JPH04274728A - Method and apparatus for preliminary enrichment for analyzing minute amount of component in gas - Google Patents

Method and apparatus for preliminary enrichment for analyzing minute amount of component in gas

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JPH04274728A
JPH04274728A JP3313839A JP31383991A JPH04274728A JP H04274728 A JPH04274728 A JP H04274728A JP 3313839 A JP3313839 A JP 3313839A JP 31383991 A JP31383991 A JP 31383991A JP H04274728 A JPH04274728 A JP H04274728A
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Japan
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gas
carrier gas
pressure
sorbent
mass spectrometer
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Japanese (ja)
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Wade L Fite
ウエイド・エル・フアイト
Stephen M Penn
ステフアン・エム・ペン
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    • G01N1/405Concentrating samples by adsorption or absorption
    • GPHYSICS
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    • G01N33/0049Specially adapted to detect a particular component for organic compounds for halogenated organic compounds

Abstract

PURPOSE: To obtain a method and device for preconcentrating for analyzing trace components in gas. CONSTITUTION: After sample gas A is introduced into a sorbent confinement pipe 10, a preconcentration device for analyzing the trace components discharges the gas by a vacuum pump 18, and trace components separated when low pressure carrier gas passes through the sorbent pipe 10 is carried to a low pressure operation detector like a mass spectrometer 14 by the carrier gas. The sample gas is heated to accelerate elimination or the gas acting with trace components is heated to enhance detection. A plurality of valves between sample inlets A, A', carrier gas outlets D, D' and vacuum pumps 18, 18' of the device and a detector 14 secure a sample gas stream to carry the trace components to the detector.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】発明の分野 この発明は、空気またはその他のガス中の微量成分の検
出に関し、詳細に説明すると、一層高感度の検出および
測定を提供するために、これらの成分を予濃縮する改良
された方法および装置に関するものである。本発明は、
ガスの圧力が分析のため大気圧以下にまで減圧されるガ
スの相対濃度を基本的に測定する、任意の検出器に対し
使用することもできるが、その主要用途は、質量分光測
定に使用するものである。 【0002】発明の背景 予濃縮は、分析化学においては周知技術であり、そして
ガスおよび液体の両方における微量汚染物質の検出に用
いられる。ガスの分析では、通常大気圧または大気圧付
近のガスが、微量成分を選択的に吸着または捕捉する吸
着剤を貫通してまたは通り越して引かれる。この吸着は
、大抵の場合粉末、「羊毛」またはシートである固体収
着剤の表面で一般に起こる。収着剤は、関係化合物を吸
着する能力およびそれらの吸着容量を基礎として選択さ
れる。吸着される微量成分の量は、上記吸着剤が飽和さ
れる以前に、上記ガスが収着剤を通して引かれるか、ま
たはその他の方法で収着剤に接触する時間(「サンプリ
ング時間」)に比例する。このサンプリングが起こる時
限に次いで、収着剤は通常収着剤を急速加熱することに
よってできる微量成分を放出させる。 【0003】上記収着剤の温度は、検体のすべてが同時
に脱離されるように(「フラッシュ脱離」)1ステップ
で十分に上昇させることもでき、または異なる温度で脱
離する異なる化学種が、異なる時間で放出されるように
(「温度プログラムド脱離」)一層緩徐に上昇させるこ
ともできる。どちらの場合でも、上記微量成分は、サン
プリングが完了する期間よりもはるかに短かい脱離時間
内に、キャリヤーガス流内へ再導入され、その結果キャ
リヤーガス内検体の栓の濃縮は、原試料ガス内のその濃
縮したものよりも高度である。そのように作動する装置
の一例として、ペンシルバニア州、ケンブレスビル、エ
ンバイロケム(Envirochem,Kembles
ville,Pennsylvania.)により作ら
れた、ユニバーサル・オートメイテッド濃縮器がある。 【0004】上記収着剤が、管内を通過するガスに対し
て十分に粒状をした薄壁管内に閉じ込められた粉末の形
式であり、かつ脱離期間中、上記収着剤を通るキャリヤ
ーガスの流れが、サンプリング期間中それを通る流れと
反対方向であることは普通のことである。この方法に用
いる予濃縮器の一例として、オートマチック・ケミカル
・エイジェント・モニタ・システム(Automati
c  ChemicalAgent  Monitor
  System)(ACAMS)があり、これは米国
陸軍のサザン・リサーチ・インスチチュート(Sout
hern  Research  Institufe
)で開発され、そしてウエストバージニア州、ルイスブ
ルク(Lewisburg,West  Virgin
ia)のエイ・ビー・ビー・プロセス・アナリチックス
(ABB  Process  Analytics、
以前はCombustion  Engineerin
g,Inc.)、およびアラバマ州、バーミンガム(B
irmingham,Alabama)のシー・エム・
エス・リサーチ・コーポレーション(CMS  Res
earch  Corporation)によって製造
される。 【0005】予濃縮器はまた、液体、通常は水の中の揮
発性化合物の分析に、「パージ・アンド・トラップ」技
法を用いることによって使用される。これに対して、不
活性ガスは液体を通って気泡となり、揮発性汚染物質を
巻込んで、これらを上記ガス試料用に類似の収着剤まで
運ぶ。上記サンプリング(パージング・アンド・トラッ
ピング)が完了した後、上記検体は上記のように収着剤
から脱離される。オハイオ州、シンシナチのテクマ社(
Tekmar  Company  of  Cinc
innati,Ohio)で作られたテクマ・エル・エ
ス・シー2000(Tekmar  LSC  200
0)は市場で入手できる「パージ・アンド・トラップ」
器具の一例である。 【0006】予濃縮器は、検体を分離および確認するた
め、ガスクロマトグラフ(GC)と共に一般に用いる。 脱離相期間中の予濃縮器(または最終トラップ)を通る
上記キャリヤーガスの流量は、一般に、上記GC分離管
の特性によって測定される。例えば、毛管分離管は在来
の充てん分離管よりも低い質量流量を用いる。さらに、
上記GCの分解能および感度を向上させるため、上記G
C分離管の入口またはその付近で、通常低温工学的手段
により、脱離した検体が、しばしば再びトラップされ、
これから検体が急速に脱離され短期間内に、上記試料が
分離管内に注入される。上記テクマLSC2000「パ
ージ・アンド・トラップ」器具は、充てん−メガボア(
megabore)分離管を用いる、市場で入手できる
ガスクロマトグラフと共に使用され、そしてテクマ・モ
デル1000毛管インタフェースは低温工学的再焦点合
わせを用いて、テクマLSC2「パージ・アンド・トラ
ップ」器具を毛管分離管ガスクロマトグラフと共に作動
できるようにする。 【0007】下記出版物は、上記従来技術の装置および
技法のさらに包括的な説明のために引用し、そして参考
までにここに編入する。 1.エス・ダブリュー846,「固体廃棄物の評価のテ
スト方法」3版、イー・ピー・エー出版オー・エス・ダ
ブリュー0000846;方法0030および5040
.(SW−846,“Test  Methods  
for  Evaluation  of  Soli
d  Waste,”Third  Edition,
EPA  Publication  OSW0000
846;Methods0030and5040.) 2.デー・エル  フォックス.分析化学61,1R(
1989),と参考文献(D.L.Fox.Anal.
Chem.61,1R(1989),andrefer
ences  within.) 3.デー・エル  フォックス.分析化学59,280
R(1987),と参考文献(D.L.Fox.Ana
l.Chem.59,280R(1987),and 
 references  within.)4.アー
ル・エー  カゲルとエス・オー  フアウエル、分析
化学58,1197(1986).(R.A.Kage
l  and  S.O.Farwell,Anal.
Chem.58,1197(1986))5.ピー・エ
ー  スチュドラとダフリュ  キジョウスキ,分析化
学56,1432(1984).(P.A.Steud
ler  and  W.Kijowski,Anal
.Chem.56,1432(1984))【0008
】6.アール・オトソン,ジエー・エム  リーチ、と
エル・テー・ケー  チュング.分析化学59,58(
1987).(R.Otson,J.M.Leach,
and  L.T.K.Chung,Anal.Che
m.59,58(1987). 7.テー・ベラーとジエー  リヒテンベルグ、ジヤー
ナル・アメリカ上水道連合66,739(1974).
(T.Bellar  and  J.Lichten
berg,J.Am.Water  Works  A
ssoc.66,739(1974).) 8.合衆国環境保護局「水中の揮発性有機化合物の毛管
分離管ガスクロマトグラフィ/質量分光測定パージおよ
びトラップによる方法524.2」8月,1986.(
United  States  Environme
ntal  Protection  Agency,
“Method  524.2.Volatile  
Organic  Compounds  in  W
ater  by  Purge  and  Tra
p  Capillary  Column  Gas
Chromatography/Mass  Spec
trometry,”August,1986.) 9.エヌ・キルシエン  アメリカン  ラボラトリ 
 16(12),60(1984).(N.Kirsh
en,Am.Lab.16(12),60(1984)
.)10. エル・デー  ランダウとイー・エム  
リフシツ「流体力学」訳者、ジエー・ビーサイケスとダ
ブリュ・エイチ  レイド.ペルガモン  プレス.ロ
ンドン,1959.P.59.(L,D.Landau
  and  E.M.Lifshitz,“Flui
d  Mechanics,”Translated 
 by  J.B  Sykes  and  W.H
.Reid,Pergamon  Press,Lon
don,1959,P.59.)【0009】本発明の
要約 現存の装置において、検体の入るキャリヤーガスは、一
般に、最終トラップの高圧側に関して、いつも大気圧に
、大気圧付近または大気圧以上にあるとは限らなければ
、最後に脱離される。本発明の一重要特徴は、上記キャ
リヤーガス中の検体の濃度を増すために、脱離期間中、
上記トラップの両側に実質的に減少した圧力、また低体
積流を短時間用いることにある。予濃縮の理論を考慮す
ると、ガスの試料から採取されて、理想的予濃縮器に吸
着される微量成分分子の全数(N)は次のとおり表わさ
れる。 N=fs ns Ws ts           (
1)【0010】ここに、fs はガス中の微量成分の
分別分子濃度であり、ns は予濃縮器に流入するガス
の圧力に比例する、空気分子の数密度(cc−1)であ
り、Ws は予濃縮器に流入する体積流量(cc/se
c)であり、そしてts はサンプリング時間(sec
)である。分子の同一全数(N)が脱離相間に上記予濃
縮器から放出され、すなわち: N=fd nd Wd td           (
2)【0011】ここに、パラメータは、脱離相に適当
なものであり、かつndおよびWd がそれぞれ予濃縮
器を離れるガスの数密度および体積流量である以外は、
方程式(1)と同一意味である。ここで使われた下付き
文字「s〕および「d」は、方程式内でそれぞれ「sa
mple(試料)」および「desorption(脱
離)」を表わす。方程式(1)および(2)の組合わせ
は、脱離およびサンプリング相期間中の微量成分の分子
濃度の比として予濃縮ファクター、すなわち「gain
(ゲイン)」(G)を定める: 【数1】 理想気体においては、次の方程式が当てはまる。 【数2】 【0012】ここに、Pは圧力、Kはボルツマン定数、
Tは「K」ケルビン温度、pは質量密度(gm/cc)
、nは数密度、そしてmは分子質量である。従って方程
式(3)は別に次のように表わすこともできる:【数3
】 【0013】ガス(Q)のマスフローは質量密度と体積
流量の積、すなわちQ=pWである。従ってGはまた次
のように示される: 【数4】 【0014】ここに、下付き文字「s」と「d」は再び
サンプリングと脱離の期間を示す。粘性流において、管
または流路のような絞りを通過する圧縮性ガスのマスフ
ローは、等温状態下で良好な近似を得るように、上記絞
りの両端部の高圧と低圧(それぞれPo およびPf 
)の圧力の平方の差に比例し、従って: 【数5】 【0015】方程式(6)および(7)において、Po
 −Pf は管の両端部間の圧力差で、方程式(8)で
はこの差が「ΔP」として示される。また方程式(8)
の<P>は管内部の代数学的平均圧力で、方程式(7)
の【数6】 である。方程式(6),(7)および(8)のKは、管
の幾何学的形状および上記ガスの粘性係数によるファク
ターである。ガスの粘性係数はその圧力に無関係である
ため、ファクターKは定数である。 【0016】方程式(5)および(8)の組合わせは、
サンプリングおよび脱離相期間中の、管内平均圧力およ
び両端の圧力低下によって、ゲイン(G)の表示ができ
る。 【数7】 上記サンプリング相中のガス流量を最大にするため、上
記予濃縮器の出口端部における圧力が事実上零になるよ
うに、ガスは十分な速度でポンプ作動される。この場合
【数8】 ここにPs は、再びサンプリング期間中上記収着剤の
入口における圧力である。これらを方程式(8)に代入
すると、次式が得られる: 【数9】 【0017】従って、方程式(5)と(10)の組合わ
せで、ゲインの比較的簡単な式が与えられる:【数10
】 一例として、もしサンプリングが大気圧において(Ps
 =760torr)で行なわれ、かつ脱離相期間中上
記予濃縮器両端の圧力差が100torrであるとすれ
ば、低圧端部における圧力は40torrとなるので、
たとえ上記サンプリングと脱離時間が等しいとしても、
予濃縮ファクターGは32となる。 【0018】脱離相期間中に、管の圧力低下があれば、
ΔPd は収着剤の低圧端部における圧力<P>d よ
りもはるかに高く、従って 【数11】 そしてゲインに対する表現は更に簡単化される:【数1
2】 上記方程式から、ガスのサンプリング相で高い圧力およ
び大体積流量が起こり、そして脱離相ではるかに低い圧
力および小体積流量が用いられるような、異なる圧力お
よびガス流量を与えることによって、実質的により大き
なガスおよび蒸気の予濃縮が達成され、これが質量分析
計による分析に適していることが理解されよう。 【0019】本発明はこの概念を利用し、活性収着剤を
大気圧または大気圧付近の分析するガスまたは蒸気の試
料に露出することにより、閉じ込められた空間内にある
上記収着剤は、密封されてその内部圧力は減少する。次
に、収着剤を加熱して、以前に吸着した成分を上記閉じ
込められた空間に流入する低圧ガスに脱離し、これらの
成分を質量分析計のイオナイジングチャンバまたは他の
低圧検出器に運び、次にこれら成分を分析する。もしも
、脱離時間が吸着に要する時間よりも少なければ、関係
するガスおよび蒸気のさらに一層の濃縮が生じる。本発
明の適合性および可能性は、この説明が進むにつれて、
添付図面を参照し当業者には一層十分に理解されよう。 【0020】好適実施例の説明 図1について説明すると、弁V1 およびV2 は可変
リーク弁である。弁V2 は、脱離相期間中、および低
圧ガス源内圧力、脱離期間圧力Pd に関連して、収着
剤10を通る上記ガスの質量流量を調整するのに用いら
れる。弁V1 は、質量分析計14または他の低圧検出
器に導く可変リーク弁で、弁Eから弁V1 まで脱離ガ
ス流の十分に小さい試料を送るように調整され、質量分
析計14の真空ポンプ17または他の低圧検出器により
与えられる真空装置によって操作される。弁A,B,C
,DおよびEは、以下説明するように開放か、または閉
鎖される高コンダクタンス弁で、弁AとBは開放され、
そして弁C,DおよびEは閉鎖される。 【0021】サンプリング相の期間中、弁AおよびBは
開放され、弁C,DおよびEは閉鎖される。通常大気圧
にあるガスは、収着剤10、ここでは管の内側の粒状粉
末として示される、を通り、真空ポンプ18の方へ引か
れる。所定のサンプリング時間ts の後に、弁Aは閉
鎖され、そして弁Cは開放され弁Bは開放されたままで
、真空ポンプ18は収着剤管10内の圧力を低下させる
。 弁Cを含むバイパスの目的は、上記収着剤管10の左側
に(図1に示されるように)、体積の急速ポンプダウン
をさせることにある。このバイパスは上記収着剤管10
においては不可欠ではなく、結局ポンプダウンされるが
、収着剤管10の左側へのガスはすべて、ガス流に対し
障害物である上記収着剤を通してポンプ作動されねばな
らない。バイパスがなければ、予濃縮順序を完了する期
間は僅かに長くなる。 【0022】上記収着剤管10内に十分な真空がある時
には、弁BおよびCが閉鎖され、弁Dは開放されて低圧
ガス源11からのガスは収着剤管10に入る。弁Dと共
に同時に、または若干おくれて弁Eが開放されて、収着
剤10を通って低圧ガスが流れる。ガスの流れが確立さ
れた後、収着剤管が加熱器12により急速加熱されて、
収着剤10に吸着された成分は、放出されて低圧ガス流
に入る。この流れの一部は切り離され、可変リーク弁V
1 およびイオナイザ15を経て、質量分析計14また
は他の低圧検出器に入る。残余のガスは弁V2を通過し
てポンプ18に入る。加熱器12は収着剤管10の周り
に巻いた電気的に付勢されるヒーターリボンを含むが、
他の加熱手段は当業者には明白であろう。質量分析計1
4は真空ポンプ17により排気される。イオナイザ15
は、異なるポンプ配列内の、他の真空ポンプ(図示せず
)により排気される、チャンバ内に配置することもでき
る。 【0023】脱離時間td は、上記サンプリング時間
中に吸着された全微量成分を脱離するに要する期間であ
る。この期間は、上記収着剤管10に対する熱流の速度
を変更することにより、制限値内に制御できる。一層急
速な加熱は、より少ないtd を生じ、従って方程式(
5)で説明したように、高いゲインファクターGを生じ
る。微量成分がイオナイザ15に入る期間は、脱離ガス
流量とは無関係である。例えば、所定圧力における緩徐
な脱離ガス体積流量を用いることは、脱離ガス流内の微
量成分の、高い数密度(または分圧または分別濃度)を
生じ、何故ならばそれらがガス流に沿う短かい距離にわ
たり分布されて、大きい信号が生じるからである。しか
し、上記ガス流内の微量成分のこの短かい長さは、緩徐
な線形流速のために、時間td の同一長さ内の弁V1
 を介して受入れられる。 【0024】それにもかかわらず、上記体積流量は、収
着剤10から弁V1のある質量分析計14の入口まで、
脱離した検体を運ぶのに要する期間を決定しない。この
運送時間を決める、上記キャリヤーガスの線速度は、体
積流量に比例する。低圧脱離状態下において、高線速度
と低質量流量とは同時に生じる。図1に示される質量分
析計14の、脱離した検体に対する応答は、またイオナ
イザ15の体積およびイオナイザ15と質量分析計14
を分離する開口16のポンピング速度によって影響をう
ける。例えば、脱離した検体が、上記イオナイザ15に
入り、直ちにイオナイザ15全体に拡散する場合を考え
よう。イオナイザ15内の検体濃度fi(t)は、上記
検体がイオナイザに入る期間中、指数関数的に増加する
(0<t<td): 【数13】 【0025】ここに、fd は脱離ガス流内の検体濃度
であり;そしてτはイオナイザの時定数特性である。一
たび上記検体を含むガスのスラグ流れが、弁V1 の入
口を通過すると(t>td )、上記イオナイザ内の濃
度は、そのピーク値fi (td )から、同じ時定数
τと共に指数関数的に低下する: 【数14】 方程式(13)および(14)の時定数τは、イオナイ
ザの体積Vi と、イオナイザ15から出るポンピング
速度Si (単位時間ごとの体積の単位)との比であり
、従って: τ=Vi /Si               (1
5)【0026】図1において、イオナイザ15は、質
量分析計14からイオナイザ15を分離する開口16だ
けを通してポンピングされる。もしも、イオナイザの時
定数τが、脱離時間td と比較して小さければ、イオ
ナイザ15内の検体濃度は、キャリヤーガス内の検体濃
度fd に急速に接近し、かつあとに続く。逆に、もし
も上記時定数τが、脱離時間td よりもはるかに大き
ければ、イオナイザ15内の検体濃度は、検体がイオナ
イザ15に入る期間中、キャリヤーガス内の濃度の僅か
一部まで上昇する: 【数15】 【0027】次に上記濃度は、方程式(14)により特
性時定数τと共に低下する。電子衝撃(EI)および化
学イオン化(CI)に用いるイオナイザは、通常小体積
と十分に大きい開口があり、これによりその時定数τが
通常の脱離時間(2−3秒)よりも小さく、そして図1
に示される配列で十分である。しかし、若干の放電イオ
ン化源は、それらのプラズマを限定された再結合させる
ため、大体積と適度に高圧とを必要とする。このような
場合、図2に示した配列が好ましく、ここで脱離ガスの
すべてがイオナイザを通って流れるように指向され、そ
してこのイオナイザ15を通るガス流量が増加する。図
1に対する、空気または他のガスをサンプリングするた
めの、および質量分析計による次の分析に対し微量元素
を濃縮するための適当な弁調節順序を、表Iに説明する
。 【0028】 【表1】                          
       表      I  弁A,B,C,D
およびEはオン/オフ弁である。開放している弁を示す
のに「1」を用い、閉鎖した弁を示すのに「0」を用い
、弁調節順序は次の通りである:                 弁        
              収着剤        
                    相    
  A  B  C  D  E        加熱
器12      プロセス            
1.    0  1  0  0  0      
    オフ        初期ポンプダウン   
   2.    1  1  0  0  0   
       オフ        空気のサンプリン
グ    3.    0  1  1  0  0 
         オフ          減圧  
              4.    0  0 
 0  1  1          オフ     
   脱離ガス流確立        5.    0
  0  0  1  1          オフ 
       検体の脱離         【0029】図2の配列において、弁A,B,C,Dお
よびEは、図1におけるように作動し、そして弁V1 
およびV2 は上記イオナイザ内の適当な圧力だけでな
く所望脱離マスフローを生じるように調節される。どち
らの配列(図1および図2)においても、低圧脱離ガス
は、上記予濃縮器に入る、初期ガスと同一である必要は
ない。実際、試料にされるガスと化学的に異なる、低圧
脱離ガスを用いることが望ましいことがしばしばある。 例えば、若干の空気試料中の微量成分は、上昇した温度
で酸素と反応することもある。もしも、空気が脱離ガス
としても用いられるならば、脱離した検体は、脱離プロ
セスにおいて加熱された空気内の酸素と反応することも
あり、そして異なる種をつくる。アルゴンのような不活
性ガスまたは二酸化炭素のような完全に酸化したガスが
、このような場合に望ましいこともある。逆に、反応性
キャリヤーガスは、最初の検体の誘導体を検出し、また
は脱離ガスとの反応性または反応経路に基づく同様な質
量スペクトルをもつ化合物を識別し、またはもっと容易
にイオン化される種をつくることに都合よく用いられる
。 さらに、イオン化方法として、化学イオン化を用いる時
には、化学イオン化試薬ガスが脱離ガスとなることもあ
る。 【0030】予熱器22により予熱された、低圧予熱脱
離ガスを用いることは、収着剤管10内の吸着剤の温度
上昇のために熱を与え、従ってそこから脱離を生じる期
間を短縮するか、または加熱器12の加熱熱量を減少す
る。低圧脱離ガスの熱容量は、通常収着剤管10内収着
物質の熱容量よりもかなり小さい。それにもかかわらず
、多くの収着物質の低い熱伝導率のために、分子脱離か
らそれらの表面に濃縮される、高温脱離ガスによって生
じる熱活性となり、上記予熱脱離ガスは、他に期待され
る以上の、一層有効な脱離プロセスに対する助力を与え
る。図1および図2の配列から、脱離マスフローが十分
に大きく、かつ質量分析計14または他の低圧検出器の
容量は、脱離ガスの僅少部分だけが、分析用開口16を
通り受け入れられると仮定すると、質量分析計または他
の検出器のガス処理容量は、限定特徴となる。もしも、
脱離ガスのマスフローが十分に低く、かつ質量分析計の
真空ポンプのポンピング容量が高いならば、全脱離ガス
流が開口16およびイオナイザ15を介して、質量分析
計14に流入される。このような場合、弁V2 を閉鎖
しまたは図3に示すような別配列に代えることもできる
。 【0031】図3に示された配列において、弁A,B,
C,DおよびEの開放および閉鎖の順序は、図1および
2に対するものと同一である。真空ポンプ17は、質量
分析計の圧力を通常10−5torr  の範囲内に保
持する高速度ポンプ(通常、数百リットル毎秒)である
。ここの差は、全脱離ガス従って質量分析計14のイオ
ナイザ15に入る収着剤により吸着され、次に質量分析
計14自体にその開口16を通して受け入れられる全微
量成分である。代表的質量分析計に入る実際の質量流量
は10−3torr/l/secまたは約0.1atm
−cc/minのオーダで、そして脱離ガスの同一質量
流量は従って、上記収着剤10を通過できる最大量であ
る。この場合、調整可能な弁V1 および低圧脱離ガス
源により与えられる圧力は、脱離ガス圧力および実際の
マスフローを制御する。極めて低い脱離圧ならびに極め
て低い脱離ガスマスフローに対して、弁V1 は、広く
開放されるべきか、または図4に見られるように除かれ
るかのいずれかである。 【0032】もしも、電子衝撃(EI)または化学イオ
ン化(CI)イオナイザ15を用いるならば、両方とも
1torr以下の圧力で通常作動し、もしも、上記微量
成分が収着剤10およびイオナイザ15間の導管の内壁
または弁Eの内壁に吸着される傾向がなければ、図4の
配置が受け入れられる。しかし、もしも微量成分がこれ
らの表面に固着される傾向ならば、図3の配置が好まし
く、何故ならば低圧ガス源および弁V1 が、収着剤と
弁V1 との間に高圧を維持するようにセットできて、
上記導管に対する微量成分の拡散を制止するからである
。方程式(5)に従い、濃縮の相対的ゲインはサンプリ
ング相中の上記マスフローと、脱離相中のマスフローと
の比によるものである。拡散損失と検出方法のフロー必
要条件は、最後に最小受容可能な脱離マスフローを決定
する。従ってサンプリング期間Qs 中のマスフローは
、上記ゲインを最大にするために、できるだけ大きくな
ければならない。サンプリング期間中の絶対マスフロー
は、上記予濃縮器の両端部における圧力の平方の差に対
する、予濃縮器のマスフローQである、方程式(6)の
ファクターKにより決定される。このファクターは明ら
かに、管の場合には長さと内径の幾何学による。サンプ
リング中高いマスフローを得るためには、予濃縮器の管
は短くなければならない。 【0033】しかし、短い管の使用は、サンプリング相
中に収着剤上の吸着位置が完全にうめられて、上記収着
剤がサンプリング相中すべての微量成分を吸着しなくな
る可能性に通じる。そのような場合、収着剤は飽和され
、その後収着剤を流れ通るサンプリングガス中の微量成
分は、それらがたとえサンプリングマスフローまたサン
プリング時間ts 内にあるにしても、脱離相中検体濃
度内で反射されない。一解決方法は、GがTs に比例
するようになるまで、サンプリング時間を減らすことで
ある。別法として、Gを高く保持しようと努めるならば
、予熱器12または22から管の中央まで熱エネルギー
の伝導は、幾何学的変化により影響を受けるので、脱離
時間td 増加の許容し得る損失をして、予濃縮器は大
型幾何学的配置の一つ(管状予濃縮器の場合における長
さおよび直径)と交換できる。通常用いられる予濃縮技
術にともなう大きな問題は、脱離時間に対するサンプリ
ング時間の比に、上記技術が主として、またしばしばこ
の比だけに頼ることである。若干の期間が、最小脱離時
間を決定する予濃縮試料に関する測定のために要求され
るので、特定予濃縮ファクターを達成するのに必要とさ
れる時間の長さは、比較的大きくなければならないこと
になる。数学的にこれはts =Gtd で示される。 【0034】例えば、数百ダルトンの範囲にわたって多
数走査するために約0.1秒を要すると考察する。吸着
したガスを小さい収着剤の管から排出するのに通常約2
秒を要するので、上記質量分析計は、脱離ガスが存在す
る時間以上に多数走査ができる。従来型予濃縮器で濃縮
ゲインファクターを120とすれば、サンプリング時間
ts は約120×2秒=240秒=4分とならねばな
らない。対照的に、本発明に関しては、40torrの
脱離圧力および100torrの脱離圧力低下(上記計
算の場合)を用い、そして脱離時間td =2秒のため
に、所望ゲインファクター120を達成するには、方程
式(11)はサンプリング時間が僅かに7.5秒である
ことを示し、従って全測定時間は、(サンプリング時間
に脱離時間を加え、さらに弁切換の1または2秒を加え
)、従来型予濃縮器の場合における全測定時間4分では
なく、弁が開放および閉鎖した後の圧力変遷時間を無視
して約10乃至12秒である。 【0035】所定試料を分析するのに要する全時間の長
さは、プロセスに必要なガス流が、開始、停止または反
転、もしくは、それらの圧力または速度の変化により修
正される時に、変遷が考えられることが重要である。全
般に、多量のガスが管を通って排出される時には、粘性
流が生じ、時間の関数P(t)として体積内圧力が理論
的に次式により与えられる: 【数16】 【0036】ここに、Po が初期圧力で、aは管の内
径そしてLは管の長さ、Vはガスの体積そしてηはガス
の粘性係数である。直径1/8″(a〜0.15cm)
長さ30cmの管を通して、大気圧(Po =760t
orr〜1×106 ダイン/cm2 )から空気(η
〜10−4  ポアズ)をポンピングすると、100c
m3 の体積から0.01気圧までポンプダウンするま
での時間は次のとおりである: 【数17】 この計算は、ポンプダウンおよびレットアップ時間が1
秒またはそれ以下のオーダでなければならないので、無
用の体積を小さく、かつ管路の長さを短く保つ必要性を
示す。 【0037】測定サイクル中で最も時間を浪費する態様
の1つに、微量成分が熱的に脱離された後のクールダウ
ン時間である。強制冷却は、外面に沿い冷却空気をブロ
ーし、または管の周りに冷却液を循環しながら、上記収
着剤管を通して、冷却したガスを流すことにより達成さ
れる。しかしペルチエ冷却のような他の手段も用いられ
ることは、当業者には周知である。しかし、どんな手段
が用いられるにしても、それらが時間を消費し、かつ装
置の構造を複雑なものとする。別なとりあげ方で、2つ
またはそれ以上の予濃縮器を平行に設けて、それらの間
をスイッチするものがある。一方を使用しながら、他方
を冷却するものである。これを行なう装置が図1aに示
される。弁FおよびF′は、一方の予濃縮器が作動でき
ながら、他方が冷却され、そして逆もまた同じである。 低圧ガス供給源11および11′、真空ポンプ18およ
び18′および高圧取入口など、若干の装置が共通に有
する。分離弁V1 とV1 ′およびV2 とV2 ′
が共にあるので、弁FとF′は省略することもでき、そ
して弁EとE′は、予濃縮器IとIIから開口16とイ
オナイザ15を介して質量分析計14に交互に流れを切
換えるのに使用できる。 【0038】本発明による予濃縮器の概念は、1990
年4月、ペンシルバニア州ピッバーグのエクストレルコ
ーポレーション(Extrel  Corporati
onin  Pittsburgh,PA)の質量分析
計と共に首尾よく実行された。このテスト装置は図1に
示される装置に類似し、その内の予濃縮器は図5に示さ
れるような収着剤管構成のものであった。ここに使用さ
れた収着剤管30は普通のマイクロヘマトクリット毛管
で(フィシャー・サエンティフィクコンパニー、ピッツ
バーグ、ペンシルバニア州、Fischer  Sci
entific  Co.,Pittsburgh,P
A.カタログNo.02−668−68)、長さ37m
m、内径約1.5mmそして壁の厚さ約0.1mmであ
る。この管の極めて薄い壁が収着剤31の急速加熱と冷
却とを可能にしている。上記毛管は、1cmの長さのメ
ッシュ60/80クロマソルブ(Chromasorb
)106収着剤(商標マンビル、イリノイ州デイアフイ
ルド、応用科学研究所、オールテク・アソシエイツ・イ
ンコ購入;TM.Manville.purchase
d  from  Alltech  Associa
tes,Inc.,Applied  Science
  Labs,Deerfield,IL)と共に包装
され、上記収着剤は、その各端部上に3mmの長さで、
強く包装されたシラナイズド(silanized)ガ
ラスウール32の片により適正位置に保持される。上記
収着剤管を取り巻いて巻かれたニクロムリボン(図示せ
ず)は、吸着した検体を脱離する抵抗加熱器12として
役立つ。 【0039】ニクロムリボンに点溶接された、J形熱電
対接合部は、上記リボンの温度を測定し、そして温度制
御装置(フェンウオール、モデル550、Model 
 550,Fenwall)は、脱離期間中のその温度
を調整した。上記収着剤管は1/16″のスエージロッ
ク継手34(商標クロフオード  フイテングコンパニ
、Crawford  Fitting  Co.)お
よびテフロンのフェルールにより、上記装置の残余の部
分に密閉される。図1に示されるように、残りの配管類
は、1/8″管類(ステンレスおよびテフロン)、1/
8″スエージロック継手、テフロンソレノイド弁(ニュ
ージヤジ州フェアフィールド  ゼネラル  バルブコ
ーポレーション、パーツ2−10−900およびニュー
ジヤジ州スプリングフィールド  バルコーエンジニヤ
リング  コーポレーション、モデル20−1−3;P
art2−10−900,General  Valv
e  Corporation,Fairfield,
NJ;and  Model20−1−3,Valco
r  Engineering  Corp.,Spr
ingfield  NJ)、およびステンレス鋼ニー
ドル弁(ホイテイ、モデルSS22RS2、Model
s  SS22RS2  Whitey)を含む。日立
160VPキュートバック(174L/min)は図1
に示される真空ポンプ18として役立ち、そして図1の
収着剤管10の各端部のガスの圧力は、静電容量式マノ
メータ(マサチユセッツ州バーリントン、エム・ケー・
エスインストルーメンツ、インコ、のバラトロン形  
122AA−01000DB;Baratron  t
ype122AA−01000DB,MKS  Ins
truments,Inc.,Burlington,
MA)で測定される。このマノメータはステンレス鋼ト
グル弁(図1〜4に示されず)を介して予濃縮器に連通
され、これは予濃縮器内の体積超過を避けるため、完全
な予濃縮処理中一般に閉鎖されたままである。圧力測定
は通常特定予濃縮手順の準備中にだけ行なわれる。 【0040】脱離期間に対する低圧ガス供給は、周囲空
気と真空ポンプ18間に、直列に結合された2個のニー
ドル弁により与えられる。2個のニードル弁間の領域は
、弁Dに連結され、このニードル弁は、収着剤で所望圧
力を生じるように調節される。上記ニードル弁を通る十
分なガス流が維持されて、収着剤管10を通るガス流が
収着剤に加わる圧力に影響を及ぼさないよう確保する。 この配列は電子回路におけるスチフ分圧器に類似してい
る。真空調整器(例えばマテソンMatheson  
モデル3491)は、使用してもよい他の手段からなる
。これらの実験に用いた質量分析計14は、差動式ポン
プの単一4段装置であった(スペクトルSpectr 
 EL,ペンシルバニア州ピッツバーグ、エクストレル
  コーポレーション;Extrel  Corpor
ation,Pittsburgh,PA)、質量分析
計の第1真空チャンバは、イオン源を収容し、450L
/Sターボ分子ポンプでポンプ作動され、そのポンピン
グ速度は上記チャンバへの連結により約150L/Sに
制限された。後部真空チャンバでポンプ作動される、3
20L/S拡散ポンプは、4段マスフィルタを収容する
。下記に記載の実験のすべては、70eV電子で動作す
る電子衝撃イオン源を用いて行なわれた。 【0041】外部タイマー(クロントロールChron
Trol、カリフオルニア州サンヂエゴ、リンドバーグ
  エンタプライズ  インコ.;LindburgE
nterprises,Inc.,SanDiego,
CA.)は予濃縮器内ソレノイド弁の動作を制御した。 上記予濃縮器の作動を調査するのに用いたタイミング手
順は、再び開放した弁を示すのに「1」を用い、閉鎖し
た弁を示すのに「0」を用いて、下記表IIに説明する
。 【0042】 【表2】                          
     表      II           
 弁                    収着剤
                         
     相      A  B  C  D  E
        加熱器      プロセス    
        期間1.    0  1  0  
0  0          オフ    初期ポンプ
ダウン      2秒2.    1  1  0 
 0  0          オフ    空気のサ
ンプリング    3秒3.    0  1  1 
 0  0          オフ      減圧
                2秒4.    0
  0  0  1  1          オフ 
   ガス流確立            3秒5. 
   0  0  0  1  1         
 オフ    検体の脱離          10秒
                         
                         
        合計  20秒 【0043】この順序でサンプリング時間は3秒で、合
計サイクル時間は(脱離後の収着剤冷却に要した時間は
除外)20秒であった。このタイミング順序を用いる実
験は、四塩化炭素(CCl4 )の様々の量を添加した
空気で行なわれた。図6は予濃縮サイクル中の時間の関
数として記録された質量分析計信号が示され、ここで百
万につき(ppm)3.4部の全CCl4 濃度を含む
空気が試料とされた。質量分析計に到る弁E(図1)が
走査に入る約7秒間開放され、その時に信号内で若干増
加しているのが見られた。走査に入る約10秒間上記収
着剤10は加熱され、吸着した検体を急速に脱離させる
。質量117,119,121および123ダルトンで
記録されたデータは、CCl4の質量スペクトル内の主
要ピークはその後間もなく著しい応答を示し、そして上
記脱離形状は期間中の約2秒間である(1/2強度にお
ける全幅として測定した)。比較のため、140ダルト
ンにおける反応は、CCl4 に関連しない背景質量が
僅かな応答を示すだけである。 【0044】119,121および123ダルトンにお
ける質量ピークは、1個またはそれ以上の37Cl原子
を含むCCl4 分子のフラグメントイオンに対応する
。37Clの同位体存在度に基づき、123ダルトンに
おける信号は、十億につき約50部の濃度で存在する検
体から有効に生じる。上に示した脱離形状は、上記キャ
リヤーガス中の脱離した検体の濃度を増すために、低圧
および低流量脱離状態を用いて記録された。これらの脱
離形状は、脱離相におけるCCl4 の濃度が、空気試
料中のその濃度の約550倍であることを示す。上記サ
ンプリング時間と脱離時間とがこの場合(それぞれ3秒
と2秒)ほぼ等しいので、濃縮におけるゲインは、サン
プリング相および脱離相期間中の圧力および流量の差か
ら殆ど完全に生じている。このゲインは、質量分析計内
へ3.4ppm試料を直接導入して生じた信号に対して
、上記脱離形状のピーク強度を比較することにより測定
される。 各信号はブランク空気試料により作られた背景レベルに
対して補正され、かつ、固有の弁は脱離および直接サン
プリング測定の両方の期間中、上記質量分析計が2×1
0−5torrの圧力になるように調節される。上記質
量分析計内の全圧は、上記2つの測定値において同一で
あるから、背景補正信号の比較は、相対濃度の直接比較
である。 【0045】この例において観測されたゲインは、下記
表IIIに示されるような、脱離圧力、流量および時間
の比較から計算された、ゲインGの2つのファクター内
にある: 【0046】 【表3】                          
   表        III          
            サンプリング       
     脱  離                
      平均圧力<P>    369torr 
     18.5torr            
    圧力差  ΔP      668torr 
     21    torr          
          時間             
   3秒            2秒(1/2 強
度における全幅)    計算ゲイン=950 【0047】この場合、予想ゲインと観測ゲインとの間
の差は、上記のように収着剤10の飽和に大きく起因し
ている。図7は、飽和の結果を示す+/−誤差バーを付
け、各モニタイオン質量に対するCCl4 濃度の関数
として、脱離期間中のピークイオン信号を示す。各CC
l4 同位体フラグメンティションに対する脱離した信
号は、試料濃度に関して線形に増加はしない。最後に方
程式(9)は、ゲインGが、これから脱離相期間中イオ
ン強度が、脱離期間中の上記収着剤管内の平均圧力に対
して反比例であることを予示している。図8においては
、空中のペルフルオルトリブチルアミン試料に対する脱
離圧力に関し、質量69におけるピーク強度の依存関係
を示している。上記信号は、一定サンプリング状態(試
料濃度、マスフローおよび時間)および脱離期間中収着
剤両端の圧力差一定の30torrに対する、脱離期間
中平均圧力の関数として測定された。 【0048】上記イオン信号は、予期どおり減圧で増加
する(増加1/<P>d )が、信号は1/<P>d 
に関して線形に増加しない。この不一致は、少なくとも
一部、観測した一時的脱離ピークの形状が圧力に依存し
ているという事実に起因している。増加する圧力と共に
増加した観測ピーク幅は、おそらくより高い圧力と流量
で緩徐に加熱し、1/<P>d に対する信号の非線形
応答の一因となるからである。本発明の好適実施例を説
明したが、添付の請求項の範囲内で他の改作および変型
がつくれることを理解すべきである。
Description: FIELD OF THE INVENTION This invention relates to the detection of trace components in air or other gases, and more particularly, to the detection and measurement of trace components in air or other gases. An improved method and apparatus for preconcentrating components. The present invention
Although it can be used with any detector that basically measures the relative concentration of a gas whose pressure is reduced below atmospheric pressure for analysis, its primary use is for mass spectrometry measurements. It is something. BACKGROUND OF THE INVENTION Preconcentration is a well-known technique in analytical chemistry and is used for the detection of trace contaminants in both gases and liquids. In gas analysis, gases, usually at or near atmospheric pressure, are drawn through or past an adsorbent that selectively adsorbs or captures trace components. This adsorption generally occurs on the surface of solid sorbents, which are often powders, "wool" or sheets. Sorbents are selected on the basis of their ability to adsorb the compounds of interest and their adsorption capacity. The amount of trace component adsorbed is proportional to the amount of time the gas is drawn through or otherwise in contact with the sorbent (the "sampling time") before the sorbent becomes saturated. do. Following the time period during which this sampling occurs, the sorbent releases its trace components, usually by rapidly heating the sorbent. The temperature of the sorbent can be raised sufficiently in one step so that all of the analyte is desorbed at the same time (“flash desorption”), or different species can be desorbed at different temperatures. It can also be ramped up more slowly so that it is released at different times ("temperature programmed desorption"). In either case, the trace components are reintroduced into the carrier gas stream within a much shorter desorption time than the period during which sampling is completed, so that the concentration of the analyte plug in the carrier gas is less than that of the original sample. It is more advanced than its concentrated form in gas. An example of a device that operates in such a manner is provided by Envirochem, Kemblesville, Pennsylvania.
ville, Pennsylvania. ), there is a universal automated concentrator. [0004] The sorbent is in the form of a powder confined within a thin-walled tube that is sufficiently granular to the gas passing through the tube, and during the desorption period, the carrier gas passing through the sorbent is in the form of a powder. It is common for the flow to be in the opposite direction to the flow through it during the sampling period. An example of a preconcentrator used in this method is the Automatic Chemical Agent Monitor System (Automati
c Chemical Agent Monitor
System) (ACAMS), which is the U.S. Army's Southern Research Institute (South).
Hern Research Institute
) and was developed in Lewisburg, West Virginia.
ABB Process Analytics (ia)
Previously Combustion Engineerin
g, Inc. ), and Birmingham, Alabama (B
C.M.Irmingham, Alabama)
S Research Corporation (CMS Res)
Manufactured by EACH Corporation. Preconcentrators are also used in the analysis of volatile compounds in liquids, usually water, by using a "purge and trap" technique. In contrast, an inert gas bubbles through the liquid, entraining volatile contaminants and transporting them to a similar sorbent for the gas sample. After the sampling (purging and trapping) is completed, the analyte is desorbed from the sorbent as described above. Techma, Inc., Cincinnati, Ohio (
Tekmar Company of Cinc
Tekmar LSC 2000 (Innati, Ohio)
0) is a “purge and trap” available on the market.
This is an example of a device. Preconcentrators are commonly used in conjunction with gas chromatographs (GC) to separate and confirm analytes. The flow rate of the carrier gas through the preconcentrator (or final trap) during the desorption phase is generally determined by the characteristics of the GC separation tube. For example, capillary separation tubes use lower mass flow rates than conventional filled separation tubes. moreover,
In order to improve the resolution and sensitivity of the GC, the G
At or near the inlet of the C separation tube, the desorbed analyte is often re-trapped, usually by cryogenic means.
From this, the analyte is rapidly desorbed and within a short period of time, the sample is injected into the separation tube. The above Tekuma LSC2000 "Purge and Trap" instrument is a filling-megabore (
The Tekma Model 1000 capillary interface uses cryotechnical refocusing to connect the Tekma LSC2 "Purge and Trap" instrument to a capillary separator gas chromatograph using cryotechnical refocusing. to be able to work together with the tograph. The following publications are cited for a more comprehensive description of the above prior art devices and techniques and are incorporated herein by reference: 1. S.W. 846, “Test Methods for Evaluation of Solid Wastes” 3rd Edition, EPA Publishing OS.W. 0000846; Methods 0030 and 5040
.. (SW-846, “Test Methods
for Evaluation of Soli
d Waste,”Third Edition,
EPA Publication OSW0000
846;Methods0030and5040. ) 2. D. L. Fox. Analytical Chemistry 61, 1R (
1989), and references (D.L.Fox.Anal.
Chem. 61, 1R (1989), and refer
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.. Chem. 56, 1432 (1984)) 0008
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trometry,” August, 1986.) 9. N. Kirsien American Laboratory
16(12), 60 (1984). (N. Kirsh
en, Am. Lab. 16 (12), 60 (1984)
.. )10. L.D. Landau and E.M.
Lifshitz's Fluid Mechanics, translated by G. B. Saikes and W. H. Reid. Pergamon Press. London, 1959. P. 59. (L.D.Landau
and E. M. Lifshitz, “Flui
d Mechanics,”Translated
by J. B Sykes and W. H
.. Reid, Pergamon Press, Lon.
Don, 1959, P. 59. ) SUMMARY OF THE INVENTION In existing devices, the carrier gas entering the analyte is generally at atmospheric pressure, if not always near or above atmospheric pressure, with respect to the high pressure side of the final trap. It will be detached. One important feature of the invention is that during the desorption period, in order to increase the concentration of analyte in the carrier gas,
It consists in using substantially reduced pressure on both sides of the trap and also low volume flow for short periods of time. Considering the theory of preconcentration, the total number (N) of trace component molecules taken from a sample of gas and adsorbed in an ideal preconcentrator is expressed as: N=fs ns Ws ts (
1) Here, fs is the fractionated molecular concentration of trace components in the gas, ns is the number density of air molecules (cc-1), which is proportional to the pressure of the gas flowing into the preconcentrator, Ws is the volumetric flow rate (cc/se) entering the preconcentrator
c), and ts is the sampling time (sec
). The same total number (N) of molecules is released from the preconcentrator during the desorption phase, i.e.: N=fd nd Wd td (
2) where the parameters are those appropriate for the desorption phase and where nd and Wd are the number density and volumetric flow rate of the gas leaving the preconcentrator, respectively.
This has the same meaning as equation (1). The subscripts “s” and “d” used here are respectively “sa” in the equation.
mple (sample)" and "desorption". The combination of equations (1) and (2) yields the preconcentration factor, or "gain", as the ratio of the molecular concentrations of the trace components during the desorption and sampling phases.
(gain)' (G): [Formula 1] In an ideal gas, the following equation applies. [Equation 2] Here, P is pressure, K is Boltzmann constant,
T is "K" Kelvin temperature, p is mass density (gm/cc)
, n is the number density and m is the molecular mass. Therefore, equation (3) can also be expressed separately as follows:
The mass flow of gas (Q) is the product of mass density and volumetric flow rate, ie, Q=pW. G can therefore also be written as: ##EQU4## where the subscripts "s" and "d" again indicate the period of sampling and desorption. In viscous flow, the mass flow of a compressible gas through a constriction, such as a tube or channel, is determined by the high and low pressures (Po and Pf, respectively) at the ends of said constriction, so as to obtain a good approximation under isothermal conditions.
), and thus: In equations (6) and (7), Po
-Pf is the pressure difference between the ends of the tube, which is denoted as "ΔP" in equation (8). Also equation (8)
<P> is the algebraic average pressure inside the tube, and Equation (7)
is [Equation 6]. K in equations (6), (7) and (8) is a factor due to the tube geometry and the viscosity coefficient of the gas. Since the viscosity coefficient of a gas is independent of its pressure, the factor K is a constant. The combination of equations (5) and (8) is
The average pressure in the tube and the pressure drop across the tube during the sampling and desorption phases provides an indication of the gain (G). ##EQU00007## To maximize the gas flow rate during the sampling phase, the gas is pumped at a sufficient rate so that the pressure at the outlet end of the preconcentrator is virtually zero. In this case, Ps is again the pressure at the inlet of the sorbent during the sampling period. Substituting these into equation (8) gives the following equation: [Equation 9] Therefore, the combination of equations (5) and (10) gives a relatively simple expression for the gain: number 10
] As an example, if sampling is performed at atmospheric pressure (Ps
= 760 torr) and the pressure difference between both ends of the preconcentrator during the desorption phase is 100 torr, the pressure at the low pressure end will be 40 torr, so
Even if the above sampling and desorption times are equal,
The preconcentration factor G is 32. During the desorption phase, if there is a pressure drop in the tube,
ΔPd is much higher than the pressure <P>d at the low-pressure end of the sorbent, so the expression for the gain is further simplified:
2] From the above equations, it can be seen that by providing different pressures and gas flow rates such that a high pressure and large volume flow rate occurs in the sampling phase of the gas, and a much lower pressure and small volume flow rate in the desorption phase, substantially It will be appreciated that significantly greater gas and vapor preconcentration is achieved, making it suitable for analysis by mass spectrometry. The present invention takes advantage of this concept by exposing the active sorbent to a sample of the gas or vapor to be analyzed at or near atmospheric pressure so that the sorbent within the confined space is It is sealed and its internal pressure is reduced. The sorbent is then heated to desorb the previously adsorbed components into a low-pressure gas flowing into the confined space and transport these components to the ionizing chamber of the mass spectrometer or other low-pressure detector. , and then analyze these components. If the desorption time is less than the time required for adsorption, further concentration of the gases and vapors involved will occur. As this description progresses, the suitability and potential of the present invention will become apparent.
It will be more fully understood by those skilled in the art upon reference to the accompanying drawings. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Referring to FIG. 1, valves V1 and V2 are variable leak valves. Valve V2 is used to regulate the mass flow rate of said gas through the sorbent 10 during the desorption phase and in relation to the pressure in the low pressure gas source, the desorption period pressure Pd. Valve V1 is a variable leak valve that leads to the mass spectrometer 14 or other low pressure detector and is adjusted to send a sufficiently small sample of the desorbed gas stream from valve E to valve V1 that the vacuum pump of the mass spectrometer 14 17 or other low pressure detector. Valve A, B, C
, D and E are high conductance valves that are opened or closed as described below, valves A and B are open;
Valves C, D and E are then closed. During the sampling phase, valves A and B are open and valves C, D and E are closed. Gas, normally at atmospheric pressure, is drawn through the sorbent 10, shown here as a granular powder inside the tube, towards the vacuum pump 18. After a predetermined sampling time ts, valve A is closed, valve C is opened and valve B remains open, and the vacuum pump 18 reduces the pressure in the sorbent tube 10. The purpose of the bypass, including valve C, is to provide a rapid pump-down of volume to the left side of the sorbent tube 10 (as shown in FIG. 1). This bypass is connected to the sorbent tube 10.
All gas to the left of the sorbent tube 10 must be pumped through the sorbent, which is an obstruction to the gas flow, although it is not essential that it will eventually be pumped down. Without the bypass, the period to complete the preconcentration sequence would be slightly longer. When there is sufficient vacuum in the sorbent tube 10, valves B and C are closed and valve D is opened to allow gas from the low pressure gas source 11 to enter the sorbent tube 10. Valve E is opened at the same time as valve D, or slightly later, to allow low pressure gas to flow through the sorbent 10. After gas flow is established, the sorbent tube is rapidly heated by heater 12,
The components adsorbed on the sorbent 10 are released into the low pressure gas stream. A part of this flow is cut off and the variable leak valve V
1 and an ionizer 15 before entering a mass spectrometer 14 or other low pressure detector. The remaining gas passes through valve V2 and enters pump 18. Heater 12 includes an electrically energized heater ribbon wrapped around sorbent tube 10;
Other means of heating will be apparent to those skilled in the art. Mass spectrometer 1
4 is evacuated by a vacuum pump 17. Ionizer 15
can also be placed in a chamber that is evacuated by another vacuum pump (not shown) in a different pump arrangement. The desorption time td is the period required to desorb all trace components adsorbed during the sampling time. This period can be controlled within limits by varying the rate of heat flow to the sorbent tube 10. More rapid heating yields less td and therefore equation (
As explained in 5), a high gain factor G is produced. The period during which the trace components enter the ionizer 15 is independent of the desorption gas flow rate. For example, using a slow desorption gas volumetric flow rate at a given pressure results in a high number density (or partial pressure or fractional concentration) of trace components within the desorption gas stream because they are This is because it is distributed over a short distance, resulting in a large signal. However, this short length of the trace components in the gas flow is due to the slow linear flow rate of the valve V1 within the same length of time td.
accepted through. Nevertheless, the above volumetric flow rates from the sorbent 10 to the inlet of the mass spectrometer 14 with valve V1 are:
It does not determine the period required to transport detached specimens. The linear velocity of the carrier gas, which determines the transport time, is proportional to the volumetric flow rate. Under low pressure desorption conditions, high linear velocity and low mass flow rate occur simultaneously. The response of the mass spectrometer 14 to the desorbed analyte shown in FIG.
is influenced by the pumping speed of the aperture 16 separating the . For example, consider a case where a desorbed sample enters the ionizer 15 and immediately diffuses throughout the ionizer 15. The analyte concentration fi(t) in the ionizer 15 increases exponentially (0<t<td) during the period when the analyte enters the ionizer: [Equation 13] Here, fd is the desorption gas is the analyte concentration in the stream; and τ is the time constant characteristic of the ionizer. Once the slug flow of gas containing the analyte passes the inlet of valve V1 (t>td), the concentration in the ionizer increases exponentially with the same time constant τ from its peak value fi (td). The time constant τ in equations (13) and (14) is the ratio of the ionizer volume Vi to the pumping speed Si (in units of volume per unit time) leaving the ionizer 15, and thus : τ=Vi/Si (1
5) In FIG. 1, the ionizer 15 is pumped only through an opening 16 that separates the ionizer 15 from the mass spectrometer 14. If the ionizer time constant τ is small compared to the desorption time td, the analyte concentration in the ionizer 15 rapidly approaches and follows the analyte concentration in the carrier gas fd. Conversely, if the time constant τ is much larger than the desorption time td, the analyte concentration in the ionizer 15 will rise to only a fraction of the concentration in the carrier gas during the period in which the analyte enters the ionizer 15. The concentration then decreases with the characteristic time constant τ according to equation (14). Ionizers used for electron impact (EI) and chemical ionization (CI) usually have a small volume and a sufficiently large aperture so that their time constant τ is smaller than the typical desorption time (2-3 seconds) and 1
The arrangement shown in is sufficient. However, some discharge ionization sources require large volumes and moderately high pressures for limited recombination of their plasmas. In such cases, the arrangement shown in FIG. 2 is preferred, where all of the desorption gas is directed through the ionizer and the gas flow rate through this ionizer 15 is increased. A suitable valving sequence for sampling air or other gases and concentrating trace elements for subsequent analysis by a mass spectrometer is set forth in Table I for FIG. [Table 1]
Table I Valves A, B, C, D
and E are on/off valves. Using "1" to indicate an open valve and "0" to indicate a closed valve, the valve adjustment sequence is as follows: Valve
sorbent
phase
A B C D E Heater 12 Process
1. 0 1 0 0 0
Off initial pump down
2. 1 1 0 0 0
Off Air sampling 3. 0 1 1 0 0
Off Decompression
4. 0 0
0 1 1 off
Establishment of desorption gas flow 5. 0
0 0 1 1 off
Desorption of Analyte In the arrangement of FIG. 2, valves A, B, C, D and E operate as in FIG. 1, and valve V1
and V2 are adjusted to produce the desired desorption mass flow as well as the appropriate pressure within the ionizer. In either arrangement (FIGS. 1 and 2), the low pressure desorption gas need not be the same as the initial gas entering the preconcentrator. In fact, it is often desirable to use a low pressure desorption gas that is chemically different from the gas being sampled. For example, trace components in some air samples may react with oxygen at elevated temperatures. If air is also used as the desorption gas, the desorbed analyte may react with oxygen in the heated air during the desorption process and create different species. An inert gas such as argon or a fully oxidized gas such as carbon dioxide may be desirable in such cases. Conversely, a reactive carrier gas is used to detect derivatives of the initial analyte, or to identify compounds with similar mass spectra based on reactivity or reaction pathway with the desorption gas, or to identify more easily ionized species. It is conveniently used to create. Furthermore, when chemical ionization is used as the ionization method, the chemical ionization reagent gas may become the desorption gas. The use of low pressure preheated desorption gas, preheated by preheater 22, provides heat for raising the temperature of the adsorbent in sorbent tube 10, thus shortening the period during which desorption occurs therefrom. or reduce the heating heat amount of the heater 12. The heat capacity of the low pressure desorption gas is typically much smaller than the heat capacity of the sorbent material within the sorbent tube 10. Nevertheless, due to the low thermal conductivity of many sorbent materials, the preheated desorption gas becomes thermally active, caused by the high temperature desorption gas that is concentrated on their surface from molecular desorption; Provides support for a more effective desorption process than expected. From the arrangements of FIGS. 1 and 2, it can be seen that the desorption mass flow is large enough and the capacity of the mass spectrometer 14 or other low pressure detector is such that only a small portion of the desorption gas can be admitted through the analysis aperture 16. Assuming, the gas handling capacity of the mass spectrometer or other detector becomes the limiting characteristic. If,
If the mass flow of desorption gas is low enough and the pumping capacity of the mass spectrometer vacuum pump is high, the entire desorption gas flow will flow into mass spectrometer 14 through opening 16 and ionizer 15 . In such a case, valve V2 may be closed or replaced with a different arrangement as shown in FIG. In the arrangement shown in FIG. 3, valves A, B,
The opening and closing order of C, D and E is the same as for FIGS. 1 and 2. Vacuum pump 17 is a high speed pump (typically several hundred liters per second) that maintains the mass spectrometer pressure within the range of typically 10-5 torr. The difference here is the total desorbed gas and therefore the total trace components adsorbed by the sorbent that enters the ionizer 15 of the mass spectrometer 14 and then accepted into the mass spectrometer 14 itself through its opening 16. The actual mass flow rate entering a typical mass spectrometer is 10-3 torr/l/sec or about 0.1 atm.
-cc/min, and the same mass flow rate of desorption gas is therefore the maximum amount that can pass through the sorbent 10. In this case, the pressure provided by the adjustable valve V1 and the low pressure desorption gas source controls the desorption gas pressure and the actual mass flow. For very low desorption pressures as well as very low desorption gas mass flows, valve V1 should either be wide open or removed as seen in FIG. If an electron impact (EI) or chemical ionization (CI) ionizer 15 is used, both of which normally operate at pressures below 1 torr, if the minor components are present in the conduit between the sorbent 10 and the ionizer 15, 4 is acceptable if there is no tendency to stick to the inner wall of the valve E or to the inner wall of the valve E. However, if trace components tend to become stuck to these surfaces, the arrangement of Figure 3 is preferred because the low pressure gas source and valve V1 maintain a high pressure between the sorbent and valve V1. It can be set to
This is because it inhibits the diffusion of trace components into the conduit. According to equation (5), the relative gain in concentration is due to the ratio of the mass flow during the sampling phase to the mass flow during the desorption phase. Diffusion losses and the flow requirements of the detection method ultimately determine the minimum acceptable desorption mass flow. Therefore, the mass flow during the sampling period Qs must be as large as possible in order to maximize the gain. The absolute mass flow during the sampling period is determined by the factor K in equation (6), which is the preconcentrator mass flow Q for the difference in the squares of the pressures at the ends of the preconcentrator. This factor obviously depends on the geometry of the length and internal diameter in the case of tubes. To obtain high mass flow during sampling, the preconcentrator tube must be short. However, the use of short tubes leads to the possibility that the adsorption sites on the sorbent are completely filled during the sampling phase and that the sorbent no longer adsorbs all trace components in the sampling phase. In such cases, the sorbent is saturated and trace components in the sampling gas that then flows through the sorbent are within the analyte concentration during the desorption phase, even though they are within the sampling mass flow and sampling time ts. is not reflected. One solution is to reduce the sampling time until G becomes proportional to Ts. Alternatively, if one strives to keep G high, the conduction of thermal energy from the preheater 12 or 22 to the center of the tube is affected by the geometric changes, so there is an acceptable loss of increase in the desorption time td. With this, the preconcentrator can be replaced with one of the larger geometries (length and diameter in the case of a tubular preconcentrator). A major problem with commonly used preconcentration techniques is that they rely primarily, and often exclusively, on the ratio of sampling time to desorption time. Since some period of time is required for measurements on the preconcentrated sample to determine the minimum desorption time, the length of time required to achieve a particular preconcentration factor must be relatively large. It turns out. Mathematically this is shown as ts = Gtd. For example, consider that multiple scans over a range of several hundred Daltons require approximately 0.1 seconds. It usually takes about 2 to evacuate the adsorbed gas through a small sorbent tube.
Since the time required is seconds, the mass spectrometer described above can perform multiple scans over the time the desorbed gas is present. With a conventional preconcentrator and a concentration gain factor of 120, the sampling time ts must be approximately 120 x 2 seconds = 240 seconds = 4 minutes. In contrast, for the present invention, using a desorption pressure of 40 torr and a desorption pressure drop of 100 torr (for the calculations above), and for a desorption time td = 2 seconds, to achieve the desired gain factor of 120 Equation (11) shows that the sampling time is only 7.5 seconds, so the total measurement time is (sampling time plus desorption time plus 1 or 2 seconds of valve switching): Instead of the total measurement time of 4 minutes in the case of a conventional preconcentrator, it is approximately 10 to 12 seconds, ignoring the pressure transition time after the valve opens and closes. The total length of time required to analyze a given sample is determined by the changes that occur when the gas flows required for the process are modified by starting, stopping, or reversing, or by changing their pressure or velocity. It is important that In general, when a large amount of gas is discharged through a tube, a viscous flow occurs and the internal volume pressure as a function of time P(t) is theoretically given by: where where Po is the initial pressure, a is the inner diameter of the tube, L is the length of the tube, V is the volume of the gas, and η is the viscosity coefficient of the gas. Diameter 1/8" (a~0.15cm)
Atmospheric pressure (Po = 760t) is passed through a 30cm long tube.
orr~1×106 dynes/cm2) to air (η
~10-4 poise), 100c
The time to pump down from a volume of m3 to 0.01 atm is: [Formula 17] This calculation shows that the pump down and let up times are
must be on the order of seconds or less, demonstrating the need to keep unnecessary volumes small and conduit lengths short. One of the most time-consuming aspects of the measurement cycle is the cool-down period after the trace components have been thermally desorbed. Forced cooling is accomplished by flowing cooled gas through the sorbent tubes while blowing cooling air along the exterior surface or circulating cooling liquid around the tubes. However, it is well known to those skilled in the art that other means such as Peltier cooling can also be used. However, whatever means are used, they are time consuming and complicate the structure of the device. Another approach is to install two or more preconcentrators in parallel and switch between them. One is used while the other is cooled. An apparatus for doing this is shown in FIG. 1a. Valves F and F' allow one preconcentrator to operate while the other is cooled, and vice versa. Some equipment is common, such as low pressure gas supplies 11 and 11', vacuum pumps 18 and 18' and high pressure intakes. Separation valves V1 and V1' and V2 and V2'
are both present, valves F and F' can be omitted, and valves E and E' alternately switch the flow from preconcentrators I and II to mass spectrometer 14 via opening 16 and ionizer 15. Can be used for. The concept of the preconcentrator according to the invention was developed in 1990.
In April 2016, Extrel Corporation, Pittburg, Pennsylvania,
onin (Pittsburgh, PA) mass spectrometer. The test apparatus was similar to that shown in FIG. 1, in which the preconcentrator was of a sorbent tube configuration as shown in FIG. The sorbent tube 30 used here is a conventional microhematocrit capillary (Fischer Scientific Company, Pittsburgh, PA, Fischer Sci).
entific Co. ,Pittsburgh,P.
A. Catalog No. 02-668-68), length 37m
m, internal diameter approximately 1.5 mm and wall thickness approximately 0.1 mm. The extremely thin walls of this tube allow rapid heating and cooling of the sorbent 31. The capillary tube was made of mesh 60/80 Chromasorb with a length of 1 cm.
) 106 sorbent (trademark Manville, Deirfield, IL, Institute of Applied Science, purchased by Alltech Associates, Inc.; TM.Manville.purchase
d from Alltech Associa
tes, Inc. , Applied Science
Labs, Deerfield, IL), the sorbent has a length of 3 mm on each end thereof;
It is held in place by a piece of tightly wrapped silanized glass wool 32. A nichrome ribbon (not shown) wrapped around the sorbent tube serves as a resistance heater 12 to desorb the adsorbed analyte. A J-shaped thermocouple joint spot welded to the nichrome ribbon measures the temperature of the ribbon and is connected to a temperature control device (Fenwall, Model 550, Model 550).
550, Fenwall) adjusted its temperature during the desorption period. The sorbent tube is sealed to the rest of the apparatus by a 1/16" Swagelok fitting 34 (trademark Crawford Fitting Co.) and a Teflon ferrule. As shown in FIG. The remaining piping is 1/8" tubing (stainless steel and Teflon), 1/8" tubing (stainless steel and Teflon),
8" Swagelok fittings, Teflon solenoid valves (General Valve Corporation, Fairfield, N.J., Part 2-10-900 and Balcoen Engineering Corporation, Springfield, N.J., Model 20-1-3; P
art2-10-900, General Valv
e Corporation, Fairfield,
NJ; and Model20-1-3, Valco
r Engineering Corp. , Spr.
ingfield NJ), and stainless steel needle valve (Hoytei, Model SS22RS2, Model
s SS22RS2 Whitey). Hitachi 160VP Cuteback (174L/min) is shown in Figure 1.
1, and the pressure of the gas at each end of the sorbent tube 10 of FIG.
Baratron form of S Instruments, Parakeet
122AA-01000DB; Baratron t
ype122AA-01000DB, MKS Ins
truments, Inc. , Burlington,
MA). This manometer is communicated to the preconcentrator via a stainless steel toggle valve (not shown in Figures 1-4), which generally remains closed during the complete preconcentration process to avoid overvolume within the preconcentrator. be. Pressure measurements are usually carried out only during preparation for a particular preconcentration procedure. Low pressure gas supply for the desorption period is provided by two needle valves connected in series between the ambient air and the vacuum pump 18. The area between the two needle valves is connected to valve D, which is adjusted to produce the desired pressure with the sorbent. Sufficient gas flow through the needle valve is maintained to ensure that gas flow through the sorbent tube 10 does not affect the pressure on the sorbent. This arrangement is similar to a stiff voltage divider in electronic circuits. Vacuum regulator (e.g. Matheson
Model 3491) consists of other means that may be used. The mass spectrometer 14 used in these experiments was a single, differentially pumped, four-stage instrument (Spectrum
EL, Pittsburgh, Pennsylvania, Extrel Corporation;
The first vacuum chamber of the mass spectrometer houses the ion source and is 450 L
/S turbomolecular pump, the pumping rate of which was limited to approximately 150 L/S by the connection to the chamber. Pump operated in rear vacuum chamber, 3
The 20L/S diffusion pump houses a 4-stage mass filter. All of the experiments described below were performed using an electron impact ion source operating at 70 eV electrons. External timer (Chron
Trol, Lindbergh Enterprises, Inc., San Diego, California. ;LindburgE
enterprises, Inc. , San Diego,
CA. ) controlled the operation of the solenoid valve in the preconcentrator. The timing procedure used to investigate the operation of the preconcentrator described above is described in Table II below, using a "1" to indicate a valve that is open again and a "0" to indicate a closed valve. do. [Table 2]
Table II
valve sorbent
Phase A B C D E
heater process
Period 1. 0 1 0
0 0 Off Initial pump down 2 seconds 2. 1 1 0
0 0 Off Air sampling 3 seconds 3. 0 1 1
0 0 Off Decompression 2 seconds4. 0
0 0 1 1 off
Establish gas flow 3 seconds5.
0 0 0 1 1
Off Sample desorption 10 seconds

Total 20 seconds In this sequence, the sampling time was 3 seconds, and the total cycle time (excluding the time required for sorbent cooling after desorption) was 20 seconds. Experiments using this timing sequence were conducted with air spiked with various amounts of carbon tetrachloride (CCl4). Figure 6 shows the mass spectrometer signal recorded as a function of time during a preconcentration cycle, where air was sampled containing a total CCl4 concentration of 3.4 parts per million (ppm). Valve E (Figure 1) to the mass spectrometer was opened for about 7 seconds into the scan, at which time a slight increase in the signal was seen. The sorbent 10 is heated for about 10 seconds during scanning, and the adsorbed analyte is rapidly desorbed. Data recorded at masses 117, 119, 121 and 123 Daltons show that the main peak in the mass spectrum of CCl4 shows a significant response shortly thereafter, and the desorption shape is approximately 2 seconds in duration (1/2 (measured as full width in intensity). For comparison, the reaction at 140 Daltons shows only a slight response with background mass not associated with CCl4. The mass peaks at 119, 121 and 123 Daltons correspond to fragment ions of CCl4 molecules containing one or more 37Cl atoms. Based on the isotopic abundance of 37Cl, a signal at 123 Daltons effectively arises from the analyte present at a concentration of about 50 parts per billion. The desorption profile shown above was recorded using low pressure and low flow desorption conditions to increase the concentration of desorbed analyte in the carrier gas. These desorption profiles indicate that the concentration of CCl4 in the desorption phase is approximately 550 times its concentration in the air sample. Since the sampling and desorption times are approximately equal in this case (3 seconds and 2 seconds, respectively), the gain in concentration arises almost entirely from the difference in pressure and flow rate during the sampling and desorption phases. This gain is measured by comparing the peak intensity of the desorption shape to the signal generated by introducing a 3.4 ppm sample directly into the mass spectrometer. Each signal is corrected to the background level created by a blank air sample, and a unique valve is used to ensure that the mass spectrometer is
The pressure is adjusted to 0-5 torr. Since the total pressure within the mass spectrometer is the same for the two measurements, the comparison of the background corrected signals is a direct comparison of relative concentrations. The observed gain in this example is within two factors of the gain G, calculated from a comparison of desorption pressure, flow rate and time, as shown in Table III below: 3]
Table III
sampling
Detachment
Average pressure <P> 369torr
18.5torr
Pressure difference ΔP 668torr
21 torr
time
3 seconds 2 seconds (full width at 1/2 intensity) Calculated gain = 950 In this case, the difference between the expected gain and the observed gain is largely due to the saturation of the sorbent 10 as described above. . Figure 7 shows the peak ion signal during the desorption period as a function of CCl4 concentration for each monitor ion mass, with +/- error bars indicating saturation results. Each CC
The desorbed signal for l4 isotope fragmentation does not increase linearly with sample concentration. Finally, equation (9) predicts that the gain G from which the ionic strength during the desorption phase is inversely proportional to the average pressure in the sorbent tube during the desorption period. In FIG. 8, the dependence of the peak intensity at mass 69 on desorption pressure for a sample of perfluorotributylamine in air is shown. The signal was measured as a function of the average pressure during the desorption period for constant sampling conditions (sample concentration, mass flow and time) and a constant 30 torr pressure difference across the sorbent during the desorption period. The above ion signal increases with reduced pressure as expected (increase 1/<P>d), but the signal increases by 1/<P>d
does not increase linearly with respect to This discrepancy is due, at least in part, to the fact that the shape of the observed transient desorption peak is pressure dependent. This is because the observed peak width that increased with increasing pressure probably heats up slowly at higher pressures and flow rates, contributing to the nonlinear response of the signal to 1/<P>d. Having described preferred embodiments of the invention, it should be understood that other adaptations and variations may be made within the scope of the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の好適実施例である、冷間に微量成分を
吸着し、かつ熱間にこれらを気相に放出する、収着物質
を入れた管、質量分析計として示される低圧検出器から
なる予濃縮器を略示形式で示し;
FIG. 1 shows a preferred embodiment of the invention, a tube containing a sorbent material that coldly adsorbs trace components and hotly releases them into the gas phase, low pressure detection shown as a mass spectrometer. 1 shows in schematic form a preconcentrator consisting of a vessel;

【図2】2個の予濃縮器配列が、1個の質量分析計に接
合されている以外は図1に類似しており;
FIG. 2 is similar to FIG. 1 except that two preconcentrator arrays are joined to one mass spectrometer;

【図3】本発
明による質量分析計と組合わせた予濃縮器の別配列を示
し;
FIG. 3 shows an alternative arrangement of a preconcentrator in combination with a mass spectrometer according to the invention;

【図4】全脱離濃縮成分が、質量分析計で受入れられる
、質量分析計と組合わせた予濃縮器の他の略示配列であ
り;
FIG. 4 is another schematic arrangement of a preconcentrator in combination with a mass spectrometer, in which all desorbed concentrated components are received by the mass spectrometer;

【図5】電子衝撃または化学イオン化がイオナイザ内で
起こり、かつ脱離圧力がイオナイザ圧力と調和する、本
発明のさらに他の略示であり;
FIG. 5 is yet another schematic representation of the invention in which electron bombardment or chemical ionization occurs within the ionizer and the desorption pressure is matched to the ionizer pressure;

【図6】本発明に用いられるような、収着剤管の詳細断
面図であり;
FIG. 6 is a detailed cross-sectional view of a sorbent tube as used in the present invention;

【図7】空中の微量四塩化炭素からの異なる同位体フラ
グメントイオンの脱離分布のグラフであり;
FIG. 7 is a graph of the desorption distribution of different isotope fragment ions from airborne trace carbon tetrachloride;

【図8】空
中の四塩化炭素の関数として脱離期間中、ピークの同位
体フラグメントイオン信号を示し;そして、
FIG. 8 shows peak isotopic fragment ion signals during the desorption period as a function of airborne carbon tetrachloride; and

【図9】空
中のペルフルオルトリブチルアミン試料に対する脱離圧
力に関し、質量69におけるピーク強度の依存関係を示
す。
FIG. 9 shows the dependence of the peak intensity at mass 69 on desorption pressure for a perfluorotributylamine sample in air.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,10′  収着剤管 11    低圧ガス源 12,12′  加熱器 14    質量分析計 15,15′  イオナイザ 16    開口 17    真空ポンプ 18,18′  真空ポンプ 19    開口 22    加熱器  すなわち予熱器25    イ
オナイザ 30    収着剤管 31    収着剤 32    ガラスウール 34    継手
10, 10' Sorbent tube 11 Low pressure gas source 12, 12' Heater 14 Mass spectrometer 15, 15' Ionizer 16 Opening 17 Vacuum pump 18, 18' Vacuum pump 19 Opening 22 Heater, i.e. preheater 25 Ionizer 30 Adsorbent tube 31 Sorptive agent 32 Glass wool 34 Joint

Claims (25)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  連続する分析のための、ガス中の微量
成分を予濃縮する方法であって:A.予め決められた期
間、予め決められたガス状の質量流量で移動する試料ガ
スから、閉じ込めた収着剤物質上に、上記微量成分のう
ちの少なくとも1つを吸着させること;B.上記1微量
成分を受け入れる検出装置の取入口を含む密封空間内に
、上記収着剤物質を閉じこめること;およびC.上記試
料ガスのガス状質量流量よりも実質的に小さい、予め決
められたガス状質量流量で移動するキャリヤーガス内に
、予め決められた期間上記収着剤物質から1微量元素を
脱離させること;これにより、上記脱離した成分が入っ
ている上記キャリヤーガスに対する、上記1微量成分の
脱離した量が、上記微量成分を入れた上記試料ガスの部
分に対する、上記1微量成分の同一量よりも実質的に多
くなっている、のステップが含まれるもの。
1. A method for preconcentrating trace components in a gas for continuous analysis, comprising: A. adsorbing at least one of the minor components on the confined sorbent material from a sample gas moving at a predetermined gaseous mass flow rate for a predetermined period of time; B. B. confining said sorbent material within a sealed space that includes an inlet of a detection device that receives said one trace component; and B. desorbing a trace element from the sorbent material for a predetermined period of time into a carrier gas moving at a predetermined gaseous mass flow rate that is substantially less than the gaseous mass flow rate of the sample gas; As a result, the amount of the one trace component desorbed from the carrier gas containing the desorbed component is less than the same amount of the one trace component relative to the portion of the sample gas containing the trace component. There are also substantially more steps involved.
【請求項2】  上記1微量成分が入っている上記キャ
リヤーガスが、上記取入口を通り上記検出装置に導入さ
れる請求項1に記載の方法。
2. The method of claim 1, wherein said carrier gas containing said one trace component is introduced into said detection device through said inlet.
【請求項3】  上記検出装置が、質量分析計を含む、
請求項2に記載の方法。
3. The detection device includes a mass spectrometer.
The method according to claim 2.
【請求項4】  上記キャリヤーガスの圧力が、上記試
料ガスの圧力よりも実質的に低い、請求項1に記載の方
法。
4. The method of claim 1, wherein the carrier gas pressure is substantially lower than the sample gas pressure.
【請求項5】  上記試料ガスが、実質的に大気圧にあ
るか、大気圧付近にある、請求項4に記載の方法。
5. The method of claim 4, wherein the sample gas is at or near atmospheric pressure.
【請求項6】  上記試料ガスが空気である請求項1に
記載の方法。
6. The method according to claim 1, wherein the sample gas is air.
【請求項7】  上記収着剤物質が、ガラス管内に閉じ
込められる、固体物質の粒子からなっている請求項1に
記載の方法。
7. The method of claim 1, wherein the sorbent material consists of particles of solid material confined within a glass tube.
【請求項8】  上記1微量成分が、上記収着剤物質を
加熱することにより、該収着剤物質から脱離される請求
項1に記載の方法。
8. The method of claim 1, wherein said one minor component is desorbed from said sorbent material by heating said sorbent material.
【請求項9】  上記キャリヤーガスが予熱され、上記
収着剤物質からの、上記1微量成分の脱離が促進される
請求項8に記載の方法。
9. The method of claim 8, wherein said carrier gas is preheated to facilitate desorption of said one minor component from said sorbent material.
【請求項10】  上記キャリヤーガスが空気である請
求項1に記載の方法。
10. The method of claim 1, wherein the carrier gas is air.
【請求項11】  上記キャリヤーガスが、上記1微量
成分と化学的に反応しない請求項1に記載の方法。
11. The method of claim 1, wherein said carrier gas does not chemically react with said one minor component.
【請求項12】  上記キャリヤーガスが、上記1微量
成分と化学的に反応し、上記検出装置によるその検出を
促進する、上記1微量成分の誘導体が作られる請求項1
に記載の方法。
12. A derivative of said one minor component is created wherein said carrier gas chemically reacts with said one minor component to facilitate its detection by said detection device.
The method described in.
【請求項13】  複数の閉じ込められた収着剤物質が
、おのおのに対し密封装置と平行に設けられ、これによ
り上記複数の吸着剤物質の1つまたはそれ以上が、上記
検出装置により分析のための、上記試料ガスを受け入れ
および上記キャリヤーガスを脱離するように、選択的に
用いることができる請求項1に記載の方法。
13. A plurality of entrapped sorbent materials are provided, each parallel to a sealing device, such that one or more of the plurality of sorbent materials are present for analysis by the detection device. 2. The method of claim 1, wherein the method of claim 1 can be selectively used to accept the sample gas and desorb the carrier gas.
【請求項14】  上記質量分析計が、上記取入口に作
動結合された、電子衝撃イオン化イオン源を含む請求項
3に記載の方法。
14. The method of claim 3, wherein the mass spectrometer includes an electron impact ionization ion source operatively coupled to the inlet.
【請求項15】  上記質量分析計が、上記取入口に作
動結合された、化学イオン化イオン源を含む、請求項3
に記載の方法。
15. Claim 3, wherein the mass spectrometer includes a chemical ionization ion source operatively coupled to the inlet.
The method described in.
【請求項16】  上記キャリヤーガスが、化学イオン
化のための試薬ガスである請求項15に記載の方法。
16. The method of claim 15, wherein the carrier gas is a reagent gas for chemical ionization.
【請求項17】  上記質量分析計が、大気圧よりも低
い圧力で作動するよう、上記取入口に作動結合された請
求項3に記載の方法。
17. The method of claim 3, wherein the mass spectrometer is operatively coupled to the inlet to operate at subatmospheric pressure.
【請求項18】  上記ガス放出イオン源に入った上記
キャリヤーガスの一部が、真空ポンプによりそこから除
去され、そして該キャリヤーガスの残余部が、開口を経
て上記質量分析計の高真空内に引かれる、請求項17に
記載の方法。
18. A portion of the carrier gas that enters the gas emitting ion source is removed therefrom by a vacuum pump, and the remainder of the carrier gas enters the high vacuum of the mass spectrometer through an opening. 18. The method of claim 17, wherein the method is drawn.
【請求項19】  分析を促進するためガス中の微量成
分を予濃縮する装置であって:閉じ込められた空間内に
保持され、かつ選択的に上記収着剤物質に上記微量成分
を、吸着または脱離させる装置に関連する収着剤物質;
試料ガス源および該試料ガスを上記収着剤物質上に導く
弁および該弁を選択的に開放および閉鎖する装置;上記
キャリヤーガスを与えるため、上記収着剤物質に連接さ
れたキャリヤーガス源;上記収着剤物質を入れる、上記
閉じ込めた空間内の圧力を選択的に低下させるポンピン
グ装置;上記キャリヤーガス中の上記微量成分を検出す
る検出装置;上記キャリヤーガス源から、上記収着剤物
質を通り上記検出装置に到る閉じ込めた通路;これによ
り上記収着剤物質が、上記試料ガスから受けた上記微量
成分を脱離する時に、微量成分が上記キャリヤーガスに
より、上記試料ガスの圧力よりも実質的に低い圧力で上
記検出装置まで運ばれ、これにより上記微量成分の密度
の、上記キャリヤーガスの質量に対する比が、上記微量
成分の密度の、上記試料ガスの類似質量に対する比に対
して実質的に増加されている、が含まれるもの。
19. An apparatus for preconcentrating trace components in a gas to facilitate analysis, the device being: held within a confined space and selectively adsorbing or adsorbing the trace components onto the sorbent material. the sorbent material associated with the desorption device;
a source of sample gas and a valve for directing the sample gas onto the sorbent material and a device for selectively opening and closing the valve; a source of carrier gas connected to the sorbent material to provide the carrier gas; a pumping device for selectively reducing the pressure within the confined space containing the sorbent material; a detection device for detecting the trace components in the carrier gas; a confined passageway leading to the detection device so that when the sorbent material desorbs the trace components received from the sample gas, the trace components are transported by the carrier gas to a pressure greater than the pressure of the sample gas; is conveyed to the detection device at substantially reduced pressure such that the ratio of the density of the trace component to the mass of the carrier gas is substantially lower than the ratio of the density of the trace component to a similar mass of the sample gas. Includes, which has been increased.
【請求項20】  上記検出装置が、質量分析計を含む
請求項19に記載の装置。
20. The apparatus of claim 19, wherein the detection device includes a mass spectrometer.
【請求項21】  上記質量分析計が、電子衝撃イオン
化イオン源を含む請求項20に記載の装置。
21. The apparatus of claim 20, wherein the mass spectrometer includes an electron impact ionization ion source.
【請求項22】  上記質量分析計が、化学イオン化イ
オン源を含む請求項20に記載の装置。
22. The apparatus of claim 20, wherein the mass spectrometer includes a chemical ionization ion source.
【請求項23】  上記キャリヤーガスが、上記微量成
分と反応する試薬ガスである請求項22に記載の装置。
23. The apparatus of claim 22, wherein said carrier gas is a reagent gas that reacts with said trace component.
【請求項24】  上記質量分析計が、大気圧よりも低
い圧力で作動する、ガス放出イオン源を含む請求項20
に記載の装置。
24. Claim 20, wherein the mass spectrometer includes a gas-emitting ion source operating at a pressure below atmospheric pressure.
The device described in.
【請求項25】  上記ガス放出イオン源に入る上記キ
ャリヤーガスの一部が、真空ポンプによりそこから除去
され、そして残余部が、開口を通り上記質量分析計の高
真空に到り除去される請求項24に記載の装置。
25. A portion of the carrier gas entering the gas emitting ion source is removed therefrom by a vacuum pump, and the remainder is removed through an aperture to the high vacuum of the mass spectrometer. 25. The device according to item 24.
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