Система, устройство и способ для мониторинга органических соединений в газовой среде
Изобретение относится к системе и устройству микромониторинга. Система для анализа по меньшей мере одного химического соединения в газовой смеси, содержащая: пробоотборный вход; фильтр; ловушку; хроматографическую колонку; детектор; и насос, причем пробоотборный вход, ловушка и насос соединены по текучей среде с образованием первого пути потока газа, в котором насос расположен ниже пробоотборного входа и ловушки по ходу потока, причем пробоотборный вход, фильтр, ловушка, хроматографическая колонка, детектор и насос соединены по текучей среде с образованием второго пути потока газа, в котором насос расположен ниже всех указанных компонентов по ходу потока, при этом газовая смесь представляет собой воздух. Технический результат - повышение эффективности определения органических соединений в газовых средах без использования сжатого газа. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 15 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США №62/322,980, поданной 15 апреля 2016 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Уровень техники
В общем случае измерения органических соединений, в том числе летучих органических соединений (ЛОС) в атмосфере или других средах требуют больших (наименьшие имеют размер ~2 фт × 2 фт × 2 фт) и дорогостоящих (в диапазоне $25,000-500,000) измерительных приборов и нуждаются в расходуемых газах для хроматографии, например, в баллонах с гелием, водородом и/или азотом высокой степени очистки. Научный прогресс, медицинское обследование, контроль состояния окружающей среды и политика регулирования в значительной степени лимитированы этими ограничениями и их стоимостью, особенно в развивающихся странах и неблагополучных регионах. Существующие измерительные инструменты требуют или установки (и эксплуатации подготовленным специалистом) больших газовых хроматографов и/или масс-спектрометров на полевых пунктах, или захватывания проб воздуха в 1-футовые емкости для газа, которые затем транспортируют (даже через океан) для анализа в лаборатории, при этом такие измерения ограничены тем, что может быть извлечено из емкости вследствие конденсации и поглощения поверхностью ее стенок.
В сфере производства и промышленности приходится полагаться на адсорбирующие «пробирки» или «таблетки», или химически неселективные датчики, которые обеспечивают среднесуточные (или более продолжительные) средние измерения, или данные с низкой точностью и селективностью соответственно. Инструменты для медицинского обследования человека очень дороги и могут потребовать испытаний, которые являются интрузивными или связаны с радиацией, поэтому анализ в сфере человеческого дыхания или других газовых сред является весьма многообещающим с точки зрения своих возможностей в качестве недорогого неинтрузивного способа. Однако существующие способы анализа дыхания являются чрезвычайно дорогими и редкими с учетом специальной профессиональной компетентности, необходимой для технического обслуживания и эксплуатации, например, масс-спектрометров с ионизацией при атмосферном давлении в реальном времени. Проблема требует надежного недорогого решения, которое может быть распространено по сетям системы здравоохранения.
Таким образом, в известном уровне техники остается потребность в системах и способах идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах, в конкретных системах и способах, которые работают без необходимости в сжатом газе-носителе. Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этой потребности, остающейся в известном уровне техники.
Раскрытие изобретения
В одном аспекте изобретение относится к системе для анализа газовой смеси, содержащей: фильтр; ловушку; хроматографическую колонку; детектор; и насос, причем ловушка и насос соединены по текучей среде с образованием первого пути потока газа, и причем фильтр, ловушка, хроматографическая колонка, детектор и насос соединены по текучей среде с образованием второго пути потока газа. В одном варианте осуществления детектор и насос соединены по текучей среде с образованием третьего пути потока газа. В другом варианте осуществления хроматографическая колонка представляет собой газотвердофазную адсорбционную хроматографическую колонку. В другом варианте осуществления хроматографическая колонка представляет собой газожидкостную хроматографическую колонку. В другом варианте осуществления ловушка дополнительно содержит адсорбирующий материал. В другом варианте осуществления фильтр представляет собой фильтр с активированным углем. В другом варианте осуществления детектор выбран из группы, состоящей из фотоионизационного детектора, масс-спектрометра, спектрофотометра и детектора теплопроводности. В другом варианте осуществления детектор представляет собой фотоионизационный детектор. В другом варианте насос обеспечивает отрицательное давление. В другом варианте осуществления система дополнительно содержит корпус. В другом варианте осуществления корпус имеет объем не больше, чем 216 кубических дюймов.
В другом аспекте изобретение относится к способу анализа по меньшей мере одного химического соединения в газовой смеси, включающему в себя: направление потока газовой смеси через ловушку для концентрирования по меньшей мере некоторого количества по меньшей мере одного химического соединения; перенаправление потока газовой смеси через фильтр для подачи потока отфильтрованного газа к ловушке; высвобождение по меньшей мере некоторого количества по меньшей мере одного концентрированного химического соединения в поток отфильтрованного газа; и анализ по меньшей мере некоторого количества высвобожденного по меньшей мере одного концентрированного химического соединения. В одном варианте осуществления по меньшей мере одно химическое соединение содержит по меньшей мере одно органическое соединение. В другом варианте осуществления по меньшей мере одно органическое соединение содержит по меньшей мере одно летучее органическое соединение. В одном варианте осуществления анализ по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого по меньшей мере одного концентрированного химического соединения включает в себя пропускание по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого по меньшей мере одного концентрированного химического соединения через хроматографическую колонку. В одном варианте осуществления хроматографическая колонка представляет собой газотвердофазную адсорбционную хроматографическую колонку. В другом варианте осуществления хроматографическая колонка представляет собой газожидкостную хроматографическую колонку. В другом варианте осуществления анализ по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого по меньшей мере одного концентрированного химического соединения включает в себя идентификацию по меньшей мере одного органического соединения способом, выбираемым из группы, состоящей из фотоионизации, масс-спектрометрии, спектрофотометрии и теплопроводности. В другом варианте осуществления анализ по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого по меньшей мере одного концентрированного химического соединения дополнительно включает в себя количественное определение по меньшей мере одного химического соединения. В одном варианте осуществления газовая смесь представляет собой газовую смесь, относящуюся к окружающей среде. В другом варианте осуществления газовая смесь содержит газы, выдыхаемые или иным образом исходящие от живого субъекта. В другом варианте изобретения газовая смесь представляет собой воздух.
Краткое описание чертежей
Следующее подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения будет понятнее при чтении вместе с приложенными чертежами. В целях иллюстрации изобретения на чертежах показаны варианты осуществления, которые являются предпочтительными в настоящее время. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается точными схемами и техническим средствами вариантов осуществления, показанных на чертежах.
На Фиг. 1, включающей в себя Фиг. 1А-1Н, показана структурная схема системы или устройства в соответствии с двумя вариантами осуществления изобретения в части, касающейся потока газов, т.е. воздуха, с аналитами или без них, через систему или устройство.
На Фиг. 2, включающей в себя Фиг. 2А и 2В, показана частичная принципиальная электрическая схема устройства в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 3 показана упрощенная электрическая схема, изображающая систему управления в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 4 показан вид в изометрии устройства в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 5, включающей в себя Фиг. 5А-5D, показаны виды катушки, вокруг которой наматывают газохроматографическую колонку, и крышки для нее.
На Фиг. 6, включающей в себя Фиг. 6А-6Е, показаны виды термостата и соответствующих компонентов для газохроматографической колонки.
На Фиг. 7, включающей в себя Фиг. 7А и 7В, показаны два вида блока, окружающего внешнюю сторону адсорбционной ловушки для нагревания и охлаждения.
На Фиг. 8, включающей в себя Фиг. 8А и 8В, показаны два вида компонента корпуса, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент содержит впускное окно.
На Фиг. 9, включающей в себя Фиг. 9А и 9В, показаны два вида компонента корпуса, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент содержит выпускное окно.
На Фиг. 10, включающей в себя Фиг. 10А и 10В, показаны два вида компонента корпуса, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент содержит три отверстия для контактов детектора, т.е. для питания и сигнала.
На Фиг. 11А представлен график, изображающий результаты эксперимента по отбору охлажденных проб и десорбции аналита с высокой летучестью при помощи устройства в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 11В представлен график, изображающий результаты эксперимента по разделению двухкомпонентной смеси с воздухом в качестве газа-носителя при помощи устройства в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 12А представлен график, изображающий результаты эксперимента по испытанию режима «ловушка и прогон» одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 12В представлен график, изображающий результаты экспериментальной хроматограммы пробы окружающего воздуха.
На Фиг. 13 представлена блок-схема способа анализа в реальном времени для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 14 представлена блок-схема способа газовой хроматографии для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 15 представлена блок-схема способа газовой хроматографии для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к системе для концентрации, идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах. Изобретение относится, в частности, к устройству микро-мониторинга, экономичному по объему, времени и стоимости прибору для концентрирования, идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах. Изобретение дополнительно относится к основанному на газовой хроматографии способу для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах без необходимости в сжатом очищенном газе-носителе, предварительно закачанном в баллон.
Изобретение обеспечивает неожиданное преимущество в сфере аналитической химии, так как способ, система и устройство изобретения выполнены с возможностью работы без сжатого газа, тем самым, создавая значительные преимущества над существующими системами. Существующие системы в известном уровне техники велики по размерам, громоздки и дороги. С другой стороны, устройство согласно настоящему изобретению может быть, в одном варианте осуществления, небольшим, приблизительно 6" × 6" × 6", и недорогим, например, <$1000. В другом варианте осуществления система или устройство согласно настоящему изобретению представляет собой монитор для органических соединений в атмосфере или других газовых средах, которые, как правило, присутствуют в следовых концентрациях, например, частей на миллиард или частей на триллион. Оно обеспечивает одновременные измерения в реальном времени суммарных концентраций и химического разрешения посредством периодической газовой хроматографии без использования баллонов со сжатым газом. Монитор обеспечивает беспрецедентно малые по размерам, переносные низкозатратные технические средства для идентификации и измерения значительных органических соединений.
Систему или устройство согласно настоящему изобретению можно применять для исследования или мониторинга окружающей среды на участках мониторинга, находящихся вне помещений; на промышленных объектах или в жилых домах внутри помещений; в качестве недорогого устройства для медицинского обследования посредством анализа дыхания, других телесных веществ или поверхностей; или для других применений, где измерения органических соединений являются критическими (например, контроль качества для пищевых продуктов, напитков или производства химической продукции; мониторинг военных объектов, низкозатратный сбор лабораторных данных; и мониторинг летучих органических соединений в воде). Специальной областью применения является использование в качестве детектора летучих органических соединений (ЛОС) в воздухе, соединений, которые являются токсичными и/или канцерогенными (например, бензин) и реакционноспособных предшественников озона и вторичного органического аэрозоля, представляющих собой два типа загрязнителей воздуха с наибольшим влиянием на состояние здоровья.
Изобретение обеспечивает функциональные, экономичные по объему, времени и стоимости устройство и способы для концентрации, идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах путем, помимо прочих средств, эффективного воспроизведения технических возможностей газового хроматографа с добавлением характеристики измерения в реальном времени для высокочастотных данных. Изобретение основано частично на ряде ключевых преимуществ: (1) способность выполнять газовую хроматографию значительных органических соединений в газовых потоках с использованием воздуха, т.е. азота (N2), кислорода (O2) и аргона, при следовых количествах двуокиси углерода (СO2), воды и метана, прокачиваемых через гидрофобный слой и фильтр, в качестве газа-носителя, и небольшого насоса, вместо необходимости использовать баллоны с газом высокой чистоты, т.е. большие объемы дорогостоящего гелия, водорода и/или азота высокой чистоты из баллонов высокого давления; (2) небольшие размеры и стоимость требуют специально спроектированных деталей и электроники и, тем самым, создают возможность применения устройства для проведения портативных измерений или измерений в труднодоступных местах, в том числе в качестве части сетей, составленных из нескольких устройств; (3) одновременные измерения в реальном времени при частоте 1 Гц в сочетании со способностью идентификации конкретных соединений посредством хроматографии, что раньше могло быть выполнено только путем подбора нескольких приборов, имеющих большие размеры, стоимость и объем технического обслуживания, например, индивидуально настраиваемый масс-спектрометр на основе реакции переноса протонов lonicon. Это приводит к получению высококачественных данных высокой чистоты об обширном ряде органических соединений, особенно содержащих от 1 до 25 атомов углерода.
Определения
Следует понимать, что чертежи и описания настоящего изобретения были упрощены для иллюстрирования элементов, существенных для четкого понимания настоящего изобретения, при одновременном исключении, в целях обеспечения ясности, других элементов, встречающихся в области техники, связанной с газовой хроматографией, очисткой газовых потоков, адсорбцией/десорбцией и/или улавливанием органических соединений, детектированием органических соединений, перекачиванием газов, калибровкой хроматографических систем и т.п. Средним специалистам в данной области техники понятно, что при реализации настоящего изобретения желательны и/или необходимы другие элементы и/или этапы. Настоящее описание относится ко всем таким изменениям и модификациям таких элементов и способов, известных специалистам в данной области техники.
Если не оговорено иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют одинаковое значение, в котором они обычно понимаются средним специалистом в области, к которой принадлежит данное изобретение. Хотя при практическом использовании или испытаниях настоящего изобретения могут использоваться любые способы, материалы и компоненты, аналогичные или эквивалентные описанным в настоящем документе, раскрыты предпочтительные способы и материалы.
В контексте данного документа каждый из следующих терминов имеет значение, связанное с ним в этом разделе.
Формы единственного числа, используемые в настоящем документе, относятся к одному или более, чем одному (т.е. по меньшей мере одному) грамматическому объекту. Например, «элемент» означает один элемент или более, чем один элемент.
Подразумевается, что в контексте настоящего документа «около», относящееся к измеряемой величине, такой как количество, временной интервал и т.п., охватывает изменения ±20%, ±10%, ±5%, ±1% или ±0,1% относительно заданного значения, если такие изменения являются потенциально возможными.
В рамках настоящего описания различные аспекты изобретения могут быть представлены в формате диапазона. Следует понимать, что это описание в формате диапазона дано просто для удобства и краткости и не должно интерпретироваться в качестве жесткого ограничения объема изобретения. Соответственно, описание диапазона следует рассматривать в качестве раскрывающего, в частности, все возможные поддиапазоны, а также отдельные численные значения в пределах этого диапазона. Например, описание такого диапазона, как от 1 до 6, следует рассматривать в качестве раскрывающего, в частности, поддиапазоны, такие как от 1 до 3, от 1 до 4, от 1 до 5, от 2 до 4, от 2 до 6, от 3 до 6 и т.д., а также отдельные числа в пределах этого диапазона, например, 1; 2; 2,7; 3; 4; 5; 5,3; 6 и любые полные и частные приращения между ними. Это справедливо независимо от ширины диапазона.
Осуществление изобретения
Обратимся теперь подробным образом к чертежам, на которых одинаковые позиционные обозначения указывают на одинаковые детали или элементы на нескольких видах, при этом в настоящем документе в различных вариантах осуществления представлены система и устройство, а также способы для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах.
В одном аспекте изобретение относится к системе или устройству, содержащему различные компоненты или приборы, способные осуществлять управление или анализ газовых потоков. Например, как показано на Фиг. 1А, иллюстративная система 100 может включать в себя пробоотборные входы 110 и 120, ловушку 130 со слоем адсорбента, фильтр 135, нагреватель 140, насос 150, детектор 151, хроматографическую колонку 152, нагреватель 153 хроматографической колонки, калибровочный источник 154 и трубопроводы 155, 156 и 157, соединяющие по текучей среде эти компоненты по мере необходимости. Пробоотборные входы 110 и 120 могут представлять собой стандартное окно любого типа, обладающее или не обладающее возможностью перекрытия. Входы могут содержать гидрофобные мембраны, уменьшающие проникновение воды. Ловушка 130 со слоем адсорбента может быть выполнена из любого подходящего материала, способного обратимо адсорбировать химическое соединение, в частности, органическое соединение и, более конкретно, летучее органическое соединение. В некоторых вариантах осуществления адсорбционная ловушка может содержать силикагели и/или гранулы в многослойной конфигурации. Фильтр 130 может быть выполнен из любого подходящего типа фильтрационного материала, способного удерживать химическое соединение, в частности, органическое соединение и, более конкретно, летучее органическое соединение. В одном варианте осуществления фильтр 135 может быть выполнен из активированного угля. Нагреватель 140 может представлять собой любой подходящий нагреватель, например, патронный нагреватель, способный нагревать слой 130 адсорбента и способствовать десорбции химического соединения из слоя 130 адсорбента. Насос 150 может представлять собой любой подходящий насос, способный создавать давление для работающей системы 100. В одном варианте осуществления насос 150 создает отрицательное давление. В другом варианте осуществления или блок-схеме положительное давление на выпуске насоса 150 может использоваться для десорбции и/или газовой хроматографии при помощи клапана выше по потоку от некоторых или всех элементов системы. Детектор 151 может представлять собой любой подходящий детектор для обнаружения химического соединения, в частности, органического соединения и, более конкретно, летучего органического соединения. Хроматографическая колонка 152 может представлять собой любую подходящую адсорбирующую поверхность, например, газохроматографическую колонку. В некоторых вариантах осуществления хроматографическая колонка содержит 100% диметилполисилоксана (например, DB-1) или трифторпропилметилполисилоксана (например, DB-200, DB-210) для активной фазы. В других вариантах осуществления хроматографическая колонка представляет собой колонку на основе пористого полимера, например, колонку Poraplot-Q. Адсорбирующие материалы, используемые в ловушке и хроматографической колонке, обеспечивают возможность эффективного сбора аналитов в течение длительных периодов времени, после которых следуют термическая десорбция и хроматографическое разделение материалов в воздухе. Данная система обеспечивает преимущество, поскольку защищает аналиты и адсорбирующие материалы от термической деградации под действием кислорода. В результате этого система обеспечивает возможность количественного определения отдельных аналитов с более высоким разрешением, чем сопоставимое оборудование.
В некоторых вариантах осуществления устройство может использовать традиционные капиллярные кварцевые колонки. В других вариантах осуществления устройство содержит колонки из пассивированной стали, например, RTX-1. Колонки из пассивированной стали обеспечивают более быстрое и точное нагревание и охлаждение благодаря более высокой теплопроводности, а также более надежные соединения с традиционными уплотнительными муфтами и фитингами. Вследствие этого применение колонок из пассивированной стали повышает надежность и уменьшает объем технического обслуживания, необходимого в данной области.
Нагреватель 153 хроматографической колонки может представлять собой любой подходящий нагреватель, например, патронный нагреватель, способный нагревать хроматографическую колонку 152, в частности, способный генерировать программируемый диапазон температур. В некоторых вариантах осуществления система, составляющая предмет настоящего изобретения, включает в себя несколько нагреваемых зон. Например, целая система, включая все переходные линии, может нагреваться для оптимизации эффективности передачи. В некоторых вариантах осуществления колонка 152 и нагреватель могут быть интегрированы в схему «ГХ на чипе», «колонка на чипе» или «газовый хроматограф на чипе», вследствие чего «колонка» представляет собой соединительные канавки, профрезерованные или вытравленные в плате, изготовленной из любого подходящего материала, известного из уровня техники, включая, без ограничений, металл, диоксид кремния или стекло. Фрезерованный или протравленный материал может затем обрабатываться при помощи активной фазы колонки так, чтобы он вел себя как традиционная колонка.
Калибровочный источник 154 представляет собой любой подходящий калибровочный источник для надлежащего детектора и/или применяемой хроматографической колонки. В одном варианте осуществления калибровочный источник содержит единственное летучее органическое соединение. Трубопроводы 155, 156 и 157 могут представлять собой трубку, изготовленную из материалов, таких как, без ограничений, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), нержавеющая сталь, политетрафторэтилен (ПТФЭ) или любой другой подходящий материал, как понятно специалистам в данной области техники.
В некоторых вариантах осуществления в хроматографической колонке 152 может использоваться газожидкостная адсорбционная хроматография. В некоторых вариантах осуществления хроматографическая колонка 152 может содержать различные активные «фазы» колонки, т.е. адсорбирующие химические препараты, менее подверженные термической деградации при высоких температурах.
В одном аспекте в хроматографической колонке 152 может использоваться газотвердофазная адсорбционная хроматография, менее подверженная деградации при высоких температурах при наличии кислорода в воздухе. Другое преимущество использования газотвердофазной адсорбционной хроматографической колонки состоит в том, что она меньше подвержена воздействию водяного пара или двуокиси углерода. Разделение газа и твердой фазы происходит по всему улавливающему/концентрирующему слою адсорбента и открытой капиллярной колонке с пористым слоем сорбента на стенках, что может быть приспособлено ко множеству конкретных колонок с различными адсорбентами, например, дивинилбензолом, или молекулярному ситу. В одном варианте осуществления хроматографическая колонка представляет собой колонку, способную использовать в качестве газа-носителя основные компоненты воздуха, т.е. азот и кислород. Поскольку азот представляет собой доминирующий компонент воздуха и аналогичен кислороду по своему строению, их эффективность в качестве газа-носителя одинакова.
В одном варианте осуществления система или устройство работают с использованием газовой хроматографии при пониженном давлении, например, путем обеспечения источника отрицательного давления. В другом варианте осуществления система или устройство работают с использованием с использованием газовой хроматографии при положительном давлении. Различия между разными вариантами осуществления зависят от ориентации насоса, клапанов и соединений, причем специалистом в данной области техники могут предусматриваться различные конфигурации. В одном варианте осуществления система или устройство используют элементы быстрой хроматографии, например, микрокапиллярную колонку. В одном варианте осуществления микроколонка для хроматографии имеет внутренний диаметр от 0,05 до 0,15 мм. В другом варианте осуществления колонка имеет внутренний диаметр от 0,15 до 1,00 мм. В одном варианте осуществления микроколонка имеет внутренний диаметр от 0,53 мм. В одном варианте осуществления колонка для хроматографии имеет внутренний диаметр от 0,05 до 1,00 мм. В одном варианте осуществления колонка для хроматографии имеет внутренний диаметр от 0,53 мм. В другом варианте осуществления система или устройство используют другие колонки в зависимости от целевых аналитов и технических характеристик насоса. В других вариантах осуществления система или устройство, использует колонку для газожидкостной хроматографии, имеющую неподвижную фазу, устойчивую к разложению под действием кислорода при рабочих температурах.
Система согласно настоящему изобретению может также включать в себя спаренные ловушку для отбора и модуль управления и анализа при хроматографии, способный регулировать потоки (скорость и направление) и температуры так, что он может настраиваться на любой конкретный набор аналитов, но оптимизирован для широкого спектра аналитов. В одном примере модуль управления и анализа отбирает аналиты в охлажденном состоянии при температурах <5°С в течение времени до 15-30 минут. В другом примере модуль управления и анализа поворачивает в обратном направлении поток воздуха через ловушку и обеспечивает ловушку чистым воздухом через угольный фильтр. В другом примере модуль быстро нагревает ловушку для десорбции аналитов на колонке, охлажденной до <5-10°С в зависимости от аналитов. Этот или другие примеры могут дополнительно включать в себя криогенную ловушку или криофокусирующий элемент в начале колонки. Применение охлаждающего элемента в ловушке и колонке создает преимущество над системами, известными из уровня техники, поскольку охлаждение ловушки и колонки обеспечивает возможность улучшенного удержания аналита, фокусирования и эффективности. В еще одном примере модуль может начать работу с удерживания начальной температуры, за которым следует нагревание системы с заданной скоростью изменения при одновременном регулировании различных потоков для достижения максимальной эффективности разделения колонки. В этом и других примерах система может дополнительно содержать сужающийся канал регулирования давления на входе в колонку для оптимизации потока при помощи насоса.
В другом примере система может начать отбор второй пробы, продолжая в то же время анализировать первую пробу. Модуль управления и анализа может выполнить это путем открытия клапана в байпасную линию с обходом ловушки в режиме только газовой хроматографии. Это позволяет выполнять остальную часть прогона газохроматографического анализа, работая при скорости потока, оптимизированной для последней части прогона. В другом примере модуль выполняет программу нагрева и анализ методом ГХ, после чего следует стадия быстрого охлаждения для подготовки системы к следующему прогону анализа.
Как показано на Фиг. 1А, система 100 содержит детектор 151. В одном варианте осуществления детектор 151 представляет собой чувствительный элемент, такой как фотоионизационный детектор (ФИД), миниатюрный масс-спектрометр, спектрофотометр, детектор теплопроводности, любой другой подходящий спектрометр или любой другой подходящий детектор. В одном аспекте изобретение относится к системе или устройству, использующему фотоионизационное детектирование. Изменение ионизационного потенциала лампы ФИД, например, между 9,6-11,7 эВ путем изменения газообразного галогена внутри лампы обеспечивает большую селективность в диапазоне аналитов с различными энергиями ионизации, например, от около 7 эВ до около 11,7 эВ. В одном варианте осуществления применение лампы на 9,6 эВ позволяет осуществлять селективную ионизацию ароматических углеводородов, также известных как БТЭК (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и других соединений с энергиями ионизации ниже 9,6 эВ. Бензол, толуол, этилбензол и изомеры м-и п-ксилол, о-ксилол и 3-триметилбензол представляют собой примеры соединений с энергиями ионизации ниже, чем 9,6 эВ. В других примерах ионизационный потенциал лампы ФИД составляет 10,0 эВ или 10,6 эВ. В другом варианте осуществления применение миниатюрного масс-спектрометра в качестве детектора расширяет диапазон настраиваемой селективности устройства.
В одном аспекте изобретение относится к системе или устройству, автоматизированному при помощи микропроцессора и программного обеспечения, управляющего работой системы клапанов, нагревателей, охладителей и собирающего данные о сигнале ФИД относительной влажности, давлении и температуре в пределах системы. В некоторых вариантах осуществления собранные данные об относительной влажности, давлении и температуре используют для коррекции данных от ФИД. В одном варианте осуществления компоненты системы, такие как входят в систему, показанную на Фиг. 1А, могут быть подключены с помощью электрического соединения в соответствии с принципиальными электрическими схемами 210 и 220, показанными на Фиг. 2А и 2В соответственно. В одном варианте осуществления компоненты выбирают из группы, состоящей из кассетных источников питания 211 и 221, нагревателя 212, ФИД 213, аналого-цифрового преобразователя и усилителя 214 напряжения, микроконтроллера 215, схемы 216 сдвига уровня, термопары 217, реле 218, насоса 222, цифро-аналогового преобразователя 223 и операционного усилителя 224. В некоторых вариантах осуществления схема управления содержит по меньшей мере один микроконтроллер, причем некоторые или все микроконтроллеры содержат несколько процессорных ядер. В некоторых вариантах осуществления микроконтроллер 215 содержит одноплатный компьютер (ОПК), такой как Arduino®. В некоторых вариантах осуществления микроконтроллер содержит программируемую систему на кристалле (СнК), такую как производится компанией Cypress®. В других вариантах осуществления микроконтроллер содержит программируемую логическую интегральную схему ПЛИС (FPGA). В некоторых вариантах осуществления схема управления содержит сверхмалошумящие цепи. В некоторых вариантах осуществления схема управления включает в себя беспроводной канал связи, содержащий сеть Wi-Fi, сотовую связь, функцию BlueTooth® или любую другую подходящую систему беспроводной связи, известную из уровня техники. Беспроводной канал связи обеспечивает возможность дистанционного выполнения некоторых или всех функций системы и передачи части или всех собранных данных в удаленную систему для анализа. В некоторых вариантах осуществления устройство может работать автоматически без какого-либо вмешательства пользователя, локально или дистанционно.
Обратимся теперь к Фиг. 3, на котором показана упрощенная схема 250 системы управления согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Микропроцессор 251 выполняет последовательность команд, которая координирует сбор данных от различных датчиков и активацию различных электрических или механических элементов системы. Микропроцессор 251 подключен к контроллеру 252 насоса, который, в свою очередь, управляет насосом 150. Микропроцессор 251 дополнительно подключен к набору реле 253, устройству 256 сбора данных ФИД, датчикам 258 состояния окружающей среды и контроллеру 259 на пластинах Пельтье. Реле 253 подключены с помощью электрического соединения к приводам 254 электронных клапанов, которые, в свою очередь, механически управляют различными клапанами в системе для создания путей потока, показанных на Фиг. 1C-1G, включая, без ограничений, клапаны 102, 172 и 177. Устройство 256 сбора данных ФИД принимает сигналы от ФИД 151 и преобразует эти данные в форму, регистрируемую микропроцессором 251. Устройство 256 сбора данных ФИД также содержит схему управления для микропроцессора 251 для передачи команд ФИД 151. Датчики 258 состояния окружающей среды, периодически или по запросу, передают данные о состоянии окружающей среды микропроцессору 251, чтобы способствовать управлению системой. Датчики состояния окружающей среды могут представлять собой любые датчики из множества датчиков температуры, датчиков влажности, датчиков давления или любых других датчиков, известных из уровня техники. Контроллер 259 на пластинах Пельтье подключен с помощью электрического соединения к пластинам 141 и 183 Пельтье и, с его помощью, микропроцессор 251 может независимо регулировать или блокировать функцию охлаждения пластин 141 и 183. Микропроцессор 251 показан в виде единственного элемента, но следует понимать, что функции микропроцессора 251 могут распределяться между несколькими микропроцессорами для достижения более высокой эффективности. В одном варианте осуществления схема 250 системы управления включает в себя второй микропроцессор, который управляет элементами регулировки температуры системы, составляющей предмет настоящего изобретения, включая термостаты и пластины Пельтье.
В некоторых вариантах осуществления микропроцессор 251 подключен с помощью электрического соединения к некоторой комбинации дисплея 255 и модуля 257 беспроводной связи. Дисплей 255 отображает сообщения о состоянии системы и ошибках, чтобы способствовать работе и выявлению и устранению неисправностей системы. В некоторых вариантах осуществления дисплей 255 представляет собой ЖК-дисплей. Модуль 257 беспроводной связи обеспечивает обмен данными между микропроцессором 251 и удаленным устройством. В некоторых вариантах осуществления удаленное устройство периодически принимает измерительную информацию или данные о состоянии системы от микропроцессора 251. В некоторых вариантах осуществления устройство беспроводной связи также принимает управляющие сигналы или команды от удаленного устройства, что позволяет удаленному пользователю осуществлять контроль над выполняемыми функциями системы.
Снова обращаясь к иллюстративной системе 100 на Фиг. 1А, отметим, что поток газа, например, воздуха, втягивается через два пробоотборных входа, т.е. трубки 110 и 120. В одном варианте осуществления газ втягивается под действием отрицательного давления при помощи насоса 150, расположенного на дальнем нижнем по потоку конце прибора. Вход 120 реального времени подключен к трубке, которая ведет непосредственно к детектору 151, т.е. ФИД, после двухпозиционного клапана 101. Этот поток газа через трубку, присоединенную ко входу 120, обеспечивает измерения в реальном времени всех органических соединений в потоке газа, или суммарную концентрацию органических соединений, чувствительных с способу детектирования.
Вход 110 концентрирует следовые концентрации органических газов на активной или инертной адсорбирующей поверхности или уплотненном слое 130, термоэлектрически охлаждаемом в алюминиевом блоке. В одном варианте осуществления слой адсорбента функционирует в качестве ловушки для органических газов. После регулируемого временного интервала концентрирования следовых органических веществ клапан 102 переключается для всасывания воздуха через угольный фильтр 135, обеспечивающий воздух, свободный от органических соединений. В одном варианте осуществления временной интервал составляет от 2 до 30 минут. Двухпозиционный клапан 101 на входе «реального времени» активируется так, чтобы весь поток направлялся через угольный фильтр, обеспечивая чистый воздух, который действует в качестве газа-носителя для хроматографической колонки 152. Поток чистого воздуха от входа 110 направляют через угольный фильтр 135, слой 130 адсорбента, а затем в газохроматографическую колонку 152. Слой/поверхность 130 адсорбента медленно нагревают, например, нагревателем 140 для термической десорбции или высвобождения органических соединений в зависимости от давления их паров или полярности, эффективно обеспечивая способ грубого разделения. Вытекающие потоки из этой ловушки поступают в капиллярную газохроматографическую колонку 152, работающую на основе принципа газотвердофазной адсорбционной хроматографии или газожидкостной хроматографии. В одном варианте осуществления газохроматографическую колонку заменяют
газохроматографическим микрожидкостным чипом. Колонку оборачивают вокруг подвергнутого специальной механической обработке алюминиевого цилиндра, или помещают микрожидкостный чип вплотную к алюминиевому блоку, который нагревают нагревательными патронами 153 со скоростью, при которой аналиты в колонке дополнительно разделяются/высвобождаются. В одном варианте осуществления колонку размещают в подвергнутом специальной механической обработке алюминиевом термостате. В одном варианте осуществления алюминиевый цилиндр является таким, как показано на Фиг. 5А и 5В, механически обработанным в форме катушки. В другом варианте осуществления цилиндр содержит различные механически обработанные выемки, полости или каналы, которые можно использовать для, без ограничений, крепления цилиндра к остальной части устройства, для присоединения нагревательных/охлаждающих элементов, или для удаления воздуха. В другом варианте осуществления цилиндр дополнительно содержит две канавки в кромке катушки для входа/выхода хроматографической колонки. В другом варианте осуществления цилиндр закрыт цилиндрической крышкой, как показано на Фиг. 5С и 5D.
Другой вариант термостата показан позицией 331 на Фиг. 6А-6Е. В этом варианте осуществления термостат представляет собой алюминиевый корпус, как показано на Фиг. 6А, изображающем вид сверху, и 6В, изображающем вид спереди. Термостат может представлять собой механически обработанный алюминий и содержит монтажные отверстия 333 и набор равномерно распределенных отверстий 332 в круговой конфигурации. Хроматографическая трубка входит в термостат 331 через входные/выходные отверстия 334 или 335, затем оборачивается вокруг отверстий 332 перед выходом из термостата через другие входные/выходные отверстия 334 или 335. Термостат закрывают крышкой 336 термостата, показанной на Фиг. 6С, содержащей монтажные отверстия 337, которые соответствуют монтажным отверстиям 333. В некоторых вариантах осуществления термостат дополнительно содержит пластину 183 Пельтье, показанную на Фиг. 6D, изображающем вид спереди, и 6Е, изображающем вид сбоку. Пластина 183 Пельтье содержит пластину 342, которая создает разность температур между холодной стороной 345 и горячей стороной 346 в ответ на электрический ток, обеспечиваемый при помощи проводов 343 и 344. Пластина 342 работает на основе термоэлектрического эффекта, известного из уровня техники как эффект Пельтье. В некоторых вариантах осуществления радиатор, содержащий одно или более ребер, может быть прикреплен к горячей стороне 346 пластины 183 Пельтье для повышения эффективности передачи тепла от холодной стороны 345 к горячей стороне 346.
Элюат из хроматографической колонки 152 поступает в ФИД 151 или другой детектор, где масса каждого соединения определяется количественно на основе сигнала ФИД, при этом концентрация в атмосфере может быть вычислена при помощи известной скорости потока при концентрировании во время отбора проб. Аналогично нормальной хроматографии, идентичность каждого соединения можно надежно определять на основе времени, в течение которого оно элюируется из системы колонки-адсорбционного слоя, которая нагревается по одной и той же программе нагрева при каждом прогоне. После завершения клапан 101 открывается, и система возвращается к измерениям в реальном времени, при этом вход хроматографии охлаждается при помощи вентиляторов и термоэлектрических охладителей. После ФИД оба потока выходят через насос 150. Встроенным способом калибровки управляют при помощи двухпозиционного клапана 103. В одном варианте осуществления система испускает постоянное количество испаряющегося калибрующего вещества, например, единственного ЛОС, через критическую диафрагму в один из пробоотборных входов, который периодически используется для калибровки системы. В одном варианте осуществления калибрующее вещество в емкости 154 вводят через вход реального времени. Постоянные, известные или калиброванные относительные коэффициенты отклика для ФИД обеспечивают возможность взаимной калибровки для всех остальных измеряемых соединений.
Другой вариант осуществления изобретения раскрыт при помощи системы 160 на Фиг. 1В-1Н. Система 160 на Фиг. 1В показывает общую структуру различных частей и каким образом они соединены. На Фиг. 1C-1G показаны структурные схемы различных режимов системы 160. Конкретно, на Фиг. 1С показан режим ловушки, на Фиг.1D показан режим десорбции/прогона, на Фиг. 1Е показан режим реального времени, на Фиг. 1F показан режим калибровки и на Фиг. 1G показан режим ловушки и прогона. Работа системы 160 аналогична работе системы 100, но с добавлением этапа обращения потока воздуха в обратном направлении через адсорбционную ловушку 130 между этапом улавливания и этапом десорбции. На Фиг. 1Н показаны материалы, используемые в одном варианте осуществления настоящего изобретения.
Обратимся к Фиг. 1С, на котором показана структурная схема 161 режима ловушки системы 160. Насосом 150 создается вакуум, и неотфильтрованный воздух поступает через вход 110. Воздух проходит сначала через гидрофобный фильтр 171 ТЧ (твердых частиц) перед его направлением при помощи клапана 172 через ближний конец адсорбционной ловушки 130, где некоторые соединения улавливаются путем адсорбции для последующего анализа. В некоторых вариантах осуществления ловушка может охлаждаться с использованием пластины 141 Пельтье. Охлаждение ловушки 130 обеспечивает возможность улучшенного удержания аналита, фокусирования и эффективности. Оставшийся воздух проходит через клапан 177 и выходит из системы через насос 150.
Обратимся к Фиг. 1D, на котором показана структурная схема 162 режима десорбции/прогона системы 160. После завершения этапа улавливания адсорбционная ловушка 130 содержит некоторые соединения, подлежащие анализу. Клапаны 172 и 177 изменяют направление потока, как показано на структурной схеме 162, прогоняя неотфильтрованный воздух через вход 110, за которым находится гидрофобный фильтр 171 твердых частиц, затем направляя неотфильтрованный воздух через фильтр 135 с активированным углем для удаления большинства соединений, и передают отфильтрованный воздух через систему. Отфильтрованный воздух проходит через пневматический дроссель 176 перед поступлением в адсорбционную ловушку 130 через дальний конец, при этом направление потока противоположно потоку на схеме 161. В некоторых вариантах осуществления в режиме 162 десорбции/прогона задействуют нагреватель или нагреватели 140, увеличивая скорость, с которой соединения десорбируются из адсорбционной ловушки 130. Десорбированные соединения, захваченные в отфильтрованном воздухе, проходят через клапан 172 к капиллярной газохроматографической колонке 182, которая также может опционально нагреваться. Колонка 182 работает аналогично колонке 152 на Фиг. 1А. Элюат из колонки 182 поступает в ФИД или другой детектор 151, где масса каждого соединения определяется количественно. Наконец, воздух проходит через клапан 184 и насос 150 перед выходом из системы. В некоторых вариантах осуществления система дополнительно содержит пластину 183 Пельтье, которая прикреплена к термостату 182 и обеспечивает термоэлектрическое охлаждение в некоторых фазах потока воздуха системы.
Пневматический дроссель 176 выполняет функцию ограничения потока до поступления в адсорбционную ловушку и колонку, обеспечивая низкое давление во всей колонке и повышая потенциал разрешения (т.е. количество «тарелок» в колонке). Это представляет значительные преимущества над аналогичными системами, известными из уровня техники.
На Фиг. 1Е показана структурная схема 163 режима реального времени системы 160. В режиме реального времени поток аналогичен режиму реального времени системы 100 согласно настоящему изобретению. Неотфильтрованный воздух поступает через вторичный вход 120, а затем через гидрофобный фильтр 171 твердых частиц перед прохождением через клапан 101 непосредственно к ФИД или другому детектору 151. Оставшийся воздух протекает через клапан 184 и выходит из системы через насос 150. Одно из преимуществ системы, составляющей предмет настоящего изобретения, состоит в возможности непрерывного мониторинга в режиме реального времени с периодическим переключением на более полный анализ методом ГХ, раскрытый на Фиг. 1С, 1D и 1F. В некоторых вариантах осуществления высокое показание или пик в суммарных концентрациях, обнаруженный во время отбора проб в реальном времени, инициирует переключение в режим ловушки и прогона, тем самым, обеспечивая возможность более точного измерения химического состава детектированных соединений. В некоторых вариантах осуществления измерения в режиме ловушки и прогона могут использоваться для распознавания источника одного или более химических соединений.
Дополнительный режим работы предусматривается за счет объединения путей потока, показанных на Фиг. 1С и 1Е. В вариантах осуществления устройства, которые поддерживают путь 163 потока в реальном времени, система, составляющая предмет настоящего изобретения, может непрерывно собирать соединения при помощи пути 163 потока, одновременно собирая соединения в ловушке при помощи пути 161 потока. В таком режиме «реального времени и ловушки» система может собирать данные с высоким временным разрешением о суммарных концентрациях (данные в реальном времени), затем, в конце периода сбора данных, соединения из ловушки можно анализировать для определения химического состава смеси за период, в течение которого были собраны данные с высоким временным разрешением. Это режим особенно полезен для фиксации событий, происходящих за короткие периоды времени, где интерес представляют продолжительность и характеристики события, и где также предпочтительно знать химический состав смеси за этот период.
На Фиг. 1F показана структурная схема 164 режима калибровки системы 160. Работа в режиме калибровки аналогична работе в режиме 163 реального времени за исключением того, что вместо прохождения неотфильтрованного воздуха через систему от входа фильтра 187, клапан 101 закрывается, а клапан 103 открывается для втягивания постоянного количества стандартного испаряющегося калибрующего вещества 154. Аналогично калибровочному потоку системы 100, в режиме 164 калибровки сравнивают результаты от детектора 151 с известными относительными коэффициентами отклика, обеспечивая возможность взаимной калибровки остальных измеряемых соединений.
На Фиг. 1G показана структурная схема 165 режима ловушки и прогона системы 160. В этом режиме два параллельных пути потока открыты одновременно. По первому пути неотфильтрованный воздух поступает во вход 110 и проходит через фильтр 171 к угольному фильтру 135. Отфильтрованный воздух проходит через клапан 178 и пневматический дроссель 179 перед прохождением через колонку 182, в которой уже присутствуют органические частицы от предыдущего прогона. В некоторых вариантах осуществления пневматический дроссель 179 может иметь различный размер, так, чтобы расход отфильтрованного воздуха через колонку можно было регулировать или оптимизировать для более эффективного разделения и детектирования соединений. Органические частицы освобождаются и проходят, захваченные в отфильтрованном воздухе, в ФИД или другой детектор 151 перед откачиванием из системы при помощи насоса 150. Одновременно с первым потоком второй путь потока втягивает неотфильтрованный воздух через фильтр 171, затем через клапан 172 в ловушку 130, где некоторые частицы улавливаются для будущего прогона.
Благодаря чередованию этого режима и режима десорбции/прогона, показанного на Фиг. 1D, система, составляющая предмет настоящего изобретения, может работать более эффективно и затрачивать больше времени на отбор проб.
На Фиг. 1Н показаны различные материалы в подающих трубопроводах в некоторых вариантах осуществления изобретения. Сегменты, помеченные «Р», содержат полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). Сегменты, помеченные «S», содержат нержавеющую сталь. Сегменты, помеченные «Т», содержат тайгон или тефлон. Материалы, раскрытые в настоящем документе, не имеют ограничительного характера, а просто описывают пример материалов, которые могли бы использоваться в некоторых конфигурациях системы, составляющей предмет настоящего изобретения.
В другом аспекте компоненты системы могут быть помещены в устройство 300, состоящее из одного или нескольких отсеков, как показано на Фиг. 4. В одном варианте осуществления размер устройства составляет около 6" × 6" × 6", или не более, чем 216 кубических дюймов в объеме. В одном варианте устройство включает в себя различные части, например, корпус 310, колоночный термостат и катушку 320, источник 330 питания, микроконтроллер и заказную печатную плату (платы) 340, корпус 350 детектора, насос 360, блок калибратора и фильтр 370 с активированным углем, блок 380 нагревания и охлаждения ловушки и пластины 390 радиатора охлаждения ловушки. В одном варианте осуществления блок 320 газовой хроматографии дополнительно содержит цилиндрические части 321 и 322. Как описано в других разделах настоящего документа, цилиндр 321 может быть механически обработан в качестве катушки, на которую наматывают хроматографическую колонку. В одном варианте осуществления устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, дополнительно содержит блок 381, как показано на Фиг. 7А и 7В, окружающий внешнюю сторону адсорбционной ловушки для нагревания и охлаждения. В другом варианте осуществления устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, содержит блок 382, как показано на Фиг. 1С (изображающем вид спереди) и 7D (изображающем вид сверху). Нагреватель или нагреватели блока могут быть расположены в каналах 385. В некоторых вариантах осуществления блок 382 содержит две половины, разделенные по центральному шву 386. В некоторых вариантах осуществления термопара расположена в отверстии 384, чтобы контролировать температуру блока.
В одном варианте осуществления устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, дополнительно включает в себя компонент 351 корпуса 350, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент 351 включает в себя впускное окно. В другом варианте осуществления устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, дополнительно включает в себя компонент 352 корпуса 350, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент 352 включает в себя выпускное окно. В альтернативном варианте осуществления, показанном на Фиг. 9С, устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, дополнительно включает в себя компонент 362 корпуса 350, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент 362 включает в себя несколько выпускных окон 367 и монтажных отверстий 366.
В другом варианте осуществления устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, дополнительно включает в себя компонент 353 корпуса 350, который содержит фотоионизационный детектор, при этом компонент 353 включает в себя три отверстия для контактов детектора, т.е. для питания и сигнала. В одном варианте осуществления части соединены в соответствии со схемой 100. В другом варианте осуществления части соединены в соответствии со схемами 210 и 220.
Одно из дополнительных преимуществ небольшого размера системы, составляющей предмет настоящего изобретения, состоит в том, что колоночный термостат 331 имеет меньшую массу, чем была бы, как правило, необходима, и, таким образом, также меньшую тепловую массу. Термостаты с меньшей тепловой массой способны обеспечивать более строгое регулирование температуры, поскольку они способны сохранять (и переизлучать) меньшее количество тепла, чем термостаты большего размера, что позволяет им быстрее остывать при выключении питания.
В других аспектах изобретение относится к способам для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах. На Фиг. 13 показан пример способа анализа 400 в реальном времени. В одном варианте осуществления способ 400 анализа в реальном времени содержит этап 410 применения положительного или отрицательного давления, например, применения всасывания при помощи насоса, которое будет проталкивать газовую смесь через систему или устройство, например, систему или устройство, составляющее предмет настоящего изобретения. Способ 400 анализа в реальном времени дополнительно содержит этап 420 отбора проб газовой смеси, например, воздуха, через пробоотборочный вход, например, пробоотборочный вход 120 в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А. Способ 400 анализа в реальном времени дополнительно содержит этап 430 детектирования органических соединений в газовой смеси. Детектирование может осуществляться при помощи ФИД-детектора, такого как, например, детектор 151 в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А.
В другом аспекте изобретение относится к способу для идентификации и количественного определения органических соединений в газовых средах, содержащему этап хроматографии. В одном варианте осуществления этап хроматографии выполняют без необходимости в сжатом очищенном газе-носителе, предварительно закачанном в баллон, а, напротив, используя очищенный воздух в качестве газа-носителя. Как показано на Фиг. 14, в одном варианте осуществления способ представляет собой способ 500 газохроматографического анализа. В одном варианте осуществления способ 500 газохроматографического анализа содержит этап 510 применения положительного или отрицательного давления, например, применения всасывания при помощи насоса, которое будет проталкивать газовую смесь через систему или устройство, например, систему или устройство, составляющее предмет настоящего изобретения. Способ 500 дополнительно содержит этап 520 отбора проб газовой смеси, например, воздуха, через пробоотборочный вход, например, пробоотборочный вход 110 в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А. Способ 500 газохроматографического анализа дополнительно содержит этап 530 направления потока газовой смеси через ловушку для концентрирования по меньшей мере некоторого количества химического соединения, причем органическое соединение улавливают на слое 130 адсорбирующего материала в качестве элемента системы 100, как показано, например, на Фиг. 1А. Способ 500 дополнительно содержит этап 540 перенаправления потока газовой смеси через фильтр для обеспечения отфильтрованного газового потока к ловушке, тем самым, обеспечивая газовую смесь, например, воздух, свободный от органических соединений. Этап 540 способа 500 может быть выполнен, например, путем отвода анализируемого газа через фильтр 135 с активированным углем, например, в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А. Фильтрация удаляет все или часть органических соединений для обеспечения чистого газа-носителя, например, чистого воздуха. Способ 500 газохроматографического анализа дополнительно содержит этап 550 высвобождения по меньшей мере некоторого количества концентрированных химических соединений в отфильтрованный газовый поток, например, путем последовательной термической десорбции органических соединений, причем ранее уловленные органические соединения десорбируют из слоя 130 адсорбирующего материала путем медленного повышения температуры, например, с использованием нагревателя 140 в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А. Способ 500 газохроматографического анализа дополнительно содержит этап 560 разделения по меньшей мере некоторого количества высвобожденных концентрированных химических соединений. В одном варианте осуществления разделение включает в себя разделение органических соединений, например, посредством газовой хроматографии. Органические соединения, десорбированные из слоя адсорбирующего материала, захватываются чистым воздухом, обеспечиваемым фильтрацией, в хроматографическую колонку, например, колонку 152 в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А. Способ 500 газохроматографического анализа в реальном времени дополнительно содержит этап 570 детектирования органических соединений в газовом элюенте хроматографической колонки. Детектирование может осуществляться при помощи ФИД-детектора, такого как, например, детектор 151 в качестве элемента системы 100, как показано на Фиг. 1А, который может представлять собой, например, фотоионизационный детектор (ФИД).
На Фиг. 15 показан альтернативный вариант 600 осуществления способа, составляющего предмет настоящего изобретения. Способ 600 аналогичен способу 500, но включает в себя этап 535 изменения направления потока через ловушку после направления потока газа через ловушку, но до перенаправления потока через фильтр для обеспечения отфильтрованного потока газа к ловушке.
Примеры экспериментов
Настоящее изобретение далее будет подробнее раскрыто со ссылкой на следующие примеры экспериментов. Эти примеры представлены только в целях иллюстрации и не имеют ограничительного характера, если не оговорено иное. Таким образом, настоящее изобретение ни в коей мере не должно интерпретироваться в качестве ограниченного следующими примерами, а, напротив, в качестве охватывающего все возможные изменения, что станет очевидным в результате рассмотрения идей, представленных в настоящем документе.
Без дальнейшего рассмотрения можно полагать, что средний специалист в данной области может, воспользовавшись предшествующим описанием и нижеследующими иллюстрирующими примерами, подготовить и использовать составы согласно настоящему изобретению и применить на практике заявленные способы. В следующих рабочих примерах поэтому специально отмечены предпочтительные варианты осуществления изобретения, при этом они не должны интерпретироваться в качестве ограничивающих каким-либо образом оставшуюся часть описания.
Пример 1
Как показано на Фиг. 11А, систему, составляющую предмет настоящего изобретения, применяли для детектирования ацетона в воздушно-ацетоновой смеси. Сначала пробоотборный вход был подвергнут воздействию импульса ацетона в воздухе. Системе было предоставлено около десяти минут для улавливания и концентрирования ацетона в охлажденном слое адсорбционного материала. Спустя приблизительно десять минут нагреватели адсорбционного слоя были включены для обеспечения нарастания температурного градиента со скоростью около 60°С / минуту. Спустя приблизительно 30 секунд на выходе фотоионизационного детектора был детектирован пик.
Пример 2
Как показано на Фиг. 11В, систему, составляющую предмет настоящего изобретения, применяли для разделения и детектирования изопентана и ацетона, используя воздух в качестве газа-носителя в газохроматографическом способе. Шесть отдельных прогонов способа разделения, включая три прогона, выполненных после двадцати часов непрерывной работы, продемонстрировали высокую эффективность разделения и повторяемости во времени.
Пример 3
Как показано на Фиг. 12А, систему, составляющую предмет настоящего изобретения, применяли в режиме ловушки и режиме прогона для полностью автономного устройства без какого-либо внешнего давления или вакуума и без дополнительного оборудования. На чертеже показана «хроматограмма» с выходным сигналом датчика ФИД, температурой ловушки и температурами термостата вдоль оси Y и временем записи хроматограммы (анализа) вдоль оси X. Пробу аналитической стандартной смеси однокольцевых ароматических соединений отбирали из газовой фазы, улавливали, удерживали, а затем впрыскивали в колонку, где ее разделяли под вакуумом по автоматической температурной программе, а затем измеряли на ФИД. Показанные соединения включают в себя обычные и нетривиальные соединения БТЭК, представляющие большой интерес в сфере науки, нормативно-правового регулирования и коммерции. Конкретными измеренными и помеченными аналитами являются бензол, толуол, этилбензол, м-ксилол с п-ксилолом, о-ксилол, 1,2,4-триметилбензол, 1,3,5-триметилбензол и 1,2,4,5-тетраметилбензол.
Пример 4
Как показано на Фиг. 12В, хроматограмма и выделенный участок хроматограммы отображают результаты двадцатиминутного улавливания и десорбции пробы воздуха внутри помещения, собранной с использованием только самого устройства, как показано на Фиг. 12А. Показанные пики представляют все летучие органические соединения, присутствующие в помещении в следовых концентрациях (например, частей на миллиард или частей на триллион). График и его подграфик увеличены в размере на участке хроматограммы, чтобы продемонстрировать количество разрешенных пиков, относительную численность узких пиков, превосходную форму пиков и разрешение между пиками.
Описания всех без исключения патентов, заявок на патенты и публикаций, упомянутых в настоящем документе, полностью включены в данный документ посредством ссылки. Хотя данное изобретение раскрыто со ссылкой на конкретные варианты осуществления, очевидно, что другими специалистами в данной области техники могут быть разработаны другие варианты осуществления и изменения без отступления от истинного существа и объема настоящего изобретения. Приложенная формула изобретения должна интерпретироваться как включающая в себя все такие варианты осуществления и эквивалентные изменения.
1. Система для анализа по меньшей мере одного химического
соединения в газовой смеси, содержащая:
пробоотборный вход;
фильтр;
ловушку;
хроматографическую колонку;
детектор;
и насос,
причем пробоотборный вход, ловушка и насос соединены по текучей среде с образованием первого пути потока газа, в котором насос расположен ниже пробоотборного входа и ловушки по ходу потока, причем пробоотборный вход, фильтр, ловушка, хроматографическая колонка, детектор и насос соединены по текучей среде с образованием второго пути потока газа, в котором насос расположен ниже всех указанных компонентов по ходу потока, при этом газовая смесь представляет собой воздух.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что детектор и насос соединены по текучей среде с образованием третьего пути потока газа.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что газохроматографическая колонка выбрана из группы, состоящей из газотвердофазной адсорбционной хроматографической колонки и газожидкостной газохроматографической колонки.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что ловушка дополнительно содержит адсорбирующий материал.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что фильтр представляет собой фильтр с активированным углем.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что детектор выбран из группы, состоящей из фотоионизационного детектора, масс-спектрометра, спектрофотометра и детектора теплопроводности.
7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что детектор представляет собой фотоионизационный детектор.
8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что насос выполнен с возможностью обеспечения отрицательного давления.
9. Система по п. 1, дополнительно содержащая корпус.
10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что корпус имеет объем не больше, чем 216 кубических дюймов.
11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью детектировать химические соединения с чувствительностью порядка частей на триллион.
12. Способ анализа по меньшей мере одного химического соединения в газовой смеси посредством системы по п.1, включающий в себя:
направление потока газовой смеси через ловушку для концентрирования по меньшей мере некоторого количества химического соединения; перенаправление потока газовой смеси через фильтр для подачи потока отфильтрованного газа к ловушке; высвобождение по меньшей мере некоторого количества концентрированного химического соединения в поток отфильтрованного газа; и анализ по меньшей мере некоторого количества высвобожденного концентрированного химического соединения; причем направление потока газовой смеси через ловушку противоположно направлению потока отфильтрованного газа через ловушку.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что по меньшей мере одно химическое соединение содержит по меньшей мере одно органическое соединение.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что по меньшей мере одно органическое соединение содержит по меньшей мере одно летучее органическое соединение.
15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что анализ по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого концентрированного химического соединения включает в себя пропускание по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого концентрированного химического соединения через газохроматографическую колонку.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что газохроматографическая колонка выбрана из группы, состоящей из газотвердофазной адсорбционной хроматографической колонки и газожидкостной газохроматографической колонки.
17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что анализ по меньшей мере некоторого количества высвобождаемого концентрированного химического соединения включает в себя идентификацию органического соединения способом, выбираемым из группы, состоящей из фотоионизации, масс-спектрометрии, спектрофотометрии и теплопроводности.
18. Способ по п. 17, дополнительно содержащий количественное определение химического соединения.
