DE69019243T2

DE69019243T2 - Verfahren zur chromatographischen Trennung.

Info

Publication number: DE69019243T2
Application number: DE1990619243
Authority: DE
Inventors: Kimmo Himberg; Erkki Sippola
Original assignee: VTT Technical Research Centre of Finland Ltd
Current assignee: VTT Technical Research Centre of Finland Ltd
Priority date: 1989-07-04
Filing date: 1990-07-02
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2010-07-03
Also published as: EP0406757A2; FI893243A0; EP0406757A3; EP0406757B1; DE69019243D1; FI82553C; FI82553B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur chromatographischen Trennung, bei welchem die Trennung zwischen einer stationären Phase in einer Säule und einer durch die Säule hindurchgeleiteten mobilen Phase in zwei Stufen dadurch durchgeführt wird, daß die zu behandelnde Probe in eine erste Säule für eine Grobtrennung der in der Probe enthaltenen Verbindungen eingeleitet wird, und die Grobfraktion, die von ihr durch die Säule abgetrennt wird, in eine weitere Säule für eine zweite Trennstufe geleitet wird.
Die chromatographische Trennung beruht auf der Trennung oder der Sorption, die zwischen einer stationären Phase und einer mobilen Phase auftritt, und die Wirkung aufweist, daß die in der Probe enthaltenen Verbindungen in Fraktionen aufgeteilt werden, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Säule bewegen. Die stationäre Phase kann entweder flüssig oder fest sein, wogegen die mobile Phase entweder gasförmig oder flüssig sein kann. Bei der typischen Gaschromatographie ist die mobile Phase ein Gas, und die stationäre Phase eine viskose Flüssigkeit. Die Verbindungen oder Fraktionen, die in der Säule getrennt werden, werden im allgemeinen auf der Grundlage der Retentionszeiten unter Verwendung eines Detektors identifiziert.
Die chromatographische Trennung kann als einstufiger Prozeß ausgeführt werden, der allerdings den Nachteil eines schlechten Trennvermögens aufweist. Beispielsweise bei der Überwachung industrieller Prozesse oder bei der Analyse organischer Mikroelemente kann der Gegenstand der chromatographischen Trennung eine Probe sein, die zehn, hunderte oder tausende unterschiedlicher Verbindungen in sehr niedrigen Konzentrationen enthält, beispielsweise in der Größenordnung von einigen wenigen 10&supmin;&sup6;. Eine Trennung der Verbindungen würde sehr lange Untersuchungszeiten erfordern, die bei wiederholten Routineanalysen nicht möglich sind.
Ein weiteres, übliches Problem bei der chromatographischen Trennung besteht darin, daß die Säulen verschmutzungsanfällig sind, was zu Änderungen der Retentionszeiten der Verbindungen in der Säule führt. Dies wiederum führt zu Schwierigkeiten bei der Identifizierung der getrennten Verbindungen. Bei einem Versuch zur Lösung dieses Problems werden Bezugsverbindungen, die als Retentionsindexstandard bezeichnet werden, durch die Säule geleitet. Auf deren Grundlage ist es möglich, die Änderungen zu ermitteln, die bezüglich der Retentionszeiten der Verbindungen aufgetreten sind, die in der zu untersuchenden Probe enthalten sind. Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht ausreichend hilfreich in solchen Fällen, in welchen komplizierte Proben analysiert werden sollen, und löst auch nicht die Schwierigkeit der schlechten Trennfähigkeit der Säule.
Eine chromatographische Untersuchung komplizierter Proben kann dadurch wesentlich wirksamer ausgebildet werden, daß die Trennung in zwei Stufen durchgeführt wird, und zwar auf solche Weise, daß eine erste Säule eine Grobfraktion der Proben abtrennt, woraufhin diese Fraktion abgetrennt und einer zweiten Säule für eine endgültige Trennung der analysierten Verbindung zugeleitet wird. In diesem Fall müssen die in den beiden Säulen herrschenden Bedingungen unterschiedlich sein, und dies wird beispielsweise dadurch erzielt, daß in den beiden Säulen unterschiedliche Substanzen als stationäre Phasen eingesetzt werden. Infolge der Änderungen der Retentionszeit infolge der Verschmutzung der Säule war es allerdings in der Praxis schwierig, den Zeitpunkt zu bestimmen, zu welchem die gewünschte Fraktion abgetrennt werden sollte.
Das JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY, Band 363, Nr. 2, 29. August 1986, AMSTERDAM NL, Seiten 199 bis 205; F.R. GUENTHER ET AL: "Analysis of nitrogen heterocycles in shale oil by a dual capillary column heart cutting technique" beschreibt ein Verfahren zur chromatographischen Trennung einer Probe durch Trennen zwischen einer stationären Phase in einer Säule und einer durch die Säule hindurchgeleiteten mobilen Phase in zwei Stufen, wobei die Probe einer ersten Säule für eine Grobtrennung der in der Probe enthaltenen Verbindungen zugeführt wird, die in der ersten Säule stattfindende Trennung von einem ersten Detektor überwacht wird, und auf der Grundlage der Überwachung durch den Detektor eine von der Probe abzutrennende Fraktion von der ersten Säule einer zweiten Säule zugeleitet wird, und die in der zweiten Säule stattfindende Trennung durch einen zweiten Detektor überwacht wird, der am Auslaßende der zweiten Säule angeordnet ist.
Zu diesem Zweck wird bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik zuerst ein Versuchslauf unter Verwendung chromatographischer Standardsubstanzen durchgeführt, um ein geeignetes Retentionszeitfenster zu ermitteln. Wie voranstehend bereits erwähnt neigen allerdings Retentionszeiten zu einer Änderung während des Gebrauchs einer Säule.
Daher ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, das voranstehend geschilderte Verfahren nach dem Stand der Technik zu verbessern, um ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches verläßlicher ist.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
Gemäß der Erfindung ist es nicht mehr erforderlich, Versuche mit der Probe vor der Analyse durchzuführen, um den Zeitpunkt des Überleitens zu ermitteln. Das Verfahren stellt eine hohe Selektivität, Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit zur Verfügung, und gestattet die Automatisierung der Routinebehandlung ähnlicher Proben.
Die Erfindung ist besonders gut bei der Gaschromatographie einsetzbar, bei welcher die stationären Phasen in den Säulen voneinander verschiedene Flüssigkeiten sind, und die mobile Phase in beiden Säulen dieselbe gasförmige Substanz ist. Die zu analysierenden Proben können Flüssigkeiten sein, und in diesem Fall werden sie verdampft, unter Verwendung eines Injektors, in die mobile Phase, welche der ersten Säule zugeführt wird. Gleichzeit werden die Bezugsverbindungen, die vorher mit der einzuspritzenden Probe gemischt werden können, mit der mobilen Phase gemischt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Bezugsverbindungen, also die Retentionsindexstandards, eine homologe Reihe von Verbindungen bilden, die den von der analysierten Probe abzutrennenden Verbindungen gleichen, oder mit welchen letztere auf andere Weise geeignet verträglich sind. Grundsätzlich kann zur Durchführung der Erfindung selbst nur eine Bezugsverbindung ausreichend sein, jedoch werden in der Praxis die besten Ergebnisse durch Verwendung einer Reihe von Verbindungen erzielt, von denen die ersten zwei Mitglieder von der ersten Trennstufe erhalten werden, vor der abzuleitenden Fraktion, und eines oder mehrere Mitglieder danach.
Die Erfindung wird vorzugsweise in einer Vorrichtung zur chromatographischen Trennung ausgeführt, welche zwei an sich bekannte, aufeinanderfolgende Säulen aufweist, von denen jede ein Füllmaterial enthält, welches die stationäre Phase bildet, Zufuhr- und Auslaßleitungen, die an die erste Säule angeschlossen sind, um die mobile Phase und die analysierte Probe durch die Säule zur Grobabtrennung der in der Probe enthaltenen Verbindungen hindurchzuleiten, und eine Säulenverbindungsleitung zur Übertragung der durch die erste Säule von der Probe abgetrennten Grobfraktion in die zweite Säule für die zweite Analysierstufe. Die Vorrichtung weist einen Detektor auf, der zwischen den Säulen angeordnet ist, so daß die in der ersten Säule stattfindende Trennung überwacht werden kann, so daß die Übertragung der Fraktion auf der Grundlage der Analyse der Bezugsverbindungen erfolgen kann, die von dem Detektor erfaßt werden, wobei die Bezugsverbindungen zusammen mit der Probe in die erste Säule eingeleitet werden.
Die in den Säulen der Vorrichtung enthaltenen Füllmaterialien können voneinander verschiedene Flüssigkeiten sein, beispielsweise Polysiloxane. Der Detektor kann beispielsweise ein Flammenionsationsdetektor sein, ein Elektroneneinfangdetektor, oder ein Stickstoff- Phosphordetektor.
Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen mit Hilfe eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur chromatographischen Trennung zur Ausführung der Erfindung, welche aus zwei aufeinanderfolgenden Säulen besteht, während der ersten (oder zweiten) Trennstufe; und
Fig. 2 dieselbe Vorrichtung während der Ableitung der Grobfraktion, die von der Probe während der ersten Stufe abgetrennt wurde.
Die Trennvorrichtung, die in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, weist zwei hintereinander geschaltete Säulen 1, 2 auf. In der ersten Säule 1 ist das Füllmaterial eine viskose Flüssigkeit, beispielsweise Methylpolysiloxan, welche die stationäre Phase bildet, wogegen die stationäre Phase in der zweiten Säule 2 eine andere Flüssigkeit ist, beispielsweise Cyanopropylpolysiloxan. Eine gasförmige, mobile Phase wird der ersten Säule 1 über eine Zufuhrleitung 3 zugeführt. Die Zufuhrleitung ist mit einem Druckmeßgerät 4 und einem Injektor 5 für die Verdampfung der zu analysierenden Probe und der Bezugsverbindungen oder Retentionsindexstandards in das in die Säule 1 fließende Gas versehen. An das Auslaßende der Säule 1 ist eine Leitung 6 angeschlossen, welche an einem Verbindungspunkt 7 in eine Auslaßleitung 8 der Säule 1 und eine Verbindungsleitung 9 zwischen den Säulen 1 und 2 verzweigt. Über einen Verbindungspunkt 10 steht die Verbindungsleitung 9 mit einer Zufuhrleitung 11 in Verbindung, durch welche eine gasförmige, mobile Phase in die zweite Säule 2 eingeführt werden kann, und - falls erforderlich - auch in die Auslaßleitung 8 der Säule 1, über die Verbindungsleitung 9. Die Auslaßleitung 8 und die Zufuhrleitung 11, die an die Verbindungsleitung 9 angeschlossen ist, sind mit Ventilen 12, 13 versehen, wodurch die Leitungen geöffnet und geschlossen werden können. Für die Überwachung und Steuerung des Trennvorgangs ist die Vorrichtung mit Detektoren 14, 15 versehen, beispielsweise Flammenionisationsdetektoren, von denen einer zwischen den Säulen 1, 2 in Verbindung mit der von der Säule 1 wegführenden Leitung 6 angeordnet ist, und der andere am Auslaßende der Säule 2. Die Stärke des Ionisationsstroms, der von dem Detektor gemessen wird, gibt die Materialmenge der aus der Säule herausgelösten Fraktion an. Allerdings können auch andere Arten an Detektoren eingesetzt werden, und falls erforderlich können die Detektoren 14, 15 auch voneinander verschieden sein.
Der Gegenstand der chromatographischen Trennbehandlung unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung kann beispielsweise eine Probe aus Rohöl sein, in welcher bestimmte Kohlenwasserstoffe festgestellt werden sollen. Die mobile Phase besteht aus einem Trägergas, welches beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff oder Helium sein kann. Die Probe und die Bezugsverbindungen, die aus einer homologen Reihe von Kohlenwasserstoffen einer bestimmten Art bestehen kann, werden zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in das Trägergas eingespritzt, welches als kontinuierlicher Fluß über die Leitung 3 in die Säule 1 eingeführt wird, und weiterhin in die Auslaßleitung 8, wobei das Ventil 12 in dieser Leitung offen ist. Gleichzeitig wird ein kontinuierlicher Fluß an Trägergas über die Zufuhrleitung 11 in die zweite Säule 2 eingeführt, und über die Verbindungsleitung 9 in die Auslaßleitung 8 der Säule 1. Die Flüsse sind in Figur 1 durch Pfeile bezeichnet.
Der Trägergasfluß in der Zufuhrleitung 3 befördert die Probe und die Bezugsverbindung in die erste Säule 1, in welcher als Ergebnis der Trennung, die zwischen der stationären Phase und dem Trägergas auftritt, die Probe in Fraktionen unterteilt wird, die sich in der Säule mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorwärts bewegen. Jede Fraktion bleibt in der Säule für eine vorgegebene Retentionszeit, bis sie das Auslaßende erreicht. Der von der Säule 1 in die Auslaßleitung 8 fließende Fluß wird durch den Detektor 14 überwacht, der speziell abgestimmt ist, so daß er die ersten Bezugsverbindungen feststellt, die aus der Säule austreten.
Auf der Grundlage der Retentionsindizes, die aus den Retentionszeiten der vom Detektor 14 festgestellten Bezugsverbindungen berechnet werden, ist es möglich mit beträchtlicher Genauigkeit den Zeitpunkt festzustellen, zu welchem die gewünschte Fraktion, die von der Probe durch die erste Säule getrennt wurde, abgeleitet und der zweiten Säule 2 für eine weitere Trennung zugeführt werden muß. Der Detektor 14 kann so an die Ventile 12, 13 angeschlossen sein, daß diese zum Zeitpunkt der Ableitung automatisch geschlossen werden. Der Fluß von der ersten Säule 1 geht dann, wie in der Figur gezeigt ist, in die zweite Säule 2 über, in welcher die Grobfraktion schließlich in getrennte Verbindungen getrennt wird.
Sobald die Ableitung aufgetreten ist, werden die Ventile 12, 13 in der Auslaßleitung und der Zufuhrleitung 11 geöffnet, so daß das Trägergas erneut von der Zufuhrleitung 11 in die zweite Säule 2 und über die Verbindungsleitung 9 in die Auslaßleitung 8 fließen kann. Daher ergibt sich erneut die in Figur 1 gezeigte Situation. Während das Trägergas in die zweite Säule 2 fließt, wird die Fraktion, die abgeleitet wurde, in einzelne Verbindungen getrennt, die nach bestimmten Retentionszeiten vom Detektor 15 festgestellt werden.
Einem Fachmann auf diesem Gebiet wird deutlich, daß verschiedene Ausführungsformen der Erfindung nicht auf das voranstehend geschilderte Beispiel beschränkt sind, sondern stattdessen innerhalb des Umfangs der nachstehenden Patentansprüche variiert werden können.
Bezugszeichen in den Patentansprüchen sollen zum besseren Verständnis dienen, und nicht den Schutzumfang der Patentansprüche beschränken.

Claims

1. Verfahren zur chromatographischen Trennung einer Probe durch Trennen zwischen einer stationären Phase in einer Säule und einer durch diese hindurchgeleiteten mobilen Phase in zwei Stufen, wobei

- die Probe einer ersten Säule (1) für eine Grobtrennung der in der Probe enthaltenen Verbindungen zugeleitet wird,

- die in der ersten Säule (1) stattfindende Trennung von einen Detektor (814) überwacht wird,

- und auf der Grundlage der Überwachung durch den Detektor (14) eine von der Probe abzutrennende Fraktion von der ersten Säule (1) einer zweiten Säule (2) zugeführt wird,

- und die in der zweiten Säule (2) stattfindende Trennung von einem zweiten Detektor (15) überwacht wird, der am Auslaßende der zweiten Säule (2) angeordnet ist,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Einführen von zwei oder mehr Bezugsverbindungen in die erste Säule (1) gleichzeitig mit der Probe,

- wobei die Bezugsverbindungen so ausgewählt sind, daß die Retentionszeiten von zumindest zweien von ihnen kürzer sind als jene der von der Probe abzutrennenden Fraktion, und

- Bestimmung auf der Grundlage der Retentionsindizes, die aus den Retentionszeiten der Bezugsverbindungen berechnet werden, des Zeitpunkts, zu welchem die Fraktion von der ersten Säule (1) an die zweite Säule (2) übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Phasen in der ersten und zweiten Säule (1, 2) unterschiedliche Substanzen sind, wogegen die mobile Phase in beiden Säulen aus derselben Substanz besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Phasen Flüssigkeiten sind, und die mobile Phase ein Gas ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsverbindungen eine homologe Reihe von Verbindungen darstellen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Verbindungen zwei Mitglieder enthält, die von der ersten Säule (1) vor der abzuleitenden Grobfraktion erhalten werden.