Application of sputtering to micro gas chromatography A novel collective stationary phase deposition technique for micro gas chromatography columns fabrication: feasibility, evaluations and oilfield applications - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Application of sputtering to micro gas chromatography A novel collective stationary phase deposition technique for micro gas chromatography columns fabrication: feasibility, evaluations and oilfield applications

Application de la pulvérisation cathodique à la chromatographie en phase gazeuse miniature Une nouvelle technique de dépôt collectif de la phase stationnaire pour la fabrication de micro colonnes sur puce: faisabilité, caractérisations, et applications pétrolières

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Abstract

A totally new solid stationary phase deposition technique for micro machined gas chromatography (GC) columns fabrication was proposed: to overcome the limitations of conventional liquid (or occasionally solid) stationary phases in terms of very volatile compounds retention and/or clean room batch production, an approach consisting of the collective direct deposition of the adsorbent in micro columns channels by sputtering was performed. The process was fully compatible with clean room fabrication flow and industry-ready, with very good precision results. Silica, alumina, graphite and magnesia were proven able to separate volatile hydrocarbons. Various types of columns (structure, stationary phase) were fabricated in the form of 2x2 cm² silicon-Pyrex chips, and their thermodynamic and kinetic evaluations were reported. Retentions were observed to increase from magnesia to graphite through alumina and silica and with phase ratio decrease, as expected; very satisfying efficiencies were obtained: more than 5700 plates, and 250 µm-high plates. The possibility to use such columns for fast in-situ and autonomous monitoring of light hydrocarbons in oilfield environments was demonstrated by the implementation of a chip temperature-programming system and various versatility tests (high temperatures, carrier gas, humidity): a complete C1-C9 linear alkanes separation was performed in less than 15 seconds, as well as complex mixtures fast separations (isomers, unsaturated), and an industrial confidential application was developed and patented. Therefore, sputter-deposited stationary phase micro columns opened numerous perspectives for the developments of miniaturized GC apparatuses.
Une nouvelle technique de dépôt de phases stationnaires solides pour la fabrication de micro colonnes de chromatographie en phase gazeuse a été proposée : pour dépasser les limites des phases stationnaires liquides conventionnelles (ou occasionnellement solides) en termes de rétention des composés très volatiles et/ou de fabrication par lots en salle blanche, une approche consistant en le dépôt direct de l'adsorbant sur le substrat par pulvérisation cathodique a été mise en œuvre. La méthode est par nature compatible avec le procédé de fabrication en salle blanche et industrialisable, et a montré de bons résultats en termes de précision. La séparation d'hydrocarbures volatiles a été rendue possible sur silice, alumine, graphite et magnésie. Différents types de colonnes (structure, phase stationnaire) ont été fabriquées sous la forme de puces en silicium de 2x2 cm², et leurs caractérisations thermodynamique et cinétique ont été réalisées. Des efficacités très satisfaisantes ont été obtenues (plus de 5700 plateaux, des hauteurs de plateau de 250 µm). La possibilité d'utiliser des colonnes à phase stationnaire déposée par pulvérisation cathodique pour l'analyse automatisée en temps réel d'hydrocarbures légers sur site pétrolier a été démontrée par l'implémentation d'un système de programmation en température de la puce et divers tests d'adaptabilité (haute température, gaz vecteur, humidité) : une séparation complète des alcanes linéaires C1-C9 en moins de 15 secondes a été obtenue, ainsi que des séparations de mélanges plus complexes (isomères, insaturés). Une application industrielle confidentielle a été brevetée et développée.
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  • HAL Id : pastel-01003736 , version 1

Cite

Raphaël Haudebourg. Application de la pulvérisation cathodique à la chromatographie en phase gazeuse miniature Une nouvelle technique de dépôt collectif de la phase stationnaire pour la fabrication de micro colonnes sur puce: faisabilité, caractérisations, et applications pétrolières. Chimie analytique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. Français. ⟨NNT : 2400900⟩. ⟨pastel-01003736⟩
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