Monolith và Cột Nhồi Hạt Nhỏ cho Sắc Ký Lỏng

Luận án tiến sĩ về so sánh cột monolith và cột nhồi hạt nhỏ trong sắc ký lỏng. Nghiên cứu chuyên sâu về hiệu quả và ứng dụng của các loại cột này.

• Tác giả: Xin Zhang
• Người hướng dẫn: PTS. Colón
• Trường học: University at Buffalo The State of New York
• Chuyên ngành: Chemistry
• Đề tài: So Sánh Cột Monolith và Cột Nhồi Hạt Nhỏ trong Sắc Ký Lỏng: Nghiên Cứu và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Ann Arbor

Mục lục chi tiết

• Dedication
• Abstract
• Acknowledgement
• Table of Content
• List of Figures
• List of Tables
• List of Abbreviations
• 1. CHƯƠNG 1: Fundamentals of Monolithic and Small-Particle Packed Columns in HPLC
• 1.1. Silica-Based Monolithic Columns in Liquid Chromatography
• 1.2. Silica Based Monoliths
• 1.3. Sol-gel Process
• 1.4. Rinsing and Aging
• 1.5. Monolith in a Tube or in a Capillary
• 1.6. Advantages and Disadvantages of Monolithic Silica Columns
• 1.7. Chromatographic Properties of Monolithic Silica Columns
• 1.8. Increase in Separation Speed by Using Monolithic Silica Columns
• 1.9. Ultrahigh Pressure Liquid Chromatography (UHPLC)
• 1.10. Advantages of Sub-2-μm Particles
• 1.11. Instrumental requirement for small particles
• 1.12. Heat dissipation in UHPLC
• 1.13. Scope of Dissertation
• 1.14. References of Chapter 1
• 2. CHƯƠNG 2: Monolithic and Sub 2 μm-packed Columns for HPLC
• 2.1. Material and Chemicals
• 2.2. Results and Discussions
• 2.3. Separations with Monolithic and 1.2 van Deemter Plots
• 2.4. Pressure Drop and Mobile Phase Consumption
• 2.5. Separation of Basic Compounds at Different pH Buffered Mobile Phase
• 2.6. Separation of Base Drugs
• 2.7. References for Chapter 2
• 3. CHƯƠNG 3: Chromatographic Characterization of Allyl-functionalized Monolithic Column
• 3.1. Effect of the Amount of PEG as Porogen
• 3.2. Material and Chemicals
• 3.3. Results and Discussion
• 3.4. Electroosmotic Mobility and Permeability
• 3.5. Column Aging Time
• 3.6. Alkaline Stability Test and Surface Coverage
• 3.7. References for Chapter 3
• 4. CHƯƠNG 4: Evaluation of poly(-N-isopropylacrylamide-co-(3-(methacryloylamino) propyl) trimethylammonium) as a stationary phase for capillary electrochromatography
• 4.1. TGA Analysis
• 4.2. Material and Chemicals
• 4.3. Results and Discussion
• 4.4. Chromatographic and Electrophoretic Characteristics
• 4.5. Electroosmosis and Mobile Phase pH
• 4.6. Organic Modifier in the Mobile Phase
• 4.7. Separation of Basic Compounds
• 4.8. References for Chapter 4
• 5. CHƯƠNG 5: Conclusions and future directions
• 5.1. Future Research Directions
• 5.2. References for Chapter 5

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Chung về Cột Monolith và Cột Nhồi Hạt Nhỏ

Các nghiên cứu về môi trường tách chiết vẫn là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học phân tích. Điều này là do sự đa dạng của các thách thức mới trong việc tách chiết các hỗn hợp mẫu rất phức tạp. Các công nghệ mới nổi cho phép hiệu quả tách chiết và tốc độ phân tích rất cao, vượt qua các cột nhồi hạt nhỏ thông thường trong sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Các công nghệ này bao gồm sắc ký mao quản, HPLC áp suất cực cao (UHPLC) và việc sử dụng cột monolith silica. Cột monolith thu hút sự chú ý vì hiệu năng tiềm năng cao của chúng trong các điều kiện vận hành thông thường, có thể cạnh tranh với các cột nhồi hạt nhỏ mà không đòi hỏi áp suất cao. Theo tài liệu nghiên cứu, cột monolith có cấu trúc mạng lưới một mảnh, giúp loại bỏ khó khăn trong việc nhồi cột và có thể thay đổi khi các sửa đổi bề mặt mới được giới thiệu.

1.1. Tổng quan về Cột Monolith Silica trong Sắc Ký Lỏng

Cột monolith silica là một loại cột sắc ký mới nổi, có cấu trúc nguyên khối, với các lỗ thông suốt. Ưu điểm chính của cột monolith silica là có độ thấm cao, cho phép vận hành ở tốc độ dòng cao và áp suất thấp hơn so với các cột nhồi hạt nhỏ truyền thống. Theo chương 1 của tài liệu, cột monolith silica hứa hẹn hiệu năng cao trong điều kiện vận hành thông thường. Cần phải có những nghiên cứu sâu hơn để so sánh cột monolith silica với cột nhồi hạt nhỏ trong các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là về độ phân giải, độ nhạy và độ bền.

1.2. Ưu điểm và Nhược điểm của Cột Monolith Silica

Một trong những đặc điểm nổi bật của cột monolith silica là cấu trúc giống như thanh, bao gồm bộ xương và các lỗ thông. Cột monolith silica có thể cung cấp độ xốp bên ngoài thay đổi và tỷ lệ kích thước lỗ/kích thước khung xương, điều này là không thể đạt được với cột nhồi hạt nhỏ. Những đặc điểm này mang lại cho cột monolith silica độ thấm rất cao, cho phép chúng hoạt động ở áp suất thấp hơn nhiều so với HPLC truyền thống. Tuy nhiên, cột monolith silica có thể có diện tích bề mặt thấp hơn so với cột nhồi hạt nhỏ, dẫn đến khả năng giữ chất phân tích kém hơn trong một số trường hợp. Cần có những nghiên cứu thêm để tối ưu hóa vật liệu cột monolith silica để cải thiện diện tích bề mặt và khả năng giữ chất.

II. Phương Pháp Tổng Hợp Cột Monolith Silica Quy Trình Sol Gel

Cách tiếp cận phổ biến nhất để chế tạo cột monolith silica là quy trình sol-gel xúc tác axit. Quy trình này bao gồm các phản ứng thủy phân và ngưng tụ của các alkoxit kim loại trong điều kiện axit (Hình 1-1). Các alkoxit kim loại thường được sử dụng cho cột monolith silica là alkoxysilan như tetramethoxysilan (TMOS) và tetraethoxysilan (TEOS). Sau đó, quá trình đa trùng hợp xảy ra với liên kết của các nhóm silanol để tạo thành các oligome vòng và cuối cùng tạo thành một mạng lưới silicat.

2.1. Ảnh hưởng của Chất Phụ Gia trong Quy Trình Sol Gel

Kích thước lỗ và các đặc tính cơ học của gel có thể được thay đổi khi thêm polyetylen glycol (PEG) vào sol. PEG là một chất tạo lỗ hoạt động như một khuôn lỗ và chất hòa tan của thuốc thử silan. Nakanishi, Judenstein và Martin tuyên bố rằng nồng độ PEG cao làm suy yếu ma trận rắn, trong khi nồng độ PEG nhỏ tăng cường ma trận. Kích thước lỗ của aerogel silica macroporous có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi nồng độ của polyme hòa tan trong nước.

2.2. Rửa và Ủ trong Quá Trình Tổng Hợp Cột Monolith Silica

Sau khi gel hình thành với hình dạng mong muốn, việc rửa trong H2O/EtOH sẽ làm tăng... [Nội dung phần phụ]. Sau khi gel đông đặc với hình dạng mong muốn, việc rửa bằng H2O/EtOH sẽ làm tăng... [Nội dung tiếp theo]

2.3. Vai trò của Amoniac trong Hình Thành Lỗ Xốp Meso

Các lỗ xốp meso được hình thành trong bộ xương silica bằng cách xử lý bằng amoniac, được đưa vào sau khi hình thành cấu trúc mạng lưới của bộ xương silica. Amoniac cũng có thể được tạo ra bằng cách thủy phân urê, có thể được thêm vào hỗn hợp phản ứng ban đầu.

III. So Sánh Hiệu Năng Cột Monolith vs Cột Nhồi Hạt Nhỏ 2μm

Hiệu năng của các cột có sẵn trên thị trường, một cột monolith và một cột nhồi hạt nhỏ kích thước dưới 2 μm, đã được kiểm tra. Hiệu quả cao hơn đã thu được với cột nhồi hạt nhỏ kích thước dưới 2 μm. Áp suất rất cao 14.000 psi đã được yêu cầu để vận hành cột nhồi hạt nhỏ kích thước dưới 2 μm để có được vận tốc tuyến tính 6,4 mm/giây, trong khi áp suất 1.600 psi đã được yêu cầu để đạt được vận tốc tuyến tính 12 mm/giây với cột monolith. Kiểm tra bằng mô hình van Deemter cho thấy cột monolith hoạt động giống như một cột nhồi hạt nhỏ 3 μm.

3.1. Áp suất và Tốc độ Dòng trong Cột Monolith và Cột Nhồi Hạt Nhỏ

Cột nhồi hạt nhỏ kích thước dưới 2 μm đòi hỏi áp suất vận hành cao hơn đáng kể so với cột monolith để đạt được vận tốc tuyến tính tương đương. Điều này là do sự gia tăng đáng kể sức cản dòng chảy khi giảm kích thước hạt. Việc sử dụng cột nhồi hạt nhỏ có thể bị hạn chế bởi khả năng chịu áp suất của thiết bị HPLC. Cột monolith, với độ thấm cao, có thể hoạt động ở tốc độ dòng cao hơn mà không cần áp suất quá cao.

3.2. Đánh Giá theo Phương Trình Van Deemter

Mô hình van Deemter là một công cụ hữu ích để đánh giá hiệu năng của các cột sắc ký khác nhau. Phân tích van Deemter cho thấy cột monolith có hiệu năng tương đương với cột nhồi hạt nhỏ 3 μm. Tuy nhiên, cột nhồi hạt nhỏ kích thước dưới 2 μm cho thấy hiệu năng vượt trội, nhưng đòi hỏi áp suất vận hành cao hơn đáng kể.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Phân Tách Các Hợp Chất Cơ Bản

Nghiên cứu cũng xem xét một phương pháp mới để tổng hợp cột monolith cho LC mao quản và sắc ký điện mao quản (CEC). Một vật liệu monolith lai dựa trên silica đã được tổng hợp và đặc trưng. Vật liệu được chế tạo bên trong các cột mao quản bao gồm một monolith chức năng allyl, được điều chế trong một phản ứng một nồi. Vật liệu được đặc trưng bởi SEM, hấp thụ nitơ (phương pháp BET) và bằng sắc ký bằng CEC và CLC. Cột được kiểm tra bằng sắc ký với hiệu năng tốt nhất có diện tích bề mặt khoảng 100 m2/g với các lỗ thông 7 μm và các lỗ xốp meso 6 nm.

4.1. Đánh Giá Độ Ổn Định Kiềm của Cột Monolith

Độ ổn định kiềm của cột monolith là một yếu tố quan trọng cần xem xét, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến các hợp chất nhạy cảm với pH. Nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm độ ổn định kiềm và đánh giá độ phủ bề mặt của cột monolith. [Nội dung tiếp theo]

4.2. Ứng Dụng CEC và CLC So Sánh và Phân Tích

Sắc ký điện mao quản (CEC) và sắc ký lỏng mao quản (CLC) là các kỹ thuật phân tích mạnh mẽ có thể được sử dụng với cột monolith. Nghiên cứu đã đánh giá hiệu năng của cột monolith trong cả CEC và CLC, so sánh các ưu điểm và nhược điểm của từng kỹ thuật.