MOJE SRDEČNÍ ZÁLEŽITOST: MONOLITY

Význam tématu

Monolitické materiály představují porézní pevné fáze tvořené kontinuitou pórů, které kombinují vysokou propustnost, rychlý přenos hmoty konvekcí a širokou variabilitu chemické funkčnosti. Díky těmto vlastnostem jsou monolity klíčové pro moderní chromatografii, mikrofluidické systémy, přípravu vzorků, heterogenní katalýzu či senzory. Jejich struktura umožňuje minimalizovat tlakové ztráty a dosahovat velmi rychlých separací a reakcí, což je výhodné v biotechnologii, farmacii i průmyslové analytice.

Cíle a přehled studie

Článek poskytuje osobní retrospektivu 30letého vývoje monolitických materiálů v podání autora. Popisuje vznik moderních polymerních monolitů koncem 80. let, jejich chemickou různorodost, klíčové milníky a řadu méně známých, avšak inspirativních aplikací v separační chemii i mimo ni. Nejde o klasický systematický review, ale o výběr zajímavých příkladů demonstrujících flexibilitu a potenciál monolitů.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu monolitů se uplatňují:

• In situ fotopolymerizace a termicky iniciovaná polymerizace v kapilárách, discích a vrstvách
• Fotolitografické postupy, ražení kanálů ve skle či polymerní vstřikování (COC čipy)
• Roubování funkčních monomerů (azlaktony, thioly, betainy) k zavedení specifických skupin
• Imobilizace nanočástic (Au, ZnO), metalo-organických frameworků (MOF)

Instrumentace zahrnuje:

• HPLC systémy s kapilárními a mikrokapilárními kolonkami
• Kapilární elektrochromatografické přístroje (CEC)
• Plynové chromatografy schopné vysokotlaké práce (GC až do 7 MPa)
• MALDI-TOF hmotnostní spektrometry pro detekci proteinů
• SEM pro morfologickou charakterizaci pórů a nanočástic
• SERS spektrometry pro povrchově zesílený Ramanův rozptyl
• Mikrofluidické čipy vyrobené ze skla nebo COC polymerů

Hlavní výsledky a diskuse

Klíčové aplikace monolitů:

• Reverzně-fázová kapalinová chromatografie: monolity v kapilárách 100 µm i 200 µm umožnily separace bílkovin za průtoky μl/min a gradientní eluce v řádu sekund.
• Kapilární elektrochromatografie (CEC): plochý elektroosmotický profil vedl k účinnosti nad 10^6 teoretických pater při rozdělování proteinů.
• Plynová chromatografie (GC): polydivinylbenzenové monolity odolné až 380 °C pro separace lehkých uhlovodíků a alkoholů i z vodných vzorků.
• Tenkovrstvá chromatografie (TLC): monolitické vrstvy na skle s řízenou tloušťkou pro 1D a 2D separace malých i velkých molekul.
• Mikrofluidika: UV iniciovaná polymerizace monolitů v kanálech skla a COC čipů pro separace i mixáž kapalin; reaktory s imobilizovanými enzymy v jedné cestě.
• Imobilizace enzymů: jednoduché roubování azlaktonovými skupinami, glutaraldehydové aktivace i vazba na zlaté nanočástice pro rychlou kontinuitní katalýzu sacharidů.
• Metalo-organické frameworky (MOF): vrstvená syntéza železo-trikarboxylátových MOF v polymerních pórech pro selektivní sorpci fosfopeptidů a katalýzu Knoevenagelovy reakce.
• Speciální senzory: planární monolitické SERS substráty pro detekci bakterií E. coli; superhydrofobní vrstvy s řízeným pH-responzivním povrchem;
• Reaktivní filtrace: azlaktonové disky pro odstranění zbytkových amínů po syntéze.

Přínosy a praktické využití metody

Monolity přinášejí v praxi:

• Vyšší propustnost a nízké tlakové ztráty umožňující rychlé průtoky a zkrácení času analýz
• Univerzální funkční modifikace povrchu pro reverzně-fázovou i iontoměničovou separaci
• Jednoduchou přípravu a reprodukovatelnost bez nutnosti mechanického plnění
• Výkonnou on-line přípravu vzorku (SPE) s vysokým měrným povrchem či iontovou výměnou
• Možnost kontinuální enzymové konverze v mikroreaktorech a katalytických systémech
• Integrované senzory využívající povrchové zesílení Ramanova rozptylu

Budoucí trendy a možnosti využití

Zejména se očekává:

• Implementace 3D tisku porézních polymerů s počítačově navrženou architekturou pórů
• Rozvoj nových chemických monomerů a hybridních struktur (MOF, nanočástice)
• Masová výroba vstřikováním polymerních čipů s integrovanými monolity pro POC aplikace
• Další miniaturizace a kombinace separace, reakce a detekce v jednom mikrořízení
• Použití monolitů ve velkobjemových bioprodukčních procesech jako chromatografické kolony a reaktory

Závěr

Monolitické materiály představují stále se rozšiřující rodinu porézních struktur nabízejících efektivní transport, nízké tlakové ztráty a širokou škálu chemických úprav. Jejich využitelnost sahá od rychlých chromatografických separací přes enzymové reaktory až po senzory a povrchové úpravy. Příští generace monolitů bude charakterizována přesnou kontrolou tvaru, velikosti pórů i chemické funkčnosti prostřednictvím pokročilých výrobních technologií, včetně 3D tisku.

Reference

• Švec F.: Electrophoresis 38, 2810 (2017).
• Švec F.: Chem. Listy 98, 232 (2004).
• Klodzinska E. a kol.: J. Chromatogr. A 1109, 51 (2006).
• Štulík K. a kol.: J. Chromatogr. B 841, 79 (2006).
• Švec F., Kurganov A. A.: J. Chromatogr. A 1184, 281 (2008).
• Švec F.: Electrophoresis 27, 947 (2006).
• Švec F.: J. Chromatogr. B 841, 52 (2006).
• Mikšík I., Sedláková P.: J. Sep. Sci. 30, 1686 (2007).
• Jandera P., Hájek T., Staňková M.: Anal. Bioanal. Chem. 407, 139 (2015).
• Urban J., Jandera P.: J. Sep. Sci. 31, 2521 (2008).
• Křenková J., Švec F.: J. Sep. Sci. 32, 706 (2009).
• Švec F., Tennikova T. B., Deyl Z.: Monolithic Materials: Preparation, Properties, and Applications. Elsevier, Amsterdam 2003.
• Unger K., Tanaka N., Machtejevas E.: Monolithic Silicas in Separation Science. Wiley, Weinheim 2011.
• Wang P. G.: Monolithic Chromatography and its Modern Applications. ILM Publications, St. Albans, UK 2010.
• Tennikova T. B., Švec F., Belenkii B. G.: J. Liquid Chromatogr. 13, 63 (1990).
• Švec F., Fréchet J. M. J.: Anal. Chem. 64, 820 (1992).
• Xie S. a kol.: Chem. Mater. 10, 4072 (1998).
• Hilder E. F., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Chromatogr. A 1044, 32 (2004).
• Lee D., Švec F., Fréchet J. M. J.: J. Chromatogr. A 1051, 53 (2004).
• Korolev A. A. a kol.: Russ. J. Phys. Chem. 81, 469 (2007).
• Peroni D. a kol.: J. Chromatogr. A 1268, 139 (2012).
• Wouters B. a kol.: J. Chromatogr. A 1286, 222 (2013).
• Lv Y., Švec F.: Anal. Chem. 87, 250 (2015).
• Levkin P. A., Švec F., Fréchet J. M. J.: Adv. Funct. Mater. 19, 1993 (2009).
• Urban J., Švec F., Fréchet J. M. J.: Biotechnol. Bioeng. 109, 371 (2012).
• Švec F., Křenková J.: LC-GC America 26, 24 (2008).
• Darder M. d. M. a kol.: ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 1728 (2017).
• Levkin P. A. a kol.: J. Chromatogr. A 1200, 55 (2008).
• Stachowiak T. B. a kol.: Lab-on-a-chip 6, 1346 (2006).
• Cao Y. a kol.: Anal. Chim. Acta 896, 111 (2015).
• Urbanová I., Švec F.: J. Sep. Sci. 34, 2345 (2011).
• Petr M., Švec F., Fréchet J. M. J.: Biotechnol. Bioeng. 49, 355 (1996).