Хроматографический способ разделения компонентов смеси в растворе

Заявляемый способ относится к области аналитической химии и может быть использован для разделения компонентов в растворе и количественного определения состава смеси.

Известен способ для разделения веществ - хроматография (J. Miller, Chromatography: Concepts and Contrasts, Second Edition, 9.09.2013, Wiley). В хроматографии используются две фазы: подвижная и неподвижная. В зависимости от типа подвижной фазы хроматография классифицируется на газовую и жидкостную хроматографию. Принцип действия хроматографии состоит в следующем: смесь разделяемых веществ вносится в подвижную фазу, которая проходит через неподвижную фазу. При прохождении через неподвижную фазу компоненты смеси взаимодействуют с поверхностью хроматографической колонки. Скорость прохождения каждого компонента уменьшается в соответствии с количеством актов адсорбции и десорбции молекул соответствующего компонента. Чем большее количество раз молекулы компонента провзаимодействуют с неподвижной фазой хроматографа, тем больше будет его время прохождения через хроматографическую колонку. Длительности процесса разделения посредством хроматографии очень велика. Также с помощью хроматографии невозможно разделить вещества ряда классов, по причине близких адсорбционных свойств.

Известен способ для разделения веществ, выбранный в качестве прототипа -высокоэффективная жидкостная хроматографиия, описанный в (Майер В., Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография, Техносфера, 12 апреля 2017). Особенностью высокоэффективной жидкостной хроматографии является использование в качестве неподвижной фазы полярного микропористого материала.

Принцип работы жидкостной хроматографии состоит в следующем:

1. с помощью блока накачки полярный растворитель (подвижная фаза, элюент) подается в хроматографическую колонку при высоком давлении, т.е. формируют поток подвижной фазы

2. в подвижную фазу (элюент) вводится разделяемый раствор;

3. далее элюент попадает в хроматографическую колонку, где располагается неподвижная фаза хроматографа (пористый материал);

4. в хроматографической колонке происходит взаимодействие компонентов смеси с подвижной и неподвижной фазой хроматографа, за счет чего компоненты смеси движутся по хроматографической колонке с различными скоростями;

5. детектор, который представляет собой спектроанализатор или масс-спектрометр, измеряет концентрации компонентов смеси.

Для разделения компонентов смеси при помощи насосов создается поток жидкости - подвижной фазы хроматографа. При помощи диспенсера исследуемый образец попадает в подвижную фазу, далее вещество направляется в хроматографическую колонку. В хроматографической колонке происходит взаимодействие исследуемых образцов с поверхностью неподвижной фазы. За счет различий в механизмах взаимодействия отдельных компонентов разделяемой смеси происходит запаздывание последних. Каждый компонент в хроматографической колонке хроматографа движется со своей скорости, за счет чего происходит разделение компонентов во времени. Детектор на основе светодиодов измеряет изменение концентрации компонентов смеси во времени.

Жидкостная хроматография позволяет разделять компоненты различных растворов, включая органические и неорганические молекулы, атомы, белки и другие биологические объекты.

Основным недостатком прототипа является низкая чувствительность к классам соединений, молекулы которых имеют схожие механизмы адсорбции и десорбции.

Изобретение решает следующие задачи:

- расширение классов разделяемых компонентов за счет стимуляции механизмов взаимодействия частиц разделяемых компонентов с помощью возбуждения оптическим излучением;

- уменьшение времени, затрачиваемого на процесс разделения веществ; Поставленная задача решается следующим образом.

В хроматографическом способе разделения компонентов смеси в растворе, включающем подачу подвижной фазы, с введенной в нее смесью разделяемых компонентов, в хроматографическую колонку хроматографа, содержащую, по крайней мере, одну неподвижную фазу, выполненную из пористого материала, и последующее измерение концентраций разделенных компонентов смеси, в качестве неподвижной фазы используют прозрачную для оптического излучения ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов среду, а при прохождении через хроматографическую колонку контролируемой смеси, ее последовательно облучают одним или несколькими источниками непрерывного лазерного излучения с длиной волны, которую выбирают на основе спектров поглощения разделяемых компонентов смеси, а плотность мощности используемого лазерного излучения превышает пороговое значение 5 Вт/см².

На выходе хроматографической колонки располагается система измерения концентраций компонентов смеси.

Сущность заявляемого способа поясняется следующим.

Разделение компонентов различных растворов, включая разделение органических молекул, молекул белков, молекул аминокислот и других биологических объектов осуществляется при помощи селективного возбуждения компонентов смеси лазерным излучением. Это приводит к повышению чувствительности к разделению соединений, которые имеют схожие адсорбционные свойства, за счет фотовозбуждения отдельных компонентов смеси и стимуляции процессов взаимодействия молекул.

Смесь компонентов для разделения внедряется в подвижную фазу хроматографа. Подвижная фаза проходит через хроматографическую колонку. Во время прохождения хроматографической колонки производится облучение смеси лазерным излучением с длиной волны, соответствующей области поглощения одного из компонентов. Длина волны излучения должна удовлетворять следующему условию: атомы одного из компонентов должны поглощать фотоны и переходить в возбужденное состояние, в то же время, атомы остальных компонентов должны оставаться в основном состоянии. Плотность мощности лазерного излучения должна превосходить значение 5 Вт/см². Для смеси, состоящей из трех и более компонентов используют нескольких стадий разделения. На каждой стадии атомы одного из компонентов приводятся в возбужденное состояние при помощи лазерного излучения. Возбужденные атомы одного из компонентов начинают сильнее взаимодействовать с поверхностью неподвижной фазы, таким образом, средняя скорость их перемещения по сравнению с остальными компонентами снижается. Это приводит к тому, что компоненты смеси выходят из хроматографической колонки в разные моменты времени. Концентрация разделенных компонентов регистрируется при помощи детектора.

Для разделения веществ используется механизмы взаимодействия молекул или атомов, возбужденных при помощи лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей 5 Вт/см², с поверхностью неподвижной фазы хроматографа. Исходный образец, содержащий смесь компонентов с близкими молекулярными массами, с различными спектрами поглощения, подается в хроматографическую колонку. Неподвижная фаза хроматографической колонки представляет собой пористую среду, прозрачную для оптического излучения ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов. При прохождении через хроматографическую колонку смесь облучается оптическим излучением с длиной волны, обеспечивающей возбуждение атомов или молекул одного из компонентов смеси, а плотность мощности лазерного излучения должна превышать пороговое значение 5 Вт/см². Экспериментально показано, что процесс фотовозбуждения является пороговым. Пороговое значение плотности энергии измерено экспериментально и составляет 5 Вт/см². Облучение компонентов смеси происходит на всей длине неподвижной фазы фотонного хроматографа. Целью облучения лазерным излучением одного из компонентов является возбуждение атомов или молекул соответствующего компонента. Молекулы или атомы одного из компонентов переходят в возбужденное состояние. Возбужденные молекулы начинают активнее взаимодействовать с поверхностью неподвижной фазой фотонного хроматографа (например, адсорбироваться на поверхности пористой среды), таким образом, скорость их движения через хроматографическую колонку существенно снижается по сравнению с невозбужденным компонентом. За счет усиленного взаимодействия, компонент, возбужденный при помощи лазерного излучения движется вдоль хроматографической колонки с меньшей скоростью, чем невозбужденный компонент.

Возбужденный компонент задерживается в хроматографической колонке, в то время как невозбужденные компоненты покидают ее. Таким образом, происходит отделение одного компонента смеси от остальных. После прохождения поверхности неподвижной фазы хроматографа концентрация облученного компонента снижается. То есть, изменяется концентрация компонентов смеси после прохождения хроматографической колонки по сравнению с составом смеси на входе устройства. Далее начинается вторая стадия разделения, где смесь из оставшихся компонентов облучается с помощью лазерного излучения с длиной волны, обеспечивающей переход в возбужденное состояние молекул или атомов второго компонента. Плотность мощности лазерного излучения превышает пороговое значение 5 Вт/см². Количество стадий разделения, источников излучения определяется исходя из состава смеси. На каждой стадии происходит облучение одного из компонентов и его задержка в соответствующей зоне (неподвижной фазе) хроматографической колонки.

Таким образом, может осуществляться разделение веществ, очистка химических соединений, а также измерение состава смеси из нескольких компонентов. Использование механизмов возбуждения посредством лазерного излучения позволяет разделять классы молекул с близкими молекулярными массами, близкими механизмами взаимодействия для молекул в невозбужденном состоянии с поверхностью неподвижной фазы, которые трудно разделять при помощи жидкостной хроматографии, а также измерять концентрации отдельных компонентов смеси.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображены устройство для разделения атомов и молекул заявляемым способом фотонной фотометрии и проиллюстрирован процесс разделения, на фиг. 2 представлена конструкция хроматографической колонки на основе пористого боросиликатного стекла. На фиг. 3 представлен спектр поглощения красителей: родамина 6Ж. На фиг. 4 представлен спектр поглощения цитозина. На фиг. 5 представлены скорости изменения концентрации для родамина 6Ж и цитозина при прохождении хроматографической колонки без облучения и с облучением на длине волны, соответствующей пику поглощения родамина 6Ж.

Устройство, на котором может быть осуществлен заявляемый способ (фиг. 1) содержит неподвижную фазу 1, хроматографической колонки 2, с обеих сторон которой размещаются емкость для подачи разделяемой смеси компонентов 3 и емкость для измерения концентраций разделенных компонентов 4, используемые в качестве резервуара для исходной смеси веществ и для сбора и измерения концентрации разделенных компонентов, источника постоянного напряжения 5, электрически соединенного с емкостью для подачи разделяемой смеси компонентов 3 и емкостью для сбора и измерения концентрации разделенных компонентов 4, при приложении электрического поля которого осуществляется движение подвижной фазы через неподвижную фазу 1 хроматографической колонки 2 посредством электромиграции. С емкостью для сбора и измерения концентрации разделенных компонентов 4, оптически соединяется измеритель концентраций компонентов смеси 6.

Устройство для реализации способа фотонной хроматографии оборудовано одним или несколькими источниками лазерного излучения 7. В качестве источника излучения могут быть использованы лазерные диоды или различных типы непрерывных лазеров.

Заявленный фотонно-хроматографический способ разделения веществ осуществляется следующим образом (фиг. 1). Исходная смесь представляет собой раствор из двух и более компонентов, которые необходимо разделить. Исходная смесь помещается в подвижную фазу (раствор) фотонного хроматографа. Подвижная фаза помещается в емкость для подачи разделяемой смеси компонентов 3 хроматографической колонки 2. Движение подвижной фазы через неподвижную фазу 1 хроматографической колонки 2 осуществляется посредством электромиграции при приложении электрического поля при помощи источника постоянного напряжения 5, соединенного с емкостью для подачи разделяемой смеси компонентов 3 и емкостью для сбора и измерения концентрации разделенных компонентов 4 хроматографической колонки 2. Движение подвижной фазы через неподвижную фазу 1 хроматографической колонки 2 может осуществляться также посредством капиллярных сил. Количество неподвижных фаз определяется количеством разделяемых компонентов. При прохождении через хроматографическую колонку 2 подвижная фаза облучается источником непрерывного оптического излучения 7 с длиной волны, обеспечивающей возбуждение молекул выбранного компонента смеси, а плотность мощности лазерного излучения превышает пороговое значение 5 Вт/см². Облучение компонентов смеси происходит на всей длине неподвижной фазы 1 фотонного хроматографа. Для осуществления последовательного облучения лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей переход в возбужденное состояние атомов или молекул выбранных компонентов смеси, устройство оборудовано одним или несколькими источниками непрерывного лазерного излучения 7. К емкости для сбора и измерения концентрации разделенных компонентов 4 хроматографической колонки 2 механически присоединяется измеритель концентраций компонентов смеси 6, с помощью которого определяют значения концентрации разделенных компонентов.

В качестве конкретного примера предлагается реализация способа разделения методом фотонной хроматографии при помощи устройства (фиг. 2), в котором в качестве подвижной фазы используется полярная жидкость, например, этиловый спирт. Хроматографическая колонка 2 содержит неподвижную фазу 1. Хроматографическая колонка 2 представляет собой пластину из пористого боросиликатного стекла с невыщелочеными порами. Неподвижная фаза 1, представляет собой, созданную на указанной пластинке, канавку 8 длиной 1 см и толщиной 0,5 мм, полученную путем выщелачивания соляной кислотой. Канавка 8 изготавливается при помощи фотолитографии и последующего травления. В общем случае количество неподвижных фаз определяется количеством разделяемых компонентов. Для разделения смеси двух компонентов, приведенной в конкретном примере, используется одна неподвижных фаз. С обеих сторон от канавки 8 методом фотолитографии создают емкость для разделяемой смеси 3 и емкость для измерения концентраций разделенных компонентов 4 с диаметром в 5-10 мм, используемые в качестве резервуара для исходной смеси веществ и для сбора и измерения концентрации разделенных компонентов.

В качестве разделяемых компонентов применяются красители Родамин 6Ж и Цитозин. В качестве подвижной фазы хроматографа используется этиловый спирт. Для осуществления движения спиртового раствора через хроматографическую колонку 2 к емкости для разделяемой смеси 3 и емкости для измерения концентраций 4 прилагалось постоянное электрическое напряжение величиной не менее 500 В, при помощи источника постоянного напряжения 5. Область с неподвижной фазой 1 облучается лазерным излучением непрерывного источника излучения 7. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 532 нм, что близко к пику поглощения Родамина 6Ж (см. фиг. 3). Спектр поглощения Цитозина в данном диапазоне длин волн не имеет пиков поглощения (фиг. 4). Для обеспечения требований по плотности мощности лазерного излучения лазерный луч фокусируется при помощи цилиндрической линзы 9. Концентрации веществ на выходе из хроматографической колонки измерялись при помощи измерителя концентраций компонентов смеси 6, в качестве которого использовали спектрофлуориметр Флуорат-02-Панорама. При облучении лазерным излучением скорость нарастания концентрации Родамина 6Ж существенно снизилась, при этом скорость нарастания концентрации Цитозина практически не изменилась (фиг. 5).

Таким образом, заявляемый способ позволяет разделять классы веществ, которые имеют близкие физические механизмы взаимодействия молекул и атомов с поверхностью, за счет стимуляции механизмов взаимодействия молекул с поверхностью неподвижной фазы посредством их возбуждения лазерным излучением. Также за счет стимуляции процессов адсорбции и увеличения числа актов взаимодействия молекул одного из компонентов, возбужденных лазерным излучением, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность разделения, и как следствие, сократить время, затрачиваемое на процесс разделения и уменьшить длину хроматографической колонки. Также для осуществления движения подвижной фазы не требуется создания разности давлений, как в случае высокоэффективной жидкостной хроматографии, что ведет к удалению компрессионного блока и упрощению конструкции хроматографа в целом.