Chimie de base de la GPC

Introduction à la séparation en fonction de la taille

La chromatographie par perméation sur gel, ou GPC, également connue sous le nom de chromatographie d’exclusion stérique, ou SEC, est la plus facile à comprendre de toutes les techniques de chromatographie en phase liquide. La séparation est strictement basée sur la taille de l’échantillon en solution, et ne devrait impliquer aucune interaction avec le garnissage de la colonne (adsorption, cloisonnement, etc.) comme c’est le cas avec une HPLC classique. Le mode de séparation n’est donc pas basé sur la masse moléculaire, mais sur la taille de la matière analysée (généralement un polymère) en solution. En d’autres termes, pour effectuer correctement une GPC, l’échantillon doit être dissous dans un solvant adapté.

La concentration de l’échantillon en solution dépend de la masse moléculaire, mais en règle générale, un polymère d’une masse moléculaire aux alentours de 100 000 présente une concentration de 0,10 % (m/v). (Pour en savoir plus, consultez la section Préparation des échantillons ci-dessous). Parfois, la solution d’échantillon doit être chauffée pour dissoudre l’échantillon. Par exemple, certaines polyoléfines nécessitent des températures supérieures à 120 °C pour se dissoudre, et sont généralement analysées dans du 1,2,4-trichlorobenzène à 140 °C.

Une fois que l’échantillon est correctement dissous, il est introduit par le biais d’un mécanisme d’injection dans un jeu de colonnes agissant tel un système de filtration moléculaire. Les colonnes sont remplies d’un gel réticulé (copolymère de styrène/divinylbenzène pour les applications en phase organique, par exemple) et comportent des pores à la surface. D’une taille petite à relativement grande, ces pores font office de filtres moléculaires comme mentionné ci-dessus. Les molécules de grande taille ne rentreront pas dans les petits pores. À l’inverse, les petites molécules passeront à travers la plupart des pores et seront retenues plus longtemps.

L’une des premières démonstrations de GPC réalisées par Waters il y a des dizaines d’années concernait du chewing-gum. Le chewing-gum est en réalité du caoutchouc synthétique auquel sont ajoutés des additifs tels que des arômes, des stabilisants, etc.

Voici une représentation du chromatogramme GPC d’origine, séparé sur plusieurs colonnes de tailles de pores différentes raccordées en série. Le polymère (du caoutchouc dans le cas présent) s’élue en premier car il s’agit de la plus grosse molécule, puis viennent les « additifs » par ordre de taille décroissant. Il pourrait aussi bien s’agir d’un chromatogramme de PVC, avec un mélange de plastifiants, d’antioxydants et de stabilisants UV.

Monomères, oligomères, polymères et distributions de masses moléculaires

Les monomères ont une seule masse moléculaire et sont dits « monodispersés ». L’éthylène, le styrène, le chlorure de vinyle, etc., sont des exemples de monomères. Après les monomères, viennent les dimères, les trimères, les tétramères, les pentamères, etc., appelés oligomères. Quand les masses moléculaires sont encore plus élevées, on parle alors de polymères. Les polymères ont une distribution des longueurs de chaîne et, par conséquent, des masses moléculaires. Selon la façon dont la polymérisation a été effectuée, cette distribution peut être étroite ou relativement large. À titre d’exemple, un polymère de condensation ou à croissance par étapes, tel qu’un polyester (polyéthylène téréphtalate), présentera une distribution de masses moléculaires assez étroite. D’un autre côté, une polymérisation radicalaire peut produire un polymère présentant une distribution très large des longueurs de chaîne et des masses moléculaires (comme pour les polyoléfines). Contrôler la cinétique de la polymérisation est extrêmement important pour obtenir la distribution des masses moléculaires souhaitée. C’est pourquoi la GPC est une technique si importante pour le chimiste travaillant les polymères.

L’illustration ici montre une superposition de deux distributions de masses moléculaires d’un polymère (dans ce cas, du polystyrène) :

Une fois la distribution des masses moléculaires de l’échantillon de polymère obtenue, il nous faut un moyen de la quantifier. Nous attribuons des moyennes de masses moléculaires sur cette distribution en effectuant simplement des statistiques. Une hauteur (Hi, également représentée par la concentration, Ci), un temps de rétention et une masse moléculaire (Mi) sont attribués à chaque tranche. La masse moléculaire est obtenue à partir d’une courbe d’étalonnage (voir la section suivante). Nous effectuons ensuite une somme pour obtenir les différentes moyennes de masses moléculaires qui décrivent la distribution des masses moléculaires du polymère. La valeur PD indiquée est le rapport entre les masses moléculaires moyennes en poids et en nombre. Elle est appelée polydispersité, ou parfois simplement dispersité du polymère. Cette somme est un moyen simple d’obtenir les moments statistiques de ces quatre masses moléculaires et de décrire la distribution des masses moléculaires.

Mais il existe d’autres techniques pour obtenir ces moyennes de masses moléculaires :

• La moyenne en nombre, Mn, peut être obtenue par osmométrie membranaire, ou analyse des groupements terminaux (titrage, RMN, etc.).
• La moyenne en poids, Mw, peut être obtenue par diffusion de la lumière.
• La moyenne Z, Mz, et la moyenne Z+1, Mz+1, peuvent être obtenues par ultracentrifugation.

Une fois notre système de GPC étalonné, nous pouvons obtenir toutes ces moyennes avec une seule injection.

Configuration d’un système de GPC

Maintenant que nous avons compris ce que sont les moyennes des masses moléculaires, nous sommes prêts à assembler un système.

Le système (illustré ci-dessus) se compose d’une pompe, d’un injecteur – manuel ou automatisé – d’un jeu de colonnes, de détecteurs et d’un dispositif de traitement des données. Il est en outre recommandé d’utiliser un dégazeur, en particulier lors de l’utilisation de THF avec un détecteur d’indice de réfraction. Les colonnes sont presque toujours chauffées à des températures élevées, même pour les applications solubles à température ambiante, afin de garantir une faible chute de pression et des viscosités uniformes. Nous allons maintenant détailler le système.

Module de pompe

Les pompes utilisées aujourd’hui avec les systèmes de GPC de Waters sont des appareils de manipulation des fluides très sophistiqués. Dans le cas du système fluidique utilisé dans le système Alliance, il s’agit en réalité d’un module de pompe. Lors du choix d’un module fluidique pour une analyse GPC, l’élément le plus important à prendre en compte est la fidélité du débit. L’étalonnage du système est un tracé du temps de rétention (ou du volume) en fonction du log de la masse moléculaire. Toute fluctuation mineure du débit entraînera une erreur potentiellement importante au niveau de la masse moléculaire. Il est donc dans votre intérêt d’utiliser l’appareil de manipulation des fluides le plus juste possible. Cela améliorera considérablement la justesse de vos mesures de masses moléculaires moyennes, par rapport à certaines pompes traditionnelles à faible fidélité du débit encore utilisées. Le module de pompe utilisé avec le système Alliance assure une fidélité du débit remarquable, inférieure à 0,075 % sans aucune correction du débit ! Certaines pompes disponibles sur le marché revendiquent une fidélité du débit similaire, mais avec une correction logicielle du débit. Méfiez-vous donc des pompes du commerce dont la spécification est de 0,3 % (voire plus) si vous mettez en place un système de GPC.

Le module de pompe du système Alliance offre également des programmes de gradient et de débit très performants. De nombreux chimistes chargés de la caractérisation des polymères savent à quel point il est important d’analyser l’ensemble des additifs, en plus de déterminer la distribution des masses moléculaires du polymère. Dans de nombreux cas, l’ensemble des additifs est autant lié à la réussite de l’application d’un produit fini que le polymère utilisé pour fabriquer le produit. Toute erreur de compoundage (antioxydant incorrect ou niveau incorrect de plastifiant, par exemple) des additifs dans la formulation principale peut entraîner des propriétés physiques et des performances inacceptables. Afin de caractériser avec succès l’ensemble des additifs, une analyse HPLC en gradient en phase inverse est effectuée. Outre les additifs des polymères, les résines époxy et phénoliques sont régulièrement analysées par GPC (pour examiner la distribution des oligomères) et par HPLC en gradient (pour caractériser les isomères et les impuretés). Le système Alliance vous permet d’effectuer à la fois une analyse GPC haute performance et une analyse en gradient avec un seul système.

Gestion des échantillons

L’étape suivante de la configuration de notre système consiste à décider de la façon dont nous souhaitons introduire les étalons et les échantillons pour la séparation. La façon la moins coûteuse de le faire est d’utiliser un injecteur manuel. Il suffit de remplir manuellement une boucle (volume connu) et d’ouvrir une vanne pour permettre à la solution de s’écouler sur le jeu de colonnes avec le flux d’éluant. Cette méthode convient très bien si vous analysez juste quelques échantillons de temps en temps. Cependant, si vous analysez plusieurs échantillons par jour, il peut être préférable d’utiliser un passeur d’échantillons.

Le modèle le plus utilisé actuellement pour les analyses GPC à température ambiante est le passeur d’échantillons 2707. Entièrement électrique, ce passeur d’échantillons vous permet d’exécuter un plateau complet d’échantillons sans surveillance pendant la durée des analyses. L’exactitude et la reproductibilité du volume d’injection sont inégalées, ce qui est essentiel pour les mesures massiques des détecteurs sensibles à la masse moléculaire (viscosimètre ou détecteur à diffusion de lumière, notamment), pour lesquels la capacité de charge exacte doit être connue. Une autre option consiste à utiliser le système Alliance, qui intègre cinq carrousels différents, chacun pouvant contenir jusqu’à 24 échantillons (capacité totale de 120 échantillons).

Sélection des colonnes

Une fois que nous avons identifié un solvant adapté pour dissoudre le polymère et préparé nos étalons étroits et nos échantillons à la bonne concentration, nous sommes prêts à démarrer notre analyse. Nous avons choisi le jeu de colonnes adéquat pour l’analyse (n’est-ce pas ?), nous sommes donc prêts à commencer. Revoyons toutefois la procédure pour choisir le bon jeu de colonnes.

De nombreuses personnes aiment utiliser ce que l’on appelait auparavant des colonnes « linéaires », également appelées colonnes « à plage étendue » ou « à lit mixte ». Ces colonnes allient différentes tailles de pores, l’idée étant de couvrir une plage de masses moléculaires plus large qu’une colonne ayant une seule taille de pore. Si le mélange des pores est effectué avec suffisamment de soin, la courbe d’étalonnage des colonnes peut effectivement être linéaire.

L’inconvénient de ces colonnes à lit mixte est que la résolution sur une plage moléculaire finie sera moindre par rapport à l’utilisation de colonnes à taille de pores unique. Par exemple, si vous deviez analyser une série de résines époxy ou phénoliques avec, disons, une plage de masses moléculaires allant de quelques centaines à cinq mille, quel jeu de colonnes utiliseriez-vous ? La première chose à faire est de disposer d’un volume de pores suffisant dans le jeu de colonnes pour obtenir la séparation adéquate, c’est-à-dire le bon profil de distribution du polymère. Une colonne n’est probablement pas suffisante, et deux ne suffiront peut-être pas non plus. Il faut utiliser au moins trois colonnes en série pour garantir un volume de pores suffisant pour assurer une séparation réussie.

Maintenant, quelles colonnes allons-nous utiliser pour analyser notre résine époxy ou phénolique ? Faut-il utiliser un jeu de colonnes à « lit mixte » proposant plusieurs tailles de pores ? Ou devrions-nous utiliser une série de colonnes à taille de pores unique pour cibler réellement la plage de masses moléculaires d’intérêt ? Le tableau suivant répertorie la plage de séparation des masses moléculaires pour des colonnes à taille de pore unique garnies de styrène/divinylbenzène, sur la base des limites d’exclusion de longueur de chaîne du polystyrène (en angströms) :

Un dernier mot sur les colonnes. Si vous avez parcouru le guide des solvants pour GPC, vous avez remarqué qu’une plage de température de fonctionnement type était indiquée. En analyse GPC, nous chauffons presque toujours les colonnes à une température élevée, comme indiqué dans le guide des solvants (même pour les applications à température ambiante). L’échauffement des colonnes n’a pas pour but de dissoudre, mais d’augmenter la résolution de la séparation, d’améliorer le processus de perméation et, dans certains cas, de diminuer la viscosité du solvant (DMF, par exemple) et réduire la pression dans le banc de colonnes. 

Options de détection

Le réfractomètre différentiel est le détecteur le plus répandu à l’heure actuelle pour l’analyse GPC. Il s’agit d’un détecteur sensible à la concentration qui mesure simplement la différence d’indice de réfraction (dRI) entre l’éluant côté référence, et l’échantillon + éluant côté échantillon. C’est un détecteur « universel » (à la différence d’un détecteur UV, par exemple) en ce sens qu’il vous permettra d’obtenir une réponse pour n’importe quel polymère présentant une différence significative d’indice de réfraction par rapport à l’éluant. Dans certains cas toutefois, la dRI de l’échantillon et de l’éluant (silicones et THF, par exemple) est minime, d’où un faible signal. Dans ce cas, il faut trouver un autre éluant capable de dissoudre le polymère et de donner une dRI significative. Le réfractomètre 2414 de Waters, et les modèles 2410 et 410 antérieurs, constituent la référence dans le secteur depuis de nombreuses années.

Autre détecteur souvent utilisé pour la GPC : le détecteur UV. Bien évidemment, nous avons besoin de chromophores capables d’absorber dans les UV pour obtenir un signal. Le détecteur UV est excellent pour les polymères de type styrène (polystyrène, styrène/isoprène, styrène/butadiène, ABS, etc.), les résines époxy, les phénols, les polycarbonates, les polyuréthanes et les polyesters aromatiques, par exemple. Pour les analyses en gradient (avec changement de la composition du solvant tout au long de l’analyse), un détecteur UV doit être utilisé, étant donné que le détecteur RI continue à dériver lorsque la composition de l’éluant change. Le détecteur UV 2489 de Waters assure une sensibilité et une linéarité excellentes, ainsi que de remarquables performances globales pour l’analyse GPC/HPLC de polymères et d’additifs absorbant les UV.  

Il est également possible d’utiliser un détecteur à barrette de photodiodes (PDA), qui est un détecteur plus perfectionné que le détecteur UV, performant et capable de générer beaucoup d’informations. La barrette de photodiodes utilisée dans ce type de détecteur permet d’examiner instantanément une large variété de longueurs d’onde. Par exemple, il est possible de configurer le détecteur PDA pour qu’il sonde une plage de longueurs d’onde de 190 à 800 nanomètres (nm), au lieu de se limiter à une ou deux longueurs d’onde comme pour la plupart des détecteurs UV. Nous pouvons maintenant examiner les spectres UV réels de l’échantillon polymère (ou des additifs). Cela nous permet de dégager des informations au sujet de la distribution de la composition chimique. Nous pouvons par exemple déterminer si un SBR (caoutchouc styrène/butadiène) est un copolymère séquencé ou aléatoire. Nous pouvons aussi créer des bibliothèques de spectres avec lesquelles comparer des échantillons inconnus. Cette méthode peut s’appliquer aux polymères ou aux additifs des polymères. Nous pouvons maintenant essayer d’identifier les additifs présents dans les matériaux finis composés. Le détecteur PDA peut également être utilisé pour faciliter la déformulation de composés concurrents.  

Les chimistes chargés de la caractérisation des polymères s’efforçant d’en apprendre le plus possible sur leurs échantillons, d’autres modes de détection sont envisagés. À mesure que nous entrons dans le monde de la détection « avancée » pour l’analyse GPC, nous commençons à envisager des détecteurs sensibles à la masse moléculaire, comme les viscosimètres et les détecteurs à diffusion de lumière. Le viscosimètre est abordé plus en détail dans la section sur l’étalonnage qui suit. Fondamentalement, associer un viscosimètre au réfractomètre permet d’obtenir non seulement la viscosité intrinsèque [h] du polymère, mais également la masse moléculaire « absolue » et une estimation de la ramification à longue chaîne. Le détecteur RI détecte de concentration (C), tandis que le viscosimètre fournit les valeurs [h](C). L’utilisation des deux signaux en tandem indiquera la viscosité intrinsèque à chaque tranche sur le profil d’élution du polymère. Nous pouvons ensuite utiliser les concepts d’étalonnage universel de Benoit abordés dans la section suivante pour obtenir la masse moléculaire absolue de l’échantillon polymère.  

Le détecteur à diffusion de lumière, couplé au réfractomètre, constitue un autre mode de détection avancée performant pour l’analyse GPC. En substance, un faisceau laser cible une cellule (dans le présent cas, en ligne) qui contient la solution d’échantillon. Le faisceau incident sera diffusé par les particules du polymère en solution. En fonction de la conception du détecteur à diffusion de lumière (petit angle ou multi-angle), la masse moléculaire moyenne en poids, Mw, peut être mesurée avec exactitude, avec ou sans le résultat du rayon de giration du polymère en solution.  

Dans les deux cas (viscosimètre ou détecteur à diffusion de lumière combiné au RI), nous obtenons de nombreuses informations très utiles. L’utilisation d’une approche à triple détecteur fournit des données très précieuses, à condition que l’utilisateur soit capable de les interpréter. Pour une description plus détaillée de la réduction des données issues de plusieurs détecteurs, consultez notre section Références.  

Il existe d’autres techniques de détection avancée des polymères et des additifs, telles que la spectrométrie de masse. Toutefois, les détecteurs les plus répandus aujourd’hui pour l’analyse GPC sont le détecteur RI, le détecteur UV/PDA, le viscosimètre et le détecteur à diffusion de lumière.

Traitement des données

Maintenant que nous avons configuré la partie matérielle principale de notre système, passons aux options logicielles qui nous permettront de contrôler ce système et de traiter les données. Avec les ordinateurs très puissants d’aujourd’hui, l’étalonnage et les calculs de distribution des masses moléculaires peuvent être effectués en quelques secondes. Le logiciel Empower convient à la fois à la réduction des données de GPC classique (RI uniquement) et à la détection par viscosimétrie/RI. Empower 2 prend en charge de nombreuses procédures d’étalonnage, y compris l’étalonnage relatif, la comparaison cumulative, l’étalonnage par étalons larges Hamielec, ainsi que l’étalonnage universel. Les ajustements de courbe d’ordre zéro à cinq, ainsi que l’étalonnage borné unique et l’ajustement spline, sont tous pris en charge.