Chromatografie

2.03.3.1 Vloeistofadsorptie- en gradiëntchromatografie

Elk type interactiechromatografie vereist een mobiele fase die uit twee of meer oplosmiddelen bestaat. Bij vloeistofadsorptiechromatografie (LAC) zijn de eerste en de laatste mobiele fase goede oplosmiddelen voor het polymeer. In de meeste gevallen wordt silicagel gebruikt als stationaire fase. Het in de kolom geïnjecteerde monster adsorbeert aan het silica-oppervlak in de initiële mobiele fase. Voor monsters met een zeer lage molaire massa kan de adsorptie voldoende zwak zijn en kan desorptie in dezelfde mobiele-fasesamenstelling plaatsvinden. In dit geval vindt de elutie plaats onder isocratische omstandigheden.

In de meeste gevallen en met name voor monsters met een hogere molaire massa is de adsorptie te sterk. De sterkte van de mobiele fase heeft een dramatisch effect op de retentie. Met een zwakke mobiele fase is de retentietijd van een polymeer meestal veel langer dan elke redelijke periode van experimenteel werk. Toename van de elutiesterkte zal uiteindelijk leiden tot een plotseling tegenovergesteld gedrag: het polymeer wordt helemaal niet meer vastgehouden en verlaat de kolom bij interstitiumvolume Vo. Een kleine verandering van de elutieomstandigheden veroorzaakt een overgang van retentie nul naar oneindig. Dit “aan of uit”-gedrag kan worden begrepen als een gevolg van meervoudige binding.3 Synthetische polymeren bestaan uit een groot aantal herhalingseenheden. In principe hebben ze allemaal de kans om geadsorbeerd te worden, maar de conformatie van geadsorbeerde polymeerspiralen bestaat meestal uit lussen en staarten die zich in de oplossing uitstrekken en treinen van geadsorbeerde repeat-eenheden. Een polymeerketen wordt in de stationaire fase vastgehouden zolang ten minste één van de herhalingseenheden geadsorbeerd is. Een keten kan alleen migreren als alle samenstellende eenheden zich in de mobiele fase bevinden. Uitgaande van een onafhankelijk adsorptie-desorptie-evenwicht voor elke eenheid, is de mobiliteit van een macromolecuul een functie van de overeenkomstige waarschijnlijkheid van de herhalingseenheden en de ketenlengte. Voor zwakke eluenten en lange polymeerketens kan worden aangenomen dat er altijd wel een herhalingseenheid in interactie is met het verpakkingsmateriaal. De waarschijnlijkheid dat het macromolecuul zeer lang wordt vastgehouden is dan ook zeer groot. Daarom moeten in de meeste gevallen oplosmiddelgradiënten worden gebruikt om de oplosmiddelsterkte van de mobiele fase te verhogen en het adsorptie-desorptiegedrag van de macromoleculen in evenwicht te brengen.

LAC is op grote schaal toegepast voor de scheiding van copolymeren op basis van chemische samenstelling, waarbij het eerste artikel in 1979 werd gepubliceerd door Teramachi et al.12 Mori e.a. ontwikkelden scheidingsmethoden voor verschillende styreen-acrylaat copolymeren, terwijl Mourey e.a. zich richtten op verschillende polyacrylaat combinaties.13-17

Een ander belangrijk aspect van adsorptiechromatografie van polymeren is de oplosbaarheid. Voor oplosbaarheid is in het algemeen een negatieve verandering in de vrije energie van Gibbs bij menging vereist. Hieraan wordt gemakkelijk voldaan bij oplosmiddelen met een lage molaire massa vanwege de grote entropiebijdrage. Bij laag-moleculaire mengprocessen is de bijdrage TΔSm zo groot dat zelfs positieve waarden van ΔHm het oplossen niet verhinderen. In tegenstelling tot verbindingen met een lage molecuulmassa hebben macromoleculen in de vaste toestand gewoonlijk een lage orde. Bovendien blijft de regelmatige rangschikking van de herhalingseenheden langs de polymeerketen bij het oplossen bestaan. Bovendien is in oplossingen van gelijke gewichtsconcentraties het aantal opgeloste deeltjes veel groter in monsters met een lage molecuulmassa dan in polymeer-systemen. De entropiebijdrage aan ΔGm zal dus klein zijn en de voorwaarde ΔGm < 0 vereist een negatieve verandering in enthalpie, ΔHm < 0. De oplosbaarheidsparameters van het oplosmiddel moeten dus zeer dicht bij die van het polymeer liggen. Naast voldoende oplosbaarheid van de macromoleculen in de mobiele fase is een bepaalde oplosmiddelsterkte van de mobiele fase vereist. Gezien het scheidingsmechanisme bij adsorptiechromatografie moet de oplosmiddelsterkte hoog genoeg zijn om desorptie van de macromoleculen uit de pakking te bevorderen.

Een type LC waarbij gebruik wordt gemaakt van de oplosbaarheid van macromoleculen met een verschillende chemische samenstelling is hogedruk-precipitatievloeistofchromatografie (HPPLC).3 Bij HPPLC is de initiële mobiele fase een niet-oplosmiddel voor het monster, zodat het in de kolom geïnjecteerde monster zal precipiteren. Gradiënte elutie wordt dan uitgevoerd door een goed oplosmiddel aan het monster toe te voegen en de fracties beginnen opnieuw op te lossen en te elueren met de mobiele fase. Aangezien de oplosbaarheid een functie is van de chemische samenstelling, kan HPPLC worden gebruikt voor de scheiding van de chemische samenstelling van copolymeren en polymeermengsels. Voorbeelden van dit soort scheiding zijn gepresenteerd door Glöckner en anderen voor styreen- en acrylaatcopolymeren.18-21

Zeels vaak is het moeilijk om een scheidingstechniek als LAC of HPPLC te classificeren omdat niet volledig duidelijk is of het monster volledig neerslaat in de initiële mobiele fase (verschillende chemische samenstellingen van de macromoleculen). In dergelijke gevallen kan de scheiding worden geclassificeerd als normale-fasevloeistofchromatografie (NP-LC) of reversed-phase vloeistofchromatografie (RP-LC). In beide gevallen moeten de aanvankelijke en de uiteindelijke mobiele fase goede oplosmiddelen voor het monster zijn. Bij NP-LC wordt een polaire (hydrofiele) stationaire fase gebruikt. De aanvankelijke mobiele fase is minder polair en de oplosmiddelsterkte wordt verhoogd door toevoeging van een polair oplosmiddel. Typische voorbeelden zijn n-hexaan-tetrahydrofuraan (THF)22 en n-hexaan-chloroform.23 Bij RP-LC wordt gebruik gemaakt van apolaire (hydrofobe) stationaire fasen en een polaire initiële mobiele fase die in de loop van de gradiënt wordt gemodificeerd met een minder polair oplosmiddel. Typische voorbeelden voor dit geval zijn ACN-THF24 en ACN-methyleenchloride.25