Хроматофокусирование: новые подходы в концентрировании и разделении

Содержание

Слайд 2

Градиенты рН Доколоночные (внешние) - Только подвижные фазы - Необходимы смесители

Градиенты рН

Доколоночные (внешние)
- Только подвижные фазы
- Необходимы смесители и т.д.
[пример

узла установки
“Waters ALC-100”, 1978 г.]

Внутриколоночные (внутренние)
- Подвижные полибуферные фазы + сорбент
- Оборудование для изократического элюирования

Слайд 3

Хроматофокусирование (ХФ) Метод ионообменной хроматографии, основанный на формировании линейного градиента рН

Хроматофокусирование (ХФ)

Метод ионообменной хроматографии, основанный на формировании линейного градиента рН внутри

колонки (L.Sluyterman; Uppsala, 1979-81)
объекты: биологические биполярные соединения (белки, ферменты, и т.д.)

Техника получения градиента рН в уравновешенной стартовым раствором СР колонке (рН1) при пропускании буферного элюента Э (рН2)
Слабоосновный анионообменник (-NR2) – нисходящий градиент;
Слабокислотный катионообменник (-COOH)- восходящий градиент

Слайд 4

Техника хроматофокусирования (ХФ)

Техника хроматофокусирования (ХФ)

Слайд 5

Фокусирующий эффект при разделении биполярных соединений (из книги “Хроматофокусирование полибуфером на ПБИ”, Stockholm-Uppsala, 1982)

Фокусирующий эффект при разделении биполярных соединений (из книги “Хроматофокусирование полибуфером на

ПБИ”, Stockholm-Uppsala, 1982)
Слайд 6

Преимущества хроматофокусирования не требуется дополнительное оборудование (градиентный насос, система смесителей); высокая

Преимущества хроматофокусирования

не требуется дополнительное оборудование (градиентный насос, система смесителей);
высокая нагрузочная емкость

колонок, концентрирование и разделение на одной колонке;
высокая воспроизводимость градиентов (sr≤0,02), широкий рабочий интервал рН (до 4-5 ед.);
фокусирующий эффект (для биполярных соединений)


НО:
основное ограничение – полиамфолитные элюенты

Слайд 7

Новые направления ХФ 1. Техника ХФ для концентрирования и разделения переходных

Новые направления ХФ

1. Техника ХФ для
концентрирования и
разделения
переходных металлов

3. ХФ

пептидов
на сульфокатионитах
(не имеют буф. емкости)

2. Поиск простых
подвижных фаз
для ХФ (одно-,
двухкомпонентные

Слайд 8

1. Хроматофокусирование ионов переходных металлов Анионообменные сорбенты: PBE-94 (Pharmacia); кремнеземы (Силохром,

1. Хроматофокусирование ионов переходных металлов

Анионообменные сорбенты: PBE-94 (Pharmacia); кремнеземы (Силохром, Силасорб)

с привитыми олигоэтиленаминами – En-, Dien-, Tetren-; AP- (аминопропил-)
Катионообменные сорбенты: полимеры (МГЦ, ССПС и ПММА) с привитыми карбоксильными группами
-СООН, -СН2СООН
Удерживание ионов металлов за счет комплексообразования при более высоких рН и элюирование при плавном снижении рН в слое сорбента (концентрирование и разделение)
Слайд 9

Комплексообразующие сорбенты для ХФ ионов металлов (впервые – нисходящие градиенты рН на карбоксильных сорбентах) [12 сорбентов]

Комплексообразующие сорбенты для ХФ ионов металлов (впервые – нисходящие градиенты рН на

карбоксильных сорбентах) [12 сорбентов]
Слайд 10

Хроматофокусирование (ХФ) ионов металлов на анионообменных сорбентах сорбент - а) PBE-94;

Хроматофокусирование (ХФ) ионов металлов на анионообменных сорбентах сорбент - а) PBE-94; б)

Tetren-SiO2 (колонка 300х9 мм) СР - 25 мМ Трис-HCl (pH 7,5), Э - 1:8 Полибуфер-74 (pH 3,3), 1 мл/мин Детектирование - по реакции с ПАР (540 нм)
Слайд 11

Разделение и концентрирование ионов металлов сорбент MacroPrep 50 CM (50 мкм,

Разделение и концентрирование ионов металлов

сорбент MacroPrep 50 CM (50 мкм, 50x4,6

мм)
СР: 10 мМ Трис-HCl (pH 7,5), IСР: 0,1 (NaCl)
Э: 0,5 мМ лимонная к-та (pH 3,4), IЭ: 0,1 (NaCl); 1 мл/мин
Детектирование: УФ (254 нм)

сорбент MN (5 мкм, 50x4,6 мм)
СР: 10 мМ Трис-HCl (pH 7,1), IСР: 0,05
Э: 1 мМ лимонная к-та (pH 3,3), IЭ: 0,05;
1 мл/мин
Проба: 2 х 10-5 М Cu2+, 30 мл
Детектирование: УФ (254 нм)

Слайд 12

Концентрирование ионов переходных металлов

Концентрирование ионов переходных металлов

Слайд 13

Техника индуцирования: введение конц. индуцирующего раствора ИР (рН2) в поток разбавленного

Техника индуцирования: введение конц. индуцирующего раствора ИР (рН2) в поток разбавленного

буферного элюента Э (рН1) (K.Slais; Brno, 1992-94; А.Иванов, 1994-95) → сокращение времени в 3-4 раза
Слайд 14

Разделение ионов металлов с индуцированным градиентом рН сорбент - а) Dien-SiO2

Разделение ионов металлов с индуцированным градиентом рН

сорбент - а) Dien-SiO2 (100-120

мкм, 150х2 мм); б) Tetren-SiO2
ИР – 1 мл 100 мМ Na2B4O7,
Э – а) 10 мМ (6-аминогексановая к-та + гистидин); 0,2 мл/мин; б) 20 мМ,
Детектирование - по реакции с ПАР (540 нм)
Слайд 15

2. Новые простые подвижные фазы для хроматофокусирования Традиционно – полиамфолитные элюенты

2. Новые простые подвижные фазы для хроматофокусирования

Традиционно – полиамфолитные элюенты (“полибуферы”)
Преимущества:

постоянная буферная емкость в широком диапазоне рН → широкий рабочий интервал рН
Но:
сложный синтез, высокая стоимость,
низкая устойчивость к биодеградации;
трудно отделять от белков и пептидов;
высокий УФ-сигнал
Слайд 16

Подходы к поиску подвижных фаз – стартовых растворов и элюентов эмпирический

Подходы к поиску подвижных фаз – стартовых растворов и элюентов

эмпирический -

экспериментальная проверка смесей кислот, оснований и амфолитов – до 20 - 25 компонентов (Hutchens, 1985-86)

на основе моделирования (учет свойств сорбентов, активных компонентов подвижных фаз, наличие сильного электролита):
сорбент – полифункциональный, полиэлектролитный
СР – слабое основание + электролит (NaCl)
Э – слабая кислота + основание + электролит (NaCl)

Слайд 17

2.1. Как избавиться от подъема рН на нисходящем градиенте? IЭ

2.1. Как избавиться от подъема рН на нисходящем градиенте? IЭ <

IСР сорбент Tetren-SiO2 (7,5 мкм, 1 мМ/г, 250x4,6 мм) СР: 25 мМ Трис-10 мМ H2C2O4 (pH 7,5), IСР: 1 - ~0; 2 - 0,1; 3 - 1 Э: 20 мМ H2C2O4 -22 мМ Трис (pH 3,5), IЭ: ~0,05
Слайд 18

Нисходящие градиенты рН в анионообменных колонках полифункциональные сорбенты с полиэлектролитными свойствами;

Нисходящие градиенты рН в анионообменных колонках

полифункциональные сорбенты с полиэлектролитными свойствами;
элюенты

с минимальным содержанием слабых оснований;
IЭ < IСР

для формирования плавного градиента ионную силу элюента следует понижать,
для более резкого градиента - повышать

Слайд 19

Разделение изоформ плазминогенов сорбент Tetren-SiO2 (7,5 мкм, 50x4,6 мм) СР: 25

Разделение изоформ плазминогенов сорбент Tetren-SiO2 (7,5 мкм, 50x4,6 мм) СР: 25 мМ

Трис-HCl (pH 7,5), IСР: 0,02 Э: 2 мМ H2C2O4 (pH 2,9), IЭ: ~0; 1 мл/мин Проба: 20 мкл лиофилизов. смеси Glu- и Lys-плазминогенов (pI 5,82 и 5,66), активность 1 мг/мл Детектирование - УФ (280 нм)
Слайд 20

Разделение смеси металлов сорбент PBE-94 (>100 мкм, 300x9 мм) СР: 25

Разделение смеси металлов сорбент PBE-94 (>100 мкм, 300x9 мм) СР: 25 мМ

Трис-HCl (pH 7,5), IСР: 0,05 Э: 20 мМ глутаминовая к-та (pH 3,3), 1 мл/мин Детектирование - по реакции с ПАР (540 нм)
Слайд 21

Эффект ионной силы подвижных фаз для карбоксильных колонок сорбент Macro-Prep 50

Эффект ионной силы подвижных фаз для карбоксильных колонок сорбент Macro-Prep 50 CM

(50 мкм, 50x4,6 мм) СР: 10 мМ Трис-HCl (pH 7,5), Э: 1 мМ (1) и 0,5 мМ (2) лимонная кислота (pH 3,3 - 3,5); 1 мл/мин, ионная сила подвижных фаз: 1 - 0,01; 2 - 0,1
Слайд 22

Квази-линейные нисходящие градиенты рН в катионообменных колонках сорбенты с полиэлектролитными свойствами;

Квази-линейные нисходящие градиенты рН в катионообменных колонках

сорбенты с полиэлектролитными свойствами;
слабое основание

в элюенте не влияет на профиль градиента, а лишь на конечное значение рН;
IЭ ≈ IСР (~0,05 – 0,2)

для получения плавного градиента можно использовать однокомпонентные Э с высокой ионной силой (как в СР)

Слайд 23

2.2. Восходящие градиенты рН Мало изучены для применения в ХФ Подвижные

2.2. Восходящие градиенты рН

Мало изучены для применения в ХФ
Подвижные фазы -

полиамфолиты
Эффект ионной силы не исследован
Перспективны для разделения белков, пептидов и др. биполярных макромолекул
Слайд 24

Выбор элюента для восходящих градиентов рН сорбент Macro-Prep 50 CM (50

Выбор элюента для восходящих градиентов рН сорбент Macro-Prep 50 CM (50

мкм, 50x4,6 мм) СР: 2 мМ лимонная к-та (pH 3,3), Э (рН 7,5): 1:25 “Полибуфер” (1); 12,5 мМ Трис-HCl (2); 12,5 мМ Трис-HCl + 1 мМ лимонная к-та (3); 12,5 мМ Трис-HCl + 6 мМ лимонная к-та (4); 1 мл/мин
Слайд 25

ХФ альбуминов с восходящим градиентом сорбент Macro-Prep 50 CM (50 мкм,

ХФ альбуминов с восходящим градиентом сорбент Macro-Prep 50 CM (50 мкм,

50x4,6 мм) СР: 2 мМ лимонная к-та + 1,5 мМ Трис (pH 3,3), IСР: ~0 Э: 20 мМ Трис-HCl + 5 мМ лимонная к-та (рН 7,6); 1 мл/мин; IЭ: 0,5 Проба: овальбумин (Oval.) и бычий альбумин (BSA), 0,5 мг/мл Детектирование: УФ (280 нм)
Слайд 26

ХФ образца формиатдегидрогеназы на сорбенте низкой емкости сорбент MN (5 мкм,

ХФ образца формиатдегидрогеназы на сорбенте низкой емкости сорбент MN (5 мкм, 50x4,6

мм) СР: 2 мМ лимонная к-та (pH 3,0), IСР: 0,05 (NaCl) Э: 10 мМ Трис-лимонная к-та (рН 7,5); 1 мл/мин; IЭ: ~0 Проба: ФДГ из клеточного лизата с активностью 1 мг/мл Детектирование: УФ (280 нм)
Слайд 27

Квази-линейные восходящие градиенты рН в карбоксильных колонках 1. сорбенты с высокой

Квази-линейные восходящие градиенты рН в карбоксильных колонках

1. сорбенты с высокой емкостью:
слабое

основание в стартовом растворе влияет на начальный участок градиента рН;
IЭ > IСР ( от 0,1)
2. сорбенты с низкой емкостью:
слабое основание в стартовом растворе не влияет на начальный участок градиента рН;
IЭ < IСР либо IЭ ≈ IСР (~0,05)
Слайд 28

3. Хроматофокусирование пептидов на сульфокатионитах Возможность разделения пептидов Проблема: полиамфолитные элюенты

3. Хроматофокусирование пептидов на сульфокатионитах

Возможность разделения пептидов
Проблема: полиамфолитные элюенты осложняют

детектирование (λ < 220 нм) – только “ароматика”
Отсутствие буферной емкости сорбента
Исключительная роль элюента
Сильно- и слабоудерживаемые пептиды
Слайд 29

Подвижные фазы для ХФ на сильно-кислотном сорбенте сорбент PRP-X200 (10 мкм,

Подвижные фазы для ХФ на сильно-кислотном сорбенте сорбент PRP-X200 (10 мкм,

200x4,6 мм) СР: 5 мМ NaH2PO4 (pH 3,0), IСР: ~0 (1 и 2), 0,1 (3), 0,5 (4) Э: 10 мМ NaH2PO4 + 6 мМ Трис (рН 7,0), IЭ: ~0 (1 и 4), 0,3 (2 и 3); 1 мл/мин
Слайд 30

ХФ трипсинового гидролизата альбумина сорбент PRP-X200 (10 мкм, 200x4,6 мм) СР:

ХФ трипсинового гидролизата альбумина сорбент PRP-X200 (10 мкм, 200x4,6 мм) СР:

5 мМ NaH2PO4 (pH 3,0), IСР: 0,5 (NaCl) Э: 10 мМ NaH2PO4 + 6 мМ Трис (рН 7,0), 1 мл/мин, IЭ: ~0 Проба: гидролизат человеческого альбумина (0,1 мг) Детектирование: УФ (214 нм)
Слайд 31

ХФ гидролизата альбумина при одновременном градиенте ионной силы сорбент PRP-X200 (10

ХФ гидролизата альбумина при одновременном градиенте ионной силы сорбент PRP-X200 (10

мкм, 200x4,6 мм) СР: 3 мМ NaH2PO4 + 10% CH3CN (pH 3,0), IСР: 0,1 (NaCl) Э: 10 мМ NaH2PO4 + 6 мМ Трис + 10% CH3CN (рН 7,0), 1 мл/мин, IЭ: 0,3 (NaCl) Детектирование: УФ (214 нм)
Слайд 32

Линейные восходящие градиенты рН в сильно-кислотных колонках активные компоненты стартового раствора

Линейные восходящие градиенты рН в сильно-кислотных колонках
активные компоненты стартового раствора и

элюента – одной природы;
добавки CH3CN (~10%) в обе фазы
IСР (~0,1) < IЭ (~0,3) (сочетание градиента рН с градиентом ионной силы)
Слайд 33

Выводы “Устоявшийся” метод хроматофокусирования может развиваться в следующих направлениях: 1. Предложено

Выводы

“Устоявшийся” метод хроматофокусирования может развиваться в
следующих направлениях:
1.

Предложено использовать технику хроматофокусирования и индуцирования для концентрирования и рН-градиентного разделения ионов металлов на комплексообразующих анионитах и катионитах.
2. Коммерческие “Полибуферы” можно заменить простыми одно- двухкомпонентными элюентами при создании высокой ионной силы в одной или обеих подвижных фазах. Возможности простых элюентов показаны на примере разделения металлов; аминокислот; белков; ферментов. Фокусирующий эффект для биполярных молекул усиливается за счет градиента ионной силы.
3. Технику хроматофокусирования можно использовать в сочетании с градиентом ионной силы для разделения смесей пептидов на сульфокатионитах.
Слайд 34

Публикации Опубликовано 80 статей, из них по теме работы - 57:

Публикации

Опубликовано 80 статей, из них по теме работы - 57:
2 обзора

(ЖАХ, 1999; Вестник МГУ, 2005)
55 статей: ЖАХ – 9
ЖФХ – 14
Вестник МГУ – 24
Сорбционные процессы – 3
Fresenius J., Mendeleev Comm., J. Liquid Chrom., J.Chromatogr., Известия ВУЗов, Молекулярные технологии
Тезисы докладов – 50:
XVI, XVII, XVIII Менделеевские съезды; IICS-92, 93, 94, 2000, 2004; ICAS-97, 2006; SBS-03; Всеросс. симп. по хроматографии 1998-2008; “Разделение и концентрирование в аналитической химии”; “Ломоносовские чтения-2005”; “Аналитика России-2007” и др.
Диссертации:
А.В. Иванов “Хроматофокусирование переходных металлов” (1997),
А.Б. Тессман “Формирование внутренних градиентов рН в ионообменной хроматографии: моделирование и экспериментальная проверка” (2000),
М.С. Вакштейн ”Новые подвижные фазы для хроматофокусирования в катионообменных системах” (2006).
Слайд 35

Благодарность докт. хим. наук П.Н.Нестеренко, О.А.Шпигуну; канд. хим. наук А.В. Гармашу;

Благодарность

докт. хим. наук П.Н.Нестеренко, О.А.Шпигуну;
канд. хим. наук А.В. Гармашу; аспирантам

А.Б. Тессману, М.С. Вакштейну, С.С. Кубышеву, дипл. Н.Ю. Смирновой;
проф. К. Шлайсу и дипл. Т. Рейтару (Чехия)
за плодотворное сотрудничество
РФФИ – за финансовую поддержку исследования (проекты № 02-03-33007 и 05-03-33096)
Слайд 36

Индуцированные градиенты в карбоксильных колонках сорбент Macro-Prep 50 CM (50x4,6 мм)

Индуцированные градиенты в карбоксильных колонках сорбент Macro-Prep 50 CM (50x4,6 мм)

Э: 8 мМ СН3СООН (pH 3,6), ионная сила: 1 и 3 - 0,1; 2 - ~0 ИР: 1 мл 3,25 М NH3 (рН 11), ионная сила: 1 - 1; 2 и 3 - ~0
Слайд 37

Индуцированные градиенты в карбоксильных колонках сорбент Macro-Prep 50 CM (50 мкм,

Индуцированные градиенты в карбоксильных колонках сорбент Macro-Prep 50 CM (50 мкм,

50x4,6 мм) ИР: 1 мл [4 М CH3COONa + 1 M NaCl (1, 3)] (pH 11,9) Э: 5 мМ СН3СООН (pH 3,6), ионная сила (NaCl): 1, 2 – 0, 3 – 0,1 M; 1 мл/мин
Слайд 38

Разделение ионов металлов с индуцированным градиентом рН сорбент Macro-Prep 50 CM

Разделение ионов металлов с индуцированным градиентом рН сорбент Macro-Prep 50 CM

(50 мкм, 50x4,6 мм) ИР: 1 мл (4 М CH3COONa + 1 M NaCl) (pH 11,9) Э: 5 мМ СН3СООН + 0,1 M NaCl (pH 3,6), 1 мл/мин Детектирование - УФ (254 нм): 1 - Pb2+, 2 - Co2+
Слайд 39

Эксперимент и модель: различие в ионной силе стартового раствора и элюента

Эксперимент и модель: различие в ионной силе стартового раствора и элюента

(анионообменная система) IЭ > IСР 1 - сорбент Dien-SiO2 (100-160 мкм, 0,35 мМ/г) 2 - модель Tetren-SiO2 СР -25 мМ Трис-HCl (pH 7,5), Э - 5 мМ CH3COOH + NaCl (pH 3,5)
Слайд 40

Различие в ионной силе стартового раствора и элюента IЭ

Различие в ионной силе стартового раствора и элюента IЭ < IСР сорбент

Tetren-SiO2 (7,5 мкм, 1 мМ/г, 250x4,6 мм) СР: 25 мМ Трис-HCl (pH 7,5), IСР: 1 - ~0,03; 2 - 0,1; 3 - 1; 4 - 0,02 Э: 2 мМ H2C2O4 (pH 2,9), IЭ: 1, 2 и 3 - ~0; 4 - 0,5
Слайд 41

Модельная смесь аминокислот сорбент Tetren-SiO2 (7,5 мкм, 50x4,6 мм) СР: 25

Модельная смесь аминокислот сорбент Tetren-SiO2 (7,5 мкм, 50x4,6 мм) СР: 25 мМ

Трис-HCl (pH 7,5), IСР: 0,02 Э: 2 мМ H2C2O4 (pH 2,9), IЭ: ~0; 1 мл/мин Детектирование - УФ (280 нм)
Слайд 42

Формирование градиента рН однокомпонентными элюентами в катионообменной системе сорбент MN (5

Формирование градиента рН однокомпонентными элюентами в катионообменной системе сорбент MN (5 мкм,

50x4,6 мм) СР: 10 мМ Трис-HCl (pH 7,5) Э: 1 мМ кислоты - 1 – щавелевая, 2 - винная, 3 – лимонная, 4 – глутаминовая, 5 – уксусная; 1 мл/мин
Слайд 43

Как избавиться от подъема рН? сорбент MN (5 мкм, 50x4,6 мм)

Как избавиться от подъема рН? сорбент MN (5 мкм, 50x4,6 мм) СР: 10

мМ Трис-HCl (pH 7,5) Э: 0,2 мМ лимонная кислота (pH 3,7-3,9); 1 мл/мин, ионная сила подвижных фаз: 1 - ~0; 2 - 0,01, 3 - 0,1 (NaCl)
Слайд 44

Анионообменные сорбенты (для ХФ ионов металлов)

Анионообменные сорбенты (для ХФ ионов металлов)

Слайд 45

Карбоксильные сорбенты (для ХФ ионов металлов) Впервые – нисходящие градиенты рН

Карбоксильные сорбенты (для ХФ ионов металлов) Впервые – нисходящие градиенты рН

Слайд 46

Квази-линейные градиенты рН на сорбенте с низкой емкостью сорбент MN (5

Квази-линейные градиенты рН на сорбенте с низкой емкостью сорбент MN (5 мкм,

50x4,6 мм) СР: 2 мМ лимонная к-та (pH 3,0), IСР: ~0 (1 и 2), 0,05 (3 и 4) Э: 10 мМ Трис-лимонная к-та (рН 7,0), IЭ: ~0 (1 и 3), 0,05 (2 и 4); 1 мл/мин
Слайд 47

Влияние добавок ацетонитрила в условиях градиента рН сорбент PRP-X200 (10 мкм,

Влияние добавок ацетонитрила в условиях градиента рН сорбент PRP-X200 (10 мкм, 200x4,6

мм) СР: 5 мМ NaH2PO4 + 20% CH3CN (pH 3,0) Э: 10 мМ NaH2PO4 + 6 мМ Трис + 20% CH3CN (рН 7,0), 1 мл/мин Детектирование: УФ (214 нм)