Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Цвиттерионные сорбенты в ионной хроматографии
1.1. Классификация цвиттерионных сорбентов 12
1.2. Сорбенты с хаотическим распределением противоположно-иряженных групп 14
1.2.1. Неорі анические и органические цвиттерионные полимеры 14
1.2.2. Сорбенты с закрепленными полиамфолитпыми молекулами 17
1.2 3. Сорбенты с раздельно закрепленными на поверхности катионо- и анионообменными группами 18
1.3. Сорбенты с противоположно заряженными слоями ионообменных груші на поверхности 20
1.3.1. Агломерированные ионообменники 20
1.3.2. Ионообменники, модифицированные противоположиозаряженным полимером 22
1.3.3. Центрально локализованные ионообменники 31
1.4. Сорбенты с закрепленными цвиттерионными молекулами 32
1.4.1. Сорбенты с физически адсорбированными цвиттерионными молекулами 32
1.4.2. Сорбенты с ковалентно закрепленными цвиттерионными молекулами 44
1.5. І Ірименение цвиттерионных сорбентов в ионной хроматографии 55
Глава 2. Аппаратура, исходные вещества и методики экспериментов
2.1. Аппаратура 63
2.2. Сорбенты 64
2.3. Растворы и реагенты 67
2 4. Методики экспериментов 68
Глава 3. Сорбенты на основе сверхешитого полистирола
3.1. Сульфированный сверхешитый полистирол 70
3.1.1. Ионохроматографические свойства 70
3.1.2. Ион-эксклюзионная хроматография карбоновых кислот 81
3.2. Сверхсшитый полистирол динамически модифицированный цвиттерионными красителями 98
3 2 1 Сорбция красителей в статических условиях 99
3 2 2 Оценка стабильности адсорбционної о слоя в условиях ВЭЖХ 102
3 2.3 Ионообменные свойства сверхсшитого полистирола динамически модифицированного патентованным синим 103
Глава 4. Сорбенты на основе силикагеля
4.1. Силикагель с ковалентно закрепленным гистидином 106
4.1.1 Кислотно-основные свойства 107
4.1.2 Удерживание неорганических ионов 109
4.1.3 Цвиттерионные свойства ПО
4.1.4 Разделение неорганических ионов 111
4.2 Силикагель с ковалентно закрепленной полиаснарагиновои кислотой 113
4.2.1 Ионохроматографические свойства 114
4.2.1.1 Кислотно-основные свойства 114
4.2.1.2 Ионообменные свойства 115
4.2.1.3 Влияние природы и концентрации элюирующего иона на удерживание ионов 121
4.2.1.4 Влияние состава элюента на хроматографическую эффективность 125
4.2.1.5. Влияние температуры на удерживание ионов 131
4.2.2. Одновременное определение содержания неорганических анионов и катионов щелочных и щелочноземельных металлов в водах 137
Глава 5. Сорбенты на основе полиметакрилатной матрицы
5.1 Выбор аминокислот и их закрепление 146
5.2 Кислотно-основные свойства 147
5.3. Анионообменные свойства 149
5.4. Катионообменные свойства 151
5.5. Цвиттерионные свойства 152
5.6. Изменение ионообменных свойств при закреплении аминокислот 152
Выводы 155
Литература 157
- Сорбенты с хаотическим распределением противоположно-иряженных групп
- Агломерированные ионообменники
- Растворы и реагенты
- Сверхсшитый полистирол динамически модифицированный цвиттерионными красителями
Введение к работе
Актуальность темы. Ионная хроматография (ИХ) - наиболее широко распространенный и интенсивно развивающийся метод анализа природных и промьшпенных вод В настоящее время основной тенденцией в развитии ИХ является увеличение экспрессности и информативности ионохроматографического анализа Возможным способом решения этой задачи является создание новых селективных ионообменных материалов путем варьирования природы функциональных групп и матрицы сорбента. Круг традиционно используемых ионообменников ограничен монофункциональными сорбентами, на поверхности которых расположены амино-, четвертичные аммониевые, карбоксильные-, фосфорнокислые- или сульфогруппы. Цвиттерионные сорбенты, на поверхности которых в непосредственной близости друг от друга закреплены противоположно наряженные группы, предоставляют дополнительные возможности для оптимизации ионохроматографического разделения за счет варьирования сил электростатического притяжения/отталкивания ионов и функциональных групп сорбента. Одновременное взаимодействие ионов пробы с положительно и отрицательно заряженными ионообменными группами сорбента дает возможность использовать разбавленные элюенты и повысить чувствительность определения, а также может способствовать увеличению хроматографической эффективности.
Отличительной особенностью цвиттерионных сорбентов является вошожность их использования для одновременного разделения катионов и анионов, что особенно актуально в анализе природных и питьевых вод По сравнению с традиционно используемыми методами ИХ, в которых катионный и анионный состав проб определяется отдельно, использование цвиттерионных сорбентов позволяет уменьшить время анализа, а также значительно сократить его стоимость за счет использования более простой хроматографической системы.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось получение и изучение новых цвиттерионных сорбентов для использования в ИХ.
Конкретные задачи исследования были следующими:
поиск и синтез новых цвиттерионных сорбентов с катионо- и анионообменньши группами различной кислотности и основности на матрицах различной природы;
выявление закономерностей удерживания неорганических ионов на полученных иопообменниках при варьировании температуры, природы, концентрации и рН элюента;
изучение адсорбционных свойств сверхеиштого полистирола (ССПС) по отношению к цвиттерионным красителям метиловому оранжевому (МО) и патентованному синему (ПС),
оптимизация условии разделения катионов, анионов, а также одновременного разделения катионов и анионов на изученных сорбентах;
разработка методики одновременного определения катионов и анионов в водах;
установление закономерностей удерживания и оптимизация условии разделения карбоновых кислот на сульфированном ССПС.
Научная новизна:
синтезированы, охарактеризованы и изучены ионообменные свойства сорбентов на основе трех матриц: ССПС, силикагеля и глицидилоксиэтилметакрилат-этилендиметакрилата (ГМА-ЭДМА);
для силикагеля с привитой полиасиарагиновой кислотой показана*
а) возможность существенного увеличения хроматографической
эффективности разделения путем увеличения рН и концентрации элюента;
б) возможность широкого варьирования ионообменной селективности,
вплоть до изменения порядка элюирования, путем изменения температуры
хроматографической колонки;
определены основные параметры сорбции цвиттерионных красителей МО и 11С на ССПС и і водных растворов;
выявлены закономерности удерживания карбоновых кислот различного строения на сульфированном ССПС в варианте ионозкеклюзионной хроматографии (ИЭХ).
Практическая значимость:
предложены и синтезированы селективные и эффективные цвиттерионные сорбенты на основе ССПС, силикагеля и ГМА-ЭДМА;
продемонстрированы возможности применения изученных цвиттерионных сорбентов в ИХ;
показано, что эффективность разделения анионов на силикагеле с привитой полиаспарагиновои кислотой можно существенно повысить, увеличивая концентрацию и рН подвижной фазы;
разработан экспрессный способ одновременного ионохроматографического определения неорганических анионов и катионов в природных и питьевых водах на силикагеле с закрепленной полиаспарагиновои кислотой;
покаіана возможность применения сульфированною ССПС для разделения карболовых кислот в варианте ИЭХ;
разработан способ определения молочной кислоты в пищевых продуктах брожения с использованием сульфированного ССПС.
На защиту выносятся следующие положения:
синтез и изучение ионохроматографических свойств сорбентов на основе трех матриц. ССПС, силикагеля и ГМА-ЭДМА;
результаты изучения влияния состава и рН элюента на эффективность разделения ионов на силикаїеле с ковалентно закрепленной полиаспарагиновои кислотой;
результаты изучения влияния температуры хроматографической колонки на ионообменную селективность ионов при разделения ионов на силикагеле с ковалентно закрепленной полиаспарагиновои кислотой;
методика одновременного определения катионов и анионов в водах на силикагеле с закрепленной полиаспарагиновои кислотой;
данные по изучению адсорбции цвиттерионных красителей ПС и МО на ССПС;
результаты изучения хроматографических свойств сульфированного ССПС по отношению к карбоновым кислотам различного строения в варианте ИЭХ;
способ определения молочной кислоты в продуктах брожения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации изложены в публикациях и доложены на Менделеевском конкурсе научно-исследовательских работ студентов-химиков (Москва, 2000, 2001), Международном симпозиуме по ионной хроматографии (Ницца, 2000), VIII Всероссийском симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии и капиллярному электрофорезу (Москва, 2001), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2001, 2002, 2003, 2004), Всероссийском симпозиуме «Современные проблемы хроматографии» (Москва, 2002), Международном симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (Краснодар, 2002) и «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (Краснодар, 2005), конференции по ионному анализу (Берлин, 2003), Международном симпозиуме по разделениям в бионауках (Москва, 2003), Всероссийской конференции «Хроматография и хроматографические приборы» (Москва, 2004), Всероссийской конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2004). Основные публикации по материалам диссертации:
Патент на изобретение
1 ПН. Нестеренко, П.А. Кебец. Способ хроматографического определения
молочной кислоты. Патент на изобретение № 2190214 по заявке № 2001110672,
дата поступления 20.04.2001.
Статьи
2 ПН. Нестеренко, П.А. Кебец, Ю.В. Волгин. Применение
сульфокатионообменника на основе сверхешитого полистирола для разделения
органических кислот. // Журн. аналит. химии. 2001. Т. 56. № 8. С. 801 - 807.
М G. Kiseleva, Р A. Kebetb, Р N. Nesterenko. Simultaneous ion chromatographic separation of anions and cations on poly(aspartic acid) functionah^ed silica. II Analyst 2001.V.126.№12 P. 2119-2123.
ПН. Нестеренко, П.А. Кебец. Определение молочной кислоты методом ионоэксклюзионной хроматографии на сульфированном сверхешитом полистироле. // Вестник МГУ. Сер. 2. Химия. 2002. Т. 43. № 1. С. 34 - 36.
5. P.A Kebets, P.N. Nesterenko. Zwitter ion-exchange properties of sulphonated hypercrosslinked polystyrene. II Mendeleev Commun. 2002. V. 12 № 4. P. 155 -156. 6 ПА. Кебец, К А. Кузьмина, П.Н. Нестеренко. Теплоты адсорбции катионов металлов на силикагеле с ковалентно закрепленной полиаспарагиновой кислотой. //Журн. физич. химии 2002. Т 76. № 9. С. 1639 - 1642.
П.Н Нестеренко, ПА. Кебец, К.О. Сочилина Применение микросферическоіо сульфированного сверхешитого полистирола в ионной хроматографии. // Журн аналит. химии. 2003. Т. 58 № 5. С. 523 - 528.
Р A. Kebets, Е P. Nesterenko, P.N. Nesterenko, A.J Alpert. Ion-chromatography performance of polyaspartic acid bonded silica with various pore size at different ionic strength and column temperature. II Mikrochimica Acta. 2004. V. 146. P. 103 -110.
П А. Кебец, Ю.В. Леоненко, М.В. Малоземов, П Н. Нестеренко. Сорбция цвиттерионных красителей сверхсшитым полистиролом из водных растворов // Вестник МГУ Сер. 2. Химия. 2006. Т. 47. №3. С. 203 - 205.
10.П.А. Кебец, ПН Нестеренко. Влияние природы матрицы сорбента на ионообменные свойства закрепленных аминокислот. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006 Т. 6. Вып. 5. С. 773 - 786. 11.П.Н. Нестеренко, ПА. Кебец. Ионообменные свойства силикагеля с ковалентно закрепленным гистидином. // Журн. аналит. химии. 2007. Т.62. № 1. С. 6-13.
Тезисы докчадов 12.P.N. Nesterenko, Р.А. Kebets, М. Schunina. Ion-exchange properties of sulfonated hypercrosslinked polystyrene. Abstr. Papers Intern. Ion Chromatogr. Symp. Nice. France. 11-14 September 2000. № 67.
13.II.A. Кебец. Одновременное определение катионов и анионов на силикагеле с привитой полиаспарагиновой кислотой. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2001». Москва. 10-13 апреля 2001 г. С. 17.
14 ПА. Кебец, М.Г Киселева, ПН. Нестеренко. Ионообменные свойства силикагеля с привитой полиаспарагановой кислотой. Тешсы VIII Всероссийскою симпозиума по молекулярной жидкостной хроматографии и капиллярному электрофорезу. Москва. 15-19 октября 2001 г. № 17. 15.11 А. Кебец, П.Н. Нестеренко. Ионообменные свойства сульфированного сверхенштого полистирола Тезисы Всероссийскою симпозиума "Современные проблеммы хроматографии" (к 100 летаю К.В. Чмутова) Москва. 18-22 марта 2002 г. № 84.
П.А Кебец. Применение сульфокатионообменников на основе сверхешитого полистирола в ионной хроматографии. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002». Москва. 9-12 апреля 2002 г. С. 18.
К А Кузьмина, П А. Кебец. Влияние температуры на ионохроматографическое разделение катионов металлов на карбоксильных катионообменниках. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002». Москва. 9-12 апреля 2002 г. С. 22.
18.П.А Кебец, ПН. Нестеренко. Применение сульфированною сверхешитого
полистирола в ионной хроматографии. Материалы Международного
симпозиума "Разделение и концентрирование в аналитической химии" (к
юбилею акад Ю.А. Золотова) Краснодар. 6-11 октября 2002 г. С. 58.
19.P.N. Nesterenko, Р.А. Kebets, A. Alpert. Ion-exchange properties of poly(aspartic
acid) bonded silica. CIA-2003. 2 Conference uber Ionenanalyse. 24-26 Ferbruar,
2003, Technische Universitat Berlin, Deutchland. S.32.
20. P.A. Kebets, M.G. Kiseleva, A J. Alpert, P.N. Nesterenko. Pelicular ion-exchange
properties of poly-(aspartic acid) bonded silica. 3rd Int Symposium on separations in
BioSciencies, 13-18 May, 2003, Moscow, Russia. P. 239.
21.ПА. Кебец Особенности ионообменных свойств силикагеля с ковалентно
закрепленной полиаспарагановой кислотой. Материалы Международной
конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003». Москва. 15-18 апреля 2003 г. С. 23.
22 Е11. Нестеренко, П.А. Кебец. Влияние температуры на селективность разделения ионов на цвиттерионном сорбенте. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов но фундаментальным наукам «Ломоносов-2003». Москва. 15-18 апреля 2003 г. С. 34.
П А. Кебец, П.Н. Нестеренко. Влияние матрицы сорбента на ионообменные свойства, закрепленных на поверхности аминокислот. Сборник тезисов Всероссийской конференции "Хроматография и хроматографические приборы". Москва. 15-19 марта 2004 г. С. 132.
П А. Кебец. Ионообменные свойства метакрилатпых сорбентов с ковалентно закрепленными аминокислотами. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004». Москва. 12-15 апреля 2004 г. С. 19.
25.ПА. Кебец, Ю.В. Леоненко. Ионообменные свойства сверхсшитого полистирола, динамически модифицированною патентованным синим. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004». Москва. 12-15 апреля 2004 г. С. 20.
26. П.А. Кебец, Л.В. Радченко, Ю. Леоненко, М.В. Малоземов, П.Н. Нестеренко. Новые сорбенты для ионной хроматографии, полученные адсорбцией цвиперионнных красителей на сверхешитом полистироле. VII Конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока - 2004». Новосибирск. 11-16 октября 2004 г Секция4.№СД-Ш-14.
27 ПА. Кебец, П.Н. Нестеренко. Оптимизация параметров хроматографического разделения ионов на цвиттерионном сорбенте. Материалы II Международною симпозиума "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (к юбилею акад Б.Ф. Мясоедова) Краснодар. 25-30 сентября 2005 г. С. 182.
Сорбенты с хаотическим распределением противоположно-иряженных групп
Среди неорганических оксидов наиболее полно изучены цвиттерионные свойства оксида алюминия. Его способность проявлять катионо- или анионообменные свойства зависит от рН элюента. В кислой области сорбент проявляет анионо-, а в щелочной - катионообменные свойства [1]. Значение рН изоэлектрической точки для оксида алюминия сильно зависит от способа его синтеза и от состава подвижной фазы, и изменяется от рП 3,5 (нитратный буфер) до 9,2 (карбонатный буфер). Интересно, что ионообменная емкость оксида алюминия зависит не только от рН и природы элюента, но и от природы сорбируемого иона анионообменник [2] Порядок элюирования катионов на Дня галогенид-ионов порядок элюирования совпадает с увеличением устойчивости соответствующих комплексов алюминия. Комплексообразование вносит значительный вклад в удерживание и некоторых других анионов.
При использовании 0,5 мМ раствора бифталата калия с рН = 5,2 в качестве элюента возможно одновременное разделение Na+, NH4+, С104 и СГ [4]. Низкая устойчивость оксида алюминия в сильно кислой и щелочной средах, его сильные адсорбционные свойства по отношению к органическим соединениям, длительное установление равновесия с подвижной фаюй, плохая воспроизводимость результатов и, зачастую, неудовлетворительная форма хроматографических пиков значительно ограничивают использование оксида алюминия как ионообменника. Ряд полиамфолитпых иинообыенников, в том числе слабоосновные анионообменники, полученные фенол-формальдегидной поликонденсацией и содержащие кислые фенольные группы, были синтезированы Даванковым А.Б. с сотр. [5], но они не нашли применения в жидкостной хроматографии. Определенный интерес в последний годы проявлен к развитию синтеза полисульфобетаинов и поликарбоксибетаинов [6-8]. Другим типом полимерных цвиттериоиных сорбентов является Retardion -тн. сорбент типа "змея в клетке" ("snake in cage") [9]. В настоящее время он выпускается под названием Retardion 11А8 и представляет собой полимерную сетку на основе ПС-ДВБ с закрепленными сильноосновными аминогруппами ("клетка"), внутри которой полимсриювана акриловая кислота в виде длинных цепей ("змея"). Цепи полиакриловой кислоты сильно удерживаются в "клетке" за счет сильных электростатических взаимодействий. Первоначально сорбент был разработай для отдепения сильных электролитов от слабых электролитов и незаряженных молекул, которые элюировались т фазы сорбента водой. Хотя сорбент не был использован в ИХ, имеются данные о его применении для концентрирования ионов с последующим нейтронно-активационным анализом. Показано, что наряду с катионами натрия и тяжелых металлов (Ag(I), Na(I), Cs(I); Cd(II), Co(II), Cu(II), Mn(II), Ni(Il), Zn(II); Cr(III), Fe(III), Ga(III), In(III), La(IIl), Sc(III), TI(III)) из разбавленных растворов хлорида аммония RetardionllA8 хорошо сорбирует оксоанионы металлов (Re(VII), Mo(VI)) [10]
Цвиттерионные свойства сорбента были использованы для выделения из биологических объектов катионов, способных образовывать анионные комплексы Zn(II) [11] и Cd (И) [12, 13]. В среде 2 М НС1 эти металлы образуют галогенидные комплексы и прочно удерживаются на сорбенте в виде анионов, в то время как катионы других металлов элюируются. Retardion AG 11A8 в чистой воде проявляет следующее сродство к анионам S042 С032 I Br" СІ CHjCOO SCN » C104- и к катионам: К Na+ Li+ Zn2t Cu2+. Retardion AG 11A8 использовали для отделения NaOH и Na2S04 от NaCl [14], N1ЦС1 от ZnCh; 1 алогенидов и сахаратов Li+, Na+, K+ от NaCl при использовании воды в качестве элюента [1]. Применение цвиттерионпых органических полимеров в первую очередь связано с процессом обессоливания вод. Одно из первых сообщений о синтезе биполярного сорбента, содержащего четвертичные аммониевые группы и сульфогрупны, относится к 1951 г. [15]. Серия работ была посвящена изучению свойств цвиттерионпых сорбентов, содержащих слабоосновные вторичные или третичные аминогруппы и карбоксильные группы. Сорбенты получали сополимери нацией ненасыщенных алифатических аминокислот и бутадиена [16] или соиолимеризацией гидрохлорида триаллиламина и амида метакриловой кислоты [17]. Особенностью этих цвиттерионных сорбентов является сильная зависимость их ионообменной емкости от температуры, КЫ-диметил-К-метакрилоксиэтил- что было испольювано для регенерации Ы-(3-сульфоиропил)аммония ионообменников при разработке технологии обессоливания вод Sirotherm [18]. Суть процесса заключается в том, что сорбент поглощает соли при комнатной температуре, а регенерация сорбента проводится при температуре 80-90 С водой. Показано, что ионообменные свойства сорбентов определяются, главным образом, соотношением количества кислотных и основных групп, а также рН среды, оптимальным является соотношение катионо- и анионообменных групп примерно 2:1. Интересно, что селективность сорбента к катионам щелочных и щелочноземельных металлов сильно зависит от рИ. При рН, превышающих оптимальное значение, в основном, сорбируются катионы щелочноземельных, а в более кислой среде - катионы щелочных металлов. В последнее время сорбенты на основе цвиттерионных органических полимеров находят применение в хроматографии биологических молекул. Например, в [19] предложены две схемы синтеза: сополимеризация цвиттерионного мономера },Ы-диметил-1 -метакршюксиэтил-К-(3 сульфопропил)аммония с этилендиметакрилатом и его ковалентное закрепление на монолитном каркасе поли(триметилпропил-триметакрилата).
Сорбенты были использованы для разделения протеинов. Сильное удерживание основных протеинов (в то время как нейтральные и отрицательно заряженные молекулы эпюируются в мертвом объеме) свидетельствует о преимущественно кат ионообменных свойствах сорбента. Авторы связывают это со стерической недоступностью анионообменных групп для крупных молекул и отталкиванием отрицательно заряженных протеинов от сульфогрупн сорбента. В меньшей степени отталкивание влияет на удерживание небольших по размеру неорганических анионов, факторы удерживания которых увеличиваются в ряду: СГ Вг" Г SCN". Интересно, что увеличение концентрации NaC104 в элюснте до « 20 мМ приводит к росту удерживания протеинов. По мнению авторов, это связано с увеличением емкости сорбента (с 0,3 до 4,3 мг протеина/г сорбента при увеличении концентрации NaC104 с 0 до 15 мМ) вследствие распрямления полимерных цепей под действием С104 . 1.2.2. Сорбенты с закрепленными полиамфолитными молекулами Сорбенты с закрепленными полиамфолитными молекулами мало изучены. Наличие в структуре привитых молекул катионо- и анионообменных групп позволяет предположить проявление у сорбента в зависимости от рН анионо- (рН pi), катионо- (рН pi) или цвиттерионообменных (рН pi) свойств. Среди промышленно выпускаемых, наиболее распространены сорбенты, модифицированные бычьим сывороточным альбумином (БСА, pi = 4,7). Ионообменные свойства силикагеля с закрепленным БСА (Resolvosil BSA-7, Macherey-Nagel, Германия) были изучены в работе [20]. Показано, что главным фактором, определяющим анионообменные свойства сорбента, является рН
Агломерированные ионообменники
Концепция агломерированных ионообменников была предложена Смоллом в 1975 юлу [28] и основывается на использовании инертного ядра (5-15 мкм) ПС-ДВБ, поверхность которого сначала сульфируют, а затем покрывают монослоем электростатически удерживаемых микрочастиц аниопообменного латекса. Размер латексных микрочастиц варьируется от 0,06 до 0,53 мкм. Результирующий агломерированный сорбент обладает анионообменными свойствами. Катионообмеиник может быть получен аналогичным образом - обработкой анионообменника сульфированными частицами латекса или последовательной обработкой катионообменника анионообменным и катионообменным латексом. Преимуществом агломерированных сорбентов является их высокая эффективность Использование в качестве ядра ПС-ДВБ сополимера обеспечивает высокую механическую стабильность сорбента. Гидролитическая устойчивость полимерных сорбентов в широком интервале рН от 0 до 14 выюдно отличает их от неподвижных фа на основе силикаїеля. Высокая )ффективность разделения обеспечивается благодаря короткому диффузионному пути, что обеспечивает быстрый массоперенос. Основной фактор обеспечивающий короткий диффузионный путь (а следовательно и высокую эффективность разделения), - это размер и степень сшивки частиц латекса. В настоящее время поверхностно агломерированные сорбенты выпускаются компанией Dionex (США). Примеры сорбентов, для которых известны катионо- и анионообменная емкости, приведены в табл. 1.2. Несмотря на то, что поверхностно агломерированные сорбенты содержат как отрицательно, так и положительно заряженные функциональные группы, они преимущественно используются как монофункциональные ионообменники, свойства которых определяются ионообменными группами верхнего слоя микрочастиц. Известно, что некоторые агломерированные анионообмениики обладают остаточной катионообменной емкостью и наоборот (табл. 1.2). Наряду со специально разработанными цвиттер-ионообменниками, например IonPac-CS5, эти сорбенты тоже могут быть использованы для одновременного определения катионов и анионов. Например, для одновременного определения HSeCb" и ТеС13 Бруззонити и др. [30] исследовали ряд агломерированных сорбентов: катионообменники IonPac-CS2, CS3, CS10, OmniPac РСХ-500, включая IonPac-CS5, и анионообмениики IonPac-AS4, AS4A, AS5, AS5A, AS 10, ASH и OmniPac РАХ-500.
Показано, что ТеС13+ может удерживаться анионообменниками IonPac-AS4, AS4A, AS5. Наиболее часто для одновременного разделения катионов и анионов используется цвиттерионный сорбент IonPac-CS5. На колонке, заполненной этим сорбентом, с 1,31 мМ раствором л-толуолсульфата триметилфениламмония за 27 минут удалось разделить СГ, Вг" или N03 , Naf, К ", Rb+ и Cs+. Эффективность хроматографического разделения для Na составила 10 тыс., для СГ- 18 тыс. теор. т./м [31]. Экспрессное ионохроматографическое разделение IIGe03 и Sn2t на сорбенте IonPac-CS5 позволило решить одну из важных аналитических задач определения состава полупроводниковых материалов [32]. Тот же ионообменник был использован для одновременного определения однозарядных анионов и катионов в хроматографической системе с последовательно соединенными анион-и катионселективными электродами [33] Преимуществом этою метода детектирования является неіависимость детектирования анионов и катионов, не требующая полного разделения всех ионов, а только катионов и анионов по отдельности. Это значительно расширяет круг определяемых ионов. 1.3.2. Ионообменники, модифицированные противоположно заряженным полимером Цвиттерионные сорбенты этою типа можно получить динамическим или ковалентным модифицированием поверхности ионообменника полимером противоположного заряда. Стабильность адсорбционного слоя в случае динамического модифицирования обеспечивают электростатические взаимодействия противоположно заряженных групп модификатора и ионообменника. В зависимости от взаимного расположения заряженных слоев различают, анионообменники модифицированные анионными полимерами (внешний слой - катионообменный, внутренний - анионообменный), и катионообменники, модифицированные катионными полимерами (внешний слой анионообменный, внутренний - катионообменный). Модифицирование анионообменников анионными полимерами позволяет получать стабильные сорбенты для ИХ [34, 35, 36] Для модифицирования анионообменников апробирован ряд полимеров (табл. 1.4). Наилучшие результаты по разделению ионов достигнуты на анионообменниках, модифицированных гепарином и хондроитин сульфатом С. Модифицирование анионообменника IC-Anion-SW хондроитин сульфатом С и гепарином приводит к уменьшению времени удерживания анионов в идентичных условиях соответственно в 2 и 4 раза [35].
Неподвижные фазы, полученные модифицированием анионообменника полистиролсульфатом и моносахаридом N-ацетилглюкозамин-6-сульфата, оказались нестабильными [35]. lC-Anion-SW-гепарин Модифицирование анионообменника гепарином приводит, как отмечалось выше, к существенному уменьшению удерживания анионов, что объясняется уменьшением числа анионообменных центров за счет их связывания с анионным полимером, а также отталкиванием анионов от одноименных катионообменных групп сорбента. Соотношение катионо- и анионообменной емкости цвиттерионного сорбента определяется характеристиками исходного анионообменника, размерами и типом полисахарида Определяющую роль играет пористая структура исходною анионообменника: чем больше поры, тем глубже в них проникают молекулы полисахарида, тем меньше остается аминогрупп, доступных для обмена анионов. Понятно, что аналогичное влияние оказывает размер молекулы полисахарида: чем он меньше, тем плотнее покрытие сорбента и меньше остаточная анионообменная емкость. Слишком крупные полисахариды, например, декстран сульфат с молекулярной массой 75000, практически не проникают в поры, и анионообменная емкость исходного сорбента мало изменяется при модифицировании [36]. Для сорбентов, обладающих и катионо- и анионообменными свойствами, наблюдали необычное влияние концентрации элюирующего иона: раібавление элюента приводило к уменьшению удерживания анионов. В фазе сорбента анион одновременно притягивается к положительно заряженным анионообменным группам и отталкивается от отрицательно заряженных функциональных групп полисахарида. Увеличение ионной силы приводит к ослаблению обоих электростатических взаимодействий. По мнению авторов, уменьшение от галкивания вносит больший вклад в удерживание анионов и, суммарный эффект выражается в увеличении их удерживания с ростом концентрации элюента [37]. Это позволяет использовать разбавленные элюенты, обеспечивающие более чувствительное кондуктометрическое детектирование. Интересно, что удерживание анионов определяется не только концентрацией и природой аниона элюента, но и природой ею катиона. На примере сорбента, модифицированного іепарином, показано, что удерживание ЫОз" увеличивается в ряду элюентов LiCl, NaCl, КС1, RbCl и CsCl. В работе [34] установлено, что удерживание NO3" возрастает с увеличением концентрации элюента (сульфата натрия и сульфата магния) и уменьшается при использовании в качестве элюента сульфата меди, сульфата алюминия и серной кислоты. Также следует отметить, что анионы не удерживаются на сорбенте при элюировании водой. Наличие анионо- и катионообменных групп у анионообменника модифицированного гепарином обусловливает одновременное удерживание на нем катионов и анионов В качестве элюента использован сульфат меди, обеспечивающий косвенное спектрофотометрическое детектирование катионов и анионов при л. = 200 нм. Одновременное разделение Na+, Mg2+, Юз", Са2+, CI, NO2", Br, NO3,1, SCN при элюировании 1 мМ раствором CuS04 достигается менее чем за 25 мин (рис. 1.1) [34].
Растворы и реагенты
Для приготовления элюентов и растворов использовали следующие соединения. - соли калия і идрофосфат (ч д a , Merck, Германия), натрия перхлорат (для ВЭЖХ, Fisher, США), маїния перхлорат, лития сульфат и церия (III) нитрат (ч д а., Реахим, Россия); - кислоты: фосфорная (для ВЭЖХ, Fisher Scientific Company, США), а также серная (фиксанал), мстансульфоновая (х.ч.), азотная (фиксанал), хлорная (ч д а.), лимонная (ч.), сульфосалициловая (ч.), бензойная (ч.) и фталевая (ч.) (Реахим, Россия); - органические растворители: ацетонитрил (о с.ч., Криохим, Россия), метанол (для ВЭЖХ, ХимМед, Россия), изопропанол (х.ч., ХимМед, Россия), - основания: гидроксиды натрия ( 96,5%, LaChema, Чехия) и лшия (ч., Новосибирский Завод Редких Металлов); Исходные растворы готовили путем растворения точных навесок или аликвот в дистиллированной воде.
Рабочие растворы готовили раібавлением исходных. Для изучения хроматографических свойств сорбентов в работе были иснольюваны следующие соединения: - соли: хлорид, хлорат, перхлорат, дигидрофосфат, нитрат, нитрит натрия; бромид, иодид, иодат, роданид калия; нитраты лития, аммония, рубидия, цезия, магния, кальция, стронция, бария, хлориды, сульфаты и нитраты цинка, кадмия, кобальта, никеля, свинца, железа (II) (ч д.а, Реахим, Россия). - карбоиовые кислоты: муравьиная, уксусная, ироиионовая, изомасляная, масляная, изовалерьяновая, валерьяновая, щавелевая, малоновая, янтарная, малеиновая, фумаровая, гликолевая, молочная, а гидроксиизомасляная, яблочная, винная, лимонная, монохлоруксусная, трихлоруксусная, трифторуксусндя (не ниже ч. Реахим, Россия). Методика опредечения теплот адсорбции ионов на сорбентах в ИХ Определение теплот сорбции (-АН, кДж/моль) проводили но стандартной методике [93]. Теплоты сорбции связаны с удерживанием по уравнению: удерживания иона, ф - фазовое отношение колонки, характеризующее природу сорбента. Величину -АН рассчитывают из тангенса угла наклона зависимости ІпА: от \1Т. Определение статической емкость сорбентов по меди (11) Навеску сорбента массой 0,2 г помещали в пробирку с 25 мл 1 М раствором сульфата меди и встряхивали в течение 1,5 часов. Сорбент отфильтровывали, промывали и сушили. Затем ее заливали 2 мл 0,1 М соляной кислотой. Отбирали аликвоту и определяли содержание меди в растворе спектрофотометрически по рекакции с ПАР [119] Рассчитывали статическую обменную емкость сорбентов по меди (II) из ірадуировочного графика Оценка ионообменных свойств аминокислотных сорбентов по удерживанию модечьных соединений методомХартвика [120] Наиболее полно ионообменные свойства можно оценить по зависимостям удерживания набора модельных соединении в заданном интервале рН. В качестве модельных соединений используют шесть ионоісиньїх ароматических соединении, различающихся кислотно-основными свойствами, включая две кислоты (бензойная и бензолсульфокислота), два основания (анилин и N,N,N триметилфениламмоний) и два полиамфолита (и-аминобензойная кислота и и-аминобенюлсульфокислота), обладающих высоким поглощением при 254 нм и обеспечивающих однозначность детектирования, что удобно при изучении свойств новых ионообменников. В качестве злюента использовали 5 мМ раствор лимонной кислоты (р/ч = 3,14; рК2 = 4,66; рКу = 6,40 [112]), как обеспечивающий буферігую емкость элюента в широком интервале рН 2,9-7,0, соответствующем интервалу устойчивости сорбентов на основе силикагеля.
Выводы о ионообменных свойствах делают по зависимостям удерживания модельных соединений от рН элюента. Появление микросферических частиц сверхсшитою полистирола (ССПС) дало толчок в развитии ВЭЖХ. ССПС и сорбенты на его основе обладают рядом преимуществ но сравнению с полистирол-дивинилбензольными (ПС-ДВБ) аналогами при использовании в ВЭЖХ За счет высокой степени сшивки сорбенты на основе ССПС имеют более высокую механическую прочность, термическую и гидролитическую устойчивость, незначительно набухают в органических растворителях. Сорбенты на основе ССПС имеют высокую селективность по отношению к различным классам соединении. Немодифицированный ССПС может быть использован для разделения фенолов [122], ароматических углеводородов [86], неорганических анионов [123,124]. По данным элементного анализа немодифицированный ССПС содержит около 5-6 масс. % связанного кислорода. В слабокислых растворах ССПС проявляет анионообменные свойства, как полагают, за счет присутствия протонированных карбонильных групп [123,124]: Введение сульфогрупп в матрицу такого анионообменника может привести к проявлению сорбентом цвиттерионных свойств благодаря сочетанию на поверхности противоположно заряженных ионообменных групп. Подобный подход к получению цвиттерионообменников был описан Долгоносовым [46], который предложил использовать микрочастицы частично сульфированного сильноосновного анионообменника в качестве неподвижной фазы для разделения ионов. В зависимости от степени сульфирования полученный сорбент проявлял анионо-, цвиттерионо- или катионообменные свойства. В некотором отношении сульфированный ССПС имеет подобную структуру, поэтому целесообразно было
Сверхсшитый полистирол динамически модифицированный цвиттерионными красителями
Важной особенностью ССПС является значительно более существенное, чем у ПС-ДВБ, сродство к ароматическим соединениям. Это свойство позволило получать новые стабильные неподвижные фазы для ВЭЖХ путем динамического модифицирования ССПС ароматическими соединениями [72,73]. Как было показано Киселевой с сотр. [72, 73], динамическое модифицирование ССПС цвиттерионными молекулами ароматического красителя метилового оранжевого обеспечивает стабильный адсорбционный слой и полученный сорбент может быть использован в ионной хроматофафии Предварительные выводы о стабильности и количественных характеристиках адсорбированного слоя и процессах протекающих на поверхности сорбента можно сделать на основании изучения изотерм адсорбции [135]. Подобным но строению цвиттерионным красителем является патентованный синий (ПС) (рис. 3.14). Иное взаимное расположение и соотношение заряженных групп в молекуле красителя позволяет предположить другую ионообменную селективность при закреплении на ССПС. Удобным способом определения концентрации красителей в растворе является спектрофотометрия.
Для количественного определения содержания красителей в растворах использовали максимумы поглощения в спектральных областях при 467 нм в случае МО и 630,5 нм для ПС. ССПС отличается высокой скоростью установления сорбционного равновесия [136]. Так, при сорбции цвиттерионных красителей т водного раствора равновесие достшалось зл несколько минут. Обычно, хроматографическое разделение ионов на цвиттерионообменниках проводят с использованием разбавленных растворов сильных электролитов, поэтому было изучено влияние концентрации сильного электролита в растворе красителя на адсорбцию. Увеличение концентрации хлорида калия в растворе вплоть до 0,1 моль/л приводит к существенному увеличению адсорбции цвиттерионных красителей на ССПС (рис. 3.15). Также следует отметить, что при более высоких концентрациях красителей в растворе, увеличение ионной силы раствора может приводить к уменьшению их. Известно, что ССПС в водных растворах проявляет анионообменные свойства [123, 124], следовательно его поверхность заряжена отрицательна. С одной стороны, с увеличением ионной силы заряды на поверхности экранируются и их вклад во взаимодействие с заряженными молекулами уменьшается. С другой стороны, с увеличением ионной силы происходит экранирование заряженных групп красителя и наблюдается эффект высаливния красителей на гидрофобную поверхность. Таким образом, повышение концентрации сильного электролита увеличивает адсорбцию цвиттерионных красителей на ССПС, поэтому стабильность адсорбированного слоя в условиях ионной хроматографии будет выше при использовании в качестве элюентов растворов электролитов. Изотермы адсорбции красителей были получены при различных концентрациях хлорида калия в растворе (рис. 3.16). Как видно из представленных рисунков, изотермы для ПС и МО имеют схожий характер. В области равновесных концентрации красителей в водном растворе иютермы линейны.
Основные физико-химические параметры адсорбции (табл. 3.14) были рассчитаны методом наименьших квадратов с использованием линейной формы уравнения Ленгмюра: Как видно из полученных данных, изученные цвиттерионные красители обладают большим сродством к ССПС, чем производные фенолов, изученные ранее [138]. Это, по-видимому, объясняется большей гидрофобностью молекул, т.к. несмотря на наличие ионогенных групп в их состав входят более одного ароматического кольца. Полученные нами данные свидетельствуют о высоком сродстве ССПС к ароматическим цвиттерионным красителям. При этом емкость но отношению к МО примерно в два раза выше, чем по отношению к ПС (рис. 3.16, табл. 3.14), что, по-видимому, объясняется различием в размерах молекул. Таким образом, модифицирование поверхности ССПС, изученными цвиттерионными красителями, является технически простым способом получения стабильных неподвижных фаз для ионной хроматографии Стабильность адсорбированного слоя динамически модифицированных сорбентов можно оценить величиной kw, характеризующей удерживание модификатора на матрице с элюентом, не содержащим органических растворителей. Удерживание ПС слишком сильное в элюентах с низким содержанием органического растворителя, поэтому, значения &w были рассчитаны по методу Лидеры [139] на основании зависимостей Igk от содержания (мольн. %) органического растворителя в подвижной фазе. Аппроксимация зависимости квадратным уравнением вида lgfc = ах + bx + с дает ftw 1000, что позволяет работать без добавок модификатора в элюенте. Таким образом, адсорбция ПС на СО 1С должна образовывать стабильный в условиях ВЭЖХ адсорбционный слой. Высокая стабильность адсорбционного слоя ПС-ССПС подтверждается постоянством ионообменной емкости ПС-ССПС на протяжении всего эксперимента.
После завершения работы краситель был элюирован ацетонитрилом с колонки и спектрофотометрически была определена емкость колонки, которая составила 2,76 ммочь/колонку. Как было показано для ССПС модифицированного МО [72, 73], природа элюента может оказывать влияние на стабильность сорбента. Наилучшие результаты были получены для элюентов на основе HNO3 с добавкой или без Ce(N03)3 В последнем случае удобно использовать спектрофотометрическое детектирование при длине волны 254 нм. Наблюдаемая катионная и анионная селективности сорбента представлены в табл. 3.15 и 3.16.
