Chromatografia żelowo-permeacyjna - Gel permeation chromatography
Chromatografia żelowo-permeacyjna ( GPC ) to rodzaj chromatografii wykluczania (SEC), który rozdziela anality na podstawie wielkości, zwykle w rozpuszczalnikach organicznych. Technika ta jest często wykorzystywana do analizy polimerów . Jako technika SEC została po raz pierwszy opracowana w 1955 roku przez Lathe i Ruthven. Termin chromatografia żelowo-permeacyjna wywodzi się od JC Moore'a z Dow Chemical Company, który badał tę technikę w 1964 roku. Zastrzeżona technologia kolumn została licencjonowana przez Waters Corporation , która następnie skomercjalizowała tę technologię w 1964 roku. Systemy GPC i materiały eksploatacyjne są teraz również dostępne od wielu producentów. Często konieczne jest oddzielenie polimerów, zarówno w celu ich analizy, jak i oczyszczenia pożądanego produktu.
Charakteryzując polimery, ważne jest, aby wziąć pod uwagę dyspersję ( Đ ) oraz masę cząsteczkową . Polimery można scharakteryzować za pomocą różnych definicji masy cząsteczkowej, w tym masy cząsteczkowej liczbowo średniej ( Mn ), masy cząsteczkowej masowo średniej ( Mw ) (patrz rozkład masy cząsteczkowej ), masy cząsteczkowej średniej wielkości ( Mz ) lub masa cząsteczkowa lepkości ( Mv ). GPC umożliwia określenia Đ oraz M v i na podstawie innych danych, M n , M wagowo , a M oo można ustalić.
Jak to działa
GPC rozdziela się na podstawie wielkości lub objętości hydrodynamicznej ( promień bezwładności ) analitów. Różni się to od innych technik rozdzielania, które zależą od interakcji chemicznych lub fizycznych w celu oddzielenia analitów. Rozdzielanie następuje poprzez zastosowanie porowatych kulek upakowanych w kolumnie (patrz faza stacjonarna (chemia) ).
Mniejsze anality mogą łatwiej wchodzić do porów i dlatego spędzają w nich więcej czasu, zwiększając ich czas retencji. Te mniejsze cząsteczki spędzają więcej czasu w kolumnie i dlatego eluują jako ostatnie. Odwrotnie, większe anality spędzają niewiele czasu w porach i są szybko eluowane. Wszystkie kolumny mają zakres mas cząsteczkowych, które można rozdzielić.
Jeśli analit jest zbyt duży, nie zostanie zatrzymany; odwrotnie, jeśli analit jest zbyt mały, może zostać całkowicie zatrzymany. Anality, które nie zostały zatrzymane eluuje wolnej zewnątrz objętości cząstek (V õ ), natomiast anality, które są całkowicie zachowane są eluowane objętości rozpuszczalnika, która odbyła się w porach (V ı ). Całkowitą objętość można rozpatrywać za pomocą następującego równania, gdzie V g jest objętością żelu polimerowego, a V t jest całkowitą objętością:
Jak można wywnioskować, istnieje ograniczony zakres mas cząsteczkowych, które mogą być rozdzielane przez każdą kolumnę, a zatem wielkość porów dla wypełnienia należy dobierać zgodnie z zakresem mas cząsteczkowych rozdzielanych analitów. W przypadku separacji polimerów rozmiary porów powinny być zgodne z kolejnością analizowanych polimerów. Jeśli próbka ma szeroki zakres masy cząsteczkowej, może być konieczne użycie kilku kolumn GPC w tandemie, aby w pełni rozdzielić próbkę.
Podanie
GPC jest często używany do określenia względnej masy cząsteczkowej próbek polimeru, a także rozkładu mas cząsteczkowych. To, co naprawdę mierzy GPC, to funkcja objętości i kształtu cząsteczki, określona przez lepkość graniczną . Jeśli stosuje się porównywalne standardy, te względne dane można wykorzystać do określenia masy cząsteczkowej z dokładnością ± 5%. Standardy polistyrenowe o dyspersji poniżej 1,2 są zwykle używane do kalibracji GPC. Niestety, polistyren ma tendencję do bycia bardzo liniowym polimerem i dlatego jako standard przydatne jest porównanie go tylko z innymi polimerami, o których wiadomo, że są liniowe i mają stosunkowo ten sam rozmiar.
Materiał i metody
Oprzyrządowanie
Chromatografię żelowo-permeacyjną prowadzi się prawie wyłącznie w kolumnach chromatograficznych . Projekt eksperymentu nie różni się zbytnio od innych technik chromatografii cieczowej . Próbki rozpuszcza się w odpowiednim rozpuszczalniku, w przypadku GPC są to zazwyczaj rozpuszczalniki organiczne i po przefiltrowaniu roztworu jest wstrzykiwany na kolumnę. W kolumnie następuje rozdzielanie mieszaniny wieloskładnikowej. Stałe dostarczanie świeżego eluentu do kolumny odbywa się za pomocą pompy. Ponieważ większość analitów nie jest widoczna gołym okiem, potrzebny jest detektor. Często stosuje się wiele detektorów, aby uzyskać dodatkowe informacje o próbce polimeru. Dostępność detektora sprawia, że frakcjonowanie jest wygodne i dokładne.
Żel
Jako fazę stacjonarną do GPC stosuje się żele . Wielkość porów żelu musi być dokładnie kontrolowana, aby można było nałożyć żel na daną separację. Inne pożądane właściwości środka tworzącego żel to brak grup jonizujących i, w danym rozpuszczalniku, niskie powinowactwo do rozdzielanych substancji. Żele komercyjne, takie jak PLgel & Styragel (usieciowany polistyren-diwinylobenzen), LH-20 (hydroksypropylowany Sephadex ), Bio-Gel ( usieciowany poliakrylamid ), HW-20 i HW-40 (hydroksylowany polimer metakrylowy ), żel agarozowy i są często używane w oparciu o różne wymagania dotyczące separacji.
Kolumna
Kolumna stosowana do GPC jest wypełniona mikroporowatym materiałem wypełniającym. Kolumna jest wypełniona żelem.
Eluent
Eluent (faza ruchoma) powinna być dobrym rozpuszczalnikiem dla polimeru, powinno umożliwić wysoką odpowiedź detektora z polimeru i powinna zwilżać powierzchnię uszczelniającą. Najpopularniejszymi eluentami polimerów, które rozpuszczają się w temperaturze pokojowej GPC są tetrahydrofuran (THF), o- dichlorobenzen i trichlorobenzen w temperaturze 130–150 °C dla krystalicznych polialkinów oraz m- krezol i o - chlorofenol w temperaturze 90 °C dla krystalicznych polimerów kondensacyjnych, takich jak poliamidy i poliestry .
Pompa
Dostępne są dwa rodzaje pomp do równomiernego dostarczania stosunkowo małych objętości cieczy dla GPC: pompy tłokowe lub perystaltyczne.
Detektor
W GPC stężenie wagowe polimeru w rozpuszczalniku eluującym może być monitorowane w sposób ciągły za pomocą detektora. Dostępnych jest wiele typów czujek i można je podzielić na dwie główne kategorie. Pierwszym z nich są detektory czułe na stężenie, które obejmują absorpcję UV, detektory refraktometru różnicowego (DRI) lub detektora współczynnika załamania (RI), detektory absorpcji podczerwieni (IR) i detektory gęstości. Druga kategoria to detektory czułe na masę cząsteczkową, które obejmują detektory rozpraszania światła pod małym kątem (LALLS) i wielokątowe rozpraszanie światła (MALLS). Otrzymany chromatogram jest zatem rozkładem masy polimeru w funkcji objętości retencji.
Najbardziej czułym detektorem jest różnicowy fotometr UV, a najpopularniejszym detektorem jest różnicowy refraktometr (DRI). Charakteryzując kopolimer, konieczne jest szeregowe połączenie dwóch detektorów. W celu dokładnego określenia składu kopolimeru co najmniej dwa z tych detektorów powinny być detektorami stężenia. Oznaczanie większości składów kopolimerów odbywa się za pomocą detektorów UV i RI, chociaż można stosować inne kombinacje.
Analiza danych
Chromatografia żelowo-permeacyjna (GPC) stała się najczęściej stosowaną techniką analizy próbek polimerów w celu określenia ich mas cząsteczkowych i rozkładów mas. Przykładowe chromatogramy GPC próbek polistyrenu wraz z ich masami cząsteczkowymi i dyspersjami pokazano po lewej stronie.
Benoit i współpracownicy zaproponowali, że jako uniwersalną kalibrację można zastosować objętość hydrodynamiczną V η , która jest proporcjonalna do iloczynu [η] i M, gdzie [η] jest lepkością graniczną polimeru w eluencie SEC parametr. Jeśli znane są stałe Marka-Houwinka-Sakurady K i α (patrz równanie Marka-Houwinka ), wykres log [η]M w funkcji objętości elucji (lub czasu elucji) dla konkretnego rozpuszczalnika, kolumny i przyrządu zapewnia uniwersalną krzywą kalibracji które można stosować do dowolnego polimeru w tym rozpuszczalniku. Określając objętości (lub czasy) retencji wzorców monodyspersyjnych polimerów (np. roztwory monodyspersyjnego polistyrenu w THF), można uzyskać krzywą kalibracyjną wykreślając logarytm masy cząsteczkowej w funkcji czasu retencji lub objętości. Po uzyskaniu krzywej kalibracyjnej, chromatogram żelowo-permeacyjny dowolnego innego polimeru można otrzymać w tym samym rozpuszczalniku i można określić masy cząsteczkowe (zwykle Mn i Mw ) oraz całkowity rozkład masy cząsteczkowej polimeru. Typowa krzywa kalibracyjna jest pokazana po prawej stronie, a masę cząsteczkową nieznanej próbki można uzyskać z krzywej kalibracyjnej.
Zalety
Jako technika separacji GPC ma wiele zalet. Przede wszystkim ma dobrze zdefiniowany czas rozdziału ze względu na fakt, że istnieje końcowa objętość elucji dla wszystkich niezatrzymanych analitów. Dodatkowo GPC może zapewnić wąskie pasma, chociaż ten aspekt GPC jest trudniejszy dla próbek polimerów, które mają szerokie zakresy mas cząsteczkowych. Wreszcie, ponieważ anality nie oddziałują chemicznie ani fizycznie z kolumną, istnieje mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia utraty analitu. W szczególności do badania właściwości próbek polimerów GPC może być bardzo korzystna. GPC zapewnia wygodniejszą metodę określania mas cząsteczkowych polimerów. W rzeczywistości większość próbek można dokładnie przeanalizować w ciągu godziny lub mniej. Inne metody stosowane w przeszłości to ekstrakcja frakcyjna i strącanie frakcyjne. Ponieważ procesy te były dość pracochłonne, masy cząsteczkowe i rozkłady mas zwykle nie były analizowane. Dlatego GPC pozwoliło na szybkie i stosunkowo łatwe oszacowanie mas cząsteczkowych i rozkładu dla próbek polimerów
Niedogodności
GPC ma jednak wady. Po pierwsze, istnieje ograniczona liczba pików, które można rozdzielić w krótkiej skali czasu przebiegu GPC. Ponadto, jako technika, GPC wymaga około 10% różnicy w masie cząsteczkowej, aby wystąpiła rozsądna rozdzielczość pików. W odniesieniu do polimerów masy cząsteczkowe większości łańcuchów będą zbyt zbliżone, aby rozdział GPC wykazał coś więcej niż szerokie piki. Inną wadą GPC dla polimerów jest to, że przed użyciem przyrządu należy przeprowadzić filtrację, aby zapobiec uszkodzeniu kolumn przez kurz i inne cząstki oraz zakłócanie pracy detektorów. Chociaż jest to przydatne do ochrony przyrządu, istnieje możliwość wstępnej filtracji próbki w celu usunięcia próbki o wyższej masie cząsteczkowej przed załadowaniem jej na kolumnę. Inną możliwością przezwyciężenia tych problemów jest separacja przez frakcjonowanie przepływowe (FFF).
Metody ortogonalne
Frakcjonowanie w przepływie polowym (FFF) można uznać za alternatywę dla GPC, zwłaszcza gdy cząstki lub polimery o dużej masie molowej powodują zatykanie kolumny, problemem jest degradacja przy ścinaniu lub zachodzi aglomeracja, ale nie można jej uwidocznić. FFF to separacja w otwartym kanale przepływowym bez udziału fazy statycznej, więc nie występują żadne interakcje. W przypadku jednej wersji frakcjonowania w przepływie w polu, termicznego frakcjonowania w przepływie w polu , możliwe jest rozdzielanie polimerów o tej samej wielkości, ale o różnym składzie chemicznym.