実時間ガスクロマトグラフィー質量分析極微量気体検出
【課題】極微量気体サンプルを捕獲し蓄積し、分離のためのGCカラムへの送出しのためにサンプルを残し、サンプルをGCカラムを通じてサンプル成分に分離し、質量分析計でサンプル成分を全て実時間で分析する、実時間GC/MS極微量気体検出及び分析システムを提供する。
【解決手段】ガス流量配分システムが、超小型アキュームレータでサンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを蓄積し、これをキャリヤーガスを使用してガスクロマトグラフィーカラムへ送り出し、キャリヤーガスをガスクロマトグラフィーカラムへ供給して、実時間で、サンプル成分へのサンプルの分離を容易にし、極微量気体の検出及び分析又は試験のため、質量分析計へサンプル成分を輸送する。
【解決手段】ガス流量配分システムが、超小型アキュームレータでサンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを蓄積し、これをキャリヤーガスを使用してガスクロマトグラフィーカラムへ送り出し、キャリヤーガスをガスクロマトグラフィーカラムへ供給して、実時間で、サンプル成分へのサンプルの分離を容易にし、極微量気体の検出及び分析又は試験のため、質量分析計へサンプル成分を輸送する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクロマトグラフィー及び質量分析法を使用する極微量気体検出に関し、特に、極微量気体の検出及び分析のためのガスクロマトグラフィーカラム及び質量分析計への極微量の気体サンプルの実時間での蓄積及び送出しに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスクロマトグラフィー質量分析（GC/MS）技術は、混合ガスを分析するために使用され得る。このような応用では、ガスクロマトグラフィー（GC）カラムは、サンプル混合ガスをサンプル成分に分離し、分離した成分は、質量分析計で化学的に分析される。
【０００３】
極微量気体の検出及び分析へのGC/MSの応用では、極微量気体検出器へのサンプルの取入れ及び導入に厳重な要件が課せられる。ガスクロマトグラフィーは、集中したパルスでサンプルを導入しなければならない。しかし、周囲の大気のサンプリング環境での極微量気体の分布は、極めて拡散している。細管カラムを用いた高速ガスクロマトグラフィーが約10秒のオーダーでサンプル成分を分離するのに適しているが、市販の機器、特にサンプル流入口システムの限界が、高速ガスクロマトグラフィーの一般的な応用を妨げてきた。特に、GCカラムへの送出しのため、適当なパルス集中で極微量気体サンプルを蓄積する従来の方法では、極微量気体検出の実際の応用には遅すぎる。
【０００４】
流入口システムを改良した一つの方法は、流入口デバイスとして気体収集低温トラップを使用することである。低温トラップに極微量気体サンプルを蓄積した後、流入口デバイスは、収集したサンプルをGCカラムへ直ぐに入力するために加熱される（例えば、非特許文献１を参照）
【非特許文献１】アール・エフ・モーラディアン（R. F. Mouradian）ら著、“Evaluation of a Nitrogen-Cooled, Electrically Heated Cold Trap Inlet for High-Speed Gas Chromatography”、２８J. CHROMATOGRAPHIC SCIENCE、1990年12月、第643-48頁
【０００５】
実用的なGC/MS極微量気体検出システムを達成するためには、GCカラムへの極微量サンプルの蓄積及び送出しと、サンプルの分離及び分析とを実時間、すなわち、分単位、又は好適には秒単位で行わなければならない。しかし、低温トラップ流入口システムを開発しても、GC/MSの方法が、極微量気体の分析及び検出の一般的な応用に適合されてこなかった。また、低温トラップのような収集デバイスを通じ、GCカラムを通じて質量分析計へサンプルの流れを向ける、という方法では、流量配分を容易にし且つ実時間での極微量気体検出を達成するために、個別の計器の構成成分の速さの十分な使用がなされていないことが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、極微量気体サンプルを捕獲し蓄積し、分離のためのGCカラムへの送出しのためにサンプルを残し、サンプルをGCカラムを通じてサンプル成分に分離し、質量分析計でサンプル成分を全て実時間、すなわち約30秒以内に分析する、実時間GC/MS極微量気体検出及び分析システムを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、空き体積を最小化し且つ極微量気体検出及び分析システムの汚染を除去して、システムの保全性、及び検出及び分析の精度を確保することである。
【０００８】
本発明のその他の目的は、サンプルの流れを向けるために純キャリヤーガスを使用して、極微量気体検出システムで高度の流量制御を達成し且つ従来の電気機械式の流量制御デバイスに関連した電気的及び機械的な問題を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの態様では、ガス流量配分システムが、極微量気体の検出及び分析のための拡散状態にあるサンプルの蓄積及び送出しを制御する。このガス流量配分システムは、サンプル送出し回路と、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路と、GCキャリヤーガス流入回路と、配分キャリヤーガス流入回路とから構成される。サンプル送出し回路は、蓄積サイクルでサンプルを蓄積するためのサンプルアキュームレータを含む。ガスクロマトグラフィーカラムへサンプルを送り出すとき、アキュームレータは、分離サイクルでサンプルを分離するため、配分サイクルでサンプルを受けるためにガスクロマトグラフィーカラムに連通する。サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路は、実時間でサンプルアキュームレータにサンプルを蓄積するため、サンプルアキュームレータを通じたサンプル送出し回路へのサンプルベアリングキャリヤーガスの供給（又はサプライ（supply））を含む。サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路は、さらに、送出しサイクルでサンプル送出し回路からサンプルベアリングキャリヤーガスを分流するためのサンプル分流スイッチを含む。GCキャリヤーガス流入回路は、実時間でのサンプル分離のため、サンプル送出し回路を通じたガスクロマトグラフィーカラムへのGCキャリヤーガスの供給を含む。GCキャリヤーガス分流スイッチが、送出しサイクルでGCキャリヤーガスをサンプル送出し回路から分流する。配分キャリヤーガス流入回路は、要求される短いパルスの送出しサイクルでガスクロマトグラフィーカラムへアキュームレータのサンプルを送り出すために、配分キャリヤーガスの供給を含む。排流スイッチが、蓄積サイクル及び分離サイクルで配分キャリヤーガスをサンプル送出し回路から分流する。
【００１０】
本発明の他の態様では、ガス制御回路が、極微量気体検出システムでガスクロマトグラフィーカラムへサンプルを供給する。このガス制御回路は、サンプルを含んだサンプルベアリングキャリヤーガスの供給から構成される。ガス制御回路は、さらに、キャリヤーガスの供給と、サンプル蓄積手段と、実時間でサンプル蓄積手段でサンプルを蓄積し且つ蓄積モードでサンプル蓄積手段へ入り込む配分キャリヤーガスを分流するため、サンプルベアリングキャリヤーガスをサンプル蓄積手段へ向けるための手段とから構成される。ガス制御回路は、また、キャリヤーガスとの実時間での分離のため、サンプル蓄積手段で蓄積したサンプルをガスクロマトグラフィーカラムへ輸送し、且つ送出しモードでサンプル蓄積手段へ入り込むサンプルベアリングキャリヤーガスを分流するための手段を含む。
【００１１】
本発明のその他の態様では、ガス流れ回路が、ガスクロマトグラフィーカラムへのサンプルの実時間での蓄積及び送出しを行う。このガス流れ回路は、マニホルドと、サンプルベアリングキャリヤーガスをマニホルドに導入するためのサンプル流入ラインと、検出キャリヤーガスをマニホルドに導入するための検出キャリヤーガス流入ラインと、配分キャリヤーガスをマニホルドに導入するための配分キャリヤーガス流入ラインと、アキュームレータとから構成される。サンプル流入ラインは、サンプル分流バルブを有するサンプル分流ラインを含む。検出キャリヤーガス流入ラインは、マニホルドを通じてガスクロマトグラフィーカラムに連通し、検出キャリヤーガス分流バルブを有する検出キャリヤーガス分流ラインを含む。配分キャリヤーガス流入ラインは、配分キャリヤーガス分流バルブを有する配分キャリヤーガス分流ラインを含む。アキュームレータは、配分キャリヤーガス流入ラインとマニホルドとの間に配列される。配分キャリヤーガス分流バルブが開かれ、サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが閉じられると、アキュームレータは、サンプル流入ライン及びマニホルドの下流、及び配分キャリヤーガス分流ラインの上流にあり、ガスクロマトグラフィーカラムは、検出キャリヤーガス流入ライン及びマニホルドの下流にある。配分キャリヤーガス分流バルブが閉じられ、サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが開かれると、アキュームレータは、配分キャリヤーガス流入ラインの下流、及びマニホルド及びガスクロマトグラフィーカラムの上流にある。
【００１２】
本発明のその他の態様は、ガスクロマトグラフィー及び質量分析計を使用して極微量気体を検出し分析する方法であり、以下の工程を含む。サンプルベアリングキャリヤーガスが、実時間でサンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを捕獲し蓄積するアキュームレータを通じて与えられる。サンプルベアリングキャリヤーガスは、アキュームレータでのサンプルの蓄積のため、アキュームレータから分流され、キャリヤーガスが、実時間でサンプルをガスクロマトグラフィーカラムへ輸送するために、アキュームレータを通じて向けられる。GCキャリヤーガスが、実時間でサンプルをサンプル成分に分離し且つ質量分析計へサンプル成分を輸送するために、ガスクロマトグラフィーカラムを通じて供給される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
これら実施例は、説明のみを目的とした添付の図面に示す本発明のGC/MS極微量気体検出のための新規であり且つ自明でないシステム及び方法を説明する。以下に示すこれら図面では、同様の構成要素については同様の符号で示す。
【００１４】
図１を参照して、図示の極微量気体検出及び分析システム10は、ガス流量配分システム又は制御回路12を使用し、検出及び分析システム10を通じて極微量気体サンプルを向ける。流量制御システム12は、利点的に、清浄なキャリヤーガスを使用してサンプルの送出しを制御し、これにより、従来の電気機械式デバイスに関連した問題を解消する。
【００１５】
A. ガス流量配分システム
図１に示すガス流量配分システム12の実施例の例示では、三つのガスの流入口がある。第一の流入口（サンプルベアリングキャリヤーガスの流入口）20が、サンプルベアリングキャリヤーガス流入分岐点24でガス配分マニホルド22に連結される。第一の流入口20は、サンプル流量調節ライン26と、バルブ又はスイッチ28とを含むことが望ましい。サンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン30が、第一の流入口20とマニホルド22との間の流入分岐点24へ伸長する。分流ライン30は、分流出口又は流出口32を有し、分流出口32の付近にサンプルベアリングキャリヤーガス分流バルブ又はスイッチ34を含むことが望ましい。
【００１６】
第二の流入口（検出又はGCキャリヤーガスの流入口）36が、GCキャリヤーガス流入分岐点38でガス配分マニホルド22に連結され、好適に、GCキャリヤーガス流量調節ライン40と、バルブ又はスイッチ42とを含む。分流出口又は流出口48を有するGCキャリヤーガス分流ライン46が、流入分岐点38でGCキャリヤーガスの流入口36とマニホルド22との間に連結される。GCキャリヤーガス分流スイッチ又はバルブ50が、分流出口48の付近に配列されることが望ましい。
【００１７】
第三の流入口（配分又は送出しキャリヤーガスの流入口）54が、サンプルアキュームレータ56の一方側に連結される。サンプルアキュームレータ56の他方側は、利点的に、サンプルベアリングキャリヤーガスの流入分岐点24と、GCキャリヤーガスの流入分岐点38との間に配置されるアキュームレータ流れの流入分岐点58で、アキュームレータ流れライン57を通じてマニホルド22に連結される。第三の流入口54は、調節スイッチ又はバルブ62を有する配分又は送出しキャリヤーガス調節ライン60を含むことが望ましい。配分キャリヤーガス分流ライン又は排流ライン64が、配分又は送出しキャリヤーガスの流入分岐点65でアキュームレータ56と第三の流入口54との間に連結される。排流ライン64は、排流又は分流バルブ68を有する排流又は分流出口66を有する。幾つかの場合では、分流出口32、48、66に真空シンク（図示せず）を設けてもよい。
【００１８】
GC流入ライン70が、好適に、アキュームレータ流れの流入分岐点58と、GCキャリヤーガスの流入分岐点38との間に配列されるGC流入分岐点72でガス配分マニホルド22と連結する。GC流入ライン70は、GCカラム74を供給し、質量分析計76が、このGCカラムの出力端部又は出口78に隣接する。サンプルベアリングキャリヤーガスの流入口20への流入口流量I1、配分キャリヤーガスの流入口54への流入口流量I2、及びGCキャリヤーガスの流入口36への流入口流量I3は、それぞれ、一定であることが望ましい。一定の流量を与えることは、一貫性のあるGC作動を与えるので、GC分析に利点がある。これら流量が異なった一定の流量に調節された場合、これらが繰り返し可能であれば、GC分離に利点がある。
【００１９】
このような流量を達成するためには、分流ライン30、46、64、GC流入ライン70、及びアキュームレータ流れライン54は、それぞれ、一定の内径を有する略円形状の長手方向の管であることが好適である。GCカラム74の内径が約180ミクロンであるとき、マニホルド22、分流ライン30、46、64、GC流入ライン70、及びアキュームレータ流れライン57の内径は、180ミクロン付近になり得るが、一般に、500ミクロン以上であり得る。マニホルド22、GC流入ライン70及びアキュームレータ流れライン57のような内部流れラインの180ミクロンの内径が、内部体積を減少することから、ガスの流れの目的地への到達時間を短縮し且つ操作時間全体を低減するのに望ましい。好適な内径は、マニホルド22については約500ミクロン、GC流入ライン70については約180ミクロン、アキュームレータ流れライン57については約500ミクロンである。分流ライン30の内径は約500ミクロンであることが望ましく、分流ライン46では約500ミクロンの内径、分流ライン64では約500ミクロンの内径である。
【００２０】
例示の実施例では、分岐点58、72を通じたサンプルアキュームレータ56とGCカラム74との間の流れの経路の距離は、約5cm以下が好適である。これは、上述のように、アキュームレータ56からGCカラム74へのサンプルの送出しを促進する。他の構成成分の長さ及びこれらに対応する内部体積は、検出システム10の一般的な作動に対しては重大ではないが、実時間での作動のために統制的に働かせなければならない。流入分岐点24から流入分岐点38へのマニホルドの好適な長さは、12cm以下である。分流ライン30、46、64の長さは、好適には20cm以下であり、より好適には15cm以下である。
【００２１】
以下、サンプルアキュームレータ56の構造及び機能について説明する。適当なGCカラム74及び質量分析計76は、従来技術で知られており、その詳細について、ここでは説明しない。GCカラム74の好適実施例は、約1/10c.c.の内部体積と約180ミクロンの内径を有し、約10-15秒の幾つかのサンプルの高速GC分離を達成する。このタイプのGCカラム74は、検出システム10での実時間極微量気体検出及び分析に適している。ここで、GCカラム74の好適な内部体積は、分離のために選択されたサンプルに幾分か従う。
【００２２】
構成成分は、構成成分の形状や大きさによって幾分か決定される検出システム10の空き体積を低くさせるように配列されることが望ましい。一般的な原則として、GC解像度は、空き体積のパーセンテージに逆比例する。例えば、空き体積が約1/100c.c.である場合、10のGC解像度が、1/10c.c.のGCカラムで実現される。このことから、システム10の空き体積は、GCカラムの内部体積と、要求されるGC解像度の逆数との積に近似的に等しいか又はそれ以下である。
【００２３】
作動の際、少なくとも、マニホルド22、サンプルアキュームレータ56及びGC流入ライン70を含む検出システム10の内部作動部分が、例えば、あるサンプルの約200EC以上の温度の高温炉内に配置される。高温環境は、流量配分回路12内の適当な流量を確保にし且つガスクロマトグラフィーカラム及び質量分析でガスのピークの不要の拡散による低い分析結果を引き起こす回路12内の詰まりや低温部の形成を防止する。
【００２４】
極微量気体検出及び分析システム10の保全及び分析の精度を維持するために、システム10の構成成分は、好適に、多種のガスに接触する非反応性内部を有する。これら構成成分は、全体的にガラスや石英といった非反応性又は不活性の材料から構成され得る。石英製の構成成分は、易損性であり、取り扱いが難しい。市販の石英系のステンレス鋼製の構成成分が好適であり、これは、シリカを有する系列のステンレス鋼は、易損性が小さく、より可撓性であり耐久性があるからである。ここで示さない他の不活性の材料も使用できる。
【００２５】
バルブ28、34、42、50、62、68は、回路12での流量配分を行うために使用され、好適に、バルブのオン及びオフの切り換えでの時間遅延を最小化するために低い体積を有する。これらバルブは、利点的に、高温領域の外側での容易な作動のため、炉及び検出システム10の内部作動部分の外部に配置され、このことから、高温に適したものである必要がない。バルブは、また、利点的に、システム10の内部の流れの経路の下流に配置され、これら流れがサンプルの計測ストリームに入り込まない。ここで、以下で説明するように、ライン46が排流に対して適当なインピーダンスをもつように分流バルブ50を除去することができ、これは、必要なときに逆流を防止するために流入分岐点38に圧力を与えるように流量制御されない限り、調節バルブ42がGCキャリヤーガスI3の流量制御を行うのに足りるからである。この形状は、以下でより詳細に説明するように、システム10へのバルブ28、34、42、50、62、68による空き体積の導入を最小化する。十分に不活性であり且つ配分回路12での流量を制御するのに適した市販のバルブは、Clippard Instrument Laboratory, Inc.による電気的に作動するバルブである。
【００２６】
検出システム10の様々な構成成分は、いずれの適当な方法を使用しても組み立てることができる。例えば、これら構成成分が石英から構成される場合、その連結部を密閉するために"はんだガラス"が使用できる。変形的に、Silco Steelとして商業的に知られるシリカ系統のステンレス鋼が、これら構成成分の間の管や連結部の継手のために使用できる。別の実施例では、検出システム10の全体は、集積回路の製造に広く使用される方法であるミクロリソグラフィーによるモノリシックシステムであり得る。
【００２７】
1. サンプルベアリングキャリヤーガス生成器
流入口20へのサンプルベアリングキャリヤーガスの供給は、様々なやり方で生成される。サンプルベアリングキャリヤーガス生成器90の例は、図２に示すメンブレンセパレータである。メンブレンセパレータ90は、空間94cへの周囲の大気を受けるための空気流入口94と、サンプル減損空気のための流出口ポート又はベント94bと、全ての残留サンプル減損空気のための流出口ポート又はベント101と、空間102へのキャリヤーガスを受けるためのキャリヤーガス流入口95と、サンプルベアリングガスの出力のための流出口96とを有するチャンバー92から構成される。チャンバー92の内部には、相互に間隔をあけた二つのメンブレン98、99が、空間94cから空間102への流れの経路中に配置されている。各々のメンブレン98、99は、細孔を有する基質の支持板で裏当てしたシリコンゴムフィルムからなり、チャンバー92の断面にわたって密閉される。メンブレン98、99は、これらの間に空間100を画成し、空間94cと空間102とを分離する。炭化水素のような入力空気のサンプル構成物質は、これらの分圧の勾配の下流へ移動して、シリコンゴムで分解され、メンブレン98、99を通じて他方側へ拡散する。
【００２８】
第一のメンブレン98は、流入口94の付近に配置され、入力空気中のサンプルのガス構成物質を通過させる。第一のメンブレン98は、空気の殆どを遮断する。メンブレン98から漏れる少量の空気は、空間94cの外部へ真空ポンプ（図示せず）により流出口ポート94bを通じて殆ど排気される。サンプルは、第二のメンブレン99を通過してキャリヤーガス流入口95及び流出口96に隣接したチャンバー92の他方側へと移動する。清浄なキャリヤーガスが、サンプルと混合し、図１のサンプルベアリングキャリヤーガスの流入口20へ供給されるサンプルベアリングキャリヤーガスの形で流出口96を通じてそれを運ぶ。この流出は、セパレータ90を通じるサンプルの流れを駆動するサンプル分圧勾配を維持する。他の適当なサンプルベアリングキャリヤーガス生成方法も使用できることが理解できる。
【００２９】
2. サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路
図１を参照して、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110が、サンプルベアリングキャリヤーガス流入口20と、分流ライン30と、分流バルブ34とから構成される。この流入回路110は、サンプルの捕獲及び蓄積のためのアキュームレータ56へのマニホルド22を通じるサンプルベアリングキャリヤーガスの供給を制御する。サンプル流量調節バルブ28は、サンプル流量調節ライン26を通じる流量を調節することによってマニホルド22への一定したサンプルベアリングキャリヤーガスの流量I1を調節するために使用される。サンプル流量調節ライン26を通じる流れが速いと、マニホルド22へ入り込むサンプルベアリングキャリヤーガスの流量I1が遅くなる。分流バルブ34は、サンプルアキュームレータ56へサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを向けるために閉じられるか、又は、流れを流入分岐点24でアキュームレータ56から遠ざけ、分流出口32の外部へ分流ライン30を通じて分流するために開かれる。サンプルベアリングキャリヤーガスの流れの経路は、利点的に、バルブ28、34のどちらも横切らず、バルブ28、34によって空き体積や汚染を回避する。
【００３０】
分流中のマニホルド22から流入回路110への逆流が、問題を引き起こし得る。分流バルブ34が開かれて分流ライン30を通じて流れを分流すると、サンプル流量調節バルブ28は、マニホルド22からサンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110への逆流を防止するために流入分岐点24の近傍で適当な圧力を維持するように調節されることが望ましい。変形例では、分流バルブ34は、また、流入回路110の圧力を制御するように調節可能であり得る。この場合、サンプル流量調節バルブ28又は分流バルブ34のいずれか一方の調節が、流入回路110への逆流を防止できる圧力を達成するのにほぼ十分である。
【００３１】
3. GCキャリヤーガス流入回路
図１に示すように、GCキャリヤーガス流入回路120は、GCキャリヤーガス流入口36と、分流ライン46と、分流バルブ50とから構成される。流入回路120は、分離のためのGCカラムと分析のための質量分析計76とを通じるサンプルを押圧するために、GCカラム74へのマニホルド22及びGC流入ライン70を通じるGCキャリヤーガスの供給を制御する。流量調節バルブ42は、流量調節ライン40を通じる流量を調節することによってマニホルド22への一定のGCキャリヤーガスの流量I3を調節するために使用される。分流バルブ50は、GC流入ライン70へGCキャリヤーガスの流れを向けるために閉じられ、又は、流れを流入分岐点38でGC流入ライン70から遠ざけ、分流出口48の外部へ分流ライン46を通じて分流するために開かれる。マニホルド22へのGCキャリヤーガスの流れの経路は、利点的に、バルブ42、50のどちらも横切らず、これらによってシステム10の空き体積や汚染を回避する。
【００３２】
分流バルブ50が開かれて流れを分流ライン46を通じて分流するとき、マニホルド22からGCキャリヤーガス流入回路120への逆流を防止するために、流量調節バルブ42は、流入分岐点の近傍で適当な圧力を維持するように調節され得る。変形例では、分流バルブ50は、また、流入回路120の圧力を制御するように調節され得る。流量調節バルブ42又は分流バルブ50のいずれかの調節が、このときの流入回路120への逆流を防止できる圧力を達成するのに十分であり得る。ここで、必要なときに逆流を防止するために流入分岐点で適当な圧力を支持するために十分な流量I3が生成される限り、調節バルブ42が、マニホルド22へのGCキャリヤーガスの流量を制御するのに十分であるから、分流ライン46の適当なインピーダンスが、内径の大きさによって画成され、分流バルブ50は、除去され得る。
【００３３】
4. 配分キャリヤーガス流入回路
図１に、配分又は送出しキャリヤーガス流入口54と、分流又は排流ライン64と、分流又は排流バルブ68とから構成される配分又は送出しキャリヤーガス流入回路130を示す。流入回路130は、サンプルアキュームレータ56を通じる配分キャリヤーガスの供給を制御して、GCカラム74へのマニホルド22及びGC流入ライン70を通じてそこに収集したサンプルを駆動する。流量調節バルブ62は、流量調節ライン60を通じる流量を調節することによってアキュームレータ56への一定の配分キャリヤーガスの流量I2を調節するために使用される。排流バルブ68は、アキュームレータ56へ配分キャリヤーガスの流れを向けるために閉じられ、又は、流れを流入分岐点65でアキュームレータ56から遠ざけ、排流出口66の外部に排流ライン64を通じて分流するために開かれる。マニホルド22への配分キャリヤーガスの流れの経路は、利点的に、バルブ62、68のどちらも横切らず、バルブ62、68によってシステム10の空き体積や汚染を回避する。
【００３４】
排流バルブ68が開かれて、流れが排流ライン64を通じて分流されると、流量調節バルブ62は、配分キャリヤーガス流入回路130からアキュームレータ56又はGC流入ライン70への干渉流れを防止するために、配分キャリヤーガス流入分岐点65の近傍で適当な圧力を維持するように調節され得る。これに代わって、配分キャリヤーガスの流れが、排流出口66の外部へのアキュームレータ56を通じる流入口回路110からのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを容易にする。変形例では、排流バルブ68は、また、流入回路130での圧力を制御するように調節できる。流量調節バルブ62又は分流バルブ68のいずれかの調節が、流入回路130への逆流を防止できる圧力を達成するのに十分である。
【００３５】
5. サンプル送出し回路
図１に示すように、サンプル送出し回路140は、マニホルド22と、サンプルアキュームレータ56と、GCカラム74及び質量分析計76へと続くGC流入ライン70とから構成される。サンプルアキュームレータ56は、第一の流入口20からマニホルド22へ入り込み、アキュームレータ56へのアキュームレータ流れライン57を通過するサンプルベアリングキャリヤーガスの流れからサンプルを捕獲し収集する。十分な両のサンプルを蓄積すると、アキュームレータ56のサンプルは、熱パルスによって解放され、サンプルをGCカラム74へマニホルド22及びGC流入ライン70を通じて供給する。このようなサンプルの輸送では、アキュームレータ74を通じる流れの方向が逆転する。配分キャリアガスは、第三の流入口54へ入り込み、サンプルアキュームレータ56を通過して、サンプルをGC流入ライン70へアキュームレータ流れライン57及びマニホルド22を通じて運ぶ。このとき、サンプルは、GCカラム74でサンプル成分への分離の準備ができ、また、配分キャリヤーガスは、サンプルアキュームレータ56から分流される。GCカラム74でのサンプルの分離を容易にするために、GCキャリヤーガスは、GCカラム74を通じるサンプルを押圧するために、マニホルド22及びGC流入ライン70を通じて第二の流入口36から入り込む。
【００３６】
流量配分回路12での流れの平衡のため、好適に、マニホルド22を通じるサンプル収集のためのサンプルアキュームレータ56に入り込むとき、GCカラム74にサンプルベアリングキャリヤーガスの直接の流れ込みを防止するために、GC流入分岐点72に十分な圧力がある。この圧力は、GC流入ライン70を通じる流れを制限するGCカラム74の内径の大きさにより作り出されるGCカラム74のインピーダンスZcによって維持され得る。好適実施例では、第二の流入口36からのGCキャリヤーガスは、蓄積のためのアキュームレータ56を通じる第一の流入口20からのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れと同時に、サンプル分離のためのGC流入ライン70を通じて流れる。この場合、GCキャリヤーガスの圧力は、GC流入ライン70へのサンプルベアリングキャリヤーガスの直接的な流れを防止するために、GC流入分岐点72で圧力を維持する。同様に、アキュームレータ56へのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れは、アキュームレータ56へのマニホルド22及びアキュームレータ流れライン57を通じるGCキャリヤーガスの直接の流れを防止するために、アキュームレータ流れ流入分岐点58で圧力を支持する。その結果、サンプルベアリングキャリヤーガス及びGCキャリヤーガスは、相互に絶縁される。
【００３７】
また、配分キャリヤーガスが第三の流入口54からアキュームレータ56及びマニホルド22を通じてGC流入ライン70へ流れるときに、好適に、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110又はGCキャリヤーガス流入回路120のいずれかからの干渉流れを防止するために、アキュームレータ流れ流入分岐点58及びGC流入分岐点72に十分な圧力が作り出される。この流れの平衡は、内径の大きさによって決定される流れラインでの適当な固有のインピーダンス値によるのと同様に、精密な時間間隔でバルブ28、34、42、50、62、68を作動させることによって達成される。自動的にバルブを作動させるために、コンピューターやこれと同様のデバイス（図示せず）を組み入れることができる。
【００３８】
サンプルアキュームレータ56は、利点的に、実時間（好適に10-20秒以内）でサンプルベアリングキャリヤーガスから十分な量のサンプルを捕獲し蓄積し、数秒（好適に1-2秒）で配分キャリヤーガスの流れに支援されたGCカラム74へ収集サンプルを輸送するために選択される。サンプルアキュームレータ56の例示の実施例は、上述したMouradianのものに類似する電気加熱式の低温トラップ（図示せず）を使用する。サンプルは、例えば低温窒素ガスにより冷却されたアキュームレータ56の内部で捕獲され収集される。アキュームレータ56のサンプル蓄積体積は、例示の実施例では、好適に約5ミクロンリットルである。このように小さな体積のため、検出システム10に使用したサンプルアキュームレータ56は、超小型アキュームレータのように特徴付けられる。典型的に10-20秒の時間間隔（サンプルベアリングキャリヤーガス及び低温トラップ捕獲パラメータでのサンプルの濃縮レベルを適当にするように変化し得る）で適当な量のサンプルを蓄積するとき、アキュームレータ56は、例えばアキュームレータ56に連結したワイヤーを通じる大きな電流のパルスによって自動的に電気的に加熱される。このような大きな電流のパルスは、アキュームレータ56に衝動的な温度上昇を生成し、第三の流入口54の配分キャリヤーガスによって発生された流れに沿ってアキュームレータ56からGCカラム74へのサンプルの急激な環流のためのほぼ瞬時の加熱を起こさせる。
【００３９】
B. ガス流量配分システムの作動
図１のガス流量配分システム12の作動は、三つのフェーズに分けられる。蓄積フェーズでは、サンプルアキュームレータ56が、サンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを蓄積する。蓄積したサンプルの送出し又は環流フェーズでは、配分キャリヤーガスが、アキュームレータ56の収集したサンプルをGCカラム74へ輸送する。検出又は分離フェーズでは、GCキャリヤーガスが、分離のためのGCカラム74及び分析のための質量分析計76を通じてサンプルを駆動する。サイクルの第三のフェーズは、通常、継続するサイクルの第一のフェーズと同時である。
【００４０】
1. 蓄積フェーズ
サンプルベアリングキャリヤーガスは、蓄積フェーズ中、アキュームレータ56をチャージするために、サンプルをサンプルアキュームレータ56へ供給する。サンプルベアリングキャリヤーガスの流れの経路は、流入口20で始まり、流入分岐点24を通じマニホルド22へ続く。サンプル流量調節バルブ28は、ガス流量I1を制限するように設置される。流れは、アキュームレータ流れ流入分岐点58を通過してアキュームレータ流れライン57へと続く。サンプルベアリングキャリヤーガスは、アキュームレータ56を通じて連続し、排流ライン64、及び排流出口66の外部に開放した排流バルブ68を通過する。サンプルは、アキュームレータ56で捕獲される。このフェーズ中、サンプルベアリングキャリヤーガス分流バルブ34は閉じられ、ガスは、サンプルアキュームレータ56への流入口から分流されない。マニホルド22を通じGC流入ライン70へのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを防止するために、GC流入分岐点72には十分な圧力が作り出される。この圧力は、両方のバルブ50、42をを閉じることによるように、GCキャリヤーガスの流量を制御するために、GCキャリヤーガス分流バルブ50及び調節バルブ42を作動させることによって達成される。実時間作動を実現するために、サンプルアキュームレータ56は、好適に、約10-20秒で適当な量のサンプルを蓄積するために選択される。
【００４１】
2. 蓄積されたサンプルの送出しフェーズ
送出し又は環流フェーズでは、サンプルベアリングキャリヤーガスは、分流ライン30、及び外部へ通じる、開いた分流バルブ34を通じて分流される。排流バルブ68は閉じられ、配分キャリヤーガスが、第三の流入口54から分岐点65を通じてサンプルアキュームレータ56へと流れる。配分キャリヤーガスは、サンプルアキュームレータ57を逆流して通過し、アキュームレータ流れライン57と、マニホルド22と、GC流入ライン70とを通じてGCカラム74への流れの経路を確立する。GCキャリヤーガス分流バルブ50が開かれ、第二の流入口36から分流ライン46を通じて分流出口48の外部へのGCキャリヤーガスの流れを分流する。分流バルブ34、68、50の作動は、システム12での異なった流れを平衡にし、サンプルベアリングガス流入分岐点24及びGCキャリヤーガス流入分岐点38に十分な圧力を確保してこの流れのパターンを達成し、上述した逆流を除去する。
【００４２】
アキュームレータ56の低温トラップに蓄積したサンプルをGCカラム74へ供給するために、大きな電流のパルスが、アキュームレータのヒーターに印加され、アキュームレータ56に衝動的な温度上昇を与える。このようなほぼ瞬間的な加熱は、サンプルアキュームレータ56からのサンプルの急激な環流を与え、アキュームレータを放流し、サンプルをGC流入ライン70へ送出し、分離処理を開始する。上述のように、例示の実施例での環流を容易にするために、アキュームレータ56とGCカラム74との間の距離は、約5cm以下である。この作動の送出しフェーズにかかる時間は、好適に、1-2秒、より好適には約1秒である。
【００４３】
3. 検出フェーズ
検出フェーズを支配する流れは、GCキャリヤーガスのものであり、これは、質量分析計76の分析のためのサンプル成分にサンプルを分離するためのGCカラム74を通じてGC流入ライン70に送り出されたサンプルを押圧する。GCキャリヤーガスの流れの経路は、第二の流入口で開始され、マニホルド22の流入分岐点38、72を通じてGC流入ライン70へ通じ、さらにGCカラム74及び流出口78を通じて、分離した誠意分を質量分析計76へと送り出す。このような流れを確立するために、GCキャリヤーガス分流バルブ50が閉じられ、マニホルド22へのガス流れの分流を除去する。サンプルアキュームレータ56へのGCキャリヤーガスの流れを防止するために、好適に、アキュームレータ流れ流入分岐点58のマニホルド22に十分な圧力がある。これは、例えば分流バルブ34を閉じ且つ排流バルブ68を開くことによるように、分流バルブ34、68を作動させることによって達成される。この作用は、次のサイクルの蓄積フェーズも開始する。
【００４４】
実時間作動のため、GCカラム74は、好適に、約10-20秒でサンプルの分離を行う。したがって、検出フェーズの時間間隔は、ほぼ同一の範囲を有するべきであり、好適に約10-20秒の範囲以内である。
【００４５】
4. 連続流れ回路
流量配分回路12の例示の実施例では、作動時間を低減し且つ回路12の空き体積を最小化するために、流れの経路の効果的な配列が使用される。流量配分を制御する一つの効果的な方法は、蓄積フェーズと検出フェーズで回路12を、上述したように、同時に作動させることによる。このように組み合せた蓄積検出フェーズでは、分流バルブ34、50が閉じられ、排流バルブ68が開かれる。サンプルベアリングキャリヤーガス（I1）は、アキュームレータ56でサンプルを蓄積するためのサンプルアキュームレータ56を通じ、排流バルブ68を通じて流れる。同時に、GCキャリヤーガス（I3）は、GCカラム74を通じて流れ、分離のためのGCカラム74及び分析のための質量分析計76を通じる前回の送出しフェーズでGC流入ライン70へ送り出されたサンプルを押圧する。これら二つの流れI1及びI3は、同時に発生し、流入分岐点58、72の間のマニホルド22で適当な圧力を支持し、GCキャリヤーガスの流れをサンプルベアリングキャリヤーガスの流れから絶縁し、相互の流れの干渉を防止する。蓄積フェーズ及び検出フェーズは、利点的に、同一の時間間隔内に完了するように調整される。
【００４６】
組み合わせた蓄積検出フェーズの完了時に、蓄積したサンプル送出しフェーズは、サンプルベアリングキャリヤーガスの流れ及びGCキャリヤーガスの流れをサンプル送出し回路140から分流するために、分流バルブ34、50を開くことに取って代えられる。排流バルブ68は閉じられ、配分キャリヤーガスが、サンプルをアキュームレータ56からGC流入ライン70へと向け、次回のサイクルでの検出フェーズ中にGCカラムによる分離のために位置づけられる。今回の作動サイクルは、サンプルの送出しとともに完了し、分流バルブ34、50、68が、次回の作動サイクルの蓄積検出フェーズを開始するようにリセットされる。配分回路12を通じる流れは、例えば200EC以上で回路12の内部流れを維持し且つ低温部分を除去する炉（図示せず）の高温環境により容易にされる。全体の作動サイクルは、好適に約10-20秒、より好適には約15秒で完了される。
【００４７】
この流れの順序は、流量配分回路12に連続した流れを確立し、作動サイクルに要求される時間を低減する。回路12での連続した流れは、空き体積の導入を除去し、流れの経路の配列の使用を効果的にする。この配列は、さらに、サンプルアキュームレータ56でサンプルの連続した蓄積をほぼ達成し且つ短い送出しフェーズ中に非常に少量のサンプルを排流ライン64を通じて分流する。この作動サイクルは、三つの分流バルブ34、50、68を制御することによって容易に行われる。好適に、分流バルブ34、50、68及び流量変更調節バルブ28、42、62は、サンプル送出し回路140の外部に配置される。ガス配分システム12は、効率的で汚染が無く、しかも容易に作動でき、極微量気体サンプルの捕獲、分離及び検出を実時間で達成する。
【００４８】
さらに、検出システム10の全体は、ほぼ小形であり、極微量気体サンプルを収集し検出するための現場で使用するための持ち運びが可能である。この実時間GC/MS極微量気体検出スキームは、従来技術を越える顕著な改良である。またここで、外部サンプル収集デバイス（図示せず）が、現場でサンプルを収集するために使用できる。この場合、収集したサンプルは、後で要求されるように、検出システム10に供給され得る。
【００４９】
C. ガス流量配分システムの第二の実施例
図３に示すガス流量配分システム又は制御回路12′の他の実施例では、システム12′の様々な流入口及び出口が、図１の第一のシステム12のこれらのものを変更したものである点に特徴がある。二つのシステム12、12′の間の構成成分の多くは同一である。二つの実施例12、12′の間の同一の構成成分については、同様の符号にて示すが、図３に示すように第二の実施例12′では、符号の右肩にプライム（′）を付して区別する。
【００５０】
流量配分システム12′では、サンプルベアリングキャリヤーガス流入口20′が、図１のシステム12のサンプル流量調節ライン26及びバルブ28を含まない。また、GCキャリヤーガス流量調節ライン40及びバルブ42が、GCキャリヤーガス流入口36′に含まれない。さらに、システム12の配分キャリヤーガス流量調節ライン60及びバルブ62が、配分システム12′の配分キャリヤーガス流入口54′から除かれている。この実施例では、流入口流量I1′、I2′、I3′は、それぞれ一定に維持されることが望ましい。配分システム12′を通じる流れ及びこれに作り出される圧力は、様々な流れラインの相対的な内径の大きさに支配される。比較的小さい内径は、流れラインにインピーダンスを発生させ、ラインを通じる流量を制限し、流れラインの圧力を増加する。対照的に、図１の流れ回路12での流れは、インピーダンスによっても、バルブ28、34、42、50、62、68を調節するタイミングによっても支配されない。
【００５１】
このことから、蓄積したサンプル送出しフェーズ中に分流バルブ34′が開かれると、ある内径の大きさのサンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン30′のインピーダンスZ1が流入分岐点24′で圧力を維持する。この圧力は、少なくとも、マニホルド22′を通じるサンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110′の出口32′への配分キャリヤーガス及びGCキャリヤーガスの流れを実質的に防止することにより、サンプルベアリングキャリヤーガス流れを絶縁することが望ましい。同様に、送出しフェーズ中、分流バルブ50′が開かれると、ある内径の大きさのGCキャリヤーガス分流ライン46′のインピーダンスZ3が、流入分岐点38′で圧力を維持する。この圧力は、マニホルド22′を通じるGCキャリヤーガス流入回路120′の流出口48′への配分キャリヤーガス又はサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを実質的に防止することにより、GCキャリヤーガス流れを絶縁する。蓄積検出フェーズ中、サンプルベアリングキャリヤーガスは、アキュームレータ56′及び排流ライン64′を通じて排流出口66′の外部へ流れ、一方、GCキャリヤーガスは、GC流入ライン70′及びガスクロマトグラフィーカラム74′を通じて流れる。GCキャリヤーガスとサンプルベアリングキャリヤーガスとを絶縁するために、配分キャリヤーガス排流ライン64′のインピーダンスZ2により流入分岐点58′に適当な圧力が確保され、GCカラム74′のZCにより流入分岐点38′に十分な圧力が確保される。
【００５２】
つまり、インピーダンスZ1、Z2、Z3、ZCが、流量I1′、I2′、I3′と一緒に、マニホルド22′の圧力を支配し、制御した流れを作動サイクル全体を通じて不要の干渉流れと絶縁するように選択される。
【００５３】
インピーダンスZ1、Z2、Z3、ZCは、利点的に、流れ回路12′でのガスの流れを平衡にするように選択される。これらパラメータは、不必要な実験をせずに、上記の目的を達成するように決定できる。好適実施例では、Z3は、カラムインピーダンスZCと近似的に等しくなるように選択され、流量I2′は、流量I3′と近似的に等しい。これらパラメータにより、配分キャリヤーガスがサンプルをGCカラム74′へ移動させるときの送出しサイクルの間、及びGCキャリヤーガスが分離のためのGCカラム74′を通じてサンプルを駆動するときのGCサイクルの間、GCカラム74′に対する流量が、確実に、近似的に等しくされる。他の実施例では、サンプルベアリングキャリヤーガスの流量I1′が、サンプルアキュームレータ56′でサンプルベアリングキャリヤーガスからのサンプルを高速蓄積を行うため、キャリヤーガスの流量I2′、I3′よりも大きく選択される。この場合、GCカラム74′へ直接に入り込むサンプルベアリングキャリヤーガスを防止するために、Z1及びZ2は、Z3及びZCに関して低減される必要がある。また、サンプルベアリングキャリヤーガスが、GCカラム74′へ直接に流れるような十分な圧力をマニホルド22′に作り出すことを防止するため、Z1/ZC比が、I1′/I2o′比の逆数に近似的にされ、Z2/ZC比が、I1/I3の逆数にされる。
【００５４】
インピーダンスZ1、Z2、Z3は、一定であっても可変であってもよい。可変インピーダンスは、分流ラインの内径の大きさが調節可能でなければならないので、達成するには難しい。変形的に、分流バルブ34′、50′、68′は、調節可能な流れのインピーダンスを与えるように調節可能であり、要求される流れの順序を適応させるために、システム10′に配置される。
【００５５】
上述した装置の配列及びその方法は、本発明の原理の応用を単に説明するものであり、多くの他の実施例及び変更例が、請求の範囲に定義した本発明の精神及び範囲から逸脱せずになされ得ることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明のガス流量配分回路の実施例を例示するガスクロマトグラフィー質量分析極微量気体検出システムの略図である。
【図２】図２は、サンプルベアリングキャリヤーガスをガス流量配分回路へ供給するためのサンプルベアリングキャリヤーガス生成器の略図である。
【図３】図３は、ガスクロマトグラフィー質量分析極微量気体検出システムで使用されるガス流量配分回路の第二の実施例の略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクロマトグラフィー及び質量分析法を使用する極微量気体検出に関し、特に、極微量気体の検出及び分析のためのガスクロマトグラフィーカラム及び質量分析計への極微量の気体サンプルの実時間での蓄積及び送出しに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスクロマトグラフィー質量分析（GC/MS）技術は、混合ガスを分析するために使用され得る。このような応用では、ガスクロマトグラフィー（GC）カラムは、サンプル混合ガスをサンプル成分に分離し、分離した成分は、質量分析計で化学的に分析される。
【０００３】
極微量気体の検出及び分析へのGC/MSの応用では、極微量気体検出器へのサンプルの取入れ及び導入に厳重な要件が課せられる。ガスクロマトグラフィーは、集中したパルスでサンプルを導入しなければならない。しかし、周囲の大気のサンプリング環境での極微量気体の分布は、極めて拡散している。細管カラムを用いた高速ガスクロマトグラフィーが約10秒のオーダーでサンプル成分を分離するのに適しているが、市販の機器、特にサンプル流入口システムの限界が、高速ガスクロマトグラフィーの一般的な応用を妨げてきた。特に、GCカラムへの送出しのため、適当なパルス集中で極微量気体サンプルを蓄積する従来の方法では、極微量気体検出の実際の応用には遅すぎる。
【０００４】
流入口システムを改良した一つの方法は、流入口デバイスとして気体収集低温トラップを使用することである。低温トラップに極微量気体サンプルを蓄積した後、流入口デバイスは、収集したサンプルをGCカラムへ直ぐに入力するために加熱される（例えば、非特許文献１を参照）
【非特許文献１】アール・エフ・モーラディアン（R. F. Mouradian）ら著、“Evaluation of a Nitrogen-Cooled, Electrically Heated Cold Trap Inlet for High-Speed Gas Chromatography”、２８J. CHROMATOGRAPHIC SCIENCE、1990年12月、第643-48頁
【０００５】
実用的なGC/MS極微量気体検出システムを達成するためには、GCカラムへの極微量サンプルの蓄積及び送出しと、サンプルの分離及び分析とを実時間、すなわち、分単位、又は好適には秒単位で行わなければならない。しかし、低温トラップ流入口システムを開発しても、GC/MSの方法が、極微量気体の分析及び検出の一般的な応用に適合されてこなかった。また、低温トラップのような収集デバイスを通じ、GCカラムを通じて質量分析計へサンプルの流れを向ける、という方法では、流量配分を容易にし且つ実時間での極微量気体検出を達成するために、個別の計器の構成成分の速さの十分な使用がなされていないことが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、極微量気体サンプルを捕獲し蓄積し、分離のためのGCカラムへの送出しのためにサンプルを残し、サンプルをGCカラムを通じてサンプル成分に分離し、質量分析計でサンプル成分を全て実時間、すなわち約30秒以内に分析する、実時間GC/MS極微量気体検出及び分析システムを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、空き体積を最小化し且つ極微量気体検出及び分析システムの汚染を除去して、システムの保全性、及び検出及び分析の精度を確保することである。
【０００８】
本発明のその他の目的は、サンプルの流れを向けるために純キャリヤーガスを使用して、極微量気体検出システムで高度の流量制御を達成し且つ従来の電気機械式の流量制御デバイスに関連した電気的及び機械的な問題を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの態様では、ガス流量配分システムが、極微量気体の検出及び分析のための拡散状態にあるサンプルの蓄積及び送出しを制御する。このガス流量配分システムは、サンプル送出し回路と、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路と、GCキャリヤーガス流入回路と、配分キャリヤーガス流入回路とから構成される。サンプル送出し回路は、蓄積サイクルでサンプルを蓄積するためのサンプルアキュームレータを含む。ガスクロマトグラフィーカラムへサンプルを送り出すとき、アキュームレータは、分離サイクルでサンプルを分離するため、配分サイクルでサンプルを受けるためにガスクロマトグラフィーカラムに連通する。サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路は、実時間でサンプルアキュームレータにサンプルを蓄積するため、サンプルアキュームレータを通じたサンプル送出し回路へのサンプルベアリングキャリヤーガスの供給（又はサプライ（supply））を含む。サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路は、さらに、送出しサイクルでサンプル送出し回路からサンプルベアリングキャリヤーガスを分流するためのサンプル分流スイッチを含む。GCキャリヤーガス流入回路は、実時間でのサンプル分離のため、サンプル送出し回路を通じたガスクロマトグラフィーカラムへのGCキャリヤーガスの供給を含む。GCキャリヤーガス分流スイッチが、送出しサイクルでGCキャリヤーガスをサンプル送出し回路から分流する。配分キャリヤーガス流入回路は、要求される短いパルスの送出しサイクルでガスクロマトグラフィーカラムへアキュームレータのサンプルを送り出すために、配分キャリヤーガスの供給を含む。排流スイッチが、蓄積サイクル及び分離サイクルで配分キャリヤーガスをサンプル送出し回路から分流する。
【００１０】
本発明の他の態様では、ガス制御回路が、極微量気体検出システムでガスクロマトグラフィーカラムへサンプルを供給する。このガス制御回路は、サンプルを含んだサンプルベアリングキャリヤーガスの供給から構成される。ガス制御回路は、さらに、キャリヤーガスの供給と、サンプル蓄積手段と、実時間でサンプル蓄積手段でサンプルを蓄積し且つ蓄積モードでサンプル蓄積手段へ入り込む配分キャリヤーガスを分流するため、サンプルベアリングキャリヤーガスをサンプル蓄積手段へ向けるための手段とから構成される。ガス制御回路は、また、キャリヤーガスとの実時間での分離のため、サンプル蓄積手段で蓄積したサンプルをガスクロマトグラフィーカラムへ輸送し、且つ送出しモードでサンプル蓄積手段へ入り込むサンプルベアリングキャリヤーガスを分流するための手段を含む。
【００１１】
本発明のその他の態様では、ガス流れ回路が、ガスクロマトグラフィーカラムへのサンプルの実時間での蓄積及び送出しを行う。このガス流れ回路は、マニホルドと、サンプルベアリングキャリヤーガスをマニホルドに導入するためのサンプル流入ラインと、検出キャリヤーガスをマニホルドに導入するための検出キャリヤーガス流入ラインと、配分キャリヤーガスをマニホルドに導入するための配分キャリヤーガス流入ラインと、アキュームレータとから構成される。サンプル流入ラインは、サンプル分流バルブを有するサンプル分流ラインを含む。検出キャリヤーガス流入ラインは、マニホルドを通じてガスクロマトグラフィーカラムに連通し、検出キャリヤーガス分流バルブを有する検出キャリヤーガス分流ラインを含む。配分キャリヤーガス流入ラインは、配分キャリヤーガス分流バルブを有する配分キャリヤーガス分流ラインを含む。アキュームレータは、配分キャリヤーガス流入ラインとマニホルドとの間に配列される。配分キャリヤーガス分流バルブが開かれ、サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが閉じられると、アキュームレータは、サンプル流入ライン及びマニホルドの下流、及び配分キャリヤーガス分流ラインの上流にあり、ガスクロマトグラフィーカラムは、検出キャリヤーガス流入ライン及びマニホルドの下流にある。配分キャリヤーガス分流バルブが閉じられ、サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが開かれると、アキュームレータは、配分キャリヤーガス流入ラインの下流、及びマニホルド及びガスクロマトグラフィーカラムの上流にある。
【００１２】
本発明のその他の態様は、ガスクロマトグラフィー及び質量分析計を使用して極微量気体を検出し分析する方法であり、以下の工程を含む。サンプルベアリングキャリヤーガスが、実時間でサンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを捕獲し蓄積するアキュームレータを通じて与えられる。サンプルベアリングキャリヤーガスは、アキュームレータでのサンプルの蓄積のため、アキュームレータから分流され、キャリヤーガスが、実時間でサンプルをガスクロマトグラフィーカラムへ輸送するために、アキュームレータを通じて向けられる。GCキャリヤーガスが、実時間でサンプルをサンプル成分に分離し且つ質量分析計へサンプル成分を輸送するために、ガスクロマトグラフィーカラムを通じて供給される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
これら実施例は、説明のみを目的とした添付の図面に示す本発明のGC/MS極微量気体検出のための新規であり且つ自明でないシステム及び方法を説明する。以下に示すこれら図面では、同様の構成要素については同様の符号で示す。
【００１４】
図１を参照して、図示の極微量気体検出及び分析システム10は、ガス流量配分システム又は制御回路12を使用し、検出及び分析システム10を通じて極微量気体サンプルを向ける。流量制御システム12は、利点的に、清浄なキャリヤーガスを使用してサンプルの送出しを制御し、これにより、従来の電気機械式デバイスに関連した問題を解消する。
【００１５】
A. ガス流量配分システム
図１に示すガス流量配分システム12の実施例の例示では、三つのガスの流入口がある。第一の流入口（サンプルベアリングキャリヤーガスの流入口）20が、サンプルベアリングキャリヤーガス流入分岐点24でガス配分マニホルド22に連結される。第一の流入口20は、サンプル流量調節ライン26と、バルブ又はスイッチ28とを含むことが望ましい。サンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン30が、第一の流入口20とマニホルド22との間の流入分岐点24へ伸長する。分流ライン30は、分流出口又は流出口32を有し、分流出口32の付近にサンプルベアリングキャリヤーガス分流バルブ又はスイッチ34を含むことが望ましい。
【００１６】
第二の流入口（検出又はGCキャリヤーガスの流入口）36が、GCキャリヤーガス流入分岐点38でガス配分マニホルド22に連結され、好適に、GCキャリヤーガス流量調節ライン40と、バルブ又はスイッチ42とを含む。分流出口又は流出口48を有するGCキャリヤーガス分流ライン46が、流入分岐点38でGCキャリヤーガスの流入口36とマニホルド22との間に連結される。GCキャリヤーガス分流スイッチ又はバルブ50が、分流出口48の付近に配列されることが望ましい。
【００１７】
第三の流入口（配分又は送出しキャリヤーガスの流入口）54が、サンプルアキュームレータ56の一方側に連結される。サンプルアキュームレータ56の他方側は、利点的に、サンプルベアリングキャリヤーガスの流入分岐点24と、GCキャリヤーガスの流入分岐点38との間に配置されるアキュームレータ流れの流入分岐点58で、アキュームレータ流れライン57を通じてマニホルド22に連結される。第三の流入口54は、調節スイッチ又はバルブ62を有する配分又は送出しキャリヤーガス調節ライン60を含むことが望ましい。配分キャリヤーガス分流ライン又は排流ライン64が、配分又は送出しキャリヤーガスの流入分岐点65でアキュームレータ56と第三の流入口54との間に連結される。排流ライン64は、排流又は分流バルブ68を有する排流又は分流出口66を有する。幾つかの場合では、分流出口32、48、66に真空シンク（図示せず）を設けてもよい。
【００１８】
GC流入ライン70が、好適に、アキュームレータ流れの流入分岐点58と、GCキャリヤーガスの流入分岐点38との間に配列されるGC流入分岐点72でガス配分マニホルド22と連結する。GC流入ライン70は、GCカラム74を供給し、質量分析計76が、このGCカラムの出力端部又は出口78に隣接する。サンプルベアリングキャリヤーガスの流入口20への流入口流量I1、配分キャリヤーガスの流入口54への流入口流量I2、及びGCキャリヤーガスの流入口36への流入口流量I3は、それぞれ、一定であることが望ましい。一定の流量を与えることは、一貫性のあるGC作動を与えるので、GC分析に利点がある。これら流量が異なった一定の流量に調節された場合、これらが繰り返し可能であれば、GC分離に利点がある。
【００１９】
このような流量を達成するためには、分流ライン30、46、64、GC流入ライン70、及びアキュームレータ流れライン54は、それぞれ、一定の内径を有する略円形状の長手方向の管であることが好適である。GCカラム74の内径が約180ミクロンであるとき、マニホルド22、分流ライン30、46、64、GC流入ライン70、及びアキュームレータ流れライン57の内径は、180ミクロン付近になり得るが、一般に、500ミクロン以上であり得る。マニホルド22、GC流入ライン70及びアキュームレータ流れライン57のような内部流れラインの180ミクロンの内径が、内部体積を減少することから、ガスの流れの目的地への到達時間を短縮し且つ操作時間全体を低減するのに望ましい。好適な内径は、マニホルド22については約500ミクロン、GC流入ライン70については約180ミクロン、アキュームレータ流れライン57については約500ミクロンである。分流ライン30の内径は約500ミクロンであることが望ましく、分流ライン46では約500ミクロンの内径、分流ライン64では約500ミクロンの内径である。
【００２０】
例示の実施例では、分岐点58、72を通じたサンプルアキュームレータ56とGCカラム74との間の流れの経路の距離は、約5cm以下が好適である。これは、上述のように、アキュームレータ56からGCカラム74へのサンプルの送出しを促進する。他の構成成分の長さ及びこれらに対応する内部体積は、検出システム10の一般的な作動に対しては重大ではないが、実時間での作動のために統制的に働かせなければならない。流入分岐点24から流入分岐点38へのマニホルドの好適な長さは、12cm以下である。分流ライン30、46、64の長さは、好適には20cm以下であり、より好適には15cm以下である。
【００２１】
以下、サンプルアキュームレータ56の構造及び機能について説明する。適当なGCカラム74及び質量分析計76は、従来技術で知られており、その詳細について、ここでは説明しない。GCカラム74の好適実施例は、約1/10c.c.の内部体積と約180ミクロンの内径を有し、約10-15秒の幾つかのサンプルの高速GC分離を達成する。このタイプのGCカラム74は、検出システム10での実時間極微量気体検出及び分析に適している。ここで、GCカラム74の好適な内部体積は、分離のために選択されたサンプルに幾分か従う。
【００２２】
構成成分は、構成成分の形状や大きさによって幾分か決定される検出システム10の空き体積を低くさせるように配列されることが望ましい。一般的な原則として、GC解像度は、空き体積のパーセンテージに逆比例する。例えば、空き体積が約1/100c.c.である場合、10のGC解像度が、1/10c.c.のGCカラムで実現される。このことから、システム10の空き体積は、GCカラムの内部体積と、要求されるGC解像度の逆数との積に近似的に等しいか又はそれ以下である。
【００２３】
作動の際、少なくとも、マニホルド22、サンプルアキュームレータ56及びGC流入ライン70を含む検出システム10の内部作動部分が、例えば、あるサンプルの約200EC以上の温度の高温炉内に配置される。高温環境は、流量配分回路12内の適当な流量を確保にし且つガスクロマトグラフィーカラム及び質量分析でガスのピークの不要の拡散による低い分析結果を引き起こす回路12内の詰まりや低温部の形成を防止する。
【００２４】
極微量気体検出及び分析システム10の保全及び分析の精度を維持するために、システム10の構成成分は、好適に、多種のガスに接触する非反応性内部を有する。これら構成成分は、全体的にガラスや石英といった非反応性又は不活性の材料から構成され得る。石英製の構成成分は、易損性であり、取り扱いが難しい。市販の石英系のステンレス鋼製の構成成分が好適であり、これは、シリカを有する系列のステンレス鋼は、易損性が小さく、より可撓性であり耐久性があるからである。ここで示さない他の不活性の材料も使用できる。
【００２５】
バルブ28、34、42、50、62、68は、回路12での流量配分を行うために使用され、好適に、バルブのオン及びオフの切り換えでの時間遅延を最小化するために低い体積を有する。これらバルブは、利点的に、高温領域の外側での容易な作動のため、炉及び検出システム10の内部作動部分の外部に配置され、このことから、高温に適したものである必要がない。バルブは、また、利点的に、システム10の内部の流れの経路の下流に配置され、これら流れがサンプルの計測ストリームに入り込まない。ここで、以下で説明するように、ライン46が排流に対して適当なインピーダンスをもつように分流バルブ50を除去することができ、これは、必要なときに逆流を防止するために流入分岐点38に圧力を与えるように流量制御されない限り、調節バルブ42がGCキャリヤーガスI3の流量制御を行うのに足りるからである。この形状は、以下でより詳細に説明するように、システム10へのバルブ28、34、42、50、62、68による空き体積の導入を最小化する。十分に不活性であり且つ配分回路12での流量を制御するのに適した市販のバルブは、Clippard Instrument Laboratory, Inc.による電気的に作動するバルブである。
【００２６】
検出システム10の様々な構成成分は、いずれの適当な方法を使用しても組み立てることができる。例えば、これら構成成分が石英から構成される場合、その連結部を密閉するために"はんだガラス"が使用できる。変形的に、Silco Steelとして商業的に知られるシリカ系統のステンレス鋼が、これら構成成分の間の管や連結部の継手のために使用できる。別の実施例では、検出システム10の全体は、集積回路の製造に広く使用される方法であるミクロリソグラフィーによるモノリシックシステムであり得る。
【００２７】
1. サンプルベアリングキャリヤーガス生成器
流入口20へのサンプルベアリングキャリヤーガスの供給は、様々なやり方で生成される。サンプルベアリングキャリヤーガス生成器90の例は、図２に示すメンブレンセパレータである。メンブレンセパレータ90は、空間94cへの周囲の大気を受けるための空気流入口94と、サンプル減損空気のための流出口ポート又はベント94bと、全ての残留サンプル減損空気のための流出口ポート又はベント101と、空間102へのキャリヤーガスを受けるためのキャリヤーガス流入口95と、サンプルベアリングガスの出力のための流出口96とを有するチャンバー92から構成される。チャンバー92の内部には、相互に間隔をあけた二つのメンブレン98、99が、空間94cから空間102への流れの経路中に配置されている。各々のメンブレン98、99は、細孔を有する基質の支持板で裏当てしたシリコンゴムフィルムからなり、チャンバー92の断面にわたって密閉される。メンブレン98、99は、これらの間に空間100を画成し、空間94cと空間102とを分離する。炭化水素のような入力空気のサンプル構成物質は、これらの分圧の勾配の下流へ移動して、シリコンゴムで分解され、メンブレン98、99を通じて他方側へ拡散する。
【００２８】
第一のメンブレン98は、流入口94の付近に配置され、入力空気中のサンプルのガス構成物質を通過させる。第一のメンブレン98は、空気の殆どを遮断する。メンブレン98から漏れる少量の空気は、空間94cの外部へ真空ポンプ（図示せず）により流出口ポート94bを通じて殆ど排気される。サンプルは、第二のメンブレン99を通過してキャリヤーガス流入口95及び流出口96に隣接したチャンバー92の他方側へと移動する。清浄なキャリヤーガスが、サンプルと混合し、図１のサンプルベアリングキャリヤーガスの流入口20へ供給されるサンプルベアリングキャリヤーガスの形で流出口96を通じてそれを運ぶ。この流出は、セパレータ90を通じるサンプルの流れを駆動するサンプル分圧勾配を維持する。他の適当なサンプルベアリングキャリヤーガス生成方法も使用できることが理解できる。
【００２９】
2. サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路
図１を参照して、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110が、サンプルベアリングキャリヤーガス流入口20と、分流ライン30と、分流バルブ34とから構成される。この流入回路110は、サンプルの捕獲及び蓄積のためのアキュームレータ56へのマニホルド22を通じるサンプルベアリングキャリヤーガスの供給を制御する。サンプル流量調節バルブ28は、サンプル流量調節ライン26を通じる流量を調節することによってマニホルド22への一定したサンプルベアリングキャリヤーガスの流量I1を調節するために使用される。サンプル流量調節ライン26を通じる流れが速いと、マニホルド22へ入り込むサンプルベアリングキャリヤーガスの流量I1が遅くなる。分流バルブ34は、サンプルアキュームレータ56へサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを向けるために閉じられるか、又は、流れを流入分岐点24でアキュームレータ56から遠ざけ、分流出口32の外部へ分流ライン30を通じて分流するために開かれる。サンプルベアリングキャリヤーガスの流れの経路は、利点的に、バルブ28、34のどちらも横切らず、バルブ28、34によって空き体積や汚染を回避する。
【００３０】
分流中のマニホルド22から流入回路110への逆流が、問題を引き起こし得る。分流バルブ34が開かれて分流ライン30を通じて流れを分流すると、サンプル流量調節バルブ28は、マニホルド22からサンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110への逆流を防止するために流入分岐点24の近傍で適当な圧力を維持するように調節されることが望ましい。変形例では、分流バルブ34は、また、流入回路110の圧力を制御するように調節可能であり得る。この場合、サンプル流量調節バルブ28又は分流バルブ34のいずれか一方の調節が、流入回路110への逆流を防止できる圧力を達成するのにほぼ十分である。
【００３１】
3. GCキャリヤーガス流入回路
図１に示すように、GCキャリヤーガス流入回路120は、GCキャリヤーガス流入口36と、分流ライン46と、分流バルブ50とから構成される。流入回路120は、分離のためのGCカラムと分析のための質量分析計76とを通じるサンプルを押圧するために、GCカラム74へのマニホルド22及びGC流入ライン70を通じるGCキャリヤーガスの供給を制御する。流量調節バルブ42は、流量調節ライン40を通じる流量を調節することによってマニホルド22への一定のGCキャリヤーガスの流量I3を調節するために使用される。分流バルブ50は、GC流入ライン70へGCキャリヤーガスの流れを向けるために閉じられ、又は、流れを流入分岐点38でGC流入ライン70から遠ざけ、分流出口48の外部へ分流ライン46を通じて分流するために開かれる。マニホルド22へのGCキャリヤーガスの流れの経路は、利点的に、バルブ42、50のどちらも横切らず、これらによってシステム10の空き体積や汚染を回避する。
【００３２】
分流バルブ50が開かれて流れを分流ライン46を通じて分流するとき、マニホルド22からGCキャリヤーガス流入回路120への逆流を防止するために、流量調節バルブ42は、流入分岐点の近傍で適当な圧力を維持するように調節され得る。変形例では、分流バルブ50は、また、流入回路120の圧力を制御するように調節され得る。流量調節バルブ42又は分流バルブ50のいずれかの調節が、このときの流入回路120への逆流を防止できる圧力を達成するのに十分であり得る。ここで、必要なときに逆流を防止するために流入分岐点で適当な圧力を支持するために十分な流量I3が生成される限り、調節バルブ42が、マニホルド22へのGCキャリヤーガスの流量を制御するのに十分であるから、分流ライン46の適当なインピーダンスが、内径の大きさによって画成され、分流バルブ50は、除去され得る。
【００３３】
4. 配分キャリヤーガス流入回路
図１に、配分又は送出しキャリヤーガス流入口54と、分流又は排流ライン64と、分流又は排流バルブ68とから構成される配分又は送出しキャリヤーガス流入回路130を示す。流入回路130は、サンプルアキュームレータ56を通じる配分キャリヤーガスの供給を制御して、GCカラム74へのマニホルド22及びGC流入ライン70を通じてそこに収集したサンプルを駆動する。流量調節バルブ62は、流量調節ライン60を通じる流量を調節することによってアキュームレータ56への一定の配分キャリヤーガスの流量I2を調節するために使用される。排流バルブ68は、アキュームレータ56へ配分キャリヤーガスの流れを向けるために閉じられ、又は、流れを流入分岐点65でアキュームレータ56から遠ざけ、排流出口66の外部に排流ライン64を通じて分流するために開かれる。マニホルド22への配分キャリヤーガスの流れの経路は、利点的に、バルブ62、68のどちらも横切らず、バルブ62、68によってシステム10の空き体積や汚染を回避する。
【００３４】
排流バルブ68が開かれて、流れが排流ライン64を通じて分流されると、流量調節バルブ62は、配分キャリヤーガス流入回路130からアキュームレータ56又はGC流入ライン70への干渉流れを防止するために、配分キャリヤーガス流入分岐点65の近傍で適当な圧力を維持するように調節され得る。これに代わって、配分キャリヤーガスの流れが、排流出口66の外部へのアキュームレータ56を通じる流入口回路110からのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを容易にする。変形例では、排流バルブ68は、また、流入回路130での圧力を制御するように調節できる。流量調節バルブ62又は分流バルブ68のいずれかの調節が、流入回路130への逆流を防止できる圧力を達成するのに十分である。
【００３５】
5. サンプル送出し回路
図１に示すように、サンプル送出し回路140は、マニホルド22と、サンプルアキュームレータ56と、GCカラム74及び質量分析計76へと続くGC流入ライン70とから構成される。サンプルアキュームレータ56は、第一の流入口20からマニホルド22へ入り込み、アキュームレータ56へのアキュームレータ流れライン57を通過するサンプルベアリングキャリヤーガスの流れからサンプルを捕獲し収集する。十分な両のサンプルを蓄積すると、アキュームレータ56のサンプルは、熱パルスによって解放され、サンプルをGCカラム74へマニホルド22及びGC流入ライン70を通じて供給する。このようなサンプルの輸送では、アキュームレータ74を通じる流れの方向が逆転する。配分キャリアガスは、第三の流入口54へ入り込み、サンプルアキュームレータ56を通過して、サンプルをGC流入ライン70へアキュームレータ流れライン57及びマニホルド22を通じて運ぶ。このとき、サンプルは、GCカラム74でサンプル成分への分離の準備ができ、また、配分キャリヤーガスは、サンプルアキュームレータ56から分流される。GCカラム74でのサンプルの分離を容易にするために、GCキャリヤーガスは、GCカラム74を通じるサンプルを押圧するために、マニホルド22及びGC流入ライン70を通じて第二の流入口36から入り込む。
【００３６】
流量配分回路12での流れの平衡のため、好適に、マニホルド22を通じるサンプル収集のためのサンプルアキュームレータ56に入り込むとき、GCカラム74にサンプルベアリングキャリヤーガスの直接の流れ込みを防止するために、GC流入分岐点72に十分な圧力がある。この圧力は、GC流入ライン70を通じる流れを制限するGCカラム74の内径の大きさにより作り出されるGCカラム74のインピーダンスZcによって維持され得る。好適実施例では、第二の流入口36からのGCキャリヤーガスは、蓄積のためのアキュームレータ56を通じる第一の流入口20からのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れと同時に、サンプル分離のためのGC流入ライン70を通じて流れる。この場合、GCキャリヤーガスの圧力は、GC流入ライン70へのサンプルベアリングキャリヤーガスの直接的な流れを防止するために、GC流入分岐点72で圧力を維持する。同様に、アキュームレータ56へのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れは、アキュームレータ56へのマニホルド22及びアキュームレータ流れライン57を通じるGCキャリヤーガスの直接の流れを防止するために、アキュームレータ流れ流入分岐点58で圧力を支持する。その結果、サンプルベアリングキャリヤーガス及びGCキャリヤーガスは、相互に絶縁される。
【００３７】
また、配分キャリヤーガスが第三の流入口54からアキュームレータ56及びマニホルド22を通じてGC流入ライン70へ流れるときに、好適に、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110又はGCキャリヤーガス流入回路120のいずれかからの干渉流れを防止するために、アキュームレータ流れ流入分岐点58及びGC流入分岐点72に十分な圧力が作り出される。この流れの平衡は、内径の大きさによって決定される流れラインでの適当な固有のインピーダンス値によるのと同様に、精密な時間間隔でバルブ28、34、42、50、62、68を作動させることによって達成される。自動的にバルブを作動させるために、コンピューターやこれと同様のデバイス（図示せず）を組み入れることができる。
【００３８】
サンプルアキュームレータ56は、利点的に、実時間（好適に10-20秒以内）でサンプルベアリングキャリヤーガスから十分な量のサンプルを捕獲し蓄積し、数秒（好適に1-2秒）で配分キャリヤーガスの流れに支援されたGCカラム74へ収集サンプルを輸送するために選択される。サンプルアキュームレータ56の例示の実施例は、上述したMouradianのものに類似する電気加熱式の低温トラップ（図示せず）を使用する。サンプルは、例えば低温窒素ガスにより冷却されたアキュームレータ56の内部で捕獲され収集される。アキュームレータ56のサンプル蓄積体積は、例示の実施例では、好適に約5ミクロンリットルである。このように小さな体積のため、検出システム10に使用したサンプルアキュームレータ56は、超小型アキュームレータのように特徴付けられる。典型的に10-20秒の時間間隔（サンプルベアリングキャリヤーガス及び低温トラップ捕獲パラメータでのサンプルの濃縮レベルを適当にするように変化し得る）で適当な量のサンプルを蓄積するとき、アキュームレータ56は、例えばアキュームレータ56に連結したワイヤーを通じる大きな電流のパルスによって自動的に電気的に加熱される。このような大きな電流のパルスは、アキュームレータ56に衝動的な温度上昇を生成し、第三の流入口54の配分キャリヤーガスによって発生された流れに沿ってアキュームレータ56からGCカラム74へのサンプルの急激な環流のためのほぼ瞬時の加熱を起こさせる。
【００３９】
B. ガス流量配分システムの作動
図１のガス流量配分システム12の作動は、三つのフェーズに分けられる。蓄積フェーズでは、サンプルアキュームレータ56が、サンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを蓄積する。蓄積したサンプルの送出し又は環流フェーズでは、配分キャリヤーガスが、アキュームレータ56の収集したサンプルをGCカラム74へ輸送する。検出又は分離フェーズでは、GCキャリヤーガスが、分離のためのGCカラム74及び分析のための質量分析計76を通じてサンプルを駆動する。サイクルの第三のフェーズは、通常、継続するサイクルの第一のフェーズと同時である。
【００４０】
1. 蓄積フェーズ
サンプルベアリングキャリヤーガスは、蓄積フェーズ中、アキュームレータ56をチャージするために、サンプルをサンプルアキュームレータ56へ供給する。サンプルベアリングキャリヤーガスの流れの経路は、流入口20で始まり、流入分岐点24を通じマニホルド22へ続く。サンプル流量調節バルブ28は、ガス流量I1を制限するように設置される。流れは、アキュームレータ流れ流入分岐点58を通過してアキュームレータ流れライン57へと続く。サンプルベアリングキャリヤーガスは、アキュームレータ56を通じて連続し、排流ライン64、及び排流出口66の外部に開放した排流バルブ68を通過する。サンプルは、アキュームレータ56で捕獲される。このフェーズ中、サンプルベアリングキャリヤーガス分流バルブ34は閉じられ、ガスは、サンプルアキュームレータ56への流入口から分流されない。マニホルド22を通じGC流入ライン70へのサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを防止するために、GC流入分岐点72には十分な圧力が作り出される。この圧力は、両方のバルブ50、42をを閉じることによるように、GCキャリヤーガスの流量を制御するために、GCキャリヤーガス分流バルブ50及び調節バルブ42を作動させることによって達成される。実時間作動を実現するために、サンプルアキュームレータ56は、好適に、約10-20秒で適当な量のサンプルを蓄積するために選択される。
【００４１】
2. 蓄積されたサンプルの送出しフェーズ
送出し又は環流フェーズでは、サンプルベアリングキャリヤーガスは、分流ライン30、及び外部へ通じる、開いた分流バルブ34を通じて分流される。排流バルブ68は閉じられ、配分キャリヤーガスが、第三の流入口54から分岐点65を通じてサンプルアキュームレータ56へと流れる。配分キャリヤーガスは、サンプルアキュームレータ57を逆流して通過し、アキュームレータ流れライン57と、マニホルド22と、GC流入ライン70とを通じてGCカラム74への流れの経路を確立する。GCキャリヤーガス分流バルブ50が開かれ、第二の流入口36から分流ライン46を通じて分流出口48の外部へのGCキャリヤーガスの流れを分流する。分流バルブ34、68、50の作動は、システム12での異なった流れを平衡にし、サンプルベアリングガス流入分岐点24及びGCキャリヤーガス流入分岐点38に十分な圧力を確保してこの流れのパターンを達成し、上述した逆流を除去する。
【００４２】
アキュームレータ56の低温トラップに蓄積したサンプルをGCカラム74へ供給するために、大きな電流のパルスが、アキュームレータのヒーターに印加され、アキュームレータ56に衝動的な温度上昇を与える。このようなほぼ瞬間的な加熱は、サンプルアキュームレータ56からのサンプルの急激な環流を与え、アキュームレータを放流し、サンプルをGC流入ライン70へ送出し、分離処理を開始する。上述のように、例示の実施例での環流を容易にするために、アキュームレータ56とGCカラム74との間の距離は、約5cm以下である。この作動の送出しフェーズにかかる時間は、好適に、1-2秒、より好適には約1秒である。
【００４３】
3. 検出フェーズ
検出フェーズを支配する流れは、GCキャリヤーガスのものであり、これは、質量分析計76の分析のためのサンプル成分にサンプルを分離するためのGCカラム74を通じてGC流入ライン70に送り出されたサンプルを押圧する。GCキャリヤーガスの流れの経路は、第二の流入口で開始され、マニホルド22の流入分岐点38、72を通じてGC流入ライン70へ通じ、さらにGCカラム74及び流出口78を通じて、分離した誠意分を質量分析計76へと送り出す。このような流れを確立するために、GCキャリヤーガス分流バルブ50が閉じられ、マニホルド22へのガス流れの分流を除去する。サンプルアキュームレータ56へのGCキャリヤーガスの流れを防止するために、好適に、アキュームレータ流れ流入分岐点58のマニホルド22に十分な圧力がある。これは、例えば分流バルブ34を閉じ且つ排流バルブ68を開くことによるように、分流バルブ34、68を作動させることによって達成される。この作用は、次のサイクルの蓄積フェーズも開始する。
【００４４】
実時間作動のため、GCカラム74は、好適に、約10-20秒でサンプルの分離を行う。したがって、検出フェーズの時間間隔は、ほぼ同一の範囲を有するべきであり、好適に約10-20秒の範囲以内である。
【００４５】
4. 連続流れ回路
流量配分回路12の例示の実施例では、作動時間を低減し且つ回路12の空き体積を最小化するために、流れの経路の効果的な配列が使用される。流量配分を制御する一つの効果的な方法は、蓄積フェーズと検出フェーズで回路12を、上述したように、同時に作動させることによる。このように組み合せた蓄積検出フェーズでは、分流バルブ34、50が閉じられ、排流バルブ68が開かれる。サンプルベアリングキャリヤーガス（I1）は、アキュームレータ56でサンプルを蓄積するためのサンプルアキュームレータ56を通じ、排流バルブ68を通じて流れる。同時に、GCキャリヤーガス（I3）は、GCカラム74を通じて流れ、分離のためのGCカラム74及び分析のための質量分析計76を通じる前回の送出しフェーズでGC流入ライン70へ送り出されたサンプルを押圧する。これら二つの流れI1及びI3は、同時に発生し、流入分岐点58、72の間のマニホルド22で適当な圧力を支持し、GCキャリヤーガスの流れをサンプルベアリングキャリヤーガスの流れから絶縁し、相互の流れの干渉を防止する。蓄積フェーズ及び検出フェーズは、利点的に、同一の時間間隔内に完了するように調整される。
【００４６】
組み合わせた蓄積検出フェーズの完了時に、蓄積したサンプル送出しフェーズは、サンプルベアリングキャリヤーガスの流れ及びGCキャリヤーガスの流れをサンプル送出し回路140から分流するために、分流バルブ34、50を開くことに取って代えられる。排流バルブ68は閉じられ、配分キャリヤーガスが、サンプルをアキュームレータ56からGC流入ライン70へと向け、次回のサイクルでの検出フェーズ中にGCカラムによる分離のために位置づけられる。今回の作動サイクルは、サンプルの送出しとともに完了し、分流バルブ34、50、68が、次回の作動サイクルの蓄積検出フェーズを開始するようにリセットされる。配分回路12を通じる流れは、例えば200EC以上で回路12の内部流れを維持し且つ低温部分を除去する炉（図示せず）の高温環境により容易にされる。全体の作動サイクルは、好適に約10-20秒、より好適には約15秒で完了される。
【００４７】
この流れの順序は、流量配分回路12に連続した流れを確立し、作動サイクルに要求される時間を低減する。回路12での連続した流れは、空き体積の導入を除去し、流れの経路の配列の使用を効果的にする。この配列は、さらに、サンプルアキュームレータ56でサンプルの連続した蓄積をほぼ達成し且つ短い送出しフェーズ中に非常に少量のサンプルを排流ライン64を通じて分流する。この作動サイクルは、三つの分流バルブ34、50、68を制御することによって容易に行われる。好適に、分流バルブ34、50、68及び流量変更調節バルブ28、42、62は、サンプル送出し回路140の外部に配置される。ガス配分システム12は、効率的で汚染が無く、しかも容易に作動でき、極微量気体サンプルの捕獲、分離及び検出を実時間で達成する。
【００４８】
さらに、検出システム10の全体は、ほぼ小形であり、極微量気体サンプルを収集し検出するための現場で使用するための持ち運びが可能である。この実時間GC/MS極微量気体検出スキームは、従来技術を越える顕著な改良である。またここで、外部サンプル収集デバイス（図示せず）が、現場でサンプルを収集するために使用できる。この場合、収集したサンプルは、後で要求されるように、検出システム10に供給され得る。
【００４９】
C. ガス流量配分システムの第二の実施例
図３に示すガス流量配分システム又は制御回路12′の他の実施例では、システム12′の様々な流入口及び出口が、図１の第一のシステム12のこれらのものを変更したものである点に特徴がある。二つのシステム12、12′の間の構成成分の多くは同一である。二つの実施例12、12′の間の同一の構成成分については、同様の符号にて示すが、図３に示すように第二の実施例12′では、符号の右肩にプライム（′）を付して区別する。
【００５０】
流量配分システム12′では、サンプルベアリングキャリヤーガス流入口20′が、図１のシステム12のサンプル流量調節ライン26及びバルブ28を含まない。また、GCキャリヤーガス流量調節ライン40及びバルブ42が、GCキャリヤーガス流入口36′に含まれない。さらに、システム12の配分キャリヤーガス流量調節ライン60及びバルブ62が、配分システム12′の配分キャリヤーガス流入口54′から除かれている。この実施例では、流入口流量I1′、I2′、I3′は、それぞれ一定に維持されることが望ましい。配分システム12′を通じる流れ及びこれに作り出される圧力は、様々な流れラインの相対的な内径の大きさに支配される。比較的小さい内径は、流れラインにインピーダンスを発生させ、ラインを通じる流量を制限し、流れラインの圧力を増加する。対照的に、図１の流れ回路12での流れは、インピーダンスによっても、バルブ28、34、42、50、62、68を調節するタイミングによっても支配されない。
【００５１】
このことから、蓄積したサンプル送出しフェーズ中に分流バルブ34′が開かれると、ある内径の大きさのサンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン30′のインピーダンスZ1が流入分岐点24′で圧力を維持する。この圧力は、少なくとも、マニホルド22′を通じるサンプルベアリングキャリヤーガス流入回路110′の出口32′への配分キャリヤーガス及びGCキャリヤーガスの流れを実質的に防止することにより、サンプルベアリングキャリヤーガス流れを絶縁することが望ましい。同様に、送出しフェーズ中、分流バルブ50′が開かれると、ある内径の大きさのGCキャリヤーガス分流ライン46′のインピーダンスZ3が、流入分岐点38′で圧力を維持する。この圧力は、マニホルド22′を通じるGCキャリヤーガス流入回路120′の流出口48′への配分キャリヤーガス又はサンプルベアリングキャリヤーガスの流れを実質的に防止することにより、GCキャリヤーガス流れを絶縁する。蓄積検出フェーズ中、サンプルベアリングキャリヤーガスは、アキュームレータ56′及び排流ライン64′を通じて排流出口66′の外部へ流れ、一方、GCキャリヤーガスは、GC流入ライン70′及びガスクロマトグラフィーカラム74′を通じて流れる。GCキャリヤーガスとサンプルベアリングキャリヤーガスとを絶縁するために、配分キャリヤーガス排流ライン64′のインピーダンスZ2により流入分岐点58′に適当な圧力が確保され、GCカラム74′のZCにより流入分岐点38′に十分な圧力が確保される。
【００５２】
つまり、インピーダンスZ1、Z2、Z3、ZCが、流量I1′、I2′、I3′と一緒に、マニホルド22′の圧力を支配し、制御した流れを作動サイクル全体を通じて不要の干渉流れと絶縁するように選択される。
【００５３】
インピーダンスZ1、Z2、Z3、ZCは、利点的に、流れ回路12′でのガスの流れを平衡にするように選択される。これらパラメータは、不必要な実験をせずに、上記の目的を達成するように決定できる。好適実施例では、Z3は、カラムインピーダンスZCと近似的に等しくなるように選択され、流量I2′は、流量I3′と近似的に等しい。これらパラメータにより、配分キャリヤーガスがサンプルをGCカラム74′へ移動させるときの送出しサイクルの間、及びGCキャリヤーガスが分離のためのGCカラム74′を通じてサンプルを駆動するときのGCサイクルの間、GCカラム74′に対する流量が、確実に、近似的に等しくされる。他の実施例では、サンプルベアリングキャリヤーガスの流量I1′が、サンプルアキュームレータ56′でサンプルベアリングキャリヤーガスからのサンプルを高速蓄積を行うため、キャリヤーガスの流量I2′、I3′よりも大きく選択される。この場合、GCカラム74′へ直接に入り込むサンプルベアリングキャリヤーガスを防止するために、Z1及びZ2は、Z3及びZCに関して低減される必要がある。また、サンプルベアリングキャリヤーガスが、GCカラム74′へ直接に流れるような十分な圧力をマニホルド22′に作り出すことを防止するため、Z1/ZC比が、I1′/I2o′比の逆数に近似的にされ、Z2/ZC比が、I1/I3の逆数にされる。
【００５４】
インピーダンスZ1、Z2、Z3は、一定であっても可変であってもよい。可変インピーダンスは、分流ラインの内径の大きさが調節可能でなければならないので、達成するには難しい。変形的に、分流バルブ34′、50′、68′は、調節可能な流れのインピーダンスを与えるように調節可能であり、要求される流れの順序を適応させるために、システム10′に配置される。
【００５５】
上述した装置の配列及びその方法は、本発明の原理の応用を単に説明するものであり、多くの他の実施例及び変更例が、請求の範囲に定義した本発明の精神及び範囲から逸脱せずになされ得ることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明のガス流量配分回路の実施例を例示するガスクロマトグラフィー質量分析極微量気体検出システムの略図である。
【図２】図２は、サンプルベアリングキャリヤーガスをガス流量配分回路へ供給するためのサンプルベアリングキャリヤーガス生成器の略図である。
【図３】図３は、ガスクロマトグラフィー質量分析極微量気体検出システムで使用されるガス流量配分回路の第二の実施例の略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極微量気体検出及び分析のための、拡散状態にあるサンプルの制御した蓄積及び送出しのためのガス流量配分システムであって、
送出しサイクルの際に前記サンプルを受け且つ分離サイクルの際に前記サンプルを分離するためのガスクロマトグラフィーカラムに連通し、蓄積サイクルの際に前記サンプルを蓄積するためのサンプルアキュームレータを含む、サンプル送出し回路、
実時間で前記サンプルアキュームレータでの前記サンプルの蓄積を行うための、前記サンプルアキュームレータを通じる前記サンプル送出し回路へのサンプルベアリングキャリヤーガスの供給、及び前記送出しサイクルの際に前記サンプル送出し回路から前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流するサンプル分流スイッチを含む、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路、
実時間でサンプルの分離を行うための、前記ガスクロマトグラフィーカラムを通じる前記サンプル送出し回路へのGCキャリヤーガスの供給、及び前記送出しサイクルの際に前記サンプル送出し回路から前記GCキャリヤーガスを分流するGCキャリヤーガス分流スイッチを含む、GCキャリヤーガス流入回路、及び
実時間で前記送出しサイクルの際に前記ガスクロマトグラフィーカラムへ前記アキュームレータの前記サンプルを送り出すための配分キャリヤーガスの供給、及び前記蓄積サイクル及び分離サイクルの際に前記サンプル送出し回路から前記配分キャリヤーガスを分流する排流スイッチを含む、配分キャリヤーガス流入回路、
を含むガス流量配分システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給、前記のGCキャリヤーガスの供給、及び前記の配分キャリヤーガスの供給が、それぞれ、一定の流量である、ところのガス流量配分システム。
【請求項３】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記配分キャリヤーガスが、前記送出しサイクルの際に、集中したパルスで、前記サンプルを前記ガスクロマトグラフィーカラムへ送り出す、ところのガス流量配分システム。
【請求項４】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記送出しサイクルが、約2秒以下、継続する、ところのガス流量配分システム。
【請求項５】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記ガスクロマトグラフィーカラムが、約1/10C.C.以下の内部体積を有する、ところのガス流量配分システム。
【請求項６】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記送出しサイクルの際に前記サンプルアキュームレータを通じる前記配分キャリヤーガスの流れの方向が、前記蓄積サイクルの際に前記サンプルアキュームレータを通じる前記サンプルベアリングガスの流れの方向と逆である、ところのガス流量配分システム。
【請求項７】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル送出し回路、前記サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路、前記GCキャリヤーガス流入回路、及び前記配分キャリヤーガス流入回路が、低い空き体積で作動する、ところのガス流量配分システム。
【請求項８】
請求項７に記載のガス流量配分システムであって、
前記空き体積が、前記ガスクロマトグラフィーカラムの内部体積の約10分の1以下である、ところのガス流量配分システム。
【請求項９】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル分流スイッチ、GCキャリヤーガス分流スイッチ、及び配分キャリヤーガス分流スイッチが、小さい内部体積を有し、高温で作動する、ところのガス流量配分システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプルアキュームレータが、前記蓄積サイクルの際に、約20秒以下で、前記サンプルを捕獲し蓄積する、ところのガス流量配分システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記分離サイクルの際に、前記GCキャリヤーガスが、前記ガスクロマトグラフィーカラムを通過するとともに、前記ガスクロマトグラフィーカラムが、約15秒以下で、前記サンプルをサンプル成分に分離し、前記GCキャリヤーガスが、前記サンプル成分の分析のため、前記サンプル成分を質量分析計へ送り出す、ところのガス流量配分システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプルアキュームレータの前記サンプルが前記送出しサイクルの際に前記ガスクロマトグラフィーカラムへ到達するために移動する距離が、約5cm以下である、ところのガス流量配分システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記蓄積サイクル及び前記分離サイクルが、実質的に動じに起こる、ところのガス流量配分システム。
【請求項１４】
請求項１４に記載のガス流量配分システムであって、
前記蓄積サイクル及び前記分離サイクルが、各々、約20秒以下、継続する、ところのガス流量配分システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記アキュームレータが、前記蓄積サイクルの際に前記サンプルを蓄積するための低温トラップを含み、前記低温トラップが、電流パルスによって電気的に加熱され、前記送出しサイクルの際に前記サンプルを前記GCカラムへ送り出す、ところのガス流量配分システム。
【請求項１６】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路が、さらに、サンプルベアリングキャリヤーガス調節バルブを有するサンプルベアリングキャリヤーガス調節ラインを含み、前記サンプルベアリングキャリヤーガス調節バルブが、前記サンプルベアリングキャリヤーガス調節ラインの下流にある、ところのガス流量配分システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記GCキャリヤーガス流入回路が、さらに、GCキャリヤーガス調節バルブを有するGCキャリヤーガス調節ラインを含み、前記GCキャリヤーガス調節バルブが、前記GCキャリヤーガス調節ラインの下流にある、ところのガス流量配分システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記配分キャリヤーガス流入回路が、さらに、配分キャリヤーガス調節バルブを有する配分キャリヤーガス調節ラインを含み、前記配分キャリヤーガス調節バルブが、前記配分キャリヤーガス調節ラインの下流にある、ところのガス流量配分システム。
【請求項１９】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル分流スイッチが、サンプル分流ラインを通じて前記送出しサイクルの際に前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流し、
前記GCキャリヤーガス分流スイッチが、GCキャリヤーガス分流ラインを通じて前記送出しサイクルの際に前記GCキャリヤーガスを分流し、
前記配分キャリヤーガス分流スイッチが、配分キャリヤーガス分流ラインを通じて前記蓄積サイクル及び前記分離サイクルの際に前記配分キャリヤーガスを分流する、
ところのガス流量配分システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル分流ラインが、これを通じる流れを抑制するサンプルキャリヤーガス内径を有し、
前記GCキャリヤーガス分流ラインが、これを通じる流れを抑制するGCキャリヤーガス内径を有し、
前記配分キャリヤーガス分流ラインが、これを通じる流れを抑制する配分キャリヤーガス内径を有し、
前記内径は、前記蓄積サイクル、送出しサイクル、及び分離サイクルの間、当該ガス流量配分システムでのガスの流れを平衡にするように選択される、
ところのガス流量配分システム。
【請求項２１】
極微量気体検出システムにおいて、サンプルをガスクロマトグラフィーカラムへ供給するためのガス制御回路であって、
サンプルを含むサンプルベアリングキャリヤーガスの供給、
キャリヤーガスの供給、
サンプル蓄積手段、
実時間で前記サンプル蓄積手段で前記サンプルの蓄積を行うため、前記サンプルベアリングキャリヤーガスを前記サンプル蓄積手段へ向け、且つ蓄積モードで前記サンプル蓄積手段へ入り込む前記キャリヤーガスを分流するための手段、及び
前記キャリヤーガスとともに実時間で分離を行うため、前記サンプル蓄積手段に蓄積した前記サンプルを前記ガスクロマトグラフィーカラムへ輸送し、且つ送出しモードで前記ガスクロマトグラフィーカラム及び前記サンプル蓄積手段に入り込む前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流するための手段、
を含むガス制御回路。
【請求項２２】
請求項１に記載のガス制御回路であって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガスを向けるための前記手段が、
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給を前記サンプル蓄積手段へ連結するサンプルベアリングキャリヤーガス流入ライン、及び
前記のキャリヤーガスの供給に連結されるキャリヤーガス分流ライン、
を含む、ところのガス制御回路。
【請求項２３】
請求項２１に記載のガス制御回路であって、
前記サンプルを輸送するための前記手段が、
前記のキャリヤーガスの供給を前記サンプル蓄積手段を通じて前記ガスクロマトグラフィーカラムに連結するサンプル輸送ライン、及び
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給に連結されるサンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン、
を含む、ところのガス制御回路。
【請求項２４】
請求項２１に記載のガス制御回路であって、
前記サンプル蓄積手段が、電源に連結されるワイヤーを有する低温トラップを含む、ところのガス制御回路。
【請求項２５】
請求項２１に記載のガス制御回路であって、
さらに、
実時間で質量分析液に向けて前記ガスクロマトグラフィーを通じて前記送出しモードの際に前記ガスクロマトグラフィーへ送り出した前記サンプルを駆動し、且つ検出モードの際に前記ガスクロマトグラフィーカラムに入り込む前記サンプル及びサンプルベアリングキャリヤーガスを分流するための手段であって、該手段が、前記のキャリヤーガスの供給を前記ガスクロマトグラフィーカラムに連結するGCキャリヤーガスラインを含む、ところの手段、
前記サンプル蓄積手段に連結されるサンプル輸送分流ライン、及び
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給に連結されるサンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン、
を含むガス制御回路。
【請求項２６】
ガスクロマトグラフィーカラムへのサンプルの実時間蓄積及び送出しのためのガス流れ回路であって、
マニホルド、
サンプル分流バルブを有するサンプル分流ラインを含み、サンプルベアリングキャリヤーガスを前記マニホルドへ導入するためのサンプル流入ライン、
検出キャリヤーガス分流バルブを有する検出キャリヤーガス分流ラインを含み、前記マニホルドを通じて前記ガスクロマトグラフィーカラムに連通し、検出キャリヤーガスを前記マニホルドへ導入するための検出キャリヤーガス流入ライン、
配分キャリヤーガス分流バルブを有し配分キャリヤーガス分流ラインを含み、配分キャリヤーガスを前記マニホルドへ導入するための配分キャリヤーガス流入ライン、及び
前記配分キャリヤーガス流入ラインと前記マニホルドとの間に配置したアキュームレータ、
を含み、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが開かれ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが閉じられると、前記アキュームレータが、前記サンプル流入ライン及びマニホルドの下流、及び前記配分キャリヤーガス分流ラインの上流にあり、前記ガスクロマトグラフィーカラムが、前記検出キャリヤーガス流入ライン及びマニホルドの下流にあり、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが閉じられ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが開かれると、前記アキュームレータが、前記配分キャリヤーガス流入ラインの下流、前記マニホルド及びガスクロマトグラフィーカラムの上流にある、
ところのガス流れ回路。
【請求項２７】
請求項２６に記載のガス流れ回路であって、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが開かれ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが閉じれられると、前記サンプル流入ラインから前記アキュームレータを通じて前記配分キャリヤーガス分流ラインへ流れる前記サンプルベアリングキャリヤーガスの流れを、前記検出キャリヤーガス流入ラインから前記ガスクロマトグラフィーカラムを通じて流れる前記検出キャリヤーガスの流れから絶縁するために、前記マニホルドに圧力が生成される、ところのガス流れ回路。
【請求項２８】
請求項２６に記載のガス流れ回路であって、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが閉じられ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが開かれると、前記配分キャリヤーガス流入ラインから前記アキュームレータを通じて前記ガスクロマトグラフィーカラムへ流れる前記配分キャリヤーガスの流れを、前記サンプル分流ラインを通じる前記サンプルベアリングキャリヤーガスの流れと、前記検出キャリヤーガス分流ラインを通じる前記検出キャリヤーガスの流れと絶縁するために、前記マニホルドに圧力が生成される、ところのガス流れ回路。
【請求項２９】
請求項２６に記載のガス流れ回路であって、
前記マニホルド、アキュームレータ、及びガスクロマトグラフィーカラムが、約200EC以上の温度にある炉の内部に配置され、
前記サンプル分流バルブ、検出キャリヤーガス分流バルブ、及び配分キャリヤーガス分流バルブが、前記炉の外部に配置される、
ところのガス流れ回路。
【請求項３０】
ガスクロマトグラフィー及び質量分析計を使用して極微量気体を検出し分析するための方法であって、
アキュームレータを通じてサンプルベアリングキャリヤーガスを与える工程であって、前記アキュームレータが、実時間で前記サンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを捕獲し蓄積する、ところの工程、
前記アキュームレータでの前記サンプルの蓄積を行うとき、前記アキュームレータから前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流する工程、
実時間で前記サンプルを前記ガスクロマトグラフィーカラムへ輸送するために、前記アキュームレータを通じてキャリヤーガスを向ける工程、及び
実時間で前記サンプルをサンプル成分に分離し且つ前記サンプル成分を前記質量分析計へ輸送するために、前記ガスクロマトグラフィーカラムを通じてGCキャリヤーガスを供給する工程、
を含む方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法であって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガスを与える前記工程、及びGCキャリヤーガスを供給する前記工程が、同時に行われる、ところの方法。
【請求項３２】
請求項３０に記載の方法であって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガスを与える前記工程が、
サンプルを絶縁するために、周囲の大気をメンブレンセパレータへ送り出す工程、及び
前記の絶縁されたサンプルと、清浄なキャリヤーガスとを混合する工程、
を含む、ところの方法。
【請求項３３】
請求項３０に記載の方法であって、
前記アキュームレータを通じて前記キャリヤーガスを向ける前記工程が、
前記アキュームレータから前記ガスクロマトグラフィーカラムへの前記サンプルの急激な環流を生成するため、前記アキュームレータに衝撃的な温度上昇を与えるために、前記アキュームレータの低おｂトラップに大きい電流のパルスを印加する工程、
を含む、ところの方法。
【請求項１】
極微量気体検出及び分析のための、拡散状態にあるサンプルの制御した蓄積及び送出しのためのガス流量配分システムであって、
送出しサイクルの際に前記サンプルを受け且つ分離サイクルの際に前記サンプルを分離するためのガスクロマトグラフィーカラムに連通し、蓄積サイクルの際に前記サンプルを蓄積するためのサンプルアキュームレータを含む、サンプル送出し回路、
実時間で前記サンプルアキュームレータでの前記サンプルの蓄積を行うための、前記サンプルアキュームレータを通じる前記サンプル送出し回路へのサンプルベアリングキャリヤーガスの供給、及び前記送出しサイクルの際に前記サンプル送出し回路から前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流するサンプル分流スイッチを含む、サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路、
実時間でサンプルの分離を行うための、前記ガスクロマトグラフィーカラムを通じる前記サンプル送出し回路へのGCキャリヤーガスの供給、及び前記送出しサイクルの際に前記サンプル送出し回路から前記GCキャリヤーガスを分流するGCキャリヤーガス分流スイッチを含む、GCキャリヤーガス流入回路、及び
実時間で前記送出しサイクルの際に前記ガスクロマトグラフィーカラムへ前記アキュームレータの前記サンプルを送り出すための配分キャリヤーガスの供給、及び前記蓄積サイクル及び分離サイクルの際に前記サンプル送出し回路から前記配分キャリヤーガスを分流する排流スイッチを含む、配分キャリヤーガス流入回路、
を含むガス流量配分システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給、前記のGCキャリヤーガスの供給、及び前記の配分キャリヤーガスの供給が、それぞれ、一定の流量である、ところのガス流量配分システム。
【請求項３】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記配分キャリヤーガスが、前記送出しサイクルの際に、集中したパルスで、前記サンプルを前記ガスクロマトグラフィーカラムへ送り出す、ところのガス流量配分システム。
【請求項４】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記送出しサイクルが、約2秒以下、継続する、ところのガス流量配分システム。
【請求項５】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記ガスクロマトグラフィーカラムが、約1/10C.C.以下の内部体積を有する、ところのガス流量配分システム。
【請求項６】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記送出しサイクルの際に前記サンプルアキュームレータを通じる前記配分キャリヤーガスの流れの方向が、前記蓄積サイクルの際に前記サンプルアキュームレータを通じる前記サンプルベアリングガスの流れの方向と逆である、ところのガス流量配分システム。
【請求項７】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル送出し回路、前記サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路、前記GCキャリヤーガス流入回路、及び前記配分キャリヤーガス流入回路が、低い空き体積で作動する、ところのガス流量配分システム。
【請求項８】
請求項７に記載のガス流量配分システムであって、
前記空き体積が、前記ガスクロマトグラフィーカラムの内部体積の約10分の1以下である、ところのガス流量配分システム。
【請求項９】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル分流スイッチ、GCキャリヤーガス分流スイッチ、及び配分キャリヤーガス分流スイッチが、小さい内部体積を有し、高温で作動する、ところのガス流量配分システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプルアキュームレータが、前記蓄積サイクルの際に、約20秒以下で、前記サンプルを捕獲し蓄積する、ところのガス流量配分システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記分離サイクルの際に、前記GCキャリヤーガスが、前記ガスクロマトグラフィーカラムを通過するとともに、前記ガスクロマトグラフィーカラムが、約15秒以下で、前記サンプルをサンプル成分に分離し、前記GCキャリヤーガスが、前記サンプル成分の分析のため、前記サンプル成分を質量分析計へ送り出す、ところのガス流量配分システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプルアキュームレータの前記サンプルが前記送出しサイクルの際に前記ガスクロマトグラフィーカラムへ到達するために移動する距離が、約5cm以下である、ところのガス流量配分システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記蓄積サイクル及び前記分離サイクルが、実質的に動じに起こる、ところのガス流量配分システム。
【請求項１４】
請求項１４に記載のガス流量配分システムであって、
前記蓄積サイクル及び前記分離サイクルが、各々、約20秒以下、継続する、ところのガス流量配分システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記アキュームレータが、前記蓄積サイクルの際に前記サンプルを蓄積するための低温トラップを含み、前記低温トラップが、電流パルスによって電気的に加熱され、前記送出しサイクルの際に前記サンプルを前記GCカラムへ送り出す、ところのガス流量配分システム。
【請求項１６】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガス流入回路が、さらに、サンプルベアリングキャリヤーガス調節バルブを有するサンプルベアリングキャリヤーガス調節ラインを含み、前記サンプルベアリングキャリヤーガス調節バルブが、前記サンプルベアリングキャリヤーガス調節ラインの下流にある、ところのガス流量配分システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記GCキャリヤーガス流入回路が、さらに、GCキャリヤーガス調節バルブを有するGCキャリヤーガス調節ラインを含み、前記GCキャリヤーガス調節バルブが、前記GCキャリヤーガス調節ラインの下流にある、ところのガス流量配分システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記配分キャリヤーガス流入回路が、さらに、配分キャリヤーガス調節バルブを有する配分キャリヤーガス調節ラインを含み、前記配分キャリヤーガス調節バルブが、前記配分キャリヤーガス調節ラインの下流にある、ところのガス流量配分システム。
【請求項１９】
請求項１に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル分流スイッチが、サンプル分流ラインを通じて前記送出しサイクルの際に前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流し、
前記GCキャリヤーガス分流スイッチが、GCキャリヤーガス分流ラインを通じて前記送出しサイクルの際に前記GCキャリヤーガスを分流し、
前記配分キャリヤーガス分流スイッチが、配分キャリヤーガス分流ラインを通じて前記蓄積サイクル及び前記分離サイクルの際に前記配分キャリヤーガスを分流する、
ところのガス流量配分システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のガス流量配分システムであって、
前記サンプル分流ラインが、これを通じる流れを抑制するサンプルキャリヤーガス内径を有し、
前記GCキャリヤーガス分流ラインが、これを通じる流れを抑制するGCキャリヤーガス内径を有し、
前記配分キャリヤーガス分流ラインが、これを通じる流れを抑制する配分キャリヤーガス内径を有し、
前記内径は、前記蓄積サイクル、送出しサイクル、及び分離サイクルの間、当該ガス流量配分システムでのガスの流れを平衡にするように選択される、
ところのガス流量配分システム。
【請求項２１】
極微量気体検出システムにおいて、サンプルをガスクロマトグラフィーカラムへ供給するためのガス制御回路であって、
サンプルを含むサンプルベアリングキャリヤーガスの供給、
キャリヤーガスの供給、
サンプル蓄積手段、
実時間で前記サンプル蓄積手段で前記サンプルの蓄積を行うため、前記サンプルベアリングキャリヤーガスを前記サンプル蓄積手段へ向け、且つ蓄積モードで前記サンプル蓄積手段へ入り込む前記キャリヤーガスを分流するための手段、及び
前記キャリヤーガスとともに実時間で分離を行うため、前記サンプル蓄積手段に蓄積した前記サンプルを前記ガスクロマトグラフィーカラムへ輸送し、且つ送出しモードで前記ガスクロマトグラフィーカラム及び前記サンプル蓄積手段に入り込む前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流するための手段、
を含むガス制御回路。
【請求項２２】
請求項１に記載のガス制御回路であって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガスを向けるための前記手段が、
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給を前記サンプル蓄積手段へ連結するサンプルベアリングキャリヤーガス流入ライン、及び
前記のキャリヤーガスの供給に連結されるキャリヤーガス分流ライン、
を含む、ところのガス制御回路。
【請求項２３】
請求項２１に記載のガス制御回路であって、
前記サンプルを輸送するための前記手段が、
前記のキャリヤーガスの供給を前記サンプル蓄積手段を通じて前記ガスクロマトグラフィーカラムに連結するサンプル輸送ライン、及び
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給に連結されるサンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン、
を含む、ところのガス制御回路。
【請求項２４】
請求項２１に記載のガス制御回路であって、
前記サンプル蓄積手段が、電源に連結されるワイヤーを有する低温トラップを含む、ところのガス制御回路。
【請求項２５】
請求項２１に記載のガス制御回路であって、
さらに、
実時間で質量分析液に向けて前記ガスクロマトグラフィーを通じて前記送出しモードの際に前記ガスクロマトグラフィーへ送り出した前記サンプルを駆動し、且つ検出モードの際に前記ガスクロマトグラフィーカラムに入り込む前記サンプル及びサンプルベアリングキャリヤーガスを分流するための手段であって、該手段が、前記のキャリヤーガスの供給を前記ガスクロマトグラフィーカラムに連結するGCキャリヤーガスラインを含む、ところの手段、
前記サンプル蓄積手段に連結されるサンプル輸送分流ライン、及び
前記のサンプルベアリングキャリヤーガスの供給に連結されるサンプルベアリングキャリヤーガス分流ライン、
を含むガス制御回路。
【請求項２６】
ガスクロマトグラフィーカラムへのサンプルの実時間蓄積及び送出しのためのガス流れ回路であって、
マニホルド、
サンプル分流バルブを有するサンプル分流ラインを含み、サンプルベアリングキャリヤーガスを前記マニホルドへ導入するためのサンプル流入ライン、
検出キャリヤーガス分流バルブを有する検出キャリヤーガス分流ラインを含み、前記マニホルドを通じて前記ガスクロマトグラフィーカラムに連通し、検出キャリヤーガスを前記マニホルドへ導入するための検出キャリヤーガス流入ライン、
配分キャリヤーガス分流バルブを有し配分キャリヤーガス分流ラインを含み、配分キャリヤーガスを前記マニホルドへ導入するための配分キャリヤーガス流入ライン、及び
前記配分キャリヤーガス流入ラインと前記マニホルドとの間に配置したアキュームレータ、
を含み、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが開かれ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが閉じられると、前記アキュームレータが、前記サンプル流入ライン及びマニホルドの下流、及び前記配分キャリヤーガス分流ラインの上流にあり、前記ガスクロマトグラフィーカラムが、前記検出キャリヤーガス流入ライン及びマニホルドの下流にあり、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが閉じられ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが開かれると、前記アキュームレータが、前記配分キャリヤーガス流入ラインの下流、前記マニホルド及びガスクロマトグラフィーカラムの上流にある、
ところのガス流れ回路。
【請求項２７】
請求項２６に記載のガス流れ回路であって、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが開かれ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが閉じれられると、前記サンプル流入ラインから前記アキュームレータを通じて前記配分キャリヤーガス分流ラインへ流れる前記サンプルベアリングキャリヤーガスの流れを、前記検出キャリヤーガス流入ラインから前記ガスクロマトグラフィーカラムを通じて流れる前記検出キャリヤーガスの流れから絶縁するために、前記マニホルドに圧力が生成される、ところのガス流れ回路。
【請求項２８】
請求項２６に記載のガス流れ回路であって、
前記配分キャリヤーガス分流バルブが閉じられ且つ前記サンプル分流バルブ及び検出キャリヤーガス分流バルブが開かれると、前記配分キャリヤーガス流入ラインから前記アキュームレータを通じて前記ガスクロマトグラフィーカラムへ流れる前記配分キャリヤーガスの流れを、前記サンプル分流ラインを通じる前記サンプルベアリングキャリヤーガスの流れと、前記検出キャリヤーガス分流ラインを通じる前記検出キャリヤーガスの流れと絶縁するために、前記マニホルドに圧力が生成される、ところのガス流れ回路。
【請求項２９】
請求項２６に記載のガス流れ回路であって、
前記マニホルド、アキュームレータ、及びガスクロマトグラフィーカラムが、約200EC以上の温度にある炉の内部に配置され、
前記サンプル分流バルブ、検出キャリヤーガス分流バルブ、及び配分キャリヤーガス分流バルブが、前記炉の外部に配置される、
ところのガス流れ回路。
【請求項３０】
ガスクロマトグラフィー及び質量分析計を使用して極微量気体を検出し分析するための方法であって、
アキュームレータを通じてサンプルベアリングキャリヤーガスを与える工程であって、前記アキュームレータが、実時間で前記サンプルベアリングキャリヤーガスからサンプルを捕獲し蓄積する、ところの工程、
前記アキュームレータでの前記サンプルの蓄積を行うとき、前記アキュームレータから前記サンプルベアリングキャリヤーガスを分流する工程、
実時間で前記サンプルを前記ガスクロマトグラフィーカラムへ輸送するために、前記アキュームレータを通じてキャリヤーガスを向ける工程、及び
実時間で前記サンプルをサンプル成分に分離し且つ前記サンプル成分を前記質量分析計へ輸送するために、前記ガスクロマトグラフィーカラムを通じてGCキャリヤーガスを供給する工程、
を含む方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法であって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガスを与える前記工程、及びGCキャリヤーガスを供給する前記工程が、同時に行われる、ところの方法。
【請求項３２】
請求項３０に記載の方法であって、
前記サンプルベアリングキャリヤーガスを与える前記工程が、
サンプルを絶縁するために、周囲の大気をメンブレンセパレータへ送り出す工程、及び
前記の絶縁されたサンプルと、清浄なキャリヤーガスとを混合する工程、
を含む、ところの方法。
【請求項３３】
請求項３０に記載の方法であって、
前記アキュームレータを通じて前記キャリヤーガスを向ける前記工程が、
前記アキュームレータから前記ガスクロマトグラフィーカラムへの前記サンプルの急激な環流を生成するため、前記アキュームレータに衝撃的な温度上昇を与えるために、前記アキュームレータの低おｂトラップに大きい電流のパルスを印加する工程、
を含む、ところの方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−１４５２９５（Ｐ２００６−１４５２９５Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３３５９８（Ｐ２００４−３３３５９８）
【出願日】平成１６年１１月１７日（２００４．１１．１７）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１７日（２００４．１１．１７）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
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