ПЛАНАРНЫЙ МИКРОДОЗАТОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
PLANARY MICRODOSER FOR GAS CHROMATOGRAPHY

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам ввода проб в газовый хроматограф, и может быть использовано для количественного анализа многокомпонентных сложных смесей в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, медицине, биологии, экологии и др.
Известны дозирующие краны различных конструкций для ввода газообразных проб в хроматограф (см.: Приборы для хроматографии / К.И. Сакодынский, ВВ. Бражников, А.Н. Буров, С.А. Волков, В.Ю. Зельвенский. М.: «Машиностроение», 1973. С. 24-42).
Однако известные дозирующие краны используются только для прямого ввода газообразных проб в наполненные сорбентом колонки.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является дозирующий кран хроматографа ХТ-4 для анализа дымовых газов, в котором все газовые каналы выполнены на листовом фторопласте, прижатом с двух сторон для герметизации металлическими пластинами. Переключение газовых потоков осуществляется пневмораспределителями с электрическим управлением, установленными на этих плоских металлических пластинах (см.: Арутюнов Ю.И. Хроматографическое измерение состава нефтяных газов. М.: Недра, 1987. С. 196-198, также см.: Геллер З.И., Арутюнов Ю.И., Ковбасюк А.С., Пасиченко В.Т. Хроматограф для анализа дымовых газов // Электрические станции, 1968. №5).
Недостатком известного крана является то, что он не приспособлен для прямого ввода газообразных проб в капиллярные и микронасадочные колонки без предварительного деления потока. Существенным недостатком известного крана является также относительно низкая прецизионность в условиях повторяемости величины объема вводимой на анализ пробы.
Известен также планарный микродозатор, газовые каналы которого выполнены на алюминиевой пластине методом микрофрезерования. Дозирование и управление потоками газа обеспечивается тремя химически стойкими электромагнитными 3/2 клапанами фирмы SMC, быстрота срабатывания которых составляет 10 микросекунд. Герметизация каналов осуществляется с помощью склейки алюминиевой пластины с тонкой пленкой химически инертного термопластичного полимера (см.: И.А. Платонов, В.И. Платонов, М.Г. Горюнов. Газовый хроматограф на основе планарных систем. // Журн. аналит. Химии, 2015. Том 70. №9. с. 1003-1008).
Недостатком известного микродозатора является относительно низкая прецизионность в условиях повторяемости величины объема вводимой на анлиз пробы из-за кратковременных бросков давления и нарушения динамического равновесия в момент ввода пробы.
Задачей изобретения является повышение прецизионности вводимого на анализ малого объема пробы, обеспечивающего прямой ввод исследуемой пробы без деления потока как в капиллярные, так и в микронасадочные колонки и исключение бросков давления газа в момент ввода пробы.
Эта задача решается за счет того, что в планарном микродозаторе для газовой хроматографии, содержащем плоскую пластину с каналами для газовых потоков и установленными пневмораспределителями с электрическим управлением, содержащем также плоскую пластину для герметизации этих каналов и дозу фиксированного объема, причем планарный микродозатор дополнительно содержит пневматический повторитель давления в линиях газа-носителя и анализируемого газа. Кроме того, в планарном микродозаторе герметизация каналов выполнена путем склейки пластины с газовыми каналами с плоским стеклом.
При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в повышении прецизионности в условиях повторяемости вводимого в хроматограф объема анализируемой пробы и, соответственно, уменьшения погрешности измерения высоты и площади хроматографических пиков за счет значительного уменьшения внутреннего объема газовых каналов на плоской пластине, выполненных методом микрофрезерования и выравнивания давления газообразной пробы с давлением газа-носителя с помощью пневматического повторителя давления на входе и пневматического сопротивления на выходе анализируемого газа в микродозатор. В прототипе анализируемый газ в пробе имеет давление, равное атмосферному, поэтому в момент ввода пробы из-за разности давлений газа-носителя и анализируемой пробы происходит кратковременный бросок давления и нарушение динамического равновесия в системе, что увеличивает случайную составляющую погрешности измерения высоты и площади пиков. Кроме того, за счет уменьшения внутреннего объема микродозатора обеспечена возможность уменьшения объема дозируемых на анализ газообразных проб, что позволило осуществлять прямой ввод пробы в капиллярные и микронасадочные колонки без предварительного деления потока.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 схематично изображен планарный микродозатор для газовой хроматографии. Микродозатор содержит плоскую алюминиевую пластину 1 с каналами для газовых потоков 2, которые герметизируются стеклянной пластиной 3 с помощью клея. На пластине 1 установлены три пневмораспределителя 3/2 с электрическим управлением 4, доза фиксированного объема 5 для анализируемой пробы газа. Кроме того, планарный микродозатор содержит регулятор давления газа-носителя 6, пневматический повторитель давления 7 и пневмосопротивление 8 для выравнивания давления в линиях газа-носителя и анализируемого газа, исключающее броски давления в дозе в момент ввода пробы в колонку для анализа и нарушение динамического равновесия в системе.
В качестве материала для создания микродозатора на плоскости был выбран алюминий в связи с инертностью его поверхности по отношению к исследуемым аналитам и простотой обработки при изготовлении системы каналов для газовых потоков на плоскости. Геометрия каналов микродозатора 0,5×0,5 мм, дозы фиксированного объема 1,0×2×25 мм, что соответствует объему дозы в 50 мкл. В качестве твердотельного термостата микродозатора выступает сама алюминиевая пластина, в которой выгравированы каналы прямоугольного сечения (на чертеже не показаны). В качестве нагревателя используется полиимидная пленка с нанесенным на ее поверхность слоем хрома. Данная технология не только облегчает монтаж термостатируемого микродозатора в хроматографическом приборе, но и приводит к существенному снижению энергопотребления прибора в целом.
Планарный микродозатор для газовой хроматографии работает следующим образом:
Операция 1 - «набор». Электрическое управление включено, и пневмораспределители 4 находятся в положении, указанном на чертеже, и анализируемый газ поступает на вход микродозатора через пневматический повторитель давления 7, который поддерживает давление в линии анализируемого газа, равное давлению газа-носителя, за счет пневмосопротивления 8 на выходе анализируемого газа. Анализируемый газ заполняет дозу 5 через открытые (А и В) газовые каналы пневмораспределителей. В это время газ-носитель поступает через каналы 2 и открытый газовый канал пневмораспределителя (С) в разделительную колонку.
Операция 2 - «анализ». Электрическое управление выключено, и пневмораспределители 4 переключаются в положение, когда анализируемый газ перестает циркулировать через дозу 5, а газ-носитель через открытые газовые каналы пневмораспределителей (А, В и С) вымывает анализируемую пробу из дозы 5 под давлением, равным давлению газа-носителя в колонку для анализа.
c
пр
3
3
Экспериментальная оценка прецизионности в условиях повторяемости известного и предлагаемого планарного микродозатора для газовой хроматографии проводилась на примере анализа поверочной газовой смеси (ПГС) пропана в воздухе с концентрацией 0,2 объемных %. Эксперимент проводили на газовом хроматографе «Кристалл-5000.1» (ЗАО СКБ «Хроматэк») с использованием микронасадочной колонки на плоскости с нанодисперсным диоксидом кремния (Аэросил А-175), длина 2 м, сечение 0,2×0,2 мм при температуре колонки 40°С, газ-носитель гелий с расходом F=2 см/мин, температура дозатора 40°С, детектор ДТП. При анализах с известным дозатором: объем пробы V=0,125 см при делении потока 1:50.
r(A)
r(h)
По результатам десяти анализов ПГС рассчитывали относительное среднее квадратичное отклонение (ОСКО) среднего арифметического результата измерения площади S и высоты S хроматографического пика пропана в процентах:
где x - площадь или высота пика пропана в выборке;  - среднее арифметическое значение площади или высоты пика пропана из n=10 измерений.
Результаты экспериментов представлены в таблице «Сравнительная оценка прецизионности известного и предлагаемого дозаторов».
Как видно из приведенных в таблице данных, прецизионность измерения площади и высоты хроматографического пика пропана, связанная со случайными составляющими погрешностей величины объема вводимой пробы, изменения параметров расхода, давления, температуры и др., для предлагаемого планарного микродозатора в три раза меньше, чем для известного дозатора. Это связано прежде всего с тем, что в предлагаемом микродозаторе значительно уменьшен внутренний объем газовых каналов и исключены «непродуваемые» газом-носителем области за счет использования при изготовлении метода микрофрезерования и выравнивания давления в дозе с давлением газа-носителя в момент ввода пробы на анализ.
Использование предлагаемого планарного микродозатора для газовой хроматографии будет способствовать созданию метрологически обеспеченных методик выполнения хроматографических измерений для реализации конкретных (целевых) аналитических задач, включая экспрессные методы анализа с короткими капиллярными и микронасадочными колонками различных технологических объектов и анализы в полевых условиях с переносной конфигурацией прибора.