TWI766860B - 用於監測氣體環境中之有機化合物之系統、設備及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於富集、識別並量化氣體環境中之有機化合物的系統及微型監測設備，具有空間、時間及成本效益的裝置。本發明進一步係關於在不需要壓縮預瓶裝之純化載氣的情況下使用空氣作為載氣來識別並量化氣體環境中之有機化合物的以氣相層析為中心之方法。

Description

用於監測氣體環境中之有機化合物之系統、設備及方法

本申請案要求2016年4月15日提交之美國臨時申請案第62/322,980號之優先權，該申請案全部以引用方式併入本文。

通常，大氣或其他環境中之有機化合物，包括揮發性有機化合物(VOC)之量測需要較大(最小為約2英尺x 2英尺x 2英尺)、昂貴(在25k至500k美元範圍內)的儀器，並且需要用於層析之可消耗氣體，例如高純度氦氣、氫氣及/或氮氣氣瓶。科學進步、健康檢查、環境監測及監管政策受到此等約束及成本的極大限制，在發展中國家或弱勢群體中更是如此。當前量測工具需要在現場安裝大型氣相層析儀及/或質譜儀(並且由經過專業訓練的專家操作)，或者需要在1英尺氣罐中捕獲空氣樣品，然後運輸(甚至跨洋距離)以便在實驗室中進行分析，並且此等量測結果受到可從罐中回收之量的限制，此限制係由於冷凝及吸附到罐壁上所導致的。

工作及工業環境必須依賴於吸附「管」或「佩章」或化學非選擇性感測器，該等感測器分別每天或在更長時間內提供有限的平均量測結果或較差精度及選擇性之資料。用於人體健康檢查之工具非常昂貴，並且可能需要進行侵入式或涉及輻射的測試，因此人類呼吸或其他氣體介質之分析由於其作為低成本、非侵入性方法之潛力而顯示出極大希望。然而，用於呼吸分析之可用方法係代價非常高的並且係稀少的，此歸因於維護及操作所需的專業性，例如即時大氣壓電離質譜儀。此問題需要可在健康照護服務網路中普及的可靠、低成本解決方案。

因此，在此項技術中仍然需要對於氣體環境中之有機化合物進行識別及定量的系統及方法，特別是在不需要壓縮載氣的情況下運作之系統和方法。本發明解決此項技術中之此持續需求。

在一個態樣中，本發明係關於用於分析氣體混合物之系統，該系統包含：過濾器；捕集器；層析管柱；偵測器；及泵，其中捕集器及泵流體連接以形成第一氣體流動路徑，並且其中過濾器、捕集器、層析管柱、偵測器及泵流體連接以形成第二氣體流動路徑。在一個實施例中，偵測器及泵流體連接以形成 第三氣體流動路徑。在另一實施例中，層析管柱係氣體-固體吸附層析管柱。在另一實施例中，層析管柱係氣體-液體氣相層析管柱。在另一實施例中，捕集器進一步包含吸附材料。在另一實施例中，過濾器係活性木炭過濾器。在另一實施例中，偵測器選自由以下組成之群：光致電離偵測器、質譜分析器、分光光度計及熱導偵測器。在另一實施例中，偵測器係光致電離偵測器。在另一實施例中，泵提供負壓力。在另一實施例中，系統進一步包含殼體。在另一實施例中，殼體不大於216立方吋。

在另一態樣中，本發明係關於分析氣體混合物中之至少一種化合物之方法，該方法包含：引導氣體混合物流穿過捕集器以富集至少一定數量之至少一種化合物；重定向氣體混合物流經過濾器以將經過濾之氣體流提供至捕集器；將至少一定數量之至少一種富集化合物釋放至過濾氣體流中；並且分析至少一定數量之所釋放至少一種富集化合物。在一個實施例中，至少一種化合物包含至少一種有機化合物。在另一實施例中，至少一種有機化合物包含至少一種揮發性有機化合物。在一個實施例中，分析至少一定數量之所釋放至少一種富集化合物包含使至少一定數量之所釋放至少一種富集化合物運行穿過氣相層析 管柱。在一個實施例中，氣相層析管柱係氣體-固體吸附層析管柱。在另一實施例中，層析管柱係氣體-液體氣相層析管柱。在另一實施例中，分析至少一定數量之所釋放至少一種富集化合物包含藉由選自由以下組成之群之方法來識別至少一種有機化合物：光致電離、質譜法、分光光度測定法及熱導率。在另一實施例中，分析至少一定數量之所釋放至少一種富集化合物進一步包含量化至少一種化合物。在一個實施例中，氣體混合物係環境氣體混合物。在另一實施例中，氣體混合物包含由活受試者呼出或另外排出之氣體。在另一實施例中，氣體混合物係空氣。

100:系統

101:閥

102:閥

103:閥

110:取樣入口

120:取樣入口

130:吸附床捕集器

135:過濾器

140:加熱器

141:帕耳帖板

150:泵

151:偵測器

152:層析管柱

153:層析管柱加熱器

154:校準源

155:管道

156:管道

157:管道

160:系統

161:流程圖/捕集流動路徑/捕集模式之流程圖

162:解吸/運行模式之流程圖

163:即時流動路徑/流動路徑/即時模式/即時模式之流程

164:校準模式之流程圖

165:捕集並運行模式之流程圖

171:過濾器

172:閥

176:流動縮窄器

177:閥

178:閥

179:流動縮窄器

182:管柱

183:帕耳帖板

184:閥

187:過濾器

210:示意性電路

211:電源

212:加熱器

213:光致電離偵測器(PID)

214:類比至數位轉換器及增益放大器

215:微控制器

216:位準偏移器

217:熱電偶

218:中繼器

220:示意性電路

221:電源

222:泵

223:數位至類比轉換器

224:運算放大器

250:控制系統示意圖

251:微處理器

252:泵控制器

253:中繼器

254:電子閥致動器

255:顯示器

256:PID資料收集器

257:無線通訊模組

258:環境感測器

259:帕耳帖板控制器

300:單一或多隔間設備

310:殼體

320:管柱烘箱及捲軸；氣相層析單元

321:圓筒部分

322:圓筒部分

330:電源

331:烘箱

332:孔

333:安裝孔

334:入口/出口孔

335:入口/出口孔

336:烘箱覆蓋物

337:安裝孔

340:微控制器及定製電路板

342:板

343:引線

344:引線

345:冷側

346:熱側

350:偵測器殼體

351:殼體之部件

352:殼體之部件

353:殼體之部件

360:泵

362:殼體之部件

366:安裝孔

367:出口

370:校準單元及活性炭過濾器

380:捕集器加熱及冷卻塊

381:區塊

382:區塊

384:孔

385:通道

386:中心接縫

390:捕集器冷卻翼片

400:即時分析方法

410:步驟(使用泵來施加抽吸力)

420:步驟(經由取樣入口來對氣體混合物取樣)

430:步驟(偵測氣體混合物中之有機化合物)

500:氣相層析分析方法

510:步驟(使用泵來施加抽吸力)

520:步驟(經由取樣入口來對氣體混合物取樣)

530:步驟(引導氣體混合物流經捕集器以富集化合物)

535:步驟(使穿過捕集器之流動方向反向)

540:步驟(重定向氣體混合物流經過濾器以將經過濾之氣體流提供至捕集器)

550:步驟(經由解吸附將富集化合物釋放至經過濾之氣體流中)

560:步驟(藉由氣相層析來分析有機化合物)

570:步驟(偵測有機化合物)

600:本發明方法之替代實施例

P:區段(包含聚醚酮醚(PEEK))

S:區段(包含不銹鋼)

T:區段(包含泰貢或特夫綸)

本發明之較佳實施例之以下詳細說明在結合附圖閱讀時可更好地理解。出於說明本發明之目的，在附圖中示出目前較佳之實施例。然而，應瞭解本發明不限於在附圖中示出之實施例之精確佈置及手段。

圖1，包含圖1A至1H，係根據本發明之兩個實施例之系統或設備的示意性流程圖，因為其係關於具有或不具有分析物之氣體，即，空氣流動穿過系統或設備。

圖2，包含圖2A及2B，係根據本發明之 一個實施例的設備之部分示意性電路。

圖3係展示根據本發明之一個實施例的控制系統的簡化電氣圖。

圖4係根據本發明之一個實施例的設備之透視圖。

圖5，包含圖5A至5D，描繪氣相層析管柱捲纏之捲軸及其覆蓋物之視圖。

圖6，包含圖6A至6E，描繪氣相層析管柱之烘箱及相關部件之視圖。

圖7，包含圖7A至7D，描繪包圍吸附捕集器外部的用於加熱及冷卻之區塊的兩個視圖。

圖8，包含圖8A及8B，描繪含有光致電離偵測器之殼體之部件的兩個視圖，該部件包含入口。

圖9，包含圖9A至9C，描繪含有光致電離偵測器之殼體之部件的兩個視圖，該部件包含出口。

圖10，包含圖10A及10B，描繪含有光致電離偵測器之殼體之部件的兩個視圖，該部件包含用於偵測器插腳，即，功率及信號之三個孔。

圖11A係描繪使用根據本發明之一個實施例的設備的高揮發性分析物之冷卻樣品收集及解 吸附之實驗之結果的線圖。

圖11B係描繪使用根據本發明之一個實施例的設備來分離以空氣作為載氣之兩個組分混合物之實驗之結果的線圖。

圖12A係描繪測試本發明之一個實施例的「捕集並運行」模式之實驗之結果的線圖。

圖12B係描繪環境空氣樣品之實驗層析圖之結果的線圖。

圖13係根據本發明之一個實施例的用於識別並量化氣體環境中之有機化合物之即時分析方法的流程圖。

圖14係根據本發明之一個實施例的用於識別並量化氣體環境中之有機化合物之氣相層析方法的流程圖。

圖15係根據本發明之一個實施例的用於識別並量化氣體環境中之有機化合物之氣相層析方法的流程圖。

本發明係關於用於富集、識別並量化氣體環境中之有機化合物之系統。本發明係關於尤其微型監測設備，用於富集、識別並量化氣體環境中之有機化合物的具有空間、時間及成本效益之裝置。本發明 進一步係關於在不需要壓縮預瓶裝之純化載氣的情況下用於識別並量化氣體環境中之有機化合物的以氣相層析為中心之方法，

本發明提供分析化學中之意想不到的進步，因為本發明之方法、系統及設備被設計成在沒有壓縮氣的情況下運作，由此產生超過現有系統之顯著改良。在此項技術中己知之現有系統係較大、繁複及代價高的。另一方面，在一個實施例中，本發明之設備可較小，大約6” x 6” x 6”，並且係低成本的，例如，<1000美元。在另一實施例中，本發明之系統或設備係在大氣或其他氣體環境中之有機化合物之監測器，該等有機化合物通常以微量濃度，例如十億分率或萬億分率存在。它在不使用壓縮氣瓶的情況下經由週期性氣相層析來提供總濃度及化學拆分之同時即時量測。監測器提供識別並量測主要有機化合物之前所未有的小型化、便攜及低成本能力。

本發明之系統或設備可用於室外監測場所之研究或環境監測；在工業場所或住宅內的室內監測；作為藉由分析呼吸、其他身體物質或表面之低成本健康檢查裝置；或用於有機化合物量測至關重要的其他應用(例如食品、飲料或化學品生產之品質控制；軍事監測、低成本實驗室資料收集；以及監測水 中之揮發性有機物)。特定應用係作為空氣中之揮發性有機化合物(VOC)，有害及/或致癌之化合物(例如苯)，及臭氧及二次有機氣溶膠之反應前驅物的偵測器來使用，臭氧及二次有機氣溶膠係具有最大健康影響的兩種類型之空氣污染物。

本發明提供用於富集、識別並量化氣體環境中之有機化合物的功能性、具有空間、時間及成本效益之設備及方法，除了其他手段以外，上述作用係藉由使用即時量測高頻率資料之附加特徵來有效地重複氣相層析儀之能力來實現的。本發明部分地依賴於多個關鍵進步：(1)使用空氣，即，氮氣(N₂)、氧氣(O₂)及氬氣與經由疏水性層及過濾器抽吸之微量二氧化碳(CO₂)、水及甲烷作為載氣來對於氣體流中之主要有機化合物執行氣相層析的能力，以及較小泵，而不需要高純度氣瓶，即，來自高壓氣瓶之較大、昂貴的高純度氦氣、氫氣及/或氮氣；(2)較小尺寸及成本需要特別工程設計之部件及電子器件，由此產生使用裝置來進行便攜式量測的能力或在難以接近位置，包括在由多個裝置組成之網路一部分處進行量測；(3)以1Hz頻率同時進行即時量測，以及使用層析法來識別特定化合物之能力，此舉以前僅可藉由成本、尺寸及維護皆較大之少數選定儀器來進行，例 如，Ionicon定製質子轉移作用質譜儀。此對於廣泛系列之有機化合物，尤其具有1至25個碳原子之有機化合物產生研究級高品質資料。

定義

應瞭解本發明之附圖及描述己經簡化以便闡明與清晰理解本發明相關之要素，同時出於清楚之目的，排除在此項技術中發現的與氣相層析、氣體流純化、有機化合物之吸附/解吸附及/或捕集、有機化合物之偵測、氣體泵送、層析系統之校準等相關的其他要素。一般技藝人士可認識到其他要素及/或步驟在實施本發明中係合乎需要及/或必需的。本文中之褐示內容針對熟習此項技術者己知的此等要素及方法之所有此等變化及改進。

除非另有定義，否則本文中使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬領域的一般技藝人士通常理解的含義相同的含義。雖然與本文中所述之方法、材料及部件相似或相等的任何方法、材料及部件可用於實踐或測試本發明，但是現在描述較佳方法及材料。

如本文使用，以下術語中之每一者具有在此部分中與其相關聯之含義。

冠詞「一個/種(a/an)」在本文中用於係指 該冠詞之語法對象之一者或一者以上(即，至少一者)。舉例而言，「元件」意謂一個元件或一個以上元件。

如本文使用之「約」在提及可量測值諸如量、持續時間等時，意欲涵蓋從指定值之±20%、±10%、±5%、±1%或±0.1%之變化，因為此等變化係合適的。

在整個本褐示案中，本發明之各種態樣可以範圍形式來提供。應瞭解範圍形式之描述僅僅為了方便及簡明並且不應被視為對於本發明之範圍的不可改變之限制。因此，範圍之描述應被視為具體褐示所有可能子範圍以及此範圍內之個別數值。舉例而言，範圍諸如1至6之描述應被視為具體褐示子範圍諸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等，以及此範圍內之個別數字，例如1、2、2.7、3、4、5、5.3,6及其之間之任何整數及部分增量。不論範圍廣度為何，此皆適用。

詳細說明

現在詳細地參看附圖，其中相同參考數字指示遍及多個視圖中之相同部分或元件，在各種實施例中，本文提供識別並量化氣體環境中之有機化合物的系統或設備及方法。

在一個態樣中，本發明係關於包含能夠控制並分析氣體流之各種部件及裝置的系統或設備。舉例而言，如圖1A示出，示範性系統100可包括取樣入口110及120、吸附床捕集器130、過濾器135、加熱器140、泵150、偵測器151、層析管柱152、層析管柱加熱器153、校準源154及必要時將此等部件流體連接之管道155、156及157。取樣入口110及120可為具有或不具有關閉之能力的任何類型之標準埠。入口可包括減少入水的疏水性膜。吸附床捕集器130可由能夠可逆地吸附化合物，尤其有機化合物，且更具體而言揮發性有機化合物的任何合適材料製成。在一些實施例中，吸附捕集器可包含多層組態中之矽膠及/或珠粒。過濾器135可由能夠保持化合物，尤其有機化合物，及更具體而言揮發性有機化合物之任何合適類型之過濾材料製成。在一個實施例中，過濾器135由活性木炭製成。加熱器140可為能夠加熱吸附床130並且促進化合物從吸附床130解吸附的任何合適加熱器，例如插裝加熱器。泵150可為能夠產生用於操作系統100之壓力的任何合適泵。在一個實施例中，泵150產生負壓力。在另一實施例或流程圖中，泵150之正壓力排出可用於經由一些或所有系統元件上游之閥來進行解吸附及/或氣相層析。偵測器 151可為用於感測化合物，尤其有機化合物，及更具體而言揮發性有機化合物的任何合適偵測器。層析管柱152可為任何合適吸附表面，例如氣體層析管柱。在一些實施例中，層析管柱包含用於活動相之100%二甲基聚矽氧烷(例如DB-1)或三氟丙基甲基聚矽氧烷(例如DB-200、DB-210)。在其他實施例中，層析管柱係多孔聚合物管柱，例如Poraplot-Q管柱。用於捕集器及層析管柱中之吸附材料允許有效收集分析物持續長時間，隨後將空氣中之材料熱解吸及層析分離。該系統係有利的，因為其保護分析物及吸附材料避免藉由氧氣之熱降級。以此方式，該系統提供以比類似設備更高之精度來量化個別分析物的能力。

在一些實施例中，該裝置可使用傳統矽膠管柱。在其他實施例中，該裝置包含鈍化鋼管柱，例如RTX-1。鈍化鋼管柱由於更高熱導率而提供更快及更精確之加熱及冷卻，並且藉由傳統套圈及配件而提供更安全連接。因此，使用鈍化鋼管柱增加可靠性並且減少在此領域中所需要之維護量。

層析管柱加熱器153可為能夠加熱層析管柱152，尤其能夠產生規劃溫度勻變的任何合適加熱器，例如插裝加熱器。在一些實施例中，本發明之系統包括多個加熱區。舉例而言，包括所有傳輸管線之 整個系統可予以加熱，以便優化傳輸效率。在一些實施例中，管柱152及加熱器可整合至「晶片上GC」，「晶片上管柱」或「晶片上氣相層析儀」佈置中，其中「管柱」係在板中銑削或蝕刻的連接凹槽，該板由在此項技術中己知之任何合適材料，包括但不限於金屬、二氧化矽或玻璃製成。然後，蝕刻或銑削材料可用活性管柱相處理以使得其如同傳統管柱一般起作用。

校準源154係使用中之合適偵測器及/或層析管柱之任何適當校準源。在一個實施例中，校準源包含單一揮發性有機化合物。管道155、156及157可為由諸如但不限於聚醚酮醚(PEEK)、不銹鋼、聚四氟乙烯(PTFE)之材料，或如熟習此項技術者理解之任何其他合適材料製成之管材。

在一些實施例中，層析管柱152可利用氣體-液體吸附層析法。在一些實施例中，層析管柱152可包含不同活性管柱「相」，即不太易於在高溫下熱降級的吸附化學品。

在一個態樣中，層析管柱152可利用在空氣中之氧氣存在下不太易於在高溫下降級的氣體-固體吸附層析法。使用氣體-固體吸附層析管柱之另一個優勢係其不太受水蒸汽或二氧化碳影響。氣體-固 體分離在捕集/富集吸附床及開放管柱中發生，該管柱可使用具有不同吸附劑例如二乙烯苯或分子篩之各種特定管柱來調適。在一個實施例中，層析管柱係能夠使用空氣之主要成分，即，氮氣及氧氣作為載氣之管柱。由於氮氣係空氣之主要成分並且在結構上與氧氣類似，其作為載氣之效能係類似的。

在一個實施例中，系統或設備使用真空氣相層析，例如，藉由提供負壓力源來操作。在另一實施例中，系統或設備使用正壓力氣相層析來操作。各種實施例之間之差異取決於泵、閥及連接之定向，其中各種組態可藉由熟習此項技術者預想。在一個實施例中，系統或設備使用快速層析之元件，例如，微孔管柱。在一個實施例中，微孔具有0.05至0.15mm內徑。在另一實施例中，管柱具有0.15至1.00mm內徑。在一個實施例中，微孔具有0.53mm內徑。在一個實施例中，層析管柱具有0.05至1.00mm內徑。在另一實施例中，層析管柱具有0.53mm內徑。在另一實施例中，系統或設備使用其他管柱，此取決於目標分析物及泵規格。在其他實施例中，系統或設備使用氣體-液體層析管柱，該層析管柱具有抵抗操作溫度下之氧氣降級的固定相。

本發明之系統亦可包括耦合收集阱及層 析控制及分析模組，該模組能夠以一定方式來調整流動(速率及方向)及溫度，該方式可針對任何特定組之分析物來定製，但是對於廣泛範圍之分析物來最佳化。在一個實例中，控制及分析模組收集

5℃之溫度下之冷卻狀態之分析物持續15-30分鐘。在另一實例中，控制及分析模組使空氣反向流動經過捕集器並且經由木炭過濾器向捕集器供應清潔空氣。在另一實例中，模組快速加熱捕集器以將分析物解吸至管柱上，冷卻至<5-10℃，此取決於分析物。此或其他實例可進一步包含管柱開始處之低溫捕集器或低溫聚焦元件。在捕集器及管柱中使用冷卻元件提供超過在此項技術中己知之系統的優勢，因為冷卻捕集器及管柱允許改良分析物保留、聚焦及效能。在另一個實例中，模組可在開始操作時保持設定溫度，隨後以預定勻變速率來加熱系統，同時調整各種流量以獲得管柱之最大分離效率。在此或其他實例中，系統可進一步包含管柱頭部處之壓力緊縮以便使用泵將流量最佳化。

在另一實例中，系統可在仍然分析第一樣品的同時開始收集第二樣品。控制及分析模組可在僅氣體層析模式中打開捕集器周圍之旁通管線之閥來完成此舉。此允許氣相層析分析運作之其餘部分在對於運作之後者部分最佳化之流動速率下進行操作。在 另一實例中，模組執行加熱程序及GC分析，繼之以快速冷卻階段以使系統準備下一個分析運作。

如圖1A示出，系統100包含偵測器151。在一個實施例中，偵測器151係感測元件，諸如光致電離偵測器(PID)、小型質譜儀、分光光度計、熱導偵測器、任何其他合適光譜儀或任何其他合適偵測器。在一個態樣中，本發明係關於使用光致電離偵測之系統或設備。經由改變燈內部之鹵素氣體來改變PID燈之例如9.6-11.7eV之間之電離電勢為設備提供在具有約7eV至約11.7eV之不同電離能量之一系列分析物內的更大選擇性。在一個實施例中，使用9.6eV燈允許選擇性電離芳族烴，亦稱為BTEX，及具有9.6eV以下之電離能量之其他化合物。苯、甲苯、乙基苯、間及對二甲苯、鄰二甲苯及3-三甲基苯異構物係具有低於9.6eV之電離能量之化合物之實例。在其他實例中，PID燈之電離電勢係10.0eV，或10.6eV。在另一實施例中，使用小型質譜儀作為偵測器擴展裝置之可調選擇性。

在一個態樣中，本發明係關於藉由微處理器及軟體來自動化之系統或設備，該系統或設備操作閥、加熱器、冷卻器之系統，並且收集關於系統中之PID信號、相對濕度、壓力及溫度之資料。在一些實 施例中，所收集的相對濕度、壓力及溫度資料用於校正來自PID之資料。在一個實施例中，諸如圖1A之系統中之系統部件可根據分別在圖2A及2B中描繪之示意性電路210及220來電氣連接。在一個實施例中，部件選自由以下組成之群：插裝電源211及221、加熱器212、PID 213、類比至數位轉換器及增益放大器214、微控制器215、位準偏移器216、熱電偶217、中繼器218、泵222、數位至類比轉換器223及運算放大器224。在一些實施例中，控制電路包含至少一個微控制器，其中一些或所有微控制器包含多重處理核心。在一些實施例中，微控制器215包含單板電腦(SBC)，諸如Arduino®。在其他實施例中，微控制器包含可規劃系統單晶片(PSoC)，諸如藉由Cypress®製造者。在其他實施例中，微控制器包含現場可程式閘陣列(FPGA)。在一些實施例中，控制電路包含超低雜訊電路。在一些實施例中，控制電路包括無線通訊鏈路，包含wi-fi、蜂巢式連接性、BlueTooth®或在此項技術中己知之任何其他無線通訊系統。無線通訊鏈路允許系統之一些或所有功能遠程執行，並且所收集的一些或所有資料轉移至遠程系統供分析。在一些實施例中，裝置可在沒有本地或遠程任何使用者干預的情況下自動操作。

現在參看圖3，示出本發明之一個實施例之簡化控制系統示意圖250。微處理器251執行一系列指令，該等指令協調從各種感測器收集資料並且致動系統之各種電氣及機械元件。微處理器251連接至泵控制器252，其進而控制泵150。微處理器251進一步連接至一組中繼器253、PID資料收集器256、環境感測器258及帕耳帖板控制器259。中繼器253電氣連接至電子閥致動器254，其進而機械控制系統中之各種閥以便建置在圖1C-1G中描述之流動路徑，包括但不限於閥102、172及177。PID資料收集器256接收來自PID 151之信號並且將此資料轉換成可由微處理器251記錄的形式。PID資料收集器256亦可含有控制電路用於微處理器251將指令發送至PID 151。環境感測器258，週期性地或根據需要，將環境資料發送至微處理器251以便促進系統之控制。環境感測器可為來自溫度感測器、濕度感測器、壓力感測器或在此項技術中己知之任何其他感測器之組的任何感測器。帕耳帖板控制器259電氣連接至帕耳帖板141及183，並且經由它，微處理器251可獨立地調控或停用板141及183之冷卻功能。微處理器251展示為單一元件，但是應瞭解微處理器251之功能可在多個微處理器中劃分以便達成更高效率。在 一個實施例中，控制系統示意圖250包括第二微處理器，其控制本發明之系統之溫度控制元件，包括烘箱及帕耳帖板。

在一些實施例中，微處理器251電氣連接至顯示器255與無線通訊模組257之某個組合。顯示器255顯示系統狀況及錯誤訊息以便促進系統之操作及故障排除。在一些實施例中，顯示器255係LCD顯示器。無線通訊模組257促進微處理器251與遠程裝置之間之通訊。在一些實施例中，遠程裝置週期性地接收來自微處理器251之量測資訊或系統狀況資料。在一些實施例中，無線通訊裝置亦接收來自遠程裝置之控制信號或命令，允許遠程使用者對於系統之功能行使控制。

再次參考圖1A之示範性系統100，氣體流例如空氣經由兩個取樣入口，即管110及120吸入。在一個實施例中，氣體經由定位在儀器之下游遠端之泵150藉由負壓力吸入。即時入口120連接至導管，該導管直接通向在開/關閥101之後的偵測器151，即，PID。此氣體流穿過連接至入口120之導管提供氣體流中之總有機化合物，或對於偵測方法敏感之有機化合物之總濃度的即時量測。

入口110將微量濃度之有機氣體富集在活 性或惰性吸附表面或填充床130上，其在鋁塊中熱電冷卻。在一個實施例中，吸附床充當有機氣體之捕集器。在富集微量有機物之可調整時間間隔之後，閥102切換以經由木炭過濾器135來抽吸空氣，該木炭過濾器135提供不含有機化合物之空氣。在一個實施例中，時間間隔在2與30分鐘之間。啟用「即時」入口上之開/關閥101以使得所有流被引導穿過木炭過濾器，提供充當層析管柱152之載氣的清潔空氣。來自入口110之清潔空氣流被引導穿過木炭過濾器135、吸附床130，然後至氣相層析管柱152中。吸附床/表面130例如藉由加熱器140來緩慢加熱以將有機化合物隨著其蒸汽壓力或極性變化來熱解吸或釋放，有效地提供粗略分離方法。來自此捕集器之流出物行進至毛細管氣相層析管柱152，其根據氣體-固體吸附層析法，或氣體-液體層析法來運作。在一個實施例中，氣相層析管柱置換為氣相層析微流控晶片。管柱纏繞定製加工鋁圓筒，或微流控晶片被安置抵靠著鋁塊，該鋁塊藉由加熱筒153以進一步分離/拆分管柱中之分析物的速率來加熱。在一個實施例中，管柱定位在定製加工鋁烘箱中。在一個實施例中，鋁圓筒如圖5A及5B所描述加工成捲軸形狀。在另一實施例中，圓筒包含各種加工凹口、腔穴或通 道，其可用於但是不限於將圓筒固定至設備之其餘部分、用於附加加熱/冷卻元件，或通風。在另一實施例中，圓筒進一步在捲軸之邊緣中包含兩個凹槽以便層析管柱之進入/退出。在另一實施例中，圓筒藉由圓筒覆蓋物來覆蓋，如圖5C及5D所描述。

烘箱之另一實施例在圖6A-6E中以331示出。在此實施例中，烘箱係如在描繪頂視圖之圖6A，及描繪前視圖之6B中示出之鋁殼體。烘箱可包含加工鋁，並且包含安裝孔333及呈圓形圖案之一組均勻間隔孔332。層析管材經由入口/出口孔334或335進入烘箱331，然後在經由入口/出口孔334或335中之另一者離開烘箱之前包圍孔332。烘箱用圖6C示出之烘箱覆蓋物336來封閉，該覆蓋物336包含對應於安裝孔333之安裝孔337。在一些實施例中，烘箱進一步包含在展示前視圖之圖6D，及展示側視圖之6E中示出之帕耳帖板183。帕耳帖板183包含板342，其響應於經由引線343及344提供之電流在冷側345與熱側346之間產生溫度差異。板342基於在此項技術中亦稱為珀耳帖效應之熱電效應來運作。在一些實施例中，包含一或多個翼片之熱壑可固定至帕耳帖板183之熱側346以增加從冷側345至熱側346之熱傳遞的有效性。

來自層析管柱152之流出物進入PID 151，或其他偵測器，其中每個化合物之質量基於PID信號來量化，並且大氣濃度可經由取樣期間之己知富集流動速率來計算。類似於正相層析，每個化合物之特性可基於其從管柱-吸附床系統中溶離之時間來可靠地判定，該系統每次運作使用相同加熱程序來加熱。在結束之後，閥101打開並且系統恢復至即時量測並且層析入口經由風扇及熱電冷卻器來冷卻。在PID之後，兩個流經由泵150退出。內置校準方法藉由開/關閥103來控制。在一個實施例中，系統使恆定量之蒸發校準物例如單一VOC經由關鍵孔流出至一個取樣入口中，其週期性地用於校準系統。在一個實施例中，容器154中之校準物經由即時入口來引入。PID之一致、己知或校準相對響應因子允許與所有其他量測化合物進行交叉校準。

本發明之另一實施例在圖1B-1H之系統160中描述。圖1B之系統160示出各種部分之總體結構及其如何連接。圖1C-1G描述系統160之各種模式之流程圖。具體而言，圖1C描繪捕集模式，圖1D描繪解吸/運行模式，圖1E描繪即時模式，圖1F描繪校準模式，並且圖1G描繪捕集並運行模式。系統160之操作類似於系統100之操作，但是在捕集步驟 與解吸步驟之間添加使空氣反向流動穿過吸附捕集器130之步驟。圖1H示出用於本發明之一個實施例中之材料。

參看圖1C，示出系統160之捕集模式之流程圖161。藉由泵150產生真空並且未過濾的空氣經由入口110進入。空氣首先行進至疏水性PM過濾器171，然後藉由閥172依路由傳遞至吸附捕集器130之近端，其中一些化合物經由吸附來捕集以供稍後分析。在一些實施例中，捕集器可使用帕耳帖板141來冷卻。冷卻捕集器130允許改良分析物保留、聚焦及效能。剩餘空氣行進穿過閥177並且經由泵150離開系統。

現在參看圖1D，示出系統160之解吸/運行模式之流程圖162。一旦捕集步驟完成，吸附捕集器130含有有待分析之一些化合物。如流程圖162示出，閥172及177改變流動方向，驅動未過濾的空氣穿過入口110，隨後經過疏水性PM過濾器171，然後未過濾的空氣依路由傳遞至活性炭過濾器135以移除大多數化合物並且將過濾空氣發送至系統。過濾空氣行進至流動縮窄器176，然後，在與示意圖161之流動相反之流動方向上經由遠端進入吸附捕集器130。在一些實施例中，一或多個加熱器140在解吸/ 運行模式162期間啟用，加快化合物從吸附捕集器130解吸之速率。夾帶在過濾空氣中之解吸化合物經由閥172行進至毛細管氣相層析管柱182，其亦可選擇性地加熱。管柱182以與圖1A之管柱152類似的方式運作。來自管柱182之流出物進入PID或其他偵測器151，其中每個化合物之質量得以量化。最後，空氣行進至閥184及泵150，然後退出系統。在一些實施例中，系統進一步包含帕耳帖板183，其固定至烘箱182並且在系統空氣流之一些階段中提供熱電冷卻。

流動縮窄器176用於將流量在進入吸附捕集器及管柱之前加以限制，確保在整個管柱中壓力較低並且增加拆分潛力(亦即，管柱中之「板」之數目)。此提供超過在此項技術中己知之類似系統之顯著優勢。

圖1E描繪系統160之即時模式之流程圖163。在即時模式中，流動類似於本發明之系統100之即時模式。未過濾的空氣經過輔助入口120進入，然後穿過疏水性PM過濾器187，然後直接經由閥101行進至PID或其他偵測器151。然後，空氣流動至閥184並且經由泵150離開系統。本發明之系統之一個優勢係能夠在即時模式下連續監測，同時週期性地切 換至圖1C、1D及1F所描述之更完全GC分析。在一些實施例中，在即時取樣期間偵測到之總濃度之高讀數或峰值觸發切換至捕集並運行模式，從而允許更精確量測所偵測化合物之化學組成。在一些實施例中，捕集並運行量測可用於辨識一或多個化合物之來源。

進一步操作模式藉由組合圖1C及1E之流動路徑來設想。在支援即時流動路徑163之裝置之實施例中，本發明之系統可連續地經由流動路徑163來收集化合物，同時經由捕集流動路徑161來將化合物收集在捕集器中。在此「即時及捕集」模式中，系統可收集高時間解析度資料總濃度(即時資料)，然後在收集期結束時，可分析來自捕集器之化合物以判定在收集高時間解析度資料之週期內的混合物之化學物種。此模式特別用於捕獲在較短週期內發生之事件，其中事件之持續時間及特徵受到關注並且其中知道在此週期內之混合物之化學物種亦為有利的。

圖1F描繪系統160之校準模式之流程圖164。校準模式之操作類似於即時模式163，除了代替使來自過濾器187之入口的未過濾的空氣流動穿過系統，閥101閉合並且閥103打開來引入恆定量之標準蒸發校準物154以外。類似於系統100之校準流，校準模式164將來自偵測器151之結果與己知相 對響應因子比較，允許與其他量測化合物交叉校準。

圖1G描繪系統160之捕集並運行模式之流程圖165。在此模式下，兩個平行流動通路同時打開。在第一路徑中，未過濾的空氣進入入口110並且經由過濾器171進行至木炭過濾器135。過濾空氣運行穿過閥178及流動縮窄器179，然後穿過管柱182，其中來自先前運作之有機顆粒己經存在。在一些實施例中，流動縮窄器179可具有不同大小，以使得過濾空氣穿過管柱之流動速率可調整或優化以更有效地分離及偵測化合物。有機顆粒釋放並且夾帶在過濾空氣中傳遞至PID或其他偵測器151，然後藉由泵150從系統中泵送出。與第一流動同時，第二流動路徑引入未過濾的空氣穿過過濾器171，然後穿過閥172進入捕集器130，其中一些顆粒被捕集以供將來運作。

藉由在此模式與圖1D描繪之解吸/運行模式之間交替，本發明之系統可更有效地運作並且花費更多時間取樣。

圖1H描繪在本發明之某些實施例中在流動管道中使用之各種材料。標記有「P」之區段包含聚醚酮醚(PEEK)。標記有「S」之區段包含不銹鋼。標記有「T」之區段包含泰貢或特夫綸。本文所述之材料不意欲具有限制性，而是僅描述可用於本發明之 系統之某些組態中之材料之實例。

在另一態樣中，系統部件可容納在如圖4描述之單一或多隔間設備300中。在一個實施例中，設備之尺寸係約6” x 6” x 6”，或不超過216立方吋體積。在一個實施例中，設備包括各種部分，例如，殼體310、管柱烘箱及捲軸320、電源330、微控制器及定製電路板340、偵測器殼體350、泵360、校準單元及活性炭過濾器370、捕集器加熱及冷卻塊380，及捕集器冷卻翼片390。在一個實施例中，氣相層析單元320進一步包含圓筒部分321及322。如本文中別處描述，圓筒321可加工成捲軸，層析管柱可捲纏在該捲軸上。在一個實施例中，本發明之設備進一步包含如圖7A及7B示出之區塊381，其包圍吸附捕集器之外部以便加熱及冷卻。在另一實施例中，本發明之設備包含如圖7C(描繪前視圖)及7D(描繪頂視圖)示出之區塊382。區塊加熱器或加熱器可定位在通道385中。在一些實施例中，區塊382包含在中心接縫386處分離的兩個半部。在一些實施例中，熱電偶定位在孔384中以監測區塊之溫度。

在一個實施例中，本發明之設備進一步包含含有光致電離偵測器之殼體350之部件351，部件351包含入口。在另一實施例中，本發明之設備進一 步包含含有光致電離偵測器之殼體350之部件352，部件352包含出口。在圖9C示出之替代實施例中，本發明之設備進一步包含含有光致電離偵測器之殼體350之部件362，部件362包含多個出口367及安裝孔366。

在另一實施例中，本發明之設備進一步包含含有光致電離偵測器之殼體350之部件353，部件353包含用於偵測器插腳，即，功率及信號之三個孔。在一個實施例中，該等部分根據示意圖100來連接。在另一實施例中，該等部分根據示意圖210及220來連接。

本發明之系統之較小尺寸的一個額外優勢係與通常需要者相比，管柱烘箱331具有較低質量，因而亦具有較低熱質量。具有下部熱質量之烘箱能夠實現更緊的溫度調節，因為與較大烘箱相比，其能夠儲存(並且反向輻射)較小熱量，允許其在移除電力時更快地冷卻。

在其他態樣中，本發明係關於識別及量化氣體環境中之有機化合物之方法。參看圖13，示出示範性即時分析方法400。在一個實施例中，即時分析方法400包含施加正或負壓力之步驟410，例如，使用泵來施加抽吸力，迫使氣體混合物穿過系統或設 備，例如，本發明之系統或設備。即時分析方法400進一步包含經由取樣入口，例如如圖1A展示為系統100之一部分的取樣入口120來對氣體混合物例如空氣進行取樣的步驟420。即時分析方法400進一步包含偵測氣體混合物中之有機化合物的步驟430。偵測可藉由PID偵測器諸如例如如圖1A展示為系統100之一部分的偵測器151來完成。

在另一態樣中，本發明係關於識別及量化氣體環境中之有機化合物的方法，該方法包含層析步驟。在一個實施例中，層析步驟在不需要壓縮預瓶裝純化載氣的情況下，但是實際上藉由使用純化空氣作為載氣來執行。如圖14示出，在一個實施例中，該方法係氣相層析分析方法500。氣相層析分析方法500包含施加正或負壓力之步驟510，例如，使用泵來施加抽吸力，迫使氣體混合物穿過系統或設備，例如，本發明之系統或設備。方法500進一步包含經由取樣入口，例如如圖1A展示為系統100之一部分的取樣入口110來對氣體混合物例如環境空氣進行取樣的步驟520。氣相層析分析方法500進一步包含引導氣體混合物流穿過捕集器以富集至少一定數量之化合物的步驟530，其中有機化合物被捕集在諸如例如圖1A展示為系統100之一部分的吸附材料床130 上。方法500進一步包含重定向氣體混合物流經過濾器以將經過濾之氣體流提供至捕集器，由此提供不含有機化合物之氣體混合物例如空氣的步驟540。方法500之步驟540可完成例如藉由將取樣氣體流轉向以穿過例如如圖1A展示為系統100之一部分的活性炭過濾器135。過濾移除全部或一部分有機化合物以便提供清潔載氣，例如，清潔空氣。氣相層析分析方法500進一步包含例如藉由將有機化合物依序熱解吸來將至少一定數量之富集化合物釋放至經過濾之氣體流中之步驟550，其中例如藉由使用如圖1A展示為系統100之一部分的加熱器140來緩慢增加溫度而將先前捕集之有機化合物從吸附材料床130中解吸。氣相層析分析方法500進一步包含分離至少一定數量之釋放富集化合物的步驟560。在一個實施例中，分離包含例如藉由氣相層析來分離有機化合物。從吸附材料床中解吸之有機化合物藉由清潔空氣來夾帶，該清潔空氣藉由過濾來提供至層析管柱，例如如圖1A展示為系統100之一部分的管柱152。氣相層析分析方法500進一步包含偵測層析管柱氣體流出物中之有機化合物的步驟570。檢測可完成藉由PID偵測器諸如例如偵測器151如圖1A展示為系統100之一部分的100，可例如光致電離偵測器(PID)。

參看圖15，示出本發明方法之替代實施例600。方法600類似於方法500，但是包括在引導氣流穿過捕集器之後，但是在重定向流經過濾器以將經過濾之氣體流提供至捕集器之前，使穿過捕集器之流動方向反向之步驟535。

實驗實例

本發明藉由參考以下實驗實例來進一步詳細描述。僅出於說明目的提供此等實例，並且不意欲具有限制性，除非另外規定。因此，本發明決不應理解為限於以下實例，而是實情為，應理解為涵蓋由於本文提供之教導而變得明顯的任何及所有變化。

無需進一步描述，咸信一般技藝人士可使用先前描述及以下示例性實例來製造及利用本發明之組合物並且實踐請求保護之方法。因此，以下工作實例具體指出本發明之較佳實施例，並且不應理解為以任何方式限制本褐示案之其餘部分。

實例1

如圖11A描繪，本發明之系統用於偵測空氣/丙酮混合物中之丙酮。首先，樣品入口暴露於空氣中之丙酮之脈衝。允許系統約十分鐘以便將丙酮捕集並富集在冷卻吸附材料床中。在約十分鐘之後，將吸附床加熱器通電以提供約60℃/分鐘之溫度梯度增 加。約30秒之後，偵測到光致電離偵測器之輸出中之峰值。

實例2

如圖11B描繪，本發明之系統用於在氣相層析方法中使用空氣作為載氣來分離並偵測異戊烷及丙酮。該分離方法之六次分開運作，包括在持續運作二十小時之後執行之三次運作，證明分離之高功效及隨著時間的推移之可重複性。

實例3

如圖12A描繪，本發明之系統在完全獨立裝置之捕集模式及運行模式中使用而無需任何外部壓力或真空並且沒有輔助設備。該圖示出「層析圖」，其中PID感測器輸出、捕集器溫度及烘箱溫度沿著Y軸並且運行時間沿著X軸。將單環芳族化合物之分析標準混合物從氣相中取樣、捕集、保持，然後注射至管柱中，其中它經由自動溫度程序在真空下分離，然後在PID上量測。所顯示之化合物包括在科學、監管及商業界受到極大關注的常見且具有挑戰性的BTEX化合物。量測並標記之具體分析物係苯、甲苯、乙基苯、間二甲苯與對二甲苯、鄰二甲苯、1,2,4-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯及1,2,4,5-四甲基苯。

實例4

如圖12B描繪，示出層析圖及層析圖之聚焦部分，描繪室內空氣樣品之二十分鐘捕集及解吸附之結果，該樣品僅使用裝置本身來收集，如圖12A描述。示出之峰全部為在微量濃度(例如ppb或ppt)下存在於房間中之揮發性有機化合物。圖表及其副區在層析圖之一部分上加以放大以便展現拆分峰之數量、窄峰之豐度、優峰形狀及峰之間之解析度。

本文引用之每個專利案、專利申請案及公開案之褐示內容由此全部以引用方式併入本文。雖然本發明參照特定實施例來褐示，但是顯而易知本發明之其他實施例及變化可由熟習此項技術者設計而不脫離本發明之真實精神及範圍。附加申請專利範圍意欲為理解包括所有此實施例及等效變化。

100‧‧‧系統

101‧‧‧閥

102‧‧‧閥

103‧‧‧閥

110‧‧‧取樣入口

120‧‧‧取樣入口

130‧‧‧吸附床捕集器

135‧‧‧過濾器

140‧‧‧加熱器

150‧‧‧泵

151‧‧‧偵測器

152‧‧‧層析管柱

153‧‧‧層析管柱加熱器

154‧‧‧校準源

155‧‧‧管道

156‧‧‧管道

157‧‧‧管道

Claims (13)

1. 一種用於分析一氣體混合物之系統，其包含：一過濾器；一流動縮窄器；一捕集器；一層析管柱；一偵測器；及一泵，其中該捕集器與該泵流體連接以形成一第一氣體流動路徑，該泵位於該捕集器的下游，其中該過濾器、該流動縮窄器、該捕集器、該層析管柱、該偵測器及該泵流體連接以形成一第二氣體流動路徑，該泵位於該過濾器、該捕集器、該層析管柱及該偵測器的下游，且該流動縮窄器位於該捕集器、該層析管柱、該偵測器及該泵的上游；且其中該流動縮窄器僅位於該第二氣體流動路徑中。
2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該偵測器與該泵流體連接以形成一第三氣體流動路徑。
3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該 層析管柱選自由以下組成之群：一氣體-同體吸附層析管柱及一氣體-液體氣相層析管柱。
4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該捕集器進一步包含一吸附材料。
5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該過濾器係一活性木炭過濾器。
6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該偵測器選自由以下組成之群：一光致電離偵測器、一質譜儀、一分光光度計及一熱導偵測器。
7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該偵測器係一光致電離偵測器。
8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該泵提供負壓力。
9. 如申請專利範圍第1項之系統，其進一步包含一殼體。
10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該殼體不大於216立方吋。
11. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該系統能夠以萬億分率之一靈敏度來偵測化合物。
12. 一種用於分析一氣體混合物之系統，其包含：一過濾器； 一流動縮窄器；一捕集器；一層析管柱；一偵測器；及一泵，其中該捕集器與該泵流體連接以形成一第一氣體流動路徑，該泵位於該捕集器的下游，其中該過濾器、該流動縮窄器、該捕集器、該層析管柱、該偵測器及該泵流體連接以形成一第二氣體流動路徑，該泵位於該過濾器、該流動縮窄器、該捕集器、該層析管柱及該偵測器的下游，且該流動縮窄器位於該過濾器的下游且於該捕集器、該層析管柱、該偵測器及該泵的上游。
13. 一種用於分析一氣體混合物之系統，其包含：一第一氣體流動路徑，其具有一捕集器及經配置以引導一第一氣體流的下游泵；及一第二氣體流動路徑，其具有該捕集器、該捕集器上游的一流動縮窄器、一層析管柱、一偵測器及經配置以引導一第二氣體流的該下游泵；其中離開該第二氣體流動路徑中的該流動縮窄器的該第二氣體流以與該第一氣體流相反的方向進入該捕集器。

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