Гелъ-проникающая хроматография

В физической химии полимеров широко используются транспортные методы, основанные на изучении макроскопического переноса вещества в жидкой среде под действием внешней силы, такие как седиментация, диффузия, электрофорез, хроматография и др. В их основе лежит зависимость транспортной подвижности макромолекул от их молекулярной массы и формы, т.е. конформации. Особенность транспортных методов заключается в том, что первичная информация получается в форме кривых распределения концентрации макромолекул но времени. Поскольку эти кривые представляют собой преобразованные функции ММР, транспортные методы очень удобны для определения молекулярных масс и коэффициентов полидисперсности полимеров.

В отличие от других транспортных методов метод хроматографии объединяет в себе непрерывное фракционирование образца с анализом фракций. Это гетерофазный процесс, в котором фракционирование основывается на различии в межфазном распределении веществ, движущихся вместе с растворителем (подвижная фаза) сквозь высокодисперсную среду неподвижной фазы. Хроматографические методы обычно классифицируют в соответствии с выбранным типом подвижной и неподвижной фаз: газовая хроматография объединяет методы, в которых подвижной фазой служит газ, в методах жидкостной хроматографии подвижная фаза — жидкость. В соответствии с механизмом разделения выделяют ионообменную, адсорбционную, осадительную, распределительную и эксклюзионную хроматографию.

Эксклюзионная (ситовая) хроматография основана на различной способности молекул разного размера проникать в норы неионогенного геля, который служит неподвижной фазой. Различают гелъ-проникающую хроматографию (ГПХ) (элюент — органический растворитель) и гель-фильтрацию (элюент — вода). В качестве неподвижной фазы используют макропористые неорганические и органические полимерные сорбенты.

Схематичное строение хроматографической системы, отражающее распределение малых и больших макромолекул полимера в порах сшитого геля (сорбента) при протекании раствора полимера через колонку

Рис. 2.20. Схематичное строение хроматографической системы, отражающее распределение малых и больших макромолекул полимера в порах сшитого геля (сорбента) при протекании раствора полимера через колонку

Фракционирование по методу ГПХ осуществляют следующим образом. В колонку, заполненную частицами геля в растворителе, вносят раствор по- лидисперсного полимера и элюируют (вымывают) полимер растворителем. Для всех операций используют один и тот же растворитель (декалин, ТГФ, ДМФА, толуол, вода и др.). Частицы геля представляют собой трехмерную сетку из полимерных цепей с порами разных размеров. Наиболее распространенными гелями являются стирол-дивинилбензольные для синтетических полимеров, ссфадсксы (декстрины с поперечными сшивками) и полиакриламидные гели для биополимеров. Промежутки между частицами геля (наружный объем геля, каналы) гораздо больше внутреннего объема частиц (внутренний объем геля, поры). Строение геля схематично показано на рис. 2.20.

Механизм фракционирования в методе ГПХ можно представить следующим образом. При движении раствора вдоль колонки, макромолекулы полимера размерами r размер пор) свободно диффундируют внутрь частиц геля за счет градиента концентраций макромолекул между подвижной (канаты) и неподвижной (поры) фазами. Макромолекулы больших размеров (г > d) не входят внутрь пор: они «исключены» из пор данного размера. При введении чистого растворителя (элюировании) зона растворенного вещества покидает данный участок сорбента, концентрация молекул внутри пор становится выше, чем снаружи, и они диффундируют обратно в поток подвижной фазы. Этот процесс повторяется циклически по всей длине колонки. Условия элюирования (размер гранул и скорость потока элюента) выбирают таким образом, чтобы успевало установиться диффузионное равновесие между наружным и внутренним объемом частиц геля.

Разделение основано на различных объемах внутри частиц геля, которые доступны молекулам разных размеров. Первыми элюируются самые крупные молекулы, которые исключены из геля (не входят ни в какие поры). Их элюирующий объем (V,,) равен свободному (внешнему) объему (V0) геля, т.е. объему пространства между частицами геля.

Другие молекулы элюируются при объеме жидкости, равном сумме свободного объема и части внутреннего объема гранул геля, которая доступна этим молекулам (Vjn). Последними элюируются самые малые молекулы, для которых доступен весь внутренний объем геля (V,). Таким образом, для величины элюирующего объема можно записать:

• при г > dmax (max — максимальный размер нор)

• при г < dmin (dmm минимальный размер пор)

• при d < г < d и 0 < V < V

“min “max v v шсс v i

Введя понятие коэффициента объемного распределения молекул данного размера между внутренним и наружным объемом геля как отношение части внутреннего объема геля, которая доступна для молекул данного размера, ко всему внутреннему объему:

для элюирующего объема любой фракции можем записать

Для полностью исключенных молекул Кг/ = 0, для самых малых молекул К(l= 1, для молекул промежуточного размера 0 < Krl < 1. Коэффициент распределения не зависит от размеров колонки, но зависит от любого фактора, вызывающего изменение размера пор в гранулах геля, т.е. от типа геля, природы растворителя и температуры.

Для данной системы «полимер — растворитель» К(1 и, следовательно, V,, зависят от молекулярной массы полимера. Теоретически обоснованной формулы, связывающей Кг1 с молекулярной массой, нет. Па практике обычно используют эмпирические соотношения, предполагающие линейную зависимость элюирующего объема от логарифма объема макромолекул v ~ г3:

Знак «минус» показывает, что с ростом объема макромолекул элюирующий объем уменьшается. Принимая, что объем макромолекул пропорционален массе макромолекул в некоторой степени е, г3 - КМ1 , где К — коэффициент пропорциональности между объемом и массой макромолекул, уравнение (2.69) можем переписать в виде

где С, = А - lgК и С2 = гВ — эмпирические константы.

Для определения молекулярной массы полимера методом ГПХ вначале необходимо получить калибровочную кривую зависимости IgA/от V,, используя так называемые полимерные стандарты (узкодисперные фракции полимера с известными молекулярными массами). Типичный вид такой калибровочной кривой, соответствующей уравнению (2.70), представлен на рис. 2.21.

Калибровочная зависимость для определения молекулярной массы

Рис. 2.21. Калибровочная зависимость для определения молекулярной массы

из данных ГПХ

В области от V0 до V0 + V, калибровочная зависимость имеет линейный характер. Соответствующие объемам V0 и V0 + V, молекулярные массы Мтах (молекулы большого размера, не проникают в поры сорбента) и Mmin (небольшие молекулы, полностью проникающие в поры сорбента) представляют собой предельные значения определяемых молекулярных масс.

Регистрацию процесса гель-нроникающей хроматографии осуществляют с помощью различных детекторов. Чаще всего используют проточный дифференциальный рефрактометр (с предельной чувствительностью 5- 10s сд. рефракции), который сочетают со спектрофотометром, вискозиметром, детектором многоуглового рассеяния света. Первичная информация о ММР получается в виде хроматограммы, которая представляет собой зависимость сигнала детектора от величины элюирующего объема Ve ~ М. Высота сигнала на хроматограмме относительно базовой линии прямо пропорциональна концентрации макромолекул на выходе из колонки.

Рефрактометрический метод детектирования определяет массовую концентрацию полимера С, пропорциональную массовой доле макромолекул данной молекулярной массы С ~ qw, поэтому хроматограмма дает диффс-

Общий вид дифференциальной весовой функции ММР, полученной из кривой элюирования методом ГПХ

Рис. 2.22. Общий вид дифференциальной весовой функции ММР, полученной из кривой элюирования методом ГПХ

ренциальную массовую функцию распределения qa(M) (рис. 2.22). Абсцисса центра масс этого распределения соответствует средневесовой молекулярной массе полимера Mw.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >