Ćwiczenie 5 Wyznaczanie parametrów makrocząsteczki za pomocą chromatografii żelowej.

Transkrypt

1 Ćwiczenie 5 Wyznaczanie parametrów makrocząsteczki za pomocą chromatografii żelowej. Odkąd zdano sobie sprawę z dużej niejednorodności cząsteczkowej układów polimerowych chromatografia żelowa stała się uniwersalną metodą rozdziału mieszanin polimolekularnych na frakcje oraz wyznaczania funkcji rozkładu ciężaru cząsteczkowego. Rozkład ciężaru oznaczony tą techniką służy do obliczania wszystkich typów średnich ciężarów cząsteczkowych (Mn, Mw, Mz), a ponadto technika GPC (ang. Gel Permeation Chromatography) pozwala oznaczać (w zależności od stosowanych metod detekcji) takie parametry makrocząsteczki jak promień bezwładności i jego rozkład, promień hydrodynamiczny i wiele inne. Istota rozdzielania chromatograficznego Chromatografia jest fizykochemiczną metodą rozdzielania składników mieszanin w wyniku ich różnego podziału między fazę ruchomą i nieruchomą układu chromatograficznego Spośród istniejących teorii dotyczących mechanizmu rozdzielania wyróżnić można teorię: wykluczania sterycznego, ograniczonej dyfuzji, oraz statystyczno-termodynamiczną. Opracowanie pełnej teorii jest utrudnione chociażby z tego powodu, że pory w ziarnach żelu mają różne rozmiary i nieregularne kształty. Bez względu na rodzaj teorii używanej do opisu zjawiska rozdziału pomiar w chromatografii żelowej polega na wprowadzeniu na kolumnę, wypełnioną cząstkami porowatego żelu, niewielkiej próbki roztworu polimeru. Rozpuszczalnik (eluent) płynący przez kolumnę ze stałą prędkością unosi ze sobą makrocząsteczki, które podczas przepływu przez kolumnę ulegają rozdziałowi na frakcje o różnej objętości hydrodynamicznej. Makrocząsteczki o rozmiarach kłębków porównywalnych z rozmiarami największych porów nie mogą przenikać do wnętrza żelu, wędrują, więc z rozpuszczalnikiem poprzez przestrzeń między cząsteczkami żelu w kolumnie. Przebywają w niej najkrócej, wymywane są najszybciej, więc jako pierwsze docierają do detektora znajdującego się za kolumną. Mniejsze makrocząsteczki dyfundują do wnętrza żelu i im mniejsza jest ich objętość hydrodynamiczna tym głębiej wnikają one w strukturę porowatą żelu ich czas przebywania w kolumnie jest tym dłuższy im są one mniejsze.

2 Konstrukcja aparatu i wykonanie pomiarów Schemat układu do chromatografii żelowej przedstawiony został na Rysunku 1. Do odgazowanego eluentu wstrzykiwana jest określona przez długość pętli na wstrzykiwaczu ilość roztworu polimeru o znanym stężeniu. Po przejściu przez prekolumnę (PL aquagel-oh Guard 8m) niesiony przez fazę ruchomą roztwór polimeru trafia na kolumnę (PL aquagel- OH MIXED 8m), w której ulega rozdziałowi na frakcje o określonej średnicy hydrodynamicznej. Filtr umieszczony za kolumną zapobiega przedostawaniu się do detektorów wymytych z kolumny cząsteczek wypełnienia. Rozdzielony na frakcje roztwór polimeru w pierwszej kolejności przechodzi przez detektor rozpraszania światła schemat detektora przedstawiony został na Rysunku 2. Rysunek 1 Schemat układu do chromatografii żelowej.

3 Rysunek 2 Schemat układu do pomiaru intensywności światła rozproszonego pod kątem 90 (Viscotek LD 600) Zasada działania tego detektora niemal w niczym nie odbiega od działania układu do statycznego rozpraszania światła. Uwzględnić jedynie należy, że jest to pomiar tylko przy jednym kącie rozpraszania (90). Dlatego też w oprogramowaniu przeznaczonym do obróbki danych (TriSEC GPC) stosuje się specjalny algorytm uwzględniający kątową asymetrię rozpraszania światła: początkowo funkcji rozpraszania P() przypisuje się wartość 1 i na jej podstawie, z zależności: R M θ Kc (1) oblicza się unkowy ciężar cząsteczkowy M. na podstawie M oraz zmierzonej wartości lepkości istotnej 1 owana jest, w oparciu o równanie Floryego-Foxa (równanie 2), wartość promienia makrocząsteczki R FF, 1 Patrz opis działania detektora refraktometryczno-wiskozymetrycznego.

4 R F-F, ηm 3 (2) 6 gdzie jest stałą Floryego-Foxa: a 1 2a 1 2, ,63 2,86 (3) 3 3 (a jest wykładnikiem z równania Marka-Houwinka). w oparciu o funkcję Debaye a (4) owana jest poprawiona wartość funkcji rozpraszania P(90) : x 2 e 1 x P 90 gdzie 0 R FF, 0 x 2 4πn x (5) λ (4) n 0 jest współczynnikiem refrakcji rozpuszczalnika a 0 długością padającego światła laserowego 2. na podstawie poprawionej wartości P(90) ponownie owany jest ciężar cząsteczkowy: M ' M (6) P 90 Procedura ta powtarzana jest do momentu, w którym nie następują zmiany w obliczonym ciężarze i promieniu makrocząsteczek. Po przejściu przez detektor mierzący intensywność światła rozproszonego przez każdą z frakcji wstrzykniętej próbki polimeru trafia ona do detektora refraktometrycznowiskozymetrycznego (Viscotek 250). Roztwór rozdzielany jest na dwie równe części, które kierowane są do refraktometru oraz wiskozymetru. 2 W przypadku detektora Viscotek LD 600 jest to 670 nm.

5 Rysunek 3 Schemat podwójnego detektora (refraktometryczno-wiskozymetrycznego) Viscotek 250. Na podstawie TriSEC GPC Software, Reference Manual. W części refraktometrycznej, przedstawionej schematycznie na Rysunku 3(a) światło laserowe przechodząc przez kuwetę pada na wklęsłe zwierciadło ogniskujące wiązkę i odbijające ją tak, że przechodzi ona ponownie przez kuwetę a następnie dociera do rozdzielacza wiązki. Tam jest ona rozdzielana na dwie wiązki padające na fotodiody generujące prąd elektryczny proporcjonalnie do ilości padającego światła. Gdy obie części kuwety (odnośnikowa i pomiarowa) wypełnione są cieczą o takim samym współczynniku załamania światła w obu diodach generowany jest prąd o tym samym natężeniu. Natomiast jeśli w części pomiarowej kuwety pojawi się próbka polimeru wiązka światła ulega odchyleniu zgodnie z prawem Snella. Sygnał z detektora V RI jest proporcjonalny do stężenia próbki c oraz jej inkrementu współczynnika załamania światła (dn/dc) dn V RI kc (7) dc gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalność określającym czułość detektora. Stała ta wyznaczana jest przy użyciu roztworu standardu polimeru o znanym stężeniu i znanej wartość dn/dc, na podstawie której obliczany jest także współczynnik dn/dc dla badanych roztworów polimerów. dn dc nieznane dn dc RI znane znane RI nieznane (8) Schemat wiskozymetru przedstawiony został na Rysunku 3b. Jego działanie polega na pomiarze ciśnienia na wejściu do układu kapilar, przypominającego swą budową mostek Wheatstone a, oraz ciśnienia różnicowego pomiędzy kapilarą pomiarową i kapilarą z

6 odnośnikiem. Kolumna opóźniająca, umieszczona przed kapilarą K4, zapewnia obecność w kapilarze odnośnikowej wyłącznie fazy ruchomej (eluentu), podczas gdy w kapilarze pomiarowej znajduje się próbka polimeru. Lepkość badanego roztworu obliczana jest na podstawie zależności η sp 4DP (4) IP 2DP gdzie sp oznacza lepkość właściwą, DP ciśnienie różnicowe a IP ciśnienie na wejściu mostka. Wartość lepkości istotnej obliczana jest na podstawie wzoru Salomona-Gatesmana: η 1 1 η ln η 2 sp sp 2 2 (5) c gdzie c jest stężeniem polimeru. Taka budowa układu chromatograficznego (zgrupowanie trzech detektorów) zapobiega konieczności kalibracji układu z użyciem szeregu standardów polimerów. Wykonanie ćwiczenia Przygotować roztwory standardów oraz próbek wybranego polimeru. Włączyć układ do chromatografii żelowej. Sprawdzić poprawność linii podstawowej. Ustawić parametry pomiaru (czas zbierania danych, temperatura, itd.) Nastrzyknąć próbkę pierwszego standardu. Wyznaczyć czas retencji. Z otrzymanego chromatogramu sporządzić metodę obliczeniową dla kolejnych próbek. Powtórzyć powyższą procedurę dla dwóch kolejnych standardów. Nastrzyknąć próbkę badanego polimeru. Wyznaczyć czas retencji. Na podstawie otrzymanych metod obliczeniowych wyznaczyć ciężar cząsteczkowy i inne parametry badanego polimeru. Wyciągnąć wnioski z analizy otrzymanych wyników Na podstawie czasów retencji standardów i czasu retencji badanego polimeru wyznaczyć jego ciężar cząsteczkowy. Porównać z wynikiem otrzymanym z obliczeń otrzymanych z użyciem trzech detektorów i wyciągnąć wnioski.