Введение
Тип гель-проникающей хроматографии
Гелевая проникающая хроматография (GPC) – это тип исключающей хроматографии размера (SEC), который разделяет высокомолекулярные или коллоидные аналиты на основе размера или диаметра, как правило, в органических растворителях. Этот метод часто используется для анализа полимеров. Как метод, SEC был впервые разработан в 1955 году Лате и Рутвеном. Термин «гелевая проникающая хроматография» восходит к Дж. С. Муру из Dow Chemical Company, который исследовал эту технику в 1964 году. Запатентованная технология колонн была лицензирована корпорации Waters, которая впоследствии коммерциализировала эту технологию в 1964 году. Системы и расходные материалы для GPC теперь также доступны от ряда производителей. Часто необходимо разделять полимеры как для их анализа, так и для очистки целевого продукта. При характеристике полимеров важно учитывать их распределение по размерам и дисперсность (Đ), а также их молекулярную массу. Полимеры могут быть охарактеризованы различными определениями молекулярной массы, включая среднечисловую молекулярную массу (Mn), средневесовую молекулярную массу (Mw) (см. распределение молярных масс), среднеразмерную молекулярную массу (Mz) или вязкостную молекулярную массу (Mv). GPC позволяет определять Đ, а также Mv, и, основываясь на других данных, можно определить Mn, Mw и Mz.
Gel permeation chromatography (GPC) is a type of size exclusion chromatography (SEC), that separates high molecular weight or colloidal analytes on the basis of size or diameter, typically in organic solvents. The technique is often used for the analysis of polymers. As a technique, SEC was first developed in 1955 by Lathe and Ruthven. The term gel permeation chromatography can be traced back to J. C. Moore of the Dow Chemical Company who investigated the technique in 1964. The proprietary column technology was licensed to Waters Corporation, who subsequently commercialized this technology in 1964. GPC systems and consumables are now also available from a number of manufacturers. It is often necessary to separate polymers, both to analyze them as well as to purify the desired product. When characterizing polymers, it is important to consider their size distribution and dispersity (Đ) as well their molecular weight. Polymers can be characterized by a variety of definitions for molecular weight including the number average molecular weight (Mn), the weight average molecular weight (Mw) (see molar mass distribution), the size average molecular weight (Mz), or the viscosity molecular weight (Mv). GPC allows for the determination of Đ as well as Mv and, based on other data, the Mn, Mw, and Mz can be determined.
Как это работает
GPC – это тип хроматографии, в котором аналиты разделяются на основе их размера или гидродинамического объема (радиус инерции). Это отличается от других хроматографических методов, которые зависят от химических или физических взаимодействий между подвижной и неподвижной фазами для разделения аналитов. Разделение происходит с использованием пористых гелевых шариков, упакованных внутри колонки (см. неподвижная фаза (химия)). Принцип разделения основан на дифференциальном исключении или включении макромолекул пористой гелевой неподвижной фазой. Более крупные молекулы исключаются из проникновения в поры и элюируют раньше, в то время как более мелкие молекулы могут проникать в поры, тем самым дольше задерживаясь внутри колонки. Весь процесс происходит без какого-либо взаимодействия аналитов с поверхностью неподвижной фазы. Аналиты, размер которых меньше размера пор, могут проникать в эти поры и проводить больше времени внутри частиц геля, увеличивая время их удержания. И наоборот, аналиты, размер которых больше размера пор, проводят мало времени или не проводят времени внутри колонки, следовательно, они элюируют раньше. Каждый тип колонки имеет диапазон молекулярных масс, которые можно разделить в зависимости от размера пор. Если аналит слишком велик по отношению к порам колонки, он не будет удерживаться вовсе и будет полностью исключен; наоборот, если аналит мал по отношению к размеру пор, он будет полностью проникать. Аналиты, которые полностью исключены, элюируют со свободным объемом снаружи частиц (Vo) – пределом полного исключения, в то время как аналиты, которые полностью задерживаются, элюируют с растворителем, определяя общий объем проникновения колонки, включая также растворитель, содержащийся внутри пор (Vi). Общий объем можно выразить следующим уравнением, где Vg – объем полимерного геля, а Vt – общий объем: К сожалению, полистирол, как правило, является очень линейным полимером и поэтому в качестве стандарта полезен только для сравнения с другими полимерами, которые, как известно, линейны и имеют относительно одинаковый размер.
Инструментовка
Гелевая проницаемая хроматография проводится практически исключительно в хроматографических системах. Экспериментальная схема не сильно отличается от других методов высокоэффективной жидкостной хроматографии. Образцы растворяют в подходящем растворителе, в случае ГХП это обычно органические растворители, и после фильтрации раствор вводится в колонку. Разделение многокомпонентной смеси происходит в колонке. Постоянная подача свежего элюента в колонку обеспечивается с помощью насоса. Поскольку большинство анализируемых веществ не видны невооруженным глазом, необходим детектор. Часто используют несколько детекторов для получения дополнительной информации об образце полимера. Наличие детектора делает фракционирование удобным и точным.
Жел
Гели используются в качестве стационарной фазы для GPC. Размер пор геля необходимо тщательно контролировать для возможности его применения к конкретному разделению. Другими желательными свойствами гелеобразующего агента являются отсутствие ионизирующих групп и низкая аффинность к разделяемым веществам в данном растворителе. Часто используемые коммерческие гели включают PLgel и Styragel (сшитый полистирол-дивинилбензол), LH 20 (гидроксипропилированный Сефадекс), Bio Gel (сшитый полиакриламид), HW 20 и HW 40 (гидроксилированный метакриловый полимер) и агарозный гель, в зависимости от различных требований к разделению.
Колонка
Колонка, используемая для GPC, заполнена микропористым сорбентом. Колонка заполнена гелем. Поскольку общий объем проникновения представляет собой максимальный объем, доступный для аналитов, и удержание на поверхности стационарной фазы отсутствует, общий объем колонки обычно значительно превышает объем пробы.
Высоко
Элюент (мобильная фаза) должен быть подходящим растворителем для полимера, обеспечивать его растворение, не должен мешать детектированию анализируемого полимера, а также должен смачивать поверхность сорбента и делать ее инертной по отношению к взаимодействию с полимерами. Наиболее распространенными элюентами для полимеров, растворимых при комнатной температуре в условиях гель-проникающей хроматографии (ГПХ), являются тетрагидрофуран (THF), орто-дихлорбензол и трихлорбензол (при 130–150 °C для кристаллических полиалкинов) и гексафторизопропанол (HFIP) для кристаллических полимеров, полученных конденсацией, таких как полиамиды и полиэфиры.
Насос
Существует два типа насосов, доступных для равномерной подачи относительно небольших объемов жидкости для гель-проникающей хроматографии (GPC): поршневые или перистальтические насосы. Обеспечение постоянного потока без пульсаций особенно важно для точности анализа GPC, так как скорость потока используется для калибровки по молекулярной массе или диаметру.
Детектор
В GPC концентрация полимера в элюирующем растворителе может непрерывно контролироваться с помощью детектора. Существует множество типов детекторов, которые можно разделить на две основные категории. Первая – детекторы, чувствительные к концентрации, включающие УФ-Вид спектрофотометрию, дифференциальный рефрактометр (DRI) или детекторы показателя преломления (RI), инфракрасную (ИК) спектрофотометрию и детекторы плотности. Вторая категория – детекторы, чувствительные к молекулярному весу, включающие детекторы малоуглового рассеяния света (LALLS) и многоуглового рассеяния света (MALLS). Полученная хроматограмма, таким образом, представляет собой распределение молекулярной массы полимера в зависимости от объема удерживания. Наиболее чувствительным детектором является дифференциальный УФ-фотометр, а наиболее распространенным – дифференциальный рефрактометр (DRI). При характеристике сополимера необходимо использовать два детектора последовательно.
Анализ данных
Гель-проникающая хроматография (GPC) стала наиболее широко используемым методом анализа полимерных образцов для определения их молекулярной массы и распределения молекулярных масс. Примеры хроматограмм GPC образцов полистирола с указанием их молекулярной массы и полидисперсности показаны слева. Бенуа и его коллеги предложили использовать гидродинамический объем Vη, который пропорционален произведению [η] и M, где [η] – внутренняя вязкость полимера в элюенте SEC, в качестве универсального параметра калибровки. Если известны константы Марка-Хоувинка-Сакурады K и α (см. уравнение Марка-Хоувинка), график зависимости log [η]M от объема элюирования (или времени элюирования) для конкретного растворителя, колонки и прибора позволяет построить универсальную калибровочную кривую, которую можно использовать для любого полимера в данном растворителе. Определяя объемы (или время) удерживания монодисперсных полимерных стандартов (например, растворов монодисперсного полистирола в THF), можно получить калибровочную кривую, представляя логарифм молекулярной массы в зависимости от времени или объема удерживания. После получения калибровочной кривой можно получить хроматограмму гель-проникающей хроматографии любого другого полимера в том же растворителе и определить молекулярные массы (обычно Mn и Mw) и полное распределение молекулярных масс полимера. Типичная калибровочная кривая показана справа, и молекулярную массу неизвестного образца можно определить по этой кривой.
Преимущества
В качестве метода разделения, ГХП (проточная гель-хроматография) обладает множеством преимуществ. Прежде всего, она характеризуется четко определенным временем разделения, поскольку для всех не удерживаемых аналитов существует конечный объем элюирования. Кроме того, ГХП может обеспечивать узкие пики, хотя достижение этого для полимерных образцов с широким диапазоном молекулярных масс может быть затруднено. Наконец, поскольку аналиты не взаимодействуют химически или физически с колонкой, вероятность их потери снижается. Ранее использовались такие методы, как фракционная экстракция и фракционное осаждение. Однако, из-за их трудоемкости, определение молекулярных масс и молекулярно-массового распределения обычно не проводилось. Таким образом, ГХП позволила быстро и относительно просто оценивать молекулярные массы и распределение полимерных образцов.
Недостатки
Однако у GPC есть и недостатки. Во-первых, за короткое время проведения анализа GPC можно различить лишь ограниченное число пиков. Кроме того, для достижения разумного разрешения пиков, GPC как метод требует разницы в молекулярной массе не менее 10%.