Міцелярна рідинна хроматографія: особливості модифікованих фаз та застосування для розділення консервантів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ В.Н. КАРАЗІНА

КУПЧИК ОЛЕНА ЮРІЇВНА

УДК 543.54:543.395:547

МІЦЕЛЯРНА РІДИННА ХРОМАТОГРАФІЯ: ОСОБЛИВОСТІ МОДИФІКОВАНИХ ФАЗ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ДЛЯ РОЗДІЛЕННЯ КОНСЕРВАНТІВ

02.00.02 - Аналітична хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Харків - 2009

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор хімічних наук, професор

ЛОГІНОВА ЛІДІЯ ПАВЛІВНА

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, завідувач кафедри хімічної метрології

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

ВАСЮКОВ ОЛЕКСАНДР ЄВГЕНОВИЧ

Харківський національний аграрний університет імені В.В. Докучаєва Міністерства аграрної політики України, м. Харків, професор кафедри загальної хімії

кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник,

МІЛЮКІН МИХАЙЛО ВАСИЛЬОВИЧ

Інститут колоїдної хімії і хімії води ім. О.В. Думанського НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник відділу аналітичної хімії

Захист відбудеться «10» квітня 2009 р. о 14⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-80).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4).

Автореферат розісланий «5» березня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат хімічних наук В.Г. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

В міцелярній рідинній хроматографії (МРХ) застосовують ті ж стаціонарні фази, що і в обернено-фазовій високоефективній рідинній хроматографії (ОФ ВЕРХ) -- алкілприщеплені силікагелі, а елюентами є міцелярні розчини поверхнево-активних речовин (ПАР), найчастіше додецилсульфату натрію (ДСН), які містять невеликі модифікуючі добавки, як правило, аліфатичних спиртів.

Різноманітність можливих взаємодій між сорбатами, міцелами та сорбентом зумовлює велике та різнобічне застосування МРХ при аналізі біологічних матеріалів, ліків, продуктів харчування, фізико-хімічних дослідженнях, моделюванні біологічних процесів. Інтерес до МРХ викликано її специфікою порівняно з традиційною ОФ ВЕРХ: це нові можливості керувати селективністю розділення, скорочувати пробопідготовку, а також екологічна безпечність міцелярних елюентів порівняно з органічними розчинниками, які застосовуються в ОФ ВЕРХ. Рідинна хроматографія належить до найбільш розповсюджених методів сучасного хімічного аналізу, і перехід до МРХ сприяв би помітному скороченню загального витрачання органічних розчинників у хіміко-аналітичних цілях у відповідності з принципами Green Chemistry.

Актуальними задачами розвитку і застосування МРХ є вдосконалення теорії методу та розробка конкретних методик для аналізу практично важливих об'єктів. До речовин, які часто доводиться визначати при аналітичному контролі якості продуктів споживання, відносяться консерванти. Можливості застосування МРХ для їх визначення досі мало вивчені.

Найскладнішим питанням теорії хроматографічного розділення в МРХ є питання про стан поверхні стаціонарної фази, який суттєво змінюється при контакті з міцелярним елюентом внаслідок динамічного модифікування. Відкритим залишається головне питання: якою стає поверхня алкілприщепленого силікагелю, модифікована компонентами міцелярного елюенту, перш за все ПАР. Відсутність даних про властивості поверхневого шару стаціонарної фази як реакційного середовища стримує розвиток теорії та моделювання в МРХ.

Для спрямованого пошуку нових складів рухомої фази актуальним є розширення асортименту добавок, що модифікують міцелярні властивості ДСН, і вивчення впливу різних речовин, зокрема, рН - підтримуючих реагентів на міцелярні характеристики ДСН.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота є частиною планових досліджень кафедри хімічної метрології Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна у межах держбюджетних НДР, які входили до міжвузівських наукових програм України: «Визначення, теоретичні оцінки та застосування в хімічному аналізі характеристик гідрофобності органічних сполук» номер ДР 0104U000662; «Управління процесами на міжфазних границях і оптимізація умов у гібридних методах аналізу» номер ДР 0106U003109.

Мета і завдання дослідження

Мета: охарактеризувати стан поверхні стаціонарної фази октадецилсилікагелю, модифікованої компонентами міцелярного елюенту, уточнити уявлення про механізм розділення в МРХ, встановити можливості застосування МРХ для розділення речовин-консервантів і їх визначення в продуктах харчування.

Завдання:

1) обрати методи та умови дослідження поверхні октадецилсилікагелю, модифікованої міцелярними розчинами додецилсульфату натрію;

2) охарактеризувати відмінності у властивостях поверхні октадецилсилікагелю С18, модифікованої міцелярними розчинами додецилсульфату натрію, при температурі вище та нижче точки фазового переходу прищепленого шару;

3) за допомогою індикаторів-зондів оцінити полярність мікрооточення на поверхні міцел ДСН та на поверхні частинок октадецилсилікагелю С18, модифікованій міцелярними розчинами;

4) охарактеризувати роль добавок спирту (1-пентанолу) в модифікації поверхні октадецилсилікагелю С18 міцелярними розчинами ДСН;

5) уточнити значення критичної концентрації міцелоутворення (ККМ) ДСН та ступеню зв'язування протиіонів (в) у присутності 1-пенанолу;

6) дослідити вплив на міцелярні властивості ДСН моно-, ди- та трихлороцтової кислот, які використовують у ВЕРХ як регулятори кислотності середовища;

7) підібрати та оптимізувати склад гібридного міцелярного елюенту для розділення речовин-консервантів методом МРХ; розробити методику хроматографічного розділення та визначення консервантів методом МРХ;

8) апробувати методику на реальних об'єктах: продуктах харчування, які вироблено із журавлини, що містить консерванти природного походження.

Об'єкт дослідження: стаціонарна та рухома фази в МРХ, міцелярно- хроматографічне розділення речовин-консервантів.

Предмет дослідження: модифікація поверхні октадецилсилікагелю компонентами міцелярного елюенту; вплив модифікаторів міцелярного елюенту на характеристики міцелоутворення ДСН; можливості застосування МРХ для розділення та визначення консервантів.

Методи дослідження: : електронна скануюча мікроскопія (дослідження стану модифікованої поверхні частинок сорбенту С18), спектрофотометрія та спектроскопія дифузного відбиття (дослідження з індикаторами-зондами у суспензіях С18 та розчинах ДСН), потенціометрія (визначення ККМ ДСН та ступеня зв'язування протиіонів), міцелярна рідинна хроматографія (дослідження характеристик утримування в залежності від складу елюенту, розробка та апробація методики визначення консервантів).

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уявлення про фазовий перехід прищепленого шару алкілсилікагелю вперше застосовано для розгляду механізму розподілу в МРХ та особливостей модифікації стаціонарної фази компонентами міцелярного елюенту.

2. Уперше виявлено відмінності в модифікуючій дії міцелярних розчинів додецилсульфату натрію на поверхню октадецилсилікагелю С18 при температурах вище та нижче точки фазового переходу прищепленого шару. При 25 ^оС сорбція ДСН призводить до формування поверхневих агрегатів ДСН з більш низькими значеннями ККМ, ніж для міцел у розчині. При температурі вище точки фазового переходу октадецилсилікагелю (40 ⁰С) ДСН сорбується менше, і модифікація поверхні полягає в розчиненні радикалів ДСН у «розтопленому» шарі прищеплених радикалів С18.

3. За даними електронної скануючої мікроскопії вперше доведено, що сорбція ДСН на частинках сорбенту С18 при 25 ^оС сприяє їх атракції, що погіршує масопереніс при хроматографічному розділенні. Цей ефект усувається при введенні 1-пентанолу в розчин ДСН та при підвищенні температури до 40 ⁰С.

4. Уперше одержано уточнені дані про ККМ та ступінь зв'язування протиіонів міцелами ДСН у присутності 1-пентанолу, використання яких в моделі утримування, що базується на квазіхімічній концепції міцелоутворення, забезпечило адекватність моделювання утримування в МРХ.

5. Уперше показано, що моно-, ди- та трихлороцтові кислоти більш ефективно впливають на міцелярні властивості ДСН (ККМ та ступінь зв'язування протиіонів), ніж аліфатичні спирти чи карбонові кислоти з кількістю атомів Карбону 4-5. Ефекти впливу хлороцтових кислот перевищують ті, яких можна було б очікувати, виходячи з порівняння характеристик гідрофобності хлороцтових кислот та традиційних модифікаторів міцелярних розчинів ДСН.

6. Нова методика розділення консервантів методом МРХ дає можливість розділити 14 речовин в ізократичному режимі.

Практичне значення одержаних результатів.

Одержані дані про стан поверхневого шару стаціонарної фази в умовах МРХ сприяють кращому розумінню сутності хроматографічного процесу, моделюванню та прогнозуванню хроматографічних розділень з застосуванням міцелярних елюентів. Дані про вплив моно-, ди- та трихлороцтової кислот на міцелярні властивості ДСН створюють підґрунтя для використання цих кислот як компонентів міцелярних елюентів з подвійною функцією: модифікатора міцелярних властивостей і рН-регулятора. Нова методика розділення та визначення консервантів методом МРХ становить практичний інтерес для контролю вмісту консервантів у продуктах харчування. Вона дозволяє контролювати більший перелік консервантів, ніж відомі методики МРХ, дозволяє скоротити та спростити пробопідготовку, зменшити витрачання реагентів для приготування рухомих фаз порівняно з обернено-фазовою ВЕРХ і забезпечує правильне визначення мікрокількостей 14 консервантів та споріднених речовин.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі літературних даних з теми дисертації, виконанні експериментальних досліджень та обробці результатів, участі в написанні наукових статей. Постановка завдань, аналіз та узагальнення результатів, формулювання наукових положень та висновків проводено спільно з науковим керівником, д.х.н., проф. Л.П. Логіновою. У публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача складає: виконання основної частини експерименту потенціометричного дослідження кількісних характеристик міцелоутворення додецилсульфату натрію в присутності 1-пентанолу та хлороцтових кислот (співавтори Галат М.М., Бойченко А.П.), виконання експериментальної частини щодо вибору якісного складу елюенту і його оптимізації; апробація методики розділення та визначення консервантів у продуктах харчування (співавтори Куликов А.Ю., Бойченко А.П.).

Автор висловлює вдячність проф. Зайцеву В.М. (КНУ імені Тараса Шевченка) за надання препарату С18; проф. Дяченку В.Д. (ЛНПУ імені Тараса Шевченка) за синтез ефірів бензойної кислоти; к.х.н. Кулікову А.Ю. (ДП «Науково-експертний фармакопейний центр», м. Харків) за консультативну та практичну допомогу щодо проведення хроматографічного експерименту, а також співробітникам ХНУ імені В.Н. Каразіна: проф. Мчедлову-Петросяну М.О. (кафедра фізичної хімії) за надання бетаїнових індикаторів; ст.н.с. Кришталю А.П. (кафедра фізичних технологій) за вимірювання на електронному скануючому мікроскопі; Бойченку А.П. (кафедра хімічної метрології) за консультування та допомогу при обробці даних, перекладі статей; студ. Бичковій В.В. за допомогу в проведенні експерименту.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертаційної роботи були оприлюднені на Міжнародних конференціях «International Congress on Analytical Sciences, ICAS - 2006» (Москва, 2006); «Modern Physical Chemistry for Advanced Materials, MPC'07» (Харків, 2007); «4^th Black Sea Basin Conference on Analytical Chemistry, 4^th BBCAC» (Болгарія, 2007); «ІІІ Международная конференция по коллоидной химии и физико-химической механике» (Москва, 2008) та на сесії Наукової Ради НАН України з проблеми «Аналітична хімія» (Харків, 2007).

Публікації За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 робіт, з них 2 статті в українських та 2 в міжнародних фахових журналах та 7 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації: дисертація складається зі вступу, п'яти розділів та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 151 сторінок. Дисертація містить 33 рисунка, 16 таблиць та список цитованої літератури з 152 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання роботи, зазначено наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі наведено огляд літератури, в якому проаналізовано дані з дослідження стану поверхневого шару стаціонарної фази октадецилсилікагелю в умовах ОФ ВЕРХ та при контакті з міцелярними розчинами ПАР; дані про вплив спиртів-модифікаторів на характеристики міцелоутворення ДСН. Приведено огляд відомих моделей утримування в МРХ, та показано, що для розвитку змістовних моделей необхідні дані про стан поверхневого шару алкілсилікагельних стаціонарних фаз та особливості поверхневих мікроагрегатів ПАР. З аналізу відомих методик хроматографічного розділення та визначення консервантів зроблено висновок про перспективність застосування МРХ для контролю вмісту консервантів в об'єктах зі складною матрицею.

У другому розділі наведено обладнання, реактиви, особливості приготування деяких реагентів, умови потенціометричних та спектрофотометричних досліджень, хроматографічних розділень. Обґрунтовано вибір методів досліджень стану поверхні октадецилсилікагелю (Silasorb SPH С18 (LC)).

У третьому розділі викладено результати дослідження стану поверхневого шару стаціонарної фази С18, модифікованої компонентами міцелярних елюентів, що містять ДСН.

Сукупністю методів твердофазної спектрофотометрії (ТФС), іонометрії, електронної скануючої мікроскопії досліджено суспензії сорбенту С18 у міцелярних розчинах ДСН при температурах вище та нижче точки фазового переходу прищепленого шару октадецилсилікагелю -- при 25 ^оС та 40 ^оС. У дослідженнях суспензії використано зонди поверхні -- індикатор гексаметокси червоний (ГМЧ) та сольватохромні бетаїнові індикатори Райхардта. Методом ТФС при 25 ^оС досліджено іонізацію індикатору ГМЧ, локалізованого на частинках С18, модифікованих ДСН. Значення показника удаваної константи іонізації ГМЧ рК_а^а=5.74 перевищує значення рК_а^а=5.24 в міцелярному розчині ДСН; отже, на модифікованій поверхні частинок С18 мікрооточення індикатору є менш полярним, ніж мікрооточення ГМЧ на поверхні міцел ДСН у розчині.

З трьох індикаторів Райхардта найбільш придатним для зондування модифікованої поверхні С18 виявився стандартний бетаїновий індикатор 2,6-дифеніл-4-(2,4,6- трифенілпіридиній-1-іл)фенолят; його локалізація на частинках суспензії спостерігалась візуально. Методом ТФС при 25 ^оС зареєстровано спектри поглинання індикатору в суспензіях С18 в міцелярних розчинах та обчислено значення нормалізованого показника полярності в мікрооточенні індикатору (табл. 1). За цими даними, поверхня С18, модифікована міцелярним розчином ДСН, є менш полярним середовищем, ніж поверхня міцел ДСН у водному розчині, і має полярність, близьку до полярності гібридних міцел ДСН, що містять 1-пентанол. Одержані значення значно вищі, ніж для неполярних розчинників-вуглеводнів, аналогом яких є прищеплений шар октадецильних радикалів. Отже, як значення для модифікованої поверхні С18, так і сам факт локалізації на ній індикатору, нерозчинного в неполярних розчинниках, свідчать про те, що властивості поверхні стаціонарної фази в умовах МРХ визначаються сорбованим ДСН. При температурі 40 ^оС, вище точки фазового переходу С18, полярність мікрооточення стандартного бетаїнового індикатору на модифікованій поверхні С18 зменшується, що демонструє зміщення забарвлення суспензії у фіолетову область.

поверхневий шар октадецилсилікагель елюент

Таблиця 1. Максимуми поглинання 2,6-дифеніл-4-(2,4,6-трифенілпіридиній-1-іл) феноляту і значення нормалізованого показника полярності

Система	лmax, нм
Міцели ДСН	497	0.842
Міцели ДСН, 1% (v/v) 1-пентанолу	505-520	0.774
Суспензія С18 в 0.01 моль/л ДСН	500-515	0.791
Суспензія С18 в 0.01 моль/л ДСН, 1% (v/v) 1-пентанолу	500-520	0.783

Методом іонометрії з додецилсульфат-селективним електродом досліджено залежності рівноважної концентрації мономерних аніонів додецилсульфату (DS^-) від загальної концентрації ДСН в розчинах та суспензіях С18. Пунктиром відмічено ККМ в водному розчині ДСН за відповідних умов.

При 25 ^оС з розчинів з невисокою концентрацією ДСН мономери DS^- практично повністю сорбуються частинками С18; характер сорбції різко змінюється при концентрації ДСН вище 7 ммоль/л. При концентраціях, близьких до цієї, Монтгомері, Вірт та ін. спостерігали максимальну неоднорідність сорбованого шару, коли головні групи сорбованого ДСН не лежать в одній площині. Ці особливості можна пояснити самоорганізацією сорбованого ДСН на парафіноподібній поверхні С18 з утворенням мікроагрегатів, таких як геміміцели, що мають нижче значення ККМ, ніж міцели ДСН у розчині.

При 40 ^оС для суспензії немає «стрибка», концентрація мономеру у водній фазі суспензії мало змінюється с ростом концентрації ДСН. Очевидно, за цих температурних умов слід говорити не про утворення поверхневих агрегатів, а про розчинення мономерів ДСН у розтопленому прищепленому шарі. У присутності 1-пентанолу температурні відмінності менш помітні.

Модифікацію поверхні октадецилсилікагелю міцелярними розчинами ДСН та такими ж розчинами, що містять 1-пентанол з об'ємною часткою 1 % (v/v), при обох значеннях температури досліджено також методом електронної скануючої мікроскопїї на обладнанні scanning microscope JSM-840.

З зображень видно, що сорбція ДСН на частинках С18 при 25 ^оС сприяє їх взаємному притяжінню і злипанню; можливою причиною цього є взаємодія між поверхневими мікроагрегатами ДСН на сусідніх частинках сорбенту. Цей ефект усувається при введенні 1-пентанолу в розчин ДСН і при підвищенні температури, коли взаємодія ДСН з поверхнею сорбенту відбувається як «розчинення» вуглеводневого радикалу ДСН у прищепленому шарі С18, розтопленому чи солюбілізованому 1-пентанолом. Ці спостереження добре корелюють з даними про низьку ефективність хроматографічного розділення при використанні індивідуальних розчинів ДСН та про підвищення ефективності при підвищенні температури чи введенні добавок 1-пентанолу та інших спиртів. Таким чином, для ефективного розділення в МРХ модифікація поверхні стаціонарної фази компонентами міцелярного елюенту має відбуватися не за механізмом утворення геміміцел, а за механізмом «розчинення» з більш рівномірним розподілом ПАР в прищепленому шарі.

Четвертий розділ містить кількісні характеристики міцелоутворення ДСН в присутності 1-пентанолу та інших речовин, що можуть бути компонентами міцелярних елюентів. Зважаючи на виявлену роль температури фазового переходу прищепленого шару при використанні міцелярних елюентів, доцільно було визначити, як змінюються міцелярні характеристики ДСН при переході від 25 ^оС до 40 ^оС.

Характеристики міцелоутворення визначали потенціометрично за лінійними асимптотами залежностей, ККМ -- за абсцисою точки перетину, ступінь зв'язування протиіонів в -- як відношення модулів тангенсу кута нахилу лінійних асимптот в міцелярній та доміцелярній області. Залежності мало змінювались при зміні температури, значно більше на вигляд залежностей впливали добавки 1-пентанолу, тож і значення ККМ і в ДСН (табл. 2), практично не змінюються з температурою та помітно зменшуються при збільшенні добавки 1-пентанолу. Використання отриманої залежності від об'ємної частки 1-пентанолу при апробації моделі хроматографічного утримування, що базується на квазіхімічній концепції міцелоутворення, забезпечило адекватний опис хроматографічних даних [Loginova L.P. Micellar liquid chromatography retention model based on mass-action concept of micelle formation / L.P. Loginova, L.V. Samokhina, A.P. Boichenko, A.U. Kulikov // J. Chromatogr. A -- 2006. -- Vol. 1104. -- P. 190-197.].

Досліджено вплив на характеристики міцелоутворення ДСН моно-, ди- та трихлороцтових кислот, що використовують в рідинній хроматографії для регулювання рН (табл. 3). Показано, що хлороцтові кислоти можуть виступати як ко-ПАР в розчинах ДСН, і є більш ефективними модифікаторами, ніж аліфатичні спирти чи карбонові кислоти з 4-5 атомами Карбону, про що свідчать отримані значення ККМ та в. Ефект збільшується із зростанням числа атомів Хлору в похідних оцтової кислоти та концентрації кислот.

Таблиця 2. Значення ККМ та ступеню зв'язування протиіонів міцелами ДСН в присутності 1-пентанолу

Об'ємна частка 1-пентанолу	ККМ, ммоль/л
	25 оС	40 оС	25 оС	40 оС
-	7.4±0.2	7.7±0.8	0.76±0.14	0.69±0.05
0.5 %	6.5±0.6	-	0.69±0.05	-
1 %	4.1±0.8	3.8±0.4	0.63±0.05	0.42±0.06
1.5 %	2.1±0.6	-	0.53±0.08	-

Таблиця 3. Значення ККМ та ступеню зв'язування протиіонів в міцелами ДСН в присутності хлороцтових кислот

Концентрація кислоти, моль/л	Монохлороцтова	Дихлороцтова	Трихлороцтова
	ККМ, ммоль/л		ККМ, ммоль/л		ККМ, ммоль/л
0.0050	6.4±0.3	0.49±0.10	6.2±0.9	0.53±0.06	5.9±0.5	0.50±0.09
0.010	5.8±0.4	0.51±0.03	5.1±1.1	0.46±0.12	4.7±0.5	0.42±0.02
0.020	5.2±0.3	0.44±0.02	3.7±0.5	0.38±0.14	3.8±0.5	0.35±0.05
0.030	4.5±0.5	0.35±0.11	3.3±0.5	0.30±0.12	2.8±0.5	0.27±0.10

П'ятий розділ присвячено застосуванню МРХ для розділення і визначення речовин-консервантів та розробці відповідної методики. Для дослідження обрано широкий асортимент консервантів та споріднених речовин, що включає 14 речовин: 2- і 4-гідроксибензойні кислоти, парабени (метиловий, етиловий, пропіловий та бутиловий естери 4-гідроксибензойної кислоти), бензойну кислоту та її естери (метил-, етил-, пропіл, бутил- та фенілбензоати), сорбінову кислоту, бензиловий спирт. За об'єкти аналізу обрано харчові продукти, приготовані з журавлини, бо остання містить природні консерванти на основі бензойної кислоти, тож доцільно контролювати як їх, так і додатково введені консерванти.

Для розділення 14 компонентів обрано такі умови хроматографування: швидкість потоку рухомої фази - 1.0 мл/хв; температура колонки 40.0 ± 0.1 ^оС упродовж всього аналізу; об'єм проби, що вводили, 50 мкл, спектрофотометричний детектор. Довжину хвилі детектування обирали за індивідуальними УФ-спектрами речовин: бензойна кислота та її естери мають максимуми поглинання в області 230 нм, 4-гідроксибензойна кислота, її естери та бензиловий спирт -- при 255 нм, 2- гідроксибензойна кислота -- при 237 нм, сорбінова -- при 262 нм. Для детектування обрано довжину хвилі 240 нм, при якій помітно поглинають всі досліджувані аналіти.

Для попереднього вибору компонентів елюенту було апробовано 11 варіантів міцелярних рухомих фаз, в усіх випадках концентрація ДСН складала 0.05 моль/л. Виходячи з констант дисоціації протолітів, що входять до переліку консервантів, та з огляду на їх зменшення в присутності ДСН можна стверджувати, що всі протоліти знаходитимуться переважно в молекулярній формі при рН близько 2.5. Для створення такої кислотності використовували хлоридну, монохлор-, трихлор- та трифтороцтову кислоти. До міцелярного елюенту додавали середньоланцюгові аліфатичні спирти-модифікатори (1-пропанол, 1-бутанол та 1-пентанол) або аліфатичні карбонові кислоти (оцтову, пропіонову, бутанову), останні поєднують функції рН-регулятора та модифікатора.

Якість розділення контролювали за значеннями ступеню розділення піків. На основі одержаних даних для розділення 14 консервантів компонентами міцелярного елюенту, крім ДСН, обрано 1-пентанол та трихлороцтову кислоту. Очевидно, спільна дія двох модифікаторів на міцелярні властивості ДСН зумовлює в цьому випадку краще розділення, ніж дія одного традиційного модифікатору.

Для подальшої оптимізації складу міцелярного елюенту досліджено вплив концентрацій ДСН і об'ємної частки 1-пентанолу на фактори утримування аналітів. Експеримент виконували за двофакторним планом з трьома рівнями для кожного фактору. Експериментальні значення факторів утримування використано для оптимізації концентрацій компонентів міцелярного елюенту (виконано О.П. Бойченко). Оптимальним з точки зору якості розділення, часу хроматографування та стійкості до коливань вмісту компонентів виявився елюент, що містить 0.045 моль/л ДСН, 1 % (v/v) 1-пентанолу и 0.01 % (v/v) трихлороцтової кислоти. Хроматограму модельної суміші всіх досліджених консервантів, одержану з рухомою фазою оптимального складу. Номери піків на хроматограмі відповідають: бензойна кислота (1), метилбензоат (2), етилбензоат (3), пропілбензоат (4) та бутилбензоат (5), 4-гідроксибензойна кислота (6), метилпарабен (7), етилпарабен (8), пропілпарабен (9), бутилпарабен (10), 2-гідроксибензойна кислота (11), сорбінова кислота (12), фенілбензоат (13) та бензиловий спирт (14).

Оптимальний склад рухомої фази взято за основу розробки методики розділення та визначення консервантів у напоях, джемі та сиропі, виготовлених з використанням журавлини. Об'єктами аналізу були продукти харчування, придбані у супермаркетах м. Харкова (табл. 5). Піки на хроматограмах проб продуктів ідентифікували, зіставляючи час утримування зі стандартною хроматограмою та додатково за спектрами поглинання елюату при виході піка. Хоча на хроматограмах проб продуктів, що аналізували, зустрічались неідентифіковні піки, вони не перекриваються з піками консервантів, які визначають, та не заважають визначенню.

Досліджено лінійність градуювальної характеристики у відношенні до кожного аналіту в широкому діапазоні концентрацій. У табл. 4 наведено межу діапазону лінійності, а також оцінки межі детектування та кількісного визначення згідно рекомендацій ІЮПАК для методів з застосуванням лінійного градуювального графіку (SD -- стандартне відхилення сигналу, b -- кутовий коефіцієнт градуювальної залежності).

Оптимальний склад рухомої фази взято за основу розробки методики розділення та визначення консервантів у напоях, джемі та сиропі, виготовлених з використанням журавлини. Об'єктами аналізу були продукти харчування, придбані у супермаркетах м. Харкова (табл. 5). Визначення проводили за методом зовнішнього стандарту.

Таблиця 4. Лінійність, межі детектування та кількісного визначення для 14 консервантів

Консерванти	Параметри
	Верхня межа діапазону лінійності, мкмоль/л	Межа детектування, мкмоль/л (3.3 SD/b)	Межа кількісного визначення мкмоль/л (10 SD/b)
4-Гідроксибензойна кислота	116	2.4	7.3
Бензиловий спирт	5540	157	467
Метилпарабен	99.9	2.7	8.2
Сорбінова кислота	67.8	2.3	7.0
Бензойна кислота	249	8.1	24.5
2-Гідроксибензойна кислота	163	5.1	15.3
Етилпарабен	150	4.3	12.9
Пропілпарабен	171	5.0	15.3
Метилбензоат	260	8.0	24.2
Бутилпарабен	242	8.2	24.8
Етилбензоат	449	14.4	43.6
Пропілбензоат	379	11.2	33.8
Бутилбензоат	339	10.9	33.0
Фенілбензоат	469	15.3	46.4

Зразки прозорих напоїв вводили безпосередньо в хроматографічну колонку. Для продуктів, що містили м'якоть (морси, джеми, сиропи), застосовували мінімальну пробопідготовку: до наважки чи аліквоти продукту додавали відповідний об'єм міцелярної рухомої фази, перемішували і центрифугували. Прозорий фільтрат вводили в хроматографічну колонку.

Правильність методики визначення перевірено методом «вколотої проби». Для цього до проби продукту додавали відому кількість аналіту, який визначено в цьому об'єкті аналізу.

Таблиця 5. Визначення консервантів у продуктах харчування на основі журавлини

Об'єкт	Результат
	Консервант	С, мкмоль/л
Сок-фреш із журавлини	Бензойна кислота	131
Морс «Свіжа ягода»	Бензойна кислота	34
Морс «Лісова ягода» (1)	4-гідроксибензойна кислота	+*
	Бензойна кислота	93
	Етилпарабен	25
Морс «Лісова ягода» (2)	Бензойна кислота	92
	Етилпарабен	21
	Сорбінова кислота	+*
Морс «Лісова ягода» (3)	Бензойна кислота	90
	Етилпарабен	23
	Сорбінова кислота	+*
Сироп на сорбіті із журавлини	Бензойна кислота	61
	Сорбінова кислота	265
Джем на фруктозі із журавлини	Бензойна кислота	79
	Сорбінова кислота	102
Журавлина на коньяку «Nemiroff»	Бензойна кислота	68
	Сорбінова кислота	+*
	Метилпарабен	+*
	Етилпарабен	+*
Морс «Журавлина»	Бензойна кислота	+*
Морс «Садочок»	Бензойна кислота	33
Морс «Я»	Бензойна кислота	178
	Сорбінова кислота	+*
+* ідентифіковано

Знайдені значення концентрації доданого аналіту задовільно узгоджуються з заданими; ступені вилучення добавки складають 94%-104% для метилпарабену, 96%-102% для бензойної кислоти і свідчать про правильність визначень. Концентрації сорбінової кислоти в проаналізованих об'єктах виявилися близькими до межі визначення.

ВИСНОВКИ

Сукупністю методів дослідження суспензій октадецилсилікагелю С18 в міцелярних розчинах ДСН виявлено, що характер модифікації компонентами міцелярного елюенту і властивості поверхні стаціонарної фази С18 змінюються при температурі вище точки фазового переходу прищепленого шару. Розділення в МРХ при таких температурах відбувається за механізмом рідино-рідинного розподілу речовин між рухомою фазою та модифікованим шаром «розтоплених» прищеплених радикалів. Розроблено методику МРХ для розділення і визначення 14 консервантів і споріднених речовин, що складає «зелену» альтернативу методикам традиційної обернено-фазової ВЕРХ.

1. За даними електронної скануючої мікроскопії, сорбція ДСН на частинках С18 при 25 ⁰С сприяє їх взаємному притяжінню та злипанню. Цей ефект усувається при додаванні 1-пентанолу в розчин ДСН та при підвищенні температури до 40 ⁰С, вище точки фазового переходу прищепленого шару.

2. Потенціометричне дослідження суспензій октадецилсилікагелю в міцелярних розчинах ДСН свідчить про різний характер модифікуючої дії міцелярного елюенту стосовно стаціонарної фази С18 при температурі вище і нижче точки фазового переходу. Нижче температури фазового переходу прищепленого шару сорбція ДСН на С18 призводить до утворення геміміцел з більш низькими значеннями ККМ, ніж для міцел ДСН у розчині. Вище точки фазового переходу прищепленого шару С18 (40 ⁰С) сорбція ДСН відбувається як розчинення мономерів ДСН у «розтопленому» шарі прищеплених радикалів С18.

3. Зондування модифікованої поверхні октадецилсилікагелю за допомогою рК-проби ГМЧ та стандартного бетаїнового індикатора Райхардта свідчить про те, що при 25 ⁰С поверхня стаціонарної фази С18 з адсорбованим ДСН менш полярна, ніж поверхня міцел ДСН у рухомій фазі, та близька до полярності гібридних міцел ДСН, утворених в присутності 1-пентанолу. Поверхневий шар С18, модифікований ДСН та 1-пентанолом, стає менш полярним вище точки фазового переходу прищепленого шару.

4. Уточнені значення ККМ та ступеня зв'язування протиіонів міцелами ДСН у присутності 1-пентанолу як традиційного модифікатора міцелярних елюентів узгоджуються з моделлю утримування в МРХ, що базується на квазіхімічній концепції міцелоутворення, та з даними про модифікуючий вплив аліфатичних спиртів і карбонових кислот з однаковим числом атомів Карбону.

5. Хлорпохідні оцтової кислоти є більш ефективними модифікаторами міцелярних елюентів, ніж середньоланцюгові аліфатичні спирти та кислоти з близькими характеристиками гідрофобності, оскільки набагато сильніше впливають на ККМ та ступінь зв'язування протиіонів міцелами ДСН.

6. З різних модифікаторів міцелярних розчинів ДСН та рН-підтримуючих реагентів для розділення 14 консервантів та споріднених речовин найбільш підходять 1-пентанол та трихлороцтова кислота. За двофакторним планом експерименту одержано залежність характеристик утримування від концентрації компонентів міцелярного елюенту, що склала основу оптимізації складу рухомої фази.

7. Метод МРХ з міцелярною рухомою фазою оптимального складу забезпечує розділення та кількісне визначення 14 консервантів і споріднених речовин у продуктах харчування. Правильність результатів підтверджено апробацією методики на ряді продуктів харчування, що містять журавлину.

8. Методика МРХ, яку запропоновано, дозволяє за 20 хвилин розділити та визначити 8 консервантів, які найбільш часто використовують у харчових продуктах, при мінімальній пробопідготовці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яковлева Е.Ю. О состоянии поверхности октадецилсиликагеля как стационарной фазы для мицеллярной жидкостной хроматографии / Е.Ю. Яковлева, Л.П. Логинова // Вісник Харк. нац. ун-ту, Серія Хімія. Вип. 14(37). -- 2006. -- C. 151-156.

Здобувач експериментально вивчила особливості поверхні прищепленого шару октадецилсилікагелю при контакті з міцелярними розчинами ДСН в присутності 1-пентанолу та без нього методами електронної скануючої мікроскопії та твердофазної спектрофотометрії, обробила експериментальні дані, взяла участь в обговоренні результатів, формулюванні висновків та у підготовці тексту статті.

2. Логинова Л.П. Влияние некоторых алифатических спиртов и кислот на мицеллярные свойства додецилсульфата натрия / Л.П. Логинова, М.Н. Галат, Е.Ю. Яковлева // Вісник Харк. нац. ун-ту, Серія Хімія. Вип. 15(38). -- 2007. -- C. 109-118.

Здобувач провела експериментальне дослідження впливу 1-пентанолу на характеристики міцелоутворення ДСН, взяла участь в обговоренні результатів. Прийняла участь в написанні статті.

3. Loginova L.P. MLC determination of preservatives in cranberry foodstuffs / Lidia P. Loginova, Artem U. Kulikov, Elena Y. Yakovleva, Alexander P. Boichenko // Chromatographia -- 2008. -- Vol. 67. -- P. 615-620.

Здобувач виконала експериментальні дослідження щодо можливості застосування МРХ для ізократичного розділення 14 консервантів та споріднених речовин, розробила методику їх одночасного розділення та визначення, дослідила залежність характеристик утримування від концентрацій компонентів міцелярного елюенту, провела апробацію методики на реальних об'єктах аналізу, взяла участь в обговоренні результатів, формулюванні висновків та у підготовці тексту статті.

4. Loginova L.P. Effect of aliphatic alcohols and aliphatic carboxylic acids on the critical micelle concentration and counter ion binding degree of sodium dodecylsulfate / Lidia P. Loginova, Elena Yu. Yakovleva, Marina N. Galat, Alexander P. Boichenko // J. Мol. Liq. -- 2008. doi:10.1016/j.molliq.2008.05.009.

Здобувач експериментально дослідила вплив моно-, ди- та трихлороцтових кислот на міцелярні характеристики ДСН та провела порівняння з традиційними модифікаторами міцелярного елюенту - нерозгалуженими аліфатичними спиртами та кислотами (С4-С5), обробила експериментальні дані, взяла участь в обговоренні результатів, формулюванні висновків та у підготовці тексту статті.

5. Loginova L.P. Micellar Liquid Cromatography: new ideas and applications / L.P. Loginova, A.P. Boichenko, A.U. Kulikov, A.L. Iwashchenko, L.V. Samokhina, E.Yu. Yakovleva // Тези доп. Міжнар. конгресу. «International Congress on Analytical Sciences» -- Москва. -- 2006. -- С. 167-168.

Здобувач провела експериментальні дослідження з зондування поверхні стаціонарної фази кислотно-основним барвником та сольватохромними індикаторами Райхардта, дослідила методом електронної скануючої мікроскопії стан стаціонарної фази, модифікованої компонентами міцелярного елюенту, в умовах МРХ-розділення.

6. Loginova L.P. Description of retention in micellar liquid chromatography based on mass-action concept of micelle formation / L.P. Loginova, A.P. Boichenko, A.U. Kulikov, A.L. Iwashchenko, E.Yu. Yakovleva // Тези доп. Міжнар. конферен. «Modern Physical Chemistry for Advanced Materials» -- Харків. -- 2007. -- С. 58-59.

Здобувач виконала експериментальне дослідження поверхні стаціонарної фази С18, модифікованої компонентами міцелярного елюенту, з застосуванням стандартного сольватохромного індикатора Райхардта.

7. Boichenko A.P. Application of chemometrics in reversed-phase liquid chromatography and related techniques / A.P. Boichenko, L.P. Loginova, A.U. Kulikov, A.L. Iwashchenko, E.Yu. Yakovleva // Тези доп. Міжнар. конферен. «Modern Physical Chemistry for Advanced Materials» -- Харків. -- 2007. -- С. 164-166.

Здобувач експериментально дослідила залежність характеристик утримування консервантів та споріднених сполук від концентрації компонентів міцелярного елюенту.

8. Boichenko A.P. Evaluation of rugged and optimal analysis conditions in micellar liquid chromatography by using interpretative optimization strategy and Derringer's desirability function / Alexander P. Boichenko, Lidia P. Loginova, Artem U. Kulikov, E. Yu. Yakovleva // Тези доп. Міжнар. конферен. «4^th Black Sea Basin conference on analytical chemistry» -- Сонячний берег, Болгарія. -- 2007. -- P. O13.

Здобувач експериментально дослідила залежність характеристик утримування консервантів та споріднених сполук від концентрації компонентів міцелярного елюенту.

9. Loginova L.P. Qualitative and quantitative characteristics of modification of stationary and mobile phases in micellar liquid chromatography / L.P. Loginova, E.Yu. Yakovleva, M.N. Galat // Тези доп. Міжнар. конферен. «4^th Black Sea Basin conference on analytical chemistry» -- Сонячний берег, Болгарія. -- 2007. -- P. 117.

Здобувач дослідила методами електронної скануючої мікроскопії та твердофазної спектрофотометрії вплив гібридних міцелярних розчинів (ДСН та 1-пентанол) та індивідуальних розчинів ДСН на стан поверхні стаціонарної фази С18 та методом потенціометрії кількісно охарактеризувала вплив хлорпохідних оцтової кислоти та 1-пентанолу на міцелоутворення ДСН.

10. Яковлева Е.Ю. Разделение и определение консервантов методом мицеллярной жидкостной хроматографии и свойства модифицированных хроматографических фаз / Яковлева Е.Ю., Логинова Л.П., Куликов А.Ю. // Тези доп. сесії наукової ради НАНУ з проблеми «Аналітична хімія» -- Харків. -- 2007. -- С. 37.

Здобувач розробила методику одночасного розділення 14 харчових консервантів, потенціометрично дослідила вплив 1-пентанолу та моно- і трихлороцтових кислот на міцелярні характеристики ДСН, вивчила модифікуючу дію компонентів міцелярного елюенту на поверхню С18 при температурах 25єС та 40єС, підготовила усну доповідь.

11. Логинова Л.П. Мицеллярные свойства растворов додецилсульфата натрия в присутствии алифатических карбоновых кислот и их применение в мицеллярной жидкостной хроматографии / Логинова Л.П., Яковлева Е.Ю., Галат М.Н., Марков В.В., Бойченко А.П. // Тези доп. Міжнар. конферен. «ІІІ Международная конференція по коллоидной химии и физико-химической механике» -- Москва. -- 2008. -- C. 47.

Здобувач експериментально дослідила вплив моно-, ди- та трихлороцтових кислот на міцелярні характеристики ДСН.

АНОТАЦІЯ

Купчик О.Ю. Міцелярна рідинна хроматографія: особливості модифікованих фаз та застосування для розділення консервантів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.02 - аналітична хімія. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2008.

В роботі досліджено специфіку стаціонарної фази в міцелярній рідинній хроматографії (МРХ) та гібридних міцелярних елюентів. Вперше продемонстровано, що в МРХ характер модифікації поверхні стаціонарної фази С18 компонентами міцелярного елюенту і властивості поверхні змінюються при температурі вище точки фазового переходу прищепленого шару октадецильних радикалів. Охарактеризовано механізми модифікації та полярність модифікованої поверхні стаціонарної фази. Показано, що хлорпохідні оцтової кислоти більш ефективно модифікують властивості міцелярних елюентів, ніж аліфатичні спирти та кислоти з близькими характеристиками гідрофобності. Розроблено, досліджено, оптимізовано та апробовано методику розділення та кількісного визначення 14 консервантів і споріднених речовин у продуктах харчування методом МРХ при мінімальній пробопідготовці.

Ключові слова: хроматографія, октадецилсилікагель, додецилсульфат натрію, сорбція, критична концентрація міцелоутворення, ступінь зв'язування протиіонів, модифікатори, консерванти.

АННОТАЦИЯ

Купчик Е.Ю. Мицеллярная жидкостная хроматография: особенности модифицированных фаз и применение для разделения консервантов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.02 - аналитическая химия. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2008.

В работе впервые выявлен различный характер модификации поверхности стационарной фазы октадецилсиликагеля компонентами мицеллярного элюента при температурах до и после точки фазового перехода привитого слоя алкильных радикалов. При температуре выше 30 ^оС механизм разделения в мицеллярной жидкостной хроматографии (МЖХ) определяется жидкость-жидкостным распределением веществ и компонентов мицеллярного элюента между подвижной фазой и модифицированным «расплавленным» привитым слоем С18. При более низких температурах сорбция ДСН на поверхности стационарной фазы С18 сопровождается образованием поверхностных агрегатов со значениями критической концентрации мицеллообразования (ККМ) ниже, чем для мицелл ДСН в растворе. По данным электронной сканирующей микроскопии установлено, что сорбция ДСН на частицах С18 способствует их взаимному притяжению; этот эффект устраняется при введении 1-пентанола в раствор ДСН и при повышении температуры. Зондирование поверхности октадецилсиликагеля, модифицированной раствором ДСН при повышенной температуре и таким же раствором, содержащим добавку 1-пентанола, индикатором гексаметокси красным и сольватохромными индикаторами, свидетельствует о том, что поверхность стационарной фазы в этих условиях менее полярна, чем поверхность мицелл ДСН в растворе. Количественно охарактеризовано влияние температуры, традиционного модификатора мицеллярного элюента -1-пентанола и новых модифицирующих добавок - моно-, ди- и трихлоруксусных кислот на ККМ ДСН и степень ионизации мицелл ДСН. Значения ККМ и степени связывания противоионов определяли методом потенциометрии с DS--селективным электродом по зависимости э.д.с. от_, логарифма общей концентрации ПАВ. Установлено, что температура практически не оказывает влияния на мицеллярные характеристики анионного ПАВ, при увеличении добавки 1-пентанола наблюдаются соответственно уменьшение ККМ и степени связывания противоионов, что согласуется с новой концептуальной моделью удерживания в МЖХ. Хлоруксусные кислоты в большей степени связываются мицеллами ДСН и являются более эффективными модификаторами. Хлоруксусные кислоты оказывают аналогичное спирту влияние на характеристики мицеллообразования ДСН, т.е. их уменьшение. Причем чем больше атомов водорода в уксусной кислоте замещено на хлор, тем сильнее модифицирующее действие. Предложена новая методика одновременного определения широкого спектра консервантов в продуктах питания. в которой показана эффективность применения мицеллярных элюентов, содержащих добавки 1-пентанола и трихлоруксусной кислоты, как рН-поддерживающего реагента. Методика испытана при определении консервантов в соках, морсах и джемах на основе клюквы, правильность методики подтверждена методом «введено-найдено».

Ключевые слова: хроматография, октадецилсиликагель, додецилсульфат натрия, сорбция, критическая концентрация мицеллообразования, степень связывания противоионов, модификаторы, консерванты.

SUMMARY

Kupchik E.Yu. Micellar liquid chromatography: features of modified phases and application for preservatives separation. - Manuscript.

The thesis for receiving of candidate of science in chemistry by speciality - 02.00.02 - analytical chemistry. - V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2008.

The characteristics of stationary phases and hybrid micellar eluents in micellar liquid chromatography (MLC) were investigated in this work. It was for the first time demonstrated that the nature of surface of C18 stationary phase modification changes at temperature above the point of phase transition of bonded octadecyl radicals. The nature of modification and polarity of modified surface of stationary phase were described. It was observed that chloroderivatives of acetic acid modify the micellar eluent properties to greater extend, than aliphatic alcohols and acids with similar hydrophobicity. The MLC method of separation and quantification of 14 preservatives and related substances in foods with simple sample preparation was developed, studied, optimized and approved.

Key words: chromatography, octadecylsilica, sodium dodecylsulfate, sorption, critical micelle concentration, degree of counter ion binding, modifiers, preservatives.

Размещено на Allbest.ru

...