Messmethoden für das absolute Molekulargewicht von synthetischen Polymeren

MESSUNG DES ABSOLUTEN MOLEKULARGEWICHTS VON SYNTHETISCHEN POLYMEREN

MIT DEM VISCOTEK SEC-MALS 20

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Einführung 

Die physikalischen Eigenschaften und das Verhalten von Polymeren hängen stark von den Eigenschaften der Polymermoleküle selbst ab. Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung, Molekülgröße und Struktur beeinflussen, wie sich das Material verhält.  

Gel-Permeationschromatographie (GPC), auch Größen-Ausschluss-Chromatographie (SEC) genannt, ist das am häufigsten verwendete Werkzeug zur Bewertung dieser Parameter. 

Das Prinzip der GPC beinhaltet die Trennung der Probe, während sie durch eine poröse, aber träge Säulenmatrix wandert. Während kleinere Moleküle die Poren tiefer durchdringen, sind größere Moleküle ausgeschlossen und wandern daher schneller durch die Säule. Das Ergebnis ist eine Trennung basierend auf dem hydrodynamischen Volumen, aber das Ziel ist es, das Molekulargewicht der Probe zu kennen. 

Das Malvern SEC-MALS 20 System ist ein 20-Winkel-Lichtstreudetektor, der in der Lage ist, Messungen des Molekulargewichts und des Gyrationsradius (Rg) durchzuführen. Es wird als Teil eines Multi-Detektor-GPC-Systems verwendet, das Lichtstreuung mit anderen Detektoren wie dem Brechungsindex (RI), Ultraviolett (UV) und intrinsischer Viskosität (IV) kombiniert, um eine große Menge an Informationen über eine Probe simultan zu erzeugen. 

In dieser Anwendungsnotiz werden das Molekulargewicht, die Molekulargewichtsverteilung und die Größe von zwei gängigen Polymeren mit Hilfe von SEC-MALS gemessen. Die Ergebnisse von SEC-MALS werden mit denen der konventionellen Kalibrierung verglichen und die Unterschiede werden diskutiert. 



Materialien und Methoden 

Das SEC-MALS 20 System wurde mit einem Viscotek GPCmax und einem Viscotek VE3580 RI-Detektor verbunden.  

Proben wurden unter Verwendung von zwei Viscotek T6000M-Säulen getrennt. Die mobile Phase war THF, stabilisiert mit 300 ppm BHT.  

Die Proben wurden über Nacht aufgelöst, um eine vollständige Auflösung sicherzustellen.  

Das SEC-MALS-System wurde mit einem rückverfolgbaren 105 kDa Polystyrolstandard kalibriert.  

Das konventionelle Kalibrierungssetup wurde mit einer Reihe von Polystyrolstandards bekannter Molekulargewichte kalibriert. 

Die Detektoren und Säulen wurden alle bei 35°C gehalten, um eine gute Trennung und maximale Basislinienstabilität zu gewährleisten. 

In dieser Notiz analysierte Proben sind ein Polystyrolsample mit einer breiten Verteilung und einem Molekulargewicht von 235 kDa (2,35 x 105 g/mol) und ein breites Verteilungsmuster von Polymethylmethacrylat (PMMA). Beide wurden in der mobilen Phase gelöst und durch das System geführt.  

Ihre Molekulargewichte wurden sowohl mit konventioneller Kalibrierung als auch mit SEC-MALS 20 gemessen. 

Ergebnisse 

 

Ein Chromatogramm der 235 kDa Polystyrol-Probe mit hoher Polydispersität ist in Abbildung 2A gezeigt. Die eingelegte Tabelle zeigt das gemessene Molekulargewicht.  

Der Viscotek SEC-MALS 20 misst die Lichtstreuintensität bei 20 Winkeln, und die vollständigen Winkel-Messdaten sind in Abbildung 2B dargestellt. 

Die Molekulargewichts- und Rg-Verteilungen werden in Abbildung 2C gezeigt. Rg wurde über etwa drei Viertel des Peaks gemessen, was dem Bereich entspricht, in dem die Moleküle groß genug sind, um Licht anisotrop zu streuen, und daher kann der Rg gemessen werden, dargestellt durch die marine Linie. 

Ein Debye-Diagramm, das die Winkeldependenz des gestreuten Lichts zeigt, wird in Abbildung 2D gezeigt. Bei einem Retentionsvolumen von etwa 18 ml sind die Moleküle so klein, dass sie isotrope Streuer sind, was bedeutet, dass sie Licht gleichmäßig in alle Richtungen streuen. 

Ein Beispiel für ein Debye-Diagramm aus dieser Region kann in Abbildung 2E gesehen werden. Der Verlauf der Linie ist praktisch null und ein Rg kann nicht gemessen werden. 

Daher endet die Rg-Verteilung bei etwa 10 nm, was das untere Rg-Limit für SEC-MALS ist, und wird von diesem Punkt extrapoliert. 

Historisch gesehen wurden Messungen des Molekulargewichts mit GPC unter Verwendung einer konventionellen Kalibrationskurve durchgeführt, die aus einer Reihe von Standards bekannter Molekulargewichte bestand. 

Für diese Arbeit wurde eine Kalibrationskurve mit einer Reihe von Polystyrolstandards erstellt. Die Kurve kann in Abbildung 3 überlagert auf einem Chromatogramm von PS400k, einem 4×105 g/mol Standard, der als Teil der Kalibrationskurve verwendet wurde, gesehen werden. 

Eine Probe von Polymethylmethacrylat (PMMA) wurde in der mobilen Phase gelöst und im System getrennt. 

Abbildung 4 zeigt ihr Chromatogramm überlagert mit der gleichen konventionellen Kalibrationskurve für Polystyrol. Die Molekulargewichtsergebnisse sind in der eingelegten Tabelle gezeigt. 

Diese Probe ist tatsächlich bekannt für ein Molekulargewicht von 9,5 x 104 g/mol, gemessen durch Niedrigwinkel-Lichtstreuung (LALS).  

Allerdings beträgt ihr gemessenes Molekulargewicht bei der konventionellen Kalibrierung etwa 85 kDa und wird daher erheblich unterberichtet. 

Der Grund dafür ist, dass das PMMA eine andere Größen-/Molekulargewichtsbeziehung zu den in der Kalibrierung verwendeten Polystyrolstandards hat, was bedeutet, dass es eine andere Struktur hat. 

Moleküle mit ähnlichem Molekulargewicht eluieren daher bei unterschiedlichen Retentionsvolumina. 

Dies bestätigt, dass, wenn Polystyrol zur Erstellung einer konventionellen Kalibrationskurve verwendet wird und PMMA die Probe darstellt, das gemessene Molekulargewicht falsch sein wird. 

Diese Beziehung wird tatsächlich durch die intrinsische Viskosität des Moleküls definiert, aber dieser Parameter wird in anderen Anwendungsnotizen (Ref. MRK 1925) diskutiert. 

Andererseits sind Molekulargewichtsmessungen durch Lichtstreuung unabhängig vom Retentionsvolumen der Probe.  

Wenn also diese PMMA-Probe gemessen wird, sollten die Ergebnisse genauer sein. 

Die Messung der Probe mit dem Viscotek SEC-MALS 20 ergab die in Abbildung 5 gezeigten Ergebnisse. 

Abbildung 5A zeigt das Chromatogramm der PMMA-Probe einschließlich sowohl der RI- als auch der SEC-MALS-90°-Signale. 

Die eingelegte Tabelle zeigt, dass das gemessene Molekulargewicht 94 kDa beträgt, sehr nahe am korrekten Wert, der durch LALS gemessen wurde. 

Das Molekulargewicht wurde daher mit dem SEC-MALS weit genauer als mit der konventionellen Kalibrierung gemessen. 

Das gemessene Molekulargewicht ist in Abbildung 5C über dem RI-Chromatogramm überlagert. Wie oben für die Polystyrolprobe diskutiert, ermöglicht die Verwendung von MALS auch die Messung des Rg für Moleküle, die groß genug sind, um Licht anisotrop zu streuen. 

Abbildung 5C zeigt das gemessene Rg über den größten Teil des Peaks. Der gemessene durchschnittliche Rg beträgt 10,2 nm. Am abfallenden Rand des Peaks kann der Rg aufgrund des isotropen Lichtstreuverhaltens des Probenmaterials nicht mehr gemessen werden. 

Diskussion 

Die Ergänzung eines Lichtstreudetektors in ein GPC-System fügt die Fähigkeit hinzu, das Molekulargewicht eines Polymers unabhängig von seinem Elutionsvolumen genau zu messen.