ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ КОЛОНКА С ГРАДИЕНТОМ ТОЛЩИНЫ НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ Российский патент 2024 года по МПК G01N30/60 

Настоящая заявка претендует на полезный эффект предварительной заявки США 62/940038, поданной 25 ноября 2019 г. Эта заявка полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.

Настоящее изобретение было разработано благодаря правительственному гранту FA8650-17-C-9106, финансируемому ВВС США, Командованием материально-техническим обеспечением ВВС. Правительство имеет определенные права на данное изобретение.

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам для газовой хроматографии, включающим хроматографические колонки, содержащие неподвижную фазу с положительным градиентом толщины для улучшения фокусировки пиков.

Уровень техники

В данном разделе приведена общая информация, относящаяся к настоящему изобретению, которая не обязательно относится к предшествующему уровню техники.

Газовая хроматография (ГХ) представляет собой способ анализа, основанный на разделении соединений, находящихся в газовой фазе, с помощью разделяющих колонок, что позволяет анализировать и идентифицировать соединения, находящиеся в целевом образце. ГХ широко применяют в различных областях промышленности для разделения и идентификации целевых аналитов, таких как летучие органические соединения или полулетучие органические соединения. ГХ особенно подходит для анализа комплексных образцов, содержащих совокупность целевых аналитов, требующих индивидуального обнаружения. В ГХ анализе регистрируют "пики" химических веществ, пропускаемых через разделяющую колонку. Так, в колонку через инжектор вводят образец, содержащий различные химические вещества или целевые аналиты. Колонка содержит материал, который рассматривается как неподвижная фаза. Различные фракции образца проходят через колонку с различной скоростью (обусловленной физическим и химическим взаимодействием химических веществ с материалом, содержащимся в колонке). По мере элюирования целевых аналитов и их выхода из колонки, датчик может различать вымываемые в течение определенного времени вещества по скорости, с которой аналиты проходят через колонку. Такие аналиты могут быть идентифицированы и/или определены количественно с помощью электронного оборудования во время или после обнаружения. Было бы желательно улучшить разделение в хроматографической колонке с целью улучшения ее эксплуатационных характеристик и повышения аналитической способности ГХ.

Сущность изобретения

В данном разделе обобщенно раскрыта сущность изобретения, и, таким образом, этот раздел не раскрывает полностью ни объем изобретения, ни все его признаки.

Некоторые аспекты настоящего изобретения относятся к устройству для газовой хроматографии, предназначенному для фокусировки пиков одного или более целевых аналитов. Хроматографическая колонка имеет вход и выход, причем во вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, которые выходят из колонки через выход. Внутри хроматографической колонки осаждена неподвижная фаза, которая имеет положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.

Согласно одному из аспектов, первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, а вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина вторая толщина составляет по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.

Согласно одному из аспектов, неподвижная фаза содержит силоксановый полимер.

Согласно одному из других аспектов, силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или ар ильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.

Согласно одному из аспектов, форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.

Настоящее изобретение также относится к способу фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ включает введение двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, включающей размещенную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Способ дополнительно включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов. Способ также включает элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки.

Согласно одному из аспектов, два или более целевых аналита представляют собой летучие органические соединения (ЛОС).

Согласно одному из аспектов, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает ароматическое соединение, и итоговый показатель фокусировки пиков ароматических соединений больше или равен приблизительно 25%.

Согласно одному из аспектов, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает алкан, и итоговый показатель фокусировки пиков алкана больше или равен приблизительно 10%.

Согласно одному из аспектов, первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.

Согласно одному из аспектов, неподвижная фаза содержит силоксановый полимер, содержащий по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.

Согласно одному из аспектов, форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из: круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.

Настоящее изобретение также относится к способу подтверждения фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ включает осуществление прямой операции посредством введения двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, содержащей размещенную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Прямая операция включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов и элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки. Способ также включает проведение обратной операции посредством введения двух или более целевых аналитов в выход хроматографической колонки, содержащей неподвижную фазу. Обратная операция включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов и элюирование двух или более целевых аналитов из входа хроматографической колонки. Способ дополнительно включает сравнение хроматографического разрешения, получаемого при прямой операции, и разрешения, получаемого при обратной операции, при котором показатель фокусировки пиков по меньшей мере одной соответствующей пары из двух пиков двух целевых аналитов превышает 5%.

Настоящее изобретение также относится к способу создания устройства для газовой хроматографии, включающего хроматографическую колонку с положительным градиентом толщины. Способ включает введение жидкости-предшественника в хроматографическую колонку. Жидкость-предшественник включает предшественник неподвижной фазы и низкокипящий растворитель, который испаряется по мере продвижения по длине хроматографической колонки, что повышает концентрацию предшественника неподвижной фазы по мере продвижения по длине колонки, создавая, таким образом, градиент толщины неподвижной фазы. Способ также включает проведение реакции предшественника неподвижной фазы или образование поперечных связей в предшественнике неподвижной фазы при формировании положительного градиента толщины неподвижной фазы на протяжении от входа до выхода, где неподвижная фаза имеет первую толщину на входе хроматографической колонки, и имеет вторую толщину на выходе хроматографической колонки. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.

Согласно одному из аспектов, перед введением жидкости-предшественника производят силанирование внутренней поверхности хроматографической колонки.

Согласно одному из аспектов, силанирование включает пропускание через колонку реакционноспособного силана в газообразной форме.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка включает вход и выход, и введение и реакция или образование поперечных связей включает: динамическое нанесение на внутреннюю поверхность хроматографической колонки покрытия посредством частичного заполнения хроматографической колонки жидкостью-предшественником, приложение давления на входе для продавливания жидкости-предшественника по длине колонки и приложение вакуума на выходе для испарения низкокипящего растворителя.

Согласно одному из аспектов, первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.

Согласно одному из аспектов, неподвижная фаза содержит силоксановый полимер.

Согласно одному из других аспектов, силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.

Другие области применения изобретения станут очевидными после прочтения предлагаемого описания. Предлагаемое описание и конкретные примеры приведены лишь для иллюстрации изобретения и не ограничивают объем настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Приведенные в настоящей работе чертежи даны лишь для иллюстрации некоторых воплощений изобретения и не отражают всех возможных воплощений изобретения, и, таким образом, не ограничивают объем настоящего изобретения.

На фиг.1 представлен пример воплощения системы устройства для газовой хроматографии.

На фиг.2 представлен вид в поперечном сечении хроматографической колонки, содержащей неподвижную фазу с положительным градиентом толщины для улучшения фокусировки пиков, согласно некоторым аспектам настоящего изобретения.

На фиг.3А-3С представлена фокусировка пиков в колонке, содержащей пленку с градиентом толщины (КПГТ), согласно некоторым аспектам настоящего изобретения. Пленка с переходом от меньшей толщины к большей способствует фокусированию пика аналита по мере перемещения последнего вдоль колонки, как показано на фиг.3А. На фиг.3В представлена установка для оценки эксплуатационных характеристик колонки. На фиг.3С представлены режимы прямой и обратной/обращенной операций.

Фиг. 4А-4С. На фиг.4А представлена установка для нанесения покрытия на КПГТ. На колонку частичным заполнением динамически наносят покрытие перемещением пробки раствора для нанесения покрытия из жидкой фазы, и затем смесь выталкивается из колонки под действием давления, составляющего 5 фунтов/кв.дюйм (34473,8 Па). При выталкивании раствора к выходу прикладывают вакууметрическое давление величиной -2 фунта/кв.дюйм (-13789,5 Па) для испарения растворителя. На фиг.4В представлено полученное с помощью СЭМ (сканирующего электронного микроскопа) изображение области вблизи входа колонки, где толщина пленки составляет 34 нм. На фиг.4С представлено полученное с помощью СЭМ изображение области вблизи выхода колонки, где толщина пленки составляет 241 нм.

Фиг. 5A-5D. На фиг.5А представлена диаграмма разделения смеси С₇-С₁₆ алканов в режиме проведения прямой операции. На фиг.5В представлена диаграмма разделения смеси С₇-С₁₆ алканов при идентичных параметрах в режиме проведения обратной или обращенной операции. На фиг.5С представлена диаграмма разделения смеси С₇-С₁₆ алканов в течение того же времени в обратном режиме. На фиг.5D представлена диаграмма разделения смеси С₇-С₁₆ алканов на колонке равномерной толщины.

На фиг.6 представлена диаграмма разностей разрешения, полученных в прямом и обращенном/обратном режимах при идентичных параметрах в течение одинакового времени, а также в колонке с равномерной толщиной при разделении С₇-С₁₆ алканов.

Фиг. 7A-7D. На фиг.7А представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений в прямом режиме. На фиг.7В представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений при идентичных параметрах. На фиг.7С представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений в течение того же времени в обратном/обращенном режиме. На фиг.7D представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений в сравнительной колонке, имеющей равномерную толщину. Пики 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют бензолу, толуолу, этилбензолу, орто-ксилолу и 1,3-дихлорбензолу, соответственно.

На фиг.8 представлена диаграмма разностей разрешения, полученных в прямом и обратном режимах при идентичных параметрах в течение одинакового времени, а также в колонке с равномерной толщиной при разделении ароматических соединений.

Фиг. 9А-9С. На фиг.9А представлена диаграмма изотермического разделения С₅ и С₆ в прямом режиме при комнатной температуре. На фиг.9В представлена диаграмма изотермического разделения С₅ и С₆ при комнатной температуре при идентичных параметрах в обращенном/обратном режиме. На фиг.9С представлена диаграмма изотермического разделения С₅ и С₆ при комнатной температуре на колонке равномерной толщины.

Одинаковые детали обозначены в графических материалах одинаковыми номерами позиций.

Подробное описание изобретения

Ниже для более подробного раскрытия настоящего изобретения приведены примеры воплощений, которые полностью раскрывают объем изобретения специалистам в данной области техники. Для лучшего понимания воплощений настоящего изобретения приведено множество конкретных деталей, таких как примеры конкретных композиций, компонентов, устройств и способов. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что необязательно применять конкретные детали, что примеры воплощений могут быть выполнены в различных формах, и что ни одно из представленных воплощений не должно рассматриваться как ограничивающее объем изобретения. В некоторых примерах воплощений хорошо известные способы, хорошо известные конструкции устройств и хорошо известные методики подробно не рассмотрены.

Употребляемая в настоящей работе терминология предназначена лишь для описания конкретных примеров воплощений и не должна рассматриваться как ограничивающая. Если из контекста не следует иное, то в настоящем документе формы единственного числа также могут относиться к формам множественного числа. Термины "включает", "включающий", "включают" и "имеющий" имеют неограничивающее значение и, таким образом, указывают на присутствие названных признаков, элементов, композиций, стадий, целых чисел, операций и/или компонентов, но не препятствуют наличию или добавлению одного или более других признаков, целых чисел, стадий, операций, элементов, компонентов и/или их групп. Несмотря на то, что неисчерпывающий термин "включающий" следует понимать как неограничивающий термин, применяемый для описания и раскрытия различных воплощений, рассмотренных в настоящем документе, в некоторых аспектах этот термин может рассматриваться как более ограничивающий и ограничительный термин, такой как "состоящий из" или "по существу состоящий из". Таким образом, в любом заданном воплощении настоящего изобретения перечисление композиций, материалов, компонентов, элементов, признаков, целых чисел, операций и/или технологических этапов также, в частности, включает воплощения, состоящие из или по существу состоящие из таких перечисленных композиций, материалов, компонентов, элементов, признаков, целых чисел, операций и/или технологических этапов. В случае выражения "состоящий из" альтернативное воплощение исключает присутствие любых дополнительных композиций, материалов, компонентов, элементов, признаков, целых чисел, операций и/или технологических стадий, в то время как в случае выражения "по существу состоящий из" любые дополнительные композиции, материалы, компоненты, элементы, признаки, целые числа, операции и/или технологические стадии, которые существенно влияют на основные и новые характеристики, исключаются из такого воплощения, хотя любые композиции, материалы, компоненты, элементы, признаки, целые числа, операции и/или технологические стадии, которые не оказывают существенного влияния на основные и новые характеристики, могут быть включены в это воплощение.

Любые рассмотренные в настоящей работе стадии способа, процессы и операции не должны рассматриваться как обязательно требующие своего выполнения в определенном показанном или описанном порядке, если порядок их выполнения ясно не указан. Также следует понимать, что, если не указано иное, могут быть введены дополнительные или альтернативные стадии.

Если указано, что компонент, элемент или слой находится "на", "сцеплен с", "соединен с" или "связан с" другим элементом или слоем, то он может непосредственно находиться на, быть сцеплен, соединен или связан с другим компонентом, элементом или слоем, или могут присутствовать промежуточные элементы или слои. Напротив, если указано, что элемент находится "непосредственно на", "непосредственно сцеплен с", "непосредственно соединен с" или "непосредственно связан с" другим элементом или слоем, то промежуточные элементы или слои могут отсутствовать. Аналогичным образом могут быть интерпретированы другие слова, описывающие взаимодействие между элементами (например, "между", а не "непосредственно между," "вблизи", а не "непосредственно вблизи" и т.д.). В настоящей работе термин "и/или" включает любую из и все комбинации из одного или более связанных с ним перечисленных объектов.

Несмотря на то, что в настоящем документе для описания различных стадий, элементов, компонентов, областей, слоев и/или участков могут быть применены термины "первый", "второй", "третий" и т.д., если не указано иное, такие стадии, элементы, компоненты, области, слои и/или участки не должны быть ограничены этими терминами. Эти термины могут быть применены только для отличия одной стадии, элемента, компонента, области, слоя или участка от другой стадии, элемента, компонента, области, слоя или участка. Если в настоящей работе применяют такие термины, как "первый", "второй" и другие порядковые обозначения, то, если из контекста не следует иное, они не означают последовательность или порядок. Таким образом, первый этап, элемент, компонент, область, слой или участок, рассмотренные ниже, могут быть названы вторым этапом, элементом, компонентом, областью, слоем или участком без изменения признаков конкретного примера воплощения.

Термины, относящиеся к пространственному расположению или временному порядку, такие как "до", "после", "внутри", "снаружи", "под", "ниже", "нижний", "выше", "верхний" и подобные термины, могут быть применены в настоящем документе для простоты рассмотрения при описании взаимоотношений между одним элементом или признаком и другим элементом (элементами) или признаком (признаками), показанными на чертежах. Термины, относящиеся к пространственному расположению или временному порядку, могут включать не только ориентации, показанные на чертежах, но и различные ориентации устройства или системы во время функционирования или операции.

В настоящем документе численные значения, представляющие приблизительные измерения или границы диапазонов, включают незначительные отклонения от приведенных значений, и наряду с воплощениями, в которых указаны точные значения, изобретение также включает воплощения, в которых указаны приблизительные величины. Кроме рабочих примеров, приведенных в конце подробного описания, все численные значения параметров (например, количество или условия), приведенных в данном документе, включая прилагаемые пункты формулы изобретения, должны во всех случаях рассматриваться как включающие слово "приблизительно", независимо от того, предваряется ли словом "приблизительно" численное значение. "Приблизительно" указывает на то, что приведенное численное значение допускает некоторую неточность (с некоторым приближением к точному значению; приблизительно или достаточно близко к величине; примерно). Если неточность, определяемая словом "приблизительно", не имеет точного соответствия своему обычному значению в данной области техники, то в настоящем документе "приблизительно" означает по меньшей мере отклонения, которые могут возникать при обычных способах измерения и использования таких параметров. Например, "приблизительно" может включать отклонение, меньше или равное 5%, возможно меньше или равное 4%, возможно меньше или равное 3%, возможно меньше или равное 2%, необязательно меньше или равное 1%, возможно меньше или равное 0,5% и в некоторых аспектах возможно меньше или равное 0,1%.

Кроме того, приведенные диапазоны включают все значения и дополнительно выделенные диапазоны внутри целого диапазона, включая граничные точки и поддиапазоны диапазонов.

Ниже более полно рассмотрены примеры воплощений изобретения, сопровождаемые чертежами.

Различные аспекты настоящего изобретения относятся к газовой хроматографии. Как показано на фиг.1, упрощенная схема газохроматографической системы 20 обычно включает по меньшей мере пять компонентов: (1) поток 20 газа-носителя; (2) систему 22 ввода образца; (3) одну или более газохроматографических колонок 30; (4) датчик 32 и (5) систему 34 обработки данных. Газ-носитель, вводимый в виде потока 20 газа-носителя (также называемый подвижной фазой), представляет собой высокочистый и относительно инертный газ, такой как гелий, водород, азот, аргон или воздух. В традиционной системе газ-носитель 20 пропускают через колонку 30 одновременно с образцом исследуемой текучей среды (способом разделения). С помощью инжектора 22 образца в колонку 30 вводят заданный объем исследуемой смеси, включающей один или более целевых исследуемых аналитов (например, в газообразной форме), смешивая ее с газом-носителем из потока 20 газа-носителя. Таким образом, поток 20 газа-носителя и образец 22 (потенциально содержащий один или более целевых аналитов) вводят в одну или более хроматографических колонок 30. Образец 22 перемещается через устройство совместно с газом-носителем, подаваемым в виде потока 20 газа-носителя.

Целевые аналиты образца 24 разделяются и транспортируются через колонку 30 и затем элюируются из нее. Следует отметить, что элюируемый образец, содержащий один или более целевых аналитов, может быть элюирован из колонки 30 в виде частичных фракций в зависимости от времени удерживания соответствующего целевого анализируемого вещества, по мере прохождения веществ через хроматографическую колонку 30 и разделения в ней. Кроме того, фракции образца, выходящие из колонки 30, возможно могут быть уловлены и повторно введены ниже по потоку.

Обычно в хроматографической колонке 30 происходит разделение, поскольку на внутренние поверхности колонки нанесено покрытие из материала (или внутренняя часть колонки заполнена материалом), который служит неподвижной фазой. Термин «колонка» в широком смысле включает различные проточные каналы, через который могут протекать текучие среды, такие как структурированное поле потока, состоящее из микроэлементов, образованных в одной или более подложках, или другие проточные каналы для текучих сред, известные специалистам в данной области техники. Неподвижная фаза в разной степени адсорбирует различные целевые аналиты, содержащиеся в смешанном образце. Разность в степени адсорбции вызывает различия во времени удерживания и, следовательно, разность в подвижности различных химических веществ по мере того, как они перемещаются по колонке, что приводит к физическому разделению целевых аналитов в смешанном образце. В некоторых вариантах воплощений хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов. В настоящем документе термин "микромасштаб" относится к структуре, имеющей по меньшей мере одно измерение, составляющее менее приблизительно 500 мкм, возможно менее приблизительно 400 мкм, возможно менее приблизительно 300 мкм, возможно менее приблизительно 200 мкм, возможно менее приблизительно 150 мкм и в некоторых вариантах воплощений возможно менее приблизительно 100 мкм, и также может включать наномасштабные элементы. Упоминание в настоящем документе микромасштаба, микроканала, микроканала для текучей среды или микроструктуры включает структуры меньших размеров, такие как наномасштабные структуры. Также следует отметить, что, несмотря на то, что один из размеров, такой как диаметр, может находиться в микромасштабном диапазоне, другие размеры, такие как длина, могут превышать микромасштабный диапазон.

Различные разделенные компоненты элюируют из колонки 30 и направляют в один или более датчиков 32 для анализа. Таким образом, у конца одной или более колонок 30 располагают один или более датчиков 32. Таким образом, датчик 32 служит для определения различных химических веществ или целевых аналитов в образце, выпускаемом или элюируемоми из колонки 30 в различные моменты времени. В газохроматографической системе с помощью датчика 32 обычно производят деструктивный анализ элюированных фракций. Типичные неограничивающие примеры датчиков 32 включают масс-спектрометр (МС) (например, времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС)), пламенно-ионизационный датчик (ПИД), фотоионизационный датчик (ФИД), детектор электронного захвата (ДЭЗ), термокондуктометрические детекторы (ТКМД) или подобные датчики. Система 34 обработки данных обычно находится в коммуникации с датчиком 32, и, таким образом, обычно может хранить, обрабатывать и записывать результаты сепарационного анализа.

В капиллярных хроматографических колонках с покрытием на стенках удерживание аналитов обеспечивается взаимодействием паров газовой фазы с неподвижной фазой, нанесенной на стенку капилляра. По мере перемещения аналитов вдоль колонки, они подвергаются продольному и поперечному массопереносу, который приводит к уширению пика, что снижает разрешение ГХ и повышает вероятность совместного элюирования. Обычно правильный выбор неподвижной фазы в хроматографической колонке (обеспечивающий достаточное взаимодействие и удержание аналита), применение программируемых температурных профилей и ввод образца с/без деления потока позволяет улучшить разделение и повысить разрешение в хроматографе. В некоторых случаях, однако, эти способы не приводят к требуемому разделению. Например, в портативных ГХ ограниченный запас газа-носителя предотвращает выполнение деления потока, и точный контроль программирования температуры затрудняется и ограничивается мощностью системы. Кроме того, даже при специализированном разделении (например, разделение высоколетучих соединений в открытых трубчатых колонках с пористым слоем) полное разделение всего спектра целевых соединений может быть затруднительным. Таким образом, желательно создать дополнительный способ для улучшения разделения в колонках.

Разделение с отрицательным температурным градиентом (РОТГ) представляет собой один из способов, которые применяют для улучшения эксплуатационных характеристик колонки за счет повышения резкости пиков элюирования. В способе РОТГ вход колонки нагревают, и за счет теплообмена с окружающей средой создают температурный градиент. Поскольку ближе к выходу колонки температура понижается, фронт пика движется медленнее, чем его хвост, что приводит к общей фокусировке пиков. Этот эффект может быть оптимизирован регулированием различных температурных профилей по длине колонки, что обеспечивает высокую универсальность в различных условиях. Однако из-за зависимости РОТГ от теплообмена, фокусировка изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, влажности, скорости конвекции воздуха и теплопроводности наполнителя, что снижает воспроизводимость и предсказуемость (в частности, в случае применения сложных температурных профилей). Для стабилизации температурного градиента могут быть применены сложные модули контроля температуры, но это приводит к увеличению размера, массы, сложности и стоимости ГХ устройств. Кроме того, потери энергии в результате указанного теплообмена представляют собой существенный недостаток систем с ограниченными ресурсами (например, микроустройств для ГХ). Кроме того, разделение высоколетучих соединений часто необходимо проводить при обычных температурах, таким образом, чтобы не создавался температурный градиент или создавался минимальный температурный градиент, что снижает эффект РОТГ. Таким образом, несмотря на универсальность и возможность регулирования способа РОТГ, его применение в некоторых областях (например, в портативной ГХ) может быть ограничено и сопряжено с затруднениями.

Настоящее изобретение относится к новому способу фокусировки пиков при проведении газовой хроматографии. В некоторых аспектах устройство для газовой хроматографии, обеспечивающее фокусировку пиков одного или более целевых аналитов, включает хроматографическую колонку со входом и выходом. На вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, который выходит из колонки через выход. Неподвижная фаза помещена или осаждена внутри хроматографической колонки и имеет положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Как более подробно описано ниже, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Таким образом, положительный градиент толщины неподвижной фазы представляет собой градиент толщины, при котором толщина пленки неподвижной фазы увеличивается от входа по направлению к выходу. При увеличении толщины неподвижной фазы по направлению к выходу, фронт пика движется медленнее, чем его хвост, что в целом приводит к фокусировке пиков.

На фиг.2 представлен пример хроматографической колонки 50, полученной в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, в которой возможна фокусировка пиков одного или более целевых аналитов. В некоторых аспектах один или более целевых аналитов могут быть летучими органическими соединениями (ЛОС), которые имеют относительно высокое давление паров и, следовательно, являются низкокипящими при температурах и давлениях, применяемых в хроматографической колонке 50. Летучие органические целевые аналиты могут включать алканы или ароматические соединения.

Хроматографическая колонка 50 ограничена стенкой 60. Таким образом, стенка 60 хроматографической колонки 50 может ограничивать конструкцию, имеющую полую внутреннюю область 52, которая по меньшей мере частично может быть заполнена неподвижной фазой 64. Форма поперечного сечения хроматографической колонки 50 может быть выбрана из группы, состоящей из круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы. В некоторых аспектах хроматографическая колонка 50 изготовлена из металла, диоксида кремния или стекла, или полимера. Хроматографическая колонка 50 имеет вход 70 и выход 72. Как показано на фиг.2, стенка 60 имеет постоянную толщину. Таким образом, первая толщина стенки 60 на входе 70, обозначаемая "T₁", равна второй толщине, обозначаемой "Т₂", на входе 72.

Как было отмечено выше, смесь одного или более целевых соединений в подвижной фазе образца/носителя взаимодействует с неподвижной фазой 64 по мере прохождения смеси через колонку. Каждый целевой аналит в разной степени или с разной скоростью взаимодействует с неподвижной фазой 64. Аналит, в наименьшей степени взаимодействующий с неподвижной фазой 64, выходит или элюируется из хроматографической колонки 50 первым. Обычно целевые аналиты, в наибольшей степени взаимодействующие с неподвижной фазой 64, проходят через колонку 50 с наименьшей скоростью и, таким образом, выходят последними. Изменение характеристик подвижной фазы (носителя и образца) и неподвижной фазы 65 позволяет разделять различные смеси целевых аналитов. Как показано ниже, согласно настоящему изобретению, неподвижная фаза 64 имеет положительный градиент толщины, что позволяет фокусировать пики одного или более целевых аналитов, и это обычно означает, что пик аналита фокусируется по мере прохождения аналита от входа 70 до выхода 72 хроматографической колонки 50.

В некоторых вариантах воплощений неподвижная фаза 64 может включать кремний, например, в виде диоксида кремния или силоксанового полимера. Неподвижная фаза 64 может быть получена из различных полимеров на основе силоксана. Обычно силоксановый полимер представляет собой сшитый поперечными связами полимер, основная цепь которого состоит из кремния и кислорода, имеющий боковые группы, которые могут быть одинаковыми или различными, который обычно описывается структурным повторяющимся звеном (-O-SiRR'-)_n, где R и R' могут представлять собой одинаковые или различные боковые группы, и «n» может иметь любое значение, превышающее 2. Поверхность диоксида кремния или силоксана может быть функционализирована по реакции мономеров или полимеров с различными короткоцепочечными органическими силанами, в результате реакций силанольных групп. При этом механизм удерживания целевых аналитов остается прежним, но различия в химических свойствах поверхности различных неподвижных фаз создают различия в селективности по отношению к различным целевым аналитам. Силоксановые полимеры могут включать полигетеросилоксаны, которые могут содержать различные боковые группы или повторяющиеся звенья. Примером подходящих боковых групп может быть по меньшей мере одна незамещенная или замещенная алкильная группа или арильная группа, включающая от 1 до 30 атомов углерода, примеры которой включают, без ограничений: метил, этил, пропил, бутил, пентил, гексил, гептил, октил, нонил, децил, фенил, алкилфенил и подобные группы.

В различных аспектах неподвижная фаза 64 нанесена на внутреннюю поверхность 66 стенки 60 и имеет положительный градиент толщины. В некоторых вариантах воплощений, как более подробно описано ниже, внутренняя поверхность 66 сначала может быть силанизирована, например, воздействием на внутреннюю поверхность 66 паров гексаметилдисилазана (ГМДС), что приводит к получению поверхностного покрытия, содержащего силан или силанол. Затем может быть введен предшественник силоксанового полимера, такой как Silicone OV-1, модифицированный винильными группами 100%-ный диметилсиликон, коммерчески поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6001, или Silicone OV-17, модифицированный винильными группами, содержащий 50% фенилсиликона и 50% метилсиликона, поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6017, который реагирует с образованием неподвижной фазы. Наряду с предшественником также может быть добавлен сшивающий агент, обеспечивающий образование поперечных связей, такой как Dow SYLGARD™ 184 реагент В (15% масс, сшивающий агент). Следует отметить, что выбор материала неподвижной фазы 64 не ограничен перечисленными материалами, которые приведены здесь лишь как подходящие примеры материалов для изготовления газохроматографической колонки.

Как показано, неподвижная фаза 64 проходит вдоль внутренней поверхности 66 стенки 60 от входа 70 до входа 72. Таким образом, неподвижная фаза 64 образует непрерывное покрытие или пленку на внутренней поверхности 66. На входе 70 неподвижная фаза 64 имеет первую толщину, обозначаемую "t₁". На выходе 72 неподвижная фаза 64 также имеет вторую толщину, обозначаемую "t₂". Вторая толщина (t2) по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину (t₁). Таким образом, неподвижная фаза 64 имеет положительный градиент толщины по длине хроматографической колонки 50. Вследствие этого, внутренняя область 52 имеет первый диаметр "d₁", определяемый первой толщиной (t₁) неподвижной фазы 64 на входе 70. Внутренняя область 52 имеет второй диаметр "d₂", определяемый второй толщиной (t₂) неподвижной фазы 64 на выходе 72. Первый диаметр (d₁) превышает второй диаметр (d₁). Таким образом, неподвижная фаза 64, находящаяся в хроматографической колонке 50, имеет положительный градиент толщины.

В некоторых аспектах градиент толщины постепенно увеличивается по длине хроматографической колонки 50 от первой толщины (t₁) до второй толщины (t2). Изменение толщины неподвижной фазы 64 может быть постоянным или варьироваться по длине хроматографической колонки 50, но толщина увеличивается от входа 70 к выходу 72.

В некоторых вариантах воплощений вторая толщина (t₂) по меньшей мере приблизительно на 50% превышает первую толщину (t₁), возможно по меньшей мере приблизительно на 100% превышает первую толщину (t₁), возможно по меньшей мере приблизительно на 150% превышает первую толщину (t₁), возможно по меньшей мере приблизительно на 200% превышает первую толщину (t₁), возможно по меньшей мере приблизительно на 250% превышает первую толщину (t₁), и в некоторых вариантах воплощений вторая толщина (t₂) возможно по меньшей мере приблизительно на 300% превышает первую толщину (t₁). Первая толщина (t₁) возможно может составлять от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина (12) может составлять от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам. В одном из примеров первая толщина (t₁) составляет приблизительно 30 нм, а вторая толщина (t₁) составляет приблизительно 30 микрометров.

На фиг.3А 3С представлена фокусировка пиков посредством применения пленки с положительным градиентом толщины, согласно настоящему изобретению выполняемая в колонке, содержащей пленку с градиентом толщины (КПГТ) в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. Как видно из фиг.3А, пик 82 определенного аналита 80 становится все более и более сфокусированным по мере перемещения аналита 80 по колонке 84, содержащей неподвижную фазу 86 с положительным градиентом толщины, проходящую от входа 88 до выхода 90 колонки 84. Таким образом, пленка неподвижной фазы 86, толщина которой изменяется от меньшей к большей (в направлении от входа 88 к выходу 90), фокусирует пик аналита 82 по мере перемещения аналита по колонке в направлении фигурной стрелки, как показано на фиг.3А. На фиг.3В представлена установка для оценки эксплуатационных характеристик колонки. Колонку 84 устанавливают в гидравлическом взаимодействии с инжектором 94 настольного ГХ 96 Agilent 6890, снабженного пламенно-ионизационным датчиком (ПИД) 98. На фиг.3С представлены прямой (сверху) и обратный/обращенный (снизу) рабочие режимы. Другими словами, образец, содержащий по меньшей мере два целевых аналита, вводят в прямом режиме (сверху) через вход 88, после чего он движется по направлению к выходу 90 хроматографической колонки 84 в направлении фигурной стрелки. В обратном или обращенном режиме (снизу) образец, содержащий по меньшей мере два целевых аналита, вводят на выходе 90 хроматографической колонки 84, после чего он движется по направлению ко входу 88 в направлении фигурной стрелки.

В некоторых аспектах настоящее изобретение относится к способу фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ может включать введение двух или более целевых аналитов на входе хроматографической колонки, включающей размещенную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Неподвижной фазой может быть любая неподвижная фаза, описанная выше. Способ включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов. Дополнительно, два или более целевых аналита затем выводятся при элюировании из выхода хроматографической колонки.

В некоторых аспектах два или более целевых аналита представляют собой летучие органические соединения (ЛОС). Согласно одному из аспектов, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает ароматическое соединение, и итоговый показатель фокусировки пиков ароматических соединений больше или равен приблизительно 25%, например, может быть больше или равен приблизительно 26%, необязательно больше или равен приблизительно 27% и в некоторых вариантах воплощений возможно больше или равен приблизительно 28%.

Согласно другому аспекту, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает алкан, и итоговый показатель фокусировки пиков алкана больше или равен приблизительно 10% и в некоторых аспектах возможно больше или равен приблизительно 11%.

Согласно другим аспектам, настоящее изобретение относится к способу подтверждения фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ включает проведение прямой операции посредством введения двух или более целевых аналитов на входе хроматографической колонки, включающей осажденную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Неподвижная фаза может иметь любую из структур и составов, описанных выше. Прямая операция включает разделение двух или более целевых аналитов в хроматографической колонке и последующее элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки. Затем производят обращенную операцию, включающую введение двух или более целевых аналитов на выходе хроматографической колонки, включающей неподвижную фазу. Обращенная операция далее включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов и элюирование двух или более целевых аналитов на выходе хроматографической колонки. Способ дополнительно включает сравнение величин хроматографического разрешения прямой операции и обращенной операции, где показатель фокусировки пиков по меньшей мере одной соответствующей пары двух пиков двух целевых аналитов превышает 5% и возможно больше или равен приблизительно 10%.

Настоящее изобретение также относится к способу создания устройства для газовой хроматографии, включающего хроматографическую колонку с положительным градиентом толщины. Способ включает введение жидкости-предшественника в хроматографическую колонку. Жидкость-предшественник включает предшественник неподвижной фазы и низкокипящий растворитель, который испаряется по мере продвижения по длине хроматографической колонки, так что концентрация предшественника неподвижной фазы увеличивается по мере его продвижения по колонке, что приводит к созданию градиента толщины неподвижной фазы. Способ также включает реакцию предшественника неподвижной фазы или образование поперечных связей в предшественнике неподвижной фазы, что приводит к получению положительного градиента толщины неподвижной фазы на протяжении длины от входа до выхода, так что неподвижная фаза имеет первую толщину на входе хроматографической колонки, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.

В некоторых аспектах перед введением жидкости-предшественника производят силанирование внутренней поверхности хроматографической колонки. Силанирование может включать пропускание реакционноспособного силана в газообразной форме через колонку. В одном из примеров реакционноспособный силан может представлять собой пары гексаметилдисилазана (ГМДС), которые образуют на внутренней поверхности колонки поверхностное покрытие, содержащее силан. В некоторых вариантах воплощений реакционноспособный силан может быть пропущен через хроматографическую колонку несколько раз.

Может быть введен предшественник силоксанового полимера, такой как Silicone OV-1, модифицированный винильными группами 100%-ный диметилсиликон, поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6001, или Silicone OV-17, модифицированный винильными группами, содержащий 50% фенилсиликона и 50% метилсиликона, поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6017, который реагирует с образованием неподвижной фазы. Наряду с предшественником также может быть добавлен сшивающий агент, обеспечивающий образование поперечных связей, такой как Dow SYLGARD™ 184 реагент В (15% масс, сшивающий агент). Следует отметить, что выбор материала неподвижной фазы не ограничен перечисленными материалами, которые приведены здесь лишь как подходящие примеры материалов для изготовления газохроматографической колонки.

Хроматографическая колонка включает вход и выход, и введение и реакция или образование поперечных связей могут включать динамическое нанесение покрытия на внутреннюю поверхность хроматографической колонки. Это может быть выполнено частичным заполнением хроматографической колонки жидкостью-предшественником, приложением давления на входе для продавливания жидкости-предшественника по длине колонки, и приложением вакуума на выходе для испарения низкокипящего растворителя. Например, пробка из жидкости-предшественника может быть продавлена через колонку при приложении на входе давления, составляющего 5 фунтов/кв.дюйм (34473,8 Па). Для испарения низкокипящего растворителя на выходе может быть приложено вакууметрическое давление, составляющее 2 фунта/кв.дюйм (-13789,5 Па).

Примеры

Газохроматографические (ГХ) колонки с градиентом толщины неподвижной фазы позволяют фокусировать пики аналитов и повышают разрешение разделения. Теоретический анализ и моделирование показывают, что фокусировка осуществляется при положительном градиенте толщины, т.е. при толщине неподвижной фазы, которая увеличивается по длине колонки. Фокусировка пиков была подтверждена экспериментально при нанесении покрытия на капиллярную колонку длиной 5 м, в которой толщина пленки изменялась от 34 нм на входе колонки до 241 нм на выходе колонки. Колонку исследовали, пропуская алканы от С₅ до С₁₆ и ароматические соединения, в прямом (от меньшей к большей толщине) и обратном (от большей к меньшей толщине) режимах, и полученные результаты сравнивали с результатами, полученными в колонке с равномерной толщиной покрытия, составляющей 131 нм.

Сравнение величин разрешения, полученных в прямом режиме и в колонке с равномерной толщиной, показывает, что общий показатель фокусировки (т.е. повышение пиковой емкости) составляет 11,7% при пропускании алканов, и 28,2% при пропускании ароматических соединений.

Эффект фокусировки также был показан для изотермического разделения высоколетучих соединений при комнатной температуре и для разделения при программируемой температуре с различными скоростями повышения температуры. Во всех случаях пиковые емкости при прямых режимах разделения были выше, чем при других режимах, что указывает на то, что положительный градиент толщины способствует фокусировке пиков аналитов. Таким образом, настоящая методика с использованием градиента толщины может быть широко применена в работе с различными неподвижными фазами и типами колонок в качестве общего способа улучшения характеристик ГХ разделения.

Экспериментальная установка Колонку, содержащую пленку с градиентом толщины (КПГТ), устанавливали на ГХ столик Agilent 6890, снабженный пламенно-ионизационным детектором (ПИД, см. Фиг. 3В). В качестве газа-носителя применяли гелий сверхвысокой чистоты. Для оценки эффекта фокусировки пиков аналиты вводили с конца, имеющего покрытие меньшей толщины (прямой режим, т.е. перемещение от меньшей к большей толщине пленки), или с конца, имеющего покрытие большей толщины (обратный режим т.е. перемещение от большей к меньшей толщине пленки), как показано на фиг.3С. Для сравнения на той же установке также исследовали колонку с равномерной толщиной покрытия (толщина пленки равна усредненной толщине). Все эксперименты проводили при программируемой температуре и постоянном давлении. Способы программирования температуры и давления нагнетания представлены в таблице 1.

Материалы

Углеводороды С₅-С₁₆, бензол, толуол, этилбензол, орто-ксилол, 1,3-дихлорбензол, нитробензол и дихлорметан аналитической чистоты были закуплены у Sigma-Aldrich (St. Louis, МО). Модифицированные винильными группами OV-1 (P/N 6001) и OV-17 (P/N 6017) были закуплены у Ohio Valley Specialty Company (Marietta, ОН). Реагент В Dow SYLGARD™ 184 был закуплен у Ellsworth Adhesive (Germantown, WI). Трубки из деактивированного плавленого диоксида кремния (No. по каталогу 10010, внутренний диаметр 250 мкм) и колонка RTX-5 (No. по каталогу 10205, отрезана по длине до 5 м, внутренний диаметр 250 мкм и толщина пленки 0,1 мкм) были закуплены у Restek (Bellefonte, РА). Колонка DB-1MS (No. по каталогу 122-0162, отрезана по длине до 5 м, внутренний диаметр 250 мкм и толщина пленки 0,25 мкм) была закуплена у Agilent (Santa Clara, СА). Все материалы применяли в том виде, в котором они были приобретены, без дополнительной очистки или модификации.

Нанесение покрытия на колонку Реактивы OV-1 (75% масс), OV-17 (10% масс.) и реагент В Dow SYLGARD™ 184 (15% масс, сшивающий агент) растворяли в дихлорметане, получая 2% масс, раствор для нанесения покрытия (содержание фенила в неподвижной фазе 5%). Как показано на фиг. 4А, капиллярную колонку 100 длиной 5 м (внутренний диаметр 250 мкм) перед нанесением покрытия подвергали силанированию проведением 8 повторных впрысков паров гексаметилдисилазана (ГМДС). Затем в капилляр 100 через вход 104 колонки с помощью шприцевого насоса вводили 80 мкл раствора 102 для нанесения покрытия. Для перемещения раствора 102 для нанесения покрытия по направлению к выходу 108, на входе 104 прикладывали положительное давление 106, составляющее 5 фунтов/кв.дюйм (34473,8 Па). На выходе 108 через холостую колонку 112 длиной 1 м (внутренний диаметр 250 мкм) прикладывали отрицательное вакууметрическое давление 110 величиной -2 фунта/кв.дюйм (-13789,5 Па), что обеспечивали постоянную скорость пробки раствора для нанесения покрытия. Во время нанесения покрытия небольшой объем низкокипящего дихлорметана испаряется под действием вакуума, в результате чего концентрация раствора для нанесения покрытия постепенно повышается, и, следовательно, увеличивается толщина пленки по мере того, как пробка 102 раствора для нанесения покрытия перемещается от входа 104 колонки к выходу 108. После нанесения покрытия через колонку 100 в течение 2 часов непрерывно пропускают сухой воздух, после чего в течение еще 2 часов проводят реакцию образования поперечных связей при 80°С и последующую деактивацию под действием ГМДС. Затем колонку 100 выдерживают при 230°С в течение 3 часов в потоке гелия с расходом 0,5 мл/мин. Таким же способом наносят покрытие на колонку с равномерной толщиной пленки, применяя раствор для нанесения покрытия концентрацией 1% масс, (того же состава, как растворы, применяемые выше, но при большем разбавлении) и прикладывая на входе положительное давление 5 фунт/кв.дюйм (34473,8 Па) для проталкивания раствора для нанесения покрытия по направлению к выходу (без применения вакуума).

Условия моделирования

Проводили моделирование разделения смеси C₈-C₁₅ в прямом и обратном режимах, а также в колонке с равномерной толщиной, эквивалентной среднему градиенту толщины пленки (условия разделения представлены в таблице 1). Толщина пленки в колонке 5 м варьировалась от 34 нм до 241 нм (от входа до выхода в прямом режиме и наоборот в обратном режиме). Следует отметить, что для вычисления фактора удерживания k(х, t) требуется знание величины коэффициента распределения K(t) (Ур. (2)), который вычисляют из известных величин. Смоделированные величины времени удерживания и полной ширины на половине максимальной высоты пика (ПШПМ) представлены в таблице 2, и величины разрешения представлены в таблице 3.

Контрольная колонка с равномерной толщиной покрытия В качестве контроля для разделения С₇-С₁₆ алканов в прямом и обратном режимах применяли колонку Restek RTX-5, не ожидая различий в разделении. Условия разделения представлены в таблице 1. Величины р для времени удерживания и ПШПМ (по 5 прогонам) вычисляли, используя парный критерий Стьюдента и превращая полученный Т-показатель в величину р. Значимость принимали на уровне р=0,05; для всех пиков аналитов не наблюдали значительных различий между прямым и обратным режимами. Аналогично, не наблюдали значительных различий между прямым и обратным режимами в случае применения колонки Agilent DB-1MS длиной 5 м для разделения С₇-С₁₅ алканов (данные не показаны).

Характеристика неподвижной фазы Для определения толщины неподвижной фазы КПГТ замораживали в жидком азоте и затем откалывали несколько кусочков. С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) получали изображения вблизи входа колонки (пленка меньшей толщины) и вблизи выхода колонки (пленка большей толщины). На фиг.4(B) и (С) показано, что толщина пленки увеличивается от 34 нм до 241 нм на протяжении колонки от входа до выхода, и градиент составляет приблизительно 41 нм/м. Также у входа и выхода исследовали колонку с равномерной толщиной пленки, и было обнаружено, что у обоих концов колонки толщина пленки составляет 131 нм.

Теоретическое обоснование фокусировки пиков приведено ниже. Эффективная скорость, аналита на участке х (расстояние от входа колонки) в заданный момент времени t определяется выражением:

где представляет собой скорость подвижной фазы, и - фактор удерживания:

коэффициент распределения определяют из выражения

где - универсальная газовая постоянная, и представляет собой зависящую от времени температуру колонки на участке представляет собой изменение свободной энергии Гиббса, связанное с переходом аналита из стационарной в подвижную фазу, которое может быть вычислено из изменения энтальпии и энтропии аналита:

Фазовое отношение β определяется выражением

где - внутренний диаметр колонки и толщина пленки, соответственно.

Таким образом, ур. (2) может быть выражено следующим образом:

где А является константой для данной колонки. Фактор удерживания на протяжении длины колонки, может быть записан следующим образом:

Ур. (7) показывает, что в частичное увеличение фактора удерживания, на расстоянии по длине колонки вносят вклад два параметра: отрицательный температурный градиент, задаваемый первой переменной, и положительный градиент толщины пленки, задаваемый второй переменной. Градиент фактора удерживания связан с градиентом скорости уравнением (1); таким образом, как отрицательный температурный градиент, так и положительный градиент толщины пленки приводят к образованию разности скоростей между фронтом и хвостом полосы аналита, что способствует фокусировке полосы (т.е. на пространственное распределение аналита воздействует изменяющийся в пространстве градиент скорости). На выходе во время элюирования полоса выглядит как изменяющийся с течением времени пик, который может быть более узким, чем соответствующий пик несфокусированной полосы. Другими словами, фокусировка пиков (наблюдаемая величина) является результатом фокусировки полосы внутри колонки. Эквивалентность этих двух градиентов может быть выражена следующим образом:

Для фокусировки пиков градиент толщины пленки имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным температурным градиентом. Во-первых, градиент толщины пленки не зависит от температуры колонки, что позволяет фокусировать пики аналитов любых летучих соединений при любых рабочих температурах. В частности, пики высоколетучих соединений сложно сфокусировать при разделении с отрицательным температурным градиентом (РОТГ), но это может быть сделано при применении методики согласно изобретению (например, с помощью хроматографического устройства и способа с КПГТ). Во-вторых, в то время как температурный градиент может быть изменен при использовании нагревателя и обычных условий (таких как размещение нагревателя, рассеяние тепла, размер/масса колонки, расположение канала колонки, температура окружающей среды и поток воздуха), градиент толщины пленки всегда постоянен и позволяет проводить более надежные и воспроизводимые ГХ операции (из-за меньшей подверженности воздействию окружающей среды). Наконец, КПГТ согласно некоторым аспектам настоящего изобретения может быть применена без дополнительного вспомогательного оборудования (такого как нагреватели или охлаждающие средства, требуемые для РОТГ), что значительно снижает сложность устройства для дальнейшей интеграции. Однако, несмотря на эти преимущества, в некоторых аспектах разделение на основе градиента толщины пленки может быть менее универсальным, чем РОТГ, поскольку здесь градиент является фиксированным, в то время как температурный градиент может быть изменен заменой источника тепла и/или отводом тепла. Кроме того, увеличение толщины пленки по направлению к выходу колонки может приводить к замедлению массопереноса, что может искажать эффект фокусировки пиков. Эффект массопереноса был исследован в приведенном ниже моделировании.

В этом моделировании не учитывали температурный градиент (т.е. РОТГ), анализировали только влияние градиента толщины пленки. Зависимая от времени концентрация с пика аналита, перемещающегося вдоль колонки, определяется решением уравнения конвекции-диффузии для переходного состояния:

где определено в ур. (1). Эффективная диффузия может быть вычислена из величин локальной дисперсии D и фактора удерживания

где - толщина пленки, и - диффузионная постоянная подвижной фазы. Следует отметить, что D включает массоперенос/диффузию как в продольном, так и в поперечном направлении. Величина может быть выражена следующим образом:

где представляет собой диффузионную постоянную (которая зависит от молярных масс и атомных и структурных диффузионных объемов аналитов и молекул подвижной фазы), и представляет собой диффузионную постоянную неподвижной фазы. Локальное давление определяют, исходя из давлений на входе и выходе, соответственно:

где L представляет собой длину колонки. Скорость в подвижной фазе описывается формулой

где вязкость приведена в виде зависимости от эталонной вязкости при температуре и показателя зависящего от типа газа:

Следует отметить, что в ур. (12) температура приведена в виде в соответствии с тем допущением, что в заданный момент времени t температура остается одинаковой по всей длине колонки. Уравнение (9) может быть решено применением конечно-разностной модели к дискретному моменту времени (t) и радиус-векторам (i)

где - моделируемое расстояние и временной шаг. При объединении этих уравнений получаем:

Решением Ур. (19) является зависимое от времени перемещение пика аналита вдоль колонки.

Для моделирования ур. (19) необходимо установить некоторые граничные условия. Во-первых, в момент времени t=0 пик введенного аналита имеет форму Гауссова пика, т.е.:

где σ исходная дисперсия. Следует отметить, что исходный пик в момент времени t = 0 находится при х = 3σ. После исходного введения через вход колонки в колонку не вводят дополнительных аналитов:

На выходе колонки конечная концентрация на сетке приблизительно равна концентрации в левой части (поскольку она не может быть вычислена по уравнению (16)), т.е.:

Величины времени удерживания пиков и их полная ширина на половине максимума (ПШПМ) могут быть определены на выходе колонки (т.е. при х = L), поскольку для конструирования двухмерной матрицы концентраций, в которой изменяется как положение, так и время, используется изменяющаяся в пространстве концентрация, получаемая по уравнению (19). Например, разделение соединений C₈-C₁₅ может быть смоделировано при положительном (т.е. от меньшей к большей толщине или в «прямом» режиме) и отрицательном (т.е. от большей к меньшей толщине или в «обратном» режиме) градиенте толщины пленки. В качестве контрольного эксперимента также было проведено моделирование в колонке с равномерной толщиной пленки (при толщине, эквивалентной среднему значению для толщины пленки в прямом/обратном режиме). Температуру повышали от 40°С до 240°С со скоростью 30°С/мин. Давление нагнетания устанавливали равным 3,45 фунта/кв.дюйм (23787 Па) (давление на выходе было равно давлению окружающей среды, т.е. 1 атм. (1,013⋅10⁵ Па)). Толщина пленки в колонке длиной 5 м изменялась от 34 нм до 241 нм (от входа до выхода в прямом режиме и наоборот в обратном режиме). Отслеживание концентрации по второй оси (т.е. по времени) позволяет определять изменяющийся во времени вектор концентрации, соответствующий сигналу, получаемому от датчика на выходе. Максимальная величина (изменяющаяся во времени) соответствует времени элюирования/удерживания, и ПШПМ может быть определена по моменту времени, в который концентрация составляет половину величины пика. Дополнительно по нижеследующей формуле может быть вычислено разрешение (R) между соседними пиками:

где - величины времени удерживания двух пиков, и - соответствующие ПШПМ.

Величины времени удерживания пиков и полной ширины на половине максимума (ПШПМ), измеренные на выходе колонки (т.е. при х=L), представлены в таблице 1. В таблице 1 представлены программируемые профили температуры и величины давления нагнетания, использованные при моделировании, контрольного эксперимента с равномерной толщиной пленки, разделения алканов С₇-С₁₆, разделения ароматических соединений и разделения высоколетучих алканов (С₅ и С₆).

В таблице 2 представлены полученные в результате моделирования величины времени удерживания (RT) и полной ширины на половине максимума (ПШПМ) для разделения C₈-C₁₅ в прямом и обратном режимах. Для сравнения также представлены величины RT и ПШПМ при работе с покрытием равномерной толщины. Температуру повышали, начиная с 40°С, со скоростью 30°С/мин, и давление нагнетания составляло 3,45 фунта/кв.дюйм (~23787 Па). Длина колонки составляла 5 м. Все величины представлены в минутах. Дополнительный анализ приведен в таблице 3.

В таблице 3 представлены полученные при моделировании величины разрешения (R) между соседними пиками для смесей C₈-C₁₅ в прямом и обратном режимах и в колонке с равномерной толщиной покрытия. Величины разрешения, полученные в прямом режиме, превышают величины разрешения, полученные в обратном режиме и в колонке с равномерной толщиной покрытия. Разность в разрешениях определяли по формуле

Из данных, представленных в таблице 1, видно, что пики аналитов в прямом и обратном режимах выходят из колонки в различные моменты времени; это происходит из-за того, что условия разделения заданного аналита в этих двух режимах различны. В прямом режиме аналит сначала взаимодействует с пленкой меньшей толщины при низких температурах и достигает пленки большей толщины при высоких температурах, а в обратном режиме все происходит как раз наоборот. В результате величины времени удерживания аналитов в этих двух режимах различны, и при оценке эксплуатационных характеристик колонки полные ширины пиков на половине максимума (ПШПМ) нельзя сравнивать напрямую. Напротив, для анализа характеристик разделения используют разрешение R между двумя пиками, которое вычисляют по уравнению 23, (см. таблицу 2).

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что, по сравнению с обратным режимом, в прямом режиме разрешение между соседними пиками выше, то есть в течение одинакового временного интервала в прямом режиме может быть получено больше пиков, чем в обратном режиме. Величины разрешения в колонке с равномерной толщиной пленки превышают величины разрешения в обратном режиме, но всегда оказываются меньше величин разрешения в прямом режиме, что, таким образом, доказывает фокусировку пиков в прямом режиме. Дальнейший анализ величин разрешения соседних пиков показывает, что разность величин разрешения между прямым и обратны режимами (т.е. ) понижается по мере увеличения времени удерживания аналита. Это может происходить из-за более медленного массопереноса (т.е. поперечной диффузии), что более выражено для более тяжелых соединений, в области пленки с большей толщиной. В прямом режиме этот эффект приводит к уширению пиков менее летучих соединений ближе к выходу колонки, снижая фокусировку, обеспечиваемую колонкой. Напротив, в обратном режиме пленка меньшей толщины на выходе обеспечивает меньшее уширение, что снижает дефокусировку из-за обратного градиента. Таким образом, для более низколетучих соединений разность разрешений прямого и обратного режимов снижается.

Фокусировка пиков смеси алканов. Возможности фокусировки пиков в КПГТ оценивали по разделению смеси алканов С₇-С₁₆. Для впрыска брали 0,025 мкл жидкости при коэффициенте деления потока 5:1. Такие же условия разделения создавали в прямом режиме, в колонке с равномерной толщиной пленки и в обратном режиме (которые обозначали как «идентичные параметры обратного режима», см. таблицу 1 - смеси алканов). Примеры хроматограмм показаны на фиг.5A - 5D.

Из фиг.6 видно, что в прямом режиме, в колонке с равномерной толщиной пленки и при идентичных параметрах в обратном режиме пики аналитов вымываются, спустя различные промежутки времени, что согласуется с данными моделирования (таблица 2). Это происходит из-за того, что условия разделения определенного аналита в двух указанных режимах различаются, а также они отличаются от условий в колонке с равномерной толщиной пленки. В прямом режиме аналит сначала взаимодействует с пленкой меньшей толщины при низких температурах, а затем достигает пленки с большей толщиной, находящейся при высоких температурах; в обратном режиме все происходит наоборот. В колонке с равномерной толщиной аналиты при всех температурах взаимодействуют с пленкой равномерной толщины. В результате времена удерживания аналитов в двух указанных режимах и в колонке с равномерной толщиной пленки различны, и произвести прямое сравнение полной ширины пиков на половине максимума (ПШПМ) при оценке эксплуатационных характеристик колонки не представляется возможным. Напротив, для анализа характеристик разделения используют величины разрешения между соседними пиками (например, С₇ и С₈, С₈ и С₉ и т.д.). Величины разрешения при идентичных параметрах в обратном режиме и в колонке с равномерной толщиной пленки вычитают из соответствующих величин разрешения в прямом режиме; разности разрешений между всеми парами соседних пиков (усредненные по 5 экспериментам) построены на фиг.6. Значения р для разности разрешений вычисляли, используя парный критерий Стьюдента (по 5 экспериментам в прямом режиме и в обратном режиме при идентичных параметрах и в колонке с равномерной толщиной пленки) и превращая полученный Т-показатель в значение р (см. таблицу 3). Значимость принимали на уровне р=0,05, что указывает на гораздо более высокое разрешение между всеми парами соседних пиков в прямом режиме по сравнению с обратным режимом при идентичных параметрах. Это согласуется с данными моделирования (таблица 3), а также подтверждается приведенными выше величинами разрешения в прямом режиме, что означает, что в течение одного и того же временного интервала в прямом режиме получают большее количество пиков, чем в обратном режиме. Величины разрешения в колонке с равномерной толщиной ниже, чем величины разрешения в прямом режиме вплоть до смеси С₁₀/С₁₁, но для пар С₁₅/С₁₆ разрешение в колонке с равномерной толщиной оказывается более высоким. Общий анализ эксплуатационных характеристик приведен ниже.

В таблице 4 представлены значения р, полученные при сравнении разделения С₇-C₁₆ алканов в прямом режиме, в колонке с равномерной толщиной пленки, в обратном режиме при идентичных параметрах (ИП) и в обратном режиме в течение равного времени (РВ). Значимость принимали на уровне р=0,05. Все значения р были значимыми при сравнении прямого и обратного режима ИП, в то время как значения р, полученные при разделении С₇-С13, были значимыми для обратного режима РВ. Величины разрешения в прямом режиме значительно превышали величины разрешения в колонке с равномерной толщиной пленки вплоть до смеси С₁₀/С₁₁, в то время как разрешение в колонке с равномерной толщиной пленки было значительно выше для смеси С₁₅/С₁₆.

Для дальнейшего анализа несоответствия величин времени удерживания была получена вторая серия хроматограмм при более низкой скорости повышения температуры в обратном режиме, которую понижали таким образом, чтобы С₁₆ (последний из элюируемых аналитов) вымывался в то же время, что и в прямом режиме (это обозначено как «обратный режим в течение равного времени», см. таблицу 1 - условия разделения, хроматограммы на фиг.5A - 5D, разности разрешений на фиг.6, таблицу 4 значения р). В этом случае снова в прямом режиме разрешение при разделении пар алканов в диапазоне С₇-С₁₃ (результаты, полученные в 5 экспериментах) было значительно выше, однако, в обратном режиме в течение равного времени разрешение при разделении С₁₃-С₁₆ было близко к разрешению в прямом режиме. Несмотря на то, что в прямом режиме не все локальные величины разрешения (т.е. между соседними парами алканов) превосходят соответствующие величины разрешения в обратном режиме в течение равного времени (или разделение в колонке с равномерной толщиной пленки), в прямом режиме достигается значительно более высокая по сравнению со всеми другими режимами пиковая емкость (ПЕ), определяемая как сумма всех величин разрешения (Таблица 5). Анализ показателя фокусировки (ПФ), определяемого как

показывает, что общие показатели фокусировки в прямом режиме по сравнению с колонкой с равномерной толщиной пленки, обратными режимами при идентичных параметрах и обратным режимом в течение равного времени составляют, соответственно, приблизительно 11,7%, 26,8% и 29,8%.

Таблица 5. На фиг.5A-5D представлены пиковые емкости, общие величины разрешения, значения р и показатели фокусировки, полученные при сравнении разделения алканов С₇-С₁₆ в прямом режиме с разделением в обратных режимах с идентичными параметрами (ИП и в течение равного времени (РВ)) и в колонке с равномерной толщиной пленки. Значимость принимали на уровне р=0,05. Пиковая емкость в прямом режиме значительно превосходит пиковую емкость во всех других режимах.

Фокусировка пиков при анализе смеси ароматических соединений Фокусировку пиков в КПГТ также анализировали на примере разделения смеси ароматических соединений, содержащей бензол (Б), толуол (Т), этилбензол (Э), орто-ксилол (К) и 1,3-дихлорбензол (ДХБ). Жидкую смесь в количестве 0,025 мкл впрыскивали при коэффициенте деления потока 5:1 (условия разделения приведены в Таблице 1 -смесь ароматических соединений). Примеры хроматограмм показаны на фиг.7A-7D, и разности разрешения показаны на фиг.8. Значения р для локальной разности разрешений (вычисленные по 5 экспериментам) представлены в таблице 6. В таблице 7 представлены пиковые емкости, значения р и показатели фокусировки, которые демонстрируют, что пиковая емкость в прямом режиме значительно превышает пиковую емкость во всех других режимах. Таким образом, независимо от того, поддерживаются ли параметры разделения постоянными (и аналиты элюируются быстрее в обратном режиме при идентичных параметрах) или их изменяют таким образом, чтобы последнее соединение вымывалось в одно и то же время (в прямом режиме и в обратных режимах в течение равного времени), разделение в прямом режиме всегда происходит лучше, чем в любом из обратных режимов. Разделение в прямом режиме также происходит лучше, чем в колонке с равномерной толщиной пленки, что подтверждается показателем фокусировки, составляющим 28,2% (таблица 7). Таким образом, в целом показано, что применение прямого режима (т.е. положительного градиента толщины пленки) позволяет улучшать пиковую емкость при разделении.

В таблице 6 представлены значения р, полученные при сравнении разделения ароматических соединений в прямом режиме с их разделением в колонке с равномерной толщиной пленки, в обратном режиме с идентичными параметрами (ИП) и в обратном режиме в течение равного времени (РВ). Порядок элюирования и сокращения показаны на фиг.7A-7D. Значимость принимали на уровне р=0,05. Все значения р указывают на значительное улучшение разрешения в прямом режиме.

Пиковые емкости, значения р и показатели фокусировки, полученные при сравнении разделения ароматических соединений в прямом режиме с их разделением в обратных режимах с идентичными параметрами (ИП) и в течение равного времени (РВ), а также в колонке с равномерной толщиной пленки представлены в таблице 7 и на фиг.7А - 7D. Значимость принимали на уровне р=0,05. Разделение в прямом режиме значительно превосходит разделение во всех других режимах.

Влияние повышения температуры

Для определения влияния скорости повышения температуры на фокусировку пиков выполняли разделение смеси соединений С₇-С₁₀ при четырех различных скоростях повышения температуры (0, 10, 20 и 30°С/мин, повышение с 60°С без задержек) в прямом режиме, в обратном режиме при идентичных параметрах и в колонке с равномерной толщиной пленки. Давление составляло 3,45 фунта/кв.дюйм (23787 Па) (2,7 мл/мин при 60°С), и коэффициент деления потока составлял 15:1 при всех операциях разделения (впрыск 0,025 мкл жидкой смеси). Для определения времени выхода неудерживаемого компонента впрыскивали метан, и было обнаружено, что оно составляет 0,36 минуты при всех скоростях повышения температуры. Величины разрешения и показатели фокусировки для каждого температурного профиля представлены в таблице 8 (величины представляют собой усредненные значения по 5 экспериментам). В прямом режиме при более высоких скоростях повышения температуры аналиты оказываются под воздействием относительно высоких температур в то время, когда они достигают неподвижной фазы с большей толщиной ближе к выходу колонки. Таким образом, аналит меньше времени удерживается в пленке большей толщины, что приводит к снижению уширения пика. В обратном режиме аналиты сначала взаимодействуют с неподвижной фазой большей толщины при более низких температурах, а затем перемещаются к неподвижной фазе меньшей толщины, находящейся при более высоких температурах. Уширение пика, обусловленное влиянием неподвижных фаз с меньшей толщиной, уже невелико; таким образом, в обратном режиме общее снижение уширения пика из-за повышения температуры ниже. Таким образом, показатель фокусировки повышается с увеличением скорости повышения температуры, вплоть до 61,9% при сравнении прямого и обратного режимов и до 68,1% при сравнении прямого режима с разделением в колонке с равномерной толщиной пленки, при повышении температуры со скоростью 30°С/мин.

В таблице 8 представлены величины разрешения (R), пиковые емкости (ПЕ) и показатели фокусировки, полученные при разделении соединений С₇-С₁₀ в прямом режиме, обратных режимах и в колонке с равномерной толщиной пленки при различных скоростях повышения температуры. Во всех опытах по разделению начальная температура составляла 60°С, и давление нагнетания газа-носителя составляла 3,45 фунт/кв.дюйм (2,7 мл/мин при 60°С). Впрыскивали 0,025 мкл жидкой смеси при коэффициенте деления потока 15:1.

Фокусировка при разделении высоколетучих соединений В отличие от разделения с отрицательным температурным градиентом (РОТГ), разделение в колонке, содержащей пленку с градиентом толщины (КПГТ) позволяет фокусировать пики при низких температурах (при условии, что такие пики удерживаются при этих температурах в течение достаточного времени), при которых сложно установить температурный градиент. Для подтверждения этого факта проводили изотермическое разделение при комнатной температуре (таблица 1) соединений С₅ и С₆ (фиг.9А-9С). Величины разрешения, значения р и показатели фокусировки представлены в таблице 9 (величины, усредненные по 5 экспериментам). Был получен показатель фокусировки 40,2% при усредненном разрешении в прямом режиме, составляющем 2,97, и разрешении в колонке с равномерной толщиной пленки, составляющем 2,12. Следует отметить, что в режиме РОТГ сложно достичь такого же эффекта фокусировки пиков высоколетучих соединений, поскольку при низких рабочих температурах могут быть созданы лишь небольшие температурные градиенты.

В таблице 9 представлены величины разрешения, значения р и показатели фокусировки при разделении С₅ и С₆ при комнатной температуре (26°С) в прямом режиме, обратном режиме и в колонке с равномерной толщиной пленки. Значимость принимали на уровне р=0,05.

В настоящем документе описана методика получения и исследования колонки с градиентом толщины неподвижной фазы, которая позволяет производить фокусировку пиков. Результаты экспериментов рассмотрены в комбинации с теоретическим анализом и моделированием и подтверждают наличие улучшенных характеристик разделения различных соединений в прямом режиме, включая сфокусированное разделение высоколетучих соединений при комнатной температуре. Преимуществами КПГТ по сравнению с РОТГ являются: более широкие диапазоны рабочих температур и летучести соединений, простое проведение операций без вспомогательного оборудования, меньшая зависимость от окружающих условий и большая компактность. Методика применения градиента толщины неподвижной фазы может быть легко адаптирована для разнообразных отраслей ГХ и может быть применена к неподвижным фазам, получаемым из любых материалов любой толщины при условии возможности создания градиента. Кроме того, эта методика применима как к обычным капиллярным колонкам круглого поперечного сечения, так и к микроколонкам прямоугольного поперечного сечения.

Приведенное выше раскрытие воплощений изобретения дано с целью их иллюстрации и описания. Оно не является исчерпывающим и не ограничивает изобретение. Отдельные элементы или признаки конкретного воплощения обычно не ограничиваются этим конкретным воплощением, но, в тех случаях, в которых это возможно, являются взаимозаменяемыми и могут быть включены в другое выбранное воплощение, даже если это специально не указано и не описано. Это также может быть реализовано различными путями. Подобные изменения не должны рассматриваться как отступления от предмета изобретения, и все подобные модификации включены в объем изобретения.

Изобретение относится к устройству для газовой хроматографии, включающее хроматографическую колонку, содержащую неподвижную фазу с положительным градиентом толщины. Устройство для газовой хроматографии, предназначенное для фокусировки пиков одного или более целевых аналитов, которое включает: хроматографическую колонку, имеющую вход и выход, где во вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, который выходит из хроматографической колонки через выход, и осажденную внутри хроматографической колонки неподвижную фазу, которая имеет положительный градиент толщины, причем неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Техническим результатом является улучшение разделения в хроматографической колонке с целью улучшения ее эксплуатационных характеристик и повышения аналитической способности ГХ. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 9 ил., 9 табл.

1. Устройство для газовой хроматографии, предназначенное для фокусировки пиков одного или более целевых аналитов, которое включает:

хроматографическую колонку, имеющую вход и выход, где во вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, который выходит из хроматографической колонки через выход, и

осажденную внутри хроматографической колонки неподвижную фазу, которая имеет положительный градиент толщины, причем неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.

2. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.

3. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.

4. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.

5. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.

6. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором неподвижная фаза содержит силоксановый полимер.

7. Устройство для газовой хроматографии по п. 6, в котором силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.

8. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из: круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.

9. Способ фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии, включающий:

введение двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, включающей осажденную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины, где неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, причем вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину;

разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов; и

элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки.

10. Способ по п. 9, в котором два или более целевых аналита представляют собой летучие органические соединения (ЛОС).

11. Способ по п. 9, в котором по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает ароматическое соединение, и итоговый показатель фокусировки пиков ароматических соединений больше или равен приблизительно 25%.

12. Способ по п. 9, в котором по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает алкан, и итоговый показатель фокусировки пиков алкана больше или равен приблизительно 10%.

13. Способ по п. 9, в котором первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.

14. Способ по п. 9, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.

15. Способ по п. 9, в котором хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.

16. Способ по п. 9, в котором неподвижная фаза содержит силоксановый полимер, содержащий по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.

17. Способ по п. 9, в котором форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из: круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.

18. Способ подтверждения фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии, где способ включает:

проведение прямой операции посредством введения двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, включающей осажденную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины, где неподвижная фаза проходит от входа до выхода хроматографической колонки и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе имеет вторую толщину, причем вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину;

разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов:

элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки;

проведение обратной операции посредством введения двух или более целевых аналитов в выход хроматографической колонки, включающей неподвижную фазу;

разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов;

элюирование двух или более целевых аналитов из входа хроматографической колонки и

сравнение величин хроматографического разрешения прямой операции и обратной операции, при котором показатель фокусировки пиков по меньшей мере одной соответствующей пары двух пиков двух целевых аналитов превышает 5%.

19. Способ создания устройства для газовой хроматографии, включающего хроматографическую колонку с положительным градиентом толщины, где способ включает:

введение жидкости-предшественника в хроматографическую колонку, где жидкость-предшественник включает предшественник неподвижной фазы и низкокипящий растворитель, который испаряется по мере продвижения по длине хроматографической колонки, что приводит к увеличению концентрации предшественника неподвижной фазы по мере перемещения жидкости-предшественника по хроматографической колонке, и

проведение реакции предшественника неподвижной фазы или образование поперечных связей в предшественнике неподвижной фазы при формировании положительного градиента толщины неподвижной фазы, проходящей от входа до выхода и имеющей первую толщину на входе хроматографической колонки и вторую толщину на выходе хроматографической колонки, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.

20. Способ по п. 19, в котором перед введением жидкости-предшественника производят силанирование внутренней поверхности хроматографической колонки.

21. Способ по п. 20, в котором силанирование включает пропускание через хроматографическую колонку реакционноспособного силана в газообразной форме.

22. Способ по п. 19, в котором хроматографическая колонка включает вход и выход, и введение и проведение реакции или образование поперечных связей включает динамическое нанесение на внутреннюю поверхность хроматографической колонки покрытия частичным заполнением хроматографической колонки жидкостью-предшественником, приложение давления на входе для продавливания жидкости-предшественника по длине хроматографической колонки, и приложение вакуума на выходе для испарения низкокипящего растворителя.

23. Способ по п. 19, в котором первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.

24. Способ по п. 19, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.

25. Способ по п. 19, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.

26. Способ по п. 19, в котором хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.

27. Способ по п. 19, в котором неподвижная фаза с положительным градиентом толщины содержит силоксановый полимер.

28. Способ по п. 27, в котором силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.