Qu’est-ce qu’une valeur dn/dc et pourquoi est-elle importante pour GPC/SEC ?

Le détecteur le plus courant dans tout instrument GPC/SEC est un détecteur d’indice de réfraction (RI). Il y a plusieurs raisons à cela, mais la plus importante est que la différence d’indice de réfraction entre celle d’une solution d’échantillon et celle du même solvant sans échantillon est directement proportionnelle à la concentration de l’échantillon. C’est pourquoi les détecteurs RI sont appelés détecteurs de concentration. (Il convient de noter que les détecteurs UV-Vis sont également des détecteurs de concentration, mais nécessitent que l’échantillon ait une chromophore et absorbe la lumière à une longueur d’onde détectable).

Lorsqu’il est utilisé comme unique détecteur dans un système GPC/SEC, les concentrations relatives des différentes tranches de données dans un pic d’échantillon peuvent être déterminées, ce qui, une fois combiné avec une courbe de calibration, permet de calculer les moments relatifs de masse moléculaire (Mn, Mw, Mz). Lorsqu’un détecteur RI est combiné avec des détecteurs de dispersion de lumière et de viscosimètre, la concentration exacte de l’échantillon à chaque tranche de données doit être déterminée pour calculer la masse moléculaire absolue et la viscosité intrinsèque. Et comment obtenons-nous la concentration exacte d’un échantillon à chaque tranche de données ? En utilisant la valeur dn/dc de l’échantillon.

Qu’est-ce que dn/dc ?

Le paramètre clé pour traduire la sortie du détecteur RI en concentration exacte d’échantillon est la valeur dn/dc, ou incrément d’indice de réfraction. Cette valeur est unique pour une combinaison échantillon-solvant, car elle représente la différence d’indice de réfraction entre l’échantillon et le solvant. (D’autres facteurs peuvent affecter la valeur dn/dc d’un échantillon, comme la longueur d’onde de la source lumineuse et les poids moléculaires extrêmement faibles, mais ces situations sont rares). En général, les valeurs de dn/dc varient de 0,05 à 0,20, des valeurs de dn/dc plus élevées offrant des réponses RI plus fortes. Parfois, un échantillon et un solvant ont le même indice de réfraction, comme le polydiméthylsiloxane (PDMS) et le THF, ce qui entraîne une valeur de dn/dc de zéro. Cela signifie que peu importe la concentration de la solution d’échantillon, le détecteur RI ne montrera aucune réponse.

L’exemple suivant illustre comment le dn/dc d’un échantillon affecte sa réponse RI. Deux échantillons ont été préparés et analysés sur le système OMNISEC : un polystyrène (PS) et un polyméthacrylate de méthyle (PMMA), tous deux avec des concentrations de 2 mg/mL. Cela signifie que la même quantité de masse a été injectée pour les deux échantillons. Étant donné que le détecteur RI mesure la concentration, l’attente initiale pourrait être que les deux pics seraient de taille et de surface similaires.

Cependant, les signaux RI résultants montrent une différence claire : le pic de l’échantillon PS (rouge) est plus de deux fois plus grand que celui produit par le PMMA (violet). Si les deux échantillons ont la même concentration, pourquoi leurs pics sont-ils si différents ?

Comme vous pourriez vous y attendre, la réponse est que le PS et le PMMA ont des valeurs dn/dc différentes. La valeur dn/dc pour le PS dans le THF est de 0,185 et celle du PMMA dans le THF est de 0,085. La valeur pour le PS est un peu plus de deux fois celle du PMMA, ce qui se traduit par un pic qui semble être environ deux fois plus grand. En fait, la surface de pic de l’échantillon PS est de 253,3 mV•mL, un peu plus de deux fois la surface du pic du signal PMMA, 122,5 mV•mL.

Une collection de valeurs dn/dc pour les types d’échantillons courants dans divers solvants peut être trouvée commodément dans cet article de blog précédent.

Pourquoi dn/dc est-il important ?

Comme indiqué précédemment, lors de l’analyse d’échantillons à l’aide d’un système GPC/SEC avec détecteurs avancés, connaître la concentration exacte de l’échantillon à chaque tranche de données est crucial. Le calcul de tous les paramètres moléculaires à partir de la diffusion de lumière, du viscosimètre et des détecteurs UV dépend de la connaissance de la concentration de l’échantillon, comme indiqué dans les équations ci-dessous. Lorsque la valeur dn/dc est connue, un échantillon de concentration inconnue peut être analysé et le signal RI peut être utilisé pour déterminer la concentration. Cette concentration est ensuite appliquée aux autres équations des détecteurs permettant de calculer la masse moléculaire, l’indice de viscosité (IV) et d’autres propriétés connexes. En fin de compte, la valeur dn/dc est importante car elle est le lien qui traduit le signal RI brut en concentration d’échantillon.

En profitant de la relation directe entre la concentration et la valeur dn/dc, il est possible d’utiliser le logiciel OMNISEC pour calculer facilement une valeur dn/dc inconnue. La seule exigence est que l’échantillon soit complètement soluble dans le solvant de dissolution et la phase mobile pour que la concentration d’entrée corresponde à la masse de l’échantillon observée par les détecteurs. Le logiciel supposera une récupération d’échantillon de 100% et, en connaissant la concentration et le volume d’injection, reliera la quantité de masse injectée dans le système au signal RI observé. Puisque la concentration est connue dans ce cas, le seul paramètre inconnu dans l’équation RI mentionnée ci-dessus est la valeur dn/dc, que le logiciel calculera et affichera. Une version plus détaillée de cette approche est d’analyser une série de dilutions d’un échantillon et d’obtenir la valeur dn/dc à partir de la relation entre la réponse RI et les différentes concentrations d’échantillons. Cependant, ces méthodes échouent lorsque la concentration ou la pureté de l’échantillon n’est pas connue, que l’échantillon n’est pas complètement soluble ou dans toute autre situation où l’hypothèse de récupération à 100% ne peut être respectée.

Quels sont les effets du dn/dc ?

En plus d’être essentiel pour calculer les données de caractérisation pour votre échantillon, la valeur dn/dc peut affecter vos données brutes de façons que vous ne pourriez pas réaliser. La première manière a été évoquée précédemment, en ce que la magnitude de la valeur dn/dc affectera la hauteur et la surface du pic. Il a également été mentionné la situation où le dn/dc d’un échantillon est zéro, entraînant l’absence de pic d’échantillon. Bien que la plupart des échantillons aient des valeurs dn/dc positives, où leur indice de réfraction est supérieur à celui de la phase mobile produisant un pic d’échantillon positif, ce n’est pas toujours le cas. Il existe certaines combinaisons échantillon-solvant qui entraînent une valeur dn/dc négative pour l’échantillon, la plus courante étant les polyoléfines dans le 1,2,4-trichlorobenzène (TCB). Cela mène à des chromatogrammes intéressants, comme le chromatogramme triple détecteur pour un échantillon de polyéthylène dans le TCB ci-dessous, où le signal RI montre un pic négatif tandis que les autres détecteurs présentent des pics positifs. Si vous rencontrez un échantillon comme celui-ci, ne vous inquiétez pas – le logiciel peut gérer les pics RI négatifs aussi facilement que les positifs.

Plus courants que les pics d’échantillons négatifs sont les pics de solvant négatifs. Ceux-ci apparaissent généralement au volume de vide de la colonne à la fin d’une analyse. Le pic négatif entre 32-33 mL dans le chromatogramme ci-dessus en est un exemple. Les différences entre le solvant de dissolution et la phase mobile produiront un certain nombre de pics positifs et/ou négatifs dans cette région. En raison de la sensibilité du détecteur RI, ces différences dn/dc peuvent être aussi légères que la quantité d’humidité absorbée par la phase mobile par rapport au solvant de dissolution, la présence de sel dans l’un ou l’autre, ou même l’utilisation de deux bouteilles différentes du même solvant commercial. La bonne nouvelle est que tant qu’ils sont résolus à partir du pic d’échantillon, ils n’affectent pas du tout le processus d’analyse des données.

Si vous vous référez à la liste des équations de réponse des détecteurs, vous verrez que la valeur dn/dc est également incluse dans l’équation de dispersion de lumière. Bien que le principal facteur influençant la réponse de dispersion de lumière soit le poids moléculaire de l’échantillon, il y a un élément d’indice de réfraction impliqué. Nous avons déjà discuté de la façon dont un échantillon avec une valeur dn/dc de zéro ne produira pas de signal RI ; il ne produira pas non plus de signal de dispersion de lumière. Et puisque le terme dn/dc dans l’équation de dispersion de lumière est au carré, les échantillons avec des valeurs dn/dc faibles sont parfois difficiles à observer.

Tout cela pour dire que lors de l’analyse d’un échantillon à l’aide d’un système GPC/SEC avec des détecteurs avancés, la connaissance de la valeur dn/dc est primordiale. Le dn/dc affecte les données brutes de l’échantillon en termes de magnitude des réponses du signal RI et de dispersion de lumière, que l’échantillon produise un pic positif ou négatif, et influence la collection des pics qui élurent au volume vide de l’ensemble de colonnes. Lors de l’analyse de données, la valeur dn/dc offre un moyen de déterminer la concentration exacte de l’échantillon à chaque tranche de données collectée, qui peut ensuite être utilisée pour calculer la masse moléculaire absolue, la viscosité intrinsèque et d’autres propriétés moléculaires.

J’espère que vous avez maintenant une meilleure idée de ce qu’est une valeur dn/dc et du rôle important qu’elle joue dans l’obtention de données de caractérisation GPC/SEC précises.

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