slesin2008_buszewski_szumski
Transkrypt
slesin2008_buszewski_szumski
Miniaturyzacja w technikach separacyjnych Polimerowe monolityczne fazy stacjonarne – wytwarzanie i charakterystyka Michał Szumski, Bogusław Buszewski Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Wydział Chemii Katedra Chemii Środowiska i Bioanalityki ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń e-mail: [email protected] Rys historyczny 1903 – odkrycie chromatografii przez Michaiła Cwieta; 21 marca – wykład na Uniwersytecie w Warszawie. 1952 - Martin i Synge – Nagroda Nobla za wprowadzenie chromatografii podziałowej. 1957 – Martin Golay wprowadza kolumny kapilarne do chromatografii gazowej. 1964 – John C. Giddings proponuje zastosowanie takich kolumn w chromatografii cieczowej. 1967 – Csaba Horvath i współ. stosują kolumny o średnicy wewnętrznej 1mm do separacji rybonukleotydów. 1974 – Victor Pretorius (University of Pretoria) wskazuje na obiecujące możliwości zastosowania przepływu elektroosmotycznego zamiast pompowania cieczy przez kolumnę pakowaną. Pierwsze eksperymenty są nieudane, gdyż stosuje się szklane kolumny o zbyt dużej średnicy wewnętrznej co w przypadku stosowania wysokich napięć powoduje trudności z odprowadzaniem ciepła z kolumny. 1977 – Daidô Ishii i współpracownicy preparują kolumny teflonowe o średnicy wewnętrznej 0.5 mm i długości 5-30 cm, jako pierwsi tworzą celę przepływową o pojemności 0.10.3 μl z odcinka kapilary kwarcowej. Pierwsze próby analizy gradientowej w skali mikro. 1978 – Takao Tsuda i Miloš Novotny preparują kolumny przez wyciąganie kolumny szklanej o 0.25 mm I.D. i 5.5 mm O.D. napakowanej 30 μm ziarnem. Możliwe było otrzymanie kolumn o dc/dp 2-10, np. dp = 30 μm, dc = 70 μm, L = 12 m. 1985 – Frank Yang – koncepcja chromatografii zunifikowanej GC-SFC-HPLC. 1990 – Andreas Manz i współ. – chromatograf cieczowy w formie chip-u. 1991 – Chipy do CE, CEC, CE z derywatyzacją przed- i pokolumnową. Lata 80 i 90 – rozwój mikro-HPLC i technik elektromigracyjnych (CE, MEKC, CEC). Unifikacja HPLC - CEC Ewolucja kolumn A G B D C E F Ewolucja kolumn do chromatografii cieczowej A) Kolumny Cwieta z lat 1903-1908, B) kolumna Sthala, C) klasyczna kolumna analityczna (250 x 4.6 mm ID), D) kolumna o zmniejszonej średnicy „microbore” (250 x 1.0 mm ID), E) kolumna kapilarna ze złączkami (250 mm x 100 μm ID), F) kolumna preparatywna (250 x 45 mm ID), G) czip COMOSS, collocated monolithic support structure Miniaturyzacja w chromatografii oznacza stosowanie kolumn o coraz mniejszych średnicach. Początki miniaturyzacji w chromatografii cieczowej sięgają końca lat ’70. Gwałtowny rozwój rozpoczął się jednak w latach ’90 i związany był min. z postępami w technologii wytwarzania kapilar kwarcowych, najważniejszego (i jak dotąd najlepszego) materiału na mikrokolumny. dc = 4.6 mm kolumny konwencjonalne dc = 1.0 mm kolumny o zmniejszonej średnicy dc = 320 μm dc = 100 μm kolumny kapilarne Zalety i wady miniaturyzacji • Znaczne zmniejszenie zużycia faz ruchomych i stacjonarnych. Można (i należy) dozować niewielkie ilości próbek; • Stosując mikrokolumny uzyskuje się większą czułość masową; • Możliwe jest wytwarzanie i stosowanie długich kolumn co znacznie zwiększa rozdzielczość układu separacyjnego • Możliwość programowania temperatury; • Unifikacja – stosowanie jednej kolumny (kapilary) w różnych technikach chromatograficznych, np. HPLC, GC, CE, CEC • Problemy z preparatyką kolumn – napełnianie kolumn oraz ich stabilność, szczególnie w warunkach elektrochromatografii • Problemy z detekcją, szczególnie spektrofotometryczną Unifikacja Koncepcja Franka Yanga (1985) F.J. Yang Microbore column chromatography. A unified approach to chromatography. Marcel Dekker Inc. New York-Basel 1985 Preparatyka kolumn pakowanych Problemy: 1. Wybór cieczy na zawiesinę oraz cieczy pakującej Pompa wysokociśnieniowa 2. Wytworzenie spieków zabezpieczających 3. Wytworzenie okienka detekcyjnego Trudność napełnienia kolumny wzrasta, gdy: 1. Maleje średnica ziarna. 2. Maleje średnica kolumny. 3. Wzrasta długość kolumny. Spiek zabezpieczający wlotowy Złoże Zbiornik na zawiesinę Kapilara 0-12V + - ?! Spiek zabezpieczający wylotowy Okienko detekcyjne Złoża monolityczne Złoże monolityczne: ciągła, jednolita struktura porowata, w postaci szkieletu połączeń, sporządzona poprzez polimeryzację lub zespolenie w inny sposób (spieczenie, osadzenie, skompresowanie) materiału wewnątrz kapilary posiadająca własności chromatograficzne. złoże zbudowane z ziaren złoże monolityczne (monolith, rod, continuous bed) Kolumny monolityczne PUSTA KAPILARA MODYFIKACJA ŚCIANKI NAPEŁNIONA KAPILARA 1. NAPEŁNIANIE MIESZANINA POLIMERYZACYJNA Problem: dobór monomerów oraz roztworu porotwórczego tak, aby otrzymane złoże posiadało pożądane własności chromatograficzne INICJACJA TERMICZNA INICJACJA FOTOCHEMICZNA POMPA EOF MONOLITYCZNA KOLUMNA KAPILARNA 2. POLIMERYZACJA 3. PŁUKANIE Wybrane monomery stosowane podczas wytwarzania złóż monolitycznych O O OH O NH2 OH O O kwas akrylowy, akryloamid i kwas metakrylowy O O O O O O SO3H NH O GMA O AMPS metakrylany butylu, laurylu i oktadecylu O O O O O O O CN O CH3 O O TRIM i EDMA DVB i styren CH3 N N CH3 CN CH3 AIBN - inicjator Przykładowa synteza CH3 CH3 O H2C O CH3 Butyl methacrylate (BMA) 60% 2.1 mol CH3 O O H2C O (CH2)2 CH2 O H3C SO3H H3C NH O Ethylene glycol dimethacrylate (EDMA) 40% 1 mol AIBN + EDMA + BMA + AMPS 40/60 CH2 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (AMPS) 0.3% H2O + 1-propanol + 1,4-butanediol Polymerization: 60oC for 20h Zaleta monolitu – stabilność i homogenność złoża 60 8.5 cm HPLC 50 '8.5 cm' 40 H[ m] 25 cm CEC 30 150 20 130 110 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 u [cm /s] 0,5 absorbancja [m AU] 10 90 70 50 30 10 Kolumna monolitczna: metakrylan oktadecylu+EDMA+AMPS, L = 25cm + 8.5 cm, dc = 100 µm. Synteza: 20h w temp. 75°C. -10 0 1 2 3 czas [m in] 4 5 6 Etap 1: Modyfikacja powierzchni kapilary trawienie i silanizacja 1. Trawienie – rozwinięcie powierzchni i zwiększenie ilości grup silanolowych 2. Silanizacja – przyłączenie dwufunkcyjnego reagenta (zazwyczaj metakrylanu 3-(trimetoksysilylo)propylu - γ-MAPSu) O O O O Si OH O O O Si O (CH2)3 O Si O Si O O O Si OH + O O Si O Si O O OH O Si O O (CH2)3 O O O Si O Si O OH O O Si O O O Modyfikacja powierzchni kapilary dlaczego ważna? 1. Stabilność kolumny – monolit nie może być wypchnięty z kapilary 2. Sprawność kolumny – przepływ fazy ruchomej przez przestrzenie martwe między złożem a ścianką pogarsza sprawność kolumny. γ-MAPS spolimeryzowany w kapilarze Monolit nie związany ze ścianką kapilary Modyfikacja powierzchni kapilary trawienie i silanizacja Procedura [NaOH] (M) Temperatura (°C) Czas (min) Przemywanie HCl Suszenie E1 E2 E3 1 1 0.2 23 120 23 30 180 30 0.1M, 30 min N 0.2M, 30 min N2 RT, 1 h Suszarka 120°C, 1 h N2 RT, 1 h Procedura Rozpuszczal nik γ-MAPS Woda ( % v/v) Kwas octowy Temperatura Czas DPPH (pH) (ºC) (h) (% w/v) Przemywanie wodą Suszenie SM1 SM2 MeOH MeOH 50 50 Nie Nie - RT RT 24 24 – – Tak Nie N2 N2 SE EtOH 20 5% 5 RT 1 – Nie N2 ST1 ST2 Toluen Toluen 10 10 Nie Nie - RT 120 2 24 – 0.02 Nie Nie N2 N2 SW1 SW2 Woda Woda 0.4 0.4 Tak Tak 3 3 RT 60 1 20 – – Tak Tak – N2 SD1 SD2 DMF DMF 50 50 Nie Nie - 120 120 6 6 0.02 0.02 Nie Nie N2 120 °C SA1 SA2 Aceton Aceton 50 50 Nie Nie - RT RT 24 0.5 – – Nie Tak 80 °C N2 RT – temperatura pokojowa, DPPH – difenylopikrylohydrazyl (inhibitor polimeryzacji) Przechowywa nie 24h RT W wodzie Eksykator Modyfikacja powierzchni kapilary pomiar kąta zwilżania Publikacje, w których zwrócono uwagę na efektywność silanizacji: Metoda Stężenie γ-MAPS [% v/v] A. B. C. D. 50 50 0.4 50 Metanol Aceton 6mM CH3COOH DMF 24 24 24 6 25 25 25 120 - - - 0.01% DPPH h [cm] 20.6 23.5 17.1 6.8 θ [º] 58.1 53.2 64.1 80.1 Rozpuszczalnik Czas [h] Warunki Temperatura [ºC] Dodatki cosθ = 1. X. Huang, C. Horvath J. Chromatogr. A 788 (1997) 155-164 2. I. Gusev, X. Huang, C. Horvath J. Chromatogr. A 855 (1999) 273-290 3. B. Buszewski, M. Szumski, Sz. Suś LC·GC Europe 12 (2002) 792 4. M. Szumski, B. Buszewski J. Sep. Sci. 27 (2004) 837-842 1 hd ( ρ − ρν ) g 4 γ Modyfikacja powierzchni kapilary ocena za pomocą XPS C 1s lines 4000 C, C-H intensity [counts/s] 3500 9000 O 1s intensity [counts/s] 7000 2500 C-OH 2000 -COO 1500 1000 500 before silanization after silanization O 1s 8000 3000 0 305,0 300,0 295,0 290,0 285,0 BE [eV] 6000 5000 Si 2p 4000 3000 C 1s 2000 C 1s 1000 0 1000 900 800 700 600 500 400 300 Si 2s 200 Si 2p 100 0 BE [eV] uzyskane informacje – obecność danego pierwiastka na powierzchni oraz jego procentowy udział wśród innych atomów (atomic concentration), w praktyce do porównań używa się stosunków tych udziałów (np. C/Si) 280,0 275,0 Modyfikacja powierzchni kapilary test adhezji 1. Usunąć ca. 7 mm warstwy poliimidowej w środku ~8 cm odcinka kapilary o dc=1mm. 2. Naciągnąć dimetakrylan 1,6hexanodiolu zawierający 1% AIBN. 3. Umieścić kapilarę w masce (szczelina 2mm) i zatkać końce. 4. Przeprowadzić fotopolimeryzację. 5. Napełnić kapilarę acetonitrylem i przyłączyć do pompy HPLC. Obserwować narost ciśnienia i zanotować przy jakim ciśnieniu polimer zostanie wypchnięty z kapilary. Uzyskana informacja: • stosując jednostki ciśnienia (MPa) możemy pokazać jak mocno polimer jest związany ze ścianką kapilary lub przylega do niej Modyfikacja powierzchni kapilary chropowatość powierzchni 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 2 4 10 1 2 10 5 0 Profile uzyskane podczas testu adhezji (badanie wytrzymałości polimeru na wypchnięcie z kapilary)…. …i obrazy uzyskane za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM) 5 1 2 0 1 Kapilara nietrawiona 2 Kapilara trawiona w 120°C Modyfikacja powierzchni kapilary trawienie i silanizacja ST1 ST2 SA1 SA2 SM1 SM2 SW1 SW2 SD1 SD2 SE Not silanized 1.5 0.9 E3 E1 Init E2 0.6 28 40 12 50 60 6 70 Theta A ngle 80 90 0 su 0 re (M p 18 a) 22 0.3 Pr es C/Si Ratio 1.2 Czynniki wpływające na strukturę monolitycznych faz stacjonarnych modyfikacja ścianki stosunek monomer/monomer sieciujący stosunek monomery/roztwór porotwórczy skład roztworu porotwórczego zawartość inicjatora Dla polimeryzacji termicznej: temperatura procesu Dla fotopolimeryzacji: ilość energii doprowadzonej do układu (natężenie promieniowania, czas naświetlania) rodzaj źródła promieniowania temperatura? Fotopolimeryzacja - wady i zalety ☺ Proces jest bardzo szybki (zazwyczaj 0.5 ÷ 2 h) w porównaniu do polimeryzacji termicznej (16 - 24 h). ☺ Polimeryzację można prowadzić w wybranych miejscach kapilary lub kanału chipu – inne miejsca mogą być zasłonięte. ☺ Proces można prowadzić w różnych temperaturach co ma znaczenie przy wytwarzaniu polimerów z odciskiem molekularnym. ☺ Ze względu na szybkość procesu unika się efektów związanych z grawitacją. Możliwa jest fotodegradacja polimeru. Z uwagi na ograniczoną zdolność penetracji promieniowania UV mogą pojawić się różnice w strukturze monolitu. Z tego względu można wytwarzać polimery o relatywnie małych średnicach. Należy stosować kapilary przejrzyste dla promieniowania UV (są dużo droższe i charakteryzują się mniejszą wytrzymałością mechaniczną). Wpływ ilości energii dostarczonej podczas polimeryzacji 4-6-8-12 J/cm2 20 J/cm2 Polimeryzacja przeprowadzona przy: (A) 2 J/cm2, (B) 6 J/cm2, (C) 20 J/cm2 iD) 50 J/cm2. • minimalna ilość energii potrzebna do otrzymania dobrego złoża to 3 J/cm2 (przy 2 J/cm2 otrzymano „stopione” ze sobą fragmenty polimeru o słabej wytrzymałości mechanicznej) • polimery wytworzone przy 20 J/cm2 były niestabilne podczas separacji co skutkowało niską powtarzalnością separacji CEC • wyższe energie (np. 50 J/ cm2) mogą powodować degradację polimeru V. Augustin, A. Jardy, P. Gareil, M.-C. Hennion J. Chromatogr. A 1119 (2006) 80-87 Wpływ źródła promieniowania sześć 15W świetlówek UV, ciągłe naświetlanie J. Courtois, E. Byström, K. Irgum, Polymer 47 (2006) 2603 1500 W lampa Xe, światło pulsujące Wpływ temperatury większość złóż monolitycznych otrzymanych w procesie fotopolimeryzacji syntetyzowano w „temperaturze pokojowej”. Niektórzy badacze starali się utrzymywać temperaturę poniżej 30°C, z uwagi na nagrzewanie się komory reakcyjnej od włączonych lamp UV. Schweitz i współ. prowadzili syntezę MIP w -20 ÷ -27°C (e.g. L. Schweitz, et al. Anal. Chem. 69 (1997) 1179) Courtois et al. stosowali PEG jako składnik roztworu porotwórczego. Aby uniknąć wytrącania się PEG z mieszaniny była ona podgrzewana do ~45°C przed wprowadzeniem do kapilary. Z tego samego powodu temperatura podczas fotopolimeryzacji wynosiła ok. 35°C (nadmuch azotu). (J. Courtois, E. Byström, K. Irgum, Polymer 47 (2006) 2603) Zestaw do fotopolimeryzacji 1 – termostat (-20°C ÷ +100°C) B A 2 – izolowany wymiennik ciepła 3 – płytka szklana 4 – czujnik temperatury 1 Procedura: C 4 1. przygotowanie ścianki kapilary; 2. przygotowanie mieszaniny polimeryzacyjnej składającej się z 40% monomerów (60% BMA + 40% EDMA + 0.3% AMPS), 60% roztworu porotwórczego (59.55% 1propanol + 30.45% 1,4-butanodiol + 10 % woda) i 2% BME, przedmuchiwanie azotem przez 10 min.; 3. wprowadzenie mieszaniny do kapilary; 4. polimeryzacja przez 2h po czym przepłukanie kapilary metanolem; 3 2 P/L [bar/cm] Własności hydrodynamiczne 45 40 40oC o 20 C 35 -15oC o 0 30 o 30oC 10 C -10 C o 25 20 15 10 5 0 0 T [°C] 1 2 3 4 5 6 F [ul/min] 7 - 15 -10 0 10 20 30 40 50 dpore 1.29 1.07 0.72 1.03 0.73 0.97 0.89 0.60 εT 0.74 0.81 0.79 0.86 0.67 0.84 0.95 0.87 [μm] 60 70 Kolumny nieprzepusz czalne Sprawności otrzymanych kolumn Krzywe Van Deemtera dla otrzymanych kolumn. Substancje testowe: tiomocznik, benzen. Faza ruchoma: 60/40 ACN/woda, detekcja przy λ = 200 nm. Separacja alkilobenzenów kolumna wytworzona w temperaturze T = - 15°C kolumna wytworzona w temperaturze T = 30°C Faza ruchoma: 60/40 ACN/H2O, kolejność elucji: tiomocznik, benzen, toluen, etylobenzen, propylobenzen, butylobenzen. Ocena porowatości złóż monolitycznych W ocenie porowatości złóż monolitycznych stosuje się: • pomiary powierzchni właściwej (SBET) – wymagana jest próbka makroskopowa • rozkład porów metodą intruzji rtęci (MIP)….. – wymagana jest próbka makroskopowa • ….lub za pomocą chromatografii wykluczania (SEC) – wykonuje się w kolumnie, stosuje się THF jako fazę ruchomą (pęcznienie niektórych polimerów) • skaningową mikroskopię elektronową (SEM) – można stosować próbkę makroskopową i monolit w kapilarze czy rozkład porów w kapilarze odpowiada makroskopowej próbce dodatkowej? czy intruzja rtęci nie powoduje destrukcji polimeru? Ocena porowatości złóż monolitycznych Transmisyjna mikroskopia elektronowa - TEM 1. Rozkład złoża monolitycznego (struktury globularne, cylindryczne, itp.) w przekroju poprzecznym kolumny. 2. Próba oceny porowatości złoża monolitycznego – porównanie z porozymetrią rtęciową. Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM polimerów Przygotowanie próbki: • zatopienie w żywicy (Spurr resin) • usunięcie kapilary kwarcowej za pomocą np. HF • wykonanie ultracienkich (<100nm) skrawków za pomocą mikrotomu • utrwalanie, wybarwianie w celu uzyskania lepszego kontrastu Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM monolitów – zwiększanie kontrastu Metakrylan ołowiu – dodany do mieszaniny polimeryzacyjnej (5.5 mmol GMA + 0.5 mmol Pb(MA)2) Czerwień rutenowa – [(NH3)5RuORu(NH3)4ORu(NH3)5]Cl6 dodana do mieszaniny polimeryzacyjnej OsO4 4 % roztwór wodny, reakcja ze złożem monolitycznym w kolumnie przez 5 h Kwas fosfowolframowy (PTA) 5% roztwory wodne i etanolowe, 24 h Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM monolitów Ru red Pb(MA)2 Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM monolitów – zwiększanie kontrastu OsO4 PTA w H2O PTA w EtOH Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM monolitów – zwiększanie kontrastu Podejście 2: Dodatek metakrylanu ołowiu do żywicy (1.8%). A B 10µm C D Obrazy TEM: A. Chromolith (skala 10 µm), B. TEM1 (skala 5 µm), C. TEM6 (skala 10 µm) D. TEM4 (skala 5 µm) Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM monolitów Modelowe złoża monolityczne Monolit Monomer Sieciujący Mon/sieć Inicjator Roztwór porotwórczy 32/68 BME PEG 10000 40/60 GMA TEGDMA/ TRIM 32/68 BME PEG 10000 – NMP 30/70 GMA TEGDMA/ TRIM 32/68 GMA TEGDMA/ TRIM 32/68 TEM4 GMA TEGDMA/ TRIM TEM5 - TRIM TEM6 HEMA EDMA TEM7 S DVB TEM1 TEM2 TEM3 Proporcje Mon/por 86/14 BME BME PEG 10000 – acetonitryl 30/70 86/14 PEG 10000 – 1-dekanol 30/70 86/14 AIBN Izooktan – toluen 70/30 40/60 58/42 AIBN Metanol – heksan 50/50 40/60 50/50 AIBN Dodekanol – toluen 69/31 21/79 TEM 3 Chromolith Obróbka obrazów i pomiary Ocena porowatości złóż monolitycznych TEM vs porozymetria rtęciowa Wada: niezgodność z porozymetrią Zalety: • możliwość porównywania porowatości różnych monolitów wytworzonych w kapilarze, • możliwość obserwacji i śledzenia preparatyki np. modyfikacji zsyntetyzowanych monolitów • ocena efektów przyściennych związanych z syntezą złóż monolitycznych w kapilarach Podsumowanie • złoża monolityczne mogą stanowić doskonalą alternatywę dla kolumn pakowanych, szczególnie kapilarnych (trudność napełniania kolumn kapilarnych fazą stacjonarną) • otrzymanie „dobrej” kapilarnej kolumny monolitycznej związane jest z modyfikacją ścianki kapilary (trawienie i silanizacja) • podczas fotopolimeryzacji należy kontrolować temperaturę • oceniając wyniki badań porozymetrycznych należy pamiętać, że złoże w kapilarze może nie odpowiadać makroskopowej próbce monolitu • transmisyjna mikroskopia elektronowa może dostarczyć dodatkowych informacji o strukturze złoża zsyntetyzowanego w kapilarze Acknowledgements: prof. Bogusław Buszewski mgr Paulina Nadolna Coworkers from Umeå University in Sweden: prof. Knut Irgum, head of the RPAC (Reactive Polymers in Analytical Chemistry) group at the Department of Analytical Chemistry Dr. Julien Courtois Emil Byström Dr. Petrus Hemström Dr. Andrei Shchukarev from Department of Inorganic Chemistry (XPS guy) Lenore Johannsson from Swedish Defence Research Agency (FOI) (microtomation and TEM) Per Hörsted from Department of Medical Biosciences, Pathology (SEM guy)