МИНИАТЮРНЫЙ ТЕРМОСТАТ ДЛЯ ПЛАНАРНЫХ МИКРОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ КОЛОНОК

Полезная модель относится к газовой хроматографии и может быть использована для эффективного экспресс-анализа сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, медицине, экологии и др.а
Известны универсальные хроматографы с программированием температуры колонок для анализа многокомпонентных сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения (Приборы для хроматографии / К.И. Сакодынский, В.В. Бражников, С.А. Волков, В.Ш. Зельвенский. М.:, "Машиностроение", 1973. 368 с.). В комплект этих хроматографов входят громоздкие термостаты с различными разделительными колонками и детектирующие устройства, обеспечивающие высокую точность и надежность анализа.
Основными недостатками существующих лабораторных хроматографов являются громоздкость, высокая стоимость и определенные сложности в эксплуатации, требующие значительных затрат электроэнергии и времени для нагрева и охлаждения (W.R. Collin, G. Sezzano, L.K. Whzightetal. Microfabricated Gas Chromatografoz Rapid, Trace-Level Demezminations of Gas-Phase Explosive Mazkez. Compocends // Anal. Chem., 2014. 86(l). p.p. 655-663).
Известна также планарная микрохроматографическая колонка (Патент РФ №2540231, МПК G01N 30/56, Бюл. изобр. №4 от 10.02.2015), представляющая собой плоскую пластину с каналами, заполненными сорбентом.
Инженеры фирмы Hewlet-Packazd предложили использовать вместо термостата капиллярный металлический кожух (трубку), в который помещается капиллярная колонка. Кожух является одновременно нагревательным элементов и поэтому нагреву подвергается только очень небольшое пространство, включающее капиллярную колонку. Скорость нагрева у такого термостата была на порядок выше, чем у традиционно используемых.
Наиболее близким к полезной модели по совокупности существенных признаков является миниатюрный термостат для капиллярных колонок (А.А. Курганов, Е.Н. Викторова. Анализ продуктов промышленного синтеза окиси этилена методом двумерной газовой хроматографии на наполненных капиллярных колонках // Журнал аналитической химии, 2007. т. 62. №2. с. 164-169). Он представляет собой тонкостенную пластину из нержавеющей стали, в которой выгравированы каналы для укладки капиллярных колонок. Для улучшения теплообмена свободное пространство в каналах после укладки капиллярных колонок, заполняли теплопроводной пастой. Нагрев и охлаждение термостата осуществляли керамическими элементами Пельтье. Для ускорения охлаждения на поверхности микротермостата закреплен микровентилятор, который включался только при охлаждении термостата.
Недостатками известного миниатюрного термостата для капиллярных колонок являются повышенное время разогрева сорбента колонок, связанное с условиями передачи тепла через пластину из нержавеющей стали и материал самих капиллярных колонок, а также значительное потребление электроэнергии для разогрева с помощью элементов Пельтье.
Задачей полезной модели является увеличение скорости разогрева планарных микрохроматографических колонок и уменьшение потребляемой электроэнергии для разогрева.
Эта задача решается за счет того, что в миниатюрном термостате для планарных микрохроматографических колонок, содержащем хроматографические колонки и керамический элемент Пельтье для их разогрева и охлаждения, на внутренние стенки каналов в планарных микрохроматографических колонках установлен дополнительный нагреватель в виде тонкой пленки, выполненной из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления.
При решении поставленной задачи создается технический результат, который заключается в следующем:
1. Увеличивается скорость разогрева сорбента в планарных микрохроматографических колонках за счет использования дополнительного нагревателя, размещенного непосредственно в каналах колонки с сорбентом.
2. Сокращается потребляемая электроэнергия для разогрева, так как уменьшаются потери тепла при размещении дополнительного нагревателя в объеме сорбента колонки.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематически изображен миниатюрный термостат для планарных микрохроматографических колонок.
На фиг. 2 изображен разрез термостата.
Устройство содержит кремниевую пластину 1 с прямоугольными каналами для сорбента 2, пластину из стекла Пирекс 3 для герметизации колонок методом анодного сращивания, и керамический элемент Пельтье 4 для разогрева и охлаждения колонок. На внутренние стенки каналов колонки 2 нанесена тонкая пленка дополнительного нагревателя из вольфрама 5. Каналы заполняют сорбентом 6 и герметизируют стеклянной пластиной 3.
Для получения тонкой пленки дополнительного нагревателя на внутренней поверхности каналов планарных микрохроматографических колонок использовали вольфрам, толщина слоя вольфрама составила 1 мкм, Вольфрам на стенки канала наносили методом магнетронного распыления.
2
4
2
2
6
3
8
4
10
4
10
5
12
6
14
7
16
8
18
Возможности миниатюрного термостата для планарных микрохроматографических колонок рассмотрим на примере анализа природного газа (см.: ГОСТ 31371.7-2008. Природный газ. Определение состава методом газовой хроматографии. Методика выполнения измерений молярной доли компонентов). Метод А. Определение Н, СН, CO, СН, СН, i-СН, n-СН, неопентана, i-СН, бензола, толуола, тяжелых углеводородов в виде суммы СН, СН и CH)
Каналы для планарной микрохроматографической колонки 150×150 мкм выполнены на плоской кремниевой пластине методом фотолитографии. Длина колонки составляет 60 см. На внутреннюю поверхность каналов наносили методом напыления тонкую пленку дополнительного нагревателя из вольфрама. Затем заполняли каналы колонки оксид алюминия (диаметр частиц 50 мкм) и герметизировали стеклянной пластиной методом анодного сращивания.
Температурный режим при хроматографировании:
2
4
2
2
6
3
8
4
10
4
10
5
12
5
12
6
14
7
16
8
18
начальная температура 40°С в течение 20 секунд (из колонки элюируются Н, СН, CO и СН). Затем линейное программирование со скоростью 15°С/мин до температуры 140°С и поддержание температуры в течение 30 секунд (элюируются СН, i-СН, n-СН, неопентан, i-CH и n-СН). Затем линейное программирование со скоростью 200°С/мин до температуры 200°С (элюируются сумма СН, бензол, сумма СН, толуол, сумма CH).
В таблице 1 приведены некоторые технические характеристики миниатюрных термостатов известного для капиллярных колонок и предлагаемого для планарных микрохроматографических колонок.
Как видно из приведенных в табл. 1 данных предлагаемый миниатюрный термостат для планарных микрохроматографических колонок обеспечивает в 1,5 раза увеличение скорости нагрева сорбента в колонке.
Использование предлагаемого миниатюрного термостата для планарных микрохроматографических колонок обеспечит:
1. Значительное сокращение номенклатуры применяемых в настоящее время сорбентов для экспресс-анализов сложных смесей различных веществ за счет замены изотермического режима разделения на ираграммируемый температурный режим хроматографирования.
2. Создание унифицированных планарных колонок для анализа газов и паров в экологии, для решения задач нефти и газоперерабатывающего комплексов.