IT201900008442A1 - Chemical analysis system using gas chromatography separation and spectrometry of sample mixtures - Google Patents
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Description
Sistema di analisi chimica utilizzante separazione gascromatografica e spettrometria di miscele di campioni Chemical analysis system using gas chromatography separation and spectrometry of sample mixtures
La presente invenzione si pone nel campo dei sistemi miniaturizzati per la pre-concentrazione e analisi chimica attraverso separazione (gas-)cromatografica e spettrometria di miscele di campioni. The present invention relates to the field of miniaturized systems for pre-concentration and chemical analysis through (gas-) chromatographic separation and spectrometry of sample mixtures.
Stato della tecnica State of the art
Sono note in generale varie tipologie di sistemi di analisi chimica portatile in grado di identificare sostanze illecite o tossiche in tracce (concentrazioni sub-ppm). Tuttavia tali sistemi, oltre a presentare dei limiti, sono ingombranti e quindi utilizzabili solo in laboratorio. In general, various types of portable chemical analysis systems capable of identifying illicit or toxic substances in traces (sub-ppm concentrations) are known. However, these systems, in addition to having limitations, are bulky and therefore can only be used in the laboratory.
L’unica tipologia di strumentazione attualmente in grado di effettuare misure di questo tipo in campo è basata sull’accoppiamento tra colonne gascromatografiche (GC) e spettrometri di massa (MS), come nel caso dell’Inficon Hapsite e del FLIR Griffin G510. Tuttavia, i principali difetti di questi spettrometri di massa sono i seguenti: The only type of instrumentation currently capable of carrying out measurements of this type in the field is based on the coupling between gas chromatography columns (GC) and mass spectrometers (MS), as in the case of the Inficon Hapsite and the FLIR Griffin G510. However, the main flaws of these mass spectrometers are as follows:
1) richiedono sistemi di pompaggio complessi e costosi per realizzare un alto vuoto all’interno dello spettrometro; 1) require complex and expensive pumping systems to create a high vacuum inside the spectrometer;
2) hanno problemi a rilevare sostanze con peso molecolare inferiore a 40, quali, a titolo di esempio, gas tossici come ammoniaca e fosfina; 2) have problems detecting substances with a molecular weight below 40, such as, for example, toxic gases such as ammonia and phosphine;
3) le colonne GC convenzionali utilizzate in tali strumenti sono difficili da riscaldare e lente da raffreddare, allungando i tempi tra due analisi consecutive. 3) conventional GC columns used in such instruments are difficult to heat and slow to cool, lengthening the time between two consecutive analyzes.
D’altra parte, come noto, strumenti basati sull’accoppiamento tra tecniche di separazione GC e tecniche di analisi dello spettro di assorbimento infrarosso (IRAS = Infra Red Absorption Spectroscopy) hanno capacità identificativa almeno paragonabile e talvolta superiore agli strumenti GC-MS. In particolare, GC-IRAS è il metodo di laboratorio più flessibile e potente per l’identificazione di droghe, designer drugs e loro precursori [si veda la pubblicazione: “Recommended Methods for the Identification and Analysis of Amphetamine, Methamphetamine and their Ring-Substituted Analogues in Seized Materials” (United Nations, 2006)]. Infatti, a differenza della spettroscopia di massa, la spettroscopia ad assorbimento infrarosso permette di individuare non solo le sostanze illecite conosciute, ma anche sostanze simili, dotate degli stessi gruppi funzionali ma appositamente modificate per non essere riconoscibili (“designer drugs”). Ad oggi però non esistono strumenti GC-IRAS portatili, poiché gli analizzatori IRAS tradizionali (di tipo sia dispersivo sia a trasformata di Fourier) operano con celle di analisi di volume significativo, che non possono essere accoppiate con colonne GC miniaturizzate. On the other hand, as known, instruments based on the coupling between GC separation techniques and infrared absorption spectrum analysis techniques (IRAS = Infra Red Absorption Spectroscopy) have an identification capacity at least comparable and sometimes superior to GC-MS instruments. In particular, GC-IRAS is the most flexible and powerful laboratory method for the identification of drugs, designer drugs and their precursors [see the publication: "Recommended Methods for the Identification and Analysis of Amphetamine, Methamphetamine and their Ring-Substituted Analogues in Seized Materials ”(United Nations, 2006)]. In fact, unlike mass spectroscopy, infrared absorption spectroscopy allows to identify not only known illicit substances, but also similar substances, with the same functional groups but specially modified to not be recognizable ("designer drugs"). To date, however, there are no portable GC-IRAS instruments, since traditional IRAS analyzers (both dispersive and Fourier transform type) operate with analysis cells of significant volume, which cannot be coupled with miniaturized GC columns.
A ciò si aggiunge il fatto che i sistemi GC oggi esistenti presentano anch’essi dei limiti, che spesso influiscono sulla misura finale degli spettrometri. Added to this is the fact that the GC systems existing today also have limitations, which often affect the final measurement of the spectrometers.
Infatti, sono noti sistemi di pre-concentrazione tipo “purge&trap”, utilizzati per aumentare la concentrazione di un campione prima di iniettarlo in una colonna gascromatografica (GC) per la separazione ed il rilevamento degli analiti in esso contenuti. Anch’essi sono implementati quasi esclusivamente in sistemi di misura da laboratorio, e consistono generalmente in tubi (di metallo o vetro) riempiti di specifici materiali assorbenti che, a temperatura ambiente o raffreddati, trattengono le molecole d’interesse (analiti) dal flusso di campione. Questa fase di campionamento e preconcentrazione può essere anche lunga (decine di minuti), al fine di assorbire una grande quantità di campione. Quando è stato raccolto abbastanza campione, generalmente si applica un riscaldamento al tubo (e quindi al materiale assorbente contenuto) che rilascia le molecole intrappolate (desorbimento termico) all’interno di un flusso di gas di trasporto. Si tenta di effettuare questo rilascio nel più breve tempo possibile, al fine di rilasciare le molecole assorbite all’interno di un volume di gas di trasporto possibilmente ridotto, aumentando quindi la concentrazione del campione. In fact, purge & trap pre-concentration systems are known, used to increase the concentration of a sample before injecting it into a gas chromatography (GC) column for the separation and detection of the analytes contained therein. They too are implemented almost exclusively in laboratory measurement systems, and generally consist of tubes (metal or glass) filled with specific absorbent materials which, at room temperature or cooled, retain the molecules of interest (analytes) from the flow of sample. This sampling and preconcentration phase can also be long (tens of minutes), in order to absorb a large amount of sample. When enough sample has been collected, heating is generally applied to the tube (and therefore to the absorbent material contained) which releases the trapped molecules (thermal desorption) within a flow of carrier gas. An attempt is made to carry out this release in the shortest possible time, in order to release the molecules absorbed within a possibly reduced volume of carrier gas, thus increasing the concentration of the sample.
Ad esempio, un pre-concentratore campiona 10 litri di aria nel giro di alcuni minuti, e poi rilascia l’assorbito all’interno di un volume di soli 100 millilitri. Il fattore di concentrazione idealmente vale 100x. For example, a pre-concentrator samples 10 liters of air within a few minutes, and then releases the absorbed content within a volume of only 100 milliliters. The concentration factor is ideally 100x.
Tuttavia, generalmente, è difficile riscaldare i tubi di pre-concentrazione molto velocemente (si tratta di portarli fino a 350°C in pochi secondi): per scaldare i tubi convenzionali è necessario dissipare una notevole potenza elettrica. However, it is generally difficult to heat the pre-concentration tubes very quickly (it is a matter of bringing them up to 350 ° C in a few seconds): to heat conventional tubes it is necessary to dissipate a considerable electrical power.
Nei sistemi GC da banco/laboratorio, che ad oggi utilizzano sistemi di pre-concentrazione purge&trap come quelli descritti sopra, il circuito di iniezione viene realizzato generalmente con valvole meccaniche di dimensioni e complessità notevoli, che però possono vantare ottime caratteristiche di affidabilità e robustezza, anche ad alte temperature ([1], vedi sotto). In bench / laboratory GC systems, which today use purge & trap pre-concentration systems such as those described above, the injection circuit is generally made with mechanical valves of considerable size and complexity, which however can boast excellent characteristics of reliability and robustness. even at high temperatures ([1], see below).
Esistono invece sistemi di iniezione MEMS (on-chip) per gas-cromatografia, anche detti di micro-gascromatografia (μGC), basati su valvole a membrana in materiali polimerici (generalmente Kapton) attuate a pressione (ad esempio gli iniettori MEMS [2]). Il vantaggio di tali tipi di iniettore sono che: On the other hand, there are MEMS (on-chip) injection systems for gas chromatography, also known as micro-gas chromatography (μGC), based on diaphragm valves in polymeric materials (generally Kapton) actuated by pressure (for example MEMS injectors [2] ). The advantage of these types of injector is that:
1) implementano un circuito di iniezione a bassissimo volume morto; e 1) they implement an injection circuit with very low dead volume; And
2) si possono facilmente riscaldare a temperature fino a oltre 200°C, caratteristica importante per evitare la condensazione di molecole pesanti/altobollenti. 2) they can be easily heated to temperatures up to over 200 ° C, an important feature to avoid the condensation of heavy / high-boiling molecules.
A conoscenza degli Inventori, tutti gli iniettori GC MEMS ad oggi implementano l’iniezione di un loop di campione e non di un pre-concentratore, cioè effettuano l’iniezione di un volume noto e controllato di campione gassoso, così come prelevato direttamente dall’ambiente da analizzare. Questo fa sì che la concentrazione delle molecole iniettate è uguale alla concentrazione in ambiente (e non maggiore, come nel caso della preconcentrazione illustrato sopra e realizzato con tecnologia totalmente differente). To the knowledge of the inventors, all GC MEMS injectors to date implement the injection of a sample loop and not of a pre-concentrator, i.e. they inject a known and controlled volume of gaseous sample, as it is taken directly from the environment to be analyzed. This means that the concentration of the injected molecules is equal to the concentration in the environment (and not greater, as in the case of the preconcentration illustrated above and made with a totally different technology).
Uno dei Richiedenti (istituto IMM del Consiglio Nazionale delle Ricerche) ha sviluppato in passato e pubblicato un sistema “mini-GC” [3] miniaturizzato/portatile, basato sulla preconcentrazione in un MEMS (quindi non in un tubo di vetro o di metallo), sull’iniezione in una colonna GC MEMS, e su un rilevatore (che può essere di diversi tipi). Questo sistema permette di effettuare l’analisi GC di alcuni campioni a bassa concentrazione tramite la fase di preconcentrazione. I vantaggi di tale soluzione sono: i. Il pre-concentratore permette di analizzare ad esempio benzene fino a concentrazioni di frazioni di ppb; One of the Applicants (IMM institute of the National Research Council) has developed in the past and published a miniaturized / portable "mini-GC" [3] system, based on preconcentration in a MEMS (therefore not in a glass or metal tube) , on injection into a MEMS GC column, and on a detector (which can be of different types). This system allows you to carry out the GC analysis of some low concentration samples through the pre-concentration phase. The advantages of this solution are: i. The pre-concentrator allows to analyze for example benzene up to concentrations of ppb fractions;
ii. Il pre-concentratore MEMS si può riscaldare molto rapidamente, con rampe fino a > 50°C/s, permettendo quindi una iniezione pre-concentrata rapida senza la necessità di trappole criogeniche, cioè di dispositivi atti alla focalizzazione del campione in testa alla colonna GC tramite rapidi cicli termici: cattura del campione a temperatura criogenica (generalmente con l’ausilio di azoto liquido o espansione di gas compresso) e successiva iniezione in colonna tramite un rapido riscaldamento. ii. The MEMS pre-concentrator can be heated very quickly, with ramps up to> 50 ° C / s, thus allowing a rapid pre-concentrated injection without the need for cryogenic traps, i.e. devices designed to focus the sample at the top of the GC column through rapid thermal cycles: capture of the sample at cryogenic temperature (generally with the aid of liquid nitrogen or expansion of compressed gas) and subsequent injection into the column through rapid heating.
Il sistema mini-GC, che è stato sviluppato come dispositivo altamente specifico all’applicazione per l’analisi di benzene in aria, ha però come svantaggio principale il fatto che il circuito di iniezione è implementato utilizzando elettrovalvole miniaturizzate commerciali, caratterizzate da: The mini-GC system, which was developed as a highly application-specific device for the analysis of benzene in air, however, has the main disadvantage that the injection circuit is implemented using commercial miniature solenoid valves, characterized by:
a. volumi morti interni rilevanti, che peggiorano la qualità dell’iniezione a causa di una diluizione/diffusione del campione, peggiorando quindi le performance della colonna di separazione; b. impossibilità di essere utilizzate a temperature superiori ai 60°C, il che in linea di principio impedisce l’analisi di campioni con temperature di ebollizione superiori a tale temperatura (impedisce quindi di affrontare molte applicazioni diverse dal benzene). to. significant internal dead volumes, which worsen the quality of the injection due to a dilution / diffusion of the sample, thus worsening the performance of the separation column; b. impossibility of being used at temperatures above 60 ° C, which in principle prevents the analysis of samples with boiling temperatures above this temperature (thus preventing many applications other than benzene).
Oltre alla pubblicazione sopra citata, ne esistono altre circa la pre-concentrazione nella tecnica GC, che utilizzano anche la tecnologia MEMS, ad esempio [4]-[6], ma che condividono svantaggi simili. In addition to the publication cited above, there are others about pre-concentration in the GC technique, which also use MEMS technology, for example [4] - [6], but which share similar disadvantages.
La domanda di brevetto WO2017180933A1 utilizza un pre-concentratore e una colonna di separazione, ma non è facilmente miniaturizzabile e l'iniezione viene fatta con valvole convenzionali, quindi non è possibile riscaldarle per misurare composti poco volatili, e anche i volumi morti delle valvole che usano sono troppo elevati. Patent application WO2017180933A1 uses a pre-concentrator and a separation column, but it is not easily miniaturized and the injection is done with conventional valves, so it is not possible to heat them to measure low volatile compounds, and also the dead volumes of the valves that they use are too high.
Rimane quindi la necessità di un sistema di analisi chimica in grado di identificare sostanze illecite o tossiche in tracce (concentrazioni sub-ppm) in modo affidabile e ad ampio spettro, in particolare ma non esclusivamente, facente uso di sistemi GC miniaturizzati compatti e ad alta efficienza nonché di sistemi spettrometrici economici ed efficienti, per l’uso in campo e non solo. There remains therefore a need for a chemical analysis system capable of identifying illicit or toxic trace substances (sub-ppm concentrations) in a reliable and broad-spectrum manner, in particular but not exclusively, making use of compact and high-performance miniaturized GC systems. efficiency as well as economical and efficient spectrometric systems, for use in the field and beyond.
Scopo e oggetto dell’invenzione Purpose and object of the invention
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema di analisi chimica che utilizzi una colonna gas-cromatografica ed uno spettrometro e che risolva in tutto o in parte i problemi della tecnica anteriore. The object of the present invention is to provide a chemical analysis system which uses a gas-chromatographic column and a spectrometer and which solves all or part of the problems of the prior art.
E’ ulteriore scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo di analisi chimica per separazione gas-cromatografica e spettroscopia che risolva in tutto o in parte i problemi della tecnica anteriore. A further aim of the present invention is to provide a chemical analysis method for gas-chromatographic separation and spectroscopy that solves all or part of the problems of the prior art.
E’ oggetto della presente invenzione un sistema ed un metodo di analisi chimica per separazione gascromatografica e spettroscopia secondo le allegate rivendicazioni. The subject of the present invention is a system and a method of chemical analysis for gas chromatographic separation and spectroscopy according to the attached claims.
Descrizione dettagliata di esempi di realizzazione dell’invenzione Detailed description of examples of implementation of the invention
Lista delle figure List of figures
L’invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui: - la figura 1 mostra una rappresentazione schematica The invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, with particular reference to the drawings of the attached figures, in which: - Figure 1 shows a schematic representation
del sistema combinato (gas-)cromatografico e of the combined (gas-) chromatographic system e
fotoacustico secondo una forma realizzativa della photoacoustic according to an embodiment of the
presente invenzione; present invention;
- la figura 2 mostra una sezione laterale della cella - figure 2 shows a lateral section of the cell
fotoacustica QEPAS secondo una forma realizzativa QEPAS photoacoustics according to one embodiment
della presente invenzione; of the present invention;
- la figura 3 mostra una sezione frontale verticale - figure 3 shows a vertical front section
della stessa cella della figura 1; of the same cell of Figure 1;
- la figura 4 mostra una sezione orizzontale della - figure 4 shows a horizontal section of the
stessa cella delle figure 2 e 3; same cell of Figures 2 and 3;
- la figura 5 mostra uno schema in sezione laterale - figure 5 shows a side sectional diagram
di una forma di realizzazione del dispositivo GC of an embodiment of the GC device
secondo l’invenzione; according to the invention;
- la figura 6 mostra uno schema in sezione laterale - figure 6 shows a side sectional diagram
semplificato, con indicazione dei flussi, del simplified, with indication of flows, of
dispositivo di figura 1; device of figure 1;
- la figura 7 mostra una vista tridimensionale di Figure 7 shows a three-dimensional view of
maggiore dettaglio del dispositivo delle figure 5 greater detail of the device of figures 5
e 6; and 6;
- la figura 8 mostra uno schema funzionale di - figure 8 shows a functional diagram of
dettaglio del dispositivo secondo la figura 7, in detail of the device according to figure 7, in
un primo stato operativo di pre-concentrazione; - la figura 9 mostra uno schema funzionale di a first operational state of pre-concentration; - figure 9 shows a functional diagram of
dettaglio del dispositivo secondo la figura 7, in detail of the device according to figure 7, in
un secondo stato operativo di analisi GC; a second operational state of GC analysis;
- la figura 10 mostra le direzioni di flusso in una Figure 10 shows the flow directions in one
microvalvola aperta (b) e chiusa (a) in una forma microvalve open (b) and closed (a) in one form
di realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione; of realization of the device according to the invention;
- la figura 11 mostra in (a) un cromatogramma dell’assorbanza integrale del simulante di agente nervino dimetil-metilfosfonato e simulante di agente vescicante metil-salicilato in etanolo (a) e gli spettri IR dei due composti eluiti a 80s (b) e 120s (c), in un esperimento con una forma di realizzazione del sistema della figura 1; e - Figure 11 shows in (a) a chromatogram of the integral absorbance of the simulant of nerve agent dimethyl-methylphosphonate and simulant of methyl-salicylated vesicant agent in ethanol (a) and the IR spectra of the two compounds eluted at 80s (b) and 120s (c), in an experiment with an embodiment of the system of Figure 1; And
- la figura 12 mostra degli spettri IR misurati da una forma di realizzazione del sistema GC-QEPAS della fig. 1: 10 ppm di 2-metossi-etanolo (EGME) campionati per 60 s (a) e 2 ppm di dipropilenglicole metil etere (DPGME) campionati per 120 s (b). - figure 12 shows some IR spectra measured by an embodiment of the GC-QEPAS system of fig. 1: 10 ppm of 2-methoxy-ethanol (EGME) sampled for 60 s (a) and 2 ppm of dipropylene glycol methyl ether (DPGME) sampled for 120 s (b).
Si specifica qui che elementi di forme di realizzazione differenti possono essere combinati insieme per fornire ulteriori forme di realizzazione senza limiti rispettando il concetto tecnico dell’invenzione, come il tecnico medio del ramo intende senza problemi da quanto descritto. It is specified here that elements of different embodiments can be combined together to provide further unlimited embodiments while respecting the technical concept of the invention, as the average person skilled in the art understands without problems from what has been described.
La presente descrizione inoltre fa riferimento alla tecnica nota per la sua implementazione, riguardo alle caratteristiche di dettaglio non descritte, come ad esempio elementi di minore importanza usualmente utilizzati nella tecnica nota in soluzioni dello stesso tipo. The present description also refers to the known art for its implementation, with regard to the detailed characteristics not described, such as for example less important elements usually used in the prior art in solutions of the same type.
Quando si introduce un elemento si intende sempre che può essere “almeno uno” o “uno o più”. When an element is introduced, it always means that it can be “at least one” or “one or more”.
Quando si elenca una lista di elementi o di caratteristiche in questa descrizione si intende che il trovato secondo l’invenzione “comprende” oppure alternativamente “è composto di” tali elementi. When a list of elements or characteristics is listed in this description, it means that the invention according to the invention "includes" or alternatively "is composed of" such elements.
Forme di realizzazione Embodiments
Sistema di analisi chimica gas-cromatografico con spettroscopia fotoacustica Gas-chromatographic chemical analysis system with photoacoustic spectroscopy
Con riferimento alle figure da 1 a 4, la presente forma realizzativa si riferisce ad un sistema di analisi chimica (portatile) in grado di identificare sostanze illecite o tossiche in tracce (concentrazioni sub-ppm) grazie alla selettività bi-dimensionale ottenuta da una specifica combinazione tra la tecnica di separazione Gas Cromatografica (GC) e la tecnica di analisi infrarosso (IR) fotoacustica (PA), in particolare ma non esclusivamente nella sua implementazione denominata Quartz Enhanced Photo Acoustic Spectroscopy (QEPAS). With reference to Figures 1 to 4, the present embodiment refers to a chemical analysis system (portable) capable of identifying illegal or toxic trace substances (sub-ppm concentrations) thanks to the two-dimensional selectivity obtained from a specific combination between the Gas Chromatographic (GC) separation technique and the infrared (IR) photoacoustic (PA) analysis technique, in particular but not exclusively in its implementation called Quartz Enhanced Photo Acoustic Spectroscopy (QEPAS).
Facendo riferimento alla discussione della tecnica anteriore, ed in particolare alla soluzione IRAS per il rilevamento di sostanze tossiche, la tecnica infrarosso fotoacustica PA genera spettri molto simili (per forma e per informazione strutturale contenuta) agli spettri IRAS, sfruttando l’onda di pressione generata da un campione gassoso che, assorbendo la radiazione IR, si scalda e quindi si espande generando un segnale acustico, che viene poi acquisito da un apposito trasduttore, quale ad esempio un microfono o un diapason piezoelettrico. D’altra parte, la tecnica fotoacustica può essere implementata con soluzioni che permettono di analizzare campioni gassosi di volume infinitesimale. Esistono numerose implementazioni della tecnica fotoacustica presa in sé, degna di nota è la tecnologia della ditta Gasera (Finlandia) che utilizza un cantilever MEMS in silicio come microfono per l’onda acustica (si veda ad esempio: www.gasera.fi/technology/optical-microphone/). Una diversa e particolare implementazione di sistema fotoacustico è invece quella che utilizza un diapason in quarzo (quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy QEPAS), sfruttando un fascio laser IR a lunghezza d’onda variabile (external cavity quantum cascade laser “EC-QCL”) che viene focalizzato tra i due rebbi del microdiapason. Questo permette di concentrare in quel punto, per cui transita tutta la massa del pacchetto concentrato di campione da analizzare, tutta l’intensità della radiazione infrarosso. L’analizzatore QEPAS è sembrato quindi, secondo i risultati di numerosi test effettuati dagli Inventori, un sistema di analisi ad assorbimento infrarosso che poteva essere utilizzato efficacemente a valle di una colonna di separazione gas-cromatografica. Tali test hanno tuttavia evidenziato allo stesso tempo alcune criticità e problemi che hanno necessitato ulteriori esperimenti per trovare una adeguata soluzione tecnica, come spiegato nel seguito. Referring to the discussion of the prior art, and in particular to the IRAS solution for the detection of toxic substances, the PA infrared photoacoustic technique generates spectra very similar (in shape and structural information contained) to the IRAS spectra, exploiting the pressure wave generated from a gaseous sample which, by absorbing the IR radiation, heats up and then expands generating an acoustic signal, which is then acquired by a special transducer, such as a microphone or a piezoelectric tuning fork. On the other hand, the photoacoustic technique can be implemented with solutions that allow you to analyze gaseous samples of infinitesimal volume. There are numerous implementations of the photoacoustic technique taken in itself, worthy of note is the technology of the company Gasera (Finland) which uses a silicon MEMS cantilever as a microphone for the acoustic wave (see for example: www.gasera.fi/technology/ optical-microphone /). A different and particular implementation of a photoacoustic system is the one that uses a quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy QEPAS, using a variable wavelength IR laser beam (external cavity quantum cascade laser "EC-QCL") which is focused between the two prongs of the microdiapason. This allows to concentrate in that point, through which the entire mass of the concentrated sample packet to be analyzed passes, all the intensity of the infrared radiation. The QEPAS analyzer therefore appeared, according to the results of numerous tests carried out by the inventors, to be an infrared absorption analysis system that could be used effectively downstream of a gas-chromatographic separation column. However, these tests highlighted at the same time some criticalities and problems that required further experiments to find an adequate technical solution, as explained below.
Secondo la forma realizzativa qui descritta, il modulo GC viene preferibilmente implementato come dispositivo MEMS di tipo FAST, in grado di separare con budget termici ridotti e tempi di eluizioni molto brevi (pochi minuti) campioni anche complessi e poco volatili. Tuttavia, il modulo GC può essere qualsiasi, e quindi non necessariamente avente le caratteristiche della forma realizzativa descritta più avanti. Facendo riferimento alla Fig. 1, nel sistema 1000 secondo According to the embodiment described here, the GC module is preferably implemented as a MEMS device of the FAST type, capable of separating even complex and not very volatile samples with reduced thermal budgets and very short elution times (a few minutes). However, the GC module can be any, and therefore not necessarily having the characteristics of the embodiment described below. Referring to Fig. 1, in the 1000 second system
l’invenzione, il modulo GC 100’ può comprendere una the invention, the GC 100 module may include a
valvola (ad esempio a 6 o a 10 vie) 104, a cui sono valve (for example 6 or 10-way) 104, to which I am
connessi una pompa per il campione 101, il serbatoio di connected a pump for the sample 101, the tank of
gas vettore 103, un preconcentratore MEMS 160 carrier gas 103, a MEMS preconcentrator 160
(realizzato ad esempio come nella forma realizzativa del (realized for example as in the embodiment of
GC illustrata nel seguito) e la colonna GC vera e propria GC shown below) and the actual GC column
150. Da questa colonna GC i pacchetti di gas passano al 150. From this GC column the gas packets pass to
modulo QEPAS 200, che comprende una forchetta (anche QEPAS 200 module, which includes a fork (also
chiamata “diapason”) piezoelettrica 210 con risonatore called “diapason”) piezoelectric 210 with resonator
in quarzo e una sorgente ad infrarossi 220. in quartz and an infrared source 220.
Nel sistema complessivo 1000 può anche essere In the overall system 1000 can also be
presente un pre-concentratore 300 in uno stadio there is a pre-concentrator 300 in one stage
precedente al modulo GC. Tale pre-concentratore utilizza previous to the GC module. Such a pre-concentrator uses
una entrata del campione 310, ed una pompa reversibile a sample inlet 310, and a reversible pump
330 per pre-concentrare in 320 lo stesso campione e 330 to pre-concentrate the same sample in 320 e
fornirlo allo stadio GC 100’. supply it to the GC 100 'stage.
In riferimento alle figure da 1 a 4, il modulo QEPAS With reference to figures 1 to 4, the QEPAS module
200 comprende secondo un aspetto dell’invenzione: 200 includes according to one aspect of the invention:
- un volume interno 210 della cella 200; - an internal volume 210 of the cell 200;
- un micro-risonatore 220 (o in generale mezzi - a micro-resonator 220 (or in general means
risonatori); resonators);
- una forchetta piezoelettrica 230 (o in generale - a piezoelectric fork 230 (or in general
mezzi trasduttori) che trasduce il segnale transducer means) which transduces the signal
fotoacustico; photoacoustic;
- un capillare GC 240 (proveniente o in connessione - a capillary GC 240 (coming or connecting
con quello in uscita dalla colonna GC); e with the one coming out of the GC column); And
- opzionalmente, fori per l’inserimento di mezzi di - optionally, holes for the insertion of means of
riscaldamento 250. heating 250.
Sebbene esistano nella tecnica nota delle celle di analisi infrarosso fotoacustica, l’accoppiamento con una colonna gas-cromatografica è realizzato unicamente dalla presente invenzione, che ne specifica le modalità. Although there are photoacoustic infrared analysis cells in the known art, the coupling with a gas-chromatographic column is achieved solely by the present invention, which specifies the modalities.
Infatti, accoppiando una cella fotoacustica 200 della tecnica nota ad una colonna GC (in sé pure nota) 100’, gli Inventori hanno potuto osservare una eccessiva diluizione dei pacchetti di campione. Infatti le celle fotoacustiche note hanno un volume interno (in cui convogliare il pacchetto di campione da analizzare) che va da 100 a 1000 volte il volume di un pacchetto di campione tipico variabile da 10 a 100 microlitri. Sebbene il volume del campione sia in sé variabile, i pacchetti in uscita (eluiti) dalla colonna GC variano meno di un ordine di grandezza, e quindi il pacchetto si ritroverebbe in ogni caso ad essere diluito fortemente e ad essere rimescolato con i pacchetti successivi eluiti dalla colonna, il che cancellerebbe ogni misura dei picchi come nel seguito illustrato in casi concreti. In fact, by coupling a photoacoustic cell 200 of the known art to a GC column (in itself also known) 100 ', the Inventors were able to observe an excessive dilution of the sample packets. In fact, known photoacoustic cells have an internal volume (in which to convey the sample packet to be analyzed) ranging from 100 to 1000 times the volume of a typical sample packet ranging from 10 to 100 microliters. Although the volume of the sample itself is variable, the packets leaving (eluted) from the GC column vary less than an order of magnitude, and therefore the packet would in any case find itself being strongly diluted and remixed with subsequent eluted packets. from the column, which would cancel any measurement of the peaks as illustrated below in concrete cases.
Gli Inventori hanno invece potuto determinare che se il volume della cella arriva fino a 10 volte il volume di un pacchetto, allora ciò non avviene, si riescono ancora a misurare i picchi e quindi a fornire le analisi del caso. Ancora migliore è la situazione in cui il volume della cella arriva fino a 5 volte il volume del pacchetto, con una preferenza per il sotto-intervallo che arriva fino a 2, con cui effettivamente si è in grado di processare con elevata sensibilità ed eccellente selettività flussi di vapore anche molto piccoli, come quelli erogati da una colonna FAST-GC. The inventors have instead been able to determine that if the volume of the cell reaches 10 times the volume of a packet, then this does not happen, it is still possible to measure the peaks and therefore to provide the appropriate analyzes. Even better is the situation where the cell volume reaches up to 5 times the volume of the packet, with a preference for the sub-range of up to 2, with which one is effectively able to process with high sensitivity and excellent selectivity. even very small steam flows, such as those delivered by a FAST-GC column.
Una delle applicazioni principali della presente invenzione è rivolta all’identificazione di molteplici sostanze non note a priori, per cui il concetto di base è che tanto più il volume interno della cella è piccolo tanto meglio è. Se quindi la cella non è sufficientemente piccola, i picchi misurati sono troppo vicini e si rimescolano. Invece, più la cella è piccola rispetto al pacchetto di campione, più la cella effettua molteplici acquisizioni seguendo il picco. Idealmente, le molteplici acquisizioni costituirebbero una misura quantitativa circa le sostanze rilevate, e non solo qualitativa sulla presenza o no delle stesse. Poiché tuttavia la principale applicazione è quella di rilevare la mera presenza in campo, c’è solo un limite superiore alla grandezza della cella, sperimentalmente verificato e sopra riportato, e non esiste un limite inferiore della stessa. One of the main applications of the present invention is aimed at the identification of multiple substances not known a priori, so the basic concept is that the smaller the internal volume of the cell, the better. Therefore, if the cell is not small enough, the measured peaks are too close and mix. Instead, the smaller the cell is compared to the sample packet, the more the cell performs multiple acquisitions following the peak. Ideally, the multiple acquisitions would constitute a quantitative measure of the substances detected, and not just a qualitative measure of the presence or absence of the same. However, since the main application is to detect the mere presence in the field, there is only an upper limit to the size of the cell, experimentally verified and reported above, and there is no lower limit of the same.
Per questo motivo, grazie al volume interno miniaturizzato, la concentrazione e la separazione dei picchi cromatografici è mantenuta all'interno della camera di analisi senza diluizione o rimescolamento, consentendo così un'elevata sensibilità e identificazione di ciascun componente della miscela campionata. For this reason, thanks to the miniaturized internal volume, the concentration and separation of the chromatographic peaks is maintained inside the analysis chamber without dilution or mixing, thus allowing high sensitivity and identification of each component of the sampled mixture.
Si vede da quanto sopra che al fine dell’accoppiamento i parametri oltre la dimensione del volume interno sono opzionali. It can be seen from the above that for the purpose of coupling the parameters beyond the size of the internal volume are optional.
In relazione alla tipologia di sostanze da analizzare, gli Inventori hanno identificato un ulteriore problema generato dalle celle fotoacustiche note in alcuni casi. Infatti, i pacchetti di campioni di sostanze altobollenti (o in generale sostanze poco volatili) sono soggetti a condensazione quando entrano in queste celle, in misura tale da non permettere un adeguato rilevamento dei picchi. Per queste sostanze quindi, il semplice accoppiamento dei due dispositivi della tecnica anteriore degraderebbe la misura rendendo il sistema complessivo inutilizzabile. Questo problema è stato risolto dotando la cella fotoacustica di mezzi di riscaldamento del suo volume interno, nonché opzionalmente di mezzi di controllo del riscaldamento. In relation to the type of substances to be analyzed, the inventors have identified a further problem generated by the known photoacoustic cells in some cases. In fact, the packets of samples of high boiling substances (or in general low volatile substances) are subject to condensation when they enter these cells, to such an extent as not to allow adequate detection of the peaks. For these substances, therefore, the simple coupling of the two prior art devices would degrade the measurement making the overall system unusable. This problem has been solved by equipping the photoacoustic cell with heating means for its internal volume, as well as optionally with heating control means.
La presente forma realizzativa realizza pertanto un accoppiamento originale e particolarmente efficace tra dispositivi e tecniche di separazione ed analisi, e dà vita ad una nuova famiglia di sensori di tracce per uso campale che si distinguono per portabilità e velocità di risposta. The present embodiment therefore achieves an original and particularly effective coupling between separation and analysis devices and techniques, and gives rise to a new family of track sensors for field use which are distinguished by portability and response speed.
Secondo un esempio di realizzazione, il nucleo del rivelatore QEPAS è una camera di rilevamento riscaldata con un volume morto minimo. Un raggio laser è focalizzato all'interno della camera tra i rebbi di un diapason di quarzo commerciale standard (QTF) che risuona a 32768 Hz, per mezzo di una lente esterna di 25 mm di lunghezza focale. Inoltre, un micro-risonatore costituito da due piccoli tubi di acciaio di 0,9 mm di I.D. e 4,6 mm di lunghezza è posizionato vicino al QTF per amplificare il segnale fotoacustico. L'uscita della colonna GC è collegato alla camera, che viene riscaldata per evitare la condensazione di composti meno volatili eluiti dalla colonna. According to an embodiment, the core of the QEPAS detector is a heated detection chamber with a minimum dead volume. A laser beam is focused inside the chamber between the prongs of a standard commercial quartz (QTF) tuning fork that resonates at 32768 Hz, by means of a 25mm focal length external lens. In addition, a micro-resonator consisting of two small 0.9 mm I.D. and 4.6 mm in length is positioned close to the QTF to amplify the photoacoustic signal. The outlet of the GC column is connected to the chamber, which is heated to avoid condensation of less volatile compounds eluted from the column.
Un’altra criticità rilevata dagli Inventori durante i test di accoppiamento dei due apparati è la distanza tra l’uscita del capillare da cui escono i pacchetti della colonna GC e il punto in cui viene focalizzato il laser, tra i due rami della forchetta del rivelatore fotoacustico. Another criticality detected by the Inventors during the coupling tests of the two devices is the distance between the outlet of the capillary from which the packets of the GC column come out and the point where the laser is focused, between the two branches of the detector fork. photoacoustic.
Si è potuto anzitutto appurare che la distanza tipica di un accoppiamento tra i dispositivi della tecnica nota, ovvero una distanza che va da 0,5 a 5 cm, non permette una misura ottimale, perché i volumi morti sono ancora grandi. Si è ugualmente appurato che riducendo tale distanza nell’intervallo 0,2 - 2 mm si ottengono misure ottime, e anche eccellenti se si sta al di sotto del millimetro (sempre dovute a minore rimescolamento e minore diluizione). It was first of all possible to ascertain that the typical distance of a coupling between the devices of the known art, ie a distance ranging from 0.5 to 5 cm, does not allow an optimal measurement, because the dead volumes are still large. It has also been found that by reducing this distance in the 0.2 - 2 mm range, excellent measurements are obtained, and also excellent if you are below a millimeter (always due to less mixing and less dilution).
Gli Inventori hanno provato un accoppiamento con questo intervallo ridotto sia nel caso di volumi di analisi 100-1000 volte il volume dei pacchetti, sia nel caso di volumi di analisi che non superano 10 volte il volume dei pacchetti. Il risultato è che nel primo caso (della tecnica nota) non si ha comunque alcuna misura, mentre nel secondo caso le misure si ottengono e sono ottime. In altri termini, variare unicamente la distanza capillare forchetta non risolve da solo il problema della diluizione sopra esposto. The inventors have tried a coupling with this reduced range both in the case of analysis volumes 100-1000 times the volume of the packets, and in the case of analysis volumes that do not exceed 10 times the volume of the packets. The result is that in the first case (of the known art) there is in any case no measurement, while in the second case the measurements are obtained and are excellent. In other words, varying the fork capillary distance alone does not solve the above dilution problem by itself.
In una realizzazione pratica, il sensore QEPAS utilizza un laser a cascata quantica con cavità esterna (EC-QCL), della Monolux Pranalytica (USA), come sorgente IR sintonizzabile ad alta luminosità da 8,8 μm a 9,9 μm, dove diversi composti pericolosi hanno il loro spettro caratteristico. La testina ottica del sensore QEPAS, (laser, obiettivo di focalizzazione e cella QEPAS), è integrata con l'elettronica per la lettura del segnale e il controllo termico e con un mini-PC, che consente di gestire il modulo anche da remoto. In a practical embodiment, the QEPAS sensor uses an external cavity quantum cascade laser (EC-QCL), from Monolux Pranalytica (USA), as a tunable high brightness IR source from 8.8 μm to 9.9 μm, where different dangerous compounds have their own characteristic spectrum. The optical head of the QEPAS sensor (laser, focusing lens and QEPAS cell) is integrated with the electronics for signal reading and thermal control and with a mini-PC, which allows you to manage the module even remotely.
Poiché diverse specie target sono dei composti ad alto punto di ebollizione, l'intera catena di rilevamento può essere costruita per funzionare a temperature elevate per evitare la condensazione. La valvola di iniezione può essere una valvola commerciale a 10 vie (VICI-Valco) alloggiata all'interno di un piccolo forno termicamente isolato e tutti i tubi e le linee di trasferimento vengono riscaldati inserendoli in tubi di poliimmide dotati di trecce metalliche esterne in acciaio inossidabile, che sono state utilizzate come resistenze elettriche (Microlumen Inc., Oldsmar FL, USA). Since several target species are high-boiling compounds, the entire detection chain can be built to operate at elevated temperatures to avoid condensation. The injection valve can be a commercial 10-way valve (VICI-Valco) housed inside a small thermally insulated furnace and all tubes and transfer lines are heated by inserting them into polyimide tubes equipped with external steel metal braids stainless steel, which have been used as electrical resistors (Microlumen Inc., Oldsmar FL, USA).
La presente forma realizzativa è ben combinabile con la prima forma realizzativa sopra esposta (anche se la combinazione è possibile con qualsiasi modulo GC), come gli Inventori hanno potuto appurare con i risultati descritti nel seguito. The present embodiment is well combinable with the first embodiment described above (even if the combination is possible with any GC module), as the inventors have been able to ascertain with the results described below.
Sistema gas-cromatografico miniaturizzato Miniaturized gas chromatographic system
L’invenzione concerne un sistema gas-cromatografico miniaturizzato, basato su componentistica MEMS per l’analisi di campioni gassosi in tracce tramite la preconcentrazione purge&trap a desorbimento termico, in cui possono essere comprese individualmente ed in una combinazione qualsiasi le caratteristiche di seguito illustrate, rispettando il concetto tecnico dell’invenzione. The invention relates to a miniaturized gas-chromatographic system, based on MEMS components for the analysis of gaseous samples in traces by means of purge & trap thermal desorption preconcentration, in which the characteristics illustrated below can be included individually and in any combination, respecting the technical concept of the invention.
Facendo riferimento alla Fig. 5, il dispositivo gascromatografico 100, in una prima forma di realizzazione secondo l’invenzione, comprende una unità di colonna cromatografica 150 ed un preconcentratore 160 (anche detto “trappola a desorbimento termico”). Montato (ad esempio a ponte) tra i due, vi è una unità di iniettore 140. Il montaggio avviene preferibilmente attraverso degli O-ring 180 che vengono schiacciati tra due parti rigide in modo da formare collegamenti fluidici (più in generale può essere utilizzata una qualsiasi giunzione o collegamento fluidico, anche usando mezzi diversi dagli O-ring). Nella parte tra il preconcentratore 160 e la colonna gas-cromatografica 150 è affacciata all’unità di iniettore 140 una testata fluidica 170, preferibilmente in acciaio. Ancora, preferibilmente, non vi è contatto diretto tra la testata fluidica 170 e l’unità di iniettore 140, ma il contatto avviene tramite O-Ring 180. Referring to Fig. 5, the gas chromatographic device 100, in a first embodiment according to the invention, comprises a chromatographic column unit 150 and a preconcentrator 160 (also called "thermal desorption trap"). Mounted (for example as a bridge) between the two, there is an injector unit 140. The assembly preferably takes place through O-rings 180 which are squeezed between two rigid parts so as to form fluidic connections (more generally a any fluidic joints or connections, even using means other than O-rings). In the part between the preconcentrator 160 and the gas chromatographic column 150, a fluidic head 170, preferably in steel, faces the injector unit 140. Still, preferably, there is no direct contact between the fluidic head 170 and the injector unit 140, but the contact occurs through O-Ring 180.
La colonna di separazione è una colonna preferibilmente compresa nel gruppo che include: colonne GC micro-lavorate impaccate, colonne GC microlavorate semi-impaccate, colonne GC capillari micro-lavorate, colonne GC multi-capillari microlavorate, colonne GC tubolari a strato poroso e colonne GC micro-lavorate a base di liquidi ionici. The separator column is a column preferably included in the group which includes: packed micro-machined GC columns, semi-packed micro-machined GC columns, micro-machined capillary GC columns, micro-machined multi-capillary GC columns, porous layer tubular GC columns and columns Micro-processed GCs based on ionic liquids.
La trappola di desorbimento termico 160 può essere riempita con un assorbente adatto compreso nell'insieme di polimeri porosi, carboni grafitati, setacci molecolari, setacci molecolari di zeolite, o trappole di sorbenti a letto multiplo basati su sequenze di uno qualsiasi dei sorbenti citati. The thermal desorption trap 160 may be filled with a suitable absorbent from the set of porous polymers, graphite carbons, molecular sieves, molecular zeolite sieves, or multiple bed sorbent traps based on sequences of any of the aforementioned sorbents.
Secondo una forma di realizzazione vantaggiosa, sia la trappola di desorbimento termico che la colonna di separazione cromatografica sono entrambe riempite di carboni grafitati con differenti superfici specifiche, quindi sono adatte per rampe ad alta temperatura in presenza di ossigeno nel gas di trasporto e quindi consentendo l'uso di aria purificata come gas di trasporto. According to an advantageous embodiment, both the thermal desorption trap and the chromatographic separation column are both filled with graphite carbons with different specific surfaces, therefore they are suitable for high temperature ramps in the presence of oxygen in the carrier gas and thus allowing the use of purified air as a carrier gas.
Dall’altra parte rispetto alla testata fluidica 170, sono montati uno o due strati di materiale 120,130 come mezzo interposto tra l’unità di iniettore 140 e le elettrovalvole 110. Un primo strato 130 è preferibilmente in alluminio e serve come rinforzo strutturale e come protezione per un secondo strato 120 che è in un materiale termicamente isolante, in modo che le elettrovalvole 110 non si riscaldino a contatto con l’unità di iniettore 140. On the other side with respect to the fluidic head 170, one or two layers of material 120,130 are mounted as a means interposed between the injector unit 140 and the solenoid valves 110. A first layer 130 is preferably made of aluminum and serves as a structural reinforcement and as a protection for a second layer 120 which is made of a thermally insulating material, so that the solenoid valves 110 do not heat up in contact with the injector unit 140.
Facendo riferimento alla Fig. 6, si vedono i flussi di fluido all’interno del dispositivo 100 dell’invenzione. Vi sono i flussi di entrata ed uscita del campione, la sovrappressione dP del gas carrier, la sottopressione –dP della pompa che aspira il campione (o altri mezzi di movimentazione del campione), nonché il flusso di uscita verso il rilevatore, in questo caso indicato essere a foto-ionizzazione “PID”. Schematicamente, la sovrappressione dP spinge il gas carrier nella colonna gas-cromatografica 150, gas che passa poi nell’unità di iniettore 140 ed infine nel rilevatore (uno o più, non mostrati). Questo circuito è fatto funzionare attraverso l’uso delle elettrovalvole 110 che però aprono e chiudono altre valvole on/off attuate a pressione, meglio illustrate nel seguito. Referring to Fig. 6, we see the fluid flows inside the device 100 of the invention. There are the inlet and outlet flows of the sample, the overpressure dP of the carrier gas, the underpressure -dP of the pump sucking the sample (or other means of handling the sample), as well as the outlet flow towards the detector, in this case indicated to be “PID” photo-ionization. Schematically, the overpressure dP pushes the carrier gas into the gas chromatographic column 150, gas which then passes into the injector unit 140 and finally into the detector (one or more, not shown). This circuit is operated through the use of solenoid valves 110 which, however, open and close other pressure actuated on / off valves, better illustrated below.
Facendo ora riferimento alla Fig. 7, si danno ulteriori dettagli del dispositivo, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione. Referring now to Fig. 7, further details of the device are given, according to an embodiment of the invention.
Si vedono chiaramente i condotti che permettono alcuni dei vari flussi descritti. In particolare, con 173 è indicata l’entrata del campione, con 171 la sovrappressione dP e con 172 la sottopressione –dP, con 174 l’uscita verso il rilevatore. Nello strato termicamente isolante 120 è praticato il canale 125 di entrata della pressione di attuazione. Sono presenti altri due canali 135 tra le elettrovalvole 110 e l’unità di iniettore 140, i quali sono canali di attuazione del dispositivo (delle valvole V1-V5, si veda sotto), che ricevono pressione dal canale 125. I canali 171-174 sono vantaggiosamente realizzati nella testata fluidica 170, e questa è preferibilmente in acciaio: infatti questo materiale ha un elevato grado di passivazione (ovvero è possibile passivare la superficie dei canali, ad esempio con processi di vetrificazione, in modo tale che diventino inerti). Il gas, entrando in 173, è diretto verso l’iniettore, che smista il flusso attraverso l’azionamento delle valvole V1-V5. The ducts that allow some of the various flows described are clearly seen. In particular, 173 indicates the inlet of the sample, with 171 the overpressure dP and 172 the underpressure -dP, with 174 the outlet towards the detector. The inlet channel 125 for the actuation pressure is formed in the thermally insulating layer 120. There are two other channels 135 between the solenoid valves 110 and the injector unit 140, which are actuation channels of the device (of the valves V1-V5, see below), which receive pressure from the channel 125. The channels 171-174 they are advantageously made in the fluidic head 170, and this is preferably made of steel: in fact this material has a high degree of passivation (i.e. it is possible to passivate the surface of the channels, for example with vitrification processes, so that they become inert). The gas, entering 173, is directed towards the injector, which sorts the flow through the actuation of valves V1-V5.
Infine, le elettrovalvole 110 prendono energia elettrica attraverso fili 115. Finally, the solenoid valves 110 take electrical energy through wires 115.
In generale, l’iniettore, i tubi e le valvole sono ricompresi nella dizione “mezzi di controllo del flusso”, che possono essere realizzati in vario modo. In general, the injector, pipes and valves are included in the term "flow control means", which can be made in various ways.
Sebbene nelle figure siano illustrati degli O-ring 180 nella formazione di alcuni condotti, sono utilizzabili altri mezzi con la stessa funzione, nel dispositivo secondo l’invenzione. Ad esempio, possono essere utilizzate guarnizioni o collegamenti con leghe metalliche, ad esempio una giunzione fluidica basata su metallo fuso (soft metallic seals). Più in generale si parlerà quindi di giunzioni fluidiche o mezzi di tenuta per gli O-ring o guarnizioni o altro. Although the figures show O-rings 180 in the formation of some ducts, other means with the same function can be used in the device according to the invention. For example, gaskets or connections with metal alloys can be used, for example a fluidic joint based on molten metal (soft metallic seals). More generally speaking, therefore, fluidic junctions or sealing means for the O-rings or gaskets or the like.
E’ inoltre da precisare che la colonna gascromatografica 150, il preconcentratore 160 e l’unità di iniezione 140 sono realizzati come MEMS per fornire una miniaturizzazione al dispositivo. In particolare, l’unità di iniezione 140 funziona sia da iniettore che da manifold (collegamento) fluidico per interconnettersi al preconcentratore e alla colonna gas-cromatografica, al fine di minimizzare i volumi morti pur permettendo di tenere l’intero circuito analitico attraversato dal campione a temperature elevate (poiché le valvole MEMS sono resistenti ad alte temperature), e quindi ottimizzare le performance analitiche. It should also be noted that the gas chromatographic column 150, the preconcentrator 160 and the injection unit 140 are made as MEMS to provide a miniaturization to the device. In particular, the injection unit 140 functions both as an injector and as a fluidic manifold (connection) to interconnect to the preconcentrator and to the gas-chromatographic column, in order to minimize dead volumes while allowing to keep the entire analytical circuit crossed by the sample. at elevated temperatures (since MEMS valves are resistant to high temperatures), and thus optimize analytical performance.
Facendo ora riferimento alle Fig. 8 e 9, si mostra il circuito funzionale del dispositivo secondo l’invenzione. Nell’esempio specifico illustrato sono presenti cinque valvole on/off, ma ne possono essere presenti più di cinque. Tali valvole V1-V5 sono preferibilmente tutte nell’unità di iniezione 140. Referring now to Figs. 8 and 9, the functional circuit of the device according to the invention is shown. In the specific example illustrated there are five on / off valves, but there may be more than five. These valves V1-V5 are preferably all in the injection unit 140.
Il circuito nello stato della Fig. 8 ha tre valvole aperte e due chiuse, al fine di creare, grazie alla sottopressione –dP, un flusso nel preconcentratore 160 in modo che appunto gli analiti vengano ivi concentrati. La colonna gas-cromatografica è comunque interessata da un flusso comandato dalla sovrappressione dP, altrimenti può essere soggetta a contaminazione. The circuit in the state of Fig. 8 has three valves open and two closed, in order to create, thanks to the under pressure –dP, a flow in the preconcentrator 160 so that the analytes are concentrated there. The gas chromatographic column is in any case affected by a flow controlled by the overpressure dP, otherwise it can be subject to contamination.
Alla fine di questo processo, si inverte la chiusura/apertura delle valvole, in modo tale che dal pre-concentratore opportunamente scaldato per il rilascio del campione, il gas, spinto dalla sovrappressione dP, passi alla colonna gascromatografica 150 e quindi al rilevatore (non mostrato). Le valvole MEMS sono comandate dal gruppo di elettrovalvole 110. La Fig. 10 esemplifica il funzionamento delle valvole MEMS. Tali valvole on/off sono preferibilmente micro-membrane polimeriche realizzate tra due wafer di silicio. At the end of this process, the closing / opening of the valves is reversed, so that from the pre-concentrator suitably heated to release the sample, the gas, pushed by the overpressure dP, passes to the gas chromatography column 150 and then to the detector (not shown). The MEMS valves are controlled by the group of solenoid valves 110. Fig. 10 exemplifies the operation of the MEMS valves. These on / off valves are preferably polymeric micro-membranes made between two silicon wafers.
Le due pompe (o più in generale mezzi di movimentazione di gas o di creazione di pressione) per la sovrappressione e sottopressione sono preferibilmente differenti. The two pumps (or more generally means for moving gas or for creating pressure) for overpressure and underpressure are preferably different.
Secondo una differente forma realizzativa della presente invenzione, il pre-concentratore 160 è in connessione termica o integra (realizzandoli ad esempio come MEMS) uno o più riscaldatori ed uno o più sensori di temperatura (non mostrati). Stessa cosa può essere prevista per la colonna cromatografica. Per “connessione termica” si intende una qualsiasi connessione (a contatto, radiante, ecc.; interna o esterna) in grado di veicolare calore dal riscaldatore all’elemento riscaldato (pre-concentratore e colonna cromatografica). According to a different embodiment of the present invention, the pre-concentrator 160 is in thermal connection or integrates (making them for example as MEMS) one or more heaters and one or more temperature sensors (not shown). Same thing can be expected for the chromatographic column. By "thermal connection" we mean any connection (contact, radiant, etc .; internal or external) capable of conveying heat from the heater to the heated element (pre-concentrator and chromatographic column).
Secondo un aspetto dell’invenzione, può essere previsto un riscaldatore anche per la testata fluidica 170. Ad esempio, si possono usare dei riscaldatori elettrici in Kapton/Rame, ma si potrebbe fare anche con semplici resistenze o candelette corazzate. A questo punto, si può ritenere che il chip MEMS iniettore 140 sarà riscaldato per irraggiamento dalla testata fluidica 170, che gli sta molto vicino. According to an aspect of the invention, a heater can also be provided for the fluidic head 170. For example, electric heaters in Kapton / Copper can be used, but it could also be done with simple resistors or armored glow plugs. At this point, it can be assumed that the MEMS injector chip 140 will be heated by radiation from the fluidics head 170, which is very close to it.
E’ tuttavia possibile aggiungere un ulteriore riscaldatore a pellicola in Kapton/Rame per scaldare anche direttamente il chip MEMS iniettore 140, posizionato tra il MEMS 140 e il blocco in PEEK 120 (in generale un materiale isolante), oppure un riscaldatore integrato nell’iniettore stesso 140, come fatto per il pre-concentratore 160 e la colonna cromatografica 150. However, it is possible to add an additional Kapton / Copper film heater to directly heat the MEMS injector 140 chip, positioned between the MEMS 140 and the PEEK 120 block (generally an insulating material), or a heater integrated in the injector. same 140, as done for the pre-concentrator 160 and the chromatographic column 150.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema può comprendere nell’iniettore 140 un anello (loop) di campionamento, per consentire l'uso alternativamente di una trappola di desorbimento termico o di un anello di campionamento. Infatti, qualora si tratti di analizzare un campione ad alta concentrazione e non fosse quindi necessario l’arricchimento del campione tramite il processo di pre-concentrazione, si potrebbe utilizzare l’iniezione da loop che garantisce analisi più rapide (non necessitando dei cicli aggiuntivi di pre-concentrazione e rilascio) e iniezioni volumetriche più precisamente controllate. According to an aspect of the present invention, the system can comprise in the injector 140 a sampling loop, to allow the alternate use of a thermal desorption trap or a sampling loop. In fact, if it is a question of analyzing a sample with a high concentration and it is therefore not necessary to enrich the sample through the pre-concentration process, it is possible to use loop injection which guarantees faster analyzes (not requiring additional cycles of pre-concentration and release) and more precisely controlled volumetric injections.
E’ qui da notare che nella tecnica nota non esiste un passaggio tra preconcentratore e colonna gascromatografica con delle valvole on-off attuate a pressione. Inoltre, le valvole non sono tutte inserite in un unico componente come nella presente invenzione. It should be noted here that in the known art there is no passage between the preconcentrator and the gas chromatographic column with pressure-actuated on-off valves. Furthermore, the valves are not all incorporated into a single component as in the present invention.
Il fatto che nella presente invenzione si siano disaccoppiate le valvole di circuito dalle elettrovalvole permette di lavorare ad alta temperatura. E’ così possibile tenere l’iniettore MEMS a temperature fino a 250°C per evitare la condensazione di molecole altobollenti, pur implementando un sistema di iniezione a volume morto quasi-nullo. Questo rende il sistema di gas-cromatografia general-purpose, a differenza di quanto descritto in [3] che era specifico per il campione BTEX (benzene, toluene, etilbenzene e xilene), il quale non presenta problemi di condensazione. The fact that in the present invention the circuit valves have been decoupled from the solenoid valves makes it possible to work at high temperatures. It is thus possible to keep the MEMS injector at temperatures up to 250 ° C to avoid the condensation of high-boiling molecules, while implementing an injection system with almost zero dead volume. This makes the gas chromatography system general-purpose, unlike that described in [3] which was specific for the BTEX sample (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene), which does not present condensation problems.
Inoltre, il fatto che, a differenza dell’iniezione di un loop, si usa un pre-concentratore MEMS, ha il vantaggio dell’aumento della sensibilità. Furthermore, the fact that, unlike the injection of a loop, a MEMS pre-concentrator is used, has the advantage of increasing sensitivity.
Un’altra caratteristica del sistema dell’invenzione è che l’iniettore MEMS funge a tutti gli effetti da “manifold microfluidico” (che potrebbe anche essere chiamato “pneumatic motherboard” o “motherboard microfluidica”) per interconnettere il pre-concentratore MEMS alla colonna GC MEMS, realizzando quindi un insieme di 3 MEMS interconnessi direttamente affacciandoli tra di loro (ad esempio tramite micro-ORings), senza l’ausilio di componentistica aggiuntiva quale tubi/capillari/manifold. Questo permette di realizzare un modulo GC estremamente compatto, di diminuire ulteriormente i volumi morti e di tenere tutta la catena analitica a temperature di lavoro elevate con un ridotto consumo di energia. Another feature of the system of the invention is that the MEMS injector effectively acts as a "microfluidic manifold" (which could also be called a "pneumatic motherboard" or "microfluidic motherboard") to interconnect the MEMS pre-concentrator to the column GC MEMS, thus creating a set of 3 MEMS interconnected directly facing each other (for example through micro-ORings), without the aid of additional components such as tubes / capillaries / manifolds. This allows to realize an extremely compact GC module, to further decrease the dead volumes and to keep the whole analytical chain at high working temperatures with a reduced energy consumption.
Il rilevatore non è specifico alla presente invenzione, in quanto potrebbe essere qualsiasi tipo di rilevatore utilizzato in GC; si citano solamente, a titolo esemplificativo, il TCD (Thermal Conductivity Detector), il PID (Photoionization Detector), il FID (Flame Ionization Detector), l’ECD (Electron Capture Detector), il PDD (Pulsed Discharge Detector), il MOX (Metal Oxide Detector), l’IMS (Ion Mobility Spectrometer Detector), lo MS (Mass Spectrometer Detector), l’IRAS (Infrared Absorption Detector), rivelatori fotoacustici, e sensori elettro-chimici. The detector is not specific to the present invention, as it could be any type of detector used in GC; we only mention, by way of example, the TCD (Thermal Conductivity Detector), the PID (Photoionization Detector), the FID (Flame Ionization Detector), the ECD (Electron Capture Detector), the PDD (Pulsed Discharge Detector), the MOX (Metal Oxide Detector), IMS (Ion Mobility Spectrometer Detector), MS (Mass Spectrometer Detector), IRAS (Infrared Absorption Detector), photoacoustic detectors, and electro-chemical sensors.
Il sistema secondo l’invenzione può essere utilizzato, a seconda delle applicazioni, con colonne GC MEMS di diversa natura (capillari, impaccate), che utilizzino gas carrier inerti provenienti da bombole (ad esempio azoto, elio) o generati autonomamente (ad esempio idrogeno per elettrolisi), oppure in alcuni casi con semplice aria filtrata. The system according to the invention can be used, according to the applications, with GC MEMS columns of different nature (capillaries, packed), which use inert carrier gases coming from cylinders (for example nitrogen, helium) or independently generated (for example hydrogen by electrolysis), or in some cases with simple filtered air.
Il sistema secondo l’invenzione, comprendente ad esempio 3 MEMS (pre-concentratore, iniettore/manifold microfluidico, colonna GC), le elettrovalvole (che vengono utilizzate per la sola attuazione in pressione dell’iniettore), i supporti per il montaggio, i riscaldatori etc., misura soli pochi centimetri cubi. The system according to the invention, comprising for example 3 MEMS (pre-concentrator, microfluidic injector / manifold, GC column), the solenoid valves (which are used only for the pressure actuation of the injector), the mounting supports, the heaters etc., measuring only a few cubic centimeters.
Il sistema secondo l’invenzione può essere utilizzato secondo le seguenti fasi: The system according to the invention can be used according to the following phases:
- azionare detta serie di elettrovalvole 110 in modo da aprire e chiudere le valvole di detta serie di valvole V1, V2, V3, V4, V5 per raggiungere un primo stato in cui viene fatta scorrere detta miscela di gas e campione in detto pre-concentratore 160 in modo tale da immagazzinare in esso detto almeno un analita; - operating said series of solenoid valves 110 so as to open and close the valves of said series of valves V1, V2, V3, V4, V5 to reach a first state in which said mixture of gas and sample is made to flow in said pre-concentrator 160 in such a way as to store said at least one analyte therein;
- regolare la temperatura di detto pre-concentratore 160 attraverso detti uno o più riscaldatori di preconcentratore e detti uno o più sensori di temperatura di preconcentratore; - regulating the temperature of said pre-concentrator 160 through said one or more pre-concentrator heaters and said one or more pre-concentrator temperature sensors;
- azionare detta serie di elettrovalvole 110 in modo da aprire e chiudere le valvole di detta serie di valvole V1, V2, V3, V4, V5 per raggiungere un secondo stato in cui viene fatto fluire detto almeno un analita, da detto pre-concentratore 160 a detta colonna di separazione cromatografica 150 ed infine a detto rilevatore; - operating said series of solenoid valves 110 so as to open and close the valves of said series of valves V1, V2, V3, V4, V5 to reach a second state in which said at least one analyte is made to flow from said pre-concentrator 160 to said chromatographic separation column 150 and finally to said detector;
- regolare la temperatura della colonna di separazione cromatografica 150 attraverso detti uno o più riscaldatori di colonna di separazione ed uno o più sensori di temperatura di colonna di separazione (questa regolazione può anche essere parzialmente sovrapposta alla fase che porta al secondo stato); e - adjusting the temperature of the chromatographic separation column 150 through said one or more separation column heaters and one or more separation column temperature sensors (this adjustment can also be partially superimposed on the phase leading to the second state); And
- azionare detto almeno un rilevatore e rilevare la concentrazione di detto almeno un analita. - activating said at least one detector and detecting the concentration of said at least one analyte.
Il modo in cui regolare la temperatura nelle due fasi sopra elencate, al fine di ottenere l’analisi di gascromatografia, è in sé noto. The way in which to adjust the temperature in the two phases listed above, in order to obtain the gas chromatography analysis, is in itself known.
In una ulteriore forma di realizzazione non illustrata della presente invenzione, è fornito un sistema di analisi con una prima e una seconda colonna gascromatografica micro-lavorata in configurazione GCxGC, nonché con un iniettore modulatore microlavorati. In a further not illustrated embodiment of the present invention, an analysis system is provided with a first and a second micro-machined gas chromatographic column in GCxGC configuration, as well as with a micro-machined modulator injector.
Il modulatore può implementare due stati del sistema fluidico, dove: The modulator can implement two states of the fluidic system, where:
• nel primo stato del sistema fluidico, il modulatore implementa un primo circuito fluidico in cui il campione separato eluito dalla prima colonna GC viene accumulato all'interno di un circuito micro-fluidico (anello microfluidico) mentre la seconda colonna GC eluisce un campione utilizzando una differenza di pressione del gas vettore; • in the first state of the fluidic system, the modulator implements a first fluidic circuit in which the separated sample eluted from the first GC column is accumulated inside a micro-fluidic circuit (microfluidic ring) while the second GC column elutes a sample using a pressure difference of the carrier gas;
• nel secondo stato del sistema fluidico, il modulatore inietta il campione eluito dell'anello micro-fluidico nella seconda colonna GC per mezzo di una differenza di pressione del gas vettore. • in the second state of the fluidic system, the modulator injects the eluted sample of the micro-fluidic ring into the second GC column by means of a pressure difference of the carrier gas.
I due stati sono implementati dal modulatore sempre mediante una serie di valvole micro-lavorate, in cui, ancora, il chip iniettore agisce anche come collettore pneumatico collegando direttamente le due colonne GC. The two states are implemented by the modulator again by means of a series of micro-machined valves, in which, again, the injector chip also acts as a pneumatic manifold by directly connecting the two GC columns.
Sistema gas-cromatografico miniaturizzato con spettroscopia fotoacustica – esperimenti e risultati Il sistema secondo l’invenzione è usato in un metodo di analisi per separazione gas-cromatografica e spettroscopia fotoacustica, comprendente l’esecuzione delle seguenti fasi: Miniaturized gas-chromatographic system with photoacoustic spectroscopy - experiments and results The system according to the invention is used in an analysis method for gas-chromatographic separation and photoacoustic spectroscopy, including the execution of the following steps:
A. fornire un sistema di analisi gas-cromatografica 100 in una delle forme di realizzazione sopra descritte; A. providing a gas chromatographic analysis system 100 in one of the embodiments described above;
B. azionare detti mezzi di controllo del flusso 140; B. operating said flow control means 140;
171, 172, 173, 174; V1, V2, V3, V4, V5 in modo da raggiungere detto primo stato; 171, 172, 173, 174; V1, V2, V3, V4, V5 so as to reach said first state;
D. azionare detti mezzi di controllo del flusso 140; D. actuating said flow control means 140;
171, 172, 173, 174; V1, V2, V3, V4, V5 in modo da raggiungere detto secondo stato; e 171, 172, 173, 174; V1, V2, V3, V4, V5 so as to reach said second state; And
F. azionare detto almeno un rilevatore fotoacustico 200 e identificare detto almeno un analita. F. operating said at least one photoacoustic detector 200 and identifying said at least one analyte.
Secondo un aspetto dell’invenzione: According to one aspect of the invention:
- nella fase B, azionare le suddette una o più elettrovalvole 110 in modo da aprire e chiudere dette una o più valvole V1, V2, V3, V4, V5 per raggiungere detto primo stato; - in phase B, operating said one or more solenoid valves 110 so as to open and close said one or more valves V1, V2, V3, V4, V5 to reach said first state;
- tra la fase B e la fase D, è eseguita l’ulteriore fase C in cui regolare la temperatura di detto preconcentratore 160 attraverso detti uno o più riscaldatori di pre-concentratore e detti uno o più sensori di temperatura di preconcentratore; - between phase B and phase D, the further phase C is performed in which to adjust the temperature of said preconcentrator 160 through said one or more pre-concentrator heaters and said one or more preconcentrator temperature sensors;
- nella fase D, azionare dette una o più elettrovalvole 110 in modo da aprire e chiudere dette una o più valvole V1, V2, V3, V4, V5 per raggiungere detto secondo stato; e - in step D, operating said one or more solenoid valves 110 so as to open and close said one or more valves V1, V2, V3, V4, V5 to reach said second state; And
- tra la fase D e la fase F, eseguire una ulteriore fase E in cui regolare la temperatura di detta colonna di separazione cromatografica 150 attraverso detti uno o più riscaldatori di colonna di separazione ed uno o più sensori di temperatura di colonna di separazione. - between step D and step F, carrying out a further step E in which to adjust the temperature of said chromatographic separation column 150 through said one or more separation column heaters and one or more separation column temperature sensors.
Il sistema GC-QEPAS è stato testato secondo tale metodo in condizioni di laboratorio su una serie di simulanti di agenti nervini e vescicanti, come riportato nella Tabella 1. The GC-QEPAS system was tested according to this method under laboratory conditions on a variety of nerve and blistering agent simulants, as reported in Table 1.
Tabella 1: simulanti di agenti nervini e vescicanti utilizzati per validazione di laboratorio Table 1: simulants of nerve agents and vesicants used for laboratory validation
I campioni di prova sono stati preparati facendo evaporare alcuni microlitri delle specie bersaglio all'interno di una scatola di 60 litri di volume interno e quindi campionando il contenuto della scatola per periodi compresi tra 30 e 120 secondi. Se assumiamo idealmente la vaporizzazione totale del liquido iniettato, è possibile stimare le concentrazioni massime nell'intervallo tra pochi ppm e alcune decine di ppm. Tuttavia, a seconda della diversa volatilità dei composti testati e considerando la parziale condensazione sulle pareti interne fredde del contenitore del gas, sono previste concentrazioni di vapore più basse. The test samples were prepared by evaporating a few microliters of the target species inside a 60 liter inner volume box and then sampling the contents of the box for periods ranging from 30 to 120 seconds. If we ideally assume the total vaporization of the injected liquid, it is possible to estimate the maximum concentrations in the range between a few ppm and a few tens of ppm. However, depending on the different volatility of the compounds tested and considering the partial condensation on the cold inner walls of the gas container, lower vapor concentrations are expected.
Inoltre, per simulare un modello tipico di sostanze volatili che si prevede possano interferire con la misurazione in scenari operativi reali, sono state aggiunte concentrazioni di vapore di saturazione di vernici, gasolio e benzina all'interno del contenitore del gas. La Figura 11 mostra un'acquisizione tipica, incluso il cromatogramma di assorbanza integrale in (a) e gli spettri IR di simulanti di agente nervino e blister in (b), (c). La Figura 12 mostra gli spettri IR degli altri due simulanti degli agenti nervini. Sono stati identificati dal sensore GC-QEPAS anche quando campionati insieme a vapori saturi di benzina, che sono stati separati con successo dalla colonna GC prima del rilevamento. In addition, to simulate a typical pattern of volatile substances that are expected to interfere with measurement in real operating scenarios, saturation vapor concentrations of paints, diesel and petrol were added inside the gas container. Figure 11 shows a typical acquisition, including the integral absorbance chromatogram in (a) and the IR spectra of nerve agent simulants and blisters in (b), (c). Figure 12 shows the IR spectra of the other two nerve agent simulants. They were also identified by the GC-QEPAS sensor when sampled together with saturated gasoline vapors, which were successfully separated from the GC column prior to detection.
Vantaggi ed applicazioni dell’invenzione Advantages and applications of the invention
La presente invenzione, che verte su un sistema di analisi GC e fotoacustica ha, tra gli altri, i seguenti vantaggi: The present invention, which relates to a GC and photoacoustic analysis system, has, among others, the following advantages:
- eccellente capacità identificativa: gli spettri fotoacustici sono molto simili agli spettri di assorbimento infrarosso e contengono informazioni sui gruppi funzionali delle molecole, tanto da riuscire a distinguere isomeri cis-trans; - excellent identification capacity: the photoacoustic spectra are very similar to the infrared absorption spectra and contain information on the functional groups of the molecules, so as to be able to distinguish cis-trans isomers;
- pesi, ingombri e consumi ridotti; - reduced weight, dimensions and consumption;
- meccanica più robusta (non sono richiesti sistemi complessi di pompaggio per alto vuoto) e meno costosa (non richiede pompa turbo); e - more robust mechanics (no complex pumping systems for high vacuum are required) and less expensive (no turbo pump required); And
- tempi di start up, analisi e recupero più brevi. - shorter start-up, analysis and recovery times.
L’invenzione permette, inoltre, l’estrema miniaturizzazione di un sistema per la preconcentrazione purge&trap e la successiva separazione (gas-)cromatografica di miscele di campioni, permettendo quindi di ottenere alta sensibilità e alta selettività. La realizzazione “all-MEMS” del sistema, a differenza dello stato dell’arte di strumenti miniaturizzati, permette di lavorare a temperature più elevate, in quanto tutti i componenti attraversati dal campione sono a base silicio e quindi resistenti alle alte temperature, permettendo allo stesso tempo di contenere i tempi di un ciclo di misura completo, dal campionamento iniziale fino al risultato dell’analisi, in un intervallo di pochi minuti, tipicamente compreso tra 5 e 10 minuti. Questo permette di analizzare anche sostanze alto-bollenti. The invention also allows the extreme miniaturization of a purge & trap preconcentration system and subsequent (gas-) chromatographic separation of sample mixtures, thus allowing to obtain high sensitivity and high selectivity. The "all-MEMS" realization of the system, unlike the state of the art of miniaturized instruments, allows to work at higher temperatures, as all the components crossed by the sample are silicon based and therefore resistant to high temperatures, allowing the the same time to contain the times of a complete measurement cycle, from the initial sampling to the analysis result, in an interval of a few minutes, typically between 5 and 10 minutes. This makes it possible to analyze even high-boiling substances.
L’invenzione può essere utilizzata nei seguenti campi, elencati a titolo non esaustivo: analisi in campo di campioni complessi; safety&security (esplosivi, CBRNe), monitoraggio industriale, monitoraggio di ambienti pericolosi per la salute degli operatori, analisi biomedicali (ad esempio breath analysis), environmental/air quality, indoor air quality, agroalimentare, monitoraggio di processi industriali, energia e gas naturale (quantificazione odorizzanti). The invention can be used in the following fields, listed but not limited to: field analysis of complex samples; safety & security (explosives, CBRNe), industrial monitoring, monitoring of environments that are hazardous to the health of operators, biomedical analysis (e.g. breath analysis), environmental / air quality, indoor air quality, agri-food, monitoring of industrial processes, energy and natural gas ( quantification of odorants).
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. In the foregoing, the preferred embodiments have been described and variants of the present invention have been suggested, but it is to be understood that those skilled in the art will be able to make modifications and changes without thereby departing from the relative scope of protection, as defined by the claims attached.
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