Гель-проникающая хроматография

Гель-проникающая хроматография ( ГПХ ) ^[1] представляет собой тип эксклюзионной хроматографии (SEC), которая разделяет высокомолекулярные или коллоидные аналиты по размеру или диаметру, обычно в органических растворителях. Этот метод часто используется для анализа полимеров . Как метод SEC был впервые разработан в 1955 году Лэтом и Рутвеном. ^[2] Термин «гель-проникающая хроматография» восходит к Дж. К. Муру из Dow Chemical Company, который исследовал этот метод в 1964 году. ^[3] Лицензия на запатентованную колоночную технологию была передана компании Waters Corporation , которая впоследствии коммерциализировала эту технологию в 1964 году. ^[4] Системы GPC и расходные материалы 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 их распределение по размерам и дисперсность ( ) , а также их молекулярную массу . Полимеры могут быть охарактеризованы различными определениями молекулярной массы, включая среднечисловую молекулярную массу (M _n ), средневесовую молекулярную массу (M _w ) (см. Распределение молярной массы ), среднеразмерную молекулярную массу (M _z ) или молекулярная масса вязкости (M _v ). ГПХ позволяет определить Đ, а также M _v M _n , M _w и M _z , а на основе других данных можно определить .

Как это работает

ГПХ — это тип хроматографии , в котором аналиты разделяются в зависимости от их размера или гидродинамического объема ( радиуса вращения ). Это отличается от других хроматографических методов, которые зависят от химического или физического взаимодействия между подвижной и неподвижной фазами для разделения аналитов. ^[5] Разделение происходит за счет использования пористых гелевых шариков, упакованных внутри колонки (см. Стационарная фаза (химия) ). Принцип разделения основан на дифференциальном исключении или включении макромолекул неподвижной фазой пористого геля. Более крупные молекулы не попадают в поры и элюируются раньше, тогда как более мелкие молекулы могут проникать в поры, тем самым дольше оставаясь внутри колонки. Весь процесс происходит без какого-либо взаимодействия аналитов с поверхностью неподвижной фазы.

Аналиты меньшего размера по сравнению с размером пор могут проникать в эти поры и проводить больше времени внутри частиц геля, увеличивая время их удерживания. И наоборот, аналиты большего размера по сравнению с размером пор проводят мало времени внутри колонки или вообще проводят его вообще, следовательно, они элюируются быстрее. Колонки каждого типа имеют диапазон молекулярных масс, которые можно разделить в зависимости от размеров пор.

Если аналит слишком велик по сравнению с порами колонки, он вообще не будет удерживаться и будет полностью исключен; и наоборот, если аналит мал по сравнению с размером пор, он будет полностью проникающим. Аналиты, которые полностью исключены, элюируются свободным объемом снаружи вокруг частиц (V _o ), общим пределом исключения, тогда как аналиты, которые полностью задержаны, элюируются растворителем, отмечая общий объем проникновения колонки, включая также растворитель. удерживается внутри пор (V _i ). Общий объем можно рассматривать по следующему уравнению, где V _g — объем полимерного геля, а V _t — общий объем: ^[5] $Vt=Vg+Vi+Vo$

Как можно сделать вывод, существует ограниченный диапазон молекулярных масс, которые могут быть разделены каждой колонкой, поэтому размер пор для насадки следует выбирать в соответствии с диапазоном молекулярных масс разделяемых аналитов. Для разделения полимеров размеры пор должны быть порядка анализируемых полимеров. Если образец имеет широкий диапазон молекулярной массы, может потребоваться последовательное использование нескольких колонок ГПХ с различным объемом пор для полного разделения образца.

Приложение

ГПХ часто используется для определения относительной молекулярной массы образцов полимера, а также распределения молекулярных масс. Что действительно измеряет ГПХ, так это молекулярный объем и функцию формы, определяемую характеристической вязкостью . Если используются сопоставимые стандарты, эти относительные данные можно использовать для определения молекулярной массы с точностью ± 5%. полистирола Для калибровки ГПХ обычно используют стандарты с дисперсностью менее 1,2. ^[6] К сожалению, полистирол, как правило, является 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

Инструментарий

Гель-проникающую хроматографию проводят почти исключительно в хроматографических системах. Схема эксперимента мало чем отличается от других методов высокоэффективной жидкостной хроматографии . Образцы растворяют в подходящем растворителе (в случае ГПХ это, как правило, органические растворители), и после фильтрации раствора его вводят в колонку. В колонне происходит разделение многокомпонентной смеси. 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 используются несколько детекторов. Наличие детектора делает фракционирование удобным и точным.

Гель

Гели используются в качестве неподвижной фазы для ГПХ. Размер пор геля необходимо тщательно контролировать, чтобы можно было нанести гель на заданное разделение. Другими желательными свойствами гелеобразователя являются отсутствие ионизирующих групп и низкое сродство в данном растворителе к разделяемым веществам. Коммерческие гели, такие как PLgel и Styragel (сшитый полистирол-дивинилбензол), ^[7]^[8] LH-20 (гидроксипропилированный сефадекс ), ^[9] Биогель ( сшитый полиакриламид ), HW-20 и HW-40 (гидроксилированный метакриловый полимер ), ^[10] и агарозный гель часто используются в зависимости от различных требований к разделению. ^[11]

Столбец

Колонка, используемая для ГПХ, заполнена микропористым наполнителем. Колонка заполнена гелем. Поскольку общий объем проникновения представляет собой максимальный объем, через который аналиты проникают, а удержание на поверхности неподвижной фазы отсутствует, общий объем колонки обычно велик по сравнению с объемом образца.

Элюент

Элюент . (подвижная фаза) должен представлять собой подходящий растворитель для растворения полимера, не должен мешать реакции анализируемого полимера, должен смачивать поверхность насадки и делать ее инертной по отношению к взаимодействиям с полимерами Наиболее распространенными элюентами для полимеров, растворяющихся при комнатной температуре методом ГПХ, являются тетрагидрофуран (ТГФ), о -дихлорбензол и трихлорбензол при 130–150 °C для кристаллических полиалкинов и гексафторизопропанол (ГФИП) для кристаллических конденсационных полимеров, таких как полиамиды и полиэфиры . ^[12]

Насос

Для равномерной подачи относительно небольших объемов жидкости для ГПХ доступны два типа насосов: поршневые или перистальтические насосы. Обеспечение постоянного потока без колебаний особенно важно для точности анализа ГПХ, поскольку скорость потока используется для калибровки молекулярной массы или диаметра. ^[13]

Детектор

При ГПХ массовую концентрацию полимера в элюирующем растворителе можно непрерывно контролировать с помощью детектора. Существует множество типов детекторов, и их можно разделить на две основные категории. Первыми являются детекторы, чувствительные к концентрации, которые включают детекторы поглощения УФ-ВИД, дифференциальный рефрактометр (DRI) или детекторы показателя преломления (RI), инфракрасные (ИК) детекторы поглощения и детекторы плотности. Вторая категория — детекторы, чувствительные к молекулярной массе, к которым относятся детекторы малоуглового светорассеяния (LALLS) и многоуглового светорассеяния (MALS). ^[14] Таким образом, результирующая хроматограмма представляет собой распределение веса полимера в зависимости от удерживаемого объема.

хроматограмма ГПХ; V _o = нет ретенции, V _t = полная ретенция, A и B = частичная ретенция

Наиболее чувствительным детектором является дифференциальный УФ-фотометр, а наиболее распространенным детектором является дифференциальный рефрактометр (ДРИ). При характеризации сополимера необходимо последовательно подключить два детектора. ^[6] Для точного определения состава сополимера как минимум два из этих детекторов должны быть детекторами концентрации. ^[14] Определение большинства составов сополимеров проводится с использованием УФ- и RI-детекторов, хотя можно использовать и другие комбинации. ^[15]

Анализ данных

Гель-проникающая хроматография (ГПХ) стала наиболее широко используемым методом анализа образцов полимеров с целью определения их молекулярной массы и массового распределения. примеры хроматограмм ГПХ образцов полистирола с указанием их молекулярных масс и дисперсностей Слева показаны .

Бенуа и коллеги ^[16] предположил, что гидродинамический объем V _η , который пропорционален произведению [η] и M, где [η] — характеристическая вязкость полимера в элюенте для ЭХ, может использоваться в качестве универсального калибровочного параметра. Если константы Марка-Хаувинка-Сакурады K и α известны (см. уравнение Марка-Хаувинка ), график log [η]M в зависимости от объема элюирования (или времени элюирования) для конкретного растворителя, колонки и прибора обеспечивает универсальную калибровочную кривую. который можно использовать для любого полимера в этом растворителе. Путем определения объемов удерживания (или времени) монодисперсных полимерных стандартов (например, растворов монодисперсного полистирола в ТГФ) можно получить калибровочную кривую путем построения логарифма молекулярной массы в зависимости от времени удерживания или объема. После получения калибровочной кривой можно получить гель-проникающую хроматограмму любого другого полимера в том же растворителе и определить молекулярные массы (обычно M _n и M _w ), а также полное молекулярно-массовое распределение полимера. Типичная калибровочная кривая показана справа, а молекулярную массу неизвестного образца можно определить по калибровочной кривой.

Преимущества

Как метод разделения, ГПХ имеет много преимуществ. Прежде всего, он имеет четко определенное время разделения благодаря тому, что существует конечный объем элюирования для всех неудерживаемых аналитов. Кроме того, ГПХ может обеспечить узкие полосы, хотя этот аспект ГПХ более сложен для образцов полимеров, которые имеют широкий диапазон молекулярных масс. Наконец, поскольку аналиты не взаимодействуют ни химически, ни физически с колонкой, вероятность потери аналита снижается. ^[5] В частности, для исследования свойств образцов полимеров метод ГПХ может оказаться очень полезным. ГПХ обеспечивает более удобный метод определения молекулярной массы полимеров. Фактически большинство образцов можно тщательно проанализировать за час или меньше. ^[17] Другими методами, использовавшимися в прошлом, были фракционная экстракция и фракционное осаждение. Поскольку эти процессы были весьма трудоемкими, молекулярные массы и массовые распределения обычно не анализировались. ^[18] Таким образом, ГПХ позволил быстро и относительно легко оценить молекулярную массу и распределение образцов полимеров.

Недостатки

Однако у GPC есть недостатки. Во-первых, существует ограниченное количество пиков, которые можно разрешить в течение короткого времени проведения ГПХ. Кроме того, метод ГПХ требует, чтобы разница в молекулярной массе составляла не менее 10% для обеспечения разумного разрешения пиков. ^[5] Что касается полимеров, молекулярные массы большинства цепей будут слишком близки, чтобы разделение ГПХ показало что-то большее, чем широкие пики. Еще одним недостатком ГПХ для полимеров является то, что перед использованием прибора необходимо выполнять фильтрацию, чтобы пыль и другие частицы не разрушали колонки и не мешали работе детекторов. Хотя это полезно для защиты прибора, существует возможность предварительной фильтрации образца, удаляя образец с более высокой молекулярной массой, прежде чем его можно будет загрузить в колонку. Другой возможностью решения этих проблем является разделение путем фракционирования в потоке (FFF).

Ортогональные методы

Фракционирование в полевом потоке (FFF) можно рассматривать как альтернативу ГПХ, особенно когда частицы или полимеры с высокой молярной массой вызывают засорение колонки, деградация при сдвиге является проблемой или агломерация имеет место, но ее нельзя сделать видимой. FFF — это разделение в открытом канале потока без участия статической фазы, поэтому взаимодействия не происходит. С помощью одной версии фракционирования в полевом потоке, термического фракционирования в полевом потоке , возможно разделение полимеров, имеющих одинаковый размер, но разный химический состав. ^[19]

Ссылки

^ Стригель, Андре М., изд. (2009). Современная эксклюзионная жидкостная хроматография: практика гель-проникающей и гель-фильтрационной хроматографии (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-20172-4 .
^ Токарный станок, GH; Рутвен, CRJ «Разделение субстанции» и «1956», 62 , 665–674. PMID 13249976
^ Мур, Дж. К. (1964). «Гель-проникающая хроматография. I. Новый метод молекулярно-массового распределения высоких полимеров». Журнал науки о полимерах, часть A: Общие статьи . 2 (2): 835–843. дои : 10.1002/pol.1964.100020220 .
^ Эттре, Лесли С. (2005). «Джим Уотерс: Разработка ГПХ и первых коммерческих инструментов для ВЭЖХ» (PDF) . LCGC Северная Америка . 23 (8): 752–761.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Скуг, Д.А. Принципы инструментального анализа , 6-е изд.; Томпсон Брукс/Коул: Белмонт, Калифорния, 2006, глава 28.
^ Перейти обратно: ^а ^б Сэндлер, СР; Каро, В.; Бонстил, Дж.; Пирс, Синтез и характеристика ЭМ-полимеров: Лабораторное руководство ; Академическая пресса: Сан-Диего, 1998.
^ Аджилент Технологии. «КОЛОНКИ AGILENT ORGANIC GPC/SEC» (PDF) . Проверено 6 декабря 2019 г.
^ Корпорация Уотерс. «РУКОВОДСТВО ПО УХОДУ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СТИРАГЕЛЕВОЙ КОЛОНКИ» (PDF) . Проверено 6 декабря 2019 г.
^ Компания GE Healthcare. «Сефадекс ЛХ-20» . Проверено 6 декабря 2019 г.
^ ТОСОХ БИОСНАУКА. «ТОЙОПЕРЛ HW-40» . Проверено 6 декабря 2019 г.
^ Хельмут, Д. Гель-хроматография, гель-фильтрация, гель-проницаемость, молекулярные сита: Лабораторный справочник ; Спрингер-Верлаг, 1969.
^ Рудин, Альфред; Вагнер, Р.А. (1976). «Зависимость гидродинамических объемов и объемов элюирования ГПХ от растворителя и концентрации». Журнал прикладной науки о полимерах . 20 (6): 1483–1490. дои : 10.1002/app.1976.070200607 .
^ Блай, Д.Д.; Стоклоса, HJ; Киркланд, Джей-Джей; Яу, WW (1 сентября 1975 г.). «Ошибки, вызванные изменением скорости потока в высокоэффективной эксклюзионной хроматографии (ГПХ) [гель-проникающей хроматографии]» . Аналитическая химия . 47 (11): 1810–1813. дои : 10.1021/ac60361a009 . ISSN 0003-2700 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Тратнигг, Б. Определение MWD и химического состава полимеров хроматографическими методами. Прог. Полим. наук. 1995 , 20 , 615-650. [1] два : 10.1016/0079-6700(95)00005-Z
^ Паш, Х. Методы разделения дефисов в жидкостной хроматографии полимеров. Адв. Полим. наук. 2000 , 150 , 1-66. [2] дои : 10.1007/3-540-48764-6
^ Грубишич З.; Ремпп, П.; Бенуа, Х. (1967). «Универсальная калибровка для гель-проникающей хроматографии». Журнал науки о полимерах, часть B: Буквы о полимерах . 5 (9): 753–759. Бибкод : 1967JPoSL...5..753G . дои : 10.1002/pol.1967.110050903 .
^ Коуи, JMG; Арриги, В. Полимеры: химия и физика современных материалов , 3-е изд. ЦРК Пресс, 2008 .
^ Одиан Г. Принципы полимеризации , 3-е изд.; Публикация Wiley Interscience, 1991.
^ Термическое фракционирование в полевом 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. в Wayback Machine.

[1] Стригель, Андре М., изд. (2009). Современная эксклюзионная жидкостная хроматография: практика гель-проникающей и гель-фильтрационной хроматографии (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-20172-4 .

[Lathe-2] Токарный станок, GH; Рутвен, CRJ «Разделение субстанции» и «1956», 62 , 665–674. PMID 13249976

[Moore-3] Мур, Дж. К. (1964). «Гель-проникающая хроматография. I. Новый метод молекулярно-массового распределения высоких полимеров». Журнал науки о полимерах, часть A: Общие статьи . 2 (2): 835–843. дои : 10.1002/pol.1964.100020220 .

[4] Эттре, Лесли С. (2005). «Джим Уотерс: Разработка ГПХ и первых коммерческих инструментов для ВЭЖХ» (PDF) . LCGC Северная Америка . 23 (8): 752–761.

[Skoog-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Скуг, Д.А. Принципы инструментального анализа , 6-е изд.; Томпсон Брукс/Коул: Белмонт, Калифорния, 2006, глава 28.

[Sandler-6] Перейти обратно: ^а ^б Сэндлер, СР; Каро, В.; Бонстил, Дж.; Пирс, Синтез и характеристика ЭМ-полимеров: Лабораторное руководство ; Академическая пресса: Сан-Диего, 1998.

[7] Аджилент Технологии. «КОЛОНКИ AGILENT ORGANIC GPC/SEC» (PDF) . Проверено 6 декабря 2019 г.

[8] Корпорация Уотерс. «РУКОВОДСТВО ПО УХОДУ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СТИРАГЕЛЕВОЙ КОЛОНКИ» (PDF) . Проверено 6 декабря 2019 г.

[9] Компания GE Healthcare. «Сефадекс ЛХ-20» . Проверено 6 декабря 2019 г.

[10] ТОСОХ БИОСНАУКА. «ТОЙОПЕРЛ HW-40» . Проверено 6 декабря 2019 г.

[Helmut-11] Хельмут, Д. Гель-хроматография, гель-фильтрация, гель-проницаемость, молекулярные сита: Лабораторный справочник ; Спрингер-Верлаг, 1969.

[12] Рудин, Альфред; Вагнер, Р.А. (1976). «Зависимость гидродинамических объемов и объемов элюирования ГПХ от растворителя и концентрации». Журнал прикладной науки о полимерах . 20 (6): 1483–1490. дои : 10.1002/app.1976.070200607 .

[13] Блай, Д.Д.; Стоклоса, HJ; Киркланд, Джей-Джей; Яу, WW (1 сентября 1975 г.). «Ошибки, вызванные изменением скорости потока в высокоэффективной эксклюзионной хроматографии (ГПХ) [гель-проникающей хроматографии]» . Аналитическая химия . 47 (11): 1810–1813. дои : 10.1021/ac60361a009 . ISSN 0003-2700 .

[Trathnigg-14] Перейти обратно: ^а ^б Тратнигг, Б. Определение MWD и химического состава полимеров хроматографическими методами. Прог. Полим. наук. 1995 , 20 , 615-650. [1] два : 10.1016/0079-6700(95)00005-Z

[Pasch-15] Паш, Х. Методы разделения дефисов в жидкостной хроматографии полимеров. Адв. Полим. наук. 2000 , 150 , 1-66. [2] дои : 10.1007/3-540-48764-6

[16] Грубишич З.; Ремпп, П.; Бенуа, Х. (1967). «Универсальная калибровка для гель-проникающей хроматографии». Журнал науки о полимерах, часть B: Буквы о полимерах . 5 (9): 753–759. Бибкод : 1967JPoSL...5..753G . дои : 10.1002/pol.1967.110050903 .

[Cowie-17] Коуи, JMG; Арриги, В. Полимеры: химия и физика современных материалов , 3-е изд. ЦРК Пресс, 2008 .

[Odian-18] Одиан Г. Принципы полимеризации , 3-е изд.; Публикация Wiley Interscience, 1991.

[19] Термическое фракционирование в полевом 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. в Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]