ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2013, том 55, № 3, с. 312-320
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 541(24+64)
МОНОЛИТНЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ НА ОСНОВЕ ДИМЕТАКРИЛАТЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ ПО МОЛЕКУЛЯРНЫМ МАССАМ
© 2013 г. Е. Н. Викторова, А. А. Королев, Т. Р. Ибрагимов, A. Ю. Канатьева, А. А. Курганов
Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 29 Поступила в редакцию 03.05.2012 г. Принята в печать 08.09.2012 г.
На основе диметакрилатэтиленгликоля синтезированы полярные монолитные капиллярные колонки для молекулярно-массового разделения стандартов полистирола. Оптимизацию структуры монолита проводили путем варьирования природы порообразователя, поскольку изменение других параметров синтеза (время и температура полимеризации, количество мономера в исходной поли-меризационной смеси) оказалось малоэффективным. Отмечено, что разделение полимеров на монолитных сорбентах происходит по совместному эксклюзионно-гидродинамическому механизму. Для синтезированных колонок построены калибровочные графики, основанные на модели, учитывающей вклад в удерживание обоих механизмов. Монолитные колонки с оптимальной структурой монолита позволяют использовать до 60% свободного объема колонки для разделения полимеров и эффективно их разделять в широком диапазоне молекулярных масс.
БО1: 10.7868/80507547513030148
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня наиболее распространенным методом хроматографического анализа полимеров является эксклюзионная хроматография (ЭХ) [1—4]. Основная задача, которую решают при помощи этого метода — получение информации о молекуляр-но-массовом составе полимера. Порядок элюирования в ЭХ определяется размером молекулы, а не ее молекулярной массой. При отсутствии сорбционных эффектов в ЭХ быстрее элю-ируются из колонки более крупные молекулы, которые не проникают в застойные зоны, а перемещаются вместе с элюентом по системе взаимосвязанных транспортных пор. Молекулы меньшего размера проникают в застойные зоны (обычно это мезо- и микропоры) и элюируются позднее более крупных молекул.
В гидродинамической хроматографии (ГДХ) разделение макромолекул происходит за счет параболического профиля скорости потока жидкости в транспортных порах (ими могут быть межгранульные поры в заполненных колонках или просто узкие капилляры). Крупные частицы исключаются из медленнее движущихся зон у стенок капилляра и, следовательно, будут перемещаться со скоростью, превышающей среднюю скорость потока. Насколько средняя скорость
E-mail: kurganov@ips.ac.ru (Курганов Александр Александрович).
движения макромолекулы превосходит среднюю скорость движения элюента, зависит от соотношения диаметра молекулы и диаметра транспортного канала — чем оно ближе к единице, тем быстрее движется частица. Поскольку макромолекулы имеют размер порядка сотен нанометров (как правило, намного меньше), их разделение методом ГДХ возможно лишь в очень узких каналах, имеющих субмикронные размеры. Теория метода ГДХ была разработана E.A. DiMarzio и C.M. Guttman [5], практическое воплощение метода впервые было реализовано H. Small [6, 7], который продемонстрировал возможность его применения для разделения смесей коллоидных частиц, используя для разделения колонку, заполненную непористыми гранулами. Позднее [8, 9], было показано, что методика подходит как для разделения частиц, так и для разделения крупных макромолекул. G. Stegman c соавторами [10, 11] значительно расширили возможности метода, применяя колонки, наполненные непористыми частицами силикагеля с диаметром порядка 1.5 мкм.
Таким образом, в общем случае механизм удерживания макромолекулы в хроматографиче-ской колонке в отсутствие сорбционных эффектов определяется сочетанием механизмов ЭХ и ГДХ. Относительный вклад каждого из механизмов зависит от диаметра частиц сорбента и соотношения размера транспортных пор в структуре
сорбента и размера макромолекул. При разделении полимеров на стандартных колонках для ЭХ, заполненных сорбентами с размером гранул 5— 10 мкм, вклад механизма ГДХ обычно незначителен и его не учитывают.
При разделении биополимеров (в основном нуклеиновых кислот) был обнаружен еще один тип хроматографического разделения, получивший название "слалом-хроматографии" [12—14]. Механизм удерживания полимеров в слалом-хроматографии еще до конца не выяснен, но он не связан с сорбцией макромолекул и, как предполагают, определяется тем, что макромолекулы, движущиеся по колонке, должны огибать частицы сорбента [13]. Это процесс более сложен для крупных макромолекул, которые должны огибать сразу несколько частиц сорбента. Эти молекулы элюируются медленнее, чем молекулы с меньшей ММ, т.е. порядок элюирования полимеров в слалом хроматографии обратный по сравнению с таковым в ЭХ и ГДХ.
В литературе предложен ряд моделей, позволяющих учесть одновременную реализацию нескольких механизмов в процессе разделения макромолекул. Так, в работе [15] предложена общая математическая модель для разделений ЭХ и ГДХ, при создании которой считалось, что небольшие молекулы будут равномерно распределяться в порах сорбента, а также на различных расстояниях от стенок капилляра. Молекулы среднего размера будут ограниченно проникать в поры и подходить к стенкам капилляра, а наиболее крупные молекулы — находиться наиболее далеко от стенок и исключаться из пор сорбента. Авторы показали наличие перехода между режимами ЭХ и ГДХ, первый из которых соответствует наименьшим молекулярным массам. Относительный объем удерживания при этом может быть выражен через ММ макромолекулы, таким образом удается получить единую калибровочную кривую для обоих режимов. В работе [16] описана другая теоретическая модель, учитывающая сосуществование механизмов ЭХ и ГДХ. На общем калибровочном графике наблюдается переход от области ГДХ при более высоких значениях ММ полимера к режиму ЭХ в области более низких значений. Модель, учитывающая совместное действие механизмов ЭХ и ГДХ рассмотрена в работе [14].
В предыдущих публикациях [17, 18] мы описали синтез монолитных колонок на основе ДВБ, имеющих оптимальную структуру для разделения полимеров неадсорбционным методом. Показано, что разделение полимеров на монолитной колонке на основе ДВБ происходит по совмещенному механизму ЭХ—ГДХ. Данная работа посвящена синтезу монолитов на основе ди-метакрилатэтиленгликоля (ДМЭГ) и оптимиза-
ции их структуры для молекулярно-массового анализа синтетических полимеров.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Получение монолитных колонок
Монолитные колонки на основе ДМЭГ получали в кварцевом капилляре с внутренним диаметром 100 мкм и наружным диаметром 360 мкм. Предварительно провели активацию внутренней поверхности капилляра и ее модификацию три-метоксисилилпропилметакрилатом, как описано в работе [18]. Для приготовления in situ монолитного полимера, модифицированный капилляр заполняли полимеризационной смесью, состоящей из диметакрилата этиленгликоля, толуола, алканола СиИ2и -1OH и АИБН. Термическую полимеризацию проводили, как описано в работе [18]. Условия полимеризации, состав полимери-зационной смеси и характеристики синтезированных монолитов приведены в табл. 1.
Стандарты и реактивы
Полистирольные стандарты с узким молеку-лярно-массовым распределением взяли у "Polymer Labs" (Англия), "MZAnalysentechnik" (Германия) и "PSS" (Германия). Характеристики стандартов (ММ и коэффициент полидисперсности) приведены в табл. 2.
ДМЭГ и бензол приобрели у фирмы "Merck" (Германия) и использовали без дополнительной очистки.
Хлористый метилен, служивший элюентом при проведении разделений, имел квалификацию "для ВЭЖХ" и его применяли без дополнительной очистки.
Оборудование
Все эксперименты проводили на хроматографе фирмы "8Ышаё2и" (Япония), состоявшем из насоса высокого давления LC-10AD, УФ-детек-тора SPD-10A с переменной длиной волны и ячейкой для капиллярных колонок, инжектора Reodyne 7125 с петлей объемом 2 мкл. Поскольку насос не может создавать устойчивый поток менее 100 мкл/мин, после инжектора установили делитель потока, представлявший собой тройник со сменными рестрикторами. Варьируя сопротивление рестриктора, можно было обеспечивать необходимые потоки жидкой фазы через монолитную колонку до 0.1 мкл/мин. Хроматографи-ческие данные собирали с помощью программы "Chromstar" ('^Г', Германия).
Таблица 1. Условия синтеза монолитных капиллярных колонок и их проницаемость
Колонка, № Условия синтеза Длина колонки, см Проницаемость В0 х 10-11, см2
Количество мономера, мас. % Т, °С Продолжительность, мин Плохой пороген
1 35 70 60 додеканол 43 309
2 35 75 60 додеканол 49 126
3 35 77 60 додеканол 44 8.4
4 35 79 60 додеканол 26 4.2
5 35 70 120 додеканол 40 106
6 35 70 180 додеканол 38 82
7 35 70 300 додеканол 37 4.8
8 35 75 60 додеканол 42 42
9 35 75 60 деканол 50 30
10 35 75 60 нонанол 50 2.8
11 35 75 60 октанол 50 2.5
12 35 75 60 гептанол 50 0.6
13 38 75 60 додеканол 47 2.2
14 38 75 60 нонанол 100 0.5
15 38 75 60 гептанол 50 0.3
Определение пористости монолитов
Пористость синтезированных монолитных колонок характеризовали, как описано в работах [17, 18]. Полный геометрический объем колонки Ус складывается из объема проходных пор У0, объема непроходных пор Ум и объема твердого монолита У*:
Ус = Уб + Ум = У* + (Уо + Ум), (1)
здесь Ум = (У0 + УМ) — объем свободного пространства внутри капиллярной колонки.
Общую пористость колонки е, показывающую долю свободного пространства Ум в объеме капиллярной колонки Ус, определяли грави-
Таблица 2. Характеристики полистирольных стандартов, использованных в работе
метрическим методом [18] и вычисляли по формуле
Мр, Да Mw /мп Мр, Да Mw /Мп
500 1.3 2.33 х 105 1.10
800 1.3 3.9 х 105 1.08
4.25 х 103 1.11 5.0 х 105 1.10
1.1 х 104 1.08 7.7 х 105 1.10
3.9 х 104 1.06 1.44 х 106 1.09
5.0 х 104 1.06 3.34 х 106 1.09
7.6 х 104 1.05 4.41 х 106 1.15
1.1 х 105 1.10 8.91 х 106 1.17
1.8 х 105 1.10 - -
= VM = 4 ( m 2 - mi >х 100 %,
V
(2)
pnd L
где т2 — масса монолитной капиллярной колонки, заполненной четыреххлористым углеродом, т1 — масса колонки после продувки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.