Kromatografi

2.03.3.1 Vätskeadsorptionskromatografi och gradientkromatografi

Varje typ av interaktionskromatografi kräver en mobil fas som består av två eller flera lösningsmedel. Vid vätskeadsorptionskromatografi (LAC) är den initiala och slutliga rörliga fasen goda lösningsmedel för polymeren. I de flesta fall används kiselgel som stationär fas. Det prov som injiceras i kolonnen adsorberas på kiseldioxidytan i den inledande mobila fasen. För prover med mycket låg molmassa kan adsorptionen vara tillräckligt svag och desorption kan ske i samma sammansättning av den rörliga fasen. I detta fall sker eluering under isokratiska förhållanden.

I de flesta fall och särskilt för prover med högre molmassa är adsorptionen för stark. Den mobila fasens styrka har en dramatisk effekt på retentionen. Med en svag mobil fas överskrider retentionstiden för en polymer vanligtvis vida över alla rimliga perioder av experimentellt arbete. En ökning av elutionsstyrkan kommer så småningom att leda till en plötslig förändring av det motsatta beteendet: polymeren kvarhålls inte alls och lämnar kolonnen vid interstitiell volym Vo. En liten ändring av elutionsförhållandena orsakar en övergång från nollretention till oändlighet. Detta ”on- eller off”-beteende kan förstås som en följd av multipel fastsättning.3 Syntetiska polymerer består av ett stort antal upprepade enheter. I princip har alla av dem möjlighet att adsorberas, men konformationen hos adsorberade polymerspiraler består vanligtvis av slingor och svansar som sträcker sig i lösningen och tåg av adsorberade upprepade enheter. En polymerkedja hålls kvar i den stationära fasen så länge som minst en av dess upprepade enheter är adsorberad. En kedja kan migrera endast om alla ingående enheter finns i den rörliga fasen. Om man antar att det råder oberoende adsorptions- och desorptionsjämvikt för varje enhet, är rörlighetsförhållandet för en makromolekyl en funktion av motsvarande sannolikheter för de upprepade enheterna och kedjelängden. För svaga eluenter och långa polymerkedjor kan man anta att det alltid finns en upprepad enhet som interagerar med packningsmaterialet. Sannolikheten är därför mycket hög att makromolekylen hålls kvar under mycket lång tid. Följaktligen måste i de flesta fall lösningsmedelsgradienter användas för att öka den mobila fasens lösningsmedelsstyrka och för att balansera makromolekylernas adsorptions- och desorptionsbeteende.

LAC har tillämpats i stor utsträckning för separation av sampolymerer enligt kemisk sammansättning, och den första artikeln publicerades 1979 av Teramachi et al.12 Mori m.fl. utvecklade separationsmetoder för olika styren-akrylatcopolymerer, medan Mourey m.fl. fokuserade på olika polyakrylatkombinationer.13-17

En annan viktig aspekt av adsorptionskromatografi av polymerer är löslighet. Löslighet kräver i allmänhet en negativ förändring av Gibbs fria energi vid blandning. Detta uppfylls lätt med lösningsmedel med låg molmassa på grund av det stora entropibidraget. I lågmolekylära blandningsprocesser är bidraget TΔSm så stort att även positiva värden på ΔHm inte förhindrar upplösning. I motsats till föreningar med låg molarmassa har makromolekyler normalt låg ordning i fast tillstånd. Dessutom kvarstår det regelbundna arrangemanget av de upprepade enheterna längs polymerkedjan vid upplösning. I lösningar med lika viktkoncentrationer är dessutom antalet lösta partiklar mycket större i prover med låg molarmassa än i polymersystem. Därför kommer entropibidraget till ΔGm att vara litet och villkoret ΔGm < 0 kräver en negativ förändring i entalpi, ΔHm < 0. Följaktligen måste lösningsmedlets löslighetsparametrar ligga mycket nära polymerens parametrar. Förutom tillräcklig löslighet för makromolekylerna i den rörliga fasen krävs en viss lösningsmedelsstyrka hos den rörliga fasen. Med tanke på separationsmekanismen i adsorptionskromatografi måste lösningsmedelsstyrkan vara tillräckligt hög för att främja desorption av makromolekylerna från packningen.

En typ av LC som utnyttjar lösligheten hos makromolekyler av olika kemisk sammansättning är högpresterande fällningsvätskekromatografi (HPPLC).3 I HPPLC är den initiala rörliga fasen ett olösningsmedel för provet, så att provet som sprutas in i kolonnen fälls ut. Gradienteluering utförs sedan genom att ett bra lösningsmedel tillsätts till provet och fraktionerna börjar återlösas och elueras med den rörliga fasen. Eftersom lösligheten är en funktion av den kemiska sammansättningen kan HPPLC användas för separation av den kemiska sammansättningen av sampolymerer och polymerblandningar. Exempel på denna typ av separation har presenterats av Glöckner och andra för styren- och akrylatcopolymerer.18-21

Väldigt ofta är det svårt att klassificera en separationsteknik som LAC eller HPPLC eftersom det inte är helt klart om provet fäller ut helt i den ursprungliga rörliga fasen (olika kemiska sammansättningar av makromolekylerna). I sådana fall kan separationen klassificeras som normalfasvätskekromatografi (NP-LC) eller omvänd fasvätskekromatografi (RP-LC). I båda fallen bör den ursprungliga och slutliga rörliga fasen vara goda lösningsmedel för provet. Vid NP-LC används en polär (hydrofil) stationär fas. Den ursprungliga rörliga fasen är mindre polär och lösningsmedelsstyrkan ökas genom att man tillsätter ett polärt lösningsmedel. Typiska exempel är n-hexan-tetrahydrofuran (THF)22 och n-hexan-chloroform.23 RP-LC använder opolära (hydrofoba) stationära faser och en polär initial mobil fas som under gradienten modifieras med ett mindre polärt lösningsmedel. Typiska exempel för detta fall är ACN-THF24 och ACN-metylenklorid.25