Колонка для сверхкритической флюидной хроматографии

 

Сущность изобретения: стеклянная поликапиллярная колонка (ПКК) установлена на двух центрующих опорах с зазором внутри защитного кожуха. В рабочем режиме сверхкритический флюид заполняет как внутренний объем ПКК, так и пространство между ПКК и кожухом. Уплотнение осуществляют при помощи двух конусов, двух накидных гаек и двух ответных гаек, соединенных с магистралями подачи-вывода элюента с пробой. Торцы стеклянной колонки и кожуха установлены с зазором с ответной гайкой, а выход стеклянной колонки вклеен в защитный кожух эластичным герметиком. 2 ил.

Изобретение относится к хроматографии, в частности к устройству крепления колонки в сверхкритической флюидной хроматографии (СФХ). В хроматографии известно устройство крепления (уплотнения) колонки, основанное на принципе обжатия ее внешней поверхности конусами из металлов или полимерных материалов. Однако таким образом практически невозможно уплотнить колонку из хрупкого материала (например, стеклянную) с не строго цилиндрической внешней поверхностью, особенно при рабочих давлениях подвижной фазы в СФХ. В научной литературе описана стеклянная колонка, изготовленная внутри стального капилляра, по поверхности которого производят уплотнение колонки с входными выходными магистралями хроматографа. При этом зазора между внешней поверхностью стеклянного капилляра и внутренней поверхностью стального нет. Однако это решение имеет следующие недостатки: при достаточно сильной затяжке ломается внутренний стеклянный капилляр. Во-вторых, требуется специальное оборудование для отрезания колонки нужной длины. Проблематично также использование подобных колонок в режиме программирования температуры вследствие возникновения термических напряжений. Поликапиллярные колонки (ПКК) с подобным защитным кожухом не производят. Наиболее близким техническим решением поставленной задачи является решение, в котором использован принцип компенсации действующего изнутри насадочной колонки избыточного давления подвижной фазы внешним. Его характеризует наличие изолированной от входа и выхода набивной колонки, заполняемой рабочей подвижной фазой через байпасный канал, объема между внешней поверхностью колонки и защитной рубашкой. Уплотнение торцов колонки и стеклянных фильтров осуществляется за счет обжатия их упругими уплотняющими элементами с помощью резьбового соединения, накидных гаек и защитной рубашки, при этом стеклянная колонка полностью изолирована от защитного кожуха и элюента с помощью специальной гибкой мембраны, которая предохраняет, по замыслу авторов, уплотняющие торцы колонки элементы от вредного влияния высокого давления подвижной фазы. Недостатком приведенного решения является то, что оказывает значительное механическое воздействие на колонку в момент ее приготовления за счет обжатия ее уплотняющими элементами, и эти напряжения присутствуют во все время ее эксплуатации. Кроме того, подобным способом можно закрепить стеклянную колонку со строго цилиндрической внешней поверхностью и достаточно толстыми стенками (к тому же авторы патента США особо указывают на необходимость плоскостности концов колонки перед ее установкой). Не вызывает сомнений и общая сложность конструкции. Кроме того, установить подобным способом описанную (ниже) автором поликапиллярную колонку просто практически невозможно. Целью предлагаемого устройства является повышение надежности крепления ПКК путем максимального снижения величин механических нагрузок, действующих на нее при установке и во время проведения экспериментов в режиме СФХ. Поставленная цель достигается тем, что ПКК представляющую собой в поперечном сечении шестигранник, весь пронизанный тонкими капиллярами (стенок, практически как таковых, нет), помещают по оси металлической трубки без касания поверхности и торцов ПКК с внутренней поверхностью трубки и элементами соединения колонки с магистралями хроматографа. Чтобы избежать связи между входом и выходом колонки, один из ее концов вклеивают в защитную рубашку эластичным герметиком; соединение колонки с входными и выходными магистралями хроматографа осуществляют по поверхности металлической трубки. В рабочем режиме сверхкритический флюид (т. е. подвижный носитель при температуре и давлении выше критических для него) заполняет через входной трубопровод как внутренний объем ПКК, так и пространство между защитной рубашкой и колонкой. В результате поперечные механические нагрузки на колонке, возникающие при креплении ее к магистралям хроматографа, а также обусловленные большими рабочими давлениями подвижной фазы, практически сведены к нулю. Продольные нагрузки малы вследствие небольшого перепада давления на колонке, определяемого низкими коэффициентами вязкости сверхкритических флюидов. Оценки показывают, что перепад давления на ПКК с внутренним диаметром одного капилляра 36 мкм для углекислоты при давлении 334 атм и температуре 100^oC, движущейся по капилляру со скоростью 5 см/с, равен ≈ 0,76 атм/м. Таким образом, продольные силы, действующие на колонку, минимальны (т. к. длина ПКК не превышает одного метра ) и легко могут быть компенсированы вклейкой одного из концов ПКК в защитную рубашку эластичным герметиком. Эластичность герметика гарантирует минимальность термических напряжений, действующих на ПКК со стороны защитной рубашки при рабочих температурах подвижных фаз в СФХ. Таким образом, отличительными признаками предлагаемого устройства являются наличие зазора как между колонкой и защитной рубашкой, так и между торцами колонки и входными-выходными магистралями хроматографа, а также отсутствие уплотняющих-изолирующих элементов и обводного канала для подачи подвижной фазы высокого давления в пространство между защитной рубашкой и внешней поверхностью колонки, а кроме того, вклеивание одного из концов колонки в защитную рубашку герметиком. На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство. Предлагаемое устройство крепления ПКК в СФХ реализовано следующим образом. Стеклянная ПКК 1, содержащая примерно 1100 каналов с диаметром ≈ 36 мкм каждый, в поперечном сечении представляющая собой шестигранник с максимальным размером 2,3 мм, длиной 21,8 см, помещена в защитную рубашку 2 (по оси трубки из нержавеющей стали с внутренним диаметром 3 мм, внешним 4 мм и длиной 21,5 см). С целью центровки ПКК по оси защитной рубашки ее концы установлены на опоры 3, 4. Выход колонки вклеен в рубашку с помощью герметика ВГО-1 на длине ≈ 1см (5). Соединение входа и выхода колонки с соответствующими магистралями хроматографа осуществлено с помощью металлических конусов 6, 7, накидных гаек 8, 9 и ответных гаек 10, 11 по внешней поверхности защитной рубашки 2. На фиг. 2 приведен пример элюирования через описанную ПКК нормального углеводорода C₁₆ 1 в потоке сверхкритического CO₂ при давлении 76 атм, температуре 100^oC и расходе по жидкой углекислоте 60 мл/ч. Ширина экспериментального пика на фиг.2 определяется тем, что была использована ПКК без нанесенной неподвижной фазы (наличие активных центров на внутренних поверхностях многочисленных капилляров ПКК, а также дисперсия этих капилляров по диаметрам приводят к уширению пика). На колонках с пришитыми неподвижными фазами автором были получены хроматограммы различных классов органических соединений полиароматических, кремнийорганических, нормальных углеводородов, были изучены хроматографические характеристики разделения в зависимости от условий: влияния паразитных объемов не наблюдалось. Использование предлагаемого устройства крепления ПКК для сверхкритической флюидной хроматографии обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: эксплуатация ПКК в СФХ как таковых со всеми достоинствами подобных колонок: скорость разделения, большая загрузочная способность, а следовательно возможность анализа микропримесей, эффективность; сводит к минимуму механические нагрузки, действующие на колонку в момент подготовки, соединения ее с внешними магистралями и во время проведения СФХ.

Формула изобретения

Колонка для сверхкритической флюидной хроматографии, содержащая стеклянную поликапиллярную колонку (ПКК), установленную на двух центрующих опорах с зазором внутри защитного кожуха с возможностью заполнения сверхкритическим флюидом как внутреннего объема стеклянной колонки, так и зазора между стеклянной колонкой и кожухом, содержащим два конуса, две накидные гайки и две ответные гайки, соединенные с магистралями подачи-вывода элюента с пробой, отличающаяся тем, что, с целью сведения к минимуму механических нагрузок, действующих на ПКК, а также упрощения конструкции, торцы стеклянной колонки и кожуха установлены с зазором с ответной гайкой, а выход ПКК вклеен в защитную рубашку эластичным герметиком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2