УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ КВАРЦЕВОЙ КЮВЕТЫ В РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКОМ ДЕТЕКТОРЕ ДЛЯ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
DEVICE TO MOUNT AND SEAL QUARTZ PAN IN REFRACTOMETRE DETECTOR FOR LIQUID CHROMATOGRAPHY

Изобретение относится к аналитическому приборостроению хроматографических приборов, в частности к проточным рефрактометрическим детекторам в безметаллическом исполнении, и может быть использовано в высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) для детектирования реакционноспособных соединений, таких как кремниевая кислота и ее олигомеры, полимеры в геотермальных водных растворах и олигомеры этоксисилоксанов в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах.
7
При анализе методом ВЭЖХ указанных реакционноспособных соединений к рефрактометрическим детекторам предъявляется ряд требований к конструкции и герметизации кварцевой кюветы детектора: отсутствие контакта реакционноспособных соединений с металлическими поверхностями хроматографического тракта детектора [1] (патент России №2280252, МПК G01N 30/26. Способ определения молекулярно-массового распределения олигомеров этоксисилоксанов в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах./ Пронин А.Я., Хабаров В.Б., Оспенникова О.Г., Пикулина Л.В., Антипин Л.М., Ларионов О.Г. Опубл. в бюл., 2006. №20), небольшой детектируемый объем и быстрая его промываемость подвижной фазой, а также отсутствие условий для перемешивания разделяемых соединений в высокоэффективной колонке.
Известны рефрактометрические детекторы для жидкостной хроматографии [2] (патент республики Беларусь №9391, G01N 21/00. Рефрактометрический детектор для жидкостной хроматографии./ Анисимов А.В., Булат О.Э., Попкович Г.Б., Лобазов А.Ф., Хаджинов Е.М. Опубл. 30.06.2007), [3] (патент республики Беларусь №3855, G01N 21/03. Рефрактометрический детектор для микроколоночной хроматографии и капиллярного электрофореза. Милов О.Э., Булат О.Э., Попкович Г.Б., Лобазов А.Ф. Опубл. 03.30.2001), в которых не указаны материал исполнения хроматографического тракта, а также материал для герметизации проточной кварцевой кюветы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является устройство крепления кварцевой кюветы дифференциального рефрактометрического детектора RIDK-102 для жидкостной хроматографии и материал для герметизации кюветы - прокладка из фторопласта толщиной 0,1 мм [4] (Техническая товаросопроводительная документация. Рефрактометр тип RIDK 102. Laboratorni pristroje. Прага, 1987, 22 с.). На фиг.1 приведена схема крепления и герметизации кварцевой кюветы дифференциального рефрактометрического детектора RIDK-102. Кварцевая кювета 1 с аналитическим каналом 2 (объемом 10 мкл) и сравнительным каналом 3 герметизируется с помощью тонкой фторопластовой прокладки 4 (толщиной 0,1 мм), верхней 5 и нижней 6 крышек из нержавеющей стали, четырех шпилек 7 и гаек 8. Подводящие капилляры 9 и 10 из нержавеющей стали (внутренним диаметром 0,25 мм) припаяны к нижней крышке 6, а отводящие капилляры 11, 12 (внутренним диаметром 0,5 мм) припаяны к верхней крышке 5.
При герметизации кварцевой кюветы, за счет шероховатости торцов кюветы 1, фторопластовая прокладка 4 не выдавливается, хотя она имеет хладотекучесть, а верхняя 5 и нижняя 6 крышки из нержавеющей стали имеют зеркальную поверхность.
Конструктивным недостатком прототипа является следующее:
2
- при детектировании мономерной и полимерных молекул кремниевой кислоты при анализе проб геотермальной воды и олигоэтоксисилоксанов в гидролизованном и негидролизованном этилсиликатах в растворе этанола, после разделения в потоке элюента на высокоэффективной стеклянной хроматографической колонке (ВЭХК) (150 мм х 3 мм) с высокосшитым полидивинилбензольным (ПДВБ) сорбентом в хроматографическом тракте дифференциального рефрактометрического детектора на металлических поверхностях - в капиллярах из нержавеющей стали 9, 11 и крышках 5, 6, происходит высаждение диоксида кремния (SiO) из мономерной кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Это приводит к искажению результатов определения форм существования и молекулярно-массового распределения полимерных молекул кремниевой кислоты в анализируемых пробах.
Задача, решаемая данным изобретением, - повышение надежности и точности детектирования реакционноспособных соединений и соединений, вызывающих коррозию нержавеющей стали.
Решение поставленной задачи достигается тем, что для исключения контакта элюента с металлической поверхностью жидкостного тракта в предложенном устройстве, содержащем крепление кварцевой кюветы в измерительном блоке рефрактометрического детектора между нижней и верхней металлическими крышками, установлены две фторопластовые пластины, термообработанные в атмосфере инертного газа - азота при температуре 390-430°С в течение 4-1,5 часов для устранения хладотекучести фторопласта, отшлифованные с одной стороны до зеркальной поверхности, установленные в посадочные места верхней и нижней металлических крышек по размерам фторопластовых пластин и наложенные на торцы кварцевой кюветы, отшлифованные до зеркальной поверхности. Металлические шпильки, установленные в нижней металлической крышке и проходящие через сквозные каналы верхней металлической крышки, стягиваются гайками и обеспечивают крепление кварцевой кюветы. Для ввода и вывода элюента из аналитического и сравнительного каналов кюветы в металлических крышках выполнены четыре отверстия с резьбой и конусным окончанием. Соосно с ними в фторопластовых пластинах выполнены отверстия для протекания элюента через аналитический и сравнительный каналы кюветы и отверстия для установки в них подводящих и отводящих фторопластовых капилляров, которые крепятся в металлических крышках винтами-феррулами.
Монтаж крепления и герметизация кварцевой кюветы в рефрактометрическом детекторе
На фиг.2а приведено устройство крепления и герметизации кварцевой кюветы в безметаллическом исполнении рефрактометрического детектора RIDK 102; где 1 - кварцевая кювета; 2 и 3 - фторопластовые пластины; 4 и 5 - пластины из нержавеющей стали; 6 - шпилька из нержавеющей стали; 7 - гайка; 8 - аналитический канал кюветы; 9 - канал сравнения кюветы; 10 - винты-феруллы из ПИИК; 11 и 12 - подводящие капилляры из фторопласта; 13 и 14 - отводящие капилляры из фторопласта.
На фиг.2б приведен измерительный блок рефрактометрического детектора, где 15 - лампа накаливания; 16 - фильтр; 17 - объектив; 18 - конденсор со щелью; 19 - вид сверху металлической крышки 5; 20 - прямоугольная призма; 21 - плоскопараллельная кварцевая пластина зануления; 22 - фотодиоды; 23 и 24 - патрубки вход и выход водяной рубашки латунного блока рефрактометрического детектора.
Из термообработанной заготовки фторопласта 4Д вытачивают пластины диаметром 18 мм, толщиной 4 мм и контактирующие поверхности фторопласта и кварцевой кюветы рефрактометра шлифуют до зеркальной поверхности.
Для протекания элюента через аналитический и сравнительный каналы кварцевой кюветы в нижней пластине 2 из фторопласта выполняют два канала диаметром 0,25 мм, в верхней пластине 3 - два канала диаметром 0,5 мм. В пластинах из фторопласта соосно этим каналам выполняют каналы диаметром 1,5 мм на глубину 3,5 мм для крепления двух подводящих и двух отводящих капилляров из фторопласта.
Для крепления кварцевой кюветы 1 в нижней 4 и верхней 5 крышках из нержавеющей стали (диаметром 19 мм, толщиной 14 мм) выполняют посадочное место (на глубину 4 мм, диаметром 18 мм) для установки фторопластовых пластин 2 и 3. В нижней крышке 4 выполняют четыре отверстия и нарезают резьбу для установки четырех шпилек из нержавеющей стали 6 (длиной 40 мм, диаметром 2 мм). В нижней 4 и верхней 5 крышках выполняют по два сквозных канала для подсоединения капилляров из фторопласта к аналитическому каналу 8 детектируемого объема и каналу сравнения 9 кварцевой кюветы 1. В аналитическом канале 8 и канале сравнения 9 в нижней 4 и верхней 5 крышках из нержавеющей стали выполняют соосно каналам диаметром 0,25 мм и 0,5 мм каналы на глубину 10 мм, диаметром 5 мм с конусным окончанием, в которых нарезают резьбу для винтов-ферулл из ПИИК 10 для крепления подводящих 11, 12 и отводящих 14, 15 капилляров из фторопласта.
Кварцевую кювету 1 устанавливают между пластинами из фторопласта 2 и 3, которые устанавливают в нижней 4 и верхней 5 крышках из нержавеющей стали, и герметизируют кювету 1 с помощью завинчивания гаек 7 на шпильках 6.
В аналитическом канале 8 и канале сравнения 9 кварцевой кюветы 1 подводящие 11, 12 (диаметром: наружным 1,59 мм, внутренним 0,25 мм) и отводящие 13, 14 (диаметром: наружным 1,59 мм, внутренним 0,5 мм) капилляры из фторопласта герметизируют в каналах пластин из фторопласта 2 и 3 с помощью стандартных винтов-ферулл 10 из ПИИК, которые с помощью резьбы крепятся в нижней 4 и верхней 5 крышках из нержавеющей стали. При завинчивании винтов-ферул 10 из ПИИК конусная часть уплотняет фторопластовые капилляры, которые также герметизируются в пластинах из фторопласта 2 и 3.
Герметизация фторопластовых капилляров 11-14 осуществляется за счет их вдавливания с наружным диаметром 1,59 мм в канал диаметром 1,5 мм пластин из фторопласта 2 и 3.
Работа устройства. На фиг.2а и 2б подводящий фторопластовый капилляр 11 соединяют с хроматографической колонкой и при работе насоса жидкостного хроматографа элюент из колонки по капилляру 11 непрерывно поступает в аналитический канал 8 кварцевой кюветы 1 и через отводящий капилляр 13 элюент поступает в сборник. Канал сравнения 9 через подводящий фторопластовый капилляр 12 с помощью шприца заполняют элюентом и далее через отводящий капилляр 14 элюент поступает также в сборник. Затем проверяют работу рефрактометрического детектора RIDK 102. На фиг.2б в детекторе RIDK 102 световой луч от лампы накаливания 15 проходит через фильтр 16, объектив 17, конденсор со щелью 18, аналитический канал 8 и канал сравнения 9 кварцевой кюветы 1, прямоугольную призму 20, плоскопараллельную кварцевую пластинку зануления 21, а далее на фотодиоды 22, которые автоматически измеряют коэффициент преломления светового луча. Сигналы детектора записывают через интерфейс с помощью компьютерной программы "Экохром".
Контроль герметизации кварцевой кюветы в рефрактометрическом детекторе Ультратермостат, заполненный водой, соединяют с водяной рубашкой латунного блока рефрактометрического детектора через патрубки 23 и 24. С помощью насоса ультратермоста прокачивают 10-15 минут воду при комнатной температуре через рефрактометр для установления температуры. Компьютер через интерфейс с помощью программы "Экохром" регистрирует сигнал от рефрактометра. Аналитический канал кварцевой кюветы рефрактометра соединяют с насосом жидкостного хроматографа, который обеспечивает расход элюента - дистиллированной воды или 96% этанола со скоростью 0,2 мл/мин, а канал сравнения кюветы заполняют элюентом. На рефрактометрическом детекторе с помощью пластинки зануления устанавливают ноль (1-2 мвольта) и наблюдают дрейф нулевой линии, который после выхода на режим составляет 0,5 мвольта/час. Если дрейф нулевой линии рефрактометрического детектора превышает это значение, то кювета не герметично уплотнена фторопластовыми пластинами 2, 3 или по месту присоединения фторопластовых капилляров 11-14 не обеспечивается герметичное соединение, что приводит к подтеканию элюента. Для устранения подтекания кюветы, герметизируют присоединение фторопластовых капилляров к кювете, а также ее герметизируют между фторопластовыми пластинами 2, 3 с помощью четырех гаек 6, достигая дрейф нулевой линии не выше 0,5 мвольта/час.
Получение фторопласта 4Д, не обладающего хладотекучестью для крепления и герметизации проточной кварцевой кюветы рефрактометрического детектора в безметаллическом исполнении
Цилиндрическую заготовку из фторопласта 4Д диаметром 20 мм подвергают термической обработке в инертной среде - азоте. При температуре 390-430°С по данным [5] (Чегодаев Д.Д., Наумова З.К., Дунаевская И.С. - Фторопласты. - Л.: Госхимиздат, 1960.-192 с.) происходит переход полимера из аморфного в кристаллическое состояние, что приводит к потере хладотекучести фторопласта.
С целью определения температуры обработки фторопласта 4Д был проведен термогравиметрический анализ на дериватографе системы ОД-102 (Венгрия).
Измерения проводили в атмосфере инертного газа - гелия в режиме программирования температуры от 25 до 600°С со скоростью 2,5 град/мин. Кривые термогравиметрического анализа показывают, что деструкция фторопласта 4Д начинается при 460°С. Это свидетельствует о возможности термической обработки фторопласта 4Д до 420-430°С в изотермическом режиме.
Оптимальное время термической обработки фторопласта 4Д при 390°С в изотермическом режиме в инертной среде составляет 4 час. При такой обработке не проявляется хладотекучесть фторопласта 4Д при герметизации кварцевой кюветы. При более длительной термической обработке заготовки фторопласта 4Д (5-7 часов) отмечается появление трещин на поверхности фторопласта.
Оптимальное время термической обработки фторопласта 4Д при 430°С в изотермическом режиме в инертной среде составляет 1,5 час. При этом не проявляется хладотекучесть фторопласта 4Д при креплении и герметизации кварцевой кюветы. При более длительной обработке заготовки фторопласта 4Д (2,5-3 часа) отмечается появление трещин на поверхности фторопласта.
Указанный режим термообработки фторопласта 4Д не приводит к ослаблению крепления кварцевой кюветы и ее разгерметизации при длительной работе рефрактометрического детектора RIDK 102 с элюентами - абсолютным этанолом, дистиллированной водой и 4% уксусной кислотой в течение срока наблюдения - двух лет.
Пример 1. Определение олигомеров этоксисилоксанов, образующихся при гидролизе мономерных молекул реактива тетраэтоксисилана (ТЭОС) в нейтральной среде (без добавления кислоты и щелочи) при медленном поглощении молекул воды из воздуха. Использовали тетраэтоксисилан хранившийся в бутыли с неплотной пробкой в течение 26 лет.
При выполнении измерений должны быть соблюдены следующие условия.
2
В жидкостном хроматографе - хроматографический тракт в безметаллическом исполнении для исключения высаждения SiO из раствора кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Для введения пробы используют инжектор с дозирующей петлей из ПИИК.
7
Для разделения олигомеров этоксисилоксанов гидролизованного ТЭОС используют ВЭХК из стекла (150 мм × 3 мм), заполненную высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 5 мкм, приготовленную по методике в соответствии с [6] (патент России №2278379, МПК, G01N 30/56. Способ приготовления высокоэффективных колонок с полимерными сорбентами для жидкостной хроматографии./ Хабаров В.Б., Пронин А.Я., Ермаков В.В., Буряк А.К., Хабаров М.В. Опубл. в бюл. - 2006. - №17).
-7
Объемная скорость элюента - абсолютного этанола - 0,1 мл/мин. Температура термостата колонки, инжектора, рефрактометра - 25°С. Для введения пробы используют инжектор с дозирующей петлей из ПИИК с объемом 7,5 мкл. На самописце скорость диаграммной ленты - 6 мм/мин. Дифференциальный рефрактометрический детектор RIDK-102 юстирован по абсолютному этанолу, что обеспечивает получение положительного сигнала при детектировании олигомеров этоксисилоксанов и мономерной кремниевой кислоты гидролизата тетраэтоксисилана. Чувствительность рефрактометрического детектора - 8×10 ед. рефракции. Продолжительность анализа - 16 мин.
Проба 7,5 мкл 0,4% раствора тетраэтоксисилана в элюенте - абсолютном этаноле, вводится в колонку с помощью инжектора и разделение осуществляется по эксклюзионному механизму.
13
6
5
2
1
1
4
На фиг.3 представлена хроматограмма олигомеров этоксисилоксанов, образующихся при гидролизе ТЭОС в нейтральной среде. По хроматографическим пикам с использованием калибровочной кривой идентифицированы олигомеры, содержащие различное число атомов кремния: 1 - Si, 2 - S, 3 - Si, 4 - Si, 5 - Si[T3ОC], 6 - S [Si(OH)]. Кроме пика 6 величины удерживания меньше колоночного объема.
Из примера 3 следует, что на ВЭХК с высокосшитым ПДВБ сорбентом в хроматографическом тракте исключается контакт анализируемой пробы с металлическими поверхностями, что исключает образование и отложение двуокиси кремния и позволяет определять этоксисилоксаны, ТЭОС и мономерную кремниевую кислоту получающихся при гидролизе мономерных молекул ТЭОС.
2
4
3
3
2
+
2+
+
2+
-
2-
-
2-
-
Пример 2. Определение форм существования кремниевой кислоты в геотермальной воде. Анализ геотермальной воды Мутновского месторождения Камчатки (через 1,5 года хранения в условиях лаборатории) с рН 8,2, содержащей кремниевые кислоты в расчете на SiO - 800 мг/л, а также примесей солей металлов - катионов Na, Са, K, Mg, анионов - CI, SO , НСО , СО , F, борную кислоту в суммарной концентрации 787 мг/л [7] (Потапов В.В. Коллоидный кремнезем в высокотемпературном гидротермальном растворе. Владивосток.: Дальнаука, 2003, с.107). Для разделения используют ВЭХК из стекла (150 мм × 3 мм) с высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 10 мкм, приготовленную по методике в соответствии с [7]. В жидкостном хроматографе - хроматографический тракт в безметаллическом исполнении для исключения высаждения SiO из раствора кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Для введения пробы используют инжектор с дозирующей петлей из ПИИК.
-7
Условия анализа: Объемная скорость элюента - дистиллированной воды с рН 8,2 (подогнан водным раствором NaOH) - 0,1 мл/мин. Температура термостата колонки, инжектора, рефрактометра - 25°С. Объем петли инжектора - 10 мкл. Чувствительность RIDK 102 - 4×10 ед. рефракции. Продолжительность анализа - 25 мин.
Детектор RIDK 102 юстирован по метанолу, что обеспечивает получение положительного сигнала при детектировании мономерной кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Если этого не выполнить, а оставить стандартную юстировку RIDK 102 по циклогексану, то при детектировании полимерные молекулы кремниевой кислоты дают положительный сигнал, а мономерная кремниевая кислота - отрицательный сигнал.
4
На фиг.4 представлена хроматограмма пробы геотермальной воды. На хроматограмме получены три хроматографических пика. Пик 1 принадлежит полимерным молекулам кремниевой кислоты и примесям солей металлов. Хроматографический пик солей металлов получают в отдельном эксперименте с использованием пробы водного раствора солей металлов с суммарной концентрацией 787 мг/л. Пик 2 принадлежит борной кислоте, пик 3 - мономерной кремниевой кислоте Si(OH), что подтверждается снятием масс-спектров проб (пика 2 и 3) на масс-спектрометре марки Ultraflex фирмы Bruker методом инициированной матрицей лазерно-десорбционной ионизации.
По суммарной площади хроматографических пиков содержание борной кислоты составляет 4,7% от общего содержания веществ в пробе геотермальной воды.
Полученные данные подтверждают, что в геотермальной воде кремниевые кислоты присутствуют в виде сосуществующих форм мономерной кислоты и полимерных форм кремниевой кислоты.
Вычисление площадей пиков показывает, что доля мономерной кремниевой кислоты составляет 4,1%, а доля олигомерных и полимерных кислот - 95,9% по отношению к суммарному содержанию кремниевых кислот. При этом площадь пиков полимерных молекул кремниевой кислоты определяют по пику, получающемуся при вычитании площади пика примесей солей металлов из площади пика 1.
Из примера 4 следует, что на ВЭХК с высокосшитым ПДВБ сорбентом в хроматографическом тракте исключается контакт анализируемой пробы с металлическими поверхностями, что исключает образование и отложение двуокиси кремния из мономерной и полимерных молекул кремниевой кислоты и позволяет определять формы существования кремниевой кислоты в геотермальной воде.
Предложенная конструкция крепления и герметизации кварцевой кюветы дифференциального рефрактометрического детектора в безметаллическом исполнении с помощью термообработанного фторопласта 4Д позволяет детектировать реакционноспособные соединения - кремниевую кислоту и ее олигомеры и полимеры, и может быть использована для контроля коммерческих золей кремнезема, используемых в качестве связующего для изготовления форм при литье металлов, гидроизоляции пластов при добыче газа и нефти, а также золей кремнезема, используемых в качестве связующего - олигомеров этоксисилоксанов гидролизованного и негидролизованного этилсиликатах при изготовлении керамических оболочковых форм для точного литья металлов по выплавляемым моделям в авиационной и космической технике.
Устройство крепления и герметизации кварцевой кюветы рефрактометрического детектора с использованием термообработанного фторопласта 4Д в инертной среде не приводит к ослаблению крепления по зеркальной поверхности кварцевой кюветы и пластин из фторопласта и ее разгерметизации при длительной работе рефрактометрического детектора RIDK 102, то есть лишен недостатков, которые имеет прототип.
Предложенное устройство крепления и герметизации кварцевой кюветы рефрактометрического детектора с использованием фторопласта, не обладающего хладотекучестью, позволяет использовать рефрактометр для детектирования реакционноспособных соединений и элюентов, содержащих вещества, вызывающие коррозию нержавеющей стали.
Источники информации
7
1. Патент России №2280252, МПК G01N 30/26. Способ определения молекулярно-массового распределения олигомеров этоксисилоксанов в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах. / Пронин А.Я., Хабаров В.Б., Оспенникова О.Г., Пикулина Л.В., Антипин Л.М., Ларионов О.Г. Опубл. в бюл. - 2006. - №20.
2. Патент республики Беларусь №9391, G 0 IN 21/00. Рефрактометрический детектор для жидкостной хроматографии. / Анисимов А.В., Булат О.Э., Попкович Г.Б., Лобазов А.Ф., Хаджинов Е.М. Опубл. 30.06.2007.
3. Патент республики Беларусь №3855, G01N 21/03. Рефрактометрический детектор для микроколоночной хроматографии и капиллярного электрофореза. Милов О.Э., Булат О.Э., Попкович Г.Б., Лобазов А.Ф. Опубл. 03.30.2001.
4. Техническая товаросопроводительная документация. Рефрактометр тип RIDK 102. Laboratorni pristroje. Прага, 1987, 22 с.
5. Чегодаев Д.Д., Наумова З.К., Дунаевская И.С. - Фторопласты. - Л.: Госхимиздат, 1960. - 192 с.
7
6. Патент России №2278379, МПК G01N 30/56. Способ приготовления высокоэффективных колонок с полимерными сорбентами для жидкостной хроматографии. / Хабаров В.Б., Пронин А.Я., Ермаков В.В., Буряк А.К., Хабаров М.В. Опубл. в бюл. - 2006. - №17.
7. Потапов В.В. Коллоидный кремнезем в высокотемпературном гидротермальном растворе. Владивосток: Дальнаука, 2003, с.107.