ITMI951507A1 - Procedimento e dispositivo per l'iniezione di volumi elevati di campioni liquidi in un gascromatografo - Google Patents

Abstract

Per iniettare un campione liquido con volume elevato in una colonna GC di un gascromatografo, la sua porzione vaporizzabile viene evaporata a caldo, in modo non selettivo, in una camera di vaporizzazione, i vapori così generati sono alimentati a mezzi di ritenzione dei composti da analizzare posti a monte della colonna GC e mantenuti ad una temperatura inferiore a quella della detta camera di vaporizzazione, dove tali composti sono separati dai vapori di solvente, i quali sono scaricati nell'atmosfera mentre i composti da analizzare sono inviati alla colonna GC (fig. 1).

Description

Descrizione dell'invenzione che ha per titolo : "PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER L'INIEZIONE DI VOLUMI ELEVATI DI CAMPIONI LIQUIDI IN UN GASCROMATOGRAFO"

La presente invenzione concerne un procedimento ed un dispositivo per l'introduzione di volumi elevati (con flussi fino a 800-1000 μl/min o più) di campioni liquidi in colonne gascromatografiche, in particolare in colonne capillari .

L'introduzione di volumi elevati di campione in una colonna capillare GC comporta sostanzialmente due fasi: l'evaporazione del solvente e la sua separazione dai composti di interesse, che devono essere evaporati ed inviati alla colonna GC, mentre i grandi volumi di vapori di solvente devono essere scaricati prima di passare per la colonna GC, senza peraltro perdere insieme ad essi i composti volatili presenti nel campione.

Per ottenere questi risultati è stato inizialmente proposto l'uso dei cosiddetti "retention gap", vale a dire tratti di tubi a monte della colonna GC, privi di fase stazionaria, dove il campione veniva evaporato simultaneamente o successivamente al suo arrivo. Successivamente è stato proposto l'utilizzo di camere di vaporizzazione tipo PTV, nelle quali il campione è presente in parte allo stato liquido durante l'evaporazione del solvente. In entrambi i casi, la maggior parte del solvente evaporato viene scaricato prima di entrare nella colonna GC.

Uno dei vari problemi di queste tecniche è quello di evitare di perdere i composti volatili insieme ai vapori di solvente. A tale fine è stato proposto di iniettare il campione in una precolonna (retention gap) mantenuta ad una temperatura inferiore o poco superiore a quella di evaporazione del solvente, per ottenere inizialmente la sola evaporazione di quest'ultimo. Questa soluzione presenta però lo svantaggio di comportare tempi lunghi e di richiedere interfaccia ingombranti. Inoltre, questa soluzione non è attuabile quando il solvente è del tipo cosiddetto non bagnante, vale a dire che non forma uno strato sulle pareti della precolonna e non si ottiene la voluta ritenzione dei composti per mezzo dell'effetto solvente .

In alternativa, è stato proposto di iniettare il campione in una camera di vaporizzazione calda, provvista di impaccament o , con una velocità tale da assicurare la presenza di solvente liquido nella camera durante la sua evaporazione, allo scopo di trattenere i composti da analizzare grazie al cosiddetto "effetto solvente". Anche questa soluzione non si è dimostrata pienamente soddisfacente.

Altri problemi incontrati con queste tecniche sono quelli dovuti alla presenza nel campione di composti non vaporizzabili , che si degradano ed inquinano la precolonna .

Scopo della presente invenzione è di risolvere i sopra menzionati problemi con un procedimento di introduzione per vaporizzazione di campioni liquidi in una colonna GC capillare che permetta di eliminare i vapori di solvente senza perdere i composti di interesse presenti, che eviti l'inquinamento della colonna GC e che renda possibile l'analisi di campioni con solventi non "bagnanti".

Un altro scopo dell'invenzione è di fornire un dispositivo per attuare il procedimento di cui sopra.

Tali scopi vengono raggiunti per mezzo della presente invenzione, che concerne un procedimento per l'introduzione di campioni liquidi in un gascromatografo comprendente l'evaporazione del campione prima dell'invio dei composti in colonna, caratterizzato secondo la rivendicazione 1.

L'invenzione concerne inoltre un dispositivo per introdurre campioni liquidi in un gascromatograf o, comprendente una camera di vaporizzazione, caratterizzato secondo la rivendicazione 7.

Contrariamente a quanto finora realizzato o suggerito dalla tecnica nota, il campione viene evaporato in modo non selettivo, vale a dire che non si fa alcuno sforzo per evaporare inizialmente il solo solvente e trattenere i composti di interesse nella camera di vaporizzazione. Al contrario, i vapori di solvente e dei composti di interesse vengono selezionati tramite i mezzi di ritenzione posti a valle della camera di vaporizzazione, trattenendo i composti da analizzare e scaricando i vapori di solvente.

Secondo una prima realizzazione dell'invenzione, si opera la ritenzione dei composti di interesse in una precolonna provvista di una fase stazionaria. La precolonna rivestita viene mantenuta alla minima temperatura necessaria per evitare che il vapore di solvente si condensi in tal modo si ottiene un "rigonfiamento" della fase stazionaria (phase soaking) che permette di trattenere i composti volatili anche in assenza di un effetto solvente, vale a dire in assenza di solvente liquido. Successivamente, la precolonna viene riscaldata ed i composti inviati in colonna GC.

Secondo un'altra realizzazione dell'invenzione, la ritenzione dei composti di interesse si ottiene ricondensando in tutto o in parte il campione (a seconda del volume iniettato) in una precolonna priva di fase stazionaria (retention gap) così da avere una ritenzione per effetto solvente. Come nel caso precedente, la precolonna viene successivamente riscaldata per inviare i composti alla colonna GC . Le due tecniche possono coesistere, vale a dire che si può effettuare una iniziale ricondensazione dei vapori del campione in una precolonna non rivestita, facendo fluire i vapori in uscita da questa attraverso una precolonna rivestita da una fase stazionaria .

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, si controlla la portata con la quale il campione liquido viene inviato alla camera di vaporizzazione.

Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, all'interno della camera di vaporizzazione sono disposti mezzi di stabilizzazione fisica del fronte di evaporazione del campione liquido iniettato, durante l'evaporazione dello stesso. Infatti, la temperatura della camera di vaporizzazione provocherebbe un violento movimento avanti ed indietro del campione liquido all'interno della camera stessa, che in genere è costituita anch'essa da una precolonna. In una realizzazione preferenziale, tali mezzi sono costituiti da un filo o una fibra di materiale inerte, ad esempio in metallo od in silice fusa (deattivati) . In alternativa, viene utilizzata un'impaccatura di materiali inerti.

L'invenzione presenta numerosi vantaggi rispetto allo stato della tecnica.

Un primo vantaggio è dato dal fatto di riscaldare in modo indipendente la camera di vaporizzazione ed il forno del gascromatografo. Questo permette di avere temperature della precolonna più basse di quelle possibili secondo le tecniche note, pur introducendo velocemente rilevanti quantità di campione liquido nella camera di vaporizzazione, con portate almeno fino a 800 μl/min per solventi tipo diclorome tano , fino a 300 μl/min per solventi acquosi come acqua/metanolo e fino a 1700 μΐ/min per pentano od analoghi solventi. E' così possibile innalzare i limiti inferiori di rivelazione dei composti. Un terzo vantaggio è dato dal fatto che si realizza la separazione solvente-composti da analizzare operando sui loro vapori. Questo permette di regolare la temperatura nella precolonna dove ha luogo tale separazione, e di ottimizzare le condizioni di "phase soaking" (fig. 5). Un altro vantaggio è dato dall'elevata percentuale di composti volatili trattenuti ed inviati all'analisi.

Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che il fronte di evaporazione è stabilizzato, vale a dire che il campione liquido non arriva fino a bagnare la colonna GC. In questo modo i composti non evaporabili presenti nel campione (vale a dire la sua porzione non vaporizzabile) restano intrappolati nella camera di vaporizzazione, senza inquinare colonna o precolonna.

Un altro vantaggio è dato (nella versione che prevede il "phase soaking") dalla possibilità di iniettare liquidi che non bagnano, quali ad esempio frazioni provenienti da un'analisi LC "reversed-phase".

L'invenzione verrà ora illustrata più in dettaglio con riferimento ai disegni acclusi a titolo illustrativo e non limitativo, nei quali :

- la fig. 1 è uno schema di una realizzazione del dispositivo secondo l'invenzione;

- la fig. 2 è una vista schematica di un interfaccia tra una pompa LC e la camera di vaporizzazione del dispositivo di cui alla fig. 1;

la fig. 3 è uno schema di un'ulteriore realizzazione dell 'invenzione;

la fig. 4 mostra il cromatogramma di un'analisi effettuata secondo l’invenzione; e

- la fig. 5 mostra il cromatogramma di un'analisi con "phase soaking".

Il dispositivo mostrato in fig. 1 comprende una camera di vaporizzazione del solvente 1, formata in questo caso da un tubo capillare in silice fusa con diametro interno di 0,32 mm e lunghezza 5-7 cm. La camera 1 è collegata a monte con un connettore 2, sul quale sono inoltre fissate una linea 4a di alimentazione del campione da una valvola di interfaccia (si veda fig. 2) ed una linea 4 di alimentazione del gas di trasporto.

A valle, la camera 1 è collegata con una precolonna 5, ad esempio una colonna capillare in silice fusa con diametro interno 0,53 mm. La precolonna 5 è internamente provvista di una fase stazionaria 6 e la sua estremità finale è collegata, per mezzo di una "T” 14, con un condotto 7 di scarico dei vapori di solvente e con l'imboccatura della colonna GC di separazione 8. Il condotto di scarico 7 è provvisto di una valvola 9, che permette di collegarlo alternativamente ad uno scarico 11 con resistenza sostanzialmente nulla, durante lo scarico dei vapori, o ad una resistenza capillare 10, a scarico vapori interrotto. La camera di vaporizzazione 1 è provvista di mezzi di riscaldamento 12, separati e distinti dai mezzi di riscaldamento della precolonna 5, i quali sono in genere costituiti dal forno 13 del gascromatografo . Questa configurazione rispecchia il fatto che la camera l viene mantenuta ad una temperatura molto più alta di quella del punto di ebollizione del solvente, in genere ad almeno 200°C, mentre la precolonna è tenuta alla temperatura minima atta ad evitare la condensazione del solvente e tale da ottenere un'interazione dei vapori di solvente con la fase stazionaria 6 (phase soaking) così da rigonfiarla ed aumentarne il potere di ritenzione.

All'interno della camera 1 sono inoltre presenti mezzi 3 di stabilizzazione del fronte di evaporazione del campione liquido in arrivo nella camera di vaporizzazione. La temperatura della camera 1 è tale da impedire che il campione liquido si accumuli al suo interno fino a fuoriuscire da essa ed inondare la precolonna 5. In altre parole, i mezzi di stabilizzazione servono per evitare una evaporazione violenta ed incontrollata del solvente ed il cosiddetto "shooting" dello stesso, cioè un movimento avanti ed indietro di un tappo di liquido nella camera 1, sotto l'effetto della pressione dei vapori di solvente che si formano.

I mezzi 3 sono costituiti da un'impaccatura di inerti con "tappi" superiore ed inferiore in lana di vetro o da un elemento pieno inserito nella camera 1. Si è infatti sorprendentemente constatato che un filo o fibra in metallo od un capillare in silice fusa, chiuso alle estremità, trattati in modo da risultare inerti, permettono di eliminare lo "shooting" e di alimentare il campione con portate più elevate di quelle altrimenti possibili. Questi elementi tubolari pieni hanno preferibilmente diametro esterno maggiore della metà del diametro interno della camera di vaporizzazione,· ad esempio, per una camera costituita da un capillare con diametro interno di 0,32 mm si usa un inserto con diametro esterno compreso tra 0,19 e 0,29 mm . Rispetto all'impaccatura di inerti, essi presentano il vantaggio di avere una superficie più piccola geometricamente più semplice e quindi meglio trattabile.

Nella camera di vaporizzazione sono assenti mezzi di ritenzione temporanea dei composti (ad es. una fase stazionaria sul materiale inerte o sull'inserto filiforme) in quanto in essa il campione viene vaporizzato contemporaneamente alla sua introduzione senza effettuare una sostanziale discriminazione tra solvente e composti, come avviene invece nella tecnica precedente.

La realizzazione mostrata in fig. 3 si riferisce ad una versione dell'invenzione nella quale i mezzi di ritenzione dei composti sono costituiti da una precolonna 5a, priva di fase stazionaria, disposta tra la camera di vaporizzazione 1 e la colonna capillare 8 e collegata a quest'ultima con il raccordo 14 recante lo scarico 7.

Lo scopo della precolonna 5a è di permettere una ricondensazione di almeno parte dei vapori di solvente per intrappolare i composti di interesse per mezzo del cosiddetto effetto solvente. Pertanto, in questo caso, la temperatura della precolonna 5a sarà regolata in modo da ottenere la desiderata ricondensazione del solvente, senza peraltro arrivare ad allagare la precolonna 5a.

Questa realizzazione può essere combinata con quella di fig. l. Si avrà in tal caso un dispositivo che presenta, nell'ordine, la camera 1, la precolonna 5a, la precolonna 5, il condotto 7 e la colonna GC capillare 8.

La fig. 2 mostra una realizzazione di interfaccia per il dispositivo secondo l'invenzione, vale a dire la sua porzione a monte della camera di vaporizzazione 1.

Come visibile, il condotto 4 è provvisto di una valvola 17 di intercettazione del gas di trasporto, ed il condotto 4a è provvisto di una valvola 18 per il controllo dell'alimentazione di campione liquido in arrivo da mezzi di alimentazione lungo la linea 19. Generalmente, il campione liquido arriva da un'apparecchiatura di cromatografia liquida o da un campionatore.

Più in particolare, la valvola 18 permette di collegare il condotto 4a direttamente con la linea 19 ed un'apparecchiatura LC od un campionatore, che provvedono a spingere il campione nella camera di vaporizzazione con la portata richiesta. In tal modo si ottiene un controllo del flusso di campione liquido, che è una caratteristica preferenziale della presente invenzione.

E' inoltre prevista una resistenza 20 per effettuare un ridotto flusso di spurgo in controcorrente (c.d·.

"backflush") durante l'analisi.

Il funzionamento del dispositivo si svolge nel modo seguente .

Nell'apparecchiatura LC (o HPLC) viene effettuata una prima separazione. La valvola 19 è disposta nella configurazione di invio allo scarico dell'eluato in arrivo dalla colonna LC. Quando eluisce la frazione contenente il campione da analizzare, essa viene inviata attraverso la linea 19 alla valvola 18, la quale è commutata in modo da avere un invio della frazione direttamente al condotto 5 ed alla camera di vaporizzazione 1. In alternativa, il campione liquido viene inviato alla camera 1 in altro modo, ad esempio tramite un campionatore. Durante l'introduzione del campione liquido nella camera 1, il flusso di carrier gas viene preferibilmente interrotto. La camera 1 è riscaldata dai mezzi 12 ad una temperatura superiore a quella di ebollizione del solvente, e tale da produrre una evaporazione dello stesso e di almeno parte dei composti man mano che il campione arriva alla camera 1. La temperatura della camera 1 sarà in genere di almeno 200°C ma può arrivare anche a circa 350°C, per evaporare insieme il solvente e tutti i composti vaporizzabili. La presenza dell'inserto 3 o dell'impaccatura di inerti con tappi in lana di vetro sopra descritti permette di stabilizzare il fronte di evaporazione del campione nonostante l'alta temperatura della camera e l'elevata portata del campione.Questa stabilizzazione è favorita se il campione viene alimentato alla camera 1 con flusso controllato. I prodotti non evaporabili restano all'interno della camera 1.

I vapori cosi generati vengono quindi fatti fluire attraverso una precolonna dove si opera la ritenzione dei composti di interesse presenti nei vapori in uscita dalla camera 1.

Nel caso di fig. 1 i vapori, comprendenti solvente e composti, fluiscono dalla camera 1 alla precolonna 5, la quale è mantenuta ad una temperatura inferiore a quella della camera 1. Questa temperatura è sufficiente a creare la pressione di vapore necessaria per permettere lo scarico dei vapori in atmosfera, ed impedire la condensazione del solvente. In altre parole, questa temperatura, che può essere indicata come "temperatura di rugiada" (dew point), è tale da permettere di avere un'interazione dei vapori di solvente con la fase stazionaria 6 della precolonna 5, vale a dire tale da provocare un "rigonfiamento" della fase stazionaria (il cosiddetto "phase soaking") da parte dei vapori di solvente aumentando in tal modo il potere di ritenzione dei composti di interesse, da parte della fase stazionaria.

La fig. 5 mostra il cromatogramma dell'analisi di 600 μl di pentano contenente una miscela di alcani C10-C20-iniettati con portata di 400 μl/min e trasferiti, una volta vaporizzati, in una precolonna rivestita con fase stazionaria, mantenuta a 48 °C per ottimizzare il "phase soaking" .

Nel caso della fig. 3, i vapori fluiscono alla precolonna 5a, che è mantenuta ad una temperatura tale da garantire la ricondensazione di almeno parte dei vapori di solvente e la loro successiva evaporazione per lo scarico dal condotto 11. Secondo questa tecnica, un flusso di gas di trasporto viene preferibilmente alimentato in questa fase alla precolonna 5a per favorire l'evaporazione del solvente,· in tal modo si ottengono due vantaggi si ha una ricondensazione parziale del solvente, evitando di dover utilizzare precolonne molto lunghe, e se ne diluiscono i vapori, così da ridurre la temperatura alla quale va mentenuta la precolonna.

Questa variante, vale a dire la ricondensazione dei vapori in un retention gap, viene adottata quando il campione contiene composti volatili che non sarebbero sufficientemente ritenuti dalla fase stazionaria della precolonna 5. Come sopra menzionato, la presenza di solvente liquido permette, attraverso il cosiddetto effetto solvente (solvent trapping), di intrappolare e trattenere anche i composti più volatili.

Durante la fase di evaporazione del solvente e di passaggio dei suoi vapori attraverso la precolonna 5 o 5a, la valvola 9 è commutata per collegare il condotto 7 con il condotto di scarico il, ed i vapori in uscita dalla precolonna 2 fluiscono pertanto attraverso i condotti 7 ed 11.

Una volta terminata la fase di scarico del solvente (o prima, se desiderato in funzione delle modalità di controllo delle funzioni del gascromatografo) la valvola 9 viene commutata sulla resistenza 10 per avere un flusso di spurgo e, se non è già stato fatto, si alimenterà nuovamente il carrier gas alla camera di vaporizzazione. Le precolonne 5, o 5a, sono quindi riscaldate per portare i composti alla colonna di separazione 8.

E' inoltre possibile effettuare l'alimentazione del campione alla camera 1 in altro modo, ad esempio attraverso un loop con carrier gas, ma le modalità sopra descritte (a flusso controllato) sono risultate particolarmente vantaggiose in quanto hanno permesso di trasferire frazioni con volume maggiore e di rilevare ed analizzare anche i composti più volatili.

L'invenzione verrà ulteriormente illustrata dal seguente esempio.

ESEMPIO I - Ritenzione con precolonna rivestita e "phase soaking"

Si è preparata una soluzione in pentano di un prodotto a base di olio minerale consistente in isoalcani C20-C26, del tipo utilizzato nell'industria alimentare come distaccante .

La concentrazione dell'olio minerale era di 0,5 /xg/ml, e quella dello standard interno (n-C13)era pari a 0,03 μg/ml (vale a dire 30 volte minore di quanto possibile con i metodi tradizionali) . 400 μΐ della soluzione sono stati iniettati in un dispositivo comprendente una camera di vaporizzazione con inserto in filo metallico ed una precolonna di 2 m rivestita con PS 255. La temperatura della camera di vaporizzazione era di 350°C e quella della precolonna di 50 °C, durante il trasferimento del campione iniettato; è seguita una programmata a 15 °C/min. Il risultante cromatogramma, che corrisponde ad una concentrazione di 1,5 μg di olio minerale per mg di grasso alimentare, è riportato in fig. 4.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l'introduzione di un campione liquido con volume elevato in un gascromatografo, comprendente l'evaporazione del campione, l'eliminazione di almeno parte dei vapori del solvente presente nel campione e l'invio ad una colonna GC dei vapori di composti da analizzare, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: evaporare la porzione vaporizzabile del detto campione in una camera di vaporizzazione stabilizzandone il fronte di evaporazione all'interno della detta camera; alimentare i vapori generati in detta camera a mezzi di ritenzione dei composti da analizzare posti a monte di detta colonna GC e mantenuti ad una temperatura inferiore a quella della detta camera di vaporizzazione per separare detti composti dai vapori di solvente; scaricare almeno parte dei vapori di solvente in uscita dai citati mezzi di ritenzione; ed inviare i composti da analizzare alla citata colonna GC.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ritenzione comprendono una precolonna provvista di fase stazionaria e dal fatto di mantenere detta precolonna ad una temperatura atta ad evitare la condensazione dei vapori di solvente e tale da provocare un rigonfiamento della detta fase stazionaria .
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre la fase di alimentare i vapori in uscita dalla citata camera di vaporizzazione a mezzi di ritenzione comprendenti una precolonna priva di fase stazionaria e di condensare in essa almeno parte dei detti vapori per ottenere un effetto solvente di trattenuta dei composti da analizzare.
4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di controllare la portata di alimentazione del campione alla detta camera di vaporizzazione .
5. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di interrompere l'alimentazione di gas di trasporto durante almeno parte della fase di introduzione ed evaporazione del campione nella detta camera di vaporizzazione.
6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di controllare l'alimentazione del gas di trasporto e quella del campione liquido per mezzo di valvole distinte.
7. 7. Dispositivo per l'introduzione di campioni liquidi in un gas cromat ogr afo , comprendente una camera di vaporizzazione del campione ed una colonna GC, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: mezzi di ritenzione dei composti da analizzare disposti tra detta camera di vapori zzazione e detta colonna; mezzi di stabilizzazione del fronte di evaporazione del campione all'interno della detta camera di vaporizzazione; e mezzi di scarico per i vapori di solvente in uscita dai detti mezzi di ritenzione dei composti.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ritenzione comprendono una precolonna provvista di fase stazionaria.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 7 od 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ritenzione comprendono una precolonna priva di fase stazionaria.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di stabilizzazione del fronte di evaporazione del campione sono scelti fra un materiale di impaccatura ed uno o più inserti .
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti inserti sono costituiti da un filo o fibra in metallo od in silice fusa.
12. 12. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 7 a 11, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per riscaldare separatamente detta camera di vaporizzazione e detta o dette precolonne.
13. 13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 7 a 12, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi separati per il controllo dell'alimentazione di un gas di trasporto e del detto campione liquido.