Системы регистрации и обработки данных (стр. 2 из 3)

4. Демпферы

Поршневые и диафрагменные насосы, наиболее широко используемые в современной ВЭЖХ, создают пульсирующие потоки, что затрудняет детектирование и приводит к ухудшению характеристик колонок. Для сглаживания пульсации используют различные демпфирующие устройства, вместимость которых изменяется с изменением давления. Так, в трубках Бурдона изменение объема происходит за счет сжатия и расширения находящегося в них газа. Простейший демпфер состоит из манометра Бурдона и гидравлического сопротивления, в качестве которого обычно используют длинный отрезок стального капилляра с внутренним диаметром ≤0,5 мм. Если трубка манометра заполнена жидкостью, происходит только сглаживание пульсации за счет рассеивания части энергии сжатой жидкости при разгибании трубки, и эффективность демпфирования снижается. Падение давления в таком демпфере зависит от сопротивления капилляра и может достигать 3—4 МПа. Хорошими демпфирующими свойствами обладают прокатанные (сплющенные) тонкостенные трубки из нержавеющей стали, свернутые в плотную спираль в виде пружины. Устройство, изготовленное из трубки длиной 1,8 м с наружным диаметром около 6 мм и толщиной стенки 0,5 мм, снижает уровень пульсации на 95% при рабочем давлении до 20 МПа. Демпферы этого типа нетрудно изготовить самостоятельно, прокатав трубку на вальцах. Варьируя диаметр, толщины и преимущество: растворитель, находящийся в манометре, практически не может попасть в поток подвижной фазы. длину трубки, получают демпферы с наибольшей эффективностью в определенном диапазоне рабочего давления. Эффективность демпфера пропорциональна длине трубки, а «жесткость» возрастает с уменьшением ее диаметра. Эти устройства выгодно отличаются от трубок Бурдона отсутствием не промываемого объема, но последний часто слишком велик, что ограничивает их использование при градиентном элюировании. Эти демпферы обычно включают по проточной схеме (рис.1, а). По некоторым данным, включение по схеме 8.17, б повышает эффективность демпфирования. Для промывки устройства при смене растворителя предусмотрен кран 4.

Рис.1 Варианты включения демпфера в хроматографическую систему 1 — манометр; 2 — демпфер; 3 — поперечное сечение демпфера; 4 — запорный кран

В мембранных демпферах колебания потока сглаживаются |йа счет перемещения упругой металлической диафрагмы (мембраны); с другой стороны к мембране приложено постоянное давление, создаваемое газом, пружиной или жидкостью с высоким коэффициентом сжимаемости. Лучшие конструкции мембранных демпферов имеют очень маленький внутренний объем и являются наиболее пригодными для работы с градиентным элюированием.

5. Шприцы для ввода проб

В ВЭЖХ пробу вводят в дозатор при помощи микрошприцов. Шприцы, применяемые для ввода в петлевые краны-дозаторы, в принципе аналогичны используемым в газовой хроматографии, но снабжены иглой, кончик которой обрезан перпендикулярно оси. Шприцы различаются по способу крепления иглы (вклеенная или сменная) и по уплотнению рабочей пары (притертый металлический плунжер или шток с фторопластовым уплотнением). Самые простые и дешевые шприцы имеют вклеенную иглу и металлический плунжер. Шприцы с фторопластовым уплотнением (GasTight) характеризуются повышенной коррозионной стойкостью и герметичностью: через уплотнение не происходит утечки газа при его давлении до 0,8—1,5 МПа. Кроме того, они гораздо легче отмываются, а изношенный уплотняющий элемент достаточно просто заменить. Эти шприцы особенно рекомендуются для работы с высокополярными и коррозионно-активными веществами и с подвижной фазами, представляющими собой солевые и буферные растворы. Практически все шприцы со сменной иглой можно применять как в газовой, так и в жидкостной хроматографии: нужно только установить в них соответствующую иглу. При работе с кранами-дозаторами, рассчитанными на частичное заполнение дозы, с целью повышения точности вводимого объема пробы следует использовать шприцы минимально возможного объема (обычно от 10 до 50 мкл). При полном заполнении петли вместимость шприца должна быть как минимум вдвое больше объема дозы. В эксклюзионной хроматографии, как правило, вводят полную дозу, объем которой значительно больше, чем в других видах ВЭЖХ, и составляет 50—300 мкл. В соответствующих кранах-дозаторах канал ввода пробы обычно оснащен герметично закрепленной иглой, в которую вставляют шприц, предназначенный для работы с обычными съемными (не путать со сменными) иглами. Для таких дозаторов лучше всего использовать шприцы вместимостью 100—1000 мкл с фторопластовыми уплотнением и посадочным конусом (например, шприцы Гамильтон, типа TLL), так как в случае стеклянного или металлического посадочного конуса герметичность этого соединения нарушается значительно быстрее. Такие же шприцы применяют и в препаративной ВЭЖХ. Для введения пробы непосредственно в поток элюента через прокалываемую мембрану (шприцевые дозаторы) используют специальные шприцы с углом заточки иглы 22°. Эти шприцы имеют особые уплотнения, рассчитанные на давления до 35 МП а, и оснащены защитными приспособлениями, предотвращающими выбрасывание поршня в момент прокола мембраны. Если давление в колонке не превышает 7—10 МПа, можно применять шприцы вместимостью до 50 мкл с фторопластовым уплотнением поршня.

6. Измерители скорости потока

Скорость потока и ее стабильность во времени существенно влияют на правильность и воспроизводимость характеристик удержания в ВЭЖХ. Эти параметры особенно важны в эксклюзионной хроматографии, где даже незначительное изменение скорости потока приводит к большим ошибкам определения молекулярных масс полимеров. Кроме того, изменение скорости потока указывает на неполадки в аппаратуре (например, негерметичность жидкостного тракта или засорение клапанов насоса), поэтому желательно измерять ее не менее двух-трех раз в день.

Скорость потока можно определять, взвешивая растворитель, вытекающий из колонки за определенный промежуток времени; метод достаточно точен (ошибка менее 0,5%), но неудобен и длителен. Скорость потока часто находят по времени заполнения определенного объема бюретки или стеклянной трубки, ограниченного двумя рисками. В варианте, показанном на рис. 8.18, а, растворитель поступает в расходомер сверху, а в варианте 8.18,6—снизу.

Рис. 2. Расходомеры: а—типа бюретки; б—с подачей растворителя снизу; а — пузырьковый

На рис. 8.18,б показан пузырьковый расходомер, в котором вводят шприцом в элюат пузырек воздуха и измеряют время прохождения пузырька между рисками. Эти расходомеры удобны в работе и дают погрешность около 1%, измерение занимает не более 2—3 мин.

7. Термостаты колонок

Повышение температуры разделения улучшает эффективность колонок в обращенно-фазной, ионообменной и эксклюэиюнной хроматографии. Стабилизация температуры также повышает точность количественных определений, поэтому использование термостатов—весьма желательно, а иногда обязательно. В ВЭЖХ чаще всего применяют воздушные термостаты с интенсивным перемешиванием воздуха, в которых расположены теплообменник для подогрева растворителя, дозатор и колонки. Для обеспечения безопасности работы термостат продувают азотом и часто устанавливают в нем датчики, реагирующие на появление паров органических растворителей и включающие световую или звуковую сигнализацию. Защиту от перегрева, который может произойти при неисправности электронной схемы, осуществляют включением в электрическую цепь специальных вставок, изготовленных из сплавов с температурой плавления 100-150°С. Иногда для термостатирования используют нагреваемые металлические блоки с профрезерованными пазами, в которые вставляются колонки, а также водяные рубашки, соединенные с жидкостными термостатами. Главная трудность использования этих конструкций заключается в том, что размер пазов и рубашек должен строго coответствовать размеру и числу колонок и предколонок. В то же время в практике часто приходится собирать разделительные системы из колонок различных размеров. Это обстоятельство затрудняет использование указанных термостатирующих устройств, несмотря на их простоту. Кроме того, эти устройства обычно не предусматривают термостатирования инжектора и предварительного подогрева растворителя. Для проведения большинства работ в ВЭЖХ вполне достаточным является диапазон термостатирования до 100°С с точностью поддержания температуры ±0,5-1 °С. В отдельных случаях, в частности в эксклюзионной хроматографии некоторых синтетических полимеров, необходимо термостатирование 1 до 150 °С.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЭЖХ, ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ И ПРОЧНОСТИ

Современный хроматограф для ВЭЖХ является прибором, материалы которого в процессе работы подвергаются сильным химическим и механическим воздействиям. Жидкостный тракт хроматографа подвергается воздействию воды, водных растворов кислот, щелочей и солей, при этом нередко при повышенной температуре, а также воздействию разнообразных органических растворителей, окислителей и восстановителей, при этом такое воздействие проводится при самых неблагоприятных условиях— при высоком давлении и на детали, подвергающиеся сильным механическим нагрузкам. Это предъявляет к конструкционным материалам приборов и оборудования чрезвычайно высокие требования, которым не все приборы отвечают, особенно для наиболее сложных условий работы. Часто, сталкиваясь с необходимостью вводить в конструкцию хроматографа новые узлы и детали, нередко изготовляемые самим исследователем или не предназначенные для ВЭЖХ, допускаются грубые ошибки в выборе конструкционных материалов, приводящие к катастрофическим последствиям (коррозионное или механическое разрушение узлов хроматографа, забивка каналов капилляров и фильтров, порча колонок и сорбентов и т.п.). Основными конструкционными материалами для ВЭЖХ являются коррозионно-устойчивая нержавеющая сталь, спецсплавы (значительно реже), стекло, керамические материалы (рубин, сапфир), полимерные материалы (в основном с наполнителями). Отечественные приборы, как правило, изготавливают из нержавеющей стали Х18Н9Т. Основным конструкционным материалом для импортного оборудования является нержавеющая сталь марки 316, отличающаяся высокой коррозионной стойкостью и механической прочностью. Как правило, нержавеющие стали достаточно коррозионно-устойчивы к обычно используемым в ВЭЖХ растворителям [126]. Исключение составляют некоторые сильные органические кислоты (муравьиная, щавелевая, трихлоруксусная, трифторуксусная и др.) в определенном диапазоне концентраций, хлорсодержащие растворители (метиленхлорид, хлороформ, тетрахлорид углерода и др.), особенно в сочетании с полярными модификаторами типа спиртов. Когда возникает необходимость в использовании таких растворителей или модификаторов, всегда следует проверить коррозионную устойчивость нержавеющей стали, использованной в данном приборе, к этим средам. Сильную коррозию могут вызвать некоторые сильные и разбавленные неорганические кислоты, а также некоторые соли. Особенно опасным является действие хлорводородной кислоты и ее солей в кислых средах при рН<7. В этом случае возможной является так называемая точечная коррозия, которая развивается на границах кристаллов металла и способна образовать тонкие, но чрезвычайно глубокие отверстия даже в толстостенных деталях из нержавеющей стали. Поэтому следует очень осторожно подходить к системам растворителей, разработанным для классической колоночной ЖХ и ТСХ и использующим НСl, NaCI и подобные компоненты, не действующие на классические колонки из стекла, на полимерные трубки и вполне пригодные для однократного разделения на сорбенте, но коррозирующие приборы для ВЭЖХ и сорбенты в колонках, используемые многократно. Особенно внимательно следует подходить к введению в конструкцию хроматографа деталей, изготовленных из другого металла, будь это сварка, припайка, конус или фильтр из титана, никеля, серебра или сплава. В случае электропроводящего растворителя при этом всегда возникает электрическая пара (гальванический элемент) и начинается уже не просто химическое, а электрохимическое разрушение одного из металлов с образованием продуктов коррозии, уменьшением прочности соединения и т.д. В этом случае прибор, долго и устойчиво работавший в неэлектропроводящих растворителях, может выйти из строя при смене растворителя на электропроводящий за несколько дней или даже часов. Такими узлами, где наиболее вероятно использование других металлов, обычно являются манометры (заварка конца трубки Бурдона, ее приварка к телу манометра), демпферы некоторых типов (приварка капилляров к сплющенным трубкам демпфера), некоторые инжекторы, колонки и т.д. В рационально разработанной и выполненной конструкции все соединения должны выполняться с использованием конусов из того же металла или уплотнений с использованием высокоинертных полимеров. Стекло используют в конструкциях современных хроматографов довольно редко, главным образом из-за его хрупкости я плохой работы на разрыв, хотя его химическая инертность известна. Методы упрочнения стекла путем закалки, нанесений упрочняющих пленок и другие приемы позволяют до известной степени преодолеть традиционную хрупкость стекла. В таком виде его используют для создания малых шприцевых насосов (например, в отечественном микроколоночном приборе «Милихром») на 5—6 МПа, колонок на 3—8 МПа, микрошприцев высокого давления. Тем не менее, следует иметь в виду, что хотя современные методы позволяют очень сильно упрочнить стекло некоторых марок (например, колонки для ВЭЖХ из стекла производства ЧССР выдерживают при набивке давление 60 МПа и больше), тем не менее любой возникающий при работе на поверхности такого изделия дефект (царапина, трещина, растворение покрытия) могут привести к мгновенному разрушению изделия и выходу хроматографа из строя. Необходимы чехлы, защищающие от поражения осколками. Рубин и сапфир ввиду их высокой твердости и возможности их обработки до очень высокого класса чистоты используют для изготовления поршней и шариковых клапанов с их седлами. Они работают надежно и обладают высокой химической устойчивостью к растворителям, солям, кислотам и щелочам. Полимерные материалы, используемые в ВЭЖХ, можно разделить на группы, различающиеся по прочности, химической стойкости и другим характеристикам. Резины разных типов находят применение, особенно в старых приборах или предназначенных для учебных целей, в качестве мембран для ввода пробы в инжекторы с использованием микрошприцев высокого давления. Для систем обращенно-фазных рекомендуется использовать мягкую силиконовую резину, нормально-фазных— материалы на основе фторкаучука или нитрильных каучуков. Тем не менее все резины в большей или меньшей степени набухают в растворителях, выдерживают 20—40 вводов пробы до потери герметичности, загрязняют колонку продуктами разрушения мембраны, выделяют в растворитель стабилизаторы, пластификаторы, вулканизующие и другие добавки. Чем выше давление, тем труднее работать с такими мембранами. Попытки улучшить свойства таких мембран путем нанесения фторопластового покрытия со стороны растворителя дают только кратковременный эффект: после прокола защитные свойства покрытия практически не играют роли. Иногда резины применяют в качестве материала поршней или уплотнений поршней (колец) шприцев, однако их применение для ВЭЖХ также ограничено из-за набухания во многих растворителях. В ВЭЖХ находят применение капиллярные трубки для соединений, шприцы, корпуса разовых микрофильтров, концентраторы проб, уплотнения поршней, колпачки для закрывания колонок из полиэтилена, полипропилена и их сополимеров, а также из других полиолефинов. Однако механическая прочность таких капилляров невысока, они набухают и растворяются в ряде растворителей. Те же недостатки и у шприцев — их в основном используют для работы с водой, метанолом, ацетонитрилом. Некоторые фирмы используют наполненный полиэтилен для изготовления уплотнений поршней некоторых насосов, что является особенно нежелательным и опасным, так как ряд растворителей (таких как тетрагидрофуран, хлороформ, толуол) быстро разрушает такие уплотнения, при этом наполнитель попадает в поток растворителя и забивает капилляры, фильтры и Другие узлы. На это следует обращать особое внимание при выборе насоса для ГПХ, в который часто приме. няют такие растворители. Полиэфиры, такие как найлон-66, находят применение в ВЭЖХ в качестве материала для фильтров с малыми порами (0,2—1,0 мкм), устойчивых к действию практически всех основных растворителей для ВЭЖХ и используемых для очистки от взвешенных микрочастиц растворителей и образцов. Для этих целей применяют некоторые полиамиды. Эти материалы используют также для изготовления других вспомогательных изделий. Широкое применение находят фторопласты разных типов как в незаполненном, так и в наполненном виде. Из них изготавливают капилляры и трубки, уплотнения разного типа. Их химическая инертность совершенно уникальна, механическая прочность высокая, некоторые виды обладают достаточной прозрачностью, термостойкость фторопластов высокая (они не разлагаются в заметной степени до температур около 250—300 °С). Капилляры из толстостенного тефлона выдерживают давления до 10—15 МПа и более. Для соединения таких капилляров друг с другом на их концах обычно с помощью специального приспособления термомеханически или механически формуют фланцы, сдавливанием которых вместе специальными фитингами получают герметичное и полностью инертное соединение. Как конструкционный материал фторопласт имеет один серьезный недостаток: он обладает в незаполненном виде хладотекучестью, что приводит к необходимости либо вводить препятствующие этому наполнители (например, графитовые волокна), либо заключать фторопластовые уплотнения в камеры, исключающие свободные объемы и предотвращающие его вытекание в нагруженном состоянии. В наполненном виде фторопласт является наилучшим материалом для уплотнений поршней (обычно наполнитель также высоко инертный химически, например графитовые волокна), хорошо он работает и в уплотнениях инжекторов, если температура их работы невысока. В последнее время широкое применение находят новые высоко термостойкие и устойчивые к действию растворителей, обладающие хорошими механическими свойствами полимеры, такие как полиимиды (например, материал «Веспел» фирмы Дюпон). Они, в отличие от фторопластов, не обладают текучестью и при повышенных температурах, что позволяет использовать их для уплотнений инжекторов, работающих при повышенных температурах (особенно это важно в ГПХ). Высокие конструкционные свойства таких материалов позволили создать конусные уплотнения для капилляров, которые легко герметизируются и позволяют работать при давлениях, превышающих 35 МПа с фитингами разных видов и типов, легко присоединять колонки с фитингами разной формы. Недостатком этих материалов является несколько более низкая, чем у фторопласта, химическая инертность: они набухают и утрачивают свои свойства в некоторых растворителях при повышенных температурах.