[发明专利]用于气相色谱仪的氦气再生系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及气相色谱系统和方法，并且具体地设计用于再生或再循环气相色谱仪中使用的氦气载气的系统和方法。

背景技术

气相色谱法是一种众所周知的用于鉴定材料样品的化学组成的方法，并且已经应用在依赖于鉴定化合物的各种行业中。气相色谱过程包括蒸发以及将材料样品引入色谱柱中，其中该材料样品通过一种惰性的气态载体如氮气(N₂)、氢气(H₂)(H₂)或氦(He)的流动而被输送穿过该柱。

现代气相色谱仪典型地采用熔融石英毛细管柱进行样品材料的分离。在使用这样的柱时，往往有必要将大量的样品分流以避免探测器饱和或柱的相饱和，或将供应气体的大部分分流以避免由于残留的溶剂蒸汽或低蒸汽压力的基质(如油)所造成的基线升高。实际上，大部分消耗的气体没有直接参与色谱法而被排除到大气中。例如，一种典型的气相色谱仪将50ml/min或以上的气体分流且在色谱法中或许仅利用1ml/min，相当于50∶1的分流比。因此，这种色谱仪将排出的是携带样品经过色谱柱用于分析所实际需要的气体量的50倍。在许多气相色谱仪上发现的一个典型地称为“省气装置”自动化特征允许在注入后设置更低的分流流量，以节省气体。尽管省气装置特征导致消耗较低量的氦气，但已知在使用低分流流量和接着发生的随后的污染程度(如基线的提高)之间存在折中。因此，在分析上希望的是保持较高的分流流量，但经济上希望的是使用较低的分流流量。因此，希望的是使用50标准立方米/分钟(sccm)或更大的高分流流量，并提供一种用于再循环大部分用过的气体的装置。

已经有一些对采用载气再循环的系统的描述。例如，以发明人Bonmati等人的名义发布的美国专利号4,230,464描述了一个使用高气体流速和大量载气(5与200立方米载气/小时之间)的工业规模的制备型色谱仪。纯化应用于已经在大规模物理分离和纯化已知成分(与实验室分析设置相反，是针对于鉴定和量化大大不同的基质中的恒量化学成分)的色谱过程中使用过的气体。以发明人Wilson的名义发布的美国专利号6,063,166描述了在利用金属氢化物存储系统的系统中的氢气闭合回路再循环。以发明人Bostrom等人的名义发布的美国专利申请公开2007/0125233A1描述了用于地下流体原位分析的现场便携式“井下”仪器，该原位分析使用温度固定的金属氢化物储存器(reservoir)作为载气体源和载气储存器。以发明人Wilson的名义发布的美国专利号6,074,461教导了耦合到色谱仪上的气体再循环系统的用途，其中这些再循环系统包括用于执行载气纯化和载气增压的相应任务的第一级和第二级。Wilson进一步指出，气体纯化级可以根据在色谱仪的具体实施方案中可操作的特定载气而设计，并且可以包括一个填充阱(如分子筛(moleseive))、一个膜或类似的仅可渗透氢气的装置、一个氦气吸气器、一个设计用于清洁为另一种载气优化过的氦气的填充床阱、或一个仅对传送氦气有效的聚合物屏障。现有技术的上述气体纯化方法在Bonmati等人的情况下受到低效率和可扩展性差的困扰，而且在Bostrom等人和Wilson的情况下受到成本、复杂性、分析缺陷和/或安全性的困扰。当考虑基于氢的再循环系统时，情况就是这样。

当作为气相色谱仪的载气使用时，氢气存在一种潜在的火灾或爆炸的危险，并与其他一些分析缺陷有关。已知，例如，如果氢气载气用于气相色谱/质谱法(GCMS)应用时，灵敏度下降，且在入口(如加氢)或离子源(如脱卤化氢)中可发生不利化学反应。因此，对于许多常规实验室或现场分析的目的，希望的是唯一使用氦气作为载气。令人遗憾的是，氦气的成本增加，导致将此气体用作气相色谱的载体变得过分地昂贵，特别是在一些发展中国家，例如一个单柱的气体可能要花费高达500欧元。现有技术中描述的气体纯化的传统方法(如氦气吸气)利用活性金属合金来确保从另外的纯氦中去除恒量污染物。由于能力有限和在这些类型的阱中发生的不可逆化学反应，这种技术对于洗涤多个微升的数量的溶剂是不切实际的。同样地，常规设计的分子筛阱被普遍采用并且对于去除被强力吸附的痕量污染物是有用的，但更轻的、更弱键合的化学物质可在相对短的时间间隔内贯穿这些阱，除非使用大量的吸附剂，或在阱的周围保持低温条件。由于合成多孔聚合物的成本高，因此，这种本质的大容量直列式(in-line)阱也是不切实际的。