用于水中有机磷农药检测的微热板预富集芯片设计与制备

　　有机磷农药是一类高效广谱的杀虫剂,其大量使用已对环境水体造成污染.固相萃取和固相微萃取等前处理技术以及气相色谱法、高效液相色谱法和色谱-质谱联用技术等已广泛应用于痕量有机磷农药检测[1-2],这些方法灵敏而且准确,但检测成本高、时间长,仪器昂贵并且笨重,需要专业人员维护.

　　离子迁移率谱( ion mobility spectrometry)[3]技术是一种痕量物质检测技术.与常用的色谱和质谱等分析仪器相比,离子迁移率谱仪( ion mobility spectrome-ter, IMS)工作在大气压环境下,具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、灵敏度高、使用范围广和能用于在线分析等优点,已被用于环保领域痕量污染物检测.由于水中有机磷农药含量非常低(一般在μg/L量级),IMS仍面临检测灵敏度不高等问题,目前多采用固相微萃取和气相色谱等方法对样品进行前处理后再利用IMS检测,操作复杂,检测速度慢[4-5].

　　基于MEMS技术的预富集芯片由于工作区热质量小而具有解吸功耗低和速度快等优点,已被用于色谱、质谱和化学传感器的前端样品处理[6].文献[6]综述了各种用于气体样品处理的预富集芯片,由于器件结构、尺寸以及目标气体、吸附材料不同,富集倍数可以从5、6一直到数百以上,微热板型预富集芯片解吸时可以在数毫秒到数百毫秒时间内加热至解吸温度,并在10~102毫秒量级的时间内完成样品解吸.预富集芯片已被作为IMS的前端富集装置,用于检测空气中痕量爆炸物、化学战剂模拟剂等物质[7-8].这些预富集芯片尺寸一般在10~100 mm2,由于以检测气体样品为目的,所使用的聚合物吸附膜非常薄(<1μm),而且预富集芯片一直处于与外界环境相连的开放空间,解吸时在IMS进样口得到的被测物脉冲由于气流、扩散等原因衰减很快,只有非常少的一部分被测物能够进入IMS并被检测.为了利用IMS现场检测液体中的痕量物质,一些研究者研制了与IMS联用的固相微萃取热解吸器[9],通过减小热容量提高了解吸器升温速度,降低了加热功耗.目前,将预富集芯片用于液体样品检测的研究鲜见报道.

　　针对水中微量有机磷农药检测,笔者设计制备了一种氮化硅和氧化硅复合膜结构的微热板预富集芯片;以马拉硫磷为例,研究了预富集芯片工作区温度均匀性及吸附膜厚度等对芯片富集效果的影响.

　　1　微热板预富集芯片设计与制备

　　1·1　微热板预富集芯片结构设计

　　本文中所设计的微热板预富集芯片结构如图1所示,在约2μm厚的SiO2和Si3N4复合薄膜上制备有Pt/Ta加热电极用于控制解吸时芯片工作区温度.器件尺寸为3·5 mm×3·5 mm,膜片尺寸为2·35 mm×2·35 mm,吸附膜所在工作区为1·35 mm×1·35 mm.解吸时工作区的温度均匀性对预富集芯片性能有较大影响.工作区温度不均匀将造成吸附膜解吸速度不一致,导致解吸产生的浓缩样品气体脉冲时间宽度增加,峰值浓度降低.工作区温度不均匀还造成部分吸附膜材料因解吸温度过高而过早失效,同时部分吸附材料因温度过低、解吸不完全而产生记忆效应.