Синтез слоев диизоционат-сульфополистирола на поверхности кварцевого стекла для изготовления кварцевых капиллярных колонок

ВВЕДЕНИЕ                      На сегодняшний день такой подход еще не по-

Совершенствование технологии получения капиллярных колонок имеет определяющее значение для разработки и практического применения элек-тромиграционных методов анализа. Селективность и скорость разделения веществ электроми-грационными методами зависят от свойств неподвижной фазы, используемой в капилляре. Наиболее перспективным направлением в современной капиллярной электрохроматографии, капиллярном электрофорезе и/или гель-электрофорезе является применение сегментированных капиллярных колонок (СКК), состоящих из двух или более сегментов. При заполнении различными неподвижными фазами они обеспечивают эффективное разделение аналитов в условиях заданного электроосмотического потока (ЭОП). Обычно в хроматографических методах разделения, таких как высокоэффективная жидкостная хроматография, наиболее эффективным способом регулирования удерживания и соответственно обеспечения селективности разделения является изменение состава подвижной фазы в ходе анализа. Однако в случае электромиграционных методов такой подход ограничен конструктивными и методическими возможностями используемых приборов. Поэтому в качестве альтернативного способа варьирования селективности разделения, например, в капиллярной электрохроматографии или гель-электро-форезе предлагается использовать колонки с двумя и большим числом сегментов с различными неподвижными фазами.

лучил распространения, несмотря на растущую потребность в увеличении разрешающей способности этого и других методов разделения во многих областях науки. Основные проблемы при изготовлении СКК, которые до сих пор не удается полностью решить, обусловлены следующими факторами [1–4]:

• 1)    структурно-химической неоднородностью внутренней поверхности капилляра (из-за наличия остаточных силанольных групп, которые не устраняются в результате предварительной обработки капилляра);

• 2)    наличием в слое полимера непрореагировавших мономерных молекул после его поверхностной бифункционализации силанизирующим реагентом;

• 3)    технологическими и/или методическими ограничениями оборудования для заполнения каждого сегмента в капилляре реакционными смесями, не позволяющими добиться геометрически точного заполнения;

• 4)    недостаточно эффективным связыванием (прививкой) образующегося в результате полимеризации сорбента со стенками капилляра, что приводит к вымыванию сорбента;

• 5)    неодинаковой продолжительностью процесса полимеризации в каждом сегменте и по всему объему колонки, что ведет к отсутствию и/или не-воспроизводимости заданной структуры сорбента;

• 6)    необходимостью подбора оптимальных условий полимеризации для каждой реакционной смеси, растворителя и инициатора в каждом сегменте и в СКК в целом;

• 7)    недостаточно разработанной методологией для оценки физико-химических и аналитических свойств неподвижной фазы в СКК.

В качестве сорбентов для кварцевых капиллярных колонок используют такие полимеры, как полиакриламид, полиакрилаты, полиэфиры, поливиниловый спирт, поливинилсульфонат и др. [2], содержащие функциональные группы с различными сорбционными и электроповерхностными характеристиками [4].

Особый интерес представляет применение совместимых полимеров — полистирола (ПС) и диизоцианата (ДЦ) для получения сверхтонких покрытий на поверхности кварца [3, 5, 6]. Выбор ПС для получения полимерных покрытий на кварце обусловлен возможностью получения реакционной смеси ПС с функциональным зарядом (например, с полярными сульфонатными группами SO 3 ^- ), обеспечивающим стабильные (регулируемые) электромиграционные свойства в кварцевой капиллярной колонке; при этом модифицированный, используемый в качестве отдельного сегмента капиллярной колонки электронейтральный ДЦ позволяет предотвратить адсорбцию на стенках капилляра. Применение ДЦ в качестве как функционального, так и промежуточного слоя для получения полимерных покрытий на кварцевом стекле обусловлено способностью ДЦ к необратимой адсорбции на поверхности твердых тел из разбавленных растворов в термодинамически "хороших" растворителях [5, 7], сохраняя свободные функциональные группы, способные к последующей эффективной прививке основного полимерного слоя. Механизм адсорбции макромолекул на поверхности твердых тел различной природы теоретически и экспериментально хорошо изучен

[7, 8]. В [3, 7] показано, что при адсорбции полимеров клубки сильно деформируются и ориентируются на поверхности твердых тел, при этом значительная часть сегментов макроцепи непосредственно контактирует с поверхностью, а хвосты и петли макроцепи находятся в объемной фазе раствора.

В связи с рассмотренными факторами для более глубокого понимания механизмов образования неподвижной фазы в СКК потребовались исследование поверхностных свойств полимерных покрытий на основе ДЦ и смеси ПС—полистрол-сульфокислота (ПСС) на кварцевом стекле; установление закономерности влияния состава полимеризуемых смесей и условий полимеризации на физико-химические свойства синтезируемого сорбента в каждом сегменте и разработка новых, более эффективных методов получения СКК.

ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ

В экспериментах использовались следующие реактивы и материалы:

деионизованная дистиллированная вода; диизоцианат Crosslinker CX-100 (Cytec, USA); атактический полистирол узкой фракции (среднечисленная молекулярная масса М n = 9.1·10⁶, молекулярно-массовое распределение М w / М n = 1.1, характеристическая вязкость η в растворе в хлороформе — 8.3 дл ⋅ г^–1, Aldrich, Milwaukee, WI, USA); полистиролсульфокислота (блочный сополимер стирола с этиленом и статистического сополимера бутилена и блочного стиролсульфоната, содержание стиролсульфонатных групп — 52 %, Sigma-Aldrich, UK).

Рис. 1. Результаты анализа участка поверхности кварцевого стекла с полимерным покрытием методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии.

а — участок поверхности 50×50 мкм; б — граница раздела между покрытием ПС—ПСС и слоем ДЦ на участке края пластины размером 150×150 мкм

а

б

Рис. 2. Профиль сечения полимерного покрытия в координатах (амплитуда высоты h (нм)—длина l участка (мкм)).

Исследуемый участок покрытия выделен линией на рис. 1, а

Синтез полимеров осуществляли на пластинах (размер пластин 5×5 и 10×10 мм и толщиной 1.0 ± 0.1 мм) кварцевого стекла марки КУ-1 (ГОСТ 15130-86, продлен в 1997 г.).

Структуру и профиль поверхностного слоя полученных образцов исследовали на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе (КЛСМ) Leica TCS SL (Leica Microsystems GmbH, Германия). Измерения проводили на длине волны 488 нм в отраженном свете с объективом Leica 10x PDL.

Растворы и реакционные смеси дегазировали в ультразвуковой ванне Сапфир.

НАНЕСЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ СЛОЕВ

Перед нанесением покрытий кварцевые пластины выдерживали в хромовой смеси в течение 30 мин, затем промывали дистиллированной водой и сушили в термостате.

Для получения нейтрального полимерного покрытия на поверхности кварцевых пластин поверхность кварцевого стекла обрабатывали олигомерным диизоцианатом, содержащим 0.6 % изоцианатных групп. Обработку проводили 2 % раствором ДЦ в сухом ацетоне в течение 1 ч при 45 °С, затем образцы сушили на воздухе при 45 °С в течение 1 ч. В результате химической реакции между силанольными группами кварца и изоцианатными группами CX-100 на поверхности кварца образуются уретановые группы [3]׃

–Si–OH + –R–N=C=O → –Si–O–CO–NH–R .

Для формирования полимерных покрытий на поверхности пластин из кварцевого стекла готовили рабочий раствор смеси ПС и ПСС в хлороформе с общей концентрацией С = 1 г∙л^–1. Модифицированные диизоцианатом кварцевые пластины частично погружали в полученный рабочий раствор при 25 ºС и выдерживали в течение 24 ч, после чего образцы сушили в течение 1 ч при 50 ºС на воздухе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Обработка исходных пластин олигомерным диизоцианатом привела к образованию на их поверхности сплошного однородного слоя ДЦ, окрашенного в бледно-желтый цвет.

Согласно данным анализа полученных образцов методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (рис. 1), последующий синтез с использованием рабочего раствора ПС—ПСС в хлороформе привел к образованию на поверхности пластин из кварцевого стекла сплошного полимерного покрытия (рис. 1, а). Полученное покрытие характеризуется четкой границей раздела с промежуточным слоем ДЦ (рис. 1, б) и имеет среднюю толщину 40–80 нм (рис. 2).

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований продемонстрирована возможность формирования сплошных однородных полимерных нанопокрытий состава полистирол—полистиролсульфокис-лота на кварцевом стекле с промежуточным слоем диизоцианата. Достигнутый результат обусловлен бифункциональным характером диизоцианата, обеспечивающим как его связывание с силанольными группами на поверхности кварцевого стекла, так и последующую иммобилизацию смеси полистирола и полистиролсульфокислоты на поверхности промежуточного слоя. Полученные покрытия перспективны для применения в качестве неподвижной фазы в современной капиллярной электрохроматографии, капиллярном электрофорезе и/или гель-электрофорезе, обеспечивающей эффективное разделение анализируемых веществ. Исследование сорбционных и разделительных свойств синтезированных полимерных слоев в модельных системах электромиграционного анализа будет рассмотрено в последующих публикациях.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007– 2013 годы" и опытно-конструкторской работы по лоту шифр "2011-2.2-522-014" по теме: "Разработка генетического анализатора для секвенирования и фрагментного анализа ДНК" (шифр заявки "2011-2.2522-014-001", Государственный контракт № 16.522. 12.2014).