Кіріспе

Өлшемін алып тастау хроматографиясының түрі Гельдік өткізу хроматографиясы (GPC) – бұл өлшемін алып тастау хроматографиясының (SEC) түрі, ол жоғары молекулалық салмақты немесе коллоидтық талдамаларды олардың мөлшері немесе диаметрі бойынша, әдетте органикалық еріткіштерде бөліп шығарады. Бұл техника көбінесе полимерлерді талдау үшін қолданылады. SEC техникасы алғаш рет 1955 жылы Лате және Рутвен тарапынан әзірленген. Гельдік өткізу хроматографиясы термині 1964 жылы осы техниканы зерттеген Dow Chemical Company компаниясының J. C. Moore-ға қатысты. Авторлық құқыққа тиесілі бағана технологиясы Waters Corporation компаниясына лицензияланды, ол кейіннен 1964 жылы осы технологияны коммерцияландырды. GPC жүйелері мен материалдары қазір көптеген өндірушілерден қол жетімді. Полимерлерді талдау үшін де, қажетті өнімді тазарту үшін де оларды бөлу қажет. Полимерлерді сипаттағанда олардың мөлшерінің таралуы және дисперсиясы (Đ), сондай-ақ молекулалық салмағын ескеру маңызды. Полимерлердің молекулалық салмағын анықтау үшін сандық орташа молекулалық салмақ (Mn), салмақтық орташа молекулалық салмақ (Mw) (молярлық масса таралуын қараңыз), мөлшерлік орташа молекулалық салмақ (Mz) немесе тұтқырлық молекулалық салмақ (Mv) сияқты әртүрлі анықтамалар қолданылуы мүмкін. GPC Đ және Mv шамаларын анықтауға мүмкіндік береді, ал басқа деректерге сүйене отырып Mn, Mw және Mz шамаларын анықтауға болады.

Қалай жұмыс істейді

GPC – бұл хроматографияның бір түрі, онда аналиттер олардың мөлшеріне немесе гидродинамикалық көлеміне (гирация радиусы) сәйкес бөлінеді. Бұл басқа хроматографиялық әдістерден өзгеше, себебі олар аналиттерді бөлу үшін жылжымалы және стационарлық фазалар арасындағы химиялық немесе физикалық өзара әрекеттесулерге тәуелді. Бөлу колонна ішінде орналасқан кеуекті гель будандарының көмегімен жүзеге асырылады (стационарлық фаза (химия) қараңыз). Бөлу принципі – кеуекті гельдік стационарлық фаза арқылы макромолекулаларды дифференциалды шығарып тастау немесе қабылдау. Ірі молекулалар тесіктерге енуден және ертерек элюцияланудан шығарылады, ал кіші молекулалар тесіктерге еніп, бағананың ішінде ұзақ уақыт қалады. Бүкіл процесс аналиттердің стационарлық фаза бетімен ешқандай өзара әрекеттеспей өтеді. Тесік өлшемдеріне шағын аналиттер осы тесіктерге еніп, гель бөлшектерінің ішінде көбірек уақыт өткізеді, осылайша олардың тұрақтандыру уақытын ұзартады. Керісінше, тесік өлшемдеріне ірі аналиттер бағананың ішінде аз уақыт өткізеді, сондықтан олар ертерек элюцияланады. Әр түрлі бағаналардың тесік өлшемдеріне сәйкес бөліне алатын молекулалық салмақтардың диапазоны болады. Егер аналит бағананың тесіктерінен ірі болса, ол мүлдем тұрақтандырылмайды және толығымен шығарылады; керісінше, егер аналит тесік өлшемдерінен кіші болса, ол толығымен сіңіп кетеді. Толығымен шығарылған аналиттер бөлшектердің айналасындағы бос көлеммен (Vo) элюцияланады, бұл толық шығару лимитін көрсетеді, ал толығымен кешіккен аналиттер еріткішпен элюцияланады, бұл бағананың толық сіңу көлемін көрсетеді, сонымен қатар тесіктердегі (Vi) сақталған еріткішті де қамтиды. Жалпы көлемді келесі теңдеу арқылы қарастыруға болады, онда Vg – полимерлік гельдің көлемі, ал Vt – жалпы көлем: Алайда, полистирол өте тура полимер болып табылады, сондықтан стандарт ретінде оны тек басқа тура және салыстырмалы түрде бірдей өлшемді полимерлермен салыстыру пайдалы.

Аспаптар

Гельдік өткізу хроматографиясы негізінен хроматографиялық жүйелерде жүргізіледі. Эксперименттік жоспарлау жоғары өнімді сұйық хроматографиясының басқа әдістерінен көп ерекшеленбейді. Үлгілер тиісті еріткіште ерітіледі, гельдік өткізу хроматографиясы жағдайында бұл көбінесе органикалық еріткіштер болады, ал ерітінді сүзілгеннен кейін бағанаға жіберіледі. Көп компонентті қоспаның бөлінуі бағанада жүзеге асырылады. Бағанаға жаңа элюенттің үздіксіз берілуін қамтамасыз ету үшін сорғы қолданылады. Көптеген талдау заттары жалаң көзбен көрінбейтіндіктен, детектор қажет. Полимерлік үлгі туралы қосымша мәлімет алу үшін көбінесе бірнеше детекторлар қолданылады. Детектордың болуы фракциялауды ыңғайлы және дәл етеді.

Гель

Гельдер GPC үшін тұрақты фаза ретінде қолданылады. Гельді нақты бір бөліске қолдану үшін оның тесік мөлшерін қатаң бақылау қажет. Гель түзуші агенттің қосымша қасиеттері – иондау тобының болмауы және белгілі бір еріткіште бөлінетін заттарға төмен серпімділік. PLgel & Styragel (торлы полистирол-дивинилбензол), LH 20 (гидроксипропилделген Sephadex), Bio Gel (торлы полиакриламид), HW 20 & HW 40 (гидроксилделген метакрил полимері) және агароза гелі сияқты коммерциялық гельдер әртүрлі бөлу талаптарына сәйкес жиі қолданылады.

Баған

GPC үшін қолданылатын бағана микропорозды толтыру материалымен толтырылады. Бағана гельмен толтырылады. Аналиттердің өтетін ең жоғары көлемі жалпы ену көлемі болғандықтан және тұрақтандырғыш фазаның бетінде тоқтау болмайтындықтан, бағананың жалпы көлемі үлгі көлеміне қарағанда көбінесе үлкен болады.

Элюент

Элюент (қозғалмалы фаза) полимерді ерітуге қабілетті, талданатын полимердің жауабына кедергі келтірмейтін және қаптама бетін ылғалдандырып, полимерлермен өзара әрекеттесуге инертті ететін тиісті еріткіш болуы керек. Бөлме температурасында ерітін полимерлер үшін ең көп қолданылатын элюенттер – тетрагидрофуран (THF), о-дихлорбензол және трихлорбензол (130–150 °C температурада кристалды полиалкиндер үшін) және полиамидтер мен полиэстерлер сияқты кристалды конденсациялық полимерлер үшін гексафторизопропанол (HFIP).

Құбыр

ГПК үшін салыстырмалы түрде аз көлемдегі сұйықтықты біркелкі беруге екі типті сорғы қолданылады: поршеньдік немесе перистальтикалық сорғылар. Тұрақты, тербеліссіз ағын беру, GPC талдауының дәлдігі үшін аса маңызды, себебі ағын жылдамдығы молекулалық салмақты немесе диаметрді калибрлеу үшін пайдаланылады.

Детектор

ГПК-да элюцияланатын еріткіштегі полимердің салмақтық концентрациясы детектор арқылы үздіксіз бақылануы мүмкін. Детекторлардың көптеген түрлері бар және оларды екі негізгі санатқа бөлуге болады. Біріншісі – концентрацияға сезімтал детекторлар, оларға UV-VIS сіңіру, дифференциалдық рефрактометр (DRI) немесе сыну индексі (RI) детекторлары, инфрақызыл (IR) сіңіру және тығыздық детекторлары жатады. Екінші категория – молекулалық салмаққа сезімтал детекторлар, оларға төмен бұрышты жарық шашырату детекторлары (LALLS) және көп бұрышты жарық шашырату детекторлары (MALLS) кіреді. Соның нәтижесінде алынған хроматограмма – полимердің салмақ үлестірілімі, ретенциялық көлемге тәуелді. Ең сезімтал детектор – дифференциалдық УФ фотометр, ал ең көп қолданылатын детектор – дифференциалдық рефрактометр (DRI). Кополимерді сипаттағанда екі детекторды тізбектей қосу қажет.

Деректерді талдау

Гельдік проникаю хроматографиясы (GPC) полимерлік үлгілерді олардың молекулалық салмағы мен салмақ үлестірілімін анықтау үшін ең көп қолданылатын әдіс болып табылады. Полистирол үлгілерінің молекулалық салмағы мен дисперсиясы көрсетілген GPC хроматограммаларының мысалдары сол жақта келтірілген. Бенуа және оның әріптестері гидродинамикалық көлемді, Vη, [η] және M көбейтіндісіне пропорционалды, мұндағы [η] – SEC элюентіндегі полимердің ішкі тұтқырлығы, оны әмбебап калибрлеу параметрі ретінде пайдалануға болатынын ұсынды. Егер Mark-Houwink-Sakurada тұрақтылары K және α белгілі болса (Mark-Houwink теңдеуін қараңыз), белгілі бір еріткіш, бағана және құрал үшін элюция көлеміне (немесе элюция уақытына) қатысты log [η]M графигі сол еріткіштегі кез келген полимер үшін қолданылатын әмбебап калибрлеу қисығын береді. Монодисперс полимер стандарттарының (мысалы, THF-тағы монодисперс полистирол ерітінділерінің) тұрақтандыру көлемін (немесе уақытын) анықтау арқылы молекулалық салмақтың логарифмін тұрақтандыру уақытына немесе көлеміне қатысты сызып, калибрлеу қисығын алуға болады. Калибрлеу қисығын алғаннан кейін, кез келген басқа полимердің гельдік проникаю хроматограммасын сол еріткіште алуға болады және молекулалық салмақтар (әдетте Mn және Mw) және полимердің толық молекулалық салмақ таралуын анықтауға болады. Типик калибрлеу қисығы оң жақта көрсетілген, ал белгісіз үлгідегі молекулалық салмақты калибрлеу қисығынан алуға болады.

Артықшылықтар

Бөліну әдісі ретінде GPC-нің көптеген артықшылықтары бар. Біріншіден, барлық уысталмаған аналиттер үшін белгілі бір элюция көлемі болғандықтан, ол анықталған бөліну уақытына ие. Сонымен қатар, GPC тар жолақтарды қамтамасыз ете алады, бірақ GPC-нің бұл ерекшелігі молекулалық салмағының кең диапазоны бар полимер үлгілері үшін қиынға соғуы мүмкін. Ақырында, аналиттер бағанамен химиялық немесе физикалық тұрғыдан өзара әрекеттеспейтіндіктен, аналиттердің жоғалу қаупі төмендейді. Бұрын қолданылған басқа әдістер фракциялық экстракция және фракциялық тұндыру болды. Бұл процестер өте көп еңбек талап ететін болғандықтан, молекулалық салмақтар мен массалық таралымды анықтау жиі жүргізілмеген. Сондықтан GPC полимер үлгілері үшін молекулалық салмақ пен таралымды жылдам және салыстырмалы түрде оңай бағалауға мүмкіндік берді.

Кемшіліктер

Алайда, GPC-нің де кемшіліктері бар. Біріншіден, GPC талдауының қысқа уақыт аралығында шешілетін шыңдардың саны шектеулі. Екіншіден, GPC әдісі ретінде шыңдардың жақсы ажыратылуы үшін молекулалық салмақта кем дегенде 10% айырмашылық болуы қажет.