《Journal of Chromatography A》：Lab-on-chip column for space missions’ application: design optimization of fluidic interface and column inlet-outlet to combine test reliability and maximum efficiency
编辑推荐：
•开发了新的色谱柱设计，以实现与流体接口的最佳连接。•开发了新的流体接口，以实现 MEMS 色谱柱与质谱仪（MS）的成功耦合。•与圆柱形通道相比，方形通道使色谱柱效率降低了 52%。•柱外体积对使用 MEMS 色谱柱的分析性能有显著影响。•MEMS 色谱柱允许分析复杂气体混合
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开发了新的色谱柱设计，以实现与流体接口的最佳连接。
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开发了新的流体接口，以实现 MEMS 色谱柱与质谱仪（MS）的成功耦合。
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与圆柱形通道相比，方形通道使色谱柱效率降低了 52%。
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柱外体积对使用 MEMS 色谱柱的分析性能有显著影响。
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MEMS 色谱柱允许分析复杂气体混合物。
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MEMS 色谱柱在太空应用中显示出令人满意的分离性能。
引言
气相色谱（GC）是一种强大的分析技术，应用于科学的多个领域 [[1], [2], [3]]。在致力于行星学和天体生物学研究的太空探索任务中，GC 被用于对有机分子进行原位分析，以增进我们对地球及宇宙中前生物化学和生命起源的了解。GC 是一种可靠且稳健的分析技术，曾用于不同太空任务上对金星大气成分进行原位分析（Venera 和 Pioneer [4] 任务），对泰坦星进行原位分析（Cassini-Huygens 任务 [5]），或对火星大气和表面成分进行原位分析（Viking [6] 和火星科学实验室 MSL 任务 [7]），以及对罗塞塔任务 [8] 期间研究的彗星 67P 进行分析。基于那些任务期间获得的成功结果，当前的太空 GC 正在开发中，并将搭载于未来的任务中，如火星的 Exomars [9] 和泰坦星的 Dragonfly [10]。所有这些 GC 仪器均使用通常的实验室技术开发，并经过优化以适应太空环境在可用资源或热力和机械约束方面的要求。尽管当前的太空 GC 性能良好，但整个系统仍然庞大且相对较重，不适合小载荷或探索常规太空探测器难以到达的环境，如冰卫星。因此，开发微型化系统具有真正的兴趣，以便向行星环境发送微型探测器，或简单地释放常规太空探测器中的资源以搭载更多仪器。此外，与当前和过去的太空 GC 相比，微型化 GC 的载气和功耗预计将不那么重要。利用 MEMS/NEMS（微/纳机电系统）和微流控技术的最新发展，GC 仪器的微型化成为可能，这将在多个层面上实现真正的规模跳跃。在文献中，流体入口和出口通常位于芯片的侧面 [[11], [12], [13], [14], [15], [16]] 或钻孔于晶圆平面内 [17,18]。在这两种情况下，流体连接均通过使用插入入口和出口端口然后粘合的熔融石英毛细管来确保。然而，这种连接是脆弱的，并未考虑到太空应用的机械约束。虽然唯一另一个为太空探索开发 MEMS 色谱柱和 GC 分析仪的团队 [[14], [15], [16]] 仍在使用带有粘合毛细管的脆弱接口，但我们开发了一种 MEMS 色谱柱，其流体端口钻孔于晶圆平面内，并使用螺纹连接连接到周围的分析系统，没有任何粘合的毛细管。事实上，设计了一种专利流体接口 [19,20] 以可靠地集成 MEMS 预浓缩器、色谱柱和检测器，考虑了太空在机械、流体和热约束方面的要求。此外，这种使用螺纹连接的接口提供了在不损坏 MEMS 组件的情况下轻松更换毛细管的可能性。相同的流体接口用于使用专利方法 [21,22] 用固定相涂覆色谱柱。此外，近期关于 MEMS 气相色谱柱的综述讨论了微通道几何形状、固定相、制造技术和系统集成。然而，尽管流体接口在连接 MEMS 色谱柱与周围分析系统中起着关键作用，但尚未研究流体入口和出口位置及设计的影响，以及它们对 MEMS 色谱柱色谱性能的影响。看来，流体端口的位置主要由制造和封装约束决定，而不是由色谱或流体优化决定。因此，使用我们坚固且通用的机械接口需要对连接进行精细优化，以最小化柱外体积并实现可靠的实验测量。为实现这一目标，已发表了一项关于涂覆方法和实验条件优化的研究，以获得最佳分析效率 [21,22]。随后，使用了另一种类型的螺纹连接，以允许将毛细管插入色谱柱入口和出口，旨在增强系统性能。此外，这种连接允许提高可达温度，以扩展分析分子的范围，并使我们的接口与质谱仪的耦合成为可能。事实上，在实验室中使用质谱仪（MS）对于探索 MEMS 色谱柱的分析能力以及调查更复杂的混合物以及合成和天然样品至关重要。此外，验证我们的 MEMS 色谱柱和 MS 之间的耦合可行性是为未来太空任务做准备的关键步骤，该任务涉及将 GC-MEMS 系统与可飞行质谱仪集成。
在此背景下，本研究旨在比较我们流体接口中使用的两种连接类型，以最小化柱外体积，从而提高整个系统效率和性能。我们还修改了色谱柱入口和出口的几何形状和尺寸，以增强色谱柱 - 接组件的机械可靠性，并确保更一致的分析性能。此外，我们评估了那些连接类型对柱外体积的影响，这影响峰展宽，进而影响分析性能。最后，通过将包含二十个碳原子的化合物混合物进行分析，验证了 MEMS 色谱柱与质谱仪的耦合。
章节摘要
芯片实验室色谱柱设计
本工作使用的微柱芯片（30 毫米 x 35 毫米 x 1 毫米）由我们的团队设计并由 ESIEE 巴黎制造。每个生产批次包含 4 根色谱柱，基于 500 微米厚的硅晶圆，通过阳极键合密封到具有相同厚度的 Borofloat?玻璃晶圆上。密封前，在硅晶圆中通过光刻和等离子体离子碰撞（深反应离子刻蚀）蚀刻出一个 5 米 x 120 微米 x 120 微米的微方形截面通道。流体入口和
流体接口对柱外体积和色谱柱效率的影响
鉴于 MEMS 色谱柱相对较小的内部体积（66 mm3），与太空 GC 仪器中使用的常规毛细管色谱柱（长 20 - 30 米，内径 0.25 毫米，体积 981 - 1472 mm3）相比，在将其选择并集成到太空任务的 GC 原型中之前，必须尽可能最小化柱外体积，以便评估色谱柱性能。通往注射器和检测器的毛细管连接制作方式为
结论
在本工作中，我们展示了使用两种 MEMS 色谱柱设计和两种为太空应用开发的流体接口所进行的分析效率比较。实验结果强调，与类似的圆柱形通道相比，MEMS 色谱柱的方形通道平均导致色谱柱效率降低 52%，这是由于固定相涂覆效率较低，特别是在角落处，以及不同材料（硅和）之间膜厚的不均匀性。
CRediT 作者贡献声明
Malak Rizk-Bigourd: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。 Audrey Boco-Simon: 写作 – 审阅与编辑，调查。 Lylia Skander: 写作 – 审阅与编辑，调查。 Gabin Bergerot: 写作 – 审阅与编辑，调查，形式分析，数据管理。 Arnaud Philippart: 写作 – 审阅与编辑，调查。 Valérie Agasse:
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。
致谢
作者衷心感谢 Ylane Idir 先生在其实习期间的贡献。本工作得到了法国国家太空研究中心（CNES，图卢兹，法国）通过不同的研究和科技计划（R&T，演示器计划）的资金支持。
Malak Rizk-Bigourd|Audrey Boco-Simon|Lylia Skander|Gabin Bergerot|Arnaud Philippart|Valérie Agasse|Pascal Cardinael|Cyril Szopa
