Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы: 11
1.1 Конформационные превращения макромолекул в потоке жидкости . 12
1.2 Конформационные превращения макромолекулы в ограниченном пространстве. 35
1.3 Конформационные превращения макромолекул при протекании растворов полимеров сквозь мембраны или слой сорбента 49
1.4 Деградация и разрыв макромолекул в потоке жидкости. 59
Глава 2. Экспериментальная часть. 63
2.1 Реагенты. 63
2.2. Синтез монолитных колонок. 64
2.2.1. Подготовка кварцевого капилляра. 64
2.2.2. Синтез монолитов в кварцевом капилляре . 65
2.3. Приборы и средства измерений . 66
2.3.1. Хроматографические измерения. 66
2.3.2. Определение размеров макромолекул методом динамического многоуглового светорассеяния . 66
2.3.3. Определение полной пористости колонок. 67
Глава 3. Результаты и их обсуждение. 68
3.1 Фракционирование синтетических полимеров в полых кварцевых капиллярах . 70
3.2 Фракционирование полимеров на монолитных капиллярных колонках. 79
3.3 Деструкция и разрыв макромолекул в потоке элюента. 94
3.4 Конформационные превращения полимеров сверхвысокой молекулярной массы в потоке элюента . 97
3.5 Конформационные равновесия взаимопревращающихся форм полимера. 102
Выводы. 108
Список цитированной литературы. 109
Список публикаций по теме диссертации . 125
- Конформационные превращения макромолекул в потоке жидкости
- Синтез монолитов в кварцевом капилляре
- Определение размеров макромолекул методом динамического многоуглового светорассеяния
- Конформационные превращения полимеров сверхвысокой молекулярной массы в потоке элюента
Введение к работе
Актуальность темы.
Успешное развитие полимерной химии привело к получению новых синтетических материалов, среди которых особый интерес вызывают полимеры сверхвысокой молекулярной массы (ПСВММ), обладающие особыми конструкционными и технологическими свойствами, которые в значительной мере определяются молекулярно-массовыми характеристиками полимера.
Для анализа функционального и молекулярно-массового состава полимеров сегодня наиболее широко используются хроматографические методы, которые можно разделить на две большие группы: методы, связанные с адсорбцией полимеров на поверхности стационарной фазы, и методы, в которых взаимодействие полимеров со стационарной фазой отсутствует. Из методов второй группы наиболее известна эксклюзионная хроматография (ЭХ) и менее известны гидродинамическая хроматография (ГДХ) и слалом хроматография (СХ).
В отличие от традиционных полимеров, имеющих молекулярную массу (ММ) до нескольких миллионов дальтон, хроматографическое разделение ПСВММ часто сопровождается необычными эффектами, например такими, как зависимость объема элюирования полимера от скорости потока подвижной фазы и/или расщеплением пиков. Появление подобных эффектов, природа которых во многом остается невыясненной, затрудняет или делает невозможным использование хроматографических методов для определения молекулярно-массового распределения ПСВММ. Поэтому экспериментальное исследование поведения ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости (в хроматографической колонке) и выяснение природы аномального поведения макромолекул является актуальной проблемой на стыке полимерной химии и жидкостной хроматографии.
Цель работы состояла в исследовании особенностей поведения ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости при разделении полимеров на капиллярных колонках (полых, заполненных монолитными или гранулированными полимерными сорбентами), изучении факторов, влияющих на профиль зон элюирования ПСВММ, и выяснении причин возникновения особенностей в поведении ПСВММ при хроматографичесом анализе.
Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач: Экспериментальные исследование на примере полистирольных стандартов поведения
ПСВММ в потоке жидкости на полой капиллярной колонке (внутренний диаметр 2
мкм).
Синтез на основе дивинилбензола (ДВБ) монолитных сорбентов различной пористости и получение капиллярных монолитных колонок (внутренний диаметр 100 мкм) на их основе для разделения полимеров методом ГДХ.
Экспериментальное исследование поведения ПСВММ в потоке жидкости на капиллярных колонках с полидивинилбензольными монолитными сорбентами.
Исследование влияния скорости потока жидкости и размера проходных каналов в структуре монолитного сорбента на профиль элюирования высокомолекулярных полистиролов.
Выяснение взаимосвязи конформационных переходов в ПСВММ и/или разрыва макромолекул в процессе хроматографического разделения с возникновением необычного профиля элюирования ПСВММ.
Изучение возможности использования хроматографических методов (ВЭЖХ, ЭХ, ГДХ, СХ) для характеристики ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости.
Научная новизна.
Впервые изучено поведение полистиролов сверхвысокой молекулярной массы (ММ > 106 Да) на монолитных капиллярных колонках с полидивинилбензолом (ПДВБ). Установлено, что структура монолитного сорбента, а именно: величина проходных каналов, и скорость потока элюента (дихлорметан) влияют на профиль зон элюирования ПСВММ. Увеличение радиуса проходных каналов и минимальная скорость потока жидкости (менее 0.15 мл/с) позволяют элюировать полимерные фракции в виде Гауссовых пиков.
По совокупности полученных экспериментальных данных установлено, что существует критическая скорость потока жидкости, начиная с которой возникает искажение элюационного профиля высокомолекулярного полистирола. Показано, что величина критической скорость потока коррелирует со значением критической скорости потока, при которой у макромолекул полистирола происходит конформационный CS-переход (клубок -вытянутая конформация). На основании обнаруженной корреляции сделан вывод, что наиболее вероятной причиной аномального поведения ПСВММ является переход макромолекул из конформации клубка в вытянутую конформацию при высокой скорости потока элюента.
Экспериментально показано, что не происходит деструкции макромолекул в проходных каналах монолитных сорбентов в диапазоне изученных скоростей потоков.
Наблюдаемые изменения профиля элюирования полистиролов сверхвысокой молекулярной массы интерпретированы в рамках модели реакционной хроматографии, рассматривая конформационный переход как обратимую химическую реакцию. Рассчитаны
константы скорости прямой и обратной реакций взаимопревращения конформеров полистирола и показана их зависимость от скорости потока элюента.
Практическая значимость.
Полученные результаты позволяют определить условия для проведения анализа молекулярно-массового распределения ПСВММ хроматографическими методами. Показано, что при малых скоростях потока элюента возможно получение обычного Гауссового профиля элюирования ПСВММ. Монолитные капиллярные колонки с пористой структурой сорбента, оптимизированной для молекулярно-массового анализа полимеров с ММ > 106 Да, позволяют проводить анализ крайне малых количеств исследуемых образцов.
На защиту выносятся положения, отраженные в выводах. Апробация работы:
Основные результаты работы были представлены на конференциях и симпозиумах: VI Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012» (2012, Санкт-Петербург), 26 Симпозиум по реологии (2012, Тверь); IV Российская конференция «Актуальные проблемы нефтехимии» (2012, Звенигород); 36 Международный симпозиум по капиллярной хроматографии (36th International Symposium on Capillary Chromotography) (2012, Рива Дель Гарда, Италия); 38 Международный симпозиум по высокоэффективной жидкостной хроматографии и связанными с ней методами (38th International Symposium of High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques) (2012, Анахайм, США); 2-я Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (2013, Краснодар).
Публикации:
По теме диссертации опубликованы 4 статьи в квалификационных журналах и тезисы 6 докладов, представленных на российских и международных конференциях.
Участие автора в получении научных результатов.
Диссертант принимал непосредственное участие в постановке цели и задач работы, синтезировал монолитные полимерные сорбенты в кварцевых капиллярах и исследовал их свойства, выполнял расчеты и обрабатывал полученные результаты, в соавторстве готовил публикации статей, представлял доклады на научных конференциях.
Структура и объем работы.
Конформационные превращения макромолекул в потоке жидкости
Экспериментально обнаруживаемое скачкообразное изменение вязкости и двулучепреломления растворов полимеров при изменении скорости потока [8, 9] обычно связывают с переходом макромолекулы из конформации клубка в вытянутую конформацию [1]. Переход происходит, когда усилие растяжения, приложенное к макромолекуле, начинает превалировать над Броуновскими силами, обеспечивающими клубкообразную конформацию макромолекулы в статическом растворе. Согласно теории [1 - 3] это происходит, когда скорость деформации макромолекулы превосходит некоторую критическую величину , которая обратно пропорциональна наибольшему времени релаксации полимерной цепи :
где: А - константа, близкая к 1 и, таким образом, критические условия для CS-перехода возникают, когда 1. Время релаксации зависит от целого ряда параметров, таких как вязкость растворителя, молекулярная масса полимера, температура, подвижность полимерной цепи и т.д. и может быть рассчитана по одной из формул, приведенных в литературе [10-12]:
где: - вязкость растворителя, М - молекулярная масса полимера, Т -абсолютная температура, к - постоянная Больцмана, а - постоянная, имеющая в зависимости от полимера величину от 1.5 до 1.8, Rgo - радиус инерции клубка макромолекулы в невозмущенном состоянии, Ф0 - Fox-Flory параметр 2.84К)23. Подставляя выражение (2) в (1), нетрудно видеть, что критическая скорость деформации тем ниже, чем выше молекулярная масса полимера и вязкость растворителя. Согласно De Gennes [1], в зависимости от типа поля скоростей (продольное, поперечное или какое-то еще), в котором находится макромолекула, конформационный переход может происходить или как переход первого или как переход второго рода. В первом случае он может сопровождаться появлением гистерезиса, и характеризуется наличием двух равно стабильных конформаций в состоянии равновесия (bistable equilibrium). Следует, однако, заметить, что, как указал F.C. Frank [13], на практике затруднительно создать однородный поток, в котором каждая молекула испытывает постоянный градиент скорости, и потоки, реализуемые на практике, характеризуются неоднородностью и сложностью профиля. Поэтому вскоре после появления теории De Gennes были предложены различные устройства, позволявшие создать поле скоростей определенного вида [2, 13, 14]. Особенно популярны были устройства, создававшие так называемый продольный (longitudinal) градиент скорости, поскольку для этого типа поля скоростей теория De Gennes предсказывала очень резкий CS-переход. Типичные конструкции для создания продольного градиента скорости (фактически обеспечивающие растяжение молекулы потоком без ее перемещения) показаны на рис. 1.
Схематическое представление устройств, позволяющих создавать продольный градиент скорости потока: с четырьмя противоположными соплами (А), с четырьмя вращающимися цилиндрами (B). Точка наблюдения за растяжением макромолекул обозначена крестиком [14].
Наблюдение за происходящими изменениями, как правило, проводилось по двулучепреломлению с использованием микроскопа. Использование этих устройств, с одной стороны, позволило экспериментально подтвердить правильность теоретических построений De Gennes, а, с другой стороны, предоставило данные, указывавшие на необходимость дальнейшего уточнения теории. Bird и соавторы [3, 15, 16] отмечают следующие недостатки модели, предложенной De Gennes:
De Gennes использует модель ограниченно растяжимой нелинейно упругой пружины (dumbbel модель). Это очень упрощенная модель, не позволяющая правильно моделировать движение полимерной цепи. Так, например, среднеквадратичное расстояние между концами пружины всегда равно средней величине ее контурной длины.
De Gennes проводил расчеты растяжения макромолекул, предполагая поток, не зависящим от времени, но рассматривал растяжение полимерной цепи, зависящее от времени (и, в частности, гистерезис).
De Gennes использовал приближение Peterlin [17] в котором функция мгновенного растяжения пружины заменена функцией среднеквадратичного растяжения. Для нелинейно упругой пружины при постоянном коэффициенте трения приближение Peterlin дает правильные результаты, но, если коэффициент трения является функцией расстояния между узлами цепи, приближение может приводить к появлению не имеющих физического смысла S-образных кривых на кривых зависимости среднекваратичного расстояния между концами цепи от скорости растяжения.
Синтез монолитов в кварцевом капилляре
Полимеризационную смесь готовили растворением инициатора 2,2 -азодиизобутиронитрила (АИБН) (1 % (масс.) от количества мономеров) в смеси ДВБ (38% об.) и порообразователя (62% об.). В качестве порообразователя использовали смесь алифатического спирта (92% об.) и толуола (8 % об.) (табл. 2). Для проведения полимеризации кварцевый силанизированный капилляр под вакуумом заполняли полимеризационным раствором, концы капилляра запаивали, и колонка помещалась в водяной термостат. Условия полимеризации приведены в табл. 2.
По окончании полимеризации колонки промывали хлористым метиленом для удаления из колонки остатков полимеризационной смеси и частиц полимера, не связанных химически с основной структурой монолита. Свойства приготовленных монолитов и колонок на их основе приведены в табл 2.
Все хроматографические эксперименты проводили на изократическом жидкостном хроматографе фирмы Shimadzu (Япония), включающим насос высокого давления марки LC-10AD (предельное давление 350 атм) и УФ-детектор с переменной длиной волны SPD-10A в сочетании с капиллярной ячейкой. Для проведения измерений при еще более высоком давлении (вплоть до 1000 атм) использовали систему, составленную из пневматического насоса высокого давления фирмы Haskel (США) и УФ детектора с переменно длиной волны от системы для капиллярного электрофореза Капель фирмы Люмэкс (Россия). Пробу вводили с помощью крана-дозатора фирмы Reodyne (США), модель 7125, снабженного сменной внутренней петлей объемом 2 мкл. Так как насосы не могли подавать подвижную фазу со скоростью ниже 10 мкл/мин, то для получения меньшего расхода элюента через колонку и для уменьшения объема вводимой пробы перед колонкой был установлен делитель потока (соотношение 1:30). Сбор данных с детектора производился с помощью программного обеспечения ChromStar фирмы SCPA GmbH, версии 5.0 или программного комплекса Экохром фирмы Бойсофт (Москва).
Для определения среднего размера частиц и индекса полидисперсности образца использован прибор PSC Submicron Particle Analyser фирмы Beckman Coulter, который базируется на методе фотонно-корреляционной спектроскопии (динамического светорассеяния). Анализатор определяет размер частиц, измеряя скорость диффузии частиц через жидкость. Частицы, находящиеся в Броуновском движении и освещаемые лазерным лучом, создают временные флуктуции интенсивности рассеянного света, которые анализируются автокоррелятором. Автокорреляционная функция интенсивности, построенная автокоррелятором, затухает по экспоненциальному закону со скоростью, определяемой диффузией частиц. В результате анализа флуктуации определяется коэффициент диффузии , и по уравнению Стокса-Эйнштейна рассчитывается размер частиц:
Полную пористость монолитных капиллярных колонок определяли гравиметрическим методами. Для этого колонку заполняли четыреххлористым углеродом и взвешивали на аналитических весах. Затем четыреххлористый углерод удаляли из колонки путем продувки гелием при повышенной температуре, высушивали колонку до постоянного веса и пустую колонку снова взвешивали. Полную пористость колонки рассчитывали с помощью следующего уравнения: где: T – полная пористость; m1 – масса пустой монолитной колонки после продувки гелием, г; m2 – масса монолитной колонки, заполненной четыреххлористым углеродом, г; = 1.594 г/см3 – плотность четыреххлористого углерода; d – диаметр капилляра, см; L – длина капилляра, см. Относительная погрешность измерений составляла не более 10%. Глава 3. Результаты и их обсуждение.
Важнейшими характеристиками высокомолекулярных соединений, определяющими его эксплуатационные свойства в различных областях науки и техники, являются молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение. Для определения молекулярно-массовых характеристик полимеров сегодня широко используются хроматографические методы, из которых наиболее известен метод экслюзионной хроматографии. В методе эксклюзионной хроматографии молекулы полимера разделяются по молекулярным массам на колонках, заполненных макропористыми полимерными сорбентами, которые служат своего рода «молекулярными ситами», на которых происходит «рассеивание» полимерной пробы по размерам макромолекул. Анализ полимеров с молекулярными массами до 1-3 миллиона дальтон методом ЭХ сегодня является рутинной операцией и результаты разделения, как правило, не зависят от скорости потока подвижной фазы [149]. Проведение анализа значительно осложняется, когда размер макромолекулы превосходит размер пор макропористого сорбента. В этом случае анализируемый полимер не приникает в поры сорбента и движется по колонке в межгранульном пространстве. Фракционирование полимера по молекулярным массам (или, точнее, по размеру клубка) возможно и в этом случае, но протекать оно должно по механизму гидродинамической хроматографии [7]. Ключевым соотношением для разделений по механизму ГДХ является отношение размера канала rh к размеру разделяемой частицы R (гидродинамическое соотношение = rh/Rh). Согласно теории [7], это соотношение должно быть не меньше 0.2, чтобы разделение можно было реализовать практически. В этой связи гидродинамическая хроматография до сих пор, в основном, использовалась для разделения более крупных образований, чем полимеры (латексы, коллоиды, пигменты и т.д.) [150], которые могут быть разделены в каналах (трубках) достаточно большого размера. Однако для полимеров, имеющих заметно меньший размер, чем латексные или коллоидные частицы, каналы должны иметь субмикронные размеры, чтобы разделение стало возможным. В литературе на сегодняшний день имеются всего две работы [113, 151], где разделение синтетических полимеров пытались провести в полых капиллярах субмикронного размера. Эти разделения можно рассматривать как модельные для разделения полимеров в межгранульном пространстве колонок, наполненных гранулированными сорбентами, или в проходных каналах монолитных сорбентов. Однако авторы [113, 151] смогли получить лишь очень посредственное разделение (рис. 15), что поставило вопрос о том, какого размера должны быть капиллярные каналы, чтобы в них происходило фракционирование не только латексов и коллоидов, но и реальных полимеров. В этой связи, прежде чем перейти к изучению поведения полимеров в проходных каналах монолитных сорбентов, мы исследовали разделение полимеров в кварцевых капиллярах диаметром 2 мкм.
Определение размеров макромолекул методом динамического многоуглового светорассеяния
Все монолитные колонки были получены на основе кварцевого капилляра с внутренним диаметром 100 мкм и внешним диаметром 360 мкм. Перед синтезом монолита проводили предварительную обработку поверхности капилляра. Внутреннюю поверхность капилляра регидроксилировали с помощью 1% плавиковой кислоты, затем промывали деионизированной водой и ацетоном, после чего высушивали в токе азота и силанизировали. Силанизацию проводили с использованием 3-(триметоксисилил)пропилметакрилата. Обработка этим реагентом приводит к закреплению на поверхности капилляра акрилатных групп, которые в ходе последующей полимеризации обеспечат ковалентное связывание монолита с поверхностью кварцевого капилляра. Для силанизации капилляр заполняли 30% (масс.) раствором 3 (триметоксисилил)пропилметакрилата в ацетоне и выдерживали раствор внутри капилляра в течение суток. После этого капилляр вновь промывали ацетоном и сушили в потоке гелия. Силанизированный капилляр использовали затем для синтеза монолитного сорбента.
Полимеризационную смесь готовили растворением инициатора 2,2 -азодиизобутиронитрила (АИБН) (1 % (масс.) от количества мономеров) в смеси ДВБ (38% об.) и порообразователя (62% об.). В качестве порообразователя использовали смесь алифатического спирта (92% об.) и толуола (8 % об.) (табл. 2). Для проведения полимеризации кварцевый силанизированный капилляр под вакуумом заполняли полимеризационным раствором, концы капилляра запаивали, и колонка помещалась в водяной термостат. Условия полимеризации приведены в табл. 2.
По окончании полимеризации колонки промывали хлористым метиленом для удаления из колонки остатков полимеризационной смеси и частиц полимера, не связанных химически с основной структурой монолита. Свойства приготовленных монолитов и колонок на их основе приведены в табл 2.
Все хроматографические эксперименты проводили на изократическом жидкостном хроматографе фирмы Shimadzu (Япония), включающим насос высокого давления марки LC-10AD (предельное давление 350 атм) и УФ-детектор с переменной длиной волны SPD-10A в сочетании с капиллярной ячейкой. Для проведения измерений при еще более высоком давлении (вплоть до 1000 атм) использовали систему, составленную из пневматического насоса высокого давления фирмы Haskel (США) и УФ детектора с переменно длиной волны от системы для капиллярного электрофореза Капель фирмы Люмэкс (Россия). Пробу вводили с помощью крана-дозатора фирмы Reodyne (США), модель 7125, снабженного сменной внутренней петлей объемом 2 мкл. Так как насосы не могли подавать подвижную фазу со скоростью ниже 10 мкл/мин, то для получения меньшего расхода элюента через колонку и для уменьшения объема вводимой пробы перед колонкой был установлен делитель потока (соотношение 1:30). Сбор данных с детектора производился с помощью программного обеспечения ChromStar фирмы SCPA GmbH, версии 5.0 или программного комплекса Экохром фирмы Бойсофт (Москва).
Для определения среднего размера частиц и индекса полидисперсности образца использован прибор PSC Submicron Particle Analyser фирмы Beckman Coulter, который базируется на методе фотонно-корреляционной спектроскопии (динамического светорассеяния). Анализатор определяет размер частиц, измеряя скорость диффузии частиц через жидкость. Частицы, находящиеся в Броуновском движении и освещаемые лазерным лучом, создают временные флуктуции интенсивности рассеянного света, которые анализируются автокоррелятором. Автокорреляционная функция интенсивности, построенная автокоррелятором, затухает по экспоненциальному закону со скоростью, определяемой диффузией частиц. В результате анализа флуктуации определяется коэффициент диффузии , и по уравнению Стокса-Эйнштейна рассчитывается размер частиц:
Полную пористость монолитных капиллярных колонок определяли гравиметрическим методами. Для этого колонку заполняли четыреххлористым углеродом и взвешивали на аналитических весах. Затем четыреххлористый углерод удаляли из колонки путем продувки гелием при повышенной температуре, высушивали колонку до постоянного веса и пустую колонку снова взвешивали. Полную пористость колонки рассчитывали с помощью следующего уравнения: где: T – полная пористость; m1 – масса пустой монолитной колонки после продувки гелием, г; m2 – масса монолитной колонки, заполненной четыреххлористым углеродом, г; = 1.594 г/см3 – плотность четыреххлористого углерода; d – диаметр капилляра, см; L – длина капилляра, см. Относительная погрешность измерений составляла не более 10%. Глава 3. Результаты и их обсуждение.
Важнейшими характеристиками высокомолекулярных соединений, определяющими его эксплуатационные свойства в различных областях науки и техники, являются молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение. Для определения молекулярно-массовых характеристик полимеров сегодня широко используются хроматографические методы, из которых наиболее известен метод экслюзионной хроматографии. В методе эксклюзионной хроматографии молекулы полимера разделяются по молекулярным массам на колонках, заполненных макропористыми полимерными сорбентами, которые служат своего рода «молекулярными ситами», на которых происходит «рассеивание» полимерной пробы по размерам макромолекул. Анализ полимеров с молекулярными массами до 1-3 миллиона дальтон методом ЭХ сегодня является рутинной операцией и результаты разделения, как правило, не зависят от скорости потока подвижной фазы [149]. Проведение анализа значительно осложняется, когда размер макромолекулы превосходит размер пор макропористого сорбента. В этом случае анализируемый полимер не приникает в поры сорбента и движется по колонке в межгранульном пространстве. Фракционирование полимера по молекулярным массам (или, точнее, по размеру клубка) возможно и в этом случае, но протекать оно должно по механизму гидродинамической хроматографии [7]. Ключевым соотношением для разделений по механизму ГДХ является отношение размера канала rh к размеру разделяемой частицы R (гидродинамическое соотношение = rh/Rh). Согласно теории [7], это соотношение должно быть не меньше 0.2, чтобы разделение можно было реализовать практически. В этой связи гидродинамическая хроматография до сих пор, в основном, использовалась для разделения более крупных образований, чем полимеры (латексы, коллоиды, пигменты и т.д.) [150], которые могут быть разделены в каналах (трубках) достаточно большого размера. Однако для полимеров, имеющих заметно меньший размер, чем латексные или коллоидные частицы, каналы должны иметь субмикронные размеры, чтобы разделение стало возможным. В литературе на сегодняшний день имеются всего две работы [113, 151], где разделение синтетических полимеров пытались провести в полых капиллярах субмикронного размера. Эти разделения можно рассматривать как модельные для разделения полимеров в межгранульном пространстве колонок, наполненных гранулированными сорбентами, или в проходных каналах монолитных сорбентов. Однако авторы [113, 151] смогли получить лишь очень посредственное разделение (рис. 15), что поставило вопрос о том, какого размера должны быть капиллярные каналы, чтобы в них происходило фракционирование не только латексов и коллоидов, но и реальных полимеров. В этой связи, прежде чем перейти к изучению поведения полимеров в проходных каналах монолитных сорбентов, мы исследовали разделение полимеров в кварцевых капиллярах диаметром 2 мкм.
Влияние диаметра капилляра на разделение смеси полистирольных стандартов на полых капиллярных колонках. Сорбаты: толуол и полистиролы с ММ 68103 Да, 127103 Да, 411103 Да и 775103 Да. Радиус капилляров указан в левом верхнем углу рисунка, длина колонок: А - 72 мм, В - 280 мм и С - 323 мм [113].
Конформационные превращения полимеров сверхвысокой молекулярной массы в потоке элюента
Как следует из литературного обзора, конформационные превращения макромолекул, вызванные потоком жидкости, хорошо обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально, но, тем не менее, они никак не проявляются в хроматографических разделениях. Все теории ЭХ и ГДХ предполагают полную независимость относительного удерживания сорбатов от скорости потока элюента, и лишь в механизме СХ [160] предполагается разворачивание полимерной цепи под действием потока элюента. Однако механизм СХ разработан для разделения нуклеиновых кислот, где не наблюдается расщепления профиля элюирования, и вопрос о том, насколько хорошо он согласуется с поведением синтетических полимеров, остается пока открытым. В публикациях [132-133] авторы, имея в своем распоряжении детектор по светорассеянию, еще раз вернулись к этому вопросу. Они пришли к выводу, что переход от режима ГДХ к режиму СХ, происходит у этих полимеров, когда молекула полимера растянута потоком до критической величины, которая равна среднему диаметру каналов в слое сорбента. Поскольку расщепление элюационного профиля означает, что какие-то молекулы начинают удерживаться дольше, чем другие, то момент начала раздвоения пика должен соответствовать моменту начала разворачивания макромолекул и переходу от режима ГДХ к режиму СХ. Согласно теории De Gennes этот переход должен быть достаточно быстрым, но наличие молекулярно-массового распределения у полимерных стандартов и распределения пор по размерам у монолитного сорбента приводят к «сглаживанию» зависимости и она выглядит, так как это показано на рис. 30. В этих условиях критическое значение линейной скорости потока определяли экстраполяцией восходящей ветви кривой на значение ординаты равное 1 (т.е. отсутствие расщепления), как это показано на рис. 35 для полимерного стандарта с ММ =8.91106 Да на колонке 2. линейная скорость потока элюента, мм/с Значения критической скорости потока элюента как функция молекулярной массы полимеров для колонки 2 показаны на рис. 36А. На рис. 36В показана аналогичная зависимость, но от радиуса проходных каналов в монолитном сорбенте. Как видно из рисунка, в обоих случаях наблюдаются линейные зависимости, но если величина критической скорости линейно убывает с ростом молекулярной массы полимера, то с увеличением размера проходных каналов она линейно возрастает.
Эти экспериментальные зависимости получают теоретическое обоснование, если в качестве независимой переменной вместо молекулярной массы и размера канала воспользоваться универсальной переменной – индексом Деборы. Как отмечалось в обзоре литературы, наступление момента конформационного перехода обычно связывают с достижением индексом Деборы величины 0.5 - 1. Для колонки заполненной сферическими частицами индекс Деборы можно найти по формуле [132]: V где: г - время наиболее медленной релаксации полимера, - скорость сдвига, С - константа, равная 1, г[ - вязкость растворителя, rg - радиус инерции полимерной молекулы, kB - константа Больцмана, Т - температура оК, k1 -константа, равная 6 для монолитных сорбентов [138]; - кажущаяся средняя линейная скорость потока, dp - средний размер сферических частиц.
Для того, чтобы оценить соответствие наступления момента конформационного перехода началу расщепления пиков на хроматограмме, мы перестроили графики 30 и 31, используя уравнение 13 и заменив скорость потока на константу Деборы (рис. 38). Для этого в уравнении 13 кажущаяся скорость потока (т.е. величина получаемая делением объемного потока на площадь сечения пустой колонки) была заменена на хроматографическую скорость потока vch (т.е. скорость потока, определенную по времени элюирования неудерживаемого компонента): , а размер частиц сорбента dp был преобразован в размер каналов Rh, формируемых этими частицами [133]: ( ) (14) где Sint - межгранульная пористость колонки, которая в случае монолитной колонки равна доле объема проходных пор в объеме колонки: Eint=Efd. Радиус инерции полистирольных стандартов определяли по уравнению rt = (1.3910-2)М0588 нм [132]. Преобразованное уравнение позволяет перейти от аргумента скорости к аргументу индекса Деборы, если известны размеры проходных каналов Rh: Размеры проходных пор Rh в монолитных колонках находили из аппроксимации экспериментальных калибровочных кривых теоретической функцией (уравнение 8), учитывающей совместное действие гидродинамического и эксклюзионного механизмов разделения (см. раздел 3.2). Найденные значения радиусов проходных пор монолитных сорбентов приведены в табл. 1. Перестроенные в координатах функции Деборы, зависимости, представленные на рис. 30 и 31. Все кривые «сжимаются» в одну кривую, которая показывает, что, независимо от молекулярной массы полимера или размера проходных каналов монолитного сорбента, раздвоение профиля элюирования полимера происходит при достижении индексом Деборы величины 0.5 - 1, т.е. тогда, когда происходит конформационный переход из клубка в вытянутую конформацию. Однако конформационный переход в рассматриваемой системе имеет определенную специфику, которая заключается в том, что хроматографические данные указывают на наличие равновесного процесса между двумя взаимопревращающимися формами (реакционная хроматография). Сама возможность сосуществования различных конформеров в сдвигающем (растягивающем) потоке известна в полимерной химии (см., например, [38] и рис. 4), но рассмотрение его как равновесного процесса заслуживает отдельного обсуждения.
