CN101198863A

CN101198863A - 冷却色谱柱的方法

Info

Publication number: CN101198863A
Application number: CNA2006800214540A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·蒂普勒
Original assignee: PerkinElmer LAS Inc
Current assignee: Revvity Health Sciences Inc
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: EP1891430B1; US7534286B2; JP2008544257A; CN101198863B; US20090277245A1; US8167987B2; EP1891430A1; US20060278076A1; JP4699520B2; WO2006138551A1

Abstract

本发明总体上公开了一种冷却色谱柱的方法，包括：加热色谱柱，在入口压力下通过柱的入口端供给流体到柱中，降低柱的温度，从而导致柱中的流体收缩，并控制柱中的流体使得柱中流体收缩的速度不超过供给到柱的流体的流速。在一些实施例中，对柱中的流体的体积随柱温降低的变化速度建模，由其估计柱中的气体的收缩的速度。在一些实施例中，柱温和/或入口压力是由可编程色谱炉控制。

Description

冷却色谱柱的方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求United States Code 119(e)部分Title 35下的2005年6月14日提交的美国临时专利申请No.60/595,191和2005年6月27日提交的美国临时专利申请No.60/595,679的权益，这些申请的内容在此全文引用作为参考。

技术领域

本发明涉及一种通过减少当色谱柱冷却时检测器气体进入色谱柱的冷却色谱柱的系统和方法。更具体地说，本发明涉及控制当柱温下降时流入柱中的流体从而防止柱中的气体的收缩速度超过流体的流速的方法。

背景技术

气相色谱法本质上是一种物理分离方法，其中载气中的蒸汽样品组分被柱中的静相材料吸附或者吸收然后解吸附。一样品脉冲被引入载气的稳定流中，载气携带样品进入色谱柱。柱的内部充填流体，该流体和样品的不同组分的相互作用-其基于成分的分配系数的差异而区分开-导致样品分离为各自的成分。在柱的末端，各个组分或多或少地按时间分离。气体的检测提供与时间成比例的图案，典型地称作色谱，其是通过与已知样品进行校对或比较，从而表明其成分和特定浓度，其在测试样品中呈现。Hinshaw的美国专利No.5,545,252描述了通过其该情况发生的方法的一个例子。

色谱柱的温度编程是已经成为一些色谱分析中普通的技术。温度编程可扩大在单一分析过程中可被分离的分析物的范围，缩短分析时间，改善峰的形状，并消除和/或降低在色谱法完成后来自柱的不想要的样品残留物。在温度程序的结尾，柱炉被冷却回到程序初始温度，使得预备好下一次分析。该冷却下来的步骤是分析循环的一部分，但是其可代表进行一系列分析所需的总时间的显著和无产出部分。

加速这种冷却下来的过程在现代仪器化中已经变得相当普通，其通过罩住柱的色谱炉而进行，使得气相色谱仪可耗费大部分时间在产出的色谱上，从而增加样品的通过率。这种冷却下来的过程的加速可导致时间和成本上的显著的效益。

相应地，一些教导包括炉的设计，其在一些情况下以5-10倍范围的系数加速冷却速度。然而，在一些情况下，柱内部的载气在这种快速冷却过程中以大于载气进入柱的速度收缩。已经发现，这可在柱的出口产生部分真空。因为柱的出口典型地位于检测器内部，所以在这种快速冷却过程中该真空将会使得检测器内部的气体回抽进入柱中，这些气体对柱是不利的。例如，对于检测器中有燃烧发生的情况，例如火焰电离检测器、火焰光度检测器或氮磷检测器，不期望的气体，例如氧气和水蒸气可回抽进入柱的出口端。

数种方法可用于防止在冷却过程中这种检测器气体进入柱中。一个这种方法需要将少量的“补偿”气体引入柱和检测器之间。这将确保随着柱中气体的收缩，将只有纯净的载气进入柱的出口。然而，该步骤需要使用额外的载气源，其由于安装和操作额外气源所需的伴随的额外的费用和复杂性而是不期望的。

此外，一些柱当在接近它们的特定限的温度操作时产生明显的静相渗出。快速冷却炉可“冷冻”这种渗出，从而导致其沿着柱收集在容器中。下一次柱被温度编程时，这些渗出的集中区域自身可在色谱上成为“伪峰”。

发明内容

本教导包括冷却色谱柱的系统和方法，其通过控制在冷却下来过程中流入色谱柱的流体使得在柱温降低的过程中回抽进入柱的检测器气体得以减少。此外，提供控制流入色谱柱的流体从而允许快速冷却柱的系统和方法。此外，提供控制流入色谱柱的流速而不需要额外的载气源的系统和方法。再者，提供控制色谱柱使得降低静相渗出的影响的系统和方法。

为了取得所列目的的至少一些，本发明包括冷却色谱柱的方法，所述色谱柱具有(i)入口端和(ii)出口端以连通流体到检测器，所述方法包括加热柱到柱温，在入口压力下通过入口端供给流体到柱中，降低柱温以导致柱中的流体收缩，和增加入口压力使得柱中流体收缩的速度不超过供给到柱的流体的流速。

在某些实施例中，增加入口压力的步骤包括对柱中的流体的体积随柱温降低的变化速度建模，和通过微分流体的模型化体积估计柱中流体的收缩速度。在这些实施例的一些中，对流体的体积变化速度建模的步骤包括计算表示柱中的流体在不同温度下的体积的体积数据，得到表示柱温下降速度的温度数据，并利用该体积数据和温度数据确定柱中流体的体积变化的速度。

在这些实施例的某些中，体积数据根据下列等式计算

V_{a} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot L_{c} \cdot T_{a} (p_{i}^{3} - p_{0}^{3})}{6 \cdot p_{a} \cdot T_{c} \cdot (p_{i}^{2} - p_{0}^{2})}

其中，V_a表示柱中的流体的体积，T_c表示柱温，d_c表示柱的内径，L_c表示柱的长度，T_a表示环境温度，p_a表示环境压力，p_i表示柱入口的绝对压力，p₀表示柱出口的绝对压力。

在某些实施例中，供给流体到柱中的步骤包括使用色谱注射器将流体引入柱中。在这些实施例的一些中，增加入口压力的步骤包括用注射器控制压力。

在一些实施例中，柱温是通过色谱炉控制。

在另一实施例中，本发明包括冷却色谱柱的方法，色谱柱具有(i)用于接收进样装置供给的载气的入口端，和(ii)用于提供气体给检测器的出口端，所述方法包括加热柱到柱温，在入口压力下通过入口端供给气体到柱中，并降低柱温以导致柱中的气体收缩，和增加入口压力使得柱中气体的收缩速度不超过供给到柱的气体的流速。

在再另一实施例中，本发明包括冷却色谱柱的方法，该方法包括加热柱到柱温，供给流体到柱中，确定柱温可得以降低的冷却速度，其导致柱中的流体收缩，使得当柱温在不超过确定的冷却速度降低时柱中的流体收缩的速度不超过供给到柱的流体的速度，并在不超过所确定的冷却速度的速度降低柱温。

在这些实施例的某些中，确定冷却速度的步骤包括确定最大冷却速度，在该冷却速度柱温可被降低以使得柱中流体收缩的速度不超过供给到柱的流体的流速，并且在一些情况下，降低柱温的步骤包括在最大冷却速度降低柱温。

在一些实施例中，加热柱的步骤导致静相渗出，降低柱温的步骤包括在第一冷却速度降低柱温直到柱达到阈值温度，在快于第一冷却速度的第二冷却速度降低柱温，其中阈值温度包括一温度，在低于该温度基本没有静相渗出发生。

在某些实施例中，在不超过所确定的冷却速度的速度降低柱温的步骤包括通过色谱炉入口接收环境空气流，和节流环境空气流。

在又另一实施例中，本发明包括用于冷却色谱柱的系统，包括用于连通流体到检测器的色谱柱，所述柱具有通过其流体流入柱中的入口端和通过其流体流入检测器的出口端、所述柱至少部分地设置在其中以加热柱的色谱炉和位于柱的入口端的控制压力的压力控制装置，在所述压力流体流入柱中，其中所述炉是温度可编程的以降低柱温，由此柱中的流体收缩，并且其中压力控制装置控制压力，在该压力流体流入柱中以使得柱中流体收缩的速度不超过流入柱中的流体的流速。

在一些实施例中，设置检测器以接收来自柱的出口端的流体。

在一些实施例中，本发明还包括用于供给流体到柱的进样装置。在这些实施例的一些中，进样装置是顶空进样器，而在其它实施例中，进样装置是热解吸附单元。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的进样系统的示意图。

图2是描绘表1所示的柱中的气体有效体积的图表。

图3是示出色谱炉在传统的速度冷却的冷却剖面的图表。

图4是示出色谱炉在比图3所示的速度更快的速度下冷却的冷却剖面的图表。

图5是示出表1所示的柱中的气体在图3所示的冷却速度下的预测有效体积的图表。

图6是示出表1所示的柱中的气体在图4所示的冷却速度下的预测有效体积的图表。

图7是示出进入表1所示的柱中的检测器气体在图3所示的冷却速度下的预测的有效进入速度的图表。

图8是示出进入表1所示的柱中的检测器气体在图4所示的冷却速度下的预测的有效进入速度的图表。

图9是示出在图4所示的冷却速度在恒定入口压力下载气流从表1所示的柱中洗脱的相关变化的图表。

图10是示出在图4所示的冷却速度载气流从表1所示的柱中洗脱的相关变化的图表，其中柱入口压力在刚冷却前和冷却过程中升至50psig。

图11是示出在完全的弹道冷却和使用缓慢冷却之间的对比的图表。

具体实施方式

图1示出根据本发明的防止检测器气体进入色谱柱中的系统一实施例的基本组成。对于说明书中所用的，术语“顶部”、“底部”、“上面的”、“下面的”、“在上面的”、“在之下”、“在之上”、“在下面”、“在顶部”、“在下面”、“上”、“下”、“较上”、“较下”“前面的”、“背面的”、“后面的”、“向前”以及“向后”，是指参照附图所示出方位的对象，这些方位对于实现本发明的目的并不是必须的。

系统18包括进样装置20，例如热解吸附单元或顶空进样器，其中布置有样品管，例如吸附导管。系统18还包括色谱炉22，其在某些实施例中是温度可编程的。色谱柱24至少部分地布置在色谱炉22中，色谱柱24的出口端连接到检测器26。进样装置20通过输送管路28连接到色谱柱24的入口端，通过输送管路样品混合物被连通到色谱柱24(用箭头A表示)，其可例如包括一定长度的熔融石英限流器导管。此外，应该注意到，虽然所示出的实施例描述了使用进样装置20，但是本发明可被用于很多色谱应用，并且并不是必需使用这种装置。因此，本发明可与例如传统的流体注射(也就是与针管)一起使用。

压力控制装置60位于色谱柱24的入口端。在一些实施例中，压力控制装置60是连接输送管路28和色谱柱24的接口装置60。这种接口装置60可包括色谱注射器，例如PerkinElmer Instruments LLC制造的可编程温度有分口/无分口的入口系统(PSS)注射器。例如，Tipler等人的美国专利申请No.2005/0284209描述了一系统，其中色谱注射器连接输送管路和色谱柱，该申请的内容在此全文引用作为参考。

压力控制装置压力，在所述压力流体通过柱的入口进入色谱柱24，如下面的进一步解释。尽管如上所述压力控制装置可以是一连接进样装置(或者连接到进样装置的输送管路)和色谱柱的接口装置，但是应该注意到，一些气相色谱仪装备有电子可编程气动控制，从而色谱仪能够准备好增加柱的入口压力以为了获得流经柱的期望流速。在这些情况下，压力控制装置可简单地为色谱炉的一部分。

同样，在一些应用中，气体压力是在远离色谱仪的装置，例如进样装置20上进行控制。例如，Tipler等人的美国专利申请No.2005/0016245公开了一系统，其中采用温度传感器测量柱的温度，并连通该测量到进样装置，该进样装置然后调节压力，其基于该温度在所述压力供给流体，该申请的内容在此全文引用作为参考。

系统的操作部分地取决于色谱柱24中的气体体积的适当预测。在使用过程中，色谱柱24将典型地具有通过其的压力下降，这样内部压力将在柱的入口端高于柱的出口端，结果，所述气体在一端将比另一端更加压缩。相应地，计算这种影响的表达可被用于计算特定柱里的气体量。

如所熟知的，柱的内部的压力梯度可根据以下等式进行描述：

P_{z} = \sqrt{P^{2} - (z / L) (P^{2} - 1)} - - - (1)

其中，P_z表示压力比(p_z/p₀)，P表示压力比(p_i/p₀)，p_z表示在z点的压力，p_i表示在柱入口的压力，p₀表示在柱出口的压力，z表示从入口到测量点的距离，L_c表示柱的长度。相应地，等式(1)可进行如下改写：

p_{z} = \sqrt{p_{i}^{2} - (z / L) (p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} - - - (2)

从压力梯度，柱中每一点的密度可得以计算，因而，柱中载气的总量可同样得以计算。

气体的摩尔密度δ表达如下：

δ = \frac{n}{V} - - - (3)

其中，n表示摩尔数，V表示体积。

等式(3)可与理想气体定律合并，其表达为：

p·V＝n·R·T (4)

其中，p表示压力，R表示气体常数(0.0821 L大气压mol^-1 K^-1)，T表示温度。

等式(3)和(4)的这种合并提供在柱中给定点z的气体密度δ的如下表达：

δ = \frac{p_{z}}{R \cdot T_{c}} - - - (5)

将等式(2)中的z点压力p_z值代入等式(5)中，推导出下面的气体密度表达：

δ_{x} = \frac{1}{R \cdot T_{c}} \sqrt{p_{i}^{2} - x (p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} - - - (6)

其中，x表示柱的分数(z/L)。

然后通过将所述长度中的体积乘以通过所述长度的密度的积分计算一定长度的柱里面的气体量，如下列等式所示：

n_{x} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot z}{4} {&Integral;}_{0}^{\frac{z}{L}} \frac{1}{R \cdot T_{c}} \sqrt{p_{i}^{2} - x (p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} \cdot dx - - - (7)

其中，n_x表示柱中的直到点x的气体摩尔数。

将等式(7)积分，设定z＝L(对整个柱)，并进一步化简等式，得到如下结果：

n_{x} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot z}{4} \frac{1}{R \cdot T_{c}} \frac{2}{3 (p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} {[{(p_{i}^{2} - x (p_{i}^{2} - p_{0}^{2}))}^{\frac{3}{2}}]}_{x = 0}^{x = \frac{z}{L}} - - - (8)

n_{x} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot L}{4} \frac{1}{R \cdot T_{c}} \frac{2}{3} \frac{(p_{i}^{3} - p_{0}^{3})}{(p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} - - - (9)

n_{x} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot L}{6 \cdot R \cdot T_{c}} \frac{(p_{i}^{3} - p_{0}^{3})}{(p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} - - - (10)

应用理想气体定律(等式(4))到等式(10)，柱中的气体量可表示为等效体积，其占据环境条件下的体积V_a，如下：

V_{a} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot L \cdot T_{a}}{6 \cdot p_{a} \cdot T_{c}} \frac{(p_{i}^{3} - p_{0}^{3})}{(p_{i}^{2} - p_{0}^{2})} - - - (11)

其中，T_a表示环境温度，p_a表示环境压力。

利用等式(11)，可计算特定的柱几何尺寸和入口/出口压力下在施加温度范围的柱中的气体量。例如，将等式(11)应用到如下表1所示的柱中提供如图2所示的温度范围的柱中的载气的有效体积的预测。

表1

色谱仪	带有快速冷却炉的原型GC
色谱仪	带有快速冷却炉的原型GC	柱	60m×0.250mm×1.0μm PE-5
炉温	可变	柱	60m×0.250mm×1.0μm PE-5
炉温	可变	注射器	375℃的PSS
载气	24psig的氦气	注射器	375℃的PSS
载气	24psig的氦气	分流	100mL/min

检测器	400℃的FID，空气450ml/min，H2 45mL/min，量程×1，衰减×64
检测器	400℃的FID，空气450ml/min，H2 45mL/min，量程×1，衰减×64	数据采集	TotalChrom 941模拟盒，1伏输入，5Hz采样频率
注射样品	无	数据采集	TotalChrom 941模拟盒，1伏输入，5Hz采样频率

图3和图4示出了色谱炉分别在传统速度和快速下的冷却剖面。图3-4所示的冷却速度可应用到在图2中描绘为温度的函数的气体体积的计算以为了分别对在传统炉和快速炉中的柱中气体的有效体积变化建模，如图5和图6所示。

然后可通过将图5和图6中的轨迹微分预测柱中的气体随柱温的下降收缩的有效速度，如图7和图8所示。这些图表示出发生在快速冷却过程中的高水平的气体收缩，从而导致检测器气体的非期望的进入。

通常，通过该特定柱的载气的流速是在0.5-1.0mL/min范围。随着冷却下来的过程中柱温下降，柱中的气体收缩，导致在柱的入口端和出口端的压力下降。结果，气体将从两端被回抽进柱中。大致相同的量将从每一端被回抽进柱中。因此，如果气体收缩的速度在2mL/min，那么可假定大约1mL/min的气体将被回抽进入柱的每一端，其是由于通过柱的压力下降所致的除正常的流经柱的气体流速之外的。

参照图7，其示出传统冷却柱的收缩速度，气体的收缩速度对于大多数冷却周期是小于1mL/min。这导致在柱的出口端0.5mL/min的潜在进入，检测器气体滞留在柱的出口端。但是，因为流经柱的正常气体流大于收缩速度，所以在大多数周期中没有检测器气体进入发生。然而，收缩的速度在当从约350℃或更高的温度冷却时在冷却周期开始时是明显的，如图7的大的峰所示。

图8示出在快速冷却下来过程中柱中的气体收缩速度是如何甚至更为明显的。在此，收缩速度对于大多数冷却周期是大于2mL/min的。因此，在检测器端的收缩速度是大于1mL/min，这样，其可能大于载气通过柱的速度。结果，检测器气体的进入可能发生在冷却下来的过程的显著部分。

通过预测气体在如上所述的温度范围的收缩速度，可确定何时通过柱24的流速必须增加以为了确保收缩速度不超过流速。这样，压力控制装置60可用于在冷却下来过程之前和过程中增加柱入口的气体压力，从而防止不期望的气体进入。

图9和图10示出在恒定施加压力下(图9)和在根据本发明增加入口压力情况下(图10)从柱洗脱的气体流的变化。如图10所示，通过在柱的冷却过程中以这种方式升高柱入口的载气压力，能够确保通过柱的流速得以增加以使得在柱的出口端没有回流发生。

图11示出如何控制流体的相关流动和收缩，而不需要主动地调节柱的入口压力。特别地，这些相关的速度可通过在冷却步骤早期使用缓和(也就是，更慢些)的冷却而进行操作。当柱在冷却时，载气将继续正常地从注射系统流进入口。通过降低冷却速度，达到柱中的气体收缩速度将小于流经柱的气体的流速的点。相应地，炉被编程以确定使得收缩速度不超过流体流速的最大可能冷却速度。炉然后在冷却周期开始的过程中节流环境空气的进入以防止空气流动超过该冷却速度。通过以这种方式限制冷却速度，同样可以确保流经柱的流速增加，使得在柱的出口端不发生回流。

在色谱炉的弹道冷却过程中，大的冷却速度典型地发生在冷却周期的开始，通常在第一个30秒左右。在该冷却下来步骤的开始部分之后，冷却速度趋于随着柱的变冷而降低，这样，进入的风险及可能由此产生的损害显著降低。因此，控制冷却速度的算法(也就是，限制速度柱温降低的速度)将典型地只影响初始冷却速度，这样，对于完成冷却下来步骤的总时间的影响是最小的。

此外，与静相渗出相关的问题也可通过冷却速度的适当控制而得以改善。例如，在一些实施例中，系统维持慢的冷却速度直到其达到某一阈值温度，该阈值温度为基本没有静相渗出发生的点。在达到阈值温度之后，色谱炉将开始弹道冷却，从而最小化系统花在非快速冷却下来的总时间。

应该理解，前面是示例性的，而不是限制性的，本领域技术人员可作出明显的修改，其并不超出本发明的精神。相应地，应当主要参照所附权利要求而非前面的说明书来确定本发明的范围。

Claims

1.一种冷却色谱柱的方法，所述色谱柱具有(i)入口端和(ii)用以连通流体到检测器的出口端，所述方法包括：

将柱加热到柱温；

在入口压力下通过入口端将流体供入柱中；

降低柱温以导致柱中的流体收缩；和

增加入口压力以使得柱中流体收缩的速度不超过供给到柱中的流体的流速。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述增加入口压力的步骤包括：

对柱中流体的体积随柱温降低的变化速度建模；和

通过对所述流体的建模体积进行微分而估计柱中流体的收缩速度。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述对流体的体积变化速度建模包括：

计算表示柱中的流体在不同温度下的体积的体积数据；

获取表示柱温下降速度的温度数据；和

利用所述体积数据和温度数据确定柱中流体的体积变化速度。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述体积数据根据等式

V_{a} = \frac{π \cdot d_{c}^{2} \cdot L_{c} \cdot T_{a}}{6 \cdot p_{a} \cdot T_{c}} \frac{(p_{i}^{3} - p_{0}^{3})}{(p_{i}^{2} - p_{0}^{2})}

进行计算，其中V_a表示柱中流体体积，T_c表示柱温，d_c表示柱的内径，L_c表示柱的长度，T_a表示环境温度，p_a表示环境压力，p_i表示在柱入口的绝对压力，和p₀表示在柱出口的绝对压力。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述供给流体到柱中的步骤包括利用色谱注射器将流体引入柱中。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述增加入口压力的步骤包括用注射器控制压力。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述增加入口压力的步骤包括利用带有可编程气动控制的色谱炉控制压力。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述柱温是通过色谱炉控制。

9.一种冷却色谱柱的方法，所述方法包括：

将柱加热到柱温；

供给流体到柱中；

确定冷却速度，在该冷却速度柱温能够被降低，其导致柱中的流体收缩，使得当柱温在不超过所确定的冷却速度的速度下降低时，柱中流体收缩的速度不超过供给到柱中的流体的流速；和

在不超过所确定的冷却速度的速度降低柱温。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定冷却速度的步骤包括确定最大冷却速度，在该速度柱温可被降低以使得柱中流体冷却的速度不超过供给到柱中的流体的流速。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述降低柱温的步骤包括在最大冷却速度降低柱温。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述加热柱的步骤导致静相渗出，并且其中所述降低柱温的步骤包括：

以第一冷却速度降低柱温直到柱达到阈值温度；和

以比第一冷却速度快的第二冷却速度降低柱温；

其中所述阈值温度包括一温度，在该温度以下基本没有静相渗出发生。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述在不超过所确定的冷却速度降低柱温的步骤包括：

通过色谱炉入口接收环境空气流；和

节流所述环境空气流。