具有超薄紫外透射窗的集成式微型光致电离检测器

政府支持

本发明是在美国环境保护署授予的RD-83564401-0的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月3日提交的美国临时申请第62/740,583号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本公开涉及具有超薄紫外线透射窗的集成式微型光致电离检测器。

背景技术

本部分提供有关本公开的不一定为现有技术的背景信息。

气相色谱(gas chromatography，GC)广泛用于分析挥发性有机化合物(VOC)和其他分析物化合物。当用于分析时，GC系统通常还包括分析物检测器。火焰电离检测器(FID)是台式GC仪器常用的蒸汽检测器。然而，FID和μFID(微型FID)具有破坏性，因此用途受限。例如，FID和μFID不能放置在蒸汽流动路径的中间以监控多维GC分离。相反，FID和μFID只能在GC仪器的终端处使用。此外，FID需要使用氢气，这阻碍了它们在μGC仪器中的广泛认可。热导检测器(TCD)和μTCD(微型TCD)已经与GC一起用作蒸汽检测器。热导检测器和μTCD是非破坏性的，并且具有流通设计。然而，TCD的灵敏度低(纳米-克)并且需要氦气。电子捕获检测器(ECD)是另一种类型的非破坏性蒸汽检测器。尽管电子捕获检测器非常灵敏，但它们的动态范围受限，并需要使用放射性物质用于分析物电离。

光致电离检测器(photoionization detector，PID)是另一种类型的蒸汽检测器。PID是灵敏的(皮-克)、非破坏性的，并适用于宽范围的蒸汽。在PID中，蒸汽分子通过紫外线(UV)灯产生的UV辐射在电离室内被离子化。然后将在电离室中产生的离子驱动到电极以产生电流。UV灯通常填充有低压氩气、氪气或其他气体，以在外部电激励下产生UV光。在UV灯中，密封窗(即，UV透射窗)由诸如氟化钙、氟化镁或氟化锂的特殊材料制成。这些材料在关注的UV辐射的波长范围内具有相对高的透射系数。但是，这些材料相对昂贵，并且容易受到水蚀、晶体日晒以及由于UV损害而引起的泛黄效应，所有这些都会降低UV灯(并因此降低PID)的性能并缩短其使用寿命。另外，这种传统的UV灯与微型制造工艺不兼容。因此，难以使用这种传统的UV灯来微型制造PID。

发明内容

本部分提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或所有特征的全面公开。

在某些方面，本公开提供了一种集成式微流体光致电离检测器(PID)，所述集成式微流体光致电离检测器包括微流体电离室，所述微流体电离室具有接收流体样品的入口和流体样品离开微流体电离室所通过的出口。集成式微流体PID还包括与微流体电离室电连通的第一电极和不同的第二电极。微流体紫外线辐射室配置为产生紫外线光子。集成式微流体PID还包括超薄透射窗，所述超薄透射窗设置在微流体电离室与微流体紫外线辐射室之间，且允许紫外线光子从微流体紫外线辐射室进入微流体电离室。在某些变体中，超薄透射窗允许大于或等于约5％的紫外线光子通过。

在一方面，透射超薄窗包括选自由以下项组成的组的材料：硅石(silica)、熔融硅石(fused silica)、石英(quartz)、蓝宝石(sapphire)、氟化镁、氟化钙、氟化锂及它们的组合。

在一方面，透射超薄窗限定为板上的一个或多个选择区域。

在一方面，透射超薄窗设置在支承板上，并且透射超薄窗限定在支承板的选择区域内。

在一方面，集成式微流体光致电离检测器(PID)还包括层的堆叠，所述层的堆叠包括第一层和第二层。透射超薄窗限定在第一层内，以及第二层的、与透射超薄窗对应的一个或多个区域不存在。

在一方面，透射超薄窗具有小于或等于约20μm的厚度，并且配置为透射大于或等于约5％的紫外线光子。

在一方面，透射超薄窗具有大于或等于约250nm至小于或等于约500nm的厚度。

在一方面，微流体紫外线辐射室具有接收紫外线产生流体的入口。

在一方面，微流体紫外线辐射室包括紫外线产生流体，该紫外线产生流体选自由以下项组成的组：氪气、氩气、氦气及它们的组合。

在一方面，微流体电离室是一个或多个微流体通道。

在一方面，一个或多个微流体通道具有小于约10μL的总体积。

在一方面，第一电极和不同的第二电极形成在导电材料的层中，并且一个或多个微流体通道设置在该层中以使第一电极与不同的第二电极电绝缘。

在某些其他方面，本公开提供了一种用于一种或多种VOC分析物的检测系统，所述检测系统包括：气相色谱(GC)单元，所述气相色谱(GC)单元包括至少一个气相色谱柱；和设置在气相色谱(GC)单元下游的集成式微流体光致电离检测器(PID)。集成式微流体光致电离检测器(PID)包括微流体电离室，所述微流体电离室具有接收流体样品的入口和流体样品离开微流体电离室所通过的出口。集成式微流体光致电离检测器(PID)还包括与微流体电离室电连通的第一电极和不同的第二电极。集成式微流体光致电离检测器(PID)还包括配置为产生紫外线光子的微流体紫外线辐射室。集成式微流体光致电离检测器(PID)还包括设置在微流体电离室与微流体紫外线辐射室之间的透射超薄窗，所述透射超薄窗允许大于或等于5％的紫外线光子从微流体紫外线辐射室进入微流体电离室。微流体光致电离检测器(PID)分析在气相色谱(GC)单元中处理的样品。

在一方面，透射超薄窗包括选自由以下项组成的组的材料：硅石、熔融硅石、石英、蓝宝石、氟化镁、氟化钙、氟化锂及它们的组合。

在一方面，透射超薄窗限定为板上的一个或多个选择区域。

在一方面，透射超薄窗设置在支承板上，并且透射超薄窗限定在支承板的选择区域内。

在一方面，集成式微流体光致电离检测器(PID)还包括层的堆叠，所述层的堆叠具有第一层和第二层。透射超薄窗限定在第一层内，以及第二层的、与透射超薄窗对应的一个或多个区域不存在。

在一方面，透射超薄窗具有小于或等于约20μm的厚度，并且配置为透射大于或等于约5％的紫外线光子。

在一方面，微流体电离室是一个或多个微流体通道。

在一方面，第一电极和不同的第二电极形成在导电材料的层中，并且一个或多个微流体通道设置在该层中以使第一电极和不同的第二电极电绝缘。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实施例旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于所选实施方式的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。

图1示出了示例性检测系统的示意图，所述检测系统包括：气相色谱(GC)单元，所述气相色谱(GC)单元包括至少一个气相色谱柱；和设置在气相色谱(GC)单元的下游的集成式微流体光致电离检测器(PID)。

图2示出了根据本公开的某些方面的具有超薄透射窗的集成式微流体光致电离检测器(PID)的图示。

图3是图2中集成式微流体光致电离检测器(PID)沿3-3线截取的剖视图。

图4是在热氧化物涂覆的硅晶片上构图的超薄紫外线(UV)透射窗的照片。

图5是将根据本公开的某些方面制备的超薄紫外线(UV)透射窗的UV透射能力与气窗进行比较的图表。

贯穿附图的若干视图，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

提供示例性实施方式将使得本公开将是透彻的，且将范围充分地传递给本领域技术人员。阐述了诸如以具体组合物、部件、装置和方法为例的许多具体细节以提供对本公开的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要使用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同的形式来体现，并且都不应当被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方式中，未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。

本文中使用的术语仅为了描述特定的示例性实施方式，且不旨在限制。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一”、“一个”和“该/所述”也可以旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，因此指定存在所述特征、元件、组合物、步骤、整体、操作和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。尽管开放式术语“包括”应理解为用于描述和要求保护本文所阐述的各种实施方式的非限制性术语，但是在某些方面，该术语可以替代地理解为是例如“由……组成”或“基本上由……组成”的限制性和约束性更强的术语。因此，对于叙述组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤的任何给定的实施方式，本公开还具体包括由所述组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤组成或基本组成的实施方式。在“由……组成”的情况下，替代实施方式不包括任意其他组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，实质上影响基本和新颖特性的任何其他组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤从这种实施方式中排除，但是实质上不影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤可以包括在本实施方式中。

除非明确地标识为执行顺序，否则本文描述的任何方法步骤、过程和操作都不应解释为必须要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行。还应理解，除非另外指出，否则可以采用附加步骤或替代步骤。

当部件、元件或层被称为在另一元件或另一层“上”，“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一元件或另一层时，该部件、元件或层可以直接在另一部件、另一元件或另一层上，接合到、连接到或耦接到另一部件、另一元件或另一层，可以存在中间元件或中间层。相反，当元件被称为“直接在”另一元件或另一层“上”，“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或另一层时，可能不存在中间元件或中间层。用于描述元素之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联所列项目的任意组合和所有组合。

除非另有说明，否则尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部段，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部段不应受到这些术语限制。这些术语可以仅用于区分一个步骤、元件、部件、区域、层或部段与另一步骤、元件、部件、区域、层或部段。除非上下文明确指出，否则本文中使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语之类的术语并不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部段可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，在本文中可以使用诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“下方”、“下”、“下部”、“上方”、“上”等空间或时间相对术语以描述一个元件或特征与如图中所示的另一元件或多个元件或特征的关系。空间或时间相对术语除了附图中描绘的方位之外，还可以旨在涵盖使用或操作中的设备或系统的不同方位。

在整个本公开中，数值表示近似的度量或范围的限制，以涵盖与给定值的微小偏差，以及大约具有所提及的值的实施方式和恰好具有所提及的值的实施方式。除了在详细的说明书末尾提供的工作实施例之外，本说明书、包括所附权利要求中的参数(例如，数量或条件)的所有数值应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，无论“约”是否实际上出现在数值之前。“约”表示所述数值允许一些轻微的不精确性(以某种方式达到该值的准确性；近似或合理地接近该值；接近)。如果在本领域中没有以该普通含义来理解由“约”提供的不精确性，则本文所使用的“约”表示至少可以由测量和使用这种参数的普通方法引起的变化。例如，“约”可以包括小于或等于5％的变化，可选地小于或等于4％的变化，可选地小于或等于3％的变化，可选地小于或等于2％的变化，可选地小于或等于1％的变化，可选地小于或等于0.5％的变化，以及在某些方面，可选地小于或等于0.1％的变化。

另外，范围的公开包括所有值的公开以及整个范围内的进一步划分的范围，包括为该范围给出的端点和子范围。

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。

使用气相色谱的检测系统可以用于检测特定分析物化合物(例如VOC或其他化合物)的存在。在这样的系统中，与根据本教导的某些方面制备的蒸汽检测器一样，微流体PID形式的蒸汽检测器与气相色谱(GC)柱结合使用。首先将要分析的蒸汽样品引入GC柱。在某些方面，GC柱可以小型化为微型GC(μGC)。随后样品由惰性气体载体通过柱来输送，并根据样品中每种化合物(分析物)的物理性质在GC柱中分离样品。每种洗脱的化合物都会从GC柱中出来并进入蒸汽检测器单元，所述蒸汽检测器单元如下所述可以是光致电离检测器(PID)或微流体PID(μPID)。在其他设计中，PID或μPID蒸汽检测器单元可以在GC柱内的中间位置中使用，以检测分析物。如本文所讨论的，除非另有说明，否则PID和μPID可互换地使用。

PID通常使用(例如，在紫外线(UV)波长范围内的)高能光子将洗脱的分析物分子分解为带正电的离子。PID通常使用放电气体，例如惰性气体(例如氪气和氩气)，所述气体在放电灯室内被电离。外部能量(例如RF能量)可以由放电气体吸收，从而使得放电气体中的原子转变为激励态。在UV灯的放电室中，每个离子可以与另一原子结合以发射一个或多个光子。洗脱的化合物在电离室中进入PID设备。电离室和放电灯室通常通过光学透明窗彼此间隔开，所述光学透明窗允许高能光子进入电离室。典型的透射窗由诸如氟化镁、氟化钙或氟化锂的材料形成，并且具有约0.1mm(约100μm)至约10mm的厚度。随后包含洗脱的化合物的电离室会由来自放电灯室的经电离的放电气体所产生的光子轰击。

随后，光子/能量被分析物分子吸收，所述分析物分子转变为激励态并在单独的电离室中电离，最终形成带正电的离子。因此，基于GC柱中的相对保留时间，样品中的不同分析物分子分离，在不同时间洗脱，然后进入室，在该室这些分子从经电离的放电气体发射的光子中被电离。

气体因此带电，并且离子产生电流，所述电流成为与电离的分析物分子的浓度有关的输出。当每种电离的化合物经过与电离室相邻的一个或多个收集电极时，产生电流。以这种方式，可以根据分析物化合物的保留时间对分析物化合物进行识别，并通过PID信号(或当前的PID生成)对分析物化合物进行定量。

在各个方面，本公开考虑了集成式光致电离检测器(PID)，所述集成式光致电离检测器如下文进一步讨论的在某些变体中可以是微流体PID(μPID)。μPID包括用于接收和处理流体样品的微流体电离室。第一电极和不同的第二电极与微流体电离室电连通。μPID还包括配置为产生紫外线光子的集成式微流体紫外线辐射室。透射超薄窗设置在微流体电离室与微流体紫外线辐射室之间，所述透射超薄窗允许紫外线光子从微流体紫外线辐射室进入微流体电离室。

本公开在某些方面提供了用于一种或多种挥发性有机化合物(VOC)或其他目标分析物的检测系统20，例如图1所示的检测系统。在检测系统10中，气相色谱(GC)单元20包括至少一个气相色谱柱22。术语“柱”的使用旨在广义地包括流体可流经的各种流动路径，例如来自在一个或多个基板中限定的微特征的图案化流场或本领域技术人员公认的其他流体流动路径。集成式微流体光致电离检测器(μPID)30设置在气相色谱(GC)单元20的下游。

在某些方面，GC单元20是微流体GC(μGC)，并且PID 30是微流体PID(μPID)。在各个方面，本公开提供了形成方法和装置，所述装置具有在微尺度上并因此是微流体的特征或通道。在一些方面，诸如通道或室的特征可选地小于诸如纳米级结构的微尺度。如本文所使用的，“微米级”是指具有至少一个尺寸的结构，该尺寸小于约500μm、可选地小于约400μm、可选地小于约300μm、可选地小于约200μm、可选地小于约150μm，以及在某些变体中，可选地小于约100μm。“纳米级”结构具有至少一个尺寸，该尺寸小于或等于约50μm、可选地小于或等于约10μm(10,000nm)、可选地小于或等于约1μm(1,000nm)、可选地小于或等于约0.1μm(100nm)，可选地小于约50nm，并且可选地小于约10nm。如本文所使用的，提及的微尺度、微通道、微流体通道或微结构包含较小的结构，诸如等效的纳米级结构。

微流体通道是形成在基板中或基板上的微通道，所述基板的横截面积和体积足以允许微流体通道接收、转移和/或存储包括流体的材料。流体包括气体、蒸汽和液体等。因此，微流体通道通常具有使得结构的长度形成最大尺寸的尺寸，例如，凹槽(开口形状)或通道(结构上闭合的几何形状)。在某些变体中，如本文进一步所描述的，微流体通道可以是限定空隙区域的完全封闭结构，所述空隙区域允许通过该结构的流体连通。微流体通道可以具有包括环形、圆形或椭圆形(形成管形或圆柱形)、矩形等的多种横截面形状。

基于气相色谱的检测系统20通常具有至少五个部件：(1)载气供应源24；(2)样品流体注射系统26；(3)一个或多个气相色谱柱22；(4)检测器，例如微流体PID 30；以及(5)数据处理系统(未示出)。载气(也称为运动相)是高纯度且相对惰性的气体，例如氦气、氢气、氮气、氩气或空气。载气可以与要测试的样品流体同时流过GC柱22(在整个分离过程中)。样品流体注射系统26将预定体积的包含一种或多种待测试的目标分析物(例如，气态形式)的样品混合物通过使该样品混合物与来自载气供应源的流动载气混合而引入柱中。通常，在色谱柱22内实现分离，因为柱的内表面被涂覆(或柱的内部被填充)有用作固定相的材料。固定相不同程度地吸附样品混合物中的不同目标分析物。吸附的差异会导致不同的延迟，从而导致不同化学物质沿柱向下行进时的迁移率不同，从而影响样品混合物中目标分析物的物理分离。值得注意的是，虽然仅显示为单个GC柱22，但是气相色谱(GC)单元20可以包括样品流体可以经过所通过的多个柱。此外，这种检测系统可以包括各种其他部件，诸如调制器等。

像微流体PID 30的检测器位于一个或多个GC柱22的出口32的下游。μPID 30与气相色谱(GC)单元20集成在一起，并用于检测在不同时刻从柱22流出或洗脱的样品中的各种化学物质或目标分析物。μPID 30包括微流体电离室40，所述微流体电离室具有接收流体样品的入口42和流体样品离开微流体电离室40所通过的出口44。第一电极和不同的第二电极(未示出)也与微流体电离室40电连通。微流体紫外线辐射室50配置为产生紫外线光子。透射窗60设置在微流体电离室40与微流体紫外线辐射室50之间，且允许紫外线光子从微流体紫外线辐射室40进入微流体电离室50。因此，μPID 30分析在气相色谱(GC)单元20中处理的样品。尽管未示出，但是数据处理系统通常还与μPID 30通信，以能够存储、处理和记录分离的测试结果。

图2和图3示出了根据本公开的某些方面制备的代表性集成式微流体光致电离检测器(μPID)100的示意和横截面。μPID 100包括基板110。一个或多个微流体通道118可以形成在基板110中或该基板上。在图2和图3中，壁结构112形成在基板110上以限定一个或多个微流体通道118。基板110可以由无机材料或聚合物形成。在某些方面，基板110可以是玻璃(例如，硅石或硼硅酸盐)。在某些变体中，基板110包括多个层。

在某些变体中，壁结构112可以是形成在基板110上的导电材料(例如，导电硅材料)的层或选择区域。以这种方式，在某些变体中，当壁结构112是导电的时，壁结构112可以用作正电极和/或负电极。因此，壁结构112的至少一层可以包括导电材料。导电材料可以由导电材料或半导体材料(诸如掺杂的半导体材料)形成。在某些方面，导电材料包括选自由以下项组成的组的材料：硅(Si)(例如，掺杂硅)、铝(Al)、氧化铟锡(ITO)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铱(Ir)、钯(Pd)、钨(W)、不锈钢(SS)、锌(Zn)、钛(Ti)、它们的合金和氧化物、及它们的组合。多个层中的至少两层可以具有不同的组合物。例如，基板110上的第一层可以包括掺杂的半导体材料，例如掺杂的硅，并且覆盖第一层的第二层可以包括导电金属。替代地，可以将导电材料作为电极嵌入与一个或多个微流体通道118接触的壁结构112中。

壁结构112可以以形成一个或多个微流体通道118的图案被选择性地形成在某些区域中或替代地在选择区域中去除。在某些方面，一个或多个微流体通道118可以限定螺旋形图案。一个或多个微流体通道118可以因此在基板上限定蛇形图案。“蛇形”是指流体通道是蜿蜒的并且在流体路径的路线上具有至少两个180°方向变化的流通设计。因此，由一个或多个微流体通道118限定的流体路径是弯曲的，并且可以避免方向变化，所述方向变化导致死区或减少流体流量。这种蛇形路径可以限定螺旋结构或叉指型结构。在实施方式中，一个或多个微流体通道118可以限定阿基米德螺旋。一个或多个微流体通道118可以蚀刻或形成在导电硅晶片或层中，例如，作为在这种材料中形成的阿基米德螺旋通道。在其他变体中，一个或多个微流体通道可以具有包括线性直线流动路径的其他流动路径构造。

在某些变体中，一个或多个微流体通道118(或电离室)具有的总体积小于或等于约10μL，在某些优选方面，小于或等于约9μL，可选地小于或等于约8μL，可选地小于或等于约7μL，可选地小于或等于约6μL，可选地小于或等于约5μL，可选地小于或等于约4μL，可选地小于或等于约3μL，可选地小于或等于约2μL，以及在某些变体中，可选地小于或等于约1.5μL。例如，在一个变体中，一个或多个微流体通道118限定仅约1.3μL的电离室体积。

此外，在某些方面，μPID 100装置在微流体通路内具有可忽略不计的总死体积。一个或多个微流体通道118的总死体积可以小于或等于微流体通道的总体积的约1％，例如，当一个或多个微流体通道的总体积是5μL时，小于或等于1％的死体积将是小于或等于约0.05μL或50nL的死体积。在某些其他变体中，一个或多个微流体通道118的总死体积可以小于或等于一个或多个微流体通道的总体积的约0.9％，可选地小于或等于一个或多个微流体通道的总体积的约0.7％，可选地小于或等于一个或多个微流体通道的总体积的约0.6％，以及在某些变体中，小于或等于一个或多个微流体通道的总体积的约0.5％。在某些其他变体中，一个或多个微流体通道的死体积可以小于或等于约30nL，可选地小于或等于约25nL，可选地小于或等于约15nL，可选地小于或等于约10nL，可选地小于或等于约5nL，可选地小于或等于约4nL，可选地小于或等于约3nL，以及在某些变体中，可选地小于或等于约2nL。

微流体通道可以具有大于或等于约50μm至小于或等于约200μm的宽度，可选地大于或等于约100μm至小于或等于约200μm的宽度，以及在某些方面，可选地大于或等于约125μm至小于或等于约175μm的宽度。在某些其他变体中，微流体通道具有的高度或深度大于或等于约100μm至小于或等于约600μm，可选地大于或等于约200μm至小于或等于约500μm，可选地大于或等于约300μm至小于或等于约400μm，以及在某些方面，可选地大于或等于约350μm至小于或等于约400μm。微流体通道的总长度可以大于或等于约0.5cm至小于或等于约10cm，可选地大于或等于约1cm至小于或等于约5cm，以及在某些方面，可选地大于或等于约2cm至小于或等于约3cm。(例如，在微流体通道中彼此相邻的各个通道之间的)壁的厚度可以大于或等于约10μm至小于或等于约100μm，可选地大于或等于约25μm至小于或等于约75μm，以及在某些方面，可选地大于或等于约40μm至小于或等于约60μm。在一个实施方式中，微流体通道具有150μm(宽度)×380μm(深度)的横截面、50μm的壁厚度和2.3cm的长度。

如上所指出的，微流体光致电离检测器(PID)100还包括极性相反的第一电极和第二电极。例如，壁结构112可以限定第一电极区域114和不同的第二电极区域116。第一电极区域114和第二电极区域116可以形成在基板110上的壁结构112的一层或多层的选择区域中。壁结构112可以具有一个或多个非导电区域108。在某些变体中，基板110包括具有掺杂硅的第一层和导电金属的第二层的选择区域，其中选择区域是与相应的第一电极区域114和第二电极区域116对应的不同区域。第一电极区域114可以通过一个或多个微流体通道118与第二电极区域116分离并电隔离。微流体通道118可以形成在壁结构112中，并且因此分离并限定第一电极区域114和第二电极区域116。在某些方面，微流体通道118的底面可以是基板110，或替代地，尽管未示出，但是一个或多个微流体通道可以完全形成在壁结构112中，使得在其中限定了侧壁和底面/底部。

第一电极区域114和第二电极区域116可以连接到电源(未示出)的外部正引线和负引线。尽管未示出，但是连接到电源的功率驱动电路可以以相反的极性连接到第一电极区域114和第二电极区域116。第一电极区域114和第二电极区域116可以连接到放大器(未示出)以形成闭合电路。在某些方面，电源可以是具有小于或等于约20伏的直流电(VDC)的最大电压的低压电源。因此，由第一电极区域114和第二电极区域116限定的电极提供了当一个或多个微流体通道118由光子轰击并激励时测量由一个或多个微流体通道118内的电离分析物产生的电信号的能力。

μPID 100装置还包括到一个或多个微流体通道118的入口122，所述一个或多个微流体通道用作微流体电离室。还存在到一个或多个微流体通道118的出口124。因此，包含一个或多个目标分析物的载气可以离开GC柱并进入入口122，在该入口处该载气行进通过一个或多个微流体通道118。如下文所讨论的，流过微流体电离室(一个或多个微流体通道118)的流体中的分析物可以被电离并测量电荷。第一电极区域114和第二电极区域116可以在UV电离时检测由目标分析物产生的电流。随后流体可以通过出口124离开微流体电离室(一个或多个微流体通道118)。

μPID 100装置还包括电磁辐射源或光源，所述电磁辐射源或光源可以是配置为生成紫外线光子的微流体紫外线辐射室或微流体放电室130。微流体放电室130可以具有入口132，并且可以填充有紫外线产生流体，例如氪气、氩气、氦气以及本领域中已知的其他纯净或混合气体，以产生紫外线。一方面，紫外线产生流体可以选自由以下项组成的组：氪气、氩气、氦气及它们的组合。入口132可以在填充有紫外线产生流体之后密封。替代地，微流体放电室130可以具有出口134，使得紫外线产生流体可以流入入口132并经由出口134离开微流体放电室130。微流体放电室130还可以具有设置在开放室的末端边缘处的不导电帽136。

集成式微流体放电室130在集成灯内产生光或电磁辐射，并随后产生光子，所述光子被引向一个或多个微流体通道118的内容物。如图所示，极性相反的第一激励电极140和第二激励电极142以图案布置在覆盖层144中，该图案通常对应于下面的一个或多个微流体通道118的图案。因此，当电流或电势施加到第一激励电极140和第二激励电极142时，紫外线产生流体在与一个或多个微流体通道118对应的区域中被激励并产生光子。

特别合适的光落在紫外线电磁辐射光谱内。在某些变体中，光可以是具有大于或等于约10nm至小于或等于约400nm的波长的紫外线辐射(UV)(包括紫外线A、紫外线B、紫外线C、近紫外线、中紫外线、远紫外线、极紫外线和真空紫外线)。在其他变体中，光可以是大于或等于约100nm至小于或等于约400nm的范围内的紫外线辐射(包括紫外线A、紫外线B、紫外线C)。特别地，光可以是滤光、聚焦光、偏振光，或者可以是超光谱的或不同波长的混合。

在某些变体中，如下文进一步所述，UV透射窗可以是超薄的，因此在某些实施方式中可以具有亚微米的厚度。因此，超薄透射窗150设置在呈一个或多个微流体通道118的形式的微流体电离室与呈微流体放电室130形式的微流体紫外线辐射室之间。超薄透射窗150允许足够量的紫外线光子从微流体放电室130进入一个或多个微流体通道118，所述一个或多个微流体通道用作微流体电离室以将一个或多个目标分析物激励到可检测的水平。在某些方面，透射是指超薄窗对于电磁能的波长的目标范围是透明的，例如在上述紫外线波长范围内是透明的。因此，在某些方面，透射窗在预定波长范围内透射大于或等于约5％的电磁能，可选地在预定波长范围内(例如，在光谱的紫外线范围内)透射大于或等于约10％、可选地大于或等于约20％、可选地大于或等于约30％、可选地大于或等于约40％、可选地大于或等于约50％、可选地大于或等于约60％、可选地大于或等于约70％、可选大于或等于约80％、可选地大于或等于约90％、以及在某些方面可选地大于或等于约95％的电磁能。在某些变体中，透射超薄窗具有小于或等于约20μm的厚度，并且配置为透射大于或等于约5％的紫外线光子或任意透射水平的上述紫外线光子。

超薄透射窗150的厚度可以小于或等于约20微米(μm)，可选地小于或等于约10μm，可选地小于或等于约5μm，可选地小于或等于约4μm，可选地小于或等于约3μm，可选地小于或等于约2μm，以及在某些变体中，可选地小于或等于约1μm。在某些选择的变体中，超薄透射窗150的厚度可以小于或等于约500nm，可选地小于或等于约450nm，可选地小于或等于约400nm，可选地小于或等于约350nm，可选地小于或等于约300nm，可选地小于或等于约250nm，可选地小于或等于约200nm，可选地小于或等于约150nm，可选地小于或等于约100nm，以及在某些变体中，可选地小于或等于约50nm。在某些变体中，超薄透射窗150的厚度可以大于或等于约50nm至小于或等于约20μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约10μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约5μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约4μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约3μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约2μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约1μm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约500nm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约250nm，可选地大于或等于约50nm小于或等于约200nm，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约150nm，以及在某些变体中，可选地大于或等于约50nm至小于或等于约100nm。

如下文所讨论的，超薄透射窗150可以是超薄板，或者可以是在较厚的板或材料层中限定的一个或多个选择的超薄区域或层。在某些方面，超薄透射窗150可以设置在一个或多个微流体通道118上方。在某些变体中，超薄透射窗150放置在一个或多个微流体通道118的至少一部分上方，从而形成上壁或顶壁(例如，三侧通道的第四侧)以封闭微流体通道118。然而，超薄透射窗150不需要接触一个或多个微流体通道118，而是可以定位在微流体通道附近并且留有小的间隙，例如，定位为距一个或多个微流体通道118小于几毫米至小于约10μm。因此，呈微流体放电室130形式的UV光源被定位为并配置为将光子引导到可能存在于一个或多个微流体通道内的样品流体。一个或多个微流体通道118因此用作存在于所述一个或多个微流体通道中并在所述一个或多个微流体通道中流动的分析物化合物的电离室。

值得注意的是，在某些变体中，透射超薄窗可以由像硅石这样的材料进行微制造，硅石通常认为不适合这种应用，因为这种材料认为对UV辐射不透明。已知硅石在关注的UV光谱中具有极低的透射系数(或极高的消光系数)(例如，约140nm至约70nm的波长，对应于9eV至17.5eV的UV光子能量)。因此，硅石通常不认为是可以用作PID装置的UV透射窗的材料。然而，当使用本文所述的某些微制造技术时，硅石可以形成为透射窗的一部分，所述透射窗具有超薄的厚度，并因此在目标UV光谱中变得透明。更具体地，透射紫外线光子通量的比例由下式确定：(1-A×t)，其中A是硅石的消光系数，以及t是透射窗口的厚度。尽管A很大，但是当t极小(例如，当t是亚微米的厚度)时A×t变得相对小(意味着它变得对UV透明)。然而，本公开设想不仅由诸如硅石(例如，二氧化硅)、熔融硅石、硅形成超薄透射窗，而且由诸如氟化镁(MgF

在某些变体中，为了保持机械完整性，透射窗被设计为具有一个或多个选择区域的板，所述选择区域具有超薄的厚度以允许UV电磁辐射/光子的透射，而所述板的在一个或多个选择区域之外的剩余区域可以保持相对较厚，因为它们是不透明的。较厚的非透明区域具有大于超薄透射区域厚度的厚度。在某些变体中，超薄透射区域的平均第一厚度与其余不透明较厚区域的平均第二厚度之比可以小于或等于约1：2，可选地小于或等于约1：3，可选地小于或等于约1：4，可选地小于或等于约1：5，以及在某些变体中，可选地小于或等于约1：5。

在某些变体中，较厚区域具有的厚度大于约500nm，可选地大于或等于约600nm，可选地大于或等于约700nm，可选地大于或等于约750nm，可选地大于或等于约800nm，可选地大于或等于约900nm，可选地大于或等于约1μm，可选地大于或等于约2μm，可选地大于或等于约3μm，可选地大于或等于约4μm，可选地大于或等于约5μm，可选地大于或等于约10μm，以及在某些变体中，可选地大于或等于约20μm。

在其他方面，透射窗可以是包括多层的部件，例如，一层可以是超薄层，而另一层可以是一个或多个较厚的层。因此，透射窗可以形成为层的堆叠，该层的堆叠包括第一层和第二层。透射超薄窗限定在第一层中，以及第二层的与透射超薄窗对应的一个或多个区域不存在。因此，可以去除一个或多个较厚层的选择区域，以允许UV辐射通过选择区域中的超薄层的透射。去除可以由纳米图案化、蚀刻、平板印刷或光刻技术来实现。在某些方面，形成透射窗的材料可以是能够经由这种平板印刷、光刻或纳米制造技术进行处理的材料，像硅石、硅、石英、熔融石英等。

图4示出了根据本公开的某些方面制成的超薄透射窗的照片。亚微米(例如，500nm)厚的硅石UV透射窗形成在具有热氧化涂层的硅晶片上。在将硅晶片暴露到氧化剂组合(并且可选地加热)之后出现热氧化，以产生包含二氧化硅(SiO

实施例

测试超薄硅石窗的UV透射能力。在本研究中，用于常规PID的UV灯从Baseline-Mocon购买并用作UV源(UV光子能量10.6eV，波长大约120nm)。灯直接放置在根据本公开的某些方面形成的超薄硅石UV透射窗的顶部上。甲苯用作分析物并流过硅石窗下方的微流电离室。获得

为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。其并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体示出或描述也可以在选定的实施方式中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变体不应被认为背离本公开，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。