作為樣品前處理領(lǐng)域的行業(yè)先鋒,通過20余年的技術(shù)積淀,萊伯泰科已研發(fā)生產(chǎn)出各類成熟的色譜前處理產(chǎn)品,包括快速溶劑萃取儀、吹掃捕集儀、固相萃取儀、熱裂解儀、熱脫附、凝膠凈化系統(tǒng)等,可以多方位滿足色譜分析的前處理需求,并已廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測、食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生、疾病控制、材料研究、生命科學(xué)等領(lǐng)域。
隨著色譜技術(shù)在各行業(yè)更加廣泛的應(yīng)用與普及,我們特開設(shè)了“色譜前處理技術(shù)專題”,展示萊伯泰科前處理產(chǎn)品的新技術(shù)和應(yīng)用,便于大家更全面地了解各類色譜前處理技術(shù)。
第一期:熱裂解技術(shù)的現(xiàn)狀與展望
一、熱裂解技術(shù)簡介
在分析化學(xué)領(lǐng)域,許多大分子物質(zhì),如生物體、合成高分子材料,由于其極低蒸氣壓甚至不揮發(fā),無法直接用氣相色譜或質(zhì)譜等常規(guī)方法進(jìn)行分離分析。對于此類的分析,熱裂解是一種非常有效的分析方法。
簡單地說,熱裂解就是通過輸入大量熱能來斷開大分子化學(xué)鍵,通過觀察大分子在高溫中的分解及裂片產(chǎn)物來研究大分子的技術(shù)。對這些裂片進(jìn)行分析可知原始大分子的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)信息,熱裂解可以聯(lián)機(jī)氣質(zhì)聯(lián)用或傅里葉變換紅外,這樣可用于合成聚合物、生物聚合物、復(fù)合材料和復(fù)雜工業(yè)材料等樣品的分析。裂解過程中會發(fā)生化學(xué)鍵斷裂,能量進(jìn)入目標(biāo)組分,根據(jù)其大分子的化學(xué)鍵的強(qiáng)弱,分子發(fā)生裂解。裂片是根據(jù)大分子的原子之間的化學(xué)鍵的相對強(qiáng)弱來分解形成。利用可重復(fù)的能量參數(shù)(溫度、升溫速率、時(shí)間)來加熱大分子,就會產(chǎn)生相同的裂片小分子,而這些裂片小分子也攜帶著原來大分子排列的信息。
熱裂解技術(shù)應(yīng)用廣泛,可應(yīng)用于能源物質(zhì)和反應(yīng)、聚合物材料等分析,可以應(yīng)用于法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室的痕量證據(jù)分析、評估新的復(fù)合材料、藝術(shù)品的鑒定和保護(hù)、微生物鑒定、復(fù)雜生物學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)等研究。
目前比較熱門的熱裂解儀應(yīng)用領(lǐng)域是微塑料和RoHS塑化劑分析。塑料作為工業(yè)的億噸級產(chǎn)品,在自然環(huán)境中分解成微米級和納米級塑料顆粒,這些塑料顆??蛇M(jìn)行人體的,并對人體健康造成危害,熱裂解串聯(lián)GC-MS可在低濃度進(jìn)行定量定性分析。RoHS是歐盟對電子產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn),其中塑化劑檢測可采用熱裂解進(jìn)行快速篩查,不需復(fù)雜的提取純化等前處理,大大簡化了實(shí)驗(yàn)操作。
二、熱裂解儀原理及組成
熱裂解儀(PY)主要由裂解腔、氣路系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等組成。樣品在裂解腔中高溫分解為氣態(tài)裂片,在GC或GC-MS載氣帶動下,經(jīng)過裂解腔下的接口進(jìn)入八通閥,八通閥通過管路的待機(jī)和進(jìn)樣模式的切換,保證裂片流入PY和GC連接的傳輸線,最后流入GC或GC-MS,全程都在高溫的氛圍中進(jìn)行。
裂解腔按照加熱方式的不同分為三種:熱絲型、管爐型、居里點(diǎn)型。熱絲型可進(jìn)行快速和連續(xù)的加熱,管爐型在加熱速度方面不夠理想,居里點(diǎn)型可以進(jìn)行精準(zhǔn)的控溫,但不能連續(xù)升溫。
CDS的熱裂解采用熱絲加熱方式,將鉑絲纏繞在石英材質(zhì)的裂解管上,通過電流控制使鉑絲快速連續(xù)加熱裂解管,裂解腔可快速升溫到1300℃,可采用脈沖加熱,則裂解腔能保持在較高溫度。
三、CDS在熱裂解領(lǐng)域的貢獻(xiàn)和成果
CDS Analytical(以下簡稱:CDS)公司成立于1969年,位于美國賓夕法尼亞州牛津鎮(zhèn),距今已有53年歷史,是一家集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體的實(shí)驗(yàn)室樣品前處理儀器供應(yīng)商,于2015年正式加入萊伯泰科旗下。
CDS的創(chuàng)始人Eugene Levy博士,曾供職于F&M Scientific公司(惠普/安捷倫GC部門前身),對氣相色譜分析儀器及其前處理儀器有著極其深厚的技術(shù)沉淀。成立之初,公司希望在化學(xué)分析(Chemical)、數(shù)據(jù)處理(Data)和數(shù)據(jù)分析(Systems)方向有所建樹,CDS由此得名。彼時(shí),誰也不會想到,CDS熱裂解產(chǎn)品日后會成為進(jìn)入中國市場的色譜前端進(jìn)樣設(shè)備,和惠普的GC和GC-MS設(shè)備一起為中國的科研人員所熟知,并對中國的聚合物、刑偵、石油、煙草的研發(fā)和質(zhì)檢工作都將做出積極貢獻(xiàn)。
CDS熱裂解儀與GC或者GC-MS聯(lián)機(jī)使用,具備穩(wěn)定、高效、快捷的技術(shù)優(yōu)勢,一經(jīng)推出便受到用戶熱烈追捧,迅速席卷分析檢測市場,并為后入者建立眾多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CDS自1970年推出第一臺熱裂解儀后,歷經(jīng)多年研發(fā),不斷改進(jìn)熱裂解產(chǎn)品性能,推陳出新,到目前為止,共推出6代熱裂解迭代產(chǎn)品。
CDS熱裂解產(chǎn)品發(fā)展歷程
1981年,CDS熱裂解產(chǎn)品因其原創(chuàng)技術(shù)和對分析化學(xué)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn),獲得美國科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎(R&D100 Awards),該獎項(xiàng)被譽(yù)為科技界的“創(chuàng)新奧斯卡”。能獲此殊榮,CDS熱裂解技術(shù)可見一斑。
CDS美國科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎證書
CDS于2017年推出的第6代6000系列熱裂解產(chǎn)品,對熱裂解核心部件做出了重要創(chuàng)新,設(shè)計(jì)出“DISC模塊”,在原有的電阻加熱線圈的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了加熱腔使之更有利于配合自動進(jìn)樣器自動上樣。CDS美國科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎證書
CDS于2017年推出的第6代6000系列熱裂解產(chǎn)品,對熱裂解核心部件做出了重要創(chuàng)新,設(shè)計(jì)出“DISC模塊”,在原有的電阻加熱線圈的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了加熱腔使之更有利于配合自動進(jìn)樣器自動上樣。
CDS 6200熱裂解儀
熱裂解儀系列產(chǎn)品是作為CDS公司多年的主打產(chǎn)品,不僅在該品類市場上占有主要份額,在相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域也有著巨大的影響力。世紀(jì)之初,公司曾與美國國家航空航天局(NASA)JPL實(shí)驗(yàn)室合作將熱裂解技術(shù)用于火星現(xiàn)場樣品分析系統(tǒng)(Sample Analysis at Mars, SAM)。
好奇號火星探測器上的SAM裝置及其帶有裂解爐的樣品處理系統(tǒng)(SMS)
四、CDS熱裂解新技術(shù)
1、*的DISC模塊設(shè)計(jì):讓實(shí)驗(yàn)操作更簡單
DISC模塊采用獨(dú)立垂直的耐高溫石英腔設(shè)計(jì),配有專用的樣品管,不再需要石英棉填充,操作簡單方便,數(shù)據(jù)重現(xiàn)性更好。熱裂解分析后會產(chǎn)生大量的裂片化合物,裂片中的高沸點(diǎn)有機(jī)污染物和無機(jī)污染物會對系統(tǒng)污染,這是熱裂解儀器一直以來存在的問題。DISC的上下蓋可打開,配備專用的清洗毛刷,可以在有機(jī)溶劑或酸幫助下,對石英腔進(jìn)行直接清洗,容易清除附污染物。DISC模塊還有clean功能,通過對石英腔進(jìn)行超高溫度的烘烤,保證高沸點(diǎn)化合物氣化,可有效去除石英腔的高沸點(diǎn)污染物。創(chuàng)新的DISC設(shè)計(jì)對污染問題提供了更好的解決方案。
2、UV模塊在線分析:加快實(shí)驗(yàn)速度
CDS Photoprobe模塊是利用高能量的UV燈來照射裂解腔中的樣品,且可設(shè)置裂解腔中溫度和反應(yīng)氣。UV光的光強(qiáng)度可達(dá)到800mW/mm2 ,其波長范圍是260-400nm??捎糜谀M樣品在自然界陽光長期照射下發(fā)生的化學(xué)變化,利用強(qiáng)光度可大大縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,做橡膠塑料等樣品的加速老化實(shí)驗(yàn)測試。
Photoprobe UV光照射
3、可提供不同氣氛的裂解條件
可選擇各種氣體作為反應(yīng)氣(氧氣、 氮?dú)狻?氦氣 、二氧化碳、空氣),使樣品在不同種氣氛和氣體流量條件下進(jìn)行熱裂解反應(yīng),模擬樣品在有氧或無氧的加熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn),和GCMS聯(lián)機(jī)后實(shí)現(xiàn)在線分析。
4、高壓反應(yīng)器:助力能源與化工科學(xué)研究
新生物原料、煤、石油或聚合物反應(yīng),科學(xué)家也需要了解材料在高壓條件下分解,CDS高壓熱裂解反應(yīng)器可實(shí)驗(yàn)高溫高壓熱裂解分析。該系統(tǒng)在5200型裂解爐改進(jìn),可在最大500psi下熱解,再通過吸附阱捕集,進(jìn)入GC。
5200HPR高壓反應(yīng)器
五、熱裂解技術(shù)的最新應(yīng)用及發(fā)展方向
1、熱裂解技術(shù):快速有效的微塑料檢測技術(shù)
近幾年來,科學(xué)家已經(jīng)從越來越多的樣品中發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在,除了環(huán)境樣品,人體血液和母乳中也都發(fā)現(xiàn)了微塑料,微塑料已經(jīng)成為一個(gè)威脅地球環(huán)境和人類健康的“隱形殺手”。
微塑料在人體生物樣本中的陸續(xù)發(fā)現(xiàn),引起了世人的廣泛關(guān)注,已經(jīng)被列入國際上廣泛關(guān)注的環(huán)境中新污染物四大類之一(四大類分別是持久性有機(jī)污染物、內(nèi)分泌干擾物、抗生素和微塑料),在我國生態(tài)環(huán)境部通過的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要( 2020-2035 年)》中,海洋微塑料專項(xiàng)監(jiān)測的任務(wù)內(nèi)容也列在其中。
熱裂解技術(shù)在鑒定微塑料顆粒的材料成分中發(fā)揮著巨大的作用,隨著新領(lǐng)域的不斷涌現(xiàn)以及需求量的增加,熱裂解技術(shù)將會迎來又一個(gè)飛躍。
2、熱裂解儀的自動化、智能化、集成化發(fā)展
分析檢測流程的自動化、智能化已經(jīng)成為目前實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的一大趨勢,尤其是前處理設(shè)備。將多種功能的前處理設(shè)備進(jìn)行集成化、與分析儀器在線連接、實(shí)現(xiàn)自動化樣品前處理全過程,是廣大實(shí)驗(yàn)室人員的心之所向。
但目前色譜前處理技術(shù)種類繁多,如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中涉及的檢測樣品和項(xiàng)目較多的情況下,往往需要購置多種前處理設(shè)備,不僅占用大量實(shí)驗(yàn)室面積,且每個(gè)產(chǎn)品都有各自的操作系統(tǒng),給員工培訓(xùn)和使用帶來諸多不便。而如果將各種前處理設(shè)備進(jìn)行集成化,則能解決上述問題。