Ordered mesoporous silica in modern versions of solid-phase extraction

Full Text

В последнее время наблюдается тенденция к миниатюризации пробоподготовки и сокращению продолжительности анализа. Наряду с традиционно используемыми жидкостно-жидкостной и твердофазной экстракцией (ТФЭ) при определении ионов и молекул в многокомпонентных матрицах широкое распространение получают новые варианты пробоподготовки. Среди них твердофазная микроэкстракция, дисперсионная ТФЭ, матричное твердофазное диспергирование и др., обсуждению которых посвящено несколько обзоров [1–5].

Современные варианты твердофазной экстракции с применением классических сорбентов получили наибольшее распространение [1]. Традиционно используются нормально-фазовые кремнеземы (силикагели) [6], а также модифицированные обращенно-фазовые сорбенты с привитыми группами С8 и С18 [7] и полимерные материалы [8]. В работе [2] отмечается, что развитие методов пробоподготовки связано с расширением круга сорбентов, в том числе новых материалов на основе оксида кремния, позволяющих повысить степень извлечения аналита или увеличить эффективность их концентрирования. Появление новых классов кремнеземов с упорядоченной наноструктурой позволяет говорить о повышении доступности сорбционных центров для аналитов, доли использованной емкости сорбционного слоя в момент прекращения потока [9]. Особенно это необходимо при реализации ТФЭ в динамических условиях для достижения максимальных значений эффективности сорбционного концентрирования СЕ [10, 11].

С учетом физического смысла СЕ повышение эффективности сорбционного концентрирования важно для увеличения аналитического сигнала за счет концентрирования аналита в единицу времени [10]. Значительно меньшие ограничения в кинетике сорбции ионов и молекул, отмеченные в работах [9, 12–14], позволяют говорить о повышении полноты использования емкости сорбционного слоя упорядоченных мезопористых кремнеземов. В этом случае рост эффективности сорбционного концентрирования сопряжен с повышением отношения количества сорбированного вещества “до проскока” к количеству поступившего в слой компонента [9]. В работе [9] показано, что при динамическом сорбционном концентрировании фосфатидилхолина эффективность (величина CE) выше в несколько раз при использовании наноструктурированных кремнеземов по сравнению с силикагелем. Неупорядоченная структура и неравномерное распределение сорбционных центров на поверхности пор классических сорбентов приводят к значительному размыванию выходных кривых, что не позволяет достигать высокой эффективности концентрирования [9].

Особенности синтеза сорбентов определяют первостепенную роль в формировании их структуры и степени упорядоченности. Кроме того, свойства твердофазных материалов, применяемых на стадиях извлечения, концентрирования и разделения веществ, могут значительно изменяться в зависимости от развитости (удельной площади) поверхности, пористости и распределения пор по размеру. В литературе подробно рассмотрено влияние условий синтеза на структуру кремнеземов [15–20]. Использованию упорядоченных кремнеземов в твердофазной экстракции уделено особое внимание в работе [21]. Однако недостаточно рассматриваются вопросы выбора сорбентов для ТФЭ, в том числе с учетом роли упорядоченности кремнеземов, а также преимущества, которые обеспечивают наноструктурированные материалы.

Новизна упорядоченных кремнеземом осложняет выбор критерия сравнения сорбентов, используемых на стадии концентрирования компонентов. В общем случае концентрирование характеризуется коэффициентом концентрирования, который определяется как отношение концентраций компонента в исходном растворе и в концентрате. Однако в работах по использованию упорядоченных материалов эта величина практически не приводится. Обычно указываются метрологические характеристики определения какого-либо компонента в определенной матрице [22–26]. В некоторых работах [22, 23, 27] рассчитан коэффициент обогащения (Enrichment Factor, EF). В этом случае сложность сравнения сорбентов сохраняется, поскольку EF приводят только для наиболее “эффективного” сорбента [22, 23, 27]. Под “наиболее эффективным” понимается материал, использование которого позволяет достигать наибольшей площади хроматографического пика определяемого компонента [22, 23] или максимальной степени извлечения [24–26].

Чаще всего в литературе не приводится характер изменения аналитических параметров при использовании упорядоченных мезопористых кремнеземов в ТФЭ, а лишь на качественном уровне рассматривается изменение свойств сорбентов как результат варьирования природы матрицы, модификаторов и функциональных привитых групп.

Цель настоящего обзора состоит в обсуждении особенностей изменения сорбционных свойств наноструктурированных кремнеземов, а также выявление их преимуществ для реализации современных вариантов твердофазной экстракции.

СИНТЕЗ УПОРЯДОЧЕННЫХ КРЕМНЕЗЕМОВ

Упорядоченные мезопористые кремнеземы получают золь-гель темплатным методом (рис. 1) [28, 29]. В качестве источников оксида кремния используют алкоксисиланы, коллоидные растворы SiO₂, а также силикаты натрия. Известны работы по синтезу упорядоченных кремнеземов на основе кварца [30], песка [31], золы рисовой лузги [32] и других отходов сельского хозяйства [33]. Применение таких источников оксида кремния значительно повышает экологичность синтеза, а в ряде случаев позволяет организовать безотходные производства [34]. В качестве шаблона применяют поверхностно-активные вещества различной природы. Наиболее часто используют бромид цетилтриметиламмония [15] и блоксополимеры полиэтиленоксид-полипропиленоксид-полиэтиленоксид (Pluronic P123, Pluronic F127) [17, 35]. Варьируя условия синтеза, удается контролировать структуру кремнеземов (кубическая, гексагональная, слоистая), размер пор и частиц, площадь поверхности, плотность поверхностных силанольных групп и др. В качестве альтернативных шаблонов применяют ионные жидкости [36, 37], жирные кислоты [38], фосфолипиды [39, 40] и др. В ряде случаев синтез ведут на смешанных мицеллах [41–43].

Рис. 1. Структура некоторых упорядоченных мезопористых кремнеземов.

Одна из первых работ, посвященных синтезу кремнезема с контролируемым размером пор, была представлена в 1990 г. Курода с соавт. [44]. Материал получали ионообменным методом из полисиликата канемита в присутствии алкилтриметиламмонийных солей с различной длиной углеводородной цепи. В дальнейшем авторам удалось получить более упорядоченные кремнеземы FSM-16 [28].

Особый интерес наноструктурированные кремнеземы вызвали после публикаций группы ученых компании Mobil Oil Corporation [15]. Варьируя условия, были получены кремнеземы с гексагональной (MCM-41), кубической (MCM-48) и слоистой структурой (MCM-50) (рис. 2). Размер пор составил 1.5–10 нм в зависимости от длины цепи структуронаправляющего компонента. Первые упорядоченные мезопористые кремнеземы получали в присутствии ионогенных ПАВ (шаблонов), взаимодействующих с силикатом за счет электростатических сил. Согласно предложенному механизму формирования кремнезема, силикат-ионы конденсировались на уже организованных мицеллах [29]. Однако в последствии было показано, что такие материалы образуются в результате более сложных процессов [45].

Рис. 2. Схема синтеза упорядоченных мезопористых кремнеземов (на примере MCM-41).

Ученые других групп получили новые упорядоченные мезопористые кремнеземы с кубической структурой мезофаз (МСМ-48, KIT-6) [15, 20]. В середине 1990-х гг. был предложен неионный путь синтеза [17]. На основе полиэтиленоксидных ПАВ получены мезопористые кремнеземы MSU-1, MSU-2, MSU-3 [46]. В присутствии нейтральных диаминов с длиной углеводородной цепи от 8 до 12 атомов углерода синтезированы упорядоченные кремнеземы MSU-V [47]. Идея использования в качестве шаблонов неионогенных блоксополимеров привела к появлению материалов серии SBA (Santa Barbara Amorphous) с бимодальной системой из микро- и мезопор [17, 35], размер которых превышал размер мезопор MCM-41 и МСМ-48.

Дальнейшее развитие методов синтеза упорядоченных материалов связано с введением в реакционную среду различных добавок [48–50]. Присутствие в реакционной смеси алканолов (например, бутанола-1) при синтезе упорядоченных кремнеземов может приводить к переходу гексагональной структуры кремнезема в кубическую с существенным изменением распределения и удельной плотности сорбционных центров на поверхности, их сольватации и, как следствие, сорбционных свойств кремнезема в целом. Синтезированные таким образом сорбенты относят к аналогам кремнеземов типа KIT-6 [48].

Важной задачей для обеспечения большой сорбционной способности, высокой скорости сорбции и десорбции аналитов является варьирование размера мезопор при сохранении упорядоченной структуры [51]. Фактор размерности мезопор регулируется природой темплата, условиями синтеза кремнезема, а также добавками, влияющими как на структурообразование шаблона, так и на формирование матрицы кремнезема с участием прекурсоров [52]. В частности, для аналогов МСМ-41 размер мезопор может варьироваться от 2 до 10 нм при использовании ионогенных алкиламинов R-N(СH₃)₃X с числом атомов углерода в алифатической части от 12 до 22 [13] (R = C₁₂Н₂₅, C₁₄Н₂₉, C₁₆Н₃₃, и т.д.; X – анион галогенида или гидроксида). Для синтеза аналогов SBA-15 с размером пор от 4 до 30 нм используют неионогенные ПАВ (например, блоксополимеры Pluronic P123, Pluronic F127) [17]. Изменение размера мезопор кремнеземов может быть реализовано при использовании веществ, влияющих на размер мицелл шаблонов [49]. Добавка 1,3,5-триметилбензола в качестве сорастворителя позволила получить материал типа MCF (Mesostructured Cellular Foam) [50], представляющий собой равномерно расположенные сферические ячейки, образующие непрерывную трехмерную систему пор с размером более 10 нм. Крупные поры, однородные по размеру, обусловливают перспективность разделения крупных молекул на материалах типа MCF. Следует отметить, что размер мезопор, а также ширина распределения пор по размеру особенно важны для кинетики сорбции ионов и молекул, в том числе в динамических условиях. Следовательно, указанные параметры необходимо контролировать для повышения эффективности сорбционного концентрирования, сорбционно-хроматографического разделения аналитов с использованием указанных кремнеземов.

Одним из факторов, определяющим эффективность колонок в хроматографии и эффективность сорбционного концентрирования при твердофазной экстракции, является фракционный состав сорбента, обеспечивающий узкое распределение гранул сорбента по размеру [53]. Псевдоморфная трансформация силикагеля [54, 55] с получением упорядоченных аналогов МСМ-41 является распространенным методом синтеза, позволяющим достигать высокой эффективности сорбционного концентрирования при ТФЭ, а также уменьшения высоты, эквивалентной теоретической тарелке для слоя сорбента при сорбционно-хроматографическом разделении веществ [56].

Мартином и Галарню с соавт. [56] отмечено, что контроль пористости и морфологии при синтезе упорядоченных материалов (например, МСМ-41) позволяет улучшить хроматографические характеристики по сравнению с классическими коммерческими колонками. Очень большая площадь поверхности (~ 1000 м²/г) приводит, с одной стороны, к более высоким временам удерживания (большему числу теоретических тарелок при отсутствии более значительного по сравнению с классическими сорбентами размывания фронта сорбции и ширины пика). С другой стороны, на что обращено внимание авторами работы [56], упорядоченная пористость повышает эффективность колонки для высоких скоростей потока по сравнению с классическими колонками на основе силикагеля, обеспечивая более высокую и однородную молекулярную диффузию. Это дает возможность разделять соединения гораздо быстрее без значительной потери эффективности колонки.

На упорядоченных кремнеземах при сорбционной пробоподготовке в условиях ТФЭ проявляются аналогичные хроматографическим закономерности, связанные с более однородной молекулярной диффузией. Можно полагать, что меньшая дисперсия скорости массопереноса аналита в слое сорбента также приводит к росту отношения количества вещества “до проскока” к количеству поступившего в слой компонента, а следовательно, позволяет предположить, что происходит рост величины эффективности сорбционного концентрирования СЕ [9].

Аналогично хроматографии сорбционное концентрирование микрокомпонента может быть охарактеризовано числом теоретических тарелок в соответствии с моделью теории эквивалентных теоретических тарелок применительно к твердофазной экстракции [57]. Число теоретических тарелок (N) оценивается с учетом относительного объема удерживания (V_R) и стандартного отклонения относительного объема “проскока” вещества (σ_V/V0) на выходной кривой, соответствующего относительной концентрации с / с₀ = 0.159–0.500 и с / с₀ = 0.500–0.841:

$N=V_R\left(V_R-{\sigma }_V\right){\sigma }_V^2$.

Размывание выходной кривой связано с уровнем проскока (рис. 3), поэтому напрямую влияет на величину эффективности сорбционного концентрирования CE [9].

Рис. 3. Типичный вид выходной кривой. V_R – объем удерживания, σ_V – стандартное отклонение объема удерживания вещества при его перемещении в сорбенте.

Вместе с тем Галарню с соавт. [58] показано, что сопротивление массопереносу тесно связано с размером и формой мезопор. Значительные отклонения диаметра мезопор от средней величины могут привести к снижению хроматографической эффективности. Такое часто наблюдается для классических кремнеземов с широким распределением пор по размеру. Также снижение доступности сорбционных центров при уменьшении размера мезопор приводит к более низким величинам числа теоретических тарелок сорбционного слоя. В данном контексте сферические гранулы сорбентов с большими порами, узким распределением пор по размеру и кубической симметрией (высокосвязанная сеть пор, как для МСМ-48) могут быть наиболее подходящей неподвижной фазой для быстрых процессов разделения в ВЭЖХ [58] и для концентрирования аналитов в динамических условиях при ТФЭ.

Модификация поверхности органическими и неорганическими реагентами является одним из направлений вариации сорбционных свойств кремнеземов. Наиболее известным и традиционным подходом модификации силикагелей, получившим широкое распространение, является прививка групп октил-, додецил-, гексадецил- или октадецилсиланов, позволяющих получать обращенно-фазовые кремнеземы С8, С12, С16 и С18. Широкое распространение, в том числе в ТФЭ, получили и кремнеземы с привитыми функциональными (амино-, циано-, диольными и др.) группами. По своим свойствам такие сорбенты часто рассматривают для вариантов нормально-фазовых процессов, в которых сорбент более полярен, чем растворитель. Аналогичные подходы прививки неполярных и функционализированных силанов применяются и для упорядоченных кремнеземов (аналогов МСМ-41, SBA-15 и др.) [59–63]. Модификация кремнеземов с учетом варьирования их сорбционных свойств и применения в различных вариантах ТФЭ проводится путем инкапсулирования, пропитки [64, 65] и химической прививки функциональных групп (графтинг) [59, 66–73]. Подробно модификация упорядоченных кремнеземов органическими реагентами рассмотрена в работе [74]. В настоящее время активно развивается направление модификации упорядоченных кремнеземов ионами металлов для создания комплексообразующих сорбентов [27, 75–77]. В ряде случаев на стадии пробоподготовки применяются кремнеземы без предварительного удаления шаблона из мезопор [78–80].

КЛАССИЧЕСКАЯ ТВЕРДОФАЗНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КРЕМНЕЗЕМОВ

Ряд особенностей наноструктурированных кремнеземов отличает их от традиционно используемых сорбентов, в частности аналоги МСМ-41 и SBA-15 в процессах ТФЭ. В работе [21] авторы обращают внимание на большую площадь поверхности до 1000 м²/г и объем пор более 0.7–1.0 см³/г. Помимо величины удельной площади поверхности, необходимо учитывать полярность поверхности и природу сорбционных центров. Сорбционные свойства твердофазных материалов могут также значительно меняться при варьировании их структуры. В работе [81] изучены сорбционные свойства SBA-15 и аналога со сферическими гранулами (SM) по отношению к одному из гормонов 17b-эстрадиолу. Выявлено, что при использовании немодифицированных кремнеземов SBA-15 и SM извлечение аналита составляет 16 и 84 %, соответственно. Заметное различие в сорбционных свойствах в данном случае связано с природой сорбционных центров (силанольных и силоксановых групп). Методом ²⁹Si ЯМР авторами работы [81] показано, что на поверхности SBA-15 преобладают изолированные силанольные группы (сигнал Q³), в то время как наиболее интенсивный сигнал при анализе SM соответствует поверхностным силоксановым группам (Q⁴). Приведенный пример указывает на то, что в зависимости от условий синтеза и модификации кремнеземов соотношение силанольных и силоксановых групп позволяет регулировать сорбционные свойства твердофазных материалов по отношению к полярным и неполярным сорбатам. Стоит отметить, что схема управления природой сорбционных центров упрощается в случае аналогов МСМ-41 и SBA-15 вследствие упорядоченности их гексагональной структуры.

Наноструктурированные кремнеземы находят применение в качестве сорбентов для ТФЭ в процедурах пробоподготовки и последующего хроматографического определения веществ в экстрактах пищевых и фармацевтических продуктов [24, 81–86]. Важной группой аналитов являются вещества с противораковой активностью. Авторами работы [83] продемонстрирована возможность выделения и очистки природного изотиоцианатного соединения сульфорафана из экстракта брокколи методом твердофазной экстракции с использованием кремнеземов различной степени упорядоченности. Стоит отметить, что кремнеземы SBA-15 с упорядоченной мезопористой матрицей позволяют достигать наибольшей полноты извлечения аналита (до 98 %) по сравнению с традиционно используемыми силикагелем C18, цеолитами ZSM-5, Y, L и содалитом (SOD) [83].

В работе [84] отмечено, что на мезопористых кремнеземах SBA-15 достигается более полное извлечение аналитов по сравнению с силикагелями с привитыми группами октадецилсилана C18 и мезопористым углеродом при твердофазной экстракции тритерпеноидных сапонинов из травянистого растения прострела китайского. Стоит указать, что при сопоставимой с некоторыми другими твердофазными материалами сорбционной емкости SBA-15 обладает значительным преимуществом, связанным с возможностью многократного использования. Авторами работы [84] отмечено, что воспроизводимость результатов определения сапонинов при их твердофазной экстракции на SBA-15 не снижается после пяти циклов использования.

Немаловажен расход сорбентов, применяемых при сорбционном извлечении и концентрировании целевых веществ. Наиболее распространено применение картриджей для ТФЭ с массой сорбента 200 или 500 мг. Высокие коэффициенты распределения аналитов при сорбции на упорядоченных кремнеземах (МСМ-41, SBA-15, UVM-7 и др.) благодаря большой удельной площади поверхности, особенностям распределения сорбционных центров и их сольватации позволяют использовать малые массы сорбента (10–100 мг) при ТФЭ аналитов. В работе [26] изучены сорбционные свойства кремнеземов MCM-41 и UVM-7 при выделении фосфадитилхолина. Кремнезем UVM-7 с упорядоченной бимодальной пористостью обладает максимальной сорбционной способностью к фосфолипиду. Более высокую емкость UVM-7 авторы связывают c высокой плотностью свободных силанольных групп и величиной удельной площади поверхности (S_уд = 1275 м²/г), почти в два раза превышающей аналог MCM-41 (S_уд = 660 м²/г). Отмеченные особенности кремнезема [26] обосновывают перспективность выбора UVM-7 для твердофазной экстракции фосфолипидов из многокомпонентных матриц (в том числе при анализе человеческого молока на содержание фосфолипидов). Применение упорядоченных кремнеземов позволяет определять фосфадитилхолин при концентрациях 150–600 мкг/мл с пределом обнаружения 3.5 мкг/мл. Важным достоинством картриджей, заполненных наноструктурированными аналогами UVM-7, является сохранение удовлетворительной воспроизводимости результатов определения фосфолипидов после 15 циклов использования сорбента (степень извлечения оставалась в интервале 94 ± 4 %).

Так же как для традиционных силикагелей, существенное значение при варьировании сорбционных свойств упорядоченных кремнеземов имеет их модификация прививкой функционализированных силанов. Большое число работ (например, [24, 85, 86]) посвящено твердофазной экстракции различных веществ мезопористыми кремнеземами с привитыми неполярными октадецильными группами. Очевидно, модификация кремнеземов группами С18 способствует реализации распределительного механизма удерживания сорбатов. Вместе с тем стоит отметить улучшения в кинетике процесса экстракции веществ за счет большей доступности упорядоченных мезопор [12]. В работе [12] отмечено, что для наноструктурированного МСМ-41 эффективные коэффициенты диффузии флавоноидов (на примере кверцетина и +(+)-катехина) принимают в 2–5 раз большие значения, чем для силикагелей с широким распределением пор по размеру. Более того, меньшая дисперсия скоростей массопереноса сорбата может быть обусловлена как большей долей сорбционных центров на высокоразвитой (площадь поверхности S_уд = 1000–1250 м²/г) мезопористой поверхности МСМ-41, участвующих в удерживании аналитов, так и узким распределением пор по размеру для упорядоченных кремнеземов.

Селективность сорбентов может быть повышена путем формирования молекулярных отпечатков в структуре сорбента. Авторами работы [25] получен сорбент MCM-41 с молекулярными отпечатками нонилфенола для его твердофазной экстракции из текстильных образцов. Использование при синтезе кремнезема потенциального аналита (в качестве молекулярного отпечатка) позволяет достигать степени извлечения сорбата до 92–95 % и относительно высокого значения коэффициента селективности (α = 2–3). Как отмечено выше, рост величин эффективности сорбционного концентрирования при использовании наноструктурированного сорбента важен для увеличения аналитического сигнала за счет концентрирования аналита в единицу времени. Вместе с тем отсутствие экспериментальных выходных кривых и ряда параметров концентрирования не позволяет по литературным данным оценить параметр СЕ. Использование на стадиях пробоподготовки (с ТФЭ) упорядоченных кремнеземов позволяет на последующих стадиях определения более существенно снижать уровень шумов аналитического сигнала за счет удаления примесных веществ, мешающих определению, и расширять диапазон определяемых концентраций целевых компонентов. Например, авторами работы [25] при определении нонилфенола методом ВЭЖХ с УФ-детектированием отмечена линейность отклика в интервале концентраций 0.25–20 мкг/мл. В то же время более высокий аналитический сигнал при условии бóльшей эффективности сорбционного концентрирования приводит к увеличению коэффициента чувствительности и снижению предела обнаружения аналита до 0.12 мкг/мл.

В условиях твердофазной экстракции при использовании неупорядоченных сорбентов низкие скорость и полнота десорбции аналита обусловлены кинетическими особенностями относительно более медленного процесса массопереноса аналита в динамических условиях, механизмом удерживания аналита (с более высокой энергией связывания с сорбционными центрами), а также медленным установлением сорбционного (распределительного) равновесия. Этих недостатков отчасти лишены варианты ТФЭ на кремнеземах с системой упорядоченных мезопор. Такие наноструктурированные сорбенты обеспечивают относительно более быстрый массоперенос сорбатов и меньшее время установления равновесия (иногда более чем на порядок) [9] за счет более развитой внешней поверхности и доступных сорбционных центров на поверхности мезопор.

СОВРЕМЕННЫЕ ВАРИАНТЫ ТВЕРДОФАЗНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

Твердофазная микроэкстракция. Важной особенностью упорядоченных кремнеземов для использования в современных вариантах твердофазной экстракции является возможность миниатюризации картриджей ТФЭ за счет существенно более развитой поверхности (пропорциональное увеличение сорбционной емкости) и снижения вклада кинетических ограничений сорбции аналита (увеличение эффективности сорбционного концентрирования в динамических условиях). Под твердофазной микроэкстракцией (ТФМЭ) понимается либо ряд методов, в которых используется небольшое количество сорбента (обычно 10–50 мг) [87–89], либо нанесение сорбента на поверхность волокна или иглы микрошприца [79, 90–98]. Малое количество сорбента позволяет расширить возможности традиционных картриджей для твердофазной экстракции [99]. На стадиях пробоподготовки могут реализовываться различные варианты упаковки сорбента. Твердофазная экстракция с упорядоченными кремнеземами в наконечнике дозатора (pipette-tip) успешно применена при определении эндогенных пептидов в плазме человека [100] и эстрадиола в молоке [87].

Особенностью другого варианта твердофазной микроэкстракции является непрерывное перемешивание, позволяющее повысить площадь поверхности сорбента, контактирующую с пробой. Такой подход предполагает применение мешалки вместе с сорбентом внутри полипропиленовой мембраны. Использование варианта ТФЭ с перемешиванием позволяет расширить диапазон линейности градуировочных зависимостей для определения веществ (например, фенольных соединений) на порядок по сравнению с традиционными способами пробоподготовки. В работе [101] реализовано определение содержания нитрозаминов в косметических средствах методом ТФМЭ с перемешиванием на SBA-15, допированным церием, с последующим ГХ-МС-определением. При оптимизации количества допанта, массы сорбента, типа и объема элюента степень извлечения может быть повышена до 80–100 % [101], расширен диапазон линейности до 10–1000 нг/мл, а пределы обнаружения при пробоподготовке с твердофазной микроэкстракцией могут быть снижены до нескольких нг/мл (2.7–3.4 нг/мл по данным [101]). Стоит отметить, что использование наноструктурированного кремнезема позволяет достичь высокой полноты извлечения в более широком диапазоне концентраций по сравнению с углеродными нанотрубками и карбоксен/полидиметилсилоксановым (CAR/PDMS) волокном [101].

Использование кремнеземов в водных растворах ограничено конкурентной сорбцией молекул воды [74]. В то же время упорядоченные кремнеземы могут применяться в вариантах ТФЭ как в неполярных средах, так и в водных растворах вследствие особенностей формирования матрицы и распределения сорбционных центров на поверхности и, как результат, более высокой гидрофобности. Авторы работ [102, 103] продемонстрировали возможность определения фенольных соединений в воде при их твердофазной микроэкстракции с перемешиванием на SBA-15 с различными привитыми органическими группами. Коэффициенты концентрирования фенольных соединений на упорядоченных кремнеземах составили 20–30.

В ряде работ под ТФМЭ понимают вариант пробоподготовки, основанный на зависимости сорбции веществ от температуры [92–94, 104, 105]. Метод состоит в адсорбции аналитов на поверхности сорбента с последующей десорбцией при более высоких температурах. Одно из основных преимуществ такого варианта ТФМЭ – отсутствие необходимости количественного извлечения целевых компонентов из пробы. Достаточно выполнение линейного соотношения между количеством сорбируемого аналита и его концентрацией в анализируемом образце. Авторы работы [105] отметили, что к достоинствам метода относятся цилиндрическая геометрия волокон, обеспечивающая легкий доступ аналитов к поверхности упорядоченного кремнезема, а также отсутствие необходимости в полной десорбции сорбатов.

В твердофазной микроэкстракции, как и в классических вариантах ТФЭ, большую роль играют наноструктура сорбента, его удельная площадь поверхности и распределение сорбционных центров по поверхности (в том числе внутри мезопор). Если структура твердофазного материала (в том числе степень ее упорядоченности, тип мезофазы) определяет кинетические особенности сорбции аналита (способствует изменению эффективности сорбционного концентрирования в динамических условиях), то удельная поверхность кремнезема влияет на сорбционную емкость, возможность варьировать рабочий диапазон концентраций аналита.

Выше отмечено, что не всегда корректно проводить выбор сорбента на основании только степени извлечения определяемых веществ. Авторами работы [92] рассмотрена твердофазная микроэкстракция алифатических аминов из воздуха и грибов при варьировании структуры и размера пор упорядоченных кремнеземов. Площадь поверхности, по мнению авторов, не всегда является фактором, определяющим сорбционные свойства твердофазного материала. При использовании кремнеземов MCM-41 с удельной площадью поверхности 1180 м²/г степень извлечения аминов достигает только 60 %. В то же время для аналогов KIT-6 и SBA-15 (S_уд = 970 м²/г и S_уд = 760 м²/г, соответственно) степень извлечения аналитов близка к 100 %. Различие в полноте извлечения аналитов авторы работы [92] связывают прежде всего с размером пор, который для KIT-6 и SBA-15 составляет около 8 нм, в то время как в случае MCM-41 – 4 нм. Для достижения высоких значений степени экстракции аналита важной является доступность для него внутренней поверхности сорбента. Однако, как отмечено выше, количественное извлечение определяемых веществ в твердофазной микроэкстракции не является необходимым условием. Более важным свойством сорбентов, особенно при необходимости определения веществ в многокомпонентных матрицах, является селективность сорбента. В работе [92] показано, что при анализе реальных объектов твердофазные материалы с относительно широкими мезопорами (KIT-6 и SBA-15) при высокой сорбционной емкости (значительном объеме и диаметре мезопор) обладали низкой селективностью к извлекаемым веществам. Напротив, выбор MCM-41, с учетом условий реализации ТФМЭ и модификации сорбента, позволяет экстрагировать из сложных смесей преимущественно целевые вещества. В этом случае проявляется ситовый эффект упорядоченных сорбентов при варьировании размера мезопор.

Аналогично особенностям использования сорбентов в классических вариантах ТФЭ в ТФМЭ получили распространение модифицированные упорядоченные кремнеземы. В качестве сорбента в твердофазной микроэкстракции при определении полициклических ароматических углеводородов успешно применяется SBA-15-C8 [93, 94]. В работе [93] показано, что на волокне SBA-15 с привитыми октильными группами С8 извлекается в 2–5 раз больше аналита по сравнению с коммерческим полидиметилсилоксаном.

Твердофазная микроэкстракция часто используется на стадии пробоподготовки с последующим газохроматографическим определением веществ. В работе [95] ароматические углеводороды определяли с предварительным извлечением на SBA-15-C8 методом ВЭЖХ с УФ-детектированием. Показано, что после стадии пробоподготовки (в варианте твердофазной микроэкстракции) иглу с извлеченным аналитом для его десорбции помещают в статическую камеру с последующим определением аналита методом ВЭЖХ. В этом случае перед вводом пробы для извлечения аналита из сорбента достаточно 5 мин в условиях контакта с подвижной фазой в инжекторе. Сокращение времени десорбции обусловлено достоинствами упорядоченной наноструктуры сорбента, а именно доступностью для аналитов пространства мезопор.

Расширением возможностей ТФМЭ является вариант онлайн пробоподготовки с соединением трубки, заполненной сорбентом, и с включением в систему газового [54, 96] или жидкостного [97, 98, 106] хроматографа (in-tube solid phase extraction). В таком варианте пробоподготовки важна возможность многократного использования. В работе [97] показано, что после более чем 120 анализов трубка сохраняет сорбционные свойства с удовлетворительными метрологическими характеристиками определения аналитов.

Твердофазное матричное диспергирование. В большинстве вариантов твердофазной экстракции предполагается предварительное извлечение определяемых веществ растворителями [107]. Эта стадия не требуется в методе матричного твердофазного диспергирования, который состоит в непосредственном добавлении сорбента к жидкому или твердому анализируемому образцу [108]. Пробу смешивают и диспергируют с сорбентом, при этом происходит распределение веществ на частицах сорбента малого размера. Для извлечения мешающих компонентов полученную смесь переносят в картридж, заполненный тем же самым или другим сорбентом. Аналиты десорбируют подходящим элюентом для последующего определения [109]. Несомненным достоинством микроэкстракции матричным твердофазным диспергированием является небольшая масса исследуемого образца (около 20 мг), малые объемы растворителя для элюирования аналитов (около 0.5 мл 75 %-го этанола по данным [88]), а время экстракции составляет 2–5 мин. По сравнению с другими вариантами ТФЭ, указанный подход позволяет существенно сократить продолжительность пробоподготовки, а также расход реагентов и существенно уменьшить количество анализируемого образца [4, 109].

Последние десять лет наноструктурированные кремнеземы находят широкое распространение в вариантах микроэкстракции матричным твердофазным диспергированием. Стоит указать, что развитая наноструктура кремнеземов (аналогов МСМ-41 и SBA-15) со значительной площадью поверхности, узким распределением мезопор по размеру определяет достоинства указанных сорбентов и перспективность их применения на стадиях пробоподготовки при анализе реальных объектов пищевых, фармацевтических, химических производств и продуктов сельского хозяйства. В работе [110] показано, что вариант матричного твердофазного диспергирования аналитов на MCM-41 и MCM-48 может быть использован для определения пестицидов в плодовых культурах.

В серии публикаций Cao с соавт. [111–113] рассмотрено определение флавоноидов в различных объектах с пробоподготовкой в варианте матричного твердофазного диспергирования на мезопористых кремнеземах с кубической и гексагональной структурой. В работе [111] для определения флавоноидов в зубной пасте и слюне в качестве сорбента использовали упорядоченный кремнезем с кубической структурой типа KIT-6. Степень извлечения флавоноидов в этих случаях составила более 90 %. Упорядоченная структура кремнезема позволяет достигать более высоких степеней извлечения по сравнению с нормально-фазовым силикагелем и обращенно-фазовым сорбентом с привитыми группами C18.

В случае матричного твердофазного диспергирования определяющим фактором повышения полноты извлечения аналита является доступная внешняя и внутренняя поверхность сорбента. Сорбционные свойства упорядоченных кремнеземов с мезопорами размером 3–4 нм (MCM-41, MCM-48), как отмечено выше, определяются прежде всего внешней поверхностью и слабо зависят от типа структуры [110]. Увеличение размера пор до 5–10 нм (SBA-15 и KIT-6) при переходе от гексагональной к кубической симметрии приводит к заметным различиям сорбционных свойств упорядоченных кремнеземов [112]. В рассматриваемом варианте ТФЭ предполагается адсорбция веществ преимущественно на внешней поверхности МСМ-41 и МСМ-48. Для SBA-15 и аналогов с мезопорами большего размера удерживание аналитов в значительной степени происходит на сорбционных центрах внутри мезопор, что сказывается на кинетике сорбции. В этом случае важно учитывать стадию десорбции, позволяющую оценить полноту извлечения аналита, а также возможность повторного использования сорбента.

Важно учитывать также механизм удерживания веществ (адсорбционный, распределительный, ионообменный, эксклюзионный и др.). Каждый из них может быть реализован при сорбции веществ с учетом природы (полярности) сорбатов, его растворимости в контактирующих фазах, состава растворителя. Авторы работы [88] показали, что в случае SBA-15 достигается количественная десорбция аналитов (степень извлечения по данным [88] составила 96.8–104 %) за счет слабого связывания аналитов с наноструктурированным диспергирующим материалом. В то же время извлечение веществ классическими сорбентами, такими как Florisil PR, alumina-B, AZO и C18, осложняется невысокой степенью десорбции с поверхности традиционно используемых оксидов алюминия и силикагеля с привитыми октадецильными группами [88].

Дисперсионная твердофазная экстракция (дТФЭ). Одним из требований в твердофазной экстракции для сохранения высокой эффективности концентрирования и расширения интервала рабочих концентраций аналита является равномерная упаковка сорбента в картридже и однородное распределение частиц по размерам [114]. Несоблюдение этих требований осложняет диффузию компонентов пробы. Дисперсионный вариант твердофазной экстракции за счет внесения сорбента непосредственно в анализируемый раствор увеличивает площадь контакта с аналитами [3]. По сравнению с другими вариантами ТФЭ, это способствует снижению необходимых количеств пробы, растворителей, массы сорбента и сокращению продолжительности анализа [114].

Метод дисперсионной твердофазной экстракции изначально предложен только для очистки пробы и устранения влияния матрицы [3]. В работе [115] дТФЭ используют для пробоподготовки при извлечении тетрациклинов из молока и поверхностных вод с последующим определением методом ВЭЖХ с диодно-матричным детектированием.

Дисперсионная твердофазная экстракция с использованием упорядоченных кремнеземов также успешно применяется для определения полициклических ароматических углеводородов в подземных водах [116], фенольных соединений в плодах земляничного дерева [117], полифенолов в соках и смузи [114], ионов марганца в воде, гиппуровой и метилгиппуровой кислот в моче человека [89] и др. В работе [118] определяли кетоконазол и вориконазол в биологических жидкостях при пробоподготовке методом дТФЭ на MCM-41 с последующим ВЭЖХ-МС/МС-определением. Использование на стадии пробоподготовки наноструктурированного кремнезема при относительно малых массе сорбента (m = 20 мг) и объеме растворителя (V = 200 мкл) позволяет расширить диапазон линейности аналитического сигнала при концентрациях кетоконазола и вориконазола в интервале 0.1–10 мкг/л.

В варианте дисперсионной ТФЭ для повышения селективности и сорбционной емкости наряду с нормально-фазовыми кремнеземами используют сорбенты с привитыми функциональными группами. В работе [116] SBA-15, модифицированный аминопропильными, фенильными, октильными и октадецильными группами, применяется в дисперсионной микротвердофазной экстракции полициклических ароматических углеводородов из подземных вод из мониторинговых скважин автозаправочных станций. Использование наноструктурированных сорбентов SBA-15-C8 с последующим ГХ-МС-определением позволяет достичь минимально определяемых концентраций аналитов от 0.15 до 3.0 мкг/л.

Выше отмечено, что в процессах ТФЭ существенное значение могут иметь как размер мезопор, величина удельной площади поверхности, так и структура (симметрия) сорбента. МСМ-48 относится к материалам с кубической (Iad) структурой мезофаз [119]. Наряду с сорбентами МСМ-41 и SBA-15 (с гексагональной структурой мезопор), аналоги MCM-48 могут быть использованы в дТФЭ для извлечения токсичных веществ из воды [120]. При сорбции молекул гормонов (эстриола, 17b-эстрадиола, эстрона), а также бисфенола А прививка функциональных групп (амино –NH₂, фенильных –Ph, октадецильных –C18, аминопропилтриметилсилильных –APTMS) приводит к росту полноты извлечения в ряду MCM-48 < MCM-48-NH₂ < MCM-48-Ph < MCM-48-C18 < некальцинированный MCM-48 < MCM-48-APTMS. При извлечении менее полярных алкилпроизводных фенола заметных различий между сорбентами не наблюдается.

В дисперсионной ТФЭ находит применение наноструктурированный материал KIT-6 (с кубической структурой), синтезированный на основе неионогенного темплата Pluronic P123. Сорбент KIT-6, функционализированный аминогруппами, применен [89] для экстракции гиппуровой и метилгиппуровой кислот из мочи человека. Дополнительное сокращение времени экстракции достигнуто авторами при ультразвуковой обработке за счет ускорения массопереноса и диффузии аналитов в сорбентах. Относительное извлечение аналитов при этом составило 99.6–104.0 % [89]. Открытые каналы мезопористых кремнеземов KIT-6 значительно снижают сопротивление массопереносу сорбатов. Авторы работы [89] отмечают более высокую скорость диффузии в порах KIT-6 по сравнению с другими упорядоченными кремнеземами (SBA-15 и MCM-41).

Существенное влияние на сорбционные свойства кремнеземов при их использовании в вариантах дТФЭ оказывают особенности матрицы (толщины стенок, распределение и природа сорбционных центров). Авторами работы [114] синтезирован мезопористый кремнезем с червеобразными порами (HMS), модифицированный октадецилсиланом (C18). Кремнеземы типа HMS обладают более толстыми стенками по сравнению с SBA-15 и, соответственно, являются более стабильными к воздействию агрессивных сред. В работе [114] показана применимость сорбентов HMS в вариантах дТФЭ при извлечении широкого круга полифенолов (более 20 соединений различной природы и структуры) из фруктово-овощных соков и смузи. Применение наноструктурированных кремнеземов с большой удельной площадью поверхности мезопор на стадии пробоподготовки в методе УВЭЖХ-МС позволило авторам осуществить экспресс-определение веществ (менее чем за 10 мин). Мезопористая структура HMS обеспечивает более высокую полноту извлечения R аналита (до 99 %) по сравнению с коммерчески доступным аморфным силикагелем C18 (для большинства аналитов R < 50 %).

В работе [121] показано, что при классическом варианте твердофазной экстракции аналитов из тимьяна упорядоченными мезопористыми кремнеземами с привитыми сульфогруппами более высокая степень извлечения достигается на однородных по размеру частицах SBA-15 по сравнению с HMS (гексагональный мезопористый кремнезем с “червеобразными” порами). Частицы последнего близки к сферической форме, но заметно различаются по размерам гранул, так как в условиях синтеза HMS не всегда удается синтезировать материалы с узким распределением частиц по размеру. При дТФЭ, напротив, рост полноты извлечения наблюдается при переходе от SBA-15 (S_уд = 560 м²/г) к упорядоченному кремнезему HMS с большей величиной удельной площади поверхности (S_уд = 710 м²/г).

Одним из перспективных направлений расширения возможностей вариантов дисперсионной ТФЭ является модификация упорядоченных кремнеземов ионными жидкостями. В работе Си с соавт. [122] продемонстрировано использование в дТФЭ упорядоченного мезопористого кремнезема, функционализированного имидазолиевой ионной жидкостью при определении индолпроизводных алифатических кислот в женьшене. Указанная модификация упорядоченного материала способствует более полному извлечению азотсодержащих гетероциклических аналитов по сравнению с исходным кремнеземом и коммерческими сорбентами, включающими силикагель, C18, SCX, MCX, NH₂, Al₂O₃ [122]. Обращают на себя внимание диапазон линейности (0.05–22.5 нг/г) и пределы обнаружения (3–8 нг/кг) с сохранением метрологических характеристик определения целевых веществ после пяти циклов сорбции–десорбции.

Для повышения селективности (специфичности) сорбентов в вариантах ТФЭ часто прибегают к иммобилизации модификаторов (например, циклодекстринов). В работе [117] описано применение гибридных мезопористых кремнеземов с крупными порами, функционализированных β-циклодекстрином для дисперсионной твердофазной экстракции полифенолов из плодов земляничного дерева. Авторы указывают на преимущества варианта дТФЭ по сравнению с классической ТФЭ, в том числе благодаря использованию β-циклодекстринфункционализированного мезопористого кремнезема. Пробоподготовка с указанным сорбентом позволяет существенно повысить степень извлечения определяемых соединений (до 73–102 %) из сложных матриц [118].

Частным случаем дисперсионной ТФЭ является метод QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe – быстро, просто, дешево, эффективно, надежно и безопасно), в котором после жидкостной экстракции и дисперсионной твердофазной экстракции для детектирования используется газовая или жидкостная хромато-масс-спектрометрия [114, 123, 124]. За счет высокой чувствительности детектирования не требуется испарение растворителя для дополнительного концентрирования пробы. В качестве параметра сравнения сорбентов в данном варианте пробоподготовки часто рассматривается изменение отношения сигнал/шум [123, 125]. В работе [123] рассмотрены особенности модификации SBA-15 и применения в дТФЭ при определении полихлорированных дифенилов и полиароматических углеводородов в клубнике. Кремнеземы с привитыми группами N-[3-(триметоксисилил)пропил]анилина (SBA-15-AN) позволяют улучшить соотношение сигнал/шум на 20 % по сравнению с коммерчески доступным сорбентом PSA (первичный/вторичный амин), наиболее часто применяемым в методе QuEChERS.

Искара с соавт. [124] использовали в пробоподготовке QuEChERS мезопористые кремнеземы и их аналоги, модифицированные аминогруппами, для экстракции биологически активных веществ из трав. В случае наноструктурированных сорбентов с привитыми аминогруппами отмечается улучшение метрологических характеристик определения веществ (пределы обнаружения составили 0.7–2.8 мкг/кг) по сравнению с немодифицированным упорядоченным кремнеземом и традиционным сорбентом (PSA).

Еще одним вариантом дТФЭ является магнитная ТФЭ, в которой сорбенты представляют собой нанокомпозиты на основе магнетита. Извлечение сорбента с удерживаемыми аналитами из суспензии проводится с помощью магнита, что позволяет дополнительно сократить продолжительность пробоподготовки. Композиты на основе упорядоченных мезопористых кремнеземов успешно применены в магнитной ТФЭ [80, 126–130]. Авторы работы [127] отмечают, что, несмотря на низкую чувствительность определения веществ методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектированием, за счет высокой сорбционной способности нанокомпозита Fe₃O₄/MCM-41-NH₂ удается достичь относительно низких величин пределов обнаружения (0.2–0.9 мкг/л) при определении парабенов в косметических средствах.

* * *

Проанализированы опубликованные за последние 10–20 лет работы, рассматривающие применение наноструктурированных кремнеземов в вариантах твердофазной экстракции (классической ТФЭ, ТФМЭ, матричном твердофазном диспергировании, дисперсионной ТФЭ, магнитной ТФЭ и др.) на стадиях извлечения, концентрирования веществ для их последующего определения в сложных многокомпонентных матрицах. Отмечено улучшение сорбционных свойств упорядоченных кремнеземов (МСМ-41, МСМ-48, SBA-15, KIT-6, UVM-7, HSM и др.) по сравнению с традиционными сорбентами (силикагелями, цеолитами, полимерными материалами), особенно при сорбции целевых компонентов в динамических условиях. Указанные наноструктурированные кремнеземы рассмотрены в вариантах ТФЭ для повышения полноты извлечения аналитов, снижения пределов обнаружения, расширения диапазона определяемых концентраций веществ. Преимущества упорядоченных кремнеземов с гексагональной и кубической структурой мезофаз достигаются за счет более высокой сорбционной емкости материалов с развитой поверхностью (до 1000 м²/г), при большом объеме мезопор (до 1 см³/г) и узким распределением мезопор по размеру.

В зависимости от природы определяемых веществ, матрицы пробы, варианта пробоподготовки в качестве сорбентов для ТФЭ важно использовать кремнеземы, дающие возможность варьировать плотность поверхностных силанольных групп, величину удельной площади поверхности или размер пор. В случае твердофазной микроэкстракции определяющим является размер мезопор. При матричном твердофазном диспергировании необходима высокоразвитая внешняя поверхность сорбента.

Варьирование вариантов ТФЭ, условий диспергирования анализируемого образца с сорбентом дает возможность управлять полнотой извлечения сорбата из матрицы. В дисперсионной ТФЭ при использовании наноструктурированных материалов удается уменьшить продолжительность пробоподготовки, существенно снизить пределы обнаружения веществ, несмотря на отсутствие необходимости полного извлечения аналита из пробы. Отмечено значительное улучшение метрологических характеристик методик определения веществ при комбинировании вариантов ТФЭ (с упорядоченными кремнеземами) с методами ВЭЖХ и ГХ.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках госзадания вузам в сфере научной деятельности на 2023–2025 гг., проект FZGU-2023-0009.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

A. S. Zavalyueva

Author for correspondence.
Email: a-kh-01@yandex.ru
Russian Federation, 1, University Square, Voronezh, 394018

S. I. Karpov

Email: karsiv@mail.ru
Russian Federation, 1, University Square, Voronezh, 394018

N. A. Zatonskaya

Email: a-kh-01@yandex.ru
Russian Federation, 1, University Square, Voronezh, 394018

V. F. Selemenev

Email: a-kh-01@yandex.ru
Russian Federation, 1, University Square, Voronezh, 394018

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Structure of some ordered mesoporous silicas.

Download (96KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Scheme of synthesis of ordered mesoporous silica (on the example of MCM-41).

Download (144KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Typical view of the output curve. VR - retention volume, σV - standard deviation of the retention volume of the substance as it moves in the sorbent.

Download (23KB)

Indexing metadata