DE69630109T2

DE69630109T2 - Kapillarsäule für chromatographische Trennungen und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69630109T2
Application number: DE69630109T
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Klaus K. Unger; Thomas Adam; Dr. Gerard Rozing; Dr. Monika Dittmann
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: DE69630109D1; US5858241A; EP0809108A1; EP0809108B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Säule für kapillarchromatographische Trennungen, zum Beispiel für die Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie, die Kapillarelektrochromatographie oder die superkritische Chromatographie. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Säule.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kapillarchromatographische Trennverfahren werden vorzugsweise in Quarzglasröhren mit Innendurchmessern im Bereich von 5 bis 530 μm durchgeführt. Solche Röhren bestehen aus Quarzglas (SiO₂), das bei hohen Temperaturen (1300°C) aus einem Quarzrohkörper (preform) gezogen und mit einer Außenschutzschicht aus Polyimid oder Aluminium versehen wird. Günstige mechanische Eigenschaften von Quarzglasröhren sind Robustheit, Zugfestigkeit, hohe Druckbeständigkeit und Biegestabilität. Durch hohe chemische Reinheit und gut definierte Oberflächen der Röhren wird in den meisten Fällen eine geringe Wechselwirkung mit den Lösungsmitteln garantiert und bei vielen Anwendungen eine optimale Trennung erzielt.
In der US-Patentschrift 4 293 415 von Dandeneau et al. wird die Verwendung einer Quarzglaskapillare beschrieben, die Innenwandbeschichtungen zur Förderung spezieller Wechselwirkungen und/oder zur weiteren Verringerung unerwünschter sekundärer Wechselwirkungen zwischen dem Lösungsmittel und der Oberfläche für die Gaschromatographie mit offenen Kapillarröhren (open tubular capillary gas chromatography, CGC) und die superkritische Flüssigkeitschromatographie mit offenen Röhren (open tubular supercritical fluid chromatography, SFC) aufweisen kann. Jorgenson et al. (Anal. Chemistry, 1981, 53, S. 1298) haben gezeigt, dass sich solche Kapillaren auch für das neuere Verfahren der Kapillarelektrophorese (capillary electrophoresis, CE) ideal eignen.
Es wurde gezeigt, dass Quarzglasröhren auch für Kapillartrennungen, die in einem gepackten Bett durchgeführt werden, verwendet werden können wie bei der SFC, der μ-HPLC und der Kapillarelektrochromatographie (capillary electrochomatography, CEC). Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften halten Quarzglaskapillaren die hohen Drücke aus, die entweder beim Packen der Röhren mit kleinen Teilchen mittels eines Hochdruckfiltrationsverfahrens oder beim Betrieb der Säule speziell im HPLC-Modus auftreten.
Bei Quarzglasröhren (oder anderen Röhren mit kleinem Innendurchmesser) muss das Packungsmaterial in dem Säulenbett in der Röhre festgehalten werden; andernfalls werden die Teilchen durch hydraulische oder elektrische Kräfte aus der Kapillarsäule verdrängt. In den meisten Fällen erreicht man dies durch poröse Fritten, die durch verschiedene Prozesse in der Kapillare gebildet werden.
In neueren Veröffentlichungen wurden Fritten aus den Teilchen der stationären Phase direkt durch Einwirken von Wärme auf eine Zone der gepackten Quarzglassäule gebildet, in welcher die entstehende Fritte fixiert werden sollte (z. B. Boughtflower et al., Chromatographia 40, 329 (1995), Smith et al., Chromatographia 38, 649 (1994), Rozing et al., LC-GC Magazine, Oktober 1995). Man nimmt an, dass die Teilchen unter diesen Bedingungen dadurch zusammenbacken, dass beim Erhitzen eine kleine Menge Siliciumdioxid unter Bildung von Kieselsäure in Wasser gelöst wird und sich die repolymerisierte Kieselsäure beim Abkühlen zwischen den Teilchen absetzt. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass sich die chemische Zusammensetzung der Zone bei der Frittenbildung nicht wesentlich verändert, dass die Durchführung an der Einlass- und an der Auslassseite kein Problem darstellt, dass die Länge der Frittenzone durch die Dimensionierung der verwendeten äußeren Wärmequelle gut beeinflusst werden kann und dass die Porosität des Säulenbettes nicht beeinträchtigt wird. Fotografien z. B. von Boughtflower et al. zeigen, dass die Teilchenstruktur durch diese Behandlung nicht beeinträchtigt wird und die Porosität zwischen den Teilchen deshalb erhalten bleibt.
Das Hauptproblem bei allen diesen Ansätzen besteht darin, dass die Teilchen der stationären Phase sich zwischen den durch die Fritten festgelegten Grenzen immer noch bewegen oder umlagern können, obwohl die Packung im Prinzip zwischen den Fritten eingeschlossen ist. Man hat beobachtet, dass sich die Teilchen der stationären Phase in gepackten Kapillaren während des Normalbetriebs einer solchen Kapillare umlagern, was zur Bildung von Leerräumen (oder ungepackten Abschnitten) zwischen den eingrenzenden Fritten führt. Hierfür sind elektrische und/oder hydraulische Kräfte verantwortlich, die während des Säulenbetriebs auf die Teilchen einwirken und zu Änderungen in der Packungsdichte führen. Diese Leerräume bewirken unerwünschte chromatographische Artefakte wie verringerte Wirksamkeit, nachlaufende Spitzen usw.
In der Schweizer Patentanmeldung CH-A-427351 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Trennsäule für die Gaschromatographie beschrieben, bei dem die Innenwand einer Kapillare mit dem Material einer stationären Phase beschichtet wird. Während des Herstellungsprozesses wird das Material der stationären Phase in eine Kapillare gefüllt und die gefüllte Kapillare anschließend durch einen Rohrofen gezogen.
In der deutschen Patentanmeldung DE-A-1673304 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Chromatographiesäule beschrieben, bei dem Kieselgel und Polyäthylenpulver gemischt und dann in einer Glasröhre gesintert werden, um eine gesinterte Säule herzustellen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Herstellung einer gepackten Säule für die Kapillarchromatographie bereitzustellen, bei dem das Packungsmaterial auf der gesamten Säulenlänge immobilisiert wird.
Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die oben erwähnten Probleme zu beseitigen oder zu verringern, die mit der Umlagerung von Teilchen in der Packung und der anschließenden Bildung von Leerräumen oder ungepackten Abschnitten zusammenhängen.
Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine gemäß der Erfindung hergestellte Säule für kapillarchromatographische Trennungen in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie oder der Kapillarelektrochromatographie umfasst ein aus Packungsmaterial bestehendes und in der inneren Bohrung der Säule angeordnetes Säulenbett, wobei das gepackte Bett durch eine im Folgenden beschriebene Wärmebehandlung vollständig immobilisiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung werden die erwähnten Probleme des Standes der Technik wie folgt vermieden. Die zur Durchführung einer μ-HPLC oder einer CEC verwendete Quarzglasröhre wird wie üblich gepackt (siehe z. B. Boughtflower et al., Rozing et al.). Nach dem Packen der Säule werden nicht die Begrenzungsfritten erzeugt, sondern das gesamte Packungsbett durch eine Wärmebehandlung immobilisiert. Dies wird wie folgt durchgeführt: Eine Heizspule, in deren Mitte sich die zu behandelnde Kapillare befindet, wird langsam entlang der Säule bewegt. Während dieses Prozesses wird an der Einlassseite der Säule Druck angelegt, um eine Strömung durch das gepackte Bett zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen erfolgt die Immobilisierung aufgrund des folgenden Mechanismus. Bei den durch die Heizspule erzeugten erhöhten Temperaturen wird eine kleine Menge Siliciumdioxid aufgelöst und Kieselsäure gebildet. Die Kieselsäuremoleküle werden dann durch den Flüssigkeitsstrom zu einem kälteren Bereich der Packung befördert, wo sie wieder polymerisieren und sich wie ein Kleber zwischen den Teilchen der stationären Phase abscheiden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsart der Erfindung.
2 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild der immobilisierten Zone einer Säule der Erfindung.
3 zeigt einen Vergleich zwischen den Chromatogrammen einer gepackten Kapillare vor und nach der Immobilisierung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN
1 zeigt eine gepackte Säule 1 gemäß einer ersten Ausführungsart der Erfindung. Die Säule besteht aus Quarzglas und hat eine übliche Länge von ungefähr 5 bis 200 cm. Die Säule hat einen Innendurchmesser im Bereich ungefähr zwischen 5 und 530 μm. Das Innere der Säule ist über den größten Teil ihrer Länge mit einem Packungsbett 2 gefüllt, welches zur Trennung der durch die Säule strömenden Probensubstanzen dient. Die Imobilisierung des Packungsbettes wird erreicht, indem die an eine Stromversorgung 4 angeschlossene Heizspule 3 mit einer geeigneten Geschwindigkeit entlang der Säule 1 bewegt wird. Während dieses Prozesses wird mittels einer Hochdruckpumpe 6 eine Flüssigkeit 5 (vorzugsweise Wasser) durch die Säule gepumpt. Die Geschwindigkeit, mit der die Heizspule entlang der Säule bewegt wird, und der Flüssigkeitsdurchsatz durch das Packungsbett hängen von den Eigenschaften des zu immobilisierenden Packungsmaterials ab und müssen experimentell ermittelt werden. Eine typische Geschwindigkeit für die Heizspule beträgt 2 mm/s und eine typische Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit beträgt 1 bis 2 mm/s. Die Temperatur der Heizspule wird so gewählt, dass die Temperatur im Innern der Kapillare ungefähr 300 bis 400°C beträgt. Bei dem beschriebenen Prozess wird die an der Außenseite der Kapillare befindliche Polyimidbeschichtung nicht entfernt oder zerstört. Das ist zur Erhaltung der mechanischen Festigkeit der Kapillare wichtig.
2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme der immobilisierten Zone und zeigt, dass die Struktur der Packungsteilchen und die Durchlässigkeit des Packungsbettes unverändert ist. Dieser Faktor ist für die chromatographische Leistung der Säule von Bedeutung.
Chromatographische Versuche haben gezeigt, dass sich die Widerstandseigenschaften der stationären Phase durch den Immobilisierungsprozess nicht verändert haben.
3 zeigt Chromatogramme einer Standardprobe in einer gepackten Kapillare vor (a) und nach (b) Immobilisierung.
Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, ein immobilisiertes Packungsbett zu erzeugen, bei dem die Packungsteilchen ohne Veränderung der mechanischen, chemischen und chromatographischen Eigenschaften der Packung „zusammengeklebt" werden. Hierdurch wird eine bessere Langzeitstabilität des Säulenbettes bewirkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Säule für kapillarchromatographische Trennungen in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie oder der Kapillar-Elektrochromatographie, welches die folgenden Schritte umfasst: – Einfüllen von Packungsmaterial der stationären Phase in eine Innenbohrung einer Kapillare, um ein gepacktes Säulenbett mit einer bestimmten Länge in der Kapillare zu bilden, – Einwirken einer Wärmebehandlung auf das Packungsmaterial der stationären Phase, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmebehandlung örtlich erfolgt, indem ein Heizelement über die gesamte Länge des gepackten Säulenbettes in der Kapillare geführt wird, um das gesamte Packungsmaterial der stationären Phase (2) zu immobilisieren, und – während der Wärmebehandlung durch Ausüben von Druck auf eine Einlassseite der Säule (1) Flüssigkeit durch das gepackte Säulenbett gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Heizelement ein Heizdraht ist und die Wärmebehandlung die Bewegung des Heizdrahtes (3) entlang der Säule (1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei – der Heizdraht eine elektrische Heizspule (3) ist und die Säule (1) in der Mitte der Spule angeordnet ist, und – sich die Heizspule mit Geschwindigkeiten von 0,5 bis 5 mm/s entgegen der Richtung des mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 5 mm/s unter einem linearen Druckgradienten von 100 bis 1000 bar bis zu Atmosphärendruck über das Bett strömenden Flüssigkeitsstroms bewegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Packungsmaterial (2) aus siliciumdioxidbasierten Partikeln mit einer Beschichtung besteht, welche für die Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie oder die Kapillar-Elektrochromatographie geeignet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Innenbohrung der Kapillare (1) einen Durchmesser zwischen ungefähr 5 und 530 μm aufweist und die Länge der Kapillare ungefähr zwischen 5 und 200 cm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kapillare (1) aus Quarzglas besteht.