Kromatografisen erotusfaasin huokoskoon karakterisointi

Työssä tutkittiin sulfonoitujen polystyreenidivinyylibentseenirunkoisten geeli-, meso- ja makrohuokoistenioninvaihtohartsien rakennetta käyttäen useita eri karakterisointimenetelmiä. Lisäksi työssä tutkittiin hartsien huokoskoon vaikutusta aminohappojen kromatografisessa erotuksessa. Työn pääpaino oli hartsien huokoskoon ja huokoisuuden määrittämisessä. Sen selvittämiseksi käytettiin hyväksi elektronimikroskopiaa, typpiadsorptiomittauksia, sekä käänteistä kokoekskluusiokromatografiaa. Parhaat tulokset saatiin käänteisellä kokoekskluusiokromatografialla, joka perustuu erikokoisten dekstraanipolymeerien käyttöön mallimolekyyleinä. Menetelmä sopii meso- ja makrohuokoisuuden tutkimiseen, mutta sen heikkoutena on erittäin pitkä mittausaika. Menetelmä antaa myös huokoskokojakauman, mutta yhden hartsin mittaaminen voi kestää viikon. Menetelmää muutettiin siten, että käytettiin määritettävää huokoskokoaluetta kuvaavien kahden dekstraanipolymeerin seosta. Kromatografiset ajo-olosuhteet optimoitiin sellaisiksi, että injektoidussa seoksessa olevien dekstraanien vastehuiput erottuivat toisistaan. Tällöin voitiin luotettavasti määrittää tutkittavan stationaarifaasin suhteellinen huokoisuus. Tätä työssä kehitettyä nopeaa käänteiseen kokoekskluusiokromatografiaan perustuvaa menetelmää kutsutaan kaksipistemenetelmäksi. Hartsien sulfonihapporyhmien määrää ja jakautumista tutkittiin määrittämällä hartsien kationinvaihtokapasiteetti sekä tutkimalla hartsin pintaa konfokaali-Raman-spektroskopian avulla. Sulfonihapporyhmien ioninvaihtokyvyn selvittämiseksi mitattiin K+-muotoon muutetusta hartsista S/K-suhde poikkileikkauspinnasta. Tulosten perusteella hartsit olivat tasaisesti sulfonoituneet ja 95 % rikkiatomeista oli toimivassa ioninvaihtoryhmässä. Aminohappojen erotuksessa malliaineina oli lysiini, seriini ja tryptofaani. Hartsi oli NH4+-muodossa ja petitilavuus oli 91 mL. Eluenttina käytettiin vettä, jonka pH oli 10. Paras tulos saatiin virtausnopeudella 0,1 mL/min, jolla kaikki kolme aminohappoa erottuivat toisistaan Finex Oy:n mesohuokoisella KEF78-hartsilla. Muilla tutkituilla hartseilla kaikki kolme aminohappoa eivät missään ajo-olosuhteissa erottuneet täysin.

In the work, the structures of sulfonated gel-, meso and macroporous polystyrene divinylbenzene resins were studied with different characterization methods. Furthermore, the role of resin porosity for the chromatographic separation of amino acids was studied. Themain objective of this work was the characterization of the pore size and porosity of the resins. This was done with electron microscopy, nitrogen adsorption and inverse size exclusion chromatography. The best results were achieved with inverse size exclusion chromatography, which is based the use of different sized dextran polymers as probe molecules. The method is valid for meso- and macroporous ion exchange resins. In principle, the method can measure the pore size distribution of the resin, but the measuring time can take one week for one resin. Therefore, the method was modified by using a mixture of two different dextran molecules and the chromatographic conditions were optimised to obtain a resolution of the peaks. The method gives in one run reliably the relative resin porosity. The new method based on the inverse size exclusion chromatography is named in thework as "the two point method". The amount and distribution of the sulphonic acid groups in the resin beads were studied by determining their ion exchange capacity and by studying the resin surface using confocal-Raman-spectroscopy. For the determination of the accessibility and ion exchange abilityof the sulphonic acid groups the sulphur/potassium ratio was measured from a cross-section of a K+-form resin. Based on the results the distribution of the sulphonic acid groups was even and 95 % sulphur atoms were associated to a functional ion exchange group. To study the separation of amino acids, lysine, serine and thryptophane were used as model molecules. The resins were in ammonium form, the bed volume being 91 mL. The eluent was water at pH 10. The best results were obtained using the flow rate of 0.1 mL/min. At flow rate 0.1 mL/min only the mesoporous Finex KEF76 resin could separate all three amino acids. None ofthe other studied resins were able separate them all at any operating conditions.