Способ анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2447433:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способу и устройству и может быть использовано в химической, фармацевтической, медицинской, пищевой и других отраслях для газохроматографического анализа структурных и оптических изомеров в сложных смесях природного и техногенного происхождения. Устройство для анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент содержит последовательно соединенные блок подготовки газов, узел ввода пробы с делителем потока, две хроматографические колонки. Также устройство содержит детектор и систему обработки анализа. При этом первая основная колонка соединена с узлом ввода пробы, вторая дополнительная колонка, выполнена в виде короткой трубки из непроводящего электрический ток материала с размещенным внутри коаксиальным электродом из никелевой проволоки, заполнена жидкокристаллическим сорбентом и соединена с детектором. Причем вторым электродом служит токопроводящий слой, нанесенный на наружную поверхность колонки, электроды соединены с источником питания постоянного тока. Кроме того, устройство дополнительно содержит второй детектор, соединенный с линией сброса делителя потока постоянным пневматическим сопротивлением, а вторая дополнительная колонка заполнена хиральным жидкокристаллическим сорбентом. Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени анализа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к газовой хроматографии, в частности к использованию хиральных жидкокристаллических сорбентов под действием электрического поля, обеспечивающих разделение близкокипящих структурных изомеров органических веществ, и может быть использовано при анализе различных смесей природного и техногенного происхождения в химической, фармацевтической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности.
Известны способы хроматографического анализа различных оптических изомеров с использованием хиральных сорбентов на основе привитых или химически модифицированных β-циклодекстринов (см: Шпигун О.А., Ананьева И.А., Буданова Н.Ю., Шаповалова Е.Н. Использование циклодекстринов для разделения энантиомеров. // Успехи химии, 2003. - Т.72. №12. - С.1167-1180).
Известен способ газохроматографического анализа оптических и структурных изомеров с использованием жидкокристаллических сорбентов (см: Онучак Л.А., Арутюнов Ю.И., Степанова P.O., Акопова О.Б., Котович Л.Н. Способ газохроматографического анализа оптических и структурных изомеров. Патент РФ №2356047 от 20 мая 2009 г.).
Известны также способ и устройство для количественного определения неподеленных на хроматограмме компонентов с жидкокристаллическим сорбентом под действием электрического поля (см: Онучак Л.А., Арутюнов Ю.И., Жосан А.И., Дмитриева Е.В., Александрова С.В. Количественная газовая хроматография с жидкокристаллическим сорбентом под действием электрического поля. - Самара: Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2009. - №6(72) - С.149-158).
Однако известные способы и устройства не обеспечивают достаточной точности анализа оптических изомеров под действием электрического поля на жидкокристаллический сорбент, что связано с различиями в физико-химических свойствах и структуре используемых сорбентов и значительными погрешностями при построении градуировочных зависимостей.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ анализа неподеленных на хроматограмме компонентов, при котором фиксированные количества вещества исследуемой пробы дозируют в последовательно соединенные колонки, неподеленные компоненты из первой (основной) колонки с неполярной неподвижной фазой (сквалан) поступают в короткую (дополнительную) колонку с жидкокристаллическим сорбентом (4,4'-n-амилоксиазоксибензол), а качественный и количественный состав неподеленных компонентов определяют по результатам градуировочных зависимостей выходного сигнала хроматографа от величины объема пробы для индивидуальных компонентов и их смесей без и под действием электрического поля на жидкокристаллический сорбент (Watabe K., Hobo T., Suzuki S. Liquid crystals as the stationary phase in gas chromatography: VI. Application of the adsorption phenomen to the analysis of overlapping peaks // J. Cromatogr. 1982. - V.249. - P.209-220).
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство количественного анализа неподеленных на хроматограмме компонентов, содержащее последовательно соединенные блок подготовки газов, узел ввода пробы с делителем потока, две хроматографические колонки, детектор и систему обработки результатов анализа, причем одна из колонок, соединенная с узлом ввода пробы, является основной при разделении компонентов пробы, а вторая, соединенная с детектором, - дополнительной. Дополнительная колонка выполнена из кварцевого капилляра (длиной 3 м, внутренним диаметром 0,33 мм), на внутренние стенки которого нанесена жидкокристаллическая неподвижная фаза 4,4'-n-амилоксиазоксибензол, находящаяся под действием электрического поля, которое создается коаксиальным расположением электродов, один из которых в виде тонкой проволоки находится внутри кварцевого капилляра, а второй в виде электропроводящей пленки наносится на его внешнюю поверхность. Электроды соединены с источником питания постоянного тока (Watabe K., Hobo T., Suzuki S. Liquid crystals as the stationary phase in gas chromatography: VI. Application of the adsorption phenomen to the analysis of overlapping peaks // J. Cromatogr. 1982. - V.249. - P.209-220).
Недостатками известного способа и устройства для его осуществления являются:
- Отсутствие возможности разделения оптических изомеров правого и левого вращения на используемом ахиральном жидкокристаллическом сорбенте, так как оптические изомеры имеют одинаковые времена удерживания и одинаковые значения степени необратимой сорбции под действием электрического поля на сорбент, а различия в степени сорбции компонентов лежат в основе их количественного определения.
- Низкая точность определения количественного содержания неподеленных на хроматограмме компонентов, в виду повышенной погрешности измерения величины вводимой пробы.
Задачей изобретения является повышение точности анализа оптических изомеров под действием электрического поля на жидкокристаллический сорбент и уменьшение времени анализа.
Эта задача решается за счет того, что в способе анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, при котором неразделенные оптические изомеры из основной хроматографической колонки направляют в дополнительную колонку с жидкокристаллическим сорбентом, а количественное содержание определяют по градуировочным зависимостям выходного сигнала хроматографа от величины объема пробы для индивидуальных изомеров и их смесей без и под действием электрического поля на жидкокристаллический сорбент, причем в качестве жидкокристаллического сорбента в дополнительной колонке используют хиральный жидкий кристалл 2-метилбутиловый эфир 4-(4'-децилоксибезилиденамино)-коричной кислоты, количественный состав оптических изомеров определяют по градуировочной зависимости выходного сигнала от величины объема пробы только для смеси неподеленных оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, а объем пробы измеряют по сигналу детектора от фиксированной части потока газа-носителя в линии сброса делителя потока узла ввода пробы.
Эта задача решается также за счет того, что в устройстве для анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, содержащем последовательно соединенные блок подготовки газов, узел ввода пробы с делителем потока, две хроматографические колонки, детектор и систему обработки результатов анализа, первая, основная, колонка соединена с узлом ввода пробы, вторая, дополнительная, колонка выполнена в виде короткой трубки из непроводящего электрической ток материала с размещенным внутри коаксиальным электродом из никелевой проволоки, заполнена жидкокристаллическим сорбентом и соединена с детектором, вторым электродом служит токопроводящий слой, нанесенный на наружную поверхность колонки, электроды соединены с источником питания постоянного тока, причем устройство дополнительно содержит второй детектор, соединенный с линией сброса делителя потока постоянным пневматическим сопротивлением.
При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в использовании хирального жидкого кристалла 2-метилбутиловый эфир 4-(4'-децилоксибезилиденамино)-коричной кислоты в качестве сорбента в дополнительной колонке под действием электрического поля, обеспечивающего различие в степени сорбции оптических изомеров правого и левого вращения, что позволяет проводить их анализ при неполном разделении из одного суммарного хроматографического пика с помощью градуировочной зависимости выходного сигнала хроматографа от объема вводимой пробы. Эта зависимость имеет вид ломаной кривой, первая линия при малых объемах пробы отвечает чистому изомеру с меньшим временем удерживания и меньшим значением степени необратимой сорбции под действием электрического поля на жидкокристаллический сорбент, вторая линия при больших объемах пробы соответствует сумме двух изомеров. Кроме того, обеспечивается получение более достоверной информации о влиянии объема пробы на величину сигнала детектора от фиксированной части потока газа-носителя в линии сброса делителя потока узла ввода пробы.
Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Изобретение поясняется чертежом. На фигуре 1 схематически изображено устройство для анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, которое содержит блок подготовки газов 1, узел ввода пробы с делителем потока 2, основную кварцевую хроматографическую колонку 3, заполненную полидиметилоксановой неподвижной фазой (L=50 м, dc=0,53 мм, ds=0,5 мкм), дополнительную стеклянную микронабивную колонку 4, заполненную хиральным жидким кристаллом 2-метилбутиловый эфир 4-(4'-децилоксибезилиденамино)-коричной кислоты, нанесенным в количестве 15 мас.% на инертный носитель хроматон N-AW зернением 0,1-0,125 мм (L=60 см, dc=0,8 мм). Колонка 4 снабжена коаксиально расположенными электродами 5, один их которых в виде никелевой проволоки диаметром 0,2 мм расположен внутри колонки. Электроды 5 соединены с источником питания (1200 В) постоянного тока 6, детекторы 7 и 8, систему обработки результатов анализа 9 (программный комплекс Мультихром, ЗАО "Амперсенд", г.М.), линию сброса 10 делителя потока узла ввода пробы 2, постоянное пневматическое сопротивление 11, термостат 12 для колонки 3 и термостат 12 для колонки 4.
Устройство для анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент работает следующим образом.
Анализируемую пробу последовательно дозируют в узел ввода пробы 2 микрошприцем объемом 0,02 мкм и 0,05 мкм не менее трех-пяти раз для каждого объема пробы. По результатам измеренных значений высоты пика h(мВ) детектором 8, пропорциональной объему вводимой пробы и площади суммарного пика оптических изомеров QE(мВ·с) под действием электрического поля на сорбент колонки строят градуировочную зависимость QE=f(h), имеющую вид ломанной кривой. Используя литературные или экспериментальные данные о порядке элюирования оптических изомеров на выбранном жидком кристалле, определяют, что линия на градуировочной зависимости при малых объемах пробы соответствует индивидуальному изомеру с меньшим временем удерживания, а вторая линия при больших объемах пробы отвечает суммарному пику двух изомеров. Количественное содержание каждого изомера определяют по уравнениям
где С1 и С2 = концентрация оптических изомеров с меньшим и большим временем удерживания соответственно; tgα1 - тангенс угла наклона участка градуировочной зависимости QE=f(h) для малых объемов пробы; tgα2 - тангенс угла наклона второго участка графика при больших объемах пробы.
Экспериментальная оценка выполнения предлагаемого и известного способов анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент проводилась на примере анализа структурных изомеров ксилола и оптических изомеров камфена.
Условия проведения газохроматографического анализа:
Начальная температура колонки 3-40°С.
Скорость линейного программирования температуры в колонке 3-2,5°С/мин.
Конечная температура колонки 3-200°С.
Температура колонки 4-98°С.
Объемная скорость газа-носителя азот в колонках - 1,0 см3/мин.
Объемная скорость газа-носителя в линии сброса - 50,0 см3/мин.
Температура узла ввода пробы с делителем потока - 250°С.
Температура детекторов - 150°С.
Для известного способа в качестве сорбента использовали 4-4'-п-амлоксиазоксибензол. Градуировочные зависимости выходного сигнала (площадь хроматографического пика) от объема пробы строили для индивидуальных изомеров и для смеси двух неподеленных на хроматограмме изомеров под действием электрического поля на сорбент, а объем пробы измеряли по шкале дозирующего микрошприца фирмы Гамильтон на 1,0 мкл.
По результатам эксперимента рассчитывали:
- Концентрацию каждого изомера. По уравнениям (1) для предлагаемого способа и по градуировочным характеристикам для каждого изомера для известного способа.
- Фактор разделения анализируемых изомеров под действием электрического поля на сорбент
где 
и 
- приведенные времена удерживания изомеров с большим и меньшим временем удерживания соответственно.
- Правильность измерения концентрации изомеров
где Сизм - измеренная концентрация для предлагаемого способа по уравнению (1), а для известного способа с использованием градуировочных зависимостей QE=f(Vnp); Сист - истинная концентрация изомера в модельных смесях, определяемая гравиметрическим методом, путем взвешивания на аналитических весах ВЛА-200.
Сходимость результатов измерения объема пробы в виде относительного среднего квадратичного отклонения среднего арифметического результата измерения, в %
где Xi - результат i-го измерения объема пробы; 
- среднее арифметическое результата измерения объема пробы; n≥5 - число измерений.
Результаты экспериментов сведены в таблицу "Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов".
| Таблица 1 | |||||||||
| Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов. | |||||||||
| №, п/п | Наименование | Известный способ | Предлагаемый способ | ||||||
| м-ксилол | n-ксилол | (+)-камфен | (-)-камфен | м-ксилол | n-ксилол | (+)-камфен | (-)-камфен | ||
| 1 | Истинная концентрация, Сист, мас.% | 55,0 | 45,0 | 71,0 | 29,0 | 55,0 | 45,0 | 71,0 | 29,0 |
| 2 | Измеренная концентрация, Сизм, мас.% | 53,0 | 47,0 | 50,0 | 50,0 | 59,8 | 41,2 | 73,5 | 26,5 |
| 3 | Правильность измерения, δ, % | 3,6 | 4,0 | 29,6 | 72,4 | 8,7 | 8,4 | 3,5 | 8,6 |
| 4 | Фактор разделения, αп/м α-/+ | 1,15 | 1,0 | 1,08 | 1,04 | ||||
| 5 | Сходимость измерения, объема пробы,  ,% |
10,8 | 1,6 | ||||||
| 6 | Время анализа, мин. | 30 | 20 |
Как видно из приведенных в таблице данных, предлагаемый способ обеспечивает значительное повышение точности (правильности) количественного определения оптических изомеров более чем в восемь раз по сравнению с известным способом. Это достигается благодаря использованию в колонке 4 хирального жидкокристаллического сорбента под действием электрического поля. При этом фактор разделения α-/+=1,04 вместо α-/+=1,0 в известном способе, т.е. полностью отсутствует энантиоселективность. При этом степень сорбции для двух изомеров будет одинаковой, а градуировочная характеристика площади пика от объема пробы под действием электрического поля будет иметь прямолинейную зависимость. Кроме того, повышается более чем в шесть раз прецизионность измерения объема пробы при построении градуировочных характеристик. Все это обеспечивает возможность количественного анализа неподеленных на хроматограмме оптических и структурных изомеров без предварительной грудуировки по индивидуальным компонентам с погрешностью, не превышающей ±10%.
Из таблицы 1 также видно, что количественное определение структурных изомеров ксилола в известном способе с использованием градуировочных характеристик по индивидуальным изомерам не очень сильно повышает правильность измерения.
Использование предлагаемого способа анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент и устройство для его осуществления позволяет:
- определить с приемлемой в аналитической практике точностью содержание структурных и оптических изомеров из одного суммарного хроматографического пика двух неподеленных изомеров.
- исключить при количественном анализе изомеров операцию градуировки хроматографической системы по индивидуальным компонентам.
- уменьшить время анализа изомеров.
1. Способ анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, при котором неразделенные оптические изомеры из основной хроматографической колонки направляют в дополнительную колонку с жидкокристаллическим сорбентом, а количественное содержание определяют по градуировочным зависимостям выходного сигнала хроматографа от величины объема пробы для индивидуальных изомеров и их смесей без и под действием электрического поля на жидкокристаллический сорбент, отличающийся тем, что в качестве жидкокристаллического сорбента в дополнительной колонке используют жидкий кристалл 2-метилбутиловый эфир 4-(4'-децилоксибезилиденамино)-коричной кислоты, количественный состав оптических изомеров определяют по градуировочной зависимости выходного сигнала от величины объема пробы только для смеси неподеленных оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, а объем пробы измеряют по сигналу детектора от фиксированной части потока газа-носителя в линии сброса делителя потока узла ввода пробы.
2. Устройство для анализа оптических изомеров под действием электрического поля на сорбент, содержащее последовательно соединенные блок подготовки газов, узел ввода пробы с делителем потока, две хроматографические колонки, детектор и систему обработки анализа, первая основная колонка соединена с узлом ввода пробы, вторая дополнительная колонка выполнена в виде короткой трубки из непроводящего электрический ток материала с размещенным внутри коаксиальным электродом из никелевой проволоки, заполнена жидкокристаллическим сорбентом и соединена с детектором, вторым электродом служит токопроводящий слой, нанесенный на наружную поверхность колонки, электроды соединены с источником питания постоянного тока, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй детектор, соединенный с линией сброса делителя потока постоянным пневматическим сопротивлением, а вторая дополнительная колонка заполнена хиральным жидкокристаллическим сорбентом.
