ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ ПОЛИКАПИЛЛЯРНАЯ КОЛОНКА Российский патент 2002 года по МПК G01N30/60 

Изобретение относится к хроматографии, в частности к поликапиллярным хроматографическим колонкам для скоростной хроматографии.

Известна поликапиллярная хроматографическая колонка ПКК, выполненная в виде монолитного стержня, пронизанного системой параллельных продольных капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой удерживающего вещества (Патент РФ 2060498, кл. G 01 N 30/60, опубл. 20.05.96). Данная колонка выбрана в качестве прототипа,
Недостатками известной ПКК является то, что она позволяет разделять смеси веществ только в режиме газожидкостной хроматографии. Такое ограничение по подвижному носителю связано с размером использованных для этой цели капилляров ПКК, поскольку во всех случаях диаметр единичного капилляра колонки составляет 35-40 мкм. Большой диаметр капилляра не позволяет использовать такую колонку для жидкостного варианта хроматографии, когда подвижной фазой является жидкость. Кроме того, у колонки прототипа отсутствует цилиндрическая форма, что не дает возможности использовать известные способы включения колонки в хроматографический тракт, основанные на уплотнении колонки, то есть на обжатии ее внешней поверхности конусом из металла или полимерного материала. Наконец, колонка не обладает высокой механической прочностью, а при повышенном давлении на входе требует компенсации давления с внешней стороны колонки.

Изобретение решает задачу разработать поликапиллярную колонку для жидкостного варианта хроматографии, когда подвижной фазой является жидкость, обладающую повышенной механической прочностью, имеющую возможность работы при повышенном давлении и цилиндрическую симметрию для стандартного включения в хроматографический тракт.

Поставленная задача решается тем, что хроматографическая поликапиллярная колонка, содержащая защитную оболочку, твердый монолитный носитель, выполненный из веществ, обладающих свойствами адгезии к хроматографическим материалам, систему продольных одинаковых капилляров, пронизывающих монолитный твердый носитель вдоль защитной оболочки, слой хроматографического материала, сформированный на твердом носителе, удерживающие свойства которого обусловлены его физико-химическими характеристиками, имеет форму либо прямого или свитого в спираль, вдоль и поперек продольной оси, монолитного стержня. Защитная оболочка колонки в сечении представляет собой круг, выполнена из металла или пластической массы, а капилляры имеют диаметр не более 5 мкм. Колонка дополнительно снабжена внутренними упрочняющими перегородками, состоящими из монолитного материала и пронизывающими колонку параллельно капиллярам, твердый монолитный носитель выполнен из стекла, кварца, металла, полимерного материала. Внутренние упрочняющие перегородки внутри колонки образуют гексагональную или тетрагональную форму обрамления групп капилляров и выполнены из стекла, кварца, металла, полимерного материала. Твердый монолитный носитель выполнен из стекла, не содержащего атомов свинца. Количество хроматографического материала в каждом канале пропорционально диаметру этого капилляра в степени α, где α больше, либо равно 1.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в возможности работы колонки в режиме жидкостной хроматографии в тех случаях, когда необходимо экспрессное разделение смесей химических соединений, например в промышленности, экологии, криминалистике, медицине, а также при проведении химических анализов в широком спектре деятельности, связанной с химией.

Изобретение поясняется изображением фрагмента предлагаемой колонки, приведенным на чертеже. Фрагмент включает капилляры 1, упрочняющую перегородку 2, внешнюю оболочку 3.

Работа заявленной колонки осуществляется следующим образом.

Смесь веществ в потоке растворителя вводят известными способами в капилляры 1 колонки. Поскольку на внутреннюю стенку каждого капилляра нанесен слой хроматографического материала, то смесь введенных веществ взаимодействует с ним и происходит установление равновесия между веществами смеси в подвижной фазе и на хроматографическом материале. Одни вещества смеси сильнее взаимодействуют с хроматографическим материалом, а другие слабее. Это различие во взаимодействии приводит к их разделению по мере прохождения капилляра. Необходимым условием разделения является быстрое перемешивание веществ в капилляре за счет диффузии молекул сорбата на единице длины колонки. Для газовой фазы это условие успешно выполняется на диаметре капилляра 35-40 мкм, что и выполняется в капиллярах колонки прототипа, и, как следствие, дает возможность быстро (за несколько секунд) разделять анализируемые смеси на поликапиллярной колонке. Если такую колонку использовать в режиме жидкостной хроматографии, то по причине медленной диффузии сорбата потребуется несравненно большее время для установления равновесия. Поэтому, невозможно использовать поликапиллярную колонку, взятую в качестве прототипа, для жидкостной хроматографии.

При уменьшении диаметра капилляров до значений 5 мкм и менее время установления диффузионного равновесия уменьшается настолько, что появляется возможность разделения на колонке за приемлемые времена. Это связано с тем, что коэффициент диффузии в жидкости в 100-1000 раз меньше, чем для газовой фазы. После того как в капиллярах колонки произошло разделение, вещества выходят из капилляров и регистрируются единым пиком с помощью детектора.

В хроматографии общепринятый принцип включения колонки в хроматографический тракт основан на уплотнении колонки, то есть на обжатии ее внешней поверхности конусом из металла или полимерного материала. Однако, таким образом невозможно уплотнить колонку с нецилиндрической поверхностью особенно при высоких рабочих давлениях конденсированной подвижной фазы.

В случае использования известной колонки в режиме газовой хроматографии, уплотнение производится путем обжатия резиновой прокладки на граненой поверхности колонки, и такой способ уплотнения является удовлетворительным. При использовании конденсированной фазы в качестве носителя при высоком давлении этим методом пользоваться нельзя, и поэтому поликапиллярную колонку помещают в специальный кожух с возможностью заполнения промежутка между колонкой и кожухом конденсированной фазой для компенсации давления на входе-выходе колонки и наружного давления (Патент РФ 1794321, кл. G 01 N 30/60, опубл. 02.10.97).

Такой подход к уплотнению повышает сложность всей конструкции. Заявленная колонка имеет цилиндрическую симметрию, что позволяет использовать известные способы уплотнения без дополнительного усложнения конструкции. Внешняя оболочка 3 колонки служит для механической защиты капилляров от внешних воздействий, а также для уплотнения путем обжима при включении колонки в хроматографический тракт.

Для стеклянной поликапиллярной колонки, работающей под высоким давлением, важное значение приобретает ее механическая прочность. В случае известной колонки диаметр капилляров составляет 40 мкм, и толщина стенки между капиллярами 5-6 мкм. В том случае, если мы перейдем к капиллярам диаметром 1-5 мкм, как это требуется для жидкостной хроматографии, то при сохранении соотношения диаметра капилляра к толщине стенки, как для известной колонки, мы должны приготовить трубки с толщиной стенки 0,1-0,6 мкм. Разумеется, что такая колонка будет очень хрупкой, а также ее капилляры поддаются деформации при их заполнении жидкостью под давлением. Возможным путем повышения ее механической прочности является увеличение толщины стенок, но такой путь приведет к повышению сопротивления потоку носителя и к уменьшению допустимого объема вводимой в нее пробы. Поэтому данный подход увеличения прочности колонки не является приемлемым.

Повышенная механическая хрупкость тонкостенной колонки требует дополнительных мер по повышению ее прочности.

Для повышения механической прочности внутри заявленной колонки создаются внутренние упрочняющие перегородки 2, состоящие из монолитного стекла, которые предохраняют тонкие межкапиллярные перегородки от разрушений, возникающих при создании высокого давления на входе в колонку, что приводит к повышению механической прочности капилляров колонки.

Преимуществом заявленной колонки по сравнению с прототипом является возможность ее использования для жидкостной хроматографии. Это открывает возможность разделять смеси веществ, не обладающих плотностью паров, имеющих очень высокую температуру кипения, термонестабильных, а также неорганических соединений. По классам соединений заявляемые колонки позволяют работать с химическими соединениями, анализ которых с помощью колонки прототипа невозможен. К таким классам соединений относятся, например, липиды, аминокислоты, белки, углеводы. С помощью заявляемой колонки появляется возможность экспрессного анализа в области анализа лекарственных препаратов, фармакокинетики и других отраслей, связанных с наукой о жизни.

Использование: для жидкостной хроматографии. Сущность: хроматографическая поликапиллярная колонка содержит защитную оболочку, твердый монолитный носитель, выполненный из веществ, обладающих свойствами адгезии к хроматографическим материалам, систему продольных одинаковых капилляров, пронизывающих монолитный твердый носитель вдоль защитной оболочки, слой хроматографического материала, сформированный на твердом носителе, удерживающие свойства которого обусловлены его физико-химическими характеристиками, и имеет форму прямого или свитого в спираль вдоль и поперек продольной оси монолитного стержня. Защитная оболочка колонки в сечении представляет собой окружность, выполнена из металла или пластической массы, а капилляры имеют диаметр не более 5 мкм. Колонка дополнительно снабжена внутренними упрочняющими перегородками, состоящими из монолитного материала и пронизывающими колонку параллельно капиллярам, твердый монолитный носитель выполнен из стекла, кварца, металла, полимерного материала. Внутренние упрочняющие перегородки внутри колонки образуют гексагональную или тетрагональную форму обрамления групп капилляров и выполнены из стекла, кварца, металла, полимерного материала. Твердый монолитный носитель выполнен из стекла, не содержащего атомов свинца. Количество хроматографического материала в каждом канале пропорционально диаметру этого капилляра в степени α, где α больше либо равно 1. Изобретение решает задачу разработать поликапиллярную колонку для жидкостного варианта хроматографии, обладающую повышенной механической прочностью, имеющую возможность работы при повышенном давлении и цилиндрическую симметрию для стандартного включения в хроматографический тракт. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Хроматографическая поликапиллярная колонка, содержащая защитную оболочку, твердый монолитный носитель, выполненный из веществ, обладающих свойствами адгезии к хроматографическим материалам, систему продольных одинаковых капилляров, пронизывающих монолитный твердый носитель вдоль защитной оболочки, слой хроматографического материала, сформированный на твердом носителе, удерживающие свойства которого обусловлены его физико-химическими характеристиками, отличающаяся тем, что она имеет форму прямого, или свитого в спираль вдоль и поперек продольной оси монолитного стержня, защитная оболочка в сечении представляет собой форму круга, капилляры имеют диаметр не более 5 мкм. 2. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена внутренними упрочняющими перегородками, состоящими из монолитного материала и пронизывающими колонку параллельно капиллярам. 3. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1, отличающаяся тем, что твердый монолитный носитель выполнен из стекла, кварца, металла, полимерного материала. 4. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.2, отличающаяся тем, что внутренние упрочняющие перегородки внутри колонки образуют гексагональную или тетрагональную форму обрамления групп капилляров. 5. Хроматографическая поликапиллярная колонка по пп.2 и 4, отличающаяся тем, что внутренние упрочняющие перегородки выполнены из стекла, кварца, металла, полимерного материала. 6. Хроматографическая поликапиллярная колонка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что твердый монолитный носитель выполнен из стекла, не содержащего атомов свинца. 7. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1, отличающаяся тем, что количество хроматографического материала в каждом канале пропорционально диаметру этого капилляра в степени α, где α больше либо равно 1. 8. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1, отличающаяся тем, что защитная оболочка выполнена из металла или пластической массы.