2014年7月29日

微機電技術於氣體分析的趨勢

【誰把氣相層析儀變小了?】利用分析化學原理與微機電技術整合所建構出的複合式微小化氣體分析系統,可望發展成為新一代環境監測與醫療檢測的儀器設備。

作者/簡日昇、呂家榮(任職臺灣師範大學化學系)、田維誠(任教臺灣大學電機系)

「分析化學」主要是以分析物質的成分為主,使物質得以定性與定量,而現代分析化學著重於使用精密儀器進行物質分析,主要目的是為了能達到更微量、精準的化學結構與組成的分析。然而,使用實驗室內的精密儀器進行物質分析的過程繁瑣、耗時且儀器貴重,對於每一次分析而言,過程中所消耗的能源、化學溶劑及人員訓練與操作等,都導致化學分析的成本昂貴,分析的結果亦無法即時呈現,因此發展輕巧、快速且即時的分析儀器有其重要性。

近半個世紀以來隨著科技的發展,因應元件超微細、高密度與高效能化,「微機電系統」技術扮演相當重要的角色,對於各領域產生了革命性的影響,它可用來製作許多基本機電元件包括:微幫浦、微閥門、微感測器、微驅動器及微控制電路等,科學家認為,微機電技術將激起二十一世紀新產業的革命,對於化學儀器分析、生醫技術領域方面的應用會有重大影響。

微小化分析儀器的革命
微機電系統(MEMS),起源於1947年半導體製程之電晶體的發明,以及美國德州儀器公司所提出積體電路(integrated circuits, IC)的概念。隨後的30年間,半導體製程從原來簡單製程的IC元件,逐漸演變為由微影、蝕刻、薄膜沈積、壓模、接合等製程方式,在玻璃、矽晶片或高分子基材上進行一系列的加工,而發展出微小晶片型的電子、機械元件,這樣的製程技術所展現出的優點是可將電子線路和機械結構加以整合,以及可批量製作並得到均一品質的產品。
圖一:微機電氣體濃縮晶片:(a)實際尺寸照片,(b)內部結構電子顯微鏡照片。

用微機電技術製作微小化分析元件,已成為現代分析化學重要的研究課題。在1980~1990年間,雖有許多將分析儀器微小化的觀點被提出,但可被具體實現的比例較低,原因在於相關微製程技術仍在發展階段,而近10年來,隨著電子業蓬勃發展以及微機電製程技術的日新月異,矽晶片上的製程能力不但在解析度有驚人的提升,同時在多晶片疊合及三度空間立體結構的製造方法也都有新的突破。1990 年後的十幾年間,許多研究者開始著手進行微型裝置的製作,開發不同製程的微小化元件晶片,因此各式分析儀器的關鍵元件也持續不斷的被發明與改良。

晶片實驗室
一般而言化學分析過程包含:樣品前處理/濃縮的注入;分離出該樣品的組成成分;檢測該樣品中各成分的結構及含量,而最後的檢測結果會傳至後端訊號處理單元進行訊號輸出與數據處理,因此整體分析過程需借重傳統貴重的化學分析儀器。由於MEMS的技術發展能與化學分析的學理結合,使得儀器微小化可以被實現,換句話說,也就是將化學分析的過程縮小整合在單一晶片上進行,即所謂晶片實驗室(lab-on-a-chip, LOC)的概念,如此一來,微機電製作的晶片實驗室就可以不受限於時間、地點進行樣品前處理、分離與偵測的分析過程,且只需微量的樣品即可獲得快速、高解析度的分析,並即時取得化學資訊。

另外,晶片實驗室不但可攜而且小巧價廉,還能進行多階段快速、平行的分析,操作簡單又容易維修;最重要的是可以因應特殊用途,組合或簡化為一般儀器構件,並與微電腦進行結合,嵌入生產線上作為監測控制及回饋之用,因此可推廣應用到工安/環境監測、工業自動化等領域,亦可發展成為家用的高精密度微小型的分析儀器。就目前而言,晶片實驗室在生化與醫療領域方面的研究已有許多重大的成果,其中以微流體生物分析晶片的應用最為廣泛,包括基因定序、基因表現分析與蛋白質分析等。下文將以近年來化學分析晶片植入傳統氣體分析儀器為例,針對儀器微小化過程所進行的研究與應用作逐一介紹與說明。

微型氣相層析儀的開發
氣相層析儀(gas chromatograph, GC)為混合氣體分析中最常見的分析工具,儀器的本體包含三大部分:(1)注入系統:將混合氣體樣品導入的元件;(2)分離管柱:利用毛細管柱內所填充的材料與各類氣體有著不同的物理性吸附,進而達到各類氣體的分離;(3)偵測系統:檢測分離之各類氣體並輸出訊號。而微小化氣相層析儀(micro gas chromatograph, μGC)主要來自晶片實驗室的觀念,最早起源於1979年,史丹福大學Terry教授以微機電製程方式在矽基板上刻出細如髮絲的環型溝紋流道晶片作為氣體的分離管柱,此晶片裝置的誕生為μGC 的發展奠立了基礎。上述三項關鍵核心的元件,以現代的技術皆可藉微機電製程技術做出各具功能性的微晶片,並配合訊號輸出、數據處理以及控制系統整合為如書本大小的儀器,方便攜帶到現場或野外進行環境氣體的即時分析檢測,以下就μGC系統之關鍵元件作進一步討
論。......【更詳細的內容,請參閱第536期科學月刊】

沒有留言: