ITMI981142A1

ITMI981142A1 - Metodo e apparecchio per l'introduzione di campioni di volume elevato in colonne capillari per gascromatografia

Info

Publication number: ITMI981142A1
Application number: IT98MI001142A
Authority: IT
Inventors: Fausto Munari; Konrad Grob; Paolo Magni; Pier Albino Colombo
Original assignee: Thermoquest Italia Spa
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-11-22
Also published as: DE69938021D1; EP0959351A2; EP0959351A3; US6257047B1; EP0959351B1; DE69938021T2

Description

Descrizione dell'invenzione che ha per titolo:

“Metodo e apparecchio per l’introduzione di campioni di volume elevato in colonne capillari per gascromatografia"

La presente invenzione opera nel campo della gascromatografia con colonne capillari e più in particolare si riferisce all'introduzione di campioni liquidi di grande volume direttamente all'interno di una colonna capillare (on-column) per la successiva analisi degli stessi in un noto apparecchio gascromatografico.

L’introduzione di campioni liquidi di grande volume (large volume), costituiti dalle sostanze da analizzare fortemente diluite in un adatto solvente, permette di ottenere analisi di composti a concentrazioni molto basse o di piccolissime quantità di campione in quanto diventa possibile iniettare l’intero campione, anche se ciò crea problemi dovuti alla grandissima quantità di solvente introdotto.

Con grande volume (large volume) si intendono quantità di campione relativamente grandi rispetto al volume convenzionalmente iniettato con modalità splitless o on-column. Non esiste una definizione precisa di large volume, ma in genere si considera “large volume" l'introduzione di un campione maggiore di 3 μΙ in colonne di piccolo diametro interno (0,2 mm o meno) e maggiore di 5 μΙ in colonne di diametro più grande.

Grandi volumi di campione vengono introdotti tramite la tecnica on-column o la tecnica di splittaggio del vapore cosiddetta Programmed Temperature Vaporizing (PTV) nella modalità "solvent splitting”.

La presente invenzione si riferisce alla tecnica on-column.

Per accelerare lo scarico dei vapori di solvente viene utilizzato un condotto di scarico (solvent vapor exit) posto in derivazione sulla connessione precolonna-colonna gascromatografica.

Questo condotto viene tenuto aperto per il tempo necessario ad eliminare la maggior parte dei vapori di solvente e quindi viene chiuso per inviare nella colonna gascromatografica la rimanente parte di solvente e la sostanza da analizzare, secondo modalità ben note.

Il problema principale posto da queste tecniche è dato dalla necessità di scaricare i vapori di solvente in modo tale che i componenti del campione rimangano all'ingresso della colonna.

Per risolvere questo problema sono state messe a punto due diverse metodologie, che si distinguono per il loro comportamento nei confronti dei volatili, chiamate rispettivamente:

- concurrent solvent evaporation (vaporizzazione concomitante del solvente) e

- partially concurrent solvent evaporation, realizzata con l'aiuto di una precolonna e la riconcentrazione del campione attraverso la tecnica di "retention gap" (intervallo di ritenzione)

La prima metodologia (concurrent evaporation) prevede l’introduzione del campione direttamente in una precolonna utilizzando condizioni di iniezione tali per cui tutto il solvente evapora durante la sua introduzione, in particolare la velocità d'iniezione del solvente nella precolonna deve essere uguale o minore della velocità di vaporizzazione del solvente nella precolonna.

Tale tecnica di concurrent solvent evaporation provoca perdite di componenti del campione che sono eluiti a temperature del forno al di sotto di circa 120-150°C (se iniettati in volumi maggiori di 100 μΙ e disciolti in un solvente organico volatile). Il suo campo di applicazione è pertanto ristretto. D'altro canto, la definizione delle condizioni operative è più semplice, le precolonne possono essere corte (tipicamente 1-2 m) e possono essere iniettati volumi di campione virtualmente illimitati. Per questa ragione, essa rappresenta la tecnica preferita per LC-GC (cromatografia liquida - gascromatografia) in linea quando i componenti da analizzare consentono la sua utilizzazione.

Quindi, la concurrent solvent evaporation è stata utilizzata principalmente in cromatografia LC-GC accoppiata in linea, dove le frazioni LC, normalmente di 200-1000 μΙ, sono introdotte in GC. Secondo lo stato dell'arte, l'introduzione è principalmente effettuata mediante interfaccia di tipo loop. Il tappo di campione liquido viene fatto avanzare dal carrier da un loop di campione entro una precolonna non rivestita di 1-3 m.

La temperatura della precolonna, o più esattamente del forno in cui è alloggiata la precolonna, è scelta in modo che la pressione di vapore del solvente all'estremità frontale del campione liquido arresti il flusso e gli impedisca di penetrare in profondità nella colonna.

Il vantaggio dell'introduzione attraverso il loop è che la velocità di introduzione si regola da sola. Lo svantaggio, tuttavia, è spesso di un violento movimento del liquido avanti e indietro per una distanza che arriva facilmente a 1,5m. I componenti del campione finiscono per venire allora depositati su tutta la lunghezza della zona bagnata.

In alternativa, la concurrent solvent evaporation viene realizzata mediante introduzione del campione a velocità controllata. Il carrier viene interrotto ed una pompa spinge il campione liquido all’ingresso della colonna nel forno GC. La temperatura del forno è scelta in modo da essere sufficientemente elevata per creare una pressione dei vapori di solvente che scarica i vapori di solvente del liquido introdotto. Entrambe le tecniche vengono chiamate “vapor overflow” perchè non c'è flusso di gas di trasporto durante l’introduzione del campione.

La metodologia chiamata partially concurrent solvent evaporation (con retention gap) prevede invece che sia attivo il flusso di gas di trasporto durante l'introduzione e che la velocità di evaporazione sia minore della velocità di iniezione, per cui almeno parte del campione si distribuisce come liquido nell'ingresso della colonna, formando una zona bagnata che si espande. L'ingresso della colonna consiste usualmente di una precolonna non rivestita relativamente grande.

Il campione liquido nell'ingresso della colonna (solvent trapping) viene utilizzato per ottenere un intrappolamento nel solvente dei componenti volatili del campione (solvent trapping). Ciò consente di vaporizzare e scaricare il solvente senza perdere i soluti. I soluti vengono riconcentrati all’ingresso della colonna analitica ed il processo cromatografico ha inizio.

L'intrappoiamento nel solvente (solvent trapping) utilizza il campione liquido come fase stazionaria gascromatografica temporanea per trattenere i componenti volatili del campione. Poiché la pellicola di campione ha uno spessore dell'ordine di 10-30 μιτι, il suo potere di ritenzione è elevato. Affinché sia efficace, lo strato di campione liquido deve essere disposto a valle del punto di evaporazione, in modo che i componenti contenuti nei vapori di solvente scaricati possono essere estratti e trattenuti. Il solvent trapping è stato descritto in K. Grob, "On-Column Injection in Capillary GC", Huethig, Heidelberg, 1987, 1991.

A causa deH'intrappolamento da parte del solvente, la tecnica di partially concurrent solvent evaporation (retention gap) ha un campo di applicazione più vasto della tecnica di concurrent evaporation: virtualmente tutti i componenti del campione eluiti dopo il solvente possono essere analizzati quantitativamente. Poiché la zona bagnata dal campione è lunga, è necessario utilizzare una precolonna non rivestita per restringere le bande iniziali dell'effetto di retention gap. Essa deve essere relativamente lunga (tipicamente 10m x 0,53 mm i.d.), il che può costituire un inconveniente per l'analisi di determinati tipi di componenti.

Secondo la teoria convenzionale, il campione liquido viene iniettato ad una velocità superiore alla velocità di vaporizzazione, che si traduce in un'espansione del campione liquido nella colonna (tecnica retention gap con solvent trapping), oppure viene iniettato ad una velocità inferiore, il che si traduce in una concurrent evaporation senza solvent trapping. Pertanto, sempre secondo la tecnica tradizionale, il solvent trapping sembra essere legato al liquido che si espande in una precolonna.

Ciò premesso, la presente invenzione si propone lo scopo di eliminare gli svantaggi citati ed altri ancora delle note metodologie sopra illustrate,

- realizzando un'introduzione diretta (on-column) di grandi volumi di campione in un tratto di ingresso di una colonna sufficientemente corto per evitare un allargamento dei picchi dovuto a bande iniziali eccessivamente lunghe,

- realizzando un’introduzione diretta (on-column) di grandi volumi di campione in un tratto di colonna o in una precolonna della lunghezza di 0,5-2 m che può essere eventualmente rivestita con fase stazionaria, al fine di realizzare il vantaggio di una migliore inerzia, e

- realizzando un’elevata capacità di ritenzione dei componenti volatili del campione attraverso la formazione di uno strato di campione liquido con una lunghezza limitata.

Secondo l’invenzione, ciò viene ottenuto attuando un metodo di iniezione come definito nella rivendicazione 1.

Nell’attuazione pratica, viene in particolare suggerito il metodo della rivendicazione 7.

L’apparecchio per la realizzazione del metodo secondo l’invenzione sarà configurato come indicato nella rivendicazione 14 e seguenti.

In pratica, attuando il metodo dell’invenzione, si realizza una sorta di concurrent solvent evaporation, dove però l’introduzione del campione avviene con corrente di gas di trasporto.

L'introduzione diretta del campione all’ingresso di una colonna o di una precolonna, rivestita o non, è possibile perché la zona bagnata dal campione è così corta che le risultanti bande iniziali dei soluti sono sufficientemente brevi da evitare un allargamento dei picchi. La breve banda iniziale è ottenuta mediante rilascio a velocità accuratamente controllata del campione liquido all'entrata, ad esempio mediante un autosampler con velocità di iniezione accuratamente controllabile, oppure con un adatto dispositivo applicato ad un iniettore diretto in colonna, oppure ancora mediante un dispositivo di trasferimento LC-GC.

Per realizzare una concurrent solvent evaporation con un sistema l’alimentazione e lo scarico del gas di trasporto secondo l’invenzione, la temperatura della colonna deve essere almeno 1-20°C superiore al punto di rugiada della miscela vapori di solvente/gas di trasporto alla pressione di ingresso. Al di sotto del punto di rugiada, la vaporizzazione non è completamente concomitante (fully concurrent) e la zona bagnata si espande nell'ingresso della colonna o precolonna.

La tecnica proposta realizza una zona bagnata all’ingresso della colonna o precolonna che ha una lunghezza costante dopo un breve periodo iniziale per raggiungere una condizione stabile. Essa può essere mantenuta sufficientemente corta da consentire un'introduzione diretta del campione in una colonna rivestita. La tecnica utilizza un tratto iniziale o sezione di ingresso che si trova ad una temperatura leggermente inferiore o pari al punto di rugiada della miscela vapori di solvente/gas di trasporto, mentre il resto della colonna o precolonna è al di sopra di tale temperatura.

Il metodo preferito per abbassare la temperatura nella citata sezione di ingresso al o al di sotto del punto di rugiada sfrutta l’effetto di raffreddamento derivante dalla vaporizzazione del solvente. Se il tratto iniziale di colonna o precolonna è soggetto alla temperatura interna del forno, questa viene mantenuta al di sopra del punto di rugiada per un valore tale che la sottrazione di calore per evaporazione del solvente raffredda una lunghezza iniziale della colonna o precolonna adatto per l'applicazione.

Il campione liquido inizialmente introdotto viene trasferito alla parete del capillare che è al di sopra del punto di rugiada della miscela vapori di solvente/gas di trasporto e viene completamente vaporizzato. Una piccola quantità di solvente evaporato è tuttavia sufficiente a raffreddare la zona di vaporizzazione ad una temperatura leggermente al di sotto del punto di rugiada. Parte del liquido seguente, di conseguenza, scorrerà più all'interno della colonna o precolonna, dove il processo viene ripetuto. La zona bagnata si espande così fino a raggiungere una lunghezza tale da dar luogo alla superficie di capillare richiesta per realizzare il trasferimento di calore per vaporizzazione del solvente dall'atmosfera circostante la zona di vaporizzazione.

Questo periodo iniziale, necessario per raggiungere una condizione stabile, può essere abbreviato iniettando una prima parte del campione ad una velocità maggiore, in modo che una quantità trascurabile del campione venga vaporizzata prima di ottenere l'effetto di intrappolamento tramite solvente. Un'altra possibilità prevede una iniezione iniziale di solvente puro.

Da notare che il controllo di temperatura della colonna o precolonna non richiede di essere effettuato con estrema precisione, in quanto, a parità di altri fattori, si otterrà eventualmente un allungamento o un accorciamento della zona bagnata.

La tecnica comporta di preferenza un'uscita del vapore. Dopo una precolonna ad esempio di 1-2m x 0,53 mm i.d., un pezzo a T viene installato per portare alla colonna di separazione e ad un'uscita del vapore. Questa uscita è aperta durante la vaporizzazione del solvente e viene normalmente chiusa al termine dell'introduzione del campione.

Il metodo può comprendere un tratto iniziale di colonna o precolonna almeno parzialmente separato dall’atmosfera del forno mediante un tubo eventualmente isolato e/o termostatato. Questo tubo può essere simile ad un noto dispositivo utilizzato per l’iniezione oncolumn ad elevata temperatura del forno. In questo modo, il raffreddamento della zona di evaporazione è più pronunciato e ciò rende ancora meno critica la scelta delle temperature del forno. Se il tratto iniziale della colonna o precolonna è raffreddato attivamente durante l'iniezione e il periodo di evaporazione del solvente, l’iniezione può essere realizzata con temperature del forno più alte, accelerando così l'analisi mediante eliminazione del raffreddamento di tutto il forno per l'iniezione.

Questo tubo può essere attivamente riscaldato ad una temperatura superiore a quella del forno dopo il termine della vaporizzazione del solvente, per accorciare le bande iniziali di soluto e superare il potere di ritenzione da parte di altro materiale del campione (come ad esempio sottoprodotti non evaporanti).

L'applicazione della tecnica proposta prevede, per la messa a punto delle condizioni di iniezione, la determinazione del punto di rugiada della miscela vapori di solvente/ gas di trasporto. Tale valore può essere ottenuto mediante un calcolo approssimato, considerando una condizione statica dello stato stazionario nella zona bagnata di colonna o precolonna ed ipotizzando una composizione costante della miscela vapori di solvente/gas di trasporto.

In pratica, conoscendo la portata massica del gas di trasporto (carrier), si ottiene la portata molare dello stesso:

Parallelamente, è possibile ottenere la portata molare dei vapori di solvente:

dove Fn soiv.' portata molare del solvente

μιη: velocità di iniezione

p: densità del solvente liquido

M soiv: massa molecolare del solvente

La frazione molare dei vapori di solvente X soiv è allora data da:

e la pressione parziale del solvente pVap si ottiene dalla pressione totale ptot come segue: Pvap <= >ptot X soiv

E' possìbile allora applicare la formula di Antoine:

in cui A, B e C sono costanti tabulate che dipendono dalla natura del solvente, per ricavare così la temperatura di rugiada Trug (dew point) della miscela citata.

La messa a punto delle condizioni di introduzione del campione può essere anche investigata mediante l’uso di una termocoppia fissata alla parete esterna della colonna.· La termocoppia è istallata in un punto che si considera essere l’estremità frontale della lunghezza massima tollerabile della zona bagnata e rileva il raffreddamento derivante dalla vaporizzazione del solvente all'interno del capillare, se il liquido raggiunge questo punto.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l'iniezione diretta in colonna (on-column) di grandi volumi (> 3μΙ) di campioni (costituiti dalla sostanza da analizzare e da un solvente) in un apparecchio di analisi gascromatografica comprendente un forno, una colonna gascromatografica alloggiata nel forno, un mezzo per il trasferimento diretto in colonna del campione ed un alimentatore di gas di trasporto (carrier) a monte della colonna, nonché un rivelatore a valle della colonna, caratterizzato dalla correlazione e dal controllo di due o più dei parametri: - natura del solvente - velocità di iniezione - portata e/o pressione del gas di trasporto - temperatura almeno di un tratto iniziale della colonna durante l'iniezione per realizzare un controllo della lunghezza della zona bagnata dal campione durante la sua introduzione, lungo almeno parte di detto tratto iniziale di colonna.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di correlare e controllare i parametri citati per ottenere la presenza, nel corso dell’ iniezione, di una zona bagnata stabile di lunghezza inferiore a circa 50cm, lungo detto tratto iniziale di colonna.
3. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il tratto iniziale di colonna è costituito da od appartiene ad una precolonna, e dal fatto di prevedere uno scarico dei vapori di solvente fra precolonna e colonna, sostanzialmente nel corso dell'iniezione.
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la temperatura del tratto iniziale di colonna o di precolonna è controllata tramite il controllo della temperatura deli’ambiente circostante il detto tratto iniziale.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato da un aumento della temperatura deH’ambiente circostante il tratto iniziale di colonna o precolonna al termine dell'evaporazione del solvente.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1 od una delle seguenti, caratterizzato dalle fasi di: - appurare la natura del solvente; - stabilire un valore della velocità di iniezione; - stabilire un valore di portata e/o di pressione del gas di trasporto; - calcolare il punto di rugiada della miscela solvente/gas di trasporto all’interno del tratto iniziale di colonna o precolonna nelle condizioni di iniezione; - imporre un valore della temperatura dell'ambiente circostante il tratto iniziale di colonna o precolonna, nel corso dell'iniezione, che sia superiore al punto di rugiada per un importo prefissato.
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che, in presenza di volatili nel campione, la temperatura deH'ambiente circostante il tratto iniziale di colonna o precolonna è superiore al punto di rugiada calcolato per un importo compreso fra 1 e 20 °C.
8. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 3 a 7, caratterizzato dall'introduzione del campione in una precolonna non rivestita con fase stazionaria.
9. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 3 a 7, caratterizzato dall'introduzione del campione in una precolonna rivestita con fase stazionaria.
10. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dall'introduzione di una prima parte del campione a velocità più elevata rispetto alla velocità di introduzione della restante parte del campione.
11. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dall'introduzione di solvente puro immediatamente prima dell'introduzione del campione.
12. Metodo secondo un delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dalla rilevazione della temperatura in un punto terminale sull’esterno del detto tratto iniziale di colonna o precolonna e dal controllo della velocità di introduzione del campione sulla base della rilevazione di tale temperatura.
13. Apparecchio per analisi gascromatografica per l'attuazione del metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, del tipo comprendente un forno, una colonna gascromatografica alloggiata nel forno, un mezzo per il trasferimento diretto in colonna del campione ed un alimentatore di gas di trasporto (carrier) a monte della colonna, nonché un rivelatore a valle della colonna, caratterizzato dal fatto di comportare mezzi per il controllo della temperatura dell'ambiente circostante un tratto iniziale di colonna, nonché mezzi per il controllo della velocità di iniezione del campione.
14. Apparecchio secondo la rivendicazione 13. caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi per la determinazione ed il controllo della portata e/o della pressione del gas di trasporto.
15. Apparecchio secondo la rivendicazione 13 o 14, caratterizzato dal fatto che i mezzi per il controllo della velocità di iniezione del campione sono predisposti per operare a velocità comprese fra 0,03 e 20 μΙ/sec.
16. Apparecchio secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che i mezzi per il controllo della velocità di iniezione del campione effettuano l'iniezione a velocità costante e predeterminabile.
17. Apparecchio secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che i mezzi per il controllo della velocità di iniezione del campione effettuano l'iniezione ad almeno due velocità diverse.
18. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 13a 17, caratterizzato dal fatto che il mezzo per il trasferimento diretto in colonna del campione comporta un iniettore diretto di tipo on-column.
19. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 13 a 17, caratterizzato dal fatto che il mezzo per il trasferimento diretto in colonna del campione comporta un campionatore automatico.
20. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni 13 a 17, caratterizzato dal fatto che il mezzo per il trasferimento diretto in colonna del campione comporta un dispositivo di trasferimento LC-GC.
21. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 16 a 20, caratterizzato dal fatto che il tratto iniziale di colonna è costituito da od appartiene ad una precolonna, e dal fatto di comprendere una derivazione fra colonna analitica e precolonna, dotata di mezzi valvolari per il controllo dello scarico dei vapori di solvente sostanzialmente durante l'iniezione del campione.
22. Apparecchio secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che la precolonna non è rivestita con fase stazionaria.
23. Apparecchio secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che la precolonna è rivestita con fase stazionaria.
24. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 13 a 23, caratterizzato dal fatto che l'ambiente circostante il tratto iniziale di colonna o precolonna è costituto dall’interno del forno gascromatografico.
25. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 13 a 23, caratterizzato dal fatto che l'ambiente circostante il tratto iniziale di colonna o precolonna è costituto dall’interno di un tubo ad atmosfera termicamente controllata circondante il detto tratto iniziale.
26. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 13 a 23, caratterizzato dal fatto che sull'esterno del tratto iniziale di colonna o precolonna, in prossimità dell'estremità di valle, è montato un mezzo di rilevazione della temperatura.