Гель-проникающая хроматография ( GPC ) - это тип эксклюзионной хроматографии (SEC), при которой анализируемые вещества разделяются по размеру, обычно в органических растворителях. Этот метод часто используется для анализа полимеров . Как метод, SEC был впервые разработан в 1955 году Токио и Рутвеном. [1] Термин гельпроникающая хроматография восходит к Дж. Муру из компании Dow Chemical Company, который исследовал этот метод в 1964 году, а патентованная технология колонок была передана по лицензии Waters Corporation , которая впоследствии коммерциализировала эту технологию в 1964 году. [2] Системы и расходные материалы GPC теперь также доступны от ряда производителей. Часто бывает необходимо разделить полимеры как для их анализа, так и для очистки желаемого продукта.
При характеристике полимеров, важно рассмотреть вопрос о дисперсности ( ДиДжей ), а также на молекулярный вес . Полимеры можно охарактеризовать множеством определений молекулярной массы, включая среднечисловую молекулярную массу (M n ), средневесовую молекулярную массу (M w ) (см. Распределение молярной массы ), среднюю молекулярную массу по размеру (M z ) или молекулярная масса вязкости (M v ). GPC позволяет определять Đ, а также M v, и на основе других данных могут быть определены M n , M w и M z .
Как это работает [ править ]
GPC разделяет в зависимости от размера или гидродинамического объема ( радиуса вращения ) аналитов. Это отличается от других методов разделения, которые зависят от химических или физических взаимодействий при разделении аналитов. [3] Разделение происходит за счет использования пористых шариков, упакованных в колонку (см. Стационарную фазу (химия) ).
Аналиты меньшего размера могут легче проникать в поры и, следовательно, проводить больше времени в этих порах, увеличивая время их удерживания. Эти более мелкие молекулы проводят в колонке больше времени и поэтому элюируются в последнюю очередь. И наоборот, более крупные аналиты проводят в порах мало времени, если вообще проводят их, и быстро элюируются. Все колонки имеют диапазон молекулярных масс, которые можно разделить.
Если аналит слишком большой, он не будет удерживаться; и наоборот, если аналита слишком мало, он может полностью задерживаться. Неудерживаемые аналиты элюируются свободным объемом вне частиц (V o ), тогда как полностью удерживаемые аналиты элюируются объемом растворителя, удерживаемого в порах (V i ). Общий объем можно рассматривать с помощью следующего уравнения, где V g - объем полимерного геля, а V t - общий объем: [3]
Как можно предположить, существует ограниченный диапазон молекулярных масс, которые могут быть разделены каждой колонкой, и поэтому размер пор для насадки следует выбирать в соответствии с диапазоном молекулярных масс разделяемых аналитов. Для разделения полимеров размер пор должен быть порядка анализируемых полимеров. Если образец имеет широкий диапазон молекулярной массы, может потребоваться использовать несколько колонок для ГПХ в тандеме, чтобы полностью разделить образец.
Заявление [ править ]
ГПХ часто используется для определения относительной молекулярной массы образцов полимера, а также распределения молекулярных масс. На самом деле GPC измеряет функцию молекулярного объема и формы, определяемую характеристической вязкостью . Если используются сопоставимые стандарты, эти относительные данные можно использовать для определения молекулярных масс с точностью ± 5%. Стандарты полистирола с дисперсностью менее 1,2 обычно используются для калибровки ГПХ. [4] К сожалению, полистирол имеет тенденцию быть очень линейным полимером, и поэтому в качестве стандарта полезно сравнивать его только с другими полимерами, которые, как известно, являются линейными и имеют относительно такой же размер.
Материал и методы [ править ]
Инструменты [ править ]
Гель-проникающая хроматография проводится почти исключительно на хроматографических колонках. Схема эксперимента мало чем отличается от других методов жидкостной хроматографии . Образцы растворяются в подходящем растворителе, в случае ГПХ это обычно органические растворители, и после фильтрации раствор вводится в колонку. Разделение многокомпонентной смеси происходит в колонне. Постоянная подача свежего элюента в колонку осуществляется с помощью насоса. Поскольку большинство аналитов не видны невооруженным глазом, необходим детектор. Часто для получения дополнительной информации об образце полимера используют несколько детекторов. Наличие детектора делает фракционирование удобным и точным.
Гель [ править ]
Гели используются в качестве стационарной фазы для ГПХ. Размер пор геля необходимо тщательно контролировать, чтобы можно было нанести гель до заданного разделения. Другими желательными свойствами гелеобразующего агента являются отсутствие ионизирующих групп и, в данном растворителе, низкое сродство к разделяемым веществам. Коммерческие гели, такие как PLgel & Styragel (сшитый полистирол-дивинилбензол), [5] [6] LH-20 (гидроксипропилированный сефадекс ), [7] Bio-Gel ( сшитый полиакриламид ), HW-20 и HW-40 ( гидроксилированный метакриловый полимер ), [8] агарозный гель и часто используются в зависимости от требований разделения. [9]
Столбец [ править ]
Колонка, используемая для ГПХ, заполнена микропористым набивочным материалом. Колонка заполнена гелем.
Элюент [ править ]
Элюент (подвижная фаза) должен быть хорошим растворителем для полимера, должны позволять высокую чувствительность детектора из полимера и должны смачивать поверхность упаковки. Наиболее распространенными элюентами для полимеров, растворяющихся при комнатной температуре GPC, являются тетрагидрофуран (THF), о- дихлорбензол и трихлорбензол при 130–150 ° C для кристаллических полиалкинов и м- крезол и о- хлорфенол при 90 ° C для полимеров кристаллической конденсации, таких как как полиамиды, так и полиэфиры .
Насос [ править ]
Для равномерной подачи относительно небольших объемов жидкости для ГПХ доступны два типа насосов: поршневые или перистальтические.
Детектор [ править ]
В ГПХ массовую концентрацию полимера в элюирующем растворителе можно непрерывно контролировать с помощью детектора. Доступно множество типов детекторов, и их можно разделить на две основные категории. Первый - это детекторы, чувствительные к концентрации, которые включают в себя детекторы УФ-поглощения, дифференциального рефрактометра (DRI) или показателя преломления (RI), инфракрасного (ИК) поглощения и детекторы плотности. Вторая категория - это детекторы, чувствительные к молекулярной массе, к которым относятся детекторы малоуглового рассеяния света (LALLS) и многоуглового рассеяния света (MALLS). [10] Таким образом, полученная хроматограмма представляет собой распределение полимера по массе как функцию удерживаемого объема.
Наиболее чувствительным детектором является дифференциальный УФ-фотометр, а наиболее распространенным детектором является дифференциальный рефрактометр (DRI). Для определения характеристик сополимера необходимо, чтобы два детектора были включены последовательно. [4] Для точного определения состава сополимера по крайней мере два из этих детекторов должны быть детекторами концентрации. [10] Определение большинства составов сополимеров проводится с использованием детекторов УФ и ПП, хотя могут использоваться и другие комбинации. [11]
Анализ данных [ править ]
Гель-проникающая хроматография (ГПХ) стала наиболее широко используемым методом анализа образцов полимеров с целью определения их молекулярной массы и весового распределения. Слева показаны примеры хроматограмм ГПХ образцов полистирола с указанием их молекулярной массы и дисперсности .
Бенуа и его коллеги [ необходима цитата ] предположили, что можно использовать гидродинамический объем V η , который пропорционален произведению [η] и M, где [η] - характеристическая вязкость полимера в элюенте SEC. как универсальный калибровочный параметр. Если известны константы Марка – Хаувинка – Сакурады K и α (см. Уравнение Марка – Хаувинка), график зависимости log [η] M от объема элюирования (или времени элюирования) для конкретного растворителя, колонки и прибора дает универсальную калибровочную кривую, которую можно использовать для любого полимера в этом растворителе. Путем определения объемов (или времен удерживания) стандартов монодисперсного полимера (например, растворов монодисперсного полистирола в ТГФ) калибровочная кривая может быть получена путем построения логарифма молекулярной массы в зависимости от времени или объема удерживания. Как только калибровочная кривая получена, гель-проникающая хроматограмма любого другого полимера может быть получена в том же растворителе и с тем же молекулярным весом (обычно M n и M w) и может быть определено полное молекулярно-массовое распределение полимера. Типичная калибровочная кривая показана справа, а молекулярная масса неизвестного образца может быть получена из калибровочной кривой.
Преимущества [ править ]
Как метод разделения, GPC имеет много преимуществ. Прежде всего, он имеет четко определенное время разделения из-за того, что существует конечный объем элюирования для всех не удерживаемых аналитов. Кроме того, GPC может давать узкие полосы, хотя этот аспект GPC является более сложным для образцов полимеров, которые имеют широкий диапазон присутствующих молекулярных масс. Наконец, поскольку аналиты не взаимодействуют химически или физически с колонкой, вероятность потери аналита ниже. [3] В частности, для исследования свойств полимерных образцов может быть очень полезна ГПХ. ГПХ обеспечивает более удобный метод определения молекулярных масс полимеров. Фактически, большинство образцов можно тщательно проанализировать за час или меньше. [12]Другими методами, использовавшимися в прошлом, были фракционная экстракция и фракционное осаждение. Поскольку эти процессы были довольно трудоемкими, молекулярные массы и массовые распределения обычно не анализировались. [13] Таким образом, ГПХ позволила быстро и относительно легко оценить молекулярную массу и распределение для образцов полимеров.
Недостатки [ править ]
Однако у GPC есть недостатки. Во-первых, существует ограниченное количество пиков, которые могут быть разрешены за короткий промежуток времени прогона GPC. Кроме того, как метод ГПХ требует, по крайней мере, примерно 10% разницы в молекулярной массе для разумного разрешения пиков. [3] Что касается полимеров, молекулярные массы большинства цепей будут слишком близки для разделения GPC, чтобы показать что-либо большее, чем широкие пики. Другой недостаток ГПХ для полимеров заключается в том, что перед использованием прибора необходимо выполнить фильтрацию, чтобы пыль и другие частицы не повредили колонки и не повлияли на работу детекторов. Хотя это полезно для защиты прибора, существует возможность предварительной фильтрации образца с удалением образца с более высокой молекулярной массой перед его загрузкой в колонку. Еще одна возможность преодолеть эти проблемы - разделение путем фракционирования в полевом потоке (FFF).
Ортогональные методы [ править ]
Фракционирование в полевом потоке (FFF) можно рассматривать как альтернативу GPC, особенно когда частицы или полимеры с высокой молярной массой вызывают засорение колонки, возникает проблема сдвигового разрушения или происходит агломерация, которую нельзя сделать видимой. FFF - это разделение в открытом канале потока без участия статической фазы, поэтому взаимодействия не происходят. С одной версией фракционирования в полевом потоке возможно фракционирование в тепловом поле и в потоке , разделение полимеров, имеющих одинаковый размер, но разный химический состав. [14]
Ссылки [ править ]
- ^ Токарный станок, GH; Рутвен, CRJ Разделение вещества и '1956 , 62 , 665–674. PMID 13249976
- ^ Мур, Дж. К. Гель-проникающая хроматография. I. Новый метод молекулярно-массового распределения высокомолекулярных полимеров. J. Polym. Sci. , 1964 , 2 , 835-843. [1] [ мертвая ссылка ] doi : 10.1002 / pol.1964.100020220
- ^ a b c d Скуг, Д. А. Принципы инструментального анализа , 6-е изд .; Томпсон Брукс / Коул: Белмонт, Калифорния, 2006, Глава 28.
- ^ а б Сандлер, SR; Karo, W .; Bonesteel, J .; Пирс, Е. М. Синтез и характеристика полимеров: лабораторное руководство ; Academic Press: Сан-Диего, 1998.
- ^ Agilent Technologies. "КОЛОНКИ AGILENT ORGANIC GPC / SEC" (PDF) . Проверено 6 декабря 2019 .
- ^ Waters Corporation. "РУКОВОДСТВО ПО УХОДУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СТИРАГЕЛЬНОЙ КОЛОННЫ" (PDF) . Проверено 6 декабря 2019 .
- ^ GE Healthcare. «Сефадекс LH-20» . Проверено 6 декабря 2019 .
- ^ TOSOH BIOSCIENCE. "TOYOPEARL HW-40" . Проверено 6 декабря 2019 .
- ^ Хельмут, Д. Гель-хроматография, гель-фильтрация, гель-проницаемость, молекулярные сита: лабораторный справочник ; Springer-Verlag, 1969.
- ^ a b Trathnigg, B. Определение MWD и химического состава полимеров хроматографическими методами. Прог. Polym. Sci. 1995 , 20 , 615-650. [2] DOI : 10.1016 / 0079-6700 (95) 00005-Z ,
- ^ Паш, Х. Методы расстановки дефисов в жидкостной хроматографии полимеров. Adv. Polym. Sci. 2000 , 150 , 1-66. [3] DOI : 10.1007 / 3-540-48764-6
- ^ Коуи, JMG; Арриги, В. Полимеры: химия и физика современных материалов , 3-е изд. CRC Press, 2008 .
- ^ Одиан Г. Принципы полимеризации , 3-е изд .; Публикация Wiley Interscience, 1991.
- ^ Фракционирование в тепловом поле-потоке: сверхширокое разделение полимеров | http://www.chemeurope.com/en/products/77045/thermal-field-flow-fractionation-ultra-broad-polymer-separation.html Архивировано 19 октября 2013 г. на Wayback Machine
