萊伯泰科“色譜前處理技術專題”—熱裂解技術的現狀與展望

　　作為樣品前處理領域的行業先鋒，通過20余年的技術積淀，萊伯泰科已研發生產出各類成熟的色譜前處理產品，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、凝膠凈化系統等，可以多方位滿足色譜分析的前處理需求，并已廣泛應用于環境檢測、食品安全、醫療衛生、疾病控制、材料研究、生命科學等領域。

　　隨著色譜技術在各行業更加廣泛的應用與普及，我們特開設了“色譜前處理技術專題”，展示萊伯泰科前處理產品的最新技術和應用，便于大家更全面地了解各類色譜前處理技術。

　　第一期：熱裂解技術的現狀與展望

　　一、熱裂解技術簡介

　　在分析化學領域，許多大分子物質，如生物體、合成高分子材料，由于其極低蒸氣壓甚至完全不揮發，無法直接用氣相色譜或質譜等常規方法進行分離分析。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鍵，通過觀察大分子在高溫中的分解及裂片產物來研究大分子的技術。對這些裂片進行分析可知原始大分子的性質和結構信息，熱裂解可以聯機氣質聯用或傅里葉變換紅外，這樣可用于合成聚合物、生物聚合物、復合材料和復雜工業材料等樣品的分析。裂解過程中會發生化學鍵斷裂，能量進入目標組分，根據其大分子的化學鍵的強弱，分子發生裂解。裂片是根據大分子的原子之間的化學鍵的相對強弱來分解形成。利用可重復的能量參數（溫度、升溫速率、時間）來加熱大分子，就會產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。

　　熱裂解技術應用廣泛，可應用于能源物質和反應、聚合物材料等分析，可以應用于法醫實驗室的痕量證據分析、評估新的復合材料、藝術品的鑒定和保護、微生物鑒定、復雜生物學和生態系統等研究。

　　目前比較熱門的熱裂解儀應用領域是微塑料和RoHS塑化劑分析。塑料作為工業的億噸級產品，在自然環境中分解成微米級和納米級塑料顆粒，這些塑料顆粒可進行人體的，并對人體健康造成危害，熱裂解串聯GC-MS可在低濃度進行定量定性分析。RoHS是歐盟對電子產品的安全標準，其中塑化劑檢測可采用熱裂解進行快速篩查，不需復雜的提取純化等前處理,大大簡化了實驗操作。

　　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、加熱系統等組成。樣品在裂解腔中高溫分解為氣態裂片，在GC或GC-MS載氣帶動下，經過裂解腔下的接口進入八通閥，八通閥通過管路的待機和進樣模式的切換，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、居里點型。熱絲型可進行快速和連續的加熱，管爐型在加熱速度方面不夠理想，居里點型可以進行精準的控溫，但不能連續升溫。

　　CDS的熱裂解采用熱絲加熱方式，將鉑絲纏繞在石英材質的裂解管上，通過電流控制使鉑絲快速連續加熱裂解管，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在熱裂解領域的貢獻和成果

　　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，距今已有53年歷史，是一家集研發、生產和銷售為一體的實驗室樣品前處理儀器供應商，于2015年正式加入萊伯泰科旗下。

　　CDS的創始人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沉淀。成立之初，公司希望在化學分析（Chemical）、數據處理（Data）和數據分析（Systems）方向有所建樹，CDS由此得名。彼時，誰也不會想到，CDS熱裂解產品日后會成為進入中國市場的色譜前端進樣設備，和惠普的GC和GC-MS設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、煙草的研發和質檢工作都將做出積極貢獻。

　　CDS熱裂解儀與GC或者GC-MS聯機使用，具備穩定、高效、快捷的技術優勢，一經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標準。CDS自1970年推出第一臺熱裂解儀后，歷經多年研發，不斷改進熱裂解產品性能，推陳出新，到目前為止，共推出6代熱裂解迭代產品。

CDS熱裂解產品發展歷程

　　1981年，CDS熱裂解產品因其原創技術和對分析化學領域的突出貢獻，獲得美國科學技術創新獎（R&D100 Awards），該獎項被譽為科技界的“創新奧斯卡”。能獲此殊榮，CDS熱裂解技術可見一斑。

CDS美國科學技術創新獎證書

　　CDS于2017年推出的第6代6000系列熱裂解產品，對熱裂解核心部件做出了重要創新，設計出“DISC模塊”，在原有的電阻加熱線圈的基礎上，改進了加熱腔使之更有利于配合自動進樣器自動上樣。CDS在絲式裂解方面具有強大的實力,其先進的溫控技術和設計理念,其特有的高壓裂解、有氧裂解、催化裂解、多步裂解(可達10步)等技術，使得CDS一直躋身高端裂解器之列。

CDS 6200熱裂解儀

　　熱裂解儀系列產品是作為CDS公司多年的主打產品，不僅在該品類市場上占有主要份額，在相關學術領域也有著巨大的影響力。世紀之初，公司曾與美國國家航空航天局(NASA)JPL實驗室合作將熱裂解技術用于火星現場樣品分析系統(Sample Analysis at Mars, SAM)。美國聯邦警察系統也使用由CDS建立的汽車漆熱裂解數據庫，用來鑒別車輛廠牌年份等信息，該技術還被用于繪畫作品的真偽及年份鑒別。

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(SMS)

　　四、CDS熱裂解最新技術

　　1、特有的DISC模塊設計：讓實驗操作更簡單

　　 DISC模塊采用獨立垂直的耐高溫石英腔設計，配有專用的樣品管，不再需要石英棉填充，操作簡單方便，數據重現性更好。熱裂解分析后會產生大量的裂片化合物，裂片中的高沸點有機污染物和無機污染物會對系統污染，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，可以在有機溶劑或酸幫助下，對石英腔進行直接清洗，容易清除附污染物。DISC模塊還有clean功能，通過對石英腔進行超高溫度的烘烤，保證高沸點化合物氣化，可有效去除石英腔的高沸點污染物。創新的DISC獨特設計對污染問題提供了更好的解決方案。

　　2、UV模塊在線分析：加快實驗速度

　　CDS Photoprobe模塊是利用高能量的UV燈來照射裂解腔中的樣品，且可設置裂解腔中溫度和反應氣。UV光的光強度可達到800mW/mm2 ，其波長范圍是260-400nm。可用于模擬樣品在自然界陽光長期照射下發生的化學變化，利用強光度可大大縮短實驗時間，做橡膠塑料等樣品的加速老化實驗測試。

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氣（氧氣、 氮氣、 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行熱裂解反應，模擬樣品在有氧或無氧的加熱反應實驗，和GCMS聯機后實現在線分析。

　　4、高壓反應器：助力能源與化工科學研究

　　新生物原料、煤、石油或聚合物反應，科學家也需要了解材料在高壓條件下分解，CDS高壓熱裂解反應器可實驗高溫高壓熱裂解分析。該系統在5200型裂解爐改進，可在最大500psi下熱解，再通過吸附阱捕集，進入GC。

5200HPR高壓反應器

　　五、熱裂解技術的最新應用及發展方向

　　1、熱裂解技術：快速有效的微塑料檢測技術

　　近幾年來，科學家已經從越來越多的樣品中發現了微塑料的存在，除了環境樣品，人體血液和母乳中也都發現了微塑料，微塑料已經成為一個威脅地球環境和人類健康的“隱形殺手”。

　　微塑料在人體生物樣本中的陸續發現，引起了世人的廣泛關注，已經被列入國際上廣泛關注的環境中新污染物四大類之一（四大類分別是持久性有機污染物、內分泌干擾物、抗生素和微塑料），在我國生態環境部通過的《生態環境監測規劃綱要（ 2020-2035 年）》中，海洋微塑料專項監測的任務內容也列在其中。

　　熱裂解技術在鑒定微塑料顆粒的材料成分中發揮著巨大的作用，隨著新領域的不斷涌現以及需求量的增加，熱裂解技術將會迎來又一個飛躍。

　　2、熱裂解儀的自動化、智能化、集成化發展

　　分析檢測流程的自動化、智能化已經成為目前實驗室發展的一大趨勢，尤其是前處理設備。將多種功能的前處理設備進行集成化、與分析儀器在線連接、實現自動化樣品前處理全過程，是廣大實驗室人員的心之所向。

　　但目前色譜前處理技術種類繁多，如果一個實驗室中涉及的檢測樣品和項目較多的情況下，往往需要購置多種前處理設備，不僅占用大量實驗室面積，且每個產品都有各自的操作系統，給員工培訓和使用帶來諸多不便。而如果將各種前處理設備進行集成化，則能解決上述問題。

　　將CDS 6000系列熱裂解儀集成在Astation多功能樣品制備進樣平臺上，是萊伯泰科的一個發展計劃，它將使前處理變得更加從容，使實驗變得更加自動和智能，滿足客戶更多的實驗需求，必將會助力人們更好地完成對新領域的色譜分析研究工作。