Содержание к диссертации
Введение
I. Введение 6
II.1 Иониты и наноиониты 12
II.1.1. Применение наноразмерных частиц в капиллярном электрофорезе 13
II.2.Дендритные полимеры 15
11.2.1. Общая характеристика дендритных полимеров, свойства и методы синтеза 15
11.2.2. Дендритные полимеры в методах разделения 20
II.2.2.1 Дендритные полимеры для экстракции .21
11.2.2.2. Дендритные полимеры в газовой и жидкостной хроматографии 22
11.2.2.3. Дендритные полимеры в капиллярном электрофорезе 26
II.3 Фторполимеры 32
11.3.1. Общая характеристика фторполимеров 32
11.3.2. Особенности строения и свойств фторполимеров 33
11.3.3. Полиэлектролиты на основе фторполимеров. Нафион и области его применения 34
11.3.4. Фторсодержащие органические соединения в хроматографических и электрофоретических методах разделения 36
II.1.4.1 Фторорганические соединения в газовой хроматографии 36
11.1.4.2. Фторсодержащие соединения в жидкостной хроматографии 40
11.1.4.3. Высокофторированные соединения в капиллярном электрофорезе (КЭ) и мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ) 47
II.4. Характеристика методов и объектов анализа 51
II.4.1. Высокоэффективная тонкослойная хроматография (ВЭТСХ) 51
II.4.1.1. Параметры удерживания в ВЭТСХ, эффективность и селективность разделения .51
11.4.2. Метод капиллярного зонного электрофореза и мицеллярной электрокинетической хроматографии 55
11.4.3. Методы on-line концентрирование в капиллярном электрофорезе 59
11.4.4. Ионная хроматография – капиллярный электрофорез 62
11.4.5. Системы оценки полярности фаз в газожидкостной хроматографии 65
11.4.6. Электрофоретические методы определения белков 67
II.4.7.Электрофоретические методы определения катехоламинов
11.4.8. Методы разделения энантиомеров -блокаторов 68
11.4.9. Хроматографические и электрофоретические методы определения кортикостероидов 70
III. Экспериментальная часть 72
111.1. Аппаратура 72
111.2. Растворители и реагенты 73
111.3. Приготовление стандартных растворов 75
111.4. Пробоподготовка реальных объектов к анализу 77
111.5. Приготовление растворов фоновых электролитов для электрофоретических экспериментов 78
111.6. Получение высокофторированных полимеров 78
111.6.1. Синтез бис(2-трифторметил-3окси-перфторгексаноил)пероксида (инициатор полимеризации) 78
111.6.2. Йодометрическое определение концентрации перекиси димера окиси гексафторпропилена 79
111.6.3. Синтез сополимера перфтор(3,6-диокса-4-метил-8-нонен)сульфонилфторида с этиленом (ФП-SO2F) 79
111.6.4. Перевод фторсульфонильных групп полимера ФП-SO2F в сульфонатные 80
111.6.5. Перевод фторсульфонильных групп сополимера ФП-SO2F в сульфамидные 111.6.6. Синтез сополимера этилена, гексафторпропилена и перфтораллилфторсульфата 81
111.6.7. Проведение полимераналогичных превращений: перевод фторсульфатных групп сополимера ФП-OSO2F в карбоксилатные 83
111.6.8. Синтез сополимера этилена, гексафторпропилена и метилового эфира перфтор(2-метил-3,7-диоксанон-8-ен)карбоновой кислоты (ФП-COOMe) 83
111.6.9. Проведение полимераналогичных превращений терминальных сложноэфирных групп сополимера ФП-COOMe в N,N-диэтилкарбамидные 84
111.6.10. Перевод N,N-диэтилкарбамидных групп сополимера ФП-COONEt2 в N,N диэтиламино группы с использованием BF3 Et2O/NaBH4 85
111.7. Оценка возможных взаимодействий синтезированных фторполимеров с
органическими соединениями методом газовой хроматографии 86
111.7.1. Приготовление насадочных колонок на основе фторсодержащих полимеров 86
111.7.2. Условия газохроматографического разделения органических соединений 111.8. Условия разделения модельных смесей водорастворимых витаминов группы В, аминокислот и стероидных гормонов методом высокоэффективной тонкослойной хроматографии (ВЭТСХ) с участием высокофторированных соединений 87
111.9. Эксперименты в условиях капиллярного электрофореза и мицеллярной электрокинетической хроматографии c применением синтезированных высокофторированных полимеров 87
111.10. Электрофоретическое разделение катехоламинов и белков методом КЭ на капиллярах, модифицированных сверхразветвленными полимерами 90
III.10.1. Создание покрытий стенок капилляра сверхразветвленными полимерами 90 III.10.2.Условия электрофоретического разделения катехоламинов и белков на модифицированных капиллярах 91 III.10.3.On-line концентрирование катехоламинов на модифицированных капиллярах. 92 III.10.4.On-line концентрирование белков на модифицированных капиллярах 92 111.11. Разделение энантиомеров аминокислот в условиях капиллярного электрофореза с использованием СРП в качестве хиральных селекторов 93
111.12. Разделение энантиомеров -блокаторов методом высокоэффективной тонкослойной хроматографии с использованием СПР в качестве хиральных селекторов 94
III. 12.1. Модификация стационарной фазы сверхразветвленными полимерами 94
III.12.2. Модификация подвижной фазы сверхразветвленными полимерами 94
III. 12. 3. Оптимизация условий разделения энантиомеров -блокаторов 94
111.13. Электрофоретическое разделение неорганических анионов и органических кислот с модификацией фонового электролита наноанионитом 96
III. 13.1. Приготовление фоновых электролитов для электрофоретического разделения неорганических анионов и органических кислот 96
111.13.2. Создание покрытия стенок капилляра наноанионитом 97
111.13.3. Электрофоретическое разделение неорганических анионов и органических кислот 97
111.13.4. On-line концентрирование неорганических анионов и органических кислот на капиллярах, модифицированных наноанинитом 97
IV.Обсуждение результатов 99
IV.1. Наночастицы анионита - модификаторы стенок кварцевого капилляра, стационарные фазы в КЭ для разделения органических кислот и неорганических анионов 102
IV.1.1.Создание покрытия стенок кварцевого капилляра наноинитом 103
IV.1.2. Электрофоретическое разделение неорганических анионов с наноанионитом в составе фонового электролита 104
IV.3.3. Электрофоретическое разделение органических кислот с участием наноанионита 108
IV.2. Сверхразветвленные полимеры типа «ядро-оболочка» с терминальными олигосахаридными группами (PEI-OS) 115
IV.2.1. PEI-OS - модификаторы кварцевого капилляра в КЭ 117
IV.2.1.1. Электрофоретическое разделение катехоламинов и белков на капиллярах, модифицированных СРП 118
IV.2.2. Сверхразветвленные полимеры с терминальными олигосахаридными группами - хиральные селекторы в КЭ и ВЭТСХ 127
IV.2.2.1. Разделение энантиомеров аминокислот в условиях КЭ 128
IV.2.2.2. Разделение энантиомеров -блокаторов методом ВЭТСХ 129
IV.3. Фторполимеры: синтез и применение в ГЖХ, ВЭТСХ, КЭ 134
IV.3.1. Синтез сополимеров этилена со фтормономерами с различной функциональностью и проведение полимераналогичных превращений 134
IV. 3.2. Эксперименты в условиях ГЖХ с синтезированными фторполимерами в качестве стационарных фаз 140
IV.3.3. Высокофторированные полимеры – модификаторы элюента в ВЭТСХ при определении водорастворимых витаминов, аминокислот и стероидных гормонов 142
IV.3.4. Высокофторированные полимеры – модификаторы фонового электролита в КЭ 148
IV.4. Сопоставление аналитических характеристик изученных полимерных модификаторов в процессах электрофоретического разделения гидрофильных и гидрофобных аналитов 156
V. Заключение 161
Список сокращений 162
Список используемой литературы 165
- Дендритные полимеры для экстракции
- Метод капиллярного зонного электрофореза и мицеллярной электрокинетической хроматографии
- Приготовление растворов фоновых электролитов для электрофоретических экспериментов
- Электрофоретическое разделение неорганических анионов с наноанионитом в составе фонового электролита
Введение к работе
Актуальность. Один из подходов регулировать селективность разделения и влиять на эффективность в хроматографии и капиллярном электрофорезе (КЭ) заключается во введении различных модификаторов (циклодекстринов, поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимерных материалов, ионов металлов и т. д.) в состав стационарной фазы, элюента или фонового электролита. Полимерные модификаторы, обладая устойчивой мицеллоподобной структурой и большим количеством терминальных групп, имеют в отличие от их низкомолекулярных аналогов ряд преимуществ. В первую очередь, это касается многофункциональности таких материалов, которые в зависимости от условий анализа могут проявлять свойства псевдостационарных фаз, формировать физически-адсорбированные покрытия сорбентов и стенок кварцевого капилляра, взаимодействовать с аналитами. Указанные особенности этих материалов в сочетании с вариантами on-line концентрирования могут на порядки снизить пределы обнаружения аналитов (ПО) при их электрофоретическом анализе.
Работа посвящена выявлению аналитических возможностей новых ионогенных
полимерных модификаторов - наноанионита, сверхразветвленных полимеров (СРП) с
олигосахаридной оболочкой и высокофторированных полимеров с различными
функциональными группами в процессах разделения ионных и нейтральных аналитов: белков, катехоламинов, стероидных гормонов, аминокислот, водорастворимых витаминов, -блокаторов, органических кислот и неорганических анионов. Несмотря на очевидные перспективы, работ по применению фторированных функциональных полимеров и наноразмерных анионитов в методе капиллярного электрофореза практически нет.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 11-03-91331-НИИО-а и 17-03-01282-а с использованием оборудования Ресурсного образовательного центра по направлению «Химия», Ресурсных Центров «Геомодель» и «Наноматериалы», Научный парк, СПбГУ.
Цель работы. Выявление возможностей применения наноанионита,
сверхразветвленных и высокофторированных полимеров с ионогенными
функциональными группами в качестве физически-адсорбированных покрытий стенок кварцевого капилляра, псевдостационарных фаз и хиральных селекторов в хроматографии и КЭ при определении неорганических ионов, органических кислот, стероидных гормонов, белков и катехоламинов.
В связи с поставленной целью необходимо было решить задачи:
-
Выявить возможности наноанионита и СРП на основе полиэтиленимина модифицировать стенки кварцевого капилляра и влиять на электроосмотический поток (ЭОП); предложить условия формирования физически-адсорбированных покрытий стенок капилляра этими полимерными модификаторами, оценив их стабильность в различных средах.
-
Получить аналитические характеристики электрофоретических процессов разделения и on-line концентрирования органических кислот и неорганических анионов на модифицированных наноанионитом капилляре и сопоставить полученные результаты с традиционно используемым катионным модификатором цетилтриметиламмоний бромидом (ЦТАБ).
-
Провести серию электрофоретических экспериментов по разделению катехоламинов и белков на модифицированных СРП капиллярах и оценить эффективность, селективность разделения, пределы обнаружения, возможности различных вариантов on-line концентрирования.
-
Изучить возможности СРП с олигосахаридными терминальными группами выступать в качестве хиральных селекторов при разделении -блокаторов.
-
Синтезировать новые низкомолекулярные высокофторированные водорастворимые полимеры с ионогенными терминальными группами для применения их в качестве полимерных модификаторов в КЭ и хроматографии и методом газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) оценить возможные типы взаимодействия аналитов различной природы с применением стационарных фаз на основе синтезированных фторполимеров.
6. На модельных системах гидрофильных (водорастворимых витаминов,
аминокислот) и гидрофобных (стероидных гормонов) аналитов методом
высокоэффективной тонкослойной хроматографии (ВЭТСХ) исследовать возможность
синтезированных фторполимеров модифицировать поверхность силикагеля и
образовывать мицеллоподобные псевдостационарные фазы.
-
Оценить способность фторполимеров с различными кислотно-основными терминальными группами выполнять функции псевдостационарных фаз при электрофоретическом разделении стероидных гормонов в зависимости от природы терминальных групп, концентрации полимера и рН среды.
-
Апробировать установленные закономерности на реальных объектах: биологические жидкости, лекарственные препараты, напитки.
Научная новизна. Методом КЭ установлен факт модификации стенок кварцевого капилляра частицами наноанионита с формированием физически-адсорбируемого, устойчивого в диапазоне рН 2 – 10 покрытия стенок кварцевого капилляра. Величина генерируемого обращенного ЭОП практически не зависит от рН фонового электролита. На капиллярах, модифицированных наноанионитом, в сочетании с электростэкингом пределы обнаружения снижены до 0,4-7,2 нг/мл для неорганических анионов (1,0- 5,1 пг/мл в случае сульфата, фторида, карбоната) и до 1,3-2,5 нг/мл для органических кислот (щавелевой, яблочной, винной, лимонной, янтарной и молочной).
Предложен способ формирования физически-адсорбированного покрытия стенок кварцевого капилляра комплексами «Сu2+- сверхразветвленный полимер с мальтозной оболочкой», обеспечивший высокую эффективность при электрофоретическом разделении катехоламинов и белков (белки N ~ 60 – 800103 т.т./м, катехоламины N ~ 400-500103 т.т./м).
Установлено, что СРП на основе полиэтиленимина с мальтозной и лактозной оболочкой, введенные в состав стационарной фазы (ВЭТСХ), выполняют функции хиральных селекторов при разделении энантиомеров -блокаторов с высокими факторами энантиоселективности (до =37).
Показано, что синтезированные в работе высокофторированные полимеры с различными терминальными группами могут выступать в качестве псевдостационарных фаз в капиллярном электрофорезе, обеспечивая селективное разделение стероидных гормонов.
Практическая значимость работы. Установлено, что применение наноанионита в качестве покрытия стенок капилляра в сочетании с электростэкингом или стэкингом с
усилением поля позволяет проводить экспрессное (6-8 мин) определение неорганических анионов (ПО 1пг/мл – 7нг/мл) и органических кислот (ПО 1,3 – 2,5 нг/мл), что реализовано при электрофоретическом анализе биологических жидкостей (определение неорганических анионов в моче) и напитков (определение органических кислот в образцах белого и красного вина).
Предложен способ формирования стабильного физически-адсорбированного покрытия стенок кварцевого капилляра комплексами «Сu2+- СРП». На модифицированном капилляре при внутрикапиллярном концентрировании обеспечено снижение ПО аналитов в 3-30 раз (белки 0,5 – 2,5 мкг/мл, катехоламины 0,1 – 3,0 мкг/мл) по сравнению со стандартным вводом пробы.
Достигнутые высокие факторы энантиоселективности с участием СРП в качестве
хиральных селекторов при разделении энантиомеров -блокаторов позволяют
рекомендовать их для препаративного разделения.
Синтезированные в работе фторполимеры с терминальными ионогенными группами могут выступать в качестве стационарных фаз в ГЖХ, а также модификаторов фонового электролита и элюента в КЭ и ВЭТСХ. Предложенные варианты электрофоретического разделения стероидных гормонов с участием фторполимеров с анионными группами характеризуются высокой эффективностью (более 200 000 т.т./м; ПО 0,5 – 1,3 мкг/мл) и большей селективностью разделения по сравнению с традиционно используемым анионным детергентом додецилсульфатом натрия (ДДСН).
Степень достоверности и апробация результатов настоящей работы
подтверждается хорошей воспроизводимостью и правильностью аналитических результатов.
Положения, выносимые на защиту
1. Создание физически-адсорбируемого, устойчивого в диапазоне рН 2-10
покрытия стенок кварцевого капилляра наноанионитом, продуцирующее рН-независимый
обращенный электроосмотический поток.
2. Обоснование применения наноанионита в качестве покрытия стенок капилляра в
сочетании с электростэкингом или стэкингом с усилением поля, позволяющего проводить
экспрессный и селективный электрофоретический анализ смесей неорганических анионов
и карбоновых кислот.
-
Новый способ формирования физически-адсорбированного покрытия стенок кварцевого капилляра комплексами «Сu2+-СРП», обеспечивший высокую воспроизводимость параметров миграции белков и катехоламинов, эффективность и селективность разделения, и в сочетании с внутрикапиллярным концентрированием -снижение пределов обнаружения (до ~ 0,5 мкг/мл для белков и 0,1 мкг/мл в случае катехоламинов).
-
Обоснование применения СРП на основе полиэтиленимина в составе стационарной фазы (ВЭТСХ) в качестве хиральных селекторов при разделении энантиомеров -блокаторов (соталола, карведилола и пропранолола) с высокими факторами энантиоселективности.
-
Способность фторполимеров с терминальными ионогенными группами модифицировать поверхности сорбента (силикагель) и стенок кварцевого капилляра, что привело к росту эффективности до ~ 250103 т.т./м при определении белков (КЭ), аминокислот и водорастворимых витаминов (ВЭТСХ).
6. Применение фторполимеров в качестве псевдостационарных фаз в КЭ,
обеспечивших высокую эффективность при разделении стероидных гормонов (более 200103 т.т./м).
Публикации и апробация работы
Материалы диссертации опубликованы в 6 статьях и 38 тезисах докладов,
результаты исследований докладывались на VI Всероссийской конференции молодых
ученых, аспирантов и студентов с международным участием Менделеев (2012, Санкт-
Петербург, Россия); 13th European Meeting on Environmental Chemistry EMEC13 (2012,
Москва, Россия); Втором съезде аналитиков России (2013, Москва, Россия);
Всероссийском симпозиуме «Кинетика и динамика обменных процессов» (2013,
Дивноморск, Краснодарский край, Россия); 1-ой Зимней молодежной школы-
конференции с международным участием «Новые методы аналитической химии», (2013,
Санкт-Петербург, Россия); VII Всероссийской конференции с международным участием
молодых ученных по химии «Менделеев-2013» (2013, Санкт-Петербург, Россия); II
Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный
электрофорез» (2013, Краснодар, Россия); VIII Всероссийской конференции с
международным участием молодых ученных по химии «Менделеев-2014» (2014, Санкт-Петербург, Россия); VI Международной конференции молодых ученых «Органическая химия сегодня» Intercys-2014 (2014, Санкт-Петербург, Россия); The 15th European Meeting on Enviromental Chemistry (2014, Brno, Czech Republic); XIV конференции “Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов” (ИОНИТЫ-2014) и Третьего Всероссийского симпозиума «Кинетика и динамика обменных процессов» с международным участием (2014, Воронеж, Россия); IV Всероссийского симпозиума с международным участием: «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (2014, Краснодар, Россия); International Student Conference «Science and Progress» (2012, Санкт-Петербург, Россия); XXV Менделеевский конкурс молодых ученных (2015, Томск, Россия); Всероссийская конференция «Теория и практика хроматографии» с международным участием, посвященная памяти проф. М.С. Вигдергауза (2015, Cамара, Россия); IX International conference of young scientists in chemistry “Mendeleev-2015” (2015, Санкт-Петербург, Россия); The 16th European Meeting on Environmental Chemistry (2015, Torino, Italy); I Всероссийская конференция с международным участием «Химический анализ и медицина» (2015, Москва, Россия); Международный научный форум молодых ученых «Наука будущего – наука молодых» (2015, Севастополь, Россия); 40th International Symposium on Capillary Chromatography (2016, Riva del Garda, Italia); Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (2016, Екатеринбург, Россия); V Всероссийский симпозиум с международным участием «Кинетика и динамика обменных процессов» (2016, Краснодарский край, г.Сочи, Россия).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, 4-х глав с обсуждением полученных результатов, приложений, списка принятых сокращений, выводов и списка цитируемой литературы (254 наименований). Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 109 рисунков и 42 таблицы.
Дендритные полимеры для экстракции
Основные физико-химические характеристики СРП следующие: аномальная зависимость вязкости растворов от молекулярной массы полимеров; регулируемая растворимость; высокая сорбционная способность; тенденция к образованию комплексов с низко- и высокомолекулярными соединениями. Дендримеры и СРП низких генераций образуют открытые структуры. При переходе к более высоким генерациям они принимают сферическую трехмерную форму с внутримолекулярными полостями, способными участвовать в образовании комплексов «гость-хозяин». Большое количество терминальных функциональных групп делает возможным дальнейшую модификацию дендримеров для придания им требуемых свойств [26]. Модификация терминальных групп СРП изменяет растворимость, реакционную способность, сорбционные и комплексообразующие характеристики дендритных структур [27]. В [28, 29] описан дендример с гидрофильным ядром на основе поли(пропиленимина), способный инкапсулировать молекулы красителя бенгальского розового (Rosebengal) и п-нитробензойной кислоты из дихлорметана. Возможна прививка к терминальным группам биоактивных молекул с повышением биосовместимости [30]. Следует обратить внимание на различие между структурами типа «ядро - оболочка» на основе дендримеров и СРП. Первые - имеют реакционноспособные группы только на поверхности, в то время как внутренняя структура остается неизменной. СРП имеют реакционноспособные терминальные и линейные группы не только на поверхности, но и в пределах своих ветвей. Таким образом, формирование структуры «ядро-оболочка» может привести к изменению гибкости цепей полимера и свойств внутренней микросреды, что влияет на взаимодействия с гостевыми молекулами. Получать структуры типа «ядро - оболочка» можно не только ковалентной прививкой, но и в результате электростатических взаимодействий [31]. В [32] получены супрамолекулярные комплексы «ядро - оболочка» при смешении сверхразветвленного полиэтиленимина с раствором амфифильных аренов в хлороформе. Благодаря наличию катионных и анионных групп в ядре и оболочке комплекс проявлял способность удерживать как анионные (метилоранж), так и катионные (метиловый голубой) водорастворимые красители [32].
Гликодендримеры – полимеры типа «ядро - оболочка», в молекулах которых сахаридные фрагменты присоединены к дендритному ядру. Использование углеводов в качестве терминальных групп обеспечивает высокую растворимость таких материалов в водно-органических средах, что существенно при применении их в медицине как агентов для целевой доставки лекарств [33], а также в методах разделения. Прививка олигосахаридных групп к поверхности дендримеров обеспечивает наличие хиральных центров в оболочке полимера. В [34] Окада и соавторы впервые синтезировали “углеводные шары”, в которых коммерчески доступные полиамидаминовые (PAMAM) дендримеры третьей и четвертой генерации модифицированы дисахаридами (рис. 2.8.).
Сферическая форма, высокое количество терминальных групп и разветвленная структура – основные свойства СРП, которые определяют их физико-химические свойства и область применения. Склонность дендритных полимеров образовывать комплексы с низко- и высокомолекулярными аналитами способствует использованию их в качестве материалов для целевой доставки лекарств в медицине [35-39], открывает перспективы применения в методах разделения и концентрирования: как адсорбентов для микроэкстракции; стационарных фаз в газовой и жидкостной хроматографии; модификаторов фонового электролита и стенок кварцевого капилляра в КЭ.
У дендритных структур, состоящих из гидрофобного ядра и гидрофильной «периферии», в отличие от мицелл ПАВ структура статична, и все терминальные группы ковалентно связаны с ядром [40]. Поэтому дендримеры стабильны в широком диапазоне экспериментальных условий, что и обсуждается в [41] при использовании их в качестве компонентов фонового электролита в мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ).
Образование комплексов типа «гость-хозяин» и полиэлектролитных комплексов с протеинами и ДНК [37- 39], высокая термическая устойчивость, контролируемая растворимость и полярность, стабильная и независящая от внешней среды мицеллоподобная структура делают дендримерные структуры перспективными в хроматографическом и электрофоретическом анализе сложных многокомпонентных смесей органических соединений.
Способность дендритных полимеров инкапсулировать во внутримолекулярные полости молекулы различной природы, в том числе и природные экотоксиканты (полиароматические углеводороды (ПАУ), красители, тяжелые металлы), а также лекарственные препараты, открывают перспективы их использования в качестве экстрагентов. Большинство публикаций посвящено применению дендритных полимеров для проведения твердофазной экстракции (ТФЭ) [42-44]. Так, прививка дендримеров на поверхность мезапористых частиц силикагеля позволяет создавать адсорбенты, сочетающие в себе преимущества дендритных макромолекул с простотой проведения процедуры ТФЭ [45]. В [46] получен новый мезапористый гибридный материал, основанный на силикагеле и функционализированный дендритными макромолекулами (рис.2.9).
Полученный адсорбент, проявляющий способность к анионообменному механизму взаимодействия с экстрагируемыми соединениями, апробирован при концентрировании нестероидных противовоспалительных средств из образцов мочи и отделении от мешающих компонентов. Из приведенных ниже хроматограмм (рис.2.10.) видно, что извлечение молекул ибупрофена, кетопрофена и напроксена из образца мочи посредством ТФЭ с синтезированными частицами, модифицированными дендритными макромолекулами, проходит эффективнее, чем на С18 сорбентах.
Метод капиллярного зонного электрофореза и мицеллярной электрокинетической хроматографии
Высокая жесткость перфторированной цепи и незначительное количество энергетически выгодных конформаций наряду с высокой энергией потенциального вращения вокруг перфторированной связи «углерод - углерод» приводит к снижению морозостойкости материалов на основе ПТФЭ [79]. Замена фторметиленовых фрагментов (-CF2-) на атомы кислорода решает проблему высокой температуры стеклования материалов на основе фторполимеров и увеличению их эластичности, что связано с более низким барьером вращения относительно связи С-О по сравнению с перфторированной связью С-С. ПФАВЭ, и их единственные аналоги перфторалкилаллиловые эфиры (ПФААЭ), присутствуя в полимерной цепи, обеспечивают наиболее низкие температуры стеклования. ПФАВЭ и ПФААЭ с терминальными сульфонилфторидными группами используют для синтеза химически стойких в агрессивных средах термостабильных ионообменных мембран. ПФААЭ, отличающиеся от ПФАВЭ всего на одну -CF2- группу, распространены намного меньше. Основная причина – относительно низкая активность аллиловых эфиров в реакции радикальной полимеризации по сравнению с виниловыми эфирами. При этом их реакционная способность достаточно высока [80, 81].
Сополимеры на основе полистирол–дивинилбензольных сульфированных полимеров являются основным типом катионных ионообменных смол. Однако их применение в качестве мембран при электролизе и в топливных элементах выявило острую необходимость создания новых полиэлектролитов, характеризующихся помимо высокой ионообменной емкости также и высокой термостойкостью и устойчивостью к окислителям. Первым шагом явился синтез катионообменных мембран на основе фторированных аналогов полистиролсульфокислоты. Новым важным этапом явилась разработка фирмы Dupon в начале 1960-х гг полностью фторированных полимеров с сульфогруппами [82]. Соединения общей формулы CF2=CFRFSO2F, (RF– фторированная группа) – типичные перфторвинилсульфонилфториды, используемые для создания лфторированных мембран.
Изначально наиболее перспективным представлялся мономер CF2=CFSO2F: на его основе можно получить полимер с наибольшим числом сульфонилфторидных групп. Однако оказалось, что перфторвинилсульфонилфторид из-за объемной -SO2F группы, непосредственно связанной с двойной связью, вследствие стерических причин обладает малой активностью. Перфторвиниловый эфир сульфонилфторида CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F [83], содержащий эфирный кислород рядом с перфторвинильной группой, легко сополимеризуется с ПТФЭ. Полимеризация может быть осуществлена в водной среде в присутствии органических и неорганических перекисей при рН 8 и температуре, не превышающей 1000С. Сополимеры ПТФЭ и перфторвиниловых эфиров с сульфонилфторидными группами проявляют высокие диэлектрические свойства и характеризуются высокой гидрофобностью. Для получения ионообменных мембран пленку на их основе обрабатывают раствором сильного основания, а затем - сильной кислоты по следующей схеме: RSO2F +2 NaOH RSO3Na+ NaF + H2O RSO3Na + HCl RSO3H + NaCl. Перфторированная ионообменная мембрана Nafion, разработанная компанией DuPont, представляет собой сополимер тетрафторэтилена и сомономера, имеющего боковые цепи перфторированного винилового эфира с терминальными сульфогруппами (рис.3.3) Рис.3.3. Структура мембраны Nafion, x = 6 – 10, y = 1[ 84]. В такой мембране могут происходить процессы самоорганизации с образованием транспортных каналов, богатых водой и сульфогруппами, разделенные между собой гидрофобными полимерными цепями. Такая уникальная структура обеспечивает
мембранам Nafion одновременно высокую протонную проводимость (до 0,1 См/см при 25оС), механическую прочность и химическую стойкость (как к гидролизу, так и к окислению), сравнимую с тефлоном, а также высокую термостойкость, что крайне актуально для большинства гидролизованном виде нафион представляет собой твердый электролит с высокой удельной ионной электропроводимостью. Его применяют в качестве ионообменной мембраны в электролизерах для получения хлора и чистой каустической соды [85]. Еще одним перспективным направлением использования нафиона явилось создание твердополимерных топливных элементов. Для повышения прочности в полимерную систему вводят мономеры, содержащие аминогруппы и сшивающие мономеры с двумя или его применений.
В более эпоксидными либо изоцианатными группами [86].
В последнее время нафион все чаще используется в аналитической электрохимии для создания высокочувствительных, селективных мембран для электродов, для микроэкстракции минорных компонентов смесей [87-91].
Фторполимеры широко используются в высокоэффективной жидкостной (ВЭЖХ) и газо-жидкостной хроматографии в качестве неподвижных фаз (н.ф.). Применение их в ГЖХ целесообразно при разделении высоко реакционноспособных летучих галогенидов металлов, интергалогенидов, а также фторированных органических соединений; в ВЭЖХ - при определении аналитов, не содержащих в составе молекул атомов фтора, например, аминокислот и пептидов. Актуальным направлением является применение фторированных соединений в качестве добавок в фоновый электролит в КЭ и элюент в жидкостной хроматографии.
Сочетание термической стабильности высокофторированных соединений с низкой склонностью к межмолекулярным взаимодействиям делают их перспективными материалами для колонок в жидкостной и газовой хроматографии. Первые н.ф. на основе фторсодержащих соединений появились чуть ли ни с момента создания ГЖХ (табл.3.1) [92]. Перфторуглеродные фазы первоначально использовали для разделения веществ с высокой реакционной способностью (фториды металлов, галогены, галогениды серы и фосфора и др.), которые могут быть разделены только на высокоинертных фазах, применяемых обычно в сочетании с носителями тефлонового типа[113, 114].
Приготовление растворов фоновых электролитов для электрофоретических экспериментов
Благодаря высокой эффективности, простоты автоматизации и совмещения с МС-детектированием метод КЭ становится одним из основных наряду с ВЭЖХ и ГХ методом разделения биологически активных соединений. Однако электрофоретическое разделение основных аналитов (например, полиаминов, пептидов, белков, катехоламинов и др.) нередко затруднен из-за взаимодействия разделяемых соединений с силанольными гидроксильными группами внутренних стенок кварцевого капилляра. Это приводит к невоспроизводимости параметров миграции, низкой эффективности и высоким пределам обнаружения указанных аналитов.
Хорошо зарекомендовавшим себя подходом для устранения сорбции аналитов явилось создание ковалентно привитых или физически-адсорбированных покрытий стенок капилляра, экранирующих группы «ОН». В качестве таких покрытий могут быть использованы низкомолекулярные (силаны, метакрилаты с терминальными амино- и аммонийными группами, ПАВ, ЦД и т.д.) и высокомолекулярные (поливиниловые спирты, метилцеллюлоза, полиакриламид и т.д.) соединения[170-176]. Разработка различных типов покрытий стенок капилляра в КЭ до сих пор остается активной областью исследования, что подтверждается и количеством публикаций, вышедших в 2016 г. [177-179] и посвященных изучению возможностей для этой цели фуллеренов, циклодекстринов и различных полиэлектролитных катионных полимеров в этой области.
Стабильность ковалентных покрытий ограничена устойчивостью ковалентных связей, с участием которых модификаторы прививаются к поверхности капилляра в кислой и щелочной среде. Физически адсорбированные покрытия, в особенности на основе полимерных соединений, - прекрасная альтернатива ковалентным. Они характеризуются легкостью и экспрессностью получения, а зачастую - и стабильностью в широком диапазоне рН. Физически адсорбированные покрытия создаются промывкой капилляра перед анализом. При высоких константах адсорбции модификаторов на стенках капилляра создаваемые покрытия не требуют постоянного обновления, и последующие анализы могут проводиться в фоновом электролите, не содержащем модификатор. Анализ в таких условиях может быть совмещен с масс-спектрометрическим (МС) детектированием, поскольку модификаторы (ПАВ, полиэлектролитные полимеры и т.д.) не присутствуют в фоновом электролите и не оказывают влияние на ионизацию разделяемых компонентов и не загрязняют ионный источник [180]. Азотосодержащие полисахариды, например, хитин и хитозан за счет множества амино- и гидрокси- групп являются весьма перспективными соединениями для создания таких покрытий стенок капилляра [181,182]. В [183] рассмотрен в качестве примера спермин-графт-декстрановый полимер (рис.3.2), в котором спермин выполнял роль «якоря», связывающего модификатор с поверхностью капилляра, а декстран – «функциональной части», отвечающей за новые характеристики поверхности. Капилляр промывали в течение 2 мин 1%-ным раствором полимера. Возможности полученного покрытия продемонстрированы на электрофоретическом разделении катехоламинов и белков (достигнутая
Из-за малого объема вводимой пробы и короткого светового пути, что связано с малым диаметром капилляра, метод КЭ с УФ детектированием характеризуется значениями пределов обнаружения, превышающими ВЭЖХ в 2-3 раза. Одним из наиболее эффективных способов увеличения концентрационной чувствительности в КЭ является применение различных вариантов внутрикапиллярного (on-line) концентрирования [168]. По механизму концентрирования различают варианты: - основанные на изменении электрофоретических подвижностей аналитов; - основанные на использовании псевдостационарной фазы.
Выделяют такие разновидности on-line концентрирования как стэкинг, свипинг, динамический pH-скачок и изотахофорез, механизм концентрирования в которых подразумевает наличие различных свойств раствора пробы и фонового электролита. Фактор эффективности концентрирования (SEF - stacking efficiency factor), используется для количественной оценки степени концентрирования аналитов. Его рассчитывают на основании высот (ЖРыight ) или площадей пиков (SEFarea) (16,17): SEFh= высвтапи гшлучЕнногагфикЕНЧЕНтрирвЕании х д (16) Еьсспта пн ка,пплуч ЕН Н гп при пйьгчньс-: условиях ЕЕ ода ггрпЭьс SEFarea= « ЩВДЬпии в. еиивгвприинчвнтрирввании х д (17) ЕЬ[свтапика,гшлучЕннвгпггрипйьгчнь[хуслоЕиго: ввода ирвйьс - коэффициент разбавления. Стэкинг с усилением поля
Механизм концентрирования при стэкинге с усилением поля основан на различиях в электропроводности матрицы образца и рабочего буфера. Проба из раствора с меньшей электропроводностью, чем у фонового электролита, гидродинамически вводится в кварцевый капилляр. Ионы образца имеют большую электрофоретическую подвижность в растворе с более низкой проводимостью, чем в рабочем буфере. По этой причине после приложения напряжения к концам капилляра в зоне пробы возникает сильное электрическое поле. Аналиты ускоряются до границы с фоновым электролитом, достижение которой вызывает их торможение аналитов, и разделяемые соединения концентрируются на границе в виде узких зон. Эффективность концентрирования пропорциональна степени усиления поля (): чем больше разница концентраций между буферным электролитом и раствором пробы, тем уже зона сконцентрированной пробы
Электрофоретическое разделение неорганических анионов с наноанионитом в составе фонового электролита
Метод капиллярного электрофореза благодаря высокой эффективности, малому объему вводимой пробы, легкости автоматизации и совмещения с масс-спектрометрическим детектированием наряду с ВЭЖХ активно востребован для разделения ионных и нейтральных аналитов. Это, в существенной степени, относится к анализу биологических жидкостей - объектов со сложной матрицей: сыворотка и плазма крови, моча, спинномозговая жидкость, слюна и др. Высокая концентрация белков и большое число эндогенных соединений, присутствующих в анализируемых образцах, существенно осложняет их определение из-за трудностей на стадии пробоподготовки, матричных эффектов, низком содержании целевых компонентов. Входящие в состав образцов неорганические ионы и белки заметно влияют на разрешение пиков и эффективность.
Так, сыворотка содержит высокую концентрацию белков (60000 мг/л) и солей (NaCl 140 ммоль/л). Белки адсорбируются на стенках капилляра в КЭ, вызывая вторичные взаимодействия и значительно влияя на воспроизводимость параметров миграции аналитов и результатов анализа в целом. Эта проблема проявляется и при непосредственном определении самих белков, а также других основных соединений, содержащих амино- группы, например, катехоламинов. Определение таких аналитов затруднено из-за электростатических взаимодействий с силанольными гидроксилами внутренней поверхности кварцевого капилляра, а также образования межмолекулярных водородных связей. Кроме того, есть проблема низкой селективности разделения близких по структуре соединений, обладающих одинаковыми значениями электрофоретических подвижностей.
Один из подходов нивелирования взаимодействий аналитов со стенками капилляра и повышения концентрационной чувствительности заключается во введении в фоновый электролит различных модификаторов и комплексообразователей.
Такие модификаторы могут выполнять функции: псевдостационарных фаз, влияя на селективность разделения близких по структуре соединений (например, стероидных гормонов и их синтетических аналогов); физически-адсорбированных покрытий стенок кварцевого капилляра, снижая сорбцию основных аналитов (белков, пептидов, катехоламинов); хиральных селекторов, что крайне важно при контроле энантиочистоты фармпрепаратов. Существует множество публикаций, описывающих применение низкомолекулярных модификаторов фонового электролита, среди которых ПАВ, краун-эфиры, ЦД, соли переходных металлов, фуллерены и т.д. Полимерные модификаторы -наиболее перспективны, в особенности при создании покрытий стенок кварцевого капилляра. Нейтральные полимеры подавляют ЭОП, что существенно увеличивает время анализа [244]. Не имея собственной электрофоретической подвижности, они не могут быть использованы в условиях КЭ в качестве псевдостационарных фаз для разделения нейтральных аналитов. В сфере наших интересов – полимеры, имеющие ионные или ионогенные группы, формирующиеся в зависимости от рН фонового электролита: наноанионит на основе сополимера стирола и дивинилбензола с терминальными четвертичными аммонийными группами, сверхразветвленные полимеры на основе полиэтиленимина с олигосахаридной оболочкой и высокофторированные полимеры, содержащие отрицательные и положительно заряженные терминальные группы, а также -полярные незаряженные.
Наночастицы анионита обладают высокой ионообменной емкостью, адгезией к поверхности кварца и несут независимый от рН положительный заряд. Эти свойства открывают широкие перспективы использования данных полимерных материалов при создании прочных физически-адсорбированных покрытий стенок капилляра с дальнейшим использованием их для селективного разделения отрицательно заряженных аналитов. Имеются публикации по применению водорастворимых анионообменных полимерных модификаторов [190-193], однако работ, посвященных использованию твердых наноразмерных анионитов нет.
Сверхразветвленные полимеры (СРП) характеризуются мицеллоподобной структурой, низкой вязкостью растворов, склонностью к образованию «комплексов включений». Изучаемые в данной работе полимеры типа ядро-оболочка состоят из сверхразветвленного ядра на основе полиэтиленимина, терминальные аминогруппы которого замещены олигосахаридами: мальтозой и лактозой. В отличие от наноанионита заряд таких полимеров зависит от рН среды и изменяется не только за счет протонирования амино- групп полиэтилениминового ядра или диссоциации гидроксильных групп олигосахаридной оболочки, но и в зависимости от степени экранирования олигосахаридами полиэтилениминового ядра. Такие полимеры, введенные в состав элюента или фонового электролита, за счет различной степени замещенности олигосахаридами могут по-разному модифицировать стенки капилляра (КЭ), взаимодействовать с аналитами, меняя их миграционные характеристики, выступать в качестве хиральных селекторов (КЭ, ВЭТСХ).
Особый интерес вызывают высокофторированные полимеры. Помимо высокой химической и термостойкости, для них характерна способность к гидрофобным взаимодействиям с разделяемыми аналитами, т.е. фторполимеры, в отличие от описанных выше полимерных модификаторов, могут служить альтернативой применяемым в электрофорезе ПАВ для разделения незаряженных нейтральных соединений. Ввод терминальных ионогенных групп в их структуру обеспечит наличие собственной электрофоретической подвижности фторполимеров, а варьирование природы этих групп может привести к проявлению различных кислотно-основных функций при введении их в фоновый электролит. При этом, обладая высокой термостабильностью, они могут оказаться перспективными стационарными фазами в газовой хроматографии. Подобных работ по применению фторированных функциональных полимеров как в КЭ, ВЭТСХ, так и ГЖХ нет.
Образцы СРП и наноанионита были предоставлены нам Дрезденским Техническим институтом (научная группа профессора Voit) и лабораторией сорбционных методов ГЕОХИ РАН (научная группа д.х.н. Долгоносова А.М.). Синтез же фторированных полимеров, обладающих свойствами модификаторов поверхностей капилляра и псевдостационарных фаз, был нами запланирован специально.