Содержание к диссертации
Введение
Гл.1. Современное состояние высокоэффективной газовой хроматографии 11
1.1. Хроматографические методы 12
1.2. Возникновение и развитие капиллярной хроматографии 25
1.3. Поликапиллярные хроматографические колонки 36
Гл.2. Поликапиллярные хроматографические колонки 40
2.1. Поликапиллярные газохроматографические колонки 40
2.2. Поликапиллярные хроматографические колонки Научно- исследовательского института рентгеновской оптики (ИРО) 52
Гл.3. Поликапиллярные колонки в жидкостной хроматографии 69
Гл.4. Хроматографические колонки с каналами некруглого сечения 87
Гл.5 Ленточные газохроматографические колонки 103
Гл.6. Пламенно-ионизационный детектор с жидкими пламяобразующими агентами 115
Выводы 137
Литература 139
Приложение 160
- Возникновение и развитие капиллярной хроматографии
- Поликапиллярные хроматографические колонки
- Поликапиллярные хроматографические колонки Научно- исследовательского института рентгеновской оптики (ИРО)
- Поликапиллярные колонки в жидкостной хроматографии
Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена разработке новых высокоэффективных хроматографических методов разделения и идентификации компонентов сложных многокомпонентных смесей веществ.
В настоящее время одним из наиболее широко употребительных методов анализа смесей органических и многих неорганических веществ стали методы хроматографии, как газовой, так и жидкостной, с использованием высокоэффективных колонок. Эти методы позволяют разделять сложные многокомпонентные смеси веществ на составляющие их соединения с последующей регистрацией и идентификацией последних с помощью детектирующих устройств разных типов, включая современные масс-спектрометры.
В то же время, основные элементы любой хроматографической системы в настоящее время определенным образом задержались в своем развитии. В основном, в качестве хроматографических колонок используются прямые, изогнутые или свернутые в спираль трубки длиной 0,2-3,0 м и более при диаметре 2-6 мм, выполненные из стекла или металла и заполненные мелкозернистым сорбционным материалом. Такие колонки называют наполненными.
Большое распространение приобрели также капиллярные колонки -трубки круглого сечения из пластмасс, стекла, металла или плавленого кварца длиной от 2-3 до 100-150 м и более при диаметре 0,05-1,0 мм (чаще 0,25-0,30 мм), с внутренними стенками, покрытыми тонкими слоями сорбирующей неподвижной фазы или порошкообразного или губчатого адсорбента. Разделяющая способность таких колонок весьма высока и достигает 100 тыс. теоретических тарелок и более. Во многих обстоятельных руководствах по газовой и жидкостной хроматографии указывается, что столь высокие величины разделяющей способности (эффективности) хроматографических колонок могут быть достигнуты лишь при условии значительного увеличения времени анализа. Действительно, в ряде случаев с помощью капиллярной газовой хроматографии были достигнуты весьма впечатляющие результаты по разделению весьма близких по свойствам веществ - близких изомеров непредельных соединений и изотопносодержащих компонентов. Однако длительность эксперимента в этих работах достигала десятков часов.
В настоящее время во многих отраслях науки и техники выявляется настоятельная необходимость в создании и развитии более быстродействующих аналитических систем, способных обеспечить получение информации об анализируемом объекте в течении нескольких минут или даже секунд. В частности, в последнее десятилетие приобрело особую актуальность развитие чувствительных экспресс - методов обнаружения взрывчатых, отравляющих и иных сильнодействующих веществ, в том числе наркотических средств.
При уменьшении диаметра капиллярной колонки (d) уменьшается высота, эквивалентная теоретической тарелке (Нс пропорциональна d2), и при этом существенно возрастают скоростные характеристики колонки. Однако колонки с внутренним диаметром менее 0,1 мм неудобны в практической работе вследствие трудностей ввода и детектирования очень малых проб. При этом увеличение проб приводит к резкому снижению эффективности. В связи с этим крайне актуальной является задача - при сохранении высокой эффективности колонки и ее быстродействия увеличить объем вводимых для анализа проб.
Одним из путей решения указанной задачи является использование поликапиллярных колонок, имеющих множество одинаковых каналов малого сечения. Поликапиллярная колонка представляет собой монолитный стержень, обычно из стекла, пронизанный множеством почти одинаковых капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесена пленка неподвижной фазы. Такие колонки отличаются большой скоростью разделения при довольно высокой эффективности.
В этом направлении солидное продвижение достигнуто исследователями Новосибирского конструкторско-технологического института геофизического и экологического приборостроения (КТИ ГЭП), который выпускает хроматограф "ЭХО" (Экспрессный Хроматографический Обнаружитель) с поликапиллярными колонками, длиной 25 см, имеющими 1000 капилляров диаметром около 30 мкм. Благодаря этому время анализа газообразной пробы объемом до 1 мл не превышает 30 сек, что позволяет выполнять актуальные в настоящее время анализы взрывчатых веществ типа тротила и нитроглицерина всего за 15-20 сек.
К сожалению, как следует из теоретического анализа, поликапиллярные колонки с диаметром каналов 30-50 мкм не могут обеспечивать достаточную эффективность в жидкостной хроматографии высокого разрешения вследствие значительного диффузионного сопротивления.
В этом случае требуются поликапиллярные колонки с каналами диаметром не более 3-Ю мкм. В настоящее время производство таких колонок, имеющих до 1 млн. и более каналов диаметром 3-Ю мкм освоено в Институте рентгеновской оптики (Москва), однако возможности использования таких колонок в хроматографии до настоящего времени не были изучены.
Имеется целый ряд возможностей применения в хроматографии разделяющих элементов и других типов. В частности, мало изучены в настоящее время капиллярные колонки прямоугольного (щелевого) сечения.
Возможны и иные конструктивные решения колонок некруглого сечения, некоторые из которых исследованы в настоящей работе.
Интересным направлением в развитии хроматографических приборов представляется изучение возможности создания пламенно-ионизационных детекторов, использующих вместо взрывоопасного водорода горючие жидкости, не создающие ионизированного пламени (муравьиная кислота, НСООН, формамид, HCONH2, сероуглерод, CS2). Это позволило бы, с одной стороны, использовать преимущества пламенно-ионизационных детекторов, а, с другой стороны, исключить необходимость применения взрывоопасных и тяжелых баллонов со сжатым водородом либо опасных в обращении электролизеров.
Таким образом, тема настоящей работы определяется настоятельной необходимостью поиска и изучения новых хроматографических систем, обеспечивающих, с одной стороны, достаточно высокую эффективность разделения, а с другой стороны, высокую экспрессность метода при его высокой чувствительности, достаточной для выявления следов взрывчатых и отравляющих веществ, а также наркотических средств в газообразных и жидких объектах анализа.
Целью настоящей работы является изучение новых хроматографических систем, в частности, обеспечивающих обнаружение взрывчатых, отравляющих и наркотических веществ, с высокой чувствительностью при повышенной скорости анализа, включая:
1. Разработку технологии изготовления поликапиллярных хроматографических колонок, допускающих возможность увеличения величины пробы при обеспечении высокого быстродействия и высокой эффективности разделения, характерных для капиллярной хроматографии, как в газовой, так и в жидкостной хроматографии.
2. Разработку технологии изготовления капиллярных газохроматографических колонок прямоугольного (или щелевого) сечения с различным соотношением размеров сторон.
3. Разработку технологии нанесения неподвижной фазы на внутренние стенки колонок новой конструкции и детальное изучение их характеристик.
4. Изучение возможности применения поликапиллярных колонок с каналами диаметром 3-10 мкм в жидкостной хроматографии.
5. Выявление возможностей создания пламенных детекторов для хроматографии с жидкими пламяобразующими компонентами.
Для достижения поставленных целей было необходимо решить следующие научные задачи: 1. Выявить оптимальные с точки зрения хроматографии параметры поликапиллярных колонок, пригодных для экспрессной газовой хроматографии, обеспечивающей быстрое выявление взрывчатых, отравляющих, наркотических и иных опасных соединений.
2. Выявить наиболее рациональные способы формирования спиральных каналов прямоугольного сечения, пригодных для выполнения функций капиллярных колонок.
3. Разработать технологию изготовления капиллярных и наполненных хроматографических колонок нового типа (щелевидных, ленточных).
4. Выявить оптимальные условия нанесения неподвижных фаз на внутренние поверхности капиллярных колонок новых типов.
5. Показать возможность применения поликапиллярных колонок с каналами диаметром 5—10 мкм в жидкостной хроматографии.
6. Показать возможность высокочувствительного детектирования разделяемых веществ с помощью пламенно-ионизационных детекторов с жидкими пламяобразующими компонентами.
Научная новизна работы
1. Исследованы зависимости эффективности капиллярных колонок некруглого сечения от основных параметров эксперимента. Изучены возможности использования капиллярных колонок прямоугольного сечения в газо-жидкостной и в газо-адсорбционной хроматографии.
2. Показаны возможности использования поликапиллярных газохроматографических колонок с размером каналов 3—10 мкм при длине 150-250 мм в качестве разделяющих элементов для быстрого газохроматографического определения различных веществ.
3. Впервые показана возможность использования поликапиллярных газохроматографических колонок с размером каналов 3—10 мкм в высокоэффективной жидкостной хроматографии при эффективности колонок длиной 20 см порядка 200 - 600 т.т., что вполне достаточно для многих случаев разделения практически важных смесей органических соединений.
4. Впервые осуществлены и изучены капиллярные и наполненные колонки нового типа - ленточные (щелевые), сочетающие простоту изготовления с богатыми возможностями достижения высокой разделяющей способности.
5. Впервые осуществлен пламенно-ионизационный детектор с жидким пламяобразующим агентом (муравьиной кислотой). Показано, что по линейности такие детекторы не уступают пламенным детекторам с водородным пламенем.
Практическая значимость
Разработанные в диссертации новые варианты хроматографической техники открывают широкие возможности создания высокоэффективных и компактных аналитических систем, которые могут найти достаточно широкое применение в составе мобильных анализаторов для контроля загрязнений окружающей среды, для санитарно-гигиенических и иных медицинских исследований, для изучения космических объектов и т.п.
Применение поликапиллярных колонок с каналами размером 3—10 мкм в высокоэффективной жидкостной хроматографии открывает широчайшие возможности для создания высокоэффективных аналитических систем для анализа и изучения нелетучих веществ и материалов.
Практическая значимость результатов, полученных при
выполнении настоящей диссертации, подтверждена рядом патентов на изобретения и полезные модели, полученных на разработанные технические решения.
На защиту выносятся:
1. Результаты изучения поликапиллярных колонок и их применения для быстрого анализа различных объектов, в том числе для выявления взрывчатых, отравляющих, наркотических и иных опасных веществ в анализируемых объектах, в том числе в объектах окружающей среды.
2. Полученные впервые результаты применения поликапиллярных колонок с каналами размером 3—10 мкм в жидкостной хроматографии.
3. Технология изготовления планарных капиллярных колонок прямоугольного сечения для газожидкостной и газо-адсорбционной хроматографии, а также зависимость эффективности таких колонок от параметров эксперимента, в частности, от температуры и скорости подвижной фазы.
4. Технология изготовления и результаты изучения принципиально нового типа высокоэффективных капиллярных и наполненных колонок ленточного типа.
5. Создание и изучение пламенно-температурного и пламенно-ионизационного детектора, использующего жидкие пламяобразующие компоненты.
Апробация работы
Результаты работы были представлены в виде стендовых докладов на 10-м Всероссийском симпозиуме «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и селективности», г. Москва, май 2005, и на II Международном симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии», Краснодар, сентябрь 2005 .
Публикации
По материалам диссертации опубликовано две статьи в научных журналах, два доклада на научных конференциях и симпозиумах и получено четыре авторских свидетельства и патента Российской Федерации и один патент США. Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, 5 глав с описанием проведенных экспериментов и полученных результатов, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения.
Материал диссертации изложен на 166 страницах, содержит 51 рисунок и 9 таблиц. Список использованной литературы содержит 202 наименований.
Возникновение и развитие капиллярной хроматографии
Наиболее результативным и универсальным способом достижения высокой эффективности хроматографического разделения оказался метод капиллярной хроматографии. В этом варианте хроматографической техники используют колонки, представляющие собой полые трубки длиной от 3-5 м до 500 м и более с диаметром от 0,05 до 1,5 мм, стенки которых покрыты тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы либо тонким слоем мелкозернистого адсорбента или твердого носителя, содержащего до 20% неподвижной жидкой фазы.
Вывод о том, что с помощью капиллярных колонок можно получить эффективность порядка 104-106 т.т. следовал из теоретического анализа процессов в обычных наполненных колонках, проведенного Голеем в 1955-1956 гг. [17, 18]. По аналогии между движением хроматографической полосы в колонке и распространением электрического сигнала вдоль линии с распределенными параметрами индуктивности, емкости и активного сопротивления Голей описал процесс хроматографии с помощью дифференциального уравнения, известного в электротехнике под названием "телеграфного" [17]. Позже Голей [18] провел детальный анализ взаимосвязи достигаемой в хроматографической колонке эффективности с такими характеристиками процесса, как перепад давлений на ее входе и выходе и время разделения. В результате этих исследований Голей обосновал введение обобщенного показателя эффективности хроматографического процесса. Этот показатель, имеющий размерность вязкости, теоретически может достигать наименьшего значения 0,1 пуаз, что характеризует наибольшую возможную эффективность хроматографической колонки. При использовании наполненных колонок обычного типа предельно достижимое значение показателя эффективности было не менее 1-Ю пуаз, т.е. превышало теоретический предел в 10-100 раз и более. Предположив, что такое расхождение связано с тем, что реальные колонки представляют собой сложную систему беспорядочно расположенных извилистых капиллярных ходов, тогда как теоретической моделью служил пучок прямых капилляров с гладкими стенками, Голей пришел к выводу, что реализовать потенциальную высокую эффективность газохроматографического процесса возможно при использовании колонки в форме единичной трубки с достаточно большим отношением длины к диаметру.
Это заключение было впервые сформулировано в отчете Голея фирме Перкин-Эльмер (США), датированном 15 ноября 1956 г. Тогда же были проведены и первые эксперименты с капиллярными колонками. Используя пластмассовые колонки длиной 91,5 м и внутренним диаметром 0,25 мм со стенками, смоченными полиэтиленгликолем Голей получил эффективность около 12 тыс. т.т. Вот как сам автор рассказывает об этом: "...Из любопытства я установил ее (пластмассовую трубку, прим. авт.) вместо колонки с целитом, просто для того, чтобы посмотреть, какими будут пики воздуха. Я был приятно удивлен, обнаружив, что эти воздушные пики имели ширину, правильно предсказанную той же приближенной теорией. Тогда возникла идея о том, что если пики воздуха имеют правильные значения ширины, когда колонка представляет собой простой отрезок ничем не заполненной трубки, то почему бы не покрыть внутренние стенки трубки каким-либо удерживающим веществом и не использовать ее в качестве распределительной колонки" [19]
Первое сообщение о достигнутых результатах Голей сделал на Первом симпозиуме американского приборостроительного общества по газовой хроматографии в Ист-Лансинге (США) в июне 1957 г. [20], а в 1958 г. на II Международном симпозиуме по газовой хроматографии в Амстердаме были опубликованы его теоретические исследования, включающие математическое описание процесса разделения в капиллярной колонке с гладкими стенками, покрытыми пленкой жидкой фазы [21]. Одновременно первые экспериментальные результаты опубликовали Дийкстра и де-Гоэй [22] Однако эффективность разделения в работе этих авторов была относительно невелика, что объяснялось значительной величиной пробы, обусловленной низкой чувствительностью применявшегося детектора по теплопроводности.
Этот факт подтверждает важную особенность капилярных колонок: увеличение пробы резко снижает эффективность разделения. Связано это с тем, что гладкие стенки узкой капиллярной трубки способны удержать лишь крайне незначительное количество жидкой фазы. Поэтому успеху капиллярной хроматографии в существенной мере способствовало появление пламенно-ионизационного детектора, разработанного Мак-Вильямом и Дьюаром в 1958 г. [23]. Этот тип детектирующего устройства, ставший ныне одним из наиболее распространенных, обладет очень высокой чувствительностью и, кроме того, имеет крайне малый собственный объем, чем выгодно отличается от уже известных в то время высокочувствительных детектирующих систем -аргонового ионизационного детектора Лавлока [24] и вакуумного ионизационного детектора Раиса и Брайса [25]. Начиная с 1958 г., развитие капиллярной хроматографии теснейшим образом связано с возможностями пламенно-ионизационного детектора.
Предсказываемая теорией высокая эффективность капиллярных колонок, выраженная числом теоретических тарелок по предложенной Глюкауфом [11] формуле, была полностью подтверждена Дести с сотр. [26, 27] на примере металлических колонок и Скоттом [28] применявшим пластмассовые трубки. В этих и других работах довольно скоро были достигнуты значения кажущейся эффективности капиллярных колонок, превышавшие 1 млн т. т. [29], и явно не соответствующие наблюдавшемуся разделению изучаемых компонентов.
Поликапиллярные хроматографические колонки
Использование капилляров в газовой хроматографии позволяет достичь высокой эффективности разделения компонентов исследуемых смесей. В этом, собственно, и заключалась идея, предложенная Голеем [124]. В целом можно сделать вывод, что идея Голея нашла свое техническое подтверждение. Применение капиллярных колонок с сорбентом на внутренних стенках позволило увеличить удельную и общую эффективность достигаемого разделения, существенно уменьшить количество используемых сорбентов, повысить чувствительность хроматографической аналитической системы и улучшить такие характеристики процесса, как радиальный градиент температуры при программировании, упростить реализацию гибридного метода анализа с помощью газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией, а также с другими спектральными методами.
Разделение пробы вещества на составляющие компоненты в хроматографии определяется двумя характеристиками хроматографической колонки - ее селективностью и эффективностью (см. Главу 2.2.6). При этом мерой селективности является относительное удерживание разделяемых компонентов, а мера эффективности определяется числом теоретических тарелок (т.т.). Основное преимущество хроматографических капиллярных колонок состоит в том, что по абсолютной и относительной эффективности эти колонки существенно превосходят традиционно применяемые хроматографические наполненные колонки. Общая эффективность капиллярных колонок достигает 30000-100000 т.т., и более [125].
Наряду с упомянутым преимуществом - высокой эффективностью разделения компонентов пробы - хроматографические капиллярные колонки имеют важный недостаток, заключающийся в значительном ограничении количества анализируемой пробы. Уменьшение диаметра капиллярных трубок до 0.05-0.10 мм позволяет существенно увеличить эффективность разделения и повысить скорость анализа, однако требует еще большего уменьшения величины пробы [126, 127, 145]. В стремлении преодолеть указанные два противоречивых требования (повышение эффективности и увеличение объема пробы), неоднократно высказывалась идея создания поликапиллярных хроматографических колонок, представляющих собой пакет из большого числа идентичных по своим свойствам капиллярных колонок, работающих параллельно. Эта идея была реализована в хроматографических колонках, представляющих собой пакет из параллельно расположенных 1000-2000 капилляров диаметром от 30 до 100 мкм [128-130]. Предполагалось, что вследствие одинаковости свойств отдельных капилляров эффективность всей системы останется близкой к эффективности одиночной капиллярной колонки, а допустимая величина пробы может быть увеличена пропорционально числу работающих одновременно капиллярных элементов. При этом времена удерживания одного и того же компонента на всех капиллярах такой системы не должны различаться более, чем на 0.1% отн. [131].
Однако при ограниченном числе капилляров в колонке даже незначительные различия в количестве нанесенной подвижной фазы в них приводят к возникновению значительной дисперсии времен удерживания веществ, что существенно снижает достигаемую с помощью таких колонок эффективность разделения. В результате эффективность таких колонок перестает увеличиваться, когда их длина превосходит 1,0-1,5 м. Поликапиллярные хроматографические колонки, изготавливаемые по способам, известным из работ [132] и [133], содержали множество параллельных каналов, сплавленных с соседними каналами наружными стенками. При этом в колонке, изготавливаемой по способу, известному из работы [132], каналы были изолированы друг от друга, а в колонке, известной из работы [133], соседние каналы сообщаются друг с другом посредством продольных пазов в их стенках.
Поликапиллярные хроматографические колонки, изготавливаемые в соответствии с указанными выше способами, ввиду большой трудоемкости этих способов, обусловленной необходимостью вручную формировать заготовку каждого канала, не удается получить с числом каналов, превышающим достигнутое в колонках, известных из работ [130-133]. Это препятствовало дальнейшему повышению показателей поликапиллярных хроматографических колонок и не позволяло реализовать их потенциальные преимущества, известные из работ [132,133].
В течение длительного времени создание такой хроматографической системы считалось малоперспективным. Однако в период 1990-1995 гг. специалистами Новосибирского конструкторско-технологического института геофизического и экологического приборостроения была разработана технология изготовления из стекла многоканальных трубок, имеющих порядка 10 отдельных каналов с шестиугольным поперечным сечением и с мало различающимися размерами порядка 30-40 мкм [134-136].
Кроме того, была разработана достаточно плодотворная техника нанесения неподвижной фазы на внутренние стенки таких трубок, что дало возможность приготовления газохроматографических колонок с удельной эффективностью до 10-12 тыс. т.т. на 1 м [137, 138]. Следует отметить однако, что авторы этих работ не сообщают о приготовлении колонок с эффективной длиной более 1 м, а в большинстве опубликованных материалов оперируют с колонками длиной 20-30 см, тем не менее, имеющих достаточно высокую эффективность до 2 тыс. т.т. [139]. Изложенные выше данные убедительно показывают большие возможности капиллярной хроматографии с применением обычных капиллярных и поликапиллярных хроматографических колонок. Однако достигнутые к настоящему времени результаты отнюдь не исчерпывают всех потенциальных возможностей газовой хроматографии. С развитием техники изготовления кварцевых капиллярных колонок существенно замедлились и почти прекратились работы по совершенствованию капиллярной хроматографии. Остаются практически нераскрытыми потенциальные возможности колонок некруглого сечения (прямоугольного или щелевидного), предсказанные М. Голеем еще в 1958 г. Представляется возможным и дальнейшее развитие поликапиллярных колонок с каналами микронного размера не только в газовой но и в высокоэффективной жидкостной хроматографии. В настоящей диссертации предприняты, по-видимому, впервые, попытки проведения исследований в направлении изучения как капиллярных колонок прямоугольного и щелевидного сечения, так и поликапиллярных колонок с гексагональными каналами микронного размера.
Поликапиллярные хроматографические колонки Научно- исследовательского института рентгеновской оптики (ИРО)
К моменту начала работы в Институте рентгеновской оптики (ИРО, г. Москва) под руководством проф. М. А. Кумахова разработана технология изготовления стеклянных многоканальных трубок с каналами размером 3-5 мкм и менее, число которых в одной трубке достигает 10 [146].
Такие многоканальные трубки, по нашему мнению, также могли быть использованы для приготовления достаточно эффективных и быстро работающих хроматографических колонок. Целью настоящей работы являлась разработка техники изготовления поликапиллярной хроматографической колонки с поперечными размерами каналов порядка нескольких микрон при их общем числе порядка нескольких сотен тысяч и более с соответствующим повышением быстродействия и общей эффективности. Разработанная технология изготовления поликапиллярных хроматографических колонок по предлагаемому способу одновременно обеспечивает максимальное уменьшение разброса размеров поперечных сечений каналов. Такая хроматографическая колонка, содержит множество изолированных друг от друга параллельных каналов, стенки которых с внутренней стороны покрыты неподвижной жидкой фазой или мелкозернистым твердым адсорбентом [133].
Разработанная в настоящей работе поликапиллярная хроматографическая колонка на базе многоканальных трубок ИРО выполнена в виде совокупности модулей различного уровня. При этом модуль самого низкого уровня представляет собой совокупность каналов, получаемых в результате совместного вытягивания пучка капилляров в размягченном состоянии как описано в первом разделе настоящей главы.
На рис. 2.2.1 изображено поперечное сечение такой колонки с модулями 2-х разных уровней, имеющих оболочки. Каналы 1 находятся внутри оболочек 37-ми модулей самого низкого (первого) уровня. Группы таких модулей, образующие модули следующего (второго) уровня, заключены в оболочки 2. Совокупность таких модулей образует поликапиллярную хроматографическую колонку в целом с оболочкой 3.
Следует обратить внимание на то, что конструкция такой поликапиллярной хроматографической колонки не представляет собой простого результата сборки в прямой последовательности сначала каналов капилляров в модули первого уровня, затем группировку последних в модули второго уровня, и т.д. Такая конструкция неразрывно связана с разработанным в диссертации способом изготовления поликапиллярных хроматографических колонок.
Таким образом, вытягивание пакетов осуществляют в несколько стадий, на каждой из которых формируют пакет из ранее изготовленных заготовок. На первой стадии в качестве заготовок используют обычные стеклянные трубки, а на каждой из последующих стадий - заготовки, полученные в результате осуществления предыдущей стадии. В процессе вытягивания подготовленного пакета поддерживают скорость подачи его в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, при постоянном соотношении между этими скоростями. Разрезая выходящее из печи изделие по длине на всех стадиях, кроме последней, получают заготовки, являющиеся результатом проведения данной стадии, а на последней стадии - готовые поликапиллярные хроматографические колонки длиной 100-1000 мм.
Модуль каждого более высокого уровня представляет собой гексагонально упакованную совокупность модулей предыдущего уровня, имеющую в поперечном сечении вид шестиугольника и являющуюся результатом их совместного вытягивания в размягченном состоянии. Все модули самого высокого уровня скомпонованы в единую гексагонально упакованную структуру, имеющую в поперечном сечении вид правильного шестиугольника и являющуюся результатом их совместного вытягивания в размягченном состоянии.
Для повышения механической прочности колонки модули каждого из уровней могут иметь оболочку, выполненную из того же материала, что и стенки каналов, или близкого к нему по коэффициенту термического расширения.
При столь большом числе каналов сверхмалого диаметра чувствительность хроматографического анализа существенно возрастает благодаря существенному увеличению полного сечения колонки. Экспериментально подтверждено, что при этом обеспечивается равномерное нанесение неподвижной фазы на стенки каналов при продавливании через них растворов. В экспериментах по газовой хроматографии при длине колонок 400 мм достигнута эффективность порядка 2-4 тыс.т.т. ( т.е. 5-10 тыс.т.т. на один метр длины колонки). Описанное выше техническое решение защищено патентами Р.Ф. №2233445 [140, 148]. Первые результаты исследования таких колонок для газовой и жидкостной хроматографии были нами опубликованы в работах [147, 148].
В ходе выполнения настоящей работы были исследованы многоканальные трубки из свинцового стекла с относительно низкой температурой размягчения. Эти трубки имели внешний диаметр 3-6 мм при числе каналов в них порядка 700 тыс. - 1 млн и при размере каждого канала 3-6 мкм. Микрофотография поперечного среза такой многоканальной трубки приведена на рис. 2.2.2. Для использования многоканальных трубок ИРО в сочетании с хроматографом ЭХО изготовленные трубки из стекла плотно закрепляли расплавленным легкоплавким веществом в трубке из прочного материала с последующим охлаждением и затвердеванием. Такими закрепляющими материалами служили сургуч, канифоль, полипропилен. На рис. 2.2.3 представлен типичный профиль хроматографической полосы н-гексана при элюировании из многоканальной трубки, приготовленной по технологии [147] и не содержащей неподвижной фазы.
Поликапиллярные колонки в жидкостной хроматографии
В настоящее время диаметр межчастичных каналов в наполненных колонках, применяемых в жидкостных хроматографах равен 4-6 мкм. Эти размеры определяются величиной зерна применяемых сорбентов (3-5) мкм. Работы по уменьшению диаметров каналов колонок для жидкостной хроматографии, были начаты в 1967 г. [151-153]. Авторы работы [153] использовали колонку, изготовленную из политетрафторэтилена с внутренним диаметром около 0,5 мм. Хорват и Скотт [151, 152] использовали стальные колонки с диаметром каналов 1 мм и менее. Уменьшение размера частиц сорбентов, и, соответственно, размеров межчастичных каналов в хроматографических колонках позволило проводить разделение с малодоступными или дорогими реактивами, так как расход подвижной и неподвижной фаз в этом случае невелик. Кроме того, стало возможным повысить чувствительность детектирования; достичь высокой эффективности разделения; применять масс-спектрометрию (МС) в качестве детектирующей системы в целях обнаружения разделенных соединений и установления их химической природы.
Концентрация элюируемых из колонок компонентов обратно пропорциональна квадрату их внутреннего диаметра при одинаковой эффективности разделения на двух колонках. Следовательно, в сочетании с концентрационным детектором, может быть повышена чувствительность всей хроматографической системы, что особенно важно при определении малых примесей, в том числе при выполнении биохимических анализов.
В высокоэффективной жидкостной хроматографии находят применение также и капиллярные колонки. Главным фактором, определяющим расширение хроматографических зон, в этом случае является сопротивление массопередаче в подвижной фазе, так как коэффициенты диффузии в жидкости значительно меньше, чем в газовой фазе. Это обстоятельство не позволяет получить в жидкостной хроматографии достаточно высокую эффективность при использовании капиллярных колонок с такими же диаметрами как в газовой хроматографии [154-162]. Было показано теоретически, что для получения высоких значений эффективности в жидкостной хроматографии необходимо использовать капиллярные колонки диаметром меньше, чем 50 мкм. Поэтому в настоящее время в жидкостной хроматографии применяют капиллярные колонки диаметром 30—65 мкм и длиной от 20—100 см до 50—60 м. В процессе развития высокоэффективной жидкостной хроматографии на капиллярных колонках были затрачены значительные усилия для снижения сопротивления массопередаче в подвижной фазе. Для достижения этой цели применяли колонки очень малого диаметра [163-168], использовали разного рода турбулизаторы потока [175], колонки, свернутые в спирали малого диаметра (5-8 мм) [169] и колонки некруглого либо периодически меняющегося сечения [170]. Накопленные данные о применении капиллярных колонок в высокоэффективной жидкостной хроматографии с большой обстоятельностью рассмотрены в монографиях [159,160].
Уравнение (3-1) ясно демонстрирует, что именно второй его член, описывающий сопротивление массопередаче в подвижной фазе, вносит наибольший вклад в ВЭТТ при наименьшей приемлемой скорости подвижной фазы и при значениях к, превышающих единицу. Расчеты показывают, что капиллярные колонки достаточно большой длины и малого диаметра могут обеспечить и в жидкостной хроматографии полную эффективность разделения в несколько сотен тысяч теоретических тарелок, что намного превышает возможности наполненных колонок.
В настоящее время в жидкостной хроматографии применяют стеклянные капилляры малого диаметра и гибкие кварцевые капилляры с наружным полиимидным покрытием. Такие капилляры обычно имеют длину до 20—60 м и внутренний диаметр 20—60 мкм [159, 160]. Обработку внутренней поверхности, ее дезактивацию и нанесение неподвижной фазы проводят, в общем, также как и в капиллярной газовой хроматографии. Обычно в жидкостной хроматографии используют капиллярные колонки с иммобилизованными неподвижными фазами на стенках или со слоями адсорбентов, также нанесенными на стенки или сформированными из материала самого капилляра с помощью тех или иных технологических приемов. Во многих случаях такие слои готовят из инертных твердых носителей с нанесенными на них подходящими неподвижными фазами. Процедуры, используемые для нанесения таких сорбционных слоев в общем аналогичны тем. которые применяются для приготовления капиллярных колонок для газовой хроматографии [156-158, 170-176].
Однако, очень тонкие капиллярные колонки, используемые в жидкостной хроматографии, имеют и недостатки: необходимость введения очень малых проб, повышенные требования к чувствительности используемых детекторов. По аналогии с изложенными ранее данными о применении поликапиллярных капиллярных хроматографических колонок в газовой хроматографии, нами были проведены испытания поликапиллярных капиллярных колонок в жидкостной хроматографии. Однако значительно более высокие значения вязкости жидких сред позволяют получить сколько нибудь значительное разделение в жидкостной хроматографии лишь при наличии каналов, с диаметром, по крайней мере, в 10-20 раз меньшим, чем в газовой хроматографии. Можно было бы ожидать, что в поликапиллярной колонке для жидкостной хроматографии размер каналов должен быть не более 3-6 мкм. В связи с этим была изготовлена поликапиллярная хроматографическая колонка, аналогичная поликапиллярной колонке газового хроматографа «ЭХО» и представляющая собой многоканальный стеклянный стержень, пронизанный большим числом капиллярных каналов. Длина стержня составляла 25 см, внешний диаметр 6 мм. Число капилляров в стержне было около 106 единиц, их диаметр 5 мкм. Стержень помещали в металлическую трубку и закрепляли легкоплавким материалом (воском, сургучом, канифолью и др.). Растекаясь по объему, образованному наружной поверхностью стержня и внутренней металлической стенкой трубки, легкоплавкий материал заполнял пустоты и обеспечивал одновременно герметичность и фиксацию стеклянного стержня внутри металлической трубки. Во избежание попадания легкоплавкого материала через торцы стержня внутрь капиллярных каналов, длина стеклянного стержня вначале была больше длины металлической трубки. После затвердевания легкоплавкого материала выступающие части стеклянного стержня удалялись.
В качестве неподвижной фазы был использован полисилокеан Е-301, который наносили динамическим способом из 10%-ного раствора в бензоле. Исследования проводились на жидкостном хроматографе "Финиган". В состав хроматографа входили: блок вакуумного дегазатора неподвижной фазы SCM1000, блок насоса высокого давления Р2000 и блок детектирования. В качестве детектора использовали ультрафиолетовый спектрометр UV1000 с дейтериевой или вольфрамовой лампой.
