具有脈衝式注入和溫度編程洗提的無閥氣體色譜系統的製作方法
2023-08-02 11:04:06 1
專利名稱：具有脈衝式注入和溫度編程洗提的無閥氣體色譜系統的製作方法
技術領域：
本發明一般來說涉及氣體組分的檢測和分析，本發明具體來說涉及具有脈衝式注入和溫度編程洗提的並且利用氣體色譜的無閥系統。
氣體色譜學是用於當氣體混合物流過一個管狀的柱塔時分離氣體混合物組分的一種已確認的分析技術。當前存在許多在柱塔內注入初始樣品和完成分離的不同的方法。例如，在
圖1a和1b中就表示出在開放的管狀柱塔內實現分離的一種已知的方法。按此方法，當閥1從圖1a所示的採樣位置轉接到圖1b所示的注入位置時，閥1吸入流過迴路2並進入柱塔3的少量樣品。藉助於通過閥門接口4和5的載體氣體的流動，攜帶這個少量樣品向柱塔下方運動，並且當這個少量樣品與塗有適宜的分離介質的塔壁相互作用時，這個少量樣品就被分離成它的各組分。其結果是，各個組分作為分離的體積量在不同的時間離開柱塔。一種組分的注入和離開之間的時間被稱之為這個組分的滯留時間。通過適當的檢測系統來檢測各個組分，例如，電子俘獲探測器(ECD)、或導熱性探測器。然後，繪出由探測器(色譜探測器)產生的信號曲線以便分析。
在這個系統中進行分析的速度取決於幾個因素，其中包括柱塔的類型和長度、柱塔中載體氣體的溫度和速度。在一般情況下，總的分析時間為幾分鐘到幾個小時的量級。樣品的製備和注入可能需要幾分鐘到幾個小時的時間，這取決於樣品的性質。因此，為進行實時分析，這一方法需要大幅度地提速。
當使用這種氣體色譜測量技術快速檢測和識別包含在麻醉劑和爆炸物中化合物時，實時分析是迫切希望的。可以使用基於氣體色譜測量技術的採樣和檢測系統來檢查有可能包含爆炸裝置或被控制的毒品和麻醉品的懷疑對象。這樣一些設備在邊界接壤處和飛機場關口處是有用的，可以用於識別或防止毒品走私或恐怖活動。因此，還迫切希望產生可攜式的和可實時操作的這種檢測系統。
而且，還期望產生可用電池操作的這種系統。毒品或爆炸樣品的氣體色譜測量要求採樣分離系統在高溫下操作，一般在攝氏100-300度C的範圍內。當前，還沒有任何一個能量有效的或可攜式的GC-IMS裝置能夠在這樣的高溫區操作來分析毒品和爆炸物，因為氣體色譜系統的功率要求通常使具有實際尺寸和重量的電池操作的可攜式系統不能工作。因此，還迫切期望有在不犧牲性能的條件下功耗最小的一種色譜系統。
本發明提供一種用於脈衝式高速採樣和氣體色譜(GC)分離系統的新穎裝置和操作方法，它能夠在小於20秒的時間內以極小的功耗採樣和分析包含毒品和爆炸殘留物的顆粒和汽化體。本發明提供的在速度和節能方面的優點是因為使用了下面要說明的一種「根據需要加熱(HOD)」的技術。
在本發明公開的簡單的可攜式低功耗GC-IMS樣品收集和分析系統中使用脈衝式分析技術有幾個重要的優點。由於系統的脈衝性質，僅在系統進行分析時才消耗功率，和部件總是維持在高操作溫度的靜態系統相比，這就極大地增加了系統的總能量效率。這樣就使它可以實際用在使用電池作為能源的手持式分析裝置中。
況且，脈衝式加熱程序可避免像在高溫靜態系統中那樣使用閥來轉接樣品群進入柱塔，因此該系統更簡單和更可靠。
有益地，本發明的系統可以作為一個集成的系統操作，用於樣品採集、分析、和數據顯示，因而使其成為可用於許多應用場合的理想的可攜式實時分析儀器，其中包括毒品和爆炸物檢查、在邊境站、飛機場等處的搜查、和空氣品質監測。
進而，本發明還可以與一臺離子遷移率頻譜儀(IMS)裝置一起使用，用作二次分析器。使用IMS極大地提高了儀器的總選擇性和靈敏度，同時又不會對它的性能或能量效率產生不利影響。
下面參照附圖詳細描述本發明的另外的特徵和優點，以及本發明的各個實施例的結構和操作。在附圖中，類似的標號表示相同的或功能類似的部件。
現在藉助於例子參照附圖描述本發明的優選實施例，其中圖1a和1b表示當氣體混合物流過如現有技術系統中公知的一個管狀柱塔時分離一氣體混合物組分的例子；圖2a表示本發明的無閥氣體色譜系統的示意圖；和圖2b是一個曲線圖，表示本發明的加熱和冷卻順序。
在優選實施例中，本發明的無閥氣體色譜系統是一個集成的採樣和分離裝置。與一個分析裝置的這種集成有可能將這個系統用作可攜式手持裝置。在1998年10月20日提交的、名稱為「用於可攜式分子檢測的樣品俘獲離子遷移率光譜儀」的、相關的和共同擁有的PCT申請PCT/US98/22092中可以找到與本發明的系統集成的手持式裝置的描述，這裡全部參照引用了這個申請的描述。
圖2a表示本發明的系統的一個示意圖。該系統可以分為採樣部分和分析部分。該系統包括一個樣品捕集器，該樣品捕集器有一個約1/2英寸寬的條帶，條帶被卷繞在線軸201和202上，並且在採樣部分和分析部分之間通過。用來製造條帶的材料可以是一般尺寸為400或更大的一個金屬網或另外的多孔類型，它允許空氣自由通過但可以俘獲小的顆粒或氣體。通過為條帶塗敷一種本領域內已知的用來吸附感興趣之期望分子的吸附介質，可以提高氣體的俘獲或收集能力。
一噴咀203和一泵管204是圓筒形的實體，並且在靠近條帶的端部設有軟的O形密封環。當本機器處在採樣方式，203和204在條帶的一個部分205上形成一緊密封。一固定到泵管204上的真空泵通過採樣噴咀203向條帶的採樣區205中抽吸氣體和/或顆粒物。在預定的採樣持續時間後，例如經幾秒採樣後，噴咀203和泵管204從條帶移開，從而中斷密封。這個移動過程是藉助於由計算機410控制的電機完成的。在密封切斷後，條帶沿著箭頭220表示的方向移動到位置206。條帶的移動也是藉助於電機和位置傳感器完成的，所說的位置傳感器在使樣品定位後停止所說的電機。
一旦處在位置206，脫吸接口207和注入接口208在電機控制下向條帶移動，並且在206周圍形成一氣密密封。該脫吸接口207是直徑小於1/4英寸的一個圓筒形實體，並且可以包括一個內設的電加熱器210，可在幾秒鐘內將通過條帶的氣體加熱到攝氏200度或更高的溫度。一種載體氣體流入207，並被加熱器加熱，從而當被加熱的氣體流出脫吸接口207並且入射到條帶的部分206上時，這些氣體又將被俘獲在條帶中並位於206處的樣品加熱。載體氣體的流率一般來說約為50-200cc/分鐘。
在脫吸接口207是熾熱的時候，使用相同的技術藉助於電加熱器211將注入接口208也加熱到和脫吸接口207相同的溫度。注入接口208具有一個更加複雜的結構，因為它還有一個按照獨特方式連接的氣體色譜柱塔209。在優選實施例中的柱塔209有一個金屬外套，通過來自於一個可控電源212並且通過所說外套的電流直接加熱所說的外套。柱塔209的部分209a在注入接口208的內部，柱塔209的部分209b在注入接口208的外部。部分209b的遠端被連接到檢測器213。這個檢測器最好是一IMS檢測器。流入注入接口208的載體氣體直接進入柱塔的部分209a，並且因此進入部分209b。當脫吸接口207和注入接口208加熱時，柱塔209未被加熱。這將使被俘獲的樣品在206處汽化並通過熱的載體氣體被釋放以穿過柱塔的部分209a移動，並且在柱塔的部分209b的開始處凝結。
一旦樣品在柱塔209的前端穩定下來，就要切斷加熱器210和211，一般來說是通過計算機控制器410進行的。因為接口207、208是用熱容量最小的材料構成的，所以加熱器的溫度在幾秒鐘內迅速降低到環境溫度。計算機410檢測接口207、208的溫度，並且當這個溫度已經達到一個合適的最小值時，即最好比環境溫度高出攝氏約20度，計算機410接通加熱器212。這就使柱塔的部分209a、209b在幾秒鐘內從環境溫度迅速加熱到超過攝氏200度。這個加熱速率是由電腦程式控制的。由於在加熱循環期間在柱塔中有一載體氣體流動，所以凝聚的化合物沿柱塔向下移動，並分離成各個組分，並且在不同的時間離開這裡進入IMS213。IMS電離這些樣品中單獨的組分群，並且在流入IMS的漂移氣體中按照它們的遷移率進一步分離這些組分。然後，在一個電極上收集各個離子群，並且通過放大器214對於這些離子群進行電子學方式地放大以便作進一步的信號處理，並且使用計算機410在顯示器215上進行顯示。值得注意的是，還可以使用除IMS外的其他的檢測裝置，例如，在柱塔209的端部可以連接不同的檢測裝置。
該分析系統的加熱和冷卻程序對於本裝置作為編程的脈衝式氣體色譜系統是否成功至關重要。在圖2b中表示出這個加熱和冷卻順序的曲線描繪，其中水平軸是3個曲線共用的時間軸。3個分開的垂直軸是溫度軸。溫度的最大值取決於正在分析的化合物的性質，並且對於爆炸物和毒品化合物這個最大溫度一般來說是攝氏200度左右。柱塔的編程溫度的升降速率一般來說是一個常數，但可以變化，以便跟蹤使用計算機410確定的一條期望的曲線，從而可以控制加熱器的工作循環。如圖2b所示，在接口207、208加熱器的加熱循環240、250之間沒有延遲，但在這些加熱器冷卻後才開始柱塔加熱，如在260所示，以實現上述的期望效果。
此外，被加熱的部分具有低的熱容量，並且被設計得能高效地散熱。這樣一種設計對於實現快速分析時間是重要的。對於上述的本發明的系統，接口207，208和柱塔209能夠在幾秒的時間內並在工作範圍內被加熱和冷卻。
雖然參照本發明的優選實施例具體描述和表示了本發明，但本領域的普遍技術人員應該理解，在不偏離本發明的構思和範圍的條件下可以在形式上和細節上進行上述的和其它的變化。
權利要求
1.一種高速採樣和氣體色譜分離系統，它能夠採樣和分析感興趣的分子，該系統包括一個輸入裝置，用於在一第一位置收集具有感興趣之分子的樣品顆粒；一個接口裝置，它能夠由加熱脈衝加熱，該接口裝置被連接到輸入裝置上，以便在一第二位置接收具有感興趣分子的樣品顆粒，該感興趣的分子響應於施加到接口裝置的熱脈衝而釋放一汽化體；和一個氣體柱塔裝置，它被連接到接口裝置上，該氣體柱塔裝置接收所述汽化體，該氣體柱塔裝置的溫度低於接口裝置的溫度，其中所述汽化體在氣體柱塔裝置中凝聚，該氣體柱塔裝置進一步能夠被一加熱脈衝加熱，其中，響應於施加到氣體柱塔的熱脈衝，感興趣分子的凝聚的汽化體分離成各個組分，並且在不同的時間離開氣體柱塔。
2.如權利要求1的系統，其特徵在於系統進一步包括一個檢測器，它連接到氣體柱塔上，檢測器接收凝聚的汽化體的各個組分，檢測器用於分析感興趣的分子。
3.如權利要求1的系統，其特徵在於接口裝置包括一個脫吸接口，用於接收一載體氣體，該脫吸接口能夠由一加熱脈衝加熱，並且能夠響應於加熱脈衝進一步加熱載體氣體；和一個注入接口，它被定位得從脫吸接口接收載體氣體，該注入接口能夠由一加熱脈衝加熱，其中感興趣的分子被置於脫吸接口和注入接口之間，當被加熱的載體氣體離開脫吸接口並進入注入接口時，可加熱具有感興趣的分子的樣品顆粒，該加熱的載體氣體進一步使感興趣的分子向注入接口內釋放一汽化體。
4.如權利要求3的系統，其特徵在於氣體柱塔裝置具有一第一部分和一第二部分，第一部分被定位在注入接口內部，第二部分被定位在注入接口外部，其中從第一部分向第二部分輸送所述攜帶感興趣的分子之汽化體的載體氣體。
5.如權利要求4的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個檢測器，它被連接到第二部分上，檢測器接收並電離感興趣的分子之汽化體，使其成為電離的組分以便進行分析。
6.如權利要求5的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個放大器，它被連接到檢測器上，用於放大由電離的組分產生的信號以進行進一步信號處理。
7.如權利要求6的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個輸出裝置，用於向用戶顯示處理的信號。
8.如權利要求1的系統，其特徵在於氣體柱塔進一步包括一個金屬外套，通過流過該金屬外套的電流能夠直接加熱該金屬外套。
9.如權利要求3的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個第一加熱器，它能夠向脫吸接口傳送脈衝式熱量。
10.如權利要求3的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個第二加熱器，它能夠向注入接口傳送脈衝式熱量。
11.如權利要求3的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個第三加熱器，它能夠向氣體柱塔傳送脈衝式熱量。
12.如權利要求3的系統，其特徵在於該系統進一步包括一個噴咀，用於輸入具有感興趣的分子的樣品顆粒，以便為了檢測而進行收集和汽化，該噴咀具有一個第一端，在這裡輸入具有感興趣的分子的樣品，這個噴咀進一步還有一個第二端；一個泵管，泵管可以連接到噴咀的第二端上；和一個條帶，它在噴咀和泵管之間通過，這個條帶在第一位置收集具有感興趣的分子的樣品顆粒，其中所說的泵管通過噴咀使具有感興趣的分子的樣品顆粒被吸進條帶中，使具有感興趣分子之樣品顆粒的所說條帶進一步移動，以使所說的條帶在第二位置被定位在脫吸接口和注入接口之間。
13.如權利要求12的系統，其特徵在於條帶是多孔型的。
14.如權利要求12的系統，其特徵在於條帶是一金屬網。
15.一種用於在一個氣體色譜分離系統中高速採樣和分析分子組分的方法，該方法包括如下步驟在一個接口裝置接收具有感興趣的分子的樣品顆粒；利用熱脈衝加熱該接口裝置到一選定溫度，以便將感興趣的分子轉換成汽化體；向溫度低於接口裝置的一個氣體柱塔裝置移送所說的汽化體；凝聚氣體柱塔裝置中的汽化體；和用熱脈衝加熱該氣體柱塔裝置到一個預定的溫度，從而使汽化體分離成各個組分並且在不同的時間離開氣體柱塔。
16.如權利要求15的方法，其特徵在於該方法進一步包括如下步驟在各個組分離開氣體柱塔裝置時，在檢測器內接收各個組分。
17.如權利要求15的方法，其特徵在於該方法進一步包括如下步驟在接收步驟之前，從輸入噴咀向一個條帶收集具有感興趣之分子的樣品顆粒。
全文摘要
一種可攜式氣體色譜系統,它包括一個樣品吸附條帶(220),這個條帶有一個採樣位置(205)和一個第二脫吸附位置(206)。通過激勵加熱器(210、211)使樣品脫吸附。脫吸附的樣品送到色譜柱塔(209b),所說的色譜柱塔隨後由第三加熱器(212)加熱。將分離的樣品送到一個檢測器(213)以便分析。
文檔編號G01N30/62GK1296565SQ99804928
公開日2001年5月23日 申請日期1999年2月10日 優先權日1998年2月10日
發明者勞倫斯·V·哈裡, 戈文丹奴尼·特卡達思 申請人:勞倫斯·V·哈裡, 戈文丹奴尼·特卡達思