Результат интеллектуальной деятельности: Минитермостат для планарных микрохроматографических колонок

Изобретение относится к газовой хроматографии и может быть использовано для эффективного экспресс-анализа сложных смесей веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, медицине, экологии и др.

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 (см.: 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(1). p.p. 655-663).

Известна также планарная микрохроматографическая колонка, представляющая собой плоскую пластину с каналами, заполненными сорбентом (Патент РФ №2540231, МПК G01N 30/56, Бюл. изобр. №4 от 10.02.2015).

Инженеры фирмы Hewlet-Packazd предложили использовать вместо термостата капиллярный металлический кожух (трубку), в который помещается капиллярная колонка. Кожух является одновременно нагревательным элементом, и поэтому нагреву подвергается только очень небольшое пространство, включающее капиллярную колонку. Скорость нагрева у такого термостата на порядок выше, чем у традиционно используемых.

Наиболее близким к изобретению 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 изобретения является увеличение скорости разогрева и создание режима программирования температуры планарных микрохроматографических колонок.

Эта задача решается за счет того, что минитермостат для планарных микрохроматографических колонок, содержащий хроматографические колонки с каналами и керамический элемент Пельтье для их разогрева и охлаждения, отличается тем, что каналы хроматографических колонок выполнены на плоской пластине самого элемента Пельтье, при этом на внутренние стенки каналов 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.

3. Повышается эффективность разделения сложных смесей веществ с большим диапазоном температур кипения за счет использования режима программирования температуры планарной микрохроматографической колонки.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 схематически изображен минитермостат для планарных микрохроматографических колонок.

На фиг. 2 изображен разрез термостата.

Устройство содержит плоскую пластину элемента Пельтье 1 с прямоугольными каналами 2 для сорбента 5, стеклянную пластину 3 для герметизации колонки и дополнительный нагреватель 4 из вольфрама, выполненный в виде тонкой пленки, нанесенной на внутреннюю поверхность канала. Канал заполнен сорбентом 5.

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.

Возможности минитермостата 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 Н₂, СН₄, CO₂, С₂Н₆, С₃Н₈, i-С₄Н₁₀, n-С₄Н₁₀, неопентана, i-C₅H₁₂, бензола, толуола, тяжелых углеводородов в виде суммы С₆Н₁₄, С₇Н₁₆ и C₈H₁₈.

Каналы для планарной микрохроматографической колонки глубиной и шириной 150×150 мкм выполнены на плоской пластине элемента Пельтье (Module Frost-74) методом микрофрезерования. 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.

Температурный режим при хроматографировании: начальная температура 40°С в течение 20 секунд (из колонки элюируются Н₂, CH₄, CO₂ и С₂Н₆). Затем линейное программирование со скоростью 100°С/мин до температуры 100°С, поддержание температуры в течение 10 секунд (элюируются С₃Н₈, i-С₄Н₁₀, n-С₄Н₁₀, неопентана, i-C₅H₁₂ и n-С₅Н₁₂). Затем линейное программирование со скоростью 300°С/мин до температуры 200°С (элюируются сумма С₆Н₁₄, бензол, сумма С₇Н₁₆, толуол, сумма C₈H₁₈).

В таблице 1 приведены некоторые технические характеристики известного термостата для капиллярных колонок и предлагаемого термостата для планарных микрохроматографических колонок.

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, предлагаемый минитермостат для планарных микрохроматографических колонок обеспечивает увеличение скорости нагрева сорбента в колонке в 1,75 раза. Использование предлагаемого минитермостата 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 программируемый температурный режим хроматографирования.

2. Создание унифицированных планарных микрохроматографических колонок для анализа газов и паров в экологии, для решения задач нефти и газоперерабатывающего комплексов.