Leitfaden zur Größenausschlusschromatographie für Einsteiger

Welche Säulen sollte ich verwenden und warum?

Die Auswahl der Säule ist entscheidend, um die korrekte Molekulargewichtsverteilung des interessierenden Polymers zu erhalten.

Anfangs zu berücksichtigende Faktoren: Löslichkeit

Wasserlöslich:

• Ultrahydrogel-Säulenleitung

Organisch löslich:

• Styragel HR für hochauflösendes Arbeiten
• Styragel HT für Arbeiten bei hohen Temperaturen
• Styragel HMW für Polymere mit ultrahohem Molekulargewicht

In welchem Lösungsmittel sollten meine Säulen gepackt sein, wenn ich sie kaufe, und warum?

HR-, HT- und HMW-Säulen sind gepackt in:

• THF
• Toluol
• DMF

Es sind spezielle, in Methanol gepackte Säulen für die Analyse bei Raumtemperatur mit HFIP (Hexafluorisopropanol) erhältlich. Wenn Sie ein anderes Lösungsmittel als diese vier für Ihre Applikation verwenden, sollten Sie einige Faustregeln beachten. Wenn Sie eine Applikation bei Raumtemperatur in einem Lösungsmittel wie Chloroform oder Methylenchlorid durchführen, stellen Sie von THF um. Wenn Sie Hochtemperaturarbeiten in TCB durchführen möchten, stellen Sie z. B. ODCB von Toluol bei ~ 85 – 90 °C um. Wenn Sie ein sehr polares Lösungsmittel wie DMAC (Dimethylacetamid) oder NMP (n-Methylpyrollidon) verwenden, stellen Sie von DMF um.

Ich habe zurzeit Säulen in Lösungsmittel „A“ und möchte zu Lösungsmittel „B“ wechseln?

Im Allgemeinen kann mit einer Geschwindigkeit von 0,1 – 0,2 mL/Minute direkt von einem Lösungsmittel zum anderen gewechselt werden (siehe Pflege- und Benutzerhandbuch der Säule), wenn die beiden Lösungsmittel mischbar sind. Wenn die Lösungsmittel nicht mischbar sind, muss ein intermediäres Lösungsmittel (in dem beide Lösungsmittel mischbar sind) verwendet werden.

In welcher Reihenfolge sollte ich die Säulen platzieren und warum?

Grundsätzlich spielt es keine Rolle, in welcher Reihenfolge die Säulen platziert werden. Die Reihenfolge hat keinen Einfluss auf die Berechnungen der Molekulargewichtsverteilung des eluierenden Polymers. Es ist jedoch ratsam, die 100-Å- oder 50-Å-Säulen immer am Ende des Satzes zu platzieren, da das Styrol-/Divinylbenzol-Gel in diesen Säulen dazu neigt, weicher und weniger haltbar zu sein.

Welche Flussrate sollte ich in meiner GPC-Säule verwenden?

Es wird empfohlen, bei einem Innendurchmesser der analytischen Trennsäulen von 7,8 mm 1,0 mL/min nicht zu überschreiten. Die „optimale“ Auflösung für diese Säulen beträgt ca. 0,70 bis 0,80 mL/min. Die optimale Flussrate für die Narrow-bore-Säulen mit einem Innendurchmesser von 4,6 mm beträgt 0,3 bis 0,35 mL/min. Weitere Informationen finden Sie in Ihrer Anleitung zur Wartung und Verwendung.

Sollte ich den Fluss und die Temperatur beim Einlaufen der Säulen allmählich erhöhen?

Bei analytischen GPC-Säulen muss die Flussrate erhöht werden, insbesondere bei den Säulen der Serie HR. Ein plötzlicher Anstieg des Flusses (und in der Folge des Drucks) wird die Säulen mit Sicherheit beschädigen. Der Temperaturanstieg ist nicht so kritisch. Im Allgemeinen erhöhen wir die Flussrate von 0,0 auf 1,0 mL/min über ein Intervall von 60 Sekunden und die Temperatur von Umgebungstemperatur auf 150 °C (als Beispiel) über mehrere Stunden.

Wie wähle ich den Bereich der Porengröße meiner Säulen aus?

Der Bereich der Porengröße wird durch die Bestimmung des ungefähren Molekulargewichtsbereichs der interessierenden Probe ausgewählt. Wenn der Molekulargewichtsbereich niedrig ist (z. B. bei einem Epoxidharz), würde ein Säulensatz mit 103-, 500-, 100- und vielleicht 50-Å-Säulen verwendet. Wenn ein PVC mit mittlerem Molekulargewicht die interessierende Probe ist, werden ein Satz von 103, 104 und 105 verwendet. Die höchste Auflösung wird durch gezielte Porengrößen im Molekulargewichtsbereich des Polymers erreicht. Wenn der Molekulargewichtsbereich nicht bekannt oder sehr breit ist, ist es eine gute Idee, Mischbett-Säulen (d. h. „linear“ oder „erweiterter Bereich“) zu verwenden, die eine Mischung von Porengrößen liefern.

Was ist Auflösung und wie viel benötige ich?

Bei der GPC-Analyse entspricht die Auflösung dem Molekulargewichtsbereich, der in ein inkrementelles Elutionsvolumen aufgeteilt wird. Wir möchten dies, wann immer möglich, maximieren. Der einfachste Weg, dies zu maximieren, besteht darin, mehr Säulen (und damit leider auch mehr Analysezeit) einzusetzen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung kleinerer Partikel (~ 5 μm), was die Effizienz steigert. Dies beeinträchtigt die Haltbarkeit und Lebensdauer der Säule. Bei Trennungen, bei denen Oligomere, Additive oder multimodale Verteilungen vorhanden sind, kann die Auflösung wichtig sein. Wenn es sich bei der Probe um ein hochdichtes Polyethylen mit einer breiten Verteilung handelt, ist die Auflösung möglicherweise nicht so wichtig.

Waters fertigt Säulen mit hoher Auflösung (HR-Serie) mit 5 μm, die HT-Serie, mit ca. 10 μm (gut für Arbeiten bei hoher Temperatur und mehrere Lösungsmittelwechsel) und die HMW-Serie, die 20-μm-Partikel aufweist. Diese eignen sich gut für Proben mit sehr hohem Molekulargewicht, bei denen Scheren ein Problem darstellt und die Auflösung nicht so kritisch ist.

Was ist ein „schmaler“ Standard? Was ist ein „breiter“ Standard?

• „Schmale“ Standards sind solche, bei denen die Polydispersität weniger als 1,10 beträgt. Die Polydispersität ist definiert als das Verhältnis des Gewichtsmittels des Molekulargewichts (Mw) zum Zahlenmittel des Molekulargewichts (Mn).
• „Breite“ Standards haben Polydispersitäten von mehr als 1,10 und bestehen normalerweise aus dem gleichen Polymer wie die zu analysierende Probe.

Kann ich mehr als einen Standard gleichzeitig injizieren, wenn ich „schmale“ Standards verwende?

Bei der herkömmlichen GPC mit RI-Detektion ist es sicher akzeptabel, ein Gemisch von Standards zu injizieren, solange die eluierten Standards eine ausreichende Auflösung aufweisen. Wir würden maximal drei vorschlagen. Bei der modernen Detektion, z. B. bei der Viskosimetrie, bei der die Fläche unter der Kurve des Standards genau bekannt sein muss, sollte ein Standard nach dem anderen injiziert werden.

Welchen Standard bzw. welche Standards sollte ich für mein Polymer verwenden?

Für die meisten Anwender ist eine „relative“ Kalibrierung mit schmalem Standard in Ordnung. In diesem Fall sind Polystyrol-Standards die übliche Wahl für organische GPC, es können aber auch PMMA, Polyisoprene, Polybutadiene und schmale PolyTHF-Standards verwendet werden. Für die wässrige GPC stehen schmale Polyethylenoxide, Polyethylenglykole und Pullulane (Polysaccharide) zur Verfügung. Wenn der Anwender das „wahre“ Molekulargewicht benötigt (relativ dazu, dass die Kalibrierlösung nicht gut genug ist), kann ein breiter Standard (oder eine Referenz) mit derselben chemischen Beschaffenheit wie die Proben verwendet werden.

Wie zuverlässig sind breite Standards?

In den meisten Fällen wurden breite Standards, die im Handel erhältlich sind, durch Techniken charakterisiert, die ein angemessenes Mw, Mn, Mz usw. bieten. Beim Kauf dieser Standards gilt ein gewisses Maß an Vertrauen darin, dass die angegebenen Werte korrekt sind und mit hervorragender Präzision ermittelt werden. Schließlich basiert Ihre Kalibrierkurve auf diesen Werten. Man kann auch eine repräsentative Probe, die typisch für die im Labor untersuchten Proben ist, zur Analyse mit diesen Zusatztechniken versenden. Viele Vertragslabore und Universitäten können diese Analysen durchführen und Ihnen Mn, Mw, Mz usw. Ihrer Probe zur Verfügung stellen, die Sie als breiten Standard verwenden können.

Kann ich k- und alpha-Werte aus dem Polymer Handbook verwenden?

Das Konzept der universellen Kalibrierung, bei dem eine Kalibrierung auf Basis des logarithmischen hydrodynamischen Volumens anstelle des logarithmischen Molekulargewichts erstellt wird, ermöglicht es, „absolute“ Molekulargewichte für Unbekannte zu erhalten. Eine Auftragung von log [Eigenviskosität] gegen log [Molekulargewicht] ergibt eine so genannte Mark-Houwink-Darstellung oder Auftragung des Viskositätsgesetzes. Die Steigung dieser Kurve ist alpha, und der Achsenabschnitt bestimmt k, (die Mark-Houwink-Konstanten). Wenn kein Inline-Viskosimeterdetektor vorhanden ist, können die Mark-Houwink-Konstanten verwendet werden, sofern diese nicht nur für die zur Entwicklung der universellen Kalibrierung verwendeten schmalen Standards bekannt sind, sondern auch für das Unbekannte. Die im Polymer Handbook zu findenden Werte müssen für das richtige interessierende Polymer, im korrekten Molekulargewichtsbereich, im verwendeten Lösungsmittel und bei der Betriebstemperatur sein.

Wie bereite ich meine mobile Phase vor?

In den meisten Fällen ist zur Herstellung der mobilen Phase nur die Filtration erforderlich. Das Lösungsmittel sollte durch einen 0,45-μm- (Mikron) Fluorkohlenstofffilter (Acetat-Typ für wässrige GPC) filtriert werden.

Welche Zusatzstoffe sind wichtig und wann sollte ich sie verwenden?

In bestimmten Fällen ist ein Zusatzstoff für mobile Phasen erforderlich. Zum Beispiel wird 0,05 M Lithiumbromid zu polaren Lösungsmitteln wie DMF, DMAC und NMP hinzugefügt. Diese polaren Lösungsmittel werden verwendet, um polare Polymere wie Polyurethane oder Polyimide zu analysieren. Es tritt eine Dipolwechselwirkung auf, die verursacht, dass künstliche Schultern am Ende der Verteilung mit hohem Molekulargewicht erscheinen. Diese Wechselwirkung wird durch die Zugabe des Salzes beseitigt. Bei der Hochtemperaturanalyse von Polyolefinen muss der mobilen Phase (z. B. TCB) etwa ein Gramm pro 4 Liter eines Antioxidans (die meisten Phenole sind geeignet) zugesetzt werden. Dies trägt dazu bei, die Oxidation der Probe zu reduzieren, da sie sich vor der Injektion bei hoher Temperatur im Probenkarussell befindet.

Wie bereite ich meine Proben vor? (d. h. Temperatur, Zeit und Mischen)

Die wichtigste Frage, die man sich vor einer GPC-Analyse stellen muss, lautet: In was ist meine Probe löslich? Waters begann als GPC-Unternehmen und wir haben eine lange Liste von Lösungsmitteln und Temperaturen für fast jedes Polymer entwickelt, das je mit GPC getestet wurde. Die Zeit, die zum Auflösen der Probe benötigt wird (ob Raumtemperatur oder erhöhte Temperatur), hängt normalerweise von zwei Faktoren ab: dem Molekulargewicht und der Kristallinität. Je höher das Molekulargewicht und je kristallinischer das Polymer ist, desto länger dauert es, bis es sich löst. Normalerweise löst sich die Probe nach zwei bis drei Stunden unter leichtem Rühren. In einigen Fällen (z. B. bei Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht) sind mehrere Stunden erforderlich. Mischen mit hoher Geschwindigkeit, Lösen mit Ultraschall und Lösen in der Mikrowelle sollten vermieden werden, es sei denn, sie werden ohne Beeinträchtigung des Polymers durchgeführt.

Welche Konzentration und welches Injektionsvolumen sollte ich verwenden?

Als Faustregel gilt, dass ein Polymer mit einem maximalen Molekulargewicht von 100.000 im Lösungsmittel in einer Konzentration von ~0,10 – 0,12 % (Gewicht/Volumen) hergestellt werden sollte. Dies entspricht etwa 1 bis 1,2 mg. der Probe (oder des Standards) pro mL. des Lösungsmittels. Mit steigendem Molekulargewicht sollte die Konzentration entsprechend abnehmen. Ein Polymer mit hohem Molekulargewicht (wie etwa 3.000.000 Gewichtsmittel) sollte bei einer Konzentration von < 0,02 % (w/v) analysiert werden. Andererseits kann ein Epoxidharz mit einem Molekulargewicht unter 1000 in einer Konzentration von 0,20 % verwendet werden.

Bei diesen Konzentrationen sollte das maximale Injektionsvolumen pro Säule der Größe 7,8 x 30 mm 100 μL nicht überschreiten.

Welche Vorteile habe ich, wenn ich ein Viskosimeter und/oder einen Lichtstreudetektor online habe?

Da Chemiker, die sich mit der Charakterisierung von Polymeren befassen, mehr Informationen über ihre spezifischen Proben erhalten möchten, tendieren immer mehr Menschen zu „fortgeschrittenen Nachweisverfahren“. Der Einsatz eines Viskosimeters in Verbindung mit einem Brechungsindex-Detektor bietet Ihnen drei wesentliche Vorteile gegenüber einem RI-Gerät allein:

• „Absolutes“ Molekulargewicht durch universelle Kalibrierung
• Intrinsische Viskosität des Polymers über die Verteilung
• Verzweigungsinformationen in Bezug auf die Verzweigung langer Ketten

Der Lichtstreudetektor ermöglicht es Ihnen, Folgendes zu erhalten:

„Absolutes“ massegemitteltes Molekulargewicht (Mw) ohne Erstellen einer Kalibrierkurven-Trägheitskurven-Information der Polymerverzweigung wie für das Viskosimeter.