Přednáška 3
Chromatografie polymerů III.: IC+LC CC+LC LC FFF-Field flow fractionation (Frakcionace tokem v silovém poli) Studijní opora pro studenty registrované v akademickém roce 2013/2014 na předmět: Vybrané kapitoly z chemie a technologie polymerů I - N112016 Modul „Moderní metody charakterizace polymerů“ Vyučující: Jan Merna, Ústav polymerů, VŠCHT Praha
LC CC-liquid chromatography at critical condition DG=0
DS
DH
Calibration plots for a polymer (A) under size-exclusion conditions, (B) at the critical condition, (C) under sorptive conditions
DG=0 polymer je „chromatograficky“ (SEC) neviditelný
Nalezení složení MF při, které dochází k separaci za kritických podmínek pro jednotlivé homopolymery na dané koloně Stacionární fáze: Silika gel C18-silika gel (reverzní chromatografie)
Separace hvězdicovitých kopolymerů od homopolymeru
Analýza: blokových kopolymerů (CCD) Polymerních blendů (CCD) Oddělení polymerů nesoucích koncové skupiny (FTD)
Separace blokového kopolymeru od homopolymeru
2D SEC Kombinace 2 komplementárních chromatografických metod
Interakční chromatografie SEC –limity doby separace, nevýhody-rozlišení, výhoda rychlost eluce vysokomolekulárních látek Nízká účinnost-pomalá difuze makromolekul-pomalá rovnováha IC-doba analýzy nastavitelná podmínkami, složení MF-velmi citlivé (přesnost 0.1 hm.%) dT, rozdíl 5°C odpovídá d(c) 0.1% Opačné pořadí eluce než v SEC Běžné HPLC kolony Možná i lineární kalibrační křivka LCCC-separace podle velikosti zcela potlačena
TG IC separace PS standardů Nižší band broadening-Đ blíže hodnotám Poissonovy distribuce Nižší gradient teploty-vyšší rozlišení H.C. Lee, T. Chang, Polymer Molecular Weight Characterization by Temperature Gradient High Performance Liquid Chromatography, Polymer 37 5747 (1996)
Kapalinová chromatografie polymerů za limitních podmínek desorpce (enthalpických) interakcí)
Zpomalení jedné komponenty nástřikem „bariéry“ Separace minoritních složek
Berek, D., Liquid chromatography of macromolecules under limiting conditions of desorption. 1. Principles of the method. Macromolecules 1998, 31 (24), 8517-8521.
Další použité zdroje:
S. Podzimek, Light Scattering, Size Exclusion Chromatography and Asymmetric Flow Field Flow Fractionation: Powerful Tools for the Characterization of Polymers, Proteins and Nanoparticles, Wiley, 2011 Pasch, H., Macromol. Symp. 178, 25–37 (2002) Trathnigg, B. Prog. Polym. Sci., Vol. 20, 615-650, 1995
FFF Field flow fractionation Frakcionace tokem v silovém poli Symetrické pole Asymetrické pole
Typy polí: -elektrické pole-polymery nesoucí náboj -teplotní gradient-tepelná FFF -sedimentační FFF (gravitace nebo centrifugace) -magnetické pole -příčné tokové pole-FFFF flow field flow fractionation
FFFF Flow field flow fractionation-Frakcionace v tokovém poli Symetrická FFFF-nutno 2 HPLC pumpy-podélný tok, příčný tok 2 pumpy = 2x více problémů (investiční náročnost, spolehlivost, servis) Obě strany kanálu propustné
Asymetrická FFFF= A4F –(frakcionace tokem v asymetrickém tokovém poli) Propustná spodní strany kanálu, frita+membrána 1x HPLC pumpa-podélný+příčný+nástřikový tok
Akumulační stěna Podélný tok k detektoru Eluce v opačném pořadí než v SEC v závislosti na difuzním koeficientu
difúze
Příčný tok
Parabolický profil toku
Horní blok s PC okénky
Vymezovač tloušťky kanálu spacer
Semipermeabilní membrána
Dolní blok s fritou a těsnícím O-kroužkem
Výška kanálu ~350 mm Délka asi 250 cm Zúžený profil pro kompenzaci poklesu rychlosti podélného toku
Membrána-modifikovaná celulosa
cut-off membrány – limit metody M>5-10 kg/mol
Rychlosti toku v kanálu A4F: Rychlost v podélném směru- klesá od nástřiku k výstupu do detektoru kompenzace tvarem kanálu V příčném směru-rychlost roste směrem k akumulační stěně
Akumulační stěna
Koncentrační profily PS s různou MW
↑ MW ↓ D 10 k 2 M 200 k
Vzdálenost od akumulační stěny
C0-koncentrace vzorku u akumulační stěny
Vzdálenosti středů vrstev frakce od akumulační stěny: 10 k 14 um 200 k 2.9 um 2M 0.9 um
Nástřik vzorku do kanálu
Fokusování vzorku na začátku kanálu
Eluce vzorku
Mechanismus separace 1. Normální / Brownova separace-rozpustné vzorky+nanočástice Zvýšení koncentrace analytu u akumulační stěny-gradient koncentrace-snaha kompenzovat difuzí
Různě velké částice dosáhnou rovnováhy sil v různé výšce kanálu
2. Stérická separace-mikročástice > 1 um
Opačné pořadí eluce než při normální separaci
Praktické provedení Větší nároky na filtraci vzorku- !oříznutí distribuce nebo přítomnost prachových částic Tok k detektoru 1 ml/min Příčný tok: gradient např. 3 ml-0.2 ml během 20 min + 10 min při 0.2 ml pro eluci vysokomolekulárních částic
Detekce: 1. Pouze koncentrační detektor, např. RI 2. Optimálně A4F-MALLS-RI
Výhodné aplikace FFF: 1. Ultravysokomolekulární polymery (M>106) +Částice, koloidy –malé střižné napětí, p=10 atm vs. 2x30 atm v SEC 2. Polymery s polárními skupinami, které se v SEC adsorbují na stac. fázi (enthalpické interakce) –proteiny, polyelektrolyty 3. Hypervětvené polymery-nedělí se podle hydrodynamického objemu
Další výhody: •
Možnost nástřiku většího množství vzorku (dostupný pouze jako zředěný roztok, nebo ve formě malé kapky)
•
Rychlejší změna MF než v SEC
•
Rozlišení možno měnit nastavením podmínek kanálu- 1 separační zařízení vs. řada kolon v SEC
•
FFF Kanál - více odolný k poškození než SEC kolona
Použité zdroje: 1. S. Podzimek, Light Scattering, Size Exclusion Chromatography and Asymmetric Flow Field Flow Fractionation: Powerful Tools for the Characterization of Polymers, Proteins and Nanoparticles, Wiley, 2011 2. www.wyatt.eu 3. http://chromatographyonline.findanalytichem.com
