Гель-проникающая хроматография - Gel permeation chromatography

Гель-проникающая хроматография (GPC) является разновидностью эксклюзионная хроматография (SEC), который разделяет аналиты в зависимости от размера, обычно в органических растворителях. Методика часто используется для анализа полимеры. Как метод, SEC был впервые разработан в 1955 году Токаром и Рутвеном.[1] Термин гельпроникающая хроматография восходит к J.C. Moore из Компания Dow Chemical кто исследовал эту технику в 1964 году, и запатентованная технология колонок была лицензирована для Waters Corporation, который впоследствии коммерциализировал 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 учитывать дисперсность (Đ) а также молекулярный вес. Полимеры могут быть охарактеризованы множеством определений молекулярной массы, включая среднечисловую молекулярную массу (Mп), средневесовая молекулярная масса (Mш) (видеть молярно-массовое распределение ), средняя молекулярная масса (Mz), или молекулярная масса вязкости (Mv). GPC позволяет определять Đ а также Mv а по другим данным Mп, Мш, И мz можно определить.

Как это устроено

GPC отделяется в зависимости от размера или гидродинамический объем (радиус 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. стационарная фаза (химия) ).

Схема зависимости пор от размера аналита

Аналиты меньшего размера могут легче проникать в поры и, следовательно, проводить в них больше времени, 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.

Диапазон молекулярных масс, которые можно разделить для каждого упаковочного материала

Если аналит слишком большой, он не будет удерживаться; и наоборот, если аналита слишком мало, он может полностью задерживаться. Неудержавшиеся аналиты элюируются свободным объемом вне частиц (Vо), тогда как полностью удерживаемые аналиты элюируются объемом растворителя, удерживаемого в порах (Vя). Общий объем можно рассматривать с помощью следующего уравнения, где Vграмм - объем полимерного геля, а Vт 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

ГПХ часто используется для определения относительной молекулярной массы образцов полимера, а также распределения молекулярных масс. На самом деле GPC измеряет молекулярный объем и функция формы, как определено характеристическая вязкость. Если используются сопоставимые стандарты, эти относительные данные можно использовать для определения молекулярных масс с точностью ± 5%. Полистирол стандарты с дисперсности менее 1,2 обычно используются для калибровки GPC.[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.

Приборы

Типичный прибор для ГПХ, включающий: A. Автосамплер, B. Колонку, C. Насос, D. Детектор RI, E. Детектор УФ-видимого излучения.
Внутри автосэмплера для запуска нескольких образцов без взаимодействия с пользователем, например с ночевкой

Гель-проникающая хроматография проводится почти исключительно в хроматография столбцы. Схема эксперимента мало чем отличается от других техник жидкостная хроматография. 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

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 и Styragel (сшитый полистирол-дивинилбензол),[5][6] LH-20 (гидроксипропилированный Сефадекс ),[7] Био-гель (сшитый полиакриламид ), HW-20 и HW-40 (гидроксилированные метакриловый полимер ),[8] агарозный гель и часто используются в зависимости от требований разделения.[9]

Столбец

Колонка, используемая для ГПХ, заполнена микропористым набивочным материалом. Колонка заполнена гелем.

Элюент

В элюент (подвижная фаза) должна быть хорошим растворителем для полимера, должна обеспечивать высокий отклик детектора от полимера и должна смачивать поверхность насадки. Наиболее распространенными элюентами для полимеров, растворяющихся при комнатной температуре, являются: тетрагидрофуран (THF), о-дихлорбензол и трихлорбензол при 130–150 ° C для кристаллического полиалкины и м-крезол и о-хлорфенол при 90 ° C для кристаллических полимеров конденсации, таких как полиамиды и полиэфиры.

Насос

Для равномерной подачи относительно небольших объемов жидкости для ГПХ доступны два типа насосов: поршневые или перистальтические.

Детектор

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, включая УФ-поглощение, дифференциальный рефрактометр (DRI) или детекторы показателя преломления (RI), инфракрасные (IR) детекторы поглощения и плотности. Вторая категория - это детекторы, чувствительные к молекулярному весу, 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.

Хроматограмма ГПХ; Vо= без удержания, Вт= полное удержание, A и B = частичное удержание

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 выполняется с использованием детекторов УФ и ПП, хотя могут использоваться и другие комбинации.[11]

Анализ данных

Гель-проникающая хроматография (ГПХ) стала наиболее широко используемым методом анализа образцов полимеров с целью определения их молекулярной массы и весового распределения. Примеры хроматограмм ГПХ образцов полистирола с указанием их молекулярных масс и дисперсности показаны слева.

ГПХ-разделение анионно-синтезированного полистирола; Mп= 3000 г / моль, Đ=1.32
ГПХ-разделение свободнорадикального синтезированного полистирола; Mп= 24000 г / моль, Đ=4.96
Стандартизация столбца исключения размера.

Бенуа и его сотрудники[нужна цитата ] предложил, чтобы гидродинамический объем Vη, который пропорционален произведению [η] и M, где [η] - характеристическая вязкость полимера в элюенте SEC, может использоваться в качестве универсального калибровочного параметра. 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 монодисперсных полимеров (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 будет получена, гельпроницаемая хроматограмма любого другого полимера может быть получена в том же растворителе и с тем же молекулярным весом (обычно Mп И мш) 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

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 ГПХ может быть очень полезным. 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 образцов полимера.

Недостатки

Однако у GPC есть недостатки. Во-первых, существует ограниченное количество пиков, которые могут быть разрешены в течение короткого времени выполнения 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 предотвратить повреждение колонок пылью и другими твердыми частицами и создание помех для 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 по полевое фракционирование (FFF).

Ортогональные методы

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 полевого фракционирования, фракционирование теплового поля и потока возможно разделение полимеров одинакового размера, но разного химического состава.[14]

Рекомендации

  1. ^ Токарный станок, G.H .; Рутвен, C.R.J. Разделение вещества и '1956, 62, 665–674. PMID  13249976
  2. ^ Мур, Дж. К. Гель-проникающая хроматография. I. Новый метод молекулярно-массового распределения высокомолекулярных полимеров. J. Polym. Sci., 1964, 2, 835-843.[1][мертвая ссылка ] Дои:10.1002 / pol.1964.100020220
  3. ^ а б c d Скуг, Д.А. Принципы инструментального анализа, 6-е изд .; Томпсон Брукс / Коул: Белмонт, Калифорния, 2006, Глава 28.
  4. ^ а б Sandler, S.R .; Karo, W .; Bonesteel, J .; Пирс, Э. Синтез и характеристика полимеров: лабораторное руководство; Academic Press: Сан-Диего, 1998.
  5. ^ Agilent Technologies. "КОЛОННЫ AGILENT ORGANIC GPC / SEC" (PDF). Получено 2019-12-06.
  6. ^ Waters Corporation. «СТИРАГЕЛЬ КОЛОННА ПО УХОДУ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ» (PDF). Получено 2019-12-06.
  7. ^ GE Healthcare. «Сефадекс LH-20». Получено 2019-12-06.
  8. ^ TOSOH BIOSCIENCE. "TOYOPEARL HW-40". Получено 2019-12-06.
  9. ^ Гельмут, Д. Гель-хроматография, гель-фильтрация, гель-проницаемость, молекулярные сита: лабораторный справочник; Springer-Verlag, 1969.
  10. ^ а б Trathnigg, B. Определение MWD и химического состава полимеров хроматографическими методами. Прог. Polym. Sci. 1995, 20, 615-650.[2] Дои:10.1016 / 0079-6700 (95) 00005-Z
  11. ^ Паш, Х. Методы расстановки переносов в жидкостной хроматографии полимеров. Adv. Polym. Sci. 2000, 150, 1-66.[3] Дои:10.1007/3-540-48764-6
  12. ^ Cowie, J.M.G .; Арриги, В. Полимеры: химия и физика современных материалов, 3-е изд. CRC Press, 2008.
  13. ^ Одиан Г. Принципы полимеризации, 3-е изд .; Публикация Wiley Interscience, 1991.
  14. ^ Фракционирование в тепловом поле-потоке: сверхширокое разделение полимеров | http://www.chemeurope.com/en/products/77045/thermal-field-flow-fractionation-ultra-broad-polymer-separation.html В архиве 2013-10-19 в Wayback Machine