MOJE SRDEČNÍ ZÁLEŽITOST: MONOLITY

Vědecké články | 2020 | Chemické listyInstrumentace
GC, Příprava vzorků, HPLC
Zaměření
Průmysl a chemie
Výrobce

Význam tématu


Monolitické materiály představují porézní pevné fáze tvořené kontinuitou pórů, které kombinují vysokou propustnost, rychlý přenos hmoty konvekcí a širokou variabilitu chemické funkčnosti. Díky těmto vlastnostem jsou monolity klíčové pro moderní chromatografii, mikrofluidické systémy, přípravu vzorků, heterogenní katalýzu či senzory. Jejich struktura umožňuje minimalizovat tlakové ztráty a dosahovat velmi rychlých separací a reakcí, což je výhodné v biotechnologii, farmacii i průmyslové analytice.

Cíle a přehled studie


Článek poskytuje osobní retrospektivu 30letého vývoje monolitických materiálů v podání autora. Popisuje vznik moderních polymerních monolitů koncem 80. let, jejich chemickou různorodost, klíčové milníky a řadu méně známých, avšak inspirativních aplikací v separační chemii i mimo ni. Nejde o klasický systematický review, ale o výběr zajímavých příkladů demonstrujících flexibilitu a potenciál monolitů.

Použitá metodika a instrumentace


Pro přípravu monolitů se uplatňují:
  • In situ fotopolymerizace a termicky iniciovaná polymerizace v kapilárách, discích a vrstvách
  • Fotolitografické postupy, ražení kanálů ve skle či polymerní vstřikování (COC čipy)
  • Roubování funkčních monomerů (azlaktony, thioly, betainy) k zavedení specifických skupin
  • Imobilizace nanočástic (Au, ZnO), metalo-organických frameworků (MOF)
Instrumentace zahrnuje:
  • HPLC systémy s kapilárními a mikrokapilárními kolonkami
  • Kapilární elektrochromatografické přístroje (CEC)
  • Plynové chromatografy schopné vysokotlaké práce (GC až do 7 MPa)
  • MALDI-TOF hmotnostní spektrometry pro detekci proteinů
  • SEM pro morfologickou charakterizaci pórů a nanočástic
  • SERS spektrometry pro povrchově zesílený Ramanův rozptyl
  • Mikrofluidické čipy vyrobené ze skla nebo COC polymerů

Hlavní výsledky a diskuse


Klíčové aplikace monolitů:
  • Reverzně-fázová kapalinová chromatografie: monolity v kapilárách 100 µm i 200 µm umožnily separace bílkovin za průtoky μl/min a gradientní eluce v řádu sekund.
  • Kapilární elektrochromatografie (CEC): plochý elektroosmotický profil vedl k účinnosti nad 10^6 teoretických pater při rozdělování proteinů.
  • Plynová chromatografie (GC): polydivinylbenzenové monolity odolné až 380 °C pro separace lehkých uhlovodíků a alkoholů i z vodných vzorků.
  • Tenkovrstvá chromatografie (TLC): monolitické vrstvy na skle s řízenou tloušťkou pro 1D a 2D separace malých i velkých molekul.
  • Mikrofluidika: UV iniciovaná polymerizace monolitů v kanálech skla a COC čipů pro separace i mixáž kapalin; reaktory s imobilizovanými enzymy v jedné cestě.
  • Imobilizace enzymů: jednoduché roubování azlaktonovými skupinami, glutaraldehydové aktivace i vazba na zlaté nanočástice pro rychlou kontinuitní katalýzu sacharidů.
  • Metalo-organické frameworky (MOF): vrstvená syntéza železo-trikarboxylátových MOF v polymerních pórech pro selektivní sorpci fosfopeptidů a katalýzu Knoevenagelovy reakce.
  • Speciální senzory: planární monolitické SERS substráty pro detekci bakterií E. coli; superhydrofobní vrstvy s řízeným pH-responzivním povrchem;
  • Reaktivní filtrace: azlaktonové disky pro odstranění zbytkových amínů po syntéze.

Přínosy a praktické využití metody


Monolity přinášejí v praxi:
  • Vyšší propustnost a nízké tlakové ztráty umožňující rychlé průtoky a zkrácení času analýz
  • Univerzální funkční modifikace povrchu pro reverzně-fázovou i iontoměničovou separaci
  • Jednoduchou přípravu a reprodukovatelnost bez nutnosti mechanického plnění
  • Výkonnou on-line přípravu vzorku (SPE) s vysokým měrným povrchem či iontovou výměnou
  • Možnost kontinuální enzymové konverze v mikroreaktorech a katalytických systémech
  • Integrované senzory využívající povrchové zesílení Ramanova rozptylu

Budoucí trendy a možnosti využití


Zejména se očekává:
  • Implementace 3D tisku porézních polymerů s počítačově navrženou architekturou pórů
  • Rozvoj nových chemických monomerů a hybridních struktur (MOF, nanočástice)
  • Masová výroba vstřikováním polymerních čipů s integrovanými monolity pro POC aplikace
  • Další miniaturizace a kombinace separace, reakce a detekce v jednom mikrořízení
  • Použití monolitů ve velkobjemových bioprodukčních procesech jako chromatografické kolony a reaktory

Závěr


Monolitické materiály představují stále se rozšiřující rodinu porézních struktur nabízejících efektivní transport, nízké tlakové ztráty a širokou škálu chemických úprav. Jejich využitelnost sahá od rychlých chromatografických separací přes enzymové reaktory až po senzory a povrchové úpravy. Příští generace monolitů bude charakterizována přesnou kontrolou tvaru, velikosti pórů i chemické funkčnosti prostřednictvím pokročilých výrobních technologií, včetně 3D tisku.

Reference


  • Švec F.: Electrophoresis 38, 2810 (2017).
  • Švec F.: Chem. Listy 98, 232 (2004).
  • Klodzinska E. a kol.: J. Chromatogr. A 1109, 51 (2006).
  • Štulík K. a kol.: J. Chromatogr. B 841, 79 (2006).
  • Švec F., Kurganov A. A.: J. Chromatogr. A 1184, 281 (2008).
  • Švec F.: Electrophoresis 27, 947 (2006).
  • Švec F.: J. Chromatogr. B 841, 52 (2006).
  • Mikšík I., Sedláková P.: J. Sep. Sci. 30, 1686 (2007).
  • Jandera P., Hájek T., Staňková M.: Anal. Bioanal. Chem. 407, 139 (2015).
  • Urban J., Jandera P.: J. Sep. Sci. 31, 2521 (2008).
  • Křenková J., Švec F.: J. Sep. Sci. 32, 706 (2009).
  • Švec F., Tennikova T. B., Deyl Z.: Monolithic Materials: Preparation, Properties, and Applications. Elsevier, Amsterdam 2003.
  • Unger K., Tanaka N., Machtejevas E.: Monolithic Silicas in Separation Science. Wiley, Weinheim 2011.
  • Wang P. G.: Monolithic Chromatography and its Modern Applications. ILM Publications, St. Albans, UK 2010.
  • Tennikova T. B., Švec F., Belenkii B. G.: J. Liquid Chromatogr. 13, 63 (1990).
  • Švec F., Fréchet J. M. J.: Anal. Chem. 64, 820 (1992).
  • Xie S. a kol.: Chem. Mater. 10, 4072 (1998).
  • Hilder E. F., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Chromatogr. A 1044, 32 (2004).
  • Lee D., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Chromatogr. A 1051, 53 (2004).
  • Korolev A. A. a kol.: Russ. J. Phys. Chem. 81, 469 (2007).
  • Peroni D. a kol.: J. Chromatogr. A 1268, 139 (2012).
  • Wouters B. a kol.: J. Chromatogr. A 1286, 222 (2013).
  • Lv Y., Švec F.: Anal. Chem. 87, 250 (2015).
  • Levkin P. A., Švec F., Fréchet J. M. J.: Adv. Funct. Mater. 19, 1993 (2009).
  • Urban J., Švec F., Fréchet J. M. J.: Biotechnol. Bioeng. 109, 371 (2012).
  • Švec F., Křenková J.: LC-GC America 26, 24 (2008).
  • Darder M. d. M. a kol.: ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 1728 (2017).
  • Levkin P. A. a kol.: J. Chromatogr. A 1200, 55 (2008).
  • Stachowiak T. B. a kol.: Lab-on-a-chip 6, 1346 (2006).
  • Cao Y. a kol.: Anal. Chim. Acta 896, 111 (2015).
  • Urbanová I., Švec F.: J. Sep. Sci. 34, 2345 (2011).
  • Petr M., Švec F., Fréchet J. M. J.: Biotechnol. Bioeng. 49, 355 (1996).

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

ZANEDBÁVANÉ APLIKACE MONOLITICKÝCH STRUKTUR: POKROČILÉ STUDIE TENKOVRSTVÉ CHROMATOGRAFIE-HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE
MONOLITICKÉ STACIONÁRNÍ FÁZE PRO HPLC. MÍSTO NAROZENÍ: PRAHA
PŘÍPRAVA A APLIKACE MONOLITICKÝCH KOLON JAKO MODERNÍCH SEPARAČNÍCH MÉDIÍ
RYCHLÉ CHROMATOGRAFICKÉ SEPARACE
RYCHLÉ CHROMATOGRAFICKÉ SEPARACE
2019|Waters|Vědecké články