EP1252511A2 - Monolithische fritte für eine kapillarsäule - Google Patents

Monolithische fritte für eine kapillarsäule

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EP1252511A2
EP1252511A2 EP01915152A EP01915152A EP1252511A2 EP 1252511 A2 EP1252511 A2 EP 1252511A2 EP 01915152 A EP01915152 A EP 01915152A EP 01915152 A EP01915152 A EP 01915152A EP 1252511 A2 EP1252511 A2 EP 1252511A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capillary
frit
monolithic
column
filled
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01915152A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Egbert Müller
Dieter Lubda
Karl-Heinz Derwenskus
Hans-Dieter Harders
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Merck Patent GmbH
Original Assignee
Merck Patent GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE2000128572 external-priority patent/DE10028572A1/de
Application filed by Merck Patent GmbH filed Critical Merck Patent GmbH
Publication of EP1252511A2 publication Critical patent/EP1252511A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/50—Conditioning of the sorbent material or stationary liquid
    • G01N30/56—Packing methods or coating methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/60—Construction of the column
    • G01N30/6052—Construction of the column body

Definitions

  • the invention relates to novel monolithic frits for capillary columns.
  • the frits according to the invention consist of monolithic organic or inorganic material which is polymerized directly into the capillary columns or introduced into the capillary column in the form of a capillary.
  • capillary columns Compared to HPLC columns, capillary columns have the advantage of higher sensitivity (proportional to the square of the column cross-section) and a lower solvent requirement.
  • the housing of these columns are made of steel and have a similar structure to HPLC columns with a column diameter of 4 mm.
  • These columns typically consist of silicate (fused silica) and are protected against mechanical damage with a polyimide layer.
  • Packing capillary columns with sorbents is carried out in a similar way to filling conventional HPLC columns.
  • Mainly a method is used in which the empty column is connected to a storage container with a sorbent suspension and the suspension is pumped into the column by means of high pressure.
  • the lower end of the empty column is closed with a frit so that the suspension settles in the column.
  • the pore size of the frit is smaller than the average particle size of the sorbent.
  • steel sieves, glass wool, polymer membranes or solidified silica gel particles are used as frits.
  • the technique of frying is used.
  • the packed capillary is pushed into a glow wire loop and the capillary is heated at one point for a short time, so that the silica gel bed sinters together and forms a plug that acts like a frit.
  • this method also has disadvantages, since the quality of the sintering plug can fluctuate greatly. For example, parts of the material can break off and clog the micro-cuvettes of the connected 20 detectors. The resulting graft can also be caused by the
  • the object of the present invention was therefore to provide a frit 25 with which capillary columns with a small diameter of typically less than 300 ⁇ m can be closed simply and reliably.
  • capillary columns can be closed with a plug or a frit 3 ( - ) made of monolithic organic or inorganic material, which before filling with particulate Sorbents are polymerized directly into the capillary column or inserted in the capillary column in the form of a capillary filled with them.
  • Monolithic materials are characterized by high flow rates, so that on the one hand they retain the particulate filling material of the capillary, on the other hand they have a high one
  • the frits according to the invention are particularly suitable for capillary columns with an inner diameter between 2 and 400 ⁇ m.
  • the present invention therefore relates to particulate
  • Sorbent-filled or fillable capillary columns which are sealed at least at one end with a frit made of monolithic organic or inorganic material.
  • the frit is polymerized directly into the capillary column.
  • the frit consists of a capillary which is filled with monolithic material.
  • the monolithic material consists of silica.
  • the sealing capillary columns have an inside diameter between 20 and 200 ⁇ m.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a packed capillary column, which is sealed with a capillary rod as a frit.
  • the monolithic frit according to the invention is suitable for everyone
  • Capillary columns that are filled with particulate sorbents. In relation to the frit takes up only a short part of the capillary to the length of the sorbent bed.
  • the inside diameter of the capillary columns to be closed according to the invention is between 2 and 400 ⁇ m, preferably between 10 and
  • Monolithic polymers suitable as frits are organic polymers or copolymers, such as, for example, polyacrylamides, polyacrylates, vinyl polymers 1 ° or polystyrene / divinylbenzene copolymers.
  • organic polymers or copolymers such as, for example, polyacrylamides, polyacrylates, vinyl polymers 1 ° or polystyrene / divinylbenzene copolymers.
  • inorganic monolithic polymers such as inorganic oxides, for example materials based on silicon dioxide, or also composite materials, for example made of silicon dioxide with proportions of other oxides, such as ZrO 2 , are suitable according to the invention.
  • oligomeric or polymeric compounds In some processes for the production of monolithic polymers, no monomers are used as starting compounds, but oligomeric or polymeric compounds.
  • monomers in EP 0 363 697 mono- or oligomeric metal alkoxides or in Malik et al. "Sol-gel approach to in situ creation of surface coatings and porous monolithic beds 0 for analytical microextraction", lecture 1999, or JD Hayes and A. Malik, Anal. Chem., 2000, in press, certain polydimethylsiloxanes or polymethylphenylsiloxanes used According to the invention, the term monomers therefore also includes oligomeric or low-polymer compounds which are polymerizable and which are used as starting compounds
  • 25 can be used to copolymerize organic or inorganic monolithic materials in capillaries.
  • the frit of the invention is obtainable by direct in situ polymerization of organic monomers and inorganic monomers 30, such as silica-monomers in a capillary column. Furthermore, the frit according to the invention can be introduced into the capillary column, by polymerizing the monolithic material into a second capillary, hereinafter referred to as the capillary rod, and inserting this capillary rod into the capillary column to be closed with a precise fit.
  • Polymerization can be particularly advantageous if the inner wall of the capillary column is not suitable for direct polymerization.
  • the wall of the capillary columns used should have a high affinity for the monomers used to make the frit.
  • the capillary columns can be made of materials with hydroxyl groups, the condensation with monomers such as e.g. Siianols, or polar organic polymers to which suitable monomers can adsorb.
  • the capillary particularly preferably consists of silicate, in particular “fused silica”. Such capillaries are commercially available.
  • the inner wall of the capillary column is typically first pretreated so that it interacts optimally with the monomers to be polymerized, e.g. Siianols. According to the invention, this is referred to as activation.
  • activation takes place, for example, by means of a multi-stage treatment, rinsing and incubating first with lye and then with acid.
  • a possible pretreatment is, for example:
  • the polymerization solution is poured into the dried, optionally pretreated capillary column.
  • the level of the liquid can e.g. in the case of fused silica capillaries, they are followed by the darkening of the capillary.
  • the filling heights are typically between 5 mm and 5 cm.
  • the filling can e.g. by immersing the capillary in the polymerization solution or, preferably, by means of a syringe or by suction.
  • the frit can be polymerized by all processes in which monoliths are formed in situ.
  • the composition of the polymerization solution used in the copolymerization according to the invention mostly corresponds to the polymerization solutions used for the production of monolithic sorbents.
  • Hjerten et al. (Nature, 356, pp. 810-811, 1992) describe monoliths made of a polyacrylamide material, which are produced within a chromatographic tube.
  • Frechet et al. (Anal. Chem., 64, S 820-822, 1993) describe the production of polyacrylate materials and polystyrene / divinylbenzene copolymers.
  • EP 0 363 697 discloses the production of non-porous inorganic monoliths.
  • compositions for producing frits according to the invention from silica materials are disclosed in WO 98/082956, WO 99/02129 or particularly preferably in WO 97/06980.
  • the polymerization is carried out in accordance with the process described in these documents. After filling the polymerization solution, the capillary is typically closed with a silicone stopper and stored for several hours at a slightly elevated temperature. A sol-gel process forms a three-dimensional network consisting of an inorganic gel phase and a solution phase. After this ripening phase, the closure is removed and a heat treatment is carried out. Methods for carrying out the heat treatment are disclosed in WO 98/082956, WO 99/02129 and WO 97/06980.
  • the capillary column is heated in a basic solution to a temperature between 60 and 200 ° C for hours or days. Finally, the capillaries are washed and dried. A capillary is obtained which is filled at one end with a frit made of a three-dimensional inorganic porous network.
  • Tetramethoxysilane or mixtures thereof with trimethoxymethylsilane is also well suited.
  • the extent of the shrinkage strongly depends on the composition of the polymerization solution. The shrinkage can result in a dead volume between the capillary and the frit, through which particulate sorbent can escape. If strongly shrinking polymerization solutions are therefore used to produce the frit, it is preferred according to the invention to remove the capillary after the polymerization
  • the frit and the subsequent aging and drying again with the polymerization solution fill the frit and the subsequent aging and drying again with the polymerization solution and subject it to all the steps in the manufacturing process.
  • the capillary section again with polymerization solution By filling the capillary section again with polymerization solution, voids which have arisen as a result of the shrinkage are filled.
  • the subsequently added polymerization solution combines homogeneously with the frit which has already been polymerized in after gelling and aging. If a sol-gel process is used, the pH is preferably carried out at least in the outer regions of the frit which has already been polymerized in, before the polymerization solution is filled in again
  • the added gel also shrinks with the second aging. For this reason, it may be necessary, especially with thicker capillaries and strongly shrinking polymerization solutions, to add monomer sol one or more times, to gel this out and to carry out aging again. In this way, a frit is obtained which forms a homogeneous network and closes the capillary without undesired cavities at one end.
  • the same materials can be used for the production of the capillary rods as for the direct polymerization of the monolithic frit into a capillary column. Accordingly, the under 1 apply. Comments on the materials and manufacturing conditions as well as for the production of the capillary rods.
  • the capillary rod used according to the invention as a monolithic frit is particularly preferably produced by the processes described in WO 98/082956 or WO 99/02129.
  • the wall of the rod capillaries used should have a high affinity for the silicate components with which it is filled.
  • the capillaries can be made from materials with hydroxyl groups that can condense with Siianols, or polar organic polymers that silicate oligomers can absorb.
  • the capillary is particularly preferably made of silicate, in particular “fused silica”.
  • the capillary is filled with an acidic solution containing a water-soluble organic polymer, e.g. Polyethylene oxide, and a thermally decomposable component, e.g. Urea, and an organometallic component, preferably a Siian with hydrolyzable ligands, contains.
  • a three-dimensional network of an inorganic gel phase and a solution phase is formed using a sol-gel process.
  • the capillary is then heated so that the thermally unstable compound decomposes and the gel polymerizes. After drying and heat treatment, a capillary filled with a three-dimensional inorganic porous network is obtained.
  • the network typically has macropores with a diameter between 0.1 and 5 ⁇ m and mesopores with a diameter between 2 and 50 nm. When using pure trimethoxymethylsilane, the network contains only macropores.
  • This capillary rod filled with monolithic silica material can now be inserted as a frit in a capillary column for particulate sorbents.
  • the outside diameter of the capillary rod shouldn't be more than 1 to 3% smaller than the inside diameter of the capillary column to be closed.
  • the capillary rod is preferably fixed in the capillary column by gluing.
  • An epoxy adhesive is particularly preferably used.
  • the use of polyurethane glue is also possible.
  • the capillary rod can be fixed in the capillary column by welding with a filament.
  • the filling of the capillary rod made of monolithic silica is not damaged and the two capillaries, capillary rod and capillary column, are very firmly connected.
  • the length of the capillary rod used as a frit should typically be at least 2 cm, so that it can be securely glued into the capillary column on the one hand and on the other hand a sufficient length is available to make a connection, for example, to the detector.
  • Figure 1 shows the schematic representation of a capillary column closed according to the invention with a capillary rod as a frit.
  • the capillary rod consisting of the capillary (5) and the monolithic material (4) located therein, has an outer diameter such that it can be inserted with a precise fit into the capillary column (2) to be closed.
  • the capillary rod is fixed in the capillary column (2) with an adhesive (3).
  • a particulate sorbent (1) is located in the capillary column (2).
  • the pore size of the monolithic material (4) should be smaller than the average particle size of the sorbent (1)
  • the capillary column After the capillary column has been closed at one end with a monolithic frit according to the invention, it can be filled with particulate sorbents. This is done according to methods known to the person skilled in the art.
  • the capillary is typically filled with a graphite cone and a knurled screw with a suspension of the sorbent
  • the monolithic material of the frit according to the invention preferably consists of polymeric materials, the surface of which has not been further derivatized.
  • the surface of the frit can be derivatized with separation effectors. These are, for example, ionic, hydrophobic, chelating or chiral groups. Methods for introducing such functionalities, for example using functionalized silanes, are known to the person skilled in the art and are disclosed, for example, in WO 94/19687.
  • the capillaries according to the invention filled with particulate sorbent, can be used for chromatographic separations, for example HPLC separations, CEC (capillary electrochromatography) or CE (capillary electrophoresis).
  • the frits according to the invention reliably ensure that the sorbent bed is completely sealed. At the same time, the length of the frit can be freely selected. Since the monolithic frit allows much higher flow rates than particulate sorbents, the solvent flow through the filled capillary column is not affected by the frit.
  • the choice of the suitable material from which the frit according to the invention is to be made depends in particular on the later area of use of the capillary column. For example, some organic polymers are not stable in certain organic solvents.
  • a fused silica capillary with an inner diameter of 200 ⁇ m and a length of 50 cm is treated with a microliter syringe with 3 column volumes (approx. 50 ⁇ l) each in the following order: a) water b) 2 M sodium hydroxide solution (2 h at 40 ° C) (water) d) 1 M HCl (leave filled for 2 hours at 40 ° C) e) water f) washing with ethanol g) drying of the capillary at 40 ° C for 2 days 2.
  • composition of the polymerization solution (corresponding to WO 97/06980). : 20 ml tetramethoxysilane, 4.4 g polyethylene oxide, 50 ml 10 mM acetic acid and 4.5 g urea.
  • the polymerization solution is filled into the dried capillary with a syringe.
  • the height of the liquid level can be followed by the darkening.
  • the syringe is then removed and the capillary closed with a silicone stopper.
  • the capillary is stored overnight at 40 ° C.
  • the silicone seal is then removed and a heat treatment is carried out in the following manner: Heat up linearly for 10 hours to 80 ° C. and in 9 hours to 120 ° C.
  • the capillary is stored in a sealed bottle filled with 10 mM ammonium hydroxide solution.
  • the capillary is then washed with gas pressure support (nitrogen 2-3 bar) for 2 hours each time with water and with ethanol. It is then dried for 3 days.
  • the capillary can then be filled with particles.
  • capillaries with a smaller inner diameter can also be filled.
  • the bond point is cured overnight at 60 ° C.
  • the capillary is made using a graphite cone and a
  • Sorbent is poured into isopropanol and the column is connected to a pump. Then it is packed at a pressure of 500 bar for 15 minutes. The column is then removed and the capillary is rinsed with isopropanol.

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Abstract

Die Erfindung betrifft mit partikulären Sorbentien gefüllte oder füllbare Kapillaren, die an mindestens einem Ende mit einer Fritte abgedichtet sind, wobei die Fritte aus monolithischem anorganischem oder organischem Material besteht, das direkt in die Kapillare einpolymerisiert wurde oder in Form einer zweiten mit monolithischem Material gefüllten Kapillare in erstere Kapillare eingefügt wurde.

Description

Monolithische Fritte für eine Kapillarsäule
Die Erfindung betrifft neuartige monolithische Fritten für Kapillarsäulen. Die erfindungsgemäßen Fritten bestehen aus monolithischem organischen oder anorganischen Material, das direkt in die Kapillarsäulen einpolymerisiert wird oder in Form einer Kapillare in die Kapillarsäule eingebracht wird.
Kapillarsäulen haben im Vergleich zu HPLC-Säulen den Vorteil höherer Sensitivität (proportional dem Quadrat des Säulenquerschnitts) und eines geringeren Lösungsmittelbedarfs.
Man unterscheidet Kapillarsäulen unterschiedlicher Säulendurchmesser:
1. Kapillarsäulen mit einem großen Innendurchmesser, d.h. größer/gleich 300 μm
Die Gehäuse dieser Säulen sind aus Stahl und ähnlich aufgebaut wie HPLC-Säulen mit einem Säulendurchmesser von 4 mm.
2. Kapillarsäulen mit einem geringen Innendurchmesser, d.h. kleiner 300 μm
Diese Säulen bestehen typischerweise aus Silikat (Fused Silica) und sind mit einer Polyimidschicht gegen mechanische Beschädigung geschützt.
Das Packen von Kapillarsäulen mit Sorbentien wird ähnlich durchgeführt wie das Befüllen von konventionellen HPLC-Säulen. Hauptsächlich wird ein Verfahren verwendet, bei dem die Leersäule an einen Vorratsbehälter mit einer Sorbenssuspension angeschlossen wird und mittels hohem Druck die Suspension in die Säule gepumpt wird. Das untere Ende der Leersäule ist mit einer Fritte verschlossen, so daß sich die Suspension in der Säule absetzt. Die Porengröße der Fritte ist dabei kleiner als die mittlere Partikelgröße des Sorbens. Bei Kapillarsäulen mit Innendurchmessern über 100 μm werden Stahlsiebe, Glaswolle, Polymermembranen oder verfestigte Kieselgelteilchen als Fritten eingesetzt.
Bei Kapillarsäulen mit Durchmessern unter 100 μm ist es sehr schwierig, eine geeignete Fritte so in der Kapillare zu positionieren, daß sie das Bett vollständig abdichtet. Zudem kann nur sehr schlecht überprüft werden, ob die Fritte die Kapillare ausreichend abdichtet.
10
Alternativ wird die Technik des Frittenbrennens verwendet. Bei diesem Verfahren wird die gepackte Kapillare in eine Glühdrahtschleife geschoben und die Kapillare an einer Stelle für kurze Zeit erwärmt, so daß das Kieselgelbett zusammensintert und einen Pfropf bildet, der wie eine Fritte ^ ^ wirkt.
Doch auch dieses Verfahren birgt Nachteile, da die Qualität des Sinterpfropfens stark schwanken kann. Beispielsweise können Teile des Materials abbrechen und die Mikro-Küvetten der angeschlossenen 20 Detektoren verstopfen. Auch kann der entstehende Pfropf durch das
Sintern eine andere Selektivität als das übrige Sorbens bekommen, da dabei eventuelle Oberflächenmodifikationen des Sorbens abbrennen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine Fritte 25 bereitzustellen, mit der Kapillarsäulen mit einem geringen Durchmesser von typischerweise kleiner als 300 μm einfach und zuverlässig verschlossen werden können.
Es wurde gefunden, daß Kapillarsäulen mit einem Pfropfen bzw. einer Fritte 3(-) aus monolithischem organischen oder anorganischen Material verschlossen werden können, das vor dem Befüllen mit partikulären Sorbentien direkt in die Kapillarsäule einpolymerisiert oder in Form einer damit gefüllten Kapillare paßgenau in die Kapillarsäule eingesetzt wird. Monolithische Materialien zeichnen sich durch hohe Durchflußgeschwindigkeiten aus, so daß sie einerseits das partikuläre Füllmaterial der Kapillare zurückhalten, andererseits jedoch einen hohen
Lösungsmittelfluß ermöglichen. Die erfindungsgemäßen Fritten eignen sich insbesondere für Kapillarsäulen mit einem Innendurchmesser zwischen 2 und 400 μm.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher mit partikulären
Sorbentien gefüllte oder füllbare Kapillarsäulen, die an mindestens einem Ende mit einer Fritte aus monolithischem organischen oder anorganischen Material abgedichtet sind.
in einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fritte direkt in die Kapillarsäule einpolymerisiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Fritte aus einer Kapillare, die mit monolithischem Material gefüllt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das monolithische Material aus Silika.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die abgedichtenden Kapillarsäulen einen Innendurchmesser zwischen 20 und 200 μm.
Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau einer gepackten Kapiilarsäule, die mit einem Kapillar-Rod als Fritte abgedichtet ist.
Die erfindungsgemäße monolithische Fritte eignet sich für alle
Kapillarsäulen, die mit partikulären Sorbentien befüllt werden. Im Verhältnis zur Länge des Sorbensbettes nimmt die Fritte nur einen kurzen Teil der Kapillare ein.
Der Innendurchmesser der erfindungsgemäß zu verschließenden Kapillarsäulen liegt zwischen 2 und 400 μm, bevorzugt zwischen 10 und
300 μm, besonders bevorzugt zwischen 20 und 200 μm.
Als Fritte geeignete monolithische Polymere sind organische Polymere oder Copolymere, wie z.B. Polyacrylamide, Polyacrylate, Vinylpolymere 1 ° oder Polystyrol/Divinylbenzol Copolymere. Weiterhin sind erfindungsgemäß anorganische monolithische Polymere, wie anorganische Oxide, z.B. Materialien auf Basis von Siliziumdioxid, oder auch Kompositmaterialien, z.B. aus Siliziumdioxid mit Anteilen anderer Oxide, wie z.B. ZrO2, geeignet.
^5 in manchen Verfahren zur Herstellung von monolithischen Polymeren werden als Ausgangsverbindungen keine Monomeren eingesetzt, sondern oligomere oder polymere Verbindungen. Beispielsweise werden in EP 0 363 697 mono- oder oligomere Metall-Alkoxide oder bei Malik et al. „Sol-gel approach to in situ creation of surface coatings and porous monolithic beds 0 for analytical microextraction", Vortrag 1999, bzw. J.D. Hayes und A. Malik, Anal. Chem., 2000, im Druck, bestimmte Polydimethylsiloxane bzw. Polymethylphenylsiloxane eingesetzt. Erfindungsgemäß fallen unter den Begriff Monomere daher auch oligomere oder niederpolymere Verbindungen, die polymerisierbar sind und die als Ausgangsverbindungen
25 zur Einpolymerisierung von organischen oder anorganischen monolithischen Materialien in Kapillaren verwendet werden können.
Die erfindungsgemäße Fritte ist erhältlich durch direkte in-situ Polymerisation von organischen Monomeren oder anorganischen 30 Monomeren, wie z.B. Silika-Monomeren, in eine Kapillarsäule. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Fritte in die Kapillarsäule eingebracht werden, indem das monolithische Material in eine zweite Kapillare, im weiteren Kapillar-Rod genannt, einpolymerisiert wird und dieser Kapillar-Rod paßgenau in die zu verschließende Kapillarsäule eingefügt wird.
Die Verwendung eines Kapillar-Rods anstelle des direkten
Einpolymerisierend kann insbesondere vorteilhaft sein, falls sich die Innenwand der Kapillarsäule nicht zum direkten Einpolymerisieren eignet.
Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Fritten und ihre Herstellung näher erläutert:
1. direkt einpolymerisierte Fritte
Die Wand der verwendeten Kapillarsäulen sollte eine hohe Affinität zu den Monomeren aufweisen, die zur Herstellung der Fritte verwendet werden. Beispielsweise können die Kapillarsäulen aus Materialien mit Hydroxylgruppen bestehen, die Kondensationen mit Monomeren, wie z.B. Siianolen, eingehen können, oder polaren organischen Polymeren, an die geeignete Monomere adsorbieren können. Besonders bevorzugt besteht die Kapillare aus Silikat, insbesondere „Fused Silica". Derartige Kapillaren sind kommerziell erhältlich.
Vor der Einpolymerisation der Fritte wird die Innenwand der Kapillarsäule typischerweise zunächst vorbehandelt, damit eine optimale Wechselwirkung mit den einzupolymerisierenden Monomeren, wie z.B. Siianolen, eingegangen werden kann. Erfindungsgemäß wird dies als Aktivierung bezeichnet. Die Aktivierung erfolgt bei Fused-Silica Kapillarsäulen beispielsweise durch eine mehrstufige Behandlung, wobei zunächst mit Lauge und anschließend mit Säure gespült und inkubiert wird. Eine mögliche Vorbehandlung ist z.B.:
- Waschen mit Wasser
- Inkubation mit Natronlauge - Waschen mit Wasser
- Inkubation mit Salzsäure
- Waschen mit Wasser
- Waschen mit Ethanol - Trocknen der Kapillarsäule
Besonders zur Einpolymerisation organischer Monolithe kann es notwendig sein, die Innenwand der Kapillare zuvor nicht nur zu aktivieren, sondern auch für die Anbindung der Polymere zu derivatisieren. Bei Fused-Silica Kapillaren geschieht dies bevorzugt durch Umsetzung mit geeigneten Silanen, wie Methacryloxypropyltrimethoxysilan zur Einführung einer Doppelbindung.
Zur Einpolymerisation der Fritte wird die Polymerisationslösung in die getrocknete, gegebenenfalls vorbehandelte Kapillarsäule eingefüllt. Die Höhe des Flüssigkeitsstandes kann z.B. bei Fused-Silica Kapillaren durch die Dunkelfärbung der Kapillare verfolgt werden. Die Einfüllhöhen liegen typischerweise zwischen 5 mm und 5 cm. Das Einfüllen kann z.B. durch Eintauchen der Kapillare in die Polymerisationslösung oder, bevorzugt, mittels einer Spritze oder durch Einsaugen erfolgen.
Die Einpolymerisation der Fritte kann nach allen Verfahren erfolgen, bei denen Monolithen in situ gebildet werden. Die Polymerisationslösung, die bei der erfindungsgemäßen Einpolymerisation eingesetzt wird, entspricht in ihrer Zusammensetzung zumeist den Polymerisationslösungen, die zur Herstellung monolithischer Sorbentien verwendet werden.
Im folgenden werden einige Verfahren beispielhaft genannt: Hjerten et al. (Nature, 356, S. 810-811 , 1992) beschreiben Monolithen aus einem Polyacrylamid-Material, die innerhalb eines chromatographischen Rohres hergestellt werden. Frechet et al. (Anal. Chem., 64, S 820-822, 1993) beschreiben die Herstellung von Polyacrylat-Materialien und Polystyrol/Divinylbenzol Copolymeren.
In EP 0 363 697 wird die Herstellung unporöser anorganischer Monolithe offenbart.
Weitere Zusammensetzungen zur Herstellung erfindungsgemäßer Fritten aus Silika-Materialien werden in WO 98/082956, WO 99/02129 oder besonders bevorzugt in WO 97/06980 offenbart. Die Einpolymerisation erfolgt gemäß der in diesen Schriften beschriebenen Verfahren. Nach dem Einfüllen der Polymerisationslösung wird die Kapillare typischerweise mit einem Silikonstopfen verschlossen und über mehrere Stunden bei leicht erhöhter Temperatur gelagert. Durch einen Sol-Gel- Prozess wird ein dreidimensionales Netzwerk aus einer anorganischen Gelphase und einer Lösungsphase gebildet. Nach dieser Reifephase wird der Verschluß entfernt und eine Wärmebehandlung durchgeführt. Verfahren zur Durchführung der Wärmebehandlung werden in WO 98/082956, WO 99/02129 und WO 97/06980 offenbart. Typischerweise wird die Kapillarsäule dazu in einer basischen Lösung über Stunden oder Tage auf eine Temperatur zwischen 60 und 200°C erhitzt. Abschließend werden die Kapillaren gewaschen und getrocknet. Man erhält eine Kapillare, die an einem Ende mit einer Fritte aus einem dreidimensionalen anorganischen porösen Netzwerk gefüllt ist.
Besonders bevorzugt werden für den obigen Sol-Gel Prozeß
Tetramethoxysilan oder Mischungen davon mit Trimethoxymethylsilan eingesetzt. Auch reines Trimethoxymethylsilan ist gut geeignet.
Anorganische monolithische Materialien, die durch einen Sol-Gel Prozeß hergestellt werden, aber auch organische monolithische Polymere können während ihrer Herstellung schrumpfen. Das Ausmaß der Schrumpfung hängt stark von der Zusammensetzung der Polymerisationslösung ab. Durch die Schrumpfung kann es zu einem Totvolumen zwischen der Kapillare und der Fritte kommen, durch das gegebenenfalls partikuläres Sorbens austreten kann. Werden deshalb stark schrumpfende Polymerisationslösungen zur Herstellung der Fritte verwendet, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, die Kapillare nach der Einpolymerisation der
Fritte und der anschließenden Alterung und Trocknung erneut mit der Polymerisationslösung zu füllen und nochmals allen Schritten des Herstellungsverfahrens zu unterziehen. Durch das nochmalige Füllen des Kapillarabschnitts mit Polymerisationslösung werden Hohlräume, die durch die Schrumpfung entstanden sind, aufgefüllt. Es wurde gefunden, daß sich die nachträglich eingefüllte Polymerisationslösung nach dem Ausgelieren und Altern homogen mit der bereits einpolymerisierten Fritte verbindet. Bei Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens wird bevorzugt vor dem nochmaligen Einfüllen der Polymerisationslösung der pH-Wert zumindest in den äußeren Bereichen der bereits einpolymerisierten Fritte durch
Waschen mit Wasser, Säure oder Puffer auf einen Wert kleiner oder gleich pH 7 gebracht.
Natürlich tritt auch bei der zweiten Alterung eine Schrumpfung des hinzugefügten Gels auf. Aus diesem Grund kann es besonders bei dickeren Kapillaren und stark schrumpfenden Polymerisationslösungen notwendig sein, ein oder mehrere weitere Male Monomersol zuzugeben, dieses auszugelieren und erneut eine Alterung durchzuführen. Auf diese Weise erhält man eine Fritte, die ein homogenes Netzwerk bildet und die Kapillare ohne unerwünschte Hohlräume an einem Ende verschließt.
2. Kapillar-Rod als Fritte
Für die Herstellung der Kapillar-Rods können die gleichen Materialien verwendet werden wie bei der direkten Einpolymerisation der monolithischen Fritte in eine Kapiilarsäule. Demnach gelten die unter 1. angeführten Bemerkungen zu den Materialien und Herstellbedingungen ebenso für die Herstellung der Kapillar-Rods.
Besonders bevorzugt wird der erf indungsgemäß als monolithische Fritte verwendete Kapillar-Rod nach den in WO 98/082956 bzw. WO 99/02129 beschriebenen Verfahren hergestellt.
Die Wand der verwendeten Rod-Kapiliare sollte eine hohe Affinität zu den Silikat-Komponenten aufweisen, mit denen sie gefüllt wird. Beispielsweise können die Kapillaren aus Materialien mit Hydroxylgruppen bestehen, die Kondensationen mit Siianolen eingehen können, oder polaren organischen Polymeren, an die Silikat-Oligomere absorbieren können. Besonders bevorzugt besteht auch hier die Kapillare aus Silikat, insbesondere „Fused Silica".
Die Kapillare wird mit einer sauren Lösung befüllt, die ein wasserlösliches organisches Polymer, z.B. Polyethylenoxid, und eine thermisch zersetzbare Komponente, wie z.B. Harnstoff, sowie eine metallorganische Komponente, vorzugsweise ein Siian mit hydrolysierbaren Liganden, enthält. Über einen Sol-Gel-Prozess wird ein dreidimensionales Netzwerk aus einer anorganischen Gelphase und einer Lösungsphase gebildet. Anschließend wird die Kapillare erhitzt, so daß sich die thermisch instabile Verbindung zersetzt und das Gel auspolymerisiert. Nach Trocknung und Hitzebehandlung erhält man eine mit einem dreidimensionalen anorganischen porösen Netzwerk gefüllte Kapillare. Typischerweise besitzt das Netzwerk Makroporen mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 5 μm und Mesoporen mit einem Durchmesser zwischen 2 und 50 nm. Bei der Verwendung von reinem Trimethoxymethylsilan enthält das Netzwerk nur Makroporen.
Dieser mit monolithischem Silika-Material gefüllte Kapillar-Rod kann nun erfindungsgemäß als Fritte in eine Kapillarsäule für partikuläre Sorbentien eingebracht werden. Der Außendurchmesser des Kapillar-Rod sollte nicht mehr als 1 bis 3 % kleiner sein als der Innendurchmesser der zu verschließenden Kapillarsäule. Die Fixierung des Kapillar-Rod in der Kapillarsäule erfolgt bevorzugt durch Einkleben. Besonders bevorzugt wird ein Epoxykleber verwendet. Auch die Verwendung von Polyurethanklebern ist möglich.
Insbesondere bei der Verwendung anorganischer monolithischer Materialien kann der Kapillar-Rod durch Verschweißen mit einem Glühdraht in der Kapillarsäule befestigt werden. Hierbei wird z.B. die Füllung des Kapillar-Rods aus monolithischem Silika nicht beschädigt und die beiden Kapillaren, Kapillar-Rod und Kapillarsäule, werden sehr fest miteinander verbunden.
Die Länge des als Fritte verwendeten Kapillar-Rods sollte typischerweise mindestens 2 cm betragen, damit er zum einen sicher in die Kapillarsäule eingeklebt werden kann und zum anderen eine ausreichende Länge zur Verfügung steht, um eine Verbindung beispielsweise zum Detektor anzubringen.
Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäß mit einem Kapillar-Rod als Fritte verschlossenen Kapillarsäule. Der Kapillar- Rod, bestehend aus der Kapillare (5) und dem darin befindlichen monolithischen Material (4) hat einen derartigen Außendurchmesser, daß er paßgenau in die zu verschließende Kapillarsäule (2) eingefügt werden kann. Zur Fixierung und Abdichtung wird der Kapillar-Rod mittels eines Klebers (3) in der Kapillarsäule (2) fixiert. In der Kapillarsäule (2) befindet sich ein partikuläres Sorbens (1). Damit das Sorbens nicht austreten kann, sollte die Porengröße des monolithischen Materials (4) kleiner sein als die mittlere Partikelgröße des Sorbens (1) Nachdem die Kapillarsäule an einem Ende mit einer erfindungsgemäßen monolithischen Fritte verschlossen wurde, kann sie mit partikulären Sorbentien befüllt werden. Dies erfolgt nach dem Fachmann bekannten Methoden. Typischerweise wird die Kapillare mit einem Graphitkonus und einer Rändelschraube an eine mit einer Suspension des Sorbens gefüllte
Stahlsäule angeschlossen und die Suspension mit einer Pumpe unter Druck eingefüllt.
Bevorzugterweise besteht das monolithische Material der erfindungsgemäßen Fritte aus polymeren Materialien, deren Oberfläche nicht weiter derivatisiert wurde. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für eine Vorreinigung oder der Verwendung als Vorsäule, kann die Oberfläche der Fritte mit Separationseffektoren derivatisiert werden. Dies sind beispielsweise ionische, hydrophobe, chelatisierende oder chirale Gruppen. Verfahren zur Einführung derartiger Funktionalitäten, beispielsweise durch funktionalisierte Silane, sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in WO 94/19687 offenbart.
Die erfindungsgemäßen Kapillaren können, mit partikulärem Sorbens befüllt, für chromatographische Auftrennungen, z.B. HPLC-Trennungen, CEC (Kapillar-Elektrochromatographie) oder CE (Kapillarelektrophorese), eingesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Fritten gewährleisten zuverlässig, daß das Sorbensbett vollständig abgedichtet ist. Zugleich kann die Länge der Fritte frei gewählt werden. Da die monolithische Fritte wesentlich höhere Flußraten zuläßt als partikuläre Sorbentien, wird der Lösungsmittelfluß durch die gefüllte Kapillarsäule von der Fritte nicht beeinträchtigt. Die Wahl des geeigneten Materials, aus dem die erfindungsgemäße Fritte hergestellt werden soll, hängt besonders von dem späteren Einsatzgebiet der Kapillarsäule ab. Beispielsweise sind manche organischen Polymere in bestimmten organischen Lösungsmitteln nicht stabil. Kapillarsäulen mit Fritten aus derartigen Materialien sollten daher für Trennungen mit diesen Lösungsmitteln nicht verwendet werden. Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, insbesondere der korrespondierenden Anmeldungen DE 100 04 637, eingereicht am
03.02.2000, und DE 100 28 572, eingereicht am 14.06.2000, ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.
Beispiele
1. Herstellung einer Kapillarsäule mit einer direkt einpolymerisierten Silika-Fritte
1. Vorbereitung :
Eine Fused - Silica Kapillare mit einem Innendurchmesser von 200 μm und einer Länge von 50 cm wird mit einer Mikroliterspritze mit jeweils 3 Säulenvolumina (ca. 50 μl) in der nachstehenden Reihenfolge behandelt: a) Wasser b) 2 M Natronlauge (2 h bei 40°C gefüllt stehenlassen) c) Wasser d) 1 M HCI (2 h bei 40 °C gefüllt stehenlassen) e) Wasser f) Waschen mit Ethanol g) Trocknen der Kapillare bei 40°C für 2 Tage 2. Gelherstellung in der Kapillare
Zusammensetzung der Polymerisationslösung (entsprechend WO 97/06980). : 20 ml Tetramethoxysilan, 4.4 g Polyethylenoxid, 50 ml 10 mM Essigsäure und 4.5 g Harnstoff.
Die Mischung erfolgt wie in WO 97/06980 beschrieben. Mit einer Spritze wird die Polymerisationslösung in die getrocknete Kapillare eingefüllt. Die Höhe des Flüssigkeitsstandes kann durch die Dunkelfärbung verfolgt werden. Anschließend wird die Spritze entfernt und die Kapillare mit einem Silikonstopfen verschlossen. Bei 40°C wird die Kapillare über Nacht gelagert. Danach wird der Silikonverschluß entfernt und eine Wärmebehandlung in folgender Weise durchgeführt : 10 Stunden bis 80°C und in 9 Stunden bis 120°C linear hochheizen. Die Kapillare wird dabei in einer verschlossenen Flasche, die mit 10 mM Ammoniumhydroxydlösung gefüllt ist, gelagert. Die Kapillare wird danach mit Gasdruckunterstützung (Stickstoff 2 - 3 bar) jeweils 2 Stunden mit Wassser und mit Ethanol gewaschen. Es wird anschließend 3 Tage getrocknet.
Danach kann die Kapillare mit Partikeln befüllt werden.
Entsprechend der obigen Vorschrift können auch Kapillaren kleineren Innendurchmessers befüllt werden.
2. Herstellung einer Kapillarsäule mit einer direkt einpolymerisierten Fritte aus Styrol/Divinylbenzol
1. Vorbereitung : Die Vorbereitung der Fused - Silica Kapillare mit einem Innendurchmesser von 200 μm, 360 μm Aussendurchmesser und einer Länge von 25 cm erfolgt wie unter Beispiel 1 beschrieben.
2. Aktivierung der Kapillarwand
10 ml einer Lösung von 50 % (v/v) von Methacryloxypropyltrimethoxysilan und 0.01 % (v/v) des Inhibitors 2,2 - Diphenyl - 1- Picrylhydrazilhydrat in Dimethylformamid wird 10 min mit Stickstoff durchströmt und von Sauerstoff befreit. Eine vorbereitete Fused - Silica Kapillare wird bis zu einer Höhe von 2 cm mit der Lösung befüllt. Die Kapillare wird anschließend mit Teflonstopfen verschlossen und bei 120 °C 6 Stunden lang ausgeheizt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird mit 1 ml Aceton gewaschen anschließend im Stickstoffstrom getrocknet.
3. Polymerisation in der Kapillare
10 ml einer Lösung aus 40 % (v/v) Styrol/Divinylbenzol (2:1 in 60 % (v/v) Ethanol und 0.1% (m/m) Azoisobutyronitril wurde 10 min mit Stickstoff durchströmt. Die Lösung wird in die silanisierte Kapillare auf eine Länge von 2 cm eingefüllt. Beide Kapillarenden werden mit Teflonstopfen verschlossen und die Kapillare wird 24 Stunden im Wasserbad bei 70 °C temperiert. Anschließend wird mit jeweils 1 ml Aceton und 1 ml Ethanol gespült und im Stickstoffstrom getrocknet.
3. Herstellung einer mit einem Kapillar-Rod verschlossenen Kapillarsäule
Von einem Kapillar-Rod mit dem Außendurchmesser 192 μm und einem Innendurchmesser von 50 μm wird mit einem Diamantschneider ein ca. 5 cm langes Stück abgeschnitten. Dieses Stück wird in eine 25 cm lange Fused Silica Kapillare mit einem Innendurchmesser von 200 μm und einem Außendurchmesser von 375 μm bis zu einer Länge von 2 cm eingeführt. An der Austrittsstelle werden die beiden Kapillaren mit Epoxykleber (Epoxyharz L und Härter L der Firma R&G GmbH, Deutschland) verklebt.
Die Klebestelle wird über Nacht bei 60°C ausgehärtet.
Anschließend wird die Kapillare mittels eines Graphitkonus und einer
Rändelschraube an eine leere Stahlsäule (Länge 30 mm, Durchmesser 4 mm) angeschlossen. Eine Suspension aus 5 Massen% partikulärem
Sorbens in Isopropanol wird eingefüllt und die Säule an eine Pumpe angeschlossen. Dann wird bei einem Druck von 500 bar 15 Minuten gepackt. Danach wird die Säule entfernt und die Kapillare mit Isopropanol gespült.

Claims

Ansprüche
1. Mit partikulären Sorbentien gefüllte oder füllbare Kapillarsäule, die an mindestens einem Ende mit einer Fritte abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fritte aus monolithischem organischen oder anorganischen Material besteht.
2. Kapillarsäule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fritte direkt in die Kapillarsäule einpolymerisiert ist.
3. Kapillarsäule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fritte aus einer Kapillare besteht, die mit monolithischem Material gefüllt ist.
4. Kapillarsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das monolithische Material aus Silika besteht.
5. Kapillarsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Innendurchmesser zwischen 20 und 200 μm aufweist.
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