Система высокоэффективного жидкостного хроматографического анализа с потоковым детектором

 

Изобретение может быть использовано при хроматографическом анализе жидкостей. Система высокоэффективного жидкостного хроматографического анализа с потоковым детектором содержит насос, датчик расхода с выходным сигналом U_A, устройство ввода пробы, термостатируемую высокоэффективную хроматографическую колонку, потоковый хроматографический детектор с выходным сигналом U_D, устройство регистрации выходного сигнала системы анализа и интерфейс связи детектора с устройством регистрации выходного сигнала системы анализа, имеющий входной сигнал U_С. Между выходом детектора и входом интерфейса связи установлено устройство нормировки выходного сигнала детектора. Входной сигнал интерфейса связи U_С связан с выходным сигналом детектора U_D и выходным сигналом датчика расхода U_A равенством U_С = U_D/U_A. Технический результат данного изобретения выражается в повышении точности хроматографического анализа. 1 ил.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано при хроматографическом анализе жидкостей.

Известна система хроматографического анализа с потоковым детектором [1].

Высота хроматографического пика выходного сигнала потокового детектора в такой системе анализа линейно зависит от расхода элюента. Площадь хроматографического пика выходного сигнала системы анализа с потоковым детектором не зависит от расхода элюента и определяется только количеством регистрируемого компонента. Широко распространенным в жидкостной хроматографии является потоковый электрохимический детектор, регистрируемый ток которого также линейно зависит от потока вещества на электрод или от расхода элюента.

Основной недостаток аналога - это значительная нестабильность высоты хроматографического пика и амплитуды случайного изменения дрейфа нулевого сигнала и, как следствие, низкая точность хроматографического анализа. Причиной низкой точности анализа является нестабильность расхода элюента, которая влияет на воспроизводимость высоты хроматографического пика и на амплитуду случайного изменения дрейфа нулевого сигнала. Линейная зависимость между нестабильностью расхода элюента, воспроизводимостью высоты хроматографического пика и амплитудой случайного изменения дрейфа нулевого сигнала аналога определяется наличием в аналоге потокового детектора, высота хроматографического пика (амплитуда) выходного сигнала которого линейно возрастает при увеличении расхода элюента. При увеличении нестабильности расхода элюента амплитуда случайного изменения дрейфа нулевого сигнала также возрастает.

Случайные изменения дрейфа нулевого сигнала проявляются в виде нестационарного случайного процесса изменения дрейфа нулевого сигнала как по величине, так и по знаку первой производной. Такой нестационарный случайный процесс характеризуется узким энергетическим спектром и большим временем корреляции, соизмеримым с длительностями хроматографических пиков. Такие случайные изменения дрейфа нулевого сигнала могут накладываться на хроматографические пики и искажать их, могут регистрироваться в виде отдельных ложных хроматографических пиков и значительно снижать точность и надежность хроматографического анализа. По величине амплитуда случайного изменения дрейфа нулевого сигнала аналога более чем на порядок превышает шумовые флуктуации нулевого сигнала.

Известна система высокоэффективного жидкостного хроматографического (ВЭЖХ) анализа с потоковым детектором [2], выбранная в качестве прототипа и содержащая насос, устройство ввода пробы, хроматографическую колонку, датчик давления на входе хроматографической колонки, электрохимический детектор, устройство регистрации выходного сигнала детектора и интерфейс связи детектора с устройством регистрации выходного сигнала детектора. В качестве прототипа рассмотрена конструкция портативного жидкостного хроматографа ХПЖ - 1. В прототипе потоковым детектором является электрохимический детектор, а устройством регистрации выходного сигнала может быть или вычислительный интегратор с принтером для записи хроматограммы, или персональная ЭВМ. В качестве интерфейса связи детектора с устройством регистрации предусмотрено наличие АЦП, передающее выходную информацию на персональную ЭВМ, наличие аналогового выхода обеспечивает также связь детектора с устройством регистрации.

Основной недостаток прототипа - это значительная нестабильность высоты хроматографического пика и значительная амплитуда случайного изменения дрейфа нулевого сигнала и, как следствие, низкая точность хроматографического анализа. Причиной низкой точности анализа также является нестабильность расхода элюента, которая влияет на воспроизводимость амплитуды выходного сигнала и на амплитуду случайного изменения дрейфа нулевого сигнала прототипа.

Линейная зависимость между нестабильностью расхода элюента, воспроизводимостью высоты хроматографического пика и амплитудой случайного изменения дрейфа нулевого сигнала прототипа определяется наличием в прототипе электрохимического детектора, амплитуда выходного сигнала которого также линейно возрастает при увеличении расхода элюента. По величине амплитуда случайного изменения дрейфа нулевого сигнала прототипа также более чем на порядок превышает шумовые флуктуации нулевого сигнала.

Целью изобретения является повышение точности хроматографического анализа.

Поставленная цель достигается тем, что в системе ВЭЖХ-анализа с потоковым детектором, содержащей насос, датчик расхода с выходным сигналом U_A, устройство ввода пробы, термостатируемую высокоэффективную хроматографическую колонку, потоковый хроматографический детектор с выходным сигналом U_D, устройство регистрации выходного сигнала системы анализа и имеющий входной сигнал U_C интерфейс связи детектора с устройством регистрации выходного сигнала системы анализа, между выходом детектора и входом интерфейса связи установлено устройство нормировки выходного сигнала детектора с двумя входами, один из которых связан с выходом детектора, а другой связан с выходом датчика расхода, и с одним выходом, связанным с входом интерфейса связи, при этом входной сигнал интерфейса связи U_C связан с выходным сигналом детектора U_D и выходным сигналом датчика расхода U_A равенством U_C=U_D/U_A.

Известно, что при увеличении расхода элюента площадь хроматографического пика выходного сигнала потокового детектора остается постоянной за счет увеличения высоты и уменьшения ширины пика. В свою очередь ширина хроматографического пика определяется высотой эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ). В жидкостной хроматографии для ВЭТТ справедливо уравнение Ван-Деемтера. В условиях ВЭЖХ-анализа кинетическая ветвь уравнения Ван-Деемтера имеет такой малый угол наклона, что ВЭТТ практически не зависит от расхода элюента и определяется в основном диаметром частиц сорбента. Поэтому при неизменных параметрах хроматографической колонки изменение ширины пика в ВЭЖХ-анализе определяется только изменением расхода элюента. С учетом этого факта рассмотренные условия ВЭЖХ-анализа точно обеспечивают в прототипе линейное увеличение высоты пика на выходе потокового детектора при увеличении расхода элюента.

Такая линейная связь между высотой пика на выходе потокового детектора и расходом элюента является причиной линейной зависимости между нестабильностью расхода элюента, воспроизводимостью высоты хроматографического пика и амплитудой случайного изменения дрейфа нулевого сигнала прототипа и, как следствие, является причиной низкой точности хроматографического анализа. Введение в предлагаемую систему ВЭЖХ-анализа устройства нормировки выходного сигнала потокового детектора полностью устраняет зависимость амплитуды выходного сигнала системы ВЭЖХ-анализа от расхода элюента. Полное устранение потоковой зависимости выходного сигнала системы ВЭЖХ-анализа повышает воспроизводимость результатов хроматографического анализа, уменьшает амплитуду случайного изменения дрейфа нулевого сигнала до величины шумовых флуктуаций нулевого сигнала и тем самым повышается точность хроматографического анализа.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена функциональная схема системы ВЭЖХ-анализа с потоковым детектором. Система ВЭЖХ-анализа с потоковым детектором содержит емкость 1 с растворителем, соединенные последовательно капиллярной трубкой 2 насос 3, датчик расхода элюента 4, устройство ввода пробы 5, термостатируемую высокоэффективную хроматографическую колонку 6, потоковый хроматографический детектор 7. Между выходом детектора 7 и входом интерфейса связи 9 установлено устройство нормировки 8 выходного сигнала детектора 7. На выходе интерфейса связи 9 установлено устройство регистрации выходного сигнала системы анализа 10. Датчик расхода 4 и детектор 7 имеют выходные сигналы U_A и U_D соответственно, а интерфейс связи 9 имеет входной сигнал U_C. Устройство нормировки 8 имеет два входа и один выход. Входы устройства нормировки 8 связаны с выходом детектора 7 и с выходом датчика расхода 4 соответственно. Выход устройства нормировки 8 связан с входом интерфейса связи 9. Датчик расхода элюента 4 может представлять собой устройство, например, на основе термостатируемой высокоэффективной предколонки и двух датчиков давления, служащих для измерения перепада давления на предколонке. При этом один датчик давления может быть установлен на входе предколонки, а другой - на ее выходе.

Система анализа работает следующим образом. С помощью насоса 3 элюент забирается из емкости 1 с растворителем и прокачивается на слив через соединенные последовательно капиллярной трубкой 2 датчик расхода 4, устройство ввода пробы 5, хроматографическую колонку 6 и детектор 7. При протекании элюента через датчик расхода 4 на его выходе вырабатывается выходной сигнал U_A датчика расхода 4, который определяется расходом элюента через, например, термостатируемую высокоэффективную предколонку датчика расхода 4 и имеет линейную зависимость от расхода элюента. Термостатирование предколонки в таком датчике расхода применяется для исключения зависимости выходного сигнала датчика расхода от изменения температуры окружающей среды. Высокая эффективность предколонки необходима для того, чтобы предколонка не изменяла свою ВЭТТ при изменении величины расхода элюента.

При введении с помощью устройства ввода пробы 5 анализируемого вещества на выходе хроматографической колонки 6 с помощью потокового, например, электрохимического, детектора 7 регистрируется хроматографический пик анализируемого компонента. Сигнал U_D детектора 7, вырабатываемый на его выходе, пропорционален чувствительности D детектора, концентрации C вещества в максимуме хроматографического пика, величине расхода W элюента и определяется равенством U_D = D·C·W. При неизменной концентрации и чувствительности детектора площадь хроматографического пика выходного сигнала потокового детектора не зависит от расхода элюента. Поэтому при увеличении расхода W элюента амплитуда выходного сигнала U_D потокового детектора увеличивается, а ширина хроматографического пика уменьшается. В свою очередь ширина хроматографического пика определяется ВЭТТ.

В жидкостной хроматографии для ВЭТТ справедливо уравнение Ван-Деемтера. В условиях ВЭЖХ-анализа кинетическая ветвь уравнения Ван-Деемтера имеет такой малый угол наклона, что ВЭТТ практически не зависит от расхода элюента и определяется в основном диаметром частиц сорбента. Поэтому при неизменных параметрах хроматографической колонки изменение ширины пика в ВЭЖХ-анализе определяется только изменением расхода элюента. С учетом этого факта рассмотренные условия ВЭЖХ-анализа также точно обеспечивают в прототипе линейное увеличение высоты и уменьшение ширины пика на выходе потокового детектора при увеличении расхода элюента. Выходной сигнал U_A датчика расхода 4 пропорционален чувствительности A датчика, расходу W элюента и определяется равенством U_A = A·W.

Выходные сигналы детектора U_D и датчика расхода U_A подаются соответственно на первый и второй входы устройства нормировки 8 и выводятся на его выход в виде сигнала U_C, определяемого равенством U_C = U_D/U_A.

С учетом аналитических выражений для сигналов U_D и U_A сигнал U_C определяется равенством U_C=C·D/A.

Так как чувствительности D и A соответственно детектора 7 и датчика расхода 4 величины постоянные, сигнал U_C на выходе устройства нормировки 8 и на входе интерфейса связи 9 зависит только от концентрации C вещества в максимуме хроматографического пика на выходе хроматографической колонки 6 и не зависит от расхода W элюента. После интерфейса связи 9 сигнал U_C регистрируется устройством регистрации 10 системы ВЭЖХ-анализа в виде хроматографического пика, высота которого не зависит от расхода W элюента. Наличие в предлагаемой системе ВЭЖХ-анализа устройства нормировки выходного сигнала потокового детектора полностью устраняет зависимость амплитуды выходного сигнала системы ВЭЖХ-анализа от расхода W элюента.

В обычной жидкостной хроматографии кинетическая ветвь уравнения Ван-Деемтера имеет достаточно большой угол наклона и при увеличении расхода элюента ВЭТТ значительно возрастает. Поэтому в обычной жидкостной хроматографии при неизменных параметрах хроматографической колонки может наблюдаться даже увеличение ширины хроматографического пика при возрастании расхода элюента. Рассмотренная особенность связи между основными параметрами выходного сигнала и расходом элюента для системы обычного ЖХ-анализа с потоковым детектором делает невозможной установку в такой системе устройства нормировки между потоковым детектором и интерфейсом связи и соответственно делает невозможным использование предлагаемой системы анализа в обычной жидкостной хроматографии.

Использование предлагаемой системы анализа в сочетании с потоковым детектором и устройством нормировки возможно только в системе ВЭЖХ-анализа, так как только при ВЭЖХ-анализе ВЭТТ практически не зависит от расхода элюента, не искажает обратную зависимость между шириной пика и расходом элюента.

Преимуществом предлагаемой системы ВЭЖХ-анализа по сравнению с известной является повышение точности хроматографического анализа за счет полного устранения зависимости высоты хроматографического пика выходного сигнала предлагаемой системы от расхода W элюента. При этом в известной системе анализа наличие линейной связи между высотой пика на выходе потокового детектора и расходом элюента является причиной линейной зависимости между нестабильностью расхода элюента, воспроизводимостью высоты хроматографического пика и амплитудой случайного изменения дрейфа нулевого сигнала и, как следствие, является причиной низкой точности хроматографического анализа. Предлагаемая система ВЭЖХ-анализа полностью устраняет зависимость высоты хроматографического пика выходного сигнала на выходе устройства нормировки, а значит, и на выходе предлагаемой системы от расхода элюента. При этом в прототипе случайные изменения высоты хроматографического пика выходного сигнала системы на порядок превышают амплитуду шумовых флуктуаций нулевого сигнала системы анализа. В тоже время в предлагаемой системе ВЭЖХ-анализа случайные изменения высоты хроматографического пика выходного сигнала системы анализа и амплитуда случайного изменения дрейфа нулевого сигнала системы анализа, вызванные нестабильностью расхода элюента, не превышают амплитуду шумовых флуктуаций нулевой линии.

Источники информации, принятые во внимание 1. Бражников В.В. Детекторы для хроматографии. М.: Машиностроение, 1992 г., с. 14-18, 208-221.

2. Агеев A.H., Мигунов И.М., Орлов В.И., Радченко А.Ю., Яшин Я.И. Журнал физической химии. 1991 г., т.65, N 10, с. 2660 - 2662.

Формула изобретения

Система высокоэффективного жидкостного хроматографического анализа с потоковым детектором, содержащая насос, датчик расхода с выходным сигналом U_A, устройство ввода пробы, термостатируемую высокоэффективную хроматографическую колонку, потоковый хроматографический детектор с выходным сигналом U_D, устройство регистрации выходного сигнала системы анализа и имеющий входной сигнал U_C интерфейс связи детектора с устройством регистрации выходного сигнала системы анализа, отличающаяся тем, что между выходом детектора и входом интерфейса связи установлено устройство нормировки выходного сигнала детектора с двумя входами, один из которых связан с выходом детектора, а другой связан с выходом датчика расхода, и с одним выходом, связанным с входом интерфейса связи, при этом входной сигнал интерфейса связи U_C связан с выходным сигналом детектора U_D и выходным сигналом датчика расхода U_A равенством U_C = U_D/U_A.

РИСУНКИ

Рисунок 1