Molecularly Imprinted Matrices for Electrochromatography

Abstract

This thesis deals with the combination of electrochromatography and molecular imprinting technology. Electrochromatography is characterised by high separation efficiency, simple instrumentation, and minute consumption of sample. As a novel approach to obtain unique selectivity in capillary electrochromatographic systems molecularly imprinted matrices were used. Molecular imprinting technology represents a means to prepare sorbents with affinity for a predetermined ligand by employing a molecular template during the sorbent preparation. The merge of the two techniques include the adaptation of molecular imprinting technology to the capillary dimensions. Three conceptually different adaptation formats were developed and evaluated as stationary or pseudostationary phases in capillary electrochromatography. These were superporous monoliths, microparticles, and coatings. The monoliths was prepared by in situ polymerisation and made superporous to facilitate simple practical usage. The superpores were prepared by a polymerisation interruption method or by the use of a porogenic agent compatible with the molecular imprinting process. Microparticles were prepared by a precipitation polymerisation process and used as a pseudostationary phase by a partial filling method. The coatings were synthesised in situ and limited to the vicinity of the capillary surface by means of a surface coupled radical initiator. Electrochromatographic separation of enantiomers was achieved using all formats of molecularly imprinted polymer. Generally, electrolytes of high organic solvent content in mixture with low pH buffer were found to be suitable. Approaches to improve performance involved different types of electrolyte additives, electrochromatographic parameters, and polymer composition.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vad är analytisk kemi? Den grundläggande frågeställningen för en analytisk kemist är att finna vad för slags ämnen det finns i ett prov och hur mycket det finns av varje ämne. Detta är inte på långa vägar någon lätt uppgift. Det innebär i många fall att alla ämnen måste separeras från varandra för att sedan kunna identifieras. Som tur är så är de flesta ämnen olika varandra. De kan t.ex. ha olika fysikaliska egenskaper såsom olika kokpunkt, elektrisk laddning eller vattenskyende respektive vattenälskande karaktärsdrag. Detta använder den analytiska kemisten sig av för att separera dem från varandra.



Separation - ett bilrace En separation av en blandning av kemiska ämnen kan liknas vid ett bilrace. De tävlande bilarna är olika ämnen som är helt hopblandade vid startlinjen. Banan som skall köras är själva separationsverktyget. Domaren som sitter vid mållinjen är detektorn som registrerar i vilken ordning bilarna dvs. ämnena har separerats genom separationsverktyget. Motorstyrka, däckkvalitet och skickligheten hos förarna är egenskaper som kan liknas vid ämnenas olika fysikaliska egenskaper. Dessa kommer att vara avgörande för i vilken ordning bilarna kommer i mål, alltså i vilken ordning de kommer att separeras. Om det nu är så att två bilar har precis samma motorstyrka, samma däck och lika skickliga förare så kommer det att bli dött lopp dem emellan, och de kommer alltså inte att separeras. Detsamma kan vara fallet hos kemiska ämnen. För att separera dessa måste den analytiska kemisten ta till lite mer sofistikerade knep. Det gäller att få den ena bilen att köra banan långsammare än sin tvillingbil trots att de borde köra den exakt lika snabbt. Man får helt enkelt sätta ut hinder i banan som bara hindrar den ena bilen.



Molekylavtryck hindrar molekyler När det gäller kemiska ämnen, eller molekyler, kan man göra detta genom att tillverka så kallade molekylavtryck av det ena ämnet. Molekylavtryck kan liknas vid handtryck i våt cement som sedan får stelna. Den hand som har gjort avtrycket kommer att passa väldigt bra i det om man sätter dit handen igen, medan handen på någon annan kommer att passa mindre bra beroende på den personens handstorlek. Molekylavtrycken tillverkas inte i cement utan i en plast. Denna plast, som innehåller avtryck av den ena molekylen, kan stoppas in i separationsverktyget. När ämnena transporteras igenom verktyget kommer det ämne som passar bra i avtrycken att hejdas en smula i sin färd mot detektorn. Det beror på att ju bättre ett ämne passar in i ett avtryck desto längre tid sitter det fast där innan det fortsätter sin färd mot detektorn. Det andra ämnet, som inte passar in i avtrycken, kommer inte att hejdas utan kommer snabbare till detektorn än det första ämnet. På så sätt kan två ämnen med samma fysikaliska egenskaper skiljas åt och identifieras.



Baka en kaka Molekylavtrycksteknologin har på senare tid fått stor uppmärksamhet inom forskningsvärlden, inte minst inom den analytiska kemin. Dessutom är att det inte är speciellt svårt att göra molekylavtryck. Det krävs inte någon speciell och komplicerad utrustning och, framför allt, det är möjligt att tillverka molekylavtrycket precis som du vill ha det. Det är ju du själv som väljer vilken molekyl som du skall göra avtryck av! Därmed vet du också vilken molekyl som kommer att fastna bäst i de färdiga avtrycken. Det är egentligen inte svårare att göra molekylavtryck än att baka en kaka. Precis som man blandar mjöl, jäst, socker och mjölk till en smet som får gräddas till en kaka så blandas plastbyggstenar och den molekyl som man vill göra molekylavtryck av. Därnäst låter man plasten bildas, och efter att man har tvättat bort avtrycksmolekylerna så erhålls en plast med en massa avtryck eller avgjutningar av avtrycksmolekylerna i. Nu kan man ju tyvärr inte blanda kakingredienserna hur som helst för att få en god kaka. Man kan inte heller ta vilka plastbyggstenar som helst när man skall göra molekylavtryck, utan det gäller att välja dessa så att man får bra och väl-definierade molekylavtryck i plasten. Det är här kemin kommer in i bilden.



Molekylavtryck Med gott kemiskt kunnande kan man välja plastbyggstenar som kan attraheras av avtrycksmolekylen. Det kan ske genom att en del av plast-byggstenen interagerar med en del av avtrycksmolekylen med någon form av kemiska krafter. Dessa interaktioner kan ske mellan olika så kallade funktionella grupper hos plastbyggstenarna och avtrycksmolekylerna. Är interaktionen tillräckligt stark så kommer plastbyggstenarna att formera sig kring avtrycksmolekylen på ett specifikt sätt som bestäms av deras kemiska funktionalitet. När sedan plasten bildas kommer plastbyggstenarnas läge runt mallmolekylen att frysas och hållas fast. Dessa plastbyggstenar kommer att sitta i precis samma läge även efter det att man har tvättat bort avtrycksmolekylen. Kvar i plasten är då ett molekylavtryck. Ett molekylavtryck är inte bara en avgjutning av molekylens form och storlek utan också av molekylens olika kemiska funktionaliteter. Alltså kan man säga att molekylen passar i avtrycket både till form, storlek och kemi. Det gör att ämnen som har samma form och storlek, men skiljer sig i kemi från avtrycksmolekylen inte kommer att passa riktigt lika bra som avtrycksmolekylen gör.



Ny separationsmetod Det finns en uppsjö av separationsverktyg som den analytiska kemisten kan använda sig av för kemisk analys. En av de modernare metoderna kallas kapillärelektrofores. I kapillärelektrofores sker separationen genom att man låter provämnena vandra igenom ett vätskefyllt tunt rör med ett hål ungefär lika litet som ett hårstrå, en kapillär. Ämnena transporteras genom kapillären genom att en hög elektrisk spänning (30 000 V) läggs över kapillären. Beroende främst på ämnenas olika storlek och laddning kommer de att vandra olika snabbt genom kapillären mot detektorn. Den stora fördelen med kapillärelektrofores är att det är en mycket effektiv separationsmetod. Det innebär att om man väljer betingelserna rätt så kan man separera många ämnen på mycket kort tid. Problemet med att separera ämnen som vandrar med samma hastighet genom kapillären kvarstår dock.



Knyta ihop säcken - lägga fram en avhandling Den här avhandlingen handlar om olika metoder för att kombinera och utnyttja kapillärelektroforesens egenskaper tillsammans med molekylavtryckens. Speciellt viktigt har varit att utveckla format som gör det möjligt att anpassa molekylavtrycksplast till kapillärer. Ett trick som är utvecklat inom arbetet för avhandlingen är att gjuta den molekylavtryckta plasten så att den bildar en porös tvättsvampliknande struktur direkt inuti den hårstråtunna kapillären. Utan denna struktur skulle kapillären täppas till helt och vara obrukbar. En annan metod är att helt enkelt bara klä kapillärrörets innerväggar med en tunn film av molekylavtryckt plast. Ytterligare ett elegant knep är att tillverka plasten med molekylavtryck som små, små pärlor. Dessa pärlor, eller mikrosfärer, är inte större än några hundra miljondels millimeter och kan suspenderas i en vätska och därefter fyllas i kapillärröret. Med dessa kapillärer kan ämnen separeras från varandra mycket snabbt och effektivt med hjälp av kapillärelektrofores samtidigt som de annars oseparerbara ämnena kan separeras genom att man gör ett molekylavtryck av den ena. En annan fördel är att man också vet i vilken ordning de förut oseparerbara ämnena nu separeras, eftersom man vet vilket ämne som passar bäst i avtrycken och därmed kommer att uppehålla sig längre i kapillären. Sålunda har ett så kallat kapillärelektrokromatografiskt separationssystem baserat på molekylavtryck konstruerats, vilket har varit den grundläggande målsättningen med det här avhandlingsarbetet.

• author: Schweitz, Leif
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Freitag, Ruth, Laboratory of Chemical Biotechnology, Department of Chemistry, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, CH-1015 Lausanne, Switzerland
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: Chemical technology and engineering, capillary electrophoresis, enantiomer, film coating, microparticle, continuous bed, monolith, molecular imprinting, capillary electrochromatography, Kemiteknik och kemisk teknologi, Analytical chemistry, Analytisk kemi
• pages: 171 pages
• defense location: Lecture Hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund, Sweden
• defense date: 2001-06-08 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/(TKAK-1020)/1-171(2001)
• ISBN: 91-628-4802-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Capillary electrochromatography with predetermined selectivity obtained through molecular imprinting. Leif Schweitz, Lars I. Andersson, and Staffan Nilsson, Analytical Chemistry 69 (1997) 1179-1183. Article: II. Capillary electrochromatography with molecular imprint-based selectivity for enantiomer separation of local anaesthetics. Leif Schweitz, Lars I. Andersson, and Staffan Nilsson, Journal of Chromatography A 792 (1997) 401-409. Article: III. Three approaches to enantiomer separation of b-adrenergic antagonists by capillary electrochromatography. Staffan Nilsson, Maria Petersson, and Leif Schweitz, Electrophoresis 18 (1997) 884-890. Article: IV. Rapid electrochromatographic enantiomer separations on short molecularly imprinted polymer monoliths. Leif Schweitz, Lars I. Andersson, and Staffan Nilsson, Analytica Chimica Acta 435 (2001) 43-47. Article: V. Molecularly imprinted microparticles for capillary electrochromatographic enantiomer separation of propranolol. Leif Schweitz, Peter Spégel, and Staffan Nilsson, The Analyst 125 (2000) 1899-1901. Article: VI. Molecularly imprinted CEC sorbents: Investigations into polymer preparation and electrolyte composition. Leif Schweitz, Lars I. Andersson, and Staffan Nilsson, submitted to The Analyst (2001). Article: VII. Surface initiated molecularly imprinted polymer coatings for open tubular capillary electrochromatography. Leif Schweitz, manuscript. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004)
• id: f330ee8b-b63f-4b39-a85f-064d71702078 (old id 41709)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:03:22
• date last changed: 2018-11-21 20:56:27