УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ПРОБ НА ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗ Российский патент 1999 года по МПК G01N30/04 G01N1/22 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для подачи на газовый анализ газообразных проб и проб летучих веществ, способных в условиях проведения анализа переходить в газовую фазу, из твердых и жидких материалов, в частности, высокоразрешающего качественного и количественного микроанализа для газовой хроматографии и масс-спектрометрии.

Известно устройство для подачи летучих веществ из твердых материалов на анализ в газовый хроматограф (Патент США N 5065614, МКИ G 01 N 30/18, опубл. 19.11.91 г), включающее сменную инжекторную трубку с пробой, один конец которой подсоединен посредством быстросъемного герметичного соединения и гибкого патрубка к источнику побуждения потока газа-носителя, а другой конец имеет съемную иглу. Устройство снабжено блоком термодесорбции, выполненным из материала с высокой теплопроводностью и имеющем канал, расположенный соосно инжекторной трубке и открытому концу хроматографической колонки. Вокруг канала расположен нагревательный элемент. Инжекторная трубка с иглой снабжена механизмом возвратно-поступательного перемещения и фиксации ее соответственно в трех положениях: инжекторная трубка с иглой выведена из канала блока термодесорбции (подготовительный этап); инжекторная трубка с иглой размещена в канале блока термодесорбции (нагрев пробы); игла инжекторной трубки размещена в канале хроматографической колонки (подача пробы в хроматограф).

Недостатком данного устройства является узкая область его использования в микроаналитической технике из-за большого количества ограничений по применению, а также недостаточная представительность пробы вследствие изменения ее качественного и количественного состава из-за длительности взаимодействия ее компонентов с нагретым твердым материалом и друг с другом. Инжекторная трубка с иглой, ввиду сложности ее конструкции, имеет относительно большую массу, вследствие чего размещенный в ней твердый материал не может быть быстро нагрет ( скорость нагрева не более 100^oC/мин, время нагрева не менее 0,5 мин). Это, с одной стороны, не позволяет совместить процедуру нагрева твердого материала и пробы с процедурой подачи пробы из инжекторной трубки на анализ, а с другой стороны может приводить к изменению качественного и количественного состава пробы.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для подачи на газовый анализ проб летучих веществ из твердых материалов в виде фильтров (Патент США N 5109710, МКИ G 01 N 30/20, опубл. 05.05.92 г), включающее внутреннюю трубку, представляющую собой хроматографическую колонку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец подсоединен через детектор к побудителю потока газа, представляющего собой канал, соединяющий детектор с окружающей средой; промежуточную трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец имеет заглушку, через которую пропущен открытый конец внутренней трубки; внешнюю трубку, один конец которой состыкован с открытым концом промежуточной трубки, при этом внешняя и промежуточная трубки снабжены каждая своим патрубком с вентилем; устройство нагрева и поддержания температуры, расположенное вокруг промежуточной трубки с патрубком и части внешней трубки, примыкающей к промежуточной трубке; инжекторную трубку с пробой, один конец которой выполнен перфорированным, снабжен перфорированной заглушкой и размещен во внешней трубке с зазором относительно ее внутренних стенок, а другой ее конец, расположен снаружи внешней трубки и подсоединен, посредством быстросъемного герметичного соединения и гибкого патрубка, к побудителю потока газа-носителя; узел изоляции канала внешней трубки от окружающей среды, представляющий собой узел уплотнения в виде эластичной манжеты, размещенный на конце внешней трубки, через который пропущена инжекторная трубка с возможностью возвратно-поступательного перемещения ее без разгерметизации внешней трубки; устройство охлаждения внешней трубки в области узла уплотнения, представляющее собой участок внешней трубки, выполненный из керамики.

Устройство-прототип имеет недостатки по применению, особенно в микроаналитической технике, а именно:
вследствие относительно длинного пути от места размещения пробы до входа в открытый конец внутренней трубки и большой поверхности контакта компонентов пробы с элементами внешней и промежуточной трубок, происходит увеличение длительности подачи их во внутреннюю трубку и, соответственно, увеличение ширины их хроматографических пиков, а также изменяется качественный и количественный состав реакционноспособных компонентов пробы;
при размещении пробы в инжекторной трубке окружающая среда проникает, вследствие диффузии, во внешнюю, промежуточную и внутреннюю трубки;
во время подачи пробы на анализ загрязнения из области узла уплотнения внешней трубки проникают, вследствие диффузии, в промежуточную и
внутреннюю трубки;
газ-носитель, поступающий в инжекторную трубку при температуре окружающей среды, снижает скорость и конечную температуру нагрева материала, содержащего пробу, и пробы, что приводит к увеличению длительности подачи компонентов пробы во внутреннюю трубку и, соответственно, увеличению ширины их хроматографических пиков.

Все выше отмеченные недостатки снижают достоверность количественного и качественного анализа.

В прототипе не рассмотрена возможность подачи на анализ проб при давлении в области пробы равном или ниже давления окружающей среды и возможность подачи на анализ газообразных проб, что ограничивает область применения устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого устройства, которое обеспечивало бы подачу на газовый анализ газообразных проб и проб летучих веществ, способных в условиях проведения анализа переходить в газовую фазу, из твердых и жидких материалов, при давлении в области размещения пробы как выше и ниже, так и равном давлению окружающей среды и обеспечивало бы повышение достоверности качественного и количественного анализа за счет:
подачи пробы наиболее коротким путем в канал, соединяющий устройство с детектором, без промежуточного контакта ее компонентов с большинством элементов устройства;
во всех режимах исключение проникновения в канал, соединяющий устройство с детектором, загрязнении из элементов устройства и окружающей среды;
возможности более быстрого нагрева материала, содержащего пробу, и пробы.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для подачи проб на газовый анализ, включающем внутреннюю трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец подсоединен через детектор к средству побуждения потока газа; промежуточную трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец имеет заглушку, через которую пропущен открытый конец внутренней трубки; внешнюю трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец состыкован с открытым концом промежуточной трубки; устройство нагрева и поддержания температуры, расположенное вокруг внешней трубки и промежуточной трубки с патрубком; инжекторную трубку с пробой, один конец которой размещен во внешней трубке с зазором относительно ее внутренних стенок, а другой конец размещен снаружи внешней трубки; узел изоляции канала внешней трубки от окружающей среды, согласно изобретению, конец инжекторной трубки, размещенный во внутренней трубке, выполнен открытым; открытый конец внутренней трубки пропущен через промежуточную трубку и установлен внутри инжекторной трубки; в канале инжекторной трубки, перед открытым концом внутренней трубки, установлена газонепроницаемая перегородка, при этом место для размещения пробы расположено в кольцевом канале между внутренней трубкой и стенками инжекторной трубки; узел изоляции канала внешней трубки от внешней среды выполнен в виде побудителя потока газа-носителя, соединенного посредством патрубка с промежуточной трубкой.

Узел изоляции канала внешней трубки от внешней среды может быть дополнительно снабжен съемной шлюзовой трубкой, один конец которой подсоединен к открытому концу внешней трубки посредством съемного герметичного соединения, а другой конец снабжен узлом уплотнения, выполненным, например, в виде эластичной манжеты, через который пропущен конец инжекторной трубки, расположенный снаружи внешней трубки, с возможностью возвратно-поступательного перемещения инжекторной трубки без разгерметизации шлюзовой трубки. При этом шлюзовая трубка подсоединена посредством патрубка к побудителю потока газа, а вокруг нее в области узла уплотнения расположено устройство охлаждения, например, в виде радиатора с принудительной вентиляцией. Побудитель потока газа из шлюзовой трубки может быть выполнен в виде побудителя вакуума. При давлении в области размещения пробы выше давления окружающей среды в качестве побудителя потока газа из шлюзовой трубки можно использовать вентиль, соединенный с окружающей средой.

Новые отличительные от прототипа признаки предлагаемого устройства обеспечивают:
подачу пробы наиболее коротким путем во внутреннюю трубку без промежуточного контакта ее компонентов с элементами внешней и промежуточной трубок за счет размещения открытого конца внутренней трубки внутри инжекторной трубки;
подачу пробы на анализ при давлении в области размещения пробы, как
выше и ниже, так и равном давлению окружающей среды за счет подачи газа-носителя в промежуточную трубку и снабжения устройства съемной шлюзовой трубкой;
во всех режимах исключение проникновения во внутреннюю трубку окружающей среды или среды из шлюзовой трубки через открытый конец внешней трубки и внешнюю трубку за счет создания потока газа-носителя из побудителя потока газа-носителя через патрубок промежуточной трубки, промежуточную трубку, внешнюю трубку и через открытый конец внешней трубки в окружающую среду или в шлюзовую трубку;
более быстрый нагрев материала, содержащего пробу, и пробы за счет установки перед открытым концом внутренней трубки газонепроницаемой перегородки и поступления к пробе нагретого газа-носителя из внешней трубки через конец инжекторной трубки, размещенный во внешней трубке.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых фиг. 1 - схема устройства для подачи проб на анализ; фиг. 2 - схема устройства для подачи проб на анализ, снабженного шлюзовой трубкой; фиг. 3 - схема взаимного расположения инжекторной и дренажной трубок при выполнении операций пробоотбора и пробоподготовки.

На фиг. 1, 2, 3 символами "A" обозначен материал, содержащий пробу. На фиг. 1, 2 символами Q1-Q3 обозначены абсолютные значения расходов газа, стрелками указаны направления движения потоков газа.

Вариант 1. Согласно фиг. 1 устройство для подачи проб на анализ по первому варианту содержит внутреннюю трубку 1, представляющую собой кварцевую капиллярную колонку для газовой хроматографии, конец 2 которой выполнен открытым, а другой конец подключен через детектор 3 к побудителю потока газа (на схеме не показан), представляющего собой вакуумный насос. Промежуточная трубка 4 имеет открытый конец 5, а на другом ее конце установлена заглушка 6. Через заглушку 6 пропущен конец 2 внутренней трубки 1. Внешняя трубка 7 имеет открытый конец 8, а другой ее конец 9 состыкован с концом 5 трубки 4. Узел изоляции канала внешней трубки 7 от внешней среды выполнен в виде побудителя потока 10 газа-носителя, соединенного, посредством патрубка 11, с промежуточной трубкой 4. Побудитель потока 10 газа-носителя представляет собой сосуд с газом-носителем под давлением, снабженный вентилем для регулирования подачи газа. Вокруг трубки 7 и трубки 4 с патрубком 11 размещено устройство 12 нагрева и поддержания температуры, выполненное в виде массивного блока из нержавеющей стали, снабженного электронагревательным элементом, датчиком температуры и блоком электропитания (на схеме не показаны). Инжекторная трубка 13 выполнена в виде тонкостенной трубки (внешний диаметр - 2 мм, толщина стенки - 0.15 мм) из нержавеющей стали. В канале инжекторной трубки 13 установлена газонепроницаемая перегородка 14. Конец 15 трубки 13 размещен в трубке 7 с зазором относительно ее внутренних стенок, а другой конец 16 размещен снаружи трубки 7. Конец 2 внутренней трубки 1 пропущен через трубку 4 и установлен внутри инжекторной трубки 13 перед перегородкой 14. Газообразная проба или материал "A", содержащий пробу, представляющая собой, например, фильтр из стекловолокна или сорбент в виде слоя полидиметилсилоксана, нанесенного на внутреннюю стенку трубки 13, размещена в кольцевом канале между внутренней трубкой 1 и стенками инжекторной трубки 13. Конец 15 инжекторной трубки 13 снабжен съемной заглушкой из фторопласта (на схемах не показана), которая используются для исключения длительного контакта пробы, содержащейся в трубке 13, с окружающей средой.

Вариант 2. Согласно фиг. 2 устройство для подачи проб на анализ по второму варианту дополнительно снабжено съемной шлюзовой трубкой 17. Один конец трубки 17 подсоединен к концу 8 трубки 7 посредством съемного герметичного соединения 18, выполненного в виде эластичной манжеты. Другой конец трубки 17 снабжен узлом уплотнения 19, также выполненным в виде эластичной манжеты, через который пропущен конец 16 трубки 13 с возможностью возвратно-поступательного перемещения трубки 13 без разгерметизации трубки 17. Трубка 17 подсоединена посредством патрубка 20 к побудителю 21 потока газа, представляющему собой вентиль, соединенный с вакуумным насосом (на схеме не показаны) или с окружающей средой. Вокруг трубки 17 в области узла уплотнения 19 расположено устройство 22 охлаждения, выполненное, например, в виде радиатора с принудительной вентиляцией. При рабочем давлении в области пробы выше давления окружающей среды трубка 1 может быть соединена через детектор 3 с окружающей средой.

Для обеспечения возможности пробоотбора и пробоподготовки устройство по первому и второму варианту исполнения снабжено дренажной трубкой 23 (фиг. 3), имеющей открытый конец 24. Конец 25 трубки 17 подсоединен посредством герметичного соединения 26 и гибкого патрубка 27 (на схеме показан не полностью) к побудителю 28 потока газа. Побудитель 28 потока выполнен, например, в виде сосуда с вентилем, содержащего газ-носитель или газообразную пробу под давлением, или в виде вакуумного насоса (на схеме не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Вариант 1. Подаче на анализ предшествуют процедуры отбора, подготовки и хранения проб. Газообразные пробы закачивают в сосуды. Аэрозоли из воздуха отбирают на фильтр путем пропускания через него некоторого объема воздуха, затем помещают его в инжекторную трубку 13. Пары органических веществ из воздуха отбирают в сорбент, которым снабжена инжекторная трубка 13, путем пропускания через нее некоторого объема воздуха. Органические вещества из летучих растворителей отбирают в сорбент, которым снабжена инжекторная трубка, путем нанесения на него аликвоты раствора и последующего удаления растворителя из сорбента посредством пропускания через инжекторную трубку 13 достаточного объема газа-носителя. Необходимый поток газа-носителя или воздуха через инжекторную трубку создают посредством введения в нее через конец 15 конца 24 дренажной трубки 23 (фиг. 3) и включения побудителя 28. потока, выполненного в виде сосуда с газом-носителем или вакуумного насоса, соответственно. При хранении проб конец 15 трубки 13 закрывают заглушкой. Количество инжекторных трубок соответствует числу проб.

Для поддержания устройства (фиг. 1) в рабочем состоянии во всех режимах включают: побудитель (на схеме не показан) потока газа (вакуумный насос), подсоединенный через детектор 3 к трубке 1, что обеспечивает непрерывный поток газа из устройства в детектор 3 через открытый конец 2 и канал внутренней трубки 1 с расходом Q1; непрерывно подают с расходом Q2>Q газ-носитель из побудителя 10 в патрубок 11, трубки 4, 7 и из трубки 7 через конец 8 в окружающую среду, что исключает проникновение окружающей среды в трубку 1 через конец 8 и трубку 7. Кроме того, включают устройство 12 нагрева и поддержания температуры.

На первой стадии, стадии подготовки к подаче пробы на анализ, конец 15 инжекторной трубки 13 освобождают от заглушки; вводят в трубку 13 через конец 15 (фиг. 3) трубку 23 и устанавливают конец 24 этой трубки перед перегородкой 14; включают побудитель 28 газа-носителя или газообразной пробы; ожидают некоторое время необходимое для заполнения газом патрубка 27 и трубки 13; выводят трубку 23 из трубки 13; отключают побудитель 28 потока газа; размещают конец 15 трубки 13 (изображена пунктиром) перед концом 8 снаружи трубки 7. Стадия подготовки к подаче на анализ твердой пробы может включать только операции снятия заглушки и размещения конца 15 трубки 13 перед концом 8 снаружи трубки 7, если окружающая среда, присутствующая в области материала "A", содержащего пробу, не мешает проведению анализа.

На второй стадии, стадии подачи пробы на анализ, трубку 13 быстро вводят внутрь внешней трубки 7, при этом конец 2 трубки 1 оказывается перед перегородкой 14. Конец 15 трубки 13, вследствие контакта со стенками трубки 7 и газом-носителем, а также теплового излучения, нагревается вместе с материалом "А" и пробой. Вследствие непрерывного вытекания газа из трубки 13 в трубку 1, в трубку 13 через конец 15 непрерывно поступает горячий газ-носитель из трубки 7, что обеспечивает более быстрый нагрев материала "А" и пробы и подачу компонентов пробы во внутреннюю трубку 1 без контакта их с трубками 4 и 7. Трубку 13 удерживают в трубке 7 в течение времени, необходимого для нагрева материала "A" и пробы и подачи компонентов пробы из кольцевого канала между трубкой 1 и стенками трубки 13 через конец 2 в трубку 1. Длительность подачи пробы в трубку 1 может быть уменьшена за счет предварительного подогрева трубки 13 с пробой в трубке 7 и сокращения времени удерживания трубки 13 в трубке 7.

На третьей стадии, стадии анализа пробы, инжекторную трубку 13 выводят из трубки 7. Компоненты пробы продолжают движение в потоке газа-носителя внутри трубки 1 по направлению к детектору 3. Стадия анализа считается оконченной и устройство готово к подаче на анализ очередной пробы тогда, когда все компоненты пробы из трубки 1 поступят в детектор 3.

Вариант 2. Отбор, подготовку и хранение проб выполняют также как описано в первом варианте.

Для поддержания устройства (фиг. 2) в рабочем состоянии во всех режимах включают: побудитель (на схеме не показан) потока газа (вакуумный насос), подсоединенный через детектор 3 к трубке 1, что обеспечивает непрерывный поток газа из устройства в детектор 3 через открытый конец 2 и канал внутренней трубки 1 с расходом Q1; непрерывно подают с расходом Q2>Q1 газ-носитель из побудителя 10 в патрубок 11, трубки 4, 7 и из трубки 7 через конец 8 в трубку 17, что исключает проникновение среды из трубки 17 в трубку 1 через конец 8 и трубку 7. Кроме того, включают устройство 12 нагрева и поддержания температуры и устройство 22 охлаждения.

На первой стадии, стадии подготовки к подаче пробы на анализ, конец 15 инжекторной трубки 13 освобождают от заглушки; вводят в трубку 13 через конец 15 (фиг. 3) трубку 23 и устанавливают конец 24 этой трубки перед перегородкой 14; включают побудитель 28 потока газа-носителя или газообразной пробы; ожидают некоторое время необходимое для заполнения газом патрубка 27 и трубки 13; выводят трубку 23 из трубки 13; отключают побудитель 28 потока газа; вводят конец 15 трубки 13 (изображена пунктиром) в трубку 17 через узел 19 и устанавливают перед концом 8 снаружи трубки 7; включают побудитель 21 потока газа с расходом Q3; ожидают установления рабочего давления в трубке 17. Устройство работоспособно при условии Q2=Q1+Q3 и Q2>Q1. На второй стадии, стадии подачи пробы на анализ, трубку 13 быстро вводят внутрь внешней трубки 7, при этом конец 2 трубки 1 оказывается перед перегородкой 14. Конец 15 трубки 13, вследствие контакта со стенками трубки 7 и газом-носителем, а также теплового излучения, нагревается вместе с материалом "A" и пробой. Вследствие непрерывного вытекания газа из трубки 13 в трубку 1, в трубку 13 через конец 15 непрерывно поступает горячий газ-носитель из трубки 7, что обеспечивает более быстрый нагрев материала "A" и пробы и подачу компонентов пробы во внутреннюю трубку 1 без контакта их с трубками 4 и 7. Трубку 13 удерживают в трубке 7 в течение времени, необходимого для нагрева материала "A" и пробы и подачи компонентов пробы из кольцевого канала между трубкой 1 и стенками трубки 13 через конец 2 в трубку 1. Длительность подачи компонентов пробы в трубку 1 может быть уменьшена за счет предварительного подогрева трубки 13 с пробой в трубке 7 и сокращения времени удерживания трубки 13 в трубке 7.

На третьей стадии, стадии анализа пробы, конец 15 трубки 13 выводят из трубки 7 в трубку 17. Компоненты пробы продолжают движение в потоке газа-носителя внутри трубки 1 по направлению к детектору 3. Когда все компоненты пробы из трубки 1 поступят в детектор 3 конец 15 трубки 13 выводят из трубки 17 и отключают побудитель 21 потока. Стадия анализа считается оконченной и устройство готово к подаче на анализ очередной пробы. Новые отличительные от прототипа признаки предлагаемого устройства обеспечивают:
уменьшение длительности подачи проб до 1 секунды и менее, что практически не снижает эффективности разделения большинства типов капиллярных хроматографических колонок;
исключение проникновения загрязнений в хроматографическую колонку из элементов устройства и окружающей среды во всех режимах работы устройства, что уменьшает погрешность количественных измерений.

Промышленная применимость. Изобретение может быть использовано в аналитическом приборостроении.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению. Устройство включает внутреннюю трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой подсоединен через детектор к средству побуждения потока газа, промежуточную трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой имеет заглушку, через которую пропущен открытый конец внутренней трубки, внешнюю трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой состыкован с открытым концом промежуточной трубки, инжекторную трубку с пробой, один конец которой размещен во внешней трубке с зазором относительно ее внутренних стенок, а другой размещен снаружи внешней трубки. Инжекторная трубка имеет в канале газонепроницаемую перегородку. Открытый конец внутренней трубки пропущен через промежуточную трубку и установлен внутри инжекторной трубки перед газонепроницаемой перегородкой, при этом место для размещения пробы расположено в кольцевом канале между внутренней трубкой и стенками инжекторной трубки. Причем промежуточная трубка соединена посредством патрубка с побудителем потока газа-носителя. Технический результат данного изобретения выражается в повышении достоверности качественного и количественного анализа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для подачи проб на газовый анализ, включающее внутреннюю трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец подсоединен через детектор к средству побуждения потока газа, промежуточную трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец имеет заглушку, через которую пропущен открытый конец внутренней трубки, внешнюю трубку, один конец которой выполнен открытым, а другой конец состыкован с открытым концом промежуточной трубки, устройство нагрева и поддержания температуры, расположенное вокруг внешней и промежуточной трубок, инжекторную трубку с пробой, один конец которой размещен во внешней трубке с зазором относительно ее внутренних стенок, а другой конец размещен снаружи внешней трубки, узел изоляции канала внешней трубки от внешней среды, отличающееся тем, что конец инжекторной трубки, размещенный во внешней трубке, выполнен открытым, открытый конец внутренней трубки пропущен через промежуточную трубку и установлен внутри инжекторной трубки, в канале инжекторной трубки, перед открытым концом внутренней трубки, установлена газонепроницаемая перегородка, при этом место для размещения пробы расположено в кольцевом канале между внутренней трубкой и стенками инжекторной трубки, узел изоляции канала внешней трубки от внешней среды выполнен в виде побудителя потока газ-носителя, соединенного посредством патрубка с промежуточной трубкой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел изоляции канала внешней трубки от внешней среды дополнительно снабжен съемной шлюзовой трубкой, один конец которой подсоединен к открытому концу внешней трубки посредством съемного герметичного соединения, а другой конец имеет узел уплотнения через который пропущен конец инжекторной трубки, расположенный снаружи внешней трубки с возможностью возвратно-поступательного перемещения инжекторной трубки без разгерметизации шлюзовой трубки, при этом шлюзовая трубка подсоединена посредством патрубка к побудителю потока газа, а вокруг шлюзовой трубки, в области узла уплотнения расположено устройство охлаждения.