хроматографическая поликапиллярная колонка с монолитным сорбентом

Формула изобретения

1. Хроматографическая поликапиллярная колонка, содержащая защитную оболочку, твердый носитель, систему продольных одинаковых капилляров, отличающаяся тем, что объем каждого капилляра заполнен хроматографическим материалом, который синтезирован в виде монолитного сорбента, пронизанного транспортными порами и обладающего мезопорами.

2. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1, отличающаяся тем, что синтез монолитного сорбента в капиллярах проведен на основе золь-гель технологии.

3. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мезопоры монолита в капиллярах структурированы по поверхности и имеют приблизительно одинаковые форму, диаметр и длину.

4. Хроматографическая поликапиллярная колонка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что хроматографический материал капилляра приготовлен на основе оксида кремния, оксида алюминия, оксида титана, оксида циркония или на основе полимерных органических или металлоорганических материалов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к хроматографии, в частности к поликапиллярным хроматографическим колонкам для скоростной хроматографии. Заявляемое изобретение найдет применение в промышленности, экологии, криминалистике, медицине, а также при проведении химических анализов в широком спектре деятельности, связанной с химией.

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, приоритет от 1993.01.11, МПК G01N 30/60, опубл. 20.05.96).

Недостатками известной ПКК является то, что она позволяет экспрессно разделять смеси веществ только в режиме газожидкостной или газоадсорбционной, но не жидкостной хроматографии. Такое ограничение по подвижному носителю связано с размером использованных для этой цели капилляров ПКК, поскольку во всех случаях использования поликапиллярных колонок для газовой хроматографии диаметр единичного капилляра колонки обычно составляет 35-40 микрометров. Это не позволяет использовать колонку с указанным выше диаметром капилляра для реализации жидкостного варианта хроматографии в экспрессном варианте, когда подвижной фазой является жидкость.

Известна колонка для жидкостного варианта хроматографии с малыми (менее 5 микрон) значениями диаметра капилляров, которая выбрана в качестве прототипа (Патент РФ №2190846, кл. G01N 30/60, от 19.04.01, опубл. 10.10.02, БИ №28).

Недостатком известного решения является невысокая эффективность колонок. Это обусловлено тем, что существующие технологии производства многоканальной трубки (МКТ) (заготовки для изготовления колонки) не позволяют готовить идентичные по сечению капилляры. Все капилляры существенно отличаются по сечениям. Это приводит к различной скорости подвижной фазы через каждый капилляр, а в конце концов к низким значениям эффективности колонки. Существующие методы нанесения хроматографического материала на стенки капилляров ПКК, позволяющие провести самосогласованную посадку неподвижной фазы, приводящую к увеличению эффективности, рассчитаны на капилляры диаметром не менее 10 мкм (J. of Chromatogr. A, 928 (2001) 201-207). Это связано с тем, что в капилляры менее 10 мкм, а тем более меньше 5 мкм затруднительно вводить реагенты для создания на поверхности капилляров слоя хроматографического материала, что связано с большим гидродинамическим сопротивлением капилляров указанного выше диаметра.

Еще один недостаток прототипа - низкая загрузочная емкость колонки, обусловленная невозможностью создания на стенках капилляра малого диаметра толстого слоя сорбента. Это обстоятельство приводит к тому, что поверхность хроматографического материала на единицу длины колонки будет мала, то есть колонка будет перегружаться анализируемой пробой (терять свои разделительные свойства).

Недостатком является также наличие неконтролируемых флуктуаций сечения по длине в капиллярах колонки прототипа, что приводит к ухудшению эффективности колонки, то есть к ухудшению ее разделительных свойств. Обусловлено это тем, что при изготовлении капилляров малого диаметра (менее 5 микрон) затруднительно проконтролировать равномерность сечения капилляра вдоль длины всей колонки, и нет гарантии его неизменности по всей длине в пакете.

Изобретение решает задачу разработки поликапиллярной колонки для жидкостного варианта хроматографии, когда в качестве исходной многоканальной трубки применяется такая, в которой диаметр капилляров имеет большие, по сравнению с прототипом, значения, что облегчает ввод реагентов в капилляры и дает возможность манипуляции с этими реагентами внутри капилляров, а также обеспечивает лучшие загрузочные свойства колонки.

Поставленная задача решается тем, что в хроматографической поликапиллярной колонке, содержащей защитную оболочку, твердый носитель, систему продольных одинаковых капилляров, объем каждого капилляра заполнен хроматографическим материалом, который синтезирован в виде монолита, пронизанного транспортными порами и обладающего мезопорами. Причем синтез монолитного сорбента в капиллярах проведен на основе золь-гель технологии. Кроме того, хроматографический материал капилляра приготовлен на основе оксида кремния, оксида алюминия, оксида титана, оксида циркония или на основе полимерных органических или металлоорганических материалов.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в возможности проводить экспрессное разделение смесей химических соединений в режиме жидкостной хроматографии с высокой эффективностью. Кроме того, колонка обладает повышенной загрузочной способностью.

Изобретение поясняется чертежом (фрагменты А, В, С, Д), где 1 - внешняя оболочка колонки, 2 - продольные капилляры в твердом носителе, 3 - монолит хроматографического материала в единичном капилляре, 4 - твердый скелет монолита 3, 5 - транспортные поры монолита 3, 6 - твердый носитель.

На фрагменте А изображен торец предлагаемой колонки, где отмечены внешняя оболочка 1 и капилляры 2. Фрагмент В представляет собой увеличенный участок всего торца, показано расположение проницаемого хроматографического материала монолита 3 в капиллярах 2 колонки. На фрагменте C приведена структура монолита 3 в единичном капилляре 2. На фрагменте D показан элемент структуры монолита 3, расположенного в капиллярах 2. Эта структура состоит из транспортных пор 4 и твердого скелета монолита 5, которые обеспечивают прохождение подвижной фазы через монолит. Капилляры изолированы друг от друга твердым носителем 6 колонки.

Работа заявленной колонки осуществляется следующим образом.

Смесь веществ в потоке элюента вводят известными способами в колонку, и проба распределяется между капиллярами колонки 2. Поскольку каждый капилляр заполнен проницаемым для потока носителя хроматографическим материалом, который синтезирован в виде монолита 3, пронизанного транспортными порами 4 и обладающего мезопорами, то при прохождении по каждой из транспортных пор 4 монолита 3 находящиеся в подвижной фазе разделяемые вещества за счет молекулярной диффузии достигают поверхности твердого скелета 5 монолита 3. Происходит установление равновесия между подвижной фазой и поверхностью твердого скелета 5 монолита 3. Одни вещества смеси сильнее взаимодействуют с поверхностью твердого скелета монолита, а другие слабее. Это различие во взаимодействии приводит к их разделению по мере прохождения капилляра.

Поверхность колонки определяется разветвленностью системы мезопор. Мезопорами называются мелкие поры, имеющие характерный размер диаметра порядка 1-100 нанометров. Эти поры не являются одинаковыми. Пористое пространство сорбента состоит из беспорядочного лабиринта сужений-расширений. Такая структура сорбента приводит к неопределенности интегрального времени пребывания молекул в лабиринте пор, ограничивая площадь поверхности сорбента и увеличивая времена установления равновесия сорбент-сорбат за счет блуждания молекулы в длинных и узких порах. Это приводит к уширению и асимметрии хроматографического пика, а следовательно, и к снижению эффективности разделения по сравнению с теоретически возможной.

Устранить недостатки сорбента с неструктурированными порами и увеличить эффективность разделения можно, если использовать структурированный материал, в котором все поры одинаковы по размерам и равномерно распределены по поверхности. Такая структура поверхности позволяет достичь высоких значений удельной площади поверхности монолита без увеличения времени пребывания молекулы в пористом пространстве. Поскольку высокие значения удельной поверхности дают возможность работать с большими пробами, то колонка, в которой мезопоры обладают регулярной структурой поверхности сорбента, дает возможность увеличить ее загрузку анализируемой пробой.

Необходимым условием разделения является быстрое перемешивание веществ в капилляре 2 за счет диффузии молекул сорбата на единице длины колонки. Время перемешивания зависит от просвета в монолите, по которому движется подвижная фаза. В случае использования колонки прототипа (Патент РФ №2190846) этот просвет равен диаметру капилляров (диаметр не более 5 микрометров). В случае заявленной колонки размер просвета, по которому движется носитель, определяется размерами транспортных пор и может иметь значения в области 0.1-5 мкм, и это распределение зависит от условий синтеза монолита. Поскольку монолит заполняет колонку равномерно по всей длине капилляров, то площадь поверхности твердого скелета монолита на единицу длины колонки больше, нежели в случае, когда сорбент находится только на поверхности капилляра, как это описано в прототипе. Поэтому заявленная колонка позволяет разделять без потери эффективности большее количество пробы, чем колонка прототип. При прохождении пробы через капилляры, заполненные монолитом, происходит разделение компонентов смеси в каждом из капилляров колонки. После того, как в капиллярах колонки произошло разделение, вещества выходят из капилляров и регистрируются единым пиком с помощью детектора.

Поскольку скорость прохождения носителя через каждый капилляр определяется его сопротивлением потоку носителя, то идентичность монолита в капилляре является необходимым условием для получения высокоэффективной колонки. В том случае, если сопротивление монолитов внутри каждого капилляра близко к идентичному, молекулы разделяемого компонента смеси достигнут конца капилляра в одно и то же время, что обеспечит небольшой разброс времен их выхода из каждого из капилляров, а следовательно, будет достигнута высокая эффективность разделения.

Преимуществами заявленной колонки по сравнению с прототипом являются следующие.

Прежде всего, это возможность ее применения для жидкостной хроматографии с использованием в качестве исходного материала многоканальных трубок с капиллярами любого диаметра, в которых возможен синтез монолита.

Во-вторых, для приготовления колонок не требуются многоканальные трубки, которые обладают низкими значениями дисперсии капилляров по сечениям. Это значит, что в качестве заготовок для колонок можно использовать такие трубки, в которых диаметр капилляров может значительно отличаться. Для заявленной колонки скорость движения носителя в каждом из капилляров определяется уже не величиной сечения капилляра, а сопротивлением, которое оказывает потоку носителя монолит в капилляре. А так как наиболее качественными, а следовательно, более дорогими колонками считаются те, в которых капилляры обладают мало отличающимися значениями сечений, то заявленная колонка дает возможность работы с более дешевыми исходными многоканальными трубками.

Все вышеперечисленное дает возможность разделять с помощью заявленной колонки смеси веществ, не обладающих плотностью паров, имеющих очень высокую температуру кипения, термонестабильных, а также неорганических соединений. Заявленная колонка позволяет работать с химическими соединениями различных классов. К таким классам соединений относятся, например, липиды, аминокислоты, белки, углеводы. С помощью заявляемой колонки появляется возможность экспрессного разделения лекарственных препаратов, фармакокинетики и других отраслей, связанных с наукой о жизни.