MEMS微型气相色谱柱综述：原理、技术与航空航天应用
2026-02-15 14:49:03 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统综述了MEMS微型气相色谱柱在结构设计、制造工艺、固定相制备等方面的研究进展，并对航空航天领域的代表性应用案例与工程实践进行了分析。
在航空航天任务中，精确的气体分析在航天器安全保障、乘员健康监测以及深空科学探测等方面发挥着关键作用。尽管传统的气相色谱（GC）系统已经相当成熟，但其体积大、功耗高、分析时间长等特点限制了其在现代航空航天任务中的应用，而这些任务通常要求分析系统具备微型化、低功耗和高度集成化的特性。微机电系统（MEMS）技术的发展为气相色谱系统的微型化提供了一条有效路径。基于MEMS技术的微型气相色谱柱可通过微纳加工技术，将米级分离通道集成到厘米级芯片上，在显著降低系统体积与功耗的同时，提高分析速度与系统集成能力。与传统气相色谱系统相比，MEMS微型气相色谱柱（µGC）在尺寸、重量、能效和响应时间方面具有明显优势。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国航天员科研训练中心、北京工业大学的研究人员组成的团队在Applied Sciences期刊上发表了题为“A Review of MEMS-Based Micro Gas Chromatography Columns: Principles, Technologies, and Aerospace Applications”的综述论文，系统地概述了MEMS微型气相色谱柱的基本原理、结构设计、制备工艺以及固定相制备方法；重点介绍了具有代表性的航空航天应用案例及相关实验与工程验证研究；并通过技术成熟度等级（TRL）重新评估这些系统，以区分具有飞行验证履历的技术与概念验证方案，同时提出了面向环境可靠性的标准化验证路线图。此外，文章还讨论了MEMS微型气相色谱柱在航空航天应用部署中面临的关键技术挑战。本综述旨在为航空航天气体分析系统的研发以及基于MEMS技术的工程化应用提供有价值的参考。
为确保对面向航空航天应用的MEMS微型气相色谱技术现状进行全面且系统的分析，本文开展了结构化文献综述。文献检索主要通过多个主流科学数据库进行，包括 Web of Science、Scopus、IEEE Xplore和Google Scholar，时间范围覆盖2000年1月至2024年12月。
筛选标准定义如下：（1）经同行评议的期刊论文、会议论文及专利；（2）研究内容聚焦于MEMS微型气相色谱柱的制备、测试或集成；（3）提供定量性能指标（例如分离效率、功耗）或与空间环境相关的工程验证数据的研究。缺乏具体实验数据的无关研究，以及没有应用背景的纯理论研究均被排除。最终筛选出约96篇关键参考文献作为本综述的基础，以确保技术覆盖的广度以及航空航天工程相关性的深度。
理论基础与相关计算公式
MEMS微型气相色谱柱的设计与优化在很大程度上依赖于色谱分离理论的指导。早期的色谱理论为MEMS微型气相色谱柱的发展提供了重要的理论支撑，尤其是塔板理论（Plate Theory）和速率理论（Rate Theory），它们从热力学和动力学的角度解释了分离过程中影响性能的关键因素。此外，Golay方程为矩形通道柱的设计提供了理论依据，进一步推动了MEMS微型气相色谱柱的创新发展。
经典气相色谱理论为理解分离过程中物质传递和扩散行为提供了基础框架，因此常被用于MEMS微型气相色谱柱的概念设计和性能分析。然而，这些理论模型最初是基于宏观尺度、理想几何结构以及稳态工作条件建立的。因此，在MEMS微尺度和微纳加工的特定条件下，其若干基本假设往往不能严格成立。
在MEMS微型气相色谱柱的研究与应用中，塔板理论、van Deemter方程和Golay方程更适合作为定性分析和工程设计的指导工具，而非严格的定量预测模型。当前研究越来越倾向于将经典理论与数值模拟、实验表征以及系统级性能评估相结合，以更准确地描述非理想微通道条件下的实际分离行为。
MEMS微型气相色谱柱的结构布局
MEMS微型气相色谱柱的结构布局是影响其性能的关键因素之一。根据通道内是否包含填料或微结构，MEMS微型气相色谱柱通常可分为三类：开管式（open-tubular）、填充式（packed）和半填充式（semi-packed），如图1所示。不同类型在分离效率、样品容量以及工作条件方面各具优势与局限。近年来，随着微纳制造技术的进步，越来越多的研究致力于通过优化结构布局来提升MEMS微型气相色谱柱的分离效率与分析速度。
图1 各种类型的气相色谱柱
蛇形结构近年来已成为MEMS微型气相色谱柱设计中的一个重要方向。通过巧妙设计的曲折通道，蛇形结构能够在有限占位面积内实现更长的分离路径，从而提升分离性能。蛇形构型的一个显著优势在于能够减轻展宽效应；尤其在高压条件下，可有效降低由涡流扩散引起的峰展宽。
随着MEMS技术的进一步发展，各类新型微结构设计不断涌现，旨在进一步优化气体流速分布并提高分离效率。
图2 蛇形半填充式气相色谱柱中呈交错排列的椭圆形微柱结构
尽管多种MEMS微型气相色谱柱在实验室环境中已表现出优异的分离性能，但面向航空航天应用的工程选型必须严格权衡色谱效率、流动阻力以及制造鲁棒性等多维度因素之间的取舍关系。
MEMS微型气相色谱柱的制备工艺
MEMS微型气相色谱柱的制备涉及多种微纳制造技术，不同工艺各具特点，可根据具体设计需求对色谱柱性能进行针对性优化。主要制备技术包括深反应离子刻蚀（DRIE）、激光刻蚀技术（LET）、LIGA工艺（光刻-电铸-注塑）以及3D打印技术。
图3 利用激光刻蚀技术制备的填充式气相色谱柱
MEMS微型气相色谱柱的固定相及其制备方法
在MEMS微型气相色谱柱中，固定相是实现气体分离的关键功能层。其主要机理是通过与样品组分之间的物理或化学相互作用，引发不同组分的差异化分配行为，从而在流动相中实现有效分离。在航空航天任务中，固定相的性能直接影响分析结果的准确性与重复性，以及系统的长期运行稳定性。鉴于航天器通常在封闭或半封闭环境中运行，且任务周期长、维护条件受限，固定相材料不仅需要具备优异的分离性能，还必须满足航空航天系统对微型化、低功耗和长期可靠性的严格要求。
传统上，诸如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚乙二醇（PEG）等聚合物类固定相材料已在MEMS气相色谱系统中得到广泛应用。其广泛采用主要得益于工艺成熟、成本较低、极性类型多样，并且可通过静态或动态涂覆方法在柱内壁形成均匀涂层。
随着材料科学的发展，研究人员正越来越多地引入新型功能材料，以弥补传统聚合物固定相的不足。离子液体（IL）、金属有机框架（MOF）、碳基纳米材料已成为微型气相色谱柱的固定相研究热点方向。
静态涂覆和动态涂覆是目前毛细管色谱柱中施加固定相的两种主要方法。
传统的涂覆或固体颗粒填充工艺往往与微加工难以兼容；此外，这些步骤通常需要在微加工完成之后以“离线”方式进行。因此，开发具有良好重复性的固定相制备工艺仍是MEMS微型气相色谱柱制造中的主要挑战之一。
为解决这一问题，基于半导体工艺的固定相制备方法逐渐发展起来，主要包括溅射和化学气相沉积（CVD）等技术。其中，溅射作为一种关键的物理气相沉积（PVD）技术，通过离子轰击靶材使原子或分子逸出，并在衬底表面沉积形成高质量薄膜。
图4 溅射技术示意图
与物理气相沉积不同，化学气相沉积在沉积过程中涉及化学反应。CVD直接以气体为反应源，或通过其他方式将固体或液体转化为气态作为反应源气体。这些源气体在光、电、磁、热等能量或其他激发方式的作用下发生分解、还原或其他化学反应，从而在衬底表面形成沉积薄膜。
图5 化学气相沉积示意图
MEMS微型气相色谱柱的航空航天应用
在航空航天任务中，气体分析系统需要在资源极度受限且空间环境复杂的条件下长期稳定运行，这对工程实现提出了与地面实验室或工业应用本质不同的要求。
从技术发展路径的角度看，航空航天领域的微型气相色谱系统可分为两类：一类是具有飞行验证履历的系统，即已完成在轨部署并获得飞行验证数据的星载气体分析系统；另一类是面向任务需求的验证型系统，即为满足特定航天任务需求而开发的MEMS微型气相色谱实验或工程样机系统，其性能与工程可行性主要通过地面或空间环境模拟条件下的测试得到验证。
从航空航天应用角度来看，MEMS微型气相色谱技术的进一步发展不仅依赖于分离性能提升和系统微型化水平的提高，还需要围绕工程可靠性、环境适应性以及长期运行稳定性开展系统性的验证研究。通过结合地面环境模拟试验、工程级系统集成以及技术成熟度等级的逐级提升，MEMS微型气相色谱技术有望在未来航空航天环境监测与生命保障系统中实现实际部署。
挑战和未来发展方向
尽管MEMS微型气相色谱柱在微型化、低功耗和高效气体分离方面展现出显著优势，但其在航天器中的长期应用仍面临多项技术挑战。这些挑战主要集中在材料稳定性、结构可靠性、制造精度、系统集成以及环境适应性等方面。
为推动MEMS微型气相色谱技术从实验室原型阶段（TRL 3–4）向可飞行仪器阶段（TRL 8–9）转化，建立一套严格且方法学完备的验证路线图至关重要。目前，由于缺乏标准化测试规范，不同研究之间的性能数据往往难以进行横向比较。为此，研究团队提出了一种三阶段验证框架，如图6所示。该路线图为各个发展阶段明确规定了输入测试规范和定量验收指标。同时，该框架还区分了所提出的分析评估基准（第一阶段）与既有的工程级鉴定标准（第二与第三阶段）。
图6 MEMS微型气相色谱柱从实验室原型向可飞行仪器转化的方法学验证路线图
结论与展望
MEMS微型气相色谱柱的出现为航空航天气体监测技术带来了范式性变革。本文系统综述了MEMS微型气相色谱柱在结构设计、制造工艺、固定相制备等方面的研究进展，并对航空航天领域的代表性应用案例与工程实践进行了分析。现有研究表明，MEMS微型气相色谱柱在显著降低系统体积、功耗和分析时间的同时，仍能够保持较高的分离效率和良好的灵敏度，为航天器气体组分的实时监测提供了可行路径。
MEMS微型气相色谱柱不仅将推动航空航天气体分析技术向更高水平的微型化与低功耗方向发展，还将为深空探测和长期任务中舱内环境闭环调控与生命保障系统的智能化管理提供关键技术支撑。随着材料科学、微系统工程与数据科学的深度融合，该技术有望在未来月球基地、火星探测等任务中发挥不可或缺的作用，为人类迈向深空提供重要保障。
论文链接：https://doi.org/10.3390/app16031183
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