JP5050592B2 - Pyrolysis gas chromatograph - Google Patents
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Description
本発明は種々の試料中の成分濃度を測定するガスクロマトグラフに関し、特に、熱分解部、カラム及び検出部を備えた熱分解ガスクロマトグラフ装置に関するものである。 The present invention relates to a gas chromatograph for measuring component concentrations in various samples, and more particularly to a pyrolysis gas chromatograph apparatus including a pyrolysis section, a column, and a detection section.
図6は従来のガスクロマトグラフ装置の概略構成図を示している。この装置は、試料を検出器に輸送するキャリアガスボンベ91、キャリアガスの流量を調節する流量調節部92、試料を熱分解する熱分解部93、試料を分離する分離部94、試料成分を検出する検出部95、及び検出された値をデータに変換するエレクトロメータ96を備えており、これらは流路によって上流から順に接続されている。
試料が液体の場合、熱分解部93に設けられた試料注入口からキャリアガスの流れに試料を注入する。試料は検出部95で検出され、パイログラム97として表示される。
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of a conventional gas chromatograph apparatus. This apparatus detects a
When the sample is liquid, the sample is injected into the carrier gas flow from the sample injection port provided in the
熱分解部93としては加熱炉型や誘導加熱型、フィラメント型が知られている。図7は加熱炉型、図8は誘導加熱型、図9はフィラメント型の熱分解部の概略図を示している。
図7に示す加熱炉型の熱分解部では、配管105の下端にガスクロマトグラフのカラムへの試料注入口101が設けられている。配管105には、キャリアガス導入部104、熱脱着・熱分解炉107、冷却用空気入口106、加熱部102が図の上から順に設けられている。
試料は投入されて熱脱着・熱分解炉107の位置まで落下し、加熱部102で熱分解され、キャリアガスにより試料注入部101を介してガスクロマトグラフに送られる。
As the
In the heating furnace type pyrolysis section shown in FIG. 7, a
The sample is charged and dropped to the position of the thermal desorption /
図8に示す誘導加熱型の場合、試料注入部112とガスクロマトグラフへの試料注入口111の間は配管113により接続されており、この配管113の周囲には誘導コイル114が巻きつけられ、断熱カバーで覆われている。また、配管113にはパージガス入口117や試料ホルダー116、キャリアガス導入部115が設けられている。
試料は強磁性薄膜で包んでから試料管(図示は略)に入れ、この試料管を試料ホルダー116内にセットし、高周波により誘導加熱を行なう。試料ホルダー116で熱分解された試料はキャリアガスにより試料注入口111からガスクロマトグラフに送られる。
In the case of the induction heating type shown in FIG. 8, the
The sample is wrapped in a ferromagnetic thin film and then placed in a sample tube (not shown). This sample tube is set in the
図9に示すフィラメント型の場合、配管122は保温インターフェース121の間に挟まれるように形成されている。その配管122内にはリボンヒーター123が備えられている。また、配管122にはキャリアガス流通口124とガスクロマトグラフへの試料注入口125が設けられている。
フィラメントヒーター126の表面に試料を塗布し、それをリボンヒーター123内にセットする。試料はフィラメントヒーター126を通電加熱することで熱分解され、キャリアガス流通口124からのキャリアガスによってガスクロマトグラフに送られる。
In the case of the filament type shown in FIG. 9, the
A sample is applied to the surface of the
しかし、ガスクロマトグラフ装置に熱分解装置を接続する場合、上述のように接続する配管が複雑になり、装置間の接続部分にデッドボリュームを生じるため、ピークのテーリングが発生してピーク間の分離能が低下してしまう。
また、熱分解部の熱容量は大きく、サンプルの分解は吸熱反応であるため、分析に多大な時間を要する。さらに、サンプルを瞬時に分解できないため、サンプルの2次反応や再結合が発生することもある。
However, when connecting a pyrolyzer to a gas chromatograph, the piping to be connected becomes complicated as described above, and a dead volume is generated at the connection between the devices. Will fall.
Moreover, since the heat capacity of the thermal decomposition part is large and the decomposition of the sample is an endothermic reaction, a long time is required for analysis. Further, since the sample cannot be instantaneously decomposed, a secondary reaction or recombination of the sample may occur.
そこで本発明は分離能を向上させた熱分解ガスクロマトグラフ装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a pyrolysis gas chromatograph apparatus with improved separation ability.
本発明は装置間の接続部を減らすことでデッドボリュームを小さくし、熱容量を低下させるものである。
本発明の熱分解ガスクロマトグラフ装置は、試料を熱分解する熱分解部、熱分解部から導かれた試料を分離するカラム、及びカラムで分離された試料成分を検出する検出部を備えている。そして、第1の形態は、上記熱分解部は基板に加熱流路が形成され加熱流路内で試料を熱分解するものであり、上記カラムは他の基板に分離流路が形成され分離流路内で試料を分離するものであり、熱分解部とカラムは積層されて一体化され、加熱流路と分離流路は両基板の接合面を介して接続されているものである。
The present invention reduces the dead volume and reduces the heat capacity by reducing the number of connections between devices.
The pyrolysis gas chromatograph apparatus of the present invention includes a pyrolysis section that pyrolyzes a sample, a column that separates a sample guided from the pyrolysis section, and a detection section that detects sample components separated by the column. In the first embodiment, the pyrolysis section is a substrate in which a heating channel is formed and the sample is pyrolyzed in the heating channel, and the column has a separation channel formed in another substrate and a separation flow is formed. The sample is separated in the channel, and the thermal decomposition part and the column are laminated and integrated, and the heating channel and the separation channel are connected via the joint surface of both substrates.
第2の形態は、上記熱分解部、カラム及び検出部の3つが積層されて一体化され、熱分解流路と分離流路と検出流路が基板の接合面を介して接続されているものである。 In the second embodiment, the pyrolysis section, the column, and the detection section are laminated and integrated, and the pyrolysis flow path, the separation flow path, and the detection flow path are connected via the bonding surface of the substrate. It is.
熱分解された試料の2次反応や再結合を防いだり、分離の温度調整をしたりによるために、基板に発熱体が形成されその発熱体によってカラムを外側から加熱する温調部をさらに備えるようにし、その温調部を上記カラムと積層して一体化するようにしてもよい。 In order to prevent secondary reaction or recombination of the pyrolyzed sample, or to adjust the temperature of separation, a heating element is further formed on the substrate, and a temperature control unit for heating the column from the outside by the heating element is further provided. In this way, the temperature control unit may be laminated and integrated with the column.
上記各基板に形成される流路は、例えばシリコン基板にエッチング技術又は成形によって形成することができる。 The flow path formed in each said board | substrate can be formed in a silicon substrate by an etching technique or shaping | molding, for example.
熱分解部とカラムに対する加熱温度が異なる場合、熱分解部の周囲の一部に断熱材を備えるようにし、熱分解部を断熱材によってカラム及び外気と断熱するようにしてもよい。 When the heating temperature for the pyrolysis part and the column is different, a heat insulating material may be provided in a part of the periphery of the pyrolysis part, and the thermal decomposition part may be insulated from the column and the outside air by the heat insulating material.
上記熱分解部は、例えば、シリコン、無機ケイ素化合物若しくは金属又はそれらの内の2つ以上からなる複合体材料により形成することができる。その場合、導線を介して接続された電源装置により通電することで加熱される加熱炉型の熱分解部として用いることができる。 The thermal decomposition part can be formed of, for example, silicon, an inorganic silicon compound, a metal, or a composite material composed of two or more thereof. In that case, it can be used as a heating furnace type thermal decomposition section heated by energization by a power supply device connected via a conducting wire.
上記熱分解部は磁性体により形成することができる。その場合、上記磁性体の近辺に配置された電源装置により誘電されることで加熱される誘電加熱型の熱分解部として用いることができる。 The thermal decomposition part can be formed of a magnetic material. In this case, it can be used as a dielectric heating type thermal decomposition section that is heated by being subjected to a dielectric by a power supply device arranged in the vicinity of the magnetic body.
本発明の熱分解ガスクロマトグラフ装置は、熱分解部とカラムを集積化することで、接続部を減少させることができ、熱容量を低下させることができる。また、従来の装置では、熱分解部とカラムの接続部分を加熱することができないために冷却点が発生し、サンプルの吸着が起こり再現性の低下の原因となっていたが、集積化することで冷却点の発生を防ぐことができ、測定の精度を高めることができる。 The pyrolysis gas chromatograph apparatus of this invention can reduce a connection part and can reduce a heat capacity by integrating a pyrolysis part and a column. In addition, in the conventional apparatus, since the connection part between the pyrolysis part and the column cannot be heated, a cooling point is generated, which causes adsorption of the sample and causes a decrease in reproducibility. Thus, the generation of a cooling point can be prevented, and the measurement accuracy can be increased.
熱分解部、カラム及び検出部を集積化すれば、接続部の容量を必要としないので、装置全体を小型化することができる。 If the pyrolysis section, the column, and the detection section are integrated, the capacity of the connection section is not required, so that the entire apparatus can be reduced in size.
カラムと検出部を集積化することで、カラムで分離した試料を即座に測定することができ、ピークのテーリングなどが生じにくくなり、より正確に試料を測定できるようになる。 By integrating the column and the detection unit, the sample separated by the column can be measured immediately, peak tailing and the like are less likely to occur, and the sample can be measured more accurately.
カラムを加熱する温調部をさらに備えるようにすれば、装置を小型化した場合であっても所望の温度で試料を分離することができるようになる。また、熱分解工程をカラム内での分離工程と異なる温度に設定することができるようになる。 If a temperature control unit for heating the column is further provided, the sample can be separated at a desired temperature even when the apparatus is downsized. In addition, the pyrolysis step can be set to a temperature different from the separation step in the column.
熱分解部の周辺に断熱材を備えるようにすれば、カラム及び外気と断熱しながら、試料を熱分解することができる。また、カバーに断熱材の機能をもたせても、外気と断熱することができる。 If a heat insulating material is provided around the pyrolysis section, the sample can be pyrolyzed while heat insulating from the column and outside air. Moreover, even if the cover has a function of a heat insulating material, it can be insulated from the outside air.
以下に本発明の実施例を説明する。
図1は熱分解ガスクロマトグラフ装置の一実施例を示す概略分解斜視図である。
熱分解部11における加熱流路13は、溝が形成された基板15とその溝を上から覆うカバープレート16とを貼り合わすことで形成されている。カバープレート16と基板15には、ガス流通用の穴18,19が形成されている。また、加熱流路13の周辺には試料を加熱する加熱装置17が配置されている。
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic exploded perspective view showing an embodiment of a pyrolysis gas chromatograph apparatus.
The
熱分解部11の表面にハッチングで示す領域には断熱材12が形成されている。また熱分解部11の裏面にも断熱材が形成されている。断熱材12としては、例えばポーラスシリコンを挙げることができる。熱分解部の一実施例は図2,3に説明する。また、液体試料はキャリアガスとともに貫通穴18から加熱流路13内に注入され、加熱装置17によって熱分解される。
A
カラム21は、溝が微細加工された基板25に基板23を貼り合わせることで分離流路27を両基板25と23の間に形成したものである。基板23にはサンプルが流通する穴28,29が形成されている。分離流路27は例えば渦巻状に形成されている。熱分解部11で熱分解された試料は熱分解部11の穴19を通って貫通穴28から導入され、分離流路27内で分離される。カラムの一実施例は図4に説明する。
In the
検出部31は、検出流路33となる溝が微細加工された基板35に、カバーとなるカバープレート37を重ねて接合したものである。カバープレート37にはガス流通用の穴30,32,34が形成されている。この検出部31には、入力アンプ、減衰器及びレコーダ等の測定装置が接続されている。検出部31も外部から温調できることが好ましい。これらの構成は後述する。
検出部31はFID(水素炎イオン化検出器)であり、穴32,34から導入されるガスによって検出流路33中で試料を水素炎によりイオン化した後、測定装置で検出する。検出部31の一実施例は図5に説明する。
上述のように、基板23上に基板15、基板35が積層されて一体化されることにより、分離流路27の一端は熱分解部21に、他端は検出部31に接続される。
The
The
As described above, the
41はカラム21の温度を外側から調節する温調部であり、カラム21と積層されて一体化している。この温調部41は基板によって形成することができ、カラム21のスペースが凹部として形成されている。温調部41内には発熱体43が備えられ、電源装置45によって発熱体43を加熱できるようになっている。発熱体43としては熱分解部11にも用いるような加熱炉型や誘導加熱型、フィラメント型などを使用することができる。
この実施例では、熱分解部11、カラム21、検出部31及び温調部41は各基板が積層されて一体化しており、上部には蓋となるジグ51が備えられている。ジグ51にはキャリアガス導入口53と、水素炎イオン化検出に用いる空気導入口55、H2導入口57及びガス排出口54が設けられている。
そして、加熱流路13、分離流路27及び検出流路33は基板の接する面を介して接続されている。これにより、接続部分によるデッドボリュームが生じないようになる。
また、温調部41内にカラム21が収まり、熱分解部11と検出部31を並べて配置することができるので、装置がコンパクトになる。
In this embodiment, the pyrolyzing
The
Moreover, since the
次に同実施例の動作を説明する。
試料として、例えばインク(原料と溶媒の混合液)を穴18からに1μg入れてジグ51で固定する。キャリアガスをキャリアガス導入口53から1mL/分で流し、カラム21の温度を50℃、検出部31の温度を250℃に設定する。
Next, the operation of this embodiment will be described.
As a sample, for example, 1 μg of ink (mixture of raw material and solvent) is put into the
熱分解部11に電流を流して250℃にすると、インク中の溶媒は瞬時に揮発し、検出部31に接続された表示装置(図示は略)には溶媒のクロマトグラムが得られる。
次に熱分解ガスクロマトグラフ装置の冷却後、熱分解部11のジグ51を開けて誘導体化試薬であるTMAH(テトラメチルアンモニウムヒドロキシド)を少々加えてからジグ51で固定する。熱分解部11の温度を500℃にして原料を分解させる。分解した試料を昇温速度8℃/分で290℃まで加熱し、5分間一定温度に保って試料を分析する。検出部31に接続された表示部には、熱分解生成物のパイログラムが得られる。
When an electric current is passed through the
Next, after the pyrolysis gas chromatograph apparatus is cooled, the
次に、熱分解部の製造工程の一実施例を説明する。
図2はフィラメント型の熱分解部の概略図である。(A)〜(H)の順に基板の製造工程を示している。また、(I)は基板の上面図、(J)は基板の下面図、(K)は基板に被せるカバープレートの上面図を示している。
(A)シリコン基板15の両面を熱酸化して基板表面にシリコン酸化膜61を形成する。
(B)シリコン酸化膜61を写真製版技術とエッチング技術によりパターン化してシリコン酸化膜パターン62を形成する。
(C)シリコン基板15の両面に、パターン62をマスクにして陽極酸化を行ない、ポーラスシリコン63を形成する。ポーラスシリコン63は断熱材として用いられる。
Next, an example of the manufacturing process of the thermal decomposition part will be described.
FIG. 2 is a schematic view of a filament-type pyrolysis section. The manufacturing process of a board | substrate is shown in order of (A)-(H). (I) is a top view of the substrate, (J) is a bottom view of the substrate, and (K) is a top view of the cover plate that covers the substrate.
(A) Both surfaces of the
(B) The
(C) Anodization is performed on both surfaces of the
(D)次に、レジストを塗布し、フォトマスクを用いてレジストパターン67を形成する。
(E)レジストパターン67をマスクにしてエッチングにより加熱流路13を形成する。
(F)レジストパターン67を除去し、加熱流路13にスパッタ法により電極69となる金属薄膜を形成する。
(G)基板15とカバープレート73には予め流路に試料を流通させるための貫通穴19,18をそれぞれ形成しておき、電極69を作製した基板15上にカバープレート73を接合する。
(H)電極69を電源装置17と接続し、フィラメントによる熱で加熱流路13を加熱できるようにしておく。
(D) Next, a resist is applied, and a resist
(E) The
(F) The resist
(G) The
(H) The
図3は誘電加熱型の熱分解部の概略図である。(A)〜(G)の順に基板の製造工程を示している。また、(H)は基板の上面図、(I)は基板の下面図、(J)は基板に被せるカバープレートの上面図を示している。なお、工程(A)〜(E)及び(I),(J)は図2に示す実施例と同じである。 FIG. 3 is a schematic view of a pyrolysis section of a dielectric heating type. The manufacturing process of a board | substrate is shown in order of (A)-(G). (H) is a top view of the substrate, (I) is a bottom view of the substrate, and (J) is a top view of the cover plate that covers the substrate. Steps (A) to (E), (I), and (J) are the same as those in the embodiment shown in FIG.
(F)の工程では、誘電加熱される材料として、磁性体薄膜70をスパッタ法により加熱流路13に形成する。
(G)基板15とカバープレート73には予め加熱流路13に試料を流通させるための貫通穴19,18を形成しておき、磁性体薄膜70を形成した基板15上にカバープレート73を被せる。
(H)に示す上面図では、加熱流路13となる位置に磁性体薄膜70が形成されている。なお、磁性体薄膜70などの強磁性体を用いて加熱する際の実施条件は非特許文献3に示されている。
In the step (F), the magnetic
(G) On the
In the top view shown in (H), the magnetic
次にカラムの製造工程の一実施例を説明する。
図4はカラムの概略図であり、(A)〜(G)の順に製造工程を示している。
(A)〜(B)シリコン基板25の表面を熱酸化することで基板25の表面にシリコン酸化膜75を形成する。
(C)写真製版技術とエッチング技術によりシリコン酸化膜パターン77を形成する。
(D)パターン77をマスクにエッチングを行い、分離流路27となる溝を形成する。
(E)溝が形成された基板25にカバーとなる基板23を接合して分離流路27を形成する。
Next, an example of the column manufacturing process will be described.
FIG. 4 is a schematic view of a column, showing manufacturing steps in the order of (A) to (G).
(A) to (B) A
(C) A silicon
(D) Etching is performed using the
(E) The
(F)分離流路27の内表面に、流通するサンプルガスが吸着しないように不活性化の表面処理を施す。
(G)分離流路27をカラムとして機能させるため、流路27の内表面に液相コーティング79を施す。
なお、上述のように基板に溝を微細加工することで形成したカラムの一例は、非特許文献4に示されている。
(F) An inactive surface treatment is applied to the inner surface of the
(G) In order for the
An example of a column formed by finely processing a groove in a substrate as described above is shown in Non-Patent Document 4.
次に、検出部の製造工程の一実施例を説明する。
図5は検出部の概略図であり、(A)〜(G)の順に製造工程を示している。また、(H)はカバープレートの上面図、(I)は基板の上面図、(J)はカバープレートの上面に接合する石英管の断面図、(K)は石英管内に薄膜を形成した断面図を示している。また、(L)は検出部31に測定装置を接続した斜視図である。
この実施例における工程(A)〜(D)は図4の実施例における工程(A)〜(D)と同じであるが、(D)の工程では、検出流路33となる流路形状を(I)に示すように二股に分けた形状とした。検出流路33の一端は電極38となる。
Next, an example of the manufacturing process of the detection unit will be described.
FIG. 5 is a schematic diagram of the detection unit, showing the manufacturing process in the order of (A) to (G). (H) is a top view of the cover plate, (I) is a top view of the substrate, (J) is a cross-sectional view of the quartz tube bonded to the top surface of the cover plate, and (K) is a cross-section in which a thin film is formed in the quartz tube. The figure is shown. Further, (L) is a perspective view in which a measuring device is connected to the
Steps (A) to (D) in this embodiment are the same as steps (A) to (D) in the embodiment of FIG. 4, but in the step (D), the flow path shape to be the
(E)の工程では、貫通穴30、空気導入穴32及びH2導入穴34が形成されたカバープレート37を基板35と接合する。
(F)検出流路33の電極38に薄膜電極79を形成する。次に、(J)に示す石英管81の内部に(K)に示すような薄膜電極83を形成する。
(G)の工程で、(K)に示す石英管をカバープレート37の表面に接合する。
In the step (E), the
(F) A
In the step (G), the quartz tube shown in (K) is joined to the surface of the
(L)は検出部31に測定装置を接続した状態の斜視図であり、電極38は導線を介してアースに接続され、石英管81は導線を介して入力アンプ84に接続されている。入力アンプ84には減衰器85とレコーダ86(測定装置)が順に接続されている。
なお、上述のように基板に溝を微細加工することで形成した検出器の一例は非特許文献5に示されている。
(L) is a perspective view of a state in which a measuring device is connected to the
An example of a detector formed by finely processing a groove on a substrate as described above is shown in Non-Patent Document 5.
上述の図1の実施例では、熱分解部11、カラム21、検出部31及び温調部41は積層されて一体化されているが、本発明はこれらの内の2つのみが積層された場合、例えば熱分解部11とカラム21のみが積層されている場合も含む。
In the embodiment of FIG. 1 described above, the
上述の実施例では、温調部41の上にカラム21を重ね、その上に熱分解部11と検出部31を並べて配置し、さらにその上にジグ51を重ねた配置としてが、積層の順序はこれに限られるものではない。例えば、カラム21の片面に熱分解部11を備え、反対側の面に検出部31を備えるようにしてもよい。
また、カラム21の流路形状は渦巻状に限られず、検出部31もFIDには限られない。
In the above-described embodiment, the
Further, the flow path shape of the
本発明は種々の試料中の成分濃度を測定するガスクロマトグラフに利用することができる。 The present invention can be used for gas chromatographs for measuring the concentration of components in various samples.
11 熱分解部
12 断熱材
13 加熱流路
15 基板
16 カバープレート
17 加熱装置
21 カラム
23,25 基板
27 分離流路
29 貫通穴
31 検出部
33 検出流路
35,37 基板
41 温調部
43 発熱体
45 電源装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記熱分解部は基板に加熱流路が形成され前記加熱流路内で試料を熱分解するものであり、
前記カラムは他の基板に分離流路が形成され前記分離流路内で試料を分離するものであり、
前記熱分解部と前記カラムは積層されて一体化され、前記加熱流路と前記分離流路は両基板の接合面を介して接続されていることを特徴とする熱分解ガスクロマトグラフ装置。 In a pyrolysis gas chromatograph apparatus comprising a pyrolysis section for pyrolyzing a sample, a column for separating a sample derived from the pyrolysis section, and a detection section for detecting a sample component separated by the column,
The thermal decomposition part is a substrate in which a heating channel is formed and the sample is pyrolyzed in the heating channel,
In the column, a separation channel is formed on another substrate, and the sample is separated in the separation channel.
The pyrolysis gas chromatograph apparatus, wherein the pyrolysis section and the column are laminated and integrated, and the heating flow path and the separation flow path are connected via a joint surface of both substrates.
前記カラムと前記検出部は積層されて一体化され、前記分離流路と前記検出流路は両基板の接合面を介して接続されている請求項1に記載の熱分解ガスクロマトグラフ装置。 The detection section further detects a sample in the detection flow path in which a detection flow path is formed on another substrate,
The pyrolysis gas chromatograph according to claim 1, wherein the column and the detection unit are stacked and integrated, and the separation channel and the detection channel are connected via a joint surface between both substrates.
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