Способ динамического нанесения неподвижной фазы на внутреннюю поверхность капиллярной колонки

 

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 (/

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН

09? (11) А1

Р1) С 01 ?1 30/56 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

Il0 ИЗОБРЕ "УНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ

flPH fHHT СССР (21) 4644849/25 (22) 26.12.88 (46) 23.06.91. Бюл. Р 23 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биологического приборостроения (72) Г.?1.Болотов (53) 543.544 (088.8) (56) Тесарник Т., Комарек К. Калиллярные колонки в газовой хроматографии. — ?1.: ?1ир, 1987, с. 95.

Koeraade J. Chromatopraph ia, 8, 511 (1975). (54) СПОСОБ ДИНА?ШЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ

НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ КА?П1ЛЛЯРНОЙ КОЛОНКИ (57) Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть

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 <зазы, сокращение времени его формирования, повышение воспроизводимости способа и увеличение числа применяемых растворителей.

На фиг. i показана принципиальная схема осуществления предлагаемого способа нанесения слоя неподвижной фазы на фиг. 2 — хроматограмма искусственной смеси нормальных парафииспользовано 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. нов и полярных веществ, полученная на колонке 20 м х 0,2 мм с неподвижной фазой OV - 101, материал колонки— стекло Р 46 (молибденовое), темпера.тура колонки 120 С, гаэ-носитель— о азот; на фиг. 3 — хроматограмма искусственной смеси жирных кислот, полученная на колонке 13 M x 0,2 мм с неподвижной фазой OV — 101, материал колонки — стекло Р 46, температура колонки 100-240 С (5 С/мин), гаэ-носитель — азот, на фиг. 4 — хроматограмма смеси пестицидов на колонке иэ стекла "Пирекс" длиной 25 мм и внутренним диаметром 0,25 мм, неподвижная фаза 0V-101 ° температура колонки—

100-230 С (6 С/мин), на фиг. 5 — xpo1658084 матограмма летучих производных аминокислот белкового гидролизата на колонке из молибденовогс стекла длиной

25 м и внутренним диаметром 0,25 мм

5 с неподвижной фазой OV-101, температура 80-240 С (5ОС/мин), на фиг. 6 хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот, полученная на колонке 12 м х х 0,25 мм с неподвижной фазой ЕЕ-ЗО, о 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 тефлоновую 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, свободнь и конец которой опушен в сосуд 13.

Капилляр 9 свободно подвешивают в териостате 8, а заранее выпрямленные концы капилляра выводят через штуцеры 7 и 10 крышки термостата 8 наружу.

Входной конец капилляра 9 прн помощи кусочка самоуплотняющейся тефлоиовой трубки 6 соединяют с предколонкой 5, несколько витков которой заполнены раствором неподвижной фазы. Длину

30 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 хе длину, как и у .предколонки, и такой же внутренний диаметр, как у капилляра 9. Свободный конец буферной колонки опускают в сосуд 13, заполвеникам какой-либо маловяэкой жидкостью, например водой, а входной конец предколонки 5 соединяют с системой подачи сжатого газа с помощью соеди45 нительной 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 продавливания пробки раствора из предколонки в основную колонку и далее в буферную. Линейную скорость раствора неподвижной фазы измеряют и регулиру- 55 ют в то врвмя, пока раствор проходит но предколонке.

Когда же пробка раствора вся войдет в капилляр 9, контроль за ее продв гжением 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. 3а счет остаточногс давления сжатого газа в системе пробка раствора продолжает двигаться по буферной колонке.

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

К моменту выхода всего раствора из буфернойг колонки давление должно быть снижено до такого эначени», 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 иэ буферной колонки температуру термостата программируют со скоростью 12 С/мин, вентиль 3 закрывают, а peryо лятор давления 1 открывают до такого .значения, при котором объемная скорость газа через капилляр 9 составляет примерно 5 см /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 колочку 9 прогревают при максимально возможной теггпературе. При этом поток инертного газа через колонку не прерывается.

После кондиционирования и охлаждения колонка готова к употреблению.

5 165

11 р и и е р 1. Стекляннь!й капилляр длиной 20 и из стекла K 46 (молибдеповое) с предварительно модифицированной поверхностью помещают в териостат и наносят на его внутреннюю поверхность слой неподвижной фазы ОЧ-101 из 57. †но 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 о пробкой растнора О, 02 ИПа, скорость прохождения пробки раствора неподнижной фазы OV-101 по капилляру 2 см/с, время прохождения пробки через капилляр 20 мин. После того, как нся пробка прошла через капилляр и вышла из буферной колонки, температуру термостата программируют со скоростью

1ОС/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. Перез 12,5 мин после начала программирования образование пробок толуола прекращается. Это означает, r что весь толуол удалился из слоя, оставшегося на стенках колонки, и что процесс формирования слоя ОЧ-101 закончен.

Такии образом, на процессы нанесения и формирования слоя неподвижной фазы затрачено 34,5 мин (20 мин— время удаления толуола из слоя раствора, оставшегося на стенках капилляра).

Предлагаемым способом было приготонлено 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 колонок было приготовлено описанным выше способом. При этом температура процесса нанесения поддерживалась равной 100 С. Время формирования слоя

80Г>4

13L -JIoQDiD<ной абазы атос lнfi- Io I3 этом случае 56 мин, оа общее время — 1 ч

18 иин.

Эффективность всех 15-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 907.

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

Из примера 1 следует также, что наиболее оптимальная температура про— цесса нанесения — температура, равная температуре кипения используемого растворителя. При понижении температуры процесса нанесения всего на 3 С врео ия, эатрачинаемое на формирование слоя неподвижной фазы, увеличивается почти в 4,5 раза при той же получаемой эффектинности 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 нанесения 144,4оС, длина пробки раствора неподвижной фазы 2 м, неподвижная фаза ОЧ-101 (10X-ный растнор в о-ксилоле), скорость прохождения пробки раствора неподвижной фазы 1 см sa 1,2 с, время прохождения пробки раствора через капилляр 26 иин, программирование температуры термостата со скоростью

1 С/иин 18 мин, время прохождения рао створом буферной колонки 4 мин, суммарное время, затраченное на процессы нанесения и формирования слоя, 48 иин. Эффективность полученной колонки, измеренная при 140 С по иетиловому эфиру тридекановой кислоты, составила 4500 теоретических тарелок на 1 м.

Аналогично было получено пять колонок с разницей в эффективности +SX, что говорит о воспроизводимости данного способа нанесения. На фиг. 3 по1658084 казана хроматограмма искусственной смеси метиловых эфиров жирных кислот, полученных по примеру 2.

Анализ эфиров проведен при прог5 раммировании температуры колонки от

100 до 240 С со скоростью 5 С/мин.

Из хроматограммы видно, что полученная эффективность позволяет уже на 13 и длины разделить такие трдноразделяемые пары, как метиловые эфиры иэо-антеизо-кислот жирного ряда.

По примеру 2 были приготовлены еще две колонки. Температура процесса нанесения равнялась 140 C. Время, за0 траченное на формирование слоя неподвижной фазы, увеличилось более чем в два раза и равнялось 38 мин, в то время как эффективность колонок быпа равна 4150 и 4220 теоретических тарелок на 1 м, т.е. находилась на том же уровне, что и эффективность предыдуцих пяти колонок. Отсюда спедует, что, как и в примере 2, оптимальной температурой нанесения является температура, равная температуре используемого растворителя.

П р и и е р 3. По примеру 1 приготовлена колонка из стекла нПирекс" длиной 25 м и внутренним диаметром

0,25 мм со слоем OV-101, нанесенным иэ 107-ного раствора в декане. Условия нанесения: температура термостата а

s процессе нанесения 174 С, скорость прохождения раствора по колонке

1,25 см/с, время прохождения раствора 35 через колонку 54 мин, время формирования слоя неподвижной фазы 25 мин, вре ы прохождения буферной колонки

4 мин, суммарное время 1 ч 23 мин.

В условиях комнатной температуры на40 несение фазы из такого раствора (додекан имеет т.кип. 174 С) просто нео возможно.

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. вос- 50 производимость этих колонок была не

° ниже 88Х.

Иа 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 слоем неподвижной фазы. Еще три колонки были 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 эффективность 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

П р и и е р 4. Из мягкого натриевого стекла был приготовлен капилляр длиной 25 мм и внутренним диаметром

0,25 мм. Предколонка и буфе- чая колонка имели длину по 8 м каждая. Перед прнсоединеннем предколонки к капилляру первая заполнялась 1ОХ-ным раствором неподвижной фазы OV-101 бутилпропилового эфира, имеющего т.кип.

117,1 С. Условия нанесения: темперао о тура 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 оптимальным для формирования слоя неподвижной фазы — объемная скорость потока сжатого газа при давлении 1мл/мин.

Время, затраченное на прохождение пробки раствора через буферную колонку, равняется 26,5 мин. Через 10 мин после выхода раствора иэ буферной колонки образование пробок растворителя на входном конце буферной колонки прекратилось, т.е. процесс формирования слоя неподвижной Лазы закончился так, что на весь процесс нанесения слоя фазы и его формирования затрачено около 2 ч.

Эууективность полученной колонки

vo 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 хвос1658О84

lO тов 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 темпе1 о ратуры 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 4100 — 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 10Е-ного раствора в метилциклогексане (т.кип.

100,936 С).

Растворы этой фазы обычно применяются концентрацией не более 57., так как обладают заметной вязкостью и связанным с этим образованием утолщенного слоя, если процесс нанесения проводится при комнатной температуре (утолщенный слой значительно увеличивает времена выхода летучих веществ и снижает эффективность колонки).

В данном случае 10Х-ный раствор

SE-30 в метилциклогексане продавливается через капилляр при следующих условиях: длина пробки раствора в предколонке 2,5 м, температура процесса а нанесения 100,9 С, давление перед предколонкой 1,5 атм, скорость пробки через капилляр 1 см за S c.

В этих условиях раствор проходит через капилляр за 2 ч 13 мин. После выхода всего раствора иэ 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 иэ 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.

35 ратура — температура кипения используемого растворителя.

Предлагаемьп способ позволяет получать колонки с более равномерными слоями неподвижных фаз эа счет стаби40

45 лизации и контроля условий нанесения и формирования фаз, а также sa счет о 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 трипять колонок вместо одной. Полу"аемые более тонкие и равномерные слои находят свое выражение в достаточно высокой чувствительности ° Оптимизация и контроль условий нанесения и формирования фаэ повышает воспроизводимость получаемых колонок, что создает дополнительный экономический эффект за счет меньшего процента брака.

Эфиективность колонки определялась о по тридекану и метиловому эфиру тридекановой кислоты при 140 С. Эффеко тивность составила 3600 и 3000 теоре5 тических тарелок на 1 м соответственно.

lla фиг. 6 показана в качестве примера хроматограмма искусственной сме10 си метиловых эфиров жирных кислот

С1О-С 4. Пики эфиров имеют острую и симметричную ф эрму, что говорит о равномерности нанесенного слоя SE-30, а относительно небольшой дрейф нулевой линии позволяет эксплуатировать ко15 о лонку до 260 С. Было приготовлено еще три колонки по примеру 5. ! минимальная величина эффективности по тридекану имела .значение в 2". 1О теоретических тарелок на 1 м, т.е. воспроиэводимость способ,л была выше

807.

Еще три колонки были приготовлень при 90 С. Время формирования слоя о 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 вязкости раствора и уменьшения его cKQрости 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 темпе1658034

Тем р мпе атура процесса кипения, равастворителя, ная темпера ур ат е кипения р асширяет и актически неограниченно расшир практически астворителей, область используемых р известных способах динатогда как в иэв есения неподвижно аэ мического нанес э т лишь три-четыре растворииспольэуют лишь кипения, достателя с температурами кипения, я того, чтобы осуточно низкими для цествить процесс нанесения при конг натной температуре.

Иметь большой выбор р астворителей очень важ но так как число неподвижы очень велиных фаз различной природыочень в каждым годом это число раско и с каждым стоянно реПоэтому необходимо постоя тет. оэ го астворизадачу подбора такого ра пить зад в котором данная фаза р а астворителя, в к огенные лась ы лег б гко и давала бы roM до высоких концентрарастворы вплоть ции ° формула иэобр е те ни нанесения неСпособ Линамического нан подвикнои а ь д з 1 на внутреннюю повер и колонкИ, ВКЛЮЧаЮЩИ ность кчпиллярнои

5 аствора неподвижной продавливание рас колонку а зы через капилляр ую избыточного давления P ине тного мощью иэ олем окончагчча с последуцим контр есса нанесения азыза о ния про что с це

10 а ю шийся тем

Л Е НОСТИ СЛОЯ НЕ лью улучшения равномер даз сокращения времен ни подвижной азы ° оизповышения воспро его ормированияэ в б и расширения числа водимости спосо а применяемых растворителей, процессы ения слоя неподвижно и азы и нанесения я ос ествляют аления растворителя осуцес удал з емого при температур пе атуре кипения исполь у теля а окончание формировае,еляют

20 слоя неподвижной Лазы определя ния слоя непо об аэоваонки по прекращению о р вне колон па ов. ния про ок б сконденсированных и р растворителя.

1658084

С:)

Фиг. 2 и

2о пан

Фиест

1658084

Составитель В.Толстых

Редактор Т.Иванова Техред М,Моргентал Корректор М.Самборская

Заказ 2432 Тираж 393 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101