VYLUČOVACÍ ČI SIZE EXCLUSION CHROMATOGRAFII JE JIŽ ŠEDESÁT LET

Význam tématu

Distribuce molárních hmotností polymerů je klíčová pro pochopení jejich vlastností, zpracovatelnosti a konečného uplatnění v praxi. Od Staudingerova zásadního objevu makromolekulární struktury až po současné automatizované metody vyžadovalo stanovení distribuce rychlé, spolehlivé a univerzálně použitelné analýzy. Vylučovací chromatografie (SEC/GPC) tuto potřebu uspokojila a stala se standardem při kontrole průmyslových šarží i výzkumných studií.

Cíle a přehled studie

Cílem původního článku, který oslavil šedesát let od prvního popisu GPC, bylo shrnout historický vývoj, princip metody a nástup její komerční implementace. Autor popisuje klíčové milníky od raných separací podle rozpustnosti až po Mooreův přelom z roku 1964 a významnou roli firmy Waters při uvedení techniky na trh.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda využívá principu dělení makromolekul podle velikosti v kolóně s porézní stacionární fází. Molekuly menší než póry difundují dovnitř a zdržují se déle, větší molekuly eluujiou dříve. Separace probíhá isokraticky či v gradientu teploty (organické rozpouštědlo).

Použitá instrumentace

• Kolony plněné porézními částicemi poly(styren-co-divinylbenzen) o velikosti 45–100 μm (Styragel) v délkách 30–122 cm a vnitřním průměru 7,7 mm až 3 cm (monolitické formáty)
• Čerpadla a směšovací jednotky HPLC se zpětnými ventily
• Termostatované kolónové výměníky pro udržení konstantní nebo gradientní teploty až 135 °C
• Detektory: diferenciální refraktometr (objem cely 0,1–1 ml), UV/VIS detektor, rozptyl světla pod různými úhly (MALS, LALS), viskozimetrický detektor, hmotnostní spektrometrie (ICP-MS)
• Softwarové kalibrační rutiny pro převod retenčního objemu na molární hmotnost

Hlavní výsledky a diskuse

Popis Mooreovy gelové permeační chromatografie z roku 1964 ukázal, že suspenzní polymerizací připravené sférické gelové částice umožňují separovat polystyrenové standardy s úzkou distribucí molární hmotnosti. Firma Waters získala licenci a uvedla modely GPC-100 a GPC-200 s integrovanými refraktometry a čerpadly. Postupná miniaturizace kolon, přechod k HPLC platformám a zavedení citlivějších detektorů dramaticky zlepšily rozlišení, rychlost analýzy a rozsah použití.

Přínosy a praktické využití metody

SEC se stala standardní technikou pro kontrolu kvality a výzkum polymerů. Umožňuje rychlé stanovení distribuce molárních hmotností, polydisperzity a klíčových parametrů ovlivňujících mechanické, termální či viskoelastické vlastnosti materiálů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj směřuje k monolitickým kolonám pro rychlé separace, inlineů detekci kombinující MALS s viskozimetry, hyphenaci s hmotnostní spektrometrií a rozšíření SEC pro biopolymery a nanomateriály. Mikrofluidní formáty mohou umožnit stanovení distribuce za pár minut s minimálním objemem vzorku.

Závěr

Size exclusion chromatografie, popsaná před šedesáti lety, je i nadále nepostradatelnou metodou v analytické chemii polymerů. Neustálé zlepšování stacionární fáze, detektorů a integrace s moderními přístroji zajišťuje její dominanci při stanovení molárních hmotností a distribucí polímerů.

Reference

1. Graham T.: Philosoph. Trans. Royal Soc. London 151, 183 (1861).
2. Staudinger H.: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 53, 1073 (1920).
3. Staudinger H.: Kolloid-Z. 51, 71 (1930).
4. Mark H., Wierl R.: Naturwissenschaften 18, 778 (1930).
5. Mülhaupt R.: Angew. Chem., Int. Ed. 43, 1054 (2004).
6. Staudinger H.: Trans. Faraday Soc. 29, 18 (1933).
7. Schulz G. V.: Z. Phys. Chem. 179A, 321 (1937).
8. Morey D. R., Tamblyn J. W.: J. Phys. Coll. Chem. 51, 721 (1947).
9. Baker C. A., Williams R. J. P.: J. Chem Soc 2352 (1956).
10. Poláček J., Schulz L., Kössler I.: J. Polym. Sci., Pt. C 16, 1327 (1967).
11. Kálal J., Maroušek V., Švec F.: Angew. Makromol. Chem. 38, 45 (1974).
12. Glöckner G.: Gradient HPLC of copolymers and chromatographic cross-fractionation. Springer-Verlag, Berlin 1991.
13. Jančo M., Sýkora D., Švec F., Fréchet J. M. J., Schweer J., Holm R.: J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 38, 2767 (2000).
14. Deuel H., Neukom H.: Some properties of Locust bean gum. American Chemical Society, Washington, D.C. 1954.
15. Flodin P., Porath J.: US patent 3002823 (1961).
16. Porath J., Flodin P.: Nature 183, 1657 (1959).
17. Polson A.: Biochim. Biophys. Acta 50, 565 (1961).
18. Hjertén S., Mosbach R.: Anal. Biochem. 3, 109 (1962).
19. Moore J. C.: J. Polym. Sci., Pt. A. 2, 835 (1964).
20. Moore J. C.: US patent 3326875 (1967).
21. Ettre L. S.: LCGC North America 23, 752 (2005).
22. Alfrey T., Lloyd W. G.: US patent 3322695 (1967).
23. Ettre L. S.: Pure Appl. Chem. 65, 819 (1993).