WO2001096858A1 - Verfahren zur herstellung von monolithischen chromatographiesäulen - Google Patents

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WO2001096858A1
WO2001096858A1 PCT/EP2001/005540 EP0105540W WO0196858A1 WO 2001096858 A1 WO2001096858 A1 WO 2001096858A1 EP 0105540 W EP0105540 W EP 0105540W WO 0196858 A1 WO0196858 A1 WO 0196858A1
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Egbert Müller
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    • G01N2030/528—Monolithic sorbent material

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of chromatography columns or capillaries with monolithic sorbents, which can remain in their gelling form directly after the production.
  • Monolithic sorbents are becoming increasingly important in the field of chromatography, in particular HPLC, micro-LC or electrochromatography. They show much better ones
  • Mass transport properties as columns or capillaries with particulate sorbents can be operated at a higher linear flow rate with constant performance.
  • Monolithic sorbents can be formed on the basis of organic or inorganic polymers. Due to the different properties of the polymers, different processes are currently used to manufacture chromatography columns based on monolithic sorbents.
  • Polymers with low shrinkage rates can be produced directly in the tubes used for chromatography as a gelling mold.
  • Hjerten et al. (Nature, 356, pp. 810-811, 1992) describe, for example, monoliths made of a polyacrylamide material, which are produced within a chromatographic tube.
  • Frechet et al. (Anal. Chem., 64, S 820-822, 1993) describe the production of polyacrylate materials and polystyrene / divinylbenzene copolymers which, in the presence of porogens, become monolithic materials with a macroporous structure and remain in the form used after production can.
  • such polymers have some disadvantages for chromatography. For example, they often have insufficient mechanical stability.
  • the pore distribution of the materials is often unfavorable because there are too many micropores. This negatively affects the efficiency and symmetry of the columns. The materials also often show an unfavorable swelling behavior.
  • Monolithic porous inorganic moldings or, in some cases, highly cross-linked, hard organic polymer gels show significantly better separation properties.
  • these materials shrink during their manufacture so that they cannot be manufactured directly in the chromatography tubes. The resulting dead volume would reduce the separation performance too much.
  • the shrinkage after aging is, for example, up to 20% of the initial diameter. For this reason, the materials must be removed from the gelling molds after they have been manufactured and then encased with tight-fitting tubes.
  • WO 99/38006 and WO 99/50654 disclose processes for the production of capillaries which are filled with monolithic silica material. This material can remain directly in the capillary after manufacture. However, the methods disclosed there are only suitable for the production of capillary columns with a smaller diameter.
  • the object of the present invention was therefore to provide a process for the production of monolithic chromatography columns in which the sorbent can remain in the gelling mold, ie the column tube, after the production.
  • the process should be especially for strongly shrinking, ie for inorganic materials and highly cross-linked organic polymers, be suitable and allow the filling of column tubes with a diameter of up to 20 cm.
  • the dead volume resulting from the shrinkage between the gelling mold and the monolith can be compensated for by carrying out a multiple filling with the monomer sol.
  • the monolith can remain in its original form and be used directly for chromatographic separation.
  • the gel has a more fixed three-dimensional network compared to the freshly polymerized or gelled material after the first aging, it was found that the gel is still reactive enough at this stage to anchor itself with freshly applied monomer sol. This is done by new gelation of the monomer sol on the aged gel.
  • the added monomer sol combines with the aged gel and forms a homogeneous structure together with it.
  • the resulting materials show good chromatographic separation properties.
  • the present invention therefore relates to a method for producing monolithic porous moldings which completely fill their gelling mold, characterized by the following process steps: a) providing a gelling mold; b) filling the gelling mold with monomer sol; c) polymerizing the monomer solution; d) aging the gel formed in step c) to form pores; e) Filling out the dead volume created in step d) with further process steps: a) providing a gelling mold; b) filling the gelling mold with monomer sol; c) polymerizing the monomer solution; d) aging the gel formed in step c) to form pores; e) Filling out the dead volume created in step d) with further
  • a sol-gel process is used to produce the monolithic porous shaped bodies, in which in step e) a pH gradient is first formed on the surface of the aged gel so that the replenished monomer sol is homogeneous with the already aged gel combines.
  • the composition of the monomer sol which is topped up in step e) differs from the monomer sol from step b).
  • the gelling mold provided in step a) has an inner diameter between 1 mm and 100 mm.
  • the present invention also relates to monolithic porous moldings which are polymerized into their gelling mold and, at least in the core, consist of porous monolithic material which shrinks as they age, which can be produced by the process according to the invention.
  • the present invention relates to the use of the moldings according to the invention in the gelling mold for the chromatographic separation of at least two substances.
  • the method according to the invention is suitable for the production of porous monolithic molded articles from monomer sols which shrink in the course of the production process.
  • monomer sols solutions which contain the starting substances for the preparation of the monoliths, regardless of the way in which they are polymerized or gelled, are referred to as monomer sols.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the production of inorganic porous monolithic moldings by a sol-gel process.
  • WO 95/03256 and particularly WO 98/29350 disclose preferred methods according to the invention for the production of inorganic monolithic moldings by a sol-gel process. These materials contain mesopores with a diameter between 2 and 100 nm and macropores with an average diameter of over 0.1 ⁇ m and are therefore particularly well suited for chromatographic use.
  • These moldings can be produced, for example, by using silicon alcoholate in a gelling mold under acidic conditions in the presence of a pore-forming phase, e.g. an aqueous solution of an organic polymer, hydrolyzed to a porous gel body and then the pore-forming substance is separated and the gel burns.
  • a pore-forming phase e.g. an aqueous solution of an organic polymer
  • the aging of the gel in particular leads to a Changing the gel structure and shrinking the gel. This creates a dead volume between the gelling mold and the molded body.
  • Shaped body and monomer sol is then again the various steps of a manufacturing process, such as described in WO 95/03256 or WO 98/29350. So that the subsequently added monomer sol combines as homogeneously as possible with the monolith already present, the basic pH value generated by the aging is preferably compensated for by creating a pH gradient.
  • the creation of a pH gradient means according to the invention that the pH is brought back to a value equal to or preferably less than pH 7 at least on the outside of the aged gel body.
  • the pH of the monomer sol to be used subsequently is preferably adjusted. It is also possible, but not necessary, to adjust the entire molded body to this pH.
  • the pH gradient can be set, for example, by washing with water or, preferably, with an acid or a buffer with an appropriate pH.
  • the added gel also shrinks with the second aging. For this reason, it may be necessary to add monomer sol one or more times, to gel it out and to carry out aging again.
  • a dead volume of a monomer sol of a different composition is selected, shaped articles are produced whose core differs from the outer areas filled up later, for example in the pore distribution.
  • homogeneous moldings are preferred for chromatographic separations.
  • compositions thus result, for example, for moldings produced according to the invention:
  • porous monolithic moldings are therefore also moldings whose inner part consists of a porous material and whose outer layer consists of a non-porous material.
  • the production of the first, inner molded body can take place in accordance with the sol-gel process described above, while the outer layer, which is formed during refilling, is formed by radical polymerization.
  • the inner structure can be produced by the sol-gel method described above, while the outer layer is made from pure monomer sols
  • Tetramethoxysilane with acid or water or from monomer sols with Ormoceren (polysilicic acids or polysiloxanes) is produced.
  • the gelling mold is the form into which the monolithic moldings completely, i.e. polymerized with a perfect fit without dead volume. Since the molded bodies polymerized according to the invention are preferably used as separation columns for chromatography, the gelling mold also represents the sheathing of the chromatography column. According to the invention, it is no longer necessary to remove the shaped bodies from the gelling mold for chromatographic use and to provide them with a new sheathing.
  • the gelling form is therefore typically of a size and shape customary for capillaries, analytical or preparative chromatography columns.
  • It can be made of metal or, preferably, plastic, ceramic, glass or other silica materials, e.g. Fused silica.
  • silica materials e.g. Fused silica.
  • the person skilled in the art is able to make the selection from these materials on the basis of the reaction conditions and the reactants used.
  • completely polymerized ie, polymerized in a precisely fitting manner without dead volume
  • the gelling mold is filled by the shaped body in such a way that the chromatographic separation performance is no longer impaired by cavities which occur in the edge regions as a result of shrinkage processes.
  • the ends of the gelling mold with stoppers or Placeholder of a different type should be provided, so that the monolith does not end with the gelling mold after polymerizing and removing the stopper.
  • a protrusion of the gelling mold at the ends can be particularly advantageous for introducing filter or sealing elements or for connecting eluent inlet and outlet. Accordingly, a gelling mold which is completely filled with monolithic sorbent over the cross section of the gelling mold according to the invention can also have cutouts at the ends.
  • the process according to the invention can be used to produce
  • Chromatography columns with inner diameters of 200 ⁇ m to 200 mm, preferably between 1 mm and 100 mm, are used. In the case of thin tubes or capillaries with a diameter of up to 5 mm, it is usually sufficient to fill in the dead volume after the first aging with new monomer sol. With thicker pipes, it may be necessary to refill three or four times.
  • the gelling mold In order to use the shaped bodies polymerized into the gelling mold for chromatographic purposes, the gelling mold is usually provided with the appropriate filter or sealing elements and connections for eluents.
  • monolithic homogeneous porous molded articles can be produced for the first time, which completely fill their gelling mold.
  • the shaped bodies can remain in the gelling mold for chromatographic purposes and, when using uniform monomer solutions, show an equally homogeneous pore structure and equally good separation performance as subsequently coated shaped bodies which were produced without multiple filling.
  • the inventive method is therefore the Manufacture of the monolithic shaped body for chromatographic purposes greatly simplified.
  • the method according to the invention offers the possibility of producing composite materials by refilling with a different monomer sol. Depending on the nature of the inner monolith and the outer layer, these materials can have different properties.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • the pH of the outer surface of the monolith is stored in 0.001 molar acetic acid for 1 hour and immediately centered in the Superformance ® column with an inner diameter of 5 cm.
  • the space between the monolith and the glass wall is filled with a solution which has been prepared as described above and left to gild at 40 ° C. Due to the pH value in the outer area of the first monolith, the gel that forms forms a connection with the surface and form a new, compact rod. After further aging for 20 hours at 40 ° C, this monolith cannot be removed from the glass tube.
  • the glass column filled with the monolith is stored in a plastic dish for 72 hours in 0.1 molar ammonia solution (the pH was approx. 10) at 40 ° C., which is renewed after 24 hours.
  • the flexible end pieces of the Superformance ® column are up to the ends of the monolith inside of the vitreous body is rotated and the porous monolith is rinsed free of residues with water at a flow of 0.5 ml / minute.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • a solution which was prepared as described above, is pumped into the space between the monolith and the glass wall and left to cure at 40 ° C. It is important to ensure that no reaction solution remains in the pump tubing.
  • the gel that forms is able to bond with the surface due to the pH value in the outer area of the first monolith come in and form a new compact rod. After aging for 20 hours at 40 ° C, the rod can no longer be removed from the glass tube.
  • the adjustable end pieces of the Superformance ® column are rotated to the ends of the monolith inside the glass body and the porous monolith is slowly aged with 20 ml of a 0.1 molar ammonia solution (the pH was approx. 10) at 40 ° C by pumping. The pump is then stopped and the solution left in the pores of the monolith. This process is repeated every 24 hours.
  • the monolith is then rinsed off with water at a flow of 0.5 ml / minute.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chromatographiesäulen oder Kapillaren mit Sorbenzien aus monolithischen Formkörpern, die nach der Herstellung direkt in ihrer Gelierform verbleiben können. Dies wird realisiert durch das erfindungsgemässe Verfahren, bei dem eine Mehrfachfüllung der Gelierform mit dem Monomersol vorgenommen wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von monolithischen Chromatographiesäulen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chromatographiesäulen oder Kapillaren mit monolithischen Sorbenzien, die nach der Herstellung direkt in ihrer Gelierform verbleiben können.
Monolithische Sorbenzien gewinnen im Bereich der Chromatographie, insbesondere der HPLC, Mikro-LC oder der Elektrochromatographie, immer mehr an Bedeutung. Sie zeigen wesentlich bessere
Massentransporteigenschaften als Säulen oder Kapillaren mit partikulären Sorbenzien. Aus diesem Grund können Säulen mit monolithischen Sorbenzien mit höherer linearer Fließgeschwindigkeit bei gleichbleibender Leistung betrieben werden.
Monolithische Sorbenzien können auf Basis von organischen oder anorganischen Polymeren gebildet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Polymere werden derzeit zur Herstellung von Chromatographiesäulen auf Basis von monolithischen Sorbenzien unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Polymere mit geringen Schrumpfungsraten, d.h. weiche Polymergele, können direkt in den zur Chromatographie verwendeten Rohren als Gelierform hergestellt werden. Hjerten et al. (Nature, 356, S. 810-811, 1992) beschreiben z.B. Monolithen aus einem Polyacrylamid-Material, die innerhalb eines chromatographischen Rohres hergestellt werden. Frechet et al. (Anal. Chem., 64, S 820-822, 1993) beschreiben die Herstellung von Polyacrylat-Materialien und Polystyrol/Divinylbenzol Copolymeren, die in Anwesenheit von Porogenen zu monolithischen Materialien mit einer makroporösen Struktur werden und nach der Herstellung in der verwendeten Form verbleiben können. Derartige Polymere weisen jedoch für die Chromatographie einige Nachteile auf. Beispielsweise besitzen sie häufig eine zu geringe mechanische Stabilität. Weiterhin ist die Porenverteilung der Materialien oft ungünstig, da zu viele Mikroporen auftreten. Dadurch wird die Effizienz und die Symmetrie der Säulen negativ beeinflußt. Auch zeigen die Materialien oft ein ungünstiges Quellverhalten.
Wesentlich bessere Trenneigenschaften zeigen monolithische poröse anorganische Formkörper oder, in einigen Fällen, stark quervemetzte, harte organische Polymergele. Diese Materialien schrumpfen jedoch während ihrer Herstellung, so daß sie nicht direkt in den Chromatographierohren hergestellt werden können. Das entstehende Totvolumen würde die Trennleistung zu stark herabsetzen. Bei anorganischen Monolithen, die über einen Sol-Gel Prozeß hergestellt werden, beträgt die Schrumpfung nach der Alterung beispielsweise bis zu 20% des Ausgangsdurchmessers. Daher müssen die Materialien nach ihrer Herstellung aus den Gelierformen entfernt werden und anschließend mit dicht-schließenden Rohren ummantelt werden.
WO 99/38006 und WO 99/50654 offenbaren Verfahren zur Herstellung von Kapillaren, die mit monolithischem Silica-Material gefüllt sind. Dieses Material kann nach der Herstellung direkt in der Kapillare verbleiben. Jedoch sind die dort offenbarten Methoden nur zur Herstellung von Kapillarsäulen mit kleinerem Durchmesser geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Herstellung von monolithischen Chromatographiesäulen bereitzustellen, bei dem das Sorbens nach der Herstellung in der Gelierform, d.h. dem Säulenrohr, verbleiben kann. Das Verfahren sollte insbesondere für stark schrumpfende, d.h. z.B. für anorganische Materialien und stark vernetzte organische Polymere, geeignet sein und das Füllen von Säulenrohren mit einem Durchmesser von bis zu 20 cm ermöglichen.
Es wurde gefunden, daß das Totvolumen, das durch die Schrumpfung zwischen Gelierform und Monolith entsteht, ausgeglichen werden kann, indem eine Mehrfachfüllung mit dem Monomersol durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Monolith in der ursprünglichen Form verbleiben und direkt zur chromatographischen Trennung eingesetzt werden. Obwohl das Gel nach der ersten Alterung im Vergleich zu dem frisch polymerisierten bzw. gelierten Material ein stärker fixiertes dreidimensionales Netzwerk besitzt, wurde gefunden, daß das Gel in diesem Stadium noch reaktiv genug ist, um sich mit frisch aufgegebenem Monomersol zu verankern. Dies geschieht durch neue Gelierung des Monomersols an das gealterte Gel.
Nach Lehrbuchmeinung (Her, R. K. The chemistry of silica; John Wiley & Sons, New York, 1979, Seite 174) bilden sich homogene Netzwerke bei Kieselgelen nur bei einem pH - Wert unterhalb von pH 7. Oberhalb dieses Wertes ist die Neigung zur Bildung von Partikeln deutlich stärker ausgeprägt. Demnach findet auch die Herstellung von Monolithen aus Kieselgelen in saurem Medium statt. Die nachfolgende Alterung muß jedoch alkalisch erfolgen, damit sich poröse Strukturen bilden. Daher besitzt ein gealtertes Gel einen pH von ca. 9. Es wurde nun gefunden, daß auch bei der Herstellung von Monolithen aus Silika eine Mehrfachfüllung möglich ist. Die Neigung des Monomersols, im basischen Milieu Partikel auszubilden, kann unterdrückt werden. Trotz des hohen pH-Wertes der ersten Füllung nach der Alterung bildet sich bei der Mehrfachfüllung ein homogenes Netzwerk aus, wenn in den frisch gealterten Monolithen durch Ansäuern oder Spülen der äußeren Bereiche ein pH-Gradient erzeugt wird.
Das hinzugegebene Monomersol verbindet sich mit dem gealterten Gel und bildet mit diesem zusammen eine homogene Struktur. Die entstehenden Materialien zeigen gute chromatographische Trenneigenschaften.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von monolithischen porösen Formkörpem, die ihre Gelierform vollständig ausfüllen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Gelierform; b) Befüllen der Gelierform mit Monomersol; c) Polymerisieren der Monomerlösung; d) Altern des in Schritt c) entstandenen Gels zur Bildung von Poren; e) Ausfüllen des in Schritt d) entstandenen Totvolumens mit weiterem
Monomersol und Wiederholung der Schritte c) bis d), wobei Schritt e) ein- oder mehrfach ausgeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Herstellung der monolithischen porösen Formkörper ein Sol-Gel-Verfahren verwendet, bei dem in Schritt e) zunächst auf der Oberfläche des gealterten Gels ein pH- Gradient ausgebildet wird, damit sich das nachgefüllte Monomersol homogen mit dem bereits gealterten Gel verbindet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich das Monomersol, mit dem in Schritt e) nachgefüllt wird, in seiner Zusammensetzung von dem Monomersol aus Schritt b).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die in Schritt a) bereitgestellte Gelierform einen Innendurchmesser zwischen 1 mm bis 100 mm auf.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch monolithische poröse Formkörper, die in ihre Gelierform einpolymerisiert sind und zumindest im Kern aus porösem monolithischen Material bestehen, das bei der Alterung schrumpft, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Formkörper in der Gelierform zur chromatographischen Auftrennung mindestens zweier Substanzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung poröser monolithischer Formkörper aus Monomersolen, die im Verlauf des Herstellungsprozesses schrumpfen.
Zur Herstellung der Formkörper können verschiedene dem Fachmann bekannte Verfahren, wie Verfahren zur z.B. radikalischen Polymerisation oder auch Sol-Gel-Verfahren, eingesetzt werden. Die Lösungen, die die Ausgangssubstanzen zur Herstellung der Monolithen enthalten, werden erfindungsgemäß, unabhängig von der Art wie sie polymerisiert oder geliert werden, als Monomersol bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung anorganischer poröser monolithischer Formkörper nach einem Sol-Gel Prozeß. In WO 95/03256 und besonders in WO 98/29350 werden erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren zur Herstellung anorganischer monolithischer Formkörper nach einem Sol-Gel Prozeß offenbart. Diese Materialien enthalten Mesoporen mit einem Durchmesser zwischen 2 und 100 nm und Makroporen mit einem mittleren Durchmesser von über 0,1 μm und sind somit für eine chromatographische Anwendung besonders gut geeignet.
Die Herstellung dieser Formkörper kann beispielsweise erfolgen, indem man in einer Gelierform Siliciumalkoholat unter sauren Bedingungen in Gegenwart einer porenbildenden Phase, z.B. einer wässrigen Lösung eines organischen Polymers, zu einem porösen Gelkörper hydrolysiert und danach die porenbildene Substanz abtrennt und das Gel brennt.
Besonders durch die abschließende Alterung des Gels kommt es zu einer Veränderung der Gelstruktur und zum Schrumpfen des Gels. Dadurch entsteht ein Totvolumen zwischen der Gelierform und dem Formkörper.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das Totvolumen zwischen Gelierform und Formkörper mit Monomersol aufgefüllt. Die Gelierform mit
Formkörper und Monomersol wird dann erneut den verschiedenen Schritten eines Herstellverfahrens, wie z.B. in WO 95/03256 oder WO 98/29350 beschrieben, unterzogen. Damit sich das nachträglich eingefüllte Monomersol möglichst homogen mit dem bereits vorhandenen Monolithen verbindet, wird bevorzugt der durch die Alterung erzeugte basische pH- Wert durch die Schaffung eines pH-Gradienten ausgeglichen.
Unter Schaffung eines pH-Gradienten wird erfindungsgemäß verstanden, daß mindestens auf der Außenseite der gealterten Gelkörper der pH-Wert wieder auf einen Wert gleich oder bevorzugt kleiner pH 7 gebracht wird. Bevorzugt wird der pH-Wert des im Anschluß zu verwendenden Monomersols eingestellt. Genauso ist es möglich, aber nicht notwendig, den gesamten Formkörper auf diesen pH-Wert einzustellen. Die Einstellung des pH-Gradienten kann beispielsweise durch Waschung mit Wasser oder bevorzugt mit einer Säure oder einem Puffer mit entsprechendem pH-Wert erfolgen.
Natürlich tritt auch bei der zweiten Alterung eine Schrumpfung des hinzugefügten Gels auf. Aus diesem Grund kann es notwendig sein, ein oder mehrere weitere Male Monomersol zuzugeben, dieses auszugelieren und erneut eine Alterung durchzuführen.
Nachdem die Gelierform, in der polymerisiert wurde, ausreichend mit dem Formkörper gefüllt ist und das durch die Schrumpfung entstandene Totvolumen ausgefüllt wurde, erhält man einen Formkörper, der für chromatographische Trennungen geeignet ist und direkt in seiner Gelierform verbleiben kann. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist zu beachten, daß homogene Formkörper nur dann entstehen, wenn das Monomersol bei jeder Zugabe die gleiche Zusammensetzung aufweist und auch das Gelieren und Altern unter vergleichbaren Bedingungen erfolgt. Wird zum Auffüllen des
Totvolumens ein Monomersol anderer Zusammensetzung gewählt, so werden Formkörper erzeugt, deren Kern sich von den später aufgefüllten Außenbereichen beispielsweise in der Porenverteilung unterscheidet. Für chromatographische Trennungen sind jedoch homogene Formkörper bevorzugt.
Somit ergeben sich für erfindungsgemäß hergestellte Formkörper beispielsweise folgende Zusammensetzungen:
1. Mischung eines porösen Monolithen (innen) mit einer zweiten porösen (gleichartigen) Schicht (außen);
2. Mischung eines porösen Monolithen (innen) mit einer zweiten unporösen Schicht (außen);
3. Mischung eines porösen anorganischen Monolithen (innen) mit einer zweiten porösen organischen Polymer-Schicht (außen);
4. Mischung eines porösen anorganischen Monolithen mit einer zweiten unporösen organischen Polymer-Schicht.
Als poröse monolithische Formkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung gelten demnach auch Formkörper, deren innerer Teil aus einem porösen und deren äußere Schicht aus einem unporösen Material besteht.
Es lassen sich so auch unterschiedliche Herstellverfahren kombinieren. Beispielsweise kann die Herstellung des ersten, inneren Formkörpers entsprechend dem oben geschilderten Sol-Gel-Prozeß erfolgen, während die äußere Schicht, die beim Nachfüllen gebildet wird durch radikalische Polymerisation entsteht. Zur Herstellung eines anorganischen Monolithen mit poröser Innenstruktur und unporöser Außenschicht läßt sich beispielsweise die Innenstruktur nach oben beschriebene Sol-Gel-Verfahren erzeugen, während die Außenschicht ausgehend von Monomersolen aus reinem
Tetramethoxysilan mit Säure oder Wasser oder auch aus Monomersolen mit Ormoceren (Polykieselsäuren oder Polysiloxanen) hergestellt wird.
Als Gelierform wird erfindungsgemäß die Form bezeichnet, in die die monolithischen Formkörper während der erfindungsgemäßen Herstellung vollständig, d.h. paßgenau ohne Totvolumen, einpolymerisiert werden. Da die erfindungsgemäß einpolymerisierten Formkörper bevorzugt als Trennsäulen für die Chromatographie eingesetzt werden, stellt die Gelierform zugleich die Ummantelung der Chromatographiesäule dar. Es ist erfindungsgemäß nicht mehr notwendig, die Formkörper für einen chromatographischen Einsatz aus der Gelierform zu entfernen und mit einer neuen Ummantelung zu versehen.
Die Gelierform besitzt daher typischerweise eine für Kapillaren, analytische oder präparative Chromatographiesäulen übliche Größe und Form.
Sie kann aus Metall oder bevorzugt, aus Kunststoff, Keramik, Glas oder anderen Silika-Materialien, wie z.B. Fused Silica, bestehen. Der Fachmann ist in der Lage, die Auswahl aus diesen Materialien aufgrund der Reaktionsbedingungen und der eingesetzten Reaktanden zu treffen.
Erfindungsgemäß bedeutet vollständig, d.h. paßgenau ohne Totvolumen einpolymerisiert, daß die Gelierform derart von dem Formkörper ausgefüllt wird, daß die chromatographische Trennleistung nicht mehr von Hohlräumen beeinträchtigt wird, die in den Randbereichen durch Schrumpfungsprozesse entstehen. Natürlich können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Enden der Gelierform mit Stopfen oder Platzhaltem anderer Art versehen sein, so dass der Monolith nach dem Einpolymerisieren und Entfernen der Stopfen nicht passgenau mit der Gelierform endet. Ein Überstehen der Gelierform an den Enden kann insbesondere zum Einbringen von Filter- oder Dichtungselementen oder zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und ablauf vorteilhaft sein. Demnach kann auch eine erfindungsgemäß über den Querschnitt der Gelierform vollständig mit monolithischem Sorbens gefüllte Gelierform an den Enden Aussparungen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung von
Chromatographiesäulen mit Innendurchmessern von 200 μm bis 200 mm, bevorzugt zwischen 1 mm bis 100 mm, eingesetzt werden. Bei dünnen Rohren oder Kapillaren von einem Durchmesser bis zu 5 mm ist es zumeist ausreichend, das nach der ersten Alterung entstehende Totvolumen einmal mit neuem Monomersol auszufüllen. Bei dickeren Rohren kann drei- oder viermaliges Nachfüllen notwendig sein.
Zum Einsatz der erfindungsgemäßen in die Gelierform einpolymerisierten Formkörper für chromatographische Zwecke, wird die Gelierform zumeist mit den entsprechenden Filter- oder Dichtungselementen sowie Anschlüssen für Elutionsmittel versehen.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können erstmals monolithische homogene poröse Formkörper hergestellt werden, die ihre Gelierform vollständig ausfüllen. Die Formkörper können für chromatographische Zwecke in der Gelierform verbleiben und zeigen bei der Verwendung von einheitlichen Monomerlösungen eine ebenso homogene Porenstruktur und ebenso gute Trennleistungen wie nachträglich ummantelte Formkörper, die ohne Mehrfachfüllung hergestellt wurden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird daher die Herstellung der monolithischen Formkörper für chromatographische Zwecke stark vereinfacht.
Kapillaren, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, zeigen im Durchschnitt wesentlich bessere Trennleistungen als
Kapillaren aus dem Stand der Technik. Grund dafür ist, daß durch Schrumpfungsprozesse unmerklich auftretende Totvolumina problemlos ausgeglichen werden können.
Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit durch Nachfüllen mit einem unterschiedlichen Monomersol Komposit-Materialien herzustellen. Diese Materialien können je nach Beschaffenheit des inneren Monolithen und der äußeren Schicht unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offen- barung aufzufassen.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, insbesondere der korrespondierenden Anmeldung DE 100 28447, eingereicht am 14.06.2000, ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.
Beispiele
1.
Zu einer Lösung von 0,7 g Polyethylenglycol 10.000 in 10ml einer 0,001 molaren Essigsäure werden 5ml Tetramethoxysilan (TMOS) addiert und das Reaktionsgemisch zur Hydrolyse bei 40°C gerührt. Nach einigen Minuten bildet sich eine klare Lösung, die nach 20 Minuten Rühren bei 40°C in eine Superformance® Glassäule (Merck KGaA, Deutschland) mit einem Innendurchmesser von 5 cm überführt wird. Nach 40 Minuten unter thermostatisierten Bedingungen (40°C) verfestigt sich die Reaktionslösung. Nachdem das gebildeten Gel 20 Stunden bei konstanter Temperatur gealtert ist, kann eine Schrumpfung des Monolithen von mehr als 10% festgestellt werden.
Wegen des Zwischenraum, der sich zwischen dem Monolithen und der Säulenwand gebildet hat, ist es nicht möglich, den Monolithen für eine Verwendung als Trennmaterial direkt einzusetzen.
Das wird auch dadurch deutlich, dass es leicht möglich ist, den Monolithen aus dem Glasrohr zu entfernen. Er wird zur weiteren Alterung in einer Kunststoffschale während 72 Stunden in einer 0,1 molaren Ammoniaklösung bei 40°C gelagert, die jeweils nach 24 Stunden erneuert wird. Der pH der Ammoniak-Lösung beträgt ca. 10.
Um den feuchten Stab für eine Oberflächenreaktion vorzubereiten, wird zur pH Änderung der äußeren Oberfläche der Monolith für 1 Stunde in 0,001 molarer Essigsäure gelagert und sofort zentriert in der Superformance® Säule mit einem Innendurchmesser von 5cm fixiert. Der Zwischenraum zwischen Monolith und Glaswand wird mit einer Lösung, die wie bereits zuvor beschrieben hergestellt wurde, aufgefüllt und bei 40°C ausgelieren gelassen. Das sich bildende Gel kann aufgrund des gleich pH Wertes im äußeren Bereiches des Erstmonolithen eine Verbindung mit der Oberfläche eingehen und einen neuen kompakten Stab bilden. Dieser Monolith ist nach der weiteren Alterung von 20 Stunden bei 40°C nicht mehr aus dem Glasrohr zu entfernen. Zur Alterung wird die mit dem Monolithen gefüllte Glassäule in einer Kunststoffschale für 72 Stunden in 0,1 molarer Ammoniaklösung (der pH betrug ca. 10) bei 40°C gelagert, die jeweils nach 24 Stunden erneuert wird. Nach dieser Zeit werden die flexiblen Endstücke der Superformance® Säule bis auf die Enden des Monolithen im Inneren des Glaskörpers gedreht und der poröse Monolith mit Wasser bei einem Fluss von 0,5ml/Minute von Rückständen freigespült.
2. Es wird zu einer Lösung von 0,7g Polyethylenglycol 10.000 in 10ml einer
0,001 molaren Essigsäure 5ml Tetramethoxysilan (TMOS) addiert und das Reaktionsgemisch zur Hydrolyse bei 40°C gerührt. Nach einigen Minuten bildet sich eine klare Lösung, die nach 20 Minuten Rühren bei 40°C in eine Superformance® (Merck KGaA) Glassäule mit einem Innendurchmesser von 5cm überführt wird. Nach 40 Minuten unter thermostatisierten
Bedingungen (40°C) verfestigte sich die Reaktionslösung. Nachdem das gebildeten Gel 20 Stunden bei konstanter Temperatur gealtert ist, kann eine Schrumpfung des Monolithen von mehr als 10% festgestellt werden. Wegen des Zwischenraum, der sich zwischen dem Monolithen und der Säulenwand gebildet hat, ist es nicht möglich den Monolithen für eine Verwendung als Trennmaterial direkt einzusetzen. Zur weiteren Alterung werden die flexiblen Endstücke der Superformance® Säule bis kurz vor die Enden des Monolithen im Inneren des Glaskörpers gedreht und der Spalt zwischen Monolith und Glaswand mit Hilfe einer Pumpe mit einer 0,1 molaren Ammoniaklösung gefüllt und während 72 Stunden bei 40°C gelagert. Die 0,1 molare Ammoniaklösung wird jeweils nach 24 Stunden erneuert . Der pH der Ammoniak-Lösung beträgt ca. 10. Um den feuchten Stab für eine Oberflächenreaktion vorzubereiten, wird zur pH-Änderung in den Spalt eine 0,001 molaren Essigsäure gepumpt und für eine Stunde bei 40°C stehen gelassen.
Nach dieser Zeit wird in den Zwischenraum zwischen Monolith und Glaswand eine Lösung, die wie bereits zuvor beschrieben hergestellt wurde, gepumpt und bei 40°C ausgelieren gelassen. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Reaktionslösung in den Schläuchen der Pumpe verbleibt. Das sich bildende Gel kann aufgrund des gleich pH Wertes im äußeren Bereiches des Erstmonolithen eine Verbindung mit der Oberfläche eingehen und einen neuen kompakten Stab bilden. Der Stab ist nach der Alterung von 20 Stunden bei 40°C nicht mehr aus dem Glasrohr zu entfernen. Zur weiteren Alterung werden die verstellbaren Endstücke der Superformance® Säule bis auf die Enden des Monolithen im Inneren des Glaskörpers gedreht und der poröse Monolith zur weiteren Alterung langsam mit 20ml einer 0,1 molare Ammoniaklösung (der pH betrug ca. 10) bei 40°C durchpumpt. Die Pumpe wird dann gestoppt und die Lösung in den Poren des Monolithen belassen. Dieser Vorgang wird jeweils nach 24 Stunden wiederholt. Anschließend wird der Monolith mit Wasser bei einem Fluss von 0,5 ml/Minute von Rückständen freigespült.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von monolithischen porösen Formkörpern, die ihre Gelierform vollständig ausfüllen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Gelierform; b) Befülleh der Gelierform mit Monomersol; c) Polymerisieren der Monomerlösung; d) Altern des in Schritt c) entstandenen Gels zur Bildung von Poren; e) Ausfüllen des in Schritt d) entstandenen Totvolumens mit weiterem Monomersol und Wiederholung der Schritte c) bis d), wobei Schritt e) ein oder mehrfach ausgeführt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung anorganischer Monolithen nach einem Sol-Gel-Verfahren in
Schritt e) zunächst auf der Oberfläche des gealterten Gels ein pH-Gradient ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Monomersol, mit dem in Schritt e) nachgefüllt wird, in seiner
Zusammensetzung von dem Monomersol aus Schritt b) unterscheidet.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Gelierform einen Innendurchmesser zwischen 1 mm bis 100 mm aufweist.
5. Monolithischer poröser Formkörper in einer Gelierform, dadurch gekennzeichnet dass der Formkörper zumindest im Kern aus porösem monolithischen Material besteht, das bei der Alterung schrumpft, und nach dem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.
6. Verwendung eines monolithischen porösen Formkörpers entsprechend Anspruch 5 zur chromatographischen Auftrennung mindestens zweier Substanzen.
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