ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ ПОЛИКАПИЛЛЯРНАЯ КОЛОНКА Российский патент 2003 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, приоритет от 11.03.93, опубл. 20.05.96.)
Недостатками известного изобретения являются невозможность использования прямой колонки с размерами более чем габариты термостата и необходимость применения длинных соединительных коммуникаций для подключения колонки к инжектору и детектору.

Известна также колонка, в которой для уменьшения габаритов осуществляется скручивание ее в спираль с усреднением геометрических параметров капилляров по длине спирали, для чего монолитный стержень закручен вдоль продольной оси симметрии. (Патент РФ 2114427, кл. G 01 N 30/60.) Данная колонка выбрана в качестве прототипа.

Недостатками известной колонки являются также геометрические размеры, что не позволяет установить ее в термостат с размерами менее чем диаметр спирали колонки. Кроме того, кольцевая конструкция предполагает значительную длину соединительных коммуникаций до инжектора пробы и детектора. С другой стороны, процедура скручивания колонки в спираль и закрутка монолитного стержня колонки вокруг продольной оси приводят к уменьшению удельной эффективности колонки, которая составляет 12-14 тысяч теоретических тарелок на метр, в то время как удельная эффективность прямой колонки составляет 20-22 тысячи теоретических тарелок.

Перед авторами ставилась задача разработать короткую колонку, в которой входной и выходной торцы колонки находились бы на минимально близком друг от друга расстоянии и обладающую небольшими геометрическими габаритами без ухудшения ее разделительных свойств и эффективности.

Задача решается тем, в хроматографической поликапиллярной колонке, выполненной в виде монолитного стержня, пронизанного системой капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой удерживающего вещества, монолитный стержень имеет U-образную форму, состоящую из трех условных элементов, причем капилляры первого и третьего элементов параллельны продольной оси симметрии стержня, а капилляры второго элемента, находящегося между первым и третьим, закручены вдоль продольной оси и свернуты так, что входной и выходной торцы колонки находятся друг от друга на расстоянии диаметра изгиба. Кроме того, капилляры монолитного стержня второго элемента закручены вдоль продольной оси симметрии равномерно по его длине, на число оборотов не менее чем 0,5. Причем радиус изгиба капилляров второго элемента составляет не менее 1 см. А первый и третий элементы монолитного стержня могут быть выполнены одинаковой длины.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в возможности работы миниатюрной колонки в режиме газожидкостной и газоадсорбционной хроматографии в тех случаях, когда необходимо экспрессное разделение в пределах 1 минуты смесей химических соединений, например в промышленности, экологии, криминалистике, медицине, а также при проведении химических анализов в широком спектре деятельности, связанной с химией.

Изобретение поясняется фиг.1, где показан вид заявляемой колонки.

Предлагаемая колонка выполнена в виде монолитного стержня, пронизанного системой продольных капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой хроматографического материала. Монолитный стержень имеет U-образную форму, состоящую из трех условных элементов. Капилляры первого элемента параллельны продольной оси симметрии стержня, на внутреннюю поверхность капилляров нанесен слой хроматографического материала. Капилляры второго элемента согнуты так, что входной и выходной торцы колонки находятся друг от друга на расстоянии диаметра изгиба. На внутреннюю поверхность капилляров также нанесен слой хроматографического материала. Кроме того, капилляры второго элемента для усреднения их геометрических параметров закручены вдоль продольной оси стержня. Капилляры третьего элемента, который имеет ту же длину, что и первый, параллельны капиллярам первого и направлены в ту же сторону. Благодаря этому поликапиллярной хроматографической колонке придается U-образная форма.

Работа заявленной колонки осуществляется следующим образом. Смесь веществ в потоке газа-носителя вводят в один из прямых элементов колонки, на котором происходит их разделение в соответствии с типом используемого хроматографического материала. Далее проба входит во второй элемент колонки. В том случае, если этот элемент колонки не будет закручен вдоль продольной оси стержня, то в силу различной длины капилляров на внешней и внутренней сторонах полукольца эффективность колонки будет меньше по сравнению с прямой колонкой. Для того чтобы уменьшить эффект дополнительного уширения хроматографического пика, полукольцевой элемент закручивается вокруг продольной оси симметрии. Это приводит к усреднению длин капилляров в полукольцевом элементе и, как следствие, к увеличению эффективности колонки. Следует отметить, что для достижения увеличения эффективности достаточно монолитный стержень закрутить не менее чем на половину оборота вдоль оси симметрии. Усреднение геометрических параметров капилляров по длине будет наиболее успешным, если он закручен равномерно по всей длине. После прохождения второго элемента проба попадает во второй прямой элемент, на котором происходит дальнейшее разделение. Первый и последний элементы не создают дополнительного уширения по механизму, свойственному полукольцевому элементу, что позволяет не проводить их закручивания вдоль продольной оси колонки.

Преимуществом заявленной колонки по сравнению с аналогом и прототипом является возможность ее использования как малогабаритного элемента хроматографической аппаратуры. Это открывает возможность конструирования хроматографической аппаратуры с малыми размерами термостата, а также максимально приблизить вход и выход колонки к детектору и инжектору, уменьшив тем самым длину соединительных капилляров. Кроме этого подобная конструкция удобна в том случае, когда при использовании типичного хроматографа требуется колонка длиной 20-60 см. Использование для этой цели фрагмента метровой кольцевой колонки, закрученной равномерно по всей длине один раз, приводит к потере эффективности. Применение короткого фрагмента прямой или кольцевой колонки предполагает использование значительной части термостата, в то время как заявляемая колонка компактна, что позволяет разместить несколько колонок в минимальном объеме.

Другим достоинством колонки является ее высокая удельная эффективность, составляющая 16-18 тысяч теоретических тарелок на метр, что связано с тем, что элемент, на котором происходит основная потеря эффективности - кольцевой элемент колонки, является частью общей длины колонки. По классам соединений заявляемая колонка позволяет работать с химическими соединениями, анализ которых возможен с помощью колонки прототипа.

Спиральная конструкция предполагает наличие сложной системы крепежа колонки, размеры которой не зависят от того, короткая или длинная колонка используется. (Рекламный проспект ИЦ ГЭП СО РАН, 1991 г.). Кольцевая конструкция также предполагает и значительную длину соединительных коммуникаций до инжектора пробы и детектора. С другой стороны, процедура скручивания колонки в спираль и закрутка монолитного стержня колонки вокруг продольной оси приводит к тому, что удельная эффективность колонки составляет 12-14 тысяч теоретических тарелок на метр. (Патент РФ 2114427, кл. 6 G 01 N 30/60. ) В то время как удельная эффективность прямой колонки составляет 20-22 тысячи теоретических тарелок. (Сидельников В.Н., Патрушев Ю.В. Поликапиллярная хроматография: Новый подход к экспрессному разделению. Тезисы докладов, 5-я международная конференция "Нефтехимия - 99". Нижнекамск, сентябрь 1999, том 2, стр.216.)
Преимущество заявляемой колонки подтверждается следующим примером. Было проведено сравнение колонки, полученной путем отделения части колонки-прототипа, с заявляемой колонкой. Колонка-прототип длиной 1 метр была приготовлена из многоканальной трубки диаметром 2,3 мм с 1200 капилляров диаметром 36 микрон каждый. Многоканальная трубка была свернута в кольцо диаметром 12 см и закручена вдоль продольной оси симметрии на 2 оборота. На капилляры был нанесен слой фазы SE-30 толщиной приблизительно 0,2 микрона. Нанесение проводили с использованием техники, принципы которой описаны в патенте. (Патент РФ 2060498, кл. 6 G 01 N 30/60.)
Эффективность полученной колонки по компоненту с фактором емкости более 5 была равна 14000 теор. тарелок. От этой колонки был отрезан фрагмент длиной 23 см, на котором проводили хроматографическое разделение. Аналогичное разделение было проведено на заявляемой колонке длиной 23 см с диаметром кольцевого элемента 6 см его поворотом вдоль продольной оси на 1 оборот. Все остальные параметры многоканальной трубки и неподвижной фазы были аналогичны тем же, что и для приготовленной колонки-прототипа.

Полученные хроматограммы приведены на фиг.2. Цифрами на хроматограмме отмечены соответственно: 1 - н-октан, 2 - н-нонан, 3 - н-декан, 4 - н-ундекан, 5 - н-додекан. Температура разделения составляла 105^oС, температура инжектора и детектора 220^oС. Поток газа-носителя (гелия) составил 30 мл в минуту. Определенные по пику н-додекана эффективность фрагмента колонки-прототипа составляет приблизительно 2300 теор. тарелок, в то время как эффективность заявляемой колонки составляет приблизительно 4000 теор. тарелок. Этот пример показывает преимущество заявляемой колонки над колонкой, полученной отделением аналогичного по длине фрагмента колонки-прототипа.

Использование: в хроматографии, в частности в поликапиллярных хроматографических колонках для скоростной хроматографии. Сущность: в хроматографической поликапиллярной колонке, выполненной в виде монолитного стержня, пронизанного системой капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой удерживающего вещества, монолитный стержень имеет U-образную форму, состоящую из трех элементов. Капилляры первого и третьего элементов параллельны продольной оси стержня. Капилляры второго элемента, находящегося между первым и третьим, закручены вдоль продольной оси симметрии стержня и согнуты так, что входной и выходной торцы колонки находятся друг от друга на расстоянии диаметра изгиба. Кроме того, капилляры второго элемента закручены вдоль продольной оси симметрии равномерно по его длине, на число оборотов не менее чем 0,5. Причем радиус изгиба второго элемента составляет не менее 1 см. Технический результат заключается в разработке колонки, в которой входной и выходной торцы находятся на минимально близком друг от друга расстоянии, и обладающей небольшими геометрическими габаритами без ухудшения ее разделительных свойств и эффективности. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Хроматографическая поликапиллярная колонка, выполненная в виде монолитного стержня, пронизанного системой капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой удерживающего вещества, отличающаяся тем, что монолитный стержень имеет U-образную форму, состоящую из трех условных элементов, причем капилляры первого и третьего элементов параллельны продольной оси симметрии стержня, а капилляры второго элемента, находящегося между первым и третьим, закручены вдоль продольной оси и согнуты так, что входной и выходной торцы колонки находятся друг от друга на расстоянии диаметра изгиба. 2. Колонка по п. 1, отличающаяся тем, что капилляры монолитного стержня второго элемента закручены вдоль продольной оси симметрии равномерно по его длине. 3. Колонка по п. 1, отличающаяся тем, что капилляры монолитного стержня второго элемента закручены вдоль продольной оси симметрии на число оборотов не менее чем на 0,5 оборота. 4. Колонка по п. 1, отличающаяся тем, что радиус изгиба капилляров второго элемента составляет не менее 1 см.