利用不确定度分析优化凝胶渗透色谱(GPC)系统性能(摘自2010年波士顿美国化学会会议)

2019年11月8日
应用领域: 聚合物色谱法
仪器: BI-DNDCBI-MwA

引言

凝胶渗透色谱(GPC)与静态光散射(SLS)相结合,是一种相当先进且强大的技术,能够无需依赖传统的柱校准即可得到绝对分子量值。在 GPC-SLS 技术中,定量评估的是信号强度而不是洗脱时间。此外,与聚合物标准校准不同,要准确解读光散射信号,需要知道样品的准确浓度、进样体积及准确质量等信息。

目标

定量展示进样量对通过 GPC-LS 测量分子量的影响。进样量同时受样品浓度和进样体积误差的影响。

1) 在标准校准中,使用多个聚合物标准样品对 GPC 仪器进行校准,并构建校准曲线。通过观察未知样品的洗脱体积并使用校准曲线,可以获得未知样品的分子量。值得注意的是,只要校准所用的标准样品的实际浓度和进样体积不导致形成假峰,其具体数值并不重要。

2) 在通用校准中,使用具有已知分子量的多个聚合物标准样品对GPC仪器进行校准。通过绘制已知分子量乘以标准样品特性粘数的对数作为洗脱体积的函数,来构建色谱柱的校准曲线。通过观察未知样品的洗脱体积与特性粘数的乘积,并使用校准曲线,可以获得未知样品的分子量。

3) 在 GPC-SLS 中,定量评估的是信号强度而不是洗脱时间。与标准校准不同,为准确解读光散射信号,需要知道样品的准确浓度和进样体积等信息,也就意味着要准确掌握进样量。

如果定量环体积设置错误,实际进样体积可能存在显著误差。同时,实际进样浓度也可能因制样不够细心而发生变化。幸运的是,一旦意识到这些问题,两者都很容易解决,从而提升系统性能。本文讨论了这种敏感性的程度及其对分子量测量的影响。

实验

流动相:四氢呋喃
脱气机:安捷伦 G1379A
泵:安捷伦 G1310A 等度泵
流速:1 mL/min
自动进样器:安捷伦 G1313A
进样体积:100 µL
色谱柱:PSS SDV EasyValid 与 PSS SDV 500 A
紫外检测器:安捷伦 G1314A(波长 280 nm米)
光散射检测器:BI-MwA 多角度激光光散射仪
示差检测器:BI-DNDC 示差检测器(波长 620 nm)

分析方式

对所得数据有三种分析方式,可根据样品的已知信息进行选择。对于未知样品,可能有两个已知参数:进样量和样品的 dn/dc 值。以下列出三种可能的情况:

进样量(进样浓度 × 进样体积)折光指数增量,dn/dc
已知已知
已知未知
未知已知

光散射计算

计算分子量(及 SLS 校准)时通常通过 Zimm 方程对光散射数据进行分析:

image of Zimm equation

其中,K 为德拜常数,是聚合物/溶剂体系的一个常数。对于垂直偏振的光,

image of Debye constant equation

其中 n 为溶剂折光率,N 为阿伏伽德罗常数,λ 为激光波长。c 为聚合物浓度,在制备样品溶液时精确确定,ΔR 表示溶液的散射光强与纯溶剂散射光强的差值,可通过实验测量。为了得到分子量,必须知道色谱图中每一部分的 dn/dc 值和浓度。

示例计算

以下展示了进样体积变化的影响示例。数据使用 ParSEC 软件采集,并以三种方式进行分析。第一种是将进样体积设置为比实际值低 1%;第二种是使用正确的进样体积(与校准所用相同),即100 µL;第三种是将进样体积设置为比实际值高 1%,即101 µL。分析在已知浓度但 dn/dc 值未知的情况下进行。从分析结果来看,得到的分子量也变化了约 1%,这说明了进样体积变化的影响。

不确定度计算结果

image of relative injection volume repeatability

结果与讨论

正确注入体积
正确进样体积
错误注入体积
错误进样体积
标称进样体积(µL)MW (g/mol)Mn (g/mol)多分散性 (MW/Mn备注
99313,200108,6002.89 
100316,600109,7002.89正确进样体积
101319,900110,8002.89 

结论

可重复的进样量对于 GPC-LS 技术的成功应用至关重要。

分析方法选择

如果进样器的重复性不优于 2%,最好选择已知 dn/dc 值但未知进样量(浓度和进样体积)的分析方法,其他选择则不适用。

进样器性能指标

在分析 dn/dc 值未知的样品时(这是最常见的情况),进样器的重复性应优于 1%。这一指标很容易达到。

样品浓度性能指标

在分析 dn/dc 值未知的样品时(这是最常见的情况),样品浓度的准确度应优于 1%。这一指标也很容易达到。