Планарные микрохроматографические колонки для газовой хроматографии

В последние десятилетия за счет применения нанотехнологий, микрофлюидных и микроэлектромеханических систем стало возможным производство планарных микрохроматографических колонок (ПМХК), полученных путем формирования каналов в стеклянных, кремниевых, металлических и полимерных пластинах. Применение ПМХК позволяет не только на порядки снизить габариты самой колонки, но и время газохроматографического анализа с нескольких часов до десятка секунд.

Основным фактором, ограничивающим хроматографическое разделение, является размывание полосы хроматографического пика по мере его движения по слою сорбента. Причем для наполненных колонок сечением менее 1Ч1 мм сорбционные процессы протекают в основном на малом расстоянии (0.4−0.8 мм).

Для такого сечения колонок отношение диаметра колонки к диаметру зерна изменяется от 1 до 5, в отличие от традиционных набивных колонок диаметром 2…4 мм, для которых это соотношение находится в диапазоне 8…16. Это обстоятельство позволяет использовать короткие колонки для быстрого разделения сорбатов с хорошей эффективностью и селективностью.

Дальнейший переход к поликапиллярным и планарным сложнорельефным колонкам обусловлен тем фактом, что при сохранении высокой скорости разделения они способны работать с большими объемами пробы, кроме того они совместимы с широким спектром детектирующих систем. Современные технологии формирования многомерных структур на плоскости основываются на принципах микролитографии, химического и физического осаждения паров, микросплавления [8]. Сформированные таким образом сложнорельефные структуры далее проходят стадии герметизации и формирования сорбционных слоев, однородных по всем каналам.

Значительно упрощается технология формирования сорбционных слоев при изготовлении моноканальных ПМХК на различных подложках с сечением 0.1…0.5 мм и длиной до 3 м. Такие колонки имеют хорошую эффективность и обеспечивают высокую скорость анализа. В связи с этим в настоящей работе исследуются планарные микрохроматографические колонки с каналом прямоугольного сечения, выполненные на алюминиевых пластинах, и предназначенные для разделения легких углеводородов при решении задач экспресс-анализа природных и техногенных объектов с помощью разрабатываемого микрохроматографа.

Экспериментальная часть

Для изготовления ПМХК был выбран алюминий. Выбор материала обусловлен его инертностью по отношению к исследуемым сорбатам. Кроме того, алюминий обладает высокой теплопроводностью, что обуславливает возможность применения пластины, на которой выгравированы каналы, в качестве твердотельного термостата. Пластины из алюминия (АМГ-6) предварительно подвергали шлифованию до 6-го класса точности, а затем методом микрофрезерования формировали каналы длиной 0,4 м с квадратными сечениями 1.0Ч1.0 мм, 0.6Ч0.6 мм и 0.4Ч0.4 мм.

В целях сравнения изготовленных колонок с традиционной была изготовлена микронасадочная колонка (МК) длиной 0.4 м и внутренним диаметром 0.75 мм. Параметры исследуемых колонок 1−3, а также тестовой колонки 4 представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры исследуемых колонок.

Адсорбент — CarbopackB (зернение 0.10 — 0.12 мм) наносился в каналы пластины, с последующим удалением его избытка. После нанесения адсорбента в каналы плоскость закрывалась плоской шлифованной пластиной. Герметизацию конструкции осуществляли методом термического связывания (склеивания) через пленку из полиметилметакрилата марки ТОСП при температуре 110…130°С под вакуумом [25 патент]. Фотографии опытных образцов алюминиевых пластин с сформированными каналами длиной 0.4 м квадратного сечения 1Ч1 мм, 0.6Ч0.6 мм и 0.4Ч0.4 мм представлены на рисунке рис. 1а, поперечный срез пластины с каналом длиной 0,4 м и сечением 0.6Ч0.6 мм после ее герметизации представлен на рис. 1б.

а б.
Рис. 1. Фотографии опытных образцов алюминиевых пластин с сформированными каналами квадратного сечения (а), поперечный срез пластины после ее герметизации (б).

Газохроматографический эксперимент для проведения сравнительных испытаний изготовленных колонок проводился на газовом хроматографе «Кристалл 5000.1». Для коммутации ПМХК с капиллярным испарителем и пламенно-ионизационным детектором использовали кварцевые капилляры длиной до 10 см и внутренним сечением 0.2 мм. В качестве тестовой смеси использовалась стандартная смесь этана (5% об.), пропана (9% об.), изо-бутана (40% об.) и н-бутана (46% об.). В качестве газа-носителя использовался азот (соотношение расход/сброс находилось в диапазоне от 1:3 до 1:5), объем вводимой пробы составлял от 30 до 50 мкл, температуры составляли: испарителя 700С, детектора 1500С, колонки 500С.

Обсуждение результатов

Изготовленные планарные микрохроматографические колонки дают возможность разделять с удовлетворительной селективностью углеводороды С2-С5 и имеют удельную эффективность свыше 1000 т.т. На рис. 2 представлена хроматограмма разделения легких углеводородов этана, пропана, изобутана и н-бутана на колонке 1 при практически оптимальной скорости газа-носителя, время анализа составляет 40 секунд. Наверное, 30 с? Может, для сравнения привести и хроматограмму, полученную на тестовой колонке?

Рис. 2. Хроматограмма разделения легких углеводородов

этана, пропана, изобутана и н-бутана на колонке 1.

Эффективность хроматографической колонки является сложной функцией, зависящей от большого числа структурных, диффузионных, кинетических и прочих параметров. Поскольку эти процессы происходят в пространстве, ограниченном сечением колонки, то при прочих равных условиях естественно предполагать, что эффективность будет зависеть от этого параметра. Зачем это предположение? Оно дальше не используется. Некоторые результаты по исследованию этой зависимости представлены на рис. 3. Разве они иллюстрируют именно эту зависимость?

На этом рисунке представлены кривые 1−3 Ван-Деемтера для изготовленных планарных микрохроматографических колонок 1−3, давление на входе в колонку варьировалось от 5 до 100 кПа, температура колонки 50 °C, газ-носитель — азот, сорбат — изо-бутан. На этом же рисунке изображена кривая 4 Ван-Деемтера для тестовой микронасадочной колонки.

Как видно из приведенных графиков эффективность возрастает с уменьшением внутреннего сечения колонки, и переход от колонки с внутренним сечением 1Ч1 мм к сечению 0.4Ч0.4 мм приводит к снижению значения Нminот 0.91 к 0.4, что закономерно объясняется уравнением Ван-Деемтера для газо-адсорбционного варианта вследствие значительного снижения коэффициента сопротивления массопередачи. Видно также, что кривые Ван — Деемтера для колонки 2 и тестовой микронасадочной колонки практически совпадают.

Для легколетучих углеводородов в таблице 2 приведены экспериментально найденные значения эффективности, выраженной как максимальное число теоретических тарелок на метр длины колонки Нmin, а также как число разделения, приходящееся на метр длины колонки. Это число — RS? Тогда его следует определить заранее.

Рис. 3. Кривые Ван-Деемтера для изготовленных планарных микрохроматографических колонок 1−3, а также для традиционной колонки 4.

Таблица 2.

Экспериментально найденные значения эффективности колонок для легколетучих углеводородов.

Из приведенных данных следует, что при оптимальной скорости газа-носителя переход от колонки с внутренним сечением 1Ч1 мм к колонке с сечением 0.4Ч0.4 мм приводит к увеличению эффективности примерно на 50%, а числа разделения на 35%, что говорит о преимуществе колонок малого внутреннего сечения.

Известно [26], что высота, эквивалентная теоретической тарелке, будет уменьшаться с уменьшением ее внутреннего сечения и диаметра зерна сорбента, при этом оптимальным соотношением является 1:10 и менее (внутреннее сечение к диаметру зерна соответственно) [27], однако при рассмотрении рис. 3 можно сделать вывод, что этот эффект здесь не наблюдается. Этот факт обусловлен тем, что средний диаметр зерна адсорбента, которым заполнялась колонка, сравним с размерами внутреннего сечения колонки. Поэтому можно предположить, что качество упаковки частиц в колонке сечением 0,4Ч0,4 мм и 0,6Ч0,6 мм — не достаточное, но гораздо выше, чем для колонки сечением 1Ч1 мм. Почему? Планарные микрохроматографические колонки сечением 0,6Ч0,6 мм и 0,4Ч0,4 мм проявили близкие значения эффективности, и более высокие, чем колонка сечением 1Ч1 мм.

Это представляется закономерным, поскольку микронасадочные капиллярные колонки в отличие от насадочных характеризуются преимуществами в эффективности и селективности разделения. Максимальные значения по эффективности планарные микрохроматографические колонки сечением 0,6Ч0,6 мм и 0,4Ч0,4 мм проявили в диапазоне линейной скорости газа-носителя от 4 до 10 см/сек.

На рис. 4 представлены зависимости разрешения пиков Rs от объемной скорости газа-носителя, для изготовленных ПМХК1 — ПМХК3 длиной 0,4 м и сечением 0,4Ч0,4 мм, 0,6Ч0,6 мм и 1Ч1 мм, заполненных адсорбентом CarbopackB (зернение 0,10 — 0,12 мм). Температура колонки составляла 50 °C, в качестве газа-носителяьиспользовался азот.

Как видно из рассмотрения рис. 4, разрешение пиков, достаточное для количественного анализа трудноразделимой пары изомеров изо-бутан — бутан, для трех изготовленных колонок сохраняется в диапазоне расхода газа-носителя азота от 0,5 до 22 см3/мин. Следует отметить, что рабочий диапазон объемной скорости газа-носителя для представленных ПМХК отличается, что обусловлено различной плотностью упаковки колонки частицами адсорбента. Для ПМХК сечением 0,4Ч0,4 мм оптимальная объемная скорость газа-носителя находится в диапазоне 0,5…4 см3/мин, для ПМХК сечением 0,6Ч0,6 мм — 4…8 см3/мин, для ПМХК сечением 1Ч1 мм — 15…22 см3/мин.

Рис. 4. Зависимости разрешения пиков Rs для изо-бутана и

н-бутана от объемной скорости f газа-носителя для изготовленных планарных микрохроматографических колонок.

В таблице 3 представлены результаты сравнительной оценки сорбционных свойств ПМХК сечением 0,6Ч0,6 мм (площадь сечения 0,36 мм2) и классической микронасадочной колонки (КМК) внутренним диаметром 0,75 мм (площадь сечения 0,44 мм2), длина изготовленных колонок 0,4 м, адсорбент — CarbopackB (зернение 0,10−0,12 мм).

Видно, что максимальные значения разрешения пиков и ВЭТТ близки, что говорит об одинаковой эффективности массообмена между подвижной и неподвижной фазами. Однако пневмосопротивление классической микронасадочной колонки гораздо выше, по-видимому это связано с образованием мелкодисперсных частиц сорбента при её изготовлении. Преимуществом ПМХК является значительное сокращение времени анализа — в 3 раза по сравнению с КМК.

На рис. 5 представлены кривые Ван-Деемтера для открытых ПМХК, изготовление которых осуществлялось согласно аэрозоль-гель технологии [28].

Были изготовлены открытые ПМХК сечением 0,4Ч0,4 мм, 0,6Ч0,6 мм, и 1Ч1 мм, заполненные нанодисперсным диоксидом кремния, давление на входе в колонку варьировалось от 3 до 50 кПа, температура колонки 50 °C, газ-носитель — азот, сорбат — пентан.

Таблица 3.

Сравнительная оценка основных хроматографических характеристик.

ПМХК и КМК.

• 1 P — давление на входе в колонку;
• 2 F-объемная скорость газа-носителя;
• 3trабсолютное время удерживания для изо-бутана;
• 4 H — высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ) по изо-бутану;
• 5 RS-разрешение пиков для пары изомеров изо-бутан — бутан.

Рис. 5. Кривые Ван-Деемтера для изготовленных открытых

ПМХК сечением 0,4Ч0,4 мм (1), 0,6Ч0,6 мм (2) и 1Ч1 мм (3),.

заполненных адсорбентом Аэросил А-175.

Как видно из рассмотрения рис. 5, эффективность колонок возрастает с уменьшением их сечения, что является закономерным для открытых капиллярных колонок. Также можно сделать вывод о целесообразности дальнейшего уменьшения сечения колонок и увеличения их длины, поскольку эффективность и селективность изготовленных открытых ПМХК длиной 0,4 м оказались недостаточными для проведения анализов сложных смесей углеводородов.

На рис. 6 представлена хроматограмма разделения смеси углеводородов С1-С5 на открытой ПМХК сечением 0,2Ч0,2 мм, заполненной нанодисперсным диоксидом кремния. Хроматограмма получена при температуре колонки 400С, газ-носитель гелий, расход газа-носителя 2см3/мин.

Из рис. 6 видно, что открытая ПМХК данной геометрии позволяет эффективно разделить такие трудноразделимые пары измеров как изо-бутанн-бутан, изо-пентан — н-пентан. Разрешение RS? пиков составило 1,1 и 1,3 соответственно.

Следует отметить, что время полного анализа составляет не более 6 секунд, а при работе со стандартно применяемыми колонками для углеводородов С1-С5 анализ занимает в 30 раз больше времени. Кроме того, применение ПМХК приводит к увеличению чувствительности хроматографа по отношению к анализируемым компонентам за счет уменьшения ширины пика. Достоинством разработанных ПМХК является также и тот факт, что при таких расходах и повышенной сорбционной емкости используемого сорбента в колонку можно напрямую вводить до 200 мкл анализируемой газовой смеси при отсутствии влияния объема вводимой пробы на форму хроматографических пиков анализируемых компонентов.

Рис. 6. Хроматограмма смеси легкокипящих алканов С1 — С5 на открытой ПМХК длиной 2 м и сечением 0,2Ч0,2 мм с нанодисперсным диоксидом кремния (Аэросил, А — 175)

Таким образом, применение планарных микрохроматографических колонок является перспективным при создании новых портативных хроматографических систем, используемых во всех областях газохроматографического анализа.