DE4227509C1 - Gaschromatograph mit einer Trennsäule - vorzugsweise als Kapillare ausgebildet - und einer Einrichtung zur Beheizung der Säule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaschromatographen mit einer Trennsäule - vorzugsweise als Kapillare ausgebildet - und einer Einrichtung zur Beheizung der Säule.

Als Gaschromatograph wird ein Laborgerät zur Durchführung einer Gaschromatographie bezeichnet. Bei dieser Gaschroma­ tographie handelt es sich um eine Methode zur chemischen Analyse komplexer Gemische. Das Probengemisch wird ver­ dampft und mittels eines Trägergasstroms durch eine dünne Kapillare - die sogenannte Säule - transportiert. Aufgrund physikalisch-chemischer Unterschiede zwischen den Komponen­ ten des Gemisches ist die Wanderungsgeschwindigkeit durch die Säule unterschiedlich. Dadurch kommt es während des Säulendurchganges zu einer Auftrennung des Gemisches. Am Säulenausgang können dann die einzelnen Komponenten quali­ tativ durch Bestimmung der Aufenthaltszeit in der Säule und quantitativ durch Bestimmung der Größe eines Detektor­ signals nachgewiesen werden.

Die Wanderungsgeschwindigkeit der Komponenten durch die Säule wird in erheblichem Maße von der Säulentemperatur beeinflußt. Um die Analysendauer zu verkürzen bzw. um lang­ sam wandernde Komponenten der Gaschromatographie überhaupt erst zugänglich zu machen, wird üblicherweise die Säule geheizt.

Beim Stand der Technik sind Gaschromatographen bekannt, bei welchen die Heizung der Säule durch ein thermostatisiertes Luftbad in einem isolierten Gehäuse realisiert wird. Die Heißluft wird wie bei einem Haarfön mit einer Heizspirale durch elektrische Widerstandsheizung erzeugt und mittels eines Ventilators im Gehäuse gleichmäßig verteilt und in Umlauf gehalten. Dabei sind jedoch zeitliche und räumliche Schwankungen der Säulentemperatur nicht ganz zu vermeiden. Eine Verringerung der Trennleistung der Säule und eine Ver­ schlechterung in der Reproduzierbarkeit der Chromatogramme sind hierbei nachteilige Folgen. Dabei wird eine automati­ sche Auswertung erschwert und eine Nachbearbeitung bzw. Wiederholung des Analysenprozesses erforderlich. Es ist auch schon versucht worden, die Säule mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auszubilden und über diese Beschichtung mittels elektrischer Widerstandsheizung zu erwärmen. Mit der Beschichtung ergeben sich jedoch Schwierigkeiten, wenn diese nicht mit der erforderlichen Gleichmäßigkeit auf die Außenwandung der Säule aufgebracht ist. Dabei kann die Erwärmung stellenweise erhebliche Un­ terschiede aufweisen. Hierbei ergeben sich ebenfalls die vorgenannten Schwierigkeiten und Nachteile.

Aus der DE-AS 16 73 027 ist eine Vorrichtung für Gaschroma­ tographie zur Erzeugung eines über eine Trennsäule wandern­ den, mit einem Temperaturgradienten behafteten Temperatur­ feldes bekannt, wobei das Wandmaterial der Trennsäule als Heizwiderstand dient. Erfindungsgemäß ist die Wandung der Trennsäule über ihre Länge oder einen Teil davon konisch ausgebildet, und ein ebenfalls konisches Rohr mit entgegen­ gesetzter Kegelsteigung umgibt die Trennsäule, wobei die Heizleistung beider Rohre getrennt einstellbar ist. Als Material der Trennsäule ist Stahl bzw. Aluminium angegeben. Zur Speisung der als Heizwiderstand ausgebildeten Rohre sind Transformatoren vorgesehen.

Die konisch ausgebildeten Rohre erfordern einen nur schwer beherrschbaren Fertigungsprozeß mit sehr hohen Kosten. Dadurch hat auch die Länge der Trennsäule vergleichsweise enge Grenzen. Schließlich sind Trennsäulen aus nicht lei­ tendem Material für die bekannte Vorrichtung nicht verwend­ bar.

Die gewünschte Erzeugung eines Temperaturgradienten erfor­ dert hierbei eine völlig andere chromatographische Technik als im Falle der vorliegenden Erfindung, die eine äußerst homogene Wärmeverteilung über die gesamte Trennsäule erfor­ dert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaschroma­ tographen mit einer als Kapillare ausgebildeten Trennsäule und einer Einrichtung zur Beheizung der Säule anzugeben, der bezüglich der Heizeinrichtung so weitgehend verbessert und weiterentwickelt ist, daß hierdurch die vorgenannten Nachteile, Schwierigkeiten und technischen Grenzen überwun­ den werden.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Gaschromatographen der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der Erfindung dadurch, daß die Trennsäule oder ein die Trenn­ säule aufnehmender Träger im radialen Abstand um den Kern eines Transformators herum unter Bildung eines Sekundär­ kreises angeordnet ist.

Bei dieser Ausgestaltung stellt die Trennsäule oder ein die Trennsäule aufnehmender Träger gleichzeitig den Sekundär­ kreis des Transformators dar und wird bei Erregung des Primärkreises induktiv geheizt. Mit Vorteil läßt sich die induktive Heizung feinfühlig einstellen und regeln, sie ist überdies unkompliziert und mit sehr wirtschaftlichen Mit­ teln verwirklichbar.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß die Säule aus elektrisch nicht leitendem Material wie z. B. Quarz besteht und in Win­ dungen um ein den Träger bildendes Metallrohr von geringer, gleichbleibender Materialdicke herumgewickelt ist. Dieses Metallrohr stellt dabei nach Art einer Kurzschluß­ wicklung den Sekundärkreis des Transformators dar und wird entsprechend der Eingangsleistung im Primärkreislauf des Transformators induktiv mehr oder weniger stark erwärmt. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalles wird dieses auf seiner gesamten Oberfläche gleichmäßig erwärmt und gibt die Temperatur durch Wärmekontakt und Strahlung an die in Windungen herumgelegte Säule gleichmäßig ab. Zur feinfühligen Überwachung der Temperatur ist am Metall­ rohr wenigstens ein Temperaturgeber angeordnet. Ein vorteilhafter Wärmeübergang zwischen dem Metallrohr und der Säule kommt dadurch zustande, daß die Windungen der Säule um das Metallrohr unter Bildung gegenseitiger Kon­ taktflächen herumgelegt sind.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Säule aus elektrisch leitfähigem Material besteht oder entspre­ chend beschichtet ist und unter Bildung einer Sekundärwick­ lung um den Transformatorkern herum angeordnet ist. Hierbei wird unmittelbar innerhalb der Säule die erforder­ liche Wärme durch Induktion erzeugt. Dabei ist vorgesehen, daß die die Sekundärwicklung des Transformators bildende Säule in regelmäßiger Anordnung mit gleichbleibendem radika­ lem Abstand vom Transformatorkern um diesen herumgelegt ist. Auch bei dieser Ausführung ist vorgesehen, daß an der Se­ kundärwicklung wenigstens ein Temperaturgeber angeordnet ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß das Metallrohr doppel­ schalig ausgebildet und die Säule zwischen einer inneren Rohrschale und einer äußeren Rohrschale angeordnet ist. Hierbei wird ein besonders guter und gleichmäßiger Wärme­ übergang von den Rohrschalen an die Säule erzielt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß die von der Säule gebil­ dete Wicklung mit einer Isolierung abgedeckt ist. Diese Isolierung sorgt für eine gleichmäßig Wärmeverteilung über den Querschnitt der Säule, wodurch ein besonders gutes An­ alysenergebnis gewährleistet ist. Dabei kann sowohl die Innenseite des Metallrohres als auch die Außenseite der Wicklung auf dem Metallrohr mit einer Isolierung abgedeckt sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Eine Seitenansicht des Chromatographen;

Fig. 2 einen Schnitt des Chromatographen entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Chromatograph weist eine als Kapillare ausgebildete Säule 1 auf. Deren Eingang 4 weist einen (nicht dargestellten) Injektor und deren Ausgang 5 einen (ebenfalls nicht dargestellten) Detektor auf. Zur Durchführung einer Gaschromatographie, welche bekanntlich eine Methode zur chemischen Analyse komplexer Gemische dar­ stellt, wird ein Probengemisch verdampft und mittels eines Trägergasstromes 15 durch die Kapillare 1 - die sogenannte Säule - transportiert. Während des Säulendurchganges kommt es zu einer Auftrennung des Gemischs nach Maßgabe unter­ schiedlicher Wanderungsgeschwindigkeiten der einzelnen Ge­ mischkomponenten. Am Säulenausgang 5 können dann die ein­ zelnen Komponenten qualitativ durch Bestimmung der Aufent­ haltszeit in der Säule 1 und quantitativ durch Bestimmung der Größe des Signals vom Detektor an dem Ausgang 5 nach­ gewiesen werden. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Kompo­ nenten hängt in erheblichem Maße von der Säulentemperatur ab. Um die Analysendauer zu verkürzen bzw. um langsam wan­ dernde Komponenten der Gaschromatographie überhaupt erst zugänglich zu machen, muß bekanntlich die Säule 1 beheizt werden. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Heizeinrichtung des Chromatographen besteht darin, daß die Trennsäule 1 oder ein die Trennsäule 1 aufnehmender Träger 2 im radialen Abstand um den Kern 11 eines Transformators 10 herum unter Bildung eines Sekundärkreises angeordnet ist.

Bei der in Fig. 1 beispielhaft gewählten Ausführungsform besteht die Säule 1 aus elektrisch nicht leitendem Material wie z. B. Quarz und ist in Wicklungen 20 um ein den Träger bildendes Metallrohr 2 von vergleichsweise geringer, gleichbleibender Materialdicke herumgewickelt. Am Metall­ rohr 2 ist wenigstens eine. Temperaturgeber 3 angeordnet. Vorzugsweise können mehrere Temperaturgeber 3 angeordnet und beispielsweise in Reihe geschaltet sein, woraus dann eine sehr exakte Angabe der induktiv erzeugten Temperatur des Trägerrohres 2 ermittelt werden kann.

Für die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Be­ heizung der Trennsäule 1 ist es erforderlich, daß die Wick­ lungen 20 der Kapillare 1 um das Metallrohr 2 unter Bildung gegenseitiger Kontaktflächen herumgelegt sind. Durch den Körperkontakt zwischen den Wicklungen 20 und dem Metallrohr 2 wird ein guter Wärmeübergang geschaffen, wobei dabei auch noch zusätzliche Wärme durch Strahlung vom Metallrohr 2 auf die Wicklungen 20 der Säule 1 übertragen wird.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel wird da­ von ausgegangen, daß die Trennsäule 1 aus elektrisch nicht leitendem Material besteht, beispielsweise Quarz, und in­ folgedessen selbst nicht induktiv erwärmt werden kann. Des­ halb wird ein metallischer Träger in Form des Rohres 2 be­ nötigt, welches den Sekundärkreis des Transformators 10 darstellt. Dessen Primärkreis bzw. Primärwicklung 12 ist in bekannter Weise an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Es kann aber auch der Fall gegeben sein, daß die Säule 1 aus elektrisch leitfähigem oder entsprechend beschichtetem Material besteht. In diesem Falle kann die Säule 1 bevor­ zugt unter Weglassung eines metallischen Trägers 2 unmit­ telbar selbst unter Bildung einer Sekundärwicklung in Wick­ lungen 20 um den Transformatorkern 11 herum angeordnet sein. Bei Erzeugung eines Induktionsfeldes würde dann un­ mittelbar in der Wicklung 20 Wärme entstehen, deren Kon­ trolle durch wenigstens einen Temperaturgeber 3 und vor­ zugsweise mehrere Temperaturgeber erfolgen könnte. Bei ei­ ner solchen, ebenfalls unter die Erfindung fallenden Anord­ nung mit einer elektrisch leitenden Säule ist es erforder­ lich, daß die die Sekundärwicklung 20 des Transformators 10 bildende Säule 1 in regelmäßiger Anordnung mit gleichblei­ bendem radialem Abstand vom Transformatorkern 11 um diesen herumgewickelt ist. Zur Erzielung eines Kurzschlußstroms muß die Injektorseite 4 mit der Detektorseite 5 elektrisch leitfähig verbunden sein.

In der Fig. 2 ist der Gaschromatograph mit der erfindungs­ gemäßen Heizeinrichtung im Schnitt der Ebene II-II in Fig. 1 gezeigt. Die im angenommenen Beispiel aus nicht lei­ tendem Material wie Quarz bestehende Trennsäule 1 ist in Wicklungen 20 um den Träger 2 herumgewickelt, der von einem Metallrohr beispielsweise aus Messing, Alu oder dergleichen gebildet ist. Der im Schnitt dargestellte Transformator 10 mit dem Kern 11 weist die Primärwicklung 12 und als sekun­ däre Kurzschlußwicklung das Metallrohr 2 auf.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Metallrohr 2 doppelschalig ausgebildet und die Säule 1a zwischen einer inneren Rohrschale 2a und einer äußeren Rohrschale 2b an­ geordnet sein. Durch diese Ausgestaltung wird ein besonders inniger Wärmekontakt zwischen dem Träger 2 und den Wicklun­ gen 20 der Säule 1 gebildet.

Bei einer anderen Ausgestaltung kann mit Vorteil von der Maßnahme Gebrauch gemacht sein, daß die von der Trennsäule 1 gebildete Wicklung 20a mit einer Isolierung 8 abgedeckt ist. Durch diese Isolierung 8 wird sowohl ein Wärmeverlust verhindert, als auch eine gleichmäßige Wärmeverteilung über den Umfang und die Breite der Wicklung 20a sichergestellt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei sowohl die Innen­ seite 2a des Metallrohres 2 als auch die Außenseite 20b der Wicklung 20a mit einer Isolierung 8a, 8b abgedeckt sind. Sowohl die zweischalige Ausführung des Metallrohres 2a, 2b auf der linken Darstellungsseite der Fig. 2 als auch die Ausführung einer doppelten Isolierschicht 8a, 8b auf der rechten Ausführungsseite der Fig. 2 lassen erkennen, wie diese Ausgestaltungen fallweise ausgebildet sein können.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Heizung kann bei entsprechender Dimensionierung des Systems der Energiever­ brauch für die Säulenheizung, die beim Stand der Technik mit etwa 2000 Watt zu veranschlagen ist, auf 10% oder we­ niger dieser Leistung reduziert werden. Dadurch bedingt kann auch eine Klimatisierung der Meßräume entfallen. Dies insbesondere dann, wenn entsprechend den letztgenannten Vorschlägen das Metallrohr zweischalig ausgebildet und mit innerer bzw. äußerer Isolierschicht 8a, 8b abgedeckt ist. Darüberhinaus erlaubt die Erfindung einen kleineren und leichteren Aufbau des Gaschromatographen, so daß der mobile Einsatz eines derartigen Gerätes wesentlich erleichtert wird.

Mit Hilfe des mit der Erfindung vorgeschlagenen Konzepts einer Einrichtung zur unmittelbaren Beheizung der Trennsäule 1 lassen sich extrem dünne Kapillaren, beispielsweise mit einem inneren Durchmesser von ( 0,2 mm, als Trennsäulen verwenden. Solche extrem dünnen Säulen weisen entsprechend hohe Trennleistungen auf und ermöglichen auf diese Weise nicht nur sehr schnelle sondern auch aussagekräftige Analy­ sen. Wesentlich dafür ist eine hochpräzise, möglichst träg­ heitsarme Temperatursteuerung des Gaschromatographen, wie sie mit konventionellen Geräten bei deren Ausstattung mit indirekter Heizung z. B. durch erwärmte Luft, nicht möglich ist. Die mit der Erfindung verbesserte Trennleistung der Säule sowie bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse habe eine vorteilhafte Verringerung der Kosten für gaschromato­ graphische Analysen zur Folge, da die durchschnittliche Zeit für Aufnahme und Auswertung eines Chromatogramms we­ sentlich verkürzt wird. Dabei spielt auch die automatische Auswertung eine erhebliche Rolle. Eine Senkung der Nach­ weisgrenzen in der Spurenanalytik wird durch ein verbesser­ tes Signal/Rausch-Verhältnis ebenfalls möglich gemacht.

Durch die mit der Erfindung erzielten Vorteile wird eine Verbesserung der Analysenqualität in der Umwelttechnik er­ zielt und - bedingt durch die Energieeinsparung und die verbesserten Ergebnisse bei der Spurenanalyse - ein direk­ ter Beitrag zum Umweltschutz geleistet.

Insofern ergibt die Erfindung eine ideale Lösung der ein­ gangs gestellten Aufgabe.

Claims (11)

1. Gaschromatograph mit einer Trennsäule - vorzugsweise als Kapillare ausgebildet - und einer Einrichtung zur Beheizung der Säule, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennsäule (1) oder ein die Trennsäule (1) aufnehmender Träger (2) im ra­ dialen Abstand um den Kern (11) eines Transformators (10) herum unter Bildung eines Sekundärkreises angeordnet ist.

2. Gaschromatograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Säule (1) aus elektrisch nichtleitendem Mate­ rial wie z. B. Quarz besteht und in Wicklungen (20) um einen Träger (2) aus Metall herumgewickelt ist.

3. Gaschromatograph nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) ein Metallrohr von ge­ ringer, gleichbleibender Materialdicke ist.

4. Gaschromatograph nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem als Metallrohr ausgebildeten Träger (2) wenigstens ein Temperaturgeber (3) angeordnet ist.

5. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (20) der Säule (1) um den als Metallrohr ausgebildeten Träger (2) unter Bil­ dung gegenseitiger Kontaktflächen herumgelegt sind.

6. Gaschromatograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Säule (1) aus elektrisch leitfähigem Material besteht oder damit beschichtet ist, und unter Bildung einer Sekundärwicklung um den Transformatorkern (11) herum ange­ ordnet ist.

7. Gaschromatograph nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Sekundärwicklung (20) des Transformators (10) bildende Säule (1) in regelmäßiger Anordnung mit gleichbleibendem radialen Abstand vom Transformatorkern (11) um diesen herum angeordnet ist.

8. Gaschromatograph nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sekundärwicklung (20) wenigstens ein Temperaturgeber angeordnet ist.

9. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der als Metallrohr ausgebildete Träger (2) doppelschalig ausgebildet und die Säule (1a) zwischen einer inneren Rohrschale (2a) und einer äußeren Rohrschale (2b) angeordnet ist.

10. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die von der Säule (1) gebildete Wicklung (20a) mit einer Wärmeisolierung (8) abgedeckt ist.

11. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß sowohl die innere Rohrschale (2a) des als Metallrohr ausgebildeten Trägers als auch die Außenseite (20b) der Säulenwicklung (20) mit einer Wärme­ isolierung (8a), (8b) abgedeckt sind.