Способ динамического нанесения неподвижной фазы на внутреннюю поверхность капиллярной колонки Советский патент 1991 года по МПК G01N30/56 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, и может быть использовано в газовой хроматографии для получения капиллярных колонок со слоем неподвижной фазы на их внутренней поверхности.

Целью изобретения является получе ние более равномерного слоя неподвижной иазы, сокращение времени его формирования, повышение воспроизводимости способа и увеличение числа применяемых растворителей.

На фиг. 1 показана принципиальная схема осуществления предлагаемого способа нанесения слоя неподвижной фазы на фиг. 2 - хроматограмма искусственной смеси нормальных парафинов и полярных веществ, полученная на колонке 20 м х 0,2 мм с неподвижной фазой OV - 101, материал колонки - стекло N 46 (молибденовое), темпера- .тура колонки 120°С, газ-носитель - азот на фиг. 3 - хроматограмма искусственной смеси жирных кислот, полученная на колонке 13 мхО,2 мм с неподвижной фазой OV - 101, материал колонки - стекло f 46, температура колонки 100-240°С (5°С/мин), газ-носитель - азот; на фиг. 4 - хроматограмма смеси пестицидов на колонке из стекла Пирекс длиной 25 мм и внутренним диаметром 0,25 мм, неподвижная фаза UV-101, температура колонки - 100-230°С (6вС/мин); на фиг. 5 - хро05

ел

00

о

00 Јь

матограмма летучих производных аминокислот белкового гидролизата на колонке из молибденового стекла длиной 25 м и внутренним диаметром 0,25 мм с неподвижной базой OV-101, температура 80-240°С (5°С/мин); на фиг. 6 - хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот, полученная на колонке 12 м х х 0,25 мм с неподвижной фазой SE-30, температура колонки 100-240 С (5°С/мин)

Устройство включает регулятор давления 1, манометр 2, вентиль 3 тонкой регулировки, соединительную муфту 4, предколокку 5, первую тефлоно- вую трубку 6, штуцер 7 для крепления в термостате 8 одного конца капилляра 9, другой конец которого закреплен в штуцере 10, вторую тефлоновую трубку 11, буферную колонку 12, свободный конец которой опущен в сосуд 13.

Капилляр 9 свободно подвешивают в термостате 8, а заранее выпрямленные концы капилляра выводят через штуцеры 7 и 10 крыоки термостата 8 наружу. Входной конец капилляра 9 при помощи кусочка самоуплотняющейся тефлоновой трубки 6 соединяют с предколонкой 5, несколько витков которой заполнены раствором неподвижной фазы. Длину предколонки выбирают равной примерно одной десятой длины капилляра 9, а внутренний диаметр предколонки равен внутреннему диаметру капилляра 9. Другой конец капилляра 9 с помощью тефлоновой трубки 11 соединяют с буферной колонкой 12, имеющей примерно такую не длину, как и у предколонки, и такой же внутренний диаметр, как у капилляра 9. Свободный конец буферной колонки опускают в сосуд 13, заполненный какой-либо маловязкой жидкостью, например водой, а входной конец предколонки 5 соединяют с системой подачи сжатого газа с помощью соединительной муфты 4. Включают обогрев термостата 8 и по достижении температуры, равной температуре кипения растворителя, в котором растворена не- .подвижная фаза, поднимают давление газа перед предколонкой 5 для продав- ливания пробки раствора из предколонки в основную колонку и далее в буферную. Линейную скорость раствора неподвижной фазы измеряют и регулируют в то время, пока раствор проходит по предколонке.

Когда же пробка раствора вся войдет в капилляр 9, контроль за ее про0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

движением осуществляют по пузырькам воздуха, выходящим из конца буферной колонки в сосуд 13. После того, как пробка раствора пройдет капилляр 9 и войдет.в буферную колонку, регулятор давления 1 закрывают. За счет остаточного давления сжатого газа в системе пробка раствора продолжает двигаться по буферной колонке.

Достигнув конца колонки, пробка начинает входить з сосуд 13 н за счет уменьшения ее длины и сопротивления давления газа скорость ее увеличивается. С этого момента с помощью вентиля 3 тонкой регулировки давление сжатого газа постепенно сбрасывают, следя за тем, чтобы скорость пробки раствора в буферной колонке резко не изменялась.

К моменту выхода всего раствора из буферной колонки давление должно быть снижено до такого значения, которое обеспечивает оптимальную скорость продувки и удаления растворителя из слоя раствора, оставшегося на стенках колонки. Когда пробка раствора покинет капилляр 9, стадия нанесения раствора неподвижной фазы на этом заканчивается и переходит в стадию формирования пленки неподвижной фазы. А с момента выхода пробки раствора из буферной колонки температуру термостата программируют со скоростью 1- 2°С/мин, вентиль 3 закрывают, а регулятор давления 1 открывают до такого значения, при котором объемная скорость газа через капилляр 9 составляет примерно 5 см3/мин. На этой стадии растворитель энергично (за счет высокой температуры) удаляется из слоя раствора, оставшегося на стенках колонки, а потоком газа пары этого растворителя выносятся в буферную колонку 12, находящуюся при комнатной температуре, где конденсируются и продвигаются по колонке 9 уже в виде маленьких пробок жидкости. Прекращение образования пробок означает, что весь растворитель удалился из слоя и формирование пленки неподвижной фазы закончено.

Для окончательной стабилизации слоя неподвижной фазы колонку 9 прогревают при максимально возможьой температуре. При этом поток инертного газа через колонку не прерывается. После кондиционирования и охлаждения колонка готова к употреблению.

516

Пример 1. Стеклянный капилляр длиной 20 м из стекла V 46 (мо- пибденовое) с предварительно модифицированной поверхностью помещают в термостат и наносят на его внутреннюю поверхность слой неподвижной фазы OV-101 из 5%-ного раствора в толуоле при следующих условиях: длина пробки раствора OV-101 в предколонке 2 м, температура процесса нанесения 110,6°С, давление сжатого газа перед пробкой раствора 0,02 МПа, скорость прохождения пробки раствора неподвижной фазы OV-101 по капилляру 2 см/с, время прохождения пробки через капилляр 20 мин. После того, как вся пробка прошла через капилляр и вышла из буферной колонки, температуру термостата программируют со скоростью 1°С/мин в течение 15 мин. Во время программирования температуры в капилляре происходит интенсивное удаление толуола из слоя раствора, оставшегося на стенках колонки.

Пары толуола, выходя из капилляра, конденсируются в начале буферной колонки и двигаются по ней под давлением сжатого газа в виде маленьких пробок. Через 12,5 мин после начала программирования образование пробок толуола прекращается. Это означает, что весь толуол удалился из слоя, оставшегося на стенках колонки, и что процесс формирования слоя OV-101 закончен.

Таким образом, на процессы нанесения и формирования слоя неподвижной фазы затрачено 34,5 мин (20 мин время удаления толуола из слоя раст

вора, оставшегося на стенках капилляра) .

Предлагаемым способом было приготовлено пять колонок с той же фазой и при тех же условиях. Время, затрачиваемое на нанесение и формирование слоя, находилось в интервале 36 - 38 мин.

Еще пять колонок было приготовлено аналогично описанному способу с одной лишь разницей: температура процесса нанесения 107°С. Время формирования слоя фазы составило для этой температуры 24 мин, а общее время нанесения и формирования - 46 мин. Еще пять ко- лонок было приготовлено описанным выше способом. При этом температура процесса нанесения поддерживалась равной 100°С. Время формирования слоя

08

« - 0 5

п 5

0

5

0

46

неподвижной фазы гост-вило в этом случае 56 мин, °а общее время- 1 ч 18 пин.

Эффективность всех 13-ти колонок определялась по нормальному декану при 120°С и находилась в пределах 6300-7000 теоретических тарелок на 1 м длины колонки, что говорит о высокой воспроизводимости способа, равной 90%.

На фиг. 2 приведена хроматограмма искусственной смеси парафинов и двух полярных веществ. Отсутствие хвоста у пика циклогексанола говорит о хорошем покрытии поверхности капиллйра слоем неподвижной фазы.

Из примера 1 следует также, что наиболее оптимальная температура процесса нанесения - температура, равная температуре кипения используемого растворителя. При понижении температуры процесса нанесения всего на 3°С время, затрачиваемое на формирование слоя неподвижной фазы, увеличивается почти в 4,5 раза при той же получаемой эффективности колонки.

Процесс нанесения, проводимый при температуре кипения растворителя, не сопровождается вскипанием растворителя, так как температура кипения растворов всегда выше температур кипения чистого растворителя.

Пример 2. Капиллярная колонка длиной 13 м и внутренним диаметром 0,2 мм была приготовлена по примеру 1 при следующих условиях: температура термостата во время процесса нанесе- кия 144,4°С, длина пробки раствора неподвижной фазы 2 м, неподвижная фаза OV-101 (10%-ный раствор в о-ксило- л«), скорость прохождения пробки раствора неподвижной фазы 1 см за 1,2с, время прохождения пробки раствора через капилляр 26 мин, программирование температуры термостата со скоростью 1°С/мин 18 мин, время прохождения раствором буферной колонки 4 мин, суммарное время, затраченное на процессы нанесения и формирования слоя, 48 мин. Эффективность полученной колонки, измеренная при 140°С по метиловому эфиру тридекановой кислоты, составила 4500 теоретических тарелок на 1 м.

Аналогично было получено пять колонок с разницей в эффективности ±8%, что говорит о воспроизводимости данного способа нанесения. На фиг. 3 показана хроматограмма искусственной смеси метиловых эфиров жирных кислот, полученных по примеру 2.

Анализ эфиров проведен при программировании температурь колонки от 100 до 240°С со скоростью 5°С/мин.

Из хроматограммы видно, что полученная эффективность позволяет уже на 13м длины разделить такие трдно- разделяемые пары, как метиловые эфи- ры изо-антеизо-кислот жирного ряда.

По примеру 2 были приготовлены еще две колонки. Температура процесса нанесения равнялась 140 С. Время, затраченное на формирование слоя неподвижной фазы, увеличилось более чем в два раза и равнялось 38 мин, в то время как эффективность колонок была равна 4150 и 4220 теоретических тарелок на 1 м, т.е. находилась на том же уровне, что и эффективность предыдущих пяти колонок. Отсюда следует, что, как и в примере 2, оптимальной температурой нанесения является температура, равная температуре используемого растворителя.

Пример 3. По примеру 1 приготовлена колонка из стекла Пирекс длиной 25 м и внутренним диаметром 0,25 мм со слоем OV-101, нанесенным из 10%-ного раствора в декане. Условия нанесения: температура термостата в процессе нанесения , скорость прохождения раствора по колонке

10

15

ем неподвижной фазы. Еще три колонки били приготовлены в условиях, аналогичных описанным в примере 3, кроме температуры нанесения: она равнялась 170°С. При такой температуре время формирования слоя неподвижной фазы увеличилось до 42 мин, а эффектив-. ность колонок была почти такой же, как и у первых пяти: 4300, 4530 и 4700 теоретических тарелок на 1 м.

Аналогично выводу, сделанному в примере 3, целесообразно использовать температуру процесса нанесения, равную температуре кипения используемого растворителя

Пример 4. Из мягкого натриевого стекла был приготовлен капилляр длиной 25 мм и внутренним диаметром 0,25 мм. Предколонка и буферная колонка имели длину по 8 м каждая. Перед присоединением предколонкн к капилляру первая заполнялась 10%-ным раствором неподвижной фазы OV-101 бу 25 тилпропилового эфира, имеющего т.кип. 117,1°С. Условия нанесения: температура термостата 117,1°С, давление сжатого газа перед предколонкой 0,3 ати, скорость пробки раствора по капилляру 1 см за 2 с. В этих условиях раствор проходит через капилляр за 1 ч 23 мин. Как только вся пробка раствора войдет в буферную колонку, давление в системе уменьшают до 0,2 ати. Это давление является опти20

30

1,25 см/с, время прохождения раствора 35 мальным для формирования слоя непод

5

ем неподвижной фазы. Еще три колонки били приготовлены в условиях, аналогичных описанным в примере 3, кроме температуры нанесения: она равнялась 170°С. При такой температуре время формирования слоя неподвижной фазы увеличилось до 42 мин, а эффектив-. ность колонок была почти такой же, как и у первых пяти: 4300, 4530 и 4700 теоретических тарелок на 1 м.

Аналогично выводу, сделанному в примере 3, целесообразно использовать температуру процесса нанесения, равную температуре кипения используемого растворителя

Пример 4. Из мягкого натриевого стекла был приготовлен капилляр длиной 25 мм и внутренним диаметром 0,25 мм. Предколонка и буферная колонка имели длину по 8 м каждая. Перед присоединением предколонкн к капилляру первая заполнялась 10%-ным раствором неподвижной фазы OV-101 бу 5 тилпропилового эфира, имеющего т.кип. 117,1°С. Условия нанесения: температура термостата 117,1°С, давление сжатого газа перед предколонкой 0,3 ати, скорость пробки раствора по капилляру 1 см за 2 с. В этих условиях раствор проходит через капилляр за 1 ч 23 мин. Как только вся пробка раствора войдет в буферную колонку, давление в системе уменьшают до 0,2 ати. Это давление является опти0

0

5 мальным для формирования слоя непод

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газовой хроматографии для получения капиллярных колонок со слоем неподвижной фазы на их внутренней поверхности. Цель изобретения - улучшение равномерности слоя неподвижной фазы, сокращение времени его формирования, повышение воспроизводимости способа и увеличение числа применяемых растворителей. Процессы нанесения слоя неподвижной фазы и удаления растворителя осуществляют в термостате, в котором устанавливают и поддерживают температуру, равную температуре кипения используемого растворителя, а окончание формирования слоя неподвижной фазы определяют по прекращению образования пробок сконденсированных паров растворителя в буферной колонке. 6 ил. 3 (/

через колонку 54 мин, время формирования слоя неподвижной фазы 25 мин, время прохождения буферной колонки 4 мин, суммарное время 1 ч 23 мин. В условиях комнатной температуры нанесение фазы из такого раствора (до- декан имеет т.кип. 174 С) просто невозможно.

Эффективность полученной колонки, измеренной по н-декану, составила 5000 теоретических тарелок на 1 м. Всего в описанных выше условиях было приготовлено пять колонок, которые имели эффективность 4400 - 5100 теоретических тарелок на 1 м, т.е. воспроизводимость этих колонок была не ниже 88%.

На фиг. 4 показана хроматограмма искусственной смеси пестицидов, снятая на одной из полученных колонок. Острая форма пиков и незначительные хвосты указывают на равномерность покрытия внутренних стенок колонки сло0

5

0

5

вижной фазы - объемная скорость потока сжатого газа при давлении 1 мл/мин. Время, затраченное на прохождение пробки раствора через буферную колонку, равняется 26,5 мин. Через 10 мин после выхода раствора из буферной колонки образование пробок растворителя на входном конце буферной колонки прекратилось, т.е. процесс формирования слоя неподвижной фазы закончился так, что на весь процесс нанесения слоя фазы и его формирования затрачено около 2 ч, I

Эффективность полученной колонки

по ундекану при 130 С равнялась 4700 теоретических тарелок на 1 м. Еще три колонки, полученные аналогичным способом, имели эффективность в интервале 4150-4500 теоретических тарелок на 1 м.

На фиг. 5 показана хроматограмма летучих производных аминокислот бел- кового гидролизата. Отсутствие хвоетов у пиков и небольшой дрейф нулевой линии свидетельствуют о том, что пленка OV-101 легла равномерно и имеет хорошую термическую стабильность. Последующие четыре колонки были получены в тех же условиях, кроме температуры нанесения: она равнялась 110 С. Время формирования слоя неподвижной фазы с 10 мин увеличилось до 38 мин, т.е. почти в четыре раза. Причем эффективность полученных колонок находилась в интервале А100 - 4600 теоретических тарелок на 1 м. Данные, приведенные в этом примере, подтверждают целесообразность проведения процесса нанесения при температуре, равной температуре кипения используемого растворителя.

Пример 5. Была приготовлена колонка из молибденового стекла длиной 10 м и внутренним диаметром 0,25 мм со слоем неподвижной фазы SE-30, нанесенной из 10%-ного раствора в метилциклогексане (т.кип. 100,936°С).

Растворы этой фазы обычно применяются концентрацией не более 5%, так как обладают заметной вязкостью и связанным с этим образованием утолщенного слоя, если процесс нанесения проводится при комнатной температуре (утолщенный слой значительно увели- . чивает времена выхода летучих веществ и снижает эффективность колонки).

В данном случае 10%-ный раствор SE-30 в метилциклогексане продавливается через капилляр при следующих условиях: длина пробки раствора в пред- колонке 2,5 м, температура процесса нанесения 100,9 С, давление перед предколонкой 1,5 атм, скорость пробки через капилляр 1 см за 8 с.

В этих условиях раствор проходит через капилляр за 2 ч 13 мин. После выхода всего раствора из капилляра давление в системе плавно увеличивали до 3 атм. Одновременно включали программированный обогрев колонки до 130°С со скоростью 1°С/мин. В течение 15 мин весь раствор прошел через буферную колонку. К моменту выхода раствора из буферной колонки давление перед раствором сбрасывали до 0,5 атм и продували капилляр потоком сжатого газа еще 10 мин до прекращения выделения растворителя из капилляра.

Таким образом, на процессы нанесения и формирования слоя неподвижной фазы SE-30 было затрачено 2 ч 38 мин.

0

5

0

5

0

5

0

5

Эффективность колонки определялась

о по тридекану и метиловому эфиру тридекановой кислоты при 140 С. Эффективность составила 3600 и 3000 теоретических тарелок на 1 м соответственно.

Па фиг. 6 показана в качестве примера хроматограмма искусственной смеси метиловых эфиров жирных кислот Пики эфиров m-ieioT острую и S симметричную форму, что говорит о равномерности нанесенного слоя SE-30, a относительно небольшой дрейф нулевой линии позволяет эксплуатировать колонку до 260 С. Было приготовлено еще три колонки по примеру 5.

Нинимальная величина эффективности по тридекану имела значение в 2910 теоретических тарелок на 1 м, т.е. воспроизводимость способа была выше 80%.

Еще три колонки были приготовлены при 90 С. Время формирования слоя увеличилось при этом с 10 до 27 мин, а время прохождения пробки раствора через капилляр увеличилось с 2 ч 13 мин до 2 ч 46 мин за счет увеличения вяэ-- кости раствора и уменьшения его скорости при прохождении через капилляр.

Эффективность колонок была определена по тридекану и была равна 2450, 2570 и 2600 теоретических тарелок на 1 м.

Таким образом, оптимальная температура - температура кипения используемого растворителя.

Предлагаемый способ позволяет получать колонки с более равномерными слоями неподвижных фаз за счет стабилизации и контроля услопий нанесения иформирования фаз, а также за счет проведения процесса нанесения при максимально возможной температуре, равной температуре кипения используемого растворителя.

Это существенно сокращает время приготовления колонки и создает экономический эффект, так как в течение рабочего дня можно изготовить три- пять колонок вместо одной. Получаемые более тонкие и равномерные слои находят свое выражение в достаточно высокой чувствительности. Оптимизация и контроль условий нанесения и формирования фаз повышает воспроизводимость получаемых колонок, что создает дополнительный экономический эффект за счет меньшего процента брака.

Температура процесса кипения, равная температуре кипения растворителя, практически неограниченно расширяет область используемых растворителей, тогда как в известных способах динамического нанесения неподвижной фазы используют лишь три-четыре растворителя с температурами кипения, достаточно низкими для того, чтобы осуществить процесс нанесения при комнатной температуре. i

Иметь большой выбор растворителей очень важно, так как число неподвижных фаз различной природы очень велико и с каждым годом это число растет. Поэтому необходимо постоянно решать задачу подбора такого растворителя, в котором данная фаза растворилась бы легко и давала бы гомогенные растворы вплоть до высоких концентраций.

Формула изобретения

Способ динамического нанесения неподвижной Лазы на внутреннюю поверхность капиллярной колонки, включающий продавливание раствора неподвижной базы через капиллярную колонку с помощью избыточного давления инертного газа с последующим контролем окончания процесса нанесения Лазы, отличающийся тем, что, с целью улучшения равномерности слоя не- подвикной Лазы, сокращения времени его Лорнирования, повышения воспроизводимости способа и расширения числа применяемых растворителей, процессы нанесения слоя неподвижной фазы и удаления растворителя осуществляют при температуре кипения используемого растворителя, а окончание формирования слоя неподвижной фазы определяют вне колонки по прекращению образования пробок сконденсированных паров, растворителя.

п

Фиг.1

2 3

Ю Фиг.1 Ј

2 мин

сэ г

9Р

-

UJ

1)

Я

Aj

u

r

«

С

JS

5

J

Jl

J

TO

Фие.5

Ю

20

мин

Фиг.Ь

I

j

W

30

ПЧН

cn с С с сС rw

п {с с,9 cw

ю

20

30 пин

Фиг. 6