RU2190846C1

RU2190846C1 - Chromatographic polycapillary column

Info

Publication number: RU2190846C1
Application number: RU2001110898A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Сидельников; В.Н. Пармон
Original assignee: Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-10-10

Abstract

FIELD: liquid chromatography. SUBSTANCE: chromatographic polycapillary column includes protective jacket, solid monolithic carrier made of substances displaying properties of adhesion to chromatographic materials, system of longitudinal identical capillaries piercing solid monolithic carrier along protective jacket, layer of chromatographic material formed of solid carrier which holding properties are influenced by its physical and chemical characteristics. It has shape of straight monolithic or spiral rod twisted along and transverse to longitudinal axis. Protective jacket of column presents circumference in section, is made of metal or plastic mass and capillaries have diameter under 5 μm. Column is additionally fitted with internal reinforcing partitions including monolithic material and parallel capillaries piercing column, solid monolithic carrier is made of glass, quartz, metal, polymer material. Internal reinforcing partitions inside column form hexagonal or tetragonal shape framing groups of capillaries and are produced from glass, quartz, metal, polymer material. Solid monolithic carrier made of glass does not carry atoms of lead. Quantity of chromatographic material in each channel is proportional to diameter of this capillary to α, power, where α is larger or equal to 1. EFFECT: invention makes it possible to design polycapillary column for liquid variant of chromatography displaying enhanced mechanical strength, operating under increased pressure and having cylindrical symmetry for standard inclusion into chromatographic path. 7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к хроматографии, в частности к поликапиллярным хроматографическим колонкам для скоростной хроматографии. The invention relates to chromatography, in particular to multicapillary chromatographic columns for high-speed chromatography.

Известна поликапиллярная хроматографическая колонка ПКК, выполненная в виде монолитного стержня, пронизанного системой параллельных продольных капилляров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой удерживающего вещества (Патент РФ 2060498, кл. G 01 N 30/60, опубл. 20.05.96). Данная колонка выбрана в качестве прототипа,
Недостатками известной ПКК является то, что она позволяет разделять смеси веществ только в режиме газожидкостной хроматографии. Такое ограничение по подвижному носителю связано с размером использованных для этой цели капилляров ПКК, поскольку во всех случаях диаметр единичного капилляра колонки составляет 35-40 мкм. Большой диаметр капилляра не позволяет использовать такую колонку для жидкостного варианта хроматографии, когда подвижной фазой является жидкость. Кроме того, у колонки прототипа отсутствует цилиндрическая форма, что не дает возможности использовать известные способы включения колонки в хроматографический тракт, основанные на уплотнении колонки, то есть на обжатии ее внешней поверхности конусом из металла или полимерного материала. Наконец, колонка не обладает высокой механической прочностью, а при повышенном давлении на входе требует компенсации давления с внешней стороны колонки.Known multicapillary chromatographic column PAC, made in the form of a monolithic rod penetrated by a system of parallel longitudinal capillaries, on the inner surface of which is deposited a layer of a retaining substance (RF Patent 2060498, class G 01 N 30/60, publ. 05.20.96). This column is selected as a prototype,
The disadvantages of the known PAC is that it allows you to separate mixtures of substances only in gas-liquid chromatography. This restriction on the mobile carrier is associated with the size of the capillaries of the PAC used for this purpose, since in all cases the diameter of a single capillary of the column is 35–40 μm. The large diameter of the capillary does not allow the use of such a column for liquid chromatography, when the mobile phase is liquid. In addition, the prototype column does not have a cylindrical shape, which makes it impossible to use known methods for incorporating the column into the chromatographic path, based on sealing the column, that is, compressing its outer surface with a cone made of metal or polymer material. Finally, the column does not have high mechanical strength, and with increased inlet pressure, it requires pressure compensation from the outside of the column.

Изобретение решает задачу разработать поликапиллярную колонку для жидкостного варианта хроматографии, когда подвижной фазой является жидкость, обладающую повышенной механической прочностью, имеющую возможность работы при повышенном давлении и цилиндрическую симметрию для стандартного включения в хроматографический тракт. The invention solves the problem of developing a multicapillary column for a liquid variant of chromatography, when the mobile phase is a liquid having increased mechanical strength, having the ability to work at high pressure and cylindrical symmetry for standard inclusion in the chromatographic path.

Поставленная задача решается тем, что хроматографическая поликапиллярная колонка, содержащая защитную оболочку, твердый монолитный носитель, выполненный из веществ, обладающих свойствами адгезии к хроматографическим материалам, систему продольных одинаковых капилляров, пронизывающих монолитный твердый носитель вдоль защитной оболочки, слой хроматографического материала, сформированный на твердом носителе, удерживающие свойства которого обусловлены его физико-химическими характеристиками, имеет форму либо прямого или свитого в спираль, вдоль и поперек продольной оси, монолитного стержня. Защитная оболочка колонки в сечении представляет собой круг, выполнена из металла или пластической массы, а капилляры имеют диаметр не более 5 мкм. Колонка дополнительно снабжена внутренними упрочняющими перегородками, состоящими из монолитного материала и пронизывающими колонку параллельно капиллярам, твердый монолитный носитель выполнен из стекла, кварца, металла, полимерного материала. Внутренние упрочняющие перегородки внутри колонки образуют гексагональную или тетрагональную форму обрамления групп капилляров и выполнены из стекла, кварца, металла, полимерного материала. Твердый монолитный носитель выполнен из стекла, не содержащего атомов свинца. Количество хроматографического материала в каждом канале пропорционально диаметру этого капилляра в степени α, где α больше, либо равно 1. The problem is solved in that a multicapillary chromatographic column containing a protective shell, a solid monolithic carrier made of substances having adhesion properties to chromatographic materials, a system of identical longitudinal capillaries penetrating a monolithic solid carrier along the protective shell, a layer of chromatographic material formed on a solid carrier , the holding properties of which are due to its physicochemical characteristics, has the form of either direct or reticulated with IRAL along and transverse to the longitudinal axis of the monolithic rod. The protective shell of the column in cross section is a circle made of metal or plastic mass, and the capillaries have a diameter of not more than 5 microns. The column is additionally equipped with internal reinforcing partitions consisting of a monolithic material and piercing the column parallel to the capillaries, the solid monolithic carrier is made of glass, quartz, metal, polymer material. The internal reinforcing partitions inside the column form a hexagonal or tetragonal framing of the capillary groups and are made of glass, quartz, metal, and polymeric material. The solid monolithic carrier is made of glass that does not contain lead atoms. The amount of chromatographic material in each channel is proportional to the diameter of this capillary in degree α, where α is greater than or equal to 1.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в возможности работы колонки в режиме жидкостной хроматографии в тех случаях, когда необходимо экспрессное разделение смесей химических соединений, например в промышленности, экологии, криминалистике, медицине, а также при проведении химических анализов в широком спектре деятельности, связанной с химией. The technical effect of the invention consists in the possibility of operating the column in liquid chromatography mode in cases where express separation of mixtures of chemical compounds is necessary, for example, in industry, ecology, forensics, medicine, as well as during chemical analyzes in a wide range of activities related to chemistry.

Изобретение поясняется изображением фрагмента предлагаемой колонки, приведенным на чертеже. Фрагмент включает капилляры 1, упрочняющую перегородку 2, внешнюю оболочку 3. The invention is illustrated by a fragment of the proposed column shown in the drawing. The fragment includes capillaries 1, a reinforcing partition 2, the outer shell 3.

Работа заявленной колонки осуществляется следующим образом. The operation of the claimed column is as follows.

Смесь веществ в потоке растворителя вводят известными способами в капилляры 1 колонки. Поскольку на внутреннюю стенку каждого капилляра нанесен слой хроматографического материала, то смесь введенных веществ взаимодействует с ним и происходит установление равновесия между веществами смеси в подвижной фазе и на хроматографическом материале. Одни вещества смеси сильнее взаимодействуют с хроматографическим материалом, а другие слабее. Это различие во взаимодействии приводит к их разделению по мере прохождения капилляра. Необходимым условием разделения является быстрое перемешивание веществ в капилляре за счет диффузии молекул сорбата на единице длины колонки. Для газовой фазы это условие успешно выполняется на диаметре капилляра 35-40 мкм, что и выполняется в капиллярах колонки прототипа, и, как следствие, дает возможность быстро (за несколько секунд) разделять анализируемые смеси на поликапиллярной колонке. Если такую колонку использовать в режиме жидкостной хроматографии, то по причине медленной диффузии сорбата потребуется несравненно большее время для установления равновесия. Поэтому, невозможно использовать поликапиллярную колонку, взятую в качестве прототипа, для жидкостной хроматографии. The mixture of substances in a solvent stream is introduced by known methods into the capillaries of 1 column. Since a layer of chromatographic material is deposited on the inner wall of each capillary, the mixture of introduced substances interacts with it and equilibrium is established between the substances of the mixture in the mobile phase and on the chromatographic material. Some substances in the mixture interact more strongly with chromatographic material, while others are weaker. This difference in interaction leads to their separation as the capillary passes. A necessary condition for separation is the rapid mixing of substances in the capillary due to the diffusion of sorbate molecules per unit length of the column. For the gas phase, this condition is successfully fulfilled at a capillary diameter of 35-40 μm, which is fulfilled in the capillaries of the prototype column, and, as a result, makes it possible to quickly (in a few seconds) separate the analyzed mixtures on a multicapillary column. If such a column is used in liquid chromatography mode, then due to the slow diffusion of the sorbate it will take an incomparably longer time to establish equilibrium. Therefore, it is impossible to use a multicapillary column, taken as a prototype, for liquid chromatography.

При уменьшении диаметра капилляров до значений 5 мкм и менее время установления диффузионного равновесия уменьшается настолько, что появляется возможность разделения на колонке за приемлемые времена. Это связано с тем, что коэффициент диффузии в жидкости в 100-1000 раз меньше, чем для газовой фазы. После того как в капиллярах колонки произошло разделение, вещества выходят из капилляров и регистрируются единым пиком с помощью детектора. With a decrease in the diameter of the capillaries to values of 5 μm or less, the time to establish diffusion equilibrium decreases so much that it becomes possible to separate on a column for acceptable times. This is due to the fact that the diffusion coefficient in a liquid is 100-1000 times less than for the gas phase. After the separation in the capillaries of the column, the substances exit the capillaries and are recorded by a single peak using a detector.

В хроматографии общепринятый принцип включения колонки в хроматографический тракт основан на уплотнении колонки, то есть на обжатии ее внешней поверхности конусом из металла или полимерного материала. Однако, таким образом невозможно уплотнить колонку с нецилиндрической поверхностью особенно при высоких рабочих давлениях конденсированной подвижной фазы. In chromatography, the generally accepted principle of incorporating a column into the chromatographic path is based on the compaction of the column, i.e., compression of its outer surface by a cone made of metal or polymer material. However, in this way it is not possible to seal a column with a non-cylindrical surface, especially at high operating pressures of the condensed mobile phase.

В случае использования известной колонки в режиме газовой хроматографии, уплотнение производится путем обжатия резиновой прокладки на граненой поверхности колонки, и такой способ уплотнения является удовлетворительным. При использовании конденсированной фазы в качестве носителя при высоком давлении этим методом пользоваться нельзя, и поэтому поликапиллярную колонку помещают в специальный кожух с возможностью заполнения промежутка между колонкой и кожухом конденсированной фазой для компенсации давления на входе-выходе колонки и наружного давления (Патент РФ 1794321, кл. G 01 N 30/60, опубл. 02.10.97). In the case of using a known column in gas chromatography mode, compaction is performed by compressing the rubber gasket on the faceted surface of the column, and this method of compaction is satisfactory. When using the condensed phase as a carrier at high pressure, this method cannot be used, and therefore the multicapillary column is placed in a special casing with the possibility of filling the gap between the column and the casing with a condensed phase to compensate for the inlet and outlet pressure of the column and external pressure (RF Patent 1794321, cl G 01 N 30/60, publ. 02.10.97).

Такой подход к уплотнению повышает сложность всей конструкции. Заявленная колонка имеет цилиндрическую симметрию, что позволяет использовать известные способы уплотнения без дополнительного усложнения конструкции. Внешняя оболочка 3 колонки служит для механической защиты капилляров от внешних воздействий, а также для уплотнения путем обжима при включении колонки в хроматографический тракт. This approach to compaction increases the complexity of the entire structure. The claimed column has cylindrical symmetry, which allows the use of known methods of compaction without further complicating the design. The outer shell 3 of the column serves to mechanically protect the capillaries from external influences, as well as for compression by crimping when the column is included in the chromatographic path.

Для стеклянной поликапиллярной колонки, работающей под высоким давлением, важное значение приобретает ее механическая прочность. В случае известной колонки диаметр капилляров составляет 40 мкм, и толщина стенки между капиллярами 5-6 мкм. В том случае, если мы перейдем к капиллярам диаметром 1-5 мкм, как это требуется для жидкостной хроматографии, то при сохранении соотношения диаметра капилляра к толщине стенки, как для известной колонки, мы должны приготовить трубки с толщиной стенки 0,1-0,6 мкм. Разумеется, что такая колонка будет очень хрупкой, а также ее капилляры поддаются деформации при их заполнении жидкостью под давлением. Возможным путем повышения ее механической прочности является увеличение толщины стенок, но такой путь приведет к повышению сопротивления потоку носителя и к уменьшению допустимого объема вводимой в нее пробы. Поэтому данный подход увеличения прочности колонки не является приемлемым. For a glass multicapillary column operating under high pressure, its mechanical strength is important. In the case of a known column, the diameter of the capillaries is 40 μm, and the wall thickness between the capillaries is 5-6 μm. In that case, if we move on to capillaries with a diameter of 1-5 μm, as is required for liquid chromatography, while maintaining the ratio of the diameter of the capillary to the wall thickness, as for a well-known column, we must prepare tubes with a wall thickness of 0.1-0, 6 microns. Of course, such a column will be very fragile, and its capillaries will deform when they are filled with liquid under pressure. A possible way to increase its mechanical strength is to increase the wall thickness, but this way will lead to an increase in resistance to the flow of the carrier and to a decrease in the allowable volume of the sample introduced into it. Therefore, this approach to increasing the strength of the column is not acceptable.

Повышенная механическая хрупкость тонкостенной колонки требует дополнительных мер по повышению ее прочности. The increased mechanical fragility of a thin-walled column requires additional measures to increase its strength.

Для повышения механической прочности внутри заявленной колонки создаются внутренние упрочняющие перегородки 2, состоящие из монолитного стекла, которые предохраняют тонкие межкапиллярные перегородки от разрушений, возникающих при создании высокого давления на входе в колонку, что приводит к повышению механической прочности капилляров колонки. To increase the mechanical strength inside the claimed column, internal reinforcing partitions 2 are created, consisting of monolithic glass, which protect the thin intercapillary partitions from damage arising from the creation of high pressure at the inlet of the column, which leads to an increase in the mechanical strength of the column capillaries.

Преимуществом заявленной колонки по сравнению с прототипом является возможность ее использования для жидкостной хроматографии. Это открывает возможность разделять смеси веществ, не обладающих плотностью паров, имеющих очень высокую температуру кипения, термонестабильных, а также неорганических соединений. По классам соединений заявляемые колонки позволяют работать с химическими соединениями, анализ которых с помощью колонки прототипа невозможен. К таким классам соединений относятся, например, липиды, аминокислоты, белки, углеводы. С помощью заявляемой колонки появляется возможность экспрессного анализа в области анализа лекарственных препаратов, фармакокинетики и других отраслей, связанных с наукой о жизни. The advantage of the claimed column in comparison with the prototype is the possibility of its use for liquid chromatography. This opens up the possibility of separating mixtures of substances that do not have a vapor density, have a very high boiling point, thermally unstable, as well as inorganic compounds. According to the classes of compounds of the claimed columns allow you to work with chemical compounds, the analysis of which using the column of the prototype is impossible. Such classes of compounds include, for example, lipids, amino acids, proteins, carbohydrates. Using the inventive column, the possibility of rapid analysis in the field of analysis of drugs, pharmacokinetics and other industries related to the science of life appears.

Claims

1. A chromatographic polycapillary column containing a protective shell, a solid monolithic carrier made of substances having adhesion to chromatographic materials, a system of identical longitudinal capillaries penetrating a monolithic solid carrier along the protective shell, a layer of chromatographic material formed on a solid carrier, the holding properties of which due to its physico-chemical characteristics, characterized in that it has the form of a straight line, or twisted into a spiral along and transverse to the longitudinal axis of the monolithic rod, the protective shell in cross section is a circle shape, capillaries have a diameter of not more than 5 microns.

2. The chromatographic multicapillary column according to claim 1, characterized in that it is additionally provided with internal reinforcing partitions consisting of a monolithic material and piercing the column parallel to the capillaries.

3. Chromatographic multicapillary column according to claim 1, characterized in that the solid monolithic carrier is made of glass, quartz, metal, polymer material.

4. The chromatographic polycapillary column according to claim 2, characterized in that the internal reinforcing partitions inside the column form a hexagonal or tetragonal framing of the groups of capillaries.

5. Chromatographic polycapillary column according to claims 2 and 4, characterized in that the internal reinforcing partitions are made of glass, quartz, metal, and polymeric material.

6. Chromatographic polycapillary column according to claims 1 and 3, characterized in that the solid monolithic carrier is made of glass that does not contain lead atoms.

7. The chromatographic polycapillary column according to claim 1, characterized in that the amount of chromatographic material in each channel is proportional to the diameter of this capillary to the degree of α, where α is greater than or equal to 1.

8. The chromatographic polycapillary column according to claim 1, characterized in that the protective shell is made of metal or plastic mass.