Хроматография — это метод анализа смесей веществ, основанный на их разделении. Принцип заключается в том, что движущееся вещество (подвижная фаза) перемещается по поверхности неподвижного вещества (стационарной фазы). Со временем образец разделяется на компоненты из-за различных факторов, например отличающейся растворимости составляющих, их заряде, специфическом взаимодействии со стационарной фазой и прочее. Хроматография позволяет работать с летучими и жидкими веществами, а также некоторыми редкоземельными и радиоактивными элементами. Такой прием используется в криминалистике при исследовании материалов с места преступления, в медицине при диагностике опасных заболеваний, в экологии и пищевой промышленности для оценки качества продуктов.
В зависимости от того, что приводит подвижную фазу в движение, хроматография делится на виды. Один из них, жидкостный, заключается в том, что подвижная фаза под высоким давлением пропускается через колонку с сорбентом. В качестве последнего предлагается использовать металлоорганические каркасные структуры (Metal-Organic Frameworks, MOFs). Уникальное строение MOF — наличие доступных микропор, возможность одновременного варьирования природы металла и органической составляющей пористого каркаса — позволяет проводить разделение некоторых веществ, недоступное на других пористых материалах.
Пористая структурва HKUST-1 построена из ионов меди и остатков бензолтрикарбоновой кислоты. Материал способен подобно губке поглощать и избирательно (селективно) удерживать молекулы различных органических веществ. Но для эффективного использования нужно понимать, каким образом вещество действует. Российские химики решили проверить, как способ получения этой MOF-структуры влияет на эффективность и механизм ее работы в процессах разделения.
Для начала исследователи получили порошки HKUST-1 тремя способами: при помощи облучения реакционной смеси микроволнами (образец был назван HKUST-1mw), методом сольвотермального синтеза (HKUST-1solv1) и по оригинальной сольвотермальной методике с использованием смеси диметилформамида с водой (HKUST-1solv2). Сольвотермальный синтез предполагает, что процесс происходит в закрытой системе при высоких температуре и давлении. Твердый продукт получается из сверхкритических жидкостей-реагентов с низкой вязкостью и высокой скоростью перемещения компонентов.
Все образцы прошли адсорбционные, хроматографические, микроскопические и рентгеновские исследования: через пористые слои полученных металлорганических каркасных структур пропускали растворы различных органических веществ, в том числе бензола, хлор- и нитрофенолов, тетрациклина, парацетамола, никотина и других, исследуя поверхностные свойства MOF-структур. На весах измеряли массу адсорбента, чтобы оценить количество поглощенных веществ, а также проверили матрицу на прочность, увеличив давление до 20 атмосфер, а после этого измерив параметры пористой структуры каждой MOF-матрицы.
«Механизмы взаимодействия органических молекул с образцами HKUST-1, синтезированными разными методами, различаются. Так, MOF-структуры, полученные при помощи сольвотермального синтеза, имеют доступные микропоры, поэтому оптимальны для использования в методах селективной адсорбции, например при глубокой очистке различных веществ. В то же время MOF-матрица, созданная в условиях микроволнового синтеза, поглощает частицы поверхностью пор, поэтому она может быть использована в качестве неподвижной фазы в высокоэффективной жидкостной хроматографии для разделения смесей веществ», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Булат Сайфутдинов, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина Российской академии наук (Москва).
Основной целью проекта химики обозначили создание новых, усовершенствованных материалов для жидкостной хроматографии и селективной адсорбции. Знания, полученные в ходе исследования, могут быть использованы при глубокой очистке нефтепродуктов от азот-, кислород- и серосодержащих соединений для получения экологически чистых моторных топлив.
