Authors:	Skudas, Romas
Title:	Pore structure and column efficiency of silica monoliths in high performance liquid chromatography (HPLC)
Online publication date:	26-Oct-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	Five different methods were critically examined to characterize the pore structure of the silica monoliths. The mesopore characterization was performed using: a) the classical BJH method of nitrogen sorption data, which showed overestimated values in the mesopore distribution and was improved by using the NLDFT method, b) the ISEC method implementing the PPM and PNM models, which were especially developed for monolithic silicas, that contrary to the particulate supports, demonstrate the two inflection points in the ISEC curve, enabling the calculation of pore connectivity, a measure for the mass transfer kinetics in the mesopore network, c) the mercury porosimetry using a new recommended mercury contact angle values. rnThe results of the characterization of mesopores of monolithic silica columns by the three methods indicated that all methods were useful with respect to the pore size distribution by volume, but only the ISEC method with implemented PPM and PNM models gave the average pore size and distribution based on the number average and the pore connectivity values.rnThe characterization of the flow-through pore was performed by two different methods: a) the mercury porosimetry, which was used not only for average flow-through pore value estimation, but also the assessment of entrapment. It was found that the mass transfer from the flow-through pores to mesopores was not hindered in case of small sized flow-through pores with a narrow distribution, b) the liquid penetration where the average flow-through pore values were obtained via existing equations and improved by the additional methods developed according to Hagen-Poiseuille rules. The result was that not the flow-through pore size influences the column bock pressure, but the surface area to volume ratio of silica skeleton is most decisive. Thus the monolith with lowest ratio values will be the most permeable. rnThe flow-through pore characterization results obtained by mercury porosimetry and liquid permeability were compared with the ones from imaging and image analysis. All named methods enable a reliable characterization of the flow-through pore diameters for the monolithic silica columns, but special care should be taken about the chosen theoretical model.rnThe measured pore characterization parameters were then linked with the mass transfer properties of monolithic silica columns. As indicated by the ISEC results, no restrictions in mass transfer resistance were noticed in mesopores due to their high connectivity. The mercury porosimetry results also gave evidence that no restrictions occur for mass transfer from flow-through pores to mesopores in the small scaled silica monoliths with narrow distribution. rnThe prediction of the optimum regimes of the pore structural parameters for the given target parameters in HPLC separations was performed. It was found that a low mass transfer resistance in the mesopore volume is achieved when the nominal diameter of the number average size distribution of the mesopores is appr. an order of magnitude larger that the molecular radius of the analyte. The effective diffusion coefficient of an analyte molecule in the mesopore volume is strongly dependent on the value of the nominal pore diameter of the number averaged pore size distribution. The mesopore size has to be adapted to the molecular size of the analyte, in particular for peptides and proteins. rnThe study on flow-through pores of silica monoliths demonstrated that the surface to volume of the skeletons ratio and external porosity are decisive for the column efficiency. The latter is independent from the flow-through pore diameter. The flow-through pore characteristics by direct and indirect approaches were assessed and theoretical column efficiency curves were derived. The study showed that next to the surface to volume ratio, the total porosity and its distribution of the flow-through pores and mesopores have a substantial effect on the column plate number, especially as the extent of adsorption increases. The column efficiency is increasing with decreasing flow through pore diameter, decreasing with external porosity, and increasing with total porosity. Though this tendency has a limit due to heterogeneity of the studied monolithic samples. We found that the maximum efficiency of the studied monolithic research columns could be reached at a skeleton diameter of ~ 0.5 µm. Furthermore when the intention is to maximize the column efficiency, more homogeneous monoliths should be prepared.rn Es wurde fünf verschiedene, physikalisch-chemische Methoden zur Charakterisierung der Porenstruktur von Silica Monolithen angewandt und ihre Ergebnisse kritisch evaluiert, insbesondere im Hinblick auf die Trennleistung monolithischer Säulen in der HPLC.rnEs wurden drei verschiedenen Methoden für die Charakterisierung der Porenstruktur der Mesoporen von Silica Monolithen (mittlerer Porendurchmesser 2 < pd < 50 nm) eingesetzt: a) Stickstoffsorptionsmessungen mit Auswertung nach die klassische Barrett, Joyner und Halenda (BJH) Methode und Non-Linear Density Functional Theory (NLDFT) – Methode; b) Die Inverse Größenausschluß-Chromatographie (ISEC) mit implementierte zwei Porenmodelle (Parallel Pore Model, PPM, sowie des Pore Network Models, PNM); c) und die Quecksilber-Porosimetrie. Alle drei angewandten Methoden ergaben nützliche Informationen mit den erwähnten Einschränkungen. Bevorzugt wurde die ISEC, weil diese Methode sowohl die Volumen- als auch die Anzahlverteilung der Poren liefert, sowie zusätzlich die Porenkonnektivität.rnEs wurden zwei verschiedenen Methoden - die Quecksilber-Porosimetrie und die Flüssig-Penetrationsmethoden eingesetzt für die Charakterisierung der Porenstruktur der Durchflußporen ( Makroporen mit pd >> 50 nm) von Silica Monolithen und ihre Ergebnisse evaluiert. Die Ergebnisse beider genannten Methoden wurden verglichen mit Ergebnissen Image-Analyse mit Hilfe der Raster-Elektronenmikroskopie. Hierbei zeigte sich, dass ein Vergleich bzw. eine Übereinstimmung der Ergebnisse sehr stark vom gewählten Porenmodell abhängt.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde der Versuch unternommen, Rückschlüsse aus den Ergebnissen der Porenstrukturuntersuchungen auf die chromatographische Trennleistung der Monolithen zu gewinnen.rnZunächst deutete ein hohe Porenkonnenktivität (aus ISEC-Messungen) und ein geringes Entrapment (aus der Quecksilber-Porosimetrie) auf eine gute Kinetik des Massentransports hin, die auch experimentell in chromatographischen Messungen durch Ermittlung der Abhängigkeit der theoretischen Bodenhöhe von der linearen Flußgeschwindigkeit verifiziert wurde.rnDie Ergebnisse erlaubten weiterhin in erster Nährung eine Abschätzung der optimalen Parameter der Porenstruktur von Monolithen bei der Flussigphasen-Trennung in der HPLC. Ein Ergebnis war, dass der durchschnittliche Porendurchmesser der Mesoporen aus der Anzahlverteilung etwa eine Größenordung größer sein sollte als der Molekülradius der zu trennenden Komponenten. Das heißt, dass für die Trennung von Peptiden und erst recht von Proteinen entsprechend große Mesoporen oder sogar Makroporen im Monolithen vorhanden sein müssen.rnIm Hinblick auf die Trennleistung von monolithischen Säulen ist nicht der durchschnittliche Durchflußporendurchmesser entscheidend, sondern das Oberflächen- zu Volumenverhältnis des Kiesegelgerüstes, das die Mesoporen enthält, sowie die Porosität der Makroporen und Mesoporen entscheidend sind Die Trennleistung nimmt zu mit abnehmendem Durchmesser der Durchflußporen, abnehmender Porosität der Durchflußporen und mit zunehmender Gesamtporosität des Monolithen. Allerdings sind diese Aussagen eingeschränkt bedingt durch die Heterogenität der monolithischen Säulen. Für die maximale Säulentrennleistung ist ein Durchmesser des Kieselsäureskeletts von ungefähr 0, 5 µm erforderlich, weiterhin eine homogene Verteilung der Durchflußporen.rn
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1576
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-21120
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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