ITMI20012840A1 - Metodo ed apparecchio per l'iniezione a vaporizzazione di volumi elevati in analisi gas-cromatografiche - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione che ha per titolo:

"METODO ED APPARECCHIO PER L'INIEZIONE A VAPORIZZAZIONE DI VOLUMI ELEVATI IN ANALISI GAS-CROMATOGRAFICHE",

La presente invenzione concerne un metodo ed un apparecchio per l'iniezione di campioni liquidi in apparati di analisi gas cromatografica. Più specificatamente, l'invenzione si riferisce ad un metodo e ad un apparecchio specialmente adatti per l'iniezione a vaporizzazione di grandi volumi di campioni liquidi in un gascromatografo, tramite un iniettore split/splitless, in condizione splitless.

Con la locuzione "grandi volumi di liquidi" si intendono volumi di campione (costituito dalla sostanza da analizzare e dal relativo solvente) che sono grandi o molto grandi in relazione alla colonna gas cromatografica e alla tecnica di iniezione utilizzate in modo convenzionale.

Così, nella gas cromatografia si utilizzano normalmente colonne con un diametro interno compreso tra 0,25 mm e 0,53 mm ed una camera di vaporizzazione (liner) di volume adeguato, che consente l'introduzione di campioni, in modalità splitless, dell'ordine di 1 - 3 μΙ. La presente invenzione consente, in questi casi, senza modificare le colonne o la camera di vaporizzazione, l'iniezione in modalità splitless di campioni maggiori di 5 μΙ e fino a 50 μΙ e oltre.

Va inoltre sempre più diffondendosi l'utilizzo di colonne cosiddette "narrow bore" aventi diametro interno minore di 0,25 mm (tipicamente da 0,10 a 0,18 mm). Queste colonne, che presentano il vantaggio di una maggiore efficienza per unità di lunghezza, richiedono però un trasferimento del campione dalla camera di vaporizzazione alla colonna in tempi molto brevi. Questa condizione è oltremodo difficile da soddisfare per il basso flusso a cui queste colonne devono lavorare. Ne risulta che è pressoché impraticabile una iniezione splitless convenzionale e normalmente si deve ricorrere ad una iniezione split dove solo una piccola frazione del campione viene trasferita in colonna (tipicamente solo 1/50 - 1/100 di 1 μΙ iniettato). Grazie alla presente invenzione diventa possibile il trasferimento del campione in modalità splitless anche nel caso di cromatografia con colonne "narrow bore". Questo aspetto estende le possibilità di applicazione della presente invenzione, qui riepilogate: 1 ) iniezioni splitless di campioni maggiori di 5 μΙ e fino a 50 μΙ e oltre con colonne tradizionali e 2) iniezione splitless di campioni fino a 1-5 μΙ e altre con colonne "narrow bore".

Si è comunque tentato, nella cromatografia tradizionale, di aumentare il volume iniettabile dei campioni in quanto le tendenze attuali sono orientate verso un aumento dei volumi da iniettare, per poter rilevare anche quantità del composto da analizzare sempre più basse e in modo più facile, ed a questo scopo sono state elaborate tecniche per scaricare all'esterno, senza introduzione nella colonna gascromatografica, la maggior parte dei vapori di solvente che, per primi, si formano e vengono eliminati dalla camera di iniezione a vaporizzazione. Ciò comporta però spesso delle perdite dei composti più volatili che seguono i vapori di solvente scaricati.

La domanda di brevetto italiana No MI 2000A001634 del 19.07.2000 e la corrispondente domanda di brevetto europea No. 01114900.2 il cui contenuto è da considerarsi qui incorporato per riferimento, descrivono un dispositivo di iniezione e un metodo di iniezione a vaporizzazione, in cui il campione (costituito dalla sostanza da analizzare e da un relativo solvente) è introdotto nella camera di vaporizzazione calda ad una velocità elevata, in modo che attraversi tutta la lunghezza di tale camera sotto forma di una banda liquida. Tale banda colpisce poi un mezzo di arresto e vaporizzazione, ad esempio un ostacolo, un impaccamento od altro, all'estremità bassa della camera, dove il liquido vaporizza per consentire l'introduzione del campione sotto forma di vapore nella colonna gas-cromatografica, la cui entrata è immediatamente adiacente.

Questa tecnica consente di evitare gli inconvenienti, esposti nella domanda citata, di una vaporizzazione del campione nell'ago della siringa, e nello stesso tempo permette di allungare la camera di vaporizzazione oltre 80 mm e quindi di effettuare l'iniezione di campioni di volume relativamente grande senza problemi di perdite per "overflow" attraverso la testa della camera e/o lo spurgo del setto (si veda il brevetto EP 699 303 per iniezione con "overflow"), e naturalmente senza le perdite di volatili che possono aversi se il solvente viene eliminato prima dell'ingresso in colonna.

Tuttavia, pur avendosi un considerevole aumento dei volumi iniettabili, da 1-3 μΙ degli iniettori convenzionali a circa 5-10 μΙ, questi volumi sono necessariamente limitati dal volume della camera, che non può essere aumentato a piacere.

Ciò premesso, lo scopo principale della presente invenzione è quello di proporre un metodo ed un apparecchio per l'iniezione a vaporizzazione in modalità splitless di volumi di campione ancora più grandi, senza eliminazione dei vapori di solvente verso l'esterno, ovvero con introduzione di tutto il campione nella colonna gas-cromatografica e senza che si verifichino fenomeni di "overflow", né che si verifichi una vaporizzazione nell'ago di iniezione.

Per realizzare questo scopo si deve effettuare una iniezione rapida del campione, tale da creare una banda liquida dello stesso all'interno della camera di vaporizzazione riscaldata. Così vengono eliminati gli inconvenienti dovuti al riscaldamento dell'ago della siringa. Rimane da risolvere il problema di evitare che il grande volume di campione vaporizzato, il quale non può essere contenuto nella camera, venga disperso anche solo in parte nella testa della camera e nello spurgo del setto ("overflow"). Pertanto, i vapori devono essere inviati alla colonna gas-cromatografica ad una velocità sostanzialmente uguale a quella della loro formazione.

Si è tentato di risolvere tale problema, fra l'altro, nella pubblicazione di Watanabe e Hashimoto (Journal of High Resolution Chromatography Voi. 13, Sept 1990, 610-613) dove, adottando un iniettore per colonne impaccate, senza spurgo del setto e senza splittaggio, viene prevista l'iniezione di grandi volumi di campione (50 μΙ), ma a bassa velocità (circa 5 μΙ/s) e con una velocità aumentata del carrier per far passare i vapori in un capillare mantenuto freddo durante l'iniezione. Anche nelle pubblicazioni di Suzuki et al (Journal of AOAC International Voi. 77 No. 6, 1994. 1647 - 1641 e Journal of Chromatography A. 662 (1994) 139-146) viene utilizzata una trappola fredda a valle dell'iniettore, ma sempre prevedendo un'iniezione lenta (2,5 μΙ/s) che provoca i noti problemi di vaporizzazione con perdita dei prodotti pesanti che rimangono nell'ago e provocano errori importanti nell'analisi del campione. La trappola fredda ricondensa solo le sostanze da analizzare, ma non il solvente, che viene scaricato all'esterno come vapore attraverso un apposito condotto controllato da una valvola.

L'eliminazione del solvente nel modo descritto nei lavori citati provoca una perdita anche dei componenti leggeri ed inoltre una deformazione dei picchi del cromatogramma, con impossibilità di una corretta valutazione quantitativa di composti con una volatilità alta o media. Va notato ancora che Watanabe e Suzuki iniettano a velocità controllata, il che può essere ottenuto solo con estrema difficoltà manualmente, e normalmente necessita di un auto-campionatore speciale. In piu, la velocità adatta deve essere ottimizzata sperimentalmente.

Lo scopo dell'invenzione viene invece ora perfettamente risolto con un metodo ed un apparecchio come definiti nelle rivendicazioni allegate. In sostanza, si prevede, fra l'iniettore e la colonna gas-cromatografica, una precolonna costituita da un capillare privo del rivestimento di fase stazionaria, mantenuto almeno durante l'iniezione ad una temperatura tale da provocare ricondensazione dei vapori del solvente. Questa ricondensazione da luogo ad una caduta di pressione verso monte che determina un prelievo ("risucchio") dei vapori dalla camera di vaporizzazione. Ciò consente di trattare grandi quantità di campione iniettate in modo rapido, in quanto i vapori vengono prelevati dalla camera sostanzialmente alla medesima velocità della loro formazione, senza quindi che tali vapori si espandano sotto pressione verso l'alto della camera e fuori di essa, anche indipendentemente dalle dimensioni della camera.

In altre parole, mentre secondo la tecnica precedente in iniezioni a vaporizzazione in modo splitless e con introduzione rapida del campione il volume di questo era necessariamente limitato dal volume della camera di vaporizzazione, secondo l'invenzione viene ora superata questa limitazione grazie al prelievo dei vapori di solvente sostanzialmente alla stessa velocità della loro formazione.

L'invenzione verrà ora ulteriormente descritta con riferimento alla rappresentazione schematica riprodotta nella figura 1 in allegato e mostrante un apparecchio per analisi gas-cromatografica secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura 1 , il corpo di un iniettore 11 accoglie una camera di vaporizzazione 6 al di sopra della quale è posizionato un setto 1 fissato sull'iniettore da un elemento di tenuta 2.

La camera di vaporizzazione 6 è riscaldata di preferenza solo nella porzione inferiore ad opera di elementi riscaldanti 12 ben noti, mentre la porzione superiore, chiusa da una coppa 4, è preferibilmente non riscaldata.

L'iniettore comporta inoltre un condotto 5 per l'entrata del gas di trasporto ("carrier") e un condotto 3 utilizzato nelle operazioni di pulizia del setto ad opera del "carrier". La camera di vaporizzazione è fissata al corpo dell'iniettore a mezzo di una tenuta 8. Il condotto 10 indica schematicamente una linea di splittaggio, con una relativa valvola 16. Il campione, prelevato secondo le tecniche note, viene introdotto nella camera mediante una siringa il cui ago 14, di dimensioni eventualmente ridotte rispetto agli aghi convenzionali, perfora il setto 1 per raggiungere un punto predeterminato della camera e iniettare il campione allo stato liquido come un getto "a banda" che percorre il resto della camera di vaporizzazione fortemente riscaldato con una velocità tale che il trasferimento di calore e la conseguente vaporizzazione sono trascurabili. In ogni caso, la banda liquida viene respinta da una sorta di effetto "cuscinetto" determinato dalla vaporizzazione di minime quantità di solvente sulle pareti della camera, in modo che tale banda rimane inalterata attraversando longitudinalmente la camera stessa, e seguendone la configurazione.

In particolare, il campione viene iniettato in corrispondenza o in prossimità della porzione superiore preferibilmente poco riscaldata della camera di vaporizzazione, tramite un ago 14 di lunghezza ridotta, ad esempio tale da penetrare nella camera per un tratto non superiore a 30 mm. In alternativa, un ago di lunghezza superiore può essere introdotto solo parzialmente.

Per la vaporizzazione, il campione liquido viene trasferito su di un mezzo di arresto e vaporizzazione quale ad esempio un impaccamento in lana di vetro o in silice fusa disattivata oppure un materiale per colonne impaccate, indicato nella figura con il riferimento 7. Alternativamente il campione viene fermato su un ostacolo o intrappolato fra ostacoli, come ad esempio avviene nel "laminar liner" fornito dalla società Restek. La posizione di detti impaccamenti od ostacoli all'interno della camera determina il punto centrale di vaporizzazione del campione e pertanto essi permettono di evitare che goccioline di liquido entrino nella colonna 9 o passino direttamente nel condotto di splittaggio.

Le operazioni di prelievo e di introduzione del campione nella camera di vaporizzazione 6 possono essere effettuate manualmente o mediante un campionatore automatico.

Si è rilevato che una velocità di uscita del campione dall'ago, quale normalmente si ottiene con iniezione manuale, pari a circa 10 m/secondo, è sufficiente per trasferire il liquido all'impaccamento 7 senza generare una vaporizzazione apprezzabile.

Secondo l'invenzione della domanda MI 2000A001634, per potere iniettare quantità elevate di campione si aumenta la capacità della camera, tendendo inoltre ad eliminare i "volumi morti" esterni, il che consente di esaltare l'effetto di "impulso di pressione" che si verifica in modo sostanzialmente automatico nel corso dell'iniezione a vaporizzazione (auto pressure pulse).

Con tali accorgimenti, si possono ad esempio introdurre sino a 10 μΙ di un campione sciolto in esano.

Al fine di poter operare con quantità maggiori di campione lasciando inalterate od anche riducendo le dimensioni della camera di vaporizzazione, viene prevista secondo la presente invenzione una precolonna 9, costituita da un capillare privo di rivestimento interno e di lunghezza adeguata (per esempio 0,32 mm i.d. x 5 m oppure 0,53 mm i.d. x 3 m) disposto fra l'iniettore e la colonna gas-cromatografica 13, entro un forno 15. A valle della colonna 13 è previsto un rilevatore (detector) 17. La temperatura del forno 15 e quindi della precolonna 9 è mantenuta, almeno per tutta la durata dell'iniezione, ad un valore tale da determinare la ricondensazione dei vapori di solvente che entrano nella precolonna dalla camera di iniezione. Più precisamente tale temperatura dovrà essere inferiore al punto di rugiada della miscela vapore di solvente/carrier alla pressione del carrier.

La ricondensazione dei vapori di solvente nella precolonna 9 determina una forte riduzione del volume e di conseguenza una diminuzione di pressione nella zona di monte della stessa, che "risucchia" i vapori di solvente nella precolonna ad una velocità sostanzialmente uguale a quella di formazione dei vapori stessi nella camera.

Le dimensioni della precolonna 9 devono essere tali da consentire una capacità di ritenzione di liquido sufficiente per contenere quasi tutto il campione.

Il mezzo di arresto e vaporizzazione 7 è preferibilmente costituito da lana di vetro disattivata posta immediatamente sopra l'ingresso della precolonna 9 per minimizzare il volume di carrier presente fra la lana di vetro e l'ingresso precolonna che deve essere introdotto nella precolonna prima dei vapori di solvente. Il volume dell'impaccamento dovrà essere sufficiente a ritenere il campione, pur lasciando passare il carrier. Si consiglia un volume pari a circa 2-3 volte il volume liquido iniettato.

Come illustrato nella precedentemente citata domanda di brevetto della stessa richiedente, durante la vaporizzazione rapida del solvente si crea un impulso di pressione che collabora a spingere i vapori in colonna. Nel caso presente, è opportuno che tale impulso di pressione sia il più elevato possibile e pertanto l'iniettore viene vantaggiosamente progettato minimizzando i cosiddetti volumi morti, ovvero i volumi accessibili intorno alla camera di vaporizzazione ed inoltre è conveniente chiudere totalmente o almeno parzialmente l'uscita 3 di spurgo del setto durante tutta l'iniezione. Sempre per questa ragione, va eliminato ogni filtro (tipicamente carbone attivo) fra la camera di vaporizzazione e la valvola 16 di chiusura dello spliffaggio. Tale filtro (non illustrato), se è previsto, va posto a valle della valvola 16.

Da notare che a causa dell'impulso di pressione e della violenta vaporizzazione del solvente nella camera, il trasferimento dei vapori nella precolonna non è praticamente influenzato dal carrier, le cui condizioni di alimentazione (pressione e portata) possono restare uguali a quelle che si hanno durante l'analisi.

Da notare ancora che per ottenere un trasferimento ottimale del campione dalla precolonna 9 alla colonna gas-cromatografica 13 è opportuno che la temperatura del forno 15 venga aumentata solo dopo che è terminata l'evaporazione del solvente nella precolonna sfessa e la sua asportazione dalla precolonna da parte del carrier.

Seguendo i dettami dell'invenzione, è stata effettuata l'analisi di più campioni da 40 μΙ di n-alcani in n-esano nella quantità di 1 ng/ml ciascuno. La colonna era di tipo SE52 lunga 15 m, di diametro interno 0,32 mm e con spessore della fase di 0,15 μΐτι , mentre la precolonna era formata da un capillare vuoto lungo 2 m con 0,53 mm di diametro interno. La temperatura del forno venne mantenuta a 70°C per la durata dell'iniezione e quindi aumentata per l'analisi alla velocità di 20°C/min. fino a 345°C, mentre l'iniettore è stato mantenuto a 300°C. La durata del periodo splitless è stata di 0,80 min e durante lo stesso tempo si è chiuso il condotto di spurgo del setto. Infine, si è usato elio quale carrier con un flusso di 2 ml/min.

E' risultato il cromatogramma di fig. 2 e, sulla base di 10 analisi, si è ottenuta la ripetibilità riportata nella tabella sottostante.

Tabella

Infine, sulla base di più analisi su quantità diverse di campione (da 5 a 50 μΙ) si è verificata una completa linearità dei risultati, come illustrato nella fig. 3.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l'iniezione a vaporizzazione di grandi volumi di campione liquido (sostanza da analizzare solvente) introdotto mediante l'ago di una siringa in una camera di vaporizzazione riscaldata facente parte di un iniettore applicato ad un apparecchio di analisi gascromatografica, il campione essendo inviato in forma di banda liquida attraversante ad alta velocità detta camera di vaporizzazione fino a mezzi di arresto e vaporizzazione posti in adiacenza all'apertura di un capillare di prelievo dei vapori, caratterizzato da un richiamo dei vapori del campione dalla camera di vaporizzazione all'interno del detto capillare mediante un’azione locale di contrazione del volume, risultante dalla ricondensazione almeno dei vapori di solvente in tale capillare.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dalla scelta del detto capillare nella forma di una precolonna priva di fase stazionaria, mantenuta a bassa temperatura almeno nel corso dell'iniezione.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui l'iniettore comporta un ingresso per il gas di trasporto (carrier), caratterizzato dal fatto che detta precolonna è mantenuta a temperatura inferiore al punto di rugiada della miscela vapori di campione/carrier, alla pressione del carrier.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta precolonna ha una superficie interna sufficiente a ritenere il campione ricondensato.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 2, 3 o 4, caratterizzato dal fatto che il programma di aumento di temperatura della precolonna ha inizio dopo il termine dell'evaporazione del solvente nella precolonna.
6. 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dall'alimentazione del carrier durante l'iniezione in condizioni di flusso e pressione sostanzialmente uguali a quelle previste nel corso dell'analisi gas-cromatografica.
7. 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il campione viene inviato attraverso l'iniettore come banda di liquido, impiegando condizioni tali da sostanzialmente evitare la sua vaporizzazione nell'ago.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la vaporizzazione della banda liquida avviene all'estremità della camera di vaporizzazione opposta a quella di introduzione del campione, immediatamente sopra l'entrata della colonna.
9. 9. Metodo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'iniezione è effettuata in modalità splitless e il campione iniettato ha un volume superiore a 5 μΙ.
10. 10. Metodo secondo almeno una delle rivendicazioni da 1 a 8, applicato alla gas-cromatografia con colonne "narrow bore", caratterizzato dal fatto che l'iniezione è effettuata in modalità splitless.
11. 11 . Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il campione iniettato ha un volume superiore a 0,5 μΙ.
12. 12. Apparecchio per l'analisi gas-cromatografica di campioni (sostanza da analizzare solvente), costituito da un iniettore del tipo a vaporizzazione, una colonna gas-cromatografica alloggiata in un forno ed un rivelatore, in cui l'iniettore è costituito da una camera riscaldata avente un setto, attraversabile da un ago atto all'iniezione rapida del campione in forma di banda liquida, la camera avendo inoltre un mezzo di arresto e vaporizzazione della banda in adiacenza all'ingresso di un capillare per il prelievo dei vapori e il loro invio alla colonna di separazione ed un condotto per l'alimentazione del gas di trasporto (carrier), caratterizzato dal fatto che il citato capillare è costituito da una pre-colonna priva di rivestimento di fase stazionaria, posta fra l'iniettore e la colonna di separazione.
13. 13. Apparecchio secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la camera di vaporizzazione comporta mezzi di riscaldamento della stessa, disposti ed operanti in modo che il profilo della temperatura nell'asse longitudinale del iniettore è tale che la parte in cui entra l'ago della siringa è poco riscaldata e la parte che segue è sufficientemente calda per respingere il liquido dalle pareti per effetto della formazione di un cuscinetto di vapore.
14. 14. Apparecchio secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che il mezzo di arresto e vaporizzazione è costituito da un impaccamento avente volume almeno pari al doppio del volume iniettato.
15. 15. Apparecchio secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che l'impaccamento è in lana di vetro o di silice fusa o di materiali simili disattivati.
16. 16. Apparecchio secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che il mezzo di arresto e vaporizzazione è costituito da ostacoli.
17. 17. Apparecchio secondo la rivendicazione 12 o 13, comportante un condotto di spurgo del setto tramite il carrier, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per chiudere o parzializzare il condotto di spurgo del setto.
18. 18. Apparecchio secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto di essere privo di filtro fra la camera di vaporizzazione e la valvola di controllo dello splittaggio.
19. 19. Apparecchio secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto di avere un filtro interposto tra la valvola di chiusura dello splittaggio e la valvola di regolazione dello stesso.