專利名稱：現(xiàn)場化學(xué)分析用的手提式氣體色譜質(zhì)譜儀的制作方法
根據(jù)美國能源部與加里福尼亞大學(xué)之間的關(guān)于管理LawranceLivermore國家實驗室的合同No.W-7405-ENG-48美國政府享有本發(fā)明的權(quán)利。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及特別適用于現(xiàn)場化學(xué)分析的手提式氣體色譜質(zhì)譜儀。
相關(guān)技術(shù)描述為了安全理由，快速地、高度精確的確定來自某些環(huán)境的、工業(yè)的、民用的或軍用裝置中未知化學(xué)制品的污染水平與類型是關(guān)鍵性的。雖然已有許多定量分析方法，但使用的儀器通常是笨重的因而不適用于例行的現(xiàn)場試樣分析。尤其是，氣體色譜質(zhì)譜儀(GC/MS)是一種遍及世界的大多數(shù)實驗室中常規(guī)用于定性與定量確定已知與未知化學(xué)制品種類的有力工具。GC/MS對通過GC柱分離的試樣的每種成份進(jìn)行質(zhì)譜分析，提供每種成份的高度靈敏與精確的鑒定。
然而，大多數(shù)工業(yè)用的GC/MS系統(tǒng)是非手提式的以實驗室為基地的系統(tǒng)，或只有當(dāng)必需的外部支持設(shè)備(氣源、真空系統(tǒng)，計算機(jī)等)也一起運(yùn)送時才是可移動的。此外，大多數(shù)商業(yè)系統(tǒng)用于分析揮發(fā)性的試樣。GC/MS系統(tǒng)的例子可在美國專利Nos.5686655、5837883、5313061與5083450中找到。Itoi的’655專利表示一個其中裝配GC裝置與MS裝置使得系統(tǒng)占據(jù)較小的臺面與地面空間的系統(tǒng)?！?61專利描述一個內(nèi)部體積小于1立方碼的GC/MS系統(tǒng)。
存在一個研制一種用于在各種緊急與非緊急的環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場分析未知的化學(xué)試樣的價格可行與功能有效的重量較輕的手提式儀器的需要。為此，一種手提式GC/MS系統(tǒng)已在Lawrence Livermore國家實驗室設(shè)計與開發(fā)并描述在Andresen等的美國專利No.5525799中，在此作為參考。此系統(tǒng)經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)以提供一種用于現(xiàn)場快速分析化學(xué)制品的手提式的、較輕的、較緊湊的、現(xiàn)場可靠/適用的GC/MS系統(tǒng)。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種經(jīng)改進(jìn)的手提式氣體色譜質(zhì)譜儀(GC/MS)。本發(fā)明的目的是提供一種重量較輕(約55磅或25kg)的包括真實泵系統(tǒng)的GC/MS裝置，此裝置能進(jìn)行所有試樣類型的定性與定量分析，包括揮發(fā)物、液體及例如半揮發(fā)物、泥狀沉積物、焦化的有機(jī)物與危險的有機(jī)物等復(fù)雜試樣。此手提式GC/MS系統(tǒng)集成一個氣相色譜儀、一個帶有一個質(zhì)量選擇探測器的質(zhì)譜儀、幾個真空泵與一個帶有專用軟件的電子控制系統(tǒng)。全部GC/MS系統(tǒng)方便地安放與布置在一個外殼內(nèi)，其中各個部件為組合式且容易裝卸以便于維修與保養(yǎng)。
此手提式GC/MS系統(tǒng)引入了各種硬件特征，包括一個在萬一真空喪失或加熱器出事故的自動MS關(guān)斷的安全電子系統(tǒng)；用于擴(kuò)展試樣分析、處理較大的毛細(xì)管GC柱與延長沖凈時間的自備運(yùn)載氣源；一根在總管系統(tǒng)中的同外部氣源連接的輔助運(yùn)載氣管；為保存用于試樣分析的運(yùn)載氣體使用的運(yùn)載氣管的抽氣能力；與一個帶有一個小的試樣容器以提高色譜與合成探測極限的GC注射器。配有用于加熱器與真空泵之間的供電時間分配的計算機(jī)控制，導(dǎo)致較低的峰值功率要求。
本發(fā)明的一個實施例包括一個“準(zhǔn)備(備用)狀態(tài)”能力，在此狀態(tài)下真空泵與加熱器在GC/MS裝置運(yùn)往試樣分析現(xiàn)場期間保持MS處于工作或接近工作的壓力與溫度條件。這個創(chuàng)新的特點使GC/MS系統(tǒng)能在工作或接近工作條件下運(yùn)送以便消除或縮短能在現(xiàn)場分析試樣之前的停工時間(或斜升時間)。裝置的低功率消耗使GC/MS能通過一個變換器由車輛上的香煙打火機(jī)插口開動。
此手提式GC/MS可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括法庭與法律實施、化學(xué)武器監(jiān)測、危險材料監(jiān)測與凈化、環(huán)境保護(hù)、軍事(即高爆炸物與推進(jìn)劑分析)、食物與藥品分析、國際條約核實工作及科學(xué)現(xiàn)場研究。此GC/MS技術(shù)將由工業(yè)界與美國政府用于已知與未知化學(xué)制品的現(xiàn)場分析與鑒定。
從下面更詳細(xì)的描述與附圖中的圖示說明，本發(fā)明的上述與其它的目的、特征及優(yōu)點將變?yōu)轱@而易見。
附圖簡述包括在本申請內(nèi)并構(gòu)成本申請一部分的各附圖，圖示說明本發(fā)明的各實施例，并同下面描述一起用于說明本發(fā)明的原理。


圖1A示意表示一個根據(jù)本發(fā)明的氣體色譜質(zhì)譜儀系統(tǒng)的頂視圖。
圖1B示意表示一個根據(jù)本發(fā)明的氣體色譜質(zhì)譜儀系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的氣相色譜儀的注射器。
發(fā)明詳述本發(fā)明是一種手提式氣體色譜質(zhì)譜儀(GC/MS)。此儀器是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕于約55磅(25kg)并使能在現(xiàn)場快速分析已知與未知的化學(xué)制品的裝置。全部必需的部件，包括氣相色譜儀與運(yùn)載氣體系統(tǒng)，質(zhì)譜儀，相關(guān)的真空系統(tǒng)、加熱器、電子設(shè)備與控制系統(tǒng)，集成在一個外殼內(nèi)。唯一的輔助部件是一臺手提式(膝式)控制計算機(jī)。如果此裝置包括一個備用(待用)狀態(tài)能力，還需要一個臨時電源(即電池組)。
圖1A-1B示意表示此GC/MS系統(tǒng)的基本部件的頂視圖與側(cè)視圖。這些部件可以不同方法布置以占據(jù)裝置的容積；圖1A-1B表示一種可能的布置。系統(tǒng)的內(nèi)部體積小于4ft3或0.1m3。系統(tǒng)的尺寸做成約24英寸長×15英寸寬×16英寸高(60cm×38cm×40cm)，即內(nèi)部體積約為3.3ft3(約0.09m3)。通過更緊湊地布置各部件可進(jìn)一步減小尺寸(＜3ft3).
在圖1A-1B中，總體以10指示氣相色譜儀(GC)，而總體以12指示質(zhì)譜儀(MS)。MS12包括安放在一個真空室20內(nèi)的一個電離源14、一個質(zhì)量分析器16與一個探測器18。此GC/MS是一個質(zhì)量選擇探測器四極型，在性能、可靠性與適用性方面同以實驗室為基地的四極GC/MS系統(tǒng)相當(dāng)。一種市場上買得到的四極質(zhì)譜儀由Hewtett-Packard制造(HP5973 MSD)、它有主機(jī)架明細(xì)表，包括一個GC界面、電子沖擊離子源、鍍金單片石英雙曲四極濾質(zhì)器、電子倍增探測器、電源、驅(qū)動電子設(shè)備與分析器真空系統(tǒng)。MS的分辨率最低為0.1AMU，而質(zhì)量范圍最低為800AMU。
MS室20有至少7個用于不同連接的端口一個滿量程皮拉尼(Pirani)/冷陰極壓力表(即動態(tài)量程為從760至10-9Torr)；一個定標(biāo)閥；一個接至GC的連接或傳輸管22；一個當(dāng)需要時使室20接通大氣的通氣閥24；一個運(yùn)載氣管28用的抽氣管26；及兩個接渦輪分子牽引泵(turbomolecular drag pump)30。真空室20的尺寸減小至約為15.5英寸×3.5英寸×3英寸(40cm×10cm×8cm；小于3200cm3)以減小全系統(tǒng)的重量與體積。
在此實施例中，MS12使用一個可調(diào)的加熱器與兩個由一個無油的減震膜片(粗級)泵32(重約3磅)支持的渦輪分子牽引泵30工作。膜片泵32也可直接同MS室20連接(作為第8個端口)。MS12同容納在外殼36內(nèi)的有關(guān)電子設(shè)備34與電源連接，外殼36用石墨合成材料(為減輕裝置重量)制成并在內(nèi)部用銅覆蓋層屏蔽EMI。
雖然此GC/MS將使用單個渦輪分子磨擦泵工作，但典型地使用兩個泵，每個泵具有泵送28L/S的氫或35L/S的氦的能力。每個渦輪分子磨擦泵30有一個控制器、電源(重1.5磅)、一個風(fēng)扇與為得到通風(fēng)的散熱孔。每個渦輪分子泵也可裝配在鋁外殼內(nèi)以幫助散熱。全部真空泵系統(tǒng)(重約12磅)集成在GC/MS系統(tǒng)內(nèi)。
在一個帶有備用狀態(tài)能力的供選實施例中，MS真空室20還同一個離子泵38連接。由于使用GC/MS測量儀器的精確與靈敏的分析依賴于保持預(yù)定的真空度與升高的溫度，此實施例的一個優(yōu)點是系統(tǒng)的工作真空與加熱要求在向另一個現(xiàn)場運(yùn)送期間保持備用狀態(tài)而不受損害。此特點消除(或至少縮短)為升高系統(tǒng)溫度與抽低真空壓力所需要的停機(jī)時間(4小時以上)，尤其是如果使用較大真空的話。在運(yùn)送期間保持恒定的準(zhǔn)備狀態(tài)，此系統(tǒng)有一個排空與加熱的質(zhì)量過濾器與離子源。加熱器保持MS處于要求的工作溫度，而離子泵保持約為1×10-7Torr的真空度。
在此供選的實施例中，使用一個例如深度放電/可再充電的12V凝膠單元電池組的臨時電源以滿足MS源、四極加熱器與離子泵的功率要求。如果GC/MS儀器從去現(xiàn)場的車輛上卸下，在向最后的抽樣檢驗?zāi)康牡剡\(yùn)送期間，可使用該車輛的電源以維持準(zhǔn)備狀態(tài)。為了附加的能量保存與較低的峰值功率要求，可通過計算機(jī)使能分配供電時間以控制加熱器與離子泵的用電。
往回參看圖1A，一塊帶有相關(guān)的電子設(shè)備的主控制板40同GC10與MS12及帶有專用的硬件與軟件的計算機(jī)42連接。兩個渦輪泵30與相關(guān)的控制器同計算機(jī)42連接并受其控制。操作系統(tǒng)為Hewtett-PackardMS ChemStaTion與經(jīng)改制的在Microsoft Windows NT下運(yùn)行的軟件。集成的軟件包提供一整套對于GC/MS子系統(tǒng)部件例如調(diào)諧、加熱器、泵、風(fēng)扇、壓力讀取、數(shù)據(jù)獲得與檢索、報告及程序庫檢索的控制。此GC/MS包括一個在萬一真空喪失與加熱器失控時自動關(guān)斷的安全電子系統(tǒng)。
一個方便地定位的控制與LED顯示板44備有向操作者指示各種部件例如真空泵、加熱器、閥等的開/關(guān)狀態(tài)的指示燈與開關(guān)。板44提供對于系統(tǒng)運(yùn)行、診斷的目視檢查，并使能迅速關(guān)斷。
此GC/MS系統(tǒng)(不包括膝上式計算機(jī)或打印機(jī))的電源提供如下。
110V交流HP5973(MS)+GC控制器 100W加熱器傳輸管 50WH2瓶 50W注射 50WGC柱 300W+24V PS1(效率86％)渦輪泵1100W真空表 2W冷卻風(fēng)扇 7W+24V PS2(效率82％)渦輪泵2100W低真空泵(粗級泵) 35WGC10包括一個可編程的加熱最高至325℃的注射器46，一個可編程的在GC10內(nèi)加熱最高至325℃的工業(yè)用毛細(xì)管GC柱48，與一個可編程的加熱最高至325℃(為防止凝結(jié))的傳輸管22。試樣通過注射器端口50進(jìn)入注射器46，然后被吹刮到毛細(xì)管GC柱48內(nèi)。通過熱空氣循環(huán)加熱GC柱48，由散熱孔與風(fēng)扇系統(tǒng)散耗熱量。柱48同一個加熱的(與/或隔熱的)傳輸管22連接，使試樣流出柱48，通過傳輸管22，而進(jìn)入質(zhì)量分板器16的離子源14。如圖1B中表示，注射器46可垂直裝配而用作潛在的自動取樣器。
注射器46通過帶有一個閥54的運(yùn)載氣管28同一個自備的內(nèi)部運(yùn)載氣源52連接。壓力傳感器監(jiān)測運(yùn)載氣管28與注射器46內(nèi)的氣體壓力，并把此信息發(fā)送至控制板40。運(yùn)載氣體典型地為貯存在氫化物氣瓶內(nèi)的氫(H2)并由一個調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)氣體流量。氣瓶的作用是擴(kuò)大試樣分析的數(shù)目和在各試樣之間的沖凈，以及如果需要的話使能使用較大的毛細(xì)管GC柱。兩個氣瓶(每個20標(biāo)準(zhǔn)升)可提供至少3周連續(xù)試樣分析工作(例如150個試樣，以1mL/min流量與50mL/min沖凈15min計算)。如果較大容器的氣瓶(70標(biāo)準(zhǔn)升)成為市場上可買到(使更換較不頻繁)，連續(xù)分析的數(shù)目將增加。在總管系統(tǒng)內(nèi)可包括一輔助的運(yùn)載氣管56用于同外部氣源(例如He或H2)附加連接。
本發(fā)明的另一個特征是注射器46與運(yùn)載氣源52之間的運(yùn)載氣管28極好的抽空能力。此抽氣能力保存分析用的運(yùn)載氣體從而消除為使氣體流過GC柱所需要的時間。運(yùn)載氣管28可通過抽氣管26與閥70同真空室20連接用于注射器46與毛細(xì)管GC柱48換氣(清除)。
圖2表示一個專門設(shè)計的注射器46的實施例。試樣可借助微型注射器通過一個橡膠隔片60進(jìn)入一個小的石英注射套管62或套筒或管子(例如內(nèi)徑0.075英寸，長3英寸，0.013英寸3或0.22cm3)。套管62容納試樣并由一個帶隔熱套的可調(diào)加熱器64圍繞，加熱器把套管62加熱至試樣中所有可能成份的沸點以上(例如＞300℃)。液體試樣立即蒸發(fā)并被運(yùn)載氣體流吹刮通過套管62。
運(yùn)載氣體通過一個在套管62上部的氣體入口通道66進(jìn)入注射器46。此氣流運(yùn)載蒸發(fā)的試樣通過注射器46而到達(dá)GC柱48。注射器46在套管62的下部(或另一端)有一個氣體出口通道68，它通向一個當(dāng)用運(yùn)載氣體在各試樣之間沖凈注射器46時或用運(yùn)載氣體分離氣流運(yùn)行時由計算機(jī)控制開動的電磁閥72。運(yùn)載氣體的氣流也可以相反方向流動而有相同的分析結(jié)果，即氣體入口通道為68而氣體出口通道為在注射器46上部的66，通向一個電磁閥。注射器46的另一個設(shè)計特征是有一個視察窗74使能目視檢查套管62和其內(nèi)的玻璃纖維塞以確定何時需要加以更換。
蒸發(fā)的試樣容納在一個小內(nèi)徑的石英套管62內(nèi)。這提供至少兩個優(yōu)點。此設(shè)計得到一個較低的死容積，使有效地集中試樣。優(yōu)選使用小的濃的試樣以改善尖峰形狀。此外，小的管子要求較少的氣體在各試樣之間進(jìn)行沖凈。因此設(shè)計注射通道端口以促進(jìn)與提高優(yōu)良的色譜與合成物探測極限。如果不使用注射器46，本系統(tǒng)的GC設(shè)計將仍然適應(yīng)工業(yè)用的注射通道。
提出本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例是為了說明與描述本發(fā)明而不意味著已包羅全部或限制本發(fā)明于已公開的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)可有許多修改與變更。選擇與描述若干實施例是為了最佳地說明本發(fā)明的原理與它的實際應(yīng)用，由此使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能把本發(fā)明最佳地應(yīng)用于各種實施例并帶有各種適合于設(shè)想的特殊用途的修改。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場化學(xué)分析試樣用的手提式氣體色譜質(zhì)譜儀系統(tǒng)，包括一個質(zhì)譜儀；一個用于容納質(zhì)譜儀的室；一個同室連接以維持室內(nèi)真空的真空系統(tǒng)；一個氣相色譜儀；一個同氣相色譜儀連接的內(nèi)部運(yùn)載氣源；與一個同質(zhì)譜儀與氣相色譜儀連接的電子控制系統(tǒng)；其中此系統(tǒng)的重量約為25千克或以下。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的體積約為4立方英尺(0.1立方米)或以下。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中真空系統(tǒng)包括一個渦輪分子牽引泵。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中真空系統(tǒng)還包括一個支持渦輪分子泵的粗級泵。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中真空系統(tǒng)還包括一個在運(yùn)送系統(tǒng)期間當(dāng)系統(tǒng)不分析試樣時用于保持室內(nèi)真空的離子泵。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中真空系統(tǒng)包括至少兩個渦輪分子牽引泵。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中氣相色譜儀包括一個用于接收待分析試樣的注射器，其中注射器包括一個當(dāng)蒸發(fā)時容納試樣，并通過運(yùn)載氣管同運(yùn)載氣源連接的注射套管，從而使運(yùn)載氣體流過此套管。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中注射器通過一個管與一個閥同真空室連接。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中內(nèi)部運(yùn)載氣源包括一個氣瓶。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括一個用于連接注射器與一個外部運(yùn)載氣源的管。
11.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中套管的容積約為0.2cm3或以下。
12.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括一個用于目視檢查注射套筒的視察窗。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中真空室的容積約為3200cm3或以下。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個同質(zhì)譜儀連接的在運(yùn)送系統(tǒng)期間當(dāng)系統(tǒng)不分析試樣時用于保持升高的溫度的加熱器。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中真空系統(tǒng)包括一個在運(yùn)送系統(tǒng)期間當(dāng)不分析試樣時用于保持室內(nèi)真空的離子泵，還包括一個同質(zhì)譜儀連接的在運(yùn)送期間用于保持升高溫度的加熱器，還包括把離子泵與加熱器同一個外部臨時電源連接的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中加熱器保持質(zhì)譜儀處在一個選定的工作溫度附近。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個控制與顯示板。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)具有從冷態(tài)起動功率消耗小于約550W的峰值功率負(fù)荷。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)在工作期間的功率消耗小于約250W。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中質(zhì)譜儀的分辨率小于約0.1AMU，而質(zhì)量范圍大于約800AMU。
全文摘要
一種手提式的重量輕(約25Kg)的氣體色譜質(zhì)譜儀,包括全部真空系統(tǒng),能在現(xiàn)場進(jìn)行所有試樣類型的定性與定量分析。此GC/MS有一個方便的部件布局以便于保養(yǎng)與維修。此GC/MS系統(tǒng)能在工作或接近工作的條件下(即在真空與升高溫度下)運(yùn)送以縮短能在現(xiàn)場分析試樣之前的停機(jī)時間。
文檔編號G01N27/62GK1367874SQ00807325
公開日2002年9月4日 申請日期2000年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月12日
發(fā)明者杰弗里·S·豪斯, 約翰·F·布斯曼, 道格拉斯·E·霍華德, 詹姆斯·L·王, 喬爾·D·俄科爾斯 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會