Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
27
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМ. В.Н. КАРАЗІНА
УДК 543.544+544.77
САМОХІНА ЛАРИСА В’ЯЧЕСЛАВІВНА
КІЛЬКІСНИЙ ОПИС ХІМІЧНОЇ МОДИФІКАЦІЇ
МІЦЕЛЯРНИХ РОЗЧИНІВ ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТУ НАТРІЮ
І МОДЕЛЬ УТРИМУВАННЯ В МІЦЕЛЯРНІЙ РІДИННІЙ ХРОМАТОГРАФІЇ
02.00.02 –аналітична хімія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата хімічних наук
Харків –4
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник:
доктор хімічних наук, доцент
ЛОГІНОВА ЛІДІЯ ПАВЛІВНА
Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків, завідувач кафедри хімічної метрології
Офіційні опоненти:
доктор хімічних наук, професор
БОЛОТОВ ВАЛЕРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ
Національний фармацевтичний університет Міністерства охорони здоров’я України, м.Харків,
завідувач кафедри аналітичної хімії
кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник
МІЛЮКІН МИХАЙЛО ВАСИЛЬОВИЧ
Інститут колоїдної хімії і хімії води ім. А.В. Думанського
НАН Украïни, м. Київ,
старший науковий співробітник
Провідна установа:
Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,
кафедра аналітичної хімії, м. Київ.
Захист відбудеться “12”березня 2004 р. о год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-80).
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4).
Автореферат розісланий “10”лютого 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Панченко В.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Раціональне застосування поверхнево-активних речовин (ПАР), зокрема, для створення організованих середовищ у хімічному аналізі, базується на інформації про їх міцелярні характеристики. Так, у міцелярній рідинній хроматографії (МРХ) найбільш зручними є аніонні ПАР з невисокими значеннями критичної концентрації міцелоутворення (cmc), температури Крафта та чисел агрегації: додецилсульфат натрію, тетрадецилсульфат натрію, додецилсульфонат натрію [Mukerjee P.-1971] та перфтороктилсульфонат літію [Bossev D.P.-1999]. Вибір ПАР з подібними міцелярними характеристиками спрямовано, насамперед, на створення не занадто “в'язкого”елюенту (розмір агрегатів не повинен перевищувати декількох нанометрів). Підвищена в'язкість рухомої фази може привести до небажано високого тиску в колонці, а при використанні спектроскопічних детекторів по світлопоглинанню [Khaledi M.G.-1997] - до помітного світлорозсіювання в робочому діапазоні УФ - видиме світло. Найбільшого поширення у МРХ (до 90% застосувань) набув додецилсульфат натрію (NaDS).
Аніонних ПАР з різними міцелярними характеристиками не так багато, і вони не завжди доступні. Тому становить інтерес на основі одного, найбільш поширеного у використанні ПАР, одержати реакційні середовища з різноманітними характеристиками шляхом додавання різних за типом модифікуючих реагентів.
Пошук шляхів керованої модифікації організованих розчинів пов’язаний з дослідженням міцелярних властивостей в залежності від складу розчину –концентрації ПАР, присутності модифікуючих реагентів, їх концентрації. В цьому напрямку досліджень створено методологію з застосуванням відомих методів хімічного аналізу; на якісному і частково на кількісному рівні охарактеризовано вплив окремих чинників.
З іншого боку, в МРХ накопичено значний експериментальний матеріал, що свідчить про необхідність введення в міцелярні елюенти органічних розчинників-модифікаторів, таких як аліфатичні спирти, тетрагідрофуран, ацетонітрил [Berthod A., Garcia-Alvarez-Coque C.-2000]. Однак придатний розчинник підбирають методом проб та помилок. Дотепер відсутні спроби зв'язати придатність того чи іншого розчинника-модифікатора з його впливом на міцелярні властивості ПАР. У відомих моделях хроматографічного утримування не враховуються міцелярні характеристики елюенту.
Актуальною задачею є поєднання результатів, одержаних у двох напрямках –дослідження характеристик міцелоутворення модифікованих розчинів ПАР і міцелярна хроматографія, що створює перспективи для розробки моделі хроматографічного утримування, придатної для оптимізації складу міцелярних елюентів. Розробка такої моделі потребує більш детального вивчення залежності міцелярних характеристик від додатків органічних та неорганічних речовин —як тих, що додаються як модифікатори елюенту, так і тих, що можуть міститися в аналізованих розчинах.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною планових досліджень кафедри хімічної метрології Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна в рамках держбюджетних НДР, що входили до міжвузівських наукових програм України: ДР № 0100U003273 “Кількісні характеристики процесів комплексоутворення у гетерогенних та мікрогетерогенних середовищах”; ДР № 0103U004212 “Керування хімічними рівновагами у гетерогенних та мікрогетерогенних середовищах, перспективних для тестових та гібридних методів аналізу”.
Мета дослідження - одержати кількісні характеристики міцелоутворення додецилсульфату натрію в присутності речовин-модифікаторів і на цій основі створити модель хроматографічного утримування в міцелярній рідинній хроматографії. Для досягнення мети необхідно було розв’язати наступні задачі:
Об’єкт дослідження –процес хроматографічного розділення в МРХ з хімічно модифікованими елюентами.
Предмет дослідження –кількісні характеристики міцелоутворення та рівняння, що описують вплив речовин-модифікаторів на властивості міцелярного елюенту.
Методи дослідження –потенціометрія (визначення cmc, ступеню зв’язування протиіонів та чисел агрегації), спектрофотометрія (визначення електростатичного потенціалу міцелярної поверхні, ступеню зв’язування протиіонів, коефіцієнтів селективності), візкозиметрія (визначення відношення довжини напівосей мікроагрегатів), кондуктометрія (визначення cmc).
Для математичної обробки експериментальних даних використовувались прикладні пакети “ORIGIN 7.0”, “Sigma Plot 8.0”, “CLINP”.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Одержали подальший розвиток теоретичні засади створення хімічно модифікованих мікрогетерогенних реакційних середовищ. Поширено уявлення про властивості організованих реакційних середовищ, створюваних на основі найбільш поширеної аніонної ПАР —додецилсульфату натрію.
2. Створено основи кількісного опису хімічної модифікації міцелярних розчинів додецилсульфату натрію: поповнено дані про характеристики міцелоутворення в модифікованих розчинах, одержано рівняння, що описують вплив речовин-модифікаторів на характеристики міцелоутворення.
. Виявлено нові ефекти хімічної модифікації міцелярних розчинів аніонної ПАР в присутності двозарядних протиіонів та їх комплексів з нейтральними лігандами.
. Вперше встановлено зв’язок між оптимальним складом міцелярного елюенту і закономірностями змінювання його міцелярних характеристик (критична концентрація міцелоутворення, ступень зв’язування протиіонів, коефіцієнт розподілу модифікатора між водним розчином та міцелярною псевдофазою) при змінюванні концентрації ПАР і модифікатора.
. Створено нову змістовну модель хроматографічного утримування в МРХ, яка враховує взаємовплив компонентів міцелярного елюенту (ПАР і модифікатора) і більш адекватно відтворює експериментальні дані, ніж відомі в МРХ моделі.
. Розроблено нову методику розділення п'яти цитостатичних антибіотиків ряду рубоміцина методом МРХ. Вперше для модифікації міцелярних елюентів на основі додецилсульфату натрію застосовано спирти-модифікатори – 2-бутанол, ізобутанол, третбутанол, ізопентанол; показано переваги застосування спиртів ряду бутанола та пентанола при створенні міцелярних елюентів для розділення гідрофобних речовин.
Практичне значення одержаних результатів.
Особистий внесок здобувача полягає в аналізі літературних даних за темою дисертації, виборі та реалізації аналітичних засобів рішення поставлених наукових задач, експериментальному дослідженні кількісних характеристик міцелоутворення додецилсульфату натрію в присутності модифікаторів різних типів методами потенціометрії, спектрофотометрії та візкозиметрії, математичній обробці отриманих результатів; в теоретичному та розрахунковому дослідженні нової моделі хроматографічного утримування в МРХ. Постановку задач дослідження, аналіз та узагальнення результатів, формулювання наукових положень і висновків проведено разом з науковим керівником д.х.н. Л.П. Логіновою. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача складає експериментальна перевірка методики потенціометричного визначення додецилсульфату за допомогою свинець-селективних електродів (співавтор Чернишова О.С.); спектрофотометричне дослідження кількісних характеристик міцелоутворення додецилсульфатів натрію та міді в присутності неорганічних солей та потенціометричне вивчення сольових ефектів в міцелярних розчинах додецилсульфату міді (співавтори Маслій О.Г., Чернишова О.С., Решетняк О.О.); постановка задачі та узагальнення результатів кондуктометричного дослідження систем NaDS + 1-бутанол (співавтор П.В. Єфімов); планування експерименту з вивчення впливу компонентів елюенту на коефіцієнти ємності, розробка окремих аспектів нової моделі, її теоретичне дослідження, математична обробка результатів експериментальної апробації моделі (співавтор Куліков А.Ю.).
Автор висловлює щиру подяку проф. Н.О. Мчедлову-Петросяну (ХНУ ім. В.Н. Каразіна) за надання індикаторів, що використовувались в спектрофотометричних дослідженнях, надання літератури та цінні консультації щодо методу рKа-проб; В.І. Алексеєвій і Л.П. Саввіній (“НИОПиК”, м. Москва) за надання препарату децилеозину; к.х.н. О.М. Глазковій (ХНУ ім. В.Н. Каразіна) за надання обладнання для візкозіметричних досліджень; к.х.н. А.Ю. Кулікову (Науково-експертний фармакопейний центр, м. Харків) за виконання хроматографічного експерименту; студенту ХНУ ім. В.Н. Каразіна Є.М. Маслову за допомогу в розрахунках lg Po/w за декількома програмами.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на Регіональній конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Дніпропетровськ, 1999); VII Всеросійській конференції “Органические реагенты в аналитической химии”(Саратов, 1999); I, II та IV Всеукраїнських конференціях студентів і аспірантів “Сучасні проблеми хімії”(Київ, 2000, 2001, 2003); Всеукраїнській конференції з аналітичної хімії, присвяченій 100-річчю з дня народження М.П. Комаря, KUAC 2000 (Харків, 2000); Сесії Наукової Ради з проблеми “Аналітична хімія”(Харків, 2002; Ужгород, 2003); Міжнародній конференції “Функціоналізовані матеріали: синтез, властивості та застосування” (Київ, 2002); Міжнародній конференції студентів та аспірантів “Хімія та сучасні технології”(Дніпропетровськ, 2003); IV Всеросійській конференції молодих вчених “Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии”(Саратов, 2003).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей у наукових фахових виданнях та 12 тез доповідей.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаної літератури із 250 джерел, списку авторських публікацій, 1 додатку. Загальний обсяг дисертації становить 228 сторінок; робота містить 43 таблиці та 58 рисунків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
В першому розділі наведено огляд літератури з модифікації міцелярних властивостей додецилсульфату натрію та застосування модифікованих розчинів ПАР як елюентів у міцелярній рідинній хроматографії. Проаналізовано переваги МРХ та труднощі створення оптимальних елюентів. Виявлено, що жодна з відомих моделей утримування в МРХ не враховує міцелярні характеристики гібридних елюентів та їх залежність від концентрації ПАР, наявності модифікаторів та зміні їх вмісту.
В другому розділі наведено відомості про реактиви, обладнання, методики дослідження і обробки результатів; обґрунтовано вибір методик та умов експерименту.
Третій розділ охоплює результати дослідження хімічної модифікації організованих розчинів додецилсульфату натрію додатками органічних та неорганічних речовин. Наведено кількісні характеристики міцелоутворення додецилсульфату натрію - критичні концентрації міцелоутворення, ступінь зв’язування протиіонів, електростатичний потенціал міцелярної поверхні та числа агрегації - в присутності речовин-модифікаторів (солей, краун-ефірів, аліфатичних спиртів, неіонної ПАР) та залежності характеристик від вмісту модифікаторів.
Четвертий розділ присвячено специфіці хімічної модифікації міцелярних розчинів додецилсульфатів солями двозарядних та комплексних протиіонів та функціям, що описують іонний обмін різнозарядних протиіонів на поверхні міцел M(DS).
В п’ятому розділі поєднано дані про хімічну модифікацію міцелярних розчинів NaDS і дані про склад оптимальних елюентів в МРХ та наведено рекомендації з попереднього вибору складу міцелярних елюентів на основі NaDS. Обґрунтовано умови застосування МРХ для аналізу цитостатичних антибіотиків ряду рубоміцину, сформульовано основні положення методики їх хроматографічного розділення з використанням модифікованих розчинів NaDS. Наведено результати експериментальної апробації методики.
Шостий розділ присвячено розробці та апробації нової змістовної моделі хроматографічного утримання в МРХ. Модель враховує взаємовплив компонентів модифікованого міцелярного елюенту на основі одержаного в роботі кількісного опису модифікації міцелярних розчинів NaDS.
КІЛЬКІСНИЙ ОПИС ХІМІЧНОЇ МОДИФІКАЦІЇ
МІЦЕЛЯРНИХ РОЗЧИНІВ ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТУ НАТРІЮ
Як способи регулювання міцелярних властивостей розчинів NaDS вивчено:
Усього вивчено більше 200 систем, що відрізняються типом і вмістом модифікатора.
В модифікованих системах визначено кількісні характеристики міцелярних розчинів додецилсульфату натрію: критична концентрація міцелоутворення (cmc), ступінь зв'язування протиіонів (β), електростатичний потенціал міцелярної поверхні (ψ), відношення довжин напівосей модифікованих міцел додецилсульфату магнію (Р); розраховані константи обміну протиіонів і числа агрегації модифікованих міцел з одно- та двозарядними протиіонами.
Вперше як рKа-проба при дослідженні міцел NaDS використовувався аніонний гідрофобний децилеозин (ДЕ). З ним, а також з катіонними рKа-пробами визначено ступінь зв'язування протиіонів та електростатичний потенціал міцелярній поверхні у відповідності з електростатичною моделлю:
, (1)
де - “внутрішнє”(“intrinsic”) значення константи іонізації індикатора, що є неелектростатичною складовою ; T, F і R мають своє звичайне значення.
Виявилося, що застосування аніонної рKа-проби при вивченні аніонних міцел дозволяє одержати більш об'єктивні оцінки міцелярних характеристик. Для міцел додецилсульфатів з двозарядними протиіонами одержано рівняння залежностей логарифму cmc та від логарифму рівноважної концентрації протиіонів, та показано, що ступінь зв'язування протиіонів практично не залежить від природи двозарядного протиіона.
Заміщення в міцелах додецилсульфату протиіонів натрію на двозарядні викликає перебудову сферичних міцел у циліндричні. Методом візкозиметрії встановлено, що міцели Mg(DS) істотно анізометричні; відношення довжин напівосей у розчинах 0.005 –.1 моль/л Mg(DS), що не містять сольових доданків, складає близько 8-15 одиниць і збільшується при додаванні солі MgSO. При дослідженні впливу доданків солей із двозарядним катіоном на поверхневий потенціал міцел Mg(DS) виявлено новий ефект - наявність ділянки насичення при високих концентраціях протиіонів (рис.1), що зафіксовано як з катіонними пробами –метиловим жовтим (МЖ) та гексаметоксі червоним (ГМЧ), так і з аніонним ДЕ.
Вперше досліджено вплив комплексних двозарядних протиіонів на міцелярні характеристики додецилсульфату. В дослідженнях попередників [Evans D.F.-1988] ліганди самі впроваджувалися в міцелу, а тоді важко розділити ефекти безпосереднього комплексоутворювання ліганду з протиіоном і пов'язані з упровадженням самого ліганду в міцелу. Вибрані нами о-фенантролін і 2,2’-діпіридил у відсутності М+ не впливають на характеристики
Таблиця 1
Вплив комплексних протиіонів на електростатичні властивості міцел M(DS)
|
Co(DS), [Co+] = 0.003 моль/л |
Ni(DS), [Ni+] = 0.003 моль/л |
|
протиіон MLn+ |
С(L), моль/л |
протиіон MLn+ |
С(L), моль/л |
||
|
- |
- |
.27 |
- |
- |
.30 |
|
Co(dip)+ |
0.003 |
.74 |
Ni(dip)+ |
0.003 |
.76 |
|
Co(dip)+ |
0.006 |
.31 |
Ni(dip)+ |
0.006 |
.32 |
|
Co(phen)+ |
0.003 |
.64 |
Ni(phen)+ |
0.003 |
.71 |
|
Co(phen)+ |
0.006 |
.04 |
Ni(phen)+ |
0.006 |
.18 |
міцелоутворення, а отже, введення саме цих лігандів супроводжується тільки модифікацією протиіону. Комплексоутворення двозарядних протиіонів з нейтральними лігандами зменшує cmc М(DS) і підсилює сольовий ефект: комплексні протиіони знижують електростатичний потенціал міцелярній поверхні значно більше, ніж незв'язані М+ при тій же концентрації. Про це свідчить суттєве зниження (ГМЧ) при додаванні вищезгаданих лігандів (табл. 1). Ефект, що спостерігається, залежить від гідрофобності ліганда, а не від природи комплексоутворювача.
Для адекватного опису обміну різнозарядних протиіонів на поверхні міцел додецилсульфату в роботі випробувано декілька моделей. Обмін різнозарядних протиіонів у шарі Штерна міцел М(DS)можна розглядати за схемою:
, (2)
де - ступінь зв’язування протиіону, а m відноситься до міцелярної псевдофази. Константа, що характеризує процес (2), має зміст параметра селективності, S /, і оцінювали як на підставі потенціометричних даних логарифмічних залежностей cmc від , так і за даними міцелярно зв'язаного індикатора відповідно до моделі Габоріо [Gaboriaud R.-1984].
Для опису експериментальних даних застосовували наступні модифікації рівняння Габоріо (3) і (5) та аналог рівняння Нікольського (4) і (6): при виборі двозарядного М+ як первинного протиіона рівняння мають вигляд
= - , (3)
= - ; (4)
якщо первинним є іон Na+, тоді
= - , (5)
= - . (6)
Значення constNa і constМ відповідають значенням вільних членів залежностей, що описують сольові ефекти у міцелярному середовищі додецилсульфатів з одним сортом протиіонів Na+ чи М+. Значення параметрів селективності з рівнянь (3)-(6) знаходили методом регресії. Виявилось, що адекватний опис експериментальних даних забезпечують тільки моделі, де первинним іоном є однозарядний (рівняння (5) і (6)). Дещо кращий опис даних забезпечує рівняння (6), що є аналогом рівняння Нікольського.
Додавання в міцелярне середовище NaDS краун-ефірів –-краун-6 (18С6), діциклогексил-18-краун-6 (ДЦГ18С6), дібензо-18-краун-6 (ДБ18С6) суттєво зменшує електростатичний потенціал міцелярної поверхні. Показано, чим більша гідрофобність ліганду, тим менша його кількість потрібна для досягнення однакової модифікуючої дії.
В змішаних міцелах NaDS+Твін 80 зі зростанням частки неіонної компоненти електростатичний потенціал міцелярної поверхні знижується, що встановлено як з катіонною (МЖ), так і з аніонною (ДЕ) рKа-пробами, але з катіонним індикатором спостерігається більш різкий характер залежності.
Найбільш докладно в роботі вивчено властивості “гібридних”міцелярних середовищ NaDS зі спиртами-модифікаторами (1-бутанол, 1-пентанол), оскільки саме такі середовища набули широкого застосування як елюенти в міцелярній рідинній хроматографії. Методами потенціометрії, спектрофотометрії та кондуктометрії визначено значення критичної концентрації міцелоутворення, ступеня зв'язування протиіонів (табл.2), електростатичного потенціалу міцелярній поверхні, чисел агрегації.
Міцелярні характеристики NaDS в присутності спиртів-модифікаторів описано рівняннями регресії:
в присутності ізопентанолу в діапазоні φ від 0.5 до 2.0%
β = (2.9 ± 0.3) + (0.88 ± 0.10) lg cmc (r = 0.993); (7)
в присутності 1-пентанолу в діапазоні φ від 0.5 до 1.5%
β = (2.56 ± 0.12) + (0.74 ± 0.04) lg cmc (r = 0.998). (8)
Таблиця 2
Основні кількісні характеристики міцелоутворення NaDS в присутності 1-пентанолу або ізопентанолу.
|
Об’ємна частка модифікатора, φ % |
ізопентанол |
1-пентанол |
||
|
cmc, ммоль/л |
β |
cmc, ммоль/л |
β |
|
|
0.0 |
6.68 ± 0.06 |
0.74 ± 0.03 |
6.68 ± 0.06 |
0.74 ± 0.03 |
|
0.5 |
.02 |
.68 ± 0.04 |
.21 |
.60 ± 0.05 |
|
1.0 |
.07 |
.56 ± 0.06 |
.92 |
.33 ± 0.02 |
|
1.5 |
.94 |
.51* |
0.83 |
.28* |
|
2.0 |
.54 |
.42 ± 0.05 |
.82 |
.27 ± 0.01 |
|
2.5 |
.46 |
.40* |
0.80 |
.27* |
|
3.0 |
.42 |
.39* |
- |
- |
*- знайдено за рівняннями (7) і (8).
Вперше показано, що в присутності 1-пентанолу змінюється характер концентраційної залежності електростатичного потенціалу міцелярної поверхні порівняно з немодифікованими розчинами NaDS (рис. 2). На залежності електростатичного потенціалу від концентрації 1-пентанолу виявлено мінімум при співвідношенні концентрацій NaDS-пентанол 1:5 (рис.3). Відзначимо, що таке співвідношення відповідає оптимальному складу елюенту, емпірично знайденому при хроматографуванні барбітуратів [Рухадзе М.Д.-1998], вітамінів групи В [Monferrer-Pons L.-2003], антигістамінних препаратів [Gil-Agustí M.-2000, 2001].
ХАРАКТЕРИСТИКИ МІЦЕЛОУТВОРЕННЯ ЯК ПАРАМЕТРИ МОДЕЛІ
УТРИМАННЯ В МІЦЕЛЯРНІЙ РІДИННІЙ ХРОМАТОГРАФІЇ
Модифіковані міцелярні розчини додецилсульфату натрію використано при розробці методики розділення п'яти цитостатичних антибіотиків ряду рубоміцина методом міцелярної рідинної хроматографії. Рухомі фази створювали на основі NaDS з концентраціями, що перевищували cmc, а в ролі модифікатора досліджено різні спирти (метанол, етанол, пропанол, ізопропанол, 1-бутанол, 2-бутанол, трет-бутанол, 1-пентанол, ізопентанол і 1-гексанол). Розділення антибіотиків спостерігалося в присутності пропанолів, бутанолів і пентанолів (рис. 4). Однак приблизно однакових результатів досягаємо при різній кількості модифікаторів - тим більшій, чим менше вуглецевих атомів містить молекула спирту. Оптимальним визнано наступні склади рухомої фази: 0.05 М NaDS, модифікатор - 1-пентанол з об'ємною часткою 1%, чи модифікатор - 1-бутанол з об'ємною часткою 6%.
Визначення похідних рубоміцину за методикою МРХ відрізняється від методики, що запропонована Європейською фармакопеєю, меншою токсичністю та меншими витратами реагентів й меншою їх займистістю (1% 1-пентанолу замість 50% метанолу чи ацетонітрилу).
З використанням рівнянь класичної елюаційної моделі (рівняння 9, 10) визначена чутливість сили елюенту до зміни концентрації ПАР або модифікатора на ділянках, де залежність lg k від концентрації близька до лінійної (k - коефіцієнт ємності). При постійній концентрації NaDS (0.05 моль/л) приблизно однаковий вплив на силу елюенту мають 1-PtOH у діапазоні об'ємних часток 1-2% та isoPtOH у діапазоні об'ємних часток 1.5-3%. Трохи менший рівень впливу модифікатора спостерігається в діапазоні об'ємних часток 1-PtOH 2-2.5% або 1-BuOH 2-8% або isoBuOH 2-10%.
Задача оптимізації складу міцелярного елюенту в МРХ ускладнюється тим, що, потрібна одночасна оптимізацію сили розчинника і селективності розділення на основі як вибору ПАР і модифікатора, так і змінювання їх концентрацій. Для оптимізації використовують такі моделі хроматографічного утримування:
lg k = k - S φ (при [M] = const); (9)
lg k = k / - S/ [M] (при φ = const); (10)
де - об’ємна частка модифікатора, [M] –рівноважна концентрація міцел, S і S/ –коефіцієнти, що характеризують чутливість елююючої сили до змінювання концентрації модифікатора або ПАР відповідно;
(11)
1/k = с + с [M] + с φ + с [M] φ (12)
/k = c/ + c/ [M] (при φ = const) (13)
/k = c/ + c/ φ (при [M] = const) (14)
, (15)
де ; ; .
Константи KAS і KAМ характеризують процес асоціації аналіту зі стаціонарною фазою і міцелами відповідно; коефіцієнти пропорційності KAD, KMD і KSD є формальними і характеризують відносне змінювання концентрації аналіта в водній фазі, міцелярній псевдофазі і на стаціонарній фазі відповідно.
Досвід, накопичений в МРХ, свідчить про те, що лінійні залежності (9) і (10) спостерігаються лише в вузьких діапазонах концентрацій, особливо це стосується залежності (10). Рівняння (11)-(14) є суто емпіричними, де коефіціентам не надається певного фізичного змісту. Застосування моделі (15) та аналогічних їй потребує великого обсягу експерименту для обчислення 4-8 констант та коефіцієнтів пропорційності.
В жодній з моделей не враховуються міцелярні характеристики самого елюенту та їх змінювання при зміні складу елюенту.
Оскільки саме з міцелами пов’язана специфіка МРХ, становлять інтерес такі фізико-хімічні моделі утримування, параметрами яких безпосередньо є характеристики міцелоутворення. Нами створено таку модель на основі одержаної в роботі кількісної характеристики модифікованих міцелярних розчинів NaDS, що застосовуються як елюенти. Модель базується на уявленні про зміну мікрооточення аналіту при переході з міцелярної рухомої на модифіковану стаціонарну фазу. Відомо, що поверхня октадецилсилікагельної стаціонарної фази контактує з міцелярним елюентом і являє собою шар адсорбованих ПАР і спирту-мофікатора. Локалізуючись в міцелах рухомої фази чи на поверхні стаціонарної фази, аналіт потрапляє в оточення агрегованих мономерів ПАР і спирту.
Схематично процес розподілу аналіту між рухомою й стаціонарною фазою можна представити рівнянням:
{A Rl Sn }m ↔ {A Rp Sq }s + x R + y S, (16)
де А –аналіт, R –молекула спирту, S –мономер ПАР; індекси m і s відносяться до рухомої і стаціонарної фаз відповідно, різниці x = l - p, і y = n –q є підгінними параметрами моделі. Згідно розподілу аналіту за схемою (16) одержана загальна залежність коефіцієнта утримання від вмісту ПАР і спирту:
lg k = const - x lg CR + y β lg Cs + x lg + y β lg (1 - β), (17)
де cmc - критична концентрація міцелоутворення, β - ступінь зв'язування протиіонів, Рm/w - константа зв'язування спирту міцелами; Сs, υs –загальна концентрація та мольний об’єм NaDS відповідно, CR –загальна концентрація спирту. Окремі випадки залежності відповідають фіксованій концентрації одного з компонентів (при фіксованій концентрації спирту - рівняння (18), при фіксованій концентрації ПАР –рівняння (19)):
lg k = const + y β lg Cs + x lg , (18)
lg k = const - x lg CR + y β lg {Cs (1 - β)}. (19)
Отже, вплив концентрації кожного з компонентів елюенту на характеристики утримування не можна розглядати ізольовано. Має місце взаємовплив цих чинників: змінювання концентрації модифікатора супроводжується змінюванням ступеня зв’язування протиіонів міцелами ПАР, а змінювання концентрації ПАР супроводжується зсувом рівноваги розподілу модифікатора між водною фазою і міцелярною псевдофазою. Запропоновану модель використано для опису експериментальних даних із розділення 5 антибіотиків ряду рубоміцина та 4 ефірів п-гідроксибензойної кислоти із міцелярними рухомими фазами на основі додецилсульфату натрію, модифікатори - 1-пентанол та ізопентанол.
Аналіз відхилень розрахункових та експериментальних характеристик утримування (рис. 5-6) показав, що при наявності всього двох підгінних параметрів (замість 4-8 в інших моделях) запропонована нами модель забезпечує значно кращий опис експериментальних даних, ніж відомі напівемпіричні моделі. Із застосуванням розробленої моделі встановлено, що на міцелоподібній поверхні стаціонарної фази співвідношення спирт : ПАР менше, ніж в міцелах рухомої фази.
Нова модель придатна для прогнозування можливого впливу на характеристики хроматографічного розділення супутніх компонентів проби: її параметрами є такі характеристики міцелоутворення, як критична концентрація міцелоутворення та ступень зв’язування протиіонів, а в першій частині роботи виявлено характер змінювання цих характеристик в присутності різних речовин-модифікаторів.
ВИСНОВКИ
На основі кількісного опису міцелоутворення додецилсульфату натрію в умовах хімічної модифікації створено нову модель хроматографічного утримування в міцелярній рідинній хроматографії, яка враховує міцелярні властивості елюенту і взаємовплив його компонентів (поверхнево-активної речовини та модифікатора) на коефіцієнти ємності.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ:
Самохіна Л.В. Кількісний опис хімічної модифікації міцелярних розчинів додецилсульфату натрію і модель утримування в міцелярній рідинній хроматографії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.02 –аналітична хімія. –Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2003.
Роботу присвячено кількісному вивченню процесів міцелоутворення додецилсульфату натрію в умовах хімічної модифікації, а також створенню нової моделї хроматографічного утримування в міцелярній рідинній хроматографії, яка враховує міцелярні властивості елюенту і взаємовплив його компонентів (поверхнево-активної речовини та модифікатора). Як засоби регулювання міцелярних властивостей вивчено: обмін протиіонів Na+ на двозарядні М+ та однозарядні органічні (катіони тетраалкіламонію), змінювання концентрації протиіонів (сольові ефекти й іонний обмін на поверхні міцел); комплексоутворення протиіонів з нейтральними лігандами (краун-ефіри, о-фенантролін, 2,2'-діпіридил); введення Твін 80 або аліфатичних спиртів; вплив суміші спиртів і неорганічної солі. Розроблено методику розділення п'яти цитостатичних антибіотиків ряду рубоміцина методом МРХ; показано її переваги над методикою, рекомендованою Європейською фармакопеєю. Створено та апробовано нову змістовну модель утримання в МРХ, що базується на розгляді зміни мікрооточення аналіту в процесі його переходу з міцелярної рухомої фази на модифіковану стаціонарну фазу. Одержано залежність коефіцієнтів ємності від кількісних характеристик елюенту - критичної концентрації міцелоутворення, ступеню зв’язування протиіонів, коефіцієнту розподілу модифікатора між водним розчином та міцелярною псевдофазою. Із застосуванням нової моделі встановлено, що на міцелоподібній поверхні стаціонарної фази співвідношення спирт : ПАР менше, ніж в міцелах рухомої фази.
Ключові слова: міцелярні розчини додецилсульфату натрію, хімічна модифікація, характеристики міцелоутворення, міцелярна рідинна хроматографія, модель хроматографічного утримування.
Самохина Л.В. Количественное описание химической модификации мицеллярных растворов додецилсульфата натрия и модель удерживания в мицеллярной жидкостной хроматографии - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.02 –аналитическая химия. –Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2003.
Работа посвящена количественному изучению процессов мицеллообразования додецилсульфата натрия в условиях химической модификации, а также созданию новой модели хроматографического удерживания в мицеллярной жидкостной хроматографии, которая учитывает мицеллярные свойства элюента и взаимное влияние его компонентов (поверхностно-активного вещества и модификатора). В качестве способов регулирования мицеллярных свойств изучено: обмен противоионов Na+ на двухзарядные М+ и однозарядные органические (катионы тетраалкиламмония), изменение концентрации противоионов (солевые эффекты и ионный обмен на поверхности мицелл); комплексообразование противоионов с нейтральными лигандами (краун-эфиры, о-фенантролин, 2,2'-дипиридил); введения Твин 80 или алифатических спиртов; влияние смеси спиртов и неорганической соли. Разработана методика разделения пяти цитостатических антибиотиков ряда рубомицина методом МЖХ; показаны ее преимущества перед методикой, рекомендованной Европейской фармакопеей. Создана и апробирована новая содержательная модель удерживания в МЖХ, которая базируется на рассмотрении изменения микроокружения аналита в процессе его перехода с мицеллярной подвижной фазы на модифицированную стационарную фазу. Получена зависимость коэффициентов емкости от количественных характеристик элюента –критической концентрации мицеллообразования, степени связывания противоионов, коэффициента распределения модификатора между водным раствором и мицеллярной псевдофазой. С использованием новой модели установлено, что на мицеллоподобной поверхности стационарной фазы соотношение спирт : ПАВ меньше, чем в мицеллах подвижной фазы.
Ключевые слова: мицеллярные растворы додецилсульфата натрия, химическая модификация, характеристики мицеллообразования, мицеллярная жидкостная хроматография, модель хроматографического удерживания.
Samokhina L.V. The quantitative characterization of chemical modification of sodium dodesyl sulfate micellar solutions and retention model in micellar liquid chromatography - Manuscript.
The dissertation for a candidate of science in chemistry by speciality 02.00.02 –analytical chemistry. –V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2003.
The dissertation is devoted to the quantitative characterization of the micelleformation processes for sodium dodesyl sulfate under the chemical modification, and the development of new chromatographic retention model in micellar liquid chromatography, which takes into account the micelle properties of eluent and interference of its components (surfactant and modifier). The follow methods of regulation of the the micelle properties were studied: an exchange of Na+ counter-ions on М+ (Mg+, Ni+, Co+, Cu+) and singly organic (ammonium tetraethyl and tetrabutyl cations), variation of the counter-ion concentration (salt effects and ion exchange on the micelle surface); the complexformation of the counter-ions with neutral ligands (crown ethers on the base of 18-crown-6, о-phenanthroline, 2,2'-bipyridine); adding the nonionic surfactant - Tween 80 or aliphatic alcohols; the influence of the mixture of alcohols and inorganic salts. In the such solutions the critical micelle concentrations, the degrees of counter-ion binding, the surface electrostatic potential, aggregation numbers, the ratio of semi-axes lengths for microaggregates and exchange coefficients for different charge counter-ions on the dodecyl sulfate micelle surface were estimated. It was established, that the use of anionic рKа-probe for investigations of anionic micelle study made possible to obtain more objective estimations of micelle characteristics, in particular, of the degree of counter-ion binding and electrostatic potential of micelle surface, because of deficiency of errors due to the formation of ionic associates of indicator cation with surfactant monomer. The modified Gaboriaud and Nikolsky models have been developed to quantitatively characterize an exchange of different charge counter-ions on the dodecyl sulfate surface. The adequate characterization by these models was demonstrated to observe when the fist counter-ion was picked out the singly one. In the presence of 1-pentanol the character of the concentration dependence of electrostatic potential for NaDS micelles is changed: instead of |ψ| monotonic decrease we observed the dependence with a maximum. The minimum values of electrostatic potential of a surface for NaDS micelles modified by 1-pentanol are corresponded to the concentration ratio of NaDS-1-pentanol to be in 1:5. For the first time it was demonstrated that the ratio is in agreement with optimal composition of eluent, which was found by chromatographic experiments on the separation of barbiturates, B vitamins and antihistamines. The new technique on chromatographic separation of rubomicin derivatives by MLC method was developed using micelle solutions of sodium dodecyl sulfate modified by different alcohols; Optimal compositions of the mobile phase are as follows: 0.05 mol/l NaDS with 1% (v/v) 1-pentanol or 6% (v/v) 1-butanol as the modifier. Our chromatographic separation of rubomicin derivatives by MLC method profitably differs from another separation technique proposed by European Pharmacopoeia, due to less toxicity, less flammability, environmental contamination and reagent cost (1% (v/v) 1-pentanol instead of 50% (v/v) methanol or acetonitrile). The new physico-chemical meaning model has been developed which is based on the concept about changing microenvironmental of an analyte when it goes from the micellar mobile phase to the modified stationary phase. The dependence of retention factors on eluent quantitative characteristics was demonstrated –on the critical micelle concentration, the degree of counter-ion binding, the distribution constant of the alcohol between micelles and bulk water. The new regularities and mechanism of the surfactant and modifier concentration influence on the retention factors of analytes were established in MLC. The surfactant and the modifier interinfluence, which must be taken account to create the optimum composition of the micellar eluent, resides in the fact that increasing the alcohol concentration results in decreasing the degree of counter-ion binding by surfactant micelles, and the NaDS concentration variation results in an equilibrium shift of the alcohol distribution between micelles and bulk water. The new model was tested by experimental data on chromatographic separation of two types of compounds (cytostatic antibiotics of rubomicin derivatives and parahydroxybenzoic acid esters). The checking was indicated that the new model provides better fitting of experimental data than known semi-empirical models in MLC. Using the new model it was established that in the “semi-micelles” of the stationary phase the alcohol: surfactant ratio is less than one in the micelles of mobile phase.
Keywords: micellar solutions of sodium dodesyl sulfate, chemical modification, characteristics of micelleformation, micellar liquid chromatography, chromatographic retention model.