Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Монолитные сорбенты в хроматографическом анализе. Сорбенты для ионной хроматографии анионов (обзор литературы)
1.1. История развития и области применения монолитных сорбентов 11
1.1.1. Основные этапы развития монолитных сорбентов в хроматографическом анализе
1.1.2. Разделение белков и пептидов с использованием монолитных сорбентов
1.1.3. Использование монолитных колонок для анализа полиароматических углеводородов (ПАУ)
1.1.4. Монолитные сорбенты в газовой хроматографии 28
1.2. Анионообменные сорбенты 32
1.2.1. Структурная классификация традиционных гранулированных сорбентов для ионной хроматографии
1.2.2. Доступные анионообменные колонки на основе сополимеров дивинилбензола
1.2.3. Доступные анионообменные колонки на основе метакрилатов 45
1.2.4. Доступные анионообменные колонки на основе силикагеля
1.2.5. Анализ неорганических анионов методом ионообменной хроматографии на монолитных сорбентах
Глава 2. Аппаратура, исходные вещества и методики экспериментов 55
2.1. Синтез монолитных колонок 55
2.1.1 Подготовка кварцевого капилляра 55
2.1.2 Синтез монолитов 55
2.2. Введение анионообменных групп в структуру монолита 58
2.3. Приборы и средства измерений 61
2.4. Растворы и реагенты 70
2.5. Определение пористости колонок 70
2.6. Определение проницаемости колонок 72
2.7. Определение импеданса колонок 73
Глава 3. Исследование физико-химических и структурных характеристик монолитных капиллярных колонок методом обращенно-фазной ВЭЖХ
3.1. Исследование структурных параметров монолитных капиллярных колонок
3.2. Исследование кинетики взаимодействия сорбата со стационарной фазой и эффективности монолитных капиллярных колонок в режиме ОФВЭЖХ
3.3. Исследование величин импеданса монолитных капиллярных колонок в режиме ОФ ВЭЖХ
Глава 4. Исследование физико-химических и хроматографических свойств монолитных капиллярных колонок в режиме ионной хроматографии
4.1. Влияние параметров синтеза ионообменной монолитной матрицы на физико-химические и хроматографические параметры ионных колонок
4.2. Влияние типа аминирующего реагента на физико-химические и хроматографические параметры ионных колонок
Глава 5. Оптимизация условий разделения анионов на ионных монолитных колонках
Выводы 137
Список литературы
- Основные этапы развития монолитных сорбентов в хроматографическом анализе
- Структурная классификация традиционных гранулированных сорбентов для ионной хроматографии
- Введение анионообменных групп в структуру монолита
- Исследование кинетики взаимодействия сорбата со стационарной фазой и эффективности монолитных капиллярных колонок в режиме ОФВЭЖХ
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ природных и промышленных объектов на содержание ионов является важной практической задачей, ежедневно решаемой аналитическими лабораториями в различных отраслях промышленности, экологии, медицины. Аналитические методы определения простых неорганических анионов в настоящее время представлены ионной хроматографией (ИХ), капиллярным зонным электрофорезом (КЗЭ) и потенциометриеи с ионселективными электродами (ПИЭ). КЗЭ позволяет проводить быстрые и высокоэффективные разделения. Например, в литературе описано электрофоретическое разделения нитрит- и нитрат-анионов за время порядка 12-15 секунд. Однако общим недостатком методик связанных с применением КЗЭ является невысокая чувствительность и плохая воспроизводимость, что связанно с зависимостью величины электроосмотического потока от большого числа трудно контролируемых параметров. Как результат этого, варьируются не только времена удерживания сорбатов, но и эффективность и селективность разделения.
Хорошей воспроизводимостью и чувствительностью обладают методы анализа ионных соединений основанные на использовании ИХ. Однако время анализа у этих методов, как правило, заметно выше, чем у методов основанных на КЗЭ. Время проведения анализа возрастает особенно сильно, если исследуемая проба содержит многозарядные неорганические анионы, такие как сульфат или фосфат. Уступает ионная хроматография методам капиллярного электрофореза и по эффективность разделения. В связи с этим повышение эффективности и экспрессности методов ИХ является актуальной задачей современной аналитической химии и хроматографии.
Повышение эффективности хроматографических разделений в жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) тесно связано с улучшением физико-химических
характеристик сорбентов, используемых в качестве стационарных фаз. Прежде всего, это относится к размеру частиц сорбента и однородности его фракционного состава. Как известно, минимальная высота, эквивалентная теоретической тарелке, (ВЭТТ) в ВЭЖХ составляет примерно два размера зерна. Поэтому уменьшение размера частиц сорбента, заполняющего колонку, является традиционным методом повышения эффективности колонок в ВЭЖХ. Однако использование все более мелкодисперсных сорбентов, одновременно с ростом эффективности, приводит к значительному возрастанию давления, которое необходимо использовать, чтобы обеспечить оптимальную скорость подвижной фазы в колонке.
Альтернативный путь улучшения производительности хроматографического анализа предполагает использование монолитных колонок. Монолитные колонки, в отличие от заполненных колонок, не требуют процесса упаковки колонок сорбентом, поскольку монолит синтезируется непосредственно в самой колонке in situ. Уникальной является также морфология стационарной фазы внутри колонки: размер каналов в структуре монолита, по которым перемещается подвижная фаза (так называемые транспортные поры), не зависит от размера первичных частиц полимера (так называемые доменные частицы), формирующих его структуру. Таким образом, монолитные колонки впервые дают возможность приготовить хроматографические колонки, заполненные мелкими частицами (доменами), которые в то же время не требуют для своей работы применения высоких и сверхвысоких давлений. Исследование физико-химических свойств монолитных капиллярных колонок в зависимости от условий их получения позволит выявить закономерности формирования структуры этих уникальных сорбентов, необходимой для достижения быстрых и высокоэффективных разделений.
Целью настоящей работы является исследование физико-химических свойств анионообменных монолитных капиллярных колонок на основе органических полимерных матриц, разработка простого и удобного метода их
получения и оптимизация их структуры для достижения оптимальных хроматографических свойств, а также разработка методов анализа анионов на основе нового типа сорбентов. Конкретные задачи исследования включали следующие этапы:
Разработка метода синтеза монолитных капиллярных колонок на основе гидрофобных (полидивинилбензол (ПДВБ), поли(дивинилбензол /хлорметилстирол) (ЩДВБ/ХМС))) и гидрофильных (полиэтиленгликольдиметакрилат (ПЭДМА), поли(этиленгликольди-метакрилат /глицидилметакрилат) (П(ЭДМА/ГМА))) органических матриц.
Исследование физико-химических характеристик монолитных сорбентов, таких как пористость, проницаемость, параметры уравнения Ван-Деемтера (характеризующие скорость диффузии веществ в подвижной и неподвижной фазах и т.д.), и их зависимости от структуры полученных монолитов.
Изучение зависимости физико-химических свойств ионных монолитных сорбентов (кинетика взаимодействия сорбата с монолитом, селективность сорбента) от структуры функциональных групп монолита.
Определение оптимальных условий применения полученных монолитных сорбентов и капиллярных колонок на их основе в анализе неорганических анионов (состава элюента, скорость потока элюента и т.д.).
Научная новизна. В работе впервые систематически исследованы физико-химические параметры ионных и неионных монолитных матриц и капиллярных колонок на их основе. Предложен метод получения высокоэффективных монолитных ионообменных капиллярных колонок с оптимальной структурой монолита для проведения эффективных и селективных анализов в ИХ. Получены 10 новых типов монолитных капиллярных колонок и охарактеризованы их
физико-химические свойства (в том числе и хроматографические свойства в обращенно-фазной (ОФ) и ионной хроматографии):
показано, что пористость, проницаемость монолитов и импеданс колонок в первую очередь определяются условиями синтеза, такими как температура и время полимеризации, относительные количества (со)мономеров в полимеризационной смеси;
обнаружено, что селективность и ионная емкость сорбента зависят от типа используемого аминирующего реагента. Варьирование состава аминирующей смеси позволяет получать колонки с заданными характеристиками;
обнаружено замедление кинетики массообмена при переходе от монолитных колонок стандартного аналитического размера к капиллярным монолитным колонкам и при переходе от обращенно-фазных монолитных капиллярных колонок (полимерная матрица) к ионообменным колонкам (аминированная полимерная матрица);
обнаружено влияние типа аминирующего агента на свойства органического полимерного сорбента и эффективность хроматографических колонок;
определены зависимости удерживания наиболее распространенных анионов (фторид, хлорид, бромид, нитрит, нитрат) от условий элюирования;
исследована селективность синтезированных сорбентов при разделении неорганических анионов.
Практическая значимость. Изучено влияние параметров синтеза монолитов на их пористость, проницаемость и структуру монолитного слоя, а также на импеданс монолитных колонок полученных на их основе. Проведена оптимизация условий синтеза монолитных капиллярных колонок на основе органических полимеров и отработаны условия получения монолитных капиллярных колонок с
оптимальными физико-химическими свойствами для применения в ионной хроматографии. Найдены оптимальные условия разделения стандартных смесей неорганических анионов и предложены методики анализа анионов в реальных объектах различной природы (питьевая вода, минеральная вода и т.д.). Показано, что применение новых типов колонок позволяет сократить время анализа при проведении рутинных анализов при сохранении надежности и достоверности получаемых результатов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации изложены в публикациях и представлены в виде докладов на конференциях и симпозиумах: X Международная конференция «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии», Москва-Клязьма - стендовый доклад, 24-28.04.2006; 29 Международный Симпозиум по Капиллярной хроматографии (29 International Symposium on Capillary Chromatography), Riva-Del-Garda, Italy - стендовый доклад, 29.05-02.06.2006; Международный Конгресс по Аналитическим Наукам (International Congress on Analytical Sciences - 2006), Москва - стендовый доклад, 25-30.06.2006; 2-й Международный форум "Актуальные проблемы современной науки", Самара, 20-23.11.2006; Всероссийский симпозиум «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях», Москва-Клязьма -устный доклад, стендовый доклад, 23-27.04.2007; 31 Международный симпозиум по высокоэффективной жидкостной хроматографии и связанным методикам (31st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques), International Congress Centre, Ghent, Belgium - стендовый доклад, 17-21.06.2007
Основные публикации по материалам диссертации:
1. Антошкина А.Ю. Хроматографические процессы, сопровождающиеся химическими реакциями.// Актуальные проблемы современной науки: Тр. 1-го межд. форума мол. ученых. 4.10: Хроматография и хроматографические приборы. Самара: СГТУ, 2005. 44 с.
Канатьева А.Ю. Влияние условий синтеза и состава полимеризационной смеси на параметры монолитных капиллярных колонок на основе ЭДМА // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 2-го межд. форума мол. ученых. 4.10: Хроматография и хроматографические приборы. Самара: СГТУ, 2006. 52 с.
Е.Н.Викторова, А.Ю.Канатьева, А.А.Королев, А.А.Курганов. Монолитные капиллярные колонки на основе дивинилбензола в капиллярной жидкостной хроматографии. ЖФХ, т. 81, № 3, (2007), с. 507-511
Канатьева А.Ю., Королев А.А., Викторова Е.Н., Курганов А.А. Монолитные капиллярные колонки на основе диметакрилатэтиленгликоля в капиллярной жидкостной хроматографии. ЖФХ, 2007, т. 81, № 3, с. 568
A. Yu. Kanatyeva, Chromatographic elution profile of an analyte involved in reversible chemical reaction of the type A+B«->AB, Journal of Chromatography A, 1150 (2007)112-116
A. Yu. Kanatyeva, Modeling of analyte elution profile while eluting in complicated with reversible reaction A+B <-» AB chromatographic systems. 29 International Symposium on Cappilary Chromatography, May, 29 - June, 2, Riva-Del-Garda. Book of Abstracts, P. 253
А. А. Королев, E.H. Викторова, А.Ю. Канатьева, А.А. Курганов, Оптимизация структуры монолитных капиллярных колонок на основе дивинилбензола. X Международная конференция «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии», 24-28 апреля 2006, Москва-Клязьма
E.N. Viktorova, А.А. Korolev, A. Yu Kanatyeva, А.А. Kurganov, Optimization of monolith structure in the divinylbenzene-based capillary columns for separation by HPLC, International Congress on Analytical Sciences - 2006, Moscow, Russia, 25-30.06.2006, Book of Abstracts, abstract 1-P123, P. 206
A. Kanatyeva, Novel monolithic capillary columns for ion chromatography, 31st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniues, Ghent, Belgium, 17-21.06.2007, Book of Abstracts, P. 198
A. Kanatyeva, A. Korolev, E. Viktorova, A. Kurganov, Investigation on monolithic capillary columns for ion-chromatography of inorganic anions, 31st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniues, Ghent, Belgium, 17-21.06.2007, Book of Abstracts, P. 171
А. А. Королев, E.H. Викторова, A.A. Курганов, А.Ю. Канатьева, Монолитные капиллярные колонки на основе органических полимеров для ионной хроматографии. Всероссийский симпозиум «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях», Москва-Клязьма, 23-27.04.2007
Основные этапы развития монолитных сорбентов в хроматографическом анализе
История применения монолитов в хроматографии берет свое начало пять десятилетий назад с работы Ричарда Л.М. Синга, награжденного в 1952 году Нобелевской премией по химии за вклад в развитие наук о разделении. В 1950х годах он впервые представил в своей работе структуры, которые сегодня называют монолитами [25, 26]. Он, однако, обнаружил, что это были непрочные материалы, разрушающиеся под воздействием гидростатического давления. Кубин и др. [27] еще раз подтвердили этот факт в конце 1960х годов при изучении монолита, полученного на основе гидрогеля 2-гидроксиэтилметакрилата. Скорость потока через колонку была слишком мала, чтобы колонку можно было использовать на практике, а эффективность оказалась чрезвычайно низкой (552 теоретические тарелки (ТТ)/ м для колонки, приготовленной путем радикальной полимеризации 22% водного раствора 2-гидроксиэтилметакрилата, содержащего 0,2% этиленгликоль диметакрилата, в стеклянной трубке с внутренним диаметром 25 мм). В начале 1970х с помощью полимеризации in situ (т.е. непосредственно в стеклянной трубке) были получены монолитные колонки на основе полиуретановых пен. Исследования проводили две независимых группы исследователей, одна в США [28-30] и одна в Европе [31]. В своей публикации авторы [32] отмечают, что сшитый полиуретан, образовавшийся в процессе полимеризации, нерастворим в полимеризационной смеси и выделяется в новую фазу в форме взаимосвязанных сферических образований, названных авторами сферулами. Размер сферул можно было варьировать в очень широких пределах от 1 до 10 мкм, изменяя разведение реакционной смеси. Частицы, образующие пену, были непористыми, как это следует из низкой удельной поверхности пен (0,4 м /г) [30]. Большие сферулы формировали большие поры и полученные монолитные пены обладали более высокой проницаемостью. Лучшие хроматографические результаты (эффективность 800 т.т./м для декана и средний фактор разделения 5,5 для разделения алканов С!2, С із, и Си) были достигнуты для материала с плотностью 0,178 г/мл. Полиуретан оставался стабильным до температуры не выше 200С, что серьезно ограничило его использование в ГХ [32], но авторы выделили и несколько преимуществ, предложенных ими колонок [30]. Среди них в первую очередь следует отметить легкость получения колонок и легкость варьирования структуры монолита, простым изменением условий полимеризации.
Авторы также отмечают, что соединения, имеющие относительно низкое давление паров, могут быть проанализированы на новых сорбентах при низких температурах колонки. Было также показано, что удовлетворительное разделение может быть получено и в жидкостной хроматографии [31, 32]. По сегодняшним меркам разделяющая способность монолитных полиуретановых колонок была низкой и поэтому монолитные колонки в то время не получили широкого распространения в ГХ, где доминирующее положение занимают полые капиллярные колонки.
Последующие пятнадцать лет публикации, посвященные монолитным колонкам, в литературе практически отсутствуют, и интерес к монолитным неподвижным фазам возрождается в середине 1980х годов, когда были разработаны новые подходы к синтезу пористых монолитных сред, основанные на технологии производства ультрафильтрационных мембран. Новые монолитные неподвижные фазы были предложены Б. Беленьким, Ф. Швецом и Т. Тенниковой в 1989 году в результате совместной работы Института Высокомолекулярных Соединений Академии Наук СССР (Санкт-Петербург) и Института Высокомолекулярной Химии Академии Наук Чехословакии (Прага) [33-36]. Предложенные фазы были испытаны при разделении пептидов, белков и нуклеиновых кислот [37]. Группа исследователей имела богатый опыт разделения биологических образцов на мембранах, изготовленных из сшитых полимеров [38-39], и он был успешно перенесен на производство монолитных разделяющих сред [40-41]. В течение последующих нескольких лет, когда в изучение монолитных сорбентов включились исследовательские группы из разных стран, было показано, что эффективные монолитные колонки могут быть приготовлены с использованием большого числа разнообразных мономеров [42-43]. Одновременно были разработаны удобные методики, с помощью которых полимеризация монолитов могла проводиться непосредственно в трубках, использовавшихся затем в качестве хроматографических колонок [44].
Структурная классификация традиционных гранулированных сорбентов для ионной хроматографии
Анионообменные сорбенты (смолы) представляют собой сетчатые полимеры, способные к обмену анионов при контакте с растворами электролитов. В зависимости от свойств ионогенных групп анионообменники подразделяют на слабые и сильные ионообменные сорбенты. Слабые анионообменники содержат в своей структуре первичные, вторичные или третичные атомы азота, сильные анионообменники - четвертичные аммониевые, пиридиниевые, фосфониевые или третичные сульфониевые группы [114]. Синтез анионообменных сорбентов представляет собой многостадийный процесс [115, 116]. Наиболее распространенный способ получения анионообменных сорбентов - химическая модификация сшитых сополимеров, например, хлорметилирование и последующее аминирование сополимеров стирола и дивинилбензолом; обработка аминами реакционно способных сополимеров метакриловой кислоты; алкилирование сополимеров 2-винилпиридина и др. Некоторые анионообменные сорбенты получают поликонденсацией (например, меламина с формальдегидом или полиэтиленполиаминов с эпихлоргидрином и пиридином), а также сополимеризацией мономеров, содержащих функциональные группы (например, винилпиридинов или аллиламинов), с диенами [117]. Аниообменные материалы, используемые в промышленности и в ионном обмене, обычно характеризуются высоким содержанием функциональных групп (1-1,5 ммоль/г) и высокой обменной емкостью. Анионообменные сорбенты используемые в ИХ, наоборот, должны обладать очень небольшой емкостью в связи со специфическими методами детектирования (электропроводность или обратная УФ спектроскопия), применяемыми в ИХ. Получение таких материалов зачастую оказывается также сложно, как и синтез высокоемких сорбентов, и ниже приводится структурная классификация сорбентов, используемых в ИХ, которая также должна дать представление об их строении.
Структурная классификация традиционных гранулированных сорбентов для ионной хроматографии
Ионная хроматография представляет собой особый вид ионообменной хроматографии и широко используется для аналитического разделения ионных и ионизируемых соединений. Классические методики с использованием ионного обмена много лет используются для разделения неорганических катионов и анионов, аминокислот, органических кислот, аминов, пептидов и белков. В течение прошлых лет было предложено большое количество сорбентов для анионообменной хроматографии, большинство из которых было испытано и в ИХ В то же время, отмеченная выше особенность ИХ анализа, привела к созданию особых, не имеющих аналогов среди традиционных ионообменных материалов, сорбентов. Основные типы ионообменных материалов для ИХ представлены ниже и схематически показаны на рис. 7 [118].
1. Модификация пористых кремнеземных матриц с использованием функциональных станов. Эти материалы были вызваны к жизни широкой популярностью С18 силикагелеи в ВЭЖХ. Несмотря на то, что методика получения сорбентов этого типа сорбентов достаточно проста, относительно небольшая гидролитическая стабильность силикагельных матриц в сочетании со склонностью силикагельной матрицы к концентрированию ионов, входящих в состав буфера (что вызывает значительные изменения величины рН элюента), приводят к очень ограниченному сроку службы колонки. И хотя время от времени в литературе появляются сообщения о синтезе новых представителей этого класса сорбентов, практического использования они не получили [118].
2. Электростатически закрепленные слои на непористых органополимерных матрицах (агломерированные сорбенты). Сорбенты с электростатически закрепленными слоями ионообменного материала на поверхности непористых гранул были разработаны в самом начале 1970-х годов [119-121] как гидролитически стабильные материалы низкой емкости, поскольку подавительные колонки в ИХ имеют ограниченную емкость. Первые сорбенты этого типа были основаны на матрице с низкой степенью сшивки, однако современные материалы избавлены от этого недостатка и способны выдерживать большинство растворителей, традиционно используемых в ВЭЖХ. В принципе, матрица может быть и неорганической, такой как кремнеземная, алюминиевая, циркониевая или титановая, однако описания таких матриц в литературе отсутствуют.
Для получения агломерированного сорбента непористые гранулы (ядро частицы) модифицируют для получения на их поверхности заряженных групп (для получения анионообменника исходная непористая матрица подвергается сульфированию). После этого матрица помещается в суспензию противоположно заряженных коллоидных частиц, которые прочно сорбируются на поверхности непористых частиц. Наиболее стабильные сорбенты были получены при нанесении на полистирольную матрицу коллоидного слоя винилароматического ионообменного материала. Долгие годы сорбенты этого типа оставались практически единственными, использовавшимися в двухколоночных ионохроматографических системах с кондуктометрическим детектированием, но и сегодня они являются одним из наиболее распространенных типов сорбентов в ИХ.
Введение анионообменных групп в структуру монолита
Полимеризационную смесь готовили растворением инициатора в смеси мономера и порообразователя. В качестве мономеров использовались: дивинилбензол (ДВБ), хлорметилстирол (ХМС), этиленгликоль диметакрилат (ЭДМА) и глицидилметакрилат (ГМА), а также смеси ДВБ/ХМС и ЭДМА/ГМА в различных соотношениях. Порообразователь представлял собой смесь додеканола-1 и толуола в соотношении 27:4 по объему. В качестве инициатора радикальной реакции использовался 2,2 -азодиизобутиронитрил (АИБН), 1 % (масс.) от количества мономеров (смеси мономеров). В таблице 4 приведены формулы и свойства основных реагентов, использованных при синтезе монолитов, а на рисунках 13 и 14 представлены условные схемы реакций полимеризации ДВБ и ЭДМА. Для проведения полимеризации кварцевый силанизированный капилляр под вакуумом заполняли полимеризационным раствором, концы капилляра запаивали и колонка помещалась в водяной термостат. Условия полимеризации приведены в таблице 5. По окончании полимеризации колонки промывали метанолом для удаления из колонки остатков полимеризационнои смеси и частиц полимера, не связанных химически с основной структурой монолита.
Для придания колонкам ионообменных свойств поверхность синтезированного монолита модифицировали несколькими способами, в зависимости от типа монолитной матрицы и используемого модифицирующего реагента: а) прямым аминированием триметиламином (ТМА), б) аминированием диметиламином (ДМА) или в) полиэтиленимином (ПЭИ) или с) их смесями с последующей кватернизацией йодистым метилом. В таблице 6 приведены химические формулы и свойства реагентов, использованных для модификации поверхности монолита.
Модификация проводилась по следующей схеме:
А. Прямому аминированию ТМА подвергаются монолитные матрицы, содержавшие активные хлорметильные группы, т.е. сополимер ЩДВБ/ХМС). Синтезированную монолитную капиллярную колонку промывали метанолом и затем заполняли 12,5 % раствором ТМА (в смеси воды и метанола 1:1 (об.)). Колонку оставляли стоять при комнатной температуре в течение 12 часов и затем промывали метанолом (пропуская через колонку 10 или больше ее объемов). Схема реакции аминирования ТМА показана на рисунке 14.
Б. Аминирование ДМА, ПЭИ и их смесями с последующей кватернизацией йодистым метилом проводили для монолитов содержащих оксирановые группы (сополимер П(ЭДМА/ГМА)) или хлорметильные группы (сополимер ЩДВБ/ХМС)). Для проведения модификации синтезированную монолитную капиллярную колонку заполняли раствором соответствующего аминирующего реагента (5% раствор ПЭИ в метаноле, 30% раствор ДМА в смеси воды и метанола 1:1 или раствором ПЭИ и ДМА (различных концентраций) в смеси воды и метанола 1:1) и оставляли стоять при комнатной температуре в течение 12 часов. Затем колонку промывали метанолом для удаления избыточного амина и заполняли 10 % раствором йодистого метила в метаноле. Кватернизацию проводили в течение 12 часов при комнатной температуре, затем колонку промывали метанолом (пропуская через колонку 10 или больше ее объемов). Условная схема реакций аминирования показана на рисунках 15 и 16.
В таблице 6 приведены условия синтеза анионообменных монолитных капиллярных колонок.
Все хроматографические эксперименты проводили на изократическом жидкостном хроматографе фирмы "Shimadzu" (Япония), скомпонованном из насоса высокого давления марки LC-10AD и УФ-детектора с переменной длиной волны SPD-10A в сочетании с капиллярной ячейкой.
Пробу вводили с помощью крана-дозатора фирмы "Reodyne" (США), модель 7125, снабженного сменной внутренней петлей объемом 2 мкл. Так как насос может подавать подвижную фазу со скоростью не ниже 10 мкл/мин, то для получения меньшего расхода элюента через колонку и для уменьшения объема вводимой пробы перед колонкой был установлен делитель потока (соотношение 1:30).
Сбор данных с детектора производился с помощью программного обеспечения «ChromStar» фирмы SCPA GmbH, версии 4.0 и 5.0.
Пробы вводили стеклянными шприцами для ВЭЖХ Microliter объемом 50 мкл (Hamilton Company, США).
Для измерения рН растворов использовали рН-метр Cheker 1 (Hanna Instruments, Германия) со сменным рН-электродом HI 1270.
Морфологию монолитных капиллярных колонок изучали фотографированием поперечного среза колонок с использованием сканирующего электронного микроскопа Leo 1455VP (Carl Zeiss, Германия), позволяющего получать изображения без покрытия объекта слоем проводящего материала.
Исследование кинетики взаимодействия сорбата со стационарной фазой и эффективности монолитных капиллярных колонок в режиме ОФВЭЖХ
Для приготовления элюентов и растворов использовали следующие соединения: - соли: фталат калия, дигидроортофосфат калия, гидроортофосфат натрия, тетраоксалат калия, имевшие чистоту стандарт-титров для рН-метрии (ЗАО НПО «Экрос», Россия); - основания: гидроксид калия (х.ч., ЗАО НПО «Экрос», Россия); - органические растворители: ацетонитрил (о.с.ч., Криохим, Россия; CHROMASOLV Plus, Sigma-Aldrich), метанол (для ВЭЖХ, ХимМед, Россия), ацетон (о.с.ч., ЗАО НПО «Экрос», Россия). Исходные растворы готовили растворением точных навесок или аликвот в бидистиллированной воде. Рабочие растворы готовили путем разбавления исходных растворов.
В качестве сорбатов при изучении хроматографических свойств сорбентов в работе были использованы следующие соединения: фторид калия, хлорид натрия, нитрит натрия, бромид натрия, нитрат калия, сульфат цезия (ч.д.а., Реахим, Россия); тиомочевина, урацил, ацетон, метилэтилкетон, метилпропилкетон, бензол, толуол, этилбензол, нитробензол (ч., Реахим, Россия).
Пористость монолитных капиллярных колонок определяли гравиметрическим и хроматографическим методами. При использовании гравиметрического метода колонку заполняли четыреххлористым углеродом и взвешивали на аналитических весах. Затем четыреххлористый углерод удаляли из колонки путем продувки гелием при повышенной температуре и пустую колонку снова взвешивали. Пористость колонки рассчитывалась с помощью следующего уравнения:
Относительная погрешность измерений составляла не более 5%. Для расчета пористости колонок на основании хроматографических данных использовали время выхода «неудерживаемого» сорбата. Пористость рассчитывалась по уравнению: є= Vo eWxlOO% (2) Здесь to - время выхода неудерживаемого вещества, с; v - объемная скорость потока подвижной фазы через колонку, см /с; Vext - объем внеколоночных коммуникаций, которые определялся с помощью холостого опыта с использованием полой трубки известного объема, установленной вместо хроматографической колонки, см3 Полученные данные представлены в табл. 9 в разделе «3.1. Исследование структурных параметров монолитных капиллярных колонок».
Проницаемость в хроматографии определяется как коэффициент пропорциональности в известном уравнении Пуазейля-Дарси (За), которое характеризует протекание несжимаемой жидкости через пористую среду. Модификация этого уравнения в случае использования сжимаемой подвижной фазы была дана Халашем (36):
В0 - проницаемость колонки, м2 Проницаемость колонки измеряется в единицах площади и соответствует площади поверхности пористого слоя, через который жидкость проходит с единичной линейной скоростью при единичном перепаде давления, единичной вязкости и единичной длине (толщине) слоя сорбента. Следует отметить, что в полимерной химии и химии мембран используется отличное определение проницаемости, и она определяется как скорость потока через единицу площади мембраны единичной толщины при единичном перепаде давления для жидкости с единичной вязкостью.
Средняя линейная скорость подвижной фазы й определялась по времени выхода неудерживаемого вещества (метан) to. Для определения величины to использовали известное в хроматографии полулогарифмическое соотношение для времени удерживания серии гомологов: где /R - время удерживания сорбата; Сп - количество атомов углерода в молекуле сорбата; а, Ь - эмпирические постоянные
Объем и распределение пор по размерам являются важными характеристиками сорбентов и обычно определяются с помощью таких методов, как ртутная порометрия и/или низкотемпературная сорбция азота. Ртутная порометрия позволяет определить распределение пор по размерам в диапазоне от 4 до 400 нм и полный объем пор, соответственно. Низкотемпературная сорбция азота позволяет, прежде всего, получить информацию о внутренней поверхности (метод БЭТТ) и полном объеме пор пористого образца, тогда как распределение пор по размерам обычно удается определить только для довольно узкого диапазона размеров пор от 2 нм до 50 нм. Оба метода требуют довольно значительных количеств пробы ( 0,5 г). Количество полимера внутри монолитной капиллярной колонки крайне мало (менее 10 мг на метр длины колонки) и неспособно обеспечить достаточную точность измерения, что исключает использование традиционных методов характеристики пористости материала. В ряде работ авторы полагают, что необходимые количества монолита могут быть приготовлены отдельно, при условии соблюдения аналогичных параметров процесса полимеризации. Однако хроматографические измерения, как это показано дальше в данной диссертации, указывают на то, что структура монолита оказывается очень чувствительной к малейшим изменениям в условиях синтеза
