PL205233B1 - Sposób wytwarzania kolumny kapilarnej do chromatografii - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kolumny kapilarnej do chromatografii, w którym adsorbent jest trwale związany z wewnętrzną ścianą tej kolumny.

Znane są kolumny kapilarne otwarte o średnicach wewnętrznych od 100 do 750 μm, z porowatą warstwą sorbentu osadzoną na ścianie wewnętrznej kapilary PLOT (Porous-Layer Open-Tubular column). Kolumny te coraz częściej wypierają tradycyjne kolumny pakowane. Kolumny PLOT wytwarza się poprzez osadzenie na ich wewnętrznych ścianach porowatego sorbentu takiego jak krzemionka, sita molekularne (zeolity), tlenek glinu, węgiel aktywny i porowate polimery. Znane sposoby osadzania tych sorbentów, przykładowo z cieczy lub poprzez trawienie i utlenianie wewnętrznej warstwy kapilary, nie pozwalają na trwałe związanie sorbentu z kapilarą [Zhenghua Ji et all, J.Chromatography A, 842 (1999) 115-142; opis patentowy USA nr 4293415].

Z pracy Hao Yun et all (J. Microcol. Sep. 7, 153-158, 1995) znany jest sposób trwałego wiązania sorbentu ze ścianą wewnętrzną kapilary. Polega on na naniesieniu na tę ścianę bardzo cienkiej warstwy polimetylowodorosiloksanu, i następnie przyklejeniu do niej sorbentu - ziaren krzemionki o średnicy 5 μm. Ziarna niemodyfikowanej krzemionki nanoszono z zawiesiny w chlorku metylenu i pentanu, przez napełnienie kolumny tą zawiesiną usunięcie jej nadmiaru i przedmuchanie azotem w celu usunięcia rozpuszczalnika. Dla lepszego związania sorbentu z warstwą polimeru dokonano dodatkowej polimeryzacji polimetylowodorosiloksanu.

Istota sposobu wytwarzania kolumny kapilarnej do chromatografii, w którym na jej ścianie wewnętrznej osadza się polisiloksan, a następnie wiąże z nim trwale sorbent, według wynalazku polega na tym, że sorbent, o rozmiarach ziarna od 1 do 10 μm, osadza się na warstwie polisiloksanowej. W trakcie tego procesu kolumnę oraz zbiornik zawierający sorbent i gaz nośny poddaje się wibrowaniu.

Wynalazek pozwala na trwałe związanie z powierzchnią wewnętrzną kolumny kapilarnej, pokrytą uprzednio polisiloksanem, dowolnego sorbentu, bez względu na jego gęstość, kształt czy średnicę ziarna. Powierzchnia właściwa stosowanych sorbentów powinna być dostosowana do potrzeb chromatografii gazowej. Wielkość ziarna sorbentu, zgodnie z wynalazkiem od 1 do 10 μm, jest uzależniona od średnicy wewnętrznej zastosowanej kolumny kapilarnej. Ponadto im mniejszy rozmiar ziarna tym cieńszy musi być naniesiony na powierzchnię wewnętrzną kolumny film polisiloksanu. Parametry te można dobierać doświadczalnie. Przykładowo dla kolumny o średnicy 320 μm optymalnym rozwiązaniem jest ziarno o średnicy 5 μm, a grubość filmu - 1 μm

Sorbent nanosi się na warstwę polisiloksanową zgodnie z wynalazkiem z zawiesiny w gazie nośnym, przy czym zawiesinę tę wytwarza się w zbiorniku przez wibrację i dla jej utrzymania w czasie procesu nanoszenia wibrowaniu poddaje się także kolumnę. Zastosowanie wibracji zapewnia równomierne pokrywanie powierzchni sorbentem oraz stabilność powstałej zawiesiny, dzięki czemu unika się zatykania kapilary podczas wytwarzania kolumny. Nanoszenie sorbentu „metodą suchą (z zawiesiny w gazie) oraz zastosowanie wibracji pozwala stosować praktycznie każdy sorbent, przykładowo modyfikowaną krzemionkę, sita molekularne i inne. Ponadto w procesie według wynalazku, który w odróżnieniu od dotychczas znanych sposobów z zastosowaniem „metody mokrej, przebiega bez użycia rozpuszczalników, unika się niebezpieczeństwa zmywania ze ścianek kapilary wcześniej naniesionej fazy polisiloksanowej. Nieobecność rozpuszczalnika w procesie wiązania sorbentu z polisiloksanem eliminuje również ewentualny jego negatywny wpływ na sam sorbent - na przykład pęcznienie ziarna i powstawanie przez to niepożądanych luk w warstwie adsorpcyjnej. Do przetłaczania zawiesiny sorbentu w gazie przez kolumnę można stosować zwiększone ciśnienia, a także zastosować podciśnienie.

Ze względu na dalsze zastosowanie kolumny wykonanej sposobem według wynalazku do immobilizowania sorbentu należy wybierać polisiloksany, które charakteryzują się jak najmniejszym negatywnym wpływem na sam proces rozdzielania związków - bowiem mimo tego, że faza polisiloksanu jest przykryta przez warstwę sorbentu to może ona brać udział (choć w znikomym stopniu) w procesie chromatograficznym. Dlatego też na fazę polisiloksanową najlepiej jest wybierać związki „obojętne (nie mające grup funkcyjnych), a jeszcze korzystniej nadające się do dalszego „mocnego usieciowania. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie polimetylowodorosiloksanów, które ze względu na wiązanie Si-H dodatkowo dezaktywują ścianki kolumny, oraz mogą ulec bardzo mocnemu procesowi usieciowania.

PL 205 233 B1

Stabilność termiczna kolumny wytworzonej zgodnie z wynalazkiem jest uzależniona od użytego polisiloksanu i w przypadku polimetylowodorosiloksanu wynosi około 320°C. Jest ona również ograniczona stabilnością samego sorbentu.

Uzyskana stabilność jest wystarczająca do rozdziałów w gazowej chromatografii adsorpcyjnej,

Wysoka stabilność mechaniczna otrzymanej warstwy adsorpcyjnej pozwala na długą eksploatację otrzymanych kolumn (jak doświadczalnie stwierdzono przez co najmniej sześć miesięcy), oraz umożliwia regeneracji zabrudzonych fragmentów poprzez przemycie kolumny odpowiednio wybranymi rozpuszczalnikami.

Wynalazek ilustrują poniższe przykłady.

P r z y k ł a d I

Kolumnę kapilarną (30 m x 0,32 mm) przemyto wstępnie chlorkiem metylenu i wysuszono przepuszczając argon przez okres 1 godziny. Polimetylowodorosiloksan (GE Silicones SL6020-D1) rozpuszczono w mieszaninie chlorku metylenu i pentanu (4:1) - stężenie roztworu wyniosło 12.25 mg/cm³. Po napełnieniu kapilary jeden z jej końców zamknięto, kolumnę umieszczono w łaźni w temperaturze 40°C, drugi koniec podłączono do próżni i usunięto rozpuszczalnik. Na tak przygotowaną kolumnę naniesiono sorbent zeolitowy 13 X o uziarnieniu 2 - 4,5 μm (producent BDH). Sorbent nanoszono na kolumnę następująco: W zbiorniku przez który swobodnie przepływa gaz obojętny umieszczono sorbent. Następnie wytworzono zawiesinę sorbentu w tym gazie poprzez poddanie zbiornika wibracji. Zawiesinę zasysano do kolumny umieszczając jeden koniec kolumny w zbiorniku, a do drugiego podłączając pompę próżniową. W celu utrzymania zawiesiny sorbentu w kolumnie i zapewnienia równomiernego nanoszenia sorbentu na ścianki kolumny cały układ, czyli zbiornik i kolumnę, poddawano wibracji do zakończenia procesu.

Po zakończeniu procesu nanoszenia sorbentu dokonano polimeryzacji polisiloksanu przepuszczając przez kolumnę pary azo-tert-butanu w ciągu 1 godziny. Następnie oba końce kapilary zamknięto i kolumnę ogrzewano od 30°C do 220°C z prędkością 1°C min^-1 i przetrzymano w tej temperaturze przez 1 godzinę. Po schłodzeniu kolumnę przemyto chlorkiem metylenu, wysuszono przepuszczając argon i kondycjonowano ogrzewając od 20°C do 220°C z przyrostem 1°C min^-1.

P r z y k ł a d II

Postępowano jak w przykładzie I stosując jako sorbent krzemionkę modyfikowaną grupami ketoiminowymi, a otrzymaną w następujący sposób. 3,5 g krzemionki (Nucleosil, granulacja 5 μm, średnica porów 300 A) suszono w temperaturze 110°C, pod zmniejszonym ciśnieniem, w celu usunięcia zaadsorbowanej wody. Następnie wysuszoną krzemionkę zalano bezwodnym ksylenem i dodano 4,5 cm³ 2-(tert-butyloamino)-3-(3-trietoksysililo-propylo)pentanonu-4 i ogrzewano pod chłodnicą zwrotną przez 18 godzin, mieszając aby nie dopuścić do przegrzania. Następnie zmodyfikowaną krzemionkę odsączono oraz usunięto nieprzereagowany silan przepłukując krzemionkę w aparacie Soxhleta. Przemyty i wysuszony sorbent zawierał 12,99% węgla, 2,57% wodoru, 0,9% azotu, a jego powierzchnia właściwa wyniosła 349 m²/g. Stężenie powierzchniowe silanu osiągnęło 3,82 μmoli/m², co odpowiada stopniowi pokrycia powierzchni 64%.

P r z y k ł a d III

Na 15 metrowej kolumnie, przygotowanej jak w przykładzie I, przeprowadzono rozdział mieszaniny składającej się z substancji gazowych. Analizę przeprowadzono stosując temperaturę kolumny 40°C i prędkość przepływu gazu nośnego (helu) 1,5 cm³/min. Uzyskany rozdział pokazano na fig. 1 rysunku, na którym 1 oznacza tlen, 2 - azot, 3 - metan, a 4 - tlenek węgla.

P r z y k ł a d IV

Na kolumnie, przygotowanej jak w przykładzie II, przeprowadzono rozdział mieszaniny węglowodorów cyklicznych. Analizę przeprowadzono stosując temperaturę kolumny 120°C i prędkość przepływu gazu nośnego (helu) 1,3 cm³/min. Uzyskany rozdział pokazano na fig. 2 rysunku, na którym 1 oznacza metylocyklopentan, 2 - cykloheksan, 3 - cykloheksen, 4 - 1,3-cykloheksadien, 5 -1,4-cykloheksadien, 6 - 4-metylo-1-cykloheksen, 7 - 1-metylo-1-cykloheksen i 8 -1,3,5-cykloheptatrien.

P r z y k ł a d V

Na kolumnie z przykładu II prowadzano rozdziały chromatograficzne przez 6 miesięcy. W tym czasie wykonano około 3,5 tysiąca analiz różnorodnych związków organicznych od lekkich węglowodorów, poprzez związki organiczne zawierające tlen, siarkę, chrom, brom i fluor, do ciężkich węglowodorów stosowanych w olejach smarowych. Po upływie sześciu miesięcy ponownie przeprowadzono rozdział z przykładu IV i nie stwierdzono różnic w uzyskanych wynikach. Ponadto po tym czasie kolumnę wymontowano, przemyto chlorkiem metylenu, po czym wykonano zdjęcie mikroskopowe

PL 205 233 B1 przekroju kolumny, które pokazano na fig. 3 rysunku, gdzie 1 oznacza ziarna sorbentu, 2 - warstwę polisiloksanową, 3 - fragment ściany kapilary, 4 - zewnętrzna warstwa poliimidowa.

Nie stwierdzono ubytków w warstwie sorbentu związanej za pomocą polisiloksanu z wewnętrzną ścianą kapilary.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania kolumny kapilarnej do chromatografii, polegający na osadzeniu na jej powierzchni wewnętrznej polisiloksanu, z którym następnie wiąże się trwale sorbent, po czym ewentualnie poddaje polimeryzacji, znamienny tym, że sorbent, o rozmiarach ziarna od 1 do 10 μm, osadza się na warstwie polisiloksanowej, przetłaczając go przez kolumnę w zawiesinie obojętnego gazu nośnego, przy jednoczesnym poddawaniu wibracji kolumny oraz zbiornika zawierającego sorbent i gaz.