DE102018205372A1

DE102018205372A1 - Fluidfreier säulenofen für gaschromatographiesysteme

Info

Publication number: DE102018205372A1
Application number: DE102018205372.3A
Authority: DE
Inventors: David R. Pierce
Original assignee: Gc Ovens Inc
Current assignee: Gc Ovens Inc
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2018-12-06
Also published as: US9927406B1; JP6804486B2; US20180348173A1; GB201809085D0; JP2018205302A; KR20180132543A; GB2565876A; CA3004848A1; US10520478B2

Abstract

Ein System zum Durchführen von Gaschromatographie-Analysen gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Trennsäule und einen Säulenofen. Die Trennsäule weist einen Einlassabschnitt auf, der an einen Injektor gekoppelt ist, um eine Substanzprobe zu empfangen, und einen Auslassabschnitt, der an einen Detektor gekoppelt ist. Die Trennsäule ist dafür geeignet, die Substanzprobe vom Injektor zum Detektor zu leiten. Der Säulenofen ist dafür geeignet, die Trennsäule zu beheizen, um die Bestandteile der Substanzprobe zu trennen, für eine Detektion mittels des Detektors.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Gaschromatographie- („GC“) oder Gaschromatographie-Massenspektrometrie- („GCMS“) Analysen und insbesondere GC-Systeme, die verwendet werden, um GC-Analysen durchzuführen.
HINTERGRUND
Vereinfacht dargestellt umfasst ein GC-System einen Injektor, eine Trennsäule, einen Säulenofen und einen Detektor. Eine Probe der zu analysierenden Substanz gelangt durch den Injektor in die Trennsäule und zwar zusammen mit einem Trägergas für den Transport von Verbindungen zur Detektionsvorrichtung. Die Trennsäule ist im Innern eines temperaturgeregelten Säulenofens angeordnet und trennt die Bestandteile der Substanzprobe, für eine Detektion mittels des Detektors. Der Säulenofen kann auf einer konstanten Temperatur (isotherm) gehalten werden oder kann so programmiert werden, dass die Temperatur im Laufe der Zeit ansteigt, um die Bestandteile der Substanzprobe zu trennen und zu eluieren. Sobald das Trägergas aus der Säule freigesetzt wird, befördert es die Verbindungen zum Detektor. Jede gemessene Verbindung aus der Substanzprobe wird in einem Ergebnisdiagramm als Peak dargestellt. Die Retentionszeit jeder Verbindung, wie mittels der Peaks dargestellt, wird von dem GC-System verwendet, um die chemische Zusammensetzung der Substanzprobe festzustellen. Ein Beispiel für einen isothermen Säulenofen mit einer Direktbeheizung der Säulenbaugruppe ist beispielsweise im US-Patent Nr. 7,228,067 beschrieben. Ein Beispiel für einen Ofen mit Temperaturprogrammierung, um einen Temperaturgradienten entlang einer Trennsäule zu bewegen, ist beispielsweise im US-Patent Nr. 3,146,616 beschrieben.
Bisherige Säulenöfen verwenden ein Fluid (z. B. Wasser, Öl, Luft oder andere Flüssigkeiten oder Gase) zur Temperaturregelung der die Trennsäule umgebenden thermischen Umgebung. Siehe z. B. John V. Hinshaw, „Gas Chromatography Ovens“, LCGC Asia Pacific, Bd. 18, Nr. 1, S. 17-21. Mindestens ein Nachteil eines flüssigen Fluids bestand darin, dass verhindert werden musste, dass das Fluid bei einem Wechsel der Trennsäule die Säule zerstört oder dass es an gelockerten Verbindungsstücken entweicht. Luftbadöfen weisen zudem, als weiteren Nachteil, längere Verzögerungszeiten bis zum Erreichen einer Solltemperatur auf und stellen zusätzliche Kühlungsanforderungen, wie etwa die Systeme, die beispielsweise in den US-Patenten Nr. 3,053,077 und 4,181,613 aufgezeigt sind.
Ist ein isothermer Ofen nach dem anfänglichen Anheizen erst einmal ins Gleichgewicht gelangt, ist es relativ einfach, die Temperatur zu halten, da sich die Ofentemperatur zwischen Analyseläufen nie ändert. Allerdings können bei einer einzigen Temperatur nur Verbindungen mit ähnlichen Siedepunkten voneinander getrennt werden. Für die Analyse einer größeren Vielfalt von Verbindungen wird in der Regel ein Temperaturprogramm verwendet. Wenn ein Temperaturprogramm gestartet wird, gibt es zwischen der Säulentemperatur und der Solltemperatur der Rampe eine leichte Verzögerung. Während des Temperaturanstiegs, bleibt die Ist-Ofentemperatur hinter der Solltemperatur zurück, und noch mehr hinkt die Säule hinterher. Diese Temperaturverzögerung ist bei höheren Rampenraten größer, da es länger dauert, bis die Wärme vom Ofenelement durch das Luftfluid auf die Säule übertragen wird. Das GC-System muss imstande sein, bei jedem Lauf das gleiche Zeit- und Temperaturprofil zu wiederholen. Die Wahl schmalerer und kürzerer Säulen für eine schnelle GC erhöht die Anforderungen an den Säulenofen erheblich. Zudem erfordern temperaturprogrammierte Öfen eine Abkühl- und Gleichgewichtseinstellungszeit zwischen den Läufen. Die übliche Praxis besteht darin, Luftbadöfen nach Erreichen des Sollwerts noch weitere 2 bis 4 Minuten ins Gleichgewicht gelangen zu lassen, um zu ermöglichen, dass diese Restwärme abgegeben wird.
Weitere Fortschritte bei Temperaturregelkreisen und turbulenten Luftvermischungen in den letzten Jahrzehnten haben zu modernen GC-Designs geführt, bei denen eine präzise GC-Ofentemperaturregelung möglich ist, obgleich immer noch die vorstehend beschriebenen Nachteile hinsichtlich der Gleichgewichtseinstellungszeit, der Restwärme, der Ausgeglichenheit der Umgebungsluft, der Temperaturverzögerung und die Forderung nach präziser Übereinstimmung von Lauf zu Lauf bestehen.
Obwohl die Gaschromatographie ein leistungsfähiges Werkzeug zur Trennung komplexer Gemische in Einzelkomponenten ist, die identifiziert und quantifiziert werden sollen, erfordert die GC-Analyse in der Regel lange Analysezeiten, typischerweise im Bereich von 30 bis 60 Minuten. Die Fortschritte bei schnellen GC-Analysen erforderten zunächst eine schnellere lineare Temperaturänderung und eine schnellere Ofenkühlung zwischen den Analysen, wobei leistungsstärkere Heizelemente und leistungsstärkere Kühlgebläse zum Einsatz kamen. Siehe z.B. US-Patent Nr. 4,923,486 , US-Patent Nr. 5,028,243 , US-Patent Nr. 5,215,556 , US-Patent Nr. 5,808,178 , US-Patent Nr. 5,114,439 , US-Patent Nr. 6,427,522 , US-Patent Nr. 9,194,849 und WO-Veröffentlichung Nr. 2015/0 144 117. Diese haben erwiesenermaßen erfolgreich ermöglicht, die Heiz- und Kühlzykluszeiten etwas zu verkürzen. Für schnellere Analysen bei Verwendung eines herkömmlichen fluidbasierten Ofens sind jedoch Kompromisse erforderlich. Wird nur das GC-Temperaturprogramm beschleunigt, kann dies zu einer verminderten Trennleistung der Säule und einer verminderten Säulenlebensdauer führen. Diese Systeme funktionieren auch nicht mit unterschiedlichen Säulentypen und/oder -längen und erfordern nach wie vor zur Temperaturreglung ein Fluid.
Jeder dieser fluidbasierten Öfen, mit denen versucht wird, die GC-Analysezeiten zu verkürzen, hat seine Grenzen. Die meisten GC-Verfahren zielen darauf ab, Verbindungen in niedrigsten Konzentrationen nachzuweisen, was bedeutet, dass so viel wie möglich Substanzprobe in die Trennsäule, zur Auftrennung, und zur Detektion gelangen muss. Säulen mit kurzem, engem Kanal eignen sich also nicht für die Analyse von Verbindungen, die in niedriger Konzentration vorliegen. Bei längeren Trennsäulen ist ein schnelleres Aufheizen und Abkühlen hilfreich, aber die Säule muss nach wie vor in ein Temperaturgleichgewicht kommen, bevor die nächste Substanzprobe eingespritzt wird, damit die Ergebnisse reproduzierbar sind, wodurch sich jeder Zyklus um einige Minuten verlängert.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein System zum Durchführen von Gaschromatographie-Analysen eine Trennsäule und einen Säulenofen. Die Trennsäule weist einen Einlassabschnitt auf, der an einen Injektor gekoppelt ist, um eine Substanzprobe zu empfangen, und einen Auslassabschnitt, der an einen Detektor gekoppelt ist. Die Trennsäule ist dafür geeignet, die Substanzprobe vom Injektor zum Detektor zu leiten. Der Säulenofen ist dafür geeignet, die Trennsäule zu beheizen, um die Bestandteile der Substanzprobe zu trennen, für eine Detektion mittels des Detektors.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen ist eine Einlassheizung an den Einlassabschnitt der Trennsäule gekoppelt und dafür ausgelegt, entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden. Eine Auslassheizung ist an den Auslassabschnitt der Trennsäule gekoppelt und dafür ausgelegt, entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden. Eine Steuerung ist mit der Einlassheizung und der Auslassheizung wirkverbunden und betreibt die Einlassheizung und die Auslassheizung wahlweise, um entlang der Trennsäule ein stationäres Temperaturprofil zu definieren.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist die Einlassheizung dafür ausgelegt, mindestens eine erste Wärmezone und zweite Wärmezone auszubilden. Die erste Wärmezone wird von einem ersten Teilstück Widerstandsheizdraht, das einen ersten Durchmesser aufweist, erzeugt, die zweite Wärmezone wird von einem zweiten Teilstück Widerstandsheizdraht, das an ein Ende des ersten Teilstücks Widerstandsheizdraht gekoppelt ist, erzeugt, und das zweite Teilstück Widerstandsheizdraht weist einen zweiten Durchmesser auf, der von dem ersten Durchmesser verschieden ist. Die Auslassheizung ist dafür ausgelegt, mindestens eine dritte Wärmezone und eine vierte Wärmezone auszubilden. Die dritte Wärmezone wird von einem dritten Teilstück Widerstandsheizdraht, das einen dritten Durchmesser aufweist, erzeugt, die vierte Wärmezone wird von einem vierten Teilstück Widerstandsheizdraht, das an ein Ende des dritten Teilstücks Widerstandsheizdraht gekoppelt ist, erzeugt, und das vierte Teilstück Widerstandsheizdraht weist einen vierten Durchmesser auf, der von dem dritten Durchmesser verschieden ist.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen weist das Temperaturprofil mindestens einen ersten Temperaturgradienten und einen zweiten Temperaturgradienten auf. Der erste Temperaturgradient ist negativ, und der zweite Temperaturgradient ist positiv.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine erste Wärmezone entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule auszubilden, und die Auslassheizung ist dafür ausgelegt, mindestens eine zweite Wärmezone entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule auszubilden. Die erste Wärmezone wird von der Steuerung auf einer ersten Temperatur gehalten, und die zweite Wärmezone wird von der Steuerung auf einer zweiten Temperatur gehalten. Die zweite Temperatur ist niedriger als die erste Temperatur.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist mindestens eine von der Einlassheizung und der Auslassheizung dafür ausgelegt, eine dritte Wärmezone auszubilden, die entlang der Trennsäule zwischen der ersten und der zweiten Wärmezone angeordnet ist. Die dritte Wärmezone wird von der Steuerung auf einer dritten Temperatur gehalten. Die dritte Temperatur ist niedriger als sowohl die erste als auch die zweite Temperatur.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen sind die Einlassheizung und die Auslassheizung Teil eines fluidfreien Säulenofens. Die Einlassheizung ist an einen ersten Abschnitt eines Stützrahmens des fluidfreien Säulenofens gekoppelt. Die Auslassheizung ist an einen zweiten Abschnitt des Stützrahmens, der von dem ersten Abschnitt verschieden ist, gekoppelt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Durchführen einer schnellen Gaschromatographie Folgendes: Erzeugen eines ersten stationären Temperaturgradienten entlang eines Einlassabschnitts einer Trennsäule unter Verwendung einer Einlassheizung, Erzeugen eines zweiten stationären Temperaturgradienten entlang eines Auslassabschnitts der Trennsäule unter Verwendung einer Auslassheizung, und Transportieren einer Probe der zu analysierenden Substanz von einem Injektor durch die Trennsäule zu einem Detektor, derart, dass Bestandteile der Probe voneinander getrennt und eluiert werden, für eine Detektion mittels des Detektors.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen sind der erste und zweite Temperaturgradient verschieden. Die Einlassheizung ist dafür ausgelegt, mindestens zwei Wärmezonen entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule auszubilden, wobei jede Wärmezone eine andere Temperatur aufweist. Die Auslassheizung ist dafür ausgelegt, mindestens zwei Wärmezonen entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule auszubilden, wobei jede Wärmezone eine andere Temperatur aufweist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann bei der Betrachtung von veranschaulichenden Ausführungsformen offenbar werden, die als Beispiele für die derzeit als beste geltende Ausführungsform der Offenbarung dienen.
Figurenliste
Die ausführliche Beschreibung nimmt auf die beigefügten Figuren Bezug, worin:

1 eine schaubildliche Darstellung eines Gaschromatographie- (GC-) Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, wobei gezeigt ist, dass das GC-System einen Injektor umfasst, der an eine Trennsäule gekoppelt ist, um eine Probe der zu analysierenden Substanz zu einem Detektor zu schicken, und deutlich gemacht ist, dass ein fluidfreier Säulenofen des GC-Systems mehrere Wärmezonen entlang der Säule ausbildet, um ein Temperaturprofil, wie in 2 dargestellt, zu definieren;
2 eine graphische Darstellung ist, die eine Ausführungsform eines Temperaturprofils gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, das durch die unterschiedlichen Temperaturen in den Wärmezonen des GC-Systems von 1 definiert ist;
3 eine auseinandergezogene Darstellung des GC-Systems von 1 ist, die den fluidfreien Säulenofen getrennt von einer Säulenbaugruppe des GC-Systems zeigt und deutlich macht, dass der fluidfreie Säulenofen in der Säulenbaugruppe aufgenommen wird, damit er die Trennsäule in der Säulenbaugruppe beheizt;
4 eine auseinandergezogene Darstellung des GC-Systems von 3 ist, wobei gezeigt ist, dass der fluidfreie Säulenofen einen Stützrahmen aufweist, der so angeordnet ist, dass er Einlass- und Auslassheizungen daran aufnimmt, und deutlich gemacht ist, dass die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, einen Einlassabschnitt des Temperaturprofils entlang der Säule zu definieren, und die Auslassheizung dafür ausgelegt ist, einen Auslassabschnitt des Temperaturprofils zu definieren;
5 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Einlassheizung von 4 ist, wobei gezeigt ist, dass die Einlassheizung mehrere unterschiedlich bemessene Widerstandsdrähte aufweist, die aneinandergereiht sind, um die unterschiedlichen Wärmezonen entlang eines Einlassabschnitts der Trennsäule zu definieren, und deutlich gemacht ist, dass die an die Einlassheizung angelegte Spannung bewirken wird, dass sich die unterschiedlich bemessenen Drähte auf Temperaturen erwärmen, die voneinander verschieden sind;
6 ein Diagramm ist, das die Zonentemperaturen für die einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entsprechenden Einlassheizung von 5 zeigt und deutlich macht, dass die Isttemperaturen in verschiedenen Zonen auf der Grundlage einer Solltemperatur, die in einer der Zonen gemessenen wird, bestimmt werden können, und dass der Einlassabschnitt des Temperaturprofils entlang der Säule auf der Grundlage der Solltemperatur geregelt werden kann;
7 ein Chromatogramm einer BTEX- (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole) Analyse unter Verwendung eines der vorliegenden Offenbarung entsprechenden GC-Systems ist;
8 ein Chromatogramm einer Organochlorpestizid-Analyse unter Verwendung eines GC-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
9 eine schaubildliche Darstellung einer anderen Ausführungsform eines GC-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, wobei gezeigt ist, dass eine Trennsäule des GC-Systems einen Primärsäuleneinlass, einen Primärsäulenauslass und eine Sekundärsäule aufweist, und deutlich gemacht ist, dass ein Wahlventil dafür ausgelegt ist, die Substanzprobe wahlweise entweder direkt vom Primärsäulenauslass oder durch die Sekundärsäule zum Detektor zu leiten;
10 eine schaubildliche Darstellung des GC-Systems von 8 ist, die das Wahlventil in einer geöffneten Stellung zeigt, in der die Substanzprobe durch den Primärsäulenauslass zum Detektor geleitet wird;
11 eine 10 ähnliche Darstellung ist, die das Wahlventil in einer geschlossenen Stellung zeigt, in der die Substanzprobe vom Primärsäulenauslass durch die Sekundärsäule zum Detektor geleitet wird, und deutlich macht, dass ein Trägergasventil verwendet werden kann, um die Primärsäule zu umgehen, wodurch das Strömen der Substanzprobe durch die Primärsäule gestoppt und Trägergas zur Sekundärsäule geleitet wird;
12 ein Diagramm ist, das eine andere Ausführungsform eines Temperaturprofils gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, das durch unterschiedliche Temperaturen in den Wärmezonen des GC-Systems von 9 definiert ist, und deutlich macht, dass die Sekundärsäule in einer Wärmezone auf einer niedrigeren Temperatur als die der Wärmezone des Primärsäulenauslasses angeordnet ist;
13 ein Chromatogramm einer n-Alkan-Kohlenwasserstoffanalyse unter Verwendung eines GC-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, wobei die Probe durch den Primärauslassabschnitt der Säule zum Detektor geleitet wird;
14 ein Chromatogramm einer n-Alkan-Kohlenwasserstoffanalyse unter Verwendung eines GC-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, wobei die Probe durch den Primärsäulenauslass und dann durch die Sekundärsäule, zur zusätzlichen 2-dimensionalen Auftrennung der Substanzprobe, geleitet wird;
15 eine schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform einer Steuerung des fluidfreien Säulenofens (FCO-Steuerung) gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Verwendung in dem GC-System von 4 ist;
16 eine schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform einer FCO-2D-Steuerung gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Verwendung in dem GC-System von 9 ist; und
17 eine schaubildliche Darstellung einer anderen Ausführungsform eines GC-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, wobei gezeigt ist, dass das GC-System mehrere Bandheizungen umfasst, die entlang einer Trennsäule angeordnet sind, und deutlich gemacht ist, dass die Bandheizungen unabhängig voneinander regelbar sind, um entlang der Säule ein Temperaturprofil zu regeln.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Gaschromatographie- („GC“-) System 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 1 gezeigt. Das Gaschromatographiesystem 100 umfasst einen Injektor 102, der an eine Trennsäule 104 gekoppelt ist, um eine Probe der zu analysierenden Substanz zu einem Detektor 106 zu schicken. Ein fluidfreier Säulenofen („FCO“, eng: fluidless column oven) 10 des GC-Systems 100 bildet mehrere Wärmezonen 12 aus, um ein stationäres Temperaturprofil entlang der Trennsäule 104 zu definieren, wie in 1 und 2 deutlich gemacht ist. So, wie der Ausdruck „fluidfrei“ in Bezug auf den Säulenofen 10 gebraucht wird, bedeutet er, dass kein Fluid (z. B. Wasser, Öl, Luft oder andere Flüssigkeit oder Gas) zum Beheizen oder Abkühlen der Trennsäule 104 verwendet wird, um die Säulentemperatur zu halten. Mit anderen Worten, der Hauptantrieb der Temperaturregelung des FCO 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist kein Fluid, wie hier ausführlicher erläutert wird. Die Trennsäule 104 weist, wie in 1 gezeigt, einen Einlassabschnitt 11, der an den Injektor 102 gekoppelt ist, und einen Auslassabschnitt 13, der an den Detektor 106 gekoppelt ist, auf.
Eine Ausführungsform eines Temperaturprofils, das gemäß der vorliegenden Offenbarung durch den FCO 10 definiert wird, ist in 2 gezeigt. In der veranschaulichenden Ausführungsform ist der FCO 10 derart ausgelegt, dass er sechs Wärmezonen ausbildet, die entlang der Trennsäule 104 angeordnet sind, wobei die Zonen 1 bis 3 entlang des Einlassabschnitts 11 angeordnet sind und die Zonen 4 bis 6 entlang des Auslassabschnitts 13 angeordnet sind. Jede der Wärmezonen 1 bis 6 kann so geregelt werden, dass sie die gleiche Temperatur wie oder eine andere Temperatur als eine angrenzende Wärmezone aufweist. Jede Wärmezone grenzt direkt an die nächste Wärmezone an, und dazwischen erfolgt ein Wärmeaustausch, sodass eine glatte, kontinuierliche Temperaturkurve entsteht. Das Temperaturprofil, wie durch die Wärmezonen des FCO 10 definiert, weist einen Abschnitt mit negativem Temperaturgradienten auf, wie etwa entlang des Einlassabschnitts 11, und einen nachfolgenden Abschnitt mit positivem Temperaturgradienten, wie etwa entlang des Auslassabschnitts 13, basierend auf unterschiedlichen Temperaturen der Wärmezonen 1 bis 6. So, wie der Ausdruck „Temperaturprofil“ hier gebraucht wird, verweist er allgemein auf die Temperaturen, die entlang einer Länge der Trennsäule auftreten. So, wie der Ausdruck „Temperaturgradient“ hier gebraucht wird, verweist er allgemein auf eine positive oder negative Änderung im Temperaturprofil. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Abschnitt mit positivem Temperaturgradienten und einen nachfolgenden Abschnitt mit negativem Temperaturgradienten auf. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen insgesamt negativen Temperaturgradienten oder einen insgesamt positiven Temperaturgradienten auf. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Temperaturgradienten von im Wesentlichen null auf.
Bei GC-Analysen ist die Beziehung zwischen Säulentemperatur und Retention einer Verbindung von grundlegender Bedeutung. Retentionszeiten werden über die Säulentemperatur und das Säulendruckgefälle, das durch das Trägergas beeinflusst wird, gesteuert. Eine stabile Säulenofen-Temperaturumgebung ist unerlässlich, um konstante Retentionszeiten für aus der Trennsäule eluierende Verbindungen beizubehalten. Eine geringfügige Änderung der Ofentemperatur kann zu erheblichen Retentionszeitverschiebungen führen, die die korrekte Identifizierung von Verbindungen in einer Probe der zu analysierenden Substanz beeinträchtigen. Geringfügig höhere Ofentemperaturen insgesamt führen dazu, dass Verbindungen früher eluiert werden, mit einer verkürzten Retentionszeit, während eine geringfügig niedrigere Ofentemperatur dazu führt, dass Verbindungen später eluiert werden, mit einer verlängerten Retentionszeit. Neben Temperaturänderungen von einem Lauf zum nächsten tragen auch Variablen wie etwa räumliche Fluktuationen entlang der Säule, verursacht durch Temperaturgradienten und dynamische kurzzeitige Ofentemperaturfluktuationen, zum Problem der Retentionszeitverschiebung bei. Für den schnellsten Analysezyklus ist es am besten, den Heiz- und Kühlzyklus zu beseitigen und die Säule im Gleichgewicht zu halten.
Im Allgemeinen bewegen sich niedriger siedende Verbindungen mit einer höheren Geschwindigkeit durch den negativen Gradienten als höher siedende Verbindungen in der Substanzprobe. Die Wechselwirkung der Verbindungen mit der stationären Phase im Innern der Trennsäule 104 spielt bei der Auftrennung die gleiche Rolle wie bei einem herkömmlichen Luftbadofen. Folglich weisen die Chromatogramme, die mit dem FCO 10 erzeugt sind (wie etwa jene, die in 7 und 8 gezeigt sind), die gleiche Elutionssequenz von Verbindungen auf, die sie auch bei einem Luftbadofen hätten. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der negative Temperaturgradient die Peaks fokussiert, da die vordere Peak-Flanke auf einer etwas niedrigeren Temperatur als die hintere Peak-Flanke ist, wodurch die vordere Flanke in Bezug auf die hintere Flanke verlangsamt wird und die Peaks geschärft und fokussiert werden, während sie den negativen Gradienten durchlaufen. Der nachfolgende positive Gradient erhöht den Druck im Auslassabschnitt 13, um die Peaks noch etwas weiter zusammenzupressen.
Der fluidfreie Säulenofen 10 ist dafür ausgelegt, in einer Säulenbaugruppe 108 des GC-Systems 100 aufgenommen zu werden, wie in 3 deutlich gemacht ist. Mit dem FCO 10 können verschiedene Säulenbaugruppen 108 verwendet werden, wie beispielsweise Säulenbaugruppen 108 mit unterschiedlichen Typen und Längen von Trennsäulen 104. Auch kann der FCO 10 mit unterschiedlichen GC-Systemen 100 verwendet werden. In der veranschaulichenden Ausführungsform ist der FCO 10 mit einer FCO-Steuerung 14 zum Einstellen und Aufrechterhalten des mittels des FCO 10 ausgebildeten Temperaturprofils gekoppelt. Eine Trägergasversorgung 105 stellt ein Trägergas bereit, um eine Probe der Substanz, die mittels des GC-Systems 100 analysiert wird, durch den Injektor 102 und die Trennsäule 104 zum Detektor 106 zu treiben. Eine GC-Steuerung 101 ist von der FCO-Steuerung 14 unabhängig und steuert den Betrieb des GC-Systems 100, wie etwa Parameter der Trägergasversorgung 105, des Injektors 102 und des Detektors 106. In einigen Ausführungsformen ist die GC-Steuerung 101 imstande, die Funktionen der FCO-Steuerung 14 auszuüben, sodass keine eigenständige FCO-Steuerung 14 benötigt wird. Beispiele für graphisch dargestellte Ergebnisse von Analysen, die mittels des GC-Systems 100 durchgeführt wurden, sind in 7 und 8 gezeigt. Bei dem Detektor 106 kann es sich um jede Art von Detektor handeln, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Flammenionisationsdetektoren (FID), Photoionisationsdetektoren (PID), Heliumionisationsdetektoren (HID), Wärmeleitfähigkeitsdetektoren (WLD), flammenphotometrische Detektoren (FPD), Stickstoff-Phosphor-Detektoren (NPD) oder Massenspektrometer (MS).
In einer veranschaulichenden Ausführungsform weist der FCO 10 wie in 4 gezeigt eine Einlassheizung 16 und eine Auslassheizung 18 auf. Die Einlassheizung 16 ist dafür ausgelegt, Wärmezonen 12 entlang des Einlassabschnitts 11 der Trennsäule 104 auszubilden, und die Auslassheizung 18 ist dafür ausgelegt, Wärmezonen 12 entlang des Auslassabschnitts 13 auszubilden. Die Einlass- und die Auslassheizung 16, 18 sind an einen Heizungsstützrahmen 22 montiert. In einigen Ausführungsformen ist der Heizungsstützrahmen 22 ein Drahtsieb von geringer Masse, das in der Form eines Zylinders ist. Ein Metallwerkstoff von geringer Masse, wie beispielsweise nichtrostender Stahl, begrenzt die Wärmeleitfähigkeit zwischen aneinandergrenzenden Wärmezonen 12, während er gleichzeitig für strukturelle Stabilität sorgt. Innenfläche und Außenfläche des Heizungsstützrahmens 22 sind mit einer Dämmung bzw. Isolierung 24 versehen.
Die Einlass- und die Auslassheizung 16, 18 sind wie in 4 gezeigt an die FCO-Steuerung 14 angeschlossen. Ein Einlasstemperatursensor 26 ist an den Heizungsstützrahmen 22 gekoppelt und entlang der Einlassheizung 16 angeordnet. Der Einlasstemperatursensor 26 ist dafür ausgelegt, eine Temperatur einer Wärmezone zu erfassen, die von der Einlassheizung 16 ausgebildet wird, wie beispielsweise die Wärmezone 1, und die erfasste Temperatur an die FCO-Steuerung 14 zu kommunizieren, damit sie die Leistungszufuhr zur Einlassheizung 16 regelt. In ähnlicher Weise ist ein Auslasstemperatursensor 28 an den Heizungsstützrahmen 22 gekoppelt und entlang der Auslassheizung 18 angeordnet. Der Auslasstemperatursensor 28 ist dafür ausgelegt, eine Temperatur einer Wärmezone zu erfassen, die von der Auslassheizung 18 ausgebildet wird, wie beispielsweise die Wärmezone 6, und die erfasste Temperatur an die FCO-Steuerung 14 zu kommunizieren, damit sie die Leistungszufuhr zur Auslassheizung 18 regelt. In einigen Ausführungsformen sind der Einlass- und der Auslasstemperatursensor 26, 28 Thermoelemente.
Eine veranschaulichende Ausführungsform einer Einlassheizung 16 ist in 5 gezeigt. Ein Widerstandsdraht 30 weist mehrere Drahtteilstücke 32, 34, 36 auf, die den Wärmezonen entsprechen, die von der Einlassheizung 16 ausgebildet werden. Die an den Widerstandsdraht 30 angelegte Spannung bewirkt, dass der Widerstandsdraht 30 Wärme erzeugt. Die Drahtteilstücke 32, 34, 36 weisen unterschiedliche Durchmesser auf, um bei einer gegebenen Leistungsaufnahme unterschiedliche Wärmemengen bereitzustellen. Beispielsweise weist das Drahtteilstück 32 einen kleineren Durchmesser als das Drahtteilstück 34 auf, und während die Spannung am Widerstandsdraht 30 anliegt, wird das Drahtteilstück 32 mehr Wärme erzeugen als das Drahtteilstück 34, wie in 6 deutlich gemacht ist. Entsprechend weist das Drahtteilstück 36 einen größeren Durchmesser als die beiden Drahtteilstücke 32, 34 auf, und während die Spannung am Widerstandsdraht 30 anliegt, werden die beiden Drahtteilstücke 32, 34 mehr Wärme erzeugen als das Drahtteilstück 36. Um den Widerstandsdraht 30 erstreckt sich eine wärmeleitende elektrische Isolierung 38, wie in 5 gezeigt, um einen Wärmedurchgang zu ermöglichen und gleichzeitig einen elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Teilstücken der Einlassheizung 16 zu unterbinden. In einigen Ausführungsformen ist die wärmeleitende elektrische Isolierung 38 aus dicht geflochtenen Endlosglasfaserfilamenten gebildet.
Eine Temperatur in den Wärmezonen 2 und 3 kann aus einer Solltemperatur der Zone 1 bestimmt werden, wie sie beispielsweise vom Einlasstemperatursensor 26 erfasst wird, nämlich basierend auf den Eigenschaften des Widerstandsdrahts 30, wie in 6 deutlich gemacht ist. Das Temperaturprofil entlang des Einlassabschnitts 11 der Trennsäule 104 kann auf der Grundlage des Betrags der der Einlassheizung 16 zugeführten Leistung geregelt werden. In einigen Ausführungsformen weist auch die Auslassheizung 18 einen Widerstandsdraht mit unterschiedlichem Durchmesser und wärmeleitender elektrischer Isolierung auf. Die von der Auslassheizung 18 erzeugte Wärme kann ähnlich wie bei der Einlassheizung 16 unter Verwendung der FCO-Steuerung 14 und des Auslasstemperatursensors 28 geregelt werden.
Die FCO-Steuerung 14 ist dafür ausgelegt, den Betrag der Leistung zu regeln, die der Einlassheizung 16 und der Auslassheizung 18 zugeführt wird, um ein ausgewähltes Temperaturprofil aufrechtzuerhalten, wie in 2 deutlich gemacht ist. In einigen Ausführungsformen führt die FCO-Steuerung 14 basierend auf Temperatursignalen, die vom Einlass- und vom Auslasstemperatursensor 26, 28 bereitgestellt werden, der Einlass- und der Auslassheizung 16, 18 wahlweise Leistung zu, wie in 4 deutlich gemacht ist. Obwohl die Temperaturregelung mittels des FCO 10 fluidfrei erfolgt, kühlen infolge der Wärmeausbreitung durch die Isolierung, die den FCO 10 umgibt, der FCO 10 und die Trennsäule 104 selbstverständlich ab, wenn die der Einlass- und der Auslassheizung 16, 18 zugeführte Leistung reduziert oder abgeschaltet wird.
In 4 ist eine Ausführungsform einer Säulenbaugruppe 108 gezeigt. Die Säulenbaugruppe 108 umfasst einen Säulenstützrahmen 107, der die Trennsäule 104 und die Isolierung 109, die sich um eine Außenfläche der Trennsäule 104 erstreckt, stützt. Der Säulenstützrahmen 107 ist dafür bemessen, im Innern den FCO 10 so aufzunehmen, dass die Wärme direkt auf die Trennsäule 104 aufgebracht werden kann. In einigen Ausführungsformen ist der Säulenstützrahmen 107 ein Drahtsieb von geringer Masse, das in der Form eines Zylinders ist.
Ein der vorliegenden Offenbarung entsprechendes beispielhaftes Chromatogramm einer BTEX- (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole) Analyse unter Verwendung eines GC-Systems 100 mit dem FCO 10, eingebaut in ein GC-System DPS Companion 2 Portable von der Firma DPS Instruments Europe GmbH, wobei es sich um ein GC-System mit On-column-Injektor und Flammenionisationsdetektor (FID) gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt, ist in 7 gezeigt. Für die Analyse wurden eine Solltemperatur von 140 °C am Einlass und eine Solltemperatur von 45 °C am Auslass gewählt. Die Einlass- und die Auslasstemperatur wurden mittels der Standard-Heizkreise im GC-System DPS Companion 2 Portable derart geregelt, dass anstelle einer eigenständigen FCO-Steuerung die GC-Steuerung 101 des Systems verwendet wurde. Die Temperatur des FID-Detektors war auf 150 °C eingestellt, um sicherzugehen, dass alle von der Trennsäule 104 eluierenden Verbindungen es bis zum Detektor 106 schaffen würden. Die Verstärkung des FID war auf 6 eingestellt, bei einer Kollektorspannung von -100 V zum Verstärker, und darauf folgte das Chromatographiedatensystem zum Erfassen der Daten. Die Auftrennung erfolgte mittels einer MXT-1-Kapillarsäule 30 Meter × 0,53 Millimeter, 1 Mikrometer Schichtdicke, mit Helium als Trägergas. In einigen Ausführungsformen kann der FCO 10 mit den Temperaturregelschaltungen geregelt werden, die bei einigen im Handel erhältlichen GC-Systemen anzutreffen sind, indem die Einlass- und die Auslassheizung 16, 18 und Temperatursensoren 26, 28 daran angeschlossen werden. Sollten die Schaltungen nicht zur Verfügung stehen, kann der FCO 10 auch mittels einer eigenständigen FCO-Steuerung 14 gesteuert werden, wie in 4 deutlich gemacht ist. Die Trägergasregelung kann mittels Standard-Druckregelschaltungen erfolgen, wie sie im DPS Companion 2 Portable GC anzutreffen sind.
Die Chromatogrammergebnisse von 7 weisen eine gute Peakform auf, bei einer Auftrennung in weniger als 1 Minute. Mit einem herkömmlichen Luftbadofen würden für die gleiche Analyse ungefähr 6 Minuten benötigt werden, hinzu kämen weitere 2 Minuten zum Abkühlen und noch 2 Minuten zum Einstellen des Temperaturgleichgewichts, sodass sich eine Gesamtzykluszeit von einem Lauf zum nächsten von 10 Minuten ergibt. Die Verwendung des FCO 10 ermöglicht zehnmal schneller Analysen, da die Substanzproben unmittelbar nacheinander analysiert werden können, ohne Aufheiz- und Abkühlungszyklen zu erfordern. Bei einigen Ausführungsformen können 60 Substanzproben pro Stunde mit dem GC-System 100 analysiert werden. Dies kann mit den bisherigen herkömmlichen fluidbasierten Öfen verglichen werden, die nur sechs Substanzproben pro Stunde analysieren konnten. Für noch schnellere Analysen unter Verwendung des FCO 10 gemäß dieser Offenbarung könnte eine Säule mit einem kürzeren und engeren Kanal in das GC-System 100 eingebaut werden. Ein Umstellen des Trägergases auf Wasserstoff würde die Analyse ebenfalls beschleunigen.
Das Gaschromatographiesystem 100 kann auch für höher siedende oder mittelflüchtige Verbindungen verwendet werden. In 8 ist ein der vorliegenden Offenbarung entsprechendes beispielhaftes Chromatogramm einer Organochlorpestizid-Analyse unter Verwendung des GC-Systems 100 mit dem FCO 10 gezeigt, der in ein GC-System DPS Companion 2 Portable eingebaut ist. Es wurden ein Einlasstemperatursollwert von 320 °C und ein Auslasstemperatursollwert von 180 °C ausgewählt. Bei dieser Analyse wurden die gleichen Heizungsregelschaltungen wie vorstehend beschrieben verwendet, die in dem DPS GC-System enthalten sind. Die Temperatur des FID-Detektors war auf 250 °C eingestellt, um sicherzustellen, dass alle von der Trennsäule 104 eluierenden Verbindungen es bis zum Detektor 106 schaffen würden. Die Verstärkung des FID war auf 6 eingestellt, bei einer Kollektorspannung von -100 V zum Verstärker, und darauf folgte das Chromatographiedatensystem zum Erfassen der Daten. Für die Auftrennung wurde eine MXT-1-Kapillarsäule 30 Meter × 0,53 Millimeter, 1 Mikrometer Schichtdicke verwendet. Es handelt sich dabei nicht um die übliche Säule der Wahl für die Pestizidanalyse, und die Peaktrennung ist nicht so gut wie bei einer pestizidspezifischen Säule, aber das Chromatogramm zeigt gute Ergebnisse mit einer universellen 30-Meter-Kapillarsäule, wenn der FCO 10 verwendet wird. Mit Hilfe eines Trägergasdruck-Programms in der GC-Steuerung 101 werden die Verbindungen in weniger als 4 min eluiert. Bei dieser Ausgestaltung, mit eingebautem FCO 10, ist das GC-System 100 imstande 15 Pestizidanalysen pro Stunde durchzuführen. Dies ist eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Systemen, deren Leistung typischerweise im Bereich von zwei Pestizidanalysen pro Stunde liegt, sodass das GC-System 100 um mehr als siebenmal schneller ist.
Eine andere Ausführungsform eines Gaschromatographiesystems 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 9 gezeigt. Das GC-System 200 umfasst einen Injektor 202, der an eine Trennsäule 204 gekoppelt ist, um eine Probe der zu analysierenden Substanz zu einem Detektor 206 zu schicken. Ein fluidfreier Säulenofen 210 des GC-Systems 200 bildet mehrere Wärmezonen aus, um ein Temperaturprofil entlang der Trennsäule 204 zu definieren, wie in 12 deutlich gemacht ist. Die Trennsäule 204 erstreckt sich um einen Säulenstützrahmen 207 als Teil einer Säulenbaugruppe 208.
Wie in 9 gezeigt, weist die Trennsäule 204 einen Primärsäuleneinlass 211, einen Primärsäulenauslass 213 und eine Sekundärsäule 215 auf. Der Primärsäuleneinlass 211 ist an den Injektor 202 gekoppelt, um die Substanzprobe zu empfangen. Ein Wahlventil 242 verbindet den Primärsäulenauslass 213 und die Sekundärsäule 215 mit dem Detektor 206 über eine Transferstrecke 245. Das Wahlventil 242 ist dafür ausgelegt, die Substanzprobe, die den Primärsäulenauslass 213 verlässt, entsprechend einer Wahl, die ein Benutzer des GC-Systems 200 getroffen hat, zum Detektor 206 oder durch die Sekundärsäule 215 zu leiten, wie in 9 bis 11 deutlich gemacht ist. In 10 ist das Wahlventil 242 in einer geöffneten Stellung gezeigt, in der die Substanzprobe zum Detektor 206 geleitet wird, und in 11 ist das Wahlventil 242 in einer geschlossenen Stellung gezeigt, in der die Substanzprobe durch die Sekundärsäule 215 geleitet wird, bevor sie den Detektor 206 erreicht. Das Leiten eines Teils des aus einer Primärsäule ausströmenden Mediums zu einer Sekundärsäule, für eine weitere Auftrennung, wird mitunter als 2-dimensionale („2D-“) Analyse bezeichnet.
Der fluidfreie Säulenofen 210 weist eine Einlassheizung 216 auf, die sich entlang des Primärsäuleneinlasses 211 der Trennsäule 204 erstreckt, eine Auslassheizung 218, die sich entlang des Primärsäulenauslasses 213 erstreckt, und eine sekundäre Heizung 219, die sich entlang der Sekundärsäule 215 erstreckt, wie in 9 deutlich gemacht ist. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Auslassheizung 218 sowohl entlang des Primärsäulenauslasses 213 als auch der Sekundärsäule 215, anstelle einer eigenständigen sekundären Heizung 219. Eine Ausführungsform eines Temperaturprofils, das gemäß der vorliegenden Offenbarung durch den FCO 210 definiert wird, ist in 12 gezeigt. Bei der veranschaulichenden Ausführungsform ist der FCO 210 derart ausgelegt, dass er sieben Wärmezonen ausbildet, die entlang der Trennsäule 204 angeordnet sind, wobei die Zonen 1 bis 3 entlang des Primärsäuleneinlasses 211 angeordnet sind, die Zonen 4 bis 6 entlang des Primärsäulenauslasses 213 angeordnet sind und die Zone 7 entlang der Sekundärsäule 215 angeordnet ist. Jede der Wärmezonen 1 bis 7 kann so geregelt werden, dass sie die gleiche Temperatur wie oder eine andere Temperatur als eine angrenzende Wärmezone aufweist. Das Temperaturprofil, wie durch die Wärmezonen des FCO 210 definiert, weist basierend auf unterschiedlichen Temperaturen der Wärmezonen 1 bis 6 einen Abschnitt mit negativem Temperaturgradienten auf, wie etwa entlang des Primärsäulenauslasses 211, und einen nachfolgenden Abschnitt mit positivem Temperaturgradienten, wie etwa entlang des Primärsäulenauslasses 213. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Abschnitt mit positivem Temperaturgradienten und einen nachfolgenden Abschnitt mit negativem Temperaturgradienten auf. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen insgesamt negativen Temperaturgradienten oder einen insgesamt positiven Temperaturgradienten auf. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Temperaturgradienten von im Wesentlichen null auf.
In der veranschaulichenden Ausführungsform ist die Temperatur der Zone 7, für die Sekundärsäule 215, niedriger als in den Zonen 4 bis 6 für den Primärsäulenauslass 213, wie in 12 deutlich gemacht ist. Bei einigen Ausführungsformen beginnt eine Analyse, die unter Verwendung des GC-Systems 200 durchgeführt wird, mit dem Wahlventil in der geschlossenen Stellung, um niedriger siedenden Bestandteilen in der Substanzprobe zu ermöglichen, aus dem Primärsäulenauslass 213 zu eluieren und die Sekundärsäule 215 zu passieren, bevor sie den Detektor 206 erreichen. Zu einem späteren Zeitpunkt der Analyse wird das Wahlventil 242 in die geöffnete Position zurückgestellt, um höher siedende Bestandteile, die aus der Substanzprobe eluiert wurden, vom Primärsäulenauslass 213 zum Detektor 206 zu leiten, ohne dass sie die Sekundärsäule 215 passieren. Die niedriger siedenden Bestandteile, welche die Sekundärsäule 215 passieren, werden der niedrigeren Temperatur der Wärmezone 7 ausgesetzt, wohingegen die höher siedenden Bestandteile der höheren Temperatur der Wärmezone 6 ausgesetzt werden, bevor sie zum Detektor 206 gelangen. Bei Analysen, bei denen sowohl flüchtige als auch mittelflüchtige Verbindungen vorliegen, sind zwei verschiedene Detektortemperaturen zweckmäßig.
Ein Trägergasventil 246 ist an den Injektor 202 gekoppelt und ist wie in 9 bis 11 gezeigt über eine Umgehungsleitung 248 an ein Wahlventil 242 gekoppelt. Das Trägergasventil 246 ist dafür ausgelegt, Trägergas, das bei einer GC-Analyse verwendet wird, entsprechend der Wahl, die von einem Benutzer des GC-Systems 200 getroffen wird, durch den Injektor 202 (und zum Primärsäuleneinlass 211) oder durch die Umgehungsleitung 248 zum Wahlventil 242 zu leiten. An die Umgehungsleitung 248 ist eine Drossel 249 gekoppelt, die zusammen mit der Sekundärsäule 215 eine ähnliche Durchflussbegrenzung wie die vom Primärsäuleneinlass 211 zum Primärsäulenauslass 213 bildet, um einen konstanten Trägergasstrom durch das GC-System 200 aufrechtzuerhalten. In der veranschaulichenden Ausführungsform ist das Wahlventil 242 ein Dreiwegeventil mit fünf Anschlüssen zum Anschließen an die Umgehungsleitung 248, den Primärsäulenauslass 213, einen Einlass und einen Auslass der Sekundärsäule 215 und an die Transferstrecke 245. Das Trägergasventil 246 kann auch ein Dreiwegeventil sein, allerdings mit drei Anschlüssen, nämlich an eine Trägergasversorgung (in 9 bis 11 nicht gezeigt), den Injektor 202 und eine Umgehungsleitung 248.
Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform werden das Trägergas und die Substanzprobe durch den Injektor 202, durch die Primärsäule 204 und durch das Wahlventil 242 in der geöffneten Stellung zum Detektor 206 geschickt, wie in 10 deutlich gemacht ist. Das Wahlventil 242 wird in die geschlossene Stellung bewegt, um mindestens einen Teil der Substanzprobe in die Sekundärsäule 215 zu leiten, wie in 11 durch die durchgezogenen Pfeile deutlich gemacht ist. Das Trägergasventil 246 kann betätigt werden, sodass Trägergas durch die Umgehungsleitung 248 geschickt wird, um den Strom der Substanzprobe durch die Primärsäule 204 zu stoppen, während der Strom durch die Sekundärsäule 215 fortbesteht, wie in 11 durch die gestrichelten Pfeile deutlich gemacht ist.
Beim Start der Analyse wird das Wahlventil 242 in die geschlossene Stellung gebracht, sodass das Lösungsmittel und die niedriger siedenden Verbindungen zur Sekundärsäule 215 in der Wärmezone 7 geleitet werden. Dadurch verlängert sich die Wegstrecke der Substanzprobe, sodass diese Verbindungen bei einer niedrigeren Sekundärsäulentemperatur weiter voneinander getrennt werden. Die zusätzliche Strecke bedingt mehr Zeit für die Auftrennung, und es wird ein Dreiwege-Trägergas-Umgehungsventil 205 verwendet, um die Bewegung der Substanzprobe durch die Primärsäule 204 zu stoppen, während die Sekundärsäule 215 die zusätzliche 2-dimensionale Auftrennung durchführt. Das Trägergas umgeht die Primärsäule 204 und wird via das Wahlventil 242 zur Sekundärsäule 215 geleitet. In 14 ist ein Beispiel für ein Stoppen der Substanzprobe in der Primärsäule 204 gezeigt, bei dem der C16-Peak im Chromatogramm 0,7 min später als in 13 kommt, was in unmittelbarem Zusammenhang mit der Zeit steht, zu der das Trägergas-Umgehungsventil 205 betätigt wurde. Sobald die Sekundärsäule 215 die zusätzliche Auftrennung durchgeführt hat, wird das Wahlventil 242 in die geöffnete Stellung gebracht und das Trägergas-Umgehungsventil 205 wird in die geöffnete Stellung gebracht, sodass es den restlichen Verbindungen in der Trennsäule 204 durch die höhere Auslasstemperatur in der Wärmezone 6 möglich ist, zu eluieren.
Das Trägergasventil 246 kann unabhängig vom Wahlventil 242 gesteuert werden. Das Trägergas kann die Sekundärsäule 215 umgehen, während sich das Wahlventil 242 in der geöffneten oder in der geschlossenen Stellung befindet. Während einer Analyse kann das Wahlventil 242 einmal oder mehrmals betätigt werden, um Teile der Substanzprobe vom Primärsäulenauslass 213 zur Sekundärsäule 215 zu leiten. Ebenso kann das Trägergasventil 246 einmal oder mehrmals während der Analyse betätigt werden, um den Strom der Substanzprobe durch die Primärsäule 204 zu stoppen. Das Wahlventil 242 wird in der Wärmezone 2 auf der höheren Einlasstemperatur gehalten, um jede möglicherweise auftretende Verschleppung minimal zu halten. Eine Betätigung des Ventils 242 wirkt sich nicht auf das Temperaturprofil aus, sodass nach wie vor eine Substanzprobe unmittelbar nach der anderen analysiert werden kann.
In 13 und 14 sind der vorliegenden Offenbarung entsprechende beispielhafte Chromatogramme von n-Alkan-Kohlenwasserstoffanalysen unter Verwendung des GC-Systems 200 mit dem FCO 210, eingebaut in ein GC-System DPS Companion 2 Portable, gezeigt. Für die Primärsäule wurden ein Einlasstemperatursollwert von 200 °C und ein Auslasstemperatursollwert von 170 °C gewählt. Bei dieser Analyse wurden die gleichen Heizungsregelschaltungen wie vorstehend beschrieben verwendet, die in dem DPS GC-System enthalten sind. Zudem wurden das Trägergasventil 246 und das Wahlventil 242 durch das GC-System DPS gesteuert, damit ist dies ein Beispiel für die GC-Steuerung 101 innerhalb des GC-Systems DPS, die anstelle der eigenständigen FCO-2D-Steuerung 214 arbeitet. Die Temperatur des FID-Detektors war auf 250 °C eingestellt, um sicherzustellen, dass alle von der der Trennsäule 204 eluierenden Verbindungen es bis zum Detektor 106 schaffen würden. Für den FID war die niedrigere Verstärkung von 4 eingestellt, bei einer Kollektorspannung von -100 V zum Verstärker, und darauf folgte das Chromatographiedatensystem zum Erfassen der Daten. Für die Auftrennung wurde eine MXT-1-Kapillarsäule 30 Meter × 0,53 Millimeter, 1 Mikrometer Schichtdicke verwendet, und als Trägergas wurde Wasserstoff verwendet.
13 ist ein Beispiel für eine Auftrennung unter ausschließlicher Verwendung der Primärsäule 204, wobei der C10-Peak mit dem Lösungsmittel-Peak verschmolzen ist. 14 zeigt eine weitere 2-dimensionale Auftrennung derselben Substanzprobe, wobei der C10-Peak vom Lösungsmittel getrennt wurde, nämlich mit einer Sekundärsäule 215 auf einer Temperatur von 120 °C. Bei dieser Ausführungsform war die Sekundärsäule 215 ein kurzes 4-Meter-Teilstück der gleichen Säule, die als Primärsäule 204 verwendet wurde, und war innerhalb der Wärmezone 7 angeordnet. Die Wärmezone 7 wurde von der Auslassheizung 218 ausgebildet. Bei einem Sollwert der primären Auslassheizung 218 von 170 °C folgte die Wärmezone 7 mit einer Temperatur von 120 °C. Um die 2D-Analyse durchzuführen, wurden das Wahlventil 242 und das Trägergasventil 246 zu den in 14 angegebenen Zeiten betätigt.
In einer veranschaulichenden Ausführungsform umfasst die FCO-Steuerung 14 wie in 15 gezeigt eine Steuerplatine 50, ein Netzanschlussmodul 52, ein Netzteil 54 und eine graphische Benutzeroberfläche 56. Die Steuerplatine 50 umfasst Temperaturregelschaltungen zum Regeln der Temperaturen der Einlassheizung 16 und der Auslassheizung 18 und zum Entgegennehmen von Eingaben vom Einlasstemperatursensor 26 und Auslasstemperatursensor 28. Für die Heizungen 16, 18 und die Temperatursensoren 26, 28 können festverdrahtete und drahtlose Verbindungen verwendet werden. Das Netzanschlussmodul 52 umfasst verschiedene Leistungskomponenten, wie etwa einen Netzschalter, elektrische Anschlüsse, Filter (z. B. Netzfilter) und/oder Schutzschalter. Das Netzteil 54 liefert Strom (z. B. zur Versorgung der Heizungen 16, 18, der graphischen Benutzeroberfläche 56 oder anderer Komponenten). Über die graphische Benutzeroberfläche 56 können unter anderem die Solltemperaturen für den Einlass und den Auslass festgesetzt werden. Die FCO-Steuerung 14 kann in eine GC-Systemsteuerung integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem FCO 10 und der FCO-Steuerung 14 um eigenständige Komponenten handeln, die verwendet werden könnten, um aus fast jedem GC- oder GC/MS-System ein schnelles GC-System gemäß der vorliegenden Offenbarung zu machen.
Eine veranschaulichende Ausführungsform einer FCO-2D-Steuerung zur Verwendung im GC-System 200 ist in 16 gezeigt. Die FCO-2D-Steuerung 214 umfasst eine Steuerplatine 250, ein Netzanschlussmodul 252, ein Netzteil 254 und eine graphische Benutzeroberfläche 256. Die Steuerplatine 250 umfasst Temperaturregelschaltungen zum Regeln der Temperaturen der Einlassheizung 216, der Auslassheizung 218 und der sekundären (2D-) Heizung 219 und zum Entgegennehmen von Eingaben von einem Einlass-Thermoelement 226, einem Auslass-Thermoelement 228 und einem sekundären (2D-) Thermoelement 229, das an die sekundäre Heizung 219 angrenzend angeordnet ist. Außerdem stellt die Steuerplatine 250 eine Verbindung mit Stellantrieben 258, 259 des Wahlventils 242 bzw. des Trägergasventils 246 her, nämlich zum Steuern der Betätigung des Wahlventils 242 und des Trägergasventils 246. In einigen Ausführungsformen betätigt der Ventilantrieb 258 das Wahlventil 242, etwa durch Drehen. In einigen Ausführungsformen betätigt der Ventilantrieb 259 das Trägerventil 246. In einigen Ausführungsformen ist der Ventilantrieb 259 ein Solenoid. Für die Heizungen 216, 218, 219, die Temperatursensoren 226, 228, 229 und die Ventilantriebe 258 und 259 können festverdrahtete und drahtlose Verbindungen verwendet werden. Das Netzanschlussmodul 52 umfasst verschiedene Leistungskomponenten, wie etwa einen Netzschalter, elektrische Anschlüsse, Filter (z. B. Netzfilter) und/oder Schutzschalter. Das Netzteil 54 liefert Strom (z. B. zur Versorgung der Heizungen 216, 218, 219 der graphischen Benutzeroberfläche 256, der Ventilantriebe 258, 259 oder anderer Komponenten). Über die graphische Benutzeroberfläche 256 können unter anderem die Solltemperaturen für Einlass und Auslass sowie zeitgesteuerte Ventilbetätigungen festgesetzt werden. Die FCO-2D-Steuerung 214 kann in eine GC-Systemsteuerung integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem FCO 210 und der FCO-2D-Steuerung 214 um eigenständige Komponenten handeln, die verwendet werden könnten, um aus fast jedem GC- oder GC/MS-System ein schnelles GC-System gemäß der vorliegenden Offenbarung zu machen.
Eine andere Ausführungsform eines Gaschromatographiesystems 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 17 gezeigt. Das GC-System 300 umfasst einen Injektor 302, der an eine Trennsäule 304 gekoppelt ist, um eine Probe der zu analysierenden Substanz zu einem Detektor 306 zu schicken. Ein fluidfreier Säulenofen 310 des GC-Systems 300 bildet mehrere Wärmezonen aus, um ein Temperaturprofil entlang der Trennsäule 304 zu definieren. Die Trennsäule 304 weist einen Einlassabschnitt 311, der an den Injektor 302 gekoppelt ist, und einen Auslassabschnitt 313, der an den Detektor 306 gekoppelt ist, auf.
Wie in 17 gezeigt, umfasst der fluidfreie Säulenofen 310 mehrere Bandheizungen 319, die entlang der Trennsäule 304 angeordnet sind. Jede Bandheizung 319 ist dafür ausgelegt, eine Wärmezone bereitzustellen, und ist unabhängig von den anderen Bandheizungen 319 regelbar. Die Temperaturen jeder Wärmezone können eingestellt werden, um entlang der Trennsäule 304 verschiedene Temperaturprofile bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Abschnitt mit negativem Temperaturgradienten auf, wie etwa entlang des Einlassabschnitts 311, und einen nachfolgenden Abschnitt mit positivem Temperaturgradienten, wie etwa entlang des Auslassabschnitts 313. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Abschnitt mit positivem Temperaturgradienten und einen nachfolgenden Abschnitt mit negativem Temperaturgradienten auf. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen insgesamt negativen Temperaturgradienten oder einen insgesamt positiven Temperaturgradienten auf. In einigen Ausführungsformen weist das Temperaturprofil einen Temperaturgradienten von im Wesentlichen null auf.
In veranschaulichenden Ausführungsformen werden Systeme und Verfahren offenbart, um eine schnelle Gaschromatographie- (GC-) Analyse zu erzielen, indem innerhalb eines GC-Systems ein fluidfreier Säulenofen (FCO) angeordnet wird, wobei beheizte Zonen ein Temperaturprofil auf die Trennsäule übertragen. Der FCO weist eine Reihe widerstandsbeheizter Temperaturzonen auf, die verschiedene Kombinationen von gleichtemperierten Regionen und Regionen mit negativem bzw. positivem Temperaturgradienten bereitstellen. Temperaturregelkreise für die beheizten Zonen und eine Isolierung, die die Heizungen und die Trennsäule umgibt, erhalten an der Trennsäule ein stationäres Temperaturprofil aufrecht. Es wird kein Fluid zur Kühlung der Trennsäule zwischen den Analysen verwendet, was schnelle Analysen ermöglicht, da die üblichen Heiz- und Kühlzyklen, die bei herkömmlichen fluidbasierten Öfen für Analysen üblich sind, entfallen.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen wird ein Temperaturprofil entlang der Säule 104 unter Verwendung von Heizungen 16, 18 erzeugt, die an Heizungsregelkreise angeschlossen sind. Wenn zwei oder mehr Heizungen 16, 18 zusammenwirkend verwendet werden, können sowohl positive als auch negative Temperaturgradienten ausgebildet werden. Diese Temperaturgradienten können dann verwendet werden, um verschiedene Abschnitte der Säule 104 mit verschiedenen Temperaturen zu beaufschlagen, sodass das Säulentemperaturprofil erzeugt wird. Das Temperaturprofil an der Säule 104 wird in einem stationären Zustand gehalten, wodurch es möglich ist, eine Analyse unmittelbar nach der anderen durchzuführen. Obwohl die Säulentemperaturregelung fluidfrei erfolgt, kühlt infolge der Wärmeausbreitung durch die Isolierung, die den FCO 10 umgibt, die Säule 104 selbstverständlich ab, wenn die den Heizelementen 16, 18 zugeführte Leistung reduziert oder abgeschaltet wird.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist der fluidfreie Säulenofen 10 eine Vorrichtung, die dafür konzipiert ist, die Beschränkungen zu reduzieren, die bislang bei schnellen GC-Vorrichtungen und GC-Vorrichtungen mit fluidbasiertem Ofen anzutreffen waren. Beispielsweise ermöglicht der FCO 10 die Verwendung von gepackten Säulen, mikrogepackten Säulen und langen (z. B. 30 oder 60 Meter) Kapillarsäulen, ohne Einschränkung bei den Säulenkanalweiten dadurch, dass (i) die Säule in einem konstanten Temperaturprofil gehalten wird, (ii) die Temperaturrampenphase des Analysezyklus entfällt, (iii) die Abkühlphase des Zyklus entfällt, (iv) die Zeit bis zum Erreichen des Gleichgewichts oder Pausenzeit zwischen Analysen entfällt, und (v) eine Temperaturstabilität erreicht wird, die einem isothermen Lauf gleich ist. Bei Verwendung eines GC-Systems 100 mit dem FCO 10 werden die Analysezeiten um einen Faktor von 5 bis 10 im Vergleich zu anderen Verfahren der Säulenbeheizung verkürzt.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen stören der FCO 10 und der Injektor 102 des GC-Systems 100 sich nicht gegenseitig, sodass die meisten Standard-Injektoren verwendet werden können, beispielsweise on-column, split/splitless und mit Verdampfung bei programmierter Temperatur. Überdies stören solche Ausführungsformen nicht die Position, Installation oder Funktion von Autoinjektoren oder Konzentrationsvorrichtungen, die an GC-Systeme angeschlossen sind, wie etwa Headspace-, Purge & Trap- oder Luftkonzentratoren, die Substanzproben vor der Injektion vorkonzentrieren. Großvolumige Gasprobeninjektionen oder Gasproben-Ventilinjektionen sind ebenfalls möglich, wobei das Injektionsvolumen nur von der Probenbelastbarkeit der gewählten Säule abhängt. Außerdem stören der FCO 10 und der GC-Detektor 106 sich nicht gegenseitig, sodass für das Detektionssystem alle gängigen Detektoren oder ein Massenspektrometer verwendbar sind.
In veranschaulichenden Ausführungsformen umfasst der FCO 10 eine Einlassheizungsbaugruppe 16, eine Auslassheizungsbaugruppe 18 mit einem Heizelement 30, ein Einlass-Thermoelement 26, ein Auslass-Thermoelement 28, eine elektrisch isolierende Ummantelung 38, Einlassheizungs-Anschlussdrähte, Auslassheizungs-Anschlussdrähte und einen Heizungsstützrahmen 22. Der FCO 10 bildet entlang der Säule Wärmezone 12 aus. Der Heizungsstützrahmen 22 ist ein Drahtsieb von geringer Masse, das in der Form eines Zylinders ist. Beide Seiten des Heizungsstützrahmens 22 sind isoliert, um eine Wärmeübertragung zwischen Wärmezonen 12 durch den metallischen Stützrahmen zu verhindern. Der Durchmesser bzw. die Form des Heizungsstützrahmens 22 kann unterschiedlich bemessen sein, damit er bei spezifischen Säulentypen passt. Bei metallischen Kapillarsäulen, die etwa 8,9 Zentimeter (3,5 Zoll) klein zusammengewickelt sein können, kann der Durchmesser des Heizungsstützrahmens 22 klein sein, beispielsweise nur etwa 6,4 Zentimeter (2,5 Zoll). Ein FCO 10 mit einer 30 Meter langen metallischen Kapillarsäule ist klein genug, um in kleine Ofen- und portable GC-Systeme eingebaut zu werden, wie etwa in das DPS Companion, hergestellt von der DPS Instruments Europe GmbH. Bei anderen Säulen, wie etwa Kapillarsäulen aus Quarzglas mit weitem Kanal, die größere Windungen der Säule erfordern, um Spannungen und Brüche der Säule zu vermeiden, kann ein Heizungsstützrahmen 22 mit größerem Durchmesser erforderlich sein.
In veranschaulichenden Ausführungsformen kann die Einlassheizungsbaugruppe 16 aus Heizelementabschnitten 32, 34, 36 gebildet sein, die um den oberen Teil des Heizungsstützrahmens 22 gewickelt oder gewunden sind. Bei einigen Ausführungsformen kann das Heizelement 30 der Einlassheizungsbaugruppe 16 eine einzige Wärmezone oder mehrere Wärmezonen ausbilden, um das Temperaturprofil für die Einlassheizungsbaugruppe 16 zu steuern. Eine einzige Wärmezone würde ein gleichtemperiertes Profil an diesem Abschnitt der Säule 104 ausbilden. Für eine feinere Temperaturregelung können zusätzliche Heizelemente oder unterschiedliche Heizelemente verwendet werden, um mehrere Wärmezonen mit sich unterscheidenden Wärmewerten zu erzeugen. Hat eine nachfolgende oder angrenzende Wärmezone einen niedrigeren Wärmewert als die vorhergehende, so entsteht ein negativer Temperaturgradient. Weist eine nachfolgende oder angrenzende Wärmezone eine höhere Heizfähigkeit als die vorhergehende auf, so entsteht in diesem Teilstück des Temperaturprofils an der Säule 104 ein positiver Temperaturgradient.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen werden durch drei Heizelementabschnitte 32, 34, 36, die aneinandergereiht sind, um die Einlassheizungsbaugruppe 16 zu bilden, drei Wärmezonen ausgebildet. In einigen Ausführungsformen können die Heizelementabschnitte 32, 34, 36 der Einlassheizungsbaugruppe 16 der Einfachheit halber Stoß an Stoß aneinander befestigt sein. Alternativ oder zusätzlich könnte jede Wärmezone in drei einzelne Zonen (Heizung und Thermoelementvorrichtung) aufgeteilt und unter Verwendung von drei Temperaturregelkreisen geregelt werden. Drei Wärmezonen sind zu einer einzigen Heizungsbaugruppe kombiniert, um dem Benutzer, wie etwa einem GC-Analytiker, eine einfache und benutzerfreundliche Programmierung zu ermöglichen. Jede Wärmezone 12 kann einen anderen der Heizelementabschnitte 32, 34 36 und eine andere Heizfähigkeit aufweisen. Die Heizelementabschnitte 32, 34, 36 können Widerstandsdrähte mit unterschiedlichen Durchmessern sein. Diese Widerstandsdrähte können durch unterschiedliche Verfahren an den Enden miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die Widerstandsdrähte in einem elektrischen Verbinder gecrimpt sein, unter Verwendung von Silberlot oder einem anderen Verbindungsmaterial verlötet sein oder punktgeschweißt sein. Es können auch andere Heizungstypen verwendet werden. Beispielsweise könnte ein FCO Bandheizungen (wie etwa bei dem FCO 310), Heizschnüre entlang einer oder mehrerer Wärmezonen oder irgendeinen anderen Typ von Heizvorrichtungen verwenden. Die verschiedenen Heizungstypen können ebenfalls eine oder mehrere Wärmezonen erzeugen, und jeder Wärmezone können ein Thermoelement und eine Regelschaltung zugeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die Heizfähigkeit früherer Wärmezonen größer als die Heizfähigkeit späterer Wärmezonen, sodass für die Einlassheizungsbaugruppe 16 ein negativer Temperaturgradient ausgebildet wird.
Zum Messen der Temperatur in der erste Wärmezone ist, bei veranschaulichenden Ausführungsformen, ein Thermoelement 26 (oder ein Thermistor oder ein anderer Temperatursensor) am Heizungsstützrahmen 22 zwischen Heizwendeln gesichert. Die Temperatur am Thermoelement 26 kann als Einlasstemperatur der Verbindungen angesehen werden, die in die Trennsäule 104 injiziert werden. Die am Einlass endenden Drähte sind an den Enden der Einlassheizungsbaugruppe 16 mit der Heizungsregelungsschaltung in der FCO-Steuerung 14 auf der Steuerplatine verbunden. Die Heizungsregelungsschaltung und das Thermoelement 26 können verwendet werden, um einen Temperaturregelkreis zu bilden. Die elektrisch isolierende Ummantelung 38 umgibt das Heizelement 30. Die elektrisch isolierende Ummantelung 38 schwächt Kontakte zwischen aneinandergrenzenden Abschnitten der Heizelementabschnitte 32, 34, 36, des Thermoelements 26 und des Säulenstützrahmens 107 ab.
In veranschaulichenden Ausführungsformen kann die Auslassheizungsbaugruppe 18 aus Heizelementen gebildet sein, die um den unteren Teil des Heizungsstützrahmens 22 gewickelt oder gewunden sind. Ähnlich wie die Einlassheizungsbaugruppe 16 kann die Auslassheizungsbaugruppe 18 eine einzige Wärmezone oder mehrere Wärmezonen ausbilden, um das Temperaturprofil für die Auslassheizungsbaugruppe 18 zu beherrschen. Eine einzige Wärmezone würde ein gleichtemperiertes Profil an diesem Abschnitt der Säule 104 ausbilden. Es können zusätzliche Heizelemente oder unterschiedliche Heizelemente verwendet werden, um mehrere Wärmezonen mit sich unterscheidenden Wärmewerten zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen gibt es drei Wärmezonen und optional eine vierte Wärmezone, die von Heizelementen ausgebildet werden, die aneinandergereiht sind, wodurch die Auslassheizungsbaugruppe 18 gebildet wird. Die Auslassheizungsbaugruppe 18 wird von Widerstandsdrähten gebildet, die der Einfachheit halber Stoß an Stoß aneinander befestigt sind. Jedoch könnte jede Wärmezone abgeteilt werden, sodass eine einzelne Wärmezone (Heizung und Thermoelementvorrichtung) vorliegt, und könnte unter Verwendung von separaten Temperaturregelkreisen geregelt werden. Vier Wärmezonen sind zu einer Heizungsbaugruppe kombiniert, um dem Benutzer, wie etwa einem GC-Analytiker, eine einfache und benutzerfreundliche Programmierung zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen können Wärmezonen die gleichen Heizelementabschnitte verwenden, um die gleiche Heizfähigkeit zu haben. Beispielsweise können zwei aneinandergrenzende Wärmezonen das gleiche Heizelement und die gleiche Heizfähigkeit verwenden, die niedriger als die Heizfähigkeit eines nachfolgenden Heizelementabschnitts ist. Dadurch wird für die Auslassheizungsbaugruppe 18 ein positiver Temperaturgradient ausgebildet.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen wird für die Einlassheizungsbaugruppe 16 ein negativer Temperaturgradient verwendet und für die Auslassheizungsbaugruppe 18 wird ein positiver Temperaturgradient verwendet. Bei einigen Ausführungsformen kann ein einziger Temperaturgradient verwendet werden oder es können andere Kombinationen von Temperaturgradienten (z. B. negativ-positiv-positiv oder negativ-positiv-negativ) verwendet werden. Die Verwendung des Wahlventils 242 zum Umschalten des aus dem Primärsäulenauslass 213 der Säule 204 ausströmenden Mediums zu einer Sekundärsäule 215, wie etwa einer kurzen Trennsäule auf niedrigerer Temperatur, ist ein Beispiel für ein Temperaturprofil mit negativ-positiv-negativen Temperaturgradienten. Um diese Temperaturgradienten zu erzielen, können wie in 12 gezeigt unterschiedliche Wärmezonen erzeugt oder verwendet werden. Beispielsweise können zur Erzeugung eines einzigen Temperaturgradienten zwei Wärmezonen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können viele Wärmezonen (z. B. 5 oder mehr) verwendet werden, um Temperaturgradienten fein abzustimmen.
Zum Messen der Temperatur ist, bei veranschaulichenden Ausführungsformen, ein Thermoelement 28 (oder ein anderer Temperatursensor) am Heizungsstützrahmen 22 zwischen Windungen der Heizelemente gesichert. Bei einigen Ausführungsformen kann das Thermoelement 28 zwischen Windungen der Auslassheizungsbaugruppe 18 angeordnet sein. Die Temperatur am Thermoelement 28 kann als Auslasstemperatur der Verbindungen angesehen werden, die die Säule 104 in Richtung Detektor 106 verlassen. Die am Auslass endenden Drähte verbinden Enden der Auslassheizungsbaugruppe 18 mit der Heizungsregelungsschaltung in der FCO-Steuerung 14.
In veranschaulichenden Ausführungsformen umfasst ein GC-System 200 ein Hochtemperaturventil 242 und ein Trägergas-Umgehungsventil 246. Die Wärmezonen können Wärmeschutzbarrieren, wie etwa einen Abschnitt einer Dämmmatte oder anderes Isoliermaterial aufweisen, um die Wärmeübertragung zwischen den Zonen einzuschränken. Beispielsweise kann zwischen Wärmezone 6 und Wärmezone 7 eine Wärmeschutzbarriere angeordnet sein, um die Wärmeübertragung zwischen Wärmezone 6 und Wärmezone 7 einzuschränken. Bei einigen Ausführungsformen ist die Heizfähigkeit der Wärmezone 7 geringer als die Heizfähigkeit der Wärmezonen 4 und 5, und die Heizfähigkeit der Wärmezonen 4 und 5 ist geringer als die Heizfähigkeit der Wärmezone 6. Die Wärmezone 7 ist von den übrigen Wärmezonen thermisch entkoppelt und bildet keinen Teil des positiven Temperaturgradienten. Die Wärmezone 7 kann verwendet werden, um das aus der Trennsäule ausströmende Medium durch eine Zone auf viel niedriger Temperatur zu leiten, bevor es zum Detektor gelangt.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist die Trennsäule 104 so um den Säulenstützrahmen 107 gewickelt oder gewunden, dass für jede Wärmezone ein ungefähr gleicher Abstand vorhanden ist. Der Säulenstützrahmen 107 kann ein offenes Drahtsieb von geringer Masse in der Form eines Zylinders sein. Mit der geringen Masse geht eine Begrenzung der Wärmeübertragung durch das Metall von einer Wärmezone zur nächsten einher. Der Säulenstützrahmen 107 kann Rippen (nicht gezeigt) aufweisen, um die Säule 104 an ihrem Platz direkt über jeder Wärmezone zu halten. Die Rippen können in ungefähr gleichem Abstand voneinander sein, sodass die Windungen der Säule 104 zwischen den einzelnen Rippen gezählt werden können. Beispielsweise kann eine 30-Meter-Kapillarsäule mit weitem Kanal sechs Windungen aufweisen, die sich zwischen jeweils 0,64-Zentimeter- (0,25-Zoll-) Rippen winden, oder im Wesentlichen gleichmäßig in Teilstücke von ungefähr 4,25 Meter unterteilt sein. Den Durchmesser bzw. die Form des Säulenrahmens kann es in unterschiedlichen Abmessungen geben, damit er bei spezifischen Säulentypen passt. Bei metallischen Kapillarsäulen kann der Durchmesser des Säulenstützrahmens beispielsweise lediglich etwa 8,9 Zentimeter (3,5 Zoll) betragen. Für Kapillarsäulen aus Quarzglas mit weitem Kanal, die größere Windungen der Säule erfordern, um Spannungen und Brüche der Säule zu vermeiden, kann ein Stützrahmen mit größerem Durchmesser erforderlich sein. Der Säulenstützrahmen 107 kann über den FCO 10 geschoben werden, und der Heizungsstützrahmen 22 kann in Abhängigkeit vom Säulentyp passend ausgewählt werden. Der Säulenstützrahmen 107 kann auf einer Seite mit der elektrisch isolierenden Ummantelung 38 in Kontakt sein und kann auf der Säulenseite, beispielsweise mit der Isolierung 109, isoliert sein, um den Wärmezonenbereich des FCO 10 abzuschotten. Die Säule 104 und die Heizungen 16, 18 können vollständig in Isoliermaterial eingehüllt und vor Umgebungseinflüssen geschützt sein. Dies bietet technischen Nutzen und ermöglicht einen Betrieb in mehr Außenumgebungen und bei mehr Temperaturen als frühere Systeme, zum Teil, weil in den FCO 10 kein Fluid zur Kühlung der Säule 104 eingebracht wird, wenn von der natürlichen Diffusion in die Umgebung abgesehen wird.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist der Injektor 102 an den Einlassabschnitt 11 der Trennsäule 104 angeschlossen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Abstand zwischen dem Injektor 102 und dem FCO 10 minimiert, um das Auftreten von Kältebrücken abzuschwächen. Zudem kann der FCO 10 mit beheizten Ubertragungsrohrleitungen ausgerüstet sein, welche die Trennsäule 104 umgeben. An den Einlassabschnitt 11 neben der Wärmezone 1 für den Injektor 102 und an den Auslassabschnitt 13 neben der Wärmezone 6 für den Detektor 106 können separate Übertragungsrohrleitungen angeschlossen werden, um die Wärme dahin zu übertragen und Kältebrücken zwischen dem FCO10, dem Injektor 102 und dem Detektor 106 des GC-Systems 100 abzuschwächen. An die Trennsäule 104 kann jeder übliche Typ von GC-Injektor angeschlossen werden.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen ist der Primärsäulenauslass 213 des GC-Systems 200 an ein Hochtemperaturventil 242 angeschlossen. Bei dem Hochtemperaturventil 242 kann es sich um ein Hochtemperatur-Dreiwegeventil mit geringem Volumen oder irgendein anderes Hochtemperaturventil handeln. Bei einigen Ausführungsformen kann anstelle des Ventils 242 eine Druckschaltvorrichtung (z. B. eine Deans-Schaltung) oder eine andere Schaltvorrichtung verwendet werden. Das aus der Trennsäule ausströmende Medium strömt durch das Wahlventil 242, durch die Detektor-Transferstrecke 245 (z. B. ein kurzes Stück der Säule) zum Detektor 206, wenn sich das Hochtemperaturventil 242 in der Stellung „OFFEN“ befindet. Dadurch können alle Rohrleitungen, die von der Trennsäule zum Detektor führen, den gleichen Durchmesser aufweisen.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen kann mit dem FCO 10, 210 ein Standardtyp eines GC-Detektors verwendet werden; Beispiele sind Flammenionisationsdetektoren (FID), Photoionisationsdetektoren (PID), Heliumionisationsdetektoren (HID), Wänneleitfähigkeitsdetektoren (WLD), flammenphotometrische Detektoren (FPD), Stickstoff-Phosphor-Detektoren (NPD) oder ein Massenspektrometer (MS). Die Länge der Transferstrecke 245 ist minimiert und kann entlang der hohen Temperatur der Wärmezonen des FCO 210 geführt und durch die Isolierung an einer Stelle, die für eine enge Anbindung an den Detektor 206 geeignet ist, herausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen sind das Hochtemperaturventil 242 und alle Verbindungsrohrleitungen nahe der Trennsäule 104 in der Wärmezone 2 angeordnet. Auf diese Weise werden diese Elemente auf einer Temperatur gehalten, die höher als der Auslasstemperatursollwert ist, um etwaige Kältebrücken abzuschwächen.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen wird ausströmendes Medium zur Sekundärsäule 215 (z. B. einem kurzem Stück der Trennsäule, das in der Wärmezone 7 angeordnet ist) geleitet, wenn sich das Wahlventil 242 in der Stellung „GESCHLOSSEN“ befindet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Länge der Sekundärsäule 215 gleich der Länge der Säule in jeder der anderen Wärmezonen, damit sie in die Wärmezone 7 passt, sodass sie eine sekundäre Strecke, auf niedrigerer Temperatur, zum Detektor 206 bildet. In einigen Ausführungsformen kann die Sekundärsäule 215 eine stationäre Phase enthalten, die von jener der Trennsäule 204 verschieden ist, oder sie kann einen anderen Durchmesser aufweisen, um das Trennvermögen zu verbessern. Die Sekundärsäule 215 schließt an das Wahlventil 242 an, an dem das ausströmende Medium durch die Transferstrecke 245 zum Detektor 206 strömt. Die Wärmezone 7 kann kühler sein, sodass die Auslasssolltemperatur zwei deutlich unterschiedliche Auslasstemperaturen vom FCO 210 zum Detektor 206 liefert.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen kann die Länge der Sekundärsäule 215 je nach gewünschter Auftrennung bei niedrigerer Temperatur länger oder kürzer eingestellt werden, solange sich die Sekundärsäule 215 in der Wärmezone 7 befindet. Wenn für die 2-dimensionale Analyse eine längere Sekundärsäule 215 gewünscht ist (z. B. 10, 15 oder 30 Meter), können die Abmessungen der Wärmezone 7 vergrößert werden, sodass eine größere gleichtemperierte Region ausgebildet wird, um das Temperaturprofil auf die Sekundärsäule 215 zu übertragen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Wärmezone 7 in Reihe mit der primären Auslassheizung 218 geschaltet, und die Temperatur der Wärmezone 7 folgt dementsprechend der Solltemperatur für die primäre Auslassheizung 218. Die Abmessungen des FCO 210 wären entsprechend vergrößert, um die größere Sekundärsäule 215 und die Wärmezone 7 unterzubringen.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen könnte das Temperaturprofil an der längeren Sekundärsäule 215 (z. B. 10, 15 oder 30 Meter) durch eine dritte, unabhängige 2D-Heizungsbaugruppe 219 und ein 2D-Thermoelement 229, wie in 16 gezeigt, geregelt werden. Die 2D-Heizungsbaugruppe 219 kann aus Heizelementen gebildet sein, die um den unteren Teil eines Heizungsstützrahmens, beispielsweise unterhalb der primären Auslassheizungsbaugruppe 218, gewickelt oder gewunden sind. Die 2D-Heizungsbaugruppe 219, die der Einlassheizungsbaugruppe 216 in der Ausführung und Regelung ähnlich ist, kann eine einzige Wärmezone oder mehrere Wärmezonen ausbilden, um das Temperaturprofil für die 2D-Heizungsbaugruppe 219 zu steuern. Eine einzige Wärmezone würde ein gleichtemperiertes Profil an diesem Abschnitt der Sekundärsäule 215 ausbilden. Es können zusätzliche Heizelemente oder unterschiedliche Heizelemente verwendet werden, um mehrere Wärmezonen mit sich unterscheidenden Wärmewerten zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen gibt es drei Wärmezonen, die von Heizelementen ausgebildet werden, die aneinandergereiht sind, wodurch die 2S-Heizungsbaugruppe 219 gebildet wird. Die 2D-Heizungsbaugruppe 219 wird von Widerstandsdrähten gebildet, die der Einfachheit halber Stoß an Stoß aneinander befestigt sind. Jedoch könnte jede Wärmezone abgeteilt werden, sodass eine einzelne Wärmezone (Heizung und Thermoelementvorrichtung) vorliegt, und könnte unter Verwendung von separaten Temperaturregelkreisen geregelt werden. Drei Wärmezonen sind zu einer Heizungsbaugruppe kombiniert, um dem Benutzer, wie etwa einem GC-Analytiker, eine einfache und benutzerfreundliche Programmierung zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Heizfähigkeit früherer Wärmezonen größer als die Heizfähigkeit späterer Wärmezonen, sodass für die 2D-Heizungsbaugruppe 219 ein negativer Temperaturgradient ausgebildet wird. Die Abmessungen des FCO 210 wären entsprechend vergrößert, um die größere Sekundärsäule 215 und die 2D-Heizungsbaugruppe 219 unterzubringen.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen strömt bei „GEÖFFNETEM“ Hochtemperaturventil 242 das Trägergas durch den Injektor 202 in die Trennsäule 204. Das Trägergas, das den Primärsäulenauslass 213 der Trennsäule 204 verlässt, strömt durch das Hochtemperaturventil 242 und dann durch die Detektor-Transferstrecke 245 zum Detektor 206. Bei „GESCHLOSSENEM“ Hochtemperaturventil 242 strömt das Trägergas durch den Injektor 202 in die Trennsäule 204, dann strömt das Trägergas, das den Primärsäulenauslass 213 der Trennsäule 204 verlässt, durch das Hochtemperaturventil 242, das nun das ausströmende Medium zur Sekundärsäule 215 umleitet. Das Trägergas, das die Sekundärsäule 215 verlässt, strömt wieder durch das Hochtemperaturventil 242 und die Transferstrecke 245 zum Detektor 206. Um der Sekundärsäule 215 genügend Zeit für die Durchführung der Auftrennung zu geben, kann das Trägergas-Umgehungsventil 246 in die geschlossene Stellung gebracht werden, um die Wanderung des Probenmaterials durch die Säule 204 zu stoppen, indem das Trägergas zur Sekundärsäule 215 geleitet wird. Das Trägergas-Umgehungsventil 246 kann mittels eines Solenoids oder jeder anderen Betätigungsvorrichtung, die zum Schalten eines Dreiwegeventils verwendet wird, betätigt werden.
In veranschaulichenden Ausführungsformen können bei dem FCO 10 sowohl negative als auch positive Temperaturgradienten zur Anwendung kommen. Eine Probe der Substanz gelangt durch den Injektor 102 in den Einlassabschnitt 11 der Säule 104. Die Solltemperatur am Einlass ist so programmiert oder bestimmt, dass sie hoch genug ist, dass alle in der Substanzprobe enthaltenen Verbindungen eluiert werden, während die Probe den negativen Gradienten durch die Wärmezonen 1 bis 3 durchläuft. Die Einlasstemperatur kann in der Wärmezone 1 gemessen werden, um sicherzustellen, dass die Einlasssolltemperatur genau ist. Wenn für die Solltemperatur die Wärmezone 1 verwendet wird, folgen die Wärmezonen 2 und 3 auf eine stabile, berechenbare und lineare Weise. Beispielsweise, bei einigen Ausführungsformen, wenn die Wärmezone 1 auf eine hohe Einlasstemperatur von 250 °C eingestellt ist, dann folgen die Wärmezone 2 mit 198 °C und die Wärmezone 3 mit 135 °C. Die Wärmezonen 1 bis 3 können aneinandergrenzen und dazwischen kann Wärme übertragen werden, sodass im Bereich der Einlasswärmezone ein kontinuierlicher Gradient ausgebildet wird. Ungefähr die erste Hälfte der Trennsäule 104 ist diesem negativen Gradienten ausgesetzt. Bei anderen Ausführungsformen kann eine oder können mehrere der Wärmezonen isolierende Ummantelungen aufweisen, um die Wärmeübertragung zwischen Wärmezonen zu verringern.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen ist die zweite Hälfte der Trennsäule 104 in den Wärmezonen 4 bis 6 des FCO 10 angeordnet, die einen geringfügig positiven Temperaturgradienten ausbilden können. In anderen Fällen könnten die Wärmezonen 4 bis 6 gleich sein oder könnten einen zweiten negativen Gradienten ausbilden. Typischerweise ist die Wärmezone 6 auf einer höheren Temperatur als die Wärmezonen 4 und 5, und die Wärmezone 6 wird für die Auslasssolltemperatur verwendet. Bei einigen Ausführungsformen wird für die Wärmezonen 1 und 6 dasselbe Heizelement verwendet, während für die Wärmezonen 2, 4 und 5 ein zweites Heizelement verwendet wird und für die Wärmezonen 3 und 7 ein drittes Heizelement verwendet wird. Dadurch werden die veranschaulichenden Temperaturgradienten für den Betrieb bereitgestellt, und es werden eine Standardisierung von Teilen und eine Kostensenkung ermöglicht.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen wird die Einlasstemperatur auf 250 °C eingestellt, und die Auslasstemperatur wird auf 150 °C eingestellt. Der negative Temperaturgradient, der in der Wärmezone 1 beginnt, wird nun durch die Wärmezone 5 ausgedehnt, wodurch Peak-Fokussierung, -Schärfung und -Trennung, die in der Wärmezone 1 mit dem Einbringen der Substanzprobe begonnen haben, fortgesetzt werden. Während die Verbindungen aus der Wärmezone 5 zur Wärmezone 6 wandern, erfährt die Substanzprobe einen positiven Temperaturgradienten, bevor sie in den Detektor 106 gelangt. Dieser spezielle positive Temperaturgradient verleiht den Peaks zwischen den Wärmezonen 5 und 6 zusätzliche Schärfe. Dieser zusätzliche Quetscheffekt, den die Peaks beim Verlassen der Trennsäule erfahren, ist darauf zurückzuführen, dass der Druck innerhalb der Säule in der Wärmezone 6 etwas höher als in der Wärmezone 5 ist.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen sind die Sollwerte der Einlass- und Auslasstemperatur variabel und können so angepasst werden, dass sie die Anforderungen der meisten GC-Verfahren erfüllen. Bei einigen Ausführungen kann die Einlasstemperatur auf die Endtemperatur eines herkömmlichen Luftbadtemperaturprogramms geregelt werden, wodurch sichergestellt wird, dass der Einlass warm genug dafür ist, dass alle Verbindungen passieren. Über die Austrittstemperatur kann bestimmen werden, welche Verbindungen ggf. auf der Säule verbleiben. Bei einer niedrigeren Temperatur werden mehr Verbindungen zurückgehalten, während bei einer höheren Temperatur mehr Verbindungen durchgelassen werden. Aufgrund des negativen Gradienten liegen die aus der Säule eluierenden Verbindungen näher an ihrer Flüssigphasentemperatur. Ähnlich wie bei herkömmlichen fluidbasierten Öfen gilt, wenn Verbindungen an der Säule kondensieren, gelangen sie nicht zum Detektor. Es muss darauf geachtet werden, dass sichergestellt ist, dass die Auslasstemperatur hoch genug dafür ist, dass die Verbindungen passieren.
Bei veranschaulichenden Ausführungsformen wird eine zusätzliche Wärmezone 7 zusammen mit einem Hochtemperatur-Wahlventil 242 (z. B. einem Ventil mit kleinem Totvolumen) und einem Ventilantrieb sowie einem Trägergas-Umgehungsventil 246 und einem Stellantrieb verwendet, um eine breitere Palette von Verbindungen zu analysieren. Die Temperatur der Wärmezone 7 kann in Abhängigkeit vom Auslasstemperatursollwert festgesetzt werden. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Auslasstemperatursollwert 170 °C, und die entsprechende Temperatur der Wärmezone 7 beträgt 120 °C. Mit mithilfe zweier verschiedener wählbarer Temperaturen regelbaren Wärmezonen, durch welche sich die Verbindungen bewegen, ist eine breite Palette von Analysen möglich.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine noch breitere Palette von 2D-Analysen möglich, indem eine längere Sekundärsäule 215, eine dritte, unabhängige 2D-Heizung 219 (um beispielsweise Wärmezonen 7, 8 und 9 zu erzeugen) und ein Regelkreis verwendet werden, um eine erweiterte 2D-Wärmezone (anstelle der kleineren Wärmezone 7) zu erzeugen, sodass an der Sekundärsäule 215 ein Temperaturprofil mit einem Gradienten ausgebildet wird. Die Palette der Analysen mit entweder der einzelnen Zone 7 oder der erweiterten 2D-Wärmezone ist viel breiter als bei allen bekannten früheren Systemen mit negativem Gradienten.
In veranschaulichenden Ausführungsformen sind der FCO 10 und die Säulenbaugruppe 108 zu einer Baueinheit zusammengefasst und können in die meisten handelsüblichen GC-Systeme eingebaut werden, indem einfach der Einlassabschnitt 11 an den bereitgestellten Injektor angeschlossen wird, der Auslassabschnitt 13 an das bereitgestellte Detektionssystem angeschlossen wird und der FCO 10 an die bereitgestellte Steuerung angeschlossen wird. Die Trägergasregelung, die Injektortemperatur, die Detektortemperatur, die Datenerfassung und alle übrigen Funktionen innerhalb des GC-Systems würden unverändert bleiben. Der FCO kann als Primärsäulenofen verwendet werden, oder es können zwei FCOs in einer Doppelofen-Konfiguration verwendet werden, was ermöglicht, auch mit kleinen Gaschromatographen, wie etwa den DPS Companion 2, eine Doppelofen-GC zu betreiben. Für eine 2-dimensionale Analyse kann das GC-System eine Primärsäule und eine Sekundärsäule enthalten. Außerdem kann der FCO mit einem herkömmlichen Luftbadofen kombiniert werden, nämlich als Primär- oder Sekundärsäulenofen bei einer 2-dimensionalen Analyse oder als Primär- oder Sekundärsäulenofen, um einen Doppelofen bei einer GC mit nur einem Ofen zu bilden.
Die hier präsentierten Figuren und Beschreibungen können vereinfacht worden sein, um Aspekte zu veranschaulichen, die für ein klares Verständnis der hier beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren relevant sind, während andere Aspekte, die bei üblichen Vorrichtungen, Systemen und Verfahren anzutreffen sind, der Klarheit wegen weggelassen worden sind. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere Elemente und/oder Vorgänge wünschenswert und/oder erforderlich sein können, um die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, die hier beschrieben wurden, zu implementieren. Weil solche Elemente und Vorgänge allgemein bekannt sind und weil sie kein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung ermöglichen, braucht eine Erörterung solcher Elemente und Vorgänge hier nicht vorgesehen zu werden. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die vorliegende Offenbarung inhärent alle diese Elemente, Variationen und Modifikationen an den beschriebenen Aspekten einschließt, die dem Durchschnittsfachmann bekannt wären.
In der Beschreibung vorgenommene Verweise auf „eine Ausführungsform“, „Ausführungsform“, „veranschaulichende Ausführungsform“ usw. geben an, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Element, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal umfassen kann, jedoch jede Ausführungsform dieses bestimmte Element, diese bestimmte Struktur oder dieses bestimmte Merkmal umfassen kann oder nicht notwendig umfassen muss. Darüber hinaus verweisen solche Ausdrücke nicht zwangsläufig auf dieselbe Ausführungsform. Ferner, wenn ein bestimmtes Element, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben ist, wird unterstellt, dass es zu den Kenntnissen eines Fachmanns gehört, ein solches Element, ein solche Struktur oder ein solches Merkmal auch in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zu betrachten, unabhängig davon, ob dies ausdrücklich beschrieben ist oder nicht. Zudem versteht sich, dass Auflistungen in der Form von „mindestens eines von A, B und C“ Folgendes bedeuten können: (A); (B); (C); (A und B); (A und C); (B und C) oder (A, B und C). Entsprechend können Auflistungen in der Form von „mindestens eines von A, B oder C“ Folgendes bedeuten: (A); (B); (C); (A und B); (A und C); (B und C) oder (A, B und C).
In der Zeichnung können konstruktive oder verfahrenstechnisch Merkmale in speziellen Ausgestaltungen und/oder Anordnungen dargestellt sein. Es ist jedoch einsichtig, dass solche speziellen Ausgestaltungen und/oder Anordnungen nicht erforderlich sein müssen. Vielmehr können bei einigen Ausführungsformen solche Merkmale in einer anderen Art und/oder Anordnung sein, als in den veranschaulichenden Figuren gezeigt. Zudem bedeutet die Aufnahme eines konstruktiven oder verfahrenstechnischen Merkmals in eine bestimmte Figur nicht, dass ein solches Merkmal bei allen Ausführungsformen erforderlich ist, sondern es braucht, in einigen Ausführungsformen, nicht eingeschlossen zu sein oder es darf mit anderen Merkmalen kombiniert sein.
Auch wenn die Offenbarung durch die Zeichnung und die vorstehende Beschreibung ausführlich veranschaulicht und beschrieben wurde, sind dieselben als beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen, wobei sich versteht, dass lediglich veranschaulichende Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben worden sind und dass alle Änderungen und Modifikationen, die im Sinne der Offenbarung sind, geschützt sein sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7228067 [0002]
US 3146616 [0002]
US 3053077 [0003]
US 4181613 [0003]
US 4923486 [0006]
US 5028243 [0006]
US 5215556 [0006]
US 5808178 [0006]
US 5114439 [0006]
US 6427522 [0006]
US 9194849 [0006]

Claims

System zum Durchführen von Gaschromatographie-Analysen, wobei das System Folgendes umfasst: eine Trennsäule mit einem Einlassabschnitt, der an einen Injektor gekoppelt ist, um eine Substanzprobe zu empfangen, und einem Auslassabschnitt, der an einen Detektor gekoppelt ist, wobei die Trennsäule geeignet ist, die Substanzprobe vom Injektor zum Detektor zu leiten; eine Einlassheizung, die an den Einlassabschnitt der Trennsäule gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden; eine Auslassheizung, die an den Auslassabschnitt der Trennsäule gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden; und eine Steuerung, die mit der Einlassheizung und der Auslassheizung wirkverbunden ist, wobei die Steuerung wahlweise die Einlassheizung und die Auslassheizung betreibt, um entlang der Trennsäule ein stationäres Temperaturprofil zu definieren.
System nach Anspruch 1, wobei die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine erste Wärmezone entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule auszubilden, wobei die Auslassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine zweite Wärmezone entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule auszubilden.
System nach Anspruch 2, wobei die erste Wärmezone von der Steuerung auf einer ersten Temperatur gehalten wird, die zweite Wärmezone von der Steuerung auf einer zweiten Temperatur gehalten wird und wobei die erste und zweite Temperatur verschieden sind.
System nach Anspruch 3, wobei die zweite Temperatur niedriger als die erste Temperatur ist.
System nach Anspruch 4, wobei mindestens eine von der Einlassheizung und der Auslassheizung dafür ausgelegt ist, eine dritte Wärmezone auszubilden, die entlang der Trennsäule zwischen der ersten und zweiten Wärmezone angeordnet ist, wobei die dritte Wärmezone von der Steuerung auf einer dritten Temperatur gehalten wird und wobei die dritte Temperatur niedriger als sowohl die erste als auch die zweite Temperatur ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine erste Wärmezone und zweite Wärmezone auszubilden, wobei die erste Wärmezone von einem ersten Teilstück Widerstandsheizdraht, das einen ersten Durchmesser aufweist, erzeugt wird, wobei die zweite Wärmezone von einem zweiten Teilstück des Widerstandsheizdrahts, das an ein Ende des ersten Teilstücks des Widerstandsheizdrahts gekoppelt ist, erzeugt wird, und wobei das zweite Teilstück des Widerstandsheizdrahts einen zweiten Durchmesser aufweist, der von dem ersten Durchmesser verschieden ist.
System nach Anspruch 6, wobei die Auslassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine dritte Wärmezone und eine vierte Wärmezone auszubilden, wobei die dritte Wärmezone von einem dritten Teilstück des Widerstandsheizdrahts, das einen dritten Durchmesser aufweist, erzeugt wird, wobei die vierte Wärmezone von einem vierten Teilstück Widerstandsheizdraht, das an ein Ende des dritten Teilstücks Widerstandsheizdraht gekoppelt ist, erzeugt wird, und wobei das vierte Teilstück des Widerstandsheizdrahts einen vierten Durchmesser aufweist, der von dem dritten Durchmesser verschieden ist.
System nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt des Temperaturprofils einen negativen Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei mindestens ein Abschnitt des Temperaturprofils einen positiven Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt des Temperaturprofils einen positiven Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 1, ferner einen Einlasstemperatursensor, der an die Einlassheizung gekoppelt ist, und einen Auslasstemperatursensor, der an die Auslassheizung gekoppelt ist, umfassend, und wobei die Steuerung dafür ausgelegt ist, Daten von dem Einlasstemperatursensor und dem Auslasstemperatursensor zu empfangen.
System zum Durchführen von Gaschromatographie-Analysen, wobei das System Folgendes umfasst: eine Trennsäule mit einem Einlassabschnitt, der an einen Injektor gekoppelt ist, um eine Substanzprobe zu empfangen, und einem Auslassabschnitt, der an einen Detektor gekoppelt ist, wobei die Trennsäule geeignet ist, die Substanzprobe vom Injektor zum Detektor zu leiten; eine Einlassheizung, die an den Einlassabschnitt der Trennsäule gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden; eine Auslassheizung, die an den Auslassabschnitt der Trennsäule gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden; und eine Steuerung, die mit der Einlassheizung und der Auslassheizung wirkverbunden ist, wobei die Steuerung die Einlassheizung und die Auslassheizung wahlweise betreibt, um entlang der Trennsäule ein stationäres Temperaturprofil zu definieren, und das Temperaturprofil mindestens einen ersten Temperaturgradienten und einen zweiten Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 12, wobei der erste Temperaturgradient negativ ist und der zweite Temperaturgradient positiv ist.
System nach Anspruch 13, wobei der erste Temperaturgradient durch die Einlassheizung entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule definiert wird und der zweite Temperaturgradient durch die Auslassheizung entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule definiert wird.
Fluidfreier Säulenofen zur Verwendung in einem Gaschromatographiesystem, wobei der fluidfreie Säulenofen Folgendes umfasst: einen Stützrahmen; eine Einlassheizung, die an einen ersten Abschnitt des Stützrahmens gekoppelt ist; und eine Auslassheizung, die an einen zweiten Abschnitt des Stützrahmens, der von dem ersten Abschnitt verschieden ist, gekoppelt ist, wobei die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden und die Auslassheizung dafür ausgelegt ist, eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden, um entlang des Stützrahmens ein stationäres Temperaturprofil zu definieren.
System nach Anspruch 15, wobei die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine erste Wärmezone und zweite Wärmezone auszubilden, wobei die erste Wärmezone von einem ersten Teilstück Widerstandsheizdraht, das einen ersten Durchmesser aufweist, erzeugt wird, wobei die zweite Wärmezone von einem zweiten Teilstück des Widerstandsheizdrahts, das an ein Ende des ersten Teilstücks des Widerstandsheizdrahts gekoppelt ist, erzeugt wird, und wobei das zweite Teilstück des Widerstandsheizdrahts einen zweiten Durchmesser aufweist, der von dem ersten Durchmesser verschieden ist.
System nach Anspruch 16, wobei die Auslassheizung dafür ausgelegt ist, mindestens eine dritte Wärmezone und eine vierte Wärmezone auszubilden, wobei die dritte Wärmezone von einem dritten Teilstück des Widerstandsheizdrahts, das einen dritten Durchmesser aufweist, erzeugt wird, wobei die vierte Wärmezone von einem vierten Teilstück Widerstandsheizdraht, das an ein Ende des dritten Teilstücks Widerstandsheizdraht gekoppelt ist, erzeugt wird, und wobei das vierte Teilstück des Widerstandsheizdrahts einen vierten Durchmesser aufweist, der von dem dritten Durchmesser verschieden ist.
System nach Anspruch 15, wobei mindestens ein Abschnitt des Temperaturprofils einen negativen Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 18, wobei mindestens ein Abschnitt des Temperaturprofils einen positiven Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 15, wobei mindestens ein Abschnitt des Temperaturprofils einen positiven Temperaturgradienten aufweist.
System nach Anspruch 15, ferner einen Einlasstemperatursensor, der an den Stützrahmen neben der Einlassheizung gekoppelt ist, und einen Auslasstemperatursensor, der an den Stützrahmen neben der Einlassheizung neben der Auslassheizung gekoppelt ist, umfassend.
System zum Durchführen von Gaschromatographie-Analysen, wobei das System Folgendes umfasst: eine Säulenbaugruppe mit einem Säulenstützrahmen; und einer Trennsäule, die an den Säulenstützrahmen gekoppelt ist, wobei die Trennsäule einen Einlassabschnitt, der an einen Injektor gekoppelt ist, um eine Substanzprobe zu empfangen, und einen Auslassabschnitt, der an einen Detektor gekoppelt ist, aufweist, die Trennsäule geeignet ist, die Substanzprobe vom Injektor zum Detektor zu leiten; einen fluidfreien Säulenofen mit einem Heizungsstützrahmen; einer Einlassheizung, die an den Heizungsstützrahmen neben dem Einlassabschnitt der Trennsäule gekoppelt ist, wobei die Einlassheizung dafür ausgelegt ist, entlang des Einlassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden; einer Auslassheizung, die an den Heizungsstützrahmen neben dem Auslassabschnitt der Trennsäule gekoppelt ist, wobei die Auslassheizung dafür ausgelegt ist, entlang des Auslassabschnitts der Trennsäule eine oder mehrere Wärmezonen auszubilden; und eine Steuerung, die mit der Einlassheizung und der Auslassheizung wirkverbunden ist, wobei der fluidfreie Säulenofen dafür ausgelegt ist, in der Säulenbaugruppe aufgenommen zu werden, damit er die Trennsäule beheizt, und die Steuerung die Einlassheizung und die Auslassheizung wahlweise betreibt, um entlang der Trennsäule ein stationäres Temperaturprofil zu definieren.