СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ КОЛОНОК ДЛЯ ИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
METHOD OF PREPARING HIGHLY EFFICIENT COLUMNS FOR ION CHROMATOGRAPHY

Изобретение относится к хроматографическому анализу и может быть использовано для создания высокоэффективных колонок для ионной хроматографии.
Метод ионной хроматографии широко применяется в анализе ионных смесей. К его главным достоинствам относятся высокая разрешающая способность, чувствительность, экспрессность, возможность определения различных, в том числе трудно определяемых другими методами ионных форм, таких как формы азота, серы и т.п. Основным элементом хроматографической системы является аналитическая колонка и ее наполнитель - разделяющий сорбент малой емкости, представляющий собой высокотехнологичный продукт с тонко настраиваемыми характеристиками. Объем производства таких сорбентов невелик, синтез сложен и составляет «know-how» производителя. Товарным продуктом производящих фирм является наполненная аналитическая колонка, предназначенная для решения вполне определенного круга аналитических задач. Стоимость колонки достаточно высока. В связи с этим актуальна задача разработки относительно простого и универсального способа синтеза хроматографических сорбентов и получения высокоэффективных колонок.
Как правило, процесс синтеза разделяющих сорбентов для ионной хроматографии заключается в модификации тем или иным способом поверхности зерен инертного носителя, занимающих основной объем аналитической колонки. Известны три основных способа модификации:
1. Химическая модификация, в результате которой образуется прочная ковалентная связь между молекулами основы и модификатора.
2. Механическая модификация, когда микрочастицы модификатора с ионообменными свойствами наносятся на поверхность основы и удерживаются силами адгезии или электростатики.
3. Нанесение в динамическом режиме пленки поверхностно-активного вещества на поверхность зерен инертного носителя.
Каждый из перечисленных типов разделяющих сорбентов имеет свои недостатки. Химическая модификация требует жестких условий синтеза и применения агрессивных реагентов. Рабочие поверхности латексных и пленочных сорбентов легко разрушаются и утрачивают свои свойства за счет истирания в процессе работы колонки.
Особое значение имеет качество заполнения хроматографической колонки частицами сорбента, поскольку только плотный однородный слой сорбента в колонке обеспечивает высокую эффективность хроматографического разделения.
Известен способ приготовления колонок для ВЭЖХ суспензионным методом, включающий: взвешивание требуемого для колонки данного размера количества сорбента, заливку его растворителем и приготовление суспензии. Суспензию помещают в резервуар, соединенный с колонкой, на конце которой установлен фитинг с фильтром, и под давлением 20-60 МПа продавливают суспензию через колонку, подавая в резервуар насосом растворитель. Суспензию отфильтровывают на фильтре колонки, формируя упорядоченный слой сорбента, обеспечивающий эффективное разделение при ВЭЖХ. Останавливают поток растворителя, дают давлению упасть до нуля и снимают колонку. Удаляют избыток сорбента с конца колонки и присоединяют второй фитинг с фильтром. Полученную таким образом колонку устанавливают на хроматограф, прокачивают через нее до установления равновесия рабочий растворитель, после чего она готова к работе.
Полученная указанным способом суспензия должна сохранять стабильность, начиная от переноса ее в резервуар и в течение всей упаковки, или необходимо замедлить седиментацию или исключить ее. Для каждой системы «растворитель-сорбент» необходимо соблюдать диапазон концентраций суспензии, дающий наилучшую упаковку слоя сорбента.
Недостатком известного способа является то, что, как правило, в полярных кислородсодержащих органических растворителях не удается получить равномерную и плотную структуру слоя сорбента в колонке из-за наличия на поверхности полимерного сорбента положительного или отрицательного электрических зарядов.
[Стыскин Е.Л., Ициксон Л.Б., Брауде Е.Б. Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография. - М.: Химия, 1986, 151 с.].
Известен способ получения разделяющей колонки с анионообменниками очень малой (поверхностной) емкости для ионной хроматографии. Известный факт электростатического слипания ионитов разной полярности был использован для получения анионообменника низкой емкости. Сильноосновный анионообменник (DOWEX 1,2 IRA 900) тонко измельчали и седиментировали для удаления крупных частиц. Разбавленная суспензия мелких частиц затем пропускалась через колонку, заполненную катионитом - поверхностно-сульфированным сополимером стирола и дивинилбензола (ССС/ДВБ), где анионообменные частицы локализовались на поверхности катионита. В результате поверхность ССС/ДВБ насыщалась частицами анионообменника, а избыток этих частиц удалялся при промывании колонки водой. С помощью электронного микроскопа было установлено, что размер частиц на поверхности гранул катионита составлял 0.5-2 мкм. Выбор размера частиц в этом диапазоне позволяет изготавливать колонки с различной емкостью и разрешением.
Недостатком описанного материала является то, что рабочая поверхность поверхностно-модифицированных сорбентов легко разрушается при истирании в процессе работы колонки.
[H. Small, Т. S. Stevens, W.C. Bauman. Novel ion exchange chromatographic method using conductometric detection// Anal.Chem.,1975.V.47, No.l1. P.1801-1809].
К новым направлениям в области хроматографии относится синтез сорбентов с комбинированными биполярными полимодальными сорбционными поверхностями. Основные идеи по созданию таких поверхностей изложены в работе: Liu X., Pohl С, Woodruff A., Chen J. Cromatographic evaluation of reversed - phase / anion - exchange /cation - exchange trimodal stationary phases prepared by electrostatically driven self-assembly process. //Journal of Chromatography A. - 2011. - V.1218. P.3407-3412. и в патенте US2009/0277838 A1, опубл. 2009.11.12. МПК B01D 15/08/, взятом нами за прототип.
Пример одного из вариантов многостадийного синтеза подобной тримодальной поверхности описан ниже.
При создании сорбента за основу брали частицы силикагеля размером 3 или 5 мкм с размерами пор, соответственно 12 и 30 нм. Модификацию проводили в несколько стадий.
На первой стадии проводили синтез анионообменного силильного лиганда, содержащего гидрофобные алкильные цепочки, заканчивающиеся третичными аминогруппами (функциональными анионообменными группами). Синтез проводили в среде органического растворителя в присутствии платиносодержащего катализатора. Реакционная смесь, содержащая (диметиламино)пропиламин и 10-ундеценил хлорид, готовилась при температуре 0-5°C, перемешивалась 12 час при комнатной температуре, затем при избытке этоксисилана 24 час при 50°C.
Далее, как внешняя, так и внутрипоровая поверхность силикагеля химически модифицировалась силильными лигандами. Реакцию проводили в суспензии силикагеля в инертном растворителе (толуоле) при повышенной температуре в течение не менее 48 час. В результате получалась сорбционная поверхность, обладающая слабой анионообменной активностью и одновременно способностью удерживать гидрофобные нейтральные молекулы.
Далее получали сульфированные частицы полимера с катионообменными свойствами, которые затем смешивались с поверхностно-модифицированными частицами силикагеля при условии полной ионизации компонентов. Важно, что частицы сульфированного полимера имели размер, существенно превышающий размер пор силикагеля, и покрывали только внешнюю поверхность зерна силикагеля за счет сил электростатического взаимодействия
Далее материал загружали в хроматографическую колонку суспензионным методом.
Сорбенты описанного типа позволяют одновременно определять органические гидрофобные и слабополярные компоненты и противоионы. Поверхностная электростатическая модификация материала основы наночастицами может осуществляться как вне колонки, так и при пропускании наносуспензий модификатора через колонку, заполненную химически-модифицированной основой. В качестве пористой основы может использоваться и силикагель, и макропористый сополимер, при этом всегда реализуется принцип: электростатическое модифицирование частицами полимера только внешней поверхности основы.
Описанный выше способ получения полимодальных разделяющих сорбентов многостадиен и длителен. Он требует высокой степени квалификации персонала на каждой стадии процесса (синтез силильных лигандов, химическая модификация поверхности основы, электростатическая модификация, набивка колонки).
Задачей настоящего изобретения является разработка простого и универсального способа получения хроматографических колонок с биполярной разделяющей поверхностью с широко варьируемой селективностью, обладающей при этом долговечностью, химической устойчивостью, возможностью регенерации.
3
Поставленная задача решается способом приготовления высокоэффективных колонок для жидкостной хроматографии, характеризующимся приготовлением суспензии анионита-основы, включающим предварительный помол последнего до среднего размера зерен 10-25 мкм, приготовлением из полученного порошка суспензии в 20-25% водном растворе глицерина, и последующим многократным пошаговым ее центрифугированием и декантированием до получения осадка анионита-основы с зернением не менее 12 мкм и не более 16 мкм, приготовлением наносуспензии катионита-модификатора, включающим перевод его функциональных групп в водородную форму путем обработки последнего 1М раствором HNO в течение 1-2 час, отмывки водой, сушки, помолом его в течение 7-8 дней в шаровой мельнице, последующим пошаговым центрифугированием и декантированием до получения суспензии катионита в воде с размером частиц 50-300 нм, наполнением колонки суспензией анионита в 20-25% водном растворе глицерина, упаковкой и уплотнением слоя анионита под давлением, перевод анионита в гидроксильную форму обработкой раствором щелочи, последующей укладкой наночастиц катионита в макропорах основы и удалением их с внешней поверхности основы путем пропускания наносуспензии катионита-модификатора через колонку в потоке со скоростью 1-2 мл/мин до его проскока, а затем удаление избытка модификатора путем пропускания кислоты, воды, растворителя до установления равновесия.
В качестве анионита-основы может быть использован макропористый сильноосновной анионит стирол-дивинилбензольного типа, а в качестве катионита-модификатора - катионит сульфополистирольного типа.
Предпочтительно, помол анионита вести в шаровой мельнице со скоростью вращения барабана - 40 об/мин в течение 25-60 час.
Предпочтительно, центрифугирование осуществлять на центрифуге с максимальной скоростью вращения 7000 об/мин.
Целесообразно пошаговое центрифугирование суспензии ионита-основы вести со скоростью 5000, 3000, 1500 об/мин в течение 10-30 сек в количестве не менее 4 шагов, а пошаговое центрифугирование катионита-модификатора вести со скоростью 7000 об/мин в течение 1, 5, 30 мин в количестве не менее 3 шагов.
В настоящем изобретении авторы реализовали более простой способ создания комбинированной биполярной сорбционной поверхности на основе товарных однородно модифицированных полимерных ионитов. Способ не требует проведения специальных сложных синтезов и химических модификаций твердых фаз. Новизна настоящего изобретения заключается в размещении в динамическом режиме и удерживании за счет кулоновских сил наночастиц катионита-модификатора внутри макропор ионита-основы противоположной полярности при протекании необратимой химической реакции. В этом состоит главное отличие от разработки предыдущих авторов, где модифицируется за счет электростатического взаимодействия принципиально только внешняя поверхность основы и не используются преимущества необратимого взаимодействия ионогенных групп основы и модификатора.
+
-
Предлагаемый способ продемонстрирован на примере синтеза катионообменника NACATEX для разделения ионных смесей. Согласно изобретению проводится модификация основы в динамическом режиме, при пропускании наносуспензии катионита-модификатора в водородной (H) форме через колонку, наполненную частицами анионита-основы в гидроксильной (ОН) форме. Процесс модификации сопровождается необратимой реакцией нейтрализации с образованием молекул воды, что способствует прочному связыванию наночастиц модификатора с поверхностью основы и формированию резкого фронта динамического процесса модификации.
-
+
На фиг.1 проиллюстрирован принцип получения и структура биполярной сорбционной поверхности, где проводится модификация основы - анионита АВ-171(OH), находящегося в колонке, путем пропускания через нее наносуспензии модификатора - катионита КУ-2(H).
+
+
+
+
+
+
4
3
На фиг.2 представлена хроматограмма модельной смеси катионов щелочных элементов и иона аммония: 1 - Li(1 мг/л), 2 Na(5 мг/л), 3 - NH (5 мг/л), 4 -K(5 мг/л), 5 - Rb(10 мг/л), 6 - Cs(15 мг/л). Элюент - раствор HNOс концентрацией 2,5 мМ; разделяющая колонка размером 5,6×150 мм с сорбентом зернением 13±3 мкм; подавительная колонка размером 6×200 мм с сорбентом Дауэкс 2×10 (ОН-форма) зернением 70 мкм; скорость потока - 1,5 мл/мин, объем пробы - 30 мкл.
2+
2+
2-
3
3
2
3
На фиг.3 представлена хроматограмма модельной смеси катионов щелочноземельных элементов: 1 - Mg(24.3 мг/л), 2 - Са(20 мг/л). Элюент - раствор, содержащий 2 мМ HNO и 0.5 мМ Sr(NO); разделяющая колонка размером 5,6×150 мм с сорбентом зернением 13±3 мкм; подавительная колонка размером 6×200 мм с сорбентом Дауэкс 2×10 (CO  - форма) зернением 70 мкм; скорость потока - 1,5 мл/мин, объем пробы - 30 мкл.
Коэффициенты уравнения соответствующих градуировочных зависимостей представлены в табл. 1. Параметры градуировочных зависимостей типа Y=a+вХ при определении катионов щелочных элементов. Y - высота кондуктометрического сигнала (мВ), X - концентрация соответствующего катиона (мг/л), n - число точек, R - коэффициент корреляции, S - относительное стандартное отклонение.
Параметры градуировочных зависимостей при определении кальция и магния представлены в табл.2.
Узкие фракции зернения исходных ионообменников, необходимые для синтеза, получаются в результате найденных специальных режимов помола в шаровой мельнице и центрифугирования водно-глицериновых суспензий полученных порошков. Контроль размера пор основы и частиц основы и модификатора осуществляется с помощью оптического и электронного микроскопов.
В работе использовали лабораторную шаровую мельницу мощностью 0.55 кВт с фарфоровым барабаном объемом 4 л и фарфоровыми шарами диаметром 30 мм со скоростью вращения барабана - 40 об/мин.
Центрифугирование осуществляли на лабораторной центрифуге с объемом загрузки 200 мл и максимальной скоростью вращения 7000 об/мин.
Пример.
1. Подготовка основы.
В качестве исходного материала использовали товарный сильноосновный макропористый (размер пор порядка 300-500 нм) анионит АВ-171 стирол-дивинилбензольного типа с четвертичными аммониевыми основаниями в качестве активных функциональных групп.
Основой для синтеза сорбента являлась узкая фракция зернения анионита АВ-171 с размерами частиц 13-16 мкм. Для ее получения 400 мл воздушно-сухого материала последовательно размалывали в роторном дезинтеграторе до получения средней фракции в 50-100 мкм, затем в шаровой мельнице в течение 25 часов. Из полученного порошка с разбросом зернения 10-25 мкм готовили суспензию в 1 л 20-25% водного раствора глицерина. Затем методом пошагового центрифугирования и декантации выделяли нужную фракцию зернения анионита. Трижды центрифугировали суспензию со скоростью 5000 об/мин в течение 30 с, сливая центрифугат и собирая осадок. Из анионита, оставшегося в осадке, снова готовили суспензию и повторяли процедуру. Контроль размера частиц осуществляли с помощью электронного микроскопа. Осадок после последнего центрифугирования имел нижнюю границу по зернению 13±1 мкм.
Для отделения фракции с диаметром частиц d>16±1 мкм из осадка готовили суспензию и центрифугировали со скоростью 1500 об/мин в течение 30 с. Центрифугат отделяли от осадка и снова центрифугировали 20 с при скорости 3000 об/мин. Анионит, оставшийся в осадке, имел зернение в диапазоне 13-16 мкм и использовался в дальнейшем.
2. Подготовка модификатора.
3
Исходным материалом являлся товарный ионит КУ-2×8 - сильный катионит сульфосополистирольного типа с ионообменными группами - SOH, отмытый от железа.
Модификатор, представляющий собой водную наносуспензию катионита в водородной форме с размерами частиц порядка 100 нм, готовили в несколько этапов. Вначале катионит переводили в водородную форму, для чего 0.5 л исходного катионита обрабатывали в статических условиях в течение 1-2 часов 4 л 1М раствора азотной кислоты, периодически встряхивая емкость. Катионит промывали бидистиллятом и доводили до воздушно-сухого состояния, далее размалывали с помощью роторного дезинтегратора до получения средней фракции в 50-100 мкм. Полученный порошок помещали в шаровую мельницу и размалывали не менее недели. Далее готовили водную суспензию в 1 л воды и пошагово методом центрифугирования и декантации выделяли самую мелкую фракцию частиц катионита. С целью выделения в осадок микронных частиц, центрифугировали дважды (сначала 1 мин, затем 5 мин при скорости вращения 7000 об/мин), собирая центрифугат, который еще раз центрифугировали со скоростью 7000 об/мин в течение 30 мин, после чего жидкость над осадком представляла собой не расслаивающуюся наносуспензию красно-розового цвета с плотностью около 1 г/л, содержащую частицы катионита размером от 50 до 300 нм. На фиг.4 представлена фотография частицы наносуспензии катионита.
3. Приготовление хроматографической колонки.
Использовалась пластиковая колонка для ВЭЖХ размером 5.6×150 мм. Наполнение колонки анионитом АВ-171 проводили с помощью насоса высокого давления и специального устройства для набивки хроматографических колонок. 5 мл плотной суспензии анионита - основы в 20 мл 20% раствора глицерина в воде прокачивали через колонку под давлением 240 атм со скоростью потока 6-8 мл/мин.
Далее, анионит, находящийся в хроматографической колонке, переводили в гидроксильную форму, для чего с помощью хроматографического насоса через колонку в потоке со скоростью 1.5 мл/мин пропускали 60 мл 0.5М раствора NaOH. Затем колонку отмывали от избытка щелочи, пропуская в прямом направлении 150 мл бидистиллированной воды.
Через колонку с помощью хроматографического насоса пропускали в прямом направлении со скоростью 1.3 мл/мин наносуспензию катионита модификатора (120-130 мл), полученную в п.2. Процесс контролировали по проскоку окрашенной жидкости на выходе из колонки. Затем колонку промывали бидистиллированной водой в количестве 100 мл со скоростью 1.3 мл/мин. В процессе подготовки аналитической колонки к работе и выбора условий хроматографических экспериментов через нее попускали этанол, а также минеральные и органические кислоты (растворы соляной, фосфорной, азотной, щавелевой, винной кислот с концентрациями до 1 М), при этом разделяющая поверхность колонки сохраняла свои физико-химические свойства.
При создании катионообменной колонки NACATEX добивались образования структуры сорбционной поверхности, характеризующейся тем, что наночастицы катионита-модификатора закреплены в порах анионита-основы. Были реализованы следующие основные принципы:
1. средний размер частиц наносуспензии катионита-модификатора меньше размера пор ионита-основы, что позволяло мелким частицам беспрепятственно проникать во внутрипоровое пространство, при этом более крупные частицы катионита беспрепятственно проходили через колонку, смываясь с внешней поверхности водой и другими рабочими растворами;
2. динамический способ модификации основы позволил минимизировать объем модификатора в застойных зонах плотного слоя сорбента, что позволило повысить эффективность хроматографической колонки;
3. реакция нейтрализации, сопровождающая модификацию, обеспечивала формирование крутого фронта динамического процесса и прочное удерживание наночастиц в порах основы.
Такой тип структуры поверхности характеризуется стабильностью ее сорбционных свойств и химической устойчивостью.
В процессе испытания аналитических свойств новой хроматографической колонки были выбраны условия разделения и одновременного определения всех щелочных элементов и катиона аммония. Измерения проводили на хроматографе Цвет-3006 (ДОКБА, г. Дзержинск, РФ) с кондуктометрическим детектированием. Запись хроматограмм в режиме реального времени проводилась с использованием АЦП и соответствующей программы. Результаты хроматографирования модельной смеси щелочных элементов представлены на фиг.2.
Гидроксильная форма сорбента подавительной колонки и раствор кислоты в качестве элюента обеспечивают максимальную чувствительность определения благодаря аномально высокой эквивалентной электропроводности иона гидроксила и реакции нейтрализации, резко снижающей фоновую электропроводность. Однако определение катионов большинства других металлов в данных условиях нецелесообразно из-за слабой диссоциации их гидроксидов.
2+
Кроме того, двухзарядные катионы намного сильнее удерживаются сорбентом в процессе разделения, элюирующей силы растворов чистых кислот становится недостаточно. Один из вариантов условий определения катионов щелочноземельных элементов - использование карбонатной формы сорбента подавительной колонки и добавление в состав элюента небольшого количества сильно удерживаемого катиона (например, Sr) с целью сокращения времени анализа.
Таким образом, разделяющая катионообменная колонка нового типа позволяет решать аналитические задачи определения катионов щелочных и щелочноземельных элементов в водных растворах.
Достоинством описанного выше способа синтеза разделяющего сорбента для ионной хроматографии является безреагентность, безотходность, использование типового оборудования, воспроизводимость свойств получаемого материала. Полученный сорбент выдерживает достаточно агрессивные среды, он устойчив к истиранию, так как частицы модификатора находятся не на выпуклой внешней поверхности зерна, а утоплены в открытых макропорах основы.
Используемый подход открывает перспективу синтеза селективных сорбентов с заданными свойствами, которые будут определяться выбранными парами ионитов матрицы и модификатора.
Способ приготовления высокоэффективных колонок для ионной хроматографии.
Таблица 1
катион
а
b
n
R
S, %
Li
-0.07
16.7
4
0.9999
4.8
Na<sup>+</sup>
0.82
4.53
3
0.9998
4.0
NH/
-0.17
2.29
4
0.9998
4.4
К<sup>+</sup>
0.38
1.65
3
0.9999
1.2
Cs<sup>+</sup>
0.063
0.24
4
0.9999
5.0
Rb<sup>+</sup>
-0.03
0.607
4
0.9999
3.2
Таблица 2
катион
a
b
n
R
S, %
Ca<sup>2+</sup>
-0.40
0.41
5
0.9979
8.7
Mg<sup>2+</sup>
-0.14
0.55
4
0.9969
8.5