|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Новые многофункциональные сепарационные материалы для высокоэффективной жидкостной хроматографииНИР
Novel mixed-mode separation materials for high-performance liquid chromatography
- Руководитель НИР: Шпигун О.А.
- Ответственные исполнители: Пирогов А.В., Ужель А.С., Чернобровкина А.В.
- Участники НИР: Бородина А.Ф., Горбовская А.В., Карпеев Д.А., Максимов Г.С., Ставрианиди А.Н., Хрисанфова А.О., Чикурова Н.Ю., Чичканова Е.С.
- Подразделение: НИЛ хроматографии
- Срок исполнения: 28 мая 2025 г. - 31 декабря 2027 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 25-13-00132
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству
- ПН России: Индустрия наносистем
- Критическая технология России: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.15.35 Поверхностные явления. Адсорбция. Хроматография. Ионный обмен
- 31.19.15 Анализ неорганических веществ
- 31.19.29 Анализ органических веществ
-
Ключевые слова:
обращенно-фазовая вэжх, определение ионов, механизм удерживания, определение полярных соединений, ионная хроматография, прогнозирование удерживания, гидрофильная хроматография, многофункциональные неподвижные фазы, полимерные матрицы
reversed-phase hplc, mixed-mode stationary phases, retention mechanism, ion determination, hydrophilic interaction liquid chromatography, polymer substrate, determination of polar compounds, retention prediction, ion chromatography -
Описание:
Цель данного проекта заключается в доработке структур многофункциональных сепарационных материалов (МФС) на основе гидрофобных полимеров, таких как полистирол-дивинилбензол, и композитов для трех режимов ВЭЖХ. Это позволит: а) использовать материалы в режиме ионной хроматографии с высокощелочными элюентами, что недоступно для существующих колонок на матрице силикагеля; б) улучшить хроматографические характеристики неподвижных фаз в трех режимах и осуществить разделение широкого спектра аналитов разной гидрофильности, полярности и заряда на одной и той же колонке. Примерами классов таких соединений могут служить фенолы, ароматические и алифатические кислоты, нуклеозиды, аминокислоты, широкий круг лекарственных препаратов. Для сорбентов на основе полимерных матриц необходимо разработать новую систему характеризации и выявить ключевые вещества-маркеры взаимодействий определенного типа.
-
Abstract:
Today, high-performance liquid chromatography (HPLC) in its various modifications occupies a key role in chemical analysis for many fields, such as environmental monitoring, pharmaceuticals, food industry, medicine, nuclear energy, household chemicals, and agriculture. The choice of a specific HPLC mode depends on the nature of the analyzed substances and the characteristics of the stationary and mobile phases. One of the most important tasks in the field of chemical analysis is the development of new stationary phases for chromatographic columns that provide high efficiency and selectivity in the separation and determination of analytes from various classes. Due to the commercial value of such developments, information about them is often not published in the scientific literature and is protected by patents. Manufacturers of chromatographic columns often provide only general data about some functional groups of stationary phases, without disclosing methods of their attachment and spacer structures, making it impossible to reproduce such structures. Recently, mixed-mode separation materials (MMS) have become increasingly in demand in both commercial and scientific circles. These materials can be utilized in various HPLC modes to analyze both hydrophobic and hydrophilic analytes. However, multifunctional sorbents presented in the literature and on the market often do not fit for use in the most sensitive variant of HPLC—suppressed ion chromatography (IC). This is due to the fact that the matrices of these sorbents do not demonstrate stability at high pH values (above 12) of the eluents required in the suppressed IC mode. As a result, such phases cannot realize the advantages of the IC method and cannot be used for environmental monitoring and food quality control. Therefore, the transition to stable matrices based on aromatic copolymers and composites appears to be the most promising and relevant direction for new MMS developments. Previous studies by the team opened up a wide field for exploring the creation of sorbents based on stable matrices capable of functioning in several chromatographic modes. By selecting the method of modifying the matrix, the structure of the functional layer, and the arrangement of fragments responsible for certain types of interactions, it will be possible to create MFMs for solving specific analytical tasks. Enhancing the structures of stationary phases will improve the separation characteristics of analytes in all three modes of HPLC, such as IC, hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC), and reversed-phase HPLC (RP-HPLC), and increase the separation capacity of the sorbents. As a result, it is planned to replace multiple methods for determining substances of different properties on classical stationary phases with a single method using new MMS. Another complex challenge in creating such phases is explaining the mechanisms and modeling the retention of analytes of various polarities in order to control selectivity in these systems. Studying and establishing the influencing factors on retention, the conditions for the implementation of mechanisms, and their connection to the structure of the functional layer of mixed-mode sorbents is a new scientific task that currently lacks theoretical or practical foundations. Investigating retention mechanisms for substances in different modes, particularly in the HILIC mode, will allow for targeted control of the selectivity of the prepared stationary phases, as well as forecasting retention factors for analytes, significantly reducing costs when selecting separation conditions for multicomponent mixtures. Identifying key markers responsible for specific interactions for new sorbents will enable the characterization of MMS.
-
Планируемые результаты:
1) Будут разработаны многофункциональные сепарационные материалы, способные к высокоселективному разделению веществ разной полярности и заряда и позволяющие работать в режимах ГИХ, ИХ и ОФ ВЭЖХ. 2) Полученные МФС будут характеризоваться высокой стабильностью за счет использования полимерной или композитной матрицы и ковалентного закрепления функционального слоя. 3) Будут созданы прогностические модели, предсказывающие факторы удерживания для исследуемых групп аналитов, на синтезированных МФС в различных хроматографических условиях. 4) Разработанные МФС будут первыми на российском рынке и будут превосходить по характеристикам современные коммерческие многофункциональные сорбенты, представленные иностранными производителями.
-
Научный задел:
1) Разработаны новые способы формирования функциональных слоев сорбентов для ГИХ на основе силикагеля: использование клик-реакции Уги и введение полимерных соединений с ее помощью, а также закрепление эремомицина. Установлено, что к увеличению гидрофильности и эффективности фаз приводит использование полимеров большой молекулярной массы с карбоксильными и амидными группами. Модифицирование ПС-ДВБ антибиотиком позволило получить сорбент, подходящий для нескольких хроматографических режимов. 2) Большой опыт создания сорбентов для ИХ на основе ПС-ДВБ. Было продемонстрировано, что повышение гидрофильности функционального слоя и степени экранирования полимерной матрицы позволяет улучшить хроматографические характеристики получаемых анионообменников. Была также продемонстрирована возможность применения гиперразветвленных сорбентов в режимах ГИХ и ОФ ВЭЖХ. 3) Разработаны подходы к получению многофункциональных сорбентов на основе ПС-ДВБ с ковалентно закрепленным полиэтиленимином, кватернизованным глицидолом, а также привитыми полиэлектролитами. Выявлены пути повышения степени экранирования матрицы, гидрофильности, эффективности и ёмкости сорбентов. 4) Опыт работ по использованию композиционных материалов на основе карбида кремния и полибутадиен-нитрильного каучука (или полистирола) для эффективной сорбции летучих органических веществ с последующей термодесорбцией и определением методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием. Показана эффективная обратимая сорбция-десорбция углеводородов, эфиров и веществ многих других классов на такого рода материалах. 8) Исследовано разделение нескольких фармацевтических препаратов в условиях неводного гидрофильного режима на полярных и мультифункциональных коммерческих сорбентах. Получены модели, описывающие поведение аналитов в условиях изменения состава и температуры подвижной фазы, а также модели, связывающие LSER дескрипторы аналитов и факторы удерживания в исследованных системах.
- Добавил в систему: Ужель Анна Станиславовна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 28 мая 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Новые многофункциональные сепарационные материалы для высокоэффективной жидкостной хроматографии |
| Результаты этапа: Получены полимерные частицы полистирол-дивинилбензола (ПС-ДВБ), которые используются в качестве матрицы многофункциональных сепарационных материалов (МФС). Выбраны частицы с наилучшими характеристиками с точки зрения размера (5,5 мкм), монодисперсности, размера пор (4 нм) и площади поверхности (650 м2/г). Наиболее перспективные схемы синтеза, разработанные ранее для частиц силикагеля, перенесены на матрицу ПС-ДВБ. Показано, что при прививке полиэлектролитов, фазы на основе силикагеля оказываются более гидрофильными по сравнению с ПС-ДВБ, при этом закрепление гидрофильных полиэлектролитов позволяет достичь высокой гидрофильности и для фаз на основе гидрофобной матрицы. Селективность по отношению к гидроксильной группе у неподвижных фаз на основе полимера оказалась выше, что может быть перспективным для разделения веществ, содержащий гидроксильные группы, например углеводов и полиатомных спиртов. Продемонстрирована возможность разделение гидрофобных соединений в режиме обращенно-фазовой хроматографии (ОФ ВЭЖХ) на сорбентах на основе ПС-ДВБ. Разработаны способы гидрофилизации ПС-ДВБ путем использования различных модифицирующих агентов с целью последующего закрепления функционального слоя и получения МФС. Осуществлена клик-реакция по остаточным двойным связям ПС-ДВБ, располагающихся преимущественно на поверхности, с крайне гидрофильным N-винилформамидом и последующее закрепление полиэлектролитов. Продемонстрирована перспективность использования полученного сорбента в режиме ионной хроматографии (ИХ) (до 16 анионов за 25 мин) и дальнейшего изучения в режимах гидрофильной (ГИХ) и ОФ ВЭЖХ. Осуществлена клик-реакция тиоламина на поверхности ПС-ДВБ с последующим закреплением полиэлектролитов разной структуры. Показана наибольшая гидрофильность сорбента с иминодиуксусной кислотой в структуре полиэлектролита в режиме ГИХ, а также его лучшая разделяющей способностью по отношению к азотистым основаниям и нуклеозидам (разделение до 9 соединений за 25 мин). Продемонстрирован потенциал использования полученных МФС для разделения производных фенолов и жирорастворимых витаминов в режиме ОФ ВЭЖХ, а также сахаров в режиме ГИХ. Разработаны способы и выявлены вещества-маркеры для оценки свойств новых МФС. Для п-толуолсульфоната – маркера анионообменных свойств в гидрофильном тесте Танака – продемонстрировали реализацию гидрофобных и π-π взаимодействий с фазами на основе ПС-ДВБ по коэффициенту селективности с алкилсульфонатами и зависимости его фактора удерживания от содержания ацетонитрила в элюенте, оказавшейся типичной для режима ОФ ВЭЖХ. Для азотистых оснований, нуклеозидов и аминокислот, выбранных для контроля неэлектростатических взаимодействий, продемонстрировали реализацию распределительного и адсорбционного механизмов удерживания, для N-метилтаурина и таурина – дополнительно ионного обмена. Обнаружено сильное удерживание неорганических катионов калия, натрия, лития, магния, кальция на положительно заряженных сорбентах, обусловленное их распределением в приповерхностный водный слой, превалирующим над электростатическим отталкиванием. На основании изученных механизмов удерживания модельных анионов и нейтральных веществ и независимых методов характеризации сорбентов предложены следующие маркеры селективностей МФС в условиях гидрофильной хроматографии: для оценки анионообменных свойств – коэффициент емкости метансульфоната (корректность подтвердили путем сопоставления с измеренным числом заряженных центров для ряда фаз на основе ПС-ДВБ); для оценки гидрофобности (метиленовой селективности) МФС – отношение факторов удерживания бутан- и пропансульфоната, отражающее бóльшую гидрофобность сорбентов на основе ПС-ДВБ по сравнению с прототипами на основе силикагеля. Изучены закономерности удерживания веществ разнообразных классов на новых МФС с целью последующего эффективного планирования: структур слоев, условий одновременного удерживания веществ разной природы, условий разделения многокомпонентных смесей. Установлены закономерности влияния параметров подвижной фазы (состав, pH, концентрация элюирующего иона) на удерживание соединений разных классов (нейтральные вещества разной гидрофильности, катионы, анионы, органические основания, карбоновые кислоты, амфолиты). Обнаружено снижение анионообменной емкости с ростом pH, при этом продемонстрировано отсутствие удерживания катионов и протонированных оснований во всем диапазоне условий. Достигнуто селективное разделение смесей 5 карбоновых кислот за 5 мин на колонке размерами 100×4 мм с эффективностью до 30 000 тт/м и 6 замещенных фенолов, удерживаемых по разным механизмам, за 5 мин с эффективностью до 17 000 тт/м. Созданы и протестированы регрессионные модели, описывающие зависимость факторов удерживания модельных соединений от их физико-химических характеристик (дескрипторов), на основе ранее полученных в лаборатории данных по удерживанию на схожих по структуре фаз сорбентах и коммерческих сорбентах в различных условиях эксперимента. Рассчитано около 2000 молекулярных дескрипторов, включая физико-химические, топологические, конституциональные, 3D-дескрипторы, электронные, гибридные и др. Модель случайный лес показала удовлетворительные характеристики точности. Для обучения регрессионных моделей был составлен набор данных по удерживанию пяти групп соединений (сахара, азотистые основания, аминокислоты, витамины и аналиты из теста Танака) на 10 сорбентах, включающий 43 соединения (38 уникальных), для которых были рассчитаны молекулярные дескрипторы. Получены отдельные модели для описания удерживания аминокислот, сахаров и азотистых оснований. Оценены возможности применения монолитных композитных материалов на основе карбида кремния и полибутадиен-нитрильного каучука. Показано, что композитный материал на 97±2% (n=3) сорбирует гидрофобные дибутил- и бис(2-этилгексил)фталат, а сорбция менее гидрофобных диметил- и диэтилфталатов составляет только 7±1% и 11±1% соответственно. Систематизирована литература по способам получения монодисперсных частиц пористого графитированного углерода подходящих для условий ВЭЖХ размеров. Перспективным найдено получение пористого графитированного углерода высокотемпературным или гидротермальным синтезом. Выявлена перспективность использования оксида графена для покрытия полимерных частиц с целью экранирования матрицы и снижения негативного влияния неионообменных взаимодействий не только поляризуемых, но и сильно поляризуемых анионов. Продемонстрирована возможность экспрессного разделения 7 стандартных неорганических анионов за 7 мин в режиме градиентного элюирования с использованием гидроксидного элюента. | ||
| 2 | 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. | Коррекция структур многофункциональных сепарационных материалов с целью улучшения разделяющей способности |
| Результаты этапа: - | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".