[go: up one dir, main page]

RU2825594C1 - Stationary phase thickness gradient chromatographic column - Google Patents

Stationary phase thickness gradient chromatographic column Download PDF

Info

Publication number
RU2825594C1
RU2825594C1 RU2022115848A RU2022115848A RU2825594C1 RU 2825594 C1 RU2825594 C1 RU 2825594C1 RU 2022115848 A RU2022115848 A RU 2022115848A RU 2022115848 A RU2022115848 A RU 2022115848A RU 2825594 C1 RU2825594 C1 RU 2825594C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thickness
chromatographic column
stationary phase
column
inlet
Prior art date
Application number
RU2022115848A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сюйдун ФАНЬ
Хунбо ЧЖУ
Цзиньянь ШЭ
Максвелл Вэй-Хао ЛИ
Кацуо КУРАБАЯСИ
Original Assignee
Де Риджентс Оф Де Юниверсити Ов Мишиган
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Де Риджентс Оф Де Юниверсити Ов Мишиган filed Critical Де Риджентс Оф Де Юниверсити Ов Мишиган
Application granted granted Critical
Publication of RU2825594C1 publication Critical patent/RU2825594C1/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a gas chromatography device comprising a chromatographic column having a stationary phase with a positive thickness gradient. Gas chromatography device for focusing peaks of one or more target analytes includes: a chromatographic column having an inlet and an outlet, wherein a sample comprising one or more target analytes is fed into the inlet and exits the chromatographic column through the outlet, and a stationary phase deposited inside the chromatographic column, which has a positive thickness gradient, wherein the stationary phase passes from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column, where the second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness.
EFFECT: improved separation in a chromatographic column in order to improve its operational characteristics and increase the analytical capacity of gas chromatography.
28 cl, 9 dwg, 9 tbl

Description

Настоящая заявка претендует на полезный эффект предварительной заявки США 62/940038, поданной 25 ноября 2019 г. Эта заявка полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.This application claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 62/940,038, filed November 25, 2019. This application is incorporated herein by reference in its entirety.

Настоящее изобретение было разработано благодаря правительственному гранту FA8650-17-C-9106, финансируемому ВВС США, Командованием материально-техническим обеспечением ВВС. Правительство имеет определенные права на данное изобретение.This invention was developed under Government Grant FA8650-17-C-9106, funded by the United States Air Force, Air Force Materiel Command. The Government has certain rights in this invention.

Область техникиField of technology

Настоящее изобретение относится к устройствам для газовой хроматографии, включающим хроматографические колонки, содержащие неподвижную фазу с положительным градиентом толщины для улучшения фокусировки пиков.The present invention relates to gas chromatography devices comprising chromatographic columns containing a stationary phase with a positive thickness gradient to improve peak focusing.

Уровень техникиState of the art

В данном разделе приведена общая информация, относящаяся к настоящему изобретению, которая не обязательно относится к предшествующему уровню техники.This section provides general information related to the present invention, which does not necessarily relate to the prior art.

Газовая хроматография (ГХ) представляет собой способ анализа, основанный на разделении соединений, находящихся в газовой фазе, с помощью разделяющих колонок, что позволяет анализировать и идентифицировать соединения, находящиеся в целевом образце. ГХ широко применяют в различных областях промышленности для разделения и идентификации целевых аналитов, таких как летучие органические соединения или полулетучие органические соединения. ГХ особенно подходит для анализа комплексных образцов, содержащих совокупность целевых аналитов, требующих индивидуального обнаружения. В ГХ анализе регистрируют "пики" химических веществ, пропускаемых через разделяющую колонку. Так, в колонку через инжектор вводят образец, содержащий различные химические вещества или целевые аналиты. Колонка содержит материал, который рассматривается как неподвижная фаза. Различные фракции образца проходят через колонку с различной скоростью (обусловленной физическим и химическим взаимодействием химических веществ с материалом, содержащимся в колонке). По мере элюирования целевых аналитов и их выхода из колонки, датчик может различать вымываемые в течение определенного времени вещества по скорости, с которой аналиты проходят через колонку. Такие аналиты могут быть идентифицированы и/или определены количественно с помощью электронного оборудования во время или после обнаружения. Было бы желательно улучшить разделение в хроматографической колонке с целью улучшения ее эксплуатационных характеристик и повышения аналитической способности ГХ.Gas chromatography (GC) is an analytical technique based on the separation of compounds in the gas phase using separating columns, which allows the analysis and identification of compounds present in a target sample. GC is widely used in various industrial applications for the separation and identification of target analytes, such as volatile organic compounds or semi-volatile organic compounds. GC is particularly suitable for the analysis of complex samples containing a set of target analytes that require individual detection. GC analysis records the "peaks" of chemicals passing through a separating column. Thus, a sample containing various chemicals or target analytes is injected into the column through an injector. The column contains a material that is considered as a stationary phase. Different fractions of the sample pass through the column at different rates (due to the physical and chemical interactions of the chemicals with the material contained in the column). As target analytes elute and exit the column, the sensor can detect time-released species based on the rate at which the analytes pass through the column. These analytes can be identified and/or quantified electronically during or after detection. It would be desirable to improve the separation of the chromatographic column to improve its performance and enhance the analytical capability of the GC.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

В данном разделе обобщенно раскрыта сущность изобретения, и, таким образом, этот раздел не раскрывает полностью ни объем изобретения, ни все его признаки.This section provides a general outline of the invention and thus does not fully disclose the scope of the invention or all of its features.

Некоторые аспекты настоящего изобретения относятся к устройству для газовой хроматографии, предназначенному для фокусировки пиков одного или более целевых аналитов. Хроматографическая колонка имеет вход и выход, причем во вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, которые выходят из колонки через выход. Внутри хроматографической колонки осаждена неподвижная фаза, которая имеет положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.Some aspects of the present invention relate to a gas chromatography device designed to focus peaks of one or more target analytes. A chromatographic column has an inlet and an outlet, wherein a sample is fed into the inlet, including one or more target analytes, which exit the column through the outlet. A stationary phase is deposited inside the chromatographic column, which has a positive thickness gradient. The stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column, and has a second thickness at the outlet of the chromatographic column. The second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness.

Согласно одному из аспектов, первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, а вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.According to one aspect, the first thickness is from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness is from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина вторая толщина составляет по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.According to one aspect, the second thickness is at least approximately 100% greater than or equal to the first thickness.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.According to one aspect, the second thickness is at least approximately 300% greater than or equal to the first thickness.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.According to one aspect, the chromatographic column is a chromatographic column for gas microanalysis.

Согласно одному из аспектов, неподвижная фаза содержит силоксановый полимер.According to one aspect, the stationary phase comprises a siloxane polymer.

Согласно одному из других аспектов, силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или ар ильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.According to one other aspect, the siloxane polymer comprises at least one alkyl group or aryl group containing from 1 to 30 carbon atoms.

Согласно одному из аспектов, форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.According to one aspect, the cross-sectional shape of the chromatographic column is selected from the group consisting of a circular, oval, rectangular and triangular shape.

Настоящее изобретение также относится к способу фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ включает введение двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, включающей размещенную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Способ дополнительно включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов. Способ также включает элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки.The present invention also relates to a method for focusing peaks in a gas chromatography device. The method includes introducing two or more target analytes into the inlet of a chromatographic column, including a stationary phase arranged inside this chromatographic column, having a positive thickness gradient. The stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column, and has a second thickness at the outlet of the chromatographic column. The second thickness exceeds the first thickness by at least approximately 10%. The method further includes separating two or more target analytes in the chromatographic column. The method also includes eluting two or more target analytes from the outlet of the chromatographic column.

Согласно одному из аспектов, два или более целевых аналита представляют собой летучие органические соединения (ЛОС).In one aspect, two or more target analytes are volatile organic compounds (VOCs).

Согласно одному из аспектов, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает ароматическое соединение, и итоговый показатель фокусировки пиков ароматических соединений больше или равен приблизительно 25%.According to one aspect, at least one of the two or more target analytes comprises an aromatic compound, and the resulting aromatic compound peak focusing index is greater than or equal to about 25%.

Согласно одному из аспектов, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает алкан, и итоговый показатель фокусировки пиков алкана больше или равен приблизительно 10%.In one aspect, at least one of the two or more target analytes comprises an alkane, and the resulting alkane peak focusing index is greater than or equal to about 10%.

Согласно одному из аспектов, первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.According to one aspect, the first thickness is from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness is from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.According to one aspect, the second thickness is at least approximately 300% greater than or equal to the first thickness.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.According to one aspect, the chromatographic column is a chromatographic column for gas microanalysis.

Согласно одному из аспектов, неподвижная фаза содержит силоксановый полимер, содержащий по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.According to one aspect, the stationary phase comprises a siloxane polymer comprising at least one alkyl group or aryl group comprising from 1 to 30 carbon atoms.

Согласно одному из аспектов, форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из: круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.According to one aspect, the cross-sectional shape of the chromatographic column is selected from the group consisting of: round, oval, rectangular and triangular.

Настоящее изобретение также относится к способу подтверждения фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ включает осуществление прямой операции посредством введения двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, содержащей размещенную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Прямая операция включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов и элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки. Способ также включает проведение обратной операции посредством введения двух или более целевых аналитов в выход хроматографической колонки, содержащей неподвижную фазу. Обратная операция включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов и элюирование двух или более целевых аналитов из входа хроматографической колонки. Способ дополнительно включает сравнение хроматографического разрешения, получаемого при прямой операции, и разрешения, получаемого при обратной операции, при котором показатель фокусировки пиков по меньшей мере одной соответствующей пары из двух пиков двух целевых аналитов превышает 5%.The present invention also relates to a method for confirming the focusing of peaks in a gas chromatography device. The method includes performing a forward operation by introducing two or more target analytes into the inlet of a chromatographic column containing a stationary phase arranged inside this chromatographic column having a positive thickness gradient. The stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column. The second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness. The forward operation includes separating two or more target analytes in the chromatographic column and eluting two or more target analytes from the outlet of the chromatographic column. The method also includes performing a reverse operation by introducing two or more target analytes into the outlet of the chromatographic column containing the stationary phase. The reverse operation includes separating two or more target analytes in the chromatographic column and eluting two or more target analytes from the inlet of the chromatographic column. The method further includes comparing the chromatographic resolution obtained in the direct operation and the resolution obtained in the reverse operation, in which the peak focusing index of at least one corresponding pair of two peaks of two target analytes exceeds 5%.

Настоящее изобретение также относится к способу создания устройства для газовой хроматографии, включающего хроматографическую колонку с положительным градиентом толщины. Способ включает введение жидкости-предшественника в хроматографическую колонку. Жидкость-предшественник включает предшественник неподвижной фазы и низкокипящий растворитель, который испаряется по мере продвижения по длине хроматографической колонки, что повышает концентрацию предшественника неподвижной фазы по мере продвижения по длине колонки, создавая, таким образом, градиент толщины неподвижной фазы. Способ также включает проведение реакции предшественника неподвижной фазы или образование поперечных связей в предшественнике неподвижной фазы при формировании положительного градиента толщины неподвижной фазы на протяжении от входа до выхода, где неподвижная фаза имеет первую толщину на входе хроматографической колонки, и имеет вторую толщину на выходе хроматографической колонки. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.The present invention also relates to a method for creating a gas chromatography device comprising a chromatographic column with a positive thickness gradient. The method includes introducing a precursor liquid into the chromatographic column. The precursor liquid includes a stationary phase precursor and a low-boiling solvent that evaporates as it moves along the chromatographic column, which increases the concentration of the stationary phase precursor as it moves along the column, thus creating a stationary phase thickness gradient. The method also includes carrying out a reaction of the stationary phase precursor or forming cross-links in the stationary phase precursor when forming a positive stationary phase thickness gradient from the inlet to the outlet, where the stationary phase has a first thickness at the inlet of the chromatographic column, and has a second thickness at the outlet of the chromatographic column. The second thickness exceeds the first thickness by at least approximately 10%.

Согласно одному из аспектов, перед введением жидкости-предшественника производят силанирование внутренней поверхности хроматографической колонки.According to one aspect, prior to introducing the precursor liquid, the inner surface of the chromatographic column is silanized.

Согласно одному из аспектов, силанирование включает пропускание через колонку реакционноспособного силана в газообразной форме.In one aspect, silanization comprises passing a reactive silane in gaseous form through a column.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка включает вход и выход, и введение и реакция или образование поперечных связей включает: динамическое нанесение на внутреннюю поверхность хроматографической колонки покрытия посредством частичного заполнения хроматографической колонки жидкостью-предшественником, приложение давления на входе для продавливания жидкости-предшественника по длине колонки и приложение вакуума на выходе для испарения низкокипящего растворителя.According to one aspect, a chromatographic column includes an inlet and an outlet, and introducing and reacting or cross-linking comprises: dynamically coating the inner surface of the chromatographic column by partially filling the chromatographic column with a precursor liquid, applying pressure at the inlet to force the precursor liquid along the length of the column, and applying vacuum at the outlet to evaporate the low-boiling solvent.

Согласно одному из аспектов, первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.According to one aspect, the first thickness is from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness is from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.According to one aspect, the second thickness is at least approximately 100% greater than or equal to the first thickness.

Согласно одному из аспектов, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.According to one aspect, the second thickness is at least approximately 300% greater than or equal to the first thickness.

Согласно одному из аспектов, хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.According to one aspect, the chromatographic column is a chromatographic column for gas microanalysis.

Согласно одному из аспектов, неподвижная фаза содержит силоксановый полимер.According to one aspect, the stationary phase comprises a siloxane polymer.

Согласно одному из других аспектов, силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.According to one other aspect, the siloxane polymer comprises at least one alkyl group or aryl group containing from 1 to 30 carbon atoms.

Другие области применения изобретения станут очевидными после прочтения предлагаемого описания. Предлагаемое описание и конкретные примеры приведены лишь для иллюстрации изобретения и не ограничивают объем настоящего изобретения.Other areas of application of the invention will become apparent after reading the proposed description. The proposed description and specific examples are provided only to illustrate the invention and do not limit the scope of the present invention.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Приведенные в настоящей работе чертежи даны лишь для иллюстрации некоторых воплощений изобретения и не отражают всех возможных воплощений изобретения, и, таким образом, не ограничивают объем настоящего изобретения.The drawings provided in this work are given only to illustrate some embodiments of the invention and do not reflect all possible embodiments of the invention, and, thus, do not limit the scope of the present invention.

На фиг.1 представлен пример воплощения системы устройства для газовой хроматографии.Fig. 1 shows an example of the embodiment of a system of a device for gas chromatography.

На фиг.2 представлен вид в поперечном сечении хроматографической колонки, содержащей неподвижную фазу с положительным градиентом толщины для улучшения фокусировки пиков, согласно некоторым аспектам настоящего изобретения.Fig. 2 is a cross-sectional view of a chromatographic column comprising a stationary phase with a positive thickness gradient to improve peak focusing, according to certain aspects of the present invention.

На фиг.3А-3С представлена фокусировка пиков в колонке, содержащей пленку с градиентом толщины (КПГТ), согласно некоторым аспектам настоящего изобретения. Пленка с переходом от меньшей толщины к большей способствует фокусированию пика аналита по мере перемещения последнего вдоль колонки, как показано на фиг.3А. На фиг.3В представлена установка для оценки эксплуатационных характеристик колонки. На фиг.3С представлены режимы прямой и обратной/обращенной операций.3A-3C illustrate peak focusing in a column containing a thickness gradient film (TGF) according to some aspects of the present invention. The film having a transition from a thinner to a thicker thickness facilitates focusing of the analyte peak as it moves along the column, as shown in Fig. 3A. Fig. 3B illustrates a setup for evaluating the performance of a column. Fig. 3C illustrates forward and reverse/inverted operation modes.

Фиг. 4А-4С. На фиг.4А представлена установка для нанесения покрытия на КПГТ. На колонку частичным заполнением динамически наносят покрытие перемещением пробки раствора для нанесения покрытия из жидкой фазы, и затем смесь выталкивается из колонки под действием давления, составляющего 5 фунтов/кв.дюйм (34473,8 Па). При выталкивании раствора к выходу прикладывают вакууметрическое давление величиной -2 фунта/кв.дюйм (-13789,5 Па) для испарения растворителя. На фиг.4В представлено полученное с помощью СЭМ (сканирующего электронного микроскопа) изображение области вблизи входа колонки, где толщина пленки составляет 34 нм. На фиг.4С представлено полученное с помощью СЭМ изображение области вблизи выхода колонки, где толщина пленки составляет 241 нм.Fig. 4A-4C. Fig. 4A shows the apparatus for coating a CPGT. The column is partially coated dynamically by moving a plug of coating solution from the liquid phase, and then the mixture is ejected from the column under a pressure of 5 psi (34473.8 Pa). While ejecting the solution, a vacuum pressure of -2 psi (-13789.5 Pa) is applied to the outlet to evaporate the solvent. Fig. 4B is an SEM image of a region near the column inlet where the film thickness is 34 nm. Fig. 4C is an SEM image of a region near the column outlet where the film thickness is 241 nm.

Фиг. 5A-5D. На фиг.5А представлена диаграмма разделения смеси С716 алканов в режиме проведения прямой операции. На фиг.5В представлена диаграмма разделения смеси С716 алканов при идентичных параметрах в режиме проведения обратной или обращенной операции. На фиг.5С представлена диаграмма разделения смеси С716 алканов в течение того же времени в обратном режиме. На фиг.5D представлена диаграмма разделения смеси С716 алканов на колонке равномерной толщины.Fig. 5A-5D. Fig. 5A is a diagram of the separation of a mixture of C 7 -C 16 alkanes in the direct operation mode. Fig. 5B is a diagram of the separation of a mixture of C 7 -C 16 alkanes under identical parameters in the reverse or inverted operation mode. Fig. 5C is a diagram of the separation of a mixture of C 7 -C 16 alkanes over the same time in the reverse mode. Fig. 5D is a diagram of the separation of a mixture of C 7 -C 16 alkanes on a column of uniform thickness.

На фиг.6 представлена диаграмма разностей разрешения, полученных в прямом и обращенном/обратном режимах при идентичных параметрах в течение одинакового времени, а также в колонке с равномерной толщиной при разделении С716 алканов.Figure 6 shows a diagram of the differences in resolution obtained in the direct and reversed modes with identical parameters for the same time, as well as in a column with a uniform thickness during the separation of C 7 -C 16 alkanes.

Фиг. 7A-7D. На фиг.7А представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений в прямом режиме. На фиг.7В представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений при идентичных параметрах. На фиг.7С представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений в течение того же времени в обратном/обращенном режиме. На фиг.7D представлена диаграмма разделения смеси ароматических соединений в сравнительной колонке, имеющей равномерную толщину. Пики 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют бензолу, толуолу, этилбензолу, орто-ксилолу и 1,3-дихлорбензолу, соответственно.Fig. 7A-7D. Fig. 7A is a diagram of the separation of a mixture of aromatic compounds in the direct mode. Fig. 7B is a diagram of the separation of a mixture of aromatic compounds under identical parameters. Fig. 7C is a diagram of the separation of a mixture of aromatic compounds over the same time in the reverse/inverted mode. Fig. 7D is a diagram of the separation of a mixture of aromatic compounds in a comparative column having a uniform thickness. Peaks 1, 2, 3, 4 and 5 correspond to benzene, toluene, ethylbenzene, ortho-xylene and 1,3-dichlorobenzene, respectively.

На фиг.8 представлена диаграмма разностей разрешения, полученных в прямом и обратном режимах при идентичных параметрах в течение одинакового времени, а также в колонке с равномерной толщиной при разделении ароматических соединений.Figure 8 shows a diagram of the differences in resolution obtained in the forward and reverse modes with identical parameters for the same time, as well as in a column with a uniform thickness during the separation of aromatic compounds.

Фиг. 9А-9С. На фиг.9А представлена диаграмма изотермического разделения С5 и С6 в прямом режиме при комнатной температуре. На фиг.9В представлена диаграмма изотермического разделения С5 и С6 при комнатной температуре при идентичных параметрах в обращенном/обратном режиме. На фиг.9С представлена диаграмма изотермического разделения С5 и С6 при комнатной температуре на колонке равномерной толщины.Fig. 9A-9C. Fig. 9A shows a diagram of the isothermal separation of C 5 and C 6 in the direct mode at room temperature. Fig. 9B shows a diagram of the isothermal separation of C 5 and C 6 at room temperature under identical parameters in the reversed/inverse mode. Fig. 9C shows a diagram of the isothermal separation of C 5 and C 6 at room temperature on a column of uniform thickness.

Одинаковые детали обозначены в графических материалах одинаковыми номерами позиций.Identical parts are designated in graphic materials by identical position numbers.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Ниже для более подробного раскрытия настоящего изобретения приведены примеры воплощений, которые полностью раскрывают объем изобретения специалистам в данной области техники. Для лучшего понимания воплощений настоящего изобретения приведено множество конкретных деталей, таких как примеры конкретных композиций, компонентов, устройств и способов. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что необязательно применять конкретные детали, что примеры воплощений могут быть выполнены в различных формах, и что ни одно из представленных воплощений не должно рассматриваться как ограничивающее объем изобретения. В некоторых примерах воплощений хорошо известные способы, хорошо известные конструкции устройств и хорошо известные методики подробно не рассмотрены.Below, for a more detailed disclosure of the present invention, exemplary embodiments are provided, which fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art. For a better understanding of the embodiments of the present invention, many specific details are provided, such as examples of specific compositions, components, devices and methods. Those skilled in the art should understand that it is not necessary to use specific details, that the exemplary embodiments can be implemented in various forms, and that none of the presented embodiments should be considered as limiting the scope of the invention. In some exemplary embodiments, well-known methods, well-known device designs and well-known techniques are not discussed in detail.

Употребляемая в настоящей работе терминология предназначена лишь для описания конкретных примеров воплощений и не должна рассматриваться как ограничивающая. Если из контекста не следует иное, то в настоящем документе формы единственного числа также могут относиться к формам множественного числа. Термины "включает", "включающий", "включают" и "имеющий" имеют неограничивающее значение и, таким образом, указывают на присутствие названных признаков, элементов, композиций, стадий, целых чисел, операций и/или компонентов, но не препятствуют наличию или добавлению одного или более других признаков, целых чисел, стадий, операций, элементов, компонентов и/или их групп. Несмотря на то, что неисчерпывающий термин "включающий" следует понимать как неограничивающий термин, применяемый для описания и раскрытия различных воплощений, рассмотренных в настоящем документе, в некоторых аспектах этот термин может рассматриваться как более ограничивающий и ограничительный термин, такой как "состоящий из" или "по существу состоящий из". Таким образом, в любом заданном воплощении настоящего изобретения перечисление композиций, материалов, компонентов, элементов, признаков, целых чисел, операций и/или технологических этапов также, в частности, включает воплощения, состоящие из или по существу состоящие из таких перечисленных композиций, материалов, компонентов, элементов, признаков, целых чисел, операций и/или технологических этапов. В случае выражения "состоящий из" альтернативное воплощение исключает присутствие любых дополнительных композиций, материалов, компонентов, элементов, признаков, целых чисел, операций и/или технологических стадий, в то время как в случае выражения "по существу состоящий из" любые дополнительные композиции, материалы, компоненты, элементы, признаки, целые числа, операции и/или технологические стадии, которые существенно влияют на основные и новые характеристики, исключаются из такого воплощения, хотя любые композиции, материалы, компоненты, элементы, признаки, целые числа, операции и/или технологические стадии, которые не оказывают существенного влияния на основные и новые характеристики, могут быть включены в это воплощение.The terminology used herein is for the purpose of describing particular exemplary embodiments only and should not be considered limiting. As used herein, the singular forms may also refer to the plural unless the context otherwise requires. The terms "includes," "including," "comprise," and "having" have a non-limiting meaning and thus indicate the presence of the named features, elements, compositions, steps, integers, operations, and/or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and/or groups thereof. Although the non-exhaustive term "including" should be understood as an open-ended term used to describe and disclose the various embodiments discussed herein, in some aspects this term may be considered a more limiting and restrictive term, such as "consisting of" or "consisting essentially of." Thus, in any given embodiment of the present invention, the recitation of compositions, materials, components, elements, features, integers, operations and/or process steps also specifically includes embodiments consisting of or consisting essentially of such recited compositions, materials, components, elements, features, integers, operations and/or process steps. In the case of the expression "consisting of", an alternative embodiment excludes the presence of any additional compositions, materials, components, elements, features, integers, operations and/or process steps, while in the case of the expression "consisting essentially of", any additional compositions, materials, components, elements, features, integers, operations and/or process steps that significantly affect the basic and novel characteristics are excluded from such embodiment, although any compositions, materials, components, elements, features, integers, operations and/or process steps that do not significantly affect the basic and novel characteristics may be included in this embodiment.

Любые рассмотренные в настоящей работе стадии способа, процессы и операции не должны рассматриваться как обязательно требующие своего выполнения в определенном показанном или описанном порядке, если порядок их выполнения ясно не указан. Также следует понимать, что, если не указано иное, могут быть введены дополнительные или альтернативные стадии.Any method steps, processes, and operations discussed in this work should not be considered as necessarily requiring their execution in the specific order shown or described unless the order of their execution is clearly indicated. It should also be understood that, unless otherwise indicated, additional or alternative steps may be included.

Если указано, что компонент, элемент или слой находится "на", "сцеплен с", "соединен с" или "связан с" другим элементом или слоем, то он может непосредственно находиться на, быть сцеплен, соединен или связан с другим компонентом, элементом или слоем, или могут присутствовать промежуточные элементы или слои. Напротив, если указано, что элемент находится "непосредственно на", "непосредственно сцеплен с", "непосредственно соединен с" или "непосредственно связан с" другим элементом или слоем, то промежуточные элементы или слои могут отсутствовать. Аналогичным образом могут быть интерпретированы другие слова, описывающие взаимодействие между элементами (например, "между", а не "непосредственно между," "вблизи", а не "непосредственно вблизи" и т.д.). В настоящей работе термин "и/или" включает любую из и все комбинации из одного или более связанных с ним перечисленных объектов.When a component, element, or layer is said to be "on," "linked to," "connected to," or "associated with" another element or layer, it may be directly on, linked to, connected to, or associated with the other component, element, or layer, or there may be intervening elements or layers. Conversely, when an element is said to be "directly on," "directly linked to," "directly connected to," or "directly associated with" another element or layer, there may be no intervening elements or layers. Other words describing interactions between elements may be similarly interpreted (e.g., "between" rather than "directly between," "near" rather than "directly adjacent," etc.). As used herein, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the listed entities associated with it.

Несмотря на то, что в настоящем документе для описания различных стадий, элементов, компонентов, областей, слоев и/или участков могут быть применены термины "первый", "второй", "третий" и т.д., если не указано иное, такие стадии, элементы, компоненты, области, слои и/или участки не должны быть ограничены этими терминами. Эти термины могут быть применены только для отличия одной стадии, элемента, компонента, области, слоя или участка от другой стадии, элемента, компонента, области, слоя или участка. Если в настоящей работе применяют такие термины, как "первый", "второй" и другие порядковые обозначения, то, если из контекста не следует иное, они не означают последовательность или порядок. Таким образом, первый этап, элемент, компонент, область, слой или участок, рассмотренные ниже, могут быть названы вторым этапом, элементом, компонентом, областью, слоем или участком без изменения признаков конкретного примера воплощения.Although the terms "first," "second," "third," etc. may be used herein to describe various stages, elements, components, regions, layers, and/or regions, unless otherwise specified, such stages, elements, components, regions, layers, and/or regions should not be limited by these terms. These terms may be used only to distinguish one stage, element, component, region, layer, or region from another stage, element, component, region, layer, or region. When terms such as "first," "second," and other ordinal designations are used herein, they do not denote a sequence or order unless the context otherwise requires. Thus, the first stage, element, component, region, layer, or region discussed below may be referred to as the second stage, element, component, region, layer, or region without changing the features of a particular embodiment.

Термины, относящиеся к пространственному расположению или временному порядку, такие как "до", "после", "внутри", "снаружи", "под", "ниже", "нижний", "выше", "верхний" и подобные термины, могут быть применены в настоящем документе для простоты рассмотрения при описании взаимоотношений между одним элементом или признаком и другим элементом (элементами) или признаком (признаками), показанными на чертежах. Термины, относящиеся к пространственному расположению или временному порядку, могут включать не только ориентации, показанные на чертежах, но и различные ориентации устройства или системы во время функционирования или операции.Terms relating to spatial arrangement or temporal order, such as "before," "after," "inside," "outside," "under," "below," "lower," "above," "upper," and similar terms, may be used herein for ease of reference when describing the relationship between one element or feature and another element(s) or feature(s) shown in the drawings. Terms relating to spatial arrangement or temporal order may include not only the orientations shown in the drawings, but also various orientations of the device or system during operation or maintenance.

В настоящем документе численные значения, представляющие приблизительные измерения или границы диапазонов, включают незначительные отклонения от приведенных значений, и наряду с воплощениями, в которых указаны точные значения, изобретение также включает воплощения, в которых указаны приблизительные величины. Кроме рабочих примеров, приведенных в конце подробного описания, все численные значения параметров (например, количество или условия), приведенных в данном документе, включая прилагаемые пункты формулы изобретения, должны во всех случаях рассматриваться как включающие слово "приблизительно", независимо от того, предваряется ли словом "приблизительно" численное значение. "Приблизительно" указывает на то, что приведенное численное значение допускает некоторую неточность (с некоторым приближением к точному значению; приблизительно или достаточно близко к величине; примерно). Если неточность, определяемая словом "приблизительно", не имеет точного соответствия своему обычному значению в данной области техники, то в настоящем документе "приблизительно" означает по меньшей мере отклонения, которые могут возникать при обычных способах измерения и использования таких параметров. Например, "приблизительно" может включать отклонение, меньше или равное 5%, возможно меньше или равное 4%, возможно меньше или равное 3%, возможно меньше или равное 2%, необязательно меньше или равное 1%, возможно меньше или равное 0,5% и в некоторых аспектах возможно меньше или равное 0,1%.In this document, numerical values representing approximate measurements or range limits include minor deviations from the stated values, and along with embodiments in which exact values are stated, the invention also includes embodiments in which approximate values are stated. Except for the working examples given at the end of the detailed description, all numerical values of parameters (e.g., quantities or conditions) given herein, including the appended claims, are to be understood in all cases as including the word "about", regardless of whether the numerical value is preceded by the word "about". "Approximately" indicates that the stated numerical value allows for some imprecision (with some approximation to the exact value; approximately or reasonably close to the value; approximately). If the imprecision defined by the word "about" does not exactly correspond to its ordinary meaning in the given art, then in this document "about" means at least the deviations that may arise in ordinary methods of measuring and using such parameters. For example, "approximately" may include a deviation of less than or equal to 5%, possibly less than or equal to 4%, possibly less than or equal to 3%, possibly less than or equal to 2%, optionally less than or equal to 1%, possibly less than or equal to 0.5%, and in some aspects possibly less than or equal to 0.1%.

Кроме того, приведенные диапазоны включают все значения и дополнительно выделенные диапазоны внутри целого диапазона, включая граничные точки и поддиапазоны диапазонов.In addition, the ranges given include all values and additionally designated ranges within the entire range, including endpoints and subranges of the ranges.

Ниже более полно рассмотрены примеры воплощений изобретения, сопровождаемые чертежами.Below, examples of embodiments of the invention are considered in more detail, accompanied by drawings.

Различные аспекты настоящего изобретения относятся к газовой хроматографии. Как показано на фиг.1, упрощенная схема газохроматографической системы 20 обычно включает по меньшей мере пять компонентов: (1) поток 20 газа-носителя; (2) систему 22 ввода образца; (3) одну или более газохроматографических колонок 30; (4) датчик 32 и (5) систему 34 обработки данных. Газ-носитель, вводимый в виде потока 20 газа-носителя (также называемый подвижной фазой), представляет собой высокочистый и относительно инертный газ, такой как гелий, водород, азот, аргон или воздух. В традиционной системе газ-носитель 20 пропускают через колонку 30 одновременно с образцом исследуемой текучей среды (способом разделения). С помощью инжектора 22 образца в колонку 30 вводят заданный объем исследуемой смеси, включающей один или более целевых исследуемых аналитов (например, в газообразной форме), смешивая ее с газом-носителем из потока 20 газа-носителя. Таким образом, поток 20 газа-носителя и образец 22 (потенциально содержащий один или более целевых аналитов) вводят в одну или более хроматографических колонок 30. Образец 22 перемещается через устройство совместно с газом-носителем, подаваемым в виде потока 20 газа-носителя.Various aspects of the present invention relate to gas chromatography. As shown in Fig. 1, a simplified diagram of a gas chromatographic system 20 typically includes at least five components: (1) a carrier gas stream 20; (2) a sample inlet system 22; (3) one or more gas chromatographic columns 30; (4) a sensor 32, and (5) a data processing system 34. The carrier gas introduced as the carrier gas stream 20 (also called the mobile phase) is a highly pure and relatively inert gas such as helium, hydrogen, nitrogen, argon, or air. In a conventional system, the carrier gas 20 is passed through the column 30 simultaneously with the sample of the fluid being analyzed (the separation method). Using a sample injector 22, a given volume of a test mixture including one or more target analytes (e.g., in gaseous form) is introduced into a column 30, mixing it with a carrier gas from a carrier gas stream 20. Thus, the carrier gas stream 20 and a sample 22 (potentially containing one or more target analytes) are introduced into one or more chromatographic columns 30. The sample 22 moves through the device together with the carrier gas supplied as the carrier gas stream 20.

Целевые аналиты образца 24 разделяются и транспортируются через колонку 30 и затем элюируются из нее. Следует отметить, что элюируемый образец, содержащий один или более целевых аналитов, может быть элюирован из колонки 30 в виде частичных фракций в зависимости от времени удерживания соответствующего целевого анализируемого вещества, по мере прохождения веществ через хроматографическую колонку 30 и разделения в ней. Кроме того, фракции образца, выходящие из колонки 30, возможно могут быть уловлены и повторно введены ниже по потоку.The target analytes of the sample 24 are separated and transported through the column 30 and then eluted therefrom. It should be noted that the eluted sample containing one or more target analytes may be eluted from the column 30 in partial fractions depending on the retention time of the corresponding target analyte, as the substances pass through the chromatographic column 30 and are separated therein. In addition, fractions of the sample exiting the column 30 may optionally be captured and reintroduced downstream.

Обычно в хроматографической колонке 30 происходит разделение, поскольку на внутренние поверхности колонки нанесено покрытие из материала (или внутренняя часть колонки заполнена материалом), который служит неподвижной фазой. Термин «колонка» в широком смысле включает различные проточные каналы, через который могут протекать текучие среды, такие как структурированное поле потока, состоящее из микроэлементов, образованных в одной или более подложках, или другие проточные каналы для текучих сред, известные специалистам в данной области техники. Неподвижная фаза в разной степени адсорбирует различные целевые аналиты, содержащиеся в смешанном образце. Разность в степени адсорбции вызывает различия во времени удерживания и, следовательно, разность в подвижности различных химических веществ по мере того, как они перемещаются по колонке, что приводит к физическому разделению целевых аналитов в смешанном образце. В некоторых вариантах воплощений хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов. В настоящем документе термин "микромасштаб" относится к структуре, имеющей по меньшей мере одно измерение, составляющее менее приблизительно 500 мкм, возможно менее приблизительно 400 мкм, возможно менее приблизительно 300 мкм, возможно менее приблизительно 200 мкм, возможно менее приблизительно 150 мкм и в некоторых вариантах воплощений возможно менее приблизительно 100 мкм, и также может включать наномасштабные элементы. Упоминание в настоящем документе микромасштаба, микроканала, микроканала для текучей среды или микроструктуры включает структуры меньших размеров, такие как наномасштабные структуры. Также следует отметить, что, несмотря на то, что один из размеров, такой как диаметр, может находиться в микромасштабном диапазоне, другие размеры, такие как длина, могут превышать микромасштабный диапазон.Typically, a chromatographic column 30 performs separation because the interior surfaces of the column are coated with a material (or the interior of the column is filled with a material) that serves as a stationary phase. The term "column" broadly includes various flow channels through which fluids can flow, such as a structured flow field consisting of microelements formed in one or more substrates, or other fluid flow channels known to those skilled in the art. The stationary phase adsorbs various target analytes contained in a mixed sample to varying degrees. The difference in the degree of adsorption causes differences in retention times and, therefore, differences in the mobility of the various chemical species as they move through the column, resulting in physical separation of the target analytes in the mixed sample. In some embodiments, the chromatographic column is a gas microanalysis chromatographic column. As used herein, the term "microscale" refers to a structure having at least one dimension that is less than about 500 μm, possibly less than about 400 μm, possibly less than about 300 μm, possibly less than about 200 μm, possibly less than about 150 μm, and in some embodiments, possibly less than about 100 μm, and may also include nanoscale features. Reference herein to a microscale, a microchannel, a microfluidic channel, or a microstructure includes smaller sized structures, such as nanoscale structures. It should also be noted that while one dimension, such as a diameter, may be in the microscale range, other dimensions, such as a length, may exceed the microscale range.

Различные разделенные компоненты элюируют из колонки 30 и направляют в один или более датчиков 32 для анализа. Таким образом, у конца одной или более колонок 30 располагают один или более датчиков 32. Таким образом, датчик 32 служит для определения различных химических веществ или целевых аналитов в образце, выпускаемом или элюируемоми из колонки 30 в различные моменты времени. В газохроматографической системе с помощью датчика 32 обычно производят деструктивный анализ элюированных фракций. Типичные неограничивающие примеры датчиков 32 включают масс-спектрометр (МС) (например, времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС)), пламенно-ионизационный датчик (ПИД), фотоионизационный датчик (ФИД), детектор электронного захвата (ДЭЗ), термокондуктометрические детекторы (ТКМД) или подобные датчики. Система 34 обработки данных обычно находится в коммуникации с датчиком 32, и, таким образом, обычно может хранить, обрабатывать и записывать результаты сепарационного анализа.The various separated components elute from the column 30 and are directed to one or more sensors 32 for analysis. Thus, one or more sensors 32 are located at the end of one or more columns 30. Thus, the sensor 32 serves to determine various chemical substances or target analytes in the sample released or eluted from the column 30 at different times. In a gas chromatographic system, the sensor 32 typically performs a destructive analysis of the eluted fractions. Typical non-limiting examples of sensors 32 include a mass spectrometer (MS) (e.g., a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS)), a flame ionization sensor (FID), a photoionization sensor (PID), an electron capture detector (ECD), thermal conductivity detectors (TCDs) or similar sensors. The data processing system 34 is typically in communication with the sensor 32 and thus typically can store, process, and record the results of the separation analysis.

В капиллярных хроматографических колонках с покрытием на стенках удерживание аналитов обеспечивается взаимодействием паров газовой фазы с неподвижной фазой, нанесенной на стенку капилляра. По мере перемещения аналитов вдоль колонки, они подвергаются продольному и поперечному массопереносу, который приводит к уширению пика, что снижает разрешение ГХ и повышает вероятность совместного элюирования. Обычно правильный выбор неподвижной фазы в хроматографической колонке (обеспечивающий достаточное взаимодействие и удержание аналита), применение программируемых температурных профилей и ввод образца с/без деления потока позволяет улучшить разделение и повысить разрешение в хроматографе. В некоторых случаях, однако, эти способы не приводят к требуемому разделению. Например, в портативных ГХ ограниченный запас газа-носителя предотвращает выполнение деления потока, и точный контроль программирования температуры затрудняется и ограничивается мощностью системы. Кроме того, даже при специализированном разделении (например, разделение высоколетучих соединений в открытых трубчатых колонках с пористым слоем) полное разделение всего спектра целевых соединений может быть затруднительным. Таким образом, желательно создать дополнительный способ для улучшения разделения в колонках.In coated capillary chromatography columns, analyte retention is achieved by interaction of the gas phase vapor with the stationary phase coated on the capillary wall. As the analytes migrate along the column, they undergo longitudinal and transverse mass transfer, which results in peak broadening, which reduces GC resolution and increases the likelihood of co-elution. Typically, proper choice of the stationary phase in the chromatography column (ensuring sufficient interaction and retention of the analyte), application of programmable temperature profiles, and splitless/splitless sample injection can improve separation and resolution in the chromatograph. In some cases, however, these methods do not achieve the desired separation. For example, in portable GCs, limited carrier gas supplies prevent splitting, and precise control of temperature programming is difficult and limited by system capacity. Furthermore, even for specialized separations (e.g., separation of highly volatile compounds in open tubular porous bed columns), complete separation of the full spectrum of target compounds can be challenging. Thus, it is desirable to create an additional way to improve the separation in columns.

Разделение с отрицательным температурным градиентом (РОТГ) представляет собой один из способов, которые применяют для улучшения эксплуатационных характеристик колонки за счет повышения резкости пиков элюирования. В способе РОТГ вход колонки нагревают, и за счет теплообмена с окружающей средой создают температурный градиент. Поскольку ближе к выходу колонки температура понижается, фронт пика движется медленнее, чем его хвост, что приводит к общей фокусировке пиков. Этот эффект может быть оптимизирован регулированием различных температурных профилей по длине колонки, что обеспечивает высокую универсальность в различных условиях. Однако из-за зависимости РОТГ от теплообмена, фокусировка изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, влажности, скорости конвекции воздуха и теплопроводности наполнителя, что снижает воспроизводимость и предсказуемость (в частности, в случае применения сложных температурных профилей). Для стабилизации температурного градиента могут быть применены сложные модули контроля температуры, но это приводит к увеличению размера, массы, сложности и стоимости ГХ устройств. Кроме того, потери энергии в результате указанного теплообмена представляют собой существенный недостаток систем с ограниченными ресурсами (например, микроустройств для ГХ). Кроме того, разделение высоколетучих соединений часто необходимо проводить при обычных температурах, таким образом, чтобы не создавался температурный градиент или создавался минимальный температурный градиент, что снижает эффект РОТГ. Таким образом, несмотря на универсальность и возможность регулирования способа РОТГ, его применение в некоторых областях (например, в портативной ГХ) может быть ограничено и сопряжено с затруднениями.Negative temperature gradient separation (NTGS) is one of the methods used to improve the performance of a column by sharpening the elution peaks. In NTGS, the column inlet is heated and a temperature gradient is created by heat exchange with the environment. Since the temperature decreases closer to the column outlet, the peak front moves slower than its tail, which leads to an overall focusing of the peaks. This effect can be optimized by adjusting different temperature profiles along the column, which provides high versatility in different conditions. However, due to the dependence of NTGS on heat exchange, the focusing varies depending on the ambient temperature, humidity, air convection velocity and thermal conductivity of the packing, which reduces reproducibility and predictability (in particular, in the case of complex temperature profiles). Sophisticated temperature control modules can be used to stabilize the temperature gradient, but this leads to an increase in the size, weight, complexity and cost of GC devices. In addition, energy losses due to this heat exchange are a significant drawback of resource-constrained systems (e.g., micro GC devices). In addition, separation of highly volatile compounds often needs to be carried out at ambient temperatures, so that no or minimal temperature gradient is created, which reduces the effect of RTGS. Thus, despite the versatility and controllability of the RTGS method, its application in some areas (e.g., in portable GC) may be limited and associated with difficulties.

Настоящее изобретение относится к новому способу фокусировки пиков при проведении газовой хроматографии. В некоторых аспектах устройство для газовой хроматографии, обеспечивающее фокусировку пиков одного или более целевых аналитов, включает хроматографическую колонку со входом и выходом. На вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, который выходит из колонки через выход. Неподвижная фаза помещена или осаждена внутри хроматографической колонки и имеет положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Как более подробно описано ниже, вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Таким образом, положительный градиент толщины неподвижной фазы представляет собой градиент толщины, при котором толщина пленки неподвижной фазы увеличивается от входа по направлению к выходу. При увеличении толщины неподвижной фазы по направлению к выходу, фронт пика движется медленнее, чем его хвост, что в целом приводит к фокусировке пиков.The present invention relates to a new method for focusing peaks in gas chromatography. In some aspects, a gas chromatography device that ensures focusing of peaks of one or more target analytes includes a chromatographic column with an inlet and an outlet. A sample including one or more target analytes is fed to the inlet, which exits the column through an outlet. A stationary phase is placed or deposited inside the chromatographic column and has a positive thickness gradient. The stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column. As described in more detail below, the second thickness exceeds the first thickness by at least about 10%. Thus, a positive thickness gradient of the stationary phase is a thickness gradient in which the thickness of the stationary phase film increases from the inlet toward the outlet. As the thickness of the stationary phase increases toward the outlet, the peak front moves more slowly than its tail, which generally leads to focusing of the peaks.

На фиг.2 представлен пример хроматографической колонки 50, полученной в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, в которой возможна фокусировка пиков одного или более целевых аналитов. В некоторых аспектах один или более целевых аналитов могут быть летучими органическими соединениями (ЛОС), которые имеют относительно высокое давление паров и, следовательно, являются низкокипящими при температурах и давлениях, применяемых в хроматографической колонке 50. Летучие органические целевые аналиты могут включать алканы или ароматические соединения.Fig. 2 shows an example of a chromatographic column 50 prepared in accordance with some aspects of the present invention, in which focusing of peaks of one or more target analytes is possible. In some aspects, one or more target analytes may be volatile organic compounds (VOCs) that have a relatively high vapor pressure and, therefore, are low boiling at the temperatures and pressures used in the chromatographic column 50. Volatile organic target analytes may include alkanes or aromatic compounds.

Хроматографическая колонка 50 ограничена стенкой 60. Таким образом, стенка 60 хроматографической колонки 50 может ограничивать конструкцию, имеющую полую внутреннюю область 52, которая по меньшей мере частично может быть заполнена неподвижной фазой 64. Форма поперечного сечения хроматографической колонки 50 может быть выбрана из группы, состоящей из круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы. В некоторых аспектах хроматографическая колонка 50 изготовлена из металла, диоксида кремния или стекла, или полимера. Хроматографическая колонка 50 имеет вход 70 и выход 72. Как показано на фиг.2, стенка 60 имеет постоянную толщину. Таким образом, первая толщина стенки 60 на входе 70, обозначаемая "T1", равна второй толщине, обозначаемой "Т2", на входе 72.The chromatographic column 50 is limited by a wall 60. Thus, the wall 60 of the chromatographic column 50 can limit a structure having a hollow internal region 52, which can be at least partially filled with a stationary phase 64. The cross-sectional shape of the chromatographic column 50 can be selected from the group consisting of a round, oval, rectangular and triangular shape. In some aspects, the chromatographic column 50 is made of metal, silica or glass, or a polymer. The chromatographic column 50 has an inlet 70 and an outlet 72. As shown in Fig. 2, the wall 60 has a constant thickness. Thus, the first thickness of the wall 60 at the inlet 70, designated "T 1 ", is equal to the second thickness, designated "T 2 ", at the inlet 72.

Как было отмечено выше, смесь одного или более целевых соединений в подвижной фазе образца/носителя взаимодействует с неподвижной фазой 64 по мере прохождения смеси через колонку. Каждый целевой аналит в разной степени или с разной скоростью взаимодействует с неподвижной фазой 64. Аналит, в наименьшей степени взаимодействующий с неподвижной фазой 64, выходит или элюируется из хроматографической колонки 50 первым. Обычно целевые аналиты, в наибольшей степени взаимодействующие с неподвижной фазой 64, проходят через колонку 50 с наименьшей скоростью и, таким образом, выходят последними. Изменение характеристик подвижной фазы (носителя и образца) и неподвижной фазы 65 позволяет разделять различные смеси целевых аналитов. Как показано ниже, согласно настоящему изобретению, неподвижная фаза 64 имеет положительный градиент толщины, что позволяет фокусировать пики одного или более целевых аналитов, и это обычно означает, что пик аналита фокусируется по мере прохождения аналита от входа 70 до выхода 72 хроматографической колонки 50.As noted above, a mixture of one or more target compounds in the sample/carrier mobile phase interacts with the stationary phase 64 as the mixture passes through the column. Each target analyte interacts with the stationary phase 64 to a different extent or at a different rate. The analyte that interacts the least with the stationary phase 64 exits or elutes from the chromatographic column 50 first. Typically, the target analytes that interact the most with the stationary phase 64 pass through the column 50 at the slowest rate and thus elute last. Varying the characteristics of the mobile phase (carrier and sample) and the stationary phase 65 allows for the separation of different mixtures of target analytes. As shown below, according to the present invention, the stationary phase 64 has a positive thickness gradient that allows for the focusing of the peaks of one or more target analytes, and this typically means that the analyte peak is focused as the analyte passes from the inlet 70 to the outlet 72 of the chromatographic column 50.

В некоторых вариантах воплощений неподвижная фаза 64 может включать кремний, например, в виде диоксида кремния или силоксанового полимера. Неподвижная фаза 64 может быть получена из различных полимеров на основе силоксана. Обычно силоксановый полимер представляет собой сшитый поперечными связами полимер, основная цепь которого состоит из кремния и кислорода, имеющий боковые группы, которые могут быть одинаковыми или различными, который обычно описывается структурным повторяющимся звеном (-O-SiRR'-)n, где R и R' могут представлять собой одинаковые или различные боковые группы, и «n» может иметь любое значение, превышающее 2. Поверхность диоксида кремния или силоксана может быть функционализирована по реакции мономеров или полимеров с различными короткоцепочечными органическими силанами, в результате реакций силанольных групп. При этом механизм удерживания целевых аналитов остается прежним, но различия в химических свойствах поверхности различных неподвижных фаз создают различия в селективности по отношению к различным целевым аналитам. Силоксановые полимеры могут включать полигетеросилоксаны, которые могут содержать различные боковые группы или повторяющиеся звенья. Примером подходящих боковых групп может быть по меньшей мере одна незамещенная или замещенная алкильная группа или арильная группа, включающая от 1 до 30 атомов углерода, примеры которой включают, без ограничений: метил, этил, пропил, бутил, пентил, гексил, гептил, октил, нонил, децил, фенил, алкилфенил и подобные группы.In some embodiments, the stationary phase 64 may include silicon, such as in the form of silica or a siloxane polymer. The stationary phase 64 may be prepared from various siloxane-based polymers. Typically, the siloxane polymer is a cross-linked polymer whose backbone consists of silicon and oxygen, having pendant groups that may be the same or different, which is typically described by the structural repeating unit (-O-SiRR'-) n , where R and R' may be the same or different pendant groups, and "n" may have any value greater than 2. The surface of silica or siloxane can be functionalized by reacting monomers or polymers with various short-chain organic silanes, resulting in reactions of silanol groups. In this case, the mechanism of retention of target analytes remains the same, but differences in the surface chemistry of the different stationary phases create differences in selectivity with respect to various target analytes. Siloxane polymers may include polyheterosiloxanes that may contain various pendant groups or repeating units. An example of suitable pendant groups may be at least one unsubstituted or substituted alkyl group or aryl group comprising from 1 to 30 carbon atoms, examples of which include, but are not limited to: methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, phenyl, alkylphenyl and the like groups.

В различных аспектах неподвижная фаза 64 нанесена на внутреннюю поверхность 66 стенки 60 и имеет положительный градиент толщины. В некоторых вариантах воплощений, как более подробно описано ниже, внутренняя поверхность 66 сначала может быть силанизирована, например, воздействием на внутреннюю поверхность 66 паров гексаметилдисилазана (ГМДС), что приводит к получению поверхностного покрытия, содержащего силан или силанол. Затем может быть введен предшественник силоксанового полимера, такой как Silicone OV-1, модифицированный винильными группами 100%-ный диметилсиликон, коммерчески поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6001, или Silicone OV-17, модифицированный винильными группами, содержащий 50% фенилсиликона и 50% метилсиликона, поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6017, который реагирует с образованием неподвижной фазы. Наряду с предшественником также может быть добавлен сшивающий агент, обеспечивающий образование поперечных связей, такой как Dow SYLGARD™ 184 реагент В (15% масс, сшивающий агент). Следует отметить, что выбор материала неподвижной фазы 64 не ограничен перечисленными материалами, которые приведены здесь лишь как подходящие примеры материалов для изготовления газохроматографической колонки.In various aspects, the stationary phase 64 is supported on the inner surface 66 of the wall 60 and has a positive thickness gradient. In some embodiments, as described in more detail below, the inner surface 66 can first be silanized, such as by exposing the inner surface 66 to hexamethyldisilazane (HMDS) vapor, resulting in a surface coating comprising a silane or silanol. A siloxane polymer precursor, such as Silicone OV-1, a vinyl-modified 100% dimethyl silicone commercially available from Ohio Valley Specialty Company under the designation OV-1 6001, or Silicone OV-17, a vinyl-modified 50% phenyl silicone and 50% methyl silicone commercially available from Ohio Valley Specialty Company under the designation OV-1 6017, can then be introduced and reacted to form the stationary phase. Along with the precursor, a crosslinking agent such as Dow SYLGARD™ 184 Reagent B (15% by weight, crosslinking agent) may also be added. It should be noted that the choice of stationary phase material 64 is not limited to the listed materials, which are given here only as suitable examples of materials for the manufacture of a gas chromatographic column.

Как показано, неподвижная фаза 64 проходит вдоль внутренней поверхности 66 стенки 60 от входа 70 до входа 72. Таким образом, неподвижная фаза 64 образует непрерывное покрытие или пленку на внутренней поверхности 66. На входе 70 неподвижная фаза 64 имеет первую толщину, обозначаемую "t1". На выходе 72 неподвижная фаза 64 также имеет вторую толщину, обозначаемую "t2". Вторая толщина (t2) по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину (t1). Таким образом, неподвижная фаза 64 имеет положительный градиент толщины по длине хроматографической колонки 50. Вследствие этого, внутренняя область 52 имеет первый диаметр "d1", определяемый первой толщиной (t1) неподвижной фазы 64 на входе 70. Внутренняя область 52 имеет второй диаметр "d2", определяемый второй толщиной (t2) неподвижной фазы 64 на выходе 72. Первый диаметр (d1) превышает второй диаметр (d1). Таким образом, неподвижная фаза 64, находящаяся в хроматографической колонке 50, имеет положительный градиент толщины.As shown, the stationary phase 64 extends along the inner surface 66 of the wall 60 from the inlet 70 to the inlet 72. Thus, the stationary phase 64 forms a continuous coating or film on the inner surface 66. At the inlet 70, the stationary phase 64 has a first thickness, designated "t 1 ". At the outlet 72, the stationary phase 64 also has a second thickness, designated "t 2 ". The second thickness (t2) is at least approximately 10% greater than the first thickness (t 1 ). Thus, the stationary phase 64 has a positive thickness gradient along the length of the chromatographic column 50. As a result, the internal region 52 has a first diameter "d 1 ", determined by the first thickness (t 1 ) of the stationary phase 64 at the inlet 70. The internal region 52 has a second diameter "d 2 ", determined by the second thickness (t 2 ) of the stationary phase 64 at the outlet 72. The first diameter (d 1 ) is greater than the second diameter (d 1 ). Thus, the stationary phase 64 located in the chromatographic column 50 has a positive thickness gradient.

В некоторых аспектах градиент толщины постепенно увеличивается по длине хроматографической колонки 50 от первой толщины (t1) до второй толщины (t2). Изменение толщины неподвижной фазы 64 может быть постоянным или варьироваться по длине хроматографической колонки 50, но толщина увеличивается от входа 70 к выходу 72.In some aspects, the thickness gradient gradually increases along the length of the chromatographic column 50 from a first thickness (t 1 ) to a second thickness (t2). The change in thickness of the stationary phase 64 may be constant or vary along the length of the chromatographic column 50, but the thickness increases from the inlet 70 to the outlet 72.

В некоторых вариантах воплощений вторая толщина (t2) по меньшей мере приблизительно на 50% превышает первую толщину (t1), возможно по меньшей мере приблизительно на 100% превышает первую толщину (t1), возможно по меньшей мере приблизительно на 150% превышает первую толщину (t1), возможно по меньшей мере приблизительно на 200% превышает первую толщину (t1), возможно по меньшей мере приблизительно на 250% превышает первую толщину (t1), и в некоторых вариантах воплощений вторая толщина (t2) возможно по меньшей мере приблизительно на 300% превышает первую толщину (t1). Первая толщина (t1) возможно может составлять от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина (12) может составлять от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам. В одном из примеров первая толщина (t1) составляет приблизительно 30 нм, а вторая толщина (t1) составляет приблизительно 30 микрометров.In some embodiments, the second thickness (t 2 ) is at least about 50% greater than the first thickness (t 1 ), possibly at least about 100% greater than the first thickness (t 1 ), possibly at least about 150% greater than the first thickness (t 1 ), possibly at least about 200% greater than the first thickness (t 1 ), possibly at least about 250% greater than the first thickness (t 1 ), and in some embodiments, the second thickness (t 2 ) is possibly at least about 300% greater than the first thickness (t 1 ). The first thickness (t 1 ) can optionally be from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness (12) can be from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers. In one example, the first thickness (t 1 ) is approximately 30 nm and the second thickness (t 1 ) is approximately 30 micrometers.

На фиг.3А 3С представлена фокусировка пиков посредством применения пленки с положительным градиентом толщины, согласно настоящему изобретению выполняемая в колонке, содержащей пленку с градиентом толщины (КПГТ) в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. Как видно из фиг.3А, пик 82 определенного аналита 80 становится все более и более сфокусированным по мере перемещения аналита 80 по колонке 84, содержащей неподвижную фазу 86 с положительным градиентом толщины, проходящую от входа 88 до выхода 90 колонки 84. Таким образом, пленка неподвижной фазы 86, толщина которой изменяется от меньшей к большей (в направлении от входа 88 к выходу 90), фокусирует пик аналита 82 по мере перемещения аналита по колонке в направлении фигурной стрелки, как показано на фиг.3А. На фиг.3В представлена установка для оценки эксплуатационных характеристик колонки. Колонку 84 устанавливают в гидравлическом взаимодействии с инжектором 94 настольного ГХ 96 Agilent 6890, снабженного пламенно-ионизационным датчиком (ПИД) 98. На фиг.3С представлены прямой (сверху) и обратный/обращенный (снизу) рабочие режимы. Другими словами, образец, содержащий по меньшей мере два целевых аналита, вводят в прямом режиме (сверху) через вход 88, после чего он движется по направлению к выходу 90 хроматографической колонки 84 в направлении фигурной стрелки. В обратном или обращенном режиме (снизу) образец, содержащий по меньшей мере два целевых аналита, вводят на выходе 90 хроматографической колонки 84, после чего он движется по направлению ко входу 88 в направлении фигурной стрелки.3A-3C illustrate peak focusing by using a film with a positive thickness gradient according to the present invention, performed in a column containing a film with a thickness gradient (FGT) according to some aspects of the present invention. As can be seen from Fig. 3A, a peak 82 of a certain analyte 80 becomes more and more focused as the analyte 80 moves along a column 84 containing a stationary phase 86 with a positive thickness gradient, passing from an inlet 88 to an outlet 90 of the column 84. Thus, the film of the stationary phase 86, the thickness of which changes from thinner to thicker (in the direction from the inlet 88 to the outlet 90), focuses the analyte peak 82 as the analyte moves along the column in the direction of the shaped arrow, as shown in Fig. 3A. Fig. 3B illustrates a setup for evaluating the performance of a column. Column 84 is placed in fluid communication with injector 94 of benchtop GC 96 Agilent 6890 equipped with flame ionization detector (FID) 98. In Fig. 3C, forward (top) and reverse/inverted (bottom) operating modes are shown. In other words, sample containing at least two target analytes is introduced in forward mode (top) through inlet 88, after which it moves toward outlet 90 of chromatographic column 84 in the direction of the arrow. In reverse or inverted mode (bottom), sample containing at least two target analytes is introduced at outlet 90 of chromatographic column 84, after which it moves toward inlet 88 in the direction of the arrow.

В некоторых аспектах настоящее изобретение относится к способу фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ может включать введение двух или более целевых аналитов на входе хроматографической колонки, включающей размещенную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Неподвижной фазой может быть любая неподвижная фаза, описанная выше. Способ включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов. Дополнительно, два или более целевых аналита затем выводятся при элюировании из выхода хроматографической колонки.In some aspects, the present invention relates to a method for focusing peaks in a gas chromatography device. The method may include introducing two or more target analytes at the inlet of a chromatographic column, including a stationary phase arranged within the chromatographic column, having a positive thickness gradient. The stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column, and has a second thickness at the outlet of the chromatographic column. The second thickness is at least about 10% greater than the first thickness. The stationary phase may be any stationary phase described above. The method includes separating two or more target analytes in the chromatographic column. Additionally, the two or more target analytes are then eluted from the outlet of the chromatographic column.

В некоторых аспектах два или более целевых аналита представляют собой летучие органические соединения (ЛОС). Согласно одному из аспектов, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает ароматическое соединение, и итоговый показатель фокусировки пиков ароматических соединений больше или равен приблизительно 25%, например, может быть больше или равен приблизительно 26%, необязательно больше или равен приблизительно 27% и в некоторых вариантах воплощений возможно больше или равен приблизительно 28%.In some aspects, two or more target analytes are volatile organic compounds (VOCs). According to one aspect, at least one of the two or more target analytes comprises an aromatic compound, and the resulting aromatic compound peak focusing index is greater than or equal to about 25%, such as may be greater than or equal to about 26%, optionally greater than or equal to about 27%, and in some embodiments, possibly greater than or equal to about 28%.

Согласно другому аспекту, по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает алкан, и итоговый показатель фокусировки пиков алкана больше или равен приблизительно 10% и в некоторых аспектах возможно больше или равен приблизительно 11%.According to another aspect, at least one of the two or more target analytes comprises an alkane, and the resulting alkane peak focusing index is greater than or equal to about 10%, and in some aspects, possibly greater than or equal to about 11%.

Согласно другим аспектам, настоящее изобретение относится к способу подтверждения фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии. Способ включает проведение прямой операции посредством введения двух или более целевых аналитов на входе хроматографической колонки, включающей осажденную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины. Неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину. Неподвижная фаза может иметь любую из структур и составов, описанных выше. Прямая операция включает разделение двух или более целевых аналитов в хроматографической колонке и последующее элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки. Затем производят обращенную операцию, включающую введение двух или более целевых аналитов на выходе хроматографической колонки, включающей неподвижную фазу. Обращенная операция далее включает разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов и элюирование двух или более целевых аналитов на выходе хроматографической колонки. Способ дополнительно включает сравнение величин хроматографического разрешения прямой операции и обращенной операции, где показатель фокусировки пиков по меньшей мере одной соответствующей пары двух пиков двух целевых аналитов превышает 5% и возможно больше или равен приблизительно 10%.According to other aspects, the present invention relates to a method for confirming the focusing of peaks in a gas chromatography device. The method includes performing a direct operation by introducing two or more target analytes at the inlet of a chromatographic column including a stationary phase deposited inside this chromatographic column having a positive thickness gradient. The stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column, where the second thickness exceeds the first thickness by at least about 10%. The stationary phase can have any of the structures and compositions described above. The direct operation includes separating two or more target analytes in the chromatographic column and then eluting the two or more target analytes from the outlet of the chromatographic column. Then, an inverse operation is performed, including introducing two or more target analytes at the outlet of the chromatographic column including the stationary phase. The inverse operation further includes separating two or more target analytes in the chromatographic column and eluting the two or more target analytes at the outlet of the chromatographic column. The method further comprises comparing the chromatographic resolution values of the direct operation and the reverse operation, where the peak focusing index of at least one corresponding pair of two peaks of two target analytes exceeds 5% and is possibly greater than or equal to approximately 10%.

Настоящее изобретение также относится к способу создания устройства для газовой хроматографии, включающего хроматографическую колонку с положительным градиентом толщины. Способ включает введение жидкости-предшественника в хроматографическую колонку. Жидкость-предшественник включает предшественник неподвижной фазы и низкокипящий растворитель, который испаряется по мере продвижения по длине хроматографической колонки, так что концентрация предшественника неподвижной фазы увеличивается по мере его продвижения по колонке, что приводит к созданию градиента толщины неподвижной фазы. Способ также включает реакцию предшественника неподвижной фазы или образование поперечных связей в предшественнике неподвижной фазы, что приводит к получению положительного градиента толщины неподвижной фазы на протяжении длины от входа до выхода, так что неподвижная фаза имеет первую толщину на входе хроматографической колонки, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину. Вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.The present invention also relates to a method for creating a gas chromatography device comprising a chromatographic column with a positive thickness gradient. The method comprises introducing a precursor liquid into the chromatographic column. The precursor liquid comprises a stationary phase precursor and a low-boiling solvent that evaporates as it moves along the chromatographic column, so that the concentration of the stationary phase precursor increases as it moves along the column, which results in the creation of a stationary phase thickness gradient. The method also comprises a reaction of the stationary phase precursor or the formation of cross-links in the stationary phase precursor, which results in obtaining a positive stationary phase thickness gradient along the length from the inlet to the outlet, so that the stationary phase has a first thickness at the inlet of the chromatographic column, and has a second thickness at the outlet of the chromatographic column. The second thickness exceeds the first thickness by at least approximately 10%.

В некоторых аспектах перед введением жидкости-предшественника производят силанирование внутренней поверхности хроматографической колонки. Силанирование может включать пропускание реакционноспособного силана в газообразной форме через колонку. В одном из примеров реакционноспособный силан может представлять собой пары гексаметилдисилазана (ГМДС), которые образуют на внутренней поверхности колонки поверхностное покрытие, содержащее силан. В некоторых вариантах воплощений реакционноспособный силан может быть пропущен через хроматографическую колонку несколько раз.In some aspects, prior to introducing the precursor liquid, the interior surface of the chromatography column is silanated. Silanating may include passing a reactive silane in gaseous form through the column. In one example, the reactive silane may be hexamethyldisilazane (HMDS) vapor that forms a silane-containing surface coating on the interior surface of the column. In some embodiments, the reactive silane may be passed through the chromatography column multiple times.

Может быть введен предшественник силоксанового полимера, такой как Silicone OV-1, модифицированный винильными группами 100%-ный диметилсиликон, поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6001, или Silicone OV-17, модифицированный винильными группами, содержащий 50% фенилсиликона и 50% метилсиликона, поставляемый Ohio Valley Specialty Company под наименованием OV-1 6017, который реагирует с образованием неподвижной фазы. Наряду с предшественником также может быть добавлен сшивающий агент, обеспечивающий образование поперечных связей, такой как Dow SYLGARD™ 184 реагент В (15% масс, сшивающий агент). Следует отметить, что выбор материала неподвижной фазы не ограничен перечисленными материалами, которые приведены здесь лишь как подходящие примеры материалов для изготовления газохроматографической колонки.A siloxane polymer precursor such as Silicone OV-1, a vinyl-modified 100% dimethyl silicone available from Ohio Valley Specialty Company as OV-1 6001, or Silicone OV-17, a vinyl-modified 50% phenyl silicone and 50% methyl silicone available from Ohio Valley Specialty Company as OV-1 6017, may be added and reacted to form the stationary phase. A cross-linking agent such as Dow SYLGARD™ 184 Reagent B (15 wt.% cross-linking agent) may also be added with the precursor. It should be noted that the choice of stationary phase material is not limited to the listed materials, which are provided herein merely as suitable examples of materials for the manufacture of a gas chromatographic column.

Хроматографическая колонка включает вход и выход, и введение и реакция или образование поперечных связей могут включать динамическое нанесение покрытия на внутреннюю поверхность хроматографической колонки. Это может быть выполнено частичным заполнением хроматографической колонки жидкостью-предшественником, приложением давления на входе для продавливания жидкости-предшественника по длине колонки, и приложением вакуума на выходе для испарения низкокипящего растворителя. Например, пробка из жидкости-предшественника может быть продавлена через колонку при приложении на входе давления, составляющего 5 фунтов/кв.дюйм (34473,8 Па). Для испарения низкокипящего растворителя на выходе может быть приложено вакууметрическое давление, составляющее 2 фунта/кв.дюйм (-13789,5 Па).The chromatographic column includes an inlet and an outlet, and the introduction and reaction or cross-linking may involve dynamic coating of the interior surface of the chromatographic column. This may be accomplished by partially filling the chromatographic column with a precursor liquid, applying pressure at the inlet to force the precursor liquid down the length of the column, and applying a vacuum at the outlet to evaporate the low boiling solvent. For example, a plug of precursor liquid may be forced through the column by applying a pressure of 5 psi (34473.8 Pa) at the inlet. A vacuum pressure of 2 psi (-13789.5 Pa) may be applied at the outlet to evaporate the low boiling solvent.

ПримерыExamples

Газохроматографические (ГХ) колонки с градиентом толщины неподвижной фазы позволяют фокусировать пики аналитов и повышают разрешение разделения. Теоретический анализ и моделирование показывают, что фокусировка осуществляется при положительном градиенте толщины, т.е. при толщине неподвижной фазы, которая увеличивается по длине колонки. Фокусировка пиков была подтверждена экспериментально при нанесении покрытия на капиллярную колонку длиной 5 м, в которой толщина пленки изменялась от 34 нм на входе колонки до 241 нм на выходе колонки. Колонку исследовали, пропуская алканы от С5 до С16 и ароматические соединения, в прямом (от меньшей к большей толщине) и обратном (от большей к меньшей толщине) режимах, и полученные результаты сравнивали с результатами, полученными в колонке с равномерной толщиной покрытия, составляющей 131 нм.Gas chromatography (GC) columns with a stationary phase thickness gradient allow focusing of analyte peaks and improve separation resolution. Theoretical analysis and modeling show that focusing occurs at a positive thickness gradient, i.e. at a stationary phase thickness that increases along the column. Peak focusing was confirmed experimentally by coating a 5 m long capillary column with a film thickness ranging from 34 nm at the column inlet to 241 nm at the column outlet. The column was tested with C 5 to C 16 alkanes and aromatics in the forward (from smaller to larger thickness) and reverse (from larger to smaller thickness) modes, and the results were compared with those obtained in a column with a uniform coating thickness of 131 nm.

Сравнение величин разрешения, полученных в прямом режиме и в колонке с равномерной толщиной, показывает, что общий показатель фокусировки (т.е. повышение пиковой емкости) составляет 11,7% при пропускании алканов, и 28,2% при пропускании ароматических соединений.Comparison of the resolution values obtained in the direct mode and in a uniform column thickness shows that the overall focusing gain (i.e. increase in peak capacity) is 11.7% for alkanes and 28.2% for aromatics.

Эффект фокусировки также был показан для изотермического разделения высоколетучих соединений при комнатной температуре и для разделения при программируемой температуре с различными скоростями повышения температуры. Во всех случаях пиковые емкости при прямых режимах разделения были выше, чем при других режимах, что указывает на то, что положительный градиент толщины способствует фокусировке пиков аналитов. Таким образом, настоящая методика с использованием градиента толщины может быть широко применена в работе с различными неподвижными фазами и типами колонок в качестве общего способа улучшения характеристик ГХ разделения.The focusing effect was also demonstrated for isothermal separations of highly volatile compounds at room temperature and for temperature programmed separations with different rates of temperature increase. In all cases, the peak capacities in direct separation modes were higher than in other modes, indicating that the positive thickness gradient facilitates the focusing of analyte peaks. Thus, the present thickness gradient technique can be widely applied to various stationary phases and column types as a general method for improving GC separation performance.

Экспериментальная установка Колонку, содержащую пленку с градиентом толщины (КПГТ), устанавливали на ГХ столик Agilent 6890, снабженный пламенно-ионизационным детектором (ПИД, см. Фиг. 3В). В качестве газа-носителя применяли гелий сверхвысокой чистоты. Для оценки эффекта фокусировки пиков аналиты вводили с конца, имеющего покрытие меньшей толщины (прямой режим, т.е. перемещение от меньшей к большей толщине пленки), или с конца, имеющего покрытие большей толщины (обратный режим т.е. перемещение от большей к меньшей толщине пленки), как показано на фиг.3С. Для сравнения на той же установке также исследовали колонку с равномерной толщиной покрытия (толщина пленки равна усредненной толщине). Все эксперименты проводили при программируемой температуре и постоянном давлении. Способы программирования температуры и давления нагнетания представлены в таблице 1.Experimental setup A column containing a film thickness gradient (FTG) was mounted on an Agilent 6890 GC stage equipped with a flame ionization detector (FID, see Fig. 3B). Ultrahigh purity helium was used as a carrier gas. To evaluate the peak focusing effect, analytes were injected from the end with a thinner coating (forward mode, i.e., moving from a thinner to a thicker film) or from the end with a thicker coating (reverse mode, i.e., moving from a thicker to a thinner film), as shown in Fig. 3C. For comparison, a column with a uniform coating thickness (the film thickness is equal to the average thickness) was also studied on the same setup. All experiments were carried out at a programmed temperature and constant pressure. The methods of programming the temperature and injection pressure are presented in Table 1.

МатериалыMaterials

Углеводороды С516, бензол, толуол, этилбензол, орто-ксилол, 1,3-дихлорбензол, нитробензол и дихлорметан аналитической чистоты были закуплены у Sigma-Aldrich (St. Louis, МО). Модифицированные винильными группами OV-1 (P/N 6001) и OV-17 (P/N 6017) были закуплены у Ohio Valley Specialty Company (Marietta, ОН). Реагент В Dow SYLGARD™ 184 был закуплен у Ellsworth Adhesive (Germantown, WI). Трубки из деактивированного плавленого диоксида кремния (No. по каталогу 10010, внутренний диаметр 250 мкм) и колонка RTX-5 (No. по каталогу 10205, отрезана по длине до 5 м, внутренний диаметр 250 мкм и толщина пленки 0,1 мкм) были закуплены у Restek (Bellefonte, РА). Колонка DB-1MS (No. по каталогу 122-0162, отрезана по длине до 5 м, внутренний диаметр 250 мкм и толщина пленки 0,25 мкм) была закуплена у Agilent (Santa Clara, СА). Все материалы применяли в том виде, в котором они были приобретены, без дополнительной очистки или модификации.C 5 -C 16 hydrocarbons, benzene, toluene, ethylbenzene, ortho-xylene, 1,3-dichlorobenzene, nitrobenzene, and dichloromethane of analytical grade were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO). Vinyl-modified OV-1 (P/N 6001) and OV-17 (P/N 6017) were purchased from Ohio Valley Specialty Company (Marietta, OH). Dow SYLGARD™ 184 Reagent B was purchased from Ellsworth Adhesive (Germantown, WI). Deactivated fused silica tubing (cat. no. 10010, 250 μm i.d.) and an RTX-5 column (cat. no. 10205, cut to 5 m length, 250 μm i.d., and 0.1 μm film thickness) were purchased from Restek (Bellefonte, PA). A DB-1MS column (cat. no. 122-0162, cut to 5 m length, 250 μm i.d., and 0.25 μm film thickness) was purchased from Agilent (Santa Clara, CA). All materials were used as received without further purification or modification.

Нанесение покрытия на колонку Реактивы OV-1 (75% масс), OV-17 (10% масс.) и реагент В Dow SYLGARD™ 184 (15% масс, сшивающий агент) растворяли в дихлорметане, получая 2% масс, раствор для нанесения покрытия (содержание фенила в неподвижной фазе 5%). Как показано на фиг. 4А, капиллярную колонку 100 длиной 5 м (внутренний диаметр 250 мкм) перед нанесением покрытия подвергали силанированию проведением 8 повторных впрысков паров гексаметилдисилазана (ГМДС). Затем в капилляр 100 через вход 104 колонки с помощью шприцевого насоса вводили 80 мкл раствора 102 для нанесения покрытия. Для перемещения раствора 102 для нанесения покрытия по направлению к выходу 108, на входе 104 прикладывали положительное давление 106, составляющее 5 фунтов/кв.дюйм (34473,8 Па). На выходе 108 через холостую колонку 112 длиной 1 м (внутренний диаметр 250 мкм) прикладывали отрицательное вакууметрическое давление 110 величиной -2 фунта/кв.дюйм (-13789,5 Па), что обеспечивали постоянную скорость пробки раствора для нанесения покрытия. Во время нанесения покрытия небольшой объем низкокипящего дихлорметана испаряется под действием вакуума, в результате чего концентрация раствора для нанесения покрытия постепенно повышается, и, следовательно, увеличивается толщина пленки по мере того, как пробка 102 раствора для нанесения покрытия перемещается от входа 104 колонки к выходу 108. После нанесения покрытия через колонку 100 в течение 2 часов непрерывно пропускают сухой воздух, после чего в течение еще 2 часов проводят реакцию образования поперечных связей при 80°С и последующую деактивацию под действием ГМДС. Затем колонку 100 выдерживают при 230°С в течение 3 часов в потоке гелия с расходом 0,5 мл/мин. Таким же способом наносят покрытие на колонку с равномерной толщиной пленки, применяя раствор для нанесения покрытия концентрацией 1% масс, (того же состава, как растворы, применяемые выше, но при большем разбавлении) и прикладывая на входе положительное давление 5 фунт/кв.дюйм (34473,8 Па) для проталкивания раствора для нанесения покрытия по направлению к выходу (без применения вакуума).Column Coating Reagents OV-1 (75% w/w), OV-17 (10% w/w) and Dow SYLGARD™ 184 Reagent B (15% w/w, crosslinking agent) were dissolved in dichloromethane to obtain a 2% w/w coating solution (phenyl content in the stationary phase 5%). As shown in Fig. 4A, a 5 m long capillary column 100 (internal diameter 250 μm) was silanized by 8 repeated injections of hexamethyldisilazane (HMDS) vapor before coating. Then, 80 μl of coating solution 102 were injected into the capillary 100 through the column inlet 104 using a syringe pump. To move the coating solution 102 toward the outlet 108, a positive pressure 106 of 5 psi (34473.8 Pa) was applied at the inlet 104. At the outlet 108, a negative vacuum pressure 110 of -2 psi (-13789.5 Pa) was applied through a 1 m long blank column 112 (internal diameter 250 μm), which ensured a constant plug velocity of the coating solution. During coating, a small volume of low-boiling dichloromethane evaporates under vacuum, causing the concentration of the coating solution to gradually increase and hence the film thickness to increase as the plug 102 of the coating solution moves from the inlet 104 of the column to the outlet 108. After coating, dry air is continuously passed through the column 100 for 2 hours, followed by a cross-linking reaction at 80°C for another 2 hours and subsequent deactivation with HMDS. The column 100 is then maintained at 230°C for 3 hours under a helium flow of 0.5 ml/min. In the same manner, the column is coated to a uniform film thickness using a 1 wt% coating solution (of the same composition as the solutions used above but at a higher dilution) and applying a positive pressure of 5 psi (34473.8 Pa) at the inlet to force the coating solution toward the outlet (without applying a vacuum).

Условия моделированияSimulation conditions

Проводили моделирование разделения смеси C8-C15 в прямом и обратном режимах, а также в колонке с равномерной толщиной, эквивалентной среднему градиенту толщины пленки (условия разделения представлены в таблице 1). Толщина пленки в колонке 5 м варьировалась от 34 нм до 241 нм (от входа до выхода в прямом режиме и наоборот в обратном режиме). Следует отметить, что для вычисления фактора удерживания k(х, t) требуется знание величины коэффициента распределения K(t) (Ур. (2)), который вычисляют из известных величин. Смоделированные величины времени удерживания и полной ширины на половине максимальной высоты пика (ПШПМ) представлены в таблице 2, и величины разрешения представлены в таблице 3.The separation of a C 8 -C 15 mixture was simulated in the forward and reverse modes, as well as in a column with a uniform thickness equivalent to the average film thickness gradient (the separation conditions are presented in Table 1). The film thickness in the 5 m column varied from 34 nm to 241 nm (from the inlet to the outlet in the forward mode and vice versa in the reverse mode). It should be noted that to calculate the retention factor k(x, t), knowledge of the distribution coefficient K(t) (Eq. (2)) is required, which is calculated from the known values. The simulated retention times and full width at half maximum peak height (FWHM) are presented in Table 2, and the resolution values are presented in Table 3.

Контрольная колонка с равномерной толщиной покрытия В качестве контроля для разделения С716 алканов в прямом и обратном режимах применяли колонку Restek RTX-5, не ожидая различий в разделении. Условия разделения представлены в таблице 1. Величины р для времени удерживания и ПШПМ (по 5 прогонам) вычисляли, используя парный критерий Стьюдента и превращая полученный Т-показатель в величину р. Значимость принимали на уровне р=0,05; для всех пиков аналитов не наблюдали значительных различий между прямым и обратным режимами. Аналогично, не наблюдали значительных различий между прямым и обратным режимами в случае применения колонки Agilent DB-1MS длиной 5 м для разделения С715 алканов (данные не показаны).Uniform Coating Control Column A Restek RTX-5 column was used as a control for the separation of C 7 -C 16 alkanes in forward and reverse modes, with no expected differences in separation. The separation conditions are presented in Table 1. The p-values for retention time and FWHM (from 5 runs) were calculated using a paired Student's t-test and converting the resulting t-score to a p-value. Significance was set at p = 0.05; no significant differences were observed between forward and reverse modes for all analyte peaks. Similarly, no significant differences were observed between forward and reverse modes when a 5 m Agilent DB-1MS column was used to separate C 7 -C 15 alkanes (data not shown).

Характеристика неподвижной фазы Для определения толщины неподвижной фазы КПГТ замораживали в жидком азоте и затем откалывали несколько кусочков. С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) получали изображения вблизи входа колонки (пленка меньшей толщины) и вблизи выхода колонки (пленка большей толщины). На фиг.4(B) и (С) показано, что толщина пленки увеличивается от 34 нм до 241 нм на протяжении колонки от входа до выхода, и градиент составляет приблизительно 41 нм/м. Также у входа и выхода исследовали колонку с равномерной толщиной пленки, и было обнаружено, что у обоих концов колонки толщина пленки составляет 131 нм.Characterization of the Stationary Phase To determine the thickness of the stationary phase, KPGT was frozen in liquid nitrogen and then several pieces were broken off. Scanning electron microscope (SEM) images were taken near the column inlet (thinner film) and near the column outlet (thicker film). Figures 4(B) and (C) show that the film thickness increases from 34 nm to 241 nm along the column from inlet to outlet, and the gradient is approximately 41 nm/m. A column with uniform film thickness was also examined at the inlet and outlet, and it was found that the film thickness was 131 nm at both ends of the column.

Теоретическое обоснование фокусировки пиков приведено ниже. Эффективная скорость, аналита на участке х (расстояние от входа колонки) в заданный момент времени t определяется выражением:The theoretical basis for peak focusing is given below. Effective speed, analyte in section x (distance from the column inlet) at a given time t is determined by the expression:

где представляет собой скорость подвижной фазы, и - фактор удерживания:Where represents the velocity of the mobile phase, and - retention factor:

коэффициент распределения определяют из выраженияdistribution coefficient determined from the expression

где - универсальная газовая постоянная, и представляет собой зависящую от времени температуру колонки на участке представляет собой изменение свободной энергии Гиббса, связанное с переходом аналита из стационарной в подвижную фазу, которое может быть вычислено из изменения энтальпии и энтропии аналита:Where - universal gas constant, and represents the time-dependent temperature of the column at the site represents the change in Gibbs free energy associated with the transition of the analyte from the stationary to the mobile phase, which can be calculated from the change in enthalpy and entropy analyte:

Фазовое отношение β определяется выражениемThe phase relation β is determined by the expression

где - внутренний диаметр колонки и толщина пленки, соответственно.Where - the internal diameter of the column and the film thickness, respectively.

Таким образом, ур. (2) может быть выражено следующим образом:Thus, Eq. (2) can be expressed as follows:

где А является константой для данной колонки. Фактор удерживания на протяжении длины колонки, может быть записан следующим образом:where A is a constant for a given column. The retention factor over the length of the column, can be written as follows:

Ур. (7) показывает, что в частичное увеличение фактора удерживания, на расстоянии по длине колонки вносят вклад два параметра: отрицательный температурный градиент, задаваемый первой переменной, и положительный градиент толщины пленки, задаваемый второй переменной. Градиент фактора удерживания связан с градиентом скорости уравнением (1); таким образом, как отрицательный температурный градиент, так и положительный градиент толщины пленки приводят к образованию разности скоростей между фронтом и хвостом полосы аналита, что способствует фокусировке полосы (т.е. на пространственное распределение аналита воздействует изменяющийся в пространстве градиент скорости). На выходе во время элюирования полоса выглядит как изменяющийся с течением времени пик, который может быть более узким, чем соответствующий пик несфокусированной полосы. Другими словами, фокусировка пиков (наблюдаемая величина) является результатом фокусировки полосы внутри колонки. Эквивалентность этих двух градиентов может быть выражена следующим образом:Equation (7) shows that with a partial increase in the retention factor, at a distance along the length of the column, two parameters contribute: a negative temperature gradient, given by the first variable, and a positive film thickness gradient, given by the second variable. Retention factor gradient is related to the velocity gradient by equation (1); thus, both the negative temperature gradient and the positive film thickness gradient result in a velocity difference between the front and tail of the analyte band, which contributes to band focusing (i.e., the spatial distribution of the analyte is affected by the spatially varying velocity gradient). At the outlet during elution, the band appears as a time-varying peak, which may be narrower than the corresponding peak of the unfocused band. In other words, peak focusing (an observed quantity) is the result of band focusing within the column. The equivalence of these two gradients can be expressed as follows:

Для фокусировки пиков градиент толщины пленки имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным температурным градиентом. Во-первых, градиент толщины пленки не зависит от температуры колонки, что позволяет фокусировать пики аналитов любых летучих соединений при любых рабочих температурах. В частности, пики высоколетучих соединений сложно сфокусировать при разделении с отрицательным температурным градиентом (РОТГ), но это может быть сделано при применении методики согласно изобретению (например, с помощью хроматографического устройства и способа с КПГТ). Во-вторых, в то время как температурный градиент может быть изменен при использовании нагревателя и обычных условий (таких как размещение нагревателя, рассеяние тепла, размер/масса колонки, расположение канала колонки, температура окружающей среды и поток воздуха), градиент толщины пленки всегда постоянен и позволяет проводить более надежные и воспроизводимые ГХ операции (из-за меньшей подверженности воздействию окружающей среды). Наконец, КПГТ согласно некоторым аспектам настоящего изобретения может быть применена без дополнительного вспомогательного оборудования (такого как нагреватели или охлаждающие средства, требуемые для РОТГ), что значительно снижает сложность устройства для дальнейшей интеграции. Однако, несмотря на эти преимущества, в некоторых аспектах разделение на основе градиента толщины пленки может быть менее универсальным, чем РОТГ, поскольку здесь градиент является фиксированным, в то время как температурный градиент может быть изменен заменой источника тепла и/или отводом тепла. Кроме того, увеличение толщины пленки по направлению к выходу колонки может приводить к замедлению массопереноса, что может искажать эффект фокусировки пиков. Эффект массопереноса был исследован в приведенном ниже моделировании.For peak focusing, the film thickness gradient has several advantages over the traditional temperature gradient. First, the film thickness gradient is independent of the column temperature, which allows for peak focusing of analytes of any volatile compounds at any operating temperature. In particular, peaks of highly volatile compounds are difficult to focus in negative temperature gradient (NTG) separations, but this can be done using the technique of the invention (e.g., using a chromatographic device and a FTIG method). Second, while the temperature gradient can be varied by using a heater and conventional conditions (such as heater placement, heat dissipation, column size/weight, column channel location, ambient temperature, and air flow), the film thickness gradient is always constant and allows for more reliable and reproducible GC operations (due to less exposure to environmental influences). Finally, FTIG according to some aspects of the present invention can be used without additional ancillary equipment (such as heaters or coolers required for FTIG), which significantly reduces the complexity of the device for further integration. However, despite these advantages, in some respects, film thickness gradient separation may be less versatile than ROTG, since here the gradient is fixed, while the temperature gradient can be changed by changing the heat source and/or removing heat. In addition, increasing film thickness towards the column outlet may slow down the mass transfer, which may distort the peak focusing effect. The mass transfer effect was investigated in the simulations below.

В этом моделировании не учитывали температурный градиент (т.е. РОТГ), анализировали только влияние градиента толщины пленки. Зависимая от времени концентрация с пика аналита, перемещающегося вдоль колонки, определяется решением уравнения конвекции-диффузии для переходного состояния:In this simulation, the temperature gradient (i.e., RTTG) was not taken into account, and only the effect of the film thickness gradient was analyzed. The time-dependent peak concentration of the analyte moving along the column is determined by solving the convection-diffusion equation for the transition state:

где определено в ур. (1). Эффективная диффузия может быть вычислена из величин локальной дисперсии D и фактора удерживания Where defined in Eq. (1). Effective diffusion can be calculated from the values of local dispersion D and retention factor

где - толщина пленки, и - диффузионная постоянная подвижной фазы. Следует отметить, что D включает массоперенос/диффузию как в продольном, так и в поперечном направлении. Величина может быть выражена следующим образом:Where - film thickness, and - diffusion constant of the mobile phase. It should be noted that D includes mass transfer/diffusion in both longitudinal and transverse directions. The value can be expressed as follows:

где представляет собой диффузионную постоянную (которая зависит от молярных масс и атомных и структурных диффузионных объемов аналитов и молекул подвижной фазы), и представляет собой диффузионную постоянную неподвижной фазы. Локальное давление определяют, исходя из давлений на входе и выходе, соответственно:Where is the diffusion constant (which depends on the molar masses and atomic and structural diffusion volumes of the analytes and mobile phase molecules), and is the diffusion constant of the stationary phase. Local pressure determined based on pressures at the input and output, respectively:

где L представляет собой длину колонки. Скорость в подвижной фазе описывается формулойwhere L is the length of the column. The velocity in the mobile phase is is described by the formula

где вязкость приведена в виде зависимости от эталонной вязкости при температуре и показателя зависящего от типа газа:where is viscosity is given as a function of the reference viscosity at temperature and the indicator depending on the type of gas:

Следует отметить, что в ур. (12) температура приведена в виде в соответствии с тем допущением, что в заданный момент времени t температура остается одинаковой по всей длине колонки. Уравнение (9) может быть решено применением конечно-разностной модели к дискретному моменту времени (t) и радиус-векторам (i)It should be noted that in Eq. (12) the temperature is given in the form in accordance with the assumption that at a given time t the temperature remains the same along the entire length of the column. Equation (9) can be solved by applying a finite difference model to a discrete time instant (t) and radius vectors (i)

где - моделируемое расстояние и временной шаг. При объединении этих уравнений получаем:Where - the simulated distance and time step. Combining these equations yields:

Решением Ур. (19) является зависимое от времени перемещение пика аналита вдоль колонки.The solution to Eq. (19) is the time-dependent movement of the analyte peak along the column.

Для моделирования ур. (19) необходимо установить некоторые граничные условия. Во-первых, в момент времени t=0 пик введенного аналита имеет форму Гауссова пика, т.е.:To model Eq. (19), it is necessary to establish some boundary conditions. First, at time t=0, the peak of the injected analyte has the shape of a Gaussian peak, i.e.:

где σ исходная дисперсия. Следует отметить, что исходный пик в момент времени t = 0 находится при х = 3σ. После исходного введения через вход колонки в колонку не вводят дополнительных аналитов:where σ is the initial dispersion. It should be noted that the initial peak at time t = 0 is at x = 3σ. After the initial introduction through the column inlet, no additional analytes are introduced into the column:

На выходе колонки конечная концентрация на сетке приблизительно равна концентрации в левой части (поскольку она не может быть вычислена по уравнению (16)), т.е.:At the column outlet, the final concentration on the grid is approximately equal to the concentration on the left-hand side (since it cannot be calculated using equation (16)), i.e.:

Величины времени удерживания пиков и их полная ширина на половине максимума (ПШПМ) могут быть определены на выходе колонки (т.е. при х = L), поскольку для конструирования двухмерной матрицы концентраций, в которой изменяется как положение, так и время, используется изменяющаяся в пространстве концентрация, получаемая по уравнению (19). Например, разделение соединений C8-C15 может быть смоделировано при положительном (т.е. от меньшей к большей толщине или в «прямом» режиме) и отрицательном (т.е. от большей к меньшей толщине или в «обратном» режиме) градиенте толщины пленки. В качестве контрольного эксперимента также было проведено моделирование в колонке с равномерной толщиной пленки (при толщине, эквивалентной среднему значению для толщины пленки в прямом/обратном режиме). Температуру повышали от 40°С до 240°С со скоростью 30°С/мин. Давление нагнетания устанавливали равным 3,45 фунта/кв.дюйм (23787 Па) (давление на выходе было равно давлению окружающей среды, т.е. 1 атм. (1,013⋅105 Па)). Толщина пленки в колонке длиной 5 м изменялась от 34 нм до 241 нм (от входа до выхода в прямом режиме и наоборот в обратном режиме). Отслеживание концентрации по второй оси (т.е. по времени) позволяет определять изменяющийся во времени вектор концентрации, соответствующий сигналу, получаемому от датчика на выходе. Максимальная величина (изменяющаяся во времени) соответствует времени элюирования/удерживания, и ПШПМ может быть определена по моменту времени, в который концентрация составляет половину величины пика. Дополнительно по нижеследующей формуле может быть вычислено разрешение (R) между соседними пиками:The peak retention times and full widths at half maximum (FWHM) can be determined at the column outlet (i.e., at x = L) because the spatially varying concentration given by Eq. (19) is used to construct a two-dimensional concentration matrix in which both position and time vary. For example, the separation of C 8 -C 15 compounds can be simulated with positive (i.e., from thin to thick, or "forward" mode) and negative (i.e., from thick to thin, or "reverse" mode) film thickness gradients. As a control experiment, simulations were also performed in a column with uniform film thickness (at a thickness equivalent to the average value for the film thickness in the forward/reverse mode). The temperature was increased from 40 °C to 240 °C at a rate of 30 °C/min. The injection pressure was set to 3.45 psi (23787 Pa) (the outlet pressure was equal to the ambient pressure, i.e. 1 atm (1.013⋅10 5 Pa)). The film thickness in the 5 m column was varied from 34 nm to 241 nm (from inlet to outlet in the forward mode and vice versa in the reverse mode). Monitoring the concentration along the second axis (i.e. time) allows determining the time-varying concentration vector corresponding to the signal received from the outlet sensor. The maximum value (varying with time) corresponds to the elution/retention time, and the FWHM can be determined from the time at which the concentration is half the peak value. Additionally, the resolution (R) between adjacent peaks can be calculated using the following formula:

где - величины времени удерживания двух пиков, и - соответствующие ПШПМ.Where - the retention times of the two peaks, and - corresponding to the PSHPM.

Величины времени удерживания пиков и полной ширины на половине максимума (ПШПМ), измеренные на выходе колонки (т.е. при х=L), представлены в таблице 1. В таблице 1 представлены программируемые профили температуры и величины давления нагнетания, использованные при моделировании, контрольного эксперимента с равномерной толщиной пленки, разделения алканов С716, разделения ароматических соединений и разделения высоколетучих алканов (С5 и С6).The peak retention times and full width at half maximum (FWHM) measured at the column outlet (i.e. at x=L) are presented in Table 1. Table 1 presents the programmed temperature and injection pressure profiles used in the simulation of the uniform film thickness control experiment, the separation of C7 - C16 alkanes, the separation of aromatic compounds, and the separation of highly volatile alkanes ( C5 and C6 ).

В таблице 2 представлены полученные в результате моделирования величины времени удерживания (RT) и полной ширины на половине максимума (ПШПМ) для разделения C8-C15 в прямом и обратном режимах. Для сравнения также представлены величины RT и ПШПМ при работе с покрытием равномерной толщины. Температуру повышали, начиная с 40°С, со скоростью 30°С/мин, и давление нагнетания составляло 3,45 фунта/кв.дюйм (~23787 Па). Длина колонки составляла 5 м. Все величины представлены в минутах. Дополнительный анализ приведен в таблице 3.Table 2 presents the simulated retention times (RT) and full widths at half maximum (FWHM) for the C8 - C15 separation in the forward and reverse modes. The RT and FWHM values for a uniform coating thickness are also presented for comparison. The temperature was ramped up from 40°C at 30°C/min and the injection pressure was 3.45 psi (~23,787 Pa). The column length was 5 m. All values are presented in minutes. Additional analysis is provided in Table 3.

В таблице 3 представлены полученные при моделировании величины разрешения (R) между соседними пиками для смесей C8-C15 в прямом и обратном режимах и в колонке с равномерной толщиной покрытия. Величины разрешения, полученные в прямом режиме, превышают величины разрешения, полученные в обратном режиме и в колонке с равномерной толщиной покрытия. Разность в разрешениях определяли по формуле Table 3 presents the values of resolution (R) between adjacent peaks obtained in the simulation for C 8 -C 15 mixtures in the forward and reverse modes and in a column with a uniform coating thickness. The resolution values obtained in the forward mode exceed the resolution values obtained in the reverse mode and in a column with a uniform coating thickness. The difference in resolutions was determined using the formula

Из данных, представленных в таблице 1, видно, что пики аналитов в прямом и обратном режимах выходят из колонки в различные моменты времени; это происходит из-за того, что условия разделения заданного аналита в этих двух режимах различны. В прямом режиме аналит сначала взаимодействует с пленкой меньшей толщины при низких температурах и достигает пленки большей толщины при высоких температурах, а в обратном режиме все происходит как раз наоборот. В результате величины времени удерживания аналитов в этих двух режимах различны, и при оценке эксплуатационных характеристик колонки полные ширины пиков на половине максимума (ПШПМ) нельзя сравнивать напрямую. Напротив, для анализа характеристик разделения используют разрешение R между двумя пиками, которое вычисляют по уравнению 23, (см. таблицу 2).From the data presented in Table 1, it is evident that the analyte peaks in the forward and reverse modes emerge from the column at different times; this is because the separation conditions for a given analyte are different in the two modes. In the forward mode, the analyte first interacts with the thinner film at low temperatures and reaches the thicker film at high temperatures, while in the reverse mode, the opposite occurs. As a result, the retention times of the analytes in the two modes are different, and the full widths at half maximum (FWHM) of the peaks cannot be compared directly when evaluating column performance. Instead, the resolution R between the two peaks, calculated using Equation 23, is used to analyze the separation performance (see Table 2).

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что, по сравнению с обратным режимом, в прямом режиме разрешение между соседними пиками выше, то есть в течение одинакового временного интервала в прямом режиме может быть получено больше пиков, чем в обратном режиме. Величины разрешения в колонке с равномерной толщиной пленки превышают величины разрешения в обратном режиме, но всегда оказываются меньше величин разрешения в прямом режиме, что, таким образом, доказывает фокусировку пиков в прямом режиме. Дальнейший анализ величин разрешения соседних пиков показывает, что разность величин разрешения между прямым и обратны режимами (т.е. ) понижается по мере увеличения времени удерживания аналита. Это может происходить из-за более медленного массопереноса (т.е. поперечной диффузии), что более выражено для более тяжелых соединений, в области пленки с большей толщиной. В прямом режиме этот эффект приводит к уширению пиков менее летучих соединений ближе к выходу колонки, снижая фокусировку, обеспечиваемую колонкой. Напротив, в обратном режиме пленка меньшей толщины на выходе обеспечивает меньшее уширение, что снижает дефокусировку из-за обратного градиента. Таким образом, для более низколетучих соединений разность разрешений прямого и обратного режимов снижается.From the data presented in Table 2, it is evident that, compared to the reverse mode, the resolution between adjacent peaks is higher in the forward mode, i.e., during the same time interval, more peaks can be obtained in the forward mode than in the reverse mode. The resolution values in the column with uniform film thickness exceed the resolution values in the reverse mode, but are always lower than the resolution values in the forward mode, which thus proves the focusing of the peaks in the forward mode. Further analysis of the resolution values of adjacent peaks shows that the difference in resolution values between the forward and reverse modes (i.e. ) decreases as the retention time of the analyte increases. This may be due to slower mass transfer (i.e., lateral diffusion), which is more pronounced for heavier compounds, in the region of the thicker film. In the forward mode, this effect results in peak broadening for less volatile compounds closer to the column outlet, reducing the focusing provided by the column. In contrast, in the reverse mode, the thinner film at the outlet provides less broadening, which reduces defocusing due to the reverse gradient. Thus, for lower volatility compounds, the resolution difference between the forward and reverse modes is reduced.

Фокусировка пиков смеси алканов. Возможности фокусировки пиков в КПГТ оценивали по разделению смеси алканов С716. Для впрыска брали 0,025 мкл жидкости при коэффициенте деления потока 5:1. Такие же условия разделения создавали в прямом режиме, в колонке с равномерной толщиной пленки и в обратном режиме (которые обозначали как «идентичные параметры обратного режима», см. таблицу 1 - смеси алканов). Примеры хроматограмм показаны на фиг.5A - 5D.Focusing of peaks of alkane mixture. The peak focusing capabilities of the CPGT were assessed by separating a mixture of C7 - C16 alkanes. 0.025 μl of liquid was used for injection at a flow split ratio of 5:1. The same separation conditions were created in the direct mode, in a column with a uniform film thickness, and in the reverse mode (which were designated as "identical parameters of the reverse mode", see Table 1 - alkane mixtures). Examples of chromatograms are shown in Figs. 5A - 5D.

Из фиг.6 видно, что в прямом режиме, в колонке с равномерной толщиной пленки и при идентичных параметрах в обратном режиме пики аналитов вымываются, спустя различные промежутки времени, что согласуется с данными моделирования (таблица 2). Это происходит из-за того, что условия разделения определенного аналита в двух указанных режимах различаются, а также они отличаются от условий в колонке с равномерной толщиной пленки. В прямом режиме аналит сначала взаимодействует с пленкой меньшей толщины при низких температурах, а затем достигает пленки с большей толщиной, находящейся при высоких температурах; в обратном режиме все происходит наоборот. В колонке с равномерной толщиной аналиты при всех температурах взаимодействуют с пленкой равномерной толщины. В результате времена удерживания аналитов в двух указанных режимах и в колонке с равномерной толщиной пленки различны, и произвести прямое сравнение полной ширины пиков на половине максимума (ПШПМ) при оценке эксплуатационных характеристик колонки не представляется возможным. Напротив, для анализа характеристик разделения используют величины разрешения между соседними пиками (например, С7 и С8, С8 и С9 и т.д.). Величины разрешения при идентичных параметрах в обратном режиме и в колонке с равномерной толщиной пленки вычитают из соответствующих величин разрешения в прямом режиме; разности разрешений между всеми парами соседних пиков (усредненные по 5 экспериментам) построены на фиг.6. Значения р для разности разрешений вычисляли, используя парный критерий Стьюдента (по 5 экспериментам в прямом режиме и в обратном режиме при идентичных параметрах и в колонке с равномерной толщиной пленки) и превращая полученный Т-показатель в значение р (см. таблицу 3). Значимость принимали на уровне р=0,05, что указывает на гораздо более высокое разрешение между всеми парами соседних пиков в прямом режиме по сравнению с обратным режимом при идентичных параметрах. Это согласуется с данными моделирования (таблица 3), а также подтверждается приведенными выше величинами разрешения в прямом режиме, что означает, что в течение одного и того же временного интервала в прямом режиме получают большее количество пиков, чем в обратном режиме. Величины разрешения в колонке с равномерной толщиной ниже, чем величины разрешения в прямом режиме вплоть до смеси С1011, но для пар С1516 разрешение в колонке с равномерной толщиной оказывается более высоким. Общий анализ эксплуатационных характеристик приведен ниже.It is evident from Fig. 6 that in the forward mode, in the uniform film thickness column and at identical parameters in the reverse mode, the analyte peaks are eluted after different time intervals, which is consistent with the modeling data (Table 2). This is due to the fact that the separation conditions of a particular analyte in the two specified modes are different, and they also differ from the conditions in the uniform film thickness column. In the forward mode, the analyte first interacts with the thinner film at low temperatures and then reaches the thicker film at high temperatures; in the reverse mode, everything happens vice versa. In the uniform film thickness column, the analytes interact with the uniform film thickness at all temperatures. As a result, the retention times of the analytes in the two specified modes and in the uniform film thickness column are different, and it is not possible to make a direct comparison of the full width at half maximum (FWHM) of the peaks when evaluating the performance of the column. In contrast, the resolution values between adjacent peaks (e.g., C 7 and C 8 , C 8 and C 9 , etc.) are used to analyze separation characteristics. The resolution values for identical parameters in the reverse mode and in a column with uniform film thickness are subtracted from the corresponding resolution values in the forward mode; the resolution differences between all pairs of adjacent peaks (averaged over 5 experiments) are plotted in Fig. 6. The p-values for the difference in resolution were calculated using the paired Student's t-test (over 5 experiments in forward and reverse mode with identical parameters and in a column with uniform film thickness) and converting the resulting T-score into a p-value (see Table 3). Significance was taken at the p=0.05 level, indicating a much higher resolution between all pairs of adjacent peaks in forward mode compared to reverse mode with identical parameters. This is consistent with the modeling data (Table 3) and is also confirmed by the above-mentioned resolution values in forward mode, meaning that more peaks are obtained in forward mode during the same time interval than in reverse mode. The uniform column resolution values are lower than the direct mode resolution values up to the C 10 /C 11 mixture, but for the C 15 /C 16 pairs the uniform column resolution is higher. A general analysis of the performance characteristics is given below.

В таблице 4 представлены значения р, полученные при сравнении разделения С7-C16 алканов в прямом режиме, в колонке с равномерной толщиной пленки, в обратном режиме при идентичных параметрах (ИП) и в обратном режиме в течение равного времени (РВ). Значимость принимали на уровне р=0,05. Все значения р были значимыми при сравнении прямого и обратного режима ИП, в то время как значения р, полученные при разделении С7-С13, были значимыми для обратного режима РВ. Величины разрешения в прямом режиме значительно превышали величины разрешения в колонке с равномерной толщиной пленки вплоть до смеси С1011, в то время как разрешение в колонке с равномерной толщиной пленки было значительно выше для смеси С1516.Table 4 presents the p-values obtained in comparing the separation of C7 - C16 alkanes in the forward mode, in a uniform film thickness column, in the reverse mode under identical parameters (IP), and in the reverse mode for the same time (RT). Significance was accepted at the p-value level of 0.05. All p-values were significant in the comparison of the forward and reverse IP modes, while the p-values obtained in the separation of C7 -C13 were significant for the reverse RT mode. The resolution values in the forward mode significantly exceeded the resolution values in the uniform film thickness column up to the C10 / C11 mixture, while the resolution in the uniform film thickness column was significantly higher for the C15 / C16 mixture.

Для дальнейшего анализа несоответствия величин времени удерживания была получена вторая серия хроматограмм при более низкой скорости повышения температуры в обратном режиме, которую понижали таким образом, чтобы С16 (последний из элюируемых аналитов) вымывался в то же время, что и в прямом режиме (это обозначено как «обратный режим в течение равного времени», см. таблицу 1 - условия разделения, хроматограммы на фиг.5A - 5D, разности разрешений на фиг.6, таблицу 4 значения р). В этом случае снова в прямом режиме разрешение при разделении пар алканов в диапазоне С713 (результаты, полученные в 5 экспериментах) было значительно выше, однако, в обратном режиме в течение равного времени разрешение при разделении С1316 было близко к разрешению в прямом режиме. Несмотря на то, что в прямом режиме не все локальные величины разрешения (т.е. между соседними парами алканов) превосходят соответствующие величины разрешения в обратном режиме в течение равного времени (или разделение в колонке с равномерной толщиной пленки), в прямом режиме достигается значительно более высокая по сравнению со всеми другими режимами пиковая емкость (ПЕ), определяемая как сумма всех величин разрешения (Таблица 5). Анализ показателя фокусировки (ПФ), определяемого какTo further analyze the discrepancy in retention times, a second series of chromatograms was obtained at a lower rate of temperature increase in the reverse mode, which was reduced so that C 16 (the last of the eluting analytes) was eluted at the same time as in the forward mode (this is designated as "reverse mode for equal time", see Table 1 - separation conditions, chromatograms in Figs. 5A - 5D, resolution differences in Fig. 6, Table 4 - p values). In this case, again in the forward mode, the resolution in separating alkane pairs in the C 7 -C 13 range (results obtained in 5 experiments) was significantly higher, however, in the reverse mode for equal time, the resolution in separating C 13 -C 16 was close to the resolution in the forward mode. Although in the forward mode not all local resolution values (i.e. between adjacent pairs of alkanes) exceed the corresponding resolution values in the reverse mode for an equal time (or separation in a column with a uniform film thickness), in the forward mode a significantly higher peak capacity (PC), defined as the sum of all resolution values (Table 5), is achieved compared to all other modes. Analysis of the focusing index (FI), defined as

показывает, что общие показатели фокусировки в прямом режиме по сравнению с колонкой с равномерной толщиной пленки, обратными режимами при идентичных параметрах и обратным режимом в течение равного времени составляют, соответственно, приблизительно 11,7%, 26,8% и 29,8%.shows that the overall focusing performance in the forward mode compared to a column with uniform film thickness, the reverse modes at identical parameters, and the reverse mode for equal time are approximately 11.7%, 26.8%, and 29.8%, respectively.

Таблица 5. На фиг.5A-5D представлены пиковые емкости, общие величины разрешения, значения р и показатели фокусировки, полученные при сравнении разделения алканов С716 в прямом режиме с разделением в обратных режимах с идентичными параметрами (ИП и в течение равного времени (РВ)) и в колонке с равномерной толщиной пленки. Значимость принимали на уровне р=0,05. Пиковая емкость в прямом режиме значительно превосходит пиковую емкость во всех других режимах.Table 5. Figures 5A-5D show the peak capacities, overall resolution values, p values, and focusing indices obtained when comparing the separation of C7 - C16 alkanes in the direct mode with the separation in the reverse modes with identical parameters (IP and equal time (ET)) and in a column with a uniform film thickness. Significance was taken at the p=0.05 level. The peak capacity in the direct mode significantly exceeds the peak capacity in all other modes.

Фокусировка пиков при анализе смеси ароматических соединений Фокусировку пиков в КПГТ также анализировали на примере разделения смеси ароматических соединений, содержащей бензол (Б), толуол (Т), этилбензол (Э), орто-ксилол (К) и 1,3-дихлорбензол (ДХБ). Жидкую смесь в количестве 0,025 мкл впрыскивали при коэффициенте деления потока 5:1 (условия разделения приведены в Таблице 1 -смесь ароматических соединений). Примеры хроматограмм показаны на фиг.7A-7D, и разности разрешения показаны на фиг.8. Значения р для локальной разности разрешений (вычисленные по 5 экспериментам) представлены в таблице 6. В таблице 7 представлены пиковые емкости, значения р и показатели фокусировки, которые демонстрируют, что пиковая емкость в прямом режиме значительно превышает пиковую емкость во всех других режимах. Таким образом, независимо от того, поддерживаются ли параметры разделения постоянными (и аналиты элюируются быстрее в обратном режиме при идентичных параметрах) или их изменяют таким образом, чтобы последнее соединение вымывалось в одно и то же время (в прямом режиме и в обратных режимах в течение равного времени), разделение в прямом режиме всегда происходит лучше, чем в любом из обратных режимов. Разделение в прямом режиме также происходит лучше, чем в колонке с равномерной толщиной пленки, что подтверждается показателем фокусировки, составляющим 28,2% (таблица 7). Таким образом, в целом показано, что применение прямого режима (т.е. положительного градиента толщины пленки) позволяет улучшать пиковую емкость при разделении.Peak Focusing in Aromatic Mixture Analysis Peak focusing in KPGT was also analyzed using the example of separation of aromatic mixture containing benzene (B), toluene (T), ethylbenzene (E), ortho-xylene (X) and 1,3-dichlorobenzene (DCB). The liquid mixture in an amount of 0.025 μL was injected at a split ratio of 5:1 (the separation conditions are given in Table 1 - aromatic mixture). Examples of chromatograms are shown in Figs. 7A-7D, and the resolution differences are shown in Fig. 8. The p values for the local resolution difference (calculated for 5 experiments) are presented in Table 6. Table 7 presents the peak capacities, p values and focusing indices, which demonstrate that the peak capacity in the direct mode is significantly larger than the peak capacity in all other modes. Thus, whether the separation parameters are kept constant (and the analytes elute faster in the reverse mode with identical parameters) or are varied so that the last compound is eluted at the same time (in the forward and reverse modes for the same time), the separation in the forward mode is always better than in any of the reverse modes. The separation in the forward mode is also better than in a column with a uniform film thickness, as confirmed by the focusing index of 28.2% (Table 7). Thus, overall, it is shown that the use of the forward mode (i.e. a positive film thickness gradient) allows for an improvement in the peak capacity of the separation.

В таблице 6 представлены значения р, полученные при сравнении разделения ароматических соединений в прямом режиме с их разделением в колонке с равномерной толщиной пленки, в обратном режиме с идентичными параметрами (ИП) и в обратном режиме в течение равного времени (РВ). Порядок элюирования и сокращения показаны на фиг.7A-7D. Значимость принимали на уровне р=0,05. Все значения р указывают на значительное улучшение разрешения в прямом режиме.Table 6 presents the p-values obtained when comparing the separation of aromatic compounds in the forward mode with their separation in a column with uniform film thickness, in the reverse mode with identical parameters (IP), and in the reverse mode for equal time (RT). The elution order and reductions are shown in Figs. 7A-7D. Significance was taken at the p-value of 0.05. All p-values indicate a significant improvement in resolution in the forward mode.

Пиковые емкости, значения р и показатели фокусировки, полученные при сравнении разделения ароматических соединений в прямом режиме с их разделением в обратных режимах с идентичными параметрами (ИП) и в течение равного времени (РВ), а также в колонке с равномерной толщиной пленки представлены в таблице 7 и на фиг.7А - 7D. Значимость принимали на уровне р=0,05. Разделение в прямом режиме значительно превосходит разделение во всех других режимах.The peak capacities, p-values and focusing indices obtained when comparing the separation of aromatic compounds in the direct mode with their separation in the reverse modes with identical parameters (IP) and equal time (RT) and in a column with a uniform film thickness are presented in Table 7 and in Figs. 7A - 7D. Significance was taken at the level of p = 0.05. The separation in the direct mode is significantly superior to the separation in all other modes.

Влияние повышения температурыEffect of rising temperature

Для определения влияния скорости повышения температуры на фокусировку пиков выполняли разделение смеси соединений С710 при четырех различных скоростях повышения температуры (0, 10, 20 и 30°С/мин, повышение с 60°С без задержек) в прямом режиме, в обратном режиме при идентичных параметрах и в колонке с равномерной толщиной пленки. Давление составляло 3,45 фунта/кв.дюйм (23787 Па) (2,7 мл/мин при 60°С), и коэффициент деления потока составлял 15:1 при всех операциях разделения (впрыск 0,025 мкл жидкой смеси). Для определения времени выхода неудерживаемого компонента впрыскивали метан, и было обнаружено, что оно составляет 0,36 минуты при всех скоростях повышения температуры. Величины разрешения и показатели фокусировки для каждого температурного профиля представлены в таблице 8 (величины представляют собой усредненные значения по 5 экспериментам). В прямом режиме при более высоких скоростях повышения температуры аналиты оказываются под воздействием относительно высоких температур в то время, когда они достигают неподвижной фазы с большей толщиной ближе к выходу колонки. Таким образом, аналит меньше времени удерживается в пленке большей толщины, что приводит к снижению уширения пика. В обратном режиме аналиты сначала взаимодействуют с неподвижной фазой большей толщины при более низких температурах, а затем перемещаются к неподвижной фазе меньшей толщины, находящейся при более высоких температурах. Уширение пика, обусловленное влиянием неподвижных фаз с меньшей толщиной, уже невелико; таким образом, в обратном режиме общее снижение уширения пика из-за повышения температуры ниже. Таким образом, показатель фокусировки повышается с увеличением скорости повышения температуры, вплоть до 61,9% при сравнении прямого и обратного режимов и до 68,1% при сравнении прямого режима с разделением в колонке с равномерной толщиной пленки, при повышении температуры со скоростью 30°С/мин.To determine the effect of the rate of temperature increase on peak focusing, a mixture of C 7 -C 10 compounds was separated at four different rates of temperature increase (0, 10, 20, and 30 °C/min, ramping from 60 °C without delay) in the forward mode, in the reverse mode under identical parameters, and on a uniform film thickness column. The pressure was 3.45 psi (23787 Pa) (2.7 mL/min at 60 °C) and the split ratio was 15:1 for all separations (0.025 μL injection of liquid mixture). Methane was injected to determine the escape time of the unretained component and was found to be 0.36 min at all rates of temperature increase. The resolution and focusing values for each temperature profile are presented in Table 8 (values are averages of 5 experiments). In the forward mode, at higher rates of temperature increase, the analytes are exposed to relatively high temperatures by the time they reach the thicker stationary phase closer to the column outlet. Thus, the analyte is retained for a shorter time in the thicker film, resulting in reduced peak broadening. In the reverse mode, the analytes first interact with the thicker stationary phase at lower temperatures and then migrate to the thinner stationary phase at higher temperatures. The peak broadening due to the thinner stationary phases is already small; thus, in the reverse mode, the overall reduction in peak broadening due to the temperature increase is lower. Thus, the focusing efficiency increases with increasing rate of temperature increase, up to 61.9% for the forward versus reverse mode comparison and up to 68.1% for the forward versus uniform column mode comparison, at a temperature increase rate of 30 °C/min.

В таблице 8 представлены величины разрешения (R), пиковые емкости (ПЕ) и показатели фокусировки, полученные при разделении соединений С710 в прямом режиме, обратных режимах и в колонке с равномерной толщиной пленки при различных скоростях повышения температуры. Во всех опытах по разделению начальная температура составляла 60°С, и давление нагнетания газа-носителя составляла 3,45 фунт/кв.дюйм (2,7 мл/мин при 60°С). Впрыскивали 0,025 мкл жидкой смеси при коэффициенте деления потока 15:1.Table 8 presents the values of resolution (R), peak capacities (PC), and focusing indices obtained in the separation of C7 - C10 compounds in the direct mode, reverse modes, and in a column with uniform film thickness at different rates of temperature increase. In all separation experiments, the initial temperature was 60°C and the carrier gas injection pressure was 3.45 psi (2.7 mL/min at 60°C). A volume of 0.025 μL of the liquid mixture was injected at a split ratio of 15:1.

Фокусировка при разделении высоколетучих соединений В отличие от разделения с отрицательным температурным градиентом (РОТГ), разделение в колонке, содержащей пленку с градиентом толщины (КПГТ) позволяет фокусировать пики при низких температурах (при условии, что такие пики удерживаются при этих температурах в течение достаточного времени), при которых сложно установить температурный градиент. Для подтверждения этого факта проводили изотермическое разделение при комнатной температуре (таблица 1) соединений С5 и С6 (фиг.9А-9С). Величины разрешения, значения р и показатели фокусировки представлены в таблице 9 (величины, усредненные по 5 экспериментам). Был получен показатель фокусировки 40,2% при усредненном разрешении в прямом режиме, составляющем 2,97, и разрешении в колонке с равномерной толщиной пленки, составляющем 2,12. Следует отметить, что в режиме РОТГ сложно достичь такого же эффекта фокусировки пиков высоколетучих соединений, поскольку при низких рабочих температурах могут быть созданы лишь небольшие температурные градиенты.Focusing in the Separation of Highly Volatile Compounds In contrast to the negative temperature gradient (NTG) separation, the thickness gradient column (FTGC) separation allows focusing of peaks at low temperatures (provided that such peaks are retained at these temperatures for a sufficient time), at which it is difficult to establish a temperature gradient. To confirm this fact, isothermal separations at room temperature (Table 1) of compounds C5 and C6 (Figs. 9A–9C) were carried out. The resolution values, p values, and focusing indices are presented in Table 9 (the values are averaged over 5 experiments). A focusing index of 40.2% was obtained with an average resolution in the direct mode of 2.97 and a resolution in the uniform film thickness column of 2.12. It should be noted that in the ROTG mode it is difficult to achieve the same peak focusing effect for highly volatile compounds, since only small temperature gradients can be created at low operating temperatures.

В таблице 9 представлены величины разрешения, значения р и показатели фокусировки при разделении С5 и С6 при комнатной температуре (26°С) в прямом режиме, обратном режиме и в колонке с равномерной толщиной пленки. Значимость принимали на уровне р=0,05.Table 9 presents the resolution values, p values, and focusing indices for the separation of C5 and C6 at room temperature (26°C) in the forward mode, reverse mode, and in a column with uniform film thickness. Significance was taken at the p=0.05 level.

В настоящем документе описана методика получения и исследования колонки с градиентом толщины неподвижной фазы, которая позволяет производить фокусировку пиков. Результаты экспериментов рассмотрены в комбинации с теоретическим анализом и моделированием и подтверждают наличие улучшенных характеристик разделения различных соединений в прямом режиме, включая сфокусированное разделение высоколетучих соединений при комнатной температуре. Преимуществами КПГТ по сравнению с РОТГ являются: более широкие диапазоны рабочих температур и летучести соединений, простое проведение операций без вспомогательного оборудования, меньшая зависимость от окружающих условий и большая компактность. Методика применения градиента толщины неподвижной фазы может быть легко адаптирована для разнообразных отраслей ГХ и может быть применена к неподвижным фазам, получаемым из любых материалов любой толщины при условии возможности создания градиента. Кроме того, эта методика применима как к обычным капиллярным колонкам круглого поперечного сечения, так и к микроколонкам прямоугольного поперечного сечения.This paper describes a technique for the preparation and characterization of a column with a thickness gradient of the stationary phase, which allows for peak focusing. The experimental results are discussed in combination with theoretical analysis and modeling and confirm the presence of improved characteristics of the separation of various compounds in the direct mode, including the focused separation of highly volatile compounds at room temperature. The advantages of the CGT compared to the ROTG are: wider ranges of operating temperatures and compound volatility, simple operation without auxiliary equipment, less dependence on environmental conditions and greater compactness. The technique of using a thickness gradient of the stationary phase can be easily adapted to various branches of GC and can be applied to stationary phases prepared from any materials of any thickness, provided that a gradient can be created. In addition, this technique is applicable to both conventional capillary columns of circular cross section and microcolumns of rectangular cross section.

Приведенное выше раскрытие воплощений изобретения дано с целью их иллюстрации и описания. Оно не является исчерпывающим и не ограничивает изобретение. Отдельные элементы или признаки конкретного воплощения обычно не ограничиваются этим конкретным воплощением, но, в тех случаях, в которых это возможно, являются взаимозаменяемыми и могут быть включены в другое выбранное воплощение, даже если это специально не указано и не описано. Это также может быть реализовано различными путями. Подобные изменения не должны рассматриваться как отступления от предмета изобретения, и все подобные модификации включены в объем изобретения.The above disclosure of embodiments of the invention is given for the purpose of their illustration and description. It is not exhaustive and does not limit the invention. Individual elements or features of a particular embodiment are usually not limited to this particular embodiment, but, where possible, are interchangeable and can be included in another selected embodiment, even if this is not specifically indicated and described. This can also be implemented in various ways. Such changes should not be considered as departures from the subject of the invention, and all such modifications are included in the scope of the invention.

Claims (42)

1. Устройство для газовой хроматографии, предназначенное для фокусировки пиков одного или более целевых аналитов, которое включает:1. A gas chromatographic device designed to focus peaks of one or more target analytes, which comprises: хроматографическую колонку, имеющую вход и выход, где во вход подают образец, включающий один или более целевых аналитов, который выходит из хроматографической колонки через выход, иa chromatographic column having an inlet and an outlet, wherein a sample comprising one or more target analytes is fed into the inlet and exits the chromatographic column through the outlet, and осажденную внутри хроматографической колонки неподвижную фазу, которая имеет положительный градиент толщины, причем неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.a stationary phase deposited within a chromatographic column that has a positive thickness gradient, wherein the stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column, wherein the second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness. 2. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.2. The gas chromatography device of claim 1, wherein the first thickness is from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness is from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers. 3. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.3. The gas chromatography device of claim 1, wherein the second thickness is at least approximately 100% greater than or equal to the first thickness. 4. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.4. The gas chromatography device of claim 1, wherein the second thickness is at least about 300% greater than or equal to the first thickness. 5. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.5. A device for gas chromatography according to claim 1, wherein the chromatographic column is a chromatographic column for gas microanalysis. 6. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором неподвижная фаза содержит силоксановый полимер.6. A gas chromatography device according to claim 1, wherein the stationary phase comprises a siloxane polymer. 7. Устройство для газовой хроматографии по п. 6, в котором силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.7. The gas chromatography device according to claim 6, wherein the siloxane polymer contains at least one alkyl group or aryl group containing from 1 to 30 carbon atoms. 8. Устройство для газовой хроматографии по п. 1, в котором форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из: круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.8. A device for gas chromatography according to claim 1, wherein the cross-sectional shape of the chromatographic column is selected from the group consisting of: round, oval, rectangular and triangular. 9. Способ фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии, включающий:9. A method for focusing peaks in a gas chromatography device, comprising: введение двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, включающей осажденную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины, где неподвижная фаза проходит от входа до выхода и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе хроматографической колонки имеет вторую толщину, причем вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину;introducing two or more target analytes into the inlet of a chromatographic column comprising a stationary phase deposited within the chromatographic column having a positive thickness gradient, wherein the stationary phase extends from the inlet to the outlet and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column, wherein the second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness; разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов; иseparation of two or more target analytes in a chromatographic column; and элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки.elution of two or more target analytes from the output of a chromatographic column. 10. Способ по п. 9, в котором два или более целевых аналита представляют собой летучие органические соединения (ЛОС).10. The method of claim 9, wherein two or more target analytes are volatile organic compounds (VOCs). 11. Способ по п. 9, в котором по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает ароматическое соединение, и итоговый показатель фокусировки пиков ароматических соединений больше или равен приблизительно 25%.11. The method of claim 9, wherein at least one of the two or more target analytes comprises an aromatic compound, and the resulting aromatic compound peak focusing index is greater than or equal to about 25%. 12. Способ по п. 9, в котором по меньшей мере один из двух или более целевых аналитов включает алкан, и итоговый показатель фокусировки пиков алкана больше или равен приблизительно 10%.12. The method of claim 9, wherein at least one of the two or more target analytes comprises an alkane, and the resulting alkane peak focusing index is greater than or equal to about 10%. 13. Способ по п. 9, в котором первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.13. The method of claim 9, wherein the first thickness is from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness is from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers. 14. Способ по п. 9, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.14. The method of claim 9, wherein the second thickness is at least approximately 300% greater than or equal to the first thickness. 15. Способ по п. 9, в котором хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.15. The method according to claim 9, wherein the chromatographic column is a chromatographic column for gas microanalysis. 16. Способ по п. 9, в котором неподвижная фаза содержит силоксановый полимер, содержащий по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.16. The method according to claim 9, wherein the stationary phase comprises a siloxane polymer containing at least one alkyl group or aryl group containing from 1 to 30 carbon atoms. 17. Способ по п. 9, в котором форма поперечного сечения хроматографической колонки выбрана из группы, состоящей из: круглой, овальной, прямоугольной и треугольной формы.17. The method according to claim 9, wherein the cross-sectional shape of the chromatographic column is selected from the group consisting of: round, oval, rectangular and triangular. 18. Способ подтверждения фокусировки пиков в устройстве для газовой хроматографии, где способ включает:18. A method for confirming peak focusing in a gas chromatographic device, wherein the method comprises: проведение прямой операции посредством введения двух или более целевых аналитов во вход хроматографической колонки, включающей осажденную внутри этой хроматографической колонки неподвижную фазу, имеющую положительный градиент толщины, где неподвижная фаза проходит от входа до выхода хроматографической колонки и на входе хроматографической колонки имеет первую толщину, а на выходе имеет вторую толщину, причем вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину;performing a direct operation by introducing two or more target analytes into the inlet of a chromatographic column comprising a stationary phase deposited within the chromatographic column having a positive thickness gradient, wherein the stationary phase extends from the inlet to the outlet of the chromatographic column and has a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet, wherein the second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness; разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов:separation of two or more target analytes in a chromatographic column: элюирование двух или более целевых аналитов из выхода хроматографической колонки;elution of two or more target analytes from the output of a chromatographic column; проведение обратной операции посредством введения двух или более целевых аналитов в выход хроматографической колонки, включающей неподвижную фазу;performing the reverse operation by introducing two or more target analytes into the outlet of a chromatographic column containing a stationary phase; разделение в хроматографической колонке двух или более целевых аналитов;separation of two or more target analytes in a chromatographic column; элюирование двух или более целевых аналитов из входа хроматографической колонки иelution of two or more target analytes from the inlet of a chromatographic column and сравнение величин хроматографического разрешения прямой операции и обратной операции, при котором показатель фокусировки пиков по меньшей мере одной соответствующей пары двух пиков двух целевых аналитов превышает 5%.a comparison of the chromatographic resolution values of the direct operation and the reverse operation, in which the peak focusing index of at least one corresponding pair of two peaks of two target analytes exceeds 5%. 19. Способ создания устройства для газовой хроматографии, включающего хроматографическую колонку с положительным градиентом толщины, где способ включает:19. A method for creating a device for gas chromatography, including a chromatographic column with a positive thickness gradient, wherein the method includes: введение жидкости-предшественника в хроматографическую колонку, где жидкость-предшественник включает предшественник неподвижной фазы и низкокипящий растворитель, который испаряется по мере продвижения по длине хроматографической колонки, что приводит к увеличению концентрации предшественника неподвижной фазы по мере перемещения жидкости-предшественника по хроматографической колонке, иintroducing a precursor liquid into a chromatographic column, wherein the precursor liquid comprises a stationary phase precursor and a low boiling solvent that evaporates as it moves along the length of the chromatographic column, resulting in an increase in the concentration of the stationary phase precursor as the precursor liquid moves along the chromatographic column, and проведение реакции предшественника неподвижной фазы или образование поперечных связей в предшественнике неподвижной фазы при формировании положительного градиента толщины неподвижной фазы, проходящей от входа до выхода и имеющей первую толщину на входе хроматографической колонки и вторую толщину на выходе хроматографической колонки, где вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 10% превышает первую толщину.reacting the stationary phase precursor or cross-linking the stationary phase precursor to form a positive thickness gradient of the stationary phase extending from the inlet to the outlet and having a first thickness at the inlet of the chromatographic column and a second thickness at the outlet of the chromatographic column, wherein the second thickness is at least approximately 10% greater than the first thickness. 20. Способ по п. 19, в котором перед введением жидкости-предшественника производят силанирование внутренней поверхности хроматографической колонки.20. The method according to claim 19, wherein before introducing the precursor liquid, the inner surface of the chromatographic column is silanized. 21. Способ по п. 20, в котором силанирование включает пропускание через хроматографическую колонку реакционноспособного силана в газообразной форме.21. The method of claim 20, wherein silanization comprises passing a reactive silane in gaseous form through a chromatographic column. 22. Способ по п. 19, в котором хроматографическая колонка включает вход и выход, и введение и проведение реакции или образование поперечных связей включает динамическое нанесение на внутреннюю поверхность хроматографической колонки покрытия частичным заполнением хроматографической колонки жидкостью-предшественником, приложение давления на входе для продавливания жидкости-предшественника по длине хроматографической колонки, и приложение вакуума на выходе для испарения низкокипящего растворителя.22. The method of claim 19, wherein the chromatographic column includes an inlet and an outlet, and introducing and carrying out the reaction or forming cross-links includes dynamically coating the inner surface of the chromatographic column by partially filling the chromatographic column with a precursor liquid, applying pressure at the inlet to force the precursor liquid along the length of the chromatographic column, and applying a vacuum at the outlet to evaporate the low-boiling solvent. 23. Способ по п. 19, в котором первая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 10 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 10 микрометрам, и вторая толщина составляет от величины, больше или равной приблизительно 30 нм, до величины, меньше или равной приблизительно 30 микрометрам.23. The method of claim 19, wherein the first thickness is from a value greater than or equal to about 10 nm to a value less than or equal to about 10 micrometers, and the second thickness is from a value greater than or equal to about 30 nm to a value less than or equal to about 30 micrometers. 24. Способ по п. 19, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 100% больше или равна первой толщине.24. The method of claim 19, wherein the second thickness is at least approximately 100% greater than or equal to the first thickness. 25. Способ по п. 19, в котором вторая толщина по меньшей мере приблизительно на 300% больше или равна первой толщине.25. The method of claim 19, wherein the second thickness is at least approximately 300% greater than or equal to the first thickness. 26. Способ по п. 19, в котором хроматографическая колонка представляет собой хроматографическую колонку для микроанализа газов.26. The method according to claim 19, wherein the chromatographic column is a chromatographic column for gas microanalysis. 27. Способ по п. 19, в котором неподвижная фаза с положительным градиентом толщины содержит силоксановый полимер.27. The method according to claim 19, wherein the stationary phase with a positive thickness gradient comprises a siloxane polymer. 28. Способ по п. 27, в котором силоксановый полимер содержит по меньшей мере одну алкильную группу или арильную группу, содержащую от 1 до 30 атомов углерода.28. The method of claim 27, wherein the siloxane polymer contains at least one alkyl group or aryl group containing from 1 to 30 carbon atoms.
RU2022115848A 2019-11-25 2020-11-25 Stationary phase thickness gradient chromatographic column RU2825594C1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/940,038 2019-11-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2825594C1 true RU2825594C1 (en) 2024-08-27

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8377309B2 (en) * 2010-11-16 2013-02-19 Nobull Innovation Llc Methods and apparatus for making a chromatography column
US8778059B2 (en) * 2007-12-03 2014-07-15 Schlumberger Technology Corporation Differential acceleration chromatography

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8778059B2 (en) * 2007-12-03 2014-07-15 Schlumberger Technology Corporation Differential acceleration chromatography
US8377309B2 (en) * 2010-11-16 2013-02-19 Nobull Innovation Llc Methods and apparatus for making a chromatography column

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Axial thermal gradients in microchip gas chromatography
Zotou An overview of recent advances in HPLC instrumentation
Serrano et al. Assessing the reliability of wall-coated microfabricated gas chromatographic separation columns
Cagliero et al. Conventional and enantioselective gas chromatography with microfabricated planar columns for analysis of real-world samples of plant volatile fraction
Regmi et al. Ionic liquid-coated alumina-pretreated micro gas chromatography columns for high-efficient separations
US20220236154A1 (en) Pdms granular coated vial
US7744818B2 (en) Stationary phase materials for micro gas analyzer
Li et al. Microfabricated ionic liquid column for separations in dry air
Gholizadeh et al. Ionic liquid stationary phase coating optimization for semi-packed microfabricated columns
Altun et al. Monolithic methacrylate packed 96-tips for high throughput bioanalysis
WO2007137009A2 (en) Stationary phase for a micro fluid analyzer
RU2825594C1 (en) Stationary phase thickness gradient chromatographic column
US12420262B2 (en) Chromatographic column having stationary phase thickness gradient
Engewald et al. Theory of gas chromatography
Chan et al. Semi-packed gas chromatography columns with density modulated pillars
Pietrzyńska et al. Preparation and examination of monolithic in-needle extraction (MINE) device for the direct analysis of liquid samples
Nesterenko et al. Monolithic porous layer open tubular (monoPLOT) capillary columns for gas chromatography
Breshike et al. Gas chromatography using a spin-coated stationary phase and a molded elastomer micro-channel
HK40076216A (en) Chromatographic column having stationary phase thickness gradient
Sun et al. Microchip gas chromatography column using magnetic beads coated with polydimethylsiloxane and metal organic frameworks
Li et al. Peak focusing based on stationary phase thickness gradient
Xie et al. Equilibrium distribution sampling device for preparation of calibration mixtures for gas chromatography-mass spectrometry
Yuan et al. Temperature‐programmed multicapillary gas chromatograph microcolumn for the analysis of odorous sulfur pollutants
Fan et al. Peak Focusing Based on Stationary Phase Thickness Gradient
Kloskowski et al. Thick film traps with an irregular film: Preparation and evaluation