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热裂解

更新时间:2023-11-16       点击次数:2216

   作为样品前处理领域的行业先锋,通过20余年的技术积淀,莱伯泰科已研发生产出各类成熟的色谱前处理产品,包括快速溶剂萃取仪、吹扫捕集仪、固相萃取仪、热裂解仪、热脱附、凝胶净化系统等,可以多方位满足色谱分析的前处理需求,并已广泛应用于环境检测、食品安全、医疗卫生、疾病控制、材料研究、生命科学等领域。

  随着色谱技术在各行业更加广泛的应用与普及,我们特开设了“色谱前处理技术专题”,展示莱伯泰科前处理产品的新技术和应用,便于大家更全面地了解各类色谱前处理技术。

  第一期:热裂解技术的现状与展望

  一、热裂解技术简介

  在分析化学领域,许多大分子物质,如生物体、合成高分子材料,由于其极低蒸气压甚至不挥发,无法直接用气相色谱或质谱等常规方法进行分离分析。对于此类的分析,热裂解是一种非常有效的分析方法。

  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,这样可用于合成聚合物、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,根据其大分子的化学键的强弱,分子发生裂解。裂片是根据大分子的原子之间的化学键的相对强弱来分解形成。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,可应用于能源物质和反应、聚合物材料等分析,可以应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。

  目前比较热门的热裂解仪应用领域是微塑料和RoHS塑化剂分析。塑料作为工业的亿吨级产品,在自然环境中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的,并对人体健康造成危害,热裂解串联GC-MS可在低浓度进行定量定性分析。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,不需复杂的提取纯化等前处理,大大简化了实验操作。

  二、热裂解仪原理及组成

  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 Analytical(以下简称: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1

   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。

CDS6200热裂解仪 (2)

   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)。

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)

   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热裂解新技术

  1、*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

   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

   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便。而如果将各种前处理设备进行集成化,则能解决上述问题。

产品组合

 

  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,它将使前处理变得更加从容,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地完成对新领域的色谱分析研究工作。
  热裂解CDS 6200 全自动热裂解仪可与任意品牌的GC或GC/MS联机使用,进行样品中聚合物、添加物以及其他物质的检测。可以应用于生物质能源、橡胶塑料、造纸、电子电气、烟草、刑侦、石油化工以及文物考古等领域。
  热裂解CDS 6200 全自动热裂解仪具有高的温度、快速的升温降温速率以及便捷的操作等性能优势。
  裂解温度: 室温 ~ 1300°C,增量1℃,温度精度: ± 0.1 °
  降温速率:温度从650℃降至50℃以下时间仅需18秒,还不需冷却气体
  触屏控制操作:主机自带触摸屏,具有一键启动功能,方便客户操作和观察设备运行情况
  温度控制:加热测量一体的白金电阻加热系统,温度实时监测
  数据重现 :RSD≤1.5% (聚苯乙烯),重现性好
  样品管重复利用:石英裂解管可一直重复使用,清洗方便,还可以观察样品的位置和形态变化
  程序升温:可对同一样品实现程序升温裂解,每一个程序可以设10个步骤
  GC连接:高温传输线直接连接进样口,加热温度可高达 350°C ,不影响其它进样口同时使用,而且拆卸方便
  反应气切换功能:可根据样品实验需求切换不同气氛,比如由氦气切换为空气,可模拟有氧燃烧实验
  兼容多模式:支持捕集和无捕集两种模式,即可直接裂解进入分析仪器,裂解后可通过捕集阱捕集后再导入分析仪器。模式之间转换通过软件一键操作即可。支持载气切换及反应气模式