三重检测GPC /秒组合来自多个探测器的测量提供不仅增加了大量的数据,而且信息,由于可用的组合不同的探测器和不会使用单个探测器分别获得。三重检测GPC /秒的理论描述。
三重检测GPC /秒是一种行之有效的技术准确、完整描述的大分子。该技术结合光散射和粘度计探测器与折射率(RI)探测器和适用于自然分子,如蛋白质或多糖和合成聚合物。
由此产生的分子量和结构信息大分子的研究人员提供了一个宝贵的工具。本文档将有助于三重检测GPC /秒的从业者理解探测器技术和背后的理论更有升值的优势和局限性。
今天最常见的RI探测器在使用通常被称为偏差类型。顾名思义,它是基于光束的偏转通过双室流单元,如图1所示(一个)。梁的挠度微分电路由两个光敏二极管测量。隔室的一侧包含参考溶剂的折射率n0在测量过程中,它是静态的。另一侧包含样品溶液,即柱洗脱液,折射率n。液态玻璃的光束折射界面分离两个隔间,还在液态玻璃界面退出墙上,又在glass-air界面退出墙上。严格的分析必须考虑每个折射。幸运的是,一个简化的分析,忽略了玻璃界面如图1所示(b)收益率大幅相同的结果作为严格的分析,使推导过程审核。
图1:偏转类型折射计
斯涅尔定律的折射可以应用于假想的液-液界面如图1所示(b)收益率方程1:
非常小的角度偏转的遇到,我们可能近似无精确度损失如下:
结合方程1和2显示了增量折射率偏差成正比,x。
微分信号同样会成正比x因为梁,实际上有一个有限的宽度,将提供更多的光少一个打光检测器和其他的光束穿过分光镜折射造成的。因此,我们可以将仪器常数合并成一个探测器校准系数。此外,我们可以更换n通过n0因为他们是在低浓度时几乎相同的值。
∂RI在哪里RI探测器信号和RI的变化卡尔是国际扶轮探测器校准常数。
如果国际扶轮探测器是有用的作为一个浓度检测器,然后溶液的折射率必须与样品浓度成正比——至少在稀溶液。批RI分析,样品室不是连接到柱洗脱液,而是与已知浓度的溶液完全刷新,一个可以测试这个假设通过绘制被测信号对样品浓度。
这个过程如图2所示,国际扶轮对浓度信号绘制两个不同的样本,聚苯乙烯和聚丁二烯,溶解在四氢呋喃(四氢呋喃)。可以看出,每个样本产生直线斜率,但拦截不为零的样本和山坡上是不同的
图2:RI聚苯乙烯和丁二烯使用批处理数据的方法。用于校准或dn / dc的决心
拦截的线条不为零的原因是,因为引用的一面折射计无意中包含一个稍微不同的溶剂,用于弥补示例解决方案。通常,四氢呋喃等溶剂,水和空气等大气污染物本身会降低样品的RI在很大程度上如此。是不可能同一批实验,以确保国际扶轮的参考探测器与溶剂清除大气污染物的确切成分为示例解决方案,因为示例解决方案不断吸收水分和空气过程中测量。因此,我们必须内容找到RI信号和浓度之间的线性关系。这一事实的斜坡聚苯乙烯和聚丁二烯样品不同意味着国际扶轮不仅与浓度成正比,但也的参数。这叫做折射率增量的参数,或dn /直流。因此RI探测器的一般方程表示如下:
因此,dn / dc的斜率是一块折射率和浓度。然而,由于比例假设需要恒定的斜率和截距等于n0,dn /直流只是为一个单一的解决方案定义的折射率n和浓度C如下:
替换方程6成方程5收益率方程4了。
为了使用国际扶轮检测器定量,校准常数RI卡尔必须确定。图2和方程5一起提供一个逻辑方法校准。的斜率的图2中的情节是三个变量的组合。如果任何已知的两个三个变量,另一个可以计算从测量的斜率。
如果dn /直流和溶剂的折射率是已知的,然后从方程7校准常数计算。这可以应用于数据在图2中,聚苯乙烯与dn /直流0.185 g / mL,折射率为1.405。国际扶轮的价值卡尔计算是3.63 x106。国际扶轮使用这个值卡尔聚丁二烯的dn / dc计算为0.137 g / mL,略高于文献值,范围从0.125到0.130 g / mL。稍后我们将看到这个错误来自何处。
批处理方法是不方便的校准或使用色谱检测器计算dn /直流。列必须清除和测试解决方案必须被注入一个接一个地费力而乏味的过程。此外,还有大气污染问题,从而导致一个很大的错误,如果不是特别注意。更方便,注入样品auto-injector使用一个普通的色谱系统。计算机控制的数据采集和处理然后允许校准和高度的计算精度。有必要再用形式表示的方程之前开发的目的。
方程5可以重申如下:
在这里,国际扶轮我是国际扶轮信号和C我浓度,在数据间隔我。数据将均匀间隔的时间间隔,∂t,因此在洗脱体积数据区间,∂V。
问在哪里毫升/分钟的流量,∂t的时间间隔,以秒为单位。数据区间因此毫升。
假设一个样品浓缩的浓度年代和体积Vinj注入到色谱柱。国际扶轮的反应将遵循方程8和图3中显示实验。注意,大气污染物峰值解决聚合物。国际扶轮信号峰的面积计算如下:
替代方程8显示的测量区域国际扶轮峰的面积成正比(派生)浓度峰值。
图3:RI色谱
方程11推导质量守恒定律的假设,即整个样本注入质量恢复在国际扶轮的峰值。
此外,浓度峰面积必须等于总质量注入:
方程12插入方程11 RI探测器山峰收益率以下通式:
现在可以使用色谱峰面积校正并计算dn /直流或样品浓度。相同的聚合物解决方案中使用批量分析,图2是注入到色谱柱。国际扶轮峰面积与样品浓度测量和绘制在图4所示。情节的斜率有关校准常数,dn / dc等根据方程的导数13。
图4:色谱RI数据。用于校准或dn / dc的决心。
计算校准常数的聚苯乙烯标准表明,国际扶轮卡尔等于3.60 x 106,这是非常接近,通过批处理方法。聚丁二烯的dn / dc计算示例0.129 g / mL,接近期望值。线推断非常接近原点,因为大气污染物从高峰中删除。此外,数据的精度符合显然更好,因为这个变量。
校准的批处理方法仍然是有时使用,因为它不需要质量守恒定律的假设和不引入的额外变量注入体积和流量。然而,隐在现在的环境下,分析感兴趣的样品在色谱系统的标准是否在同一时间。因此不可能避免引入注入体积和流量变量。因此,最好是在校准过程中介绍他们在dn /直流测量过程中,所以,任何潜在的错误在这些变量会取消计算。至于质量守恒的问题是,如果有一个担忧可能在列,吸收峰值标定方法可以执行删除列。大气污染还会影响,如批量分析,所以精度比用柱层析法将贫穷。然而,它提供了一种测试标准是否被吸收。总之,国际扶轮探测器应校准通过批处理方法如果要用于批处理模式,但是如果要使用的色谱方法在色谱模式。
其他浓度探测器,如紫外线(紫外线)或IR(红外)吸光度探测器和EMD(蒸发质量检测器)可以用作浓度探测器——至少在原则上。这些探测器有时可以提供更好的基线稳定性和灵敏度高于国际扶轮。然而,样本的能力来衡量dn / dc。这种能力是至关重要的广泛应用dn / dc可能改变从样本也是关键如果光散射检测器系统中使用。此外,EMD提供一个响应,与样品浓度是非线性的,尽管它可能会使用一个线性校正法来解决这个问题。然而,EMD响应也依赖于分子量,这是一个严重的,量化的缺陷,有效地防止它被用作GPC浓度探测器/秒,除非样本覆盖范围很窄的分子量。红外和紫外吸光度探测器选择性反应取决于化学结构。这个特性使他们最有用的与国际扶轮检测器串联使用时解决混合和段共聚物。
使用一个光散射的优点(LS)探测器在GPC /秒都被记录在案,但是总之LS探测器允许样品分子量无追索权的直接测量校准洗脱体积的列与一系列的标准(常规校准)。有三种类型的LS探测器商用,直角光散射(、、测量在90°),低光散射(lal,测量在< 10°)和多角度光散射(mal,测量2个或更多的角度通常是20 - 160°)。这些系统的差异和他们的表现为不同的应用程序覆盖全面的白皮书”静态光散射技术GPC /秒解释道“可用莫尔文网站(Ref。7)。在这里,我们将关注lal,最基本的光散射技术,避免了一些文化、或mal的估计和假设。然而,三重检测的原则计算,一旦确定分子量、在每个数据块,mal或拉尔,是相同的。唯一的区别是在分子量值的准确性取决于它的起源。
光的散射的基本方程从稀释聚合物解决方案是陈军方程:
兆瓦是衡量聚合物分子量的样品和C是样品浓度。一个2解决方案的第二维里系数,修正聚合物分子之间的相互作用。一个2不得计算浓度依赖的光散射信号。Rθ是多余的瑞利散射比纯溶剂的上面的解决方案,以角θ对入射激光束,可以表示如下:
我在哪里0入射激光的辐照度和我吗θ多余的散射光强度高于纯溶剂在角θ(可以从baseline-corrected获得lal信号)。拉尔的光学装置的示意图,衡量7°的散射光入射激光束,如图5所示。k一个仪器常数相关散射光收集效率。Pθ是粒子散射因素,这是一个测量角不对称的散射光和相关的大小和角度散射决定。光散射的科学是专门的决心,或修正,Pθ但是使用拉尔的巨大优势是Pθ可以忽略。
图5:lal探测器的示意图
Pθ正好等于团结所有分子当θ等于零。
Pθ0.98分子与回转半径(RG当θ是7度)的150海里。
RG150纳米的构成的上限GPC的分离。
因此,与lal,多角度测量是不必要的,因为外推或修正角不对称是不必要的。减少到一个角大大简化了数据处理来自多个探测器。
K是一个复合的光学和基本常数。
其中n0是溶剂的折射率,ν是聚合物溶液的折射率增量(通常称为dn / dc), N一个阿伏伽德罗常数,λ0在真空入射光的波长,p是一个整数2垂直偏振入射光un-polarized (1)。
后面的三个参数(N一个,λ0和p)仪器常数,可以与探测器常量合并k和我0在方程16组建一个新的常数我们将称之为拉尔卡尔。方程15现在可以重新安排独立变量的分子量和浓度的其他参数。
浓度在正常GPC /秒的第二维里系数2通常是无关紧要的第一项在分母上相比,因此可以简化方程18忽视吗2项,虽然有规定在大多数好的GPC /秒光散射软件包允许输入一个值。
方程18是一般方程但方程19将使用在目前讨论简化的目的。
洗脱液洗脱图由连续分数的等间隔的时间间隔采样,我。每个分数将以其分子量我和浓度C我。C一词我第1部分中确定方程8如下:
国际扶轮我从国际扶轮探测器信号间隔吗我与国际扶轮卡尔是探测器校准常数。用方程20到方程19日收益率分子量的洗脱图。
注意,拉尔的数组索引信号抵消国际扶轮的探测器由一个δ。这个检测器抵消反映了一个事实,那就是两个探测器不同时测量每一个分数。他们之间有一个时间(体积)分离卷相关的两个探测器+连接油管的体积。方程21表明分子量洗脱图拉尔的比值成正比探测器信号国际扶轮探测器的信号。
图6:日志M与国际扶轮和lal色谱洗脱图覆盖广泛分布聚苯乙烯样品。
一个洗脱图对广泛分布的聚苯乙烯分子量示例如图6所示,与国际扶轮和lal信号覆盖。值得注意的是,小姐可能经常有更多的噪音比中间的两端。这是由于国际扶轮和lal信号是低震级极端的山峰,因此,噪声相对更高。一旦噪声成为重要的信号相比,计算必须截断和M我获得的外推的分布。推断是图6所示虚线。
光散射探测器和他们生产的分子量通常被称为“绝对”。然而,所有光散射检测器(文化、发作或lal)无一例外需要确定一个或多个仪器常数。这些常量必须与分子量的信号。有些人选择这样做校准使用纯溶剂(如甲苯),但大多数从业者使用聚合物的标准,特别是考虑到它需要许多其他校准参数(例如RI校准,频带展宽)。
仪器常数国际扶轮卡尔,拉尔卡尔和δ决心从窄分布的聚合物的色谱标准——例如一个狭窄的聚苯乙烯标准如图7所示。可以确定偏移量δ从峰值位置的差异,但值得注意的是,这不仅仅是一个简单的体积差异和频带展宽也在同一时间计算。图8显示了相同的色谱抵消后应用。从国际扶轮国际扶轮校准常数确定峰面积和dn /直流之前在第1部分中所示。从lal lal校准常数确定峰面积,这是直接衡量分子量成正比,下一节所示。
图7:RI和lal色谱的窄分布聚苯乙烯标准
图8:RI和拉尔的窄分布聚苯乙烯标准色谱检测器抵消和乐队扩大应用
分子量分布可以用在很多方面,最重要的是相对分子量N和重量平均分子量W。米N被定义为平均分子量(摩尔质量)的连续分数样本,每个分数的统计重量是分子的数量,或者N摩尔浓度我。摩尔浓度是重量浓度的比值C我和摩尔质量M我由方程20和21,分别。
因此,相对分子量定义如下:
衡量分子量被定义为平均分子量(摩尔质量)的连续分数样本,每个分数的统计重量是分子的质量或重量浓度、C我。
方程的合计23和24 GPC色谱峰面积直接相关。C的总和我国际扶轮的面积成正比探测器,每20方程。
C的总和我米我lal探测器峰的面积成正比,每个方程19。
结合方程24 - 26 M揭示了一个非常简单的关系W色谱峰面积。
C的总和我/ M我摩尔浓度峰的面积成正比,每个方程22。所以MN也可以认为是一个比峰值区域如下:
然而,摩尔浓度是派生功能,不是一个探测器的信号,所以MN没有相同类型的简单关系探测器峰地区米吗W。的推导摩尔浓度测定M往往导致更大的错误N比米W。这是因为米W可以确定非常精确,因为它仅仅是成正比的比例拉尔和RI峰值区域,这两个优秀的信号/噪音。米N是由摩尔浓度的峰面积,将有更多的噪音在长峰洗脱体积的一面。这固有的噪声是一个广泛分布的样本,源自于这样一个事实:摩尔浓度较高的摩尔质量(因此光散射信号)较低。米N因此由光散射与精度低于MW分布广泛。窄分布样本不会表现出这个问题。
总之,lal探测器提供敏感、简单和准确的分子量测定GPC /秒。通过测量直接以一个很小的角度它避免了复杂性、假设和固有的角修正错误。
特性粘度的测量聚合物分子的分子密度。低固有粘度代表一个紧凑、密集的分子,而高固有粘度是一个更大的更开放的分子结构。一个分子的结构在给定分子量会影响分子的贡献由给定溶液的粘度,假设它和其他分子之间没有相互作用。测定样品浓度的溶液粘度变化在低浓度然后计算样品的特性粘度的方法。
粘度计达到这通过测量样品溶液的粘度浓度被认为是足够低,以避免样品分子间相互作用。
最常见的粘度计设计4-capillary桥梁设计发明的哈尼(Ref。1)。四毛细管R1-R4与内部直径约0.25毫米被安排在一个平衡的桥接配置,类似于电路中常见的惠斯通电桥(图9)。差压传感器测量压差DP(差压)跨桥的中点和压差的IP(进气压力)从入口到出口。延迟体积电路中插入毛细管R4之前,为了提供一个参考的流动通过R4在洗脱溶剂的聚合物样品。延迟量的要求是:
一定的内部体积大于净流出体积GPC列。
流电阻必须毛细管阻力相比可以忽略不计。
图9:微分粘度计的原理图
选择毛细管,流电阻尽可能相等。在这种情况下,DP输出信号将接近于零的水平,大部分的泵脉动差动电桥测量将被取消。DP将如何应对样品的粘度的洗提GPC,如图10所示。第一个峰值对应于样品洗提进毛细血管R1, R2和R3,而溶剂流经毛细管R4。第二,负峰是延迟量的突破。在这个时间点上,R4包含样例和R1, R2和R3包含溶剂。所需的突破不是峰值计算和只是测量的一个产物。这个产物峰的位置可以简单地由延迟的大小控制体积和分析运行的长度,以便它不会干扰分析峰值和之前完全筛选了下一个样品。
图10:峰值粘度计响应,显示样本和突破
泊肃叶定律流过一个管与压降P的流量Q,粘度η的电阻率R管:
指图9中,DP信号等于压降之间的差异在R3和R4的压力降+延迟。在洗脱样品如下方程表示DP泊肃叶定律。
问+流量通过积极流电路,问吗- - - - - -流量通过负流电路,试样中溶液的粘度η,η0溶剂的粘度。同样地,如果R3 = R1、IP可以表示如下:
31日收益率方程30除以方程:
通过平行流流速的比值电路可以计算每个电路的相对抗性。
在这一点上我们运用毛细管阻力相等的假设。
然后方程32和33的结合给予以下表达式相关样品粘度η和溶剂的粘度η0。
解决方案的特定粘度的定义是:
这个定义插入35收益率的基本方程微分方程粘度计:
微分粘度计探测器允许特定粘度的计算准确、敏感的洗脱聚合物样品。然而,主要兴趣是固有粘度的函数,它被定义为特定的粘度比无限稀溶液的浓度。
经典的固有粘度是由外推率ηsp通过各种浓度为零/ C的浓度。这是不切实际的色谱检测和它同样是不必要的。极低浓度的GPC是可行的范围内,单点估计的固有粘度由于所罗门和Ciuta (Ref。2)是足够精确的。
在本文的第1部分,它展示了如何示差折光检测器允许浓度剖面的计算整个色谱,C我。在第二节,它展示了如何将光散射检测器添加到RI探测器允许整个色谱计算分子量概要文件。方程37收益率比粘度概要,ηsp,我。固有粘度概要文件可以计算如下:
增比粘度概要文件所抵消一个σ,相应的抵消粘度计探测器相对国际扶轮探测器。这是在校准过程中纠正。衡量内在粘度是特别重要的,因为它对应于样品的批量固有粘度即。,将以传统的玻璃管粘度计。这是由以下推导证明:
最早的使用粘度计探测器是普遍的校准(Ref。3),一个列标定方法确定分子量分布,不需要标准和样品有相同的结构。通用校准仍有实用程序在某些应用程序中,尤其是样品有低分子量和/或低的dn值/直流。然而,对于大多数的聚合物,光散射优先确定分子量和增加光散射检测器的灵敏度是进一步降低的要求普遍的校准。粘度计探测器测量其他聚合物属性仍然是非常有用的;特别是相关尺寸或结构,因此大受欢迎的三重探测器系统。两个三探测器应用领域将会讨论:水力半径的测量,Rh的测量聚合物结构和分支。
爱因斯坦(参考4)表明,溶液的粘度与溶液中粒子的水力半径。
φ是粒子的体积分数的总量。通过将φ浓度单位,它可以表明,方程42与固有粘度,分子量和水力半径如下(Ref。5):
三相检测器(η)和M绝对秒措施7,所以Rh绝对是由此派生的。这个测量是有用的聚合物,Rh的分布可以确定。在图11中测量Rh覆盖的重量分数分布。可以看出,Rh分布是可以衡量的,具有良好的精度在整个聚合物样品的分布。Rh测量是特别有用的蛋白质,如图12所示,Rh可以计算准确的二聚物和三聚物,以及单体单元。
图11:水力半径分布的聚苯乙烯标准
图12:三重色谱显示蛋白质分子量和Rh计算低聚物的形式
正如上面提到的,三重检测系统(η)和M绝对措施7,所以它是简单构建一个非常准确的双对数图的分子量,M和固有粘度(η)。这通常称为Mark-Houwink情节和高分子科学家是最最有用的工具,可以生成multi-detection GPC /秒。图13显示了一个典型的例子一个Mark-Houwink阴谋。
图13:Mark-Houwink情节比较两个多分散的聚苯乙烯的结构(红色和紫色)和甲基丙烯酸(黑色和绿色)样本。
的一般关系Mark-Houwink情节可以表示如下:
截距值,K,与主体结构和斜率,一个,描述了聚合物的密度。一个开放、随机线圈聚合物将有更大的价值一个相比更紧凑,例如分支结构。你可以看到这种差异在图13中,聚苯乙烯的示例显示了一个更高的地方一个价值比PMMA样本。同样清楚的是,一个值随分子量结构的变化。这种能力来比较不同聚合物的相对结构运行在相同的色谱条件下使Mark-Houwink情节更好的方法相比,分子量分布比较孤单。
超越与Mark-Houwink情节结构的相对比较,定量的估计数量的分支在聚合物结构。特性粘度与聚合物的长链分支程度通过以下因素(Ref。6):
(η)M br表示在分子量支化聚合物的特性粘度,和(η)米,林是相应的线性聚合物的特性粘度的分子量m .ε是一个结构因素。
根据这些信息,计算样本的多个分支和分支的频率使用Zimm-Stockmayer方程是可行的。
在本白皮书中,我们已经看到三重检测结合来自多个探测器的测量提供不仅增加了大量的数据,而且信息,由于可用的组合不同的探测器和不会使用单个探测器分别获得。
国际扶轮探测器测量准确浓度剖面,同时光散射使绝对分子量独立于任何列校准标准。粘度计提供了重要的数据结构,允许GPC /秒等参数用于确定分支在聚合物或水动力大小差异蛋白质。没有单一或双探测器组合可以轻易衡量这些重要的参数——三重检测的力量在于组合三个探测器提供的补充信息。
1。哈尼妈妈(1985);美国实验室。17 (4):116 - 126。
2。所罗门的& Ciuta工业区(1962);j:。聚合物科学。6:683。
3所示。Styring M, Armonas我& Hamielec AE (1986);j .液体铬。9:783 - 814。
4所示。斯坦福C (1961);“高分子物理化学”约翰威利& Sons,纽约。p334。
5。斯坦福,如上,p391。
6。表征聚合物的长链分支。第一章在聚合物表征的发展- 4所示。道金斯合资,艾德。应用科学,吠叫,(1983)。
7所示。“静态光散射技术GPC /秒的解释”,莫尔文工具白皮书,www.malvern.com/slsexplained
