同的透过率通过两个通道之间的薄壁渗透到采样通道32中，从而得到预分离和富集后的样品组份，最后这些组份经过采样导管5进入到后面的分析仪器中检测。微通道膜3的实际有效分离面积A可以用下式计算A = h (d+np) (η_1) π(3)式(3)中h—通道壁的高度；d——螺旋线基圆直径；ρ——螺旋线基圆直径；η——周数。从综合考虑出发，膜参数初步定为h = 0. lmm, d = lmm, ρ = 0. 15mm, η = 53。因此膜的实际有效分离面积可达146mm2，而常规50 μ m厚、直径5mm的膜面积不到20mm2，可以提高7倍以上。
权利要求1.微通道膜进样装置，其特征在于设有微通道膜、基片、托片、样品引入导管、样品引出导管和采样导管；微通道膜表面设有双螺旋凹槽，基片覆盖于微通道膜表面，微通道膜与基片之间形成双螺旋通道，双螺旋通道中的其中1条螺旋通道的两端分别与样品引入导管一端和样品引出导管一端连通，该条螺旋通道为进样通道，样品引入导管和样品引出导管均露出基片，托片覆盖于微通道膜底面，双螺旋通道中的其中另1条螺旋通道与采样导管一端连通，该条螺旋通道为采样通道，采样导管露出托片。
2.如权利要求1所述的微通道膜进样装置，其特征在于所述微通道膜为高分子聚合膜。
3.如权利要求2所述的微通道膜进样装置，其特征在于所述高分子聚合膜为聚四氟乙烯高分子聚合膜、纤维素高分子聚合膜、聚二甲基硅氧烷高分子聚合膜或聚乙烯高分子聚合膜。
4.如权利要求1所述的微通道膜进样装置，其特征在于所述基片为金属片基片、玻璃片基片或硅片基片，基片厚度为1 2mm。
5.如权利要求1所述的微通道膜进样装置，其特征在于所述双螺旋通道中的2条螺旋通道相互间隔排列，相位差为180°。
6.如权利要求1或5所述的微通道膜进样装置，其特征在于2条螺旋通道的宽度均为 50 200 μ m, 2条螺旋通道的壁厚均为10 100 μ m, 2条双螺旋微形通道的形状均为矩形。
7.如权利要求1所述的微通道膜进样装置，其特征在于所述托片为金属片托片、玻璃片托片或硅片托片，托片厚度为1 2mm。
8.如权利要求1所述的微通道膜进样装置，其特征在于所述样品引入导管、样品引出导管和采样导管均为金属管；样品引入导管、样品引出导管和采样导管的管内径均为 200 500 μ m,管壁厚度均为1mm。
专利摘要微通道膜进样装置，涉及样品分析仪器的样品进样装置。提供一种主要与样品分析仪器配用，适合于气态或液态样品进样，能保证膜进样装置的强度，可大幅提高膜的实际工作表面积，提高膜的分离和富集效率的微通道膜进样装置。设有微通道膜、基片、托片、2根样品引入导管和1根采样导管；微通道膜表面设有双螺旋凹槽，基片覆盖于微通道膜表面，微通道膜与基片之间形成双螺旋通道，双螺旋通道中的其中1条螺旋通道的两端分别与2根样品引入导管一端连通，该条螺旋通道为进样通道，2根样品引入导管均露出基片，托片覆盖于微通道膜底面，双螺旋通道中的另1条螺旋通道与采样导管一端连通，该条螺旋通道为采样通道，采样导管露出托片。
文档编号G01N1/34GK202166564SQ20112026230
公开日2012年3月14日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者何坚 申请人:厦门大学