GPC – Grundlegende Chemie

Einführung in die Größentrennung

Die Gelpermeationschromatographie (GPC), auch bekannt als Size Exclusion Chromatography (SEC, Größenausschlusschromatographie), ist die am einfachsten zu verstehende Methode der Flüssigchromatographie. Die Trennung basiert ausschließlich auf der Größe der Probe in der Lösung, und es sollte keine Wechselwirkungen mit der Säulenpackung (Adsorption, Verteilung usw.) geben, wie dies bei der herkömmlichen HPLC der Fall ist. Das Trennverfahren basiert nicht auf dem Molekulargewicht, sondern auf der Größe des zu analysierenden Materials (normalerweise eines Polymers) in Lösung. Mit anderen Worten: für eine korrekte Durchführung von GPC muss die Probe in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst werden.

Die Konzentration der Probe in der Lösung hängt vom Molekulargewicht ab, aber eine Konzentration von 0,10 % (w/v) für ein Polymer mit einem Molekulargewicht von ~ 100.000 ist typisch. (Weitere Informationen finden Sie unten im Abschnitt zur Probenvorbereitung). Gelegentlich muss die Probenlösung erhitzt werden, um die Probe aufzulösen. Zum Beispiel benötigen einige Polyolefine Temperaturen über 120 °C zur Auflösung und werden typischerweise in 1,2,4-Trichlorbenzol bei 140 °C getestet.

Sobald die Probe angemessen aufgelöst wurde, wird sie über einen Injektionsmechanismus auf einen Säulensatz gegeben, der als molekulares Filtrationssystem fungiert. Die Säulen sind mit einem vernetzten Gel (z. B. Styrol-Divinylbenzol-Copolymer für organische Applikationen) gefüllt, das Oberflächenporen enthält. Diese Poren können von klein bis sehr groß variieren und als die oben erwähnten molekularen Filter fungieren. Die größeren Moleküle passen nicht in die kleineren Poren. Umgekehrt passen die kleineren Moleküle in die meisten Poren und werden länger zurückgehalten.

Eine der ersten GPC-Demonstrationen, die Waters vor Jahrzehnten durchführte, war mit Kaugummi. Kaugummi ist eigentlich synthetischer Kautschuk mit Zusatzstoffen wie Aromen, Stabilisatoren usw.

Hier ist eine Darstellung des ursprünglichen GPC-Chromatogramms, getrennt auf mehreren in Reihe geschalteten Säulen mit verschiedenen Porengrößen. Das Polymer (in diesem Fall Kautschuk) eluiert zuerst, da es das größte Molekül ist, gefolgt von den „Additiven“ in absteigender Reihenfolge. Dies könnte genauso gut ein Chromatogramm von PVC mit einer Mischung aus Weichmachern, Antioxidantien und UV-Stabilisatoren sein.

Monomere, Oligomere, Polymere und Molekulargewichtsverteilungen

Monomere haben ein einzelnes Molekulargewicht und werden als monodispers bezeichnet. Beispiele hierfür wären Ethylen, Styrol, Vinylchlorid usw. Nach den Monomeren folgen die Di-, Tri-, Tetra- und Pentamere, die als Oligomere bezeichnet werden. Bei höheren Molekulargewichten wird diese Gruppe als Polymere bezeichnet. Polymere haben eine Verteilung der Kettenlängen und daher des Molekulargewichts. Je nachdem, wie die Polymerisierung durchgeführt wurde, kann diese Verteilung eng oder sehr breit sein. Beispielsweise hat ein Kondensations- oder Stufenwachstumspolymer wie ein Polyester (Polyethylenterephthalat) eine recht enge Molekulargewichtsverteilung. Andererseits kann eine radikalische Polymerisation ein Polymer mit einer sehr breiten Verteilung von Kettenlängen und Molekulargewichten erzeugen (wie bei Polyolefinen). Die Kontrolle der Polymerisationskinetik ist äußerst wichtig, um eine gewünschte Molekulargewichtsverteilung zu erhalten. Aus diesem Grund ist die GPC für Polymerchemiker eine so wichtige Technik.

Hier zeigen wir eine Überlagerung von zwei Molekulargewichtsverteilungen eines Polymers (in diesem Fall Polystyrol):

Sobald wir die Molekulargewichtsverteilung der Polymerprobe erhalten haben, müssen wir sie quantifizieren. Wir weisen dieser Verteilung Mittelwerte des Molekulargewichts zu, indem wir einfach Statistiken erstellen. Jeder Scheibe wird eine Höhe (Hi, auch als Konzentration, Ci, dargestellt), eine Retentionszeit und ein Molekulargewicht (Mi) zugeschrieben. Das Molekulargewicht wird einer Kalibrierkurve entnommen (siehe nächster Abschnitt). Als nächstes führen wir eine Summation durch, um die verschiedenen Mittelwerte des Molekulargewichts zu erhalten, die die Molekulargewichtsverteilung des Polymers beschreiben. Die angezeigte PD ist das Verhältnis des Gewichtsmittels und des Zahlenmittels des Molekulargewichts und wird als Polydispersität oder manchmal einfach als Dispersion des Polymers bezeichnet. Diese Summation ist nur ein einfacher Weg, um diese vier statistischen Molekulargewichtsmomente zu erhalten und die Molekulargewichtsverteilung zu beschreiben.

Es gibt andere Techniken, um diese Mittelwerte des Molekulargewichts zu erhalten:

• Das Zahlenmittel Mn kann durch Membranosmometrie oder Endgruppenanalyse (Titration, NMR usw.) bestimmt werden.
• Das gewichtete Mittel, Mw, kann durch Lichtstreuung bestimmt werden.
• Z Mittel, Mz, und Z + 1 Mittel, Mz + 1, können durch Ultrazentrifugation bestimmt werden.

Sobald wir unser GPC-System kalibriert haben, können wir all diese Mittelwerte mit einer einzigen Injektion bestimmen.

Konfigurieren eines GPC-Systems

Jetzt, da wir wissen, worum es bei Molekulargewichtsmitteln geht, können wir ein System zusammenstellen.

Das System (oben gezeigt) besteht aus einer Pumpe, einem manuellen oder automatischen Injektor, dem Säulensatz, dem/den Detektor(en) und einem Datenverarbeitungsgerät. Darüber hinaus ist es ratsam, einen Entgaser zu verwenden, insbesondere bei Verwendung von THF mit einem Brechungsindex-Detektor. Die Säulen werden fast immer auf eine erhöhte Temperatur temperiert, selbst bei Applikationen, die bei Raumtemperatur löslich sind, um einen niedrigen Druckabfall und gleichmäßige Viskositäten sicherzustellen. Wir werden das System nun genauer besprechen.

Lösungsmittelmanagement

Die Pumpen, die heute mit GPC-Systemen von Waters verwendet werden, sind hoch entwickelte Geräte für die Flüssigkeitshandhabung. Das im Alliance System verwendete Flüssigkeitssystem ist in Wirklichkeit ein Solvent Manager. Der wichtigste Punkt bei der Auswahl eines Moduls des Flüssigkeitssystems für die GPC-Analyse ist die Flusspräzision. Bei der Kalibrierung des Systems wird die Retentionszeit (oder das Volumen) gegen den Logarithmus des Molekulargewichts aufgetragen. Jede kleinere Flussschwankung führt zu einem potenziell großen Fehler im Molekulargewicht. Es ist zu Ihrem Vorteil, das genaueste Gerät zur Flüssigkeitshandhabung zu verwenden, das Sie bekommen können. Dies verbessert die Präzision der Messungen des Molekulargewichtsmittels im Vergleich zu einigen der traditionellen Pumpen mit niedriger Flussrate, die noch verwendet werden, immens. Mit dem Solvent Manager, der mit dem Alliance System verwendet wird, liegt die Flusspräzision ohne Flussratenkorrektur deutlich unter 0,075 %! Einige Pumpen auf dem Markt beanspruchen eine ähnliche Flusspräzision, jedoch mit einer Software-Flussratenkorrektur. Seien Sie vorsichtig bei Pumpen auf dem Markt, die eine Spezifikation von 0,3 % (und schlechter) angeben, wenn Sie ein GPC-System zusammenstellen.

Der Solvent Manager des Alliance Systems bietet darüber hinaus eine außergewöhnliche Leistung bei Gradienten- und Flussprogrammen. Viele Chemiker, die sich mit der Charakterisierung von Polymeren beschäftigen, erkennen, wie wichtig es ist, neben der Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung des Polymers auch die Additive zu analysieren. In vielen Fällen haben die Additive ebenso viel mit der erfolgreichen Anwendung eines Endprodukts zu tun wie das zur Herstellung des Produkts verwendete Polymer. Fehler in der Zusammensetzung (z. B. ein falsches Antioxidans oder eine falsche Menge an Weichmachern) der Additive in der Hauptrezeptur können zu inakzeptablen physikalischen Eigenschaften und Leistungen führen. Um die Additive erfolgreich zu charakterisieren, wird eine HPLC-Analyse mit Umkehrphasen-Gradient durchgeführt. Zusätzlich zu Polymeradditiven werden Epoxid- und Phenolharze regelmäßig durch GPC (zur Untersuchung der Oligomerenverteilung) sowie durch Gradienten-HPLC (zur Charakterisierung des Isomers und der Verunreinigungen) analysiert. Das Alliance System ermöglicht sowohl Hochleistungs-GPC- als auch Gradientenanalysen mit einem einzigen System.

Probenmanagement

Im nächsten Schritt bei der Konfiguration unseres Systems müssen Sie entscheiden, wie die Standards und Proben für die Trennung eingeführt werden sollen. Am günstigsten geht dies mit einem manuellen Injektor. Sie füllen manuell eine Schleife (bekanntes Volumen) und öffnen ein Ventil, damit die Lösung mit dem Eluentenstrom auf den Säulensatz fließt. Dies ist in Ordnung, wenn Sie nur ab und zu ein paar Proben ausführen. Wenn Sie jedoch täglich mehrere Proben messen, ist eventuell die Verwendung eines Autosamplers besser.

Der heute am häufigsten verwendete Autosampler für GPC-Analysen bei Raumtemperatur ist der Autosampler 2707. Diesen Autosampler mit komplett gefülltem Probentablett können Sie so programmieren, dass so lange unbeaufsichtigt gemessen wird, wie die Analysen dauern. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Injektionsvolumens ist unübertroffen, was für Massenmessungen mit molekulargewichtsempfindlichem Detektor (wie mit einem Viskosimeter oder Lichtstreudetektor) entscheidend ist, bei denen die genaue Massenbeladung bekannt sein muss. Eine weitere Option für einen Autosampler ist das Alliance System. Es gibt fünf verschiedene Probenteller, von denen jeder bis zu 24 Proben aufnehmen kann (Gesamt-Probenkapazität von 120).

Säulenauswahl

Sobald wir ein geeignetes Lösungsmittel zum Auflösen des Polymers gefunden und unsere engen Standards und Proben mit der korrekten Konzentration vorbereitet haben, können wir mit der Analyse beginnen. Wir haben den richtigen Säulensatz für die Analyse ausgewählt (haben wir doch?), also können wir loslegen. Lassen Sie uns jedoch das Verfahren zur Auswahl des korrekten Säulensatzes überprüfen.

Viele Leute verwenden gerne das, was früher „lineare“ Säulen genannt wurde, die auch als „Extended Range“- oder „Mischbett“-Säulen bezeichnet werden. Diese Säulen sind Mischungen mit unterschiedlichen Porengrößen, um einen breiteren Molekulargewichtsbereich abzudecken als eine Säule mit einer einzigen Porengröße. Wenn die Poren sorgfältig gemischt werden, kann die Kalibrierkurve der Säule tatsächlich linear sein.

Der Nachteil dieser Mischbettsäulen ist die geringere Auflösung über einen endlichen molekularen Bereich als bei der Verwendung von Säulen mit individueller Porengröße. Welchen Säulensatz würden Sie zum Beispiel verwenden, wenn Sie eine Reihe von Epoxid- oder Phenolharzen verwenden würden, beispielsweise mit einem Molekulargewicht von einigen hundert bis fünftausend? Die erste Überlegung ist ein ausreichendes Porenvolumen im Säulensatz, um die korrekte Trennung, d. h. das korrekte Verteilungsprofil des Polymers, zu erhalten. Eine Säule ist sicher nicht genug und zwei können immer noch nicht ausreichen. Man sollte mindestens drei Säulen in Reihe verwenden, um ein ausreichendes Porenvolumen für eine erfolgreiche Trennung zu gewährleisten.

Welche Säulen werden wir jetzt verwenden, um unser Epoxid- oder Phenolharz zu analysieren? Sollten wir einen „Mischbett“-Säulensatz mit einer Mischung von Porengrößen verwenden? Oder sollten wir eine Reihe von Säulen mit individueller Porengröße verwenden, um wirklich auf den interessierenden Molekulargewichtsbereich abzuzielen? In der folgenden Tabelle ist der Molekulargewichtsbereich zur Trennung für einzelne Porengrößen von Styrol/Divinylbenzol-Packungen aufgeführt, basierend auf den Ausschlussgrenzen der Polystyrol-Kettenlänge (in Angström):

Noch ein Wort zu Säulen. Beim Lesen des Leitfadens zu GPC-Lösungsmitteln haben Sie festgestellt, dass ein typischer Betriebstemperaturbereich angegeben ist. Bei der GPC-Analyse temperieren wir die Säulen fast immer auf eine erhöhte Temperatur, wie im Lösungsmittelleitfaden angegeben (sogar bei Applikationen bei Raumtemperatur). Das Temperieren der Säule dient nicht dem Lösen der Probe, sondern der Erhöhung der Auflösung der Trennung, der Verbesserung des Permeationsprozesses und in einigen Fällen der Verringerung der Viskosität des Lösungsmittels (z. B. DMF) und der Verringerung des Rückdrucks in der Säulenbank. 

Detektoroptionen

Der heute am häufigsten verwendete Detektor für die GPC-Analyse ist das Differenzialrefraktometer. Dieser konzentrationsempfindliche Detektor misst den Unterschied des Brechungsindexes (dRI) zwischen dem Eluenten auf der Referenzseite und dem Proben-Eluenten auf der Probenseite. Es handelt sich um einen „Universal“-Detektor (im Gegensatz zu z. B. einem UV-Detektor), da jedes Polymer ein Signal erhält, das einen signifikanten Unterschied im Brechungsindex im Vergleich zum Eluenten aufweist. In einigen Fällen ist der dRI für die Probe und den Eluenten (z. B. Silikone und THF) sehr klein, was ein schlechtes Signal zur Folge hat. In diesem Fall müssen wir einen anderen Eluenten finden, der das Polymer auflöst und einen signifikanten dRI liefert. Das Refraktometer 2414 von Waters (sowie die Vorgängermodelle 2410 und 410) sind seit vielen Jahren der Industriestandard.

Ein weiterer Detektor, der häufig für GPC verwendet wird, ist der UV-Detektor. Um ein Signal zu erhalten, muss natürlich ein Chromophor vorhanden sein, das im UV absorbiert. Der UV-Detektor ist hervorragend für Styrol-Polymere (Polystyrol, Styrol/Isopren, Styrol/Butadien, ABS usw.) geeignet, z. B. Epoxide, Phenole, Polycarbonate, Polyurethane und aromatische Polyester. Wenn eine Gradientenanalyse durchgeführt wird (die Zusammensetzung des Lösungsmittels wird während des Laufs geändert), muss der UV-Detektor verwendet werden, da der RI-Detektor driftet, wenn sich die Eluentenzusammensetzung ändert.Der Waters 2489 UV-Detektor bietet eine hervorragende Empfindlichkeit, Linearität und insgesamt eine hervorragende Leistung für die GPC/HPLC-Analyse von UV-absorbierenden Polymeren und Additiven.  

Wir können auch einen Photodiodenarray-Detektor (PDA) verwenden, der eine Alternative zum UV-Detektor darstellt und ein leistungsstarker, informationsreicher Detektor ist. Dieser Detektor verwendet eine Reihe von Photodioden, mit denen wir sofort zahlreiche Wellenlängen untersuchen können. Der PDA könnte zum Beispiel so eingestellt werden, dass er einen Wellenlängenbereich von 190 bis 800 Nanometer (nm) erfasst, anstatt nur eine oder zwei Wellenlängen wie bei den meisten UV-Detektoren zu erfassen. Jetzt können wir uns die tatsächlichen UV-Spektren der Polymerprobe (oder der Zusatzstoffe) ansehen. Dies ermöglicht uns, etwas über die Verteilung der chemischen Zusammensetzung zu erfahren. Wir können zum Beispiel feststellen, ob ein SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) ein Block- oder ein statistisches Copolymer ist. Wir können Spektralbibliotheken erstellen, mit denen wir unsere unbekannten Proben vergleichen können. Dies kann für Polymere oder Polymeradditive erfolgen. Wir können jetzt versuchen zu bestimmen, welche Additive in zusammengesetzten, fertigen Materialien vorhanden sind. Der PDA kann auch verwendet werden, um konkurrierende Verbindungen darzustellen.  

Da Chemiker bei der Polymercharakterisierung versuchen, so viel wie möglich über ihre Proben zu erfahren, werden andere Detektionsoptionen in Betracht gezogen. Wenn wir in die Welt der „fortgeschrittenen“ Detektion für die GPC-Analyse eintauchen, beginnen wir, molekulargewichtsempfindliche Detektoren wie Viskosimetrie und Lichtstreuung in Betracht zu ziehen. Auf das Viskosimeter wird im folgenden Abschnitt über die Kalibrierung ausführlich eingegangen. Im Wesentlichen bietet ein Viskosimeter in Verbindung mit dem Refraktometer eine Möglichkeit, nicht nur die intrinsische Viskosität [h] des Polymers, sondern auch das „absolute“ Molekulargewicht und die Schätzung der Langkettenverzweigung zu bestimmen. Der RI-Detektor ist unser Konzentrationsdetektor (C), und das Viskosimeter liefert uns [h](C). Durch die gleichzeitige Verwendung der beiden Signale erhalten wir die intrinsische Viskosität in jedem Abschnitt des Elutionsprofils des Polymers. Wir können dann die im nächsten Abschnitt besprochenen Konzepte der universellen Kalibrierung von Benoit verwenden, um das absolute Molekulargewicht der Polymerprobe zu bestimmen.  

Der Lichtstreudetektor ist in Verbindung mit dem Refraktometer eine weitere leistungsstarke Methode für die GPC-Analyse. Im Wesentlichen wird ein Laserstrahl in eine Zelle fokussiert (in diesem Fall online), die die Probenlösung enthält. Der einfallende Strahl wird an den gelösten Polymerpartikeln gestreut. Je nach Konstruktion des Lichtstreudetektors (Kleinwinkel- oder Multiwinkeldetektor) kann das massegemittelte Molekulargewicht Mw mit oder ohne Trägheitsradius des Polymers in Lösung genau gemessen werden.  

In beiden Fällen, d.h. sowohl mit dem Viskosimeter als auch mit dem Lichtstreudetektor in Verbindung mit dem RI, erhalten wir viele sehr nützliche Informationen. Die Verwendung eines Dreifachdetektors liefert sehr aussagekräftige Daten, solange der Anwender in der Lage ist, sie alle zu interpretieren. Weitere Informationen zur Datenreduzierung mit mehreren Detektoren finden Sie in unserem Referenzabschnitt.  

Es gibt andere Techniken für den erweiterten Nachweis von Polymeren und Additiven, wie z. B. das Massenspektrometer, die heute gebräuchlichen Detektoren für die GPC-Analyse sind jedoch RI, UV/PDA, Viskosimeter und Lichtstreuung.

Datenprozessierung

Sobald wir die Haupthardware unseres Systems konfiguriert haben, müssen wir die Softwareoptionen für die Steuerung dieses Systems und die Verarbeitung der Daten berücksichtigen. Mit den heute sehr leistungsfähigen Computern können Kalibrierungen und Berechnungen der Molekulargewichtsverteilung in Sekundenschnelle durchgeführt werden. Die Empower Software kann sowohl für die konventionelle GPC-Datenreduktion (nur RI) als auch für den RI-/Viskositätsnachweis verwendet werden. Empower 2 unterstützt viele Kalibrierverfahren, einschließlich der relativen Kalibrierung, der kumulativen Zuordnung und der breiten Hamielec-Standardkalibrierung sowie der universellen Kalibrierung. Kurvenanpassungen nullten bis fünften Grades werden zusammen mit einer einzigartigen begrenzten Kalibrierung und einer Spline-Anpassung unterstützt.