Сверхсшитые полистирольные сорбенты для высокоэффективной жидкостной хроматографии

Актуальность темы

Одной из наиболее важных задач современной ОФ ВЭЖХ является разработка универсальных сорбентов, селективных к различным группам органических соединений. Расширение круга анализируемых объектов, в частности необходимость разделения большого числа азотсодержащих органических оснований и использования подвижных фаз с высокими рН, выдвигает ряд специальных требований к сорбентам, используемым для разделения, среди которых: высокая химическая и гидролитическая стабильность и отсутствие на поверхности сильных адсорбционных центров. Химически модифицированные кремнеземы не удовлетворяют этим требованиям, ввиду их невысокой устойчивости в щелочных элюентах и присутствия силанольных групп на поверхности. В настоящее время основной тенденцией в исследованиях по созданию новых неподвижных фаз для ВЭЖХ является разработка сорбентов на основе различных органических полимеров. Наибольшее внимание среди сорбентов этой группы привлекают ПС-ДВБ сорбенты, которые, однако, не лишены недостатков, характерных для всех полимерных сорбентов, главным из которых является невысокая эффективность, ввиду недостаточной жесткости их структуры.

Возможным путем решения этой проблемы может быть использование сверхсшитых полистиролов, представляющих новое поколение полимерных сорбентов, синтез и структура которых принципиально отличаются от других ПС-ДВБ сорбентов. Они имеют ряд новых уникальных физико-химических свойств, таких как: высоко развитая удельная поверхность, сочетание гидрофобности и смачиваемости водой поверхности частиц сорбентов, исключительно высокая жесткость полимерной структуры и выраженное сродство к некоторым классам органических соединений. Совокупность этих качественно новых для полимерных сорбентов свойств позволяет выделить сверхсшитые полистиролы в отдельную группу неподвижных фаз перспективных для использования в ВЭЖХ.

Цель и задачи исследования

Целью работы была оценка применимости и изучение свойств сверхсшитого полистирола как неподвижной фазы для высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Конкретные задачи исследования были следующими:

— изучение физико-химических свойств сверхсшитого полистирола и механизма удерживания на нем, сравнение его свойств со свойствами других сорбентов для ВЭЖХ,.

— изучение закономерностей хроматографического удерживания органических соединений разных классов на колонках, заполненных сверхсшитым полистиролом,.

— разработка методик определения гидрофильных ароматических соединений методом ОФ ВЭЖХ на сверхсшитом полистироле в различных объектах, в том числе в природных водах с предварительным сорбционным концентрированием.

Научная новизна. Изучен новый класс сорбентов для ВЭЖХмикродисперсные сверхсшитые полистиролы, имеющие структуру, принципиально отличающуюся от обычных ПС-ДВБ сорбентов.

При изучении физико-химических свойств С СПС обнаружены уникальные особенности этих сорбентов: высокая механическая прочность и жесткость полимерной матрицы, что впервые позволило получить эффективность 75−80 тысяч тт/м для полимерного сорбента с размером частиц 5 мкм.

Особенностями хроматографических свойств ССПС являются: значительный вклад тг-я-взаимодействий в механизм удерживания, высокое сродство к гидрофильным органическим ароматическим соединениям, включая фенолы, сочетание высокой эффективности и селективности разделения изомерных полярных гидрофильных органических соединений. Показано, что ССПС является анионообменником нового типа и имеет протонированные карбонильные группы в качестве анионообменных.

На колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом, впервые проведено одновременное разделение пирокатехина, резорцина, гидрохинона, о-, м-, п-аминофенолов,^{-N-метиламинофенола} и w-фенилендиамина.

Практическая значимость. Проведена оценка возможностей нового класса сорбентов — сверхсшитых полистиролов — для разделения и определения различных органических соединений: экотоксикантов, консервантов, алкалоидов, антибиотиков, органических кислот в водах, пищевых продуктах, продукции косметической и фармацевтической промышленности. Разработаны методики ВЭЖХ определения на колонках, заполненных сверхсшитыми полистиролами:

— пирокатехина, резорцина, гидрохинона, о-, м-, и-аминофенолов и п-фенилендиамина в красках для волос,.

— бензойной и сорбиновой кислот в газированных напитках.

Разработана методика определения в водах пирокатехина, резорцина и гидрохинона методом ОФ ВЭЖХ с предварительным on-line концентрированием на концентрирующей колонке, встроенной в петлю инжектора, нижняя граница определяемых содержаний фенолов составляет 2−3 мкг/л. На защиту выносятся следующие положения:

— возможность применения сверхсшитого полистирола в качестве неподвижной фазы в ОФ ВЭЖХ,.

— результаты изучения физико-химических свойств сверхсшитого полистирола и вкладов различных взаимодействий в удерживание на нем,.

— результаты изучения хроматографического удерживания различных классов органических соединений: фенола и его хлор-, нитро-, метил-, аминои оксипроизводных, ПАУ, фталатов, фенилендиаминов, алифатических и ароматических карбоновых кислот, сульфаниламидных препаратов, ксантинов — в условиях ОФ ВЭЖХ на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом,.

— результаты изучения концентрирования пирокатехина, резорцина, гидрохинона и фенола в статических и динамических условиях,.

— методики определения пирокатехина, резорцина, гидрохинона, о-, м-, п-аминофенолов и и-фенилендиамина в красках для волос, бензойной и сорбиновой кислот в напитках, а также методика ОФ ВЭЖХ определения пирокатехина, резорцина и гидрохинона в водах с предварительным on-line концентрированием.

Апробация работы. Основные результаты диссертации изложены в 11 публикациях и доложены на XII Международном симпозиуме по ионной хроматографии (Сан-Хосе, 1999), XXIII Международном симпозиуме по высокоэффективной жидкостной хроматографии (Granada, 1999), V Азиатской конференции по аналитической химии Asianalysis V (Xiamen, 1999) — Всероссийском симпозиуме по химии поверхности, адсорбции и хроматографии (Москва, 1999), Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-97» и «Ломоносов-98» (Москва), Всероссийском симпозиуме по теории и практике хроматографии и электрофореза (Москва, 1998).

Публикации по работе. Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

1. Penner N.A., Nesterenko P.N., Ilyin М.М., Tsyurupa M.P., Davankov V.A. Investigation of properties of hypercrosslinked polystyrene as stationary phase for high performance liquid chromatography. // Chromatographia. 1999. V. 50. P. 611−620.

2. Penner N.A., Nesterenko P.N. Anion-exchange ability of neutral hydrophobic hypercrosslinked polystyrene. //Anal. Commun. 1999. V.36. N.5. P. 199−201.

3. Penner N.A., Nesterenko P.N., Khryashchevskii A.V., Stranadko T.N., Shpigun O.A. The novel stationary phase for high performance liquid chromatographic separation and determination of phenols. // Mendeleev Commun. 1998. P.24−27. и тезисах:

1. Пеннер H.A., Хоретоненко M.B. Изучение хроматографического удерживания фенолов на сверхсшитом полистироле. Тезисы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-97». Москва. 810 апреля 1997 года. С. 9.

2. Пеннер H.A., Рыбалко М. А. Разделение нейтральных гидрофильных органических соединений на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом.

Тезисы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-98». Москва. 7−10 апреля 1998 г. С. 14.

3. Пеннер Н. А., Нестеренко П. Н. Жидкостная хроматография фуллеренов на сверхсшитом полистироле. Тезисы Всероссийского симпозиума по теории и практике хроматографии и электрофореза. Москва. 13−17 апреля. 1998 г. С. 139.

4. Пеннер Н. А., Нестеренко П. Н. Оценка применимости сверхсшитого полистирола для использования в качестве неподвижной фазы в ВЭЖХ. Тезисы Всероссийского симпозиума по теории и практике хроматографии и электрофореза. Москва. 13−17 апреля 1998 г. С. 82.

5. Пеннер Н. А., Нестеренко П. Н., Рыбалко М. А. Разделение нейтральных гидрофильных органических соединений на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом. Тезисы докладов Всероссийского симпозиума по химии поверхности, адсорбции и хроматографии. Москва. 12−16 апреля 1999 г. С. 237.

6. Davankov V.A., Ilyin М.М., Tsyurupa М.Р., Penner N.A., Nesterenko P.N. Hypercrosslinked Polystyrene — Promising Column Packing Material for Preconcentration and HPLC Analysis of Organic Compounds. Proceedings of the Fifth Asian Conference on Analytical Sciences (Asianalysis V). Xiamen. 4−7 May 1999. P. 257.

7. Sotchilina K., Sotchiline V., Davankov V., Ilyin M., Tsyurupa M., Penner N., Nesterenko P. New polystyrene sorbents for sample preconcentration and as HPLC column packing material. Abstracts of Papers of XXIII International Symposium on HPLC. Granada. 1999. P. B 5/31.

8. Penner N.A., Nesterenko P.N. Could the neutral hypercrosslinked polystyrene be an anion-exchanger? Abstracts of Papers of International Ion Chromatography Symposium. San Jose. 12−15 September 1999. P. 57.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, семи глав экспериментальной части, выводов и списка литературы (195 наименований). Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 45 таблиц.

выводы.

1. Изучен новый класс сорбентов для ВЭЖХ — микродисперсные сверхсшитые полистиролы, имеющие структуру, принципиально отличающуюся от обычных ПС-ДВБ сорбентов. Особенностью ССПС является высокая механическая и гидролитическая стабильность, высокое сродство к ароматическим соединениям и значительный вклад л-л-взаимодействий в механизм удерживания.

2. Установлено, что немодифицированный сверхсшитый полистирол является анионообменником нового типа, свойства которого определяются наличием на поверхности протонированных карбонильных групп. Селективность этого сорбента по отношению к неорганическим анионам существенно отличается от традиционной.

3. Высокая степень сшивки и жесткость матрицы ССПС позволяют достигать эффективности 80 000 тт/м при диаметре частиц 5 мкм, что значительно выше, чем у других ПС-ДВБ сорбентов.

4. В условиях ОФ ВЭЖХ изучено удерживание фенолов и органических азотсодержащих соединений на колонках со сверхсшитым полистиролом сферической и нерегулярной формы. Для этого сорбента установлена высокая селективность разделения изомерных амино-, оксифенолов и фенилендиаминов, а также сульфаниламидных препаратов и алкалоидов группы ксантинов.

5. В условиях ОФ ВЭЖХ изучено удерживание ароматических и алифатических карбоновых кислот на ССПС. Использование этого сорбента перспективно для разделения сложных смесей алифатических и изомерных ароматических moho-, ди-, три-, тетраи оксикарбоновых кислот.

6. Изучена адсорбция пирокатехина, резорцина, гидрохинона и фенола на ССПС в статических и динамических условиях. По эффективности динамического сорбционного концентрирования гидрофильных фенолов ССПС значительно превосходит все ранее использованные для этой цели сорбенты.

7. Предложены методики одновременного определения амино-, оксифенолов и п-фенилендиамина в промышленно выпускаемых красках для волос и определения сорбиновой и бензойной кислот в безалкогольных напитках, а также методика ВЭЖХ определения оксифенолов в водах с динамическим концентрированием в режиме on-line.