Beyond GPC: UsinG LiGht sCatterinG for aBsoLUte PoLymer CharaCterization

Význam tématu

Přesné stanovení molární hmotnosti, velikosti a topologie makromolekul je klíčové pro optimalizaci vlastností polymerů v průmyslu i výzkumu. Konvenční metody na bázi kalibrace GPC/SEC s sebou nesou systematické chyby vyplývající z odlišné konformace analyzovaných polymerů i z neideální separace. Absolutní techniky založené na detekci rozptýleného světla (MALS) odstraňují nejistoty spojené s kalibrací a umožňují bezprostřední měření molární hmotnosti (Mw), středního čtvercového poloměru gyrace (Rg) a analýzu větvení či konformace všech frakcí v reálném čase.

Cíle a přehled studie / článku

Článek shrnuje čtyři hlavní příspěvky z červnového vydání LCGC roku 2016:

• Výzvy a přínosy přidání detektoru MALS k standardní GPC pro získání absolutního měření molární hmotnosti bez závislosti na standardech (Spears).
• Základní principy detekce a kvantifikace větvení v syntetických i přírodních polymerech metodou SEC/AF4–MALS (Podzimek).
• Ukázka využití světelně rozptylových technik (MALS, QELS, viskometrie) pro sledování polymeračních procesů a hodnocení biokompatibility nových elastomerů (rozhovor s Puskas).
• Srovnání charakterizace styren-butadienových pryží (SBR) pomocí SEC–MALS a AF4–MALS se zaměřením na molární hmotnostní rozdělení a odstraňování efekti „zakotvení“ větvených makromolekul (Podzimek).

Použitá metodika a instrumentace

• Separace: GPC/SEC (HPLC Agilent 1100) s odpovídajícími kolonkami (např. PLgel Mixed-C) a AF4 (Eclipse, Wyatt Technology).
• Detekce: multi-úhlový rozptyl světla (MALS, DAWN HELEOS), refraktometrie (dRI, Optilab T-rEX), on-line viskometrie (ViscoStar), QELS pro hydrodynamický poloměr.
• Řešení problémů: nastavení průtoků a teploty, volba membrán a spacerů u AF4, validace objektivních parametrů (konstanty dn/dc, Mark–Houwink).

Hlavní výsledky a diskuse

• MALS – absolutní technika eliminující nejistoty kalibrace: ukázána odolnost vůči změnám injekčního objemu, konformace a složení vzorku (Spears).
• Metody analýzy větvení: „radius“ – z Rg vs. M (log–log), „viscosity“ – z intrinsické viskozity vs. M a „mass“ – z M vs. retenčního objemu (Podzimek).
• Příklad PLA: větvení zřejmé ve změně exponentu Mark–Houwinkovy závislosti, počty větví per molekulu stanovené z distribuce (Podzimek).
• Polymerace a biokompatibilita elastomerů: QELS a viskometrie pro ověření Rh, MALS pro absolutní Mw; potvrzena stálost molárních hmotností po in vivo implantaci (Puskas).
• SBR: v SEC–MALS se vlivem „anchoringu“ větvených molekul objevují náhlé vzestupy ve zaměřovaných parametrech; AF4–MALS odstraňuje tento artefakt a poskytuje konzistentní konformační křivky a přesné průměry Mn, Mw, Mz (Podzimek).

Přínosy a praktické využití metody

• Zvýšená přesnost molárních hmotností a poloměrů gyrace bez nutnosti standardů.
• Možnost sledovat strukturu, větvení a konformaci polymerních frakcí on-line.
• Zrychlení vývoje nových materiálů v průmyslové i akademické laboratoři (QA/QC, vývoj makromolekul, biopolymery, nanomateriály).
• Eliminace chyb spojených se špatnou kalibrací, změnou injekčního objemu či nespecifickými interakcemi se stacionární fází.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace vysokotlaké UHPLC s MALS pro vyšší rozlišení a rychlost analýzy polymerů.
• Rozšíření AF4–MALS pro characterizaci nanočástic a biomakromolekul v biologických matricích.
• Pokročilé modelování větvení a konformace na základě vícoúhlových dat pro návrh funkčních materiálů.
• Automatizace on-line datových toků a využití machine learning k predikci polymérních vlastností z MALS dat.

Závěr

Kombinace GPC/SEC nebo AF4 se světelně rozptylovou detekcí MALS představuje zlatý standard pro absolutní charakterizaci polymerů. Umožňuje objektivní měření molárních hmotností, velikostí, větvení i konformace bez kalibračních artefaktů. Zatímco SEC–MALS se hodí pro většinu lineárních polymerů, AF4–MALS odstraňuje problémy s „anchoringem“ a umožňuje spolehlivou analýzu vysoce větvených či ultra-vysokomolárních vzorků. Budoucnost patří kombinaci vysokotlaké chromatografie, sofistikované separace metodou AF4 a pokročilé vícoúhlové detekce s podporou datové analýzy.

Reference

• Bouvier E.S.P., Koza S.M., TrAC Trends Anal. Chem. 63, 85–94 (2014).
• Netopilík M., Kratochvíl P., Polymer 44, 3431–3436 (2003).
• Trathnigg B., Size Exclusion Chromatography of Polymers, Wiley (2006).
• Podzimek S., Vlček T., Johann C., J. Appl. Polym. Sci. 81, 1588–1594 (2001).
• Podzimek S., Hermannova M., Bilerova H., Bezakova Z., Velebný V., J. Appl. Polym. Sci. 116, 3013 (2010).
• Zimm B.H., Stockmayer W.H., J. Chem. Phys. 17, 1301 (1949).
• Zimm B.H., Kilb R.W., J. Polym. Sci. 37, 19 (1959).
• Yu L.P., Rollings J.E., J. Appl. Polym. Sci. 33, 1909 (1987).
• Wyatt P.J., Anal. Chim. Acta 272, 1 (1993).
• Wahlund K.-G., Giddings J.C., Anal. Chem. 59, 1332 (1987).