Новые сепарационные материалы для ионной и гидрофильной хроматомасс-спектрометрии

В ходе выполнения проекта осуществлена разработка и оптимизация условий синтеза сорбентов для ионной хроматографии (ИХ) с конденсационными полимерными нанофункциональными слоями и сорбентов с полимерными нанослоями для ГИХ. В общей сложности синтезировано и изучено 29 анионообменных и 42 гидрофильных сорбента. Исследованы закономерности влияния конкретных фрагментов структуры слоев на разделение аналитов, представляющих интерес в анализе почв, в частности моно- и дикарбоновых кислот (в ИХ), витаминов, аминокислот и сахаров (в ГИХ). Закрепление функциональных слоев осуществлено в ковалентном варианте для обеспечения стабильности получаемых неподвижных фаз в условиях эксплуатации с различными вариантами детектирования. В синтезе сорбентов для ИХ при формировании конденсационных полимерных нанофункциональных слоев использованы моно- и дизамещенные амины различной структуры и гидрофильности, обеспечивающие различное соотношение положительно и отрицательно заряженных фрагментов в структуре слоя, а также влияющие на емкость, гидрофильность и степень сшивки слоя, что позволило получить сорбенты для ИХ c различной селективностью. Установлено влияние гидрофильности слоя, функциональности и степени замещенности амина на селективность анионообменников, что позволяет управлять селективностью в трехпараметрической системе, комбинируя данные параметры. Для конструирования оптимального функционального слоя сорбентов в режиме ГИХ последовательно изучали индивидуальное влияние каждого структурного фрагмента – матрицы, спейсера и полимерного слоя. Предложенные подходы к синтезу и сравнительное изучение полученных сорбентов с использованием тестов Танака для гидрофильных соединений определили выбор подходящего спейсера и природы полимерного слоя для создания полярного функционального слоя, а также позволили обеспечить переход от силикагеля к более устойчивой гидрофобной матрице. В результате был получен новый селективный сорбент для разделения полярных веществ в режиме ГИХ, обладающий повышенной химической устойчивостью по сравнению с традиционными сорбентами на основе силикагеля. Для достижения альтернативной селективности и введения новых типов фрагментов в структуру функционального слоя предложен принципиально новый, простой и эффективный способ формирования функциональных нанослоев с помощью мультикомпонентной реакции Уги. Путем ковалентного модифицирования аминопропилсиликагеля полярными фрагментами, содержащими амидные и гидроксильные группы, получены новые сорбенты для ГИХ. В результате сочетания выбора условий элюирования и оптимизации структуры нанофункционального слоя для сорбентов, модифицированных по реакции Уги, достигнуто разделение 10 сахаров в градиентном режиме, а также 12 органических кислот, а также 11 азотистых оснований и нуклеозидов с высокой эффективностью до 50000 тт/м, что является выдающимся результатом для гидрофильных колонок, превосходящим коммерчески доступные аналоги. Выявлены тенденции в изменении селективности и эффективности сорбентов при переходе с традиционных условий элюирования (карбонатных и гидроксидных в режиме ИХ и фосфатных в ГИХ) на необходимые при МС-детектировании ацетатно- и формиатно-аммонийные подвижные фазы. При выборе наиболее подходящих составов подвижной фазы для каждого класса веществ найден баланс между лучшими условиями для хроматографического разделения и для электрораспылительной ионизации (ЭРИ) разделяемых соединений. Требуемое снижение концентрации буферного раствора, сопровождавшееся ростом факторов удерживания аналитов, было скомпенсировано с позиции подвижной фазы понижением кислотности раствора и градиентного элюирования с повышением доли воды в элюенте, с позиции неподвижной фазы – использованием сорбентов с меньшей анионообменной селективностью. Установлены вклады различных взаимодействий: распределительного, адсорбционного и электростатического, - в механизм удерживания аналитов изученных классов на новых сорбентах. Показана возможность успешного практического применения новых синтезированных сорбентов для ИХ и ГИХ для анализа модельных смесей исследуемых аналитов в режимах ГИХ-МС и ИХ-МС, а также проверена применимость разработанных сорбентов с учетом чувствительности МС-детектора к следовым количествам продуктов деградации неподвижной фазы. В выбранных условиях реализовано разделение и определение модельных смесей веществ различных классов: 7 моно- и дисахаридов, 6 водорастворимых витаминов, 6 алкилфосфоновых кислот, 16 аминокислот на сорбентах на основе силикагеля с нанофункциональными слоями или ПС-ДВБ, ковалентно модифицированном полярным полимерным слоем. Для сорбентов на основе матрицы аминопропилсиликагеля не отмечено влияние фонового сигнала на чувствительность детектирования. Ковалентно модифицированные сорбенты на основе ПС-ДВБ не вызывают появления дополнительных сигналов в масс-спектре и являются перспективными для работы в режимах ВЭЖХ-МС. Продемонстрирована высокая стабильность сорбентов с различной структурой слоя при эксплуатации с элюентами как для классических вариантов детектирования, так и для масс-спектрометрического детектирования. Оценена воспроизводимость синтеза неподвижных фаз с учетом различной природы матриц и количества стадий при создании функционального слоя. Изучено влияние содержания азота в аминопропилсиликагеле на воспроизводимость синтеза, что позволило предсказывать их хроматографические характеристики в отношении конкретных классов веществ. Проведено усовершенствование процедуры упаковки сорбентов. Осуществлен подбор условий пробоподготовки и анализа реальных объектов в режиме ИХ и ГИХ с разными видами детектирования и определение областей практического применения наиболее перспективных типов неподвижных фаз. Для экспрессного определения 7 фосфоновых кислот за 22 минуты в режиме ИХ-МС качестве неподвижной фазы выбрали сорбент на основе ПС-ДВБ с привитым гидрофильным конденсационным полимером. Для использования в режиме ГИХ-МС выбран гидрофильный сорбент на основе силикагеля, полученный по реакции Уги, а также сорбент на основе ПС-ДВБ с привитым конденсационным полимером. Осуществлено тестирование применимости разработанных неподвижных фаз для решения практических аналитических и экологических задач, включая анализ напитков, БАД и объектов окружающей среды. Анализ вытяжек из почвы проводили в выбранных условиях разделения с регистрацией масс-хроматограмм в режиме мониторинга выбранных ионов на масс-спектрометре высокого разрешения (Δm/z = 0.01 Да). Правильность предложенных подходов проверили методом «введено-найдено». Осуществлена оценка матричных эффектов. Проведен анализ возможностей развития разработанной технологии: прогнозирование параметров разделения аналитов и их ближайших структурных аналогов из исследованных классов полярных органических соединений на сорбентах с заданными параметрами нанофункционального слоя. В результате выполнения работ по проекту разработаны новые стабильные высокоселективные сорбенты для ИХ-МС и ГИХ-МС на полимерной основе, устойчивые в диапазоне рН 0-14. Разработаны структуры и надежные способы закрепления поверхностных функциональных нанослоев, обеспечивающие высокую эффективность и необходимые факторы удерживания аналитов для реализации режимов ГИХ-МС и ИХ-МС с требуемыми для МС-детектирования летучими элюентами. Такие сепарационные материалы позволяют избежать необходимости стыковки ионного хроматографа с МС-детектором и использовать стандартную ВЭЖХ систему для задач, решаемых методом и ионной, и гидрофильной хроматографии. Разработка стабильных высокоселективных фаз для ИХ-МС и ГИХ-МС позволяет не только расширить применение и открыть новые перспективы в развитии данных методов, но и является весьма перспективной с точки зрения импортозамещения.