Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.В. ЛОМОНОСОВА
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
______________________________________________________________________
На правах рукописи
УДК 541.183
ПИРОГОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
В ИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
И КАПИЛЛЯРНОМ ЭЛЕКТРОФОРЕЗЕ
02.00.02 - Аналитическая химия
Автореферат
Диссертации на соискание ученой степени
доктора химических наук
Москва - 2007
Работа выполнена на кафедре аналитической химии Химического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова
Официальные оппоненты:
Д.х.н., профессор каф. Физической химии химического факультета Московского университета им.М.В.Ломоносова
Никитин Юрий Степанович
Д.х.н., ведущий науч.сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И.аВернадского РАН, ГЕОХИ РАН
Тимербаев Андрей Роландович
Д.х.н., директор НТЦ "Хроматография" НПО Химавтоматика
Яшин Яков Иванович
Ведущая организация:
Институт нефтехимического синтеза имени А.В.Топчиева РАН. Москва
Защита состоится __15 февраля 2008 г._______ в 16.40__ на заседании диссертационного совета Д-053.0.44 по химическим наукам при МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, Химический факультет , ауд. 344.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ
Автореферат разослан _________________________
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.х.н. Торочешникова И.И.
Общая характеристика работы
Актуальность. Ионная хроматография и методы капиллярного электрофореза - одни из наиболее эффективных и динамично развивающихся методов определения анионов. Основой для успешного использования этих методов в аналитической химии является возможность целенаправленно управлять селективностью разделения. В ионной хроматографии это достигается использованием специфических сорбентов, круг которых, к сожалению невелик. В капиллярном электрофорезе таких возможностей еще меньше. В связи с этим создание новых сорбентов и поиск путей управления подвижностями ионов с целью разделения и определения является актуальной научной задачей.
В химии высокомолекулярных соединений несколько десятков лет изучают полиэлектролитные комплексы (ПЭК) - агрегаты, получаемые в результате электростатического взаимодействия двух противоположно зараженных полиэлектролитов или полиэлектролитом и раствором низкомолекулярного ПАВ. В водных растворах ПЭК стабилизированы кооперативной системой солевых связей и гидрофобными взаимодействиями. В зависимости от условий получения такие ПЭК могут быть водорастворимыми или нерастворимыми. Однако, общей особенностью их является чрезвычайно большая устойчивость.
Представляется перспективным использовать ПЭК для синтеза, исследования новых сорбентов для ионной хроматографии, модифицировании внутренних стенок кварцевых капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза, создания новых псевдостационарных фаз с уникальной селективностью в методе мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ).
Применение новых псевдостационарных фаз на основе высокомолекулярных соединений позволяет решить многие проблемы, существующие при использовании классических мицелл: разделение смесей сильно гидрофобных смесей, высокая критическая концентрация мицеллообразования, существование точки Крафта и низкая устойчивость при большом содержании органического модификатора.
Решение этих задач способствовало бы развитию вышеперечисленных методов, увеличению числа определяемых соединений, снижению пределов обнаружения и расширению круга объектов в результате устранения мешающего влияния других компонентов пробы.
Цель работы. Использовать эффект образования ПЭК при синтезе нового класса анионообменных материалов с уникальной селективностью для ионной хроматографии. Такие материалы могут быть получены модифицированием полимерных или силикагелевых матриц водорастворимым полиэлектролитом. Применение в качестве полиэлектролитных модификаторов катионных полимеров различных классов позволит широко варьировать селективность получаемых анионообменников за счет изменения структуры и функциональных групп полимера. Осуществить поиск условий синтеза анионообменнков, оценить селективность, эффективность, устойчивость и воспроизводимости хроматографических свойств.
Изучить влияние природы функциональных групп получаемых анионообменников на изменение селективности хроматографического разделения и обозначить подходы, позволяющие предсказывать селективность сорбента на основании данных о структуре полимера-модификатора. Выявить закономерности удерживания неорганических анионов, анионных комплексов переходных металлов с ЭДТА и анионов органических кислот в зависимости от структуры используемого полимера и состава подвижной фазы.
Применить катионные полимеры различного строения в качестве модификаторов капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза. Найти взаимосвязь селективности разделения со структурой используемого полимера-модификатора. Выявить закономерности удерживания ионов в модифицированных капиллярах.
Осуществить поиск области существования водорастворимых и устойчивых комплексов, образованных полиакриловой кислотой и солями четвертичных аммониевых оснований, в условиях электрофоретического эксперимента. Изучить влияния приложенного внешнего напряжения в разделяющем кварцевом капилляре на полиэлектролитные комплексы, выступающие, как в качестве псевдостационарной фазы, так и в качестве определяемых соединений в варианте капиллярного зонного электрофореза. Применить ПЭК в качестве псевдостационарных фаз для разделения и определения ряда соединений с различной гидрофобностью. Сравнить основные электрофоретические характеристики разделения для полиэлектролитных комплексов и псевдостационарных фаз, образованных классическим мицеллообразователем (додецилсульфатом натрия). Установить механизм взаимодействия разделяемых анализируемых соединений с псевдостационарной фазой на основе полиэлектролитных комплексов и изучить влияния основных параметров полиэлектролитных комплексов на селективность и эффективность разделения.
Научная новизна. Предложены способы получения новых сорбентов для ионной хроматографии (лполиэлектролитных анионообменников), основанные на модифицировании силикагелей для ОФ ВЭЖХ растворами низкомолекулярного анионного ПАВ и катионного полимера (способ 1) или на модифицировании сульфированных силикагелей или частиц сополимера стирола и дивинилбензола водными растворами катионного полимера при повышенной температуре (способ 2). Отмечены достоинства и недостатки каждого способа.
Обнаружен эффект 3-х кратного увеличения емкости и эффективности полиэлектролитных сорбентов, при повышенной температуре (70С) в избытке полимера. Данный эффект объяснен с точки зрения изменений конформационного строения полимеров при различных температурах.
Изучена селективность полиэлектролитных сорбентов на основе алифатических и ароматических ионенов, алкилированных поли(4-винил)пиридинов, и хлорида полидиаллилдиметиламмония. Показано, что использование этих сорбентов для разделения гидрофобных анионов предпочтительнее по сравнению с отечественными и импортными аналогами.
Обнаружено, что селективность сорбентов на основе ароматических ионенов к неорганическим анионам схожа с селективность сорбентов на основе их более короткоцепочечных алифатических аналогов. При разделении анионов ароматических кислот для сорбентов на основе ароматических ионенов наблюдается увеличение селективности по сравнению с алифатическими аналогами за счет специфичных - взаимодействий. В результате изучения факторов, влияющих на эффективность и селективность разделения неорганических анионов, установлено влияние структуры полимера-модификатора на селективность разделения неорганических анионов и анионных комплексов переходных металлов с ЭДТА.
Разработан подход, позволяющий предсказывать свойства полиэлектролитного анионообменника исходя из структуры полимера-модификатора. С использованием метода кластерного анализа была осуществлена классификация сорбентов на основе алифатических ионенов по их селективности к сильно- и слабоудерживаемым анионам. Выявлены три класса, обозначенные как гидрофильный, переходный и гидрофобный, а также ряд наиболее дискриминирующих признаков. На основании данных кластерного анализа с использованием комбинации методов К-ближайших соседей и линейной регрессии была предсказана селективность сорбента Силасорб-SЦ6,6-ионен. Полученные экспериментальные данные показали практически практическое полное соответствие реальной и предсказанной хроматограмм.
Катионные полимеры различного строения применены в качестве модификаторов капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза. Найдена взаимосвязь селективности разделения со структурой используемого полимера-модификатора. Выявлены закономерности удерживания ионов в модифицированных капиллярах.
Подтверждено образование прочного полиэлектролитного комплекса кварц-ионен, не разрушающегося (или слаборазрушающегося) в условиях электрофоретического эксперимента. Экспериментальным и расчетным путем оценено количество полимера, сорбирующегося на кварцевой поверхности и определена примерная анионообменная емкость такого комплекса. Продемонстрировано, что образующийся полиэлектролитный комплекс имеет очень высокую устойчивость и способен существовать даже в чрезвычайно агрессивных средах.
Показано, что полиэлектролитные аниообменники могут применяться и быть достаточно перспективными и в электрокинетической хроматографии. Удерживание веществ происходит по ионообменному механизму, который вносит основной вклад во времена миграции. Несомненным преимуществом такого подхода является возможность легкого варьирования структуры полимера-модификатора для контроля селективности определения.
Впервые полиэлектролитные комплексы были предложены в качестве принципиально нового типа псевдостационарных фаз в МЭКХ.
Найдена область значений состава буферного электролита и условий электрофоретического разделения при которых полиэлектролитные комплексы могут быть использованы в качестве псевдостационарных фаз в МЭКХ. Измерены подвижности полиакриловой кислоты и образованных ею ПЭК в условиях электрофоретического эксперимента.
Показана уникальная селективность к замещенным фенолам по сравнению с классическими псевдостационарными фазами - относительное удерживание не имеет прямой зависимости с их гидрофобностью. Найдено, что разделение дансил--производных аминокислот происходит в основном по хроматографическому распределительному механизму, их относительное удерживание увеличивается с увеличением гидрофобности, тогда как на удерживание карбобензокси--производных аминокислот добавление полиэлектролитных комплексов в разделяющий буферный электролит не оказывает влияние. Бутоксикарбомоил-производные имеют разный порядок миграции при использовании полиэлектролитных комплексов и СДС. Ни одна из известных на сегодняшний день псевдостационарных фаз не обладает таким различием во взаимодействии с близкими по свойствам группам соединений.
Обнаружено, что селективность и эффективность псевдостационарных фаз на основе ПЭК могут быть легко изменены путем изменения состава комплекса (), степени полимеризации полиэлектролита (Pw) или длины алкильного радикала алкилтриметиламмоний бромида (Cn), что является достоинством нового типа псевдостационарных фаз. Проведено сравнение новых фаз с наиболее широко применяемой псевдостационарной фазой на основе додецилсульфата натрия.
Практическая значимость. Синтезированы новые полиэлектролитные анионообменники для применения в ионной хроматографии в одноколоночном варианте (на основе силигагелевой матрицы) или в двухколоночном варианте (на основе стирол-дивинилбензольной матрицы). По селективности и эффективности данные сорбенты не уступают лучшим мировым аналогам, а зачастую превосходят их. Способ получения анионообменников экономически гораздо дешевле, экспресснее традиционно используемого метода ковалентной пришивки функциональных групп. Предложенный способ не требует работы с особо вредными для здоровья человека веществами, дорогостоящего химического оборудования и высокой квалификации персонала. Новые сорбенты могут быть получены в любой аналитической лаборатории.
Продемонстрирована возможность одновременного разделения формиата, хлорида, нитрита, нитрата, бромида, сульфата, иодида, роданида и перхлората за 15 минут. Синтезированы и изучены полиэлектролитные анионообменники для селективного разделения анионных комплексов переходных металлов с ЭДТА, а также для определения тетрафторборат аниона.
Отмечено, что полиэлектролитные сорбенты могут использоваться в аналитической практике для решения специфических задач в организациях, не занимающихся рутинными анализами.
Разработан способ экспрессного, селективного и эффективного совместного определения азида, перхлората и хлората методом капиллярного зонного электрофореза в капиллярах, модифицированных катионными полимерами. Найдено, что оптимальным модификатором является 2,4-ионен, который имеет преимущества перед традиционно применяемыми для обращения направления ЭОП низкомолекулярными ПАВ. Показано, что присутствующие в реальных объектах в больших количествах неорганические анионы (хлорид, нитрат, карбонат и сульфат) не мешают селективному определению. Правильность метода проверена независимым методом (ионной хроматографией) и он применен для определения концентрации хлората, азида и перхлората в ряде пиротехнических изделий, присутствующих на отечественном рынке.
При использовании водорастворимых ПЭК в качестве псевдостационарных фаз в МЭКХ представлены примеры разделения смесей разных производных аминокислот и замещенных фенолов. Предложен способ определения кофеина в моче (за счет уникальной селективности прочие компоненты мочи не оказывают мешающее влияние). Осуществлено разделение смеси содержащей одновременно дансил-- и карбобензокси--производные аминокислот. Разделены стереоизомеры иодпроизводных -фенилкарбоновых кислот в реакционной смеси. (Следует отметить, что данные задачи не решаются с использованием додецилсульфата натрия).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
- Способы синтеза анионообменников для ионной хроматографии с использованием катионных полиэлектролитов.
- Результаты изучения влияния различных факторов на эффективность, обменную емкость и устойчивость полученных сорбентов.
- Результаты изучения селективности разделения неорганических анионов на полиэлектролитных сорбентах, полученных с использованием ионенов различных классов.
- Данные по ионохроматографическому поведению анионных комплексов переходных металлов с ЭДТА на полиэлектролитных сорбентах, полученных с использованием ионенов различных классов.
- Сравнение свойств сорбентов на основе ароматических и полифункциональных ионенов с сорбентами на основе их алифатических аналогов.
- Описание и результаты практического применения комбинации математических методов К-ближайших соседей и линейной регрессии для предсказания свойств сорбента на основе 6,6-ионена.
- Данные по изучению селективности разделения анионов при модификации капилляров различными катионными полиэлектролитами в методе капиллярного зонного электрофореза.
- Способ получения капилляров, заполненных полиэлектролитными сорбентами, данные по их применению в электрокинетической хроматографии и результаты определения ароматических кислот этим методом.
- Область условий, при которых полиэлектролитные комплексы, образованные полиакриловой кислотой и четвертичными основаниями существуют как устойчивые псевдостационарные фазы для МЭКХ.
- Закономерности поведения полиэлектролитных комплексов под действием приложенного напряжения в качестве псевдостационарной фазы и в качестве определяемых соединений.
- Данные по электрофоретическим подвижностям полиакриловых кислот с различными степенями полимеризации и полиэлектролитных комплексов.
- Совокупность данных по условиям разделения ряда замещенных фенолов, ПАУ и разных классов производных аминокислот.
- Результаты влияния основных параметров полиэлектролитных комплексов на селективность и эффективность разделения.
- Зависимости удерживания различных классов соединений от гидрофобности и доли заряженной формы анализируемого соединения для полиэлектролитных комплексов и додецилсульфата натрия.
- Способы определения тетрафторбората в аккумуляторном электролите, азида, хлора, перхлората в пиротехнических объектах, кофеина в моче, разделение стереоизомеров иодпроизводных -фенилкарбоновых кислот в реакционой смеси и пример проведения химического контроля качества лекарственных средств с использованием полиэлектролитов-модификаторов.
Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 41 статье. Результаты исследований в качестве устных и стендовых докладов докладывались на международных конференциях и симпозиумах Euroanalysis XII (Дортмунд, Германия, 2002), Разделение и концентрирование в аналитической химии (Туапсе, Россия, 2002), Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий (Томск, Россия, 2002), SBS 2003 - У100 Years of chromatographyФ (Москва, Россия, 2003), Аналитика и Аналитики (Воронеж, Россия, 2003), 2nd Black Sea Basin Conference on Analytical Chemistry (Шиле-Стамбул, Турция, 2003), Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья (Москва, Россия, 2003), HPCE 2004 (Зальцбург, Австрия, 2004), Euroanalysis XIII (Саламанка, Испания, 2004); Всероссийском симпозиуме лХроматография и хроматографические приборы (Москва, 2004), Международном конгрессе по аналитической химии ICAC-97 (Москва, 1997), на конференции по инструментальной аналитической химии и компьютерным технологиям InCom-98 (Дюссельдорф, 1998), Всероссийском симпозиуме по химии поверхности, адсорбции и хроматографии (Москва, 1999), на Международном симпозиуме по ионной хроматографии IICS-99 (Сан Джоус, США) и на Всероссийском симпозиуме по теории и практике хроматографии и электрофореза (Самара, 1999г.) втором съезде общества биотехнологов России (Москва, 2004) и международной конференции студентов и аспирантов Ломоносов - 2003 (Москва, 2003); научных коллоквиумах лаборатории хроматографии кафедры аналитической химии МГУ.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 8 глав и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, общих выводов и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 329 страницах машинописного текста, содержит 159 рисунков и 51 таблицу, в списке цитируемой литературы 298 наименований.
Основное содержание работы
Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность поиска новых путей для синтеза новых сорбентов для ионной хроматографии, модифицировании внутренних стенок кварцевых капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза, создания новых псевдостационарных фаз с уникальной селективностью в методе мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ). Обосновывается возможность применения для этих целей полиэлектролитных комплексов (ПЭК). На основании этого формулируются цели и задачи работы. Кратко охарактеризованы новые результаты, полученные автором, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору основных типов неподвижных фаз для анионообменной ионной хроматографии. Рассмотрены способы синтеза сорбентов, сравнивается их селективность и эффективность. Во второй главе обсуждаются способы синтеза водорастворимых полимеров класса алифатических и ароматических ионенов, которые предлагается использовать для получения ПЭК. Третья глава посвящена применению полиэлектролитов для модифицирования внутренней поверхности кварцевых капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза. В четвертой главе кратко охарактеризованы строение и основные свойства нестехиометричных водорастворимых полиэлектролитных комплексов. В пятой главе приведены основные методики, использованные реактивы и способы работы. Шестая глава посвящена применению катионных полимеров при синтезе новых анионообменных неподвижных фаз для одноколоночного и двухколоночного вариантов ионной хроматографии. Рассмотрено влияние условий синтеза на селективность, эффективность и емкость полученных сорбентов. Проведено сравнение новых сорбентов с применяемыми в аналитической практике в настоящее время. В седьмой главе обсуждаются результаты применения полиэлектролитов различного строения в качестве модификаторов поверхностей капилляров. Показана связь строения полимера с селективностью определения ионов методом капиллярного зонного электрофореза. Восьмая глава посвящена применению новых псевдостационарных фаз с уникальной селективностью в методе мицеллярной электрокинетической хроматографии.
- Полиэлектролитные анионообменники для ионной хроматографии
При возникновении электростатических взаимодействий между молекулой поликатионного ПАВ и сорбентом с противоположно заряженными группами, на поверхности матрицы образуется полиэлектролитный комплекс. Если во взаимодействии с поверхностью участвует достаточное большое число заряженных атомов полимера, то прочность этого комплекса окажется достаточной для создания устойчивого ионообменного слоя. Такого рода сорбенты мы назвали полиэлектролитными.
Для создания катионообменного слоя на поверхности силикагелей для ОФ ВЭЖХ использованы органические сульфокислоты или их соли. Синтезированные таким образом сорбенты имели сложную трехслойную структуру. Основанием служили гидрофобизованные частицы силикагеля, на которых за счет гидрофобных взаимодействий удерживался промежуточный модификатор. Ориентированные молекулы промежуточного модификатора создают на поверхности частиц слой сульфогрупп, которые, взаимодействуя с противоположно заряженными четвертичными аммониевыми основаниями в полимерной цепи полиэлектролита, удерживали молекулы полимера (ионена).
Из табл. 1 видно, что наилучшая эффективность достигается при использовании в качестве матрицы Silasorb C18 с промежуточным модификатором ДБСК. Средняя эффективность по полученных таким образом анионообменников не превышает 5500 тт/м. Тем не менее этого оказалось достаточно для разделения 6 неорганических анионов за 8 минут. Полученные анионообменники применяли также при разделении анионных комплексов переходных металлов.
Ионохроматографическое поведение анионных комплексов переходных металлов зависит как от термодинамических, так и кинетических факторов. Силасорб-C18-ДБСК-ПЭВП показывает наилучшую селективность при разделении комплексов.
Таблица 1. Сравнение эффективности сорбентов синтезированных с использование различных промежуточных модификаторов. (Колонка 50х3 мм, элюент 0.5мМ ГФК,
F=1 мл/мин).
Матрица | Промежуточный модификатор | Матрица / 3,6-ионен (массовое соотношение) | Эффективность, ТТ/м |
Silasorb C18 (10 ) | ДБСК | 2.8 | 5200 |
Silasorb C18 (10 ) | ДБСК | 1.2 | 4900 |
Silasorb C18 (7.5 ) | ДБСК | 1.0 | 5300 |
Diasorb C8 (10 ) | ДБСК | 3.5 | 3000 |
Diasorb C16 (10 ) | ДВСК | 6.5 | 3000 |
Diasorb Ph (10 ) | ДВСК | 5.7 | 2200 |
Silasorb C18 (10 ) | ДННДСК | 3.5 | 1500 |
Silasorb C18 (10 ) | ОДСК | 3.5 | 2400 |
Diasorb C16 (10 ) | ОДСК | 5.7 | 2000 |
Silasorb C18 (10 ) | ДСК | 6.6 | 1800 |
Silasorb C18 (10 ) | ПВСК | 4.0 | 0 |
Diasorb C8 (10 ) | ПВСК | 4.0 | 0 |
ЭДТА как элюент. Разделение анионов и анионных комплексов может быть осуществлено, используя ЭДТА в качестве элюента (Рис.1).
| Рис.1. Хроматограмма смеси анионов и анионных комплексов металлов с ЭДТА. Сорбент: Силасорб-C18-ДБСК-ПЭВП. Колонка: 3х150 мм. Элюент: 0,2 мМ ЭДТА, рН 7,0. Скорость подачи элюента: 0,75 мл/мин. Кондуктометрическое детектирование. (*) - направление пиков инвертировано. Концентрация анионов: сульфат 3 мМ, остальных по 1мМ каждого. |
Смесь фталевой кислоты и ЭДТА как элюент. Такой способ позволяет избежать предварительной подготовки пробы для получения анионных комплексов и осуществлять чувствительное косвенное спектрофотометрическое детектирование. Кроме того, добавление ЭДТА в элюент уменьшает удерживание ионов и сокращает время анализа. Пределы обнаружения анионных комплексах в вышеописанных системах приведены в табл. 2.
Адипиновая кислота как элюент. Нами предложено использовать адипиновую кислоту в качестве элюента в двухколоночном варианте ионной хроматографии. Пределы обнаружения снижаются на порядок величины по сравнению с спектрофотометрическим детектированием.
Из-за близких времен удерживания, полное разделение пиков Pb2+ и Mn2+, или Zn2+ и Co2+ не удается осуществить. Для решения этой задачи нами был синтезирован специальный полиэлектролитный сорбент Силасорб-C18-ДБСК-ПЭВП(COOH). Введение карбоксильных групп в состав полимера улучшает селективность и дает возможность лучше разделить пики хелатов металлов (рис. 2).
Таблица 2. Пределы обнаружения комплексов металлов с ЭДТА на полиэлектролитных сорбентах (мг/л) . Колонка 3 x 100 мм, Силасорб-C18-ДБСК-ПЭВП, pH 7,0.
Анионный комплекс | 1,5 мМ ГФК | 0,2 мМ ЭДТА/ 0,2 мМ ГФК | 0,2 мМ ЭДТА | 0,5 мМ ЭДТА | 1,0 мМ адипиновая кислота |
Косвенное спектрофотометрическое детектирование | Кондуктометрическое детектирование | ||||
265 нм | 265 нм | 210 нм | |||
PbY2- | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 1,0 | 0,01 |
MnY2- | 0,3 | 0,1 | 0,3 | 0,9 | 0,02 |
ZnY2- | 0,4 | 0,2 | 0,5 | 0,8 | 0,03 |
CoY2- | 0,5 | 0,3 | 0,2 | 0,8 | 0,03 |
CdY2- | 0,5 | 0,3 | 0,3 | 0,8 | 0,02 |
NiY2- | 0,5 | 0,2 | 0,2 | 0,9 | 0,04 |
CuY2- | 0,5* | 0,3* | 0,2 | 1,0 | 0,05 |
(*) - положительные пики
Главным недостатком полиэлектролитных сорбентов с промежуточным модификатором является их неустойчивость при длительной эксплуатации. Устойчивость сорбента характеризуется изменением обменной емкости, селективности или эффективности разделения в процессе работы. Для повышения стабильности полученных сорбентов был использован хорошо зарекомендовавший себя в ион-парной хроматографии прием добавления модификатора в подвижную фазу, что позволяет сместить равновесие в сторону процесса сорбции.
| Рис.2. Хроматограмма смеси анионов и анионных комплексов металлов с ЭДТА на сорбенте Силасорб-C18-ДБСК-ПЭВП(COOH). Колонка: 3х100 мм. Элюент: 1 мМ адипиновой кислоты, рН 7,0. Скорость подачи элюента: 1,3 мл/мин. Кондуктометрическое детектирование с подавлением фоновой электропроводности. Концентрация анионов: по 1мМ каждого. |
- Синтез без промежуточного модификатора
При переходе к сульфированным матрицам отпадает необходимость в промежуточном модификаторе для создания на поверхности катионообменного слоя. В отличие от сорбентов с промежуточным модификатором, удерживание ионена на поверхности матрицы в этом случае будет происходить за счет электростатических взаимодействий противоположно заряженных аммониевых оснований полимера и сульфогрупп силикагеля (рис. 3), увеличивает стабильность получаемых сорбентов.
| Рис. 3. Схематическое изображение структуры сорбента на основе сульфированного силикагеля и катионного полимера. |
Ввиду перспективности использования данного метода синтеза, было изучено влияние всех этих факторов на селективность и эффективность разделения получаемых сорбентов.
Влияние количества полимера. Способ синтеза полиэлектролитных сорбентов на основе катионообменников с химически привитыми сульфогруппами подразумевает четкую зависимость емкости и других свойств получаемого анионообменника от емкости используемого в качестве исходной матрицы катионообменника. Найдено, что для синтеза полиэлектролитных анионобменников в качестве исходной матрицы подходит катионообменник с емкостью порядка 0,1-0,8 мМ/г и отсутствием пор, сравнимых с размером молекулы полимера. Этим качествам удовлетворяет Силасорб-S, Nucleosil SB и др. Средняя анионообменная емкость полученного таким образом сорбента составляет 0,06 мМ/г.
Влияние растворителя. Найдено, что наибольшая эффективность достигается при использовании в качестве растворителя деионированной воды. По-видимому, это вызвано тем, что диссоцирующие в водном растворе сульфогруппы матрицы создают достаточную ионную силу и добавка электролита уже не приводит к заметному увеличению подвижности молекул полимера. В менее полярном изопропаноле дополнительно уменьшается степень диссоциации сульфогрупп матрицы и аммонийных групп ионена, что также уменьшает сорбцию.
Влияние температуры. При синтезе полиэлектролитных сорбентов на основе Силасорб-S и ионена было замечено резкое возрастание емкости и эффективности получаемых анионообменников с ростом температуры во время синтеза (рис. 4).
Объяснение этого явления скорее всего кроется в изменении конформационных состояний молекул ионена. При дальнейшем уменьшении температуры изменению образовавшейся структуры мешают стерические затруднения. Кроме того скрываются мелкие поры на поверхности матрицы, за счет чего уменьшается диффузионный путь и возрастает эффективность разделения.
Множество синтезированных сорбентов на силикагелевых матрицах с различными ионенами-модификаторами подтвердили хорошую воспроизводимость хроматографических характеристик получаемых анионообменников. Времена удерживания неорганических анионов на одной колонке воспроизводились в течение 2-3 месяцев.
| 25 0С | мин | Рис. 4. Хроматограммы смеси неорганических анионов. Сорбенты: Силасорб-S-3,6-ионен, синтезированные при различных температурах. Колонка: 3х50 мм. |
| 45 0С | мин | |
| 70 0С | мин |
Всего было изучено 8 алифатических ионенов. Поскольку условия синтеза были одинаковы для всех исследованных ионенов, емкость получаемых сорбентов можно считать функцией их строения. На рис. 5 и 6 приведены шкалы селективности по отношению к хлориду для фталатного и бензойного элюента. Полиэлектролитные сорбенты на основе алифатических ионенов демонстрируют хорошую селективность к неорганическим анионам (Рис. 7).
При использовании фталатного элюента, четко прослеживается увеличение селективности к группе гидрофобных анионов J-, SCN-, ClO4- при переходе от ионенов с короткими алифатическими участками к ионенам с большим числом атомов углерода между четвертичными атомами азота. Для сульфата в этом же ряду наблюдается обратная закономерность - его время удерживания заметно снижается и в случае 6,10-ионена становится меньше чем у перхлората и роданида.
Анализ вышеуказанных закономерностей позволяет сделать вывод о прямой взаимосвязи между гидрофобностью молекулы ионена и характеристиками удерживания неорганических. Полиэлектролитные сорбенты на основе ионенов характеризуются высокими значениями эффективности, сравнимыми с коммерческими анионообменниками. На данных колонках удалось разделить 9 неорганических анионов менее чем за 15 минут. Следует отметить, что замена несферического Силасорба-S на сферический Nucleosil-SA ожидаемым образом увеличивает в 2-3 раза эффективность ( с 13000 ТТ/м до 30000 ТТ/м).
| Рис. 5. Шкалы селективности полиэлектролитных анионообменников на оcнове алифатических ионенов к неорганическим анионам. Элюент: 0,3 мМ гидрофталата калия с рН=6,9-7,0 (далее фталатный элюент) |
| Рис. 6. Шкалы селективности полиэлектролитных анионообменников на основе алифатических ионенов к неорганическим и органическим анионам. Элюент: 2,0 мМ бензойная кислота с рН=5,4-5,5 (далее бензоатный элюент) | |
мин | Рис. 7. Хроматограмма смеси неорганических анионов. Сорбент Силасорб-S-4,6- ионен. Колонка 2х100 мм. Элюент: 3мМ салициловой кислоты рН=6,0; косвенное СФ-детектирование при 265 нм. |
Дискретное изменение характеристики сорбентов позволяет говорить о существовании нескольких классов ионенов, выделить и описать которые можно при помощи математических классификационных методов.
Одним из наиболее распространенных и общепринятых методов классификации является кластерный анализ. Применительно к хроматографическим данным, параметрами могут служить относительные времена удерживания разделяемых ионов. При этом условии формирование классов будет происходить на основе селективности сорбентов. Классификацию производили по двум наборам параметров: первый - относительные (Cl) времена удерживания NO3-, J-, SCN-, ClO4-, SO42- на фталатном элюенте, второй - относительные (Cl) времена удерживания NO3-, NO2-, Br-, JO3-, BrO3-, ацетата и формиата на бензоатном элюенте. Полученные дендрограммы приведены на рисунках 8 и 9. Видно, что для обоих наборов параметров классификация происходит одинаковым образом: полиэлектролитные сорбенты на основе алифатических ионенов подразделяются на три группы в соответствии с гидрофобностью используемого ионена.
Первый класс можно условно обозначить как гидрофильный. К нему относятся сорбенты на основе 2,4- и 3,4-ионенов. Данные полимеры имеют достаточно жесткую структуру. Для них характерно большое время удерживания сульфата и низкая селективность к гидрофобным анионам (рис.10).
Во второй класс попадают сразу четыре сорбента на основе 3,6-; 4,6-; 2,8- и 3,8-ионенов. Общей характеристикой этих ионенов является наличие одного короткого (менее 5 атомов) и одного длинного (с числом атомов углерода более 5) алифатического участка. При переходе от 3,6-ионена к 4,6-ионену и от 2,8-ионена к 3,8-ионену наблюдается увеличение селективности к гидрофобным анионам (рис.12).
Третий класс назван гидрофобным, так как в него входят сорбенты на основе 6,8-ионена и 6,10-ионена (рис.10).
На основе полученной классификации можно определить наиболее дискриминирующие признаки. Наиболее дискриминирующими оказались отношения исправленных времен удерживания сульфата к хлориду, к иодиду, к роданиду и перхлорату и роданида к иодиду.
Таким образом, для характеристики полиэлектролитного сорбента на основе ионена достаточно получить хроматограмму смеси хлорида, сульфата, иодида и роданида. Это подтверждает определяющее значение гидрофобности ионенов на классификацию сорбентов на их основе.
| Рис.8. Дендрограмма для сорбентов на основе Силасорб-S и алифатических ионенов. Параметры: селективность по отношению к хлориду (Cl) для неорганических анионов на фталатном элюенте. Евклидова метрика, кластеризация по методу сложного звена. | ||
| Рис.9. Дендрограмма для сорбентов на основе Силасорб-S и алифатических ионенов. Параметры: селективность по отношению к хлориду (Cl) для неорганических анионов на бензоатном элюенте. Евклидова метрика, кластеризация по методу сложного звена. | ||
Найдено, что увеличение гидрофобности получаемых сорбентов зависит не столько от общего количества атомов углерода между атомами четвертичного азота, сколько от фактического расстояния между атомами азота в молекуле. В случае гидрофобных 6,8- и 6,10-ионенов экранирование алифатических участков практически отсутствует, что приводит к резкому возрастанию времен удерживания гидрофобных анионов.
Полиэлектролитные сорбенты на основе ароматических ионенов имеют схожую с алифатическими селективность к неорганическим анионам. Тенденции, описанные для алифатических ионенов, сохраняются и для ароматических. Если рассматривать бензольное кольцо как аналог алифатического участка (СН2)6, то несколько неожиданным оказывается тот факт, что удерживание сульфат-иона на синтезированных сорбентах больше, чем в случае их алифатических аналогов. Другими словами, ароматические модификаторы ведут себя как более короткоцепочечные алифатические ионены с более высокой плотностью заряда. Например, селективность 3,Х-ионена к неорганическим анионам более близка к 2,8-ионену, чем к 3,8-ионену. По-другому ведут себя анионы ароматических кислот, в частности, нафтолсульфоновой кислоты. Время удерживания нафтолсульфоновой кислоты в случае сорбента на основе ароматического 3,Х-ионена больше, чем для сорбента, модификатором которого являлся алифатический аналог - 3,8-ионен. Причиной этого является, по-видимому, π-π взаимодействие ароматических систем 3,Х-ионена и нафтолсульфоновой кислоты (Рис.11).
Класс гидрофильных ионенов (2,4- 3,4- )
2,4-ионен 3,4-ионен
Класс переходных ионенов (2,8- 3,8Ц 3,6Ц 4,6- )
2,8-ионен 3,8-ионен 3,6-ионен 4,6-ионен
Класс гидрофобных ионенов (6,8Ц 6,10- )
Ионен 6,8 Ионен 6,10
Рис.10. Вид хроматограмм для полиэлектролитных сорбентов на основе алифатических ионенов, относящихся к различным классам. Колонка 3х50 мм, фталатный элюент, косвенное СФ детектирование при 254 нм.
Аналогично при исследовании поведения п-замещенных
(п-Cl-, п-Br-, п-I-, п-OH-) бензойных кислот на синтезированных полиэлектролитных сорбентах были получены более высокие значения селективности, чем для алифатических ионенов. Кроме ионообменных взаимодействий большое влияние оказывают гидрофобные взаимодействия. Можно предположить, что значительное влияние оказывают и стерические факторы, т.е. "доступность" для кислотных групп кислот анионообменных центров на поверхности сорбента.
Селективность определения анионных комплексов переходных металлов на используемых полиэлектролитных анионообменниках невысока. При решении такого рода задач применять полиэлектролитные сорбенты на основе ароматических ионенов и виологенов нецелесообразно.
Модификатор: 3,8-ионен | Удерживание нафтолсульфоновой кислоты (НСК) на полиэлектролитных сорбентах с алифатическим и ароматическим полимерами-модификаторами. |
| Модификатор: 3,Х-ионен |
- Ионохроматографическое поведение анионообменников на основе полифункциональных ионенов
Полифункциональными считаются ионены, имеющие одну или несколько функциональных групп в полимерном звене. На примере синтезированных нами 2НР,6- и 2НР,8-ионенов было рассмотрено влияние на хроматографические свойства полиэлектролитного сорбента введение в алифатическую цепь гидроксильной группы в -положении к атому азота. Введение гидроксильной группы выражается в увеличении времени удерживания сульфат-иона и снижении селективности к гидрофобным анионам. 2НР,8-ионен по селективности более схож с 2,8-ионеном, а не со своим алифатическим аналогом - 3,8-ионеном 3,8. Меньший вклад ионообменных взаимодействий в удерживание ароматических кислот на 2-НР,6-ионене можно объяснить экранированием четвертичных аммониевых групп близко расположенной гидроксильной группой.
На колонке, заполненной сульфокатионообменником, модифицированном гидрофобными алифатическими или ароматическими ионенами наблюдается высокая селективность по отношению к салициловой, сульфосалициловой и 1,5-нафталиндисульфокислотам. Другие кислоты удерживаются значительно слабее. В качестве полимера-модификатора был выбран и синтезирован 6,10-ионен. Правильность определения контролировали методом введено-найдено. Определению салициловой кислоты не мешает 1000-кратный избыток ацетилсалициловой кислоты, может мешать присутствие 50-кратного молярного количества сульфосалициловой и 100-кратного количества терефталевой или изофталевой кислот. Предел обнаружения составил 0,0007 мМ (~ 80 мкг/л) диапазон определяемых содержаний - от 0,005 до 5 мМ (Sr ≤ 0.07). Предел обнаружения приблизительно такой же, как в известных из литературы методах ВЭЖХ и в 10 раз лучше, чем при использовании метода капиллярного электрофореза (при спектрофотометрическом детектировании). Способ определения может быть использован для определения салициловой кислоты в фармакологических препаратах или различных биологических объектах анализа.
На сорбентах с полимерными (полиметакрилатными или стирол-дивинилбензольными) матрицами этот ион ведет себя как гидрофобный сильноудерживаемый анион. Предел его обнаружения в двухколоночном варианте с кондуктометрическим детектированием составляет 0,05 мг/л (по бору). На используемом нами полиэлектролитном сорбенте время удерживания BF4- не превышало 10 мин для большинства используемых элюентов. Наряду с определением BF4- возможно разделения хлорида, нитрата, сульфата, иодида, тиоцианата и перхлората. Лучшие результаты были получены при использовании в качестве элюентов двухосновных ароматических кислот: фталевой, 2,6-дипиколиновой, сульфосалициловой и 2-нафтол-3,6-дисульфокислоты. 0,4 мМ раствор гидрофталата натрия с рН 7 в качестве элюента позволяет достичь предела обнаружения 0,16 мг/л и не дает системного пика на хроматограммах. Следует также отметить, что фталатный элюент позволил эффективно разделить смесь из семи анионов, включая BF4- (рис. 12).
| Рис. 12. Хроматограмма модельной смеси анионов. Сорбент: Nucleosil 10-SA, модифицированным 3,6-ионеном. Колонка: 4х100 мм. Элюент: 0,4 мМ гидрофталата калия (рН 7,0); длина волны детектирования λ=254 нм. Пики: 1 - хлорид, 2 - нитрат, 3 - тетрафторборат, 4 - иодид, 5 - роданид, 6 Цперхлорат, 7 - сульфат.( все по 50 мг/л). |
Достигнут предел обнаружения BF4- 0,05 мг/л (0,006 мг/л по бору) с косвенным детектированием при 234 нм. Это на порядок превосходит результаты, описанные в литературе для двухколоночной хроматографии с кондуктометрическим детектированием. При этом наблюдалось достаточно эффективное разделение смеси шести анионов, включая BF4- .
В качестве объекта, содержащего анион тетрафторбората, проанализирован Электролит органический ГБЛ (Россия). По результатам анализа найдено содержание тетрафторбората (на бор) 7,9 г/л. Паспортные данные: 7,7-8,3 г/л.
В ионной хроматографии более популярны сорбенты на основе полимерной матрицы, так как она в отличие от силикагеля стабильна в щелочной среде, что обеспечивает работу с элюентами, применяемыми в варианте ионной хроматографии с подавлением фоновой электропроводности.
Синтезированы монодисперсные (3±0,2 мкм) частицы сополимера стирола и дивинилбензола с площадью поверхности около 100 м2/г, которые впоследствии использовали для синтеза полиэлектролитных анионнообменников.
Шкалы относительного удерживания неорганических анионов на некоторых изученных полиэлектролитных сорбентах приведены на рис. 13.
Рис. 13. Шкалы селективности некоторых полученных полиэлектролитных сорбентов. а) СДВБ-S-3,6-ионен; б) СДВБ-S-ПЭВП; в) СДВБ-S-ПДАДМА. Cl- = фактор селективности относительно хлорид-иона. Элюент: 1,7 мМ Na2CO3 + 1,8 мМ NaHCO3. |
На всех полученных сорбентах удалось добиться полного разделения пяти стандартных неорганических анионов (рис.14). Наивысшая эффективность (35000 Тт/м) достигнута на колонке с СДВБ-S-ПДАДМА (табл.3). Следует отметить, что это одна из рекордных эффективностей, для ионохроматографических анионообменников на основе полимерной матрицы.
| Рис. 14. Хроматограмма модельной смеси неорганических анионов на полиэлектролитном сорбенте с СДВБ матрицей. Сорбент: СДВБ-S-ПДАДМА. Колонка: 3х50 мм. Скорость потока элюента: 0,55 мл/мин. Элюент: 1,7 мМ Na2CO3 и 1,8 мМ NaHCO3. Скорость потока элюента: 0,8 мл/мин. Концентрации ионов по 0,2 мМ. Кондуктометрическое детектирование. |
Таблица 3. Коэффициенты емкости определяемых анионов и эффективность изученных сорбентов (условия хроматографирования см. 6.42). Сорбенты СДВБ-S-ПЭВП (Х) различаются емкостью.
Анион | СДВБ-S- | СДВБ-S-ПЭВП (1) | СДВБ-S-ПЭВП (2) | СДВБ-S-ПЭВП (3) | СДВБ-S-ПДАДМА | |||||
k` | N, ТТ/м | k` | N, ТТ/м | k` | N, ТТ/м | k` | N, ТТ/м | k` | N, ТТ/м | |
0,25 | 8500 | 0,09 | 6400 | 0,16 | 8100 | 0,10 | 6200 | 1,31 | 10600 | |
0,72 | 18100 | 0,64 | 7600 | 1,00 | 17800 | 0,56 | 8900 | 2,48 | 28700 | |
1,55 | 26500 | 2,79 | 11500 | 2,57 | 22500 | 1,11 | 18600 | 5,37 | 35000 | |
2,07 | 18000 | 1,84 | 11000 | 4,02 | 4600 | 2,90 | 13600 | 8,87 | 11400 | |
3,37 | 22700 | 7,60 | 10000 | 7,88 | 12100 | 3,60 | 17000 | 13,46 | 26900 | |
Показано, что структура водорастворимого полимера и исходная матрица, используемые при синтезе полиэлектролитных сорбентов, влияют на селективность и емкость полученных сорбентов. Варьирование структуры полимера дает возможность простого синтеза анионообменников с различной селективностью.
Как и в случае с полиэлектролитными сорбентами с силикагелевой матрицей, недостатком таких сорбентов является падение емкости и снижение времен удерживания ионов. Это можно было бы объяснить смыванием полимера с поверхности сорбента, однако результаты хиимческого анализа показывают, что количество азота остается постоянным. Следовательно, полимер не смывается с поверхности, а, вероятно, изменяет свою конформацию, что негативно отражается хроматографических характеристиках сорбентов.
Однако, устойчивости полиэлектролитных анионообменников хватает для проведения небольшого количества анализов (решения конкретной задачи). Так, например, результаты определения анионов в пробах природной воды и соотвествующие пределы обнаружения приведены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты определения анионов в пробах природной воды (n=3, P=0,95).
Анион | ПрО, мкг/л | Проба 1 | Проба 2 | Проба 3 | |||
Содержание, мкг/мл | Sr, % | Содержание, мкг/мл | Sr, % | Содержание, мкг/мл | Sr, % | ||
FЦ | 0,1 | 262,5 | 0,04 | 141,4 | 0,04 | 292,5 | 0,04 |
CH3COOЦ | 1,2 | 3,050,21 | 0,03 | 2,410,16 | 0,03 | 2,110,05 | 0,01 |
HCOOЦ | 1,8 | ||||||
ClЦ | 0,2 | 8,570,32 | 0,02 | 8,780,30 | 0,02 | 8,010,25 | 0,01 |
NO3Ц | 0,6 | 1,130,11 | 0,04 | 0,530,04 | 0,03 | 0,860,14 | 0,05 |
HPO42Ц | 1,6 | 615 | 0,03 | 1184,3 | 0,02 | 862,5 | 0,02 |
SO42Ц | 0,8 | 7,660,33 | 0,02 | 2,640,06 | 0,05 | 8,630,46 | 0,02 |
C2O42Ц | 2,3 | 0,580,04 | 0,03 | 0,260,03 | 0,04 | 1,80,11 | 0,02 |
Впервые показано, что эффект образования прочных полиэлектролитных комплексов можно использовать в аналитической химии при изготовлении и эксплуатации анионообменников для ионной хроматографии. Представлялось интересным получать полиэлектролитные комплексы и использовать их в таких аналитических методах, как капиллярный электрофорез и мицеллярная электрокинетическая хроматография.
2.1. Применение полиэлектролитных сорбентов в электрокинетической хроматографии
В электрокинетической хроматографии движение подвижной фазы через колонку (обычно капиллярную) происходит не под действием внешнего источника давления, а в результате образующегося электроосмотического потока. Преимуществом такого способа является потенциально более высокая эффективность разделения. Схема полученных капиллярных колонок представлена на рис.15.
Рис.15. Схема капилляра для электрокинетической хроматографии, заполненного полиэлектролитным сорбентом.
Было найдено, что анионообменная емкость колонки линейно зависит от длины учестка капилляра, заполненного полиэлектролитным сорбентом. Время миграции зависит от константы ионного обмена соотвествующего аниона. Хроматограммы раствора п-аминобензойной кислоты на полиэлектролитном сорбенте и на капилляре, заполненном Nucleosil 100-5 SB представлены на рис.16. В одних и тех же условиях эксперимента, времена удерживания п-аминобензойной кислоты были 43 и 3,5 мин соответственно. Таким образом, применение полиэлектролитных сорбентов с малой емкостью позволяет существенно сократить время анализа и обеспечить хорошую селективность разделения (рис.17).
| Рис. 16. Удерживание (А) Nucleosil 100-5 SB. Элюент: 1 мМ KH2PO4, Б) Exsil-100 SCX- 2,10-ионен. Элюент: 1 мМ KH2PO4, 0,1% раствор 2,10-ионена (в PO4-форме), pH 6.5 (раствор TRIS). | |
Средняя эффективность разделения около 120000 ТТ/м. Пределы обнаружения ароматических кислот составляют 2-5 мкг/мл.
Рис. 17. Хроматограммы смеси ароматических кислот в вариантах (A)-КЗЭ и (В)-КЭКХ. Капилляр: 33 см (16 см набивная часть) x 75 мкм. Элюент: 0,1% раствор 2,10-ионена (в PO4-форме) - 1 мМ KH2PO4 - 10% ацетонитрила, pH 6.4 (раствор TRIS).
Напряжение: - 20 кВ. Электрокинетический ввод пробы: -5 кВ за 5 сек. Концентрация кислот: по 0,5 мМ каждого. СФ-детектирование при 254 нм. Пики: 1 = ЭОП (ацетон),
2 = п-гидроксибензойная, 3 = салициловая, 4 = бензойная, 5 = o-Br-бензойная,
6 = p-аминосалициловая, 7 = p-аминобензойная.
Удерживание веществ происходит в основном по ионообменному механизму. Возможно легко варьировать структуру полимера-модификатора для контроля селективности определения. Значительно сокращается время анализа. Еще более перспективным, на наш взгляд является использование катионных полимеров для модификации капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза.
2.2. Применение катионных полимеров в качестве модификаторов капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза
Было изучено поведение неорганических и некоторых органических анионов на капиллярах с внутренним размером 10, 25, 50, 75 и 100 мкм. Зависимость эффективности и коэффициент ассимметрии пика роданида, как функция диаметра капилляра иллюстрирует табл. 5.
Таблица 5. Зависимость эффективности и коэффициент ассимметрии пика роданида, как функция внутреннего диаметра капилляра.
Внутренний диаметр, мкм | Эффективность ТТ*10-3/м | Коэффициент асимметрии |
10 | 70 | 1,86 |
25 | 216 | 1,05 |
50 | 166 | 1,02 |
75 | 150 | 1,02 |
100 | 120 | 1,03 |
При уменьшении диаметра капилляра со 100 до 25 мкм эффективность логично увеличивается. Однако, при переходе к 10 мкм капиллярам наблюдается резкое падение эффективности и увеличение асимметрии пика. По-видимому в этом (и только в этом) случае аниообменный механизм играет существенную роль
Результат может быть объяснен в соответствии с теорией адсорбции электролитов.
Таким образом, показано, что при диамерах капилляра более 10 мкм, ионообменнные взаимодействия аналит-сорбированный полимер пренебрежимо малы и основной вклад в возможное изменение селективности будет вносить различная устойчивость ионных пар аналит - полимер в рабочем буферном электролите.
2.2.1. Селективность полимеров-модификаторов к неорганическим и органическим анионам
Каждый полимер характеризуется своей уникальной селективностью к определяемым ионам. Удаление полимера из рабочего буферного электролита приводит к единой картине (Рис.19f). Пики сульфата и нитрата полностью перекрываются, значительно уменьшается разделение пиков перхлората и молибдата. Очевидно, что когда полимер отсутствует в буферном электролите, образование ионных пар невозможно. Анионы мигрируют по капилляру в соотвествие со своей подвижностью, и наблюдается единая картина.
Найдено, что как модификаторы, алифатические ионены подобны ПДАДМА. Из них, 2,10-ионен обеспечивает наилучшую селективность. Однако, в случае ароматических ионенов, ситуация меняется. Виологены характеризуются высокой склонностью к образования прочных ионных пар. Это приводит к замедлению скорости миграции таких ионов по капилляру. Подобным образом ведут себя роданид, перхлорат и иодид. К сожалению, такие сильные взаимодействия приводят к уширению пиков данных анионов.
Показано, что варьирование полимеров-модификаторов позволяет целенаправлено управлять селективностью разделения анионов в методе капиллярного зонного электрофореза. Это было использовано при изучении различных модельных систем и анализе реальных объектов.
Рис. 19. Электрофореграммы анионов, полученные на капиллярах, модифицированных различными полимерами. (A) 2,4-ионен; (B) 3,6-ионен; (C) 2,10-ионен; (D) ПДАДМА; (E) 3,X-ионен; (F) - без добавление полимера в буферный электролит (поток обращен 3,6-ионеном). Капилляр: 100 мкм x 60 см (52 см эффективная длина). Напряжение: Ц15 кВ. Рабочий буферный электролит: 5 мМ H2CrO4 + 1 мМ полимера, pH 7,7 (доведено раствором TRIS). Концентрации анионов по 0,2 мМ каждого.
Пики: 1-хлорид, 2-нитрат, 3-сульфат, 4-перхлорат, 5-молибдат, 6-формиат.
2.2.2. Совместное определение хлората, перхлората и азида
Выбор такого набора анионов обусловлен целями криминалистических исследований по обнаружению следовых количеств хлоратов, перхлоратов и азидов. В ходе исследований установлены доминирующие факторы, определяющие электрофоретическое разделение хлоратов, перхлоратов и азидов на фоне сопутствующих ионов. В качестве модификаторов был выбран ряд ионенов разной полярности: 2,4-; 4,6-; 6,9- и 2,10-ионены, а также (для сравнения) широко используемый низкомолекулярный модификатор ЦТАБ.
Наилучшую селективность разделения анионов обеспечил 2,4-ионен. При концентрации полимера 0,05 % сила тока в капилляре не превышает 100 мкА, что позволяет разделять и определять хлорат, перхлорат и азид ионы с хорошей селективностью и эффективностью. Кроме того, показано, что традиционные модификаторы ЭОП (ЦТАБ, ЦТАГ и др.) в концентрациях выше и ниже ККМ не способны разделять все интересующие анионы.
Было найдено, что добавка н-бутанола меняет селективность разделения азида относительно хлората и перхлората в полимер-модифицированных капиллярах. Добавление метанола исключает возможность образования микроэмульсии вследствие полной растворимости н-бутанола (10% об.) в буфере, содержащем MeOH (7% об.). Некоторые метрологические характеристики определения азида, хлората и перхлората приведены в табл.6.
Таблица 6. Метрологические характеристики определения азида, хлората и перхлората в присутствии других неорганических анионов методом капиллярного электрофореза с модифицированным капилляром (условия разделения: 5 мМ хромата калия, 0,5 мМ 2,4Ционен, 10% н-бутанол, 7% метанол (pH=8,25), (P=0.95, n=3).
Анион | Предел обнаружения, мг/л | Воспроизводи-мость времен миграции, мин | Разрешение пар пиков, Rs | Эффектив-ность (на капилляр), N | иней-ность, мг/л |
NO3- | 0,5 | 5,67±0,02 | 8,9 (Cl-/NO3-) | 290000 | 1,0 - 125 |
SO42- | 0,5 | 6,03±0,02 | 5,5 (NO3-/SO42-) | 240000 | 1,0 - 190 |
ClO4- | 1,0 | 6,24±0,02 | 7,1 (SO42-/ClO4-) | 280000 | 1,0 - 100 |
ClO3- | 1,0 | 6,34±0,02 | 3,3 (ClO4-/ClO3-) | 200000 | 1,0 - 100 |
N3- | 0,8 | 6,48±0,02 | 3,8 (ClO3-/N3-) | 110000 | 1,0 - 55 |
Найденные оптимальные условия анализа, использованы нами для определения хлората, перхлората и азида в модельных смесях, продуктах после взрыва и в составе пиротехнических изделий. Был произведен модельный подрыв 35 мг азида свинца, с целью обнаружения следовых количествах азида после взрыва. Электрофореграмма смыва с пластины размером 10х10 см приведена на (рис. 20). В диссертации приведены примеры электрофореграммы и разультаты определения хлоратов и перхлоратов в составе пиротехнических изделий. Правильность полученных результатов была подтверждена методом ионной хроматографии.
| Рис. 20. Обнаружение азида (20 мкг/смыв) в смыве после взрыва 35 мг азида свинца. |
2.2.4. Быстрое определение ароматических аминокислот
Задача быстрого, селективного и чувствительного определения аминокислот до сих под актуальна, несмотря на большое количество методов, которые были использованы для ее решения. Аминокислотный анализ с предварительной дериватизацией наиболее целесообразен для полного аминокислотного анализа объектов, но дериватизация делает анализ более трудоемким и дорогостоящим. В ряде случаев необходимо контролировать только содержание ароматических аминокислот. В настоящей работе тирозин, фенилаланин и триптофан были определены методом капиллярного электрофореза. Для экспрессного и селективного определения аминокислот в рабочий электролит добавлен 3,6-ионен. Это обеспечивает экспрессное и воспроизводимое определение. Метод применен для одновременного определения тирозина, фенилаланина и триптофана в инфузионных растворах для внутривенных вливаний Инфезола 40о и Церебролизатао.
Предел обнаружения составляет 2-10 мг/л. Средняя эффективность: 100-120 тысяч теоретических тарелок. Общее время анализа, как правило, не превышает 10 минут, что делает этот метод пригодным для проведения скрининговых анализов на производстве и т.п.
2.3. Электрофоретическое определение фенолов
Существующие методы КЗЭ предполагают использование поверхностно-активных веществ (таких как цетилтриметиламмоний бромид) для обращения электроосмотического потока (ЭОП), что накладывает определённые ограничения на развитие модификаций данного метода. Механизм разделения фенолов в исследованных системах основан на миграции соответствующих фенолятов в направлении ЭОП. В щелочных буферных растворах имеет место ион - парное взаимодействие фенолят-полимер, и происходит распределение веществ между буферным раствором и псевдостационарной фазой (полимером). Различные фенолы имеют разное сродство к алкильным или арильным заместителям в полимерной цепи модификатора, за счёт этого получена различная селективность определения фенолов.
Выбор состава и рН буферного электролита. С одной стороны высокая буферная емкость и ионная сила способствуют увеличению интервала линейности сигнала определяемых веществ и ускорению ЭОП, а с другой стороны, повышенная проводимость раствора приводит к увеличению токовой нагрузки на капилляр и в конечном итоге к уменьшению воспроизводимости измерений. После исследования токовых нагрузок растворов фосфата и тетрабората натрия в качестве фоновых электролитов (при напряжении 20 кВ) оптимальным оказался буфер содержащий 6-7 мМ дигидрофосфата натрия и 0,4 - 0,8 мМ тетрабората натрия, рН 11.
Выбор концентрации полимеров. Для поддержания обращённого ЭОП требуется присутствие полимерного модификатора в концентрации выше 0,0005%, (хотя на практике применяются концентрации порядка 0,01%). С точки зрения повышения вкладов ион-парного и гидрофобного механизмов буфер должен содержать большие количества полимера - около 0,1%. Однако это приводит к увеличению вязкости буфера, а также значительному увеличению силы тока через капилляр.
При концентрации полимера 0,01% сила тока в капилляре не превышала 120 мкА, что позволяло разделять и определять фенолы с хорошим уровнем селективности и эффективности.
2.3.1. Селективность и эффективность определения фенолов в виде фенолятов
С точки зрения эффективности и селективности, наибольший эффект получен с применением 2,10 ионена в качестве модификатора. Данный полимер имеет гибкую структуру молекулы, способную легко образовывать в водных растворах клубки-глобулы. По-видимому, такая высокая эффективность объясняется гидрофобными взаимодействиями фенолят-полимер. Найдено, что, что гидрофобные ионены и виологены оказывают сильное влияние на разделение пары резорцин-фенол, в то время как ПДАДМА лучше подходит для разделения фенолов с акцепторными заместителями (рис.21). При использовании приемов стекинга возможно достичь высоких (более 200000 ТТ) значения эффективности разделения для каждого из фенолов.
| Рис. 21. Сравнение селективности разделения фенола и резорцина при использовании различных полимеров в качестве модификаторов. Буферный электролит: 6,6 мМ NaH2PO4 0,8 мМ + Na2B4O7, рН 11. |
Следует отметить, что при разделении фенолов методом КЗЭ, гидрофобность и гибкость полимерной цепи являются основными факторами, которые надо учитывать при выборе полимера. Градуировочные графики линейны в интервале 40- 3000 мкг/. Воспроизводимость времен миграций и площадей пиков: Sr≤0,1.
В качестве примера определения фенольных соединений методом капиллярного зоннного электрофореза с полимер-модифицированными капиллярами в реальных объектов можно привести контроль качества лекарственного препарата Церебролизин (Россия). Следует отметить, что состав Церебролизина достаточно сложен. Для определения фенола в препарате в качестве полимера-модификатора был синтезирован и использован 2,10-ионен. Этот полимер в водных имеет специфическую структуру, схематично изображенную на рис. 22.
| Рис. 22. Схематичное изображение конформации 2,10-ионена в водных растворах с включенными в кластеры фенолами. Заштрихованы гидрофильные области в составе молекулы полимера. |
Причиной этого является чередование в его молекуле гидрофильных (заряженные атомы азота, разделенные двумя метиленовыми группами) и гидрофобных (заряженные атомы азота , разделенные десятью метиленовыми группами) фрагментов. В эти петли могут включаться и координироваться молекулы, в составе которых есть гидрофильные и гидрофобные участки (например, фенолы). В результате этого 2,10-ионен показывает наилучшую селективность при разделении этих соединений. Наличие фенола впоследствии было подтверждено хромато-масс-спектрометрически.
2.3.2. Определение фенолов методом мицеллярной электрокинетической хроматографии
Соединения, разделяемые методом МЭКХ должны присутствовать в растворе в преимущественно виде нейтральных соединений, поскольку солюбилизация в мицеллярной фазе возможна только в том случае. В качестве модельных веществ были выбраны п-хлорфенол, пирокатехин, гидрохинон, фенол и резорцин. Используемые фенолы характеризуются различной полярностью, кислотностью и гидрофобностью.
Выбор концентрации ионенов. Ионены имеют высокие значения ККМ, либо не образуют их вовсе. Найдено, что что концентрации ионенов в буфере для МЭКХ должны составлять не менее 2-5%. Строго говоря, в этом случае образуются не мицеллы в классическом смысле, а скорее мицеллоподобные агрегаты. Показано, что при использовании выбранного ацететаного буфера с концентрацией ионена выше 4% возможно разделение фенолов в качестве нейтральных соединений по гидрофобному механизму.
Сравнение селективностей разделения. В случае МЭКХ сильное значение приобретает плотность заряда на полимерной цепи. В случае МЭКХ ион-парные взаимодействия практически не играют роли в разделении, разделение происходит за счёт гидрофобных взаимодействий. Так, 6,9Ционен имеет гибкую структуру молекулы, способную легко образовывать в водных растворах клубки-глобулы. Высокая селективность разделения объясняется гидрофобными взаимодействиями фенол-полимер. Таким образом 6,9Ционен, обладая малой плотностью заряда и высокой гидрофобностью является одним из наиболее перспективных ионенов для МЭКХ.
Связь времен удерживания и гидрофобности соединений. При работе с многокомпонентными смесями часто требуется идентификация отдельных пиков. Для оценки удерживания фенолов в МЭКХ было предложено использовать параметр гидрофобности Ханша (LogP). Было найдено, что времена миграции фенолов зависят от их гидрофобности, причём, такая зависимость носит линейный характер.
Данные комплексы можно рассматривать как особый класс поверхностно-активных полиэлектролитов. То что, образование внутримолекулярной мицеллярной фазы является необходимым условием образования комплексов, а свободные участки полииона обуславливают растворимость указанных соединений в водных средах, позволяет рассчитывать на то, что комплексы смогут использоваться в качестве псевдостационарных фаз, обладающих уникальной селективностью, для разделения различных соединений в методе МЭКХ. Схематично, строение подобно комплекса изображно на рис. 23.
| Рис. 23. Схема водорастворимого полиэлектролитного комплекса между полиакриловой кислотой и додецилтриметиламмоний бромидом (число агрегации N не соответствует реальному). |
3.1. Электрофоретическая подвижность полиэлектролитных комплексов и полиакриловых кислот
Было изучено электрофоретическое поведение полиакриловой кислоты с различной степенью полимеризации, ее полиэлектролитных комплексов с додецилтриметиламмоний бромидами различного состава ().
Времена миграции полиакриловых кислот, и рассчитанные электрофоретические подвижности образцов полиакриловой кислоты приведены в табл. 7. Установлено, что электрофоретическая подвижность незначительно отличается для полиакриловой кислоты с разной степенью полимеризации.
Таблица 7. Эектрофоретические подвижности полиакриловых кислот (n=5, Р=95%).
Степень полимеризации ПАК, Pw | S1, см | V1, см/сек | V2, см/сек | *104, см2/В*сек ПАК | (min-max)*104, ПАК | *104 см2/В*сек ЭОП |
60 | 50,71 | 0,170 | 0,131 | - (3,13 0,06) | 0,23 | 4,08 |
1800 | 51,52 | 0,173 | 0,129 | - (3,10 0,04) | 0,14 | 4,2 |
3500 | 51,04 | 0,178 | 0,128 | - (3,01 0,08) | 0,2 | 4,26 |
3.2. Разделение дансильных производных аминокислот
Семь дансил-производных аминокислот с разными гидрофобностью и долей заряженной и незаряженной формы были выбраны в качестве модельной смеси для изучения свойств псевдостационарных фаз на основе полиэлектролитных комплексов.
На основании полученных данных была найдена электрофоретическая подвижность производных аминокислот (находится в диапазоне от -2.6 до -2.4*10-4 см2/В*сек). Основные параметры электрофоретического разделения для производных аминокислот рассчитаны и представлены в табл. 8.
Таблица 8. Изменение общей подвижности дансил- производных аминокислот после добавления полиэлектролитного комплекса в буферный электролит.
Название | Время, мин | Площадь, мин*mAU | Высота, mAU | W1/2, мин | N, тт/м | , 10-4 см2/В*сек | , 10-4 см2/В*сек |
DNS-Thr | 16,79 | 15,1 | 0,43 | 0,59 | 9 000 | - 1.23 | 1.27 |
DNS-Ser | 17,51 | 15,2 | 0,38 | 0,67 | 7 500 | - 1.18 | 1.32 |
DNS-Val | 23,20 | 17,0 | 0,79 | 0,36 | 47 000 | - 0.89 | 1.61 |
DNS-Met | 28,66 | 15,3 | 0,64 | 0,4 | 58 000 | - 0.72 | 1.78 |
DNS-Leu | 31,04 | 19,8 | 0,9 | 0,37 | 80 000 | - 0.67 | 1.83 |
На основании приведенных данных можно сделать вывод, что разделение смеси дансильных производных аминокислот происходит благодаря присутствию в буфере полиэлектролитного комплекса. Комплекс проявляет сильное дифференцирование в удерживание производных аминокислот, например в отсутствии комплекса времена выхода DNS-Thr и DNS-Leu отличаются менее чем на одну минуту, а после добавки комплекса различие достигает 15 минут.
В пользу распределительного механизма удерживания говорит и линейный характер зависимости от LogD.
Добавка полиэлектролитного комплекса ПАК/ДТАБ в буфер приводит к разделению смеси производных на индивидуальные пики рис. 24Б. Это происходит благодаря их распределению между псевдофазой и окружающим буферным раствором (рис. 24В). Это является одним из основных доказательств того, что здесь реализуется распределительный механизм удерживания, лежащий в основе метода МЭКХ. Порядок миграции дансильных производных аминокислот следующий:
DNS-Thrа<аDNS-Serа<аDNS-Valа<аDNS-Metа<аDNS-Leuа<аDNS-NorLeu.
Полученные результаты для дансил-производных аминокислот позволяют сделать вывод о том, что в данном случае реализуется вариант МЭКХ и основной вклад в механизм разделение дансил-производных аминокислот на полиэлектролитных комплексах вносят гидрофобные взаимодействия между мицеллоподобной фазой ПЭК и разделяемыми соединениями.
Рис. 24. Электрофореграмма дансил-производных аминокислот. Капилляр: 80,5 см х 50 мкм. Буферный электролит: (А) 50 мМ фосфат, рН 6.0; (Б) 50 мМ фосфат, 7.9 мМ ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.3) рН 6.0; (В)50 мМ фосфат, 15.8 мМ ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.3) рН 6.020 мМ фосфат, рН 5.8. Напряжение: 30 кВ (370 В/см). Ток: 64 мкА. Детектирование при 254 нм. Проба: смесь дансил-производных, каждого по 10 мкг/мл. |
3.3. Разделение карбобензокси-производных аминокислот
Разделение девяти карбобензокси-производных аминокислот проводили в тех же условиях, что и дансил-производных при использовании комплекса ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.1-0.3) с содержанием в буферном электролите от 0 до 15,8 мМ. Карбобензокси-производные отрицательно заряжены в условиях эксперимента. При использовании фосфатного буферного электролита без добавки ПЭК, разделение основано на разнице в скорости миграции заряженных производных, которая является комбинацией собственной электрофоретической подвижности заряженных карбобензокси-производных и электроосмотической составляющей. Реализуется метод капиллярного зонного электрофореза.
Рис. 25. Электрофореграмма карбобензокси-производных аминокислот. Капилляр: 80,5 см х 50 мкм. Буферный электролит: (А) 50 мМ фосфат, рН 6,0; (В) 50 мМ дигидрофосфат натрия, 7.9 мМ ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.3) рН 5,9. Напряжение: 30 кВ (370 В/см). Ток: 62 мкА. Детектирование при 210 нм. Проба: каждого по 6 мкг/мл. Ввод пробы: 150 мбар*сек. |
При добавлении ПЭК в буферный электролит времена миграции карбобензокси-производных увеличились на несколько минут, однако относительное удерживание уменьшилось. По нашему мнению, увеличение во времени миграции карбобензокси-производных обусловлено, увеличением вязкости буферного электролита после добавки высокомолекулярного комплекса Гипотеза о увеличении времени миграции по причине увеличения вязкости была подтверждена с помощью добавления полиакриловой кислоты в 50 мМ фосфатный буфер - времена миграции карбобензокси-производных увеличивались. Вариант мицеллярной электрокинетической хроматографии здесь не реализуется, возможно, из-за стерических затруднений.
3.4. Область применимости комплексов к качестве
псевдостационарных фаз
Свойства псевдостационарных фаз на основе ПЭК напрямую зависит от числа агрегации молекул ПАВ в мицеллоподобном фрагменте; количества мицеллоподобных агрегатов, их размера, гидрофобности и стерической доступности; также немаловажное значение имеет конформация полимерной цепи и электростатические взаимодействия диссоциированных карбоксильных групп и разделяемых соединений.
Экспериментально установлено, что отличие в составе комплекса в 0,05 вносит не существенную разницу в разделение. Число существующих комплексов образующих псевдостационарные фазы с различными электрофоретическими характеристиками разделениями приведено в табл. 9. Очерчен круг условий, при которых возможно существование растворимого комплекса и применение его в МЭКХ (табл.10).
Таблица 9. Число возможных и изученных составов комплексов.
Алкильный радикал триметиламмоний бромида | Число степеней свободы, F, ( = 0.05) | |
Возможно | Изучено | |
С10 | 30 | 6 |
С12 | 24 | 22 |
С14 | 18 | 4 |
С16 | 12 | 4 |
Таблица 10. Основные параметры полиэлектролитных комплексов и буфера содержащего полиэлектролитный комплекс.
Значение | Свойства комплекса и/или буфера | ||
Основные параметры полиэлектролитных комплексов | |||
Pw | 1 | Pw < 600 | Комплекс нерастворим |
2 | 600 Pw 7200 | Оптимальные условия | |
3 | Pw > 7200 | Стерическое влияние полимерной глобулы | |
Сn | 4 | Сn < 12 | Мицеллосодержащий комплекс не необразуется |
5 | 12 Сn 16 | Оптимальные условия | |
6 | Сn > 16 | Большая гидрофобность алкильных фрагментов | |
7 | < 0.1 | Недостаточная емкость мицеллоподобных агрегатов | |
8 | 0.1 0.3 | Оптимальные условия | |
9 | > 0.3 | Комплекс нерастворим | |
Основные параметры буфера с полиэлектролитным комплексом | |||
рН | 11 | рН < 5.0 | Комплекс нерастворим и неустойчив |
12 | 5.0 рН 6.5 | Оптимальные условия | |
13 | рН > 6.5 | Комплекс нерастворим и неустойчив | |
Сфосф, мМ | 14 | Сфосф < 15 | Недостаточно буферной емкости |
15 | 15 Сфосф 100 | Оптимальные условия | |
16 | Сфосф > 100 | Большая ионная сила и ток | |
СПЭК, мМ | 17 | СПЭК < 2 | Недостаточное удерживание |
18 | 60 СПЭК 60 | Оптимальные условия | |
19 | СПЭК > 60 | Сильное удерживание, большая вязкость | |
где Pw - молекулярная масса полиакриловой кислоты; Сn- число атомов углерода в наиболее длинной алкильной цепи четвертичного аммониевого основания; -степень лоттитрованности комплекса.
Представлялось интересным сравнить селективность ПЭК и традиционного использующегося мицеллообразователя в МЭКХ - додецилсульфата натрия (СДС).
3.5. Селективность полиэлектролитных комплексов и ее сравнение с селективностью додецилсульфата натрия (СДС)
3.5.1. Селективность разделения фенолов
Порядок выхода фенолов при использовании полиэлектролитного комплекса был следующий (рис. 26): фенол < резорцин < р-нитрофенол < о-аминофенол < р-хлорфенол.
Пики всех компонентов смеси полностью разрешены до базовой линии. Для данной системы эффективность разделения была невысокой - на уровне 35000 ТТ/метр. Другой порядок выхода веществ наблюдали при использовании 60 мМ додецилсульфата натрия в качестве псевдостационарной фазы: о-аминофенол < резорцин < фенол < р-нитрофенол < р-хлорфенол. При использовании ПЭК, время анализа 7-8 минут, а для тех же соединений с СДС в качестве буферного электролита - около 20-22 мин, т.е. при использовании псевдостационарной фазы на основе ПЭК наблюдается 3-х кратный выигрыш по времени.
Псевдостационарная фаза на основе полиэлектролитного комплекса ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.3) очень сильно отличается по селективности по отношению к фенолам, по сравнению с СДС (рис.27).
Рис. 26. Электрофореграмма модельной смеси. Капилляр 80 см х 50 мкм. Буферный электролит: 20 мМ дигидрофосфат натрия, 60 мМ ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.3) рН 5,8. Напряжение: 17 кВ (340 В/см). Ток: 120 мкА. Детектирование при 254 нм. Проба: смесь четырех фенолов, каждого по 30 мкг/мл. Ввод пробы: 150 мбар*сек. |
| Рис. 27. Относительная селективность разделения УфеноловФ. Буферный электролит: - 100 мМ СДС, 50 мМ дигидрофосфат натрия, рН 6,0; - 17.4 мМ ПАК Pw=1800/ДТАБ (=0.3), рН 5,9. |
3.5.2. Селективность разделения дансильных производных аминокислот
При сравнении с СДС псевдостационарной фазой полиэлектролитные комплексы Pw=1800/ДТАБ (=0.1-0.3) и Pw=3500/ДТАБ (=0.1-0.3) порядок выхода дансил-производных аминокислот аналогичен. Полученные результаты для дансил-производных аминокислот позволяют сделать вывод о том, что в данном случае реализуется вариант МЭКХ и основной вклад в механизм разделение дансил-производных аминокислот на полиэлектролитных комплексах вносят гидрофобные взаимодействия между мицеллоподобной фазой ПЭК и разделяемыми соединениями. Дополнительным тому подтверждением служат динейные зависимости селективности разделения от концентрации ПЭК в буферном электролите (коэф. корреляцииR2 =0,995-0,999). Такие зависимости были получены для шести дансил-производных аминокислот в диапазоне содержания псевдостационарной фазы от 4,6 до 20,2 мМ (рис. 28).
| Рис. 28. Зависимость относительного удерживания дансильных производных аминокислот от содержания комплекса Pw=1800/ДТАБ (=0.3) в 50 мМ фосфатном буферном электролите. Условия эксперимента приведены на рис. 34. |
С увеличением концентрации комплекса, уменьшается эффективность разделения, и что более существенно, время анализа существенно возрастает.
Такое высокоселективное поведение псевдостационарных фаз на основе полиэлектролитных комплексов уникально, поскольку система, априори не имеющая в своем составе каких-либо особенных функциональных групп, взаимодействует с одним типом производных (дансил-), не взаимодействует с другим типом (карбобензокси-) и проявляет селективность по отношению к фенолам. Вероятной причиной этого является реализация нескольких механизмов миграции.
В заключение раздела приведем некоторые примеры аналитических приложений использования ПЭК в качестве псевдостационарных фаз в МЕКХ.
3.6. Одновременное определение дансил и карбобензокси производных аминокислот
При попытке разделить (с использованием СДС) смесь содержащую 6 дансил- и 10 карбобензокси-производных, пики ряда соединений полностью перекрываются. Пики девяти из шестнадцати производных не удается разделить. Другая селективность, псевдостационарной фазы на основе ПЭК, позволяет решить задачу одновременного определения смеси дансил- и карбобензокси--производных аминокислот. Дансил-производные разделяются по распределительному механизму МЭКХ, в то время как, на удерживание карбобензокси-производных аминокислот ПЭК практически не оказывает влияние. Используя уникальную селективность нового типа фаз удалось добиться полного разделения дансил-производных смеси карбобензокси- и дансил-производных (рис. 29).
Рис. 29. Электрофореграмма смеси дансил- и карбобензокси-производных аминокислот. Капилляр: 80,5 см х 50 мкм. Буферный электролит: 30 мМ дигидрофосфат натрия, 18 мМ ПАК Pw = 1800/ДТАБ ( = 0.3) рН 5,8. Напряжение: 25 кВ (310 В/см). Детектирование при 254 нм. Проба: смесь производных аминокислот по 5 мкг/мл каждого. |
Карбобензокси-производные не взаимодействуют с полиэлектролитным комплексом - десять производных выходят в виде шести близко стоящих пиков от 19 до 22 мин, и не мешают определению дансил-производных аминокислот, как это происходит в случае СДС.
3.7. Определение кофеина в моче
Кофеин (1,3,7-триметилксантин) является стимулятором центральной нервной системы. Это соединение входит в список запрещенных препаратов международного олимпийского комитета и для него установлено пороговое значение на уровне 12 мкг/мл в моче. Чувствительность капиллярного электрофореза позволяет определять соединения, имеющие большой коэффициент молярного поглощения, на этом уровне концентраций в моче.
Пробоподготовка заключалась в фильтрации мочи и разбавлением ее рабочим буферным раствором в два раза. При анализе проб мочи с псевдостационарной фазой на основе СДС, была найдено, что качественное и количественное определение кофеина в моче невозможно. Был предложен способ определения кофеина в моче с использованием псевдостационарной фазы на основе полиэлектролитного комплекса.
Показано соответствие на 96.3% спектров пика со временем удерживания 15,2 мин и стандарта содержащего 25 мкг/мл кофеина. Следует отметить, что достигается существенное упрощение пробоподготовки образца (по сравнению с, например, хроматографическими методами анализа). Обеспечиваются воспроизводимые времена удерживания и сигнал детектора на определяемое вещество (Sr≤ 0,07). Предел обнаружение составляет 1 мкг/мл.
3.8. Разделение стериоизометров при иодировании гомологов бензойной кислоты
Интересным и достаточно неожиданным фактом оказалось стереоизбирательность ПЭК, позволяющая в ряде случаев разделять стереоизомеры веществ.
Ароматическое таллирование в органическом синтезе - это обратимый процесс с исключительно высокими пространственными требованиями. Наиболее эффективным методом является прямое электрофильное таллирование ароматических соединений трифторацетатом таллия (III) в трифторуксусной кислоте. Степень о-замещения в случае гомологов бензойной кислоты зависит от числа метиленовых звеньев между фенильной и карбоксильной группой:
Из соотношения площадей пиков на электрофореграмме видно, что иодированные стереоизомеры в реакционной смеси орто:мета:пара, соотносятся как 1:2:17, что хорошо согласуется с литературными данными и данными полученными другими методами.
Псевдостационарная фаза на основе СДС не позволяет разделять на индивидуальные пики стереоизомеры иодпроизводных -фенилкарбоновых кислот. Таким образом, показано, что водорастворимые ПЭК могут служить новым, весьма перспективным типом псевдофаз в МЭКХ с уникальной и управляемой селективностью, отличной от селективности низкомолекулярных ПАВ.
Выводы
- Впервые предложено использовать эффект образования полиэлектролитных комплексов для получения новых неподвижных анионообменных фаз в ионной хроматографии, модификации капилляров в методе капиллярного зонного электрофореза и псевдофаз в методе мицеллярной электрокинетической хроматографии.
- Разработан способ синтеза полиэлектролитных анионообменников, основанный на модифицировании сульфированных силикагелей или стирол-дивинилбензольныъх матриц водными растворами полимеров, содержащих четвертичные атомы азота, в качестве которых использовались алифатические, ароматические и полифункциональные ионены, алкилированные поли(4-винил)пиридины, полидиаллидиметиламмония хлорид и другие (всего синтезировано и изучено 23 полимера). Показано, что такой способ синтеза обеспечивает большую устойчивость полиэлектролитных сорбентов по сравнению с двойной динамической модификацией силикагелей для ОФ ВЭЖХ.
- Изучено влияние температуры, растворителя и концентрации ионена в процессе синтеза на устойчивость, эффективность и величину обменной емкости получаемых сорбентов. Обнаружен эффект 3-х кратного увеличения емкости и эффективности полиэлектролитных сорбентов, при повышенной температуре (70С) в избытке катионного полиэлектролта. Данный эффект объяснен с точки зрения изменений конформационного строения полимеров при различных температурах.
- Исследовано ионохроматографическое поведение неорганических анионов на синтезированных сорбентах. УФ-детектирование позволяет одновременно определять ацетат, хлорид, нитрит, нитрат, бромид, фосфат, иодид, роданид, перхлорат и сульфат за 15 минут (сорбент Силасорб-SЦ4,6-ионен). Синтезирован сорбент, позволяющих селективно, чувствительно и экспрессно определят тетрафторборат анион в различных объектах.
- Обнаружено, что селективность сорбентов на основе ароматических ионенов к неорганическим анионам схожа с селективность сорбентов на основе их более короткоцепочечных алифатических аналогов. При разделении анионов ароматических кислот для сорбентов на основе ароматических ионенов наблюдается увеличение селективности по сравнению с алифатическими аналогами за счет специфичных Π-Π взаимодействий.
- На примере 2НР,8- и 3,8-ионенов показано, что при введении в -положение к четвертичному азоту гидроксильной группы гидрофильные свойства алифатического ионена возрастают. Селективность к неорганическим ионам ионена с гидроксильной группой аналогична селективности сорбента на основе обычного алифатического ионена, содержащего в основной цепи меньшее число метиленовых групп (2,8-ионену).
- Показано, для достичения наилучшей селективности при разделении анионных комплексов переходных металлов с ЭДТА в качестве полимера-модификатора целесообразно использовать алкилированный поли(4-винил)пиридин, с введенными в его состав карбокисльными группами.
- С использованием метода кластерного анализа была осуществлена классификация сорбентов на основе алифатических ионенов по их селективности к сильно- и слабоудерживаемым анионам. Выявлены три класса, обозначенные как гидрофильный, переходный и гидрофобный, а также ряд наиболее дискриминирующих признаков. На основании данных кластерного анализа с использованием метода К-ближайших соседей-линейная регрессия были предсказаны селективности сорбентов.
- Найден способ управления селективностью определения в методе капиллярного зонного электрофореза, что продемонстрировано на примере модельных смесей и реальных объектов (пиротехнические составы, лекарства). Обсуждены преимущества полимерных модификаторов по сравнению с ранее применявщимися низкомолекулярными ПАВ.
- Предложен новый тип псевдостационарных фаз в мицеллярной электрокинетической хроматографии - нестехиометрические водорастворимые полиэлектролитные комплексы четвертичных аммониевых оснований и полиакриловой кислоты. Достоинства и недостатки фаз проиллюстрированы на примерах разделения и определения производных аминокислот и фенолов.
- Определены основные параметры полиэлектролитных комплексов полиакриловой кислоты с алкилтриметиаламмоний бромидами и основных электрофоретических условий, при которых они могут использоваться как псевдостационарные фазы. Изучено влияние основных параметров полиэлектролитных комплексов: степени полимеризации полиакриловой кислоты, длины алкильного радикала аммониевого основания, состава полиэлектролитного комплекса и содержания комплекса в разделяющем буферном электролите на селективность и эффективность разделения. Проведено сравнение предложенных фаз с додецилсульфатом натрия.
- В качестве иллюстрации полезных аналитических свойств новых псевдофаз приведены примеры одновременного определения дансил- и карбобутокси-производных аминокислот, определения кофеина в моче, стереоизомеров -фенилкарбоновых кислот. За счет изменения селективности устранено мешающее влияние компонентов матрицы. Отмечено, что данные задачи не решаются с использованием традиционно используемого модификатора- додецилсульфата натрия.
Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:
1. Обрезков О.Н., Пирогов А.В., Семенова С.Н., Крохин О.В. Шпигун О.А. Определение переходных металлов на динамически модифицированных ионообменниках. // Журн.физич.химии. 1994. Т.68. №4. С.1880-1883.
2. Пирогов А.В., Обрезков О.Н., Шпигун О.А. Температура как параметр оптимизации при ионохроматографическом определении анионов. // Журн.аналит.химии. 1997. Т.52. №2. С.172-176.
3. Свинцова Н.В., Смоленков А.Д., Крохин О.В., Пирогов А.В., Обрезков О.Н., Шпигун О.А. Использование новых поверхностно-модифицированных сорбентов на основе силикагеля для ионохроматографического определения анионных комплексов переходных металлов. // Журн.аналит.химии. 1998. Т.53. №4. С.397-400.
4. Pirogov A.V., Svintsova N.V., Kuzina O.V., Krokhin O.V., Platonov M.M., Shpigun O.A. Silicas modified by polyelectrolyte complexes for the ion chromatography of anionic complexes of transition metals. // Fresenius J.Anal.Chem. 1998. V.361. P.288-293.
5. Пирогов А.В., Кузина О.В., Платонов М.М., Ильин М.М., Шпигун О.А. Новые полиэлектролитные анионообменники для ионной хроматографии. Самара. Самарский университет. 1999. Т.2. С.163-170.
6. Pirogov A.V., Platonov M.M., Shpigun O.A. Polyelectrolyte sorbents based on aliphatic ionenes for ion chromatography. // J.Chromatogr.A. 1999. V.850. №1-2. P.53-63.
7. Пирогов А.В., Свинцова Н.В., Кузина О.В., Крохин О.В., Шпигун О.А. Устойчивость гидрофобизованных силикагелей, модифицированных полиэлектролитными комплексами в условиях ионохроматографического эксперимента. Вестник МГУ, Химия. 2000. Т.41.
№ 4. С. 236Ц240.
8. Пирогов А.В. Полиэлектролитные сорбенты для ионной хроматографии. // Журн. аналит. химии. 2000. Т.55. №12. С.1285-1291.
9. Pirogov A.V., Krokhin O.V., Platonov M.M., Deryugina Ya.I., Shpigun O.A. Ion-chromatographic selectivity of polyelectrolyte sorbents based on some aliphatic and aromatic ionenes. // J.Chromatogr.A. 2000. V.883. №1Ц2. P.31Ц39.
10. Pirogov A.V., Buchberger W. ionene-coated sulfonated silica as a packing material in the packed-capillary mode of electrochromatography. // J.Chromatogr.A. 2001. V.916. №1Ц2.
P.51Ц59.
11. Пирогов А.В., Нахабина Г.И., Шпигун О.А. Определение аминокислот в отечественных и зарубежных лекарственных препаратах методом капиллярного зонного электрофореза. // Высокие технологии в промышленности России. 2001. Т.1. С.205-209.
12. Pirogov A.V., Buchberger W., Shpigun O.A. The Comparison of Several Cationic Polymers as Capillary-Modifiers in Capillary Zone Electrophoresis. // Anal.Sci. 2001. V.17, Supplement. P.a1-a4.
13. Pirogov A.V., Stepanov K.V., Shpigun O.A. Electrophoretic determination of phenols in capillaries modified by cationic polyelectrolytes. // Anal.Sci. 2001. V.17, Supplement.
P.a129-a131.
14. Пирогов А.В., Чернова М.В., Немцева Д.С., Шпигун О.А. Влияние сульфирующего реагента на методику синтеза и ионохроматографические свойства сульфированных стирол-дивинилбензольных сорбентов высокой степени сшивки. // Вестник МГУ. 2002. Т.43. №3. С.172-177.
15. Крохин О.В., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Новые высокоэффективные способы ионообменного разделения. // Журн. аналит. химии. 2002. Т.57. №10. С.1087-1095.
16. Shpigun O.A., Shapovalova E.N., Ananieva I.A., Pirogov A.V. Separation and enantioseparation of derivatized amino acids and biogenic amines by high-performance liquid chromatography with reversed and chiral stationary phases. // J.Chromatogr.A. 2002.V.979. N.1. P.191-199.
17. Kopeck K., Tesarova E., Pirogov A., Gas B. Ionenes acting as pseudostationary phases in capillary electrokinetic chromatography. // J. Sep. Science. 2002. V.25. №15-17. P.1027-1034.
18. Шпак А.В., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Использование полиэлектролитных комплексов полиакриловой кислоты и четвертичных аммониевых солей в качестве новых псевдостационарных фаз в мицеллярной электрокинетической хроматографии. // Хим. и хим. технол. 2002. Т.2. С.234-237.
19. Нестеренко П.Н., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Современные системы разделения для ионной хроматографии. // Завод.лабор. 2003. Т.69. №3. С.10-18.
20. Pirogov A.V., Shpak A.V., Shpigun O.A. Application of polyelectrolyte complexes as novel pseudo-stationary phases in MEKC. // Anal.Bioanal.Chem. 2003 V.375. P.1199-1203.
21. Пирогов А. В., Степанов К. В., Шпигун О. А. Изменение электрофоретической подвижности фенолов при использовании ионенов в качестве добавок в буферный электролит. // Журн. аналит. химии. 2003. Т.58. №5. С.534-541.
22. Шпак А. В., Пирогов А. В., Шпигун О. А. Определение аминокислот методом капиллярного электрофореза без предварительной дериватизации. // Журн. аналит. химии. 2003. Т.58. №7. С.729-729.
23. Pirogov A.V., Shpigun O.A. Application of water-soluble polymers as modifiers in electrophoretic analysis of phenols. // Electrophoresis. 2003. V.24. №.12-13. P.2099-2105.
24. Pirogov A.V., Chernova M.V., Nemtseva D.S., Shpigun O.A. Sulfonated and sulfoacylated poly(styrene-divinylbenzene) copolymers as packing materials for cation chromatography. // Anal.Bioanal.Chem. 2003. V.376. №.5. P.745-752.
25. Пирогов А.В., Юрьев А.В., Шпигун О.А. Применение ионенов в качестве модификаторов капилляров при одновреемнном определении азида, хлората и перхлората методом капиллярного зонного электрофореза. // Журн. аналит. химии. 2003. Т.58. №8. С.876-880.
26. Брыкина Г.Д., Жарикова В.С., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Адсорбция окта-4,5-карбоксифталоцианата цинка в присутствии полиэлектролита на сорбентах для высокоэффективной жидкостной хроматографии. // Вестник МГУ, Химия. 2003. Т.44.
№ 6. С. 409Ц411.
27. Шпигун О.А., Нестеренко П.Н., Пирогов А.В. Некоторые аспекты развития ионной хроматографии в России. В кн. "100 лет хроматографии". М.: МАИК-Наука, 2003.
С.641-669.
28. Шпак А.В., Пирогов А.В. Определение неорганических анионов в почвах методом капиллярного электрофореза. // Актуальные проблемы экологии и природопользования. 2003. Т.3. №.2. С.205-209.
29. Shpak A.V., Pirogov A.V., Shpigun O.A. Micellar electrokinetic chromatography with polyelectrolyte complexes as micellar pseudo-stationary phases. // J.Chromatogr.B. 2004. V.800.
№1Ц2. P.91-100.
30. Поспелова А.В., Чернова М.В., Пирогов А.В., Шпигун О.А., Боголицын К.Г. Применение ионной хроматографии для определения неорганических анионов в низкоактивных жидких радиоактивных отходах. // Заводская лаборатория. 2004. Т.2.
С.6-8.
31. Чернова М.В., Шашнина Г.В., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Ионохроматографическое определение констант ионного обмена некоторых неорганических катионов и аминов на сульфоацилированном катионообменнике. // Вестник МГУ. Химия. 2004. Т.45. № 1.
С. 27Ц30.
32. Шпигун О.А., Пирогов А.В., Иванов А.В., Марютина Т.А., Игнатова С.Н. ВЭЖХ системы и их использование в жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазы. // Журн. физич. химии. 2004. Т.78. №6. С.975-979.
33. Shpak A.V., Pirogov A.V., Shpigun O.A. The selectivity in MEKC of pseudo-stationary phases based on polyelectrolyte complexes: I. Composition of the complex. // Anal.Bioanal.Chem. 2005. V.382. №2. P.504-512
34. Пирогов А.В., Юрьев А.В., Шпигун О.А. Определение оптических отбеливателей в писчей бумаге методом капиллярного электрофореза. // Рос. Хим. Журн. 2005. Т. XLIX. №2. С.57-63.
35. Пирогов А.В, Юрьев А.В., Шпигун О.А. Применение 2,4-ионена для обнаружения следовых количеств взрывчатых компонентов пиротехнических составов методом капиллярного электрофореза. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2006. №1. С.46-52.
36. Nedosekin D.A., Pirogov A.V., Faubel W., Pyell U., Proskurnin M.A. Investigation of ionene adsorption on quartz surfaces by thermal-lens spectrometry. // Talanta. 2006. V.68. №5. P. 1474-1481.
37. Боголицына А.К., Пирогов А.В., Шпигун О.А., Бухбергер В. Синтез и изучение ионохроматографических свойств новых анионообменников с конформационно-подвижными функциональными группами. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т.6. № 5. С.827-832.
38. Е.В. Иванайнен, А.А. Иванов, А.В. Пирогов, О.А. Шпигун. Косвенное УФ-детектирование в одноколоночной ионной хроматографии. // Вестник МГУ. Сер.2. Химия. 2006. Т.47. № 3. С.197-202.
39. Касьянова Т.Н., Смоленков А.Д., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Полиэлектролитные сорбенты для ионной хроматографии на основе полистирол-дивинилбензольной матрицы. // Cорбционные и хроматографические процессы. 2007. Т.7. №.1. С.52-57.
40. Касьянова Т.Н., Смоленков А.Д., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Влияние ацилирующего агента на селективность анионообменников и эффективность разделения. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2007. Т.48. №5. С.347-351.
41. Касьянова Т.Н., Смоленков А.Д., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Подвижные фазы для определения поляризуемых анионов на полистирол-дивинилбензольных анионообменниках. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2007. Т.48. №5. С.352-356.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии