MOJE SRDEČNÍ ZÁLEŽITOST: MONOLITY

Význam tématu

Monolitické materiály představují vysoce porézní pevné fáze charakteristické jednoduchou přípravou, mechanickou stabilitou a efektivním transportem hmoty konvekcí. Díky těmto vlastnostem se uplatňují v širokém spektru analytických a bioanalytických aplikací – od rychlých chromatografických separací přes přípravu vzorků až po katalytické procesy či senzory. Monolity tak významně přispívají k urychlení a zefektivnění analýz velkých molekul, zlepšení selektivity i citlivosti měření a k miniaturizaci analytických postupů.

Cíle a přehled studie / článku

Článek je reflexí více než třicetiletého vývoje monolitických materiálů, s důrazem na práci českých autorů a méně známé příklady aplikací. Nejprve popisuje historický vývoj od prvních disků pro separaci bílkovin až po kapilární a mikrofluidní formáty. Dále uvede přehled konkrétních využití monolitů v různých chromatografických módech, technologii přípravy vzorků, imobilizaci enzymů, začlenění metalo-organických rámců a v dalších speciálních aplikacích.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu monolitů byly využívány různé techniky polymerizace:

• Fotoiniciovaná a tepelná polymerizace směsí organických monomerů (např. styren-divinylbenzen, glycidyl-methakrylát, butyl-methakrylát) v kapilárách, diskových formátech či planárních vrstvách.
• Hypersíťování k získání vysokého měrného povrchu u polymerních monolitů.
• Fázová separace a použití porogenních rozpouštědel k řízení mikro- a makroporosity.
• Imobilizace kovových iontů a tvorba MOF v pórech polymerního monolitu.
• Roubování funkčních monomerů přes masky pro lokální modifikaci vrstev či mikrokanálů.

Instrumentálně byly nasazeny: HPLC a kapilární HPLC systémy s průtoky v rozsahu nl–µl/min, GC s tlaky až 7 MPa, elektrochromatografické přístroje, mikrofluidní čipy z křemíku či plastu (COC), UV-VIS detektory, povrchem zesílená Ramanova spektroskopie (SERS) a MALDI-MS pro detekci proteinů.

Hlavní výsledky a diskuse

Studie demonstrovaly:

• Rychlé separace bílkovin (RNASA, cytochrom c, myoglobin, ovalbumin) v kapilárních poly(styren-divinylbenzen) monolitech za gradientu během několika sekund.
• Zvýšení účinnosti kolony pro malé molekuly hypersíťováním styren-divinylbenzenových monolitů, což umožnilo konkurenceschopné separace alkylbenzenů.
• Kapilární elektrochromatografie s monolitickými kolonami generujícími plochý profil elektroosmotického toku, dosahující až milionu teoretických pater.
• Monolitické GC kolony z polydivinylbenzenu odolávající až 380 °C, separující lehké uhlovodíky a alkoholy v řádu minut.
• Vývoj tenkovrstvých monolitických vrstev pro TLC a dvoudimenzionální separace peptidů kombinací iontoměničových a reverzně-fázových vlastností.
• Integrované monolitické stacionární fáze v mikrofluidních čipech umožňující separace a imobilizaci enzymů přímo v kanálu.
• Vysoce účinnou SPE na monolitických nosičích s měrným povrchem >300 m2/g a možnost selektivní extrakce peptidů s cysteinem.
• Imobilizaci enzymů (trypsin, lipasa, peroxidasa, glukosoxidasa) na monolitech s azlaktonovými nebo zlatými nanopartiklovými vazebnými místy, dosahující katalytické aktivity mnohokrát vyšší než v roztoku.
• Integraci kov-organických rámců (MOF) do monolitů pro selektivní obohacování fosfopeptidů či katalýzu Knoevenagelovy kondenzace.
• Speciální aplikace: superhydrofobní vrstvy regulovatelné změnou pH, SERS senzory bakterií, reaktivní filtrace odstraňující nadbytečný amín.

Přínosy a praktické využití metody

Monolitické materiály přinášejí:

• Výrazné zrychlení separací a reakčních procesů díky efektivnímu hmotovému přenosu.
• Jednoduchou a reprodukovatelnou přípravu sloupků, vrstev i čipů s širokou paletou chemických funkcí.
• Snadnou integraci do stávajících chromatografických a mikrofluidních systémů.
• Víceúčelové využití v chromatografii, přípravě vzorků, bioreaktorech a senzorech.

Budoucí trendy a možnosti využití

Mezi perspektivní směry patří:

• 3D tisk monolitů s přesným počítačovým návrhem geometrie a chemie.
• Nové hybridní struktury kombinující polymer, anorganiku a MOF.
• Pokročilá multienzymatická reaktory pro diagnostiku a syntézu.
• Rozvoj monolitických čipů pro plně integrované laboratorně-na-čipu aplikace.
• Využití pro environmentální monitoring a průmyslové procesy v kontinuu.

Závěr

Monolitické polymery se během uplynulých tří dekád proměnily z laboratorních zajímavostí v univerzální platformy pro separace, katalýzu, přípravu vzorků i senzory. Jejich snadná příprava, variabilní chemie a vynikající transportní vlastnosti je předurčují k dalšímu rozvoji – zejména v miniaturizaci, personalizovaných reaktorech a čistě „tisknutelných“ modulech pro analytické či preparativní účely. Očekává se, že konečně nastartuje masové využití 3D tisku monolitů a vzniknou nové multidisciplinární produkty v oblasti diagnostiky, syntézy i monitoringu.

Reference

• Švec F.: Electrophoresis 38, 2810 (2017).
• Švec F.: Chem. Listy 98, 232 (2004).
• Klodzinska E. et al.: J. Chromatogr. A 1109, 51 (2006).
• Štulík K. et al.: 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. et al.: Anal. Bioanal. Chem. 407, 139 (2015).
• Urban J., Jandera P.: J. Sep. Sci. 31, 2521 (2008).
• Jandera P.: J. Chromatogr. A 1313, 37 (2013).
• Novaková L., Vlčková H.: Anal. Chim. Acta 656, 8 (2009).
• Švec F.: J. Chromatogr. A 1228, 250 (2012).
• Currivan S., Jandera P.: Chromatography 1, 24 (2014).
• Moravcová D. et al.: Electrophoresis 37, 880 (2016).
• Lv Y., Švec F.: Anal. Chem. 87, 250 (2015).
• Masini J. C., Švec F.: Anal. Chim. Acta 964, 24 (2017).
• Lv Y., Švec F. v knize: Handbook of Advanced Chromatography (Holčapek M., Byrdwell W. C., ed.), kap. 9, 141. Academic Press, Amsterdam 2017.
• Coufal P. et al.: Chem. Listy 95, 509 (2001).
• Suchánková J. et al.: J. Sep. Sci. 34, 2345 (2011).
• Křenková J., Foret F., Švec F.: J. Sep. Sci. 35, 1266 (2012).
• Křenková J., Švec F.: J. Sep. Sci. 32, 706 (2009).
• Švec F., Křenková J.: LC-GC America 26, 24 (2008).
• 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. et al.: J. Chromatogr. A 865, 169 (1999).
• Lee D., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Chromatogr. A 1051, 53 (2004).
• Geiser L. et al.: J. Chromatogr. A 1140, 140 (2007).
• Wang Q., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Chromatogr. A 669, 230 (1994).
• Minakuchi H. et al.: Anal. Chem. 68, 3498 (1996).
• Urban J., Švec F., Fréchet J. M. J.: Anal. Chem. 82, 1621 (2010).
• Podgornik A. et al.: Anal. Chem. 72, 5693 (2000).
• Hilder E. F. et al.: J. Chromatogr. A 1044, 32 (2004).
• Hilder E. F. et al.: Electrophoresis 23, 3934 (2002).
• Woodward S. D. et al.: Anal. Chem. 82, 3445 (2010).
• Stachowiak T. B. et al.: J. Chromatogr. A 1044, 98 (2004).
• Hu L.-F. et al.: J. Sep. Sci. 43, 1942 (2020).
• Sýkora D. et al.: Macromol. Mater. Eng. 275, 42 (2000).
• Xie S., Švec F., Fréchet J. M. J.: Chem. Mater. 10, 4072 (1998).
• Wouters B. et al.: J. Chromatogr. A 1286, 222 (2013).
• Lv Y. et al.: J. Chromatogr. A 1316, 154 (2013).
• Levkin P. A., Švec F., Fréchet J. M. J.: Adv. Funct. Mater. 19, 1993 (2009).
• Han Y. et al.: Anal. Chem. 82, 2520 (2010).
• Urbanová I., Švec F.: J. Sep. Sci. 34, 2345 (2011).
• Hauck H. E. et al.: J. Planar Chromatogr. 14, 234 (2001).
• Song Y. C. D., Zhao L.: Microfluidics: Fundamental, Devices and Applications. Wiley-VCH, 2018.
• Švec F. et al. v knize: Micro Total Analysis Systems 2002 (Baba Y., van den Berg A., ed.). Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2002.
• Rohr T. et al.: Electrophoresis 22, 3959 (2001).
• Mair D. A. et al.: Lab-on-a-chip 6, 1346 (2006).
• Stachowiak T. B. et al.: Electrophoresis 24, 3689 (2003).
• Levkin P. A. et al.: J. Chromatogr. A 1200, 55 (2008).
• Yu C. et al.: Anal. Chem. 73, 5088 (2001).
• Xu Y. et al.: Anal. Chem. 82, 3352 (2010).
• Lv Y. et al.: J. Chromatogr. A 1261, 121 (2012).
• Abou-Rebyeh H. et al.: J. Chromatogr. 566, 351 (1991).
• Petro M., Švec F., Fréchet J. M. J.: Biotechnol. Bioeng. 49, 355 (1996).
• Safdar M. et al.: J. Chromatogr. A 1324, 1 (2014).
• Xie S., Švec F., Fréchet J. M. J.: Biotechnol. Bioeng. 62, 30 (1999).
• Křenková J. et al.: Anal. Chem. 81, 2004 (2009).
• Urban J. et al.: Biotechnol. Bioeng. 109, 371 (2012).
• Logan T. C. et al.: Anal. Chem. 79, 6592 (2007).
• Lv Y. et al.: Biotechnol. Bioeng. 111, 50 (2014).
• Saeed A. et al.: Adv. Funct. Mater. 2014, 5790 (2014).
• Wen L. et al.: Macromol. Rapid Commun. 37, 551 (2016).
• Darder M. d. M. et al.: ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 1728 (2017).
• Levkin P. A. et al.: J. Chromatogr. A 1172, 30 (2007).
• Tripp J. A. et al.: Org. Lett. 2, 195 (2000).
• Tripp J. A., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Comb. Chem. 3, 216 (2001).
• Sedláček O. et al.: J. Sep. Sci. 37, 798 (2014).
• Cao Y. et al.: Anal. Chim. Acta 896, 111 (2015).
• Lv Y. et al.: Chem Commun. 50, 13809 (2014).
• Urban J.: J. Sep. Sci. 43, 1628 (2020).