Zintegrowany dozownik dla mikrochromatografu gazowego cd.

Eksperyment

Układ gazowy dozownika zintegrowanego, tu omawianego, składa się z kanałów doprowadzających gaz, dwóch symetrycznych pętli dozujących o pojemności 7μl każda, otworów przelotowych i szybkich, aktywowanych pneumatycznie mikrozaworów odcinających (MZ) [1] oraz mikrozaworu krzyżowego (MZK) [2] umożliwiającego dozowanie próbki zgromadzonej w pętlach dozujących do linii gazu nośnego (Rys. 2). Mikrodozownik może pracować w dwóch try-bach. Pierwszy tryb to dozowanie próbki o stałej objętości (14µl), drugi tryb to wstrzykiwanie próbki z dozą od 1µl do 14µl regulowaną czasem otwarcia zaworu.



Zawór krzyżowy jest kluczowym elementem mikrodozownika (Rys. 4). Miniaturyzacja zaworu umożliwiła osiągnięcie bardzo małych objętości martwych dozownika (rzędu nl), co wpłynęło na polepszenie jego parametrów. Powtarzalność doz, objętość dozy i szybkość działania w bezpośredni sposób wpływają na jakość wstrzyku i sprawność separacji w kolumnie chromatograficznej. Dlatego opracowanie tego zaworu było szczególnie istotne.




Praca zaworu jest możliwa jeżeli ci-śnienie sterujące zaworem jest wyższe niż ciśnienie gazu nośnego na wlocie dozownika. Wtedy zawór pozostaje zamknięty, a linie gazowe A i B są rozdzielone (Rys. 4a). W przypadku obniżenia ciśnienia poniżej granicy zamknięcia zaworu, następuje otwarcie zaworu i zadozowanie próbki znajdującej się w pętlach dozujących. Możliwy jest wówczas przepływu gazu z linii B do linii A (Rys.4b).

Praca dozownika składa się z 6 etapów (Tabela 1). Dozownik wymaga zewnętrznych zaworów elektromagnetycznych, które sterują zintegrowanymi mikrozaworami.



Dozownik wykonany został metodami mikromechanicznej obróbki krzemu i szkła. Dwustronnie polerowane podłoże krzemowe, o orientacji krystalograficznej (100), zostało poddane procesowi jedno- oraz dwustronnego, anizotropowego, mokrego trawienia (40% KOH, 80ºC) przez maskę tlenkową. W dwóch płytkach szklanych typu Borofloat 3.3 wytrawiono komory robocze zaworów, a następnie wykonano otwory przelotowe.

W procesie bondingu anodowego (450ºC, 1,2kV, 20min) połączono, w sposób trwały, podłoże krzemowe z pierwszą szklaną płytką podłożową. Następnie krzemowo-szklana struktura została połączona z drugą płytką szklaną za pomocą selektywnego bondingu adhezyjnego (200ºC, 2min) przez folię poliimidową o grubości 50µm, dwustronnie pokrytą teflonem (Rys. 3). W obszarze gniazd mikrozaworów folia została pokryta przeciwadhezyjną dwuwarstwą Cr/Au.



Mikrodozownik poddano testom na stanowisku pomiarowym (Rys. 5). Zbadano charakterystyki pracy zaworów mikromechanicznych. Wyznaczono charakterystyki statyczne oraz dynamiczne mikrozaworu krzyżowego.



Stwierdzono, że ciśnienie sterujące (PSTER), niezbędne do zamknięcia zaworu, było o 20% wyższe od ciśnienia na wlocie tego zaworu (PIN) (Rys. 6a). Stałe czasowe zaworów wynosiły 7ms dla otwarcia przepływu oraz 10ms dla zamknięcia (Rys. 6b). Powtarzal- ność objętości zadozowanej próbki wynosiła około 0,5% (Rys. 7).



Mikrodozownik zastosowano w torze gazowego zintegrowanego chromatografu gazowego [3] (Rys. 8a). Analizie poddano mieszaninę gazów stanowiących tzw. wzorcową atmosferę kopalnianą (Rys._8b). Stwierdzono powtarzalność analizy rozdziału składników mieszaniny w strumieniu gazu nośnego (helu). Opra-cowanie mikrodozownika umożliwiło przeprowadzenie analiz chromatografi-cznych w zautomatyzownym trybie cią-głym, z repetycją 4 minut.





Przedstawiono konstrukcję i technologię mikrosystemowego, krzemowo- szklanego mikrodozownika dla zintegrowanego chromatografu gazowego. Na zautomatyzowanym stanowisku pomiarowym przeprowadzono testy dozownika, których wyniki zadecydowały o zastosowaniu opisanej konstrukcji w torze gazowym, opracowanego w kraju, zintegrowanego, przenośnego mikrochromatografu gazowego [3]. Dozownik umożliwia sterowanie wielkością doz w zakresie od 1 do 14µl.

W czasie dwuletnich testów dozowników, nie stwierdzono ich uszkodzeń. Konstrukcja jest odporna na przeciążenia termiczne, pneumatyczne oraz charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną, co umożliwia dozowanie niebezpiecznych i aktywnych chemicznie mieszanin gazowych. Zastosowanie mikromechanicznego dozownika w chromatografie gazowym pozwoliło na przeprowadzanie ciągłych analiz nieznanych mieszanin gazowych.

Prace finansowano z grantów PBZ-01915 oraz 9T11A03710 Komitetu Badań Naukowych, a realizowano na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, przy współpracy z Instytutem Technologii Elektronowej w Warszawie oraz Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG w Katowicach.

Autorzy: Wojciech P. Buła, Rafał Walczak

Literatura

[1] J. Mróz, M. Szczygielska, J. Dziuban, A. Górecka-Drzazga, Laboratoryjny model mikrochromatografu gazowego – budowa i badania, Materiały Konferencyjne, VI Konferencja Naukowa COE 2000, tom I, str. 456-463
[2] J. Dziuban, A. Górecka-Drzazga, L. Nieradko, K. Malecki, J. Mróz, Silicon components for gas chro-matograph, Proc. of the 14th European Conference on Solid-State Transducers, August 27-30, 2000, Co-penhagen, Denmark, str. 55-58
[3] J. Dziuban, J. Mróz, M. Szczygielska, M. Małachowski, A. Górecka-Drzazga, R. Walczak, W. Buła, D. Zalewski, Ł. Nieradko, J. Łysko, J. Koszur, P. Kowalski, Portable gas chromatograph with integrated components, Sensors and Actuators A, w trakcie publikacji