ПЛАНАРНАЯ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ КОЛОНКА С ПИЛЛАРАМИ КАПЛЕВИДНОГО ПРОФИЛЯ СЕЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01N30/60 

Изобретение относится к устройствам, специально предназначенным для газохроматографического экспресс-анализа вещества, и может быть использовано в качестве основного рабочего элемента газового хроматографа. Изобретение может найти применение в области аналитической химии, микрохроматографии, медицины, экологического мониторинга, химической промышленности и т.д.

Известно множество типов хроматографических разделительных колонок, представляющих собой стеклянную, кварцевую или стальную трубку, содержащую иммобилизованную или сшитую неподвижную фазу, связанную с внутренней поверхностью (см.: Патент SU 305408 А1 Авторы: Сакодынский К.И., Фролов Ф.Я. Публикация: 1971.06.04, «Хроматографическая колонка»; Патент SU 1374125 А2 Автор: Иванова Л.П. Капший Н.В., Каменивская А. А. Публикация: 1988.02.15, «Хроматографическая разделительная колонка»).

Однако, применение подобных колонок приводит к большим энерго- и время-затратам во время аналитического процесса, что затрудняет использование хроматографических приборов для экспресс-анализа на месте (см.: W.R. Collin, G. Sezzano, L.K. Whright etal. Microfabricated Gas Chromatogzaphfoz Rapid, Trace-Level Demezminations of Gas-Phase Explosive Markez. Compounds//Anal. Chem., 2014.86(1). p.p.655-663).

Применение компактных легкозаменяемых устройств позволит проводить экспресс-анализ вещества вне лабораторных условий. Терри и др. (см.: Terry SC, Jerman Ш, Angell JB. A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer. IEEE Transactions on Electron Devices. 1979;26(12):1880-1886) были первой группой, которая представила концепцию «миниатюрного газового хроматографа» и «планарной колонки», получаемой путем травления каналов в подложке, а не с использованием капилляров традиционной технологии.

Известен способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах (см.: Патент РФ №2540231 С1. Авторы: Платонов И.А., Арутюнов Ю.И., Голубев О.Н., Никитченко Н.В., Платонов В.И. Бюл. изобр. №4 от 10.02.2015, «Способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах»). Сущность изобретения заключается в том, что на поверхности плоской пластины получают каналы для микрохроматографической колонки с последующей их герметизацией и заполнением соответствующим сорбентом, причем каналы для микрохроматографической колонки на плоской пластине получают методом лазерной абляции, а плоские пластины выполняют из различных металлов, кремния, стекла или полимеров.

Известны также портативные и переносные газовые хроматографы для проведения конкретных видов анализа, имеющие относительно малые габариты, вес и малое время проведения анализа (см.: Я.И. Яшин, С.Я. Яшин, А.Я. Яшин. Газовая хроматография, - М.: Издательство «Транс-Лит», 2009. С.384-401).

Однако известные портативные и переносные хроматографы, как правило, уступают лабораторным по аналитическим характеристикам и кругу анализируемых объектов. Кроме того, недостатком известных микрохроматографических колонок является высокая дисперсия хроматографических пиков, обусловленная большой степенью неравномерности поля скоростей, что приводит к снижению эффективности разделительного процесса.

Одним из способов увеличения эффективности разделительного процесса внутри газохроматографической колонки является внедрение в ее структуру периодически повторяющихся вертикальных столбцов (пилларов), по высоте равных глубине канала колонки (см. Патент РФ №269166 МПК G01N 30/56 «Микрохроматограф с бинарными колонками на плоскости» Авторы: Платонов И.А., Арутюнов Ю.И. Платонов В.И. и др., Опубликовано: 17.06.2019 Бюл. №17). Применение пилларных газохроматографических колонок приводит к увеличению рабочей внутренней площади поверхности, а также к уменьшению продольной диффузии и выравниванию профиля скорости потока, что позволяет повысить эффективность колонки по сравнению с классическими капиллярными, насадочными и микронасадочными газохроматографическими колонками.

Перечисленные выше преимущества планарной

газохроматографической колонки пилларного типа подтверждаются результатами исследований, рассмотренных в статье «MEMS-based semi-packed gas chromatography columns» авторов AH S, Ashraf-Khorassani M, Taylor LT, AgahM (Sensors and Actuators В: Chemical. 2009;141(1):309-315). Согласно результатам, приведенным в статье, такой подход к конфигурации колонки увеличивает как емкость поверхности колонки, так и эффективность разделения по сравнению с планарными газохроматографическими колонками без пилларов. Кроме того, благодаря периодическому расположению пилларов эти колонки имеют более низкие перепады давления и вихревую диффузию по сравнению с обычными планарными колонками.

В статье «Пилларные МЭМС колонки для газовой хроматографии» авторов Платонов И.А., Платонов Вл. И., Платонов Вал. И., Рощупкина И.Ю. рассмотрены сорбционные и хроматографические свойства МЭМС колонок для газовой хроматографии пилларного и капиллярного типа, наполненных оксидом алюминия. Показано, что применение пилларных МЭМС колонок на плоскости позволяет на 30% увеличить их эффективность хроматографического разделения по сравнению с колонками капиллярного типа аналогичной формы и сечения.

Во всех перечисленных выше работах исследовались планарные газохроматографические колонки с пилларами круглого или квадратного профиля сечения. Данное изобретение улучшает эксплуатационные характеристики пилларных газохроматографических колонок за счет применения столбцов с формой, отличной от цилиндрической.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности планарных газохроматографических колонок за счет увеличения площади контакта исследуемого вещества (пробы) с адсорбирующими стенками колонки, улучшения степени управляемости газодинамическими параметрами потока, а также уменьшения вклада вихревой диффузии и обратных течений в поток пробы.

Решение поставленной задачи достигается за счет внедрения в состав газохроматографической колонки периодически повторяющихся вертикальных столбцов (пилларов) с каплевидным профилем сечения. Таким образом, предлагаемые колонки представляют собой реализованные в кремниевой подложке каналы с пилларами каплевидного профиля сечения, герметизированные неструктурированной кремниевой или стеклянной пластиной. Внутренняя поверхность создаваемых таким образом каналов модифицируется с целью придания заданных селективных и хроматографических свойств создаваемых разделительных колонок.

При решении поставленной задачи за счет интеграции в состав планарной газохроматографической колонки, реализованной на поверхности кремниевой подложки, вертикальных столбцов (пилларов) с каплевидным профилем сечения создается технический результат, который заключается в:

- увеличении рабочей площади контакта компонентов анализируемого вещества с внутренней поверхностью адсорбирующих стенок канала;

- увеличении степени управляемости параметрами потока анализируемого вещества внутри канала;

- уменьшении вклада вихревой диффузии и обратных течений в поток пробы за счет повышения аэродинамичности и обтекаемости пилларов, и, как следствие, увеличении эффективности разделения газовой смеси внутри колонки по сравнению с классическими капиллярными, насадочными, микронасадочными газохроматографическими колонками, а также в сравнении с пилларными колонками с цилиндрическим профилем сечения столбцов.

Таким образом, применение пилларов каплевидного профиля сечения в составе газохроматографической колонки позволит снизить минимальную ВЭТТ колонки по сравнению с классическими капиллярными колонками за счет меньшего аэродинамического сопротивления пилларов, чем применение пилларов цилиндрической формы.

Типовой алгоритм создания планарных газохроматографических колонок пилларного типа выглядит следующим образом:

1. разработка топологии канала для конкретной цели применения итогового устройства;

2. формирование топологии канала, с учетом габаритов и конфигурации пилларов, на поверхности кремниевой пластины посредством фотолитографии и глубокого анизотропного травления кремния (Bosh-процесс);

3. осаждение функциональных покрытий на поверхность каналов посредством магнетронного напыления;

4. герметизация канала кремниевой или стеклянной неструктурированной пластиной посредством анодного бондинга;

5. нанесение адсорбента на внутреннюю поверхность канала;

6. установка фитингов для подключения газовых линий к колонке. При изготовлении пилларов каплевидного профиля сечения следует

учитывать производственные ограничения технологического процесса их создания.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображен типовой внешний вид планарной газохроматографической колонки с пилларами каплевидного профиля сечения: 1 - область ввода капилляра, 2 - область вывода капилляра, 3 - увеличенная область канала, 4 - канал газохроматографической колонки, 5 - пиллар цилиндрического профиля сечения, 6 - пространство между каналами.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к газохроматографическому экспресс-анализу вещества. Планарная газохроматографическая колонка пилларного типа состоит из кремневой подложки с каналами, внутренняя поверхность которых модифицируется в зависимости от требуемых селективных и хроматографических свойств создаваемой разделительной колонки, содержащими периодически повторяющиеся вертикальные столбцы – пиллары, герметизированная неструктурированной кремниевой или стеклянной пластиной, при этом пиллары в ее составе имеют каплевидный профиль сечения. Техническим результатом является увеличение эффективности разделения газовой смеси. 1 ил.

Планарная газохроматографическая колонка пилларного типа, состоящая из кремневой подложки с каналами, внутренняя поверхность которых модифицируется в зависимости от требуемых селективных и хроматографических свойств создаваемой разделительной колонки, содержащими периодически повторяющиеся вертикальные столбцы – пиллары, герметизированная неструктурированной кремниевой или стеклянной пластиной, отличающаяся тем, что пиллары в ее составе имеют каплевидный профиль сечения.