Кинетическая жидкостная хроматография с использованием композиционных нанопористых адсорбентовНИР

Kinetic liquid chromatography with nanoporous composites as adsorbents

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. Кинетическая жидкостная хроматография с использованием композиционных нанопористых адсорбентов
Результаты этапа: 1. Проведен литературный поиск и анализ собранной литературы по свойствам и применению высокоупорядоченных пористых материалов в качестве адсорбентов для концентрирования и разделения органических соединений. Составлена литературная база данных по использованию высокоупорядоченн. 2. Проведен анализ литературных данных по использованию нанопористых сорбентов для мембранного и газохроматографического разделения с целью выбора круга наиболее перспективных пар сорбентов и сорбатов. 3. Рассчитаны значения кинетических диаметров перспективных сорбатов для изучения кинетических эффектов на цеолитах со структурой фожазита. 4. Методом повторяющейся седиментации проведено фракционирование цеолитов со структурой фожазита по размеру частиц и выделена фракция с диаметром частиц 2,0 – 2,5 мкм. Однородность полученной фракции сорбента подтверждена данными сканирующей электронной микроскопии. 5. Разработана методика суспензионного заполнения высокоэффективных хроматографических колонок цеолитами. Проведено первичное тестирование хроматографических колонок с целью оценки качества набивки. 6. Полученные результаты доложены в виде пленарной лекции на IV Всероссийской конференции с международным участием «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» 7. Подготовлена обзорная статья для публикации в журнале, входящем в базу Scopus.
2 14 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Кинетическая жидкостная хроматография с использованием композиционных нанопористых адсорбентов
Результаты этапа: К началу второго этапа проекта путем анализа научной литературы по свойствам и хроматографическому применению нанопористых сорбентов в газовой и жидкостной хроматографии было предложено использовать в качестве наполнителей хроматографических колонок, так называемые, широкопористые цеолиты. Данный класс сорбентов отличает существенно более высокая гидролитическая стабильность по сравнению с металлорганическими каркасами (МОК) и относительная простота синтеза. Из наиболее доступных и изученных широкопористых цеолитов для возможного использования в качестве наполнителя хроматографических колонок был выбран фожазит (по международной классификации FAU) с теоретическими размерами пор 0,74 и 1,3 нм. 1. Дополнительный поиск оптимального цеолита. Выбор широкопористого цеолита мелкодисперсного цеолита для использования в высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) зависит от размеров частиц цеолита и механической прочности. Отобранные на первом этапе проекта образцы цеолитов CBV 780 (Zeolyst, France), Zeosorb 10X (VEB Berlin Chemie, Germany) имели слишком маленький размер частиц (< 1.5 мкм) и оказались недостаточно механически прочными, поэтому, начиная со второй этапа проекта, использовали опытный образец Ц-202-98 13X (ВНИИНП, Москва) со средним размером частиц 5 мкм. После проведения седиментации сорбента однородное узкое распределение частиц по размеру для полученной фракции было подтверждено снимками сканирующей электронной микроскопией. 2. Характеристика строения сорбента Ц-202-98 13X влючала подтверждение структуры цеолита методом рентгеноструктурного анализа (РСА), состава методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФС), измерения пористой структуры методом низкотемпературной адсорбции азота (BET). Дифрактограмма Ц-202-98 13Х подтвердила типичную для фожазита структуру (FAU). По данным РФС образец Ц-202-98 13Х имеет элементный состав Si:Al:Na:Ca:Ti:K = 2320:1900:2136:4:1:1. Cоотношение Si:Al равно 1,22, что типично для подгруппы цеолитов со структурой фожазита и низким содержанием кремния (low silica X или LSX). Пористая структура сорбента представлена порами размером 0,74 нм (83,1 об.%), 1,3 нм (9,4 об.%), 1,6 нм (5,6 об.%) и 1,9 нм(1,9 об.%). Присутствие пор диаметром 0,74 и 1,3 нм соответствует данным о пористой структуре фожазита, наличие более крупных пор, по видимому, связано с дефектами кристаллической структуры цеолита. Удельная поверхность Ц-202-98 13Х составила 618 м2/г. 3. Изготовление хроматографических колонок и их тестирование. Фракционированный седиментацией из ацетона Ц-202-98 13X был упакован в колонки из нержавеющей стали размером 250 х 4.0 мм и 100 х 4.0 мм. Эффективность колонок, рассчитанная из хроматографических пиков бензола, при использовании гексана в качестве элюента составила около 3000 теор.т.м., что существенно ниже эффективности, ожидаемой для сорбента с размером частиц 5 мкм. Возможно, невысокая эффективность связана с недостаточно высокой скоростью массобмена в нанопористых системах или несовершенством условий суспензионной набивки хроматографических колонок. Для оценки возможных ограничений со стороны низкой скорости диффузии сорбатов в нанопорах в динамической сорбционной системе была изучена зависимость эффективности от температуры хроматографической колонки. Найдено, что повышение температуры не оказывало существенного влияния на форму хроматографических пиков. С другой стороны, снижение линейной скорости подвижной фазы (кривые ван Деемтра, полученные при 35°С и 50°C) в интервале от 1 до 0,07 мм/сек приводило к 6-кратному увеличению эффективности, рассчитанной из хроматографического пика ацетонитрила. Максимальная эффективность наблюдалась при линейной скорости потока метанола 0,07 мм/сек, при этом значения эффективности были во всем изученном диапазоне скоростей выше при 50°C. 4. Изучение физико-химических параметров цеолитов в услових ВЭЖХ. Известно, что удерживание сорбатов в слое нанопористого сорбента слое цеолита зависит от их размеров, которые в первом приближении оцениваются значениями кинетических диаметров молекул сорбатов, а также их соответствием пористой структуре цеолита, оцениваемой совокупностью диаметров окон, пор и полостей. Гипотетически, не весь объем пор является доступным даже для относительно небольших сорбатов, таких как ацетонитрил. Впервые для цеолитов получена зависимость изменения объема удерживания модельного сорбата от объемной скорости подвижной фазы. Полученные зависимости позволяют оценить доступность и эффективность использования внутреннего объема пор цеолита при различных скоростях подвижной фазы, что является отличительной чертой кинетически селективной хроматографии. С уменьшением скорости исправленный объем удерживания ацетонитрила увеличивался, что говорит о кинетическом характере взаимодействия сорбатов с пористой структурой фожазита. С другой стороны, определенный объем пор сорбента остается недоступным в условиях проводимых экспериментов. 5. Адсорбционные и хроматографические свойства цеолитов. Из-за алюмосиликатной матрицы цеолиты следует рассматривать как высокополярные сорбенты, способные к ионному обмену катионов во внутренних порах. Косвенно, высокая полярность и ионообменная способность цеолита Ц-202-98 13X (тип LSX) можно оценить по соотношению Si:Na = 1,08 (определено по данным РФС), при этом до 80% ионов натрия может обмениваться на другие катионы. Соответственно, цеолиты могут быть использованы в нормально-фазовом варианте ВЭЖХ, включая хроматографию гидрофильных взаимодействий, и ионообменной ВЭЖХ. Однако, из-за высокой ионообменной емкости их применение в ионообменной хроматографии требует использования в качестве элюентов концентрированных растворов электролитов и сильных кислот. Ионы алюминия в цеолитах LSX способны гидролизоваться в слабокислых средах, поэтому на данном этапе проекта исследование адсорбционных и хроматографических проводили методом НФ ВЭЖХ, а в качестве элюентов использовали безводные полярные органические растворители такие, как спирты, кетоны и ацетонитрил. Изначально было проверено удерживание неполярных н-алканов и алкилзамещенных бензолов при использовании метанола в качестве подвижной фазы. Данные соединения не удерживались на высокополярном сорбенте и элюировались в мертвом объеме. Важно отметить, что при этом не наблюдалось эксклюзионного эффекта или какой-либо дискриминации удерживания молекул по размеру. По-видимому, эксклюзионный эффект слабо выражен в колонках небольшого размера. Также, вероятно использованный на этом этапе работ метанол содержал относительно много воды, которая образовывала пленку на поверхности алюмосиликатного сорбента и экранировала его поверхность от взаимодействия с гидрофобными неполярными сорбатами. Для понимания механизма удерживания органических соединений, на втором этапе, было изучено небольших сорбатов с кинетическим диаметром молекул меньше 0,5-0,6 нм, отличающихся по полярности. Для оценки полярности сорбатов использовали эмпирически полученные значения полярности (P’) по шкале Снайдера, которая оценивается по элюирующей способности органических растворителей в классической адсорбционной хроматографии при использовании колонок с силикагелем. Удерживание модельных сорбатов можно условно разбить на две группы. В первую ожидаемо вошли органические соединения с полярностью меньше полярности метанола, использованного в качестве подвижной фазы, то есть с P’ < 5,1. Вторая, малочисленная группа удерживаемых сорбатов, включила органические соединения с кинетическим диаметром < 0,5 нм и полярностью P’ > 5. В состав этой группы вошли такие полярные соединения, как ацетонитрил (P’ = 5,8), нитрометан (6,0), диметилсульфоксид (7,2) и вода (10,2). Показано, что факторы удерживания сорбатов, размер молекул которых сопоставим с диаметром пор фожазита, зависят от скорости потока подвижной фазы, что подтверждает кинетически селективную природу удерживания и разделения. 6. Практическое применение цеолитов в ВЭЖХ. Из изученных сорбатов наиболее сильно (коэффициент удерживания около 6,0) на колонках с фожазитом Ц-202-98 13X при использовании метанола в качестве подвижной фазы удерживалась вода. Из литературы известно, что теплоты адсорбции воды на цеолите примерно в два раза выше теплоты адсорбции метанола, что подтверждает высокое сродство данного цеолита к воде в среде метанола. Для воды построена зависимость Вант-Гоффа (lnk = f(1/T)) и определены теплоты адсорбции воды из метанола ΔH0 = 4,8 ± 0,3 кДж/моль; ΔS0(каж) = 25,6 Дж/моль/K. Данная уникальная селективность была использована для разработки простого и экспрессного метода определения воды в органических растворителях методом ВЭЖХ с рефрактометрическим детектирование хроматографических пиков. Особенностью метода является высокая нагрузочная емкость использованного сорбента/хроматографической колонки, что позволяет прямой ввод и анализ проб органичекого растворителя объемом до 100 мкл. Большая часть анализируемых проб растворителей не удерживается на колонке за счет комбинации эффекта эксклюзии объемных молекул растворителей из нанопор сорбента и относительно невысокой полярности растворителей пробы в сравнении с полярностью метанола как элюента. При использовании хроматографической колонки 100 х 4,0 мм и рефрактометрического детектора возможно проводить определение воды в интервале содержаний от 0,35 до 1,0 масс. %. Относительно высокий предел обнаружения воды связан с недостаточно высокой чувствительностью рефрактометрического детектора. Следует отметить, что до настоящего времени в литературе не описано применения ВЭЖХ для прямого определения микроколичеств воды в органических растворителях и полярных соединениях. На данном этапе рассматривается возможность патентования разработанного способа определения воды. В качестве альтернативы рефрактометрическому детектору был разработан оригинальный метод использования кондуктометрического детектора. В этом случае детектирование воды основано на различиях в степени диссоциации некоторых электролитов в чистом метаноле и в метаноле, содержащем воду. Последний вариант достигается добавлением подходящего электролита в элюент и регистрацией повышенной электропроводности в зонах, где элюируется вода. Данный метод детектирования требует дальнейшей отдельной разработки. 7. Возможность использования других нанопористых сорбентов в кинетически селективной ВЭЖХ. Помимо цеолитов, на первом этапе проекта в 2020 г. была показана перспективность металлорганических каркасов (МОК) в изучаемом варианте жидкостной хроматографии. Однако, невысокая гидролитическая устойчивость заметно ограничивает их практическое применение. Еще одним перспективным классом сорбентов являются углеродные нанотрубки (УНТ). Следует отметить, что в научной литературе нет упоминания о наличии кинетической селективности для сорбентов на основе УНТ. В работе были получены и изучены адсорбционные свойства композиционных сорбентов на основе силикагеля, содержащие три типа многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ). Внутренний диаметр образцов МУНТ варьировался от 4.0 до 15 нм, а в качестве модельных сорбатов использовали бутанол-1 и фенол. Для изученных сорбентов не наблюдали эффекта кинетической дискриминации сорбатов. По-видимому, это связано с относительно большим размером внутренних полостей использованных МУНТ. Тем не менее, полученные сорбенты позволяли проводить эффективное концентриролвание вышеупомянутых сорбатов. 8. Поиск литературы. В связи с разработкой уникального метода ВЭЖХ определения следовых количеств воды в органических растворителях и для оценки возможности его патентования был проведен поиск литературы по теме «Количественное определение воды в органических растворителях». Рассматривается возможность подготовки и опубликования обзорной статьи в течение третьего этапа проекта. 9. Аппробация результатов и публикация статей. Результаты 2-го этапа работы по проекту были доложены на четырых конференциях, включая Международнуюй конференцию Quo Vadis Life Science (Opole, Poland), ХХVIII Международную конференцию «Ломоносов 2021» (Москва, Россия), VI Всероссийском симпозиуме с международным участием «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (Краснодар, Россия) и Всероссийском симпозиуме и школе-конференции молодых ученых «Физико-химические методы в междисциплинарных экологических исследованиях» (Севастополь, Россия). По материалам 2 тапа проекта опубликована одна статья и готовится к публикации 2 статьи. Задержка с публикациями связана с изучением необходимости.целесообразности патентования оригинальных результатов, в частности нового способа определения воды и способа детектирования воды в потоке органического растворителя по электропроводности вследствие диссоциации добавленных электролитов.
3 14 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Кинетическая жидкостная хроматография с использованием композиционных нанопористых адсорбентов
Результаты этапа: Окончательно сформулированы основные положения кинетически селективной жидкостной хроматографии. Основное внимание было уделено кинетическим эффектам, характерным для ультрамикропористых сорбентов. Впервые расширено понятие ультрамикропористых сорбентов за счет большой группы сорбентов с иммобилизованными лигандами, имеющими внутреннюю полость сопоставимого размера. С учетом гидролитической и механической стабильности в качестве основного объекта исследования были выбраны неорганические цеолиты. С использованием новых синтетических технологий получены микрокристаллические силикалиты с увеличенной гидрофобностью и размером частиц 3 мкм. Были изучены закономерности удерживания низкомолекулярных органических соединений в зависимости от их полярности по Снайдеру, элюционной способности по отношению к оксиду алюминия, размеру молекул (кинетический диаметр, молекулярная масса, число атомов углерода в гомологическом ряду). Идентифицированы варианты внутрипористого и внешнепористого удерживания сорбата в зависимости от скорости подвижной фазы. Впервые для цеолитов получена классическая зависимость между удерживаемым объемом и молекулярной массой (или размером молекул) аналита, известная в эксклюзионной хроматографии как частная калибровочная кривая хроматографической колонки. Разработан простой, экспрессный и чувствительный метода прямого определения содержания воды в полярных органических растворителях, не уступающий общеизвестного методу Карла Фишера. Разработаны подходы для дальнейшего развития работ в области кинетически селективной жидкостной хроматографии.

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".