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Development and evaluation of silica-based mixed-mode ion exchangers including their applications in bioanalytics

Romain Dabre

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Wolfgang Lindner

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DOI

10.25365/thesis.16161

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29968.26129.283353-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Silica-Harze wurden seit der Erfindung der Flüssigchromatographie für die sterische Auftrennung von Analyten durch die Porosität des Silicagels verwendet. Danach wurde Silica verwendet, um polare Verbindungen im normalen Modus zu trennen. In diesem Modus dienen die Silanol-Gruppe auf der Oberfläche der Silica als Interaktionspunkt zwischen Silica-Oberfläche und Analyten. Allerdings wurde die Stabilität und den Einsatzbereich solcher Materialien durch die feste Zusammensetzung der Oberfläche beschränkt. Später wurden Reversed-Phase-Materialien entwickelt. Hydrophobe Liganden wurden dafür durch Sylanisierung an den Silanol-Gruppen gekoppelt. Diese neueren Materialien sind weniger empfindlich gegenüber aggressiven Chemikalien, und dadurch konnte man Moleküle mit sehr unterschiedlichen Hydrophobizitäten analysieren. Die Elution erfolgt in diesem Fall durch Veränderung der Gehalt an organischem Lösungsmittel in der mobilen Phase. Weiter Chromatographieharze wurden dann entwickelt, um andere Trennungsprobleme anzugehen. Hydrophobe Wechselwirkung Phase (HIC) wurden entwickelt, um die Trennung von hydrophoben Verbindungen mit einem Puffer-gesteuerten Elution für Moleküle, die instabil gegenüber organischen Lösungsmitteln (typischerweise Proteine), zu ermöglichen. Anionen-und Kationenaustausch-Chromatographie (AEC und CEC) wurden für die Trennung von geladenen Molekülen entwickelt. Hydrophile Interaktion Phase (HILIC) wurden für die Trennung von polaren Verbindungen entwickelt (Vorteil gegenüber reines Silica ist die andere Selektivität sowie die bessere Stabilität). Chirale stationäre Phase (CSP) werden für die Trennung chiraler Moleküle verwendet. Doch in den letzten zehn Jahren ist Mixed-Mode-Chromatographie entstanden, um verschiedene Moleküle mit vielen verschiedenen chemischen Eigenschaften in einem einzigen Lauf auf einer einzigen Phase aufzutrennen. In dieser Studie entwickelten wir ein Ligand mit einer hydrophoben Kette sowie einem schwachen Anionaustauscher-Gruppe. Durch die Pfropfung der Ligand auf die Oberfläche der Silica-Partikel wurde ein Mixed-Mode-Material entwickelt, der beide Reversed Phase (RP) und schwacher Anionenaustauscher (WAX) Eigenschaften kombiniert. Der erste Teil der Studie bestand in der Verbesserung der Synthese des patentierten Liganden. Verschiedene chemische und technische Ansätze wurden getestet, um die Synthese zu vereinfachen und die Robustheit des Verfahrens zu verbessern. Die Bindung des Spacer an der Oberfläche, das Endcapping der nicht-umgesetzten Silanolgruppen, die Reaktion des Liganden an den Spacer wurden ebenfalls untersucht. Nachdem jeden Schritt des Herstellungsprozesses optimiert wurde, wurde das Prozess bis zu einer Menge von 500 g durchgeführt, was einer Pre-Production-Skala entspricht. In einem zweiten Teil wurden viele verschiedene Anwendungen entwickelt, um die Einsatzbereich des Materials festzustellen. Der RP-WAX Material, der in unseren Labors entwickelt worden ist, bietet ein breites Spektrum an Anwendbarkeit für die Trennung von neutrale, saure, basische oder amphotere Verbindungen. Chromatographische Läufe können in vielen unterschiedlichen Modi wie hydrophile und hydrophobe Wechselwirkungen, Ionenausschluss, Ionenaustausch, oder eine Kombination aus mehreren dieser Modi durchgeführt werden. Um die Vielseitigkeit unseres Materials zu zeigen, untersuchten wir das chromatographische Verhalten von hydrophoben und hydrophilen Verbindungen, sowie von Moleküle mit sauren oder basischen Reste. Es wurden deshalb fett- und wasserlösliche Vitamine, Fluorchinolon-Antibiotika, Betablocker, nicht-steroidale entzündungshemmende Moleküle, anti-Hypercholesterinämie Drogen, unter anderem, getestet. Wir verglichen die Trennung auf Standard RP oder HILIC Material mit der Trennung auf RP-WAX Material. Die Trennung von den meisten komplexen Mischungen kann mit dem Mixed-Mode-Material verbessert werden. Der RP-WAX Material, der während dieser Studie entwickelt worden ist, soll in 2011 bei Merck KGaA kommerziell erhältlich werden.

Abstract

(Englisch)

Silica resins have been used since the beginning of liquid chromatography for the separation of analytes depending on their steric characteristics due to the porosity of the silica. Afterwards, silica was used to separate polar compounds in normal mode. In this mode, the silanol groups on the surface of the bare silica act as interaction point between silica surface and analytes. However, the stability of those kind of gels and the range of application was limited due to the fixed composition of the surface. Therefore, later on, reversed-phase materials were developed by adding some hydrophobic compounds to those silanol groups through sylanisation reactions. These more modern materials were less sensitive to aggressive conditions, and it allowed the analysis and purification of molecules with very different degree of hydrophobicity through changes in the content of organic solvent in the mobile phase. Other types of chromatographic resins were developed subsequently to address further separation issues. Hydrophobic interaction phases (HIC) were synthesized for the separation of hydrophobic compounds using a buffer-driven elution to analyze or purify molecules which are unstable in the presence of organic solvents (proteins, typically). Anion and cation exchange chromatography (AEC and CEC, respectively) were developed for the separation of charged molecules. Hydrophilic interaction phases (HILIC) were developed for the separation of polar compounds without the stability issue of bare silica. Chiral stationary phases (CSP) addressed the problematic of the separation of chiral molecules. However, in the last decade, mixed-mode chromatography emerged to enable the separation of mixtures containing molecules with many different chemical characteristics within a single run on a single resin. In this study, we developed a ligand bearing a hydrophobic chain as well as a weak anion exchange head group. Grafting of the ligand to the surface of silica particles lead to the synthesis of a mixed-mode material combining both reversed phase (RP) and weak anion exchange (WAX) characteristics. The first part of the study consisted in improving the synthesis of the patented ligand. Different chemicals and technical approaches were tested to simplify the synthesis and to increase the robustness of the method. The binding of the spacer onto the surface, the endcapping of the non-reacted silanol groups, the grafting of the ligand to the spacer were also investigated. After having optimized every step of the manufacturing process, the method was scaled up to 500 g, which corresponds to a pre-production scale. In a second part, many different applications were developed to assess the operational range of such material. The RP-WAX material developed in our laboratories offers a wide range of applicability for the separation of neutral, acidic, basic, or amphoteric compounds. Chromatographic runs can be performed in many different interaction modes such as hydrophilic and hydrophobic interaction, ion exclusion or repulsion, ion exchange, or a combination of several of those modes. In order to demonstrate the versatility of our material, we studied the chromatographic behavior of hydrophobic and hydrophilic compounds, as well as molecules bearing acidic or basic moieties. We used therefore fat- and water-soluble vitamins, fluoroquinolone antibiotics, betablockers, non-steroidal anti-inflammatory, anti-hypercholesterolemia drugs, among others. We compared the separation on standard RP or HILIC material with the separation achieved using RP-WAX material. Separation of most of the considered complex mixtures could be improved by using the mixed-mode resin. The RP-WAX material developed during this study should be commercially available at Merck KGaA in 2011.

Autor*innen

Romain Dabre

Haupttitel (Englisch)

Development and evaluation of silica-based mixed-mode ion exchangers including their applications in bioanalytics

Paralleltitel (Deutsch)

Entwicklung und Evaluierung eines Silica-basierten multimodalen schwachen Ionenaustauschers inklusive Anwendungen in der Bioanalytik

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

215 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Attila Felinger ,

Christian Klampfl

Klassifikationen

35 Chemie > 35.00 Chemie: Allgemeines ,

35 Chemie > 35.07 Chemisches Labor, chemische Methoden

AC Nummer

AC08918430

Utheses ID

14498

Studienkennzahl

UA | 091 | 419 | |

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Schlagwörter