熱裂解

 　　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，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。