Gélová permeačná chromatografia

Delenie látok prebieha pri GPC na jemnozrnnom pórovitom materiáli, najčastejšie zosieťovanom organickom kopolyméri (gél), ktorý je zbobtnatený v eluente. Podľa teórie stérickej exklúzie má gél takú štruktúru, že pre najväčšie molekuly nie sú jeho póry vôbec prístupné a tieto molekuly prechádzajú v priestore medzi časticami gélu. Elučný objem týchto molekúl sa potom rovná objemu eluentu v priestoroch medzi zrnami a gélu, čo je vlastne mŕtvy objem kolóny Vo (outer volume). Pre dostatočné malé molekuly sú prístupné všetky priestory v póroch gélu a tieto molekuly sú eluované objemom, ktorý je ekvivalentný celkovému objemu eluentu v kolóne, t. j. mŕtvemu objemu Vo plus objemu eluentu v póroch zŕn gélu Vi (inner volume).

Pre elučný objem danej látky Ve, ktorá eluuje v použitom systéme GPC platí, že:

Ve = Vo + Kd . Vi

Kde Kd je rozdeľovacia konštanta vyjadrujúca distribúciu látky medzi eluentom, ktorý je v pohybe a eluentom tvoriacim stacionárnu fázu, označovanú tiež aj ako stagnujúcu mobilnú fázu.

Ak sú molekuly také veľké, že sú pre ne póry zŕn neprístupné, potom Kd = 0 a eluenčný objem týchto molekúl sa rovná mŕtvemu objemu kolóny Vo. Všetky molekuly s nulovou hodnotou Kd sa vyskytujú v oblasti, ktorá sa označuje ako oblasť totálnej exklúzie a nejde ich v danom chromatografickom systéme vzájomne rozdeliť. Veľkosť relatívne najmenších molekúl s nulovou hodnotou Kd sa označuje ako horný vylučovací limit gélu. Dostatočne malým molekulám, pre ktoré platí, že Kd = 1, sú prístupné všetky póry. Veľkosť relatívne najväčších molekúl, pre ktoré platí že Kd = 1, sa označuje ako spodný vylučovací limit gélu. Látky s veľkosťou molekúl menšou ako je spodný vylučovací limit gélu nejde takto v danom chromatografickom systéme taktiež vzájomne rozdeliť. Oblasť veľkostí molekúl pod spodným vylučovacím limitom gélu sa označuje ako oblasť totálnej penetrácie. Rada gélov má určité množstvo mikroskopických pórov, ktoré sú prístupné i veľmi malým molekulám, a preto nie je mnohokrát spodný vylučovací limit gélu tak presne definovaný ako horný. Pri takýchto géloch sa potom udáva len vylučovací limit, ktorým sa rozumie horný vylučovací limit.

Látkam, ktoré majú menšie molekuly ako je horný vylučovací limit gélu a väčšie ako je spodný vylučovací limit gélu, je prístupná aspoň časť pórov náplne a tieto látky sa delia v závislosti na veľkosti svojich molekúl na danom géli. Ich elučný objem Vr je vlastne zmenšený elučný objem o mŕtvy objem kolóny.

Vr = Ve – Vo

Potom pre redukovaný elučný objem Vr platí:

Vr = Kd . Vi

Na základe teoretických modelov GPC a praktických meraní bolo preukázané, že závislosť rozdeľovacej konštanty Kd na relatívnej molekulovej hmotnosti látky (Mr), ktorá sa k vyjadreniu veľkosti molekuly často používa, sa dá vyjadriť pomocou vzťahu:

Kd = K1 – K2 . log Mr

kde K1 a K2 sú konštanty charakteristické pre daný chromatografický systém.

Úpravou tretej rovnice pomocou rovnice štvrtej s prihliadnutím k tomu, že Vi je pre dané usporiadanie GPC konštantné, možno odvodiť vzťah medzi redukovaným elučným objemom danej látky Vr a jej molekulovej hmotnosti Mr:

Vr = A – B . logMr

Kde A a B sú konštanty charakteristické pre daný chromatografický systém.

Relatívna molekulová hmotnosť Mr je vhodná k vyjadreniu veľkosti molekuly u látok štruktúrne rozdielnych. Preto sa v rade prípadov veľkosť molekuly vyjadruje dĺžkou, priemerom a inými parametrami vychádzajúcich s rozmerov a tvarov molekuly. Rozdielny tvar molekúl spôsobuje, že pri gélovo-chromatografickom delení vysokovriacich uhľovodíkových zmesí eluujú s alkánom, ktorý ma určitú molekulovú hmotnosť, izoalkány s molekulovou hmotnosťou asi o 10 % väčšou a cykloalkány s molekulovou hmotnosťou až o 100 % väčšou. Komplikácie ďalej narastajú pri aromatických uhľovodíkoch, kde ich elúcia je ovplyvnená adsorpciou na géle, takže často eluujú až za spodným vylučovacím limitom gélu. U alkylaromátov sa sorpčný efekt natoľko neuplatňuje, takže eluujú spoločne s alkánmi, ale ich relatívna molekulová hmotnosť je vždy podstatne menšia.

Gelovo-chromatografická metóda separácie sa pomerne často používa k charakterizácii distribúcie molekulových hmotností rôznych vysokovriacich ropných frakcií a asfalténu a na zisťovanie zmien v distribúcii molekulových hmotností týchto frakcií v dôsledku starnutia, oxidácie a štiepenia. Ďalej sa GPC používa k štúdiu vzťahov medzi chemickým zložením a štrukúrou vysokovriacich ropných frakcií a ich fyzikálnymi a užitočnými vlastnosťami. Pretože pri GPC prebieha separácia látok hlavne v závislosti na veľkosti molekúl, pričom rovnako veľké molekuly, resp. molekuly z rovnakým elučným objemom môžu mať rozdielnu molekulovú hmotnosť, nie je obvyklá kalibrácia kolóny pomocou štandardov známej molekulovej hmotnosti dostatočne presná. Správnejším postupom je preto kalibrácia pomocou subfrakcií získaných v dostatočnom množstve gélovo-chromatografickou separáciou vhodných ropných frakcií, ktoré sú štruktúrne podobné analyzovaným vzorkám. Relatívne priemerná molekulová hmotnosť týchto subfrakcií sa stanovuje vhodnou inštrumentálnou metódou, napr: osmometria v parnej fáze.

Vzhľadom na to, že vysokovriace ropné frakcie sú zmesi uhľovodíkových a neuhľovodíkových zložiek pomerne rozdielneho charakteru, je závislosť redukovaného elučného objemu na relatívnej molekulovej hmotnosti omnoho zložitejšia, ako je to u homologických radov jednotlivých typov zlúčenín, pre ktoré často platí posledná rovnica.

Napríklad pri štúdiu separácie atmosférických a vákuovaných zvyškov ropy na géli SX-1 s využitím zmesi 90 % toulénu 10 % etanolu (% OBJ.) ako mobilná fáza bolo zistené, že závislosť relatívne priemernej molekulovej hmotnosti na logaritme redukovaného elučného objemu je možno s vyhovujúcou presnosťou vyjadriť polynomom druhého rádu v tvare:

Mr = A + B . logVr + C . (logVr)2

Kde A, B a C sú konštanty charakteristické pre daný chromatografický systém.

Chemický portál