CN218917295U - 一种用于硅烷气体中痕量气体杂质分析的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于硅烷气体中痕量气体杂质分析的系统，其包括进样系统、载气系统、第一分离系统、气路控制模块、气动三通阀、第二分离系统和分析系统，所述第一分离系统能够将样品分离为第一类杂质的混合物、硅烷和第二类杂质的各组分，所述第二分离系统用于分离所述第一类杂质的混合物的各组分，所述分析系统用于定性和定量分析第一类杂质和第二类杂质中的组分和含量。本实用新型通过第一分离系统和第二分离系统的分离实现对痕量组分的富集降低了分析方法的检出限。

Description

一种用于硅烷气体中痕量气体杂质分析的系统

技术领域

本实用新型专利属于高纯特气的分析检测技术领域，尤其涉及一种用于硅烷气体中痕量杂质组分的定性定量分析的系统。

背景技术

常温常压下，硅烷为无色有毒气体，极度易燃且在空气中可自燃、发生爆炸性燃烧。

目前，国内用于高纯气体分析检测的气相色谱仪，一般采用的检测器为热导检测器(TCD)、火焰离子化检测器(FID)、氦离子化检测器和氧化锆检测器，但这些检测器无法对未知组分进行定性分析。

对于通用型气相色谱-质谱联用仪，尽管可以采用灵敏度高的SIM模式，但采用较大的进样量时，会存在部分杂质组分与主组分的色谱峰叠加，无法准确定量的问题；若采用较小的进样量，虽然保留时间与主组分接近的杂质组分能完全分开，也存在检出限低、无信号响应的情况，且部分组分无法实现与主组分的完全分离(即分离度＜1.5)。

通过对气相色谱-质谱联用系统的改进，得到一种适用于硅烷气体中痕量杂质组分的定性及定量分析(ppm级以下)，尤其是与主组分保留时间接近的杂质组分的定性定量分析。

本实用新型针对现有技术存在的问题，对气相色谱-质谱联用仪的进样系统和色谱柱分离系统进行了改进，通过第一分离系统的预分离和第二分离系统的组合使用实现对痕量组分的富集降低了分析方法的检出限，得到一种适用于硅烷气体中痕量气体杂质定性、定量分析的系统和方法。

实用新型内容

根据本实用新型，提供了一种用于定性和定量分析硅烷气体中痕量气体杂质的系统，其包括：

进样系统；

载气系统；

第一分离系统，其与进样系统和载气系统分别通过管路连通使得来自所述进样系统的样品在来自所述载气系统的载气的作用下实现分离，根据分离出峰的顺序，该第一分离系统能够将样品分离为第一类杂质的混合物、硅烷和在硅烷之后流出的第二类杂质的各组分；

气路控制模块，其具有第一入口端、第二入口端、第一出口端和第二出口端，其中，该气路控制模块的第一入口端与第一分离系统通过管路连通使从第一分离系统分离的组分进入第一入口端，该气路控制模块的第二入口端通过管路与载气系统连通，该气路控制模块能够使第一入口端与第一出口端或第二出口端接通，以及使第二入口端与第一出口端或第二出口端接通；

气动三通阀，其具有第三入口端、第三出口端和第四出口端，其中第三入口端通过管路与气路控制模块的第一出口端连通，第三出口端通过管路与回收装置连通，第四出口端通过管路与分析系统连通，所述气动三通阀能够使第三入口端与第二出口端或第四出口端接通；

第二分离系统，其通过管路从所述气路控制模块的第二出口端连通，所述第二分离系统用于分离所述第一类杂质的混合物的各组分，

分析系统，其用于定性和定量分析第一类杂质和第二类杂质中的组分和含量，所述分析系统通过管路分别与第二分离系统和所述气动三通阀的第四出口端连通。

优选地，所述第二分离系统为能够分离选自氢气、氮气、氧气、氩气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种的分离系统，即，所述第一类杂质为选自氢气、氮气、氧气、氩气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种。

优选地，所述第一分离系统为能够分离选自乙烷、乙炔、丙烷、乙硅烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷中的一种或多种的分离系统，即，所述第二类杂质为选自乙烷、乙炔、丙烷、乙硅烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷中的一种或多种。

优选地，所述进样系统包括：进样口；通过管路与进样口连通的阀门；通过管路与所述阀门连通的定量环，其中，所述定量环的一端通过管路分别与所述阀门和所述第一分离系统连通，另一端通过管路分别与载气系统和回收装置连通。

优选地，与所述进样口连通的阀门为压力平衡阀，通过该压力平衡阀确保每次进样量一致。

优选地，所述第一分离系统包括至少一个第一分离色谱柱。

优选地，所述第二分离系统包括至少一个第二分离色谱柱。

优选地，所述硅烷为甲硅烷或乙硅烷。

优选地，所述分析系统为质谱检测器。

优选地，所述载气为高纯氦气。

优选地，在所述系统中的所有的管路均为高纯且内壁抛光的316L材质卡套管。

优选地，在每条所述管路中任选地设置阀门。

优选地，所述硅烷的纯度为4.8N(99.998％)以上。

优选地，第一分离色谱柱采用程序升温，以一定程序升温至220℃～240℃；优选其长度为15～30米，柱填料为多孔聚合物。

所述第一分离色谱柱用于分离硅烷中的包括C2以上烃类异构体的一种或多种组分。

优选地，第二分离色谱柱采用恒温分离，柱箱温度40℃～100℃；长为15～30米的色谱柱，柱填料为分子筛类。

优选地，所述质谱检测器温度设定200℃～250℃，传输线温度设定200℃～250℃。

分离检测过程描述如下：

在进样前，利用高纯惰性气体充分吹扫置换所述系统。然后样品进入进样系统。在进样系统中定量的样品在载气的作用下进行第一分离系统。该第一分离系统将样品分离为第一类杂质的混合物、硅烷和在硅烷之后流出的第二类杂质的各组分。

首先控制气路控制模块，使与第一分离系统连接的第一入口端与气动控制模块的第二出口端接通，该第二出口端通过管道与第二分离系统连通，使得经由第一分离系统分离的组分经由气路控制模块进入第二分离系统进一步分离。经过第二分离系统分离的各组分依次进入分析系统中进行定性和定量分析。

当到达硅烷出峰时刻，调节气路控制模块，使气路控制模块的第二入口端与第二出口端接通，使得载气系统经由气路控制模块的第二入口端和第二出口端进入第二分离系统，从而为第二分离系统提供载气。同时，调节气路控制模块的第一入口端与第一出口端接通，以及调节气动三通阀使得第三入口端与第三出口端接通，从而使得从第一分离系统分离出的硅烷组分经由管路进入气动三通阀的第三入口端、第三出口端，再经由管路排放至回收装置中。

当硅烷出峰完毕时，调节气动三通阀使得第三入口端与第四出口端接通，使从第一分离系统分离出的第二类杂质的各组分进入分析系统中。

附图说明

图1为根据本实用新型的实施方式的用于定性和定量分析硅烷气体中痕量气体杂质的系统的示意图。

附图说明

1：样品过滤器；

2：压力平衡阀

3：十通阀

4：样品定量环

5：载气针阀

6：第一分离色谱柱

7：第二分离色谱柱

8：气路控制模块(PCM)

9：气动三通阀

10：质谱检测器

11：回收装置

①至⑩分别为十通阀的端口①至端口⑩

MSD：质谱检测器

具体实施方式

本实用新型采用气相色谱-质谱联用技术实现了硅烷特气中痕量组分的定性和定量分析，大大降低了硅烷气体中与主组分保留时间接近的杂质组分的方法检出限。

下面将结合附图详细描述本实用新型的具体实施方式：

在进行检测前，首先用高纯惰性气体充分吹扫置换，置换完成后，用待测的甲硅烷样品流经过滤器1和压力平衡阀2，其中，压力平衡阀2能够确保每次进样量一致。

然后，甲硅烷样品经过十通阀3的端口②，再经端口①流入定量环4，过量的样品经由端口④以及与端口④连通的端口③流出至回收装置11中。

对十通阀3执行一次阀切换，来自载气系统的载气经过十通阀的端口⑤，与端口⑤连通的端口④将定量环4中的样品依次经由十通阀3中的端口①和⑩进样至第一分离色谱柱6中。

首先从第一分离色谱柱6中分离得到第一类杂质，其为氢气、氮气、氧气、氩气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种的混合物。该第一类杂质经由十通阀3的端口⑥和端口⑦进入气路控制模块8的第一入口端A，通过控制该气路控制模块8使第一入口端A与第二出口端C接通，使第一类杂质经由第二出口端C进样至第二分离色谱柱7中，经第二分离色谱柱7分离得到的各组分进样至质谱检测器10中进行定性和定量分析。

记录第一分离色谱柱6中甲硅烷出峰的开始时间和结束时间。在硅烷出峰的开始时间使气路控制模块8的第二入口端D(其与载气系统连通)与第二出口端C接通以提供使第二分离色谱柱7继续进行分离的载气；同时使气路控制模块8的第一入口端A与第一出口端B接通，使得样品中的甲硅烷进入气动三通阀9的第三入口端E，经第三出口端F与回收装置11连接，以排出甲硅烷。

在甲硅烷出峰的结束时间时，控制气动三通阀9使第三入口端E与第四出口端G接通，使得经过第一分离色谱柱6分离得到的第二类杂质的各组分进样至质谱检测器10中进行定性和定量分析。此时，来自第二分离色谱柱的进样已经停止。

质谱检测器10采用SIM模式对所有色谱峰进行定性分析，确定各组分的保留时间，依据保留时间和特征粒子，采用外标法对上述各杂质组分进行定量分析。另外，测试的具体条件如下：

进样系统、分析分离系统和检测系统密封性良好、无任何泄露，且气动阀的阀体处于高纯氦气的正压保护状态，确保色谱体系不受外界干扰而影响检测结果；

色谱条件(采用定制的50μL不锈钢定量环和不分流进样方式)：

分析色谱柱1为长30米，内径0.53mm的HP-PLOT Q柱，柱箱采用程序升温，60℃持续5min、以20℃/min的速率程序升温至220℃，柱流量3mL/min；

分析色谱柱2为长25米，内径0.53mm的CP-CarboPLOT P7柱，柱箱采用恒温分离，柱箱温度40-50℃，柱流量5mL/min；

质谱检测器温度设定220℃，SIM模式；传输线温度设定220℃；

表1：操作流程

序号	事件1	事件2	事件3	事件4
					1	0min	0min	4.1min	4.1～5.7min
2	20min	20min	20min	6.2～6.5min

注：事件1为针阀5动作，事件2为十通阀3动作，事件3为气路控制模块(PCM)8动作，事件4为气动三通阀9动作；

事件1：0min时关闭针阀5，设置其用于吹扫十通阀3中的⑦和⑧连接的气路而设计，小流量即可，20min时重新开启，色谱程序结束；

事件2：0min时开启十通阀3，开始进样分离杂质，20min时关闭，色谱程序结束；

事件3：4.1min时气路控制模块(PCM)8切换为第二出口端B端导通(此时第一类杂质已陆续进入第二分析柱7中继续分离，此时由载气系统为第二分离系统经第二入口端D和第二出口端C提供载气)；20min时气路控制模块(PCM)8切换回第一出口端C端导通，色谱程序结束；

事件4：气路控制模块(PCM)8的B端导通的同时，气动三通阀9的第三出口端F导通，甲硅烷主体排出，6.2～6.5min之间，硅烷完全流出第一色谱柱6时，气动三通阀9的第四出口端G导通，乙烷、丙烷、乙硅烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷等中的一种或多种依次进入质谱检测器10进行分析。

表2：分析结果

杂质名称	定量粒子(质荷比)	保留时间(min)	浓度(ppm)
				二氧化碳	44	4.1	0.09
乙炔	26	4.8	0.5
				乙烷	30	5.3	0.8

注：表2为同一样品在仪器改造前后的分析结果，仪器改造前无法对甲硅烷主体中的这三种杂质进行准确地定量分析。

另外，需要注意的是：图1中的十通阀中的端口⑧和端口⑨以及与端口⑨中连接的出口2为后续改进而预留的气路，在不使用它们的情况下也可以实现本实用新型的目的。所述预留的气路能够用于实现第一分离系统的反吹。即，十通阀动作，使载气经端口⑤和⑥对第一分离色谱柱进行反吹，然后经十通阀的端口⑩和⑨，再经出口A排出。该出口A可以与回收装置相通。

在现有技术中，二氧化碳、乙炔和乙烷与主组分甲硅烷均存在色谱峰覆盖、叠加的情况，因而进样量少时无响应，无法准确定量。而在本实用新型中，能够对各种杂质进行精确地进行定性和定量。

Claims (9)

1.一种用于硅烷气体中痕量气体杂质分析的系统，其特征在于，所述系统包括：

进样系统；

载气系统；

第一分离系统，其与所述进样系统和所述载气系统分别通过管路连通使得来自所述进样系统的样品在来自所述载气系统的载气的作用下实现分离，根据分离出峰的顺序，该第一分离系统能够将样品分离为第一类杂质的混合物、硅烷和第二类杂质的各组分；

气路控制模块，其具有第一入口端、第二入口端、第一出口端和第二出口端，其中，该气路控制模块的第一入口端与所述第一分离系统通过管路连通使从所述第一分离系统分离的组分进入第一入口端，该气路控制模块的第二入口端通过管路与所述载气系统连通，所述气路控制模块能够使第一入口端与第一出口端或第二出口端接通，以及使第二入口端与第一出口端或第二出口端接通；

气动三通阀，其具有第三入口端、第三出口端和第四出口端，其中第三入口端通过管路与所述气路控制模块的第一出口端连通，第三出口端通过管路与回收装置连通，第四出口端通过管路与分析系统连通，所述气动三通阀能够使第三入口端与第二出口端或第四出口端接通；

第二分离系统，其通过管路与所述气路控制模块的第二出口端连通，所述第二分离系统用于分离所述第一类杂质的混合物的各组分，

分析系统，其用于定性和定量分析第一类杂质和第二类杂质中的组分和含量，所述分析系统通过管路分别与第二分离系统和所述气动三通阀的第四出口端连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述第二分离系统为能够分离选自氢气、氮气、氧气、氩气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种的分离系统；

所述第一分离系统为能够分离选自乙烷、乙炔、丙烷、乙硅烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷中的一种或多种的分离系统。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述进样系统包括：进样口；通过管路与所述进样口连通的阀门；通过管路与所述阀门连通的定量环，其中，所述定量环的一端通过管路分别与所述阀门和所述第一分离系统连通，另一端通过管路分别与所述载气系统和所述回收装置连通。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述阀门为压力平衡阀。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述第一分离系统包括至少一个第一分离色谱柱；

所述第二分离系统包括至少一个第二分离色谱柱。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述第一分离色谱柱的长度为15～30米，柱填料为多孔聚合物。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述第二分离色谱柱的长度为15～30米的色谱柱，柱填料为分子筛类。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述分析系统为质谱检测器。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

在所述系统中的所有的管路均为高纯且内壁抛光的316L材质卡套管；在每条所述管路中任选地设置阀门。

Images