Kromatografi

2.03.3.1 Flydende adsorptionskromatografi og gradientkromatografi

Hver type interaktionskromatografi kræver en mobil fase, der består af to eller flere opløsningsmidler. Ved flydende adsorptionskromatografi (LAC) er den indledende og den afsluttende mobile fase gode opløsningsmidler for polymeren. I de fleste tilfælde anvendes silicagel som stationær fase. Prøven, der indsprøjtes i kolonnen, adsorberes på silicaoverfladen i den indledende mobile fase. For prøver med meget lav molarmasse kan adsorptionen være tilstrækkelig svag, og der kan ske desorption i den samme sammensætning af den mobile fase. I dette tilfælde sker elueringen under isokratiske forhold.

I de fleste tilfælde og især for prøver med højere molarmasse er adsorptionen for stærk. Styrken af den mobile fase har en dramatisk virkning på retentionen. Med en svag mobil fase overstiger retentionstiden for en polymer normalt langt enhver rimelig periode for eksperimentelt arbejde. En forøgelse af elutionsstyrken vil i sidste ende føre til en pludselig ændring i den modsatte adfærd: polymeren tilbageholdes slet ikke og forlader kolonnen ved interstitialvolumen Vo. En lille ændring af elueringsbetingelserne medfører en overgang fra nulretention til uendelighed. Denne “on or off”-adfærd kan forstås som en konsekvens af multipel tilknytning.3 Syntetiske polymerer består af et stort antal gentagne enheder. I princippet har alle disse enheder mulighed for at blive adsorberet, men konformationen af adsorberede polymerspiraler består normalt af sløjfer og haler, der strækker sig i opløsningen, og af tog af adsorberede gentagne enheder. En polymerkæde holdes tilbage i den stationære fase, så længe mindst en af dens gentagne enheder er adsorberet. En kæde kan kun vandre, hvis alle de enheder, der udgør den, befinder sig i den mobile fase. Hvis man antager, at der er uafhængig adsorptions-desorptionsligevægt for hver enhed, er mobilitetsbetingelsen for et makromolekyle en funktion af de tilsvarende sandsynligheder for de gentagne enheder og kædelængden. For svage eluenter og lange polymerkæder kan det antages, at der altid er en gentagelsesenhed, der interagerer med pakningsmaterialet. Sandsynligheden for, at makromolekylet bliver tilbageholdt i meget lang tid, er derfor meget stor. Derfor skal der i de fleste tilfælde anvendes opløsningsmiddelgradienter for at øge opløsningsmiddelstyrken i den mobile fase og for at afbalancere makromolekylernes adsorptions-desorptionsadfærd.

LAC er blevet anvendt i vid udstrækning til separation af copolymerer i henhold til kemisk sammensætning, og den første artikel blev offentliggjort i 1979 af Teramachi et al.12 Mori m.fl. udviklede separationsmetoder for forskellige styren-acrylat-copolymerer, mens Mourey m.fl. fokuserede på forskellige polyakrylatkombinationer.13-17

Et andet vigtigt aspekt ved adsorptionskromatografi af polymerer er opløseligheden. Opløselighed kræver generelt en negativ ændring i Gibbs frie energi ved blanding. Dette er let opfyldt med opløsningsstoffer med lav molarmasse på grund af det store entropibidrag. I blandingsprocesser med lavmolekylære stoffer er bidraget TΔSm så stort, at selv positive værdier af ΔHm ikke forhindrer opløsning. I modsætning til forbindelser med lav molarmasse har makromolekyler normalt en lav orden i fast tilstand. Hertil kommer, at den regelmæssige placering af de gentagne enheder langs polymerkæden forbliver ved opløsning. I opløsninger med samme vægtkoncentrationer er antallet af opløste partikler desuden meget større i prøver med lav molarmasse end i polymersystemer. Derfor vil et entropibidrag til ΔGm være lille, og betingelsen ΔGm < 0 kræver en negativ ændring i enthalpi, ΔHm < 0. Derfor skal opløsningsmidlets opløselighedsparametre ligge meget tæt på polymerens parametre. Foruden en tilstrækkelig opløselighed af makromolekylerne i den mobile fase kræves der en vis opløsningsmiddelstyrke i den mobile fase. I betragtning af separationsmekanismen i adsorptionskromatografi skal opløsningsmiddelstyrken være tilstrækkelig høj til at fremme desorptionen af makromolekylerne fra pakningen.

En type LC, der gør brug af opløseligheden af makromolekyler af forskellig kemisk sammensætning, er højtydende udfældningsvæskechromatografi (HPPLC).3 I HPPLC er den indledende mobile fase et ikke-opløsningsmiddel for prøven, således at den prøve, der injiceres i kolonnen, vil udfælde. Derefter udføres gradienteluering ved at tilsætte et godt opløsningsmiddel til prøven, og fraktionerne begynder at genopløses og elueres med den mobile fase. Da opløseligheden er en funktion af den kemiske sammensætning, kan HPPLC anvendes til separation af den kemiske sammensætning af copolymerer og polymerblandinger. Eksempler på denne form for separation er blevet præsenteret af Glöckner og andre for styren- og akrylatcopolymerer.18-21

Som oftest er det vanskeligt at klassificere en separationsteknik som LAC eller HPPLC, da det ikke er helt klart, om prøven udfældes fuldt ud i den oprindelige mobile fase (forskellige kemiske sammensætninger af makromolekylerne). I sådanne tilfælde kan separationen klassificeres som normalfaset væskekromatografi (NP-LC) eller reversed-phase væskekromatografi (RP-LC). I begge tilfælde skal den indledende og den endelige mobile fase være gode opløsningsmidler for prøven. Ved NP-LC anvendes en polær (hydrofil) stationær fase. Den oprindelige mobile fase er mindre polær, og opløsningsmiddelstyrken øges ved at tilsætte et polært opløsningsmiddel. Typiske eksempler er n-hexan-tetrahydrofuran (THF)22 og n-hexan-chloroform.23 RP-LC anvender upolære (hydrofobe) stationære faser og en polær indledende mobil fase, som i løbet af gradienten modificeres med et mindre polært opløsningsmiddel. Typiske eksempler i dette tilfælde er ACN-THF24 og ACN-methylenklorid.25