Chromatography

2.03.3.1 Liquid Adsorption and Gradient Chromatography

Każdy typ chromatografii interakcyjnej wymaga fazy ruchomej, która składa się z dwóch lub więcej rozpuszczalników. W chromatografii adsorpcyjnej cieczowej (LAC), początkowa i końcowa faza ruchoma są dobrymi rozpuszczalnikami dla polimeru. W większości przypadków jako fazę stacjonarną stosuje się żel krzemionkowy. Próbka wstrzykiwana do kolumny adsorbuje się na powierzchni krzemionki w początkowej fazie ruchomej. W przypadku próbek o bardzo niskiej masie molowej adsorpcja może być wystarczająco słaba i może nastąpić desorpcja w tym samym składzie fazy ruchomej. W tym przypadku elucja odbywa się w warunkach izokratycznych.

W większości przypadków, a w szczególności dla próbek o wyższej masie molowej, adsorpcja jest zbyt silna. Siła fazy ruchomej ma dramatyczny wpływ na retencję. Przy słabej fazie ruchomej, czas retencji polimeru zwykle znacznie przekracza jakikolwiek rozsądny okres pracy eksperymentalnej. Zwiększenie siły elucji prowadzi w końcu do nagłej zmiany zachowania na przeciwne: polimer nie jest w ogóle zatrzymywany i opuszcza kolumnę w objętości międzywęzłowej Vo. Niewielka zmiana warunków elucji powoduje przejście od retencji zerowej do nieskończoności. To zachowanie typu „włącz lub wyłącz” można rozumieć jako konsekwencję wielokrotnego przyłączania.3 Polimery syntetyczne składają się z dużej liczby jednostek powtarzających się. W zasadzie wszystkie z nich mają szansę zostać zaadsorbowane, ale konformacja zaadsorbowanych zwojów polimeru zazwyczaj składa się z pętli i ogonów rozciągających się w roztworze oraz ciągów zaadsorbowanych jednostek powtarzających. Łańcuch polimerowy jest zatrzymany w fazie stacjonarnej tak długo, jak długo przynajmniej jedna z jego jednostek powtarzających jest zaadsorbowana. Łańcuch może migrować tylko wtedy, gdy wszystkie tworzące go jednostki znajdują się w fazie ruchomej. Zakładając niezależną równowagę adsorpcji-desorpcji dla każdej jednostki, warunek mobilności makrocząsteczki jest funkcją odpowiednich prawdopodobieństw jednostek powtórzenia i długości łańcucha. Dla słabych eluentów i długich łańcuchów polimerowych, można założyć, że zawsze istnieje jednostka powtarzająca oddziałująca z materiałem upakowania. W związku z tym, prawdopodobieństwo, że makrocząsteczka jest zatrzymywana przez bardzo długi czas jest bardzo wysokie. W związku z tym, w większości przypadków należy stosować gradienty rozpuszczalników, aby zwiększyć siłę rozpuszczania fazy ruchomej i zrównoważyć zachowanie adsorpcyjno-desorpcyjne makrocząsteczek.

LAC była szeroko stosowana do rozdzielania kopolimerów w zależności od składu chemicznego, a pierwsza praca została opublikowana w 1979 r. przez Teramachi i wsp.12. Mori i inni opracowali metody rozdzielania różnych kopolimerów styrenowo-akrylanowych, podczas gdy Mourey i wsp. skupili się na różnych kombinacjach poliakrylanowych.13-17

Innym ważnym aspektem chromatografii adsorpcyjnej polimerów jest rozpuszczalność. Rozpuszczalność w ogólności wymaga ujemnej zmiany w swobodnej energii Gibbsa podczas mieszania. Jest to łatwo spełnione w przypadku solutów o małej masie molowej z powodu dużego udziału entropii. W niskocząsteczkowych procesach mieszania, wkład TΔSm jest tak duży, że nawet dodatnie wartości ΔHm nie zapobiegają rozpuszczaniu. W przeciwieństwie do związków o małej masie molowej, makrocząsteczki w stanie stałym są zwykle słabo uporządkowane. Ponadto, regularne ułożenie jednostek powtarzających się wzdłuż łańcucha polimeru pozostaje podczas rozpuszczania. Ponadto, w roztworach o równych stężeniach wagowych, liczba cząsteczek solutu jest znacznie większa w próbkach o małej masie molowej niż w układach polimerowych. W związku z tym wkład entropii do ΔGm będzie niewielki, a warunek ΔGm < 0 wymaga ujemnej zmiany entalpii, ΔHm < 0. Odpowiednio, parametry rozpuszczalności rozpuszczalnika muszą być bardzo zbliżone do parametrów rozpuszczalności polimeru. Oprócz wystarczającej rozpuszczalności makrocząsteczek w fazie ruchomej, wymagana jest pewna siła rozpuszczania fazy ruchomej. Ze względu na mechanizm rozdzielania w chromatografii adsorpcyjnej, siła rozpuszczalnika musi być wystarczająco wysoka, aby promować desorpcję makrocząsteczek z opakowania.

Jednym z rodzajów LC, który wykorzystuje rozpuszczalność makrocząsteczek o różnym składzie chemicznym, jest wysokosprawna chromatografia cieczowa z wytrącaniem (HPPLC).3 W HPPLC początkowa faza ruchoma jest nierozpuszczalnikiem dla próbki, tak aby próbka wstrzyknięta do kolumny uległa wytrąceniu. Następnie przeprowadzana jest elucja gradientowa poprzez dodanie dobrego rozpuszczalnika do próbki, a frakcje zaczynają się ponownie rozpuszczać i eluować z fazą ruchomą. Ponieważ rozpuszczalność jest funkcją składu chemicznego, HPPLC może być stosowana do rozdzielania składu chemicznego kopolimerów i mieszanek polimerowych. Przykłady tego rodzaju rozdzielania zostały przedstawione przez Glöcknera i innych dla kopolimerów styrenu i akrylanu.18-21

Bardzo często trudno jest sklasyfikować technikę rozdzielania jako LAC lub HPPLC, ponieważ nie jest całkowicie jasne, czy próbka w pełni wytrąca się w początkowej fazie ruchomej (różne składy chemiczne makrocząsteczek). W takich przypadkach rozdział może być sklasyfikowany jako chromatografia cieczowa w normalnej fazie (NP-LC) lub chromatografia cieczowa w odwróconej fazie (RP-LC). W obu przypadkach, początkowa i końcowa faza ruchoma powinny być dobrymi rozpuszczalnikami dla próbki. W NP-LC używana jest polarna (hydrofilowa) faza stacjonarna. Początkowa faza ruchoma jest mniej polarna, a siła rozpuszczania jest zwiększana przez dodanie polarnego rozpuszczalnika. Typowymi przykładami są n-heksan-tetrahydrofuran (THF)22 i n-heksan-chloroform.23 W RP-LC stosuje się niepolarne (hydrofobowe) fazy stacjonarne i polarną początkową fazę ruchomą, która w trakcie gradientu jest modyfikowana mniej polarnym rozpuszczalnikiem. Typowymi przykładami w tym przypadku są ACN-THF24 i ACN-chlorek metylenu.25

.