Способ получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах и устройство для его осуществления

Изобретение используется для получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах для эффективного экспресс-анализа сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, нефтехимической, металлургии, медицине, экологии и др. Сущность изобретения заключается в том, что в способе порции твердого носителя, диспергированного в летучей дисперсионной среде, периодически напыляют на поверхность кремниевой пластины с предварительно вытравленными каналами для микрохроматографической колонки в виде аэрозоля в инертном газе, а затем герметизируют путем анодного сращивания кремниевой пластины со стеклом марки Пирекс. После чего на поверхность твердого носителя наносят неподвижную жидкую фазу в виде аэрозоля в инертном газе. Устройство для осуществления способа содержит последовательно соединенные баллон с инертным газом, блок подготовки газа, две термостатированные емкости с раствором неподвижной жидкой фазы и суспензией твердого носителя, пульверизатор, переключающий кран и специальный барботер с регулируемым пневмосопротивлением на выходе. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и разделительной способности газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к газовой хроматографии и может быть использовано для эффективного экспресс-анализа сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, нефтехимической, металлургии, медицине, экологии и др.

Известны различные способы получения газожидкотвердофазных капиллярных колонок и устройства для их осуществления, в которых слой твердого носителя с неподвижной жидкой фазой формируют на внутренней поверхности капиллярной колонки суспензионным, химическим или механическим методами (см.: Тесаржик К., Комарек К. Капиллярные колонки в газовой хроматографии. М.: Мир, 1987. С.76-108).

Известен способ нанесения неподвижной жидкой фазы на внутреннюю поверхность капиллярной колонки, при котором раствор неподвижной жидкой фазы продавливают через колонку за счет давления насыщенного пара растворителя при повышенной температуре (см.: Федянин А.А., Соколов В.П., Кирш С.И., Вигдергауз М.С. Авт. свид. СССР №1081532 от 23.03.84 г.).

Известны также способы и устройства для получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок с использованием современных микроэлектронных и микромеханических систем (МЭМС-технологии на кремниевых пластинах, герметизируемых путем анодного сращивания со стеклом марки Пирекс) (см.: Козин С., Федулов А., Пауткин В., Баринов И. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий // Компоненты и технологии, 2010. №1. С.24-27, также см.: Jerman G.H., Terry S.C. A miniature gas chromatograph for atmospheric monitoring // Environment International, 1981. V.5. P.p.77-83).

Однако известные способы и устройства получения газожидкотвердофазных колонок сложны в осуществлении и не всегда обеспечивают достаточную эффективность и воспроизводимость основных хроматографических характеристик при разделении близких по физико-химическим свойствам веществ.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения капиллярных колонок и устройство для его осуществления (см.: Пат. 2356046 Российская федерация, МПК G01N 30/02. Способ получения капиллярных колонок и устройство для его осуществления [Текст] / Арутюнов И.И., Онучак Л.А., Платонов И.А., Жосан А.И., Жилкин Д.Ю.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный университет. - 2007122016/28; заявл. 13.06.2007; опубл. 20.12.2008, Бюл. №14. - 4 с). Способ получения капиллярных колонок характеризуется тем, что пленку неподвижной жидкой фазы формируют на предварительно нанесенном твердом носителе динамическим методом путем периодического дозирования порции аэрозоля раствора неподвижной жидкой фазы в инертном газе. Устройство снабжено пульверизатором для создания тумана из жидкого раствора неподвижной жидкой фазы в инертном газе и барботером с регулируемым пневмосопротивлением.

Недостатками известного способа и устройства для его осуществления являются относительно невысокая эффективность и разделительная способность газожидкотвердофазной микрохроматографической колонки.

Задачей изобретения является повышение эффективности и разделительной способности газожидкотвердофазной микрохроматографической колонки.

Эта задача решается за счет того, что в способе получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах, при котором порции твердого носителя, диспергированного в летучей дисперсионной среде, периодически дозируют в микрохроматографическую колонку в виде аэрозоля в инертном газе, для формирования слоя твердого носителя на внутренней поверхности микрохроматографической, после чего на поверхность твердого носителя наносят неподвижную жидкую фазу в виде аэрозоля в инертном газе согласно изобретению, причем твердый носитель в виде аэрозоля равномерно напыляют на поверхность кремниевой пластины с предварительно вытравленными каналами для микрохроматографической колонки, а затем герметизируют микрохроматографическую колонку путем электростатического (анодного) сращивания кремниевой пластины со стеклом марки Пирекс.

Эта задача решается также за счет того, что в устройстве получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах, содержащем последовательно соединенные баллон с инертным газом, блок подготовки газа, термостатируемую емкость с раствором неподвижной жидкой фазы в летучем растворителе, пульверизатор, переключающий кран для периодического подключения микрохроматографической колонки к блоку подготовки газа и специальный барботер для улавливания избытка неподвижной фазы, с регулируемым пневмосопротивлением на выходе согласно изобретению, дополнительно содержится термостатируемая емкость с суспензией твердого носителя в летучей жидкости, соединенная с блоком подготовки газа и пульверизатором.

При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в получении однородного и визуально контролируемого слоя твердого носителя по всей длине каналов на кремниевой пластине, так как формирование слоя твердого носителя происходит напылением аэрозоля одновременно по всей плоскости каналов, а не отдельных частей герметичной колонки, как в прототипе. Повышение однородности и равномерности покрытия твердого носителя по всей длине колонки приводит, естественно, к повышению эффективности и разделительной способности микрохроматографической колонки на кремниевой пластине.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Пример конкретного выполнения способа и устройства для его осуществления.

На фигуре 1 схематически изображено устройство для получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевой пластине. Устройство содержит баллон со сжатым инертным газом 1, соединенный через блок подготовки газа 2 с термостатированной емкостью с суспензией твердого носителя 3 и переключающим краном 5 для переключения потока аэрозоля на поток инертного газа для удаления летучей дисперсионной среды, а также пульверизатор 4, соединенный с термостатированной емкостью с раствором неподвижной жидкой фазы в летучем растворителе 6 и специальным барботером 7 для улавливания неподвижной фазы и твердого носителя, к которому подключено регулируемое пневмосопротивление 8.

На фигуре 2 показан общий вид газожидкотвердофазной микрохроматографической колонки на кремниевой пластине. Внутренние каналы колонки покрыты слоем хромосорба W с ПЭГ-20 М. Микрохроматографическая колонка состоит из кремниевой пластины 9 с вытравленными каналами 10 в виде спирали для колонки, стеклянной пластины 11 и вклеенных капилляров 12 диаметром 200 мкм для коммуникаций входа и выхода колонки. Ширина каналов в кремниевой пластине 100 мкм, глубина 150 мкм. Общая длина колонки L=2,5 м.

Перед изготовлением газожидкотвердофазной микрохроматографической колонки проводились необходимые подготовительные операции.

1. Подготовка твердого инертного носителя. В качестве твердого носителя использовали, например, хромосорб W. Для получения однородной тонкодисперсной фракции порошок хромосорба W подвергали седиментационному разделению. Полученный мелкозернистый твердый носитель массой 150 мг помещали в стеклянный стакан объемом 250 см3 и заливали ацетоном до метки 100 см3, тщательно перемешивали, затем обрабатывали полученную суспензию на ультразвуковом диспергаторе в течение 20 мин до образования взвеси, устойчивой не менее 40-50 часов. Полученную взвесь хромосорба W в ацетоне использовали для нанесения сорбционного слоя хромосорба W на внутреннюю поверхность микрохроматографической колонки известным и предлагаемым способами.

2. Подготовка внутренней поверхности вытравленных каналов микрохроматографической колонки на кремниевой пластине. Кремниевую пластину промывали ацетоном, затем дистиллированной водой. После чего кремниевую пластину помещали в сосуд с концентрированной соляной кислотой и выдерживали 10 мин. Затем кремниевую пластину промывали дистиллированной водой до рН 5,8 и сушили инертным газом.

3. Нанесение неподвижной жидкой фазы на поверхность твердого носителя. 20% жидкий раствор неподвижной жидкой фазы полиэтиленгликоль (ПЭГ-20 м) в хлороформе под избыточным давлением инертного газа 2,0-2,5 кгс/см2 при температуре 50°C в емкости 6 направляют в пульверизатор 4, давление инертного газа в котором устанавливают в диапазоне 0,5-1,0 кгс/см2. Образующийся в пульверизаторе аэрозоль неподвижной жидкой фазы в инертном газе дозируют в герметизированную микрохроматографическую колонку через переключающий кран 5. Избыточное количество аэрозоля удаляется из пульверизатора 5 через барботер 7. Соответствующая концентрация неподвижной жидкой фазы в аэрозоле обеспечивается изменением расхода инертного газа с помощью регулируемого пневмосопротивления 8 и температуры в емкости 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Инертный газ (азот) из баллона 1 через блок подготовки газа 2 поступает в газовое пространство термостатированных емкостей 3 и 6. В емкости 3 находится суспензия твердого носителя (хромосорб W) в ацетоне при температуре 50°C, приготовленная в соответствии с п.1. В емкости 6 находится 20% раствор неподвижной жидкой фазы (ПЭГ-20 М) в хлороформе, см. п.3. Под давлением инертного газа суспензия хромосорба W в ацетоне поступает в пульверизатор 4, где образуется аэрозоль мелких частиц хромосорба W с ацетоном в инертном газе азоте. Аэрозоль направляется через переключающий кран 5 для напыления на кремниевую пластину. Избыточное количество аэрозоля удаляется из пульверизатора 4 через специальный барботер 7, заполненный поглощающим частицы хромосорба материалом. Соответствующая концентрация твердых частиц в аэрозоле обеспечивается изменением расхода инертного газа с помощью регулируемого пневмосопротивления 8 и температуры в емкости 3.

Через 2-3 минуты напыления поток аэрозоля с помощью крана 5 заменяется на поток инертного газа, и кварцевая пластина продувается азотом в течение 10 мин для удаления паров ацетона. Эту процедуру многократно повторяют в течение 2-3 часов. Контроль за формированием слоя твердого носителя осуществляют с помощью микроскопа. После напыления хромосорба W в каналы микрохроматографической колонки поверхность кремниевой пластины покрывается стеклом Пирекс и герметизируется путем электростатического (анодного) сращивания.

После герметизации микрохроматографической колонки с нанесенным слоем хромосорба W на поверхность твердого носителя наносят неподвижную жидкую фазу в виде аэрозоля ПЭГ-20 М в инертном газе из термостатируемой емкости 6 с помощью пульверизатора 4 и переключающего крана 5 со скоростью 1,0 см3/мин. Через 2,5 мин поток аэрозоля неподвижной жидкой фазы с помощью крана 5 заменяется на поток инертного газа, и микрохроматографическая колонка продувается в течение 5-10 мин для удаления паров хлороформа. Эту процедуру многократно повторяют в течение 400-500 часов. Контроль за формированием слоя сорбента осуществляют с помощью микроскопа. Полученную газожидкотвердофазную микрохроматографическую колонку кондиционируют при расходе инертного газа 1 см3/мин и Тс=50°C - 1,5 часа, затем при Тс=120°C - 4 часа.

В известном способе слой твердого носителя (хромосорб W) наносится в виде аэрозоля в герметизируемую микрохроматографическую колонку на кремниевой пластине по методике, описанной в прототипе.

Приготовленные известным и предлагаемым способами газожидкотвердофазные микрохроматографические колонки на кремниевых пластинах подвергали испытаниям на газовом хроматографе «Кристалл - 5000.2», ЗАО СКБ «Хроматэк» с пламенно-ионизационным детектором.

Режим работы хроматографа:
Температура термостата колонки, °C 120±1,1
Температура испарителя, °C 170±2,0
Температура детектора, °C 120±1,2
Расход газа-носителя (азот) в микрохроматографической колонке, см3/мин 1,0±0,03
Расход газа в линии сброса, см3/мин 50±1,5
Объем вводимой пробы, мкл, не более 0,2

Обработка результатов анализа проводилась с использованием программного обеспечения «Хроматэк Аналитик 2,5». Объектами исследования служили модельные смеси близких по хроматографическим свойствам сорбатов мета- и параксилолы, а также этанол и изопропанол.

Для оценки эффективности газожидкотвердофазных колонок рассчитывали:

- число эффективных теоретических тарелок Neff по уравнению

где t R ' = t R t M - приведенное время удерживания сорбата;

tM - мертвое время, измеренное по времени удерживания несорбируемого газа метана;

τh - ширина полосы сорбата, измеренная на середине высоты пика в единицах времени;

- высоту, эквивалентную теоретической тарелке H по уравнению:

где L=2,5 м - длина колонки.

Оценку разделительной способности приготовленных колонок проводили по результатам хроматографирования двух смесей мета-ксилол - параксилол и этанол - изопропанол.

Разрешение двух пиков (или степень разделения) RS рассчитывали по уравнению

где t R 2 > t R 1 - время удерживания исследуемых пар сорбатов.

Оценку селективности неподвижной жидкой фазы к исследуемым сорбатам проводили по величине фактора разделения α:

где t R z ' > t R 1 ' - приведенные времена удерживания исследуемых сорбатов.

Результаты экспериментов сведены в таблицу «Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов».

Как видно из приведенных в таблице данных, предлагаемый способ обеспечивает повышение эффективности и разделительной способности газожидкотвердофазной микрохроматографической колонки на кремниевой пластине. Так, для изопропанола и этанола эффективность увеличилась в два раза, а для параксилола и метаксилола почти в четыре раза. Разрешение пиков RS увеличилось более чем на 50% для трудноразделяемых пар компонентов. При этом фактор разделения α остался постоянным для исследуемых пар компонентов, что свидетельствует об идентичности природы и структуры слоя неподвижной жидкой фазы в исследуемых колонках.

Таблица
Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов
Наименование Известный Предлагаемый
изопропанол Этанол Парак-силол Мета-ксилол Изопропанол Этанол Пара-ксилол Мета-ксилол
1 Время удерживания, tR, с 55 58,3 86,6 89,8 50,2 53,8 79,9 83,2
2 Мертвое время, tM, с 20 20 20 20 12 12 12 12
3 Ширина полосы, τh, с 1,638 1,966 3,593 4,312 1,168 1,403 1,841 2,208
4 Число эффективных теоретических тарелок Neff 2532 2104 1905 1453 5931 4922 7543 5766
5 Высота, эквивалентная теоретической тарелке, Н, мм 0,79 0,95 1,05 1,38 0,34 0,41 0,27 0,35
6 Разрешение пиков, RS 0,92 0,4 1,4 0,815
7 Фактор разделения, α 1,094 1,048 1,094 1,048

Таким образом, изготовленная предлагаемым способом газожидкотвердофазная микрохроматографическая колонка на кремниевой пластине имеет более однородный и равномерно распределенный по всей длине колонки слой твердого носителя с нанесенной пленкой неподвижной жидкой фазы, что подтверждается также уменьшением на 40% мертвого времени (в колонке меньше пустот). Мертвое время определяли по времени удерживания метана при одинаковых расходах газа-носителя в колонках.

Использование предлагаемого способа получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах и устройства для его осуществления позволяет:

1. Организовать серийное производство высококачественных, экономичных и высокотехнологичных газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок с различными неподвижными фазами для решения конкретных аналитических задач.

2. Разработать и выпускать отечественные микрохроматографы и микроанализаторы для контроля качества различных продуктов, например природных и нефтяных газов, мониторинг вредных для здоровья веществ в воздухе рабочей зоны и др.

1. Способ получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах, при котором порции твердого носителя, диспергированного в летучей дисперсионной среде, периодически дозируют в микрохроматографическую колонку в виде аэрозоля в инертном газе для формирования слоя твердого носителя на внутренней поверхности микрохроматографической колонки, после чего на поверхность твердого носителя наносят неподвижную жидкую фазу в виде аэрозоля в инертном газе, отличающийся тем, что твердый носитель в виде аэрозоля равномерно напыляют на поверхность кремниевой пластины с предварительно вытравленными каналами для микрохроматографической колонки, а затем герметизируют микрохроматографическую колонку путем электростатического (анодного) сращивания кремниевой пластины со стеклом марки Пирекс.

2. Устройство получения газожидкотвердофазных микрохроматографических колонок на кремниевых пластинах, содержащее последовательно соединенные баллон с инертным газом, блок подготовки газа, термостатируемую емкость с раствором неподвижной жидкой фазы в летучем растворителе, пульверизатор, переключающий кран для периодического подключения микрохроматографической колонки к блоку подготовки газа и специальный барботер для улавливания избытка неподвижной фазы с регулируемым пневмосопротивлением на выходе, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит термостатируемую емкость с суспензией твердого носителя в летучей жидкости, соединенную с блоком подготовки газа и пульверизатором.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе уплотнения рабочего материала для колонки. .

Изобретение относится к газовой хроматографии и может быть использовано для эффективного экспресс-анализа сложных смесей различных веществ природного и техногенного происхождения в таких отраслях промышленности, как химическая, нефтяная, газовая, нефтехимическая, металлургия, медицина, экология и др.

Изобретение относится к газовой хроматографии и может быть использовано для эффективного экспресс-анализа сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, нефтехимической, металлургии, медицине, экологии и др.

Изобретение относится к хроматографии, а именно к капиллярным колонкам открытого типа, в которых сорбент локализован на стенке капилляра. .

Изобретение относится к способу получения перфторированного производного сложного эфира посредством химической реакции, где указанная реакция представляет собой реакцию фторирования служащего сырьем исходного соединения, реакцию химического превращения фрагмента перфторированного производного сложного эфира с получением другого перфторированного производного сложного эфира или реакцию взаимодействия карбоновой кислоты со спиртом при условии, что по меньшей мере один из реагентов - карбоновая кислота или спирт - представляет собой перфторированное соединение, причем указанное перфторированное производное сложного эфира представляет собой соединение, в состав которого входит фрагмент приведенной ниже формулы 1 и имеет температуру кипения самое большее 400°С, согласно которому время проведения упомянутой химической реакции является достаточным для того, чтобы выход перфторированного производного сложного эфира достиг заранее заданного значения, и при этом указанный выход перфторированного производного сложного эфира определяют посредством газовой хроматографии с использованием неполярной колонки.

Изобретение относится к жидкостной хроматографии и может быть использовано для получения эффективных колонок для разделения биополимеров, для экспресс-контроля молекулярно-массового распределения (ММР) олигомеров этоксисилоксанов в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах, а также для других случаев хроматографических процессов.

Изобретение используется для получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах для анализа сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, медицине, экологии и др. Сущность изобретения заключается в том, что на поверхности плоской пластины получают каналы для микрохроматографической колонки с последующей их герметизацией и заполнением соответствующим сорбентом, причем каналы для микрохроматографической колонки на плоской пластине получают методом лазерной абляции, а плоские пластины выполняют из различных металлов, кремния, стекла или полимеров. Кроме того, герметизацию микрохроматографической колонки проводят стеклянной пластиной через прокладку из полимерной пленки под вакуумом при воздействии температуры Техническим результатом изобретения является расширение ассортимента материалов для изготовления микрохроматографических колонок с использованием метода лазерной абляции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Наверх