色谱前处理技术专题|CDS谈热裂解技术
近年来,为了提升色谱分析的效率和准确度,满足实验室对实验流程自动化等方面的需求,色谱前处理技术不断发展,新型前处理技术应运而生,同时高自动化、智能化前处理设备也逐渐推出并普及。为了展示当下色谱前处理技术及产品的应用现状,探讨未来前处理技术的发展方向,仪器信息网特别策划了“色谱前处理技术发展专题”,并面向广大色谱前处理技术企业、色谱前处理领域专家学者及业内相关从业人员广泛约稿。
以下为CDS Analytical(以下简称:CDS,莱伯泰科旗下品牌)供稿。CDS公司成立于1969年,位于美国宾夕法尼亚州牛津镇,距今已有53年历史,是一家集研发、生产和销售为一体的实验室样品前处理仪器供应商,于2015年正式加入莱伯泰科旗下。本文,CDS分享了关于热裂解技术的相关看法和经验。
CDS热裂解仪新技术及应用
一、热裂解技术简介
在分析化学领域,许多大分子物质,例如生物体、合成高分子材料等,由于极低的蒸气压导致完全不挥发,无法直接用气相色谱或质谱等常规方法进行分离分析。而对于此类物质的分析来说,热裂解是一种非常有效的方法。
简单地说,热裂解就是通过输入大量热能来断开大分子化学键,通过观察大分子在高温中的分解及裂片产物来研究大分子的技术。对这些裂片进行分析可知原始大分子的性质和结构信息,热裂解可以联机气质联用或傅里叶变换红外,用于合成聚合物、生物聚合物、复合材料和复杂工业材料等样品的分析。裂解过程中会发生化学键断裂,能量进入目标组分,根据其大分子化学键的强弱,分子发生裂解。裂片是根据大分子的原子之间化学键的相对强弱分解形成的。利用可重复的能量参数(温度、升温速率、时间)来加热大分子,就会产生相同的裂片小分子,而这些裂片小分子也携带着原来大分子排列的信息。
热裂解技术应用广泛,既可用于能源物质和反应、聚合物材料等分析,也可用于法医实验室的痕量证据分析、评估新的复合材料、艺术品的鉴定和保护、微生物鉴定、复杂生物学和生态系统等研究。
目前热裂解仪比较热门的应用领域是微塑料和RoHS塑化剂分析。塑料作为亿吨级工业产品,在自然环境中会分解成微米级和纳米级塑料颗粒,这些塑料颗粒可进行人体并对健康造成危害。热裂解串联GC-MS可在低浓度下对微塑料进行定量定性分析。RoHS是欧盟对电子产品的安全标准,其中塑化剂检测可采用热裂解进行快速筛查,则不须其他复杂的提取纯化等前处理,大大简化了实验操作。
二、热裂解仪原理和组成
热裂解仪(PY)主要由裂解腔、气路系统、加热系统等组成。样品在裂解腔中高温分解为气态裂片,在GC或GC-MS载气带动下,经过裂解腔下的接口进入八通阀,八通阀通过管路的待机和进样模式的切换,保证裂片流入PY和GC连接的传输线,最后流入GC或GC-MS,全程都在高温的氛围中进行。
裂解腔按照加热方式的不同分为三种:热丝型、管炉型、居里点型。热丝型可进行快速和连续的加热,管炉型在加热速度方面不够理想,居里点型可以进行精准的控温,但不能连续升温。
CDS的热裂解采用热丝加热方式,将铂丝缠绕在石英材质的裂解管上,通过电流控制使铂丝快速连续加热裂解管,裂解腔可快速升温到1300℃,可采用脉冲加热,则裂解腔能保持在较高温度。
三、CDS在热裂解领域的贡献和成果
CDS 公司成立于1969年,位于美国宾夕法尼亚州牛津镇,距今已有53年历史,是一家集研发、生产和销售为一体的实验室样品前处理仪器供应商,于2015年正式加入莱伯泰科旗下。
CDS的创始人Eugene Levy博士,曾供职于F&M Scientific公司(惠普/安捷伦GC部门前身),对气相色谱分析仪器及其前处理仪器有着极其深厚的技术沉淀。成立之初,公司希望在化学分析(Chemical)、数据处理(Data)和数据分析(Systems)方向有所建树,CDS由此得名。彼时,谁也不会想到,CDS热裂解产品日后会成为进入中国市场的色谱前端进样设备,和惠普的GC和GC-MS设备一起为中国的科研人员所熟知,并对中国的聚合物、刑侦、石油、烟草的研发和质检工作都将做出积极贡献。
CDS热裂解仪与GC或者GC-MS联机使用,具备稳定、高效、快捷的技术优势,一经推出便受到用户热烈追捧,迅速席卷分析检测市场,并为后入者建立众多行业标准。CDS自1970年推出第一台热裂解仪后,历经多年研发,不断改进热裂解产品性能,推陈出新,到目前为止,共推出6代热裂解迭代产品。
CDS热裂解产品发展历程
1981年,CDS热裂解产品因其原创技术和对分析化学领域的突出贡献,获得美国科学技术创新奖(R&D100 Awards),该奖项被誉为科技界的“创新奥斯卡”。能在全球众多顶尖科学技术中胜出获此殊荣,CDS热裂解技术可见一斑。
CDS美国科学技术创新奖证书
CDS于2017年推出的第6代6000系列热裂解产品,对热裂解核心部件做出了重要创新,设计出“DISC模块”,在原有的经典的电阻加热线圈的基础上,改进了加热腔使之更有利于配合自动进样器自动上样。CDS在丝式裂解方面具有强大的实力,其先进的温控技术和设计理念,其特有的高压裂解、有氧裂解、催化裂解、多步裂解(可达10步)等技术,使得CDS一直跻身高端裂解器之列。
CDS 6200热裂解仪
热裂解仪系列产品是作为CDS公司多年的主打产品,不仅在该品类市场上占有主要份额,在相关学术领域也有着巨大的影响力。世纪之初,公司曾与美国国家航空航天局(NASA)JPL实验室合作将热裂解技术用于火星现场样品分析系统(Sample Analysis at Mars, SAM)。美国联邦警察系统也使用由CDS建立的汽车漆热裂解数据库,用来鉴别车辆厂牌年份等信息,该技术还被用于绘画作品的真伪及年份鉴别。
好奇号火星探测器上的SAM装置及其带有裂解炉的样品处理系统(SMS)
四、CDS热裂解最新技术
1、特有的DISC模块设计:让实验操作更简单
DISC模块采用独立垂直的耐高温石英腔设计,配有专用的样品管,不再需要石英棉填充,操作简单方便,数据重现性更好。热裂解分析后会产生大量的裂片化合物,裂片中的高沸点有机污染物和无机污染物会对系统污染,这是热裂解仪器一直以来存在的问题。DISC的上下盖可打开,配备专用的清洗毛刷,可以在有机溶剂或酸帮助下,对石英腔进行直接清洗,容易清除附污染物。DISC模块还有clean功能,通过对石英腔进行超高温度的烘烤,保证高沸点化合物气化,可有效去除石英腔的高沸点污染物。创新的DISC独特设计对污染问题提供了更好的解决方案。
2、UV模块在线分析:加快实验速度
CDS Photoprobe模块是利用高能量的UV灯来照射裂解腔中的样品,且可设置裂解腔中温度和反应气。UV光的光强度可达到800mW/mm2 ,其波长范围是260-400nm。可用于模拟样品在自然界阳光长期照射下发生的化学变化,利用强光度可大大缩短实验时间,做橡胶塑料等样品的加速老化实验测试。
Photoprobe UV光照射
3、可提供不同气氛的裂解条件
可选择各种气体作为反应气(氧气、 氮气、 氦气 、二氧化碳、空气),使样品在不同种气氛和气体流量条件下进行热裂解反应,模拟样品在有氧或无氧的加热反应实验,和GCMS联机后实现在线分析。
4、高压反应器:助力能源与化工科学研究
新生物原料、煤、石油或聚合物反应,科学家也需要了解材料在高压条件下分解,CDS高压热裂解反应器可实验高温高压热裂解分析。该系统在5200型裂解炉改进,可在最大500psi下热解,再通过吸附阱捕集,进入GC。
5200HPR高压反应器
五、热裂解技术的最新应用及发展方向
1、热裂解技术:快速有效的微塑料检测技术
近几年来,科学家已经从越来越多的样品中发现了微塑料的存在,除了环境样品,人体血液和母乳中也都发现了微塑料,微塑料已经成为一个威胁地球环境和人类健康的“隐形杀手”。
微塑料在人体生物样本中的陆续发现,引起了世人的广泛关注,已经被列入国际上广泛关注的环境中新污染物四大类之一(四大类分别是持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素和微塑料),在我国生态环境部通过的《生态环境监测规划纲要( 2020-2035 年)》中,海洋微塑料专项监测的任务内容也列在其中。
热裂解技术在鉴定微塑料颗粒的材料成分中发挥着巨大的作用,随着新领域的不断涌现以及需求量的增加,热裂解技术将会迎来又一个飞跃。
2、热裂解仪的自动化、智能化、集成化发展
分析检测流程的自动化、智能化已经成为目前实验室发展的一大趋势,尤其是前处理设备。将多种功能的前处理设备进行集成化、与分析仪器在线连接、实现自动化样品前处理全过程,是广大实验室人员的心之所向。
但目前色谱前处理技术种类繁多,如果一个实验室中涉及的检测样品和项目较多的情况下,往往需要购置多种前处理设备,不仅占用大量实验室面积,且每个产品都有各自的操作系统,给员工培训和使用带来诸多不变。而如果将各种前处理设备进行集成化,则能解决上述问题。
将CDS 6000系列热裂解仪集成在Astation多功能样品制备进样平台上,是莱伯泰科的一个发展计划,它将使前处理变的更加从容,使实验变得更加自动和智能,满足客户更多的实验需求,必将会助力人们更好的完成对新领域的色谱分析研究工作。
文章来源:仪器信息网
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