La technologie MEMS vient renforcer les équipements compacts de chromatographie gazeuse

La régulation du débit et de la pression de gaz en chromatographie gazeuse : des équipements d'analyse plus compacts avec la miniaturisation par la technologie des puces MEMS

Dion OUDEJANS
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La technologie des puces électroniques améliore notre quotidien de bien des façons. Venue de la technologie des semiconducteurs, la technologie de puces MEMS est également présente dans de nombreux appareils tout autour de vous, sous la forme de capteurs. Pensez à votre smartphone qui capture votre voix et détecte la position, l'orientation et le mouvement de l’appareil par des systèmes microélectromécaniques (Micro Electro Mechanical Systems-MEMS). Le cumul de ces fonctionnalités a peu d'impact sur les dimensions physiques d'un smartphone, il tient toujours dans votre main et dans votre poche.

Cet article de blog traite de la miniaturisation des instruments par la technologie de puce MEMS et des avantages des instruments de débit gazeux miniaturisés pour les applications dans le domaine de la chromatographie gazeuse. En tant que responsable produits MEMS au sein de Bronkhorst High-Tech, je vois les avantages de la miniaturisation par la technologie MEMS dans de telles applications.

Solution IQ+

Miniaturisation

Dans un environnement de laboratoire, il est avantageux de travailler avec un équipement de la taille d'un ordinateur de bureau. Les avantages des équipements compacts sont les suivants : faible encombrement, plus grande facilité de fonctionnement et coût global de possession réduit.

Les équipements de chromatographie gazeuse sont un bon exemple de concentration de fonctionnalités dans un très faible encombrement. De nombreux types de composition gazeuse et de composition de vapeurs peuvent être analysés avec une précision élevée et pour des niveaux de concentration très bas. En outre, cela comporte un certain degré d'automatisation. Tout cela est à la portée de main d'un technicien de laboratoire.

Chromatographie gazeuse

Le but de l'analyse par chromatographie gazeuse est d'identifier et de mesurer la concentration de composants gazeux dans un échantillon de gaz. Dans la chromatographie gazeuse (voir photo 3), on a souvent besoin de réguler la pression ou le débit du gaz. La photo montre un régulateur de débit gazeux pour le flux de gaz porteur (en rouge) et un régulateur de pression pour maintenir la pression sur l’entrée de l’injecteur (en jaune).

Chromatographie gazeuse

Principe de la chromatographie gazeuse

Le principe de la chromatographie gazeuse comprend un flux de gaz porteur régulé qui passe devant un injecteur, une colonne et un détecteur. Un gaz échantillon est injecté pendant un temps court, créant une fraction d'échantillon gazeux. La fraction d'échantillon gazeux est séparée en composants gazeux à travers la colonne , ils deviennent visibles en tant que pics durant la détection. La photo 4 montre un exemple d'un signal de sortie de chromatographie gazeuse.

Diagramme de sortie de Chromatographie gazeuse

Diagramme de sortie de chromatographie gazeuse

Échantillonnage d'espace de tête

Je vous propose un zoom sur l’échantillonnage dynamique d'espace de tête utilisé en combinaison avec la chromatographie gazeuse. L'échantillonnage d'espace de tête renvoie à l'espace gazeux dans un flacon de chromatographie contenant un échantillon liquide. L'échantillon liquide est un solvant contenant un matériau à analyser : par ex. composés organiques volatiles dans des échantillons environnementaux, alcool dans le sang, solvants résiduels dans des produits pharmaceutiques, plastiques, composés aromatiques dans des boissons et des aliments, café, fragrances dans des parfums et cosmétiques.

Ceci est expliqué sur la photo 5. L'échantillonnage dynamique d'espace de tête est effectué en purgeant l'espace de gaz et l'adsorbant. L'adsorbant collecte le gaz échantillon. Après le transfert, l'adsorbant est de nouveau désorbé pour libérer le gaz échantillon dans un chromatographe gazeux.

Echantillonnage dynamique d'espace de tête

Échantillonnage dynamique d'espace de tête

Un régulateur de débit gazeux entre en scène à la purge de l'espace de tête et de l'adsorbant avec un flux constant d'hélium ou d'azote. Le débit gazeux, contenant le gaz échantillon d'espace de tête, passe devant un adsorbant qui collecte le gaz échantillon d'espace de tête.

Maintenant, l'adsorbant est transféré vers l'entrée d'un chromatographe gazeux. De nouveau, un flux gazeux d'hélium ou d'azote régulé passe devant l'adsorbant pour libérer le gaz échantillon d'espace de tête dans l'entrée du chromatographe gazeux. Le chromatographe gazeux fait son travail d'analyse de l'échantillon et différents pics montrent les différents composants et leur concentration.

Débitmètres gazeux et régulateurs de pression IQ+FLOW

Pour les débitmètres, certaines spécifications sont importantes dans l'échantillonnage d'espace de tête et la chromatographie gazeuse. La ligne de produit IQ+FLOW basée sur la technologie de puce MEMS tient compte de ces spécifications avec une petite taille d'instrument, une réponse rapide, une bonne répétabilité, une faible consommation d'énergie, un faible coût global de possession et l'excellent support que vous apporte Bronkhorst.

Pour en savoir plus sur la ligne de produits à puce IQ+FLOW

Pour en savoir plus sur la chromatographie gazeuse combinée aux débitmètres, manomètres et régulateurs, consultez notre note d'application "Chromatographie gazeuse".

Débitmètre IQ+ Flow

Le futur de la technologie MEMS

Bronkhorst s'engage à aller de l'avant et à rechercher des applications qui peuvent être améliorées avec la technologie de puce MEMS. N'hésitez pas à nous poser vos questions contactez-nous. Nous vous tiendrons informé(e)s !

L'odeur de votre haleine en dit long sur votre état de santé

Les régulateurs de débit massique sont utilisés dans les spectromètres de mobilité ionique (IMS) pour réguler les gaz dans le tube de dérive. Les instruments basés sur la technologie MEMSn, tel que l’IQ+FLOW, sont idéals pour ces types d’applications.

Rob Ten Haaft
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Cela peut surprendre, mais déjà au Moyen Âge, les gens s'intéressaient à l'odeur de l'haleine. Analyser l'haleine devait représenter tout un défi, mais on réussit quand-même à l’utiliser pour diagnostiquer des maladies comme le diabète (associé à une odeur sucrée d'acétone) et l'insuffisance hépatique (odeur de poisson). Je ne parlerai pas des traitements utilisés, mais disons qu'il y a eu beaucoup de progrès depuis. Par exemple, de nos jours, les spectromètres de mobilité ionique (SMI) sont utilisés pour mesurer les composés organiques volatils (COV).

Des études du début du 21e siècle montrent que les chiens peuvent détecter le cancer par l'odorat. Ils sont entraînés à détecter différents types de cancers dans l'haleine expirée des patients humains, puisqu’ils peuvent sentir des odeurs avec une sensibilité en parties par milliard (ppt). Par exemple : l'odeur de l'équivalent d'un centimètre cube cm3 de sang, dilué dans le volume d'eau de 20 piscines olympiques, peut être détectée par le chien. Il est donc probable que les chiens puissent distinguer les échantillons d'haleine entre eux en fonction de l’odeur, mais on ne sait toujours pas quelle odeur ou quel mélange de composés ils détectent. La détection du cancer par des chiens spécialement entraînés peut paraître une panacée, mais elle nécessite beaucoup d'entraînement et on ne sait pas pourquoi toutes les formes de cancer ne peuvent pas être détectées.

Composés organiques volatils (COV)

C'est une des raisons pour laquelle les chercheurs commencent à concevoir des analyseurs qui peuvent faire le même travail qu’un chien. Au cours des dernières années, on a découvert que les composés organiques volatils (COV) peuvent être des biomarqueurs distinctifs dans le diagnostic des maladies humaines. Les composés organiques volatils sont des composés qui s'évaporent ou se volatilisent facilement à la température ambiante, une propriété qui, dès lors, s’appelle la volatilité.

L'haleine humaine expirée contient quelques milliers de composés organiques volatils et leur composition est utilisée lors de tests de l'haleine comme biomarqueurs pour dépister des maladies comme le cancer du poumon.

La spectrométrie de mobilité ionique (SMI) est une technique de plus en plus utilisée pour mesurer les COV. Elle est rapide, résiste à l'humidité, est hautement sensible et fonctionne à pression ambiante. Elle est donc adaptée dans les applications médicales portables ou pour les tests réalisés sur les lieux d'intervention médicale.

Spectrométrie de mobilité ionique (SMI)

Le principe de fonctionnement du spectromètre de mobilité ionique (SMI) repose sur la dérive ou le temps de vol des ions qui se forment dans la chambre d'ionisation. Les ions se déplacent suivant un champ électrique, dans le tube de dérive où ils se mêlent à un gaz propulseur (N2 ou de l'air). En fonction de leur forme et leur valence, certains ions circuleront plus facilement dans les gaz propulseurs que d’autres, ce qui fait que les ions de l'échantillon s’étalent et, à la détection par couleur, finissent par former un spectre SMI, comme le montre la figure 1.

Spectromètre de mobilité ionique Spectromètre de mobilité ionique avec spectre

Régulateurs de débit massique

Bronkhorst possède les connaissances et l'expérience nécessaires pour fournir les produits adéquats permettant d'acheminer les gaz dans le tube de dérive. Nos produits répondent aux spécifications requises pour le contrôle des gaz à l’aide de la spectrométrie de mobilité ionique, par exemple : • la propreté; • la petite taille des instruments; • la réponse rapide et la fiabilité; • l’efficacité énergétique; et • le faible coût de possession. Nos instruments fondés sur les microsystèmes électromécaniques (Micro Electro Mechanical Systems - MEMS), comme les débitmètres thermiques IQ+FLOW, conviennent parfaitement à la spectrométrie de mobilité ionique.

Débitmètre thermique gaz

Débitmètre thermique IQ+FLOW

La technologie MEMS utilisée dans les équipements de chromatographie en phase gazeuse vous intéresse? Lisez l'article de blog : MEMS technology to support compact gas chromatography equipment

Si vous souhaitez en savoir plus sur la spectrométrie massique et sur la façon dont les régulateurs de débit massique et l'évaporation sont utilisés comme source d'ionisation par électronébulisation (ESI), consultez notre article de blog « A closer Ion them ».

Vous pouvez aussi lire tout sur nos réussites en matière d’application de débitmètres à gaz et régulateurs de pression IQ+ pour la chromatographie en phase gazeuse.

Si vous avez des questions ou des idées sur la spectrométrie de mobilité ionique ou d'autres applications analytiques comprenant le contrôle de gaz ou de liquides, contactez-nous à l'adresse email : sales@bronkhorst.fr

Nouvelles technologies de flux avec fonctionnalité sensorielle intégrée

Partout dans le monde, les clients aspirent à simplifier et à intégrer toujours davantage leurs procédés de débit de gaz, de liquide ou de vapeur.

Egbert van der Wouden
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Partout dans le monde, les clients aspirent à simplifier et à intégrer toujours davantage leurs procédés de débit de gaz, de liquide ou de vapeur. Ils privilégient par ailleurs des supports compacts, robustes et fiables, capables même d’intégrer plusieurs types de capteurs.

Dans ce post, je vais vous présenter en avant-première la « boîte à outils » actuellement en développement chez Bronkhorst High-Tech B.V. À cet égard, vous avez déjà pu découvrir l’un de ses composants, à savoir le microcapteur de débit massique Coriolis, dans un article précédent de notre blog, intitulé « Miniaturisation à l'extrême : micro-capteur de débit massique Coriolis ».

Pourquoi développer une boîte à outils de prochaine génération ?

Nos clients nous font part au quotidien de leurs exigences en matière de miniaturisation et de la nécessité de pouvoir contrôler un ensemble de différents paramètres pour répondre aux besoins exigeants de leurs clients. Parmi ces clients, on retrouve l’industrie des sciences de la vie, les fabricants de dispositifs analytiques, mais également les activités qui nécessitent de mesurer les niveaux de concentration de gaz en ligne.

Technologie fondée sur les MEMS

Ce type de demandes nous ont amenés à explorer un niveau supérieur en matière de développement de capteurs, de sorte que ceux-ci puissent in fine répondre aux futurs besoins de nos clients. Ce développement d’un nouveau genre intègre une technologie fondée sur les microsystèmes électromécaniques (Micro-electromechanical Systems – MEMS), qui offrent la possibilité de mesurer bien plus que le débit d’un système personnalisé pouvant être doté d’un ou d’une combinaison de capteurs.

Paramètres

exemple de paramètres susceptibles d’être déterminés par la combinaison de plusieurs paramètres

Par exemple, une propriété physique mesurée peut être utilisée pour identifier le type de fluide, si cette propriété est unique pour ledit fluide. Autre possibilité, si le fluide en question est constitué du mélange de 2 gaz, une propriété peut être utilisée pour analyser la fraction de ce mélange binaire.

D’autres paramètres auxquels on pourrait songer sont la teneur en sucre d’un fluide, communément appelée le degré Brix, ou encore la capacité thermique pour mesurer des mélanges huile/eau.

Bref, ces nouveaux concepts sont en cours de développement et se destinent à apporter un support à nos clients pour leur permettre de résoudre les prochains défis technologiques.

Puce à paramètres multiples

À titre d’exemple, dans le cadre d’un programme de recherche sur la réduction de l’empreinte carbone, mis sur pied avec plusieurs partenaires, Bronkhorst a reçu une demande de projet pour mesurer des propriétés physiques du gaz. Les propriétés en question étaient les suivantes :

  • capacité thermique (cp)
  • densité (ρ)
  • conductivité thermique (λ)
  • viscosité (η)

Pour analyser ces propriétés, il a fallu utiliser plusieurs capteurs individuels comme un capteur Coriolis, un capteur thermique, un capteur de pression et un capteur de densité. Ensuite, afin de prouver que combiner plusieurs capteurs en association avec l’électronique pouvait répondre aux besoins des clients, nous avons développé un modèle de démonstration. Ce modèle contenait des produits disponibles dans le commerce, et nous les avons intégrés sur un seul système.

modèle de démonstration

modèle de démonstration

Les enseignements tirés du modèle de démonstration ont permis à l’équipe du projet de voir les perspectives de développement avec les puces à paramètres multiples.

S’agissant des performances d’un capteur, la stabilité constitue un aspect important, surtout lorsque plusieurs capteurs sont utilisés en association pour dégager des informations sur le fluide au sein du système. La puce développée et réalisée par Bronkhorst montre qu’il est possible de mesurer la viscosité en combinaison avec le débit massique, la densité et la pression différentielle.

À partir du modèle de démonstration ci-dessus, nous avons tenté de déterminer si la viscosité d’un fluide pouvait être mesurée de façon précise sur de longues périodes, indépendamment des variations de température de la pièce. Mesurer la viscosité peut s’avérer d’un intérêt particulier pour certaines applications, notamment dans le cas du gaz naturel qui présente une forte corrélation entre la viscosité et le pouvoir calorifique. Vous trouverez ci-après les résultats pour une période d’essai de 84 heures. On peut lire sur l’histogramme que toutes les valeurs mesurées pour la viscosité oscillent dans une fourchette de 0,5 %.

résultats des tests

les résultats pour une période d’essai de 84 heures

La prochaine étape consistera à combiner les mêmes fonctionnalités sur une empreinte beaucoup plus petite. Le concept ci-dessous présente les possibilités de combiner la mesure des paramètres requis au niveau de la puce.

omnicorder

Solutions de débit Bronkhorst®

Bronkhorst est déjà capable aujourd’hui de contribuer à développer et à fournir des solutions de débit 100 % personnalisables et capables de répondre aux besoins des clients pour tous les constructeurs de machines du monde en quête d’une simplification et d’une intégration accrue de leurs procédés de débit de gaz, de liquides ou de vapeurs.

Pour obtenir de plus amples informations sur nos futurs concepts de boîtes à outils, n’hésitez pas à contacter notre agence sales@bronkhorst.fr

Les résultats de ce processus de co-création ont déjà été abordés dans des articles antérieurs :

L’essor de la miniaturisation en matière de solutions de débit

Les débitmètres et régulateurs de débit massique de faible volume s’inscrivent dans la tendance de la miniaturisation.

James Walton
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La miniaturisation est une tendance que l’on peut constater dans la vie quotidienne. Comme l’engouement actuel pour les petites maisons : de nombreuses personnes choisissent de réduire leur espace de vie en s’installant dans de petites maisons d'une surface habitable moyenne de 10 à 40 m2. Mais la miniaturisation est également un courant très marqué dans l’industrie actuelle. Les débitmètres massiques et régulateurs de pression miniaturisés s’inscrivent parfaitement dans cette tendance.

Miniaturisation:

Ayant travaillé dans les industries des sciences de la vie et de l’analyse, je salue la demande toujours croissante d’instruments miniaturisés et plus rapides. Cela fait déjà plusieurs années que le prix des m2 de laboratoire ne cesse de grimper et que le besoin de réduire le volume des instruments s’est donc fait sentir. Il s’agit de ne pas occuper trop d’espace.

L’un des facteurs ayant favorisé ce processus a été l’initiative du système NeSSI (« New Sampling/Sensor Initiative »), sponsorisé par le Centre d’analyse et de régulation des procédés. Le but était de réduire les coûts globaux d'ingénierie, d’installation et de maintenance des systèmes d’analyse des procédés chimiques. Dans le système NeSSI, les débitmètres massiques et régulateurs de pression devaient répondre à un format de montage en surface standard de 1,5 pouces.

Montage en surface des débitmètres massiques et régulateurs de pression:

Ce type de montage est parfait pour un grand nombre d’applications et d’utilisateurs finaux, même pour certaines sociétés OEM dans le domaine des sciences de la vie qui ne manquent pas d’espace pour leurs systèmes. De plus, le système permet d'ajouter facilement de nouvelles fonctions ou instruments de mesure sur un ensemble déjà construit. Réduire le volume des instruments existants laisse plus de liberté pour intégrer de nouvelles fonctions sur un montage.

Réduire le volume d’instrument d’une technologie connue et efficace comporte des difficultés propres. Dans ce cas, ce sont les caractéristiques physiques du principe de mesure, et donc du capteur utilisé, qui déterminent la conception et la fonction. Pour que cela change, vous devez considérer d’autres technologies de mesure alternatives pour atteindre l’objectif final de l’industrie : la même fonctionnalité et le même signal, mais dans un ensemble plus petit.

Débitmètres massiques et régulateurs de pression miniaturisés:

En collaboration avec TNO, l’organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée, nous avons conçu une nouvelle gamme de débitmètres massiques et régulateurs de pression basés sur la technologie MEMS. Nous avons ainsi pu proposer des solutions ayant une empreinte réduite de moitié, soit 0,75", pour des régulateurs de débit ultra-compacts.

Nos clients ont ainsi bénéficié :

  • D’un assemblage compact assurant une rationalisation de l’espace
  • D’une communication analogique ou numérique
  • De modules superposables avec connexions latérales, facilement accessibles
  • D’assemblages manifold « Plug and Play » pré-testés, réduisant les besoins de tests par le client.

Régulateur de pression avec capteur à puce

IQ+FLOW, régulateur de pression avec capteur à puce CMOS pour les gaz

Pour que le nouvel instrument soit aussi utile que l’autre, il faut qu’il offre les mêmes fonctionnalités. Outre un capteur à puce, il faut donc une nouvelle vanne de régulation plus petite, des options comme les filtres et les vannes d’arrêt pneumatiques plus petits. Pour économiser encore plus d’espace et de temps de montage, les clients ont demandé une version montée en surface (« downported »).

La touche finale permet de tirer profit du gain d’espace au maximum en créant un système manifold qui offre au client la possibilité de combiner un manifold avec plusieurs canaux de débit dans un espace réduit.

Solution débitmètre manifold

Solution IQ+ manifold

Il s’agit de l’un des thèmes clés de nos articles de blog, qui est traité à maintes reprises. L’approche technique a abouti à une solution sur mesure au lieu d’un produit standard impliquant des compromis. L'innovation technologique doit être guidée par le client. Si vous pensez qu'une solution de montage classique « standard » de débit ou de pression ne répondra pas à vos besoins, faites-le nous savoir et sollicitez notre équipe, spécialiste en matière de gestion de fluides à faible débit.

Découvrez notre débitmètre / régulateur de débit massique ou notre régulateur de pression utilisant la technologie MEMS.

Cette tendance vers la miniaturisation s’observe dans de nombreux domaines, comme le décrit notre article « Systèmes personnalisés de mesure des faibles débits personnalisés pour aider des Solution Factories gagnantes »

Régulation de l’alimentation des gaz pour la culture cellulaire

Des régulateurs de débit massique miniatures pour doser des liquides ou des gaz pour la culture cellulaire.

Jethro Molenaar
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Les bactéries ou levures sont les premiers maillons de la chaîne de la biotechnologie moderne. Elles y sont employées en culture cellulaire pour produire des substances chimiquement, pharmaceutiquement ou biologiquement actives telles que des anticorps ou l'insuline. Les bioréacteurs ou fermenteurs forment le milieu artificiel où ces bactéries sont cultivées. Dans cet environnement, la température, le pH et surtout le dosage des liquides ou des gaz essentiels à la croissance des bactéries doivent être régulés avec précision.

Pour le marché du laboratoire, un fabricant de bioréacteurs a mis au point un mini-bioréacteur de paillasse (de la taille d'un PC de bureau) et avait besoin de régulateurs de débit massique pour réguler l’injection des gaz. En raison de la taille du bioréacteur, les régulateurs devaient eux-mêmes être miniaturisés et pouvoir traiter des débits limités. Bronkhorst a fourni au client ses régulateurs miniaturisés : l'IQ +FLOW pour une voie et l'IQM trois canaux pour le dosage de l'oxygène, de l'azote et du CO2.

Les caractéristiques des régulateurs de débit massique de Bronkhorst : le faible encombrement, la justesse de mesure et la reproductibilité pour chaque lot de culture produit se sont avérées être la combinaison gagnante pour les utilisateurs.

Note d'application (en anglais)

Débitmètres et régulateurs de débit massique miniaturisés