[发明专利]用于气相色谱仪的色谱柱加热装置

说明书

技术领域

本发明属于分析化学、加热装置领域，涉及可用于气相色谱仪的色谱柱加热装置。

背景技术

气相色谱技术是分析化学的一种重要方法。样品和载气（通常是惰性气体）首先在进样口充分混合，然后随着载气流动进入色谱柱中，并持续流向色谱柱末端，在此过程中，样品在载气和色谱柱的固定相之间产生保留现象，不同样品的保留效果不同，到达色谱柱末端的时间也各不相同。一般来说，高沸点组分的保留效果更强，出峰时间会更晚。

从样品进入气相色谱仪到色谱图出峰的时间称为保留时间，不同的保留时间对应于不同化合物种类，是气相色谱仪重要的定性依据。在实际的分析过程中，色谱柱所处的温度和每种样品的保留时间成指数关系，温度升高，则保留时间迅速缩短。如果选择的色谱柱温度过低，则高沸点样品的保留时间极长，分析效率低下且可能产生样品残留，影响下一次的分析结果；如果选择的色谱柱温度过高，则低沸点样品保留时间相差很小，几乎混叠在一起，难以区分，同时也可能导致部分不稳定化合物高温下分解，测量结果出现偏差。

因此，气相色谱分析中常使用程序升温过程，保证低沸点样品充分分离，而高沸点样品的保留时间又不太长。气相色谱仪能达到的最快升温速度越快，能实现的分析效率就越高。

由于类似的原因，在程序升温结束之后，色谱柱温度要降低到初始值，才能开始对下一个样品进行分析。色谱柱的降温速度越快，两次分析之间的等待时间就越短，分析效率就越高。

另外一个重要指标是色谱柱温度分布的均匀性。只有温度分布均匀的色谱柱才能保证每次分析结果具有高重复性和精度，否则会造成保留时间的漂移，温度分布不均匀性严重时会出现样品在色谱柱局部位置过冷凝结和过热分解的现象。

当前市场上销售的气相色谱仪中绝大多数使用炉膛对色谱柱进行空气浴加热。炉膛结构通常为一个大的钣金腔体，外部包裹厚实的保温棉材料，内部用加热丝提供热量，并使用一个较大的风扇强制对流换热。以安捷伦公司的7890气相色谱仪炉膛为例，该加热装置体积大（500mmX350mmX350mm），功耗高（2400W），升温和降温速度慢（炉膛温度300℃时升温速率不超过每分钟60摄氏度，降温时间一般不少于4分钟），样品分析效率低。

近年来一种新的技术是直接加热气相色谱柱，这种技术以RVM Scientific,Inc.公司的LTM低热质量模块为代表(见参考文献1至4)，在该加热装置中，被绝缘材料包裹的加热丝缠绕在色谱柱上直接加热，并在色谱柱上缠绕一定长度的铂电阻丝测量色谱柱温度，该产品的突出优点是体积小（120mmX120mmX100mm），功耗小（约300W），升温速度极快（可以达到每分钟1200摄氏度）；另一方面，整个加热模块在出厂前已经全部固定连接好，用户无法自行拆装，一旦色谱柱损坏或是达到使用寿命，必须更换整个模块，而整个模块价格非常昂贵，一般超过5000美金，为单根气相色谱柱的5倍至10倍。另外，在气相色谱仪的实际应用中，根据待分析样品种类的不同，用户可能会更换不同类型的色谱柱进行分析，而LTM模块可更换次数有限，用户更换3至5次后整个模块就将报废。气相色谱柱被高沸点样品污染后，通常只需要割去最前面的一段（0.3米至1米）即可继续使用，而LTM色谱柱的加热结构无法拆开，一旦色谱柱受到污染，只能更换整个昂贵的模块。这些缺点极大地限制了LTM模块的应用范围。

另外一种加热装置是Griffin公司发明的加热装置（见参考文献5），该发明在加热块和外部框架之间用电绝缘材料隔开，色谱柱直接放在加热块延伸出的热沉上，加热过程中外部框架升温速度大大落后于加热块，这样可以有效减小加热功耗。但是，在加热过程中和温度稳定之后，由于外部框架的温度远远低于加热块，在用来容纳色谱柱的加热装置内部空腔中形成了很大的温度梯度，同一根色谱柱的不同区域之间温度差异很大，无法保证气相色谱系统的分析性能。

相关文献：

1.美国专利5782964，Gas chromatography column assembly temperature control system，07/21/1998，Robert V.Mustacich

2.美国专利6209386，Electrically insulated gas chromatograph assembly and method of fabricating same，04/03/2001，Robert V.Mustacich等