Хроматофокусирование переходных металлов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

рг5 ОД

На правах рукописи

ИВАНОВ АЛЕКСАНДР ВАДИМОВИЧ

ХРОМАТОФОКУСИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

02.00.02- Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена на кафедре аналитической химии химического факультета Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова

Научный руководитель: кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Нестеренко П.Н. Научный консультант: доктор химических наук,

профессор Шпигун О.А.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

зав.сектором ГЕОХИ РАН Мясоедова Г.В.

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Ланин С.Н.

Ведущая организация: Центр "Биоинженерия" РАН

Защита диссертации состоится 5 июня 1997 г. в 16 час. 10 мин. в ауд. 337 на заседании диссертационного совета Д.053.05.60 по химическим наукам при Московском государственном университете им. М.ВЛомоносова по адресу: 119899, ГСП-3, Москва, Воробьевы горы, МГУ, химический факультет С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета МГУ

Автореферат разослан 28 апреля 1997 г.

Отзывы и замечания просьба направлять по адресу: 119899, ГСП-3, Москва, Воробьевы горы, МГУ, химический факультет, кафедра аналитической химии, ученому секретарю диссертационного совета

Ученый секретарь диссертационного

кандидат химических наук

Торочешникова И.И.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Среди гибридных методов в аналитической химии в последние годы широкое распространение получили ионообменная, лигандообменная, комплексообразовательная и другие варианты жидкостной хроматографии. Непрерывное развитие и совершенствование этих методов связано с расширяющимся кругом определяемых компонентов, анализируемых объектов, возможностью сочетания хроматографии с другими методами анализа. Так, сочетание принципов ионообменной хроматографии с принципами электрофореза и изоэлектрофокусирования привело к созданию в 1979 г. хроматофокусирования - нового метода препаративного разделения и определения биологических цвиттер-ионных молекул на ионообменных колонках при элюировании с внутриколоночным (внутренним) 1радиентом рН. Аминофункциональные ионообменники как сорбенты для хроматофокусирования обладают комплексообразующими свойствами по отношению к переходным металлам, что создает потенциальную возможность для разработки нового метода концентрирования и разделения переходных металлов, сочетающего принципы комплексообразователыюй хроматографии и хроматофокусирования, с использованием одной колонки. Актуальность создания метода связана с потребностью определения переходных металлов в сточных, природных водах и других сложных объектах. Несмотря на высокий уровень развития аппаратуры и разработки методик для хроматофокусирования цвиттер-ионных молекул, хроматофокусирование для концентрирования и разделения металлов не применяли.

Работа выполнена при поддержке фантов М НИЗ 00 и МНИООО Международного научного фонда Сороса и Правительства России.

Цель работы - разработка основ нового метода концентрирования и разделения переходных металлов на одной хроматографической колонке с применением техники хроматофокусирования. Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

1. Анализ литературных данных по хроматофокусированию цвиттер-ионных молекул и формулирование основных принципов формирования внутренних градиентов рН и требований к сорбентам, подвижным фазам (стартовым буферным растворам и буферным элюеитам), способам детектирования.

2. Изучение кислотно-основных и комплексообразующих свойств промышленно выпускаемого сорбента на полисахаридной основе РВЕ-94 (ПБИ-94) и синтезированных в лаборатории сорбентов на основе кремнеземов с привитыми группами пропиламина (АР-ЗЮ2), этилендиамина (Еп-8Ю2), диэтилентриамина (01еп-8Ю2), тетраэтиленпентамина (Тейеп-ЗК^).

3. Изучение электропроводности, буферных и комплексообразующих свойств стартовых буферных растворов и промышленно выпускаемого полиамфолитного алюента "Ро1уЬшйег-74" ("Полибуфер-74"); смесей протолигов и амфолитов как возможных буферных алюентов для формирования внутренних градиентов рН в хроматофокусировании.

4. Выбор оптимального по кислотно-основным характеристикам сорбента и оптимальных подвижных фаз с применением математического моделирования.

Научная новизна. Впервые предложен новый хроматографический метод концентрирования и разделения переходных металлов на одной колонке с формированием внутреннего 1радиента рН. Сформулированы основные принципы метода и требования к сорбентам, подвижным фазам и способам детектирования.

В качестве новых сорбентов для хроматофокусирования предложены кремнеземы с привитыми олигоэтиленаминами: Еп-вК^, Б1еп-8Ю2 и Тейгеп-81С>2. На основании изучения электропроводности стартовых буферных растворов и Полибуфера-74 показана возможность создания изокондуктивных градиентов рН, позволяющих кондуктометрически детектировать переходные металлы.

Установлено влияние числа карбоксильных групп в протолитах и их кислотно-основных свойств на формирование внутренних градиентов рН. Показана возможность применения смесей аминокислот в качестве злюента, формирующего внутренний градиент рН.

Создана физико-химическая и математическая модели формирования внутренних градиентов рН в хроматофокусировании при использовании смеси протолитов в качестве элюента, учитывающие ионообменные равновесия в гетерогенной динамической системе.

Практическая значимость работы. Найдены условия количественной сорбции переходных металлов на сорбентах РВЕ-94, Еп-БК^, 01еп-81С>2 и Тейгеп-8Ю2. Показано, что сорбенты на основе кремнеземов благодаря высокой механической прочности, устойчивости к действию микроорганизмов, а также оптимальной геометрической структуре можно использовать в высокоэффективном варианте хроматофокусирования. По совокупности кислотно-основных и комплексообразующих свойств как оптимальный сорбент выбран Те(хеп-8Ю2- Оценена комплексообразующая способность Полибуфера-74 по отношению к ионам переходных металлов. В качестве компонентов для составных буферных элюентов рекомендованы низшие аминокислоты -гистидин, 6-аминогексановая и глутаминовая кислоты. Разработана методика фотометрического послеколоночного детектирования переходных металлов по

реакции с 4~(2-пиридилазо)резорцином с использованием одного буферного раствора. Показана возможность концентрирования и разделения переходных металлов с использованием техники хроматофокусирования. Положения, вьшосимые на защиту:

1. Результаты изучения кислотно-основных и комплексообразугощих свойств сорбентов РВЕ-94, AP-S1O2, En-SiC^, Dien-SiC>2 и Tetren-Si02-

2. Результаты изучения электропроводности, буферных и комплексообразугощих свойств стартовых буферных растворов и полиамфолитного элюента "Полибуфер-74".

3. Использование смесей протолитов и амфолитов в качестве буферных элюентов для формирования внутренних градиентов рН.

4. Физико-химическая и математическая модели формирования внутренних градиентов рН в хроматофокусировании с использованием смесей протолитов в качестве элюентов.

5. Практические аспекты хроматофокусирования переходных металлов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VII Всесоюзной конференции "Применение ионообменных материалов в промышленности и аналитической химии" (Воронеж, 1991 г.); Международных симпозиумах по ионной хроматографии (Австрия, Линц, 1992 г.: США, Балтимор, 1993 г.; Италия, Турин, 1994 г.); VIII Всероссийской конференции "Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов" (Воронеж, 1996 г.); конференции молодых ученых "Ломоносов-96" (Москва, MIT, 1996 г,); Московском семинаре но аналитической химии (Москва, ГЕОХИ РАН, 1994 г.); научных семинарах кафедры аналитической химии МГУ (1993 - 1997 гг.), научных семинарах по аналитической химии университета им. Т.Г.Масарика и Института аналитической и прикладной химии Чешской АН (Чехия, Брно, 1994, 1995 it.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 5 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, шести глав экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, 3 схемы и 19 таблиц. Список литературы содержит 197 работ зарубежных и отечественных авторов.

Основное содержание работы В первой главе диссертации обсуждены литературные данные по формированию и применению градиентов рН в ионообменной хроматографии: классификация градиентов рН по способу формирования и профилю выходных кривых; исторические аспекты хроматофокусирования. Рассмотрены ионообменные сорбенты, применяемые в хроматофокусировании, и комплексообразующие аминосодержаицие сорбенты для концентрирования и разделения металлов. Обсуждены свойства подвижных фаз для хроматофокусирования - стартовых буферных растворов и буферных элюентов. Сделано предположение о возможности разработки нового метода концентрирования и разделения - хроматофокусирования переходных металлов. В основу метода должно быть положено различие в комплексообразующей способности металлов с аминогруппами, реализуемое за счет разрушения образующихся поверхностных комплексов при линейном внутриколоночном 1радиенте рН вдоль слоя сорбента. Во второй главе описаны растворы, реагенты, аппаратура, методики эксперимента и расчеты. В третьей главе рассмотрены свойства изученных сорбентов; в четвертой главе обоснован выбор подвижных фаз для хроматофокусирования. Пятая глава посвящена моделированию внутренних градиентов рН, создаваемых смесью протолитов с использованием техники хроматофокусирования. В шестой ставе описано формирование индуцированных внутренних градиентов рН, в седьмой плаве -разделение переходных металлов с использованием внутренних градиентов рН. В приложении приведена программа "CF" для расчета градиентов рН.

Экспериментальная часть Сорбенты. Использовали анионообменник РВЕ-94 на основе полисахаридной матрицы (45-165 мкм) (Pharmacia, Швеция) и синтезированные в лаборатории сорбенты на основе кремнезема с олигоэтиленаминами и пропиламином, ковалентно привитыми по эпоксигруппам. В качестве матриц для синтеза сорбентов использовали кремнеземы Сшгохром С-120 (100-160 мкм), LiChrosorb (100 мкм) и Силасорб Si-600 (7,5 мкм).

Реагенты и растворы. Растворы солей переходных металлов, реагентов и вспомогательных веществ, компоненты стартовых буферных растворов и элюентов готовили из препаратов квалификации не ниже ч.д.а. Использовали растворы Полибуфера-74 фирмы "Pharmacia".

Аппаратура. Хроматографическая система низкого давления включала перистальтический насос Multiperpex 2115, стеклянную хроматографическую колонку К9/30 (300x9 мм) , коллектор фракций RediRac-2112 ("LKB-Bromma",

Швеция). Системы для ВЭЖХ включали: изократические насосы высокого давления "Beckman-114M", "НРР-5001"; инжекторы "Rheodyne-7125"H "РК-1" для ввода пробы с объемами петли 100 мкл и 20 мкл соответственно; инжектор "РК-1" для ввода индуцирующего буферного раствора с объемом петли 1 мл; детекторы: кондуктометрический "Conductolyzer-5300B",

спеюрофотометрические "IJVM-6" и "MicroUvis-204", УФ-детектор "Uvicord-2238"; рН-метр "ОР-208/1" с проточной микрокюветой объемом 0,15 мл. Ряд экспериментов вьшолпен на хроматографе "Biotronik IC-2000". Использовали фотометр КФК-2, спектрофотометр "Руе Unicam-4021", кондуктометр ММ 3404 и универсальный иономер ЭВ-74.

Выбор неподвижной фазы. Свойства изученных сорбентов Сорбент РВЕ-94 представляет собой полисахаридную матрицу (Сефароза 6В) с дополнительной сшивкой полимерных цепей. Точный состав привитых групп неизвестен; но предположительно он включает такие олигоэтиленамины, как гриэтилеотетрамин (Tríen), тетраэтиленпентамин (Tetren) и нентаэтиленгексамин (Penten), ковалентно связанные с углеводными остатками матрицы. Возможно и наличие третичных аминогрупп. Привитые первичные и вторичные аминогруппы с различными значениями р Kfr, равномерно распределенными в широком интервале рН (4 - 9), позволяют создать линейный плавный градиент в указанном диапазоне рН при пропускании через хроматографическую колонку буферного элюента с рН в слабокислой области. Анионообменная емкость сорбента (32 мкмоль/ед.рН/мл) постоянна в широком интервале рН, что также обусловлено равномерным распределением значений рКь аминогрупп сорбента. Сорбент РВЕ-94 устойчив в широком диапазоне рН от 2 - 3 до 10 - 11, при высоких концентрациях солей, во многих органических растворителях. Однако полисахаридная матрина сорбента РВЕ-94 обладает низкой механической прочностью, лепсо сжимается при повышенных давлениях, а также постепенно разрушается под действием микроорганизмов, что не позволяет применять РВЕ-94 в качестве сорбента в системах с высоким рабочим давлением.

Новизна состоит в изучении кислотно-основных и комплексообразующих свойств кремнеземов с привитыми по эпокситруппе олигоэтиленаминами, в оценке буферной емкости данных сорбентов и в сравнении их свойств со свойствами промышленно выпускаемого сорбента РВЕ-94 с целью использования в технике хроматофокусирования с внутриколоночным формированием градиента рН.

Сорбенты на основе кремнезема Силохром С-120 устойчивы в интервале рН от 2 - 3 до 8, имеют высокую удельную поверхность^20 м^/г), высокую механическую прочность и несжимаемость, не набухают в воде и других растворителях, что позволяет использовать их в качестве неподвижной фазы в хроматографических системах с высоким рабочим давлением. Значения рК свободных олигоэтиленаминов достаточно равномерно распределены в широком интервале рН (например, для тетраэтиленпентамина - от 3 до 9 - 10 ед.рН) (табл. 1).

Таблица 1. Протолитические характеристики свободных и привитых олигоэтиленаминов и пропиламина

Амины РК1 РК9 ркз рКд рКч

Пропиламин 10.7 -

Этилендиамин 10.1 7.0 - -

Диэтилентриамин 9.9 9.1 4.3 - -

Триэтилентетрамин 9.9 9.2 6.7 3.3 _

Тетраэтиленпентамин 9.9 9.1 7.9 4.3 2.7

Пропиламин* 7,60 . . _

Этилендиамин* 7,7 6,2 - - -

* - лиганды ковалентно закреплены на поверхности кремнезёма

Кислотно-основные свойства аминосодержащих сорбентов и зависимость буферной емкости от рН. Для формирования внутренних градиентов рН неподвижная фаза должна обладать постоянной буферной емкостью в широком интервале рН, соответствующем интервалу градиента. Чем шире этот интервал, тем шире границы интервала рН, в котором теоретически можно создать градиент. Для оценки влияния природы аминогрупп, их концентрации и значений рАГ на интервал рН, в котором буферная емкость неподвижной фазы постоянна, проводили кислотно-основное потенциометрическое титрование Еп-8Ю2, 01еп-8Ю2 и ТеИеп-БЮг, предварительно уравновешенных кислотой или щелочью. Для оценки влияния концентрации первичных аминогрупп сорбента на его буферную емкость титровали сорбент АР-8Ю2 на основе кремнезема с привитыми группами пропиламина; поскольку он содержит только первичные аминогруппы с известной константой основности (табл. 1). При кислотно-основном титровании кремнеземов с привитыми олигоэтиленаминами наиболее плавное изменение рН наблюдали на кривой титрования Те1геп-8Ю2, что объясняется равномерным распределением констант ионизации аминогрупп в составе

тетраэтиленпентамина в широком интервале рН (табл. 1). Все изученные сорбенты обладают примерно одинаковыми буферными свойствами в интервале рН от 3 - 4 до 7 - 8 (рис. 1). Интервал постоянной буферной емкости в случае Еп-8Ю2, содержащего два типа аминогрупп, несколько уже, чем в случае АР-8Ю2, на поверхности которого находятся только первичные аминогруппы, а для сорбента Б1еп-8Ю2 интервал рН опять увеличивается. Наиболее широкий интервал постоянной буферной емкости для Тейгеп-вК^« содержащего на поверхности пять аминогрупп.

Буферная емкость, мкмоль/ед рн/мл

Буферная емкость, мкмоль/ед рн/мл

Буферная емкость, мкмоль/ед рн/мг:

Ряс.1 Зависимость буферной емкости сорбентов с привитыми олигоэтдленаминами и пропиламяном от рН (рассчитано из данных титрования сорбентов 0,1 М раствором ХаОН). Навеска сорбента 0,2 г; ионная сила 0,1.

Ионная сила в интервале от 0,01 до 1 практически не влияет на буферную емкость Тей-еп-БЮг и не меняет вид кривой его кислотно-основного титрования. По проявляемым кислотно-основным свойствам и буферирующей способности Те1геп-81С>2 и Кеп-8Ю2 наиболее подходят из изученных сорбентов для создания внутриколоночного градиента рН в интервале от 7,0 -7,5 до 3,0 с применением техники хроматофокусирования.

Комплексообразующие свойства аминосодержатцих сорбентов.

Комплексообразующие свойства РВЕ-94, используемого в качестве ионообменника при разделении белков методом хроматофокусирования, и сорбентов на основе кремнезема с привитыми по эпоксшруппе олигоэтиленаминами ранее не изучали. Определяли сорбционную емкость сорбентов в статических условиях с целью оценки их возможного применения для концентрирования переходных металлов. В качестве объекта исследования выбрали медь(П), поскольку ее ионы лабильны по отношению к аминосодержащим группам сорбентов, причем атомы кислорода в составе остаточных силанольных групп на поверхности сорбента не должны вносить вклад в комплексообразование, так как медь предпочтительно координирует азот, а не кислород. Сорбционная емкость по ионам меди(П), определенная в статическом режиме, составляет 0,16; 0,10; 0,12 и 0,35 ммоль/г сорбента при рН 7,0 - 7,5 для АР-8Ю2, Еп-5Ю2, Бгеп-в^ и Те^еп-БЮг соответственно. Для более полной характеристики сорбционной емкости определяли содержание первичных аминогрупп на поверхности сорбентов по реакции с нингидрином и сопоставляли полученные результаты с сорбционной емкостью, определенной по меди(П) (табл.2).

Таблица 2. Некоторые характеристики изученных сорбентов

Характеристика АР-вЮ? Еп-вЮ? Теа-еа-БЮ?

Матрица ЫсЬгозогЪ Силохром С-120

Размер частиц, мкм 100 100 - 160

Удельная поверхность, м^/г 300 120

Плотность прививки, молекул/нм^ 1,4 1,2 1,1 1,2

Сорбционная емкость по меди(И), ммоль/г 0,16 0,10 0,12 0,35

Теоретическое содержание первичных аминогрупп от общего числа аминогрупп, % 100 50 33,3 20

Содержание первичных аминогрупп по реакции с нингидрином, % от общего числа аминогрупп 98 37,5 20 18

При иммобилизации этилендиамина и диэтилентриамина на поверхности кремнезема возможно закрепление части молекул за две концевые аминогруппы. Этим объясняется пониженное содержание первичных аминогрупп, определенное по реакции с нингидрином, по сравнению с

теоретически рассчитанным содержанием, и более низкая сорбционная емкость по меди(И) для сорбентов 1:п8Ю2 и 1)1еп 8Ю2 по сравнению с АР-8)02. Удельная поверхность АР-8Ю2 также больше. Максимальная разница в результатах наблюдается для сорбента В1еп-8Ю2- Кроме того, не все первичные и вторичные аминогруппы даже при оптимальных значениях рН могли перейти в координационно-активную форму.

Продолжительность ("кинетика") сорбции меди(И) сорбентом РВЕ-94 зависит от рН среды; далее незначительное увеличение рН ло 7,9 - 8,0 снижает время количественной сорбции меди(П) до 7 - 8 мин по сравнению с 13 - 15 мин при рН 7,5. Для химически модифицированных кремнеземов увеличение рН среды практически не влияет на кинетику сорбции: при рН 7,5 сорбция количественна через 5-7 мин при комнатной температуре. Пористость и удельная поверхность сорбента влияют на его сорбционную емкость и кинетику сорбции. Время количественной сорбции меди(Н) составляет 2-2,5 мин и 5-7 мин на Тей-еп-8Ю2 на основе Силасорба 81-600 (7,5 мкм, 600 м^/г) и Силохрома С-120 (100-160 мкм, 120 м2/г) соответственно.

Изучали сорбцию Си(И), Со(П), N¡(11), С<1(11), Ре(Ш) в статическом режиме при рН 7,5-8,0, а Мп(И) при рН 8,0-8,5 (18-20°С, время контакта фаз 30 мин). Для всех изученных сорбентов наблюдали увеличение сорбции переходных металлов с увеличением рН среды. Сорбция максимальна в нейтральной среде, а для марганца на сорбенте ТсИеп-ЙЮ^ - при рН > 8; при этом возможно частичное растворение матрицы сорбента. Для железа(Ш) на сорбентах РВЕ-94, В1еп-8Ю2 и Те1геп-8Ю2 наблюдали снижение сорбции при рН > 6 (рис. 2), что связано с образованием гидроксокомнлексов. Сорбция металлов обратима, и большинство изученных металлов десорбируется в узком интервале рН 3,8 - 4,5. Установлена недостаточная избирательность РВЕ-94 по отношению к изученным металлам - значения рН, соответствующие 50%-ной сорбции, лежат в узком интервале рН 4,0 - 4,9 (табл.3).

Порядок десорбции на остальных сорбентах в целом согласуется с константами устойчивости комплексов переходных металлов со свободными олигоэтиленаминами. Тейгеп-вЮг обладает наибольшей

избирательностью по отношению к переходным металлам: значения рН 50%-ной сорбции металлов лежат в более широком интервале.

Л.

3

4

3

РН

Степень извлечения,'

Степень извлечения, %

Степень извлечения, %

100 01еп-8Ю2

80 гы!

'л [Си

60

/7 Мп

<0 / /

* Уы /

20 /

п /

Рис. 2. Зависимость сорбции переходных металлов от рН. Объем водной фазы 10 мл; масса сорбента 0,2 г; -10"4 М; время конгакта фаз 20 - 30 мин

Таблица 3. Значения рН 50%-ной сорбции переходных металлов на РВЕ-94 и на кремнеземах с привитыми олигоэтиленаминами и пропиламином.

Ион металла РВЕ-94 АР-БЮ? Еп^О? В1еп-8Ю? ТеЬгеп-БЮо

- 1 1 2 2 I 2

Си(Н) 4,9 5,9 4,6 4,5 6,6 3,3 3,5

Со(И) 4,6 7,3 6,2 5,1 5,4 5,7 5,0

1п(П) 4,0 6,0 5,9 5,4 4,9 4,9 4,7

№(П) 4,3 8,2 6,4 5,6 4,7 6,4 4,4

Мп(И) - - 9,4 - 7,5 7,4 7,5

Ре(Ш) 4,7 - 4,0 4,2 4,5 - 4,3

СсЗСП) 4,2 - 6,7 5,6 5,5 - 5,7

Примечание: 1-привитые группы закреплены по С1-1руппе (Силохром С-120)

2-привитые группы закреплены по зпоксшруппе (Силохром С-120)

Комплексообразуюгцие свойства сорбентов Еп-вК^ и Те1геп-8Ю2, полученных закреплением олигоэтиленаминов по зпоксигруппе, по отношению к некоторым переходным металлам отличаются от свойств подобных сорбентов, полученных ранее замещением по С1-группе.

Сравнение совокупности кислотно-основных и комплексообразуюгцих свойств изученных сорбентов показывает, что для концентрирования и последующего разделения переходных металлов с применением техники хроматофокусирования наиболее подходят ТеП-еп-8Ю2 и Отп-вК^. В хроматографотеских системах низкого давления можно использовать промышленно выпускаемый РВЕ-94.

Выбор подвижных фаз для хроматофокусирования переходных металлов На основании литературных данных по формированию нисходящих градиентов рН на слабоосновных анионообменниках сформулированы общие требования к подвижным фазам в хроматофокусировашш: стартовые растворы и ачюснты должны обладать постоянной буферной емкостью в интервале рН, в котором формируется градиент рН; константы ионизации стартового буферного раствора должны лежать в интервале рН 8 - 10, а буферного элюента -равномерно распределяться в интервале рН от 3 до 8.

Свойства стартовых буферных растворов изучены на примере Трис-НС1 и гистилина. Влияние 0,025 М раствора гистидика на сорбцию переходных металлов изучали в статическом режиме (рН 7,5, 18-20 °С). Дня меди(Н) сорбция максимальна через 15-20 мин, в то время как в 0,025 М растворе Трис-НС1 она максимальна через 5 - 7 мин. Для кинетичесхн инертных акваионов Со(И), N1(11) сорбция количественна через 35 - 45 мин. Для всех металлов наблюдали снижение сорбции на 20 - 30% в 0,025 М растворе гистидина по сравнению с сорбцией в 0,025 М растворе Трис-НС1 (рН 7,5). Трис-НС1 обеспечивает количественное извлечение переходных металлов из раствора при оптимальном рН. Электропроводность даже разбавленных (10"2 -м) растворов Трис-НС1 из-за присутствия посторонних ионов может оказаться достаточно высокой, что затруднит кондуктометрическое детектирование металлов при разделении. Таким образом, использование уравновешивающего буферного раствора Трис-НС1 целесообразно при сорбции больших количеств переходных металлов.

Свойства полиамфолитного элюента "Подибуфер-74" и его применение для разделения переходных металлов. Кондуктометрическое титрование Полибуфера-74, разбавленного в 8 раз, 0,05 М раствором 1ЛОН с параллельным контролем рН титруемого раствора показало, что зависимость

электропроводности от рН согласуется с теорией кондуктометрического титрования полиамфолигных буферных растворов основаниями. Наибольший интервал рН постоянства электропроводности при титровании получен дом системы 0,025 М раствор гистидина -1:8 раствор Полибуфера-74.

Для выбора оптимальных условий кондуктометрического детектирования

исследовали электропроводность 0,025 0,004 М стартовых буферных растворов различной природы и полиамфолитного элюента "Полибуфер-74", разбавленного в 8 50 раз соответственно. Полученные результаты приведены на рис. 3. Видно, что 0,004 М раствор гистидина и раствор Полибуфера-74, разбавленный в 50 раз, обладают практически одинаковой электропроводностью. Результаты контрольного опыта в динамической системе на колонке, заполненной Теи-еп-5Ю2, подтвердили постоянство электропроводности эффлюенга при создании градиента рН от 4 до 7,5.

Изучено влияние различных концентраций Полибуфера-74 на оптические плотности растворов комплексов ПАР с ионами переходных металлов. Концентрацию ионов металлов варьировали в области линейности градуировочных графиков, а Полибуфера-74 - разбавлением от 8 до 50 раз. Для всех изученных ионов металлов установлено, что определению не мешает Полибуфер-74 при разбавлении 1:8, то есть его комплексы менее устойчивы по сравнению с соответствующими комплексами ПАР. Для оценки устойчивости комплексов металлов с Полибуфером-74 и с изученными неподвижными фазами сопоставляли рН 50%-ной сорбции переходных металлов и рН элюирования металлов при формировании градиента рН Полибуфером-74 на сорбентах РВЕ-94 и Те1геп-8Ю2 (табл.4). Комплексы металлов прочнее с аминогруппами Те^еп-ЗК!^; в случае РВЕ-94 устойчивость комплексов металлов с неподвижной и подвижной фазой примерно одинакова.

Электропроводность, Ю'Смсм"1

Рис. 3. Зависимость электропроводности стартовых буферных растворов и Полибуфера-74 от концентрации и рН

Таблица 4. Значения рН 50%-ной сорбции в статических условиях (1) и рН градиентного элюирования (2) переходных металлов Полибуфером-74

Ион металла РВЕ-94 | ТеИеп-БЮ?

1 2 ! 1 ¡2

Си(Н) 4,9 7.0 | 3,5 3.5

Со(И) Г4,6 6,6 5,0 5,4

2п(П) 4,0 5.5 4,7 5,0

№(») 4,3 4,9 4,4 4,7

Мп(Н) - - 7,5 7,5

С(1(Н) 4,2 5,0 5,7 5,9

Показана возможность использования Полибуфера-74 для формирования внутренних градиентов рН и разделения переходных металлов на РВЕ-94 и кремнеземах с привитыми олигоэтиленаминами (рис.4). В качестве стартового буферного раствора использовали Трис-НС1. Наибольшая плавность и линейность градиентов рН достигается при использовании длинных и узких хроматографических колонок.

Градиенты рН, полученные при пропускании Полибуфера-74 через колонку, заполненную РВЕ-94 или ТеГгеп-.$Ю2, линейны в широком интервале рН. Ионы металлов детектировали

фотометрически по

послеколоночной реакции с ПАР в собранных фракциях зффлюента. Пики Си(И), Со(Н) и №(И) имеют примерно одинаковую ширину и достаточно симметричны, что косвенно подтверждает наличие фокусирующего эффекта. Пик Сг(Ш) размыт, вероятно, вследствие кинетической инертности

комплексов хрома.

120 160 V, мл

Рис.4. Разделение смеси переходных металлов. Колонка: РВЕ-94, 300x9 мм. Стартовый раствор 0,025 М Трис-НС1 (рН 7,5) Элюент 1:8 Полибуфер-74 (рН 3,45), 1 мл/мия 1 - градиент рН, 2 - хроматограмма смеси.

Широкое применение Полибуфера-74 в качестве алюента для разделения металлов ограничено отсутствием информации о его составе, низкой

антимикробной устойчивостью, высокой стоимостью препарата. Поэтому в работе рассмотрена возможность использования других буферных элюентов -одноосновных и многоосновных кислот и их смесей.

Применение однокомпонентных и двухкомпонентных элюентов для создания градиентов рН. При выборе элюентов руководствовались величинами констант их диссоциации. В качестве одноосновных кислот изучены уксусная и гаиколевая; двухосновных - янтарная и винная; трех- и четырехосновных -лимонная, пиромеллитовая кислоты и комплексоны - НТА, ЭДГА, ЦПТА; а также двухкомпонентные буферные элюенгы - смеси лимонной и янтарной кислот, лимонной кислоты и ЭДГА. Наиболее плавные градиенты рН наблюдали в случае лимонной и пиромеллитовой кислот.

Показана также возможность применения низших аминокислот -

плутамина, глутаминовой и аспарагиновой кислот для формирования градиентов

рН и разделения переходных металлов (рис.5, 6). рН рн

Рис.5. Выходные кривые рН при использовании в качестве элюентов 0,025 М растворов аспарагиновой и глутаминовой кислот с рН 3,3. Колонка Tetcen-Si02, 300x9 мм. Стартовый раствор 0,025 М Трис-HCI (рН 7,5), 1 млАшн

Рис.6. Разделение смеси переходных металлов с использованием 0,025 М глутаминовой кислоты в качестве элюента. Остальные условия приведены на рис.5. Детектирование по реакции с ПАР во фракциях эффлюснта. 1 - граднент рН, 2 - хроматотрамма смеси.

Моделирование внутренних градиентов рН, создаваемых смесью протолитов с использованием техника хроматофокусирования

Имеющиеся в литературе теоретические подходы к описанию формы получаемого градиента рН в зависимости от состава системы базируются, в основном, на аналогиях с гомогенными протолитическими равновесиями,

поэтому"" не-" могут удовлетворительно объяснить ряд экспериментальных эффектов, а кроме того, зачастую с трудом поддаются количественной проверке, так как используют параметры, которые трудно оценить из экспериментальных данных. Более строгай подход к описанию формирования внутреннего градиента рН может быть основан на модели, учитывающей в явном виде гомогенные и гетерогенные химические равновесия в динамической системе. В связи с этим разработана физико-химическая и математическая модели формирования внутреннего градиента рН на основе описания химических равновесий и соответствующее программное обеспечение.

Модель формирования внутреннего градиента рН, учитывающая совокупность гетерогенных и гомогенных равновесий. Рассмогрены следующие ионообменные гетерогенные равновесия: протонирование аминогрупп на поверхности сорбента с одновременным связыванием противоиона С1" в составе стартового раствора или аниона кислоты Н^./А/'" в составе элюента; монодентатное и полидентатное связывание аниона НЯ(_/А/"; сорбцию многоосновных кислот анионообменником с возможным катионным обменом Н+ на Ха4. В систему уравнений включены выражения констант всех гомогенных равновесий в фазе раствора, а также уравнения материального баланса для каждого компонента подвижной фазы и групп аниопообменника.

В физико-химической модели рассмотрен сорбент - слабоосновный анионообмешшк на основе кремнезема с ковалентно закрепленными аминогруппами, участвующий в рассмотренных выше гетерогенных равновесиях. В качестве характеристик анионообменного сорбента использовали величину максимальной удельной емкости £) (ммоль/г), константы и коэффициенты соответствующих равновесий, рассчитанных на основе данных кислотно-основного титрования анионообменных сорбентов. Химическую неоднородность анионообменника, а также его термодинамическую неидеальность формально учитывали с помощью эмпирической зависимости константы протонирования Кр от степени протонирования а и ионной силы раствора и. Коэффициенты остальных равновесий считали постоянными. В рамках модели рассматривали стартовый раствор, содержащий только ионы №+ и О" (инертные компоненты) в концентрациях, обеспечивающих требуемые значения ионной силы, при требуемых рН; а алюент - как раствор, содержащий в заданных концентрациях протолиты Н^-Ау (/ = 1,..., т) (активные компоненты) и ионы N3+ и С1".

В соответствии с рассмотренной выше физико-химической моделью создана математическая модель процесса формирования внутреннего градиента рН, основанную на послойном расчете состава N секций колонки (зон

фокусирования). Модель включала две основные чередующиеся операции: перенос порции подвижной фазы из (х - -0-й в ью зону и расчет равновесных, составов подвижной фазы и ионообменных групп сорбента »-ой зоны. Исходно рассчитывали состав ионообменных групп сорбента, равновесного со стартовым раствором.

В качестве многокомпонентных систем рассмотрены смеси одноосновных кислот. Для получения плавных градиентов рН, исходя из принципа увеличения диапазона постоянства буферной емкости и числа конкурирующих анионов провели моделирование внутреннего градиента рН для алюента с увеличенным числом активных компонентов. На рис.7 приведены рН-вьгходные кривые для трех- и девятикомпонентных систем, величины рКа компонентов которых равномерно распределены в интервале 3,0 - 7,0. Как видно, градиенты рН в этих случаях существенно более плавные, чем для однокомпонентных систем. Это подтверждает экспериментальные результаты. Близкий к линейному градиент получается при использовании полифункционального анионообменника (рис.8), что также согласуется с экспериментальными результатами.

рН рН

Рис.7. рН-Выходные кривые для многокомпонентных элюентов - смесей трех (У) и девяти кислот (2): элюент - активные компоненты: НАj с К(СГ,А~) = 0,1; 1 - сдд=7-10~4М; рКа = 3,0; 5,0; 7,0; 2 - снд=2-10"4М; рКа = 3,0, 3,5; ...; 6,5; 7,0; инертный компонент: NaCl, CfvjaCpl'^'^M; сорбент - аниовообменник с lgA^ = 8,0

Рис.8. рН-Выходпые кривые при использовании девятикомпонентного элюента на различных апионообменниках. Элюент - активные компоненты НАj с К(СГ, А') = 0,1; сдд = 2'10"4М; рКа = 3,0, 3,5; ...; 6,5; 7,0; инертный компонент - NaCl, ijjaci=M0'3M; сорбент: J - lg Кр = 8,0; 2- AP-Si02; 3 - Tetren-Si02.

-----------При моделировании обнаружили явления, до сих пор не наблюдавшиеся

в реальных экспериментах по формированию внутренних градиентов рН -образование двух ступеней на профиле градиента при использовании однокомпонентных элюентов, связанное с ионным обменом, и эффекты влияния ионной силы элюента.

Применение внутренних градиентов рН для разделения переходных металлов

Индуцированные градиенты рН. Применение в качестве подвижной фазы только растворов карбоновых кислот с двумя и более кислотными группами не всегда позволяет сформировать достаточно плавный линейный традиент рН от 7 до 3 - 3,5, несмотря на равномерное распределение значений рКа этих кислот в указанном диапазоне рН. По этой причине не для всех изученных металлов удается достичь удовлетворительного разделения. Результаты, полученные нами при использовании растворов некоторых аминокислот, например, аспарагиновой, свидетельствуют в пользу применения этих амфолитов в качестве компонентов элюента для формирования градиента рН и для разделения переходных металлов в условиях градиента. В то же время из литературных данных известно, что применение простых смесей из 4 - 6 амфолитов, обладающих буферными свойствами, например, гистидина или кислых солей многоосновных кислот, позволяет получить линейный градиент рН в широком диапазоне. Однако в этом случае методика формирования градиента рН несколько отличается от принятой в классическом варианте хроматофокусирования: в колонку, предварительно уравновешенную в кислой области рН, вводят ограниченный объем (до 1 мл) буферного раствора с высоким значением рН. Подобные градиенты являются шшуцированнымн, а буферные растворы, вводимые в поток подвижной фазы - индуцирующими. На кремнеземах с привитыми олигоэтиленаминами индуцированные градиенты рН до нашей работы не формировали.

В качестве элюента изучили ряд низших аминокислот, из которых оптимальными для формирования градиента рН оказались 6-аминогексановая кислота и шстидин; а в качестве индуцирующего раствора - N826407. Полученные градиенты рН хорошо соотносятся с типичным видом индуцированных внутренних градиентов рН.

Выбранные условия использованы для разделения модельных смесей металлов. Значения рН, соответствующие максимумам хроматографических пиков Со, № и Си, на 0,5 - 2 ед. выше значений рН 50%-ной сорбции, полученных ранее для этих металлов в статическом режиме (табл.5). Это, вероятно, вызвано тем, что из-за присутствия гистидина в составе подвижной

фазы может идти конкурирующая реакция комплексообразовашга, несмотря на то, что в слабощелочной и нейтральной областях рН константы устойчивости комплексов переходных металлов с привитыми олигоэтиленаминами выше, чем с гастидином.

Таблица 5. Значения рН 50%-ной сорбции некоторых переходных металлов на кремнеземах с привитыми олигоэтиленаминами, полученные в статических условиях (1) и в динамической системе с индуцированным градиентом рН (2),

Ион металла Еп-БЮг Б1еп-5102 ТеЦеп-БЮг

1 2 1 2 1 2

Со(П) 5,1 7,1 5,4 7,3 5,0 7,0

№(П) 5,6 6,2 4,7 5,0 4,4 4,9

Си(11) 4,5 5,7 6,6 4,7 3,5 4,1

и(У1) - 6,4 - 6,1 - 5,9

Вид хроматограмм подтверждает удовлетворительную кинетику, обратимость сорбции и наличие фокусирующего эффекта (рис. 9).

рН рН

Рис.9. Разделение смеси металлов с использованием индуцированного градиепта рН. Колонка: а - Б^еп^С^, б - Тей-еп-вЮг, 150x2 мм. Элюенг (б-аминогексаиовая кислота н гастадин): а - 0,01 М, б - 0,02 М; индуцирующий раствор 0,1 М N3213407; скорость 0,2 мл/инн. Детектирование по реакции с ПАР во фракциях эффлюента. 1 - градиент рН, 2 -хроматограмма смеси.

Разделение с использованием техники хроматофокусирования. Градиенты рН, полученные при использовании РВЕ-94 и ТеЦ-еп-БК^, при соблюдении прочих равных условий (параметры колонки, свойства стартового

120 ieo

V, мл

Рис.10. Разделение смеси металлов. Колонка: Tetren-Si02, 100-160 мкм, 300x9 мм. Остальные условия - см. рис.4.

раствора и элюента) практически совпадают между собой в интервале рН от 7,5 до 3,3 - 3,5.

При элюировашш металла из колонки, заполненной Тей-еп^С^, на выходной кривой рН образуются более сглаженные участки, а иногда наблюдаются даже незначительные ступени. Это можно объяснить различием в установлении равновесий с подвижной фазой для аминогрупп, не связанных в комплексы, и для адсорбционных комплексов. При разделении нескольких металлов образование ступеней выражено не так отчетливо, однако градиент рН становится более плавным, чем в отсутствие металлов. В выбранных условиях разделена модельная смесь Мп(П), Сс1(Н), гп(Н), №(Н) и Си(Н), содержащая по 1,5-Ю'З М каждого из ионов (рис.10). Порядок элюирования переходных металлов из колонки соответствует устойчивости адсорбционных комплексов. Те^еп^Ю? обладает более высокой селективностью по отношению к изученным переходным металлам, что позволяет разделять на этом сорбенте более сложные по составу смеси, чем на РВЕ-94 (рис.4). Последовательность элюирования переходных металлов может изменяться в зависимости от выбранного сорбента. Например, на колонке с Те1геп-8Ю2 при элюировании Полибуфером-74 металлы выходят в последовательности: Мп < С<1 < Со » Хп < № < Си, что согласуется с увеличением устойчивости комплексов с мономерными олигоэтиленаминами при переходе от марганца к меди. В то же время на колонке с РВЕ-94 в аналогичных условиях металлы элюируются в последовательности: Си < Со < С<1 » Сг < №, что может быть объяснено влиянием полисахаридных остатков матрицы.

Высокая механическая прочность и оптимальная геометрическая структура Тейеп-ЭЮг позволили использовать его для разделения металлов при градиентном элюировании в хроматографических системах высокого давления. В этом случае использовали сорбент на основе Силасорба 81-600 (7,5 мкм). Емкость хроматографических колонок, заполненных ТеИ-еи-вК^ на основе Силасорба БьбОО, существенно возрастает за счет увеличения удельной

поверхности частиц сорбента; процессы сорбции - десорбции переходных металлов при этом также ускоряются из-за высоких пористости и удельной поверхности. В системе ВЭЖХ предпочтительнее прямое детектирование металлов в потоке эффлюента.

160 200 V, мл

Рис.11. Разделение металлов в системе ВЭЖХ с кондуктометрическим детектированием. Колонка ТеИеп-БЮг (7,5 мкм), 250x4,6 мм. Стартовый раствор гастидин (рН 7,5): а - 0,025 М, б - 0,004 М. Элюент Полибуфер-74 (рН 3,4): а - 1:8, б -1:50. Скорость 1 мл/мин. 1 - градиент рН, 2 - хроматограмма смеси.

При кондуктометрическом детектировании получили нисходящую базовую линию, соответствующую линейному снижению рН в эффлюенте, и четко выраженные пики металлов (рис.11,а). Наличие посторонних ионов в подвижной фазе (электролиты для создания оптимальной кислотности) также влияет на общую электропроводность системы. Разность в электропроводности стартового раствора и буферного алюента можно снизить разбавлением алюента, уменьшением концентрации стартового раствора либо изменением его природы. Электропроводность Полибуфера-74, разбавленного 1:50, и 0,004 М раствора гистидина отличается незначительно (рис.3), что позволяет использовать их для создания изокондуктивного градиента рН и для кондуктометрического детектирования со стабильной базовой линией (рис.11,6). Электропроводность эффлюента в выбранных условиях практически постоянна и достаточно низка в интервале рН, требуемом для разделения переходных металлов.

_________________________________________________Вьгооды

1. Предложен новый хроматографический метод разделения переходных металлов с использованием внутриколоночного градиента рН, сочетающий принципы комплексообразовательной жидкостной хроматографии и хроматофокусирования. Сформулированы основы метода, требования к сорбентам, подвижным фазам - стартовым буферным растворам и буферным злюентам, способам детектирования.

2. Изучены кислотно-основные и комплексообразующие свойства полибуфер-ионообменника на основе полисахаридной матрицы (РВЕ-94) и сорбентов на основе кремнезема с ковалентно привитыми группами этилеидиамина (Еп-Б^Оз), диэтилентриамина (В]еп-8Ю2) и тетраэтиленпентамина (Тейгеп-ЗЮг). Определены интервалы рН постоянства буферной емкости сорбентов, найдены оптимальные условия количественной сорбции металлов. Для использования в хроматофокусировании переходных металлов рекомендован Тей-еп-8Ю2-

3. Изучена электропроводность стартовых буферных растворов и полиамфолитного элюента Полибуфер-74 в статическом режиме и в динамической хроматографической системе. Изучены комплексо-образующие свойства Полибуфера-74.

4. В качестве буферных злюентов на основе протолитов для создания градиентов рН рассмотрены одноосновные - уксусная, гликолевая; двухосновные - янтарная, винная; трех- и четырехосновные - лимонная, пиромеллитовая кислоты; низшие аминокислоты - шутамин, глутаминовая и аспарашновая кислоты; комплексоны - НТА, ЭДТА, ЦЦТА и двухкомпопештше смеси кислот - лимонная и янтарная, лимонная и ЭДТА. Показаны преимущества использования аминокислот или двухкомпонентных смесей протолитов для формирования градиентов рН.

5. Предложена физико-химическая и математическая модель формирования внутренних градиентов рН с применением техники хроматофокусирования, учитывающая совокупность основных гомогенных и гетерогенных равновесий в динамической ионообменной системе. Предложенная модель позволяет описывать основные особенности профилей экспериментально полученных градиентов рН, а также учитывать влияние свойств сорбента, состава и свойств компонентов элюента и эффективности хроматографической колонки.

6. Установлено, что элюенты из смесей б-аминогексановой кислоты и шстидина перспективны для создания внутренних линейных градиентов рН в колонках, заполненных сорбентами с привитыми олигоэтиленаминами, при использовании техники индуцирования градиентов. Показана принципиальная возможность

разделения смеси переходных металлов на колонках, заполненных сорбентами Dien-Si02 и Tetren-SiC>2.

7. Показана возможность применения сорбентов РВЕ-94 и Tetren-Si02 для предварительного концентрирования переходных металлов и разделения с использованием техники хроматофокусирования.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Нестеренко П.Н., Иванов А.В. Хроматофокусирование переходных металлов. Тез. докл. VII Всес. конф. "Применение ионообменных материалов в промышленности и аналитической химии". Воронеж, 1991. С. 339 - 340.

2. Нестеренко П.Н., Иванов А.В. Комплексообразующие свойства полибуффер-ионообменника ПБИ-94 и их использование для разделения переходных металлов. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.2, Химия. 1992. Т.ЗЗ. N 6. С. 574 - 578.

3. Nesterenko P., Ivanov A. Chromatofocusing: a new approach to prcconcentration and separation of transition metal ions with single column. / International Ion Chromatography Symposium. Austria, Linz, 1992. SessJ, N 10.

4. Nesterenko P.N., Ivanov A.V. Possibility of conductometric detection in chromatofocusing of transition metals. / International Ion Chromatography Symposium. USA, Baltimore, 1993. N 90.

5. Nesterenko P.N., Ivanov A.V. Detection of transition metals during their separation in an isoconductive pH-gradient // J.Chromatogr. 1994. V.671. N 1-2. P.

6. Nesterenko P.N., Ivanov A.V. Strategies for the formation of the pH-gradient in chromatofocusing of transition metals. / International Ion Chromatography Symposium. Italy, Turin, 1994. N 23.

7. Nesterenko P.N., Ivanov A.V. The applicability of chromatofocusing to the concentration and separation of transition metals with tetraethylenepentamine bonded silica. // Mendeleev Comm. 1994. N 5. P. 174 - 176.

8. Нестеренко П.Н., Иванов A.B., Галева H.A., Сеневиратне Дж.Б.Ч. Комплексообразующие и ионообменные свойства силикагелей с привитыми олигоэтиленаминами. // Журн. аналит. химии. 1997. Т.52. N 8. С. (в печати).

Реферат статьи помещен на Web-page http: //wvw.chem.msu.su/eng/pubVchroml 1 .html

9. Гармаш А.В., Тессман А.Б., Нестеренко П.Н., Иванов А.В. Математическое моделирование внутреннего градиента рН в хроматофокусировании. Тез. докл. VIII Всеросс. конф. "Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов". Воронеж, 1996

95 - 99.