全二维热调制器发展史——革新

雪景科技全二维

2018.10.22

作者雪景科技

TA的动态

全二维热调制器发展史——革新

上一篇我们讲到，自从得到了制冷剂和喷气这两个外挂以后，热调制器的性能和可靠性发生了质的飞跃，真正成为商品化的产品，极大促进了全二维色谱技术的发展和普及。不过呢，大家还是发现了一个问题，就是制冷剂的消耗量很大，正常使用情况下，一大罐液氮不到两周就用完了。这样对于实验室的场地和后勤维护要求就很高，这项技术也很难继续往常规实验室普及了。科学家们开始把精力放在如何去掉制冷剂，同时还能保证调制性能和可靠性。在多年的努力下，一系列成果开始显现。

从2004年开始，密歇根大学的Richard Sacks团队开始尝试利用压缩制冷剂制冷空气用于调制器的冷喷口 [1-2]，或者使用液体乙二醇作为循环制冷剂对调制柱进行直接制冷[3]。这样就避免了使用液氮或液态二氧化碳，运行费用有所减少。但是如果是采用喷气方式，气体消耗量还是非常大（~35L/min），而且对于低沸点化合物的调制性能也有所牺牲。

这种用压缩机制冷的方式后来被LECO和Zoex采用，形成了特有的“无需消耗”的热调制器（但还是需要用于喷气的氮气）。

真正意义上的无需制冷剂的调制器出现在2010年。同样是密歇根大学，无线集成微系统研究中心（research center of wireless integrated microsystem, WIMS）的Edward Zeller博士领导的微加工团队提出了一个非常前沿的想法：将热调制器做在一个硅晶片上，利用刻蚀出的微流路作为调制色谱柱，在晶片上集成加热器和温度传感器。由于整个热质量非常小，所以采用了半导体制冷片进行制冷，完全省去了制冷剂的使用 [4]。

珀耳帖效应（Peltier effect），由法国科学家JCA珀耳帖于1834年发现，由N、P型材料组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象。由这样的材料组成的元件通电后在导体两端可以产生一定的温度差，半导体制冷片就是利用这个原理制成。

WIMS团队对他们这个微型热调制器（μTM）做了很多性能的优化 [5-6]，比如采用更好的空气隔绝层设计，以及对释放温度进行程序升温，最终的结果也令人振奋，比如对汽油样品的分析得到了不错的实际效果。

不过微加工系统也存在几个重要的问题：第一就是与宏观的色谱柱及色谱系统的连接一直没有很好的解决方案，造成性能上的劣势；第二是微系统的研发加工费用极其高昂，分析仪器市场容量远远低于普通民用芯片市场，制造成本居高不下。所以这项技术一直没有商业化。

不过利用半导体制冷技术也激发了很多研究团队的兴趣，利用该制冷技术的热调制器也相继开发出来。包括德国Ralf Zimmermann团队的同时连接热分析（Thermal analysis, TA）和全二维气质分析的双极热调制器（dual-stage consumable-free thermal modulator）[7]，

以及Jim Luong等学者发明的热独立热调制器（thermal independent modulator）[8]。

另外，加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的Tadeusz Gorecki教授也一直从事热调制器的研发工作，其中利用风扇或螺旋管（vortex tube）制冷的“无需制冷剂”热调制器也开发出来 [9]。

这这个设计里，调制柱是一段15cm长的0.28mm内径，3μm固定相厚度的金属柱，置于柱箱外，利用强力风扇或者螺旋管进行制冷，另外采用电加热方式对两段金属柱进行交替加电，从而实现两级调制。为了提高效率，他们还特地将中间的金属柱压成0.1mm厚度，同时选择性去除固定相。经过这些改进，最终得到了和通用制冷剂调制器类似的效果。

不过，除了热独立调制器thermal independent modulator以外，这几种调制方式均采用金属柱电加热的方式对补集的化合物进行热释放，这样一方面要保证良好的电接触性能，同时要避免产生冷点，其实非常难以同时满足。另外由于金属柱的热质量远高于熔融石英毛细管柱，其自然降温时间要长得多，所以在这种方式中，调制周期必须设为4s以上，限制了很多全二维的应用。

下一篇我们最后重点聊一聊其中一种半导体制冷的热调制器——热独立调制器thermal independent modulator，它无需制冷剂，同时又使用常规的熔融石英毛细管柱作为调制柱，采用精巧的方式实现了两级调制。在省去了大量制冷剂的同时保证了调制性能和范围。雪景科技于2016年将其商品化，形成了目前全球首款采用半导体制冷方式的热调制器产品。

[1] M. Libardoni, J.H. Waite, R. Sacks, Anal. Chem., 77, 2786 (2005)

[2] M. Libardoni, C. Fix, J.H. Waite, R. Sacks, Anal Methods, 2, 936 (2010)

[3] M. Libardoni, E. Hasselbrink, J.H. Waite, R. Sacks, J Sep Sci., 29, 1001 (2006)

[4] S.-J. Kim, S.M. Reidy, B.P. Block, K.D. Wise, E.T. Zellers, K. Kurabayashi, Lab a Chip, 10, 1647 (2010)

[5] S.-J. Kim, K. Kurabayashi, Sensor. Actuator. B Chem., 181, 518 (2013)

[6] W.R. Collin, N. Nunovero, D. Paul, K. Kurabayashi, E.T. Zellers, J. Chromatogr. A, 1444, 114

(2016)

[7] S. Wohlfahrt, M. Fischer, J. Varga, M.-R. Saraji-Bozorgzad, G. Matuschek, T. Denner, R. Zimmermann, Anal Chem. 88, 640 (2016)

[8] J. Luong, X. Guan, S. Xu, R. Gras, R.A. Shellie, Anal. Chem., 88, 8428 (2016)

[9] O. Panic, T. Górecki, C. McNeish, A.H. Goldstein, B.J. Williams, D.R. Worton, S.V. Hering, N. M. Kreisberg, J. Chromatogr. A, 1218, 3070 (2011)

全二维热调制器发展史——起源

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