一种富集-热解析-色谱分离装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于分析仪器领域，具体地涉及一种气体样品快速富集-热解析-色谱分离装置。
【背景技术】
[0002]气体样品中的痕量物质分析，是分析化学和环境分析中一个重要的组成部分。其主要应用领域包括:I)空气中挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,简称为VOCs)的监测；空气中VOCs对人体健康具有危害性，并衍生出光化学污染及臭味问题，因此对其进行在线、快速、高灵敏检测具有重大意义。2)呼出气中痕量挥发性有机化合物的检测，对于疾病早期发现、早期诊断及筛查的具有重大的指导意义。3)工作环境中危险化合物的在线检测，它是安全生产的重要保障。
[0003]由于成分复杂，气体样品中痕量物质的含量一般很低，直接检测困难，需要进行样品前处理。现有技术多采用冷阱吸附浓缩/热脱附法，在采样吸附管内填充一定体积的吸附剂，利用固体吸附剂在液氮或者-70°C低温下对轻组分样品吸附的特性，达到浓缩富集的目的，然后热解析器快速升温，利用高温下吸附剂对待测组分保留性能降低的特性，使待测组分脱附，并直接利用载气将挥发物运送至色谱仪进行分析测定。
[0004]现有的吸附浓缩/热脱附装置多采用常温安装吸附管，然后加热一吹扫进样。由于样品热脱附是通过将吸附管放置在热脱附仪的脱附腔内进行加热完成，带来以下问题:
[0005]1.常温富集对低沸点组分的富集效率较低。
[0006]2.加热器升温速度慢，长时间的脱附过程和热脱附组份的传输线路造成热脱附组分峰展宽，降低了色谱柱对谱峰的分辨能力，定性和定量困难。因此商品化装置都使用二次冷阱和二次热解析技术，这又会导致分析周期长，而且增加了装置的成本和复杂性。
[0007]3.热解析完成后，高温热解析管自然冷却到初始富集温度的时间太长，导致分析周期长，一般在1min以上。
[0008]4.常规色谱分析方法的分析周期太长，一般在15min以上，不利于快速分析；而普通的快速气相色谱难以同时保证足够的分析速率、分离度和峰容量，导致分析速度和分离效能难以兼顾。
【发明内容】
[0009]为了解决上述问题，本发明提供了一种富集-热解析-色谱分离装置，采用低温CO2气体对填充有吸附剂的吸附管进行降温，以获取较低的富集温度，从而提高对低沸点组分的富集效率；使用缠绕在吸附管外的加热丝进行直热式热解析，以达到快速升温获得窄的进样谱带；热解析完成后，再次利用低温CO2气体对吸附管进行降温，使其尽快降至低温富集温度，减小分析周期。同时，利用低温CO2气体对色谱柱进行降温，进一步降低了进样谱带，提高了分离效率，提高对低沸点组分的分离度；分离完成可再次利用低温CO2气体对色谱柱进行快速降温，从而降低了整个分析周期时间。
[0010]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0011]—种富集-热解析-色谱分离装置，由富集热解析装置、进样装置、分离装置和冷却源组成，其特征在于:
[0012]所述富集热解析装置由吸附管、加热丝、第一冷却罩和第一冷却喷头组成；吸附管中填装有吸附剂；加热丝缠绕在吸附管外表面；吸附管的两端分别与样品源和进样装置相连；第一冷却罩将缠绕加热丝的吸附管包覆在其内部；第一冷却罩上设有第一冷却喷头和第一气体出口 ；第一冷却喷头与冷却源之间有管路连接，使冷却源中的冷却物质能经过第一冷却喷头进入第一冷却罩内部，从第一冷却罩上的第一气体出口排出。
[0013]所述分离装置由色谱柱、色谱柱加热模块、第二冷却喷头及第二冷却罩组成；色谱柱前端与进样装置相连，后端与检测器相连；色谱柱加热模块与色谱柱紧密接触；第二冷却罩将色谱柱和色谱柱加热模块包覆在其内部；第二冷却罩上有第二冷却喷头和第二气体出口 ；第二冷却喷头与冷却源之间有管路连接，使冷却源中的冷却物质能经过第二冷却喷头进入第二冷却罩内部，从第二冷却罩上的第二气体出口排出。
[0014]所述进样装置为一密闭容器，密闭容器设有一进样装置出口与外界相通，进样装置经第一接头与吸附管相连；进样装置经第二接头与色谱柱相连；所述进样装置具有两种工作状态；状态I时，通过吸附管的气体经过第一接头进入进样装置后直接从进样装置出口排出；状态2时，通过吸附管的气体进入进样装置后，经过第二接头被传输至色谱柱。
[0015]所述第一冷却喷头和第二冷却喷头具有变径结构，出口处内径变小，即出口处垂直于流体流动方向的截面面积小于入口处垂直于流体流动方向的截面面积。
[0016]所述第一冷却喷头的出口面向吸附管，第一冷却喷头的出口距离吸附管的距离为Imm ?50mmo
[0017]所述吸附管为石英管、玻璃管或内壁经过惰性处理的金属管，其内径为
0.5mm-1 Omm ;所述吸附管连接进样装置的一端有一内径变小的收口 ；收口处内径优选
0.1?5mm,以减小进样谱带宽度。
[0018]所述进样装置为二位三通或三通以上的阀。
[0019]所述进样装置的两种工作状态通过控制第一接头与进样装置出口之间的压差，以及进样装置出口与第二接头之间的压差来实现。
[0020]所述进样装置及其与色谱柱、吸附管的连接管路均被加热保温。
[0021]所述第二冷却喷头面向色谱柱。
[0022]所述冷却源为高压液态二氧化碳，冷却物质为低温二氧化碳气体。
[0023]所述色谱柱加热模块为直热式电加热块或空气浴加热模块。
[0024]装置工作时，首先利用第一冷却喷头喷出的低温CO2气体冷却吸附管，达到需要的冷却温度后，气体样品通过吸附管，其中的目标组分被富集。此时，气体样品通过吸附管进入进样装置后，从进样装置的出口排出。富集完成后，通过缠绕在吸附管外的加热丝快速升温热解析，解析后的目标组分通过进样装置后，进入分离装置。热解析完成后，第一冷却喷头再次喷出低温CO2气体，使吸附管快速降温，从而降低了富集时间。同时，第二冷却喷头能将低温CO2气体喷入第二冷却罩对色谱柱进行降温，获得较低的色谱初始温度和高的升温速率，从而获得高的分离效果，极快的分析速率和高的峰容量。
[0025]第一冷却喷头和第二冷却喷头的变径结构能导致高压气体膨胀做功制冷，进一步提高制冷效率。
[0026]第一冷却喷头能降低吸附管温度到-30°C，大大提高了吸附管富集低沸点组分的能力，且降低了吸附管从热解析后的高温状态回到富集时低温状态的平衡时间，减小了分析周期。
[0027]缠绕在吸附管外的加热丝，能够提供高达40°C /s的加热速率，以保证足够窄的进样谱带。
[0028]分离装置中的色谱柱加热模块与色谱柱紧密接触，以提供高的升温速率。利用低温CO2气体降温，能使色谱柱的初始柱温将至-30°C，以增加低沸点组分的保留能力和峰容量；大大缩短色谱柱的平衡时间，减小分析周期。
[0029]本发明具有以下几个优点:
[0030]1.本发明采用低温CO2气体对吸附管进行降温，能有效提高低沸点组分的富集效率，缩短吸附管热解析完成后回到初温的冷却时间，从而降低了富集热解析的总时间。
[0031]2.本发明采用带收口的吸附管结构和加热丝直热式加热，提高了热解析速度，降低了色谱进样谱带，提高了分离效率。
[0032]3.本发明采用低温CO2气体对色谱柱进行降温，能有效提高对低沸点组分的分离度，增加了峰容量；并利用冷柱头效应，压缩色谱进样谱带，提高了分离效率；分析完成后冷却气体还能降低色谱柱的平衡时间，从而降低了整个分析周期时间。
[0033]4.本发明采用色谱柱加热模块与色谱柱紧密接触的方式进行加热，能获取更高的程序升温速率，进一步提高了分离速度，从而保证了该装置能同时获得高的分离度、分离速度和峰容量。
【附图说明】
[0034]图1为本发明的装置的结构示意图。其中，100-富集热解析装置；101-吸附剂；102-吸附管；103_加热丝；104_冷却源；105_第一冷却喷头；106_第一冷却罩；107_第一气体出口 ；200_进样装置；201-第一接头；202_进样装置出口 ；203_第二接头；300_分离装置；301-色谱柱；302_色谱柱加热模块；303_第二冷却喷头；304_第二冷却罩；305_第二气体出口。
[0035]图2为采用实施例1所述装置进行富集热解析及对吸附管降温时，吸附管温度变化曲线。
[0036]图3为采用实施例1所述装置进行分离时，色谱柱温度变化曲线。
[0037]图4为采用实施例1所述装置分析浓度为10ppb的39种T014标样的色谱图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0039]实施例1
[0040]一种富集-热解析-色谱分离装置，如图1所示，由富集热解析装置100、进样装置200、分离装置300和冷却源104组成。
[0041]富集热解析装置100由吸附管102、加热丝103、第一冷却罩106和第一冷却喷头105组成。吸附管102为石英管，主体直径3mm，其中装填有吸附剂101，吸附剂101为5mg