Гель хроматография принцип удерживания. Гель-проникающая хроматография полимеров. задача спецпрактикума. благодатских и.в. Смотреть что такое "Эксклюзионная хроматография" в других словарях

Хроматография - метод разделения смесей компонентов, основанный на различии в распределении компонентов между двумя несмешивающимися фазами - подвижной и неподвижной. Компоненты разделяемого образца движутся через систему в подвижной фазе. Гель-проникающий анализ основан на разной способности различных по величине макромолекул проникать в поры неподвижной фазы, в качестве которой чаще используют гели трехмерных полимеров или пористые стекла. При этом разделение происходит только по размерам и не зависит от природы макромолекул.

На рис. 2.23 схематически показана поверхность гранулы геля, покрытая каналами, углублениями различного диаметра и длины, которые называют пореши. Растворитель (подвижная фаза) заполняет все пространство между гранулами и все поры внутри геля.

Объем, недоступный для растворителя, - само вещество геля - называют мертвым объемом, объем пор V n - поровым объемом. Если мимо такой поверхности протекает раствор с молекулами, размеры которых соизмеримы с размерами пор или меньше их, то часть молекул будет проникать в поры. Когда зона растворенного вещества покидает данный участок насадки, концентрация молекул внутри нор становится выше, чем снаружи, и молекулы вновь диффундируют в поток подвижной фазы. Если же размеры молекул больше размеров пор, то они проходят мимо гранул геля, не задерживаясь. Следовательно, большие по размерам молекулы проходят через колонку с гелем быстрее, выходят из нее раньше, при меньшем объеме протекающего растворителя. Для молекул меньших размеров, попадающих в поры и задерживающихся в них некоторое время, необходимо большее количество растворителя, чтобы они были вымыты из колонки.

Таким образом, макромолекулы нолидисперсного полимера, внесенного в колонку с пористым наполнителем, будут выходить из колонки в разное время при разном объеме вымывания V M (объеме удерживания, объеме элюции).

Макромолекулы, полностью исключенные из геля, выходят из колонки при объеме растворителя Е 0 , равном объему пространства, окружающего гранулы геля (объему подвижной фазы, т.е. растворителя, находящегося в колонке). Для меньших молекул доступен объем, равный сумме объема подвижной фазы п части AV„

Рис. 2.23. (а), в норовом пространстве зерна геля (б) и на выходе из колонки (в) неподвижной фазы (объема пор). Тогда элюционный объем /-го компонента растворенного вещества равен

где K,j = AVL/V n - коэффициент объемного распределения пор по размерам; для больших, полностью исключенных из геля макромолекул K V j = 0, для молекул растворителя К Г] = 1.

Для гель-хроматографического анализа характерным является ограниченное изменение элюционного объема, определяемого неравенством Т 0 Чл к Vo + Т„. В случае образца с одинаковым размером молекул следует ожидать их одновременного выхода из колонки. Однако вследствие неидеальности процесса (запаздывания входа и выхода молекул из пор, различия в скоростях движения молекул в порах и между гранулами, у стенок колонки и в ее центре идр.) наблюдается размывание хроматографического пика даже монодисперсных образцов.

Объем подвижной фазы Т 0 экспериментально определяют при использовании веществ с заведомо большими размерами молекул, которые полностью исключаются из геля и вымываются из колонки при объеме растворителя, соответствующем Т 0 . Значение Т 0 можно также рассчитывать по формуле

где Т кол - полный объем колонки; g - общая масса геля и растворителя; р П| и ро - плотности набухшего геля и растворителя.

Величину V n - полный доступный внутренний объем, поро- вый объем - определяют по уравнению

где g rc - масса сухого геля; R - доля связанного в геле растворителя.

Значение R вычисляют по формуле

Поскольку при гель-хромато графическом анализе распределение макромолекул происходит по эффективному гидродинамическому объему, то для получения информации о величинах молекулярных масс и молекулярно-массовом распределении необходимо проводить предварительную калибровку колонки по образцам с известной молекулярной массой, т.е. получать зависимость «М - И эл ». Для анализа полидисперсных полимеров используют

Рис. 2.24. Калибровочные кривые «lgМ - К, л »

(пояснения см. в тексте)

несколько колонок с различным набором пор, соответствующих размерам разделяемых макромолекул.

Когда распределение по размерам пор в геле широкое, зависимость «М - К)Л » будет крутой (прямая 1 на рис. 2.24): колонка в этом случае обеспечивает худшее разделение, но в более широком интервале молекулярных масс. Когда поры близки по размеру, зависимость будет криволинейной в области малых У эл (не происходит разделения высокомолекулярных фракций), однако в этом случае обеспечивается лучшее разделение в более узком интервале молекулярных масс от М { до М 2 (кривая 3 на рис. 2.24). Зависимость 2 на том же рисунке соответствует гелю, поры которого обеспечивают удовлетворительное разделение образца.

Для получения калибровочных зависимостей обычно используют монодиснерсные фракции исследуемого полимера; полученные зависимости в простейших случаях описываются прямой

В более общем случае зависимость «М - У эл » выражается следующим образом:

где С, С 2 и С 3 - константы.

Полимеры различного строения на одной и той же колонке дают обычно различающиеся калибровочные зависимости «М - К,.,».

Аналогичный результат наблюдается и при переходе от одного растворителя к другому для одного и того же полимера. Однако было показано, что для различных полимеров и для различных растворителей можно получить единую зависимость между элю- ционным объемом и произведением М[х.

С использованием уравнения Марка - Куна - Хаувинка [ ц | = = КМ" между коэффициентами уравнений (2.138) и (2.140) можно установить следующие соотношения:

Выполнение универсальной зависимости «Е эл - М[г||» означает, что макромолекулы с одним и тем же значением Л/[ ц | = = Фо(/? 2) 1,5 вымываются при одном и том же значении V Ml . Это свидетельствует о том, что деление в колонке действительно происходит по величине эффективного гидродинамического объема.

Обычно колонку гель-хроматографа калибруют по доступным узким фракциям какого-либо полимера (чаще - полистирола). Если для исследуемого полимера известна зависимость |г|] = К Ц М 0 , то легко пересчитать зависимость «У эл - М[ср]» для данной системы «полимер - растворитель» в зависимость «М - Е эл »:

где ci и М] - соответствующие показатели для первого (стандартного) полимера, а К п. 2 , а 2 и М 2 - для второго.

Чаще определение концентрации полимера в растворе, вытекающем из колонки, производят рефрактометрически, поэтому важно различие показателей преломления раствора и растворителя. Если они окажутся одинаковыми, то полимер будет «невидим» в элюируемом растворе. Получаемые зависимости изменения разницы показателей преломления раствора и растворителя от Е эл представляют собой гель-хроматограмму полимера, которая позволяет рассчитать М„, М„, и молекулярно-массовое распределение.

Пример. На рис. 2.25 приведена гель-хроматограмма полиизопрена при элюировании хлороформом. Для определения молекулярной массы этого образца использована универсальная калибровочная зависимость для полистирола, имеющая вид lg(M[г| |) = 16,13 - 0,0706 К,.,.

Рис. 2.25.

Для перехода к уравнению, связывающему молекулярную массу с элюционным объемом для нолиизонрена, используют уравнение Марка - Куна - Хаувинка для системы «полиизопрсн - хлороформ»:

Тогда калибровочная зависимость для полиизопрена имеет вид

Гель-хроматограмму (см. рис. 2.25) для полиизопрсна разбивают на равные участки - счеты (один счет на рис. 2.25 соответствует АН эл = = 4 мл, а М, - числовое значение молекулярной массы в точке разбивки). Для каждой реперной точки определяют элюционный объем V, высоту F, от базовой линии и представляют полученные данные по форме табл. 2.13.

Данные для расчета молекулярной массы и ММР полиизопрена методом гель-проникающей хроматографии

Таблица 2.13

	Fj, мм			Г F:) , 17 - 10 "’ 1 М: J

Величины М„, и М„ вычисляют по формулам

Таким образом, отношение величин М„, М„, будет

Эксклюзионная хроматография представляет собой вариант жидкостной хроматографии, в котором разделение происходит за счет распределения молекул между растворителем, находящимся внутри пор сорбента, и растворителем, протекающим между его частицами, т.е. неподвижной фазой служит пористое тело или гель, а различное удерживание веществ обусловлено различия в размерах молекул веществ, их форме и способности проникать в поры неподвижной фазы. В названии метода отражен механизм процесса, от английского термина “Size Exclusion” , означающего исключение по размеру. Гель-проникающая хроматография (ГПХ) - эксклюзионная хроматография, в которой неподвижной фазой служит гель.

В отличие от остальных вариантов ВЭЖХ, где разделение идет за счет различного взаимодействия компонентов с поверхностью сорбента, роль твердого наполнителя в эксклюзионной хроматографии заключается только в формировании пор определенного размера, а неподвижной фазой является растворитель, заполняющий эти поры.

Принципиальной особенностью метода является возможность разделения молекул по их размеру в растворе в диапазоне практически любых молекулярных масс - от 10 2 до 10 8 , что делает его незаменимым для исследования синтетических высокомолекулярных веществ и биополимеров.

Рассмотрим принципиальные основы метода. Объем эксклюзионной колонки можно выразить суммой трех слагаемых:

V с = V м + V i + V d ,

где V м - мертвый объем (объем растворителя между частицами сорбента, иначе говоря, объем подвижной фазы); V i - объем пор, занятый растворителем (объем неподвижной фазы); V d - объем матрицы сорбента без учета пор. Полный объем растворителя в колонке V t представляет собой сумму объемов подвижной и неподвижной фаз:

V t = V м + V i .

Удерживание молекул в эксклюзионной колонке определяется вероятностью их диффузии в поры и зависит главным образом от соотношения размеров молекул и пор. Коэффициент распределения К d , как и в других вариантах жидкостной хроматографии, представляет собой отношение концентраций вещества в неподвижной и подвижной фазах:

K d = C 1 /C 0

Так как подвижная и неподвижная фазы имеют одинаковый состав, то К d вещества, для которого обе фазы одинаково доступны, равен единице. Эта ситуация реализуется для молекул с самыми малыми размерами (в том числе и молекул растворителя), которые проникают во все поры, и поэтому движутся через колонку наиболее медленно. Их удерживаемый объем равен полному объему растворителя V t . Все молекулы, размер которых больше размера пор сорбента, не могут попасть в них (полная эксклюзия) и проходят по каналам между частицами. Они элюируются из колонки с одним и тем же удерживаемым объемом, равным объему подвижной фазы V м . Коэффициент распределения для этих молекул равен нулю.

Принцип разделения и детектирования пробы в эксклюзионной хроматографии.
А - ввод образца; В - разделение по размерам; С - выход крупных макромолекул;
D - выход мелких макромолекул.

Связь между удерживаемым объемом и молекулярной массой (или размером молекул) образца описывается частной калибровочной кривой, т.е. каждый конкретный сорбент характеризуется своей калибровочной кривой, по которой оценивают область разделяемых на нем молекулярных масс. Точка А соответствует пределу эксклюзии, или мертвому объему колонки V м . Все молекулы, масса которых больше, чем в точке А, будут элюироваться одним пиком с удерживаемым объемом V м . Точка В отражает предел проникания, и все молекулы, масса которых меньше, чем в точке В, также будут выходить из колонки одним пиком с удерживаемым объемом V t . Между точками А и В располагается диапазон селективного разделения. Соответствующий ему объем

V i = V t - V м

принято называют рабочим объемом колонки. Отрезок CD представляет собой линейный участок частной калибровочной кривой, построенной в координатах V R - lg M . Этот участок описывается уравнением

V R = C 1 - C 2 lg M ,

где C 1 - отрезок, отсекаемый на оси ординат продолжением отрезка CD, С 2 - тангенс угла наклона этого отрезка к оси ординат. Beличину С 2 называют разделительной емкостью колонки, ее выражают числом миллилитров растворителя, приходящегося на один порядок изменения молекулярной массы. Чем больше разделительная емкость тем селективнее разделение в данном диапазоне масс. В нелинейных областях калибровочной кривой (участки АС и BD) в связи с уменьшением С 2 эффективность фракционирования заметно снижается. Кроме того, нелинейная связь между lg M и V R существенно усложняет обработку данных и снижает точность результатов. Поэтому стремятся выбирать колонку (или набор колонок) так, чтобы разделение анализируемого полимера протекало в пределах линейного участка калибровочной кривой.

Если какое-либо вещество элюируется с удерживаемым объемом больше V t , то это указывает на проявление других механизмов разделения (чаще всего адсорбционного). Адсорбционные эффекты обычно проявляются на жестких сорбентах, но иногда наблюдаются и на полужестких гелях, видимо, из-за повышенного сродства к матрице геля. Примером может служить адсорбция ароматических соединений на стиролдивинилбензольных гелях.

По-видимому, изменением параметров взаимодействия в системе полимер - сорбент - растворитель можно переходить от адсорбционного механизма к эксклюзионному и наоборот. В общем случае в эксклюзионной хроматографии стремятся полностью подавить адсорбционные и другие побочные эффекты, так как они, особенно при исследовании молекулярно-массового распределения (ММР) полимеров, могут существенно исказить результаты анализа. Одним из мешающих факторов является гидродинамический режим хроматографирования, в котором роль неподвижной фазы играют стенки колонки (канала) и разделение смеси макромолекул или частиц происходит вследствие различия скоростей протекания подвижпой фазы вдоль оси капала и у его стенок, а также за счет распределения разделяемых частиц по сечению канала в соответствии с их размером.

Принципиальными отличиями эксклюзионной хроматографии от других вариантов являются априори известная продолжительность анализа в конкретной используемой системе, возможность предсказания порядка элюирования компонентов по размеру их молекул, примерно одинаковая ширина пиков во всем диапазоне селективного разделения и уверенность в выходе всех компонентов пробы за достаточно короткий промежуток времени, соответствующий объему V t . Данный метод применяют преимущественно для исследования ММР полимеров и анализа макромолекул биологического происхождения (белки, нуклеиновые кислоты и т.д.), но указанные особенности делают его чрезвычайно перспективным для анализа низкомолекулярных примесей в полимерах и предварительного разделения проб неизвестного состава. Получаемая при этом информация существенно облегчает выбор наилучшего варианта ВЭЖХ для анализа данной пробы. Кроме того, микропрепаративное эксклюзионное разделение часто используют в качестве первого этапа при разделении сложных смесей путем комбинации различных видов ВЭЖХ.

В эксклюзионной хроматографии полимеров предъявляются наиболее жесткие требования к стабильности потока подвижной фазы. Точность результатов в эксклюзионной хроматографии полимеров заметно зависит от температуры. При ее изменении на 10°С ошибка определения средних молекулярных масс превышает ±10%. Поэтому в данном варианте ВЭЖХ обязательно термостатирование разделительной системы. Как правило, достаточна точность поддержания температуры ±1°С в пределах до 80-100°С. В некоторых случаях, например, при анализе полиэтилена и полипропилена, рабочая температура составляет 135-150°С. Наиболее распространенным детектором в эксклюзионной хроматографии полимеров является дифференциальный рефрактометр.

Выбор сорбентов, обеспечивающих оптимальные условия для решения конкретной аналитической задачи, проводят в несколько этапов. Матрица геля должна быть химически инертной, т.е. в ходе эксклюзионной хроматографии не должно происходить химическое связывание разделяемых макромолекул. При разделении белков, ферментов, нуклеиновых кислот при контакте с матрицей не должна происходить их денатурация. Первоначально на основе данных о химическом составе или растворимости анализируемых веществ устанавливают, какой вариант процесса следует применить - хроматографию в водных системах или в органических растворителях, что в значительной степени определяет тип необходимого сорбента. Разделение веществ низкой и средней полярности в органических растворителях можно успешно осуществить как на полужестких, так и на жестких гелях. Исследование ММР гидрофобных полимеров, содержащих полярные группы, чаще проводят на колонках со стиролдивинилбензольными гелями, так как в этом случае практически не проявляются адсорбционные эффекты и не требуется добавка модификаторов к подвижной фазе, что значительно упрощает подготовку и регенерацию растворителя.

Для работы в водных системах используют главным образом жесткие сорбенты; иногда очень хорошие результаты удается получить на полужестких гелях специальных типов. Затем по калибровочным кривым или данным о диапазоне фракционирования, выбирают сорбент нужной пористости с учетом имеющихся сведений о молекулярной массе образца. Если анализируемая смесь содержит вещества, отличающиеся по молекулярной массе не более чем на 2-2.5 порядка, то обычно удается разделить их на колонках с одним размером пор. При более широком диапазоне масс следует использовать наборы из нескольких колонок с сорбентами различной пористости. Ориентировочно калибровочную зависимость в этом случае получают сложением кривых для отдельных сорбентов.

Растворители, применяемые в эксклюзионной хроматографии, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) полностью растворять образец при температуре разделения;

2) смачивать поверхность сорбента и не ухудшать эффективность колонки;

3) предотвращать адсорбцию (и другие взаимодействия) разделяемых веществ с поверхностью сорбента;

4) обеспечивать максимально высокую чувствительность детектирования;

5) иметь низкую вязкость и токсичность.

Кроме того, при анализе полимеров имеет существенное значение термодинамическое качество растворителя: весьма желательно, чтобы он был "хорошим" по отношению к разделяемому полимеру и матрице геля, т.е. были максимально выражены концентрационные эффекты.

Хроматограмма олигомеров полиэтиленгликоля, полученная на составной колонке 2(600х7.5) мм с TSK-гелем G2000PW, ПФ 0.05 М раствор NaCl, расход 1 мл/мин, давление 2 МПа, температура 40°С, рефрактометрический детектор.

Растворимость образца обычно является главным лимитирующим фактором, ограничивающим ассортимент пригодных подвижных фаз. Наилучшим органическим растворителем для эксклюзионной хроматографии синтетических полимеров по комплексу свойств является ТГФ. Он обладает уникальной растворяющей способностью, низкой вязкостью и токсичностью, лучше многих других растворителей совместим со стиролдивинилбензольными гелями и, как правило, обеспечивает высокую чувствительность детектирования при использовании рефрактометра или УФ-детектора в области до 220 нм. Для анализа высокополярных и нерастворимых в тетрагидрофуране полимеров (полиамиды, полиакрилонитрил, полиэтилентерефталат, полиуретаны и др.) обычно используют диметилформамид или μ-крезол, а разделение полимеров низкой полярности, например различных каучуков и полисилоксанов, часто проводят в толуоле или хлороформе. Последний является также одним из лучших растворителей при работе с ИК-детектором. о -Дихлорбензол и 1,2,4-трихлорбензол применяют для высокотемпературной хроматографии полиолефинов (обычно при 135 °С), которые в других условиях не растворяются. Эти растворители имеют очень высокий показатель преломления, поэтому иногда их целесообразно использовать вместо тетрагидрофурана для анализа полимеров с низким коэффициентом преломления, что позволяет повысить чувствительность при детектировании рефрактометром.

Для предотвращения окисления растворителей и полужестких гелей в условиях высокотемпературной эксклюзионной хроматографии к о -дихлорбензолу и 1,2,4-трихлорбензолу добавляют антиокислители (ионол, сантонокс R и др.).

Жесткие сорбенты совместимы с любыми подвижными фазами, имеющими рН<8-8.5. При более высоких значениях рН силикагель начинает растворяться и колонка необратимо теряет эффективность. Стиролдивинилбензольные гели совместимы в основном с элюентами умеренной полярности. Для работы на колонках с μ-стирогелем (от 1000Å и выше) пригодны тетрагидрофуран, ароматические и хлорированные углеводороды, гексан, циклогексан, диоксан, трифторэтанол, гексафторпропанол и диметилформамид.

Степень набухания частиц геля в различных растворителях неодинакова, поэтому замена элюента в колонках с данными сорбентами может привести к снижению эффективности за счет изменения объема геля и образования пустот. При использовании неподходящих растворителей (ацетон, спирты) происходит столь сильная усадка геля, что колонка оказывается безнадежно испорченной. У сорбентов с малым размером пор (типа μ-стирогеля 100Е и 500Е) такая усадка наблюдается как в полярных, так и в неполярных растворителях, поэтому с ними, кроме того, нельзя работать в насыщенных углеводородах, фторированных спиртах и диметилформамиде. Удобным, хотя и весьма дорогим выходом из положения является использование отдельных наборов колонок для каждого применяемого растворителя. Некоторые фирмы с этой целью выпускают колонки с одним и тем же размером пор, заполненные разными растворителями - тетрагидрофураном, толуолом, хлороформом и ДМФА.

При разделении макромолекул основной вклад в размывание полосы определяется затрудненной массопередачей. К сожалению, многие из применяемых элюентов имеют высокую вязкость. Для снижения вязкости (а также для улучшения растворимости) эксклюзионную хроматографию часто проводят при повышенных температурах, что существенно улучшает эффективность хроматографической системы.

Анализ большинства полимеров на жестких гелях часто осложняется их адсорбцией. Для подавления адсорбции обычно используют растворители, которые адсорбируются на насадке колонки сильнее, чем анализируемые вещества. Если по каким-либо причинам это невозможно, то подвижную фазу модифицируют добавкой 0.1-2% полярного модификатора, например тетрагидрофурана. Значительно более сильными модификаторами являются этиленгликоль и полигликоли с различной молекулярной массой (ПЭГ-200, ПЭГ-400, карбовакс 20 М). Иногда, например при анализе поликислот в диметилформамиде, требуется добавка достаточно сильных кислот. Следует отметить, что полностью устранить адсорбцию добавкой модификаторов удается не всегда. В таких случаях нужно использовать полужесткие гели. Некоторые полимеры хорошо растворяются только в высоко полярных растворителях (ацетон, диметилсульфоксид и т. п.), несовместимых со стиролдивинилбензольными гелями. При их разделении на жестких сорбентах выбор растворителя проводят в соответствии с общими принципами, изложенными выше.

Свои характерные особенности имеет эксклюзионная хроматография в водных средах. Из-за специфики многих разделяемых систем (белки, ферменты, полисахариды, полиэлектролиты и др.) и разнообразия применяемых сорбентов существует очень много вариаций состава ПФ для подавления различных нежелательных эффектов. В качестве сорбентов применяют декстрановые гели (сефадексы), полиакриламидные, оксиакрилметакрилатнык гели, гели агарозы и др. В процессе эксклюзионного хроматографирования поведение макромолекул определяется в первую очередь их гидродинамическими размерами, а характерной особенностью белков, ферментов и синтетических полиэлектролиты является зависимость размеров макромолекул от рН и ионной силы раствора. Чем меньше значение рН и ионной силы раствора, тем выгоднее становятся развернутые конформации макромолекул (так называемое полиэлектролитное набухание). В этом случае среднестатистические размеры растут, что приводит к уменьшению объемов удерживания в режиме эксклюзионной хроматографии. Общими приемами модификации является добавка различных солей и применение буферных растворов с определенным значением рН. В частности, поддержание рН<4 дает возможность подавить слабую ионообменную активность силикагелей, обусловленную присутствием на их поверхности кислых силанольных групп. Требуемая ионная сила подвижной фазы достигается при концентрации буферного раствора 0,05-0,6М; оптимальную концентрацию подбирают экспериментально. Для предотвращения ионообменной сорбции катионных соединений наиболее часто используют такой активный модификатор, как тетраметиламмонийфосфат при рН=3. Однако при разделении некоторых белков могут проявляться гидрофобные взаимодействия, в свою очередь осложняющие эксклюзионный механизм разделения. Те же эффекты иногда проявляются и при работе с дезактивированными гидрофильными сорбентами. Для их устранения к растворителю добавляют метанол. Иногда в водную подвижную фазу вводят полярные органические растворители, полигликоли, кислоты, основания и поверхностно-активные вещества.

Важнейшей областью применения эксклюзионной хроматографии является исследование высокомолекулярных соединений. Применительно к синтетическим полимерам этот метод за короткий срок занял главенствующее положение для определения их молекулярно-массовых характеристик и интенсивно используется для изучения других видов неоднородности. В химии биополимеров эксклюзионную хроматографию широко применяют для фракционирования макромолекул и определения их молекулярной массы.

Принципиальная черта эксклюзионной хроматографии высокомолекулярных синтетических полимеров заключается в невозможности разделения смеси на индивидуальные соединения. Эти вещества представляют собой смесь полимергомологов с различной степенью полимеризации и соответственно с разными молекулярными массами M i . Молекулярную массу таких смесей можно оценить некоторой средней величиной, которая зависит от способа усреднения. Содержание молекул каждой молекулярной массы M i определяют либо по их численной доле в общем числе полимерных молекул, либо по массовой доле в их общей массе. Обычно полимер характеризуют найденными этими способами средними величинами, которые называют соответственно среднечисленной M n и среднемассовой M w молекулярной массой. Значения M n дают, например, криоскопия, осмометрия, эбулиоскопия, а значениям M w - светорассеяние и ультрацентрифугирование.

Если обозначить число молекул с молекулярной массой M i через N i , то обшую массу полимера можно выразить через Σ M i N i , численную долю молекул с массой M i через N i / Σ N i , а массовую долю молекул с массой M i - через f i = M i N i / Σ M i N i . Чтобы определить часть общей массы полимера, соответствующую этим долям, их умножают на M i .

Просуммировав полученные значения для всех величин, получают средние молекулярные массы:

M n = Σ 1 /( f i /M i ) = (Σ M i N i )/(Σ N i )

M w = Σ M i f i = (Σ M i 2 N i )/(Σ M i N i )

Отношение M w > / M n характеризует полидисперсность полимера.

На практике молекулярную массу полимеров часто определяют методом вискозиметрии. Средневязкостную молекулярную массу находят по уравнению Марка - Куна - Хаувинка:

[η ] = K η / M η a

где [η ] - характеристическая вязкость; К η , а - константы для данной системы полимер - растворитель при данной температуре.

Величина M η описывается уравнением

M η = (Σ M i a f i ) 1/a

Как правило, величины средних молекулярных масс удовлетворяют неравенству

M w > M η > M n

Обычно полимерный образец характеризуют комплексом значений M w , M η , M n и M w /M η , но этого может быть недостаточно. Наиболее полную информацию о молекулярно-массовой неоднородности образца дают кривые ММР. Типичная хроматограмма, полученная в процессе эксклюзионного разделения, представляет собой достаточно плавную кривую с одним или несколькими максимумами. Из этой кривой с использованием калибровочной зависимости и соответствующих расчетов определяют значения средних молекулярных характеристик и ММР полимера в дифференциальной или интегральной форме.

Гель-хроматография как метод определения молекулярной массы

Гель-проникающая хроматография представляет собой разновидность метода фракционирования на колонке, в которой разделение осуществляется по принципу молекулярного сита. Этот принцип был известен уже в начале 50-х годов, но лишь после того, как Порат и Флодин вновь открыли и широко использовали этот метод, он получил признание и широкое применение в научных исследованиях. Начиная с этого момента и до 1964 г. было опубликовано более 300 работ, посвященных этому новому методу фракционирования.

Гель-фильтрация или эксклюзионная хроматография (ситовая, гель-проникающая, гель-фильтрационная хроматография) - разновидность хроматографии, в ходе которой молекулы веществ разделяются по размеру за счёт их разной способности проникать в поры неподвижной фазы. При этом первыми выходят из колонки наиболее крупные молекулы (бомльшей молекулярной массы), способные проникать в минимальное число пор стационарной фазы. Последними выходят вещества с малыми размерами молекул, свободно проникающие в поры. В отличие от адсорбционной хроматографии, при гель-фильтрации стационарная фаза остается химически инертной и с разделяемыми веществами не взаимодействует. Неподвижной фазой являются поры сорбента, заполненные жидкостью. Средняя скорость передвижения этой фазы вдоль оси колонки равна нулю. Анализируемое вещество перемещается вдоль оси колонки, двигаясь вместе с подвижной фазой и время от времени делая остановки при попадании в неподвижную фазу. Молекулы делают остановки в щелевидных порах, размер которых по порядку величины соответствует размеру макромолекул.

При эксклюзионной хроматографии молекулы, имеющие в растворе большой размер, или совсем не проникают, или проникают только в часть пор сорбента (геля) и вымываются из колонки раньше, чем небольшие молекулы. Соотношение эффективных размеров макромолекул и пор сорбента определяет коэффициент распределения K d , от которого зависит объем удерживания компонента V R в колонке:

Эффективным размером макромолекулы при эксклюзионной хроматографии является ее гидродинамический радиус R, который вместе с молекулярной массой полимера М определяет характеристическую вязкость полимера. Универсальную калибровочную зависимость V R от произведения / уравнение (2) впервые получил экспериментально Г. Бенуа, она имеет вид (рис. 1):

где А и В-константы. Уравнение (2) одинаково справедливо для линейных и разветвленных полимеров, блок- и привитых сополимеров, олигомеров.

Рис. 1.

хроматография молекулярный эксклюзионный

В области от V 0 до V T (объем колонки, доступный для растворителя и молекул ниже определенного размера, соответствующего М мин) рабочая зависимость имеет линейный (квазилинейный) характер. Соответствующие объемам V 0 и V T мол. массы представляют собой пределы исключения - М макс (молекулы большого размера, не проникают в поры сорбента) и М мин, (молекулы небольшие, полностью проникают в поры сорбента). Сорбенты с порами одного размера теоретически способны разделять макромолекулы в пределах коммерческие сорбенты характеризуются. Ддя разделения макромолекул в большом диапазоне М нужны сорбенты с бимодальным и тримодальным распределением пор по размерам, обеспечивающие линейную мол. массовую калибровочную зависимость в диапазоне М = 10 2,5 - 10 6,5 . Максимальная селективность достигается увеличением объема перового пространства сорбента, у бимодального и тримодального сорбентов, кроме того, оптимальным распределением пор по размерам. Важно, чтобы при разделении смеси макромолекул их наибольшая и наименьшая М находились в пределах М МИН - М МАКС характерных для данного сорбента.

Механизм эксклюзионной хроматографии. Эксклюзионная хроматография (Size Exclusion Chromatography, SEC) или гель-проникающая хроматография (ГПХ, Gel Permeation Chromatography, GPC) реализуется, когда поведение макромолекул в порах определяется энтропийной составляющей свободной энергии, а энергетическая составляющая мала по сравнению с ней. В этом случае, коэффициент распределения будет экспоненциально зависеть от соотношения размера макромолекулы и размера пор. Макромолекулы в р-ре представляют собой статистич. ансамбль (статистич. клубок). Их распределение между пористым сорбентом и р-ром контролируется изменением энергии Гиббса при переходе макромолекулы из р-ра в поры: где- изменение энтальпиимакромолекулы вследствие взаимод. ее сегментов с пов-стью сорбента (матрицей геля); - уменьшение энтропиипри переходе макромолекулы из р-ра в поры; Т - абс. т-ра. Разделение макромолекул происходит в эксклюзионном режиме, когда, a K d , зависящий от соотношения размеров макромолекул и пор, меньше 1. Для подавления нежелательных для эксклюзионной хроматографии явлений ионной эксклюзии и ионообменной сорбции модифицируют поверхность сорбентов (для придания ей нейтрального заряда при рН > 4), увеличивают ионную силу растворителя, ослабляя кулоновские взаимодействие, добавляют органические растворители, смещая тем самым рК полиэлектролита или изоэлектрическую точку у полиамфолитов. С другой стороны, ионообменную сорбцию и ионную эксклюзию можно использовать для разделения нейтральных макромолекул, полианионов и поликатионов одного размера. Поскольку диссоциация полиэлектролитов увеличивается с разбавлением их растворов, то при эксклюзионной хроматографии макромолекулы на краях хроматографической колонки, где их концентрация мала, диссоциируют и движутся по колонке не по законам эксклюзионной хроматографии, а по законам ионообменной сорбции и ионной эксклюзии в зависимости от заряда поверхности сорбента и макромолекулы, что приводит к искажению формы кривой зависимости V и М (рис. 2), а также позволяет диагностировать наличие того или другого процесса.

Рис. 2. Эксклюзионная хроматография нейтральных макромолекул (а) и полиэлектролитов: ионная эксклюзия (б), ионообменная сорбция (в)

Эффекты, аналогичные ионообменной сорбции, но только в более слабой степени, могут наблюдаться при гидрофобных взаимодействиях макромолекулярных сегментов с модифицированной гидрофобными радикалами поверхностью сорбента или при электростатическом взаимодействии поверхностных силанольных гидроксигрупп с с функциональными группами полярных макромолекул. Все эти эффекты должны подавляться при проведении эксклюзионной хроматографии.

Для анализа какого-либо полимера по молекулярным массам необходимо подобрать колонку с подходящим размером пор или серию колонок с разными порами или воспользоваться колонкой со смесью сорбентов с разными порами (колонка Linear в приведенном примере). Разумеется, чтобы использовать метод ГПХ для анализа ММР необходимо обеспечить условия реализации эксклюзионного механизма разделения, не осложненного эффектами взаимодействия как срединных, так и концевых звеньев цепи. Речь идет об адсорбционном взаимодействии из неполярного растворителя или обращено-фазном взаимодействии неполярных фрагментов цепи при хроматографии гидрофильных полимеров в водной среде. Кроме того, водорастворимые полимеры, содержашщие ионизированные группы, способны к сильным электростатическим взаимодействиям и требуют особенно тщательного подбора условий хроматографии. Подбор условий включает в себя выбор подходящих по химическому строению для конкретного анализа сорбента и растворителя (элюента).

Техника эксклюзионной хроматографии. Для разделения макромолекул в режиме эксклюзионной хроматографии используют колонки двух типов: работающие в узком = 10 2) и широком (= 10 4 - 10 5) диапазонах. Колонки широкого диапазона M имеют широкое распределение пор сорбента по размерам (бимодальное, тримодальное). Это распределение подбирается таким образом, чтобы при заданных степени линейности калибровочной мол.-массовой зависимости и диапазона масс обеспечивалась наибольшая степень селективности. Эксклюзионная хроматография осуществляется с помощью хроматографа, детектором служит спектрофотометр или проточный рефрактометр с предельной чувствительностью 5 х 10 -8 ед. рефракции, что соответствует концентрации полимера 5-10 -5% . Обычно прибор работает при комнатной температуре, однако эксклюзионная хроматография полиолефинов требует повышенной температуры, что способствует увеличению селективности разделения, эффективности колонок и скорости анализа вследствие уменьшения вязкости подвижной фазы. Современные хроматографы комплектуются автоматическим устройством для приготовления (растворение полимера, фильтрация р-ра) и ввода пробы, компьютером для интерпретации результатов анализа ММР. Применение комбинации рефрактометрического детектора и фотометра позволяет определять ММР и индексы разветвленности без калибровки хроматографа по полимерным стандартам. При гель-фильтрации белков необходимо принимать меры для предотвращения их адсорбции на сорбенте и не допускать их денатурации. В отличие от эксклюзионной хроматографии синтетических полимеров и олигомеров, используемой главным образом в аналитических целях, гель-фильтрация белков - один из важнейших способов их выделения и очистки.

Ддя эксклюзионной хроматографии используют макропористые неорганические или полимерные сорбенты. Для эксклюзионной хроматографии полярных полимеров неорганические сорбенты (силикагели и макропористые стекла) модифицируют кремнийорганическими радикалами, а для эксклюзионной хроматографии гидрофильных полимеров - гидрофильными группами. Среди полимерных сорбентов наиболее распространены стирол-дивинил-бензольные (для эксклюзионной хроматографии высокополимеров и олигомеров). Для гель-фильтрации биополимеров, прежде всего белков, используют гидрофильные полимерные сорбенты (сефадексы - декстраны с поперечными сшивками, а также полиакриламидные гели) или модифицированные полисахаридами макропористые силикагели.

Эксклюзионную хроматографию эффективно применяют при разработке новых полимеров, технологических процессов их получения, контроле производства и стандартизации полимеров. Эксклюзионную хроматографию используют для анализа ММР полимеров, исследования, выделения и очистки полимеров, в т. ч. биополимеров.

Описание

Совместно с немецкой компанией Polymer Standards Service (PSS) — одним из ведущих производителей материалов и оборудования для гель-проникающей хроматографии (ГПХ, GPC) или, по-другому, эксклюзионной хроматографии (SEC) — мы предлагаем комплексные решения для определения средних значений молекулярной массы полимеров (природных, синтетических, биополимеров), молекулярно-массового распределения и характеристик полимерных макромолекул в растворе. В данном методе разделение аналита происходит не за счет адсорбционных взаимодействий с неподвижной фазой, а исключительно по величине гидродинамического радиуса макромолекул.

Для детектирования разделенных по молекулярной массе компонентов всегда используется как минимум один концентрационный детектор (традиционные для ВЭЖХ рефрактометрический и спектрофотометрический , детектор по испарительному светорассеянию), а также специальные детекторы для анализа полимеров: вискозиметрический , детектор по лазерному светорассеянию . В сочетании с концентрационным данные детекторы позволяют определять абсолютную молекулярную массу, конформацию макромолекул в растворе, радиус инерции, гидродинамический радиус, степень разветвленности, константы уравнения Марка-Куна-Хаувинка, вириальные коэффициенты. При наличии калибровочных зависимостей данная система позволяет получить исчерпывающую информацию о макромолекулярных объектах и их поведении в растворах всего за один анализ (~15 мин), в то время как оценка данных характеристик традиционными методами составляет несколько дней.

Для обработки результатов измерений необходимо использовать специальное программное обеспечение. Мы предлагаем гибкие модульные ВЭЖХ системы для гель-проникающей хроматографии (GPC), включающие модули Prominence (насосы , термостат колонок , автодозаторы , рефрактометрический детектор) и специфические модули от компании Polymer Standards Service (PSS) — авторитетного эксперта в области ВЭЖХ анализа полимеров. Для расчетов результатов анализа возможно использование как программного обеспечения Shimadzu GPC Option, интегрированного в стандартную программу LabSolution LC, так и использование программных продуктов PSS — WinGPC SW, поддерживающих специальные детекторы.

Для работы с агрессивными по отношению к традиционно используемых капиллярам и фитингам подвижными фазами (гексафторизопропанол, тетрагидрофуран) возможна комплектация ВЭЖХ систем специальным дегазатором, насосами и автодозатором, компоненты которых устойчивы к указанным растворителям.

Базовые системы для ГПХ

Базовая ВЭЖХ система для ГПХ

Базовая ВЭЖХ система для ГПХ может быть сконфигурирована на базе блоков модели LC-20 Prominence с одним из концентрационных детекторов (спектрофотометрический/диодная матрица SPD-20A/SPD-M20A для поглощающих УФ-излучение полимеров, универсальными рефрактометрическим RID-20A и детектором испарительного светорассеяния ELSD-LT II). Данная система, при наличии подходящих стандартов и калибровочных зависимостей, позволяет определять величину относительной молекулярной массы полимеров, а также оценивать гидродинамические размеры макромолекул в растворе.

Технические характеристики основных модулей

Насос LC-20AD
Тип насоса	Двойной параллельный микроплунжерный механизм
Ёмкость камер плунжера	10 мкл
Диапазон скорости потока элюента	0,0001 - 10 мл/мин
Максимальное давление	40 МПа
Точность установки потока	1% или 0,5 мкл (в зависимости от того, что лучше)
Пульсация	0,1 МПа (для воды при 1,0 мл/мин и 7 МПа)
Режим работы	постоянный поток, постоянное давление
Насосы можно укомплектовать дополнительным устройством для автоматической промывки плунжера. Насосы оборудованы датчиком течи. Материал плунжера насоса — стойкий к агрессивным средам (сапфир).
Рефрактометрический детектор RID-20A
Источник излучения	Вольфрамовая лампа, время работы 20000 час
Диапазон показателя преломления (RIU)	1,00 - 1,75
Термостатирование оптического блока	30 - 60С° с двойным контролем температуры оптической системы
Рабочий диапазон скоростей потока	Возможность работы в широком диапазоне использования (от аналитического режима до препаративной хроматографии) без замены измерительной ячейки: от 0,0001 до 20 мл/мин в аналитическом режиме; до 150 мл/мин в препаративном режиме
Шум	2,5×10 -9 RIU
Дрейф	1×7 -7 RIU/час
Диапазон линейности	0,01-500×10 -6 в аналитическом режиме 1,0-5000×10 -6 в препаративном режиме
Переключатель потоковых линий	соленоидный вентиль
Макс. рабочее давление	2 МПа (20 кгс/см²)
Объем ячейки	9 мкл
Настройка нуля	оптический баланс (оптический ноль); авто-ноль, тонкая настройка нуля сдвигом базовой линии
Термостат колонок с принудительной конвекцией воздуха СТО-20А
Диапазон контролируемых температур	от 10C° выше комнатной до 85C°
Точность контроля температуры	0,1C°
Внутренний объем термостата	220×365×95 мм (7,6 л)
Вместимость термостата	6 колонок; кроме колонок могут быть установлены 2 ручных инжектора, градиентный смеситель, два переключающих крана высокого давления (6-ти или 7-ми портовых), кондуктометрическая ячейка
Возможности	линейное программирование температуры; отслеживание и сохранение в файл изменений параметров колонки, количества анализов, количества прошедшей подвижной фазы (при установке опционного устройства CMD)
Контроль рабочих параметров	датчик утечки растворителя; система защиты от перегрева

Детектор светорассеяния

Детектор многоуглового светорассеяния SLD7100 MALLS (PSS)

Детектор многоуглового светорассеяния SLD7100 MALLS (PSS) позволяет производить измерения статического светорассеяния одновременно под семью углами (35, 50, 75, 90, 105, 130, 145°) и определять абсолютные величины молекулярных масс, истинные параметры молекулярно-массового распределения, оценивать размеры и конформацию макромолекул в растворе . Данный детектор устраняет необходимость использования каких-либо стандартов, а также может служить в качестве емкостного инструмента (без ВЭЖХ системы) без каких-либо дополнительных модификаций.

Вискозиметрический детектор (PSS, Германия)

Вискозиметрический детектор DVD1260 (PSS)

Вискозиметрический детектор DVD1260 (PSS) при использовании в составе ВЭЖХ системы LC-20 Prominence позволяет определять средние молекулярные массы и параметры молекулярно-массового распределения , используя метод универсальной калибровки, незаменимый для макромолекул со сложной и глобулярной архитектурой, а также характеристическую вязкость, константы уравнения Марка-Куна-Хаувинка, степень разветвления, вириальные коэффициенты и конформацию макромолекул в растворе , исходя из определенных моделей, уже заложенных в программное обеспечение. Уникальная измерительная ячейка детектора представляет собой четырехплечевой асимметричный капиллярный мост, не содержащий, в отличие от всех имеющихся на рынке аналогов, ячеек запаздывания (hold-up columns) — в сравнительном контуре встроен специальный разбавительный резервуар, что позволяет сократить время анализа по крайней мере вдвое и избежать появления отрицательных системных пиков. Погрешность поддержания температуры в ячейке составляет менее 0,01 °C , что является первоочередным критичным фактором в вискозиметрическом анализе.

Технические характеристики:

Питание	От 110 до 260 В; 50/60 Гц; 100 ВА
Диапазон разницы давлений (DP)	-0,6 кПа — 10,0 кПа
Диапазон давления на входе (IP)	0-150 кПа
Объем измерительной ячейки	15 мкл
Разбавительный компенсационный объем (резервуар)	70 мл
Скорость сдвига (1,0 мл/мин)	< 2700 с -1
Уровень шума	0,2 Па, сигнал разности давлений, 5 °С
Аналоговый выход	1,0 В / 10 кПа FSD разность давлений 1,0 В / 200 кПа FSD давление на входе
Общий объем детектора	Около 72 мл (включая резервуар)
Макс. скорость потока	1,5 мл/мин
Точность задания температуры	±0,5 °C
Стабильность температуры	Не хуже 0,01 °C
Цифровой интерфейс	RS-232C, USB, Ethernet
Скорость передачи данных (бод)	1200 - 115200
Цифровые входы	Промывка, Обнуление, Инжекция, Ошибка
Цифровые выходы	Инжекция, Ошибка
Масса	Около 4 кг
Размеры (Ш, В, Г)	160×175×640 мм

Аксессуары

Для работы в режиме ГПХ и построения калибровочных зависимостей мы предлагаем широкий выбор колонок для ГПХ, заполненных гелями (неподвижная фаза) и элюентами самой разной химической природы (полярных и неполярных), предназначенных для анализа как высокомолекулярных полимеров, так и олигомеров, а также стандартных полимерных объектов .

Колонки для гель-проникающей хроматографии (GPC, SEC):

• для любых органических элюентов: PSS SDV, GRAM, PFG, POLEFIN (до 200 °C);
• для водных элюентов: PSS SUPREMA, NOVEMA, MCX PROTEEMA;
• колонки с монодисперсным распределением пор по размерам либо смешанного типа для получения абсолютно линейных калибровок;
• для определения низких и высоких значений ММ;
• готовые наборы колонок для расширения диапазона определяемых молекулярных масс;
• для синтетических и биополимеров;
• решения от микро ГПХ до препаративных систем;
• колонки для быстрых разделений.

Колонки могут поставляться в любом выбранном вами элюенте.

Стандарты для гель-проникающей хроматографии (GPC, SEC):

• индивидуальные стандартные образцы и готовые наборы стандартов;
• растворимые в органических растворителях:
  • полистирол
  • поли(α-метилстирол)
  • полиметилметакрилат
  • поли(н-бутилметакрилат)
  • поли(трет-бутилметакрилат)
  • полибутадиен-1,4
  • полиизопрен-1,4
  • полиэтилен
  • поли(2-винилпиридин)
  • полидиметилсилоксан
  • полиэтилентерефталат
  • полиизобутилен
  • полилактид
• растворимые в водных системах:
  • декстран
  • пуллулан
  • гидроксиэтилированный крахмал
  • полиэтиленгликоли и полиэтиленоксиды
  • Na-соль полиметакриловой кислоты
  • Na-соль полиакриловой кислоты
  • Na-соль поли(п-стиролсульфокислоты)
  • Поливиниловый спирт
  • протеины
• MALDI стандарты, наборы для валидации детекторов по светорассеянию (LSD) и вискозиметрии;
• дейтерированные полимеры;
• полимеры и стандарты, изготавливаемые под заказ.