專利名稱：具有脈沖式注入和溫度編程洗提的無閥氣體色譜系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及氣體組分的檢測和分析，本發(fā)明具體來說涉及具有脈沖式注入和溫度編程洗提的并且利用氣體色譜的無閥系統(tǒng)。
氣體色譜學(xué)是用于當(dāng)氣體混合物流過一個(gè)管狀的柱塔時(shí)分離氣體混合物組分的一種已確認(rèn)的分析技術(shù)。當(dāng)前存在許多在柱塔內(nèi)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(nèi)實(shí)現(xiàn)分離的一種已知的方法。按此方法，當(dāng)閥1從圖1a所示的采樣位置轉(zhuǎn)接到圖1b所示的注入位置時(shí)，閥1吸入流過回路2并進(jìn)入柱塔3的少量樣品。借助于通過閥門接口4和5的載體氣體的流動(dòng)，攜帶這個(gè)少量樣品向柱塔下方運(yùn)動(dòng)，并且當(dāng)這個(gè)少量樣品與涂有適宜的分離介質(zhì)的塔壁相互作用時(shí)，這個(gè)少量樣品就被分離成它的各組分。其結(jié)果是，各個(gè)組分作為分離的體積量在不同的時(shí)間離開柱塔。一種組分的注入和離開之間的時(shí)間被稱之為這個(gè)組分的滯留時(shí)間。通過適當(dāng)?shù)臋z測系統(tǒng)來檢測各個(gè)組分，例如，電子俘獲探測器(ECD)、或?qū)嵝蕴綔y器。然后，繪出由探測器(色譜探測器)產(chǎn)生的信號(hào)曲線以便分析。
在這個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行分析的速度取決于幾個(gè)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(shí)間為幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)的量級(jí)。樣品的制備和注入可能需要幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，這取決于樣品的性質(zhì)。因此，為進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，這一方法需要大幅度地提速。
當(dāng)使用這種氣體色譜測量技術(shù)快速檢測和識(shí)別包含在麻醉劑和爆炸物中化合物時(shí)，實(shí)時(shí)分析是迫切希望的?？梢允褂没跉怏w色譜測量技術(shù)的采樣和檢測系統(tǒng)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(duì)象。這樣一些設(shè)備在邊界接壤處和飛機(jī)場關(guān)口處是有用的，可以用于識(shí)別或防止毒品走私或恐怖活動(dòng)。因此，還迫切希望產(chǎn)生便攜式的和可實(shí)時(shí)操作的這種檢測系統(tǒng)。
而且，還期望產(chǎn)生可用電池操作的這種系統(tǒng)。毒品或爆炸樣品的氣體色譜測量要求采樣分離系統(tǒng)在高溫下操作，一般在攝氏100-300度C的范圍內(nèi)。當(dāng)前，還沒有任何一個(gè)能量有效的或便攜式的GC-IMS裝置能夠在這樣的高溫區(qū)操作來分析毒品和爆炸物，因?yàn)闅怏w色譜系統(tǒng)的功率要求通常使具有實(shí)際尺寸和重量的電池操作的便攜式系統(tǒng)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(tǒng)。
本發(fā)明提供一種用于脈沖式高速采樣和氣體色譜(GC)分離系統(tǒng)的新穎裝置和操作方法，它能夠在小于20秒的時(shí)間內(nèi)以極小的功耗采樣和分析包含毒品和爆炸殘留物的顆粒和汽化體。本發(fā)明提供的在速度和節(jié)能方面的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)槭褂昧讼旅嬉f明的一種“根據(jù)需要加熱(HOD)”的技術(shù)。
在本發(fā)明公開的簡單的便攜式低功耗GC-IMS樣品收集和分析系統(tǒng)中使用脈沖式分析技術(shù)有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。由于系統(tǒng)的脈沖性質(zhì)，僅在系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)才消耗功率，和部件總是維持在高操作溫度的靜態(tài)系統(tǒng)相比，這就極大地增加了系統(tǒng)的總能量效率。這樣就使它可以實(shí)際用在使用電池作為能源的手持式分析裝置中。
況且，脈沖式加熱程序可避免像在高溫靜態(tài)系統(tǒng)中那樣使用閥來轉(zhuǎn)接樣品群進(jìn)入柱塔，因此該系統(tǒng)更簡單和更可靠。
有益地，本發(fā)明的系統(tǒng)可以作為一個(gè)集成的系統(tǒng)操作，用于樣品采集、分析、和數(shù)據(jù)顯示，因而使其成為可用于許多應(yīng)用場合的理想的便攜式實(shí)時(shí)分析儀器，其中包括毒品和爆炸物檢查、在邊境站、飛機(jī)場等處的搜查、和空氣質(zhì)量監(jiān)測。
進(jìn)而，本發(fā)明還可以與一臺(tái)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(shí)又不會(huì)對(duì)它的性能或能量效率產(chǎn)生不利影響。
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)，以及本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作。在附圖中，類似的標(biāo)號(hào)表示相同的或功能類似的部件。
現(xiàn)在借助于例子參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1a和1b表示當(dāng)氣體混合物流過如現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中公知的一個(gè)管狀柱塔時(shí)分離一氣體混合物組分的例子；圖2a表示本發(fā)明的無閥氣體色譜系統(tǒng)的示意圖；和圖2b是一個(gè)曲線圖，表示本發(fā)明的加熱和冷卻順序。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的無閥氣體色譜系統(tǒng)是一個(gè)集成的采樣和分離裝置。與一個(gè)分析裝置的這種集成有可能將這個(gè)系統(tǒng)用作便攜式手持裝置。在1998年10月20日提交的、名稱為“用于便攜式分子檢測的樣品俘獲離子遷移率光譜儀”的、相關(guān)的和共同擁有的PCT申請PCT/US98/22092中可以找到與本發(fā)明的系統(tǒng)集成的手持式裝置的描述，這里全部參照引用了這個(gè)申請的描述。
圖2a表示本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)示意圖。該系統(tǒng)可以分為采樣部分和分析部分。該系統(tǒng)包括一個(gè)樣品捕集器，該樣品捕集器有一個(gè)約1/2英寸寬的條帶，條帶被卷繞在線軸201和202上，并且在采樣部分和分析部分之間通過。用來制造條帶的材料可以是一般尺寸為400或更大的一個(gè)金屬網(wǎng)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?；驓怏w。通過為條帶涂敷一種本領(lǐng)域內(nèi)已知的用來吸附感興趣之期望分子的吸附介質(zhì)，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(shí)體，并且在靠近條帶的端部設(shè)有軟的O形密封環(huán)。當(dāng)本機(jī)器處在采樣方式，203和204在條帶的一個(gè)部分205上形成一緊密封。一固定到泵管204上的真空泵通過采樣噴咀203向條帶的采樣區(qū)205中抽吸氣體和/或顆粒物。在預(yù)定的采樣持續(xù)時(shí)間后，例如經(jīng)幾秒采樣后，噴咀203和泵管204從條帶移開，從而中斷密封。這個(gè)移動(dòng)過程是借助于由計(jì)算機(jī)410控制的電機(jī)完成的。在密封切斷后，條帶沿著箭頭220表示的方向移動(dòng)到位置206。條帶的移動(dòng)也是借助于電機(jī)和位置傳感器完成的，所說的位置傳感器在使樣品定位后停止所說的電機(jī)。
一旦處在位置206，脫吸接口207和注入接口208在電機(jī)控制下向條帶移動(dòng)，并且在206周圍形成一氣密密封。該脫吸接口207是直徑小于1/4英寸的一個(gè)圓筒形實(shí)體，并且可以包括一個(gè)內(nèi)設(shè)的電加熱器210，可在幾秒鐘內(nèi)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，并被加熱器加熱，從而當(dāng)被加熱的氣體流出脫吸接口207并且入射到條帶的部分206上時(shí)，這些氣體又將被俘獲在條帶中并位于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(shí)候，使用相同的技術(shù)借助于電加熱器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(gè)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗€有一個(gè)按照獨(dú)特方式連接的氣體色譜柱塔209。在優(yōu)選實(shí)施例中的柱塔209有一個(gè)金屬外套，通過來自于一個(gè)可控電源212并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(nèi)部，柱塔209的部分209b在注入接口208的外部。部分209b的遠(yuǎn)端被連接到檢測器213。這個(gè)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(jìn)入柱塔的部分209a，并且因此進(jìn)入部分209b。當(dāng)脫吸接口207和注入接口208加熱時(shí)，柱塔209未被加熱。這將使被俘獲的樣品在206處汽化并通過熱的載體氣體被釋放以穿過柱塔的部分209a移動(dòng)，并且在柱塔的部分209b的開始處凝結(jié)。
一旦樣品在柱塔209的前端穩(wěn)定下來，就要切斷加熱器210和211，一般來說是通過計(jì)算機(jī)控制器410進(jìn)行的。因?yàn)榻涌?07、208是用熱容量最小的材料構(gòu)成的，所以加熱器的溫度在幾秒鐘內(nèi)迅速降低到環(huán)境溫度。計(jì)算機(jī)410檢測接口207、208的溫度，并且當(dāng)這個(gè)溫度已經(jīng)達(dá)到一個(gè)合適的最小值時(shí)，即最好比環(huán)境溫度高出攝氏約20度，計(jì)算機(jī)410接通加熱器212。這就使柱塔的部分209a、209b在幾秒鐘內(nèi)從環(huán)境溫度迅速加熱到超過攝氏200度。這個(gè)加熱速率是由計(jì)算機(jī)程序控制的。由于在加熱循環(huán)期間在柱塔中有一載體氣體流動(dòng)，所以凝聚的化合物沿柱塔向下移動(dòng)，并分離成各個(gè)組分，并且在不同的時(shí)間離開這里進(jìn)入IMS213。IMS電離這些樣品中單獨(dú)的組分群，并且在流入IMS的漂移氣體中按照它們的遷移率進(jìn)一步分離這些組分。然后，在一個(gè)電極上收集各個(gè)離子群，并且通過放大器214對(duì)于這些離子群進(jìn)行電子學(xué)方式地放大以便作進(jìn)一步的信號(hào)處理，并且使用計(jì)算機(jī)410在顯示器215上進(jìn)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(tǒng)的加熱和冷卻程序?qū)τ诒狙b置作為編程的脈沖式氣體色譜系統(tǒng)是否成功至關(guān)重要。在圖2b中表示出這個(gè)加熱和冷卻順序的曲線描繪，其中水平軸是3個(gè)曲線共用的時(shí)間軸。3個(gè)分開的垂直軸是溫度軸。溫度的最大值取決于正在分析的化合物的性質(zhì)，并且對(duì)于爆炸物和毒品化合物這個(gè)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(gè)常數(shù)，但可以變化，以便跟蹤使用計(jì)算機(jī)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(huán)。如圖2b所示，在接口207、208加熱器的加熱循環(huán)240、250之間沒有延遲，但在這些加熱器冷卻后才開始柱塔加熱，如在260所示，以實(shí)現(xiàn)上述的期望效果。
此外，被加熱的部分具有低的熱容量，并且被設(shè)計(jì)得能高效地散熱。這樣一種設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速分析時(shí)間是重要的。對(duì)于上述的本發(fā)明的系統(tǒng)，接口207，208和柱塔209能夠在幾秒的時(shí)間內(nèi)并在工作范圍內(nèi)被加熱和冷卻。
雖然參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具體描述和表示了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普遍技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的條件下可以在形式上和細(xì)節(jié)上進(jìn)行上述的和其它的變化。
權(quán)利要求
1.一種高速采樣和氣體色譜分離系統(tǒng)，它能夠采樣和分析感興趣的分子，該系統(tǒng)包括一個(gè)輸入裝置，用于在一第一位置收集具有感興趣之分子的樣品顆粒；一個(gè)接口裝置，它能夠由加熱脈沖加熱，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(yīng)于施加到接口裝置的熱脈沖而釋放一汽化體；和一個(gè)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于接口裝置的溫度，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(jìn)一步能夠被一加熱脈沖加熱，其中，響應(yīng)于施加到氣體柱塔的熱脈沖，感興趣分子的凝聚的汽化體分離成各個(gè)組分，并且在不同的時(shí)間離開氣體柱塔。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)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(gè)組分，檢測器用于分析感興趣的分子。
3.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于接口裝置包括一個(gè)脫吸接口，用于接收一載體氣體，該脫吸接口能夠由一加熱脈沖加熱，并且能夠響應(yīng)于加熱脈沖進(jìn)一步加熱載體氣體；和一個(gè)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沖加熱，其中感興趣的分子被置于脫吸接口和注入接口之間，當(dāng)被加熱的載體氣體離開脫吸接口并進(jìn)入注入接口時(shí)，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(jìn)一步使感興趣的分子向注入接口內(nèi)釋放一汽化體。
4.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于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(nèi)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(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)檢測器，它被連接到第二部分上，檢測器接收并電離感興趣的分子之汽化體，使其成為電離的組分以便進(jìn)行分析。
6.如權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)放大器，它被連接到檢測器上，用于放大由電離的組分產(chǎn)生的信號(hào)以進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)處理。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)輸出裝置，用于向用戶顯示處理的信號(hào)。
8.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于氣體柱塔進(jìn)一步包括一個(gè)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(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)第一加熱器，它能夠向脫吸接口傳送脈沖式熱量。
10.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)第二加熱器，它能夠向注入接口傳送脈沖式熱量。
11.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)第三加熱器，它能夠向氣體柱塔傳送脈沖式熱量。
12.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)噴咀，用于輸入具有感興趣的分子的樣品顆粒，以便為了檢測而進(jìn)行收集和汽化，該噴咀具有一個(gè)第一端，在這里輸入具有感興趣的分子的樣品，這個(gè)噴咀進(jìn)一步還有一個(gè)第二端；一個(gè)泵管，泵管可以連接到噴咀的第二端上；和一個(gè)條帶，它在噴咀和泵管之間通過，這個(gè)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(jìn)條帶中，使具有感興趣分子之樣品顆粒的所說條帶進(jìn)一步移動(dòng)，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(quán)利要求12的系統(tǒng)，其特征在于條帶是多孔型的。
14.如權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其特征在于條帶是一金屬網(wǎng)。
15.一種用于在一個(gè)氣體色譜分離系統(tǒng)中高速采樣和分析分子組分的方法，該方法包括如下步驟在一個(gè)接口裝置接收具有感興趣的分子的樣品顆粒；利用熱脈沖加熱該接口裝置到一選定溫度，以便將感興趣的分子轉(zhuǎn)換成汽化體；向溫度低于接口裝置的一個(gè)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；和用熱脈沖加熱該氣體柱塔裝置到一個(gè)預(yù)定的溫度，從而使汽化體分離成各個(gè)組分并且在不同的時(shí)間離開氣體柱塔。
16.如權(quán)利要求15的方法，其特征在于該方法進(jìn)一步包括如下步驟在各個(gè)組分離開氣體柱塔裝置時(shí)，在檢測器內(nèi)接收各個(gè)組分。
17.如權(quán)利要求15的方法，其特征在于該方法進(jìn)一步包括如下步驟在接收步驟之前，從輸入噴咀向一個(gè)條帶收集具有感興趣之分子的樣品顆粒。
全文摘要
一種便攜式氣體色譜系統(tǒng),它包括一個(gè)樣品吸附條帶(220),這個(gè)條帶有一個(gè)采樣位置(205)和一個(gè)第二脫吸附位置(206)。通過激勵(lì)加熱器(210、211)使樣品脫吸附。脫吸附的樣品送到色譜柱塔(209b),所說的色譜柱塔隨后由第三加熱器(212)加熱。將分離的樣品送到一個(gè)檢測器(213)以便分析。
文檔編號(hào)G01N30/62GK1296565SQ99804928
公開日2001年5月23日 申請日期1999年2月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月10日
發(fā)明者勞倫斯·V·哈里, 戈文丹奴尼·特卡達(dá)思 申請人:勞倫斯·V·哈里, 戈文丹奴尼·特卡達(dá)思