Введение к работе
Актуальность темы. Научная идея синтеза макропористых монолитных материалов для жидкостной хроматографии, предложенная в конце 80-х - начале 90-х годов, превратилась в мощный инструмент производства современных высокоэффективных сорбентов. В настоящее время монолитные стационарные фазы успешно применяются в скоростных процессах хроматографического разделения биологических (макро)молекул, в конструкциях современных ферментных реакторов, а также при осуществлении других процессов, основанных на динамическом межфазовом распределении вещества.
Использование макропористых монолитных сорбентов несет ряд существенных преимуществ по сравнению с применением традиционных наполненных колонок. В первую очередь, это особенности механизма внутрппорового массообмена, управляемого конвекцией потока, а не традиционной для хроматографии молекулярной диффузией, лимитирующей время разделительного процесса. В случае монолитных стационарных фаз оказалось возможным использование высоких скоростей потока элюента, что, соответственно, привело к резкому снижению оперативного времени анализа. Несмотря на большие успехи использования монолитов при анализе различных биологических объектов, на данном этапе развития метода возникает ощутимая необходимость расширения его возможностей. Например, разработка эффективных и высокоселективных методов разделения органических и неорганических ионов определенно требует создания и оптимизации подобных стационарных фаз. Очевидно, что решение такой проблемы, в первую очередь, потребует значительной перестройки поровой структуры уже известных материалов с целью контролируемого изменения размеров пор и адсорбционной поверхности. В связи с этим необходимо заметить, что, несмотря на огромное количество публикаций в дайной области, в открытой литературе практически отсутствуют данные по разработке алгоритма вариации поровой структуры в зависимости от условий получения сорбента.
В настоящее время распространение получили капиллярные монолитные колонки и дисковые монолитные материалы, используемые для разделения биологических макромолекул. В литературе подробно описано влияние условий получения монолитов на их свойства. Тем не менее, актуальной и малоизученной остается проблема разделения малых органических молекул н ионов на монолитных полимерных колонках с размерами, типичными для современной ВЭЖХ.
Цель работы состояла: в разработке принципов контролируемого формирования гомогенной поровой структуры монолитных полнметакрилатных материалов в колонках для
жидкостной хроматографии; в создании монолитных сорбентов с оптимальными гидродинамическими свойствами, селективностью и эффективностью для разделения малых органических молекул и ионов.
Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:
изучение влияния условий полимеризации: температуры, природы порогенов, состава смеси мономеров и геометрии колонок на свойства монолитных материалов;
изучение влияния природы функциональной группы на свойства апионообмепников, полученных как методом аминирования монолитной матрицы, так и путем введения соответствующих мономеров в полимеризационную смесь;
поиск путей повышения гидрофобное монолитов для обрашенно-фазовой хроматографии посредством добавления в реакционную смесь новых гидрофобных функциональных групп и создания сорбентов на основе тройных сополимеров;
изучение хроматографического поведения полученных сорбентов в вариантах ионной и обрашенно-фазовой хроматографии, определение областей их практического применения;
оценка воспроизводимости хроматографнческих свойств синтезированных сорбентов.
Научная новизна. Разработаны принципы контролируемого формирования
гомогенной поровой структуры монолитных полиметакрнлатных материалов колоночного типа.
Предложены новые подходы к получению монолитов для ионной хроматографии, заключающиеся в добавлении в полимеризационную смесь соответствующих мономеров, содержащих необходимые функциональные группы, на стадии синтеза монолита.
Показано, что небольшое добавление мономеров, содержащих длинные алкильные радикалы в эфирной группе, позволяет значительно увеличить эффективность разделения при сохранении селективности и гидродинамических свойств монолитных макропористых материалов.
Показано, что для описания экспериментальных данных на монолитных сорбентах применимы вытеснительные модели Скотта-Кучеры и Снайдера-Сочевинского.
Показано, что уменьшения неионообменных взаимодействий поляризуемых анионов с матрицей ионообменника можно добиться введением аминогруппы на стадии полимеризации.
Практическая значимость. Получен ряд монолитных сорбентов для вариантов ионной и обрашенно-фазовой хроматографии. Полученные сорбенты характеризуются различными гидродинамическими свойствами, емкостью, селективностью и эффективностью.
Максимальная эффективность разделения составила примерно 35000 тт/м для монолита на основе н-бутилметакрилата с добавкой лаурилметакрнлата в реакционную смесь.
Проведенное сравнение хроматографических свойств монолитных и коммерчески доступных сорбентов на основе снликагеля показало, что использование полученных монолитов позволяет сократить время анализа и снизить давление в хроматографической системе.
Апнонообменники, характеризующиеся высоким сродством к поляризуемым анионам, использованы для количественного определения ионов методом «введено-найдено».
Показано, что полученные монолитные сорбенты могут быть использованы для анализа реальных объектов.
Па защиту выносятся следующие положения:
результаты изучения влияния условий полимеризации и геометрии колонок на структуру и хроматографичеекпе свойства монолитных материалов как для ионной, так и для обращенпо-фазовой ВЭЖХ;
новые подходы к повышению эффективности монолитных материалов колоночного типа;
применимость вытеснительных моделей Скотта-Кучеры и Снайдера-Сочевинского для описания экспериментальных данных на монолитных сорбентах;
результаты изучения влияния природы функциональной группы и природы использованных мономеров на гидродинамические свойства, эффективность и селективность разделения;
данные по практическому применению полученных монолитов для анализа.
Данная работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 07-03-00975-а).
Автор выражает искреннюю благодарность И.А. Дьячкову за постоянное внимание, поддержку, помощь в работе и обсуждении результатов, а также А.В. Пирогову, А.Д. Смоленкову, А.А. Бендрышеву (аналитический центр МГУ), В.М. Сенявину (кафедра физической химии МГУ), А.А. Малинкину (кафедра ВМС МГУ), Б.Я. Спивакову и Д.А. Трофимову (ГЕОХИ РАН, Москва), Е. Шмаровой (Объединенный центр исследований и разработок, Москва) за помощь при выполнении данной работы на разных её этапах.
Отдельное спасибо моим «научным родителям» докторам химических наук Т.Б. Тенннковой (Институт высокомолекулярных соединений РАН, Санкт-Петербург), О.А. Шпигуну, |Г.Д. Брыкимой| и моей семье за неоценимую помощь и постоянную душевную поддержку.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на X Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии» (Москва, 2006), Международном конгрессе по аналитическим наукам (Москва, 2006), Международных молодежных конференциях ИБХФ РАН - ВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, 2006-2008), Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2007-2008), Всероссийском симпозиуме «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях» (Москва, 2007), II Всероссийской конференции «Аналитика России» с международным участием (Краснодар, 2007), IV Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийском симпозиуме «Хроматография и хромато-масс-спектрометрия» (Москва, 2008), III школе «Монолитные технологии для бнохроматографии, биоконверсии и твердофазного синтеза» (Словения, 2008), внутренних докладах и научных коллоквиумах лаборатории хроматографии кафедры аналитической химии МГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, среди них
3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборниках трудов и 10 тезисов
докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора,
4 глав экспериментальной части, общих выводов и списка цитируемой литературы.
Материал изложен на 157 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и
28 таблиц, в списке цитируемой литературы 127 наименований.
