ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ КАПИЛЛЯРНАЯ КОЛОНКА

Полезная модель относится к капиллярной газовой хроматографии, а именно к капиллярным колонкам открытого типа, и может быть использована как для анализа сложных многокомпонентных смесей органических соединений, так и для работы с масс-спектрометром.
Известны капиллярные колонки, включающие кварцевый капилляр, содержащий внутри капилляра слой неподвижной жидкой фазы (НЖФ) [US №4293415, B01D 15/08, G01N 30/60, 06.10.1981; Б.А. Руденко, Г.И. Руденко, Высокоэффективные хроматографические процессы, Москва, Наука, 2003, т. 1, стр. 115-145]. Самыми распространенными НЖФ в настоящий момент являются полисилоксановые полимеры. Однако полисилоксановым полимерам (Фиг. 1A) свойственен механизм распада, обусловленный существенной подвижностью полисилоксанового скелета [Харитонов Н.П., Островский В.В., - Л.: НАУКА, 1982. - 208 с.], что ограничивает применение полисилоксановых НЖФ при температуре более 300°С.
Повышение максимально допустимой рабочей температуры для капиллярной колонки с полисилоксановой НЖФ достигается путем уменьшения подвижности полисилоксанового скелета. Из имеющихся данных следует, что гибкость полисилоксанового скелета снижается при наличии поперечных сшивок полимера между собой, а также в результате замещения части кислородных атомов полисилоксанового скелета жесткими объемными структурами [Blomberg L.G., Markides К.Е. JHRCCC. - 1985. - V. 8. N. 10 - Р. 632-650].
Данная задача может быть достигнута несколькими способами. Наиболее известными являются включения в полисилоксановый скелет жестких вставок, таких как n-фениленовых (силариленовых) (Фиг. 1D) [Dunnawant W.R. Inorg. Macromol. Rev. - V. 1, N. 9, - P. 165-189], n-фениленоксидных (Фиг. 1B) или карборановых (Фиг. 1С) [Shroeder Н.А. Inorg. Macromol. Rev - 1970 - V. 1, N. 1 - P. 45-73]. Таким образом, силариленовая фаза состоит из полисилоксановых блоков, разделенных силариленовыми (Фиг. 1D).
Возможно также использование золь-гель технологии для связывания полисилоксановых цепей между собой [US №8685240, B01D 15/08, 01.04.2014].
Вместе с тем, некоторые из этих способов повышения термостабильности обладают недостатками. Так, использование золь-гель технологии при сшивке молекул полисилоксанов может привести к образованию чрезмерного количества сшивок, которые могут захватить значительную часть полимера. В результате становится стерически невозможной деактивация оставшихся силанольных групп. Кроме того, в чрезмерно сшитой фазе снижается коэффициент диффузии, и она становится непригодной для хроматографического разделения [Hoffamn S., Blomberg L.G, Buijten J. - J. Cromatogr - 1984 - V. 302 - P. 95-106.].
Что касается НЖФ на основе карборана, то несмотря на хорошее качество разделения углеводородов и высокую термостабильность данная фаза не позволяет разделять спирты и первичные амины, что связано с наличием в фазе бора, и это сдерживает применение данной фазы в газовой хроматографии [Dames P., Cumbers М. - International Laboratory. - 1989 - N. 7- P. 376].
В настоящее время наиболее удачными являются колонки на основе диметилсилариленовой фазы (Фиг. 1D) [Bemgard, Blomberg JC&CC 1987, V. 10], и метилфенилсилариленовой фазы (J. Buijten.. J of Chromatogr., 301(1984)), (Фиг. 1E.) Обе эти фазы обладают высокими значениями термостабильности и отличаются друг от друга по значениям полярности, что обеспечивает различную селективность при разделении смесей соединений различных химических классов. Однако данные фазы обладают низкими значениями хроматографической полярности, что не гарантирует разделения произвольной смеси полярных соединений.
Техническая проблема состоит в разработке эффективной термостабильной хроматографической капиллярной колонки открытого типа.
Технический результат - высокая селективность, отличная от той, что известна для колонок с диметилсиариленовой (ДМС) и метилфенилсилариленовой (МФС) фазами.
Технический результат достигается за счет применении хроматографической капиллярной колонки открытого типа, состоящей из капилляра, на внутреннюю поверхность которого равномерно по длине колонки нанесен слой неподвижной жидкой фазы, при этом слой неподвижной жидкой фазы представляет собой полимер, состоящий из силариленовых и дифенилполисилоксановых блоков.
Содержание силариленовых блоков в полимере составляют 48-50%, а дифенилсилоксановых 50-52%.
Полимер не содержит гидроксильных групп.
Дифенилполисилоксановые блоки содержат заместители в одном или двух фенильных ядрах относящимся к боковым заместителям полимера, либо фенильного ядра силариленовой группы.
Заместителями в фенильных ядрах могут быть метальная группа, фтор, фторметильная, дифторметильная, трифторметильная или циано группы.
Материалом капилляра является металл или стекло, или плавленый кварц с внешним покрытием из алюминия или полиимида.
В настоящее время для изменения селективности силариленовых фаз предложены полимеры на основе силарилена, где вместо диметил и метилфенилполисилоксановых звеньев используется полярные вставки на основе цианопропилсилоксана. Это фазы типа ВРХ 90 (SGE). Однако эти фазы не обладают достаточной термостабильностью, их максимальная температура работы составляет 280°С. Соотвественно, данные фазы не являются решением проблемы изменения селективности термостабильных фаз на основе полисилоксан-силарилена.
Задача решается тем, что в хроматографическую капиллярную колонку открытого типа, состоящую из капилляра, на внутреннюю поверхность равномерно по длине колонки нанесена пленка НЖФ, являющейся полимером со структурой, содержащей дифенилполисилоксан и силариленовые блоки (Фиг. 1F)
Заявляемая колонка содержит в качестве НЖФ полимер, содержащий силариленовый фрагменты, содержание которого находится в области 48% по числу данных фрагментов в полимерной цепи, выполняет функцию уменьшения подвижности полисилоксановой цепи, а дифенилполисилоксановый фрагмент (его примерно 52%) изменяет порядок выхода веществ из колонки по сравнению с колонками, где использована НЖФ на основе ДМС и МФС. Таким образом, данный полимер, использованный для приготовления капиллярной колонки, содержит только дифенилсилоксановые и силариленовые блоки. Дальнейшее изменение селективности колонок возможно путем использования в боковых фенильных группах заместителей (Фиг. 1G), таких как метил, фтор, трифторметил, нитрильная группа. Данный выбор заместителей основан на том, что указанные группы в бензольном ядре изменяют дипольный момент фрагмента полимера и не нарушают при этом термостабильности полимера.
Аналогичное влияние на селективность будет оказывать ввод функциональных групп в ароматическое кольцо силариленового блока (Фиг. 1K).
Наиболее близкой структурой к ДФС НЖФ Optima 35 фирмы Macherey-Nagel (Фиг. 1H). Данная фаза содержит 65% диметиллсилоксановых фрагментов и обладает селективностью такой, как диметилполисиоксановые фазы содержащие метальные и фенильные фазы в полисилоксановой цепи [Macherey-Nagel, 2015 Gas Chromatography. Application Guide / Technical Handbook]. Таким образом, по селективности данная фаза близка таким фазам, как: DB-36, НР-35, ВРХ-35, OV-11.
Материалом капилляра, на который проведено нанесение НЖФ на основе ДФС, служит кварц с полиимидным и алюминиевым покрытием, стекло, металл. Для нанесения ДФС и фаз на основе ДФС на стенку капилляра используют статический метод как низкого, так и высокого давления. Перед нанесением капилляр обрабатывают реагентом на основе дисилазана (1,3-дивинил-1,3-диметил-1,3-дифенилдисилазан) при температуре 350°С. После чего колонку промывают растворителями от продуктов реакции. Далее проводят нанесение фазы статическим методом низкого давления [Б.А. Руденко, Г.И. Руденко, Высокоэффективные хроматографические процессы, Москва, Наука, 2003, т. 1, стр. 115-145].
Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в достижении удельной эффективности колонки до величины 3500-3700 теор. тарелок на метр и возможности работать при температурах до 360°С без ухудшения ее эффективности и с низкими значениями фонового тока. Это обстоятельство позволяет работать с высококипящими соединениями, имеющими температуры кипения до 500°С и позволяет разделять вещества, разделение которых на колонках с ДМС и МФС затруднительно.
Термостабильность заявляемой колонки поясняется Фиг. 2, где показан уровень фонового тока колонок с НЖФ на основе ДМС, МФС, ДФС и колонки с полисилоксаном OV-1 в зависимости от температуры колонки. Видно, что все колонки с силариленовыми блоками имеют более низкий уровень фонового тока при температуре 350°С по сравнению с полисилоксановой НЖФ. Для получения данной зависимости колонки длиной 20 метров поочередно устанавливали в термостат хроматографа и проводили программирование температуры термостата по следующей программе: 250°С (5 мин) - 350°С (5°С/мин). ГН: гелий, испаритель: Т=350°С, детектор: масс-спектрометр.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и иллюстрациями.
Фиг. 1 описывает исходный полисилоксановый полимер (Фиг. 1A) и возможные структуры термостабильных модифицированных полисилосксанов (Фиг. 1В-K). Из них: Фиг. 1F, Фиг. 1G и Фиг. 1K описывают структуры, предложенные в работе.
Фиг. 2 описывает сравнение термической стабильности немодифицированной полисилоксановой колонке (кривая 1), в сравнении с полидифенилсилоксансилариленом (кривая 2), полидиметилсилоксан силариленом (кривая 3) и полиметилфенилсилоксансилариленом (кривая 4).
7
Фиг. 3 является примером хроматограммы разделения высококипящей смеси стеролов и токоферолов на колонке с термостабильной метилфенилсилариленовой фазой. Условия анализа: Температурная программа: 250-350°С (4°С/мин), газ-носитель: гелий, испаритель: t=350°С, детектор: масс-спектрометр. Колонка 20 м*0.25 мм*0.3 мкм. Обозначения пиков: а - β-Токоферол, б - α-Токоферол (витамин Е), в - Кампестерол, г - Стигмастерол, д - β-Ситостерол, е - Холест-7-енол(Δ-стерол).
Фиг. 4 является примеров разделения комплексной тестовой смеси нормальных углеводородов и кислородсодержащих соединений на разлиных колонках с силариленовыми фазами: А - полидиметилпрлисилоксансиларилен, Б - полиметилфенилсилоксансиларилен, В - полидифенилсилоксансиларилен. Обозначения пиков на фиг. 4 следующие: 1 - бутанон-2, 2 - бутаналь, 5 - пентанон-2, 6 - пентаналь, 9 - гексаналь, 12 -гептанон-2, 13 - гексаналь, 16 - октанон-2, 17 - октаналь, 20 - нонанон-2, 21 - нонаналь. Спирты-1: 4 - бутанол, 8 - пентанол, 11 - гексанол, 15 - гептанол, 19 - октанол, 23 - нонанол, 25 - деканол, 27 - ундеканол. Углеводороды: 3 - гептан, 7 - октан, 10 - нонан, 14 - декан, 18 - ундекан, 22 -додекан, 24 - тридекан, 26 - тетрадекан.
Пример 1
Примером термостабильности для колонки с фазой ДМС является разделение стеролов растительного происхождения (Фиг. 3). Для разделения используют колонку 20 м и внутренним диаметром 0.25 мм, внутри которой создан слой дифенилсилоксансилариленнового полимера (ДФС). Проводят разделение не дериватизированных стеролов из масла расторопши. Температура колонки составляет 250°С-350°С со скоростью программирования температуры 4°С/мин. На выходе из колонки был установлен масс-спектрометр. Видно, что достигнуто хорошее разделение высококипящих компонентов, а отсутствие масс-спектрометрического фона позволило идентифицировать эти компоненты.
Данный пример позволяет увидеть, что, во-первых, колонка не теряет разделительных свойств при 350°С и обладает селективностью, достаточной для разделения сложной смеси высококипящих органических соединений.
Пример 2
На Фиг. 4 показано разделение смеси карбонильных соединений, спиртов и углеводов для колонок с различной селективностью. Были исследованы колонки с НЖФ ДМС, МФС и ДФС при разделении таких классов соединений, как спирты, углеводороды и карбонильные соединения.
Этот пример показывает возможности заявляемой колонки для разделения различных классов химических соединений. На полученных хроматограммах можно наблюдать, что в случае ДМС фазы времена удерживания спиртов полностью совпадают с временами удерживания углеводородов и, как следствие, на хроматограмме они выходят одним пиком. В случае же ДФС колонки наблюдается совпадение времен удерживания для некоторых карбонильных соединений и углеводородов ввиду того, что карбонильные соединения удерживаются еще сильнее относительно УВ из-за полярности НЖФ. Таким образом, наиболее полная картина разделения наблюдается на МФС колонке, где все пики разделены. Такая ситуация является примером того, что для решения конкретной поставленной задачи необходим правильный выбор колонки для наилучшего разделения смеси. Именно поэтому важно для практической работы иметь ряд колонок различной селективности, чтоб охватить максимальное число потенциальных задач хроматографии.