专利名称：具有提高灵敏度的火焰光度检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有提高灵敏度的火焰光度检测器。
背景技术：
气体色谱法被用于分析和检测气体样本中很多不同物质的存在。气体色谱法根据想要检测的特定元素或化合物而使用各种类型的检测器。在特定的色谱分析中，不同检测器被用于实现对特定元素或化合物的选择性和/或高度灵敏的检测。
通常，火焰光度检测器被用于检测特定样本或分析物中硫磺或磷的存在。火焰光度检测器使用被称为化学发光反应的方法，在化学发光反应中，包含硫磺或磷的化合物遇到富含氢气的火焰。化学发光使用对来自受激态化学物质的光发射的定量测量来确定分析物的浓度。化学发光通常是来自赋能分子物质的发射。当被烧热或燃烧时，在这种火焰中，硫磺被变形为被称为“S2”的发射物质，而磷被变形为被称为“HPO”的发射物质。对于受激态S2的发射波长范围其中包括从320到405纳米(nm)的范围，而对于受激态HPO的波长范围其中包括从510到530nm的范围。分子发射撞击光电倍增管，该光电倍增管将光子转换成电信号，以量化特定受激态物质的浓度。
为了有选择地检测受激态S2发射或受激态HPO发射，窄带通光学(干涉)滤波器通常被用在火焰和光电倍增管之间，以隔离适当的发射带。不幸的是，窄带通光学滤波器限制了信噪比，并因此限制了被传递到光电倍增管的信号的信号强度，从而无法检测微小量的分析物。例如，在传统的火焰光度检测器中用于检测硫磺的窄带通光学滤波器透射波长范围从385到400nm的光子发射带，并且具有65％的透过率。这种光学滤波器的缺点在于它只能通过用于硫磺的很多特征发射带之一，从而限制了被提供到光电倍增管的信号。此外，为了检测不同分析物的存在，必须替换不同的滤波器。
因此，希望在无需改变火焰光度检测器中的干涉滤波器的情况下检测多种元素的存在。
发明内容
根据一个实施例，一种火焰光度检测器包括被配置为燃烧流出物的样本的燃烧器装置，经燃烧的样本发出至少一种受激态分子；被配置为使对应于所述受激态分子的多个所选光学波长通过的可替换的选择性光学滤波器；以及被配置为量化所述受激态分子的浓度的光电倍增管。
本发明的其他方面和优点将通过参考附图和对优选实施例的详细描述来论述。
在对示例性实施例的描述中，将通过具体参考附图而以示例方式描述本发明，在附图中图1是示出了采用选择性光学滤波器的火焰光度检测器的示意图。
图2是示出了传统光学滤波器的光谱波长和滤波器透过带的图例。
图3是示出了根据本发明的实施例构造的选择性光学滤波器的光学特性的图例。
图4是示出了选择性光学滤波器的另一实施例的图例。
图5是示出了选择性光学滤波器的另一实施例的图例。
图6是示出了选择性光学滤波器的另一实施例的图例。
图7是示出了用于有选择地检测光学信号的方法的流程图。
具体实施例方式
虽然以下描述用于检测硫磺和磷，但是在火焰光度检测器中使用的选择性光学滤波器可以被修改以检测其他元素的存在。例如，根据本发明的实施例，通过仔细设计选择性光学滤波器的透过和非透过波长，其他元素的存在可以被检测和分析。此外，虽然这里描述了特定波长，但是下述选择性光学滤波器可以被配置为对于其他波长是透过和非透过的。
图1是示出了采用选择性光学滤波器的火焰光度检测器100的示意图。火焰光度检测器100一般包括主体部分146和样本提供元件106。在一个实施例中，在102处所示的气体色谱仪的输出(包括色谱柱104)被提供到样本提供元件106的输入端口108。在输入端口108处提供的样本材料被称为“流出物”，并且代表色谱柱104输出。样本提供元件106还包括端口112和端口114，通过端口112提供氢气供应，并且通过端口114提供氧气或空气供应。样本提供元件106还包括燃烧器元件116，用于提供火焰118。根据火焰光度检测器100的操作，经由色谱柱104引入的样本在富含氢气的火焰118中被挥发。在富含氢气的火焰118中加热样本激发了样本中的分子，并且如果存在，则致使从流出物形成具有硫(在本示例中的S2)和磷(在本示例中的HPO)的受激态物质。
火焰118在包括了排气端122的腔室126中燃烧。排气端口122被配置为带走来自腔室126的所有燃烧副产品。腔室126包括化学发光区域128。化学发光区域128是在火焰光度检测100的主体146内的区域，在该区域中，由火焰118挥发的样本形成受激态分子，所述受激态分子将被光电倍增管138所检测。术语化学发光指的是分子的受激态物质在一系列特定波长上以光子形式发射光能量的过程。如下所述，光子穿过温度滤波器134和选择性光学滤波器150，并且被光电倍增管138所检测和放大。
温度滤波器134使化学发光区域128和腔室126与选择性光学滤波器150相分离。在本示例中，选择性光学滤波器150可移动并可替换，以便可以有选择地检测在化学发光区域128中产生并被传递到光电倍增管138的光的波长。当样本在腔室126中被燃烧时，样本发射受激态物质，所述受激态物质在一种或多种特性波长上发射光子。选择性光学滤波器150过滤撞击在其上的光能量，并且将所选波长传递到光电倍增管138。光电倍增管138在连接142上接收高电压能量源，并在连接144上提供去往放大器和其他处理元件(未示出)的输出。光电倍增管138将光子转换成电信号，以量化特定受激态物质的浓度。撞击在光电倍增管138上的光子具有如下的特性波长，该特性波长依赖于在区域128中经历化学发光反应的材料。以这种方式，火焰光度检测器100可以经由撞击在光电倍增管138上的光能量的特征波长来判断样本中是否存在特定元素。
在典型应用中，火焰光度检测器100被用于检测样本中硫和/或磷的存在。当由于化学发光反应而被激发时，硫变为被称为“S2”的分子物质，而磷变为被称为“HPO”的分子物质。
在传统的火焰光度检测器中，光学滤波器被历史性地设计为窄带通滤波器，这种窄带通光学滤波器被设计成使作为想要检测的材料特性的电磁光谱中的一小部分通过。根据本发明的实施例，选择性光学滤波器150被构造为宽带通光学滤波器，并且在可替换实施例中，被构造为具有选择性透过和非透过区域的多个选择性带通光学滤波器。在发明人实现宽带通选择性光学滤波器之前，这种光学滤波器被认为无法以足够选择性检测S2和HPO物质。但是，已经发现，历史上关于在使用宽带通光学滤波器时估计滤波器选择性较差的担心是没有根据的。根据本发明的实施例，宽带通选择性光学滤波器不仅能为S2和HPO物质的检测提供很高的选择性，还能提供很高的灵敏度。
图2是示出了传统光学滤波器的光谱波长和滤波器透过带的图例200。横轴202代表以纳米(nm)表示的光谱波长，而纵轴204代表通过光学滤波器的信号强度。轨迹206示出了存在于最完全燃烧的样本中的碳氢化合物或OH的干涉信号，其包含多个峰值222、224、226、228和232。轨迹208代表硫在被火焰光度检测器100燃烧之后的光学响应，并且轨迹212代表磷在被火焰光度检测器100燃烧之后的光学响应。曲线208包括受激态S2分子的多个特性波长(364nm、374nm、384nm和394nm(图2中所立图示))，而曲线212包括受激态HPO分子的特性波长(525nm)。
在250处指示的区域示出了包含394纳米波长的窄光学透过带，394纳米波长是受激态S2硫分子的特性波长之一。在点214处示出的峰值代表硫S2分子的394nm特征发射，而峰值216代表磷HPO的特性525纳米波长发射。在本示例中，传统的窄带光学滤波器只能使394nm的S2特征波长通过。
图3是示出了根据本发明的实施例构造的选择性光学滤波器的光学特性的图例300。横轴302代表以纳米表示的光谱波长，而纵轴304代表通过选择性光学滤波器的信号强度。轨迹306代表包括多个碳氢化合物或OH峰值322、324、326、328和332的干涉信号，轨迹308代表S2硫分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的光学响应，并且轨迹312代表HPO磷分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的光学响应。曲线308包括多个受激态S2分子的特性波长(364nm、374nm、384nm和394nm)，而曲线312包括受激态HPO分子的特性波长(525nm)。
根据本发明的实施例，选择性光学滤波器150具有被示为透过区域350的宽透过带。在本示例中，透过区域包围了大约从335到405纳米的波长。该宽带通滤波器特性捕获到S2分子的特性波长(364nm、374nm、384nm和394nm)(一般在336处示出)中的大多数。S2分子的其他特性波长例如包括342nm、350nm和359nm。使用透过区域350示出的宽带通滤波器特性提供了极好的信噪比，同时利用了特性化S2硫分子的特性波长336的宽范围。选择性光学滤波器150被设计成在透过区域350外部的波长不能透过。
图4示出了选择性光学滤波器的另一实施例的光学特性的图例400。横轴402代表以纳米表示的光谱波长，而纵轴404代表通过选择性光学滤波器的信号强度。轨迹406代表包括多个碳氢化合物和OH峰值422、424、426、428和432的干涉信号，轨迹408代表S2硫分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的响应，并且轨迹412代表HPO磷分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的响应。曲线408包括多个受激态S2分子的特性波长(364nm、374nm、384nm和394nm)，而曲线412包括受激态HPO分子的特性波长(525nm)。
使用图例400指示的选择性光学滤波器的光学滤波器特性示出了透过区域442和透过区域444，在它们之间具有非透过区域446。透过区域442在大约从335到380纳米的波长区域中是透过的，而透过区域444在大约从405到425纳米的波长区域中是透过的。非透过区域446占据了大约包围从385到400纳米的光谱波长。在本示例中，在非透过区域446和透过区域442及444之间存在大约5nm的区域，该区域由于光学滤波器性能特征而被看作即不是透过的，也不是非透过的。
非透过区域446被称为“凹口”，因为其中的波长在滤波器响应中是凹形的。如图4所示，非透过区域446包围了干涉轨迹406(如点424所示)的碳氢化合物响应。通过在该波长处使碳氢化合物响应凹陷，选择性光学滤波器150为在特性波长342nm、350nm、359nm、364nm和374nm上检测S2硫分子提供了很高的选择性和很高的灵敏度。
图5是示出了选择性光学滤波器的另一实施例的光学特性的图例500。横轴502代表以纳米表示的光谱波长，而纵轴504代表通过选择性光学滤波器的信号强度。轨迹506代表包括多个碳氢化合物和OH峰值522、524、526、528和532的干涉信号，轨迹508代表S2硫分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的响应，并且轨迹512代表HPO磷分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的响应。曲线508包括多个受激态S2分子的特性波长(364nm、374nm、384nm和394nm)，而曲线512包括受激态HPO分子的特性波长(525nm)。HPO分子的其他特性波长也可以被检测。
图5中的滤波器响应包括透过区域550和透过区域560。透过区域550包围着大约从335到405纳米的波长，而透过区域560包围着大约从520到580纳米的波长。以这种方式，单个选择性光学滤波器可以为检测S2硫分子和HPO磷分子两者提供光学敏感度和选择性。如图5所示，受激态S2分子的特性波长发射(364nm、374nm、384nm和394nm)和受激态HPO磷分子的特性525纳米波长发射分别在透过区域550和560中被容易地捕获到，而在522、526、528和532处示出的干涉碳氢化合物和OH信号位于透射区域550和560外部。
图6是示出了选择性光学滤波器的另一实施例的光学特性的图例600。横轴602代表以纳米表示的光谱波长，而纵轴604代表通过选择性光学滤波器的信号强度。轨迹606代表包括多个碳氢化合物和OH峰值622、624、626、628和632的干涉信号，轨迹608代表S2硫分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的响应，并且轨迹612代表HPO磷分子在被火焰光度检测器100燃烧之后的响应。曲线608包括多个受激态S2分子的特性波长(364n m、374nm、384nm和394nm)，而曲线612包括受激态HPO分子的特性波长(525nm)。
图6中示出的选择性光学滤波器的光学响应包括透过区域650和透过区域660，其中透过区域650包围着大约从355到375纳米的波长范围，而透过区域660包围着大约从520到540纳米的波长范围。透过区域650被选择性地定义为省略位于点624处的碳氢化合物峰值，而透过区域660被选择性地定义为省略位于点632处的碳氢化合物峰值。但是，透过区域650仍旧包括足够的波长范围来捕获364nm和374nm的S2分子峰值以及525nm的HPO分子峰值。
图7是示出了用于有选择地检测光学信号的方法的流程图700。在框702中，火焰光度检测器100从样本中产生在多个不同波长上的光子。在框704中，多个波长通过单个的选择性光学滤波器150。在框706中，光电倍增管138检测与多个波长中的每个波长相关联的元素。
以上详细描述仅仅以气相形式给出，以用于理解本发明的示例性实施例，但是不应从其理解为不必要的限制，因为在不脱离所附权利要求书及其等同物的范围的情况下，本领域的技术人员显然能想到多种修改。
权利要求
1.一种火焰光度检测器(100)，包括燃烧器装置(116)，其被配置为燃烧流出物的样本，所述燃烧的样本发出至少一种受激态分子；可替换的选择性光学滤波器(150)，其被配置为使对应于所述受激态分子的多个所选光学波长通过；以及光电倍增管(138)，其被配置为量化所述受激态分子的浓度。
2.如权利要求1所述的火焰光度检测器(100)，其中所述选择性光学滤波器(150)被配置为使与受激态硫S2分子相关联的宽带波长通过。
3.如权利要求2所述的火焰光度检测器(100)，其中所述波长范围从335到405纳米。
4.如权利要求3所述的火焰光度检测器(100)，其中所述选择性光学滤波器(150)被配置为在大约从385到400纳米的波长范围中是非透过的。
5.如权利要求1所述的火焰光度检测器(100)，其中所述选择性光学滤波器(150)被配置为使与受激态磷HPO分子相关联的宽带波长通过。
6.如权利要求5所述的火焰光度检测器(100)，其中所述波长范围从525到580纳米。
7.如权利要求1所述的火焰光度检测器(100)，其中所述选择性光学滤波器(150)被配置为同时使与受激态硫S2分子相关联的宽带波长和与受激态磷HPO分子相关联的宽带波长通过。
8.如权利要求1所述的火焰光度检测器(100)，其中所述选择性光学滤波器(150)被配置为同时使与受激态硫S2分子相关联的窄带波长和与受激态磷HPO分子相关联的窄带波长通过。
9.如权利要求8所述的火焰光度检测器(100)，其中所述选择性光学滤波器(150)被配置为在大约从355到375纳米以及从520到540纳米的波长范围中是透过的。
10.一种用于火焰光度检测器(100)的选择性光学滤波器(150)，其至少包含一种如下的光学滤波器特性所述光学滤波器特性被配置为使与受激态硫S2分子相关联的多个所选波长通过。
全文摘要
本发明公开了一种火焰光度检测器，其包括被配置为燃烧流出物的样本的燃烧器装置，经燃烧的样本发出至少一种受激态分子；被配置为使对应于所述受激态分子的多个所选光学波长通过的可替换的选择性光学滤波器；以及被配置为量化所述受激态分子的浓度的光电倍增管。
文档编号G01J1/00GK1804595SQ200510132369
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年1月12日
发明者安德鲁·马丁·维彻尔, 布鲁斯·道格拉斯·昆比, W·戴尔·斯奈德, 保罗·克雷格·卓登 申请人:安捷伦科技有限公司