多维色谱技术新进展及对半导体关键基础材料–电子气体中痕量杂质检测

多维色谱技术新进展及对半导体关键基础材料–电子气体中痕量杂质检测

日期:2020-11-5

电子气体是发展集成电路、光电子、微电子,特别是超大规模集成电路、液晶显示器件、半导体发光器件和半导体材料制造过程中不可缺少的基础性支撑源材料,它的纯度和洁净度直接影响到光电子、微电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率,并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性。

近日,“基于多维色谱技术快速检测电子气中痕量杂质的检测方法研究”通过上海市市场监督管理局召开的专家组验收会。项目成果项目成果为我国半导体、光电子信息产业用的关键基础材料电子气的品质检验提供技术支持,助力IC产业蓬勃发展。

多维色谱技术是将同种色谱不同选择性分离柱或不同类型色谱分离技术组合,构成联用系统的技术。现在应用蕞多的是二维色谱,它是在单分离柱基础上发展起来的,其技术关键是联结两色谱分离系统之间的接口设备和技术。通常由第一个或预分离柱和第二个或主分离柱串联组成,两柱之间通过切换阀或压力平衡装置作为接口,以改变流动相流路,部分在预柱未分离的组分,导入主柱进行第二次分离,从而大大提高系统分离能力。

多维色谱技术新进展及对半导体关键基础材料--电子气体中痕量杂质检测

色谱作为复杂混合物的分离工具,对化合物的分离分析发挥了很大的作用。目前使用的大多数仪器为一维色谱,使用一根柱子,适合于含几十至几百个物质的样品分析。当样品更复杂时,就要用到多维色谱技术。

近年来,随着色谱柱技术的发展,出现了一些对复杂化合物及难分离的样品进行分离时分辨能力特别高的色谱柱。然而,世界上物质种类之多是无法计算的,而样品的复杂性也是难以估量的。例如有人分析烟草烟雾,得到上千个色谱峰,可是经质谱定性表明,平均每个峰又含有二个组分 。类似这样的石油化工、环境污染物、体液、食品等复杂样品,用常规的单柱色谱分析,无论怎样增加柱效,也无法得到满意的分离结果 。况且许多样品中还会含有沸点相近、极性相近、异构体等难分离物质对,这样就有必要再加上一根或几根并联或串联柱来进行分析。继而就发展出了一种新型的色谱分析方法———多维色谱技术。

二维气相色谱

多维气相色谱(MDGC)是在气相色谱基础上发展起来的一项技术,它通过在技术上和设备上的改进,为中药成分分析提供了较好的分辨率,通过组合不同的分离模式构建多维系统有效地解决了复杂体系样品的分析问题。目前, MDGC已在中药化学、 石油化工、 烟草研究等诸多领域有着广泛的应用。

20世纪90年代初Liu和PhillipS提出的全二维气相色谱GC-GC方法提供了一种真正的正交分离系统 它是将分离机理不同而又互相独立的两支色谱柱以串连的方式结合成二维气相色谱 经第1支色谱柱分离后的每一个馏分 经调制器聚焦后以脉冲方式进入第2 支色谱柱中进行进一步的分离 通过温度和极性的改变实现气相色谱分离特性的正交化,GC-GC具有峰容量大、分析速度快、分辨率高、族分离等特点。因而该方法在复杂体系的分析方面具有其它方法无法比拟的优势,越来越受到广大色谱工作者的重视。

高效液相色谱与高效气相色谱联用

在某些特殊情况下,把高效液相色谱和高效气相色谱结合在一起(HPLC-HRGC)就会体现出高选择性的HPLC和高效、高灵敏度HRGC的完美匹配,会得到比较高的峰容量。

进行在线连接有许多好处:需要的样品两少;样品不会被污染;无须把样品蒸发或稀释;样品的前或后处理可以完全自动化。在线连接的缺点是:系统操作困难;初始设备费用高;接口比较复杂。LC-GC在线连接的主要问题是要解决大量的液体从LC转移到GC中,GC和LC之间的物理状态不同。研究了许多不同的方法,把大量溶剂从LC转移到GC色谱柱中,这些方法中要解决如何把溶剂除去的技术,而使被分析组分形成一个窄的谱带进入GC色谱柱进行分离。

多维色谱技术新进展

(1) 集成在微流控芯片上的二维液相色谱-毛细管电泳-电喷雾离子化系统

二维平板电泳(2D-PAGE)常用于蛋白质和多肽分析,但是该方法不仅费时、费力,而且不能与质谱在线联用。美国北卡罗莱纳州大学研究组构建了集成在微流控芯片上的二维液相色谱-毛细管电泳-电喷雾离子化系统(2D-LC-CE-ESI)。该系统将样品捕集、液相通道、毛细管电泳通道和电喷雾喷口等多个功能单元集成到玻璃微流控芯片上,柱外效应明显减小,保证了低流速下不会产生明显的峰展宽。样品在捕集区富集和脱盐纯化后在第一维液相色谱通道上分离,液相色谱通道流出物通过电动进样模式转移到电泳通道上继续进行第二维电泳分析。电动进样接口降低了分析系统的复杂性并且实现了从第一维液相色谱到第二维电泳的快速、纳升级进样。第二维电泳分析仅需要19s,保证了第一维的调制次数同时缩短了总的分析时间。一体化的电喷雾离子源与常规的外接纳升喷针的方式相比,不仅柱后效应减小,而且灵敏度和稳定性都得到提高。该系统与质谱联用成功用于牛血清蛋白和大肠杆菌酶解产物的分析, 在蛋白质组学和多肽组学分析中具有很好的应用前景。

(2) 等电点聚焦/十二烷基磺酸钠(SDS)区带二维毛细管电泳系统

在多维分离中,毛细管电泳具有分离效率高、样品用量少、分析时间短、能够自动化等特点,是发展多维电泳方法的理想选择。二维毛细管电泳较二维凝胶电泳同样具有分离效率高的特点,目前又是蛋白质组学研究的重要手段之一。

最近,美国华盛顿大学的Dovichi教授课题组对二维毛细管电泳模式进行了尝试,构建了等电点聚焦/十二烷基磺酸钠(SDS)区带毛细管电泳系统。该系统的分离模式与传统的二维凝胶电泳基本相近,第一维采用等电点聚焦分离模式,第二维采用SDS区带电泳分离模式。在二维毛细管电泳中,蛋白质样品首先经过等电点聚焦分离后,依次进入第二维SDS区带电泳分离通道。该系统第一维等电点聚焦所需时间约为420 s,在第二维分离中每一馏分样品转移时间为6 S,分离时间为180 s。与传统的二维凝胶电泳相比,二维毛细管电泳方法显著地减少了分析时间和样品用量。虽然目前该二维分离系统的峰容量远低于传统的二维凝胶电泳,但是我们相信二维毛细管电泳技术应该代表着多维电泳未来的发展方向。

(3) 新型二维液相色谱接口技术

近日,中国科学院大连物理化学研究所的关亚风教授课题组研制出一种新型二维液相色谱接口——真空辅助动态气化接口。并将其成功地用予正/反两相二维液相色谱系统。该接口设计简单,由一个真空辅助气化环组成。该气化环与真空泵相连构成真空辅助气化环境。在二维色谱过程中,正相色谱流出的流动相(有机溶剂)经过该接El时通过真空挥发除去,而分离组分能够流人第二维色谱柱。他们对该接口的工作条件进行了优化并对其性能进行了考察。他们将构建的正相/反相二维液相色谱系统成功地用于原油和煤焦油复杂样品的分离分析。我们相信这种新型的正相二维液相色谱系统在复杂体系分离分栅蛋白质组、天然药物和生物流体具有潜在的应用前景。

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