Хроматофокусирование: новые подходы в концентрировании и разделении

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

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

Техника хроматофокусирования (ХФ)

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

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

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

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)

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

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)

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)

Концентрирование ионов переходных металлов

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

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)

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

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)

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

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

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)

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)

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

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)

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

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

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)

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)

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)

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

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

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)

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)

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)

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.

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).

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)

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

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

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+

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)

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

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)

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

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)

Анионообменные сорбенты
(для ХФ ионов металлов)

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

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

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)