Мицеллярная жидкостная хроматография - Micellar liquid chromatography

Эта статья написано как личное размышление, личное эссе или аргументированное эссе который излагает личные чувства редактора Википедии или представляет оригинальный аргумент по теме. Пожалуйста помогите улучшить это переписав его в энциклопедический стиль. (Сентябрь 2008 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Мицеллярная жидкостная хроматография (MLC) является формой обращенной фазы жидкостная хроматография который использует водный мицеллярный решения как мобильная фаза.^[1]

Теория

Использование мицелл в высокоэффективной жидкостной хроматографии впервые было предложено Армстронгом и Генри в 1980 году.^[2][3] Этот метод используется в основном для улучшения удерживания и селективности различных растворенные вещества в противном случае это было бы неразрывно или плохо решено. Мицеллярная жидкостная хроматография (MLC) использовалась во множестве приложений, включая разделение смеси заряженных и нейтральных растворенных веществ, прямое введение сыворотки и других физиологических жидкостей, анализ фармацевтических соединения, разделение энантиомеры, анализ неорганических металлоорганические соединения, и множество других.

Одним из основных недостатков метода является снижение эффективности из-за мицелл. Несмотря на иногда низкую эффективность, MLC - лучший выбор, чем ионообменный ЖК или ионно-парный ЖК для разделения заряженных молекулы и смеси заряженных и нейтральных разновидность.^[1] Некоторые из аспектов, которые будут обсуждаться, включают теоретические аспекты MLC, использование моделей для прогнозирования удерживающих характеристик MLC, влияние мицелл на эффективность и селективность, а также общие применения MLC.

Обратная фаза высокоэффективная жидкостная хроматография (RP-HPLC) включает не-полярный стационарная фаза, часто углеводородная цепь, а также полярная подвижная или жидкая фаза. Подвижная фаза обычно состоит из водный порция с органическими добавками, такими как метанол или же ацетонитрил. Когда раствор аналиты вводится в систему, компоненты начинают отделяться от подвижной фазы и взаимодействовать с неподвижной фазой. Каждый компонент взаимодействует с неподвижной фазой по-разному в зависимости от своей полярности и гидрофобность. При обращенно-фазовой ВЭЖХ растворенное вещество с наибольшей полярностью будет меньше взаимодействовать с неподвижной фазой и проводить больше времени в подвижной фазе. По мере уменьшения полярности компонентов время нахождения в колонке увеличивается. Таким образом достигается разделение компонентов на основе полярности.^[4] Добавление мицелл к подвижной фазе приводит к появлению третьей фазы, на которую могут распределяться растворенные вещества.

Мицеллы

Мицеллы состоят из поверхностно-активное вещество, или моющее средство, мономеры с гидрофобным часть, или хвост, на одном конце, и гидрофильный фрагмент или головная группа, с другой стороны. Полярная головная группа может быть анионный, катионный, цвиттерионный, или неионный. Когда концентрация поверхностно-активного вещества в растворе достигает своего критическая концентрация мицелл (CMC), он образует мицеллы, которые представляют собой агрегаты мономеров. КМЦ различается для каждого поверхностно-активного вещества, как и количество мономеров, составляющих мицеллу, называемое номер агрегации (AN).^[5] В таблице 1 перечислены некоторые общие детергенты, используемые для образования мицелл, а также их CMC и AN, если они доступны.

Многие характеристики мицелл отличаются от характеристик объемных растворителей. Например, мицеллы по своей природе пространственно неоднородный с углеводородом, почти безводный ядро и очень растворенный, полярная головная группа. У них высокий отношение поверхности к объему из-за их небольшого размера и в целом сферический форма. Их окружающая среда (pH, ионная сила, буферный ион, присутствие сорастворителя и температура ) влияет на их размер, форму, критическую концентрацию мицелл, число агрегации и другие свойства.^[6]

Еще одно важное свойство мицелл - Крафт-пойнт, температура, при которой растворимость поверхностно-активного вещества равна его ККМ. Для ВЭЖХ с участием мицелл лучше всего выбирать поверхностно-активное вещество с низкой точкой крафт-бумаги и КМЦ. Высокий КМЦ потребует высокой концентрации поверхностно-активного вещества, которое повысит вязкость подвижной фазы, нежелательное состояние. Кроме того, температура крафт-пленки должна быть значительно ниже комнатной, чтобы не нагревать подвижную фазу. Чтобы избежать потенциального вмешательства в работу детекторов поглощения, поверхностно-активное вещество также должно иметь небольшую молярная поглощающая способность на выбранном длина волны анализа. Рассеяние света не должно вызывать беспокойства из-за небольшого размера, несколько нанометры мицеллы.^[1]

Влияние органических добавок на мицеллярные свойства - еще одно важное соображение. К подвижной фазе часто добавляют небольшое количество органического растворителя, чтобы повысить эффективность и улучшить разделение соединений. Следует проявлять осторожность при определении количества добавляемой органики. Слишком высокая концентрация органического вещества может вызвать диспергирование мицеллы, так как ее образование зависит от гидрофобных эффектов. Максимальная концентрация органики зависит от самого органического растворителя и от мицеллы. Эта информация обычно не известна точно, но общепринятая практика заключается в том, чтобы сохранять процент объема органических ниже 15-20%.^[1]

Исследование

Фишер и Джандера^[7] изучили влияние изменения концентрации метанола на значения CMC для трех обычно используемых поверхностно-активных веществ. Два катионных, гексадецилтриметиламмонийбромид (CTAB) и N- (a-карбэтоксипентадецил) триметиламмонийбромид (Септонекс ), и одно анионное поверхностно-активное вещество, додецилсульфат натрия (SDS), были выбраны для эксперимента. Вообще говоря, КМЦ увеличивалась с увеличением концентрации метанола. Затем был сделан вывод, что распределение поверхностно-активного вещества между объемной подвижной фазой и мицеллярной фазой смещается в сторону объема при увеличении концентрации метанола. Для ЦТАБ повышение КМЦ является наибольшим при 0–10% метаноле и почти постоянно при 10–20%. При содержании метанола выше 20% мицеллы дезагрегируются и не существуют. Для SDS значения CMC остаются неизменными ниже 10% метанола, но начинают увеличиваться по мере дальнейшего увеличения концентрации метанола. Дезагрегация происходит выше 30% метанола. Наконец, для септонекса наблюдается лишь небольшое увеличение КМЦ до 20%, а дезагрегация составляет более 25%.^[7]

Как уже было сказано, подвижная фаза в MLC состоит из мицелл в водный растворитель, обычно с добавлением небольшого количества органического модификатора для завершения подвижной фазы. Типичная обратная фаза алкил -связанная неподвижная фаза. Первое обсуждение термодинамика участие в механизме удержания было опубликовано Армстронгом и Номом в 1981 году.^[8] В MLC есть три коэффициенты разделения что необходимо учитывать. Растворенное вещество будет распределяться между водой и неподвижной фазой (KSW), водой и мицеллами (KMW), а также мицеллами и неподвижной фазой (KSM).

Армстронг и Ном вывели уравнение, описывающее коэффициенты распределения в терминах коэффициент удержания, формально коэффициент мощности, k ¢. В ВЭЖХ коэффициент емкости представляет молярное отношение растворенного вещества в неподвижной фазе к подвижной фазе. Коэффициент емкости легко измерить на основании времени удерживания соединения и любого не удерживаемого соединения. Уравнение, переписанное Guermouche et al.^[9] представлен здесь:

1 / k ¢ = [n • (KMW-1) / (f • KSW)] • CM + 1 / (f • KSW)

Где:

• k ¢ - коэффициент емкости растворенного
• KSW - коэффициент распределения растворенного вещества между неподвижной фазой и водой.
• KMW - коэффициент распределения растворенного вещества между мицеллами и водой.
• f - соотношение объемов фазы (объем неподвижной фазы / объем подвижной фазы)
• n - это молярный объем поверхностно-активного вещества
• CM - концентрация мицеллы в подвижной фазе (общая концентрация поверхностно-активного вещества - критическая концентрация мицеллы)

А участок из 1 / k стихов CM дает прямую линию, по которой KSW может быть вычислен из точки пересечения, а KMW может быть получен из отношения наклона к точке пересечения. Наконец, KSM можно получить из отношения двух других коэффициентов разделения:

KSM = KSW / KMW^[8]

Как видно из рисунка 1, KMW не зависит от каких-либо эффектов от стационарной фазы, если предположить, что мицеллярная подвижная фаза такая же.^[9]

Действительность механизма удержания, предложенного Армстронгом и Номом, была успешно подтверждена экспериментально. Однако были также предложены некоторые вариации и альтернативные теории. Джандера и Фишер^[10] разработаны уравнения для описания зависимости удерживающего поведения от изменения мицеллярных концентраций. Они обнаружили, что удерживание большинства протестированных соединений снижалось с увеличением концентрации мицелл. Исходя из этого, можно предположить, что соединения связываются с мицеллами, поскольку они проводят меньше времени, связанного с неподвижной фазой.^[10]

Фоули предложил аналогичное сохраняющее модель к модели Армстронга и Нома, которая была общей моделью вторичного химического равновесия в жидкостной хроматографии.^[11] Хотя эта модель была разработана в предыдущем справочнике и может использоваться для любых вторичных химическое равновесие таких как кислотно-щелочное равновесие и образование пар ионов, Фоли дополнительно уточнил модель для MLC. Когда к подвижной фазе добавляется равновесный (X), в данном случае поверхностно-активное вещество, создается вторичное равновесие, в котором аналит будет существовать в виде свободного аналита (A) и образовывать комплекс с равновесным (AX). Две формы будут удерживаться неподвижной фазой в разной степени, что позволяет варьировать удерживание, регулируя концентрацию уравновешивающего вещества (мицеллы).^[11]

Результирующее уравнение, решенное для коэффициента пропускной способности с помощью коэффициентов разделения, во многом такое же, как у Армстронга и Нома:

1 / k ¢ = (KSM / k ¢ S) • [M] + 1 / k ¢ S

Где:

• k ¢ - коэффициент емкости комплексного растворенного вещества и свободного растворенного вещества.
• k ¢ S - коэффициент емкости свободного растворенного
• KSM - коэффициент распределения растворенного вещества между неподвижной фазой и мицеллой.
• [M] может быть либо концентрацией поверхностно-активного вещества, либо концентрацией мицеллы.

Фоли использовал приведенное выше уравнение для определения констант ассоциации растворенного вещества-мицеллы и факторов удерживания свободного растворенного вещества для множества растворенных веществ с различными поверхностно-активными веществами и неподвижными фазами. По этим данным можно предсказать тип и оптимальные концентрации поверхностно-активного вещества, необходимые для данного растворенного вещества или растворенных веществ.^[11]

Фоули был не единственным исследователем, заинтересованным в определении констант ассоциации растворенных веществ и мицелл. В обзорной статье Марины и Гарсиа, содержащей 53 ссылки, обсуждается полезность получения констант ассоциации растворенных веществ и мицелл.^[12] Константы ассоциации для двух растворенных веществ можно использовать для понимания механизма удерживания. Коэффициент разделения двух растворенных веществ a может быть выражен как KSM1 / KSM2. Если экспериментальное a совпадает с соотношением двух коэффициентов разделения растворенного вещества и мицеллы, можно предположить, что их удержание происходит за счет прямого перехода из мицеллярной фазы в неподвижную фазу. Кроме того, расчет a позволит прогнозировать избирательность разделения до выполнения анализа, если известны два коэффициента.^[12]

Желание предсказать поведение удержания и избирательность привело к разработке нескольких математических моделей.^[13] Изменения pH, концентрации поверхностно-активного вещества и концентрации органического модификатора играют важную роль в определении хроматографического разделения. Часто один или несколько из этих параметров необходимо оптимизировать для достижения желаемого разделения, однако оптимальные параметры должны учитывать все три переменные одновременно. Обзор Garcia-Alvarez-Coque et al. упомянул несколько успешных моделей для различных сценариев, некоторые из которых будут упомянуты здесь. Для описания общих случаев используются классические модели Армстронга, Нома и Фоули. Модель Фоули применима ко многим случаям и была экспериментально подтверждена для ионных, нейтральных, полярных и неполярных растворенных веществ; анионные, катионные и неионные поверхностно-активные вещества, а также C8, C¬18 и циано стационарные фазы. Модель начинает отклоняться для растворенных веществ с высокой и низкой степенью удержания. Сильно удерживаемые растворенные вещества могут стать необратимо связанными с неподвижной фазой, при этом слабо удерживаемые растворенные вещества могут элюироваться в пустом объеме колонки.^[13]

Другие модели, предложенные Арунянартом и Клайн-Лавом, Роджерсом и Халеди, описывают влияние pH на удерживание слабых кислот и оснований. Эти авторы вывели уравнения, связывающие pH и концентрацию мицелл с удерживанием. При изменении pH наблюдается сигмоидальное поведение для удержания кислых и основных частиц. Было показано, что эта модель точно предсказывает поведение удержания.^[13] Еще другие модели предсказывают поведение в гибридных мицеллярных системах с помощью уравнений или моделирования поведения на основе контролируемых экспериментов. Кроме того, были предложены модели, учитывающие одновременное влияние pH, концентрации мицелл и органических веществ. Эти модели позволяют дополнительно улучшить оптимизацию разделения слабых кислот и оснований.^[13]

Одна исследовательская группа, Рухадзе и др.^[14] получили линейную зависимость первого порядка, описывающую влияние концентрации мицелл и органических веществ, а также pH на селективность и разрешение семи барбитураты. Исследователи обнаружили, что математическое уравнение второго порядка более точно соответствует данным. Выводы и экспериментальные детали выходят за рамки этого обсуждения. Модель оказалась успешной в предсказании экспериментальных условий, необходимых для достижения разделения для соединений, которые традиционно трудно разделить.^[14]

Джандера, Фишер и Эффенбергер подошли к проблеме моделирования еще по-другому.^[15] Используемая модель была основана на липофильность и показатели полярности растворенных веществ. Индекс липофильности связывает данное растворенное вещество с гипотетическим числом атомов углерода в алкильной цепи. Он основан и зависит от данной калибровочной серии, определенной экспериментально. Индекс липофильности не должен зависеть от стационарной фазы и концентрации органического модификатора. В индекс полярности является мерой полярности взаимодействий растворенного вещества и растворителя. Это сильно зависит от органического растворителя и в некоторой степени от полярных групп, присутствующих в неподвижной фазе. 23 соединения были проанализированы с различными подвижными фазами и сопоставлены с индексами липофильности и полярности. Результаты показали, что модель может быть применена к MLC, но лучшие предсказательные характеристики были обнаружены при концентрациях поверхностно-активного вещества ниже CMC, субмицеллярно.^[15]

Последний тип модели, основанный на молекулярных свойствах растворенного вещества, - это ветвь количественные отношения структура-деятельность (QSAR). QSAR исследования пытаются соотнести биологическую активность наркотики, или класс наркотиков, со структурами. Обычно принимаемый способ усвоения лекарственного средства или его метаболита заключается в разделении на липидные бислои. Дескриптор, наиболее часто используемый в QSAR для определения гидрофобности соединения, - это октанол -коэффициент водного разделения, бревно П.^[16] MLC представляет собой привлекательную и практичную альтернативу QSAR. Когда мицеллы добавляются к подвижной фазе, существует много общего между мицеллярной подвижной фазой / неподвижной фазой и границей раздела биологическая мембрана / вода. В MLC стационарная фаза модифицируется за счет адсорбции мономеров поверхностно-активного вещества, которые структурно подобны мембранным углеводородным цепям в биологической модели. Кроме того, гидрофильные / гидрофобные взаимодействия мицелл аналогичны взаимодействиям в полярных областях мембраны. Таким образом, развитие количественных отношений удержания структуры (QRAR) получило широкое распространение.^[17]

Escuder-Gilabert et al.^[18] протестировали три разные модели удерживания QRAR на ионных соединениях. Были протестированы несколько классов соединений, включая катехоламины, местные анестетики, мочегонные средства, и аминокислоты. Наилучшей моделью, связывающей log K и log P, оказалась модель, в которой общий молярный заряд соединения при заданном pH включается в качестве переменной. Эта модель доказала, что дает довольно точные предсказания log P, р  > 0.9.^[18] Были выполнены другие исследования, в которых разрабатываются прогностические модели QRAR для трициклических антидепрессантов.^[17] и барбитураты.^[16]

Эффективность

Основным ограничением использования MLC является снижение эффективности (уширение пиков), которое наблюдается при использовании чисто водных мицеллярных подвижных фаз.^[19] Было предложено несколько объяснений низкой эффективности. Плохое смачивание неподвижной фазы мицеллярной водной подвижной фазой, медленное массообмен между мицеллами и неподвижной фазой, а также плохой массоперенос в неподвижной фазе были постулированы как возможные причины. Для повышения эффективности наиболее распространенными подходами было добавление небольшого количества изопропиловый спирт и повышение температуры. Обзор Бертода^[19] изучили комбинированные теории, представленные выше, и применили уравнение Нокса, чтобы независимо определить причину снижения эффективности. Уравнение Нокса обычно используется в ВЭЖХ для описания различных вкладов в общее расширение полосы растворенного вещества. Уравнение Нокса выражается как:

ч = An ^ (1/3) + B / n + Cn

Где:

• h = подсчет приведенной высоты пластины (высота пластины / диаметр частиц неподвижной фазы)
• n = приведенная линейная скорость подвижной фазы (скорость, умноженная на диаметр частицы неподвижной фазы / коэффициент диффузии растворенного вещества в подвижной фазе)
• A, B и C - константы, связанные с анизотропией потока растворенного вещества (вихревой диффузией), молекулярной продольной диффузией и свойствами массопереноса соответственно.

Использование Бертодом уравнения Нокса для экспериментального определения наиболее правильной из предложенных теорий привело его к следующим выводам. Течение анизотропия в мицеллярной фазе, по-видимому, намного больше, чем в традиционных гидроорганических подвижных фазах аналогичного вязкость. Вероятно, это связано с частичным закупоркой пор неподвижной фазы адсорбированными молекулами ПАВ. Повышение температуры колонки способствовало снижению вязкости подвижной фазы и количества адсорбированного поверхностно-активного вещества. Оба результата уменьшают член A и количество вихревая диффузия, и тем самым повысить эффективность.^[19]

Увеличение члена B, связанное с продольной диффузией, связано с уменьшением коэффициента диффузии растворенного вещества в подвижной фазе DM из-за присутствия мицелл и увеличением коэффициента емкости k. Опять же, это связано с адсорбцией поверхностно-активного вещества на неподвижной фазе, вызывающей резкое снижение коэффициента диффузии растворенного вещества в неподвижной фазе DS. Снова повышение температуры, теперь в сочетании с добавлением спирта к подвижной фазе, резко снижает количество поглощенного поверхностно-активного вещества. В свою очередь, оба действия уменьшают член C, вызванный медленным переносом массы от неподвижной фазы к подвижной фазе. Дальнейшая оптимизация эффективности может быть достигнута за счет уменьшения скорость потока к одному, очень похожему на полученный из уравнения Нокса. В целом, три предложенных теории, по-видимому, способствовали эффектам наблюдаемой низкой эффективности, и им можно частично противодействовать добавлением органических модификаторов, особенно спирта, и повышением температуры колонки.^[19]

Приложения

Несмотря на снижение эффективности по сравнению с обращенно-фазовой ВЭЖХ, сообщалось о сотнях применений с использованием MLC. Одно из самых выгодных - это возможность напрямую вводить физиологические жидкости. Мицеллы обладают способностью солюбилизироваться белки что позволяет использовать MLC при анализе необработанных биологических жидкостей, таких как плазма, сыворотка и моча.^[1] Martinez et al.^[20] обнаружили, что MLC очень полезен при анализе класса препаратов, называемых b-антагонистами, так называемых бета-блокаторы, в образцах мочи. Основным преимуществом использования MLC с этим типом образцов является значительная экономия времени при подготовке образца. Альтернативные методы анализа, включая обращенно-фазовую ВЭЖХ, требуют длительных процедур экстракции и обработки проб до начала анализа. При использовании MLC часто возможна прямая инъекция со временем удерживания менее 15 минут для разделения до девяти b-антагонистов.^[20]

Другое приложение сравнивало обращенно-фазовую ВЭЖХ с МСХ для анализа десфериоксамин в сыворотке.^[21] Десфериоксамин (ДФО) - это широко используемый препарат для удаления избытка железа у пациентов с хроническим и острым уровнем железа. Анализ ДФО вместе с его хелатный комплексы, Fe (III) DFO и Al (III) ДФО в лучшем случае доказал свою сложность в предыдущих попытках. Это исследование показало, что прямая инъекция сыворотки возможна для MLC, стихи и ультрафильтрация шаг необходим в ВЭЖХ. Этот анализ показал трудности с разделением хелатных соединений DFO и с уровнями чувствительности для самого DFO при применении MLC. Исследователь обнаружил, что в данном случае ВЭЖХ с обращенной фазой была лучшим и более чувствительным методом, несмотря на экономию времени при прямом впрыске.^[21]

Также набирает популярность анализ фармацевтических препаратов с помощью MLC. Селективность и форма пика MLC по сравнению с обычно используемой ионно-парной хроматографией значительно улучшены.^[22] MLC имитирует, но повышает селективность, предлагаемую ионно-парными реагентами для разделения активных ингредиентов в фармацевтические препараты. Для основных лекарственных средств MLC улучшает чрезмерное удлинение пика, часто наблюдаемое при образовании пар ионов. Гидрофильный лекарства часто не удерживаются с помощью традиционной ВЭЖХ, удерживаются с помощью МСХ из-за солюбилизации в мицеллах. Обычно встречаются в лекарствах от простуды, таких как ацетаминофен, L-аскорбиновая кислота, фенилпропаноламин HCL, типепидин хибензат и малеат хлорфенирамина были успешно разделены с хорошей формой пика с использованием MLC. Дополнительные основные лекарства, такие как многие наркотики, такие как кодеин и морфий, также были успешно разделены с помощью MLC.^[22]

Еще одно новое применение MLC включает разделение и анализ неорганические соединения, в основном простые ионы. Это относительно новая область для MLC, но она принесла многообещающие результаты.^[23] Было обнаружено, что MLC обеспечивает лучшую селективность по неорганическим ионам, чем ионообменная или ионно-парная хроматография. Хотя это приложение все еще находится на начальной стадии разработки, существуют возможности для новых, значительно усовершенствованных методов разделения неорганических видов.^[23]

С тех пор, как в 1980 году впервые было сообщено об этом методе, мицеллярная жидкостная хроматография использовалась в сотнях приложений. Этот метод управления мицеллами предоставляет уникальные возможности для решения сложных задач разделения. Несмотря на низкую эффективность MLC, он успешно используется во многих приложениях. Использование MLC в будущем станет чрезвычайно полезным в области физиологических жидкостей, фармацевтических препаратов и даже неорганических ионов. Этот метод оказался лучше, чем спаривание ионов и ионный обмен для многих приложений. По мере того как разрабатываются новые подходы к борьбе с низкой эффективностью MLC, его применение обязательно получит распространение и получит большее признание.

Рекомендации