[发明专利]一种直热式快速程序升温气相色谱柱

说明书

技术领域

本发明涉及气相色谱柱，具体地说是一种直热式快速程序升温气相色谱柱装置。该装置用于快速气相色谱仪中，用于替代现有商品化气相色谱仪中广泛使用的依靠风扇强制空气热传导的高功率、大体积空气浴加热炉箱，以及便携式色谱仪中薄壳型旁热式加热器，能够显著地降低加热功耗。本发明适用于现场便携式气相色谱仪，还可以作为一套升级部件安装到现有商品化气相色谱仪中。

背景技术

传统气相色谱仪的炉箱加热技术是由电热丝产生热量，通过风扇强制空气对流，将色谱柱置于空气浴中从而达到均匀升温的目的。近年来，快速分析和微型化已经成为气相色谱技术的两大重要发展方向。快速气相色谱分析要求仪器能够提供高速率的程序升温，而整机的功率消耗也是快速气相色谱仪和微型气相色谱的重要性能指标。传统气相色谱仪器只能够提供最高1.5℃/s的线性升温速率，整机功耗高达2～4千瓦，便携式气相色谱仪的功耗在400W～500W。

二十世纪九十年代直接电阻加热技术(direct resistive-heating technique)被引入气相色谱领域，用来实现气相色谱柱的快速程序升温。通常是使用电热丝并行色谱柱或柱外电热套管发热直接加热色谱柱，由于体积小、热容低、传热快，基于直接电阻加热技术的快速升温装置的最高线性升温速率可达20℃/s以上，最大功耗仅为几十到数百瓦。国外已陆续出现相关专利。第一类方式是在石英毛细管外壁涂覆金属薄膜作为发热电阻。美国专利US4726822叙述了一种使用外镀电阻金属膜的石英毛细管柱进行直接电阻加热的快速响应升温色谱柱技术。专利US5114439是直接利用铝壳石英毛细管柱的铝外壳作为发热电阻实现快速升温。这两种技术使用的色谱柱都是在石英毛细管柱外壁沉积一个镍、铝或者银等金属薄层制成的，依靠对金属镀层施加一定的电功率使之发热来加热石英毛细管柱。由于金属薄层涂覆不均匀，温度控制中测温和加热周期过长，容易引起色谱柱的局部过热，金属薄层本身强度又低，在多次加热之后会造成金属层脱落和色谱柱的损坏。第二类方式是使用电热丝和石英毛细管气相色谱柱并行，外包一个绝缘套管，或者色谱柱外套薄壁金属加热套管，由电热丝或者加热套管发热来加热色谱柱。相关的专利有US5611846、US5808178、US6209386、US6217829、US6579345、US6682699等。这一类技术发展比较成熟，使用薄壁金属加热套管的快速升温气相色谱柱技术已由美国热电公司推出商品化仪器EZ Flash和Flash GC。

国内专利02215114.1“紧凑型气相色谱加热装置”，先将电热丝绕制在呈环形的色谱柱外，再绕制绝缘层，形成一个自内而外由色谱柱，电热丝和绝缘保温层形成的柱上加热装置。这种加热方式的缺点在于：加热丝与色谱柱接触的地方温度高而两丝相距的空间温度相对低，在程序升温速率高时，比如2℃/s以上时，色谱柱局部温度不均匀问题相当严重；另一种情况是：当色谱柱比较长，色谱柱圈数较多时，各圈与加热丝的远近距离不同，必然引起色谱柱各圈温度不一致。

发明内容

本发明目的在于提供一种直热式快速程序升温气相色谱柱，其使用直热式金属毛细管气相色谱柱来实现色谱柱快速程序升温。

本发明利用金属毛细管气相色谱柱的金属外壳作为加热元件实现色谱柱的整体快速升温。和国外已有的使用外镀金属膜的石英毛细管柱的专利不同点在于，本发明中的金属毛细管气相色谱柱是先在金属毛细管内壁处理成为惰性层，然后将色谱固定相涂渍在惰性层上制成的。金属毛细管气相色谱柱的金属壳韧性好，强度大，不会脱落，用于直热式快速升温时不会损坏，比直热式石英毛细管柱的使用寿命长。在柱两端的金属外壳上引出电极，电极上施加直流电压，电流流过色谱柱的金属外壳时产生焦耳热，从而加热色谱柱。柱温的测量使用微型热电偶、微型热敏电阻或者测温电阻丝，测得的温度信号输入到闭环温度控制器进行精确控温。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种直热式快速程序升温气相色谱柱，包括中空的圆柱形金属毛细管气相色谱柱，于金属毛细管气相色谱柱外侧穿套有管状绝缘保温层，在金属毛细管气相色谱柱的外表面两端分别设置有引出电极，于金属毛细管气相色谱柱和绝缘保温层之间设置有温度传感器，引出电极与外界的加热电源电连接；

一温度控制器分别与加热电源和温度传感器电信号连接。

金属毛细管气相色谱柱为一段金属毛细管，其截面中部为金属层，金属层的外壁涂渍有一层微米级厚度的耐高温绝缘层，金属层的内壁表面经过惰性化处理形成惰性层，惰性层的内表面上涂渍有气相色谱固定相；