Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии

Полезная модель относится к газовой хроматографии и может быть использована для концентрирования примесей в газовых средах методом твердофазной экстракции с последующей термодесорбцией в хроматографическую колонку для анализа в химической, нефтяной, газовой отраслях промышленности, медицине, экологии, криминалистике, парфюмерии и др.
Известны различные термодесорберы для хроматографического анализа примесей летучих органических и неорганических веществ в различных газовых средах, реализующие процессы концентрирования примесей методом твердофазной экстракции (ТФЭ) при низкой температуре адсорбента и их десорбцию при более высокой температуре. Процессы ТФЭ обычно проводят в коротких трубках длиной 100-120 мм с внутренним диаметром 3-4 мм. Трубку заполняют соответствующим адсорбентом и продувают фиксированным объемом исследуемого газа. В последнее время в аналитической практике используют метод твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ), заключающийся в том, что адсорбцию примесей проводят на сорбенте, нанесенном на поверхность выдвижного штока иглы дозирующего микрошприца, а десорбцию - непосредственно в испарителе хроматографа [1].
Известны устройства получения планарных колонок на кремниевых пластинах с использованием современных МЭМС-технологий, при которых каналы для колонки на кремниевой пластине получают методом фотолитографии и химического травления с последующей герметизацией этих каналов путем электрического (анодного) сращивания со стеклом марки Пирекс [2].
Также известно устройство получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах не только из кремния, но и из других материалов: стекла, различных металлов или полимеров. При этом каналы на плоских пластинах получают методом лазерной абляции, а их герметизацию после заполнения сорбентом проводят с помощью дополнительной пластины через прокладку из полимерной пленки при воздействии температуры под вакуумом [3].
Однако известные способы и устройства проведения процессов ТФЭ с последующей термодесорбцией являются дискретными и обладают недостаточной воспроизводимостью результатов анализа. Кроме того, известные устройства получения каналов на плоских пластинах для заполнения сорбентом сложные в изготовлении и не всегда обеспечивают достаточную точность геометрических размеров этих каналов.
Известен двухступенчатый термодесорбер ТДС-1, предназначенный для проведения анализа летучих компонентов в воздухе. Наличие дополнительной сорбционной трубки позволяет проводить фокусирование пробы перед направлением ее в хроматографическую колонку. Трубка охлаждается элементами Пельтье до минус 20°С. После завершения процесса сорбции трубка быстро нагревается со скоростью 2000°С/мин и анализируемые компоненты узкой зоной направляются в хроматографическую колонку. Десорбция с сорбционной трубки осуществляется в обратном направлении, чем при сорбции. Таким образом, менее летучие компоненты не контактируют с адсорбентом [4].
Недостатками известного термодесорбера ТДС-1 являются:
Большие габариты устройства
Сложность проведения анализа в две стадии
Повышенное энергопотребление, связанное с быстрым разогревом сорбционной трубки
Существует разработанный планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии [5]. Данное устройство отличается малыми габаритами, простотой исполнения, возможностью проведения анализа в две стадии и использование элементов Пельтье в качестве нагревателей и охладителей. К недостаткам можно отнести необходимость замены концентрирующего устройства, при необходимости изменения спектра концентрируемых веществ, связанное с наличием в концентрирующем устройстве адсорбента одного типа, что ограничивает температуры кипения и химическую природу анализируемых веществ.
Задачей полезной модели является увеличение спектра концентрируемых веществ по диапазону концентраций и химической природе аналитов.
Эта задача решается за счет того, что планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии, содержащий две планарные МЭМС-поликапиллярные газохроматографические колонки, заполненные различными типами гидрофобных адсорбентов для концентрирования различных классов органических и неорганических веществ их газовых сред и их последующей термодесорбции в обратном направлении, чем при сорбции, в хроматографическую колонку для анализа, причем каналы для планарных МЭМС-поликапиллярных газохроматографических колонок одинаковой геометрии выполнены на плоских металлических пластинах методом микрофрезерования, с возможностью поочередного подключения к хроматографической колонке в качестве объема дозы с помощью четырех электропневмораспределителей для реализации непрерывного процесса анализа, отличающимися тем, что каналы поликапиллярные и заполнены различными типами гидрофобных адсорбентов.
Использовались элементы Пельтье для охлаждения при адсорбции и нагревания при десорбции.
При работе предлагаемого микротермодесорбера с поликапиллярным концентратором происходит концентрирования летучих примесей веществ из газовых сред, с последующей десорбцией в хроматографическую колонку для анализа. Стоит отметить, что сорбция происходит в обратном направлении, чем при десорбции. Каналы в планарных МЭМС-поликапиллярных газохроматографических колонок представляют собой поликапилляры, имеют одинаковую геометрию, заполненные различными типами гидрофобных адсорбентов и выполнены на плоских металлических пластинах методом микрофрезерования. В целях обеспечения непрерывного процесса анализа, была реализована возможность поочередного подключения планарных МЭМС-поликапиллярных газохроматографических колонок к хроматографической колонке в качестве объема дозы с помощью работы четырех электропневмораспределителей.
Предлагаемый планарный микротермодесорбер непрерывного действия с поликапиллярным концентратором позволяет значительно уменьшить габариты и существенно упростить методику анализа летучих примесей исследуемых веществ в различных газовых средах за счет непрерывного процесса анализа, а также повысить эффективность благодаря возможности концентрирования более широко спектра веществ из-за наличия поликапилляров, заполненных различными типами гидрофобных адсорбентов.
Полезная модель поясняется чертежом - фиг. 1, где: 1, 2 - планарные МЭМС-поликапиллярные газохроматографические колонки; 3, 4 - элемент Пельтье; 5 - печатная плата; 6, 7, 8, 9 - электропневмораспределители, 10 - блок управления, 11 - вход потока исследуемого газа, 12 - вход потока газа-носителя, 13 - выход потока газа из сорбционных патронов в хроматографическую колонку.
Пример.
Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии содержит две планарные МЭМС-поликапиллярные газохроматографические колонки 1 и 2, выполненные в виде каналов поликапилляров длиной 140 мм с квадратным сечением 0,6×0,6 мм на предварительно отшлифованных до 6-го класса точности плоских пластинах из алюминия АМГ-6, и заполненные адсорбентом Carbopack В (диаметр частиц 0,10-0,12 мм) с 5% неподвижной фазы Carbowax 20М, Carbopack В (диаметр частиц 0,10-0,12 мм) с 5% неподвижной фазы SE-30, Carboxen 1000 (диаметр частиц 0,10-0,12 мм), элементов Пельтье 3 и 4 для их нагрева или охлаждения, плоскую пластину 5 из алюминия АМГ-6 для печатного монтажа четырех электропневмораспределителей (ЭПР) 6-9 и блок управления 10, вход потока исследуемого газа 11, вход потока газа-носителя 12 и выход потока газа из адсорберов в хроматографическую колонку 13.
ЭПР 6 коммутирует поток исследуемого газа поочередно на входы планарных МЭМС-поликапиллярных газохроматографических колонок 1 или 2, ЭПР 7 переключает выход колонок 1 или 2 в линию сброса. ЭПР 8 подключает выход колонок 1 или 2 к линии газа-носителя хроматографа. ЭПР 9 соединяет вход колонок 1 или 2 с хроматографической колонкой. Блок управления 10 по заданной программе переключает ЭПР 6 - ЭПР 9 и включает элементы Пельтье для охлаждения при сорбции примесей или для нагрева при термодесорбции примесей.
С
c
3
Для оценки работы предлагаемого планарного микротермодесорбера использовали газовый хроматограф Кристалл 5000.1, ЗАО СКБ «Хроматэк» с пламенно-ионизационным детектором и микронасадочной колонкой длиной 0,4 м, внутренним диаметром 0,75 мм, заполненной сорбентом Carbopack В, зернением 0,10-0,12 мм. Температура колонки Т=50°С, газ-носитель - азот, расход на выходе колонки F=10 см/мин.
В качестве объема дозы при анализе исследуемого газа использовали поочередно газовые объемы планарных МЭМС-поликапиллярных газохроматографических колонок 1 или 2, которые не превышают 50 мкл каждый.
ЭПР 6-9 имеют два положения, первое из которых - низкотемпературная адсорбция примесей (операция «набор»), второе -термодесорбция (операция «анализ»). Когда в планарной МЭМС-поликапиллярной газохроматографической колонке 1 выполняется операция «набор» и включается элемент Пельтье 3 для охлаждения, то в сорбционном патроне 2 выполняется операция «анализ» при включенном элементе Пельтье 4 для нагрева и термодесорбции примесей обратным потоком газа-носителя через колонку 2 в хроматографическую колонку для анализа.
Операция «набор» в планарной МЭМС-поликапиллярной газохроматографической колонке 1 и операция «анализ» в планарной МЭМС-поликапиллярной газохроматографической колонке 2 выполняются при выключенных ЭПР 6 - ЭПР 9. При этом исследуемый газ поступает на вход колонки 1 через ЭПР 6 и сбрасывается в линию сброса через ЭПР 7, а газ-носитель через ЭПР 8 поступает на выход колонки 2 и десорбирует примеси в обратном направлении через ЭПР 9 в хроматографическую колонку для анализа.
Операция «набор» в колонке 2 и операция «анализ» в колонке 1 выполняются при включенных ЭПР 6 - ЭПР 9 аналогично описанной выше последовательности переключения потоков. Управление работой ЭПР и выключением элементов Пельтье для охлаждения и нагрева адсорберов осуществляется по заданной программе блоком управления 10. Низкотемпературная адсорбция исследуемого газа в планарной МЭМС-поликапиллярной газохроматографической колонке (при операции «набор») проводится до достижения проскока. После чего выполняется операция «анализ».
Предлагаемый планарный микротермодесорбер непрерывного действия с поликапиллярным концентратором позволяет значительно уменьшить габариты и существенно упростить методику анализа летучих примесей исследуемых веществ в различных газовых средах за счет непрерывного процесса анализа, а также повысить эффективность благодаря возможности концентрирования более широко спектра веществ из-за наличия поликапилляров, различными типами гидрофобных адсорбентов.
Источники информации
1. Яшин Я.И., Яшин Е.Я., Яшин А.Я. Газовая хроматография. М.: «ТрансЛит», 2009. С. 425-443.
2. Козин С., Федулов А., Пауткин В., Баринов И., Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС - технологий // Компоненты и технологии, 2010. №1. С. 24-27.
3. Патент РФ №2540231.
4. http://www.chromatec.ru/products/main/peripherals/termodesorber_tds_1_dvukhstadiynyy_/
5. Патент РФ №161513 - Прототип