使用基本上单调非增且具有正的二阶导数的热梯度的气相色谱

摘要

用于热梯度气相色谱的系统和方法，其中柱的前端或注射端被加热至比后端或检测器端更高的温度以从而产生具有轮廓的热梯度，所述轮廓基本上单调非增并具有正的二阶导数，并且然后提供热源以升高热梯度，并且引起其保持静止或经过所述柱同时维持期望的轮廓。

说明书

背景技术

相关技术的描述：气相色谱(GC)由于其简单、高分离效能和相对短的分 析时间，可以是用于分析气体，以及挥发性和半挥发性有机化合物的广泛使 用的分析技术。

图1是提供以显示GC系统的一些主要组件的框图，所述组件可以被描述 为管、通道或柱10(下文称为“柱”)，注射器12——样品可以通过其可以被 注入柱，温度调节系统14——使用其可以在分离过程的持续期间确立和控制 柱的温度，和检测器16——其可以检测从柱洗脱的分析物。应当理解的是， 存在可以对图1中所示的系统做出的许多修改，而不背离本发明的主题。

控制柱10内的温度的过程可以由计算机控制以确保在任何时间点处的温 度处于预设值。可以用于加热柱10并将柱维持在特定温度的温度调节系统14 可以是烘箱。然而，其它温度调节系统包括但不应当被认为限制于蒸汽夹套 (vaporjacket)、油浴、杜瓦瓶、热交换器、空气浴烘箱、电阻加热、红外线加 热、感应加热和微波加热。

存在GC的不同实施，包括等温——其中柱温度在整个分离中保持固定， 和程序化温度——其中贯穿分离整个柱被逐步地加热从而以预定的、程序化 的方式增加柱温度。关于这些现有技术方法，最重要的是理解柱的温度沿着 其整个长度基本上是均匀的。换句话说，温度的变化可以仅是无意的，或者 由使用的加热方法的限制引起。

发明内容

本发明是用于热梯度气相色谱的系统和方法，其中柱的前端或注射端被 加热至比后端或检测器端更高的温度，以从而产生具有轮廓的热梯度，所述 轮廓基本上单调非增且具有基本上非负的二阶导数，并且然后提供热源以向 上移位热梯度，其中热梯度可以包括有限部分，其中热梯度可以严格为负。

在本发明的第一方面，提供了气相色谱仪，其包括注射器、柱和检测器， 柱具有用于从注射器接收样品的前端，和用于将样品洗脱入检测器的后端。

在本发明的第二方面，第一加热装置用于向柱施加初级热以沿着柱的至 少一部分产生热梯度，并且其中热梯度的至少一些部分为负。

在本发明的第三方面，第二加热装置用于向柱施加次级热以从而升高、 平移或向上移位柱的热梯度。

在本发明的第四方面，热梯度基本上单调非增，并且热梯度具有基本上 非负的二阶导数。

结合附图考虑下列具体实施方式，本发明的这些和其它实施方式对本领 域技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1是可以是现有技术中的气相色谱系统的部分的组件的框图。

图2是具有光滑曲线的第一实施方式的热梯度曲线的实例。

图3是第一实施方式的热梯度曲线的图，其中热梯度曲线具有线性或非 增区段。

图4是热梯度曲线的图，所述热梯度曲线由分段或分级(step-wise)线性 区段组成并具有至少一个递增区段。

图5是热梯度曲线的图，所述热梯度曲线由光滑区段和分段或分级线性 区段的组合组成。

图6是热梯度曲线的图，所述热梯度曲线在维持原始轮廓的同时向上移 位。

图7提供为可以用于产生期望的热梯度的热梯度GC的第一柱和基底的透 视图。

图8提供为也可以用于产生期望的热梯度的热梯度GC的第二柱和基底的 透视图和侧视图。

图9是具有第一部分和等温的第二部分的热梯度曲线的图，所述第一部 分具有线性负斜率。

具体实施方式

现在将参阅附图，其中将给出本发明的多种实施方式的数字标识，并且 将在其中讨论实施方式，以便使本领域技术人员能够制造和使用本发明。可 以理解的是，下列描述图解了本发明的实施方式，并且不应当视为缩小了所 附权利要求的范围。

本发明的第一实施方式是在柱内产生期望的热梯度。可以理解的是，为 了实现期望的热梯度轮廓，可以存在可以被构建的气相色谱仪的许多不同的 硬件配置。因此，第一实施方式不应当认为限制于任何具体的硬件配置，而 仅限于可以实现期望的热梯度轮廓的气相色谱仪。

图2是如由热梯度轮廓表示的期望的热梯度的第一实施方式的图。该图 显示了热梯度曲线20，其为在X轴上的气相色谱仪的柱的长度24的函数， 温度值在Y轴上给出。

热梯度曲线20可以具有数个期望的特征。热梯度曲线20的第一特征可 以是曲线是单调非增的，还称为单调递减。此文件限定了如图3中所示的单 调非增，其中曲线可以包括线性和非增区段30，以及递减区段32。然而，此 文件还选择将期望的热梯度限定为如图4中所示的“基本上”单调非增。

为了图解此概念，提供图4作为热梯度曲线20的另一种图解，所述热梯 度曲线20可以由分段或分级线性区段40组成。分级线性区段40可以是如所 示的非增。总体热梯度曲线20基本上单调非增，同时还由多个分级线性区段 40形成。此图仅是实例，并且不应当认为关于可以用于形成热梯度曲线20的 分级线性区段的数目或长度进行限制。

图4还图解了第一实施方式的另一个特征。术语“基本上单调非增”在 本文限定为总体上单调非增的热梯度曲线20。然而，相对于曲线的全长，在 热梯度曲线20中可以存在相对短的区段44，如在圆圈42内所示其是递增的。 然而，与热梯度曲线20的总长度相比，这些短的递增区段44可以是相对短 的，并且因此可以不影响热梯度气相色谱仪的运行。因此，虽然通过选择将 曲线描述为“基本上”单调非增，热梯度曲线20可以不严格单调非增，但是 这服务于以下目标：即使总体热梯度曲线20递减，允许实际上递增的短的区 段44。

对此第一实施方式重要的是：当从柱的前端移动至后端时，温度随着距 离大体上或基本上减小。然而，具有正的二阶导数的基本上单调非增的热梯 度曲线的限定还可以包括例外，其中存在柱的短的区段或部分，其中温度在 短的长度内增大并且其中热梯度曲线的二阶导数可以严格为负。因此，术语 “基本上单调非增”可以在此文件内使用以描述这样的热梯度曲线以及具有 基本上非负的二阶导数的曲线。

图5是热梯度曲线20的实例，其由弯曲或弓形区段50和分级线性区段 40的组合组成。此图仅是实例，并且不应当认为关于可以是热梯度曲线20的 部分的弓形区段50和分级线性区段40的数目进行限制。

早前已经说明了热梯度曲线20可以被限定为具有正的二阶导数的曲线。 二阶导数测量数量的变化率如何自身变化。在函数的图上，二阶导数对应于 图的曲率。因此，第一实施方式的热梯度曲线20的二阶导数可以为正。

本发明的第一实施方式的另一个特征可以是热梯度曲线20的轮廓可以升 高或向上移位，同时热梯度曲线20的限定特征不改变。例如，考虑图6，其 显示在图上的第一位置60的热梯度曲线20。然后，额外的热可以施加至整个 柱以引起在热梯度曲线20的位置向上移位至新位置62。实际上，热梯度曲线 可以向上平移而其轮廓没有其它修改。

换句话说，来自初级热源的初级热已经被施加至柱以产生热梯度曲线20 的轮廓或形状。此额外热或次级热与初级热同时从次级热源施加。均等地跨 越整个柱施加次级热的作用可以引起整个热梯度曲线20的向上移位，而改变 或不改变形状或轮廓。

可以重要的是，次级热以系统的方式施加。为了操纵热梯度的轮廓，系 统的方式包括但不应当认为限制于初级热、次级热或二者的受控施加。例如， 为了修改次级热使热梯度的轮廓升高或向上移位的速率，可以控制次级热。 可以根据预定义的标准集合完成热梯度的控制。

初级热被施加至柱，作为施加至不同的位置的不同量的热从而形成热梯 度。最多的热被施加至柱的前端，并且然后越来越少的热被逐步施加至柱， 直到到达后端。初级热可以被施加为离散区段，离散区段可以导致由多个分 级区段或线性区段形成的热梯度。可选地，初级热可以被施加为具有较少的 离散区段，较少的离散区段可以引起热梯度以具有光滑的或弓形的且非分级 的或线性的外形。可选地，可以施加初级热以产生弓形区段和离散的分级或 线性区段的组合。

相比之下，次级热沿着柱的全长可以是基本上均匀的。因此，热梯度曲 线20如图6中所示在温度中向上移位。图6显示了未施加次级热的原始位置 60和施加次级热后热梯度曲线20的新位置62。热梯度曲线20的向上移位可 以通过任何适当的加热机制完成。

当是检测化合物的时候时，化合物从柱洗脱入检测器。这可以通过以系 统的方式升高柱中的热梯度来完成。认为随着化合物被洗脱，可以存在构建 和升高柱内的热梯度的系统的或程序化模式的优点。例如，随着化合物从柱 洗脱，峰的前缘可以处于比峰的后端更低的温度。这可以引起峰的后端具有 比前端更高的速率。随着它们到达柱的端，此速度差异的结果可以是峰的压 缩。由于更窄的峰和增加的灵敏度——因为峰可以更高和更对称——这可以 导致化合物的更好的分离。

第一实施方式的另一个结果可以是随着化合物移动通过柱保留热梯度曲 线20的轮廓。相比之下，其它现有技术方法可以通过使柱中的化合物处于等 温状态或平衡破坏热梯度。

应当提及的是，第一实施方式还可以能够在热梯度曲线20的轮廓中是灵 活的。换句话说，虽然热梯度的轮廓可以通过施加次级热向上移位，基本上 保留柱中的轮廓，但是柱中的热梯度也可以被修改、调节或以其它方式改变， 而不损失基本上单调非增且具有正的二阶导数的特征。因此，在本发明的范 围内应当认为允许将热梯度改变或修改为其保持静止或其由次级热升高。

提供图7以图解可以用于柱和热源的硬件的一个实例，其可以用于产生 本发明的气相色谱仪中的期望的热梯度。图7显示了柱70的平面配置的第一 实施方式。为了能够均匀地加热柱70，可以以平面配置形成柱70。

通过在平面基底材料72中形成通道或柱，可以以适当的材料形成柱70， 并且然后覆盖层或顶层74可以被布置在平面基底材料上，如由虚线箭头所指 示。例如，可以使用蚀刻、激光、或可以从平面基底材料72移除材料的任何 其它手段形成柱70。

可以使用如本领域技术人员所理解的适当的尺寸制造柱70的长度、宽度 和深度。柱70的长度可以是从10厘米至50米的任何期望的长度，因为第一 实施方式的原理适用于不同长度的柱。可以在此第一实施方式中重要的是， 柱70布置在平面基底材料72中，使得加热机构然后可以布置在下方、上方、 周围、侧面上、或当施加次级热时均匀地加热整个通道70的任何其它位置。 例如，加热机构可以同热板或烘箱一样操作。然而，此实例不应当被认为是 限制性的，并且可以使用将向整个柱70均匀地施加次级热并且落入第一实施 方式的范围内的任何加热方法。

提供图7作为GC的部分的透视图，并且图7包括第一热源76和第二热 源78。第一热源76显示为布置在柱70的前端80或注射端下方。第二热源 78显示布置在柱70的下方，并且沿着柱70的长度布置，包括在后端82或喷 出端处。第一热源76可以被认为是用于在柱70内产生热梯度的初级热源。 次级热源78可以是一旦热梯度产生即施加至柱以修改热梯度的次级热。

平面基底材料72中的通道70的形状可以是任何期望的形状，包括但不 限于螺旋形、蛇形、或为了产生热梯度曲线和施加次级热——如果需要—— 将提供期望的长度的柱且能够施加初级热的任何其它形状。对于基底材料72 的给定的宽度和长度，为了使得柱尽可能地长，图7显示了柱70形成为蛇形。

可以使用任何现有技术方法将初级热和次级热施加至柱70，所述方法包 括但不应当认为限制于如本领域技术人员理解的热交换器、空气浴烘箱、电 阻加热、红外线加热、感应加热和微波加热。第一热源76和次级热源78的 实例仅用于说明目的，并且不应当认为被附图所限制。

提供图8作为GC的部分的透视图和侧视图，并且包括第一热源96和第 二热源98。第一热源96显示布置在柱90的前端100或注射端的下方，其中 柱在螺旋的中心开始。第二热源98显示布置在柱90的下方并沿着柱90的长 度布置，包括在后端102或喷出端处。第一热源96可以被认为是用于在柱90 内产生热梯度的初级热源。次级热源98可以是一旦热梯度产生即施加至柱以 修改热梯度的次级热。

平面基底材料92中的通道90的形状可以是任何期望的形状，包括但不 限于螺旋形、蛇形、或为了产生热梯度曲线和施加次级热——如果需要—— 将提供期望的长度的柱且能够施加初级热的任何其它形状。对于基底材料92 的给定的形状，为了使得柱尽可能地长，图8显示了柱90形成为螺旋形。

通过在平面基底材料92中形成通道或柱，可以以适当的材料形成柱90， 并且然后覆盖层或顶层94可以布置在平面基底材料上，如由虚线箭头所指示。 例如，可以使用蚀刻、激光、或可以从平面基底材料92移除材料的任何其它 手段形成柱90。

基底材料中柱的制造可以使用如本领域技术人员已知的宏观制造 (macrofabrication)或微观制造(microfabrication)技术进行。换句话说，制造技术 可以应用自宏观制造和微观制造中的任一种或二者。

第一实施方式的一个方面可以是使用来自现有技术的柱的能力。例如， 气相色谱仪中的先前的柱包括短柱、长柱、填充柱和非填充柱设计。应当理 解的是，第一实施方式可以与任何现有技术柱设计一起使用以实现柱内的期 望的热梯度。

第一实施方式的另一个方面是修改热梯度以改变热梯度上移的速率或在 沿着柱的不同位置处作出轮廓的改变。例如，对轮廓的这样的修改可以包括 改变热梯度的斜率或改变曲率，但是其它改变也应当被认为落入本发明的第 一实施方式内。

热梯度的修改可以被设计为改变GC的一个或多个方面，包括但不限于分 辨率、效能、洗脱峰的锐度、或洗脱时间。这样的修改可以在分离期间或连 续分离中完成。

本发明的第二实施方式可以限定为与第一实施方式的热梯度不同的热梯 度。然而，相同的热梯度GC可以用于产生在此文件中描述的全部热梯度。

第二实施方式的热梯度可以限定为第二热梯度，其由具有第一部分112 且具有非正的一阶导数的第二热梯度曲线110表示，所述第一部分112具有 非负的二阶导数。因而第一部分112可以呈现为如图9中所示。图9显示了 第一部分112可以是线性的和递减的。第二热梯度曲线110的第二部分114 可以是平的或等温的。

第三热梯度由第三热梯度曲线表示。第三热梯度曲线可以具有第一部分 ——其具有负的一阶导数——和第二部分——其具有非负的二阶导数。

本发明的另一个方面可以是：只要热梯度在柱的一些部分内存在，则热 梯度存在，其可以提供本发明的优点。热梯度可以相对小，并且可以在相对 短长度的柱内存在。热梯度可以是弓形斜率、线性斜率或分级函数，或这些 轮廓的组合，并且可以被认为在本发明的范围内。

热轮廓的这些修改可以基于样品中分析物的期望的模式、先前分离的结 果或当前分离中洗脱模式的实时反馈。这样的反馈——来自GC的先前运行、 来自分析物的轮廓的统计可能性，或实时闭环反馈——可以被设计以改进保 留时间的估计和定量以及寻找共洗脱污染物峰。

本领域技术人员将容易地领会，许多修改在实例实施方式中是可能的， 而实质上不背离此第一实施方式或本发明。因此，全部这样的修改意欲包括 在如在下列权利要求中限定的本公开内容内。对于本文中任何权利要求的任 何限制，不援引35U.S.C.§112第6段是申请人的表达意图，除了在其中权 利要求明确地与相关联的功能一起使用词语‘意欲(meansfor)’的那些之外。